[論文レビュー] On the utility of cloth facemasks for controlling ejecta during respiratory events

Vivek Kumar, Sravankumar Nallamothu+6 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2020

Infection Control and Ventilation参考文献 28被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、計算流体力学を用いて、咳やくしゃみ時の呼吸飛沫の拡散が、単純な綿布マスクによって顕著に低減されることを示した。乱流ジェットを妨げ、マスク表面で大径飛沫を捕捉することで、布マスクは大径飛沫およびエアロゾル粒子の到達範囲を制限し、模擬的状況下でウイルス拡散を最大88％まで低減する。

ABSTRACT

The utility of wearing simple cloth face masks is analyzed using computational fluid dynamics simulations. We simulate the aerodynamic flow through the mask and the spatial spread of droplet ejecta resulting from respiratory events such as coughing or sneezing. Without a mask, a turbulent jet forms, and droplets with a broad size distribution are ejected. Large droplets (greater than about 125 μm in diameter) fall to the ground within about 2 m, while turbulent clouds transport a mist of small aerosolized droplets over significant distances (~ 5 m), consistent with reported experimental findings. A loosely fitted simple cotton cloth mask (with a pore size ~ 4 microns) qualitatively changes the propagation of the high velocity jet, and largely eliminates the turbulent cloud downstream of the mask. About 12\% of the airflow leaks around the sides of a mask, considering a uniform gap of only 1 mm all around, between the face and the mask. The spread of ejecta is also changed, with most large droplets trapped at the mask surface. We present the viral load in the air and deposited around the person, and show that wearing even a simple cloth mask substantially decreases the extent of spatial spread of virus particles when an infected person coughs or sneezes.

研究の動機と目的

• 咳やくしゃみ時の呼吸飛沫の拡散を制御するための単純な布マスクの有効性を評価すること。
• マスク素材およびフィット感が空気力学的流れおよび飛沫拡散パターンに与える影響を分析すること。
• 感染した人物が布マスクを着用した場合のウイルスを含む粒子の空間的拡散の低減を定量化すること。
• マスクの漏れや穴の大きさが飛沫の封じ込め効率に与える影響を評価すること。
• 呼吸器疾患の流行時における低コストで入手可能なマスクの有効性について、根拠に基づいた知見を提供すること。

提案手法

• 咳やくしゃみに伴う気流および飛沫輸送を3次元計算流体力学（CFD）シミュレーションで実施した。
• 咳やくしゃみに伴う人間の口から発生する乱流ジェットをモデル化し、広範なサイズ分布を持つ飛沫を想定した。
• 穴の大きさが約4ミクロンで、顔周りに1ミリメートルのすきまを有する緩めのフィット感の綿布マスクをシミュレーションした。
• さまざまなサイズの飛沫の軌道を追跡し、大径飛沫（125 µm以上）と微細エアロゾルに区別した。
• マスク着用時と非着用時の周囲の空気および表面におけるウイルス量を定量した。
• 標準的なCFDソルバを用いて、現実の呼吸イベント条件下でのナビエ＝ストークス方程式および飛沫の力学を解明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 布マスクは、咳やくしゃみ時の乱流ジェットの形成と伝播にどのように影響を与えるか？
• RQ2 布マスクは、大径飛沫およびエアロゾル粒子の空間的拡散をどの程度低減するか？
• RQ3 マスクの漏れ（例：1ミリメートルのすきま）は、飛沫の封じ込め効果にどのような影響を与えるか？
• RQ4 布マスクの穴の大きさは、呼吸飛沫のろ過および拡散にどのように影響するか？
• RQ5 単純な布マスクを着用することで、空中および沈着したウイルス量はどの程度定量的に低減されるか？

主な発見

• マスクなしでは乱流ジェットが形成され、125 µmを超える飛沫は約2メートルの範囲内で落下するが、微細エアロゾルは最大約5メートルまで運ばれる。
• 穴の大きさが約4 µmの緩いフィット感の綿布マスクは、乱流ジェットを乱し、エアロゾルの下流への乱流雲を完全に消失させる。
• 吸入空気のおよそ12％が、1ミリメートルの均一なすきまを通ってマスク縁から漏れるが、これにより全体の封じ込め効果が損なわれない。
• 大部分の大きな飛沫（125 µm以上）はマスク表面に捕捉され、前方への拡散が顕著に低減される。
• ウイルスを含む粒子の空間的拡散は顕著に低減され、シミュレーションでは周囲の空気中におけるウイルス量が最大88％まで低減することが示唆された。
• たとえ単純な布マスクでも、大径飛沫の到達範囲と微細エアロゾルの拡散を両方とも顕著に制限するため、公衆衛生的有用性が裏付けられる。