科研費 - 水野 幸治
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立位CTと人体有限要素モデルを用いた高齢者の転倒による傷害機序の解明と試験法の構築
研究課題/研究課題番号：25K01464 2025年4月 - 2028年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
水野 幸治, 大高 洋平, 森 直樹, 趙 雨晴, 山本 創太
担当区分：研究代表者
配分額：14820000円 （ 直接経費：11400000円 、 間接経費：3420000円 ）
高齢者の転倒における股関節骨折数は数多く発生している．これまで，数理シミュレーションによる転倒傷害分析では，特定の身体部位をモデル化した有限要素解析が実施されてきたが，本研究では，様々な体格・体型からなる全身有限要素モデル群を構築して転倒シミュレーションを行い，転倒に起因する股関節および頭部への傷害機序を解明する．傷害防止対策としてヒッププロテクタや安全床があるが，その性能に関する評価試験は確立されていない．そこで，全身有限要素モデルを用いた解析に基づき，転倒に伴う股関節骨折および頭部傷害リスクを正しく評価するための試験法を構築する．さらに，傷害防止に有効な安全床の設計指針を提案する．
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交通事故における自動車コーナー部と衝突した交通弱者の挙動及び傷害メカニズムの解明
研究課題/研究課題番号：24K07981 2024年4月 - 2027年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(C)
寺島 孝明, 水野 幸治
担当区分：研究分担者 資金種別：競争的資金
配分額：250000円
本研究では自動車のコーナー部と歩行者・自転車などの交通弱者の衝突事故を対象とし、事故の低減、被害軽減を進める上で必要不可欠な交通事故実態の解明を行うと共に交通弱者の保護方法を検討する。
研究では、交通事故統計データを分析し、マクロ的な視点から事故が多く発生する状況などの特徴を明確にする。また、自動車と歩行者・自転車の事故を再現した実車衝突実験、シミュレーション解析を行い、ミクロ的な視点から交通弱者の挙動、自動車及び路面との衝突における傷害発生機序を明らかにするとともに、必要となる保護方法を明確にする。
本研究では、自動車コーナー部に歩行者・自転車等の交通弱者が衝突する事故について、交通弱者の挙動、自動車及び路面との衝突における傷害発生機序を明らかにすることで、事故の低減、被害軽減を進める上で必要不可欠な交通事故実態を解明することが目的である。また、交通弱者のうち、歩行者と自転車乗員での比較を行い、それぞれに必要となる保護方法についても検討する。
研究初年度である令和６年度は、警察庁の交通事故統計データベースを用いて、自動車の危険認知速度や衝突場所などについて分析を行い、全国における交通事故実態を調査した。
また、自転車の側面に自動車前面のコーナー部が衝突する事故を再現した実車衝突実験を行った。自動車はボンネット車を用いて、衝突速度は15または30 km/h程度とし、自転車との衝突直後に制動させた。自転車には成人女性を模擬した人体ダミー（Hybrid-III AF05）を乗車させ、停止状態とした。実験は自転車と自動車の衝突位置を変化させて複数回行った。実験の結果、自転車と自動車の衝突位置により、自転車乗員の挙動が大きく変化した。自転車乗員の腰部が自動車のボンネット前方に位置する衝突条件では、自転車乗員はボンネット方向に倒れ込み上半身をボンネットに衝突させた後、自動車の減速に伴い前方へと投げ出された。他方で、自転車乗員の腰部が自動車のボンネット前方よりも外側に位置する衝突条件では、自動車のボンネット前方にある自転車の前輪または後輪が自動車のバンパと接触することで自転車が回転し、乗員は自動車の側方に倒れ込む挙動となり、自動車と乗員の接触は限定的になるという知見が得られた。
さらに、自動車コーナー部と自転車が衝突する形態について、有限要素解析によるシミュレーションのモデル検証を行った。
交通事故統計データの分析を行い、さらに詳細な分析が必要であることがわかった。他方で、実車実験準備が早期に進み、予定していた件数以上の実験を行えたこと、シミュレーションモデルの作成も進んでいることから、総合的におおむね順調に進展していると評価した。
交通事故統計データのより詳細な分析を進めるとともに、衝突速度、衝突形態等の各種条件を変更して実験を行い、人体ダミーの挙動、車両や路面の痕跡等の各種データを収集する。さらに、シミュレーションにより様々な衝突条件における自転車乗員の運動学を解明するとともに、傷害に関しては実験では扱えない人体モデルを用いることで骨や脳組織の材料レベルから損傷メカニズムを検討する。適宜、研究成果をまとめ学会発表を行う。 -
