呼気弁付きマスクが新型コロナウイルスの感染拡大を遅らせない理由をエアフロービデオで明らかに

米国国立標準技術研究所 (NIST) 2020 年 11 月 10 日

シュリーレン イメージング システムを使用して作成されたこのビデオは、呼気弁付きの N95 マスク (左) と呼気弁なしの N95 マスクを着用したときの空気の流れのダイナミクスを示しています。 バルブは空気が濾過されずに逃げるように設計されています。 CDCによると、バルブ付きマスクは新型コロナウイルスの感染拡大を遅らせるものではなく、その目的で着用すべきではないという。 クレジット: Matthew Staymates/NIST

Many people wear masks in public to slow the spread of COVID-19First identified in 2019 in Wuhan, China, COVID-19, or Coronavirus disease 2019, (which was originally called "2019 novel coronavirus" or 2019-nCoV) is an infectious disease caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). It has spread globally, resulting in the 2019–22 coronavirus pandemic." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">疾病管理予防センター (CDC) が推奨する新型コロナウイルス感染症。 しかし、呼気弁付きのマスクでは病気の蔓延を遅らせることはできず、今回、国立標準技術研究所（NIST）からの新しいビデオでその理由が示された。

The videos, which show airflow patterns through masks with and without exhalation valves, were created by NIST research engineer Matthew Staymates. The videos were published, along with an accompanying research article, in the journal Physics of FluidsPhysics of Fluids is a monthly peer-reviewed scientific journal devoted to publishing original theoretical, computational, and experimental contributions to the understanding of the dynamics of gases, liquids, and complex or multiphase fluids. Established by the American Institute of Physics in 1958, Physics of Fluids is a preeminent journal covering fluid dynamics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">流体の物理学。

光散乱技術を使用して作成されたこのビデオは、呼気弁付きの N95 マスク (左) と呼気弁なしの N95 マスク (中央) を着用したときの空気の流れのダイナミクスを示しています。 CDCによると、バルブ付きマスクは新型コロナウイルスの感染拡大を遅らせるものではなく、その目的で着用すべきではないという。 クレジット: Matthew Staymates/NIST

「ビデオを並べて比較すると、その違いは顕著です」とステイメイツ氏は語った。 「これらのビデオは、バルブがマスクをろ過せずに空気をマスクから排出する様子を示しています。これはマスクの目的を無効にします。」

マスクが着用者を保護することを目的とする場合、マスクの呼吸を容易にし、より快適にする呼気弁が適切です。 たとえば、バルブ付きマスクは、建設現場で労働者を粉塵から保護したり、病院職員を感染患者から保護したりできます。

The masks that the CDC recommends for slowing the spread of COVID, however, are mainly meant to protect people other than the wearer. They slow the spread of the disease by capturing exhaled droplets that might contain the virusA virus is a tiny infectious agent that is not considered a living organism. It consists of genetic material, either DNA or RNA, that is surrounded by a protein coat called a capsid. Some viruses also have an outer envelope made up of lipids that surrounds the capsid. Viruses can infect a wide range of organisms, including humans, animals, plants, and even bacteria. They rely on host cells to replicate and multiply, hijacking the cell's machinery to make copies of themselves. This process can cause damage to the host cell and lead to various diseases, ranging from mild to severe. Common viral infections include the flu, colds, HIV, and COVID-19. Vaccines and antiviral medications can help prevent and treat viral infections." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ウイルス。 CDCによれば、感染していても症状が出ない可能性があるため、症状のない人でもマスクを着用する必要があるという。

ステイメイツさんは「自分を守るためにマスクを着けているわけではない。隣人を守るために着けている。無症状で知らないうちにウイルスを広めてしまう可能性があるからだ」と語った。 「しかし、バルブの付いたマスクを着用していても、私は役に立ちません。」

ステイメイツは、空気の動きをカメラに捉えることを可能にする流れ視覚化技術の専門家です。 彼の通常の研究には、空港や輸送施設で空気中の爆発物や麻薬の痕跡を嗅ぎ分けることによって爆発物や麻薬を検出するための新しい技術が含まれています。 彼は最近、その専門知識をマスクに向けて、マスクの性能を測定および改善する新しい方法の開発を支援しました。

Staymates は、異なるフロー視覚化手法を使用して 2 つのビデオを作成しました。 最初のビデオは、シュリーレン イメージング システムとして知られるシステムを使用して作成されました。これにより、空気密度の違いが影と光のパターンとしてカメラに表示されます。

シュリーレン画像システムを使用すると、吐き出された息は周囲の空気よりも暖かく、したがって密度が低いため、可視化されます。 このビデオは空気そのものの動きのみを示しており、空気中の吐き出された飛沫の動きは示していません。 左側のステイメイツは、呼気を濾過せずに周囲に流すことができるバルブ付きの N95 マスクを着用しています。 右側にはバルブがなく、空気がマスクを通過し、飛沫の大部分が濾過されます。

Staymates は、光散乱技術を使用して 2 番目のビデオを作成しました。

2 番目のビデオでは、ステイメイツは休息中の大人と同じ速度とテンポで空気を放出する装置を構築し、その装置をマネキンに接続しました。 吐き出された飛沫の代わりとして、空気中には、人間が息を吐いたり、話したり、咳をしたりするときに息の中で放出する典型的なさまざまなサイズの水滴が運ばれます。 マネキンの後ろにある高輝度 LED ライトが空中の飛沫を照らし、光を散乱させてカメラに明るく映します。

シュリーレンのビデオとは対照的に、このビデオは空気中の液滴の動きを示しています。 左側では、飛沫が濾過されずに N95 マスクのバルブを通って流出します。 中央にはバルブがなく、マスクが飛沫を濾過しているため呼気は見えません。 右はマスクをしていない状態です。

マネキンと機械呼吸装置を使用することで、ステイメイトは呼吸数、気圧、その他の変数を一定に保ちながら気流パターンを観察することができました。

さらに、光散乱によって生成されたビデオは、シュリーレン画像ではできない方法でコンピューターで分析できます。 ステイメイツは、ビデオ内の明るいピクセルの数を計算し、それを使用して空気中の飛沫の数を推定するコンピューター コードを作成しました。 2 次元ビデオでは、空気の 3 次元体積全体で何が起こっているかを捉えることができないため、これは飛沫数の正確な測定値ではありません。 ただし、結果として得られる数値は、さまざまな種類のマスクの空気の流れのダイナミクスをより深く理解するために分析できる傾向を提供します。

この研究プロジェクトでは、1 種類のバルブ付きマスクのみを検討しました。 バルブ付きマスクの種類が異なれば、動作も異なります。 また、ぴったりとフィットしていないマスクでは、空気がマスクを通過せずにマスクの周囲から逃げてしまいます。 これにより、マスクの性能が損なわれる可能性もあります。

しかし、バルブの主な効果はこれらのビデオで見ることができます。 ステイメイツは、このビデオが、新型コロナウイルス感染症の蔓延を遅らせることを目的としたマスクにバルブが付いてはいけない理由を人々が一目で理解できるようになればと願っている。

参考文献: Matthew Staymates 著、「シュリーレン イメージングと光散乱を使用した呼気弁付きおよび呼気弁なしの N95 マスクの流れの可視化」、2020 年 11 月 10 日、流体の物理学。DOI: 10.1063/5.0031996