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子どもの転倒・転落事故被害予防のためのコンピュータ
子どもの転倒・転落事故被害予防のためのコンピュータ・シミュレーション 金沢大学 宮崎 祐介 理工研究域 機械工学系 要旨 子どもの転倒・転落事故に対する対策は，頻度，重症度の観点から非常に重要である．子どもの転倒・転 落事故被害予防を検討する上で重要な点は，実事故に基づいた事故再現を行うことにより，徹底した事故原因究 明を行うとともに，それに基づく的確かつ最小限の対策を講じることで，できるだけその環境を保全することで ある．また，実際に発生した事故は，氷山の一角に過ぎずそれ以外の致命的なハザードを発見し，除去すること も必要である．これらの課題を解決する上で子どものデジタル・ヒューマンモデルを活用した事故再現シミュレ ーションが有効である．本稿では転倒・転落事故解析のための子どものデジタル・ヒューマンモデルの開発およ びそれを活用した転倒・転落事故の事故原因究明と対策法の検討について実解析例を交えて紹介する． キーワード：転倒・転落事故，事故再現，頭部外傷，マルチボディダイナミクス，有限要素法， はじめに ほとんどの年齢に渡り子どもの死因の第一位は「不慮の 事故」である（1）．不慮の事故とは，交通事故や家庭内にお ける転倒，誤飲，溺水等であるが，なかでも転倒・転落事 故に対する対策は，頻度，重症度の観点から非常に重要で ある． 例えば， 東京都消防庁の2006年度の報告(2)によると， 不慮の事故のうち死亡・重症例を含めた事故数の中では， 転倒が最も多く，転落・墜落がそれに次いでいる．また， 昨年度，経済産業省の安全知識循環型社会構築事業におい て医療機関で収集された 2304 件の事故データのうち 54.4 パーセントが転倒・転落事故であり，傷害部位として頭部 が 65.0 パーセントを占めた(3)．このように，転倒転落事故 時における頭部外傷対策が，子どもにとって安心・安全な 生活環境を確保する上で重要な課題である． では，事故被害を予防するための対策として，現状では どのような策が一般的に採用されるのであろうか．例えば 遊具では転倒・転落事故が発生するが，事故発生遊具を立 ち入り禁止とするか撤去するかいずれかの選択肢をとる傾 向が強い．これは子どもから学習の機会を奪うことにつな がる．つまり，遊具には，そこに包含されるある程度の「リ スク」を子どもに体験させることにより，危険予測・事故 回避能力を養わせるという目的があり，遊具を撤去するこ とは，そのような能力の成長を阻害してしまうことになり うる．その一方で重篤な傷害を引き起こす潜在的で致命的 な「ハザード」は徹底的に排除されなければならない．ま た，事故原因を解明しないまま遊具を撤去しても，同様の 危険性を含む製品や環境で，同様の事故が繰り返される可 能性が高く，真に有効な対策とはならない．子どもの遊環 境を保全しつつ，重篤な事故被害を予防するには，徹底し た事故被害の原因究明と，それに基づく的確かつ最小限の 1. 対策を講じることが必要である．このような事故対策を講 じるには，実事故情報に基づき事故の発生状況を再現する ことにより，事故被害の発生要因を詳細に分析し，一般化 する必要がある． 事故を再現するにあたり，事故情報の粒度はその再現精 度に大きく影響する．しかし，事故情報の収集が医師によ る被害児および保護者へのインタビューに依存せざるを得 ないため，得られる情報は，場所とモノ，傷害情報のみで あり，その証言はあいまいなことが多い．事故が発生した ときの状況をすべて目撃し記憶しておくことは不可能に近 く，事故情報に欠落している事故の発生状況と過程は，何 らかの手段で推定せざるを得ない．また，実際に発生した 事故はその環境において起こりうる事故の氷山の一角であ り，真に安全な環境に改善するには，広大な空間内に多数 存在する潜在的な危険を発見し排除する必要がある． 以上の課題を解決しうる手段として，コンピュータ内で の条件変更により仮想的な事故を多数検討可能なコンピュ ータ・シミュレーションが有用な手段である． そこで，本稿では，筆者が東工大および産業技術総合研 究所からなる研究グループの一員としてこれまで行ってき た，転倒・転落事故解析のための子どものデジタル・ヒュ ーマンモデルの開発およびそれを活用した転倒・転落事故 の事故原因究明と対策法の検討について実解析例を交えて 紹介したい． 2． 各種事故被害解析のための子どものデジタル・ ヒューマンモデル 転倒・転落事故被害解析のためのデジタル・ヒューマン モデルにはどのようなモデルが適しているのであろうか． そこで，事故時の人体挙動もしくは傷害解析のためのデジ 1 タル・ヒューマンモデルの特徴について本章ではまとめる． このような用途のデジタル・ヒューマンモデルは自動車 メーカもしくはその関連研究機関が中心となり，交通事故 時の傷害予測もしくは事故被害予防のための安全設計を目 的として，様々なモデルが開発されてきた．