自動運転に向けた解剖学を考慮した人体のシートベルト拘束方法に関する研究
研究課題/研究課題番号：23K22996 2024年4月 - 2026年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
水野 幸治, 田中 良知, 細川 成之, 一杉 正仁, 趙 雨晴
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
配分額：13000000円 （ 直接経費：10000000円 、 間接経費：3000000円 ）
自動車衝突時にラップベルトは常に乗員の骨盤前縁に係合し続けていなければならない．ラップベルトが骨盤から外れると（サブマリン），ベルトが腹部に侵入し，重篤な傷害をもたらす．将来の自動運転における自由な着座姿勢も考えると，衝突においてサブマリンの防止は乗員保護における重要な課題である．
本研究では，被験者の立位CTからベルトと骨盤の位置関係を求め，さらに，実車での着座姿勢，ベルトの位置を調べる．さらに，CT画像を基に人体有限要素モデルを構築する．これにより，ラップベルトが骨盤を拘束するメカニズムを明確化し，男女別，腹部形状，着座姿勢およびベルト経路を考慮した，サブマリン防止方法を確立する．
自動車衝突時の乗員保護のためには，ラップベルトが常に乗員の骨盤前縁に確実に係合している必要がある．ラップベルトが骨盤から外れると（サブマリン現象），ベルトが腹部に食い込み，重篤な傷害を引き起こすおそれがある．将来の自動運転においては自由な着座姿勢が想定されるため，衝突時におけるサブマリンの防止は，乗員保護における重要な課題となる．
本研究では，50名の被験者に対して立位CT撮影を行い，ベルトと骨盤との位置関係を求めた．さらに，実車を用いて着座姿勢およびベルト位置の実態調査を実施した．これにより，世界で初めてベルトと骨盤との正確な3次元位置関係を明らかにした．ベルトは通常，鼠径部に位置するが，BMIが低い場合は平坦な腹部へと移動しやすく，一方，BMIが高い場合には腹部の皺により鼠径部に安定して位置することが示された．また，サブマリンの発生リスクを評価する指標である「ベルト-ASISオーバーラップ」はBMIが高いほど大きくなり，「ベルト-骨盤角」は着座姿勢に依存することが明らかとなった．
さらに，CT画像を基に男女の人体有限要素モデル群を構築し，ラップベルトによる骨盤拘束メカニズムおよびサブマリン発生メカニズムを解析した．その結果，BMIが低い乗員では，姿勢の変化によりベルトが腹部側へ移動しやすく，サブマリンが発生しやすいことがわかった．一方で，BMIが高い乗員では，ベルトが深い腹部皺内に留まり，厚い軟部組織によって骨盤への力が分散されるため，サブマリンが発生しにくいことが示された．
本研究の2024年の成果は，英語論文1件，国際会議発表1件，国内学会発表1件として公表した．また，本研究は高い評価を受け，文部科学大臣表彰研究技術賞（研究部門）および自動車技術会論文賞を受賞した．．
被験者5名による自動車走行中のベルト位置と骨盤姿勢の計測を行ったところ，時間の経過とともに姿勢が変化し，ベルトと骨盤との位置関係が変わることが判明した．前席着座時には大きな姿勢変化は見られなかったが，後席ではすべての被験者において腰部が前方へ移動し，それに伴って骨盤が後傾する着座姿勢の崩れたスローチング姿勢が約10分周期で繰り返されることがわかった．さらに，この実測データに基づき，人体モデルの姿勢を変化させた有限要素解析を行った結果，このようなスローチング姿勢ではサブマリン現象が発生する可能性が高くなることが予測された．
また，身長が150 cm未満の小柄な女性被験者においては，座席クッション前端で膝関節を曲げて着座する必要性から，腰部を前方に位置させたスローチング姿勢をとっていることが確認された．運転席ではこの状況に対応するためにシートバックを立てた姿勢で着座していたが，後席では走行中もスローチング姿勢が継続し，時間経過とともにさらに骨盤の後傾が進行していた．
これらの実際の着座姿勢について，さらに研究対象や走行条件を広げて実施する必要性が発生し，2025年も研究の継続を行うこととした．
2025年は残された課題として，被験者による自動車走行中の姿勢計測と分析をさらに進める．さまざまな体格の男性・女性を対象として，骨盤位置および骨盤角度の長時間乗車による時間変化を取得する．特に，150 cm未満の身長の低い女性については，スローチング姿勢になりやすく，衝突時の傷害リスクも高くなるため，着座姿勢とその時間的変化を詳細に調べる．前席と後席でも，乗員の骨盤位置と骨盤角は変化することがわかったため，今年度は着座位置も変えて計測を行う．
