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チュートリアル

こちらではトヨタ自動車株式会社と豊田中央研究所が共同開発し、現在はトヨタ自動車株式会社が公開する web サイト（https://www.toyota.co.jp/thums/）で無償配布されている、人体傷害解析モデル THUMS ®（サムス：Total Human Model for Safety）についてご紹介しております。
チュートリアル記事は1ページ目のみを本誌掲載し、続きは日本計算工学会 HP 上で公開していますので、そちらも併せてご参照ください。

人体傷害解析モデル THUMS® の活用―自動車衝突問題への適用編―
1

名田 彩希子

はじめに

本稿は、人体の傷害予測のために開発された有限要素解析用バーチャル人体モデルである THUMS® について、その概要と活用例の紹介を行うチュートリアルのシリーズ第二弾となります。
まず前号（Vol.28, No.1）掲載の初回記事の内容のおさらいですが、初回では解析用の人体モデルや、人体の傷害予測シミュレーションにこれまでなじみがなかった方向けに、THUMS® というモデルの基礎的な情報にフォーカスして解説を行いました。概要は以下の通りです。

✧ THUMS® 開発の背景、活用領域と現状➢ 自動車衝突時の傷害予測を目的として開発➢ 自動車衝突領域にて世界中で活用➢ 更なる利用拡大を目的に無償配布開始✧ THUMS® のバリエーション➢ 機能の異なる3種類の Version が利用可能➢ サイズ（体格 / 性別 / 年齢）が豊富➢ 高齢者、妊婦、肥満体型のモデルも利用可能✧ THUMS® の機能と特徴➢ 医療用画像データを元に形状を忠実に再現➢ 人体組織の機械的特性の再現を検証済み➢ 瞬間的な筋緊張を表現できる機能を実装✧ THUMS® の傷害評価➢ 骨折や脳、内臓や組織の損傷を評価可能➢ 正しく評価するには多くの情報が必要

また、初回の情報への補足となりますが、前号掲載
後新たに Version7が THUMS® のラインナップに追加されました。このバージョンでは、筋緊張（身体の強張り）が表現できる機能と詳細な内臓・脳のモデルを持つ
Version6をベースに、心臓や腸、脊椎などに変更が加えられています。モデルの顕著な変更点を図1に示していま す。 詳 細 な 情 報 は、 ト ヨ タ 自 動 車 株 式 会 社 のTHUMS® 公式サイトから無償で取得できるモデル本体と同梱のマニュアルをご参照ください。

図1

Version6と7の内臓比較

以上を踏まえて、本稿では THUMS® がこれまで最も実績を積んできた自動車衝突の問題を例に、傷害予測解析モデルのセットアップ手順と有用なツール（解析プリ設定用ソフトウェア、傷害値評価ツール）の紹介、そして実際にそれらを利用して解析、傷害評価を行った結果をお伝えします。

（※傷害評価補助ツールを本稿で紹介）

初回記事は、日本計算工学会 HP 上で全編確認することができます。本稿の内容の理解がしやすくなりますので、ぜひご一読ください。
筆者紹介
図2

なだ さきこ自動車衝突解析と傷害評価のイメージ

2017年、 株 式 会 社 JSOL 入 社。 構 造 解 析 用 ソ フ ト
ウェア Ansys LS-DYNA のサポート業務に従事。その他、衝突用有限要素ダミーモデルおよびバリアモデル、人体傷害解析モデル THUMS のサポート®

業務を担当。

（24）

続きは Web で
日本計算工学会誌「計算工学（Vol.28, No.2）」HP:
https://www.jsces.org/activity/journal/
計算工学

チュートリアル2

人体傷害解析モデル THUMS® の活用―自動車衝突問題への適用編―

自動車衝突解析のセットアップ

人体モデル THUMS® と車両モデルを用いて、自動車衝突解析のシミュレーションモデルを構築していく大まかな流れは以下のようになります。

図3から、アニメーション確認、履歴（グラフ）確認、そして結果レポート作成まで、簡単な操作で行えることを目指して開発されています。
PRIMER は複雑な設定であってもその参照関係を追跡しやすく、モデルのチェック機能も充実しています。また、図5のシートベルトフィッティングや、次の節のポジショニング、シート着座解析など、自動車の乗員安全解析用モデル作成を補助する機能を多数備えていることも強みのひとつです。
実装されている様々な機能の使い方については、開発 元 の Ove Arup & Partners が YouTube チ ャ ン ネ ル（https://www.youtube.com/@OasysLtd/playlists）に 多 数 解説動画をアップロードしています。初めて利用する機能や、使い方が不明な機能がある場合は、まずはこのチャンネルをご覧頂くことをおすすめします。

