2013 Fiscal Year Research-status Report
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25420012
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
水野 幸治 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80335075)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平林 智子 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30566716)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 生体力学 / インパクトバイオメカニクス / 自転車乗員保護 / 交通外傷 |
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| Research Abstract |
自転車乗員と車のマルチボディ衝突モデルを作成し，自転車の衝突形態別に自転車乗員の挙動や頭部の衝突条件（衝突速度・角度）を求め，実験と有限要素解析の基礎条件を構築した．特に，自転車の背面から車が追突する場合に，頭部の衝突速度が大きくなることが示された．
マルチボディモデルに加えて，自転車乗員について人体全身有限要素モデルを，自転車および自動車の有限要素モデルとともに作成した．モデルは頭部インパクト試験や脚部インパクト試験など，単体動的実験結果から検証を行った．自転車乗員の全身挙動がマルチボディ解析と一致していることを確認した．これによって，自転車と自動車が衝突した際の詳細な挙動と傷害の解析が可能となった．頭部と車の衝突時の頭部姿勢が明確になるとともに，下肢の特にボンネット先端と膝関節の衝突によって靱帯損傷の危険性が大きいことが新たに明らかになった．
人体有限要素解析で求めた頭部の車に対する衝突速度や角度をもとに，ヘルメット有無にて頭部インパクタを用いた衝撃実験（車両打撃実験）をおこなった（35 km/h）．路面への落下試験（1.5 m）では，頭部傷害値が大幅に減少し，ヘルメットの有効性が示された．しかし，ヘルメットをインパクタに着用した状況でも実験を行った結果，頭部傷害値の減少幅は小さく，自動車の車体衝突時にはヘルメットの有効性は限定されていることが明らかになった．
人体頭部のみの有限要素モデルによって，ヘルメット有無による車体への衝突解析を行った結果，ヘルメットにより頭蓋骨骨折は発生せず，脳のひずみも小さな値となり，ヘルメットが頭部保護に非常に有効であることが示された．これらは頭部インパクタによる衝撃実験とは異なる結果となっており，今後，詳細に検討していく必要がある．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成25年度の計画では，「マルチボディ解析によって自転車乗員の挙動を明らかにすることで頭部の衝撃条件を決め，頭部インパクト実験を行う．頭部単体の有限要素解析によりヘルメット着用時の頭部に発生する応力やひずみを求める」こととしていた．以下，研究の進展状況を項目別について述べる．
1. マルチボディ解析 シミュレーションモデルを作成し，前面，側面，後面について自転車乗員の挙動および車体への頭部衝突速度を求めた．後面衝突時に最も頭部衝突速度が高いことが示された．解析は概ね計画通りに実施した．
2．頭部インパクト実験 自転車ヘルメットの着用有無について，歩行者頭部インパクタを車体に衝突させ，実際の衝撃を調べた．ウィンドシールドではヘルメット着用により頭部傷害値がむしろ高くなり，フロントピラーでは剛性が非常に高いためにヘルメットが底付きして頭部傷害値が高くなるという結果が得られた．実験は研究計画通りに推移したが，予想とは異なる結果となったため，さらにインパクト実験を進める必要が生じている．
3．人体有限要素モデルによる衝撃解析 ヘルメットの有限要素モデルを作成し，これを装着した状態で頭部有限要素モデルを車体に衝突させ，傷害の発生の有無を検討した．ヘルメット着用時には脳のひずみが小さくなるという結果が得られた．ヘルメットの傷害防止効果について実験とは異なる評価となっており，バイオメカニクスの点からさらなる脳傷害発生に関する評価方法の検討の必要性が生じている．
上記に加えて，研究計画にはなかったが，新たに人体全身有限要素モデルを作成し，これによる自転車乗員の自動車衝突解析も行った．全身挙動はマルチボディ解析とほぼ一致していた．有限要素解析によって新たに下肢傷害発生の危険性が見いだされるなど，研究計画を超える知見が得られた．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目的は自転車ヘルメットの保護性能の明確化と設計方法の確立にあるが，現時点の研究において「自転車ヘルメットは路面への頭部落下に関しては傷害防止について非常に有効であるが，自動車との衝突時の頭部保護性能は不明」という状況に至っている．すなわち，車両衝突に対して歩行者頭部インパクト実験ではヘルメットの保護性能は低いという結果が得られ，人体有限要素解析ではヘルメットの保護性能は高いという結果となり，両者は相反するものとなっている．研究目的達成のためにこれらの問題に取り組む必要がある．そのために次の研究課題を進めていく．
1. マルチボディでは自転車乗員の体格を変えて，自動車衝突時の挙動の差異や傷害発生の可能性について検討していく．特に，子どもの自転車乗員について検討を進める．
2. 頭部インパクト試験をさらに進め，多様な車体部位に対して衝突速度を変えつつ実験を行う．ハードシェル，ソフトシェルなどヘルメットの種類も増やす．
3. 人体有限要素モデルで脳のひずみが低くなった要因，頭部インパクト試験で加速度が高くなった要因を詳細に検討し，両者のヘルメット性能評価に乖離が発生した要因を明確にする．頭部傷害の評価指標と実際の傷害の発生について，事故分析も踏まえて検証する．有限要素解析では，脳損傷の大きな要因といわれる頭部の角加速度と脳のひずみの関係についても検討する．
4. 子どもと大人の歩行者ダミーを用いた自転車乗員と車の衝突実験を行い，挙動および傷害値の把握をする．これによって有限要素解析およびマルチボディシミュレーションの検証を行う．あごひもの緩みなど，ヘルメットの着用方法によっては頭部保護性能に大きな影響を及ぼす必要がある．これについても実験によって検証していく．
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