• 人体の各種組織・臓器の堅さのデータベースを構築
• 人体の全身力学シミュレーションの道を開く
• 福祉機器・ユニバーサルデザイン製品開発等を促進

1.

背　景

力学シミュレーションは、自動車の衝突解析や製品の開発など様々な分野で使われています。理研では、１９９９年より、人体の力学シミュレーションを目指した「生体力学シミュレーション研究」が行われてきました。これまでの研究により、眼球の網膜剥離手術のシミュレータ、心臓内の血流のシミュレーション、歩行時の筋肉のシミュレーションを実現してきました。現在、人体全身の力学シミュレーションを実現することを目指して、人体モデルの構築を行っています。この人体の全身モデルには、人体の形状情報と物性情報が不可欠です。これまでに、人体の形状データとして、米国立衛生研究所（ＮＩＨ）のVisible Human（ヴィジブル・ヒューマン）や独立行政法人情報通信研究機構（ＮＩＣＴ）の数値人体モデルが公開されていますが、人体の物性情報のデータベースはありませんでした。 　そこで、理研中央研究所 生体力学シミュレーション特別研究ユニット（姫野龍太郎ユニットリーダー）、理研知的財産戦略センター ＶＣＡＤシステム研究プログラム　生物基盤構築チーム（横田秀夫チームリーダー）と静岡県工業技術センターのグループが共同で、人体の力学シミュレーションのための物性値データベースを構築しました。

2.	研究手法
	これまでに人体の物性値情報は、個別の研究として世界中の研究者が論文として公表してきました。しかしながら、これらの情報は、個別の臓器の特性をグラフで記載されているために、力学シミュレーションにそのまま用いることはできませんでした。 　そこで研究グループは、既存の文献情報を収集すると共に、力学シミュレーションに必要な“応力―ひずみ“の関係についてまとめました。また、最初のステップとして、線形のシミュレーションに必要なヤング率※1について、グラフの値から近似した式を算出しました。このときに、生物の臓器は非線形の挙動を示すことから、ひずみ量を大まかに区分けして、その区間内の直線近似値として求めた値をデータベースに格納しています。

3.	研究成果
	人体の主要な臓器２２種類のヤング率からなるデータベースを構築することができました。このデータベースには、出典となる論文、測定方法も記載されていますので、近似式の妥当性の検証やユーザーにより詳細な近似式を求めることも可能です。 　これまでに構築した物性データを用いて、大腿部のシミュレーションモデルを構築して、転倒時の骨折を防ぐパッドの有無による筋肉や骨にかかる力のシミュレーションを実現しました（図１）。皮膚、脂肪、筋肉などの軟組織、海綿骨皮質骨などの硬組織合計８種類の物性値を用いたシミュレーションを実現することに成功しました。

4.	今後の期待
	現在理研で開発を進めている「1mm分解能の人体全身の形状モデル」(図２）と、今回開発した物性値データと併せて、全身の力学シミュレーションを実現することを計画しています。また、より詳細な物性情報を取得してデータベースの更新をはかると共に、このデータベースを公開することを予定しています。さらに、世界中の研究者へ呼びかけ、各研究者が所有する個別の物性データを統合した人体の物性値データベースの構築と精緻化についての枠組みを提案します。 　本データベースの構築により、体を守るための装具の開発、人工関節の設計、手術シミュレーションの実現に貢献できると考えています。

<補足説明>

※1	ヤング率
	ヤング率とは、材料の引っ張りや圧縮に対する剛性の特性を示すもので、物の堅さの単位。圧縮弾性率とも呼ばれ、この値が大きいほど硬い物質になる。

図１　骨折防止パッドを装着した場合の大腿骨への力の伝わり方

（強い力がかかる箇所は赤く表示。皮膚、筋肉等は非表示に設定。）

図２　人体の３次元形状モデル

左：ＭＲＩによる全身、血管モデル 右：Ｘ線ＣＴによる骨密度による物性値モデル