自動車衝突解析シミュレーションモデル構築の流れ

上記の通り、最終的な自動車衝突解析までに2つの事前解析を実施するのが、最も基本的な手順となります。ポジショニング工程、シートへの着座工程の解析で得られた THUMS® の姿勢やシートフォームの変形後（THUMS® 着座後）の形状情報を反映した状態で次の工程の解析をスタートするには、それぞれの工程の解析終了時点における座標情報を次の工程のシミュレーションモデルにインポート（THUMS® やシート等の座標情報を置き換え）する必要があります。
この前工程の情報の引継ぎ操作も含めて、それぞれの工程のセットアップを補助してくれるソフトウェアが、自動車衝突・乗員安全解析に特化したプリプロセッサ―である PRIMER です。
2.1 解析セットアップ（ARUP Software PRIMER）前述の PRIMER は ARUP Software のパッケージに含まれるソフトウェアのひとつで、このパッケージはPRIMER の他にポスト処理用ソフトウェアの D3PLOT、T/HIS、REPORTER からなります。これらは自動車衝突解析に携わるエンジニア向けに開発された CAE ツールで、いずれのソフトウェアも、モデルが大規模になることが多く解析設定やその結果評価が複雑になりがちな自動車衝突という解析対象について、モデル構築

図4
計算工学

ARUP Software パッケージ一覧

図5

PRIMER を利用したシートベルトフィッティング

2.2 THUMS® 姿勢変更 & シート着座セットアップ機能
PRIMER では V17以降のバージョンで THUMS® の姿勢変更（ポジショニング）解析のセットアップを行うこと が で き ま す。 ポ ジ シ ョ ニ ン グ を 行 う に は、 ま ず
THUMS® の各部位間の関連性や動きの起点・回転軸などのアセンブリ設定を含むツリーファイルを取得する必要があります。ツリーファイルの配布は、PRIMER の提供元がユーザーの要望に応じて行うため、提供元の窓口までお問い合わせください。なお、2023年2月の現時点では、Ver.4〜6の全てのモデルに適合するツリーファイルを提供しています。最新版 Ver.7、特殊な用途向けモデル（高齢者・肥満体型・妊婦・後突用）、EuroNCAP
TB024評価用モデルはまだ提供されていません。
ツリーファイルを取得できたら、THUMS® にツリーファイルを読み込ませ、あとは PRIMER 上でポジショニング初期位置の指定、目標姿勢（手足、脊椎、頭の位置）の指定を行って、解析用のモデルを書き出します。
詳細な手順はツリーファイルに同梱のマニュアルで確認することができます。また、ポジショニング設定についても YouTube にチュートリアル動画が掲載されています。そちらをご覧頂くと、セットアップ作業がイメージしやすくなります。
（人体モデルポジショニング関連再生リスト：https://
youtube.com/playlist?list=PLmRf1XLsebECpkIrQeNXTj
nTE_K9bwmxE）
実際に操作してみると、各部位の位置調整について、各関節の回転角度入力による姿勢指示はもちろん、動かしたい部位をマウスのドラッグ & ドロップで（24-2）

Vol.28, No.2 2023

チュートリアル

人体傷害解析モデル THUMS® の活用―自動車衝突問題への適用編―移動させることもでき、直感的に操作できることが分かるかと思います。

図83

図6

姿勢変更解析セットアップ画面

セットアップが完了したモデルを書き出すと、図のように初期姿勢の THUMS® モデルにケーブルのような要素がついたモデルが書き出されます。このケーブルのような要素は、セットアップ時に指定した初期位置から目標 位 置 ま で THUMS® の 各 部 位 を 引 っ 張 る た め にPRIMER が付与した解析設定になります。このケーブル
要 素 が つ い た セ ッ ト ア ッ プ 済 み モ デ ル を Ansys
LS-DYNA によって計算すると、図7のように初期姿勢から目標姿勢への姿勢変更がシミュレーションされます。
なお、セットアップ設定パネル上にケーブルの剛性や引張時間、さらに減衰時間を入力する欄があります。減衰時間というのは、身体の部位を短い時間（デフォルト引張時間0.1秒）で引っ張って動かすため、そのときに発生する身体の振動を落ち着かせるための時間です。基本的には、いずれの設定値もデフォルトのままで計算は安定して流すことができます。もし計算不安定になる場合は、初期位置と目標位置が大きく離れすぎていないか（ケーブルによって引っ張る移動量が大きすぎていないか）を確認し、必要に応じて現象時間の延長やケーブル剛性の調整を検討してください。