しかし，多く は大人を対象としており，子どものモデルはそれほど多く 開発されてきていない．これは，子どもの人体特性が入手 困難であることや，自動車が成人男性を基準とした法規に 基づいて設計されてきたことなどが要因として挙げられる． また，本モデルは 2 種類のモデルに分類される．ひとつ は，全身を剛体セグメントとそれらをつなぐジョイントか ら構成するマルチボディモデルであり，例えば GEBOD (GEneration of Body Data)などがある(4)．このモデルは速度や 加速度といった人体のマクロ的な挙動を観察することに限 定されるが，自由度も少ないため，簡便なかつ高速な解析 が可能であり，多数の条件変更を伴う解析を行う用途に適 している．もうひとつは，人体を有限要素で構築し，詳細 な形状と材料特性を有する人体有限要素モデルであり，例 えば THUMSTM (Total HUman Model for Safety)の子ども有限 要素モデルなどが開発され，チャイルドシートの安全性評 価などに活用されている[5)．このモデルは体組織の変形を 表現することが出来るために，より詳細に傷害発生メカニ ズムの検討を行うことができるが，計算時間はマルチボデ ィモデルと比較して相対的に長い．それぞれのモデルには 一長一短があり解析の目的により， 使い分ける必要がある． 3. 子どもの転倒・転落事故被害解析のためのデジタ ル・ヒューマンモデル 子どもの転倒・転落事故の特徴を列挙すると， (1) 解析対象空間が自動車乗員事故と比較して非常に広い． 例えば遊具事故では遊具内のあらゆる場所に潜在する 未発生かつ重篤な事故被害を検討する必要がある． (2) 解析条件が非常に多い．転倒・転落事故発生前に子ど もは様々な姿勢，速度で行動している． Weight height age Body segment parameters Anthropometric data Shape of body segment Mass properties Fig. 1 three and seven years old models Contact stiffness Location of joints Joint characteristics Multi-Body Models of Children Fig. 2 Flow of the construction method for multi-body models of children CT images of skull specimens Homologous model Adult polygon Calculation of FFD Children polygon Head dimensions for the child age Adult male model Shape Transformation Individual FE model Individual child model (b) Construction of a FE model with average head dimensions of the child age (a) Construction of a child FE model for a specific individual Fig.3 Construction of a child head FE model using FFD method 2 FE nodes of the individual FE model of a normal child FE nodes FE model FFD under dimensions restriction (3) 頭部外傷の発生頻度が高く，かつ重篤である． 以上の特徴を考慮すると，子どもの転倒・転落事故被害原 因究明には大量の転倒・転落シミュレーションが必要であ るとともに，頭部外傷解析を必要とする． そこで，筆者と東工大および産業技術総合研究所の研究 グループでは全身マルチボディモデルと，頭部有限要素モ デルを開発し，それらを用途により使い分けることにより 転倒・転落事故のシミュレーションを行ってきた(6)(7)(8)． 全身マルチボディモデルは全身を 17 体節 16 ジョイント でモデル化し，各体節が楕円体からなる単純形状のモデル である（図１） ．本モデルの構築過程を図 2 に示したが，被 害児の身長・体重を指定すると回帰式より 38 項目の体節寸 法を算出する．これらの寸法より体節形状，関節位置，体 節質量を算出し，全身形状を形成するとともに関節受動特 性および接触剛性を定義する．開発当初は，日本人子ども の寸法が十分に存在していなかったため，日本人と欧米人 の寸法データを混用せざるを得なかったが，近年では，計 測が進み，徐々に日本人子どもの寸法を入手できるように なっている(9) 頭部有限要素モデルの構築手法は図 3 の通りである．