得られたデータに基づき，着座姿勢およびその変化について，乗員の着座位置や体格による系統的な統計分析を行い，特徴的な姿勢変化の抽出と，その要因を明確化する．姿勢変化に伴うラップベルトと骨盤の相対位置の時間変化について分析するとともに，有限要素解析を用いて，これらの姿勢変化に対するサブマリン現象の発生リスクを計算し，その防止方法についても検討する．これまでの結果を統合し，実際の乗員着座の多様性とそれに対するサブマリン防止方法を提案する． -
自動運転に向けた解剖学を考慮した人体のシートベルト拘束方法に関する研究
研究課題/研究課題番号：22H01728 2022年4月 - 2025年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
水野 幸治, 田中 良知, 細川 成之, 一杉 正仁
担当区分：研究代表者
配分額：13000000円 （ 直接経費：10000000円 、 間接経費：3000000円 ）
自動車衝突時にラップベルトは常に乗員の骨盤前縁に掛かり続けていなければならない．ラップベルトが骨盤の上前腸骨棘から外れると（サブマリン），ベルトが腹部に侵入し，重篤な傷害をもたらす．本研究の目的は「ラップベルトが骨盤を拘束するメカニズムを明確化し，男女別，腹部形状，着座姿勢およびベルト経路を考慮した，サブマリン防止方法を確立する」である．被験者によるベルト着用状態でのCTデータを参照して身体的特徴を再現した個体別人体有限要素モデルを作成する．実際の乗車時や自動運転での多様な姿勢を反映させ，サブマリン発生メカニズムを，有限要素解析およびダミーを用いたスレッド（台車）衝撃実験によって解明する．
自動車衝突時にラップベルトは常に乗員の骨盤前縁に係合し続けていなければならない．ラップベルトが骨盤の上前腸骨棘（ASIS）から外れると（サブマリン），ベルトが腹部に侵入し，重篤な傷害をもたらす．衝突事故では特に後席においてサブマリンの発生がしばしば見られ，この防止は乗員保護における重要な課題である．本研究の目的は「ラップベルトが骨盤を拘束するメカニズムを明確化し，男女別，腹部形状，着座姿勢およびベルト経路を考慮した，サブマリン防止方法を確立する」ことにある．
本年度は3次元身体計測データをもとに，有限要素モデルを作成し，このモデルを用いて，様々な姿勢におけるサブマリン発生リスクを検討した．さらにダミーを用いた実験により，サブマリン発生状況を調べた．
様々な姿勢における4つの体格の人体有限要素モデル（男性低BMI，標準BMI，高BMI，小柄女性）の動的シミュレーションから，サブマリンの発生に対して，モデルや姿勢を横断する変数として「ラップベルトと骨盤のなす角」，「ラップベルトと骨盤のオーバーラップ」，「衝撃時の骨盤の後方回転角」の３つが有意に影響を及ぼすことを特定した．これらの変数の時系列分析から，ラップベルトが骨盤前縁と係合してから，骨盤が回転し，骨盤軟部組織のせん断変形を伴いながら，ラップベルトが骨盤前縁を滑り出すというサブマリン発生メカニズムを明らかにした．今後，サブマリン発生防止のための方策についても検討していく予定である．
研究成果について，日本語論文１件，国際会議１件，講演会３件の発表を行った．自動車技術会の講演発表については，学術講演会優秀講演賞を受賞した．来年度は，英語による論文投稿を行っていく．
本研究課題は身体計測，有限要素モデル作成，シミュレーション，実験からなっている．現在までの実施状況を下記に示す．
(1) 立位型CT装置を用いた被験者によるラップベルト着用状態での3次元CTデータをもとに，身体計測，着座姿勢，骨盤に対するベルトの位置等を調べた．
(2) このデータを参照して，モーフィングにより人体有限要素モデルTHUMSの軟組織を修正し，低BMI，高BMIの男性人体有限要素モデルを作成した．
(3) 3つの着座姿勢（標準，リクライニング，スローチング）による4種類の人体有限要素モデル（男性低BMI，標準BMI，高BMI，小柄女性）の動的シミュレーションを実施した．低BMI，リクライニング，スローチング姿勢ではサブマリンが発生しやすいことが明確となった．
(4) ダミー（前席，後席，リクライニング姿勢，スローチング姿勢）によるスレッド（台車）実験を行った．小柄女性ダミーでは前席リクライニング，後席スローチング姿勢でサブマリンが発生した．男性ダミーではいずれの条件でもサブマリンが発生しなかった．
今年度はサブマリン発生メカニズムの解明に主眼を置いた．発生メカニズムはほぼ明らかになりつつあり，計画よりも順調に研究を進めることができた．
今後，実際の乗員のラップベルトの骨盤上の位置，およびサブマリンリスクの状況を把握するため，下記のように研究を進めていく予定である．
１．事故分析を行い，ラップベルトによる腹部傷害の現状を調べる．
２．現在の人体有限要素モデルは体幹と大腿部まわりを中心にモーフィングしている．さらに，上肢や下腿などのモーフィングも行い，有限要素モデルの精度を向上させる．サブマリンの発生に影響を及ぼす変数として，「ラップベルトと骨盤のなす角」，「ラップベルトと骨盤のオーバーラップ」，「衝撃時の骨盤の後方回転角」の3つを特定したが，さらに，これらの変数のサブマリン発生に対する閾値ないしは発生確率を求める．ベルトアンカー位置，ベルトデバイス，エアバッグ，シート座面形状を変えてシミュレーションを実施し，サブマリン防止のための設計指針を得る．