図7

傷害値評価ツール（IRV: Injury Risk Visualization tool）

THUMS® の傷害を評価するには、実際の人体を対象とした傷害に関する文献や THUMS® を利用した既往の研究報告、あるいは人体ダミーモデルで利用していた評価指標など、多くの情報を収集し、それらと照らし合わせながら分析していく必要があります。また、モデル自体が細部まで詳細に作りこまれているため、身体のどこにどの程度の傷害が起きているかを把握するにも時間がかかってしまうことがあります。
IRV は、主にダミーモデルでよく利用されている傷害評価指標と傷害リスクカーブ算出用のパラメータ情報を多数の文献から収集して実装しており、それらの情報に基づいて骨格や脳、内臓の傷害評価をボタンの操作のみで簡単に行うことができます。また、傷害リスクカーブにより算出したリスクを、全身モデルへマッピング表示することにより、身体のどの部分にどの程度の傷害が発生しているかを一目で把握することができます。
ここで、Ansys LS-DYNA での計算を経て、評価ツールを利用するまでの流れを図9に示します。ツールの利用に必要なのは傷害評価を行いたい解析結果の d3plotファイルと binout ファイル一式で、コマンドラインプログラムの実行時にこれらを指定すると、評価対象となる部位の要素の最大主ひずみ、節点の加速度など、必要な情報を抽出して、評価ツールに読み込めるファイル（csv 形式）に変換します。ちなみに、ツールを利用する際には web アプリケーションへのデータのインケーブル引張による姿勢変更解析結果

基本の手順ではこのポジショニング解析を行った
後、別の解析としてシートに THUMS® を座らせる解析を行うのですが、THUMS® の手足の移動（ポジショニング）とシート着座を一つの解析で行うようにセットアップすることも可能です。こうすることで、工程を一つにまとめることができ、作業時間を短縮できます。
計算工学

シート着座解析結果（24-3）

図9

傷害値評価ツール利用の流れ
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チュートリアル

人体傷害解析モデル THUMS® の活用―自動車衝突問題への適用編―

ポートが必須となりますが、このときファイルの内容はサーバにアップロードされずにローカルコンピュータのメモリ上にのみ記録されますので、解析の情報が外部に流出することはありません。
続いて、web アプリケーション画面の説明を図10に示します。左側の傷害リスクマップから重症度を詳しく確認したい部位をクリックすると、右側の傷害値プロットとリスクカーブ設定の内容がクリックした部位の履歴とリスクカーブ情報に切り替わります。脳については複数の傷害指標が実装されており、デフォルト
では最大主ひずみ（MPS: Maximum Principal Strain）の指標が選択されているため、それ以外の指標での評価結果に切り替える場合は、右下のリスクカーブ設定タブの Criteria から任意のものを選択し Apply を押して反映させます。

IRV での傷害評価の際に表示される AIS とは、この重症度コードのことを指しています。
3.2 実装されている評価指標
内臓と靭帯を除く、全身の骨格と脳については文献から参照した傷害評価指標と、リスクを算出するリスクカーブパラメータをプリセットとして登録してあります。実装されている指標とリスクカーブ、参考文献については表2にまとめています。
各傷害指標について、その概要を説明しておきます。

✧ Maximum Principal Strain（MPS）

対象部位内の要素における最大主ひずみの最大値をもとに評価する。

✧ Cumulative Strain Damage Measure（CSDM）

対象部位において閾値以上のひずみが生じた要素の体積割合の累積値をもとに評価する。主に脳傷
害 評 価 に 用 い ら れ、 び ま ん 性 軸 索 損 傷（DAI:Diﬀuse Axonal Injury）を主な対象としている指標。

✧ Head Injury Criterion（HIC）

頭部重心の三軸合成加速度から求められる。評価には積分値が用いられるため、加速度の持続時間も影響する。古くから自動車業界で用いられてきた指標。

✧ Brain Injury Criterion（BrIC）

頭部重心の回転速度成分から求められる。回転運動による脳の損傷程度評価のための指標。

✧ Peak Virtual Power（PVP）

ミーゼス応力×ミーゼスひずみ速度で導出される Organ virtual power の履歴をもとに、そのピークにより評価する。ピーク値はより大きくなった場合のみ更新されるため、下がらない。

図10

Web アプリケーション画面概要

3.1 AIS とは「簡易損傷スケール」＝ AIS（Abbreviated Injury Scale）
は、自動車事故による損傷の種類と重症度を分類するための標準体系として考案されました。AIS コードは以下の例のように6桁の整数と1桁の小数からなる数値コードです。
（例）大腿骨開放骨折：853001.3[1]整数6桁が損傷の種類を表し、小数部分1桁が重症度を表すコードになっています。重症度コードについては1〜6の数値が割り当てられ、その数値が表す内容を表1にまとめています。
表1