本 手法ではまず，既に所有していた頭蓋内の脳や膜類などを 有する成人の頭部有限要素モデルを，入手可能な子どもの 頭蓋骨標本ＣＴ画像から構築された３Ｄポリゴン形状を有 するように形状変換することにより，子どもの基本頭部有 限要素モデルを構築した．さらに任意年齢の寸法を有する ように形状変換することにより，対象とする子ども頭部有 限要素モデルを構築する方法である(6)．このように段階を 踏んだ複雑な手法であるがそれには理由がある．図 4(a)(b) に推定 2 歳児の子どもの頭部形状と成人頭部形状を子ども 頭部の全頭高にあわせてスケーリングした形状を比較した が，子どもは大人と比較して顎がかなり小さく，脳頭蓋が 大きく，大人モデルの単純なスケーリングではその形状を 再現するには不十分であることがわかる．子どもは小さな 大人ではないのである．そこで推定 2 歳，6 歳，9 歳の子ど もの頭部標本の頭蓋骨形状を有する基本モデルを Free Form Deformation 法を利用した形状変換により3体構築し， 任意の年齢のモデルは，当該年齢の代表寸法を有するよう に基本モデルを微調整することにより，構築している．図 4(b)(c)に子どもの基本頭部有限要素モデルとその構築に使 用した頭蓋骨形状を示したが，脳頭蓋と比較して狭い顔面 部などの子どもの形状特徴を十分に再現できていることが わかる． また子どもの骨のヤング率は低年齢ほどやわらかく，ま た骨折限界応力も低い(10)．しかし，前述のように子どもの 材料特性の取得には倫理的問題が大きくほとんど存在しな い．そういった事情はあるものの，年齢と頭蓋骨のヤング 率の関係が Irwin らによってまとめられており(11)，本モデ ルでは年齢に応じて頭蓋骨のヤング率を変化できるように している． 4. 子どもの転倒・転落事故被害分析における子ども のデジタル・ヒューマンモデルの活用 4.1 遊環境の潜在的危険を可視化する 前述のように，実際に発生した事故はその環境において 起こりうる事故の氷山の一角であり，真に安全な環境に改 善するには，広大な空間内に多数存在する潜在的な危険を 発見し排除する必要があるが，設計段階ですべての危険を 排除することは困難である． そこで，筆者らは図 5 に示した実際に事故が発生したら せん階段付きすべり台を対象に遊環境に潜在する危険を可 視化する手法として，数値化した傷害危険度を遊具上にマ ッピングした転倒傷害危険度マップの構築を行った(7)．図 6 は，3 歳児の子どもマルチボディモデルの転倒位置をらせ ん階段の各段上に 66 箇所設定し， そこから 4 方向に向けて 転倒した際の最大頭部重心加速度に基づき算出される，頭 部傷害危険度を，遊具ＣＡＤモデル上にマッピングするこ とにより可視化したものである．図中の濃色の箇所は地面 における転倒と比較して頭部傷害危険度がより高い箇所で ある．例えば，いずれの年齢においても各階段の内側のほ うが階段外側よりも相対的に頭部傷害危険度が高いことが 視認できる．そこで，この場所からの転倒シミュレーショ ン結果を抽出し，転倒挙動を図示したものが図 7 であり，6 段目内側で 3 歳児が転倒した際の転倒開始時の 0[ms]，大 腿部接触時の500[ms]及び頭部衝突直前の650[ms]における Z (a) Adult’s actual (b) Child’s actual shape (c) The child’s FE model Fig.4 Comparison of head shapes between an adult’s head and child’s one, and the child’s FE model Y X Fig.5 Construction of playground model 3 (a) 0 [ms] Fig.6 Head injury hazard map for 3 years children (c) 650 [ms] Fig.7 Behavior of the 3-year old model when falling from inside the 6th step 全身の挙動を示したものである．らせん階段は内側ほど傾 斜がきついため，内側においては図 7(c)のように頭部衝突 面までの落下距離が長く，高い衝突速度で直接階段面に打 ち付けられる． さらに，図 7(b)に示すように，転落中に 5 段目階段縁部 に大腿部を，図 7(c)に示すように 4 段目に腰部が衝突する ことによりこれらの接触点周りの上体の回転運動が生成さ れる．その結果，頭部は，階段面に直接衝突するとともに， 衝突した際の衝突速度が回転運動により加速されているこ とがわかった． このように大量シミュレーション可能なマルチボディモ デルの特性を生かして，網羅的にシミュレーションを行う ことにより，潜在的な危険を顕在化，可視化することがで きる．