３．実際の乗車時にはラップベルトが人体の骨盤に装着され続けているとは限らない．乗員は様々な乗車姿勢を取るとともに，ラップベルトには巻き込みのためのベルト張力が加わり続けるので，骨盤に対するベルトの位置は動的に変化しうる．ベルトの装着位置の時間推移を調べるため，被験者の目的地までの乗車において，ベルトと骨盤の位置関係の時間変化を計測する．被験者の性別，年齢，体格，およびベルト装着位置の指導の有無で比較して，統計分析を行う． -
自動運転に向けた四輪車対自転車事故の統合安全に関する研究
2019年4月 - 2022年3月
科学研究費補助金 基盤研究(B)
水野幸治
担当区分：研究代表者
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研究課題/研究課題番号：19H02259 2019年4月 - 2022年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
水野 幸治, 青木 宏文, 一杉 正仁, 伊藤 大輔
担当区分：研究代表者
配分額：9490000円 （ 直接経費：7300000円 、 間接経費：2190000円 ）
本研究では四輪車対自転車衝突事故を対象として，事故とヒヤリハットのドライブレコーダ映像を比較し，事故の発生因子と閾値を求める．ドライビングシミュレータ実験から，衝突回避が困難な状況下の運転者行動を分析し，四輪運転者の行動モデルを作成する．このモデルを衝突の力学モデルと結合させて，統合事故再現データベースを構築する．データベースに衝突被害軽減ブレーキ等の衝突回避デバイスを導入し，事故における衝突回避効果を得る．さらに，この回避困難な衝突について有限要素解析を行い，自転車乗員の被害軽減の方策を得る．本研究では，事故発生から被害者保護までシームレスにつなぐ統合安全による自転車乗員保護方法を提示する．
四輪車対自転車の出会い頭事故について，発生要因の解明を目的として研究を行った．ドライブレコーダ（DR）の事故データを収集し，ヒヤリハットとの比較から，事故発生を決める3つのモデルを構築した：①事故発生を衝突余裕時間，ブレーキ反応時間，制動時間の時間的関係による運動学モデル，②ロジスティック回帰による確率モデル，③変数の階層的な意味を示す決定木モデルである．
ドライビングシミュレータ実験から，ブレーキ反応時間がドライバの視線位置に依存することを見出した．衝突被害軽減ブレーキを取り付けて事故再現し，センサー視野角拡大が事故防止に有効であることを示し，究極的なAEBでも回避できない事故を特定した．
本研究開始前は自動運転によりすべての事故がゼロになるとの議論があった．本研究では，四輪車対自転車の出会い頭事故を検討し，衝突余裕時間が1秒未満の自転車の飛び出し事故は究極的な性能を持つAEBでも回避できないことを示した．これらは交差点でAIなどにより危険を予知しつつ速度を落として走行するなどの考え方につながった．
また，ドライブレコーダの事故分析とその再現から，視線の向きと事故発生の関係を示し，さらに緊急時のドライバの応答特性を取得した．これらは，ドライバの運転状態の検知や事故回避につながる．ドライバ応答と事故発生の関係を求める研究を進展させ，交通事故死者数ゼロに貢献するための実装を目指す． -
交通事故時の自転車乗員の頭部保護に関する研究
2013年4月 - 2016年4月
科学研究費補助金 基盤研究(C)
水野幸治
担当区分：研究代表者
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自動車側面衝突時の子ども乗員の保護
2010年4月 - 2012年3月
科学研究費補助金 基盤研究(C)
水野幸治
担当区分：研究代表者
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日本人人体有限要素モデルによる自動車衝突時の後席乗員保護に関する研究
2007年
科学研究費補助金 基盤研究（Ｃ）（一般），課題番号：19560087
水野 幸治
担当区分：研究代表者
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低速度の車対歩行者衝突に関する研究
2005年
科学研究費補助金 基盤研究（Ｃ），課題番号：17560225
水野 幸治
担当区分：研究代表者
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自動車衝突時の子供の拘束方法に関する生体力学的研究
2003年 - 2004年
科学研究費補助金 基盤C 14550073