AIS コード
123456
計算工学

AIS 重症度コード

重症度
軽症 minor
中等度 moderate
重症 serious
重篤 severe
瀕死 critical
救命不能 maximal

IRV の骨折評価については、部位によって基準となるAIS が異なるので注意が必要です。脊椎と頭蓋骨などはAIS3、それ以外は AIS2の発生確率を算出しています。
加えて、図11中に説明を記載している通り、肋骨に関してはリスクマップおよび傷害値プロットで表示できる内容が2種類あります。デフォルトの表示は、1本ずつの骨折確率をもとに左側、右側のそれぞれ12本中何本が折れるかという総合的なリスクを表示しているモードです。肋骨1本ずつの骨折確率をリスクマップ上に表示したい場合は、リスクマップ付近（人体の絵には被らない位置）で右クリックし、[view rib]->[show multi]を選択すると表示を切り替えることができます。

（24-4）

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表2

人体傷害解析モデル THUMS® の活用―自動車衝突問題への適用編―

Criteria

Risk Curve

Referenceφ(ln (X) −b)
aKemper,
2005[2]MPS[AIS1~4+]φ(ln (X) −b)
aForman,
2012[3]MPS[AIS1~5+]φ(ln (X) −b)
aTakhounts,
2013[4]

CSDM[AIS1~5+]φ(ln (X) −b)
aTakhounts,
2013[4]

1X

NHTSA,
1998[5]X k1−e−(b a )Prasad,2010[6]k−b X
aPrasad,2010[6]

Corticalbonefracture

MPS[AIS2 or 3]

RibfractureBraininjury

HIC36(CFC1000)[AIS2+,4+]
HIC36(CFC600)[AIS3+,4+]
HIC15(CFC600)[AIS3+,4+]1−e(a−bX k c )

1−e

BrIC
[AIS1~5+]φ(ln (X) −b)
aTakhounts,
2013[4]

PVP[AIS4+]

aV3 + bV 2 + cV

Bastien,2020[7]

表3

Risk Curve
weibullsigmoid
normal cdf
cubic

図11

4に衝突したケースを想定して、PRIMER を用いてセットアップを行っています。THUMS® は筋肉の強張りが考慮できる Ver.6.1 AM50 Occupant モデルを使用していますが、今回は筋活性をオフにして解析を行っています。
シートベルトフィッティングも PRIMER の機能で行い、3点シートベルトは THUMS® の表皮にぴったりとフィットするように配置されています。ベルトに関しては、プリテンショナーとフォースリミッターの制御設定も含まれています。

リスクカーブパラメータ実装済の評価指標一覧

図12

シミュレーションモデル概要

4.2 アニメーションの確認と IRV による傷害評価
図13は30ms ごとの全身の挙動を示しています。解析は150ミリ秒まで計算し、正常終了しました。
この解析結果について、IRV で骨折リスクと脳傷害リスクをそれぞれ確認していきます。

リスクカーブ関数一覧

Formulaln (X) −bφ()
ak

−b X
1−e a1(a−bX k + c )X
1−eaV3 + bV 2 + cV

骨折評価 AIS と肋骨傷害評価

フルラップ正面衝突事例解析

ここまで紹介してきたツールを実際に利用した例として、フルラップ正面衝突のシミュレーションモデル
を ARUP Software PRIMER で 構 築 し、Ansys LS-DYNAで計算実行後、IRV を利用して傷害評価を行います。

4.1

解析セットアップとポジショニング

図12に今回使用したシミュレーションモデルを示します。モデルは中型のセダン車が速度64km/h で剛体壁
計算工学

（24-5）

図13

衝突時の全身の挙動
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図14に傷害リスクマップを示しています。なお、脳については CSDM（ひずみ閾値25％）の AIS2（中等度）相当のリスクをマッピングしています。また、IRV では年齢による骨折リスクスケーリングもできるため、参考までにデフォルトの35歳よりも年齢を上げた80歳相当のリスクマップも確認してみました。既に傷害リスクが高かった箇所のリスクが上昇していること、そして35歳ではリスクが低かった左の鎖骨、骨盤、右の下腿においてリスクが上昇しているのがわかります。