さらに，危険度マップにより明らかになった危険箇 所について，シミュレーションで得られる転倒挙動を詳細 に解析することにより，事故原因の究明が可能となる． 4.2 実事故情報を補い目撃者代わりとなる 転倒・転落事故再現により事故被害原因究明を行うにあ たり，医療機関において収集された受傷情報を含む事故被 害情報と被害者および保護者のインタビューにより得られ る事故状況の情報が必要である．例えば，筆者らは事故サ ーベイランスシステムにより収集された次の事故に関して， 事故再現シミュレーションにより事故被害原因究明を行っ た（8）． 1 歳 11 ヶ月の女児（身長 81.6cm，体重 10kg）が図 8 に 示した直線階段付きすべり台より転落し，重症頭部外傷を 受傷した．直線階段の基礎はコンクリートであり，被害児 は右側頭部を打撃し右側頭骨の線状骨折とそれに伴う硬膜 外血腫を受傷した．被害児および保護者に対するインタビ ューによると，転落前に被害児は，階段 3 もしくは 4 段目 においてどちらの向きを向いていたかはわからないが，左 の手すりを両手で把持しており，転落後はコンクリート基 礎上に頭部を左レール近傍に位置するように横たわってい たとのことである． 4 (b) 500 [ms] Fig.8 Slide with straight staircase where an serious head injury occurred 医療機関において収集される事故被害情報として受傷に 関する情報は詳細に得られるが，インタビューに頼る事故 状況および過程に関する情報はあいまいな点がある．事故 被害の原因を究明するには事故を再現し，事故状況および 過程を推定する必要がある． そこで，筆者らは，事故環境をコンピュータ内に再現す るために，事故遊具の形状を現地にて三次元スキャナにて 取得し， それに基づき直線階段すべり台モデルを構築した． さらに，被害女児の身体情報に基づき全身マルチボディモ デルを構築し，疎な事故状況情報を満たしつつ，受傷情報 に合致する転落姿勢および体節初速度を同定すべく，大量 の転落解析を行った．その結果，図 9(a)に示すように，階 段 3 段目において階段と平行に左向きに立ち，2 段目に降 りようとした姿勢における解析結果において，図 9 のよう な転落挙動を示し，事故状況および頭部の衝突部位が一致 した．さらに，前述の頭部有限要素モデル構築法により， 被害女児に相当する 2 歳児寸法を有する有限要素モデルを 構築し，この転落条件により得られた衝突速度および姿勢 を与え， コンクリート面との衝突解析を行った． その結果， 図 10 に示すように右側頭骨に骨折限界値を超える応力が 発生したが一方で，致命的な脳挫傷の発生指標である脳の 最大圧力に関しては耐性値を下回り，受傷情報と一致した 結果が得られた． このように，事故状況再現にデジタル・ヒューマンによ るシミュレーション技術を利用すれば，インタビューでは あいまいな事故状況および過程に関する情報を事故の目撃 (a) Initial posture estimated (a) Concrete (b) Rubber Fig.11 Comparison of skull Von Mises stress in case of the accident reconstruction case 200 600 150 500 100 400 HIC The area over tolerance value Pressure[kPa] Fig.9 Fall behavior in case of the accident 50 300 0 200 -50 100 0 -100 Concrete Concrete Rubber Fig.10 Contour map of skull Von Mises stress in the case 者代わりに補うことが可能となる．その原因究明に活用で きる． 4.3 事故対策を仮想的に評価する ひとたび事故再現シミュレーションモデルが構築でき れば，その改善策をコンピュータ内で仮想的に検討可能で ある．そこで，頭部衝突面である直線階段の設置面の有限 要素モデルの材料特性をコンクリートからゴム製緩衝面の 特性に変更した． 図 11 に事故再現ケースにおけるコンクリート面とゴム 面の頭蓋骨の Vonmises 応力の比較を示した．ゴム製緩衝面 の場合は耐性値を超えた領域が存在しないことがわかる． また，図 12 に脳の最大圧力と HIC 値の比較を示したが， 圧力において 77％減少し， HIC 値に関しては 88％減少した． すなわち今回の事故ケースに関してはゴム製緩衝面の頭部 防護効果は非常に高いことが示された．この結果は公園を 管理する自治体に伝えられ，この遊具の設置面はコンクリ ート面からゴム製緩衝面に現在改良され，遊具そのものは 撤去されていない．また，本解析結果は本年 8 月 26 に公布 された国土交通省の「都市公園における遊具の安全確保に 関する指針」 （改訂版）(12)に反映され，コンクリートなど の硬い設置面には遊具を配置しないことが盛り込まれ，今 後遊び場の安全性がより高まることが期待される． このように実転倒・転落事故の状況をシミュレーション により再現することにより，事故原因究明と必要最小限か つ効果的な事故対策を行うことが可能となり，子どもの遊 Rubber (b) HIC value (a) Brain pressure Fig.12 Comparison of max brain pressure and HIC value in case of the accident reconstruction case 環境を保全することができるようになる． 5. まとめ 子どもの転倒・転落事故被害予防を検討する上で重要な 点は，実事故に基づいた事故再現を行うことにより，徹底 した事故原因究明を行うとともに，その対策に特化し，で きるだけその環境を保全することである．また，実際に発 生した事故は，氷山の一角に過ぎずそれ以外の致命的なハ ザードを発見し，除去することも必要である． 本稿では，全身マルチボディモデルと体節有限要素モデ ルからなる子どものデジタル・ヒューマンモデルを用いた 転倒・転落解析シミュレーションの（1）潜在的危険を可視 化できる（2）実事故情報を補い目撃者代わりとなる（3） 事故対策を仮想的に評価できるといった利点を，筆者がこ れまでに取り組んだ実事故解析を例にして紹介した．しか しながら，子どものデジタル・ヒューマンモデルの構築に は，材料・形状等の基礎的な特性の取得，能動的行動のモ デル化等数多くの課題が存在しており，これら課題の解決 が事故再現精度を向上させるうえで重要である． 文 (1). 献 厚生労働省，人口動態統計年報主要統計表（最新データ， 年次推移） ，(2008) (2). 東京都消防庁, 子どもの事故予防対策検討委員会報告書, （2006） (3). キッズデザインの輪，安全知識循環型社会構築事業ホーム 5 ページ，http://www.kd-wa-meti.com (4). Cheng, H., Obergefell, L. A. and Rizer, A. L., Generator of Body Data (GEBOD) Manual, Report No. AL/CF-TR-1994-0051, Armstrong Laboratory, WPAFB Ohio, (1994). (5). K.Mizuno, K.Iwata, T. Deguchi, T. Ikami, M. Kubota, Development of a Three-Year-Old Child FE Model, Trafic Injury Prevention, Volume 6, Number 4, pp. 361-371,（2005） (6). 宮崎ら,“年齢別子ども頭部有限要素モデルの構築と脳損傷 危険度の評価”，日本機械学会北陸信越支部第 45 期総会・ 講演会講演論文集，No.087-1，115-116， （2008） (7). 宮崎ら，年齢別子ども転倒シミュレータによる遊具の転倒 傷害危険度の可視化,日本ロボット学会誌, Vol.26，No.6， 93-99 ,(2008) (8). 宮崎祐介，西田佳史，山中龍宏，持丸正明，河内まき子， 安全知識構築のための転落事故再現シミュレーション，第 26 回日本ロボット学会学術講演会CD-ROM 論文集 （2008） (9). 人間生活工学研究センター，人体特性データベース http://www.hql.jp/database/index.html (10). AK Ommaya et al., Biomechanics and neuropathology of adult (11). A.Irwin, H.J.mertz, Biomechanical Basis for the CRABI and and pediatric head injury,Br.J.Neurosurg., 220-242, （2002） HYBRID Ⅲ Child Dummies，Proc. Stapp Car Crash Conf., 261-272, 1997 (12). 国土交通省，都市公園における遊具の安全確保に関する指 針」 （改訂版）,http://www.mlit.go.jp/common/000022126.pdf 6 宮崎 祐介（みやざき ゆうすけ） 2006 年東京工業大学大学院情報環境 学専攻博士課程修了． 博士 （工学） ． 2006 年より金沢大学自然科学研究科助手を 経て 2007 年より同大学助教． 現在に至 る．デジタル・ヒューマンモデリング に興味を持ち，衝撃を受ける人体のモデリング及び傷害解 析に関する研究を行っている．日本機械学会，自動車技術 会，日本神経外科学会会員