（a）高リスクの箇所と挙動（側方）（a）35歳図14（b）80歳（b）T10、L4最大主ひずみコンター（下方）全身の傷害リスクマップ

図15

デフォルトである35歳での評価に注目していきますが、リスクマップから今回の解析で高リスクとなっているのが腰椎であることがわかります。IRV 上ではこの評価の元になった MPS の最大値を確認することができるので、この値を元にアニメーションを見ながら高リスクとなった原因の挙動を確認してみます。
アニメーションで MPS 最大値の箇所を確認したとこ
ろ、90ミリ秒付近で L4の下側が椎間板を圧迫することで大きなひずみが出ていることがわかりました。同じ要領で胸椎についても挙動を確認してみると、こちらも同じく90ミリ秒付近で T10の下側の後端が T11の上側の後端と接触しており、ぶつかり合う箇所で最大主ひずみが出ていることがわかりました。
続 い て、MPS、CSDM（ひ ず み 閾 値25％）、BrIC、HIC36（CFC1000）のリスクカーブと各指標より導出した AIS2相当の脳傷害リスク％を図16に示します。リス
クカーブの縦軸は全てリスク％、横軸は各指標の評価値が当てはまります。
脳の要素の最大主ひずみをもとに評価している MPSと CSDM では、MPS が100％のリスクとなっている一方、CSDM は少しリスクが低下して60％程度となります。また、MPS の AIS を5に変更して確率を算出すると、これも100％のリスクとなりましたが、CSDM の方は AIS5では20％程度となりました。このことから、重大な傷害につながる可能性が高い大きなひずみは局所的に発生しているものの、閾値25％を超えるような箇所は限られていることがわかります。

計算工学

傷害リスクの高かった脊椎のひずみ分布

図16

脳傷害リスクカーブ比較

頭部重心位置での加速度/速度をもとに評価する
BrIC と HIC36では、BrIC の方がより高リスクとなりまし た。 な お、HIC36の 算 出 値 は325.5で し た。 こ の、
HIC36と BrIC の 評 価 の 違 い か ら、 今 回 の シ ミ ュ レ ー
ションにおいては並進運動よりも回転運動に伴う傷害に注目しなければいけない可能性が考えられます。
4.3 IRV による複数ケースの傷害比較
最後に、シートベルトのフォースリミッターの設定について、引き出し量に対する荷重の値を変えて、全身の骨折リスクと脳傷害がどのように変化するかをIRV で見ていきます。比較は、ベースモデル、1.2倍、1.3倍、2.0倍の全4ケースで行います。

（24-6）

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5

おわりに

今回は実際に THUMS® を使ったシミュレーションモ
デルを作成するにあたって有用なソフトウェアの紹介と、実際に自動車衝突解析を用いてそれらを活用した例をお伝えしました。次回はスポーツなどの問題に対して THUMS® を適用した例を紹介していきます。
■参考文献
[1]

図17

拘束荷重の異なる4ケースの骨折リスクマップ

図17は各ケースの骨折リスクマップを並べています。ベースモデルでは腰椎のリスクが高くなっていましたが、ベルトによる拘束荷重が大きくなるほど腰椎のリスクは低下していきます。一方で、ベルトにより圧迫される胸骨、そして胸椎、顔面へのリスクが上がっていきます。
脳 傷 害 に つ い て も AIS2相 当 の CSDM（ひ ず み 閾 値25％）と HIC36（CFC1000）のリスクカーブを図18に示しています。IRV では複数の結果を読み込むことができるので、このように各ケースのリスクを比較することができます。まず、CSDM では1.2、1.3倍と荷重を大きくしていくとリスクが低下していることがわかります。一方で2.0倍にすると、ベースモデルよりもリスクが大きくなってしまいました。HIC を見ると、こちらは拘束荷重が上がるほどリスクが上昇していることがわかります。
これまでの内容から、フォースリミッターによる拘束荷重増加により、下腹は拘束されて傷害が下がり、一方で腹部より上はその拘束の影響を受けて傷害の程度が大きくなりやすい傾向が読み取れました。このように IRV を利用すると、解析条件を変えた際の傷害の程度、受傷箇所の変化を非常に簡単に把握することができます。

図18

計算工学

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

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Takhounts, E.G., Craig, M.J., Moorhouse, K., McFadden, J.,"Development of Brain Injury Criteria (BrIC)", Stapp Car
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Tr a u m a t i c F a l l " , M a t h e m a t i c a l a n d C o m p u t a t i o n a lApplications, Vol25-3 (2020)
日本外傷学会、日本外傷学会トラウマレジストリー検討委員、へるす出版、“AIS 2005 Update 2008 日本語対訳版” (2017)

拘束荷重の異なる4ケースの脳傷害（24-7）

Vol.28, No.2 2023