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【研究成果ピックアップ(2)】飛沫やエアロゾルの飛散の様子を可視化し有効な感染対策を提案 ~「富岳」による新型コロナウイルス対策その1

理化学研究所は文部科学省と連携し、整備中のスーパーコンピュータ「富岳」の一部を使い、新型コロナウイルス対策に貢献する様々な研究課題に2020年4月から取り組んでいます。
今回は、その第1弾として、「室内環境におけるウイルス飛沫感染の予測とその対策」の現時点における研究成果を紹介します。これは「富岳」を使ったシミュレーション*1により、新型コロナウイルスが飛沫やエアロゾルによりどのように飛散するかを予測し可視化することで、有効な感染対策を提案し、社会経済活動が早期回復することを目的とした研究です。
(代表者:理化学研究所 計算科学研究センター 複雑現象統一的解法研究チーム チームリーダー/神戸大学 教授 坪倉誠)

*1 シミュレーション:ここでは、コンピュータを使ったシミュレーションのこと。自然現象、社会現象をモデル(方程式)によって表現し、いろいろなケースにおいて、その振る舞いを計算すること。

「富岳」で高精度・大規模な「飛沫シミュレーション」を実施

新型コロナウイルスは、咳やくしゃみ、発話などにより発生する「飛沫」によって感染が拡大します。また、飛沫が空気中で微小化した「エアロゾル」による感染も指摘されています。有効な感染対策を実施するには、周囲の環境が、飛沫・エアロゾルの飛散の仕方にどのような影響を与えるかなどを様々な条件の下で、正しく推定することが不可欠です。

しかし、飛沫・エアロゾルの飛散経路は、空気の流れや湿度、温度などの影響を複合的に受けるため、飛散の推定には、膨大な計算量が求められます。そこで本研究課題では、「富岳」と「富岳」への実装を進めていた超大規模熱流体解析ソフトウェア「CUBE」を用いて、これまでのコンピュータでは困難だった高精度で大規模な「飛沫シミュレーション」を実施しました。「CUBE」は、もともと自動車に関する様々な現象のシミュレーションを行うために開発したものです。自動車のエンジンの中でガソリンが霧状の飛沫となり拡散していく様子を高精度でシミュレーションできることから、新型コロナウイルスの飛沫・エアロゾルの解析に応用できるのではないかと考えたことから、本研究課題がスタートしました。


マスクは感染対策として極めて有効

不織布マスク、綿製手作りマスク、ポリエステル製手作りマスクの比較

図1(クリックで拡大) 不織布マスク、綿製手作りマスク、ポリエステル製手作りマスクという素材の異なる3種類のマスクについて、飛沫・エアロゾルの飛散の仕方をシミュレーションし、マスクによる飛散抑制効果を評価。黄色の粒子はマスクの隙間から漏れ出た飛沫・エアロゾル、赤色の粒子はマスクや顔に付着した飛沫・エアロゾル、青色の粒子はマスクを透過した飛沫・エアロゾル。不織布マスクはフィルター性能が高い一方で、隙間から漏れる量が多いことがわかった。また、手作りマスクに関しては、綿製よりもポリエステル製の方がフィルター性能が高い一方で、綿製の方がマスクを透過する飛沫の量が多い分、隙間から漏れる量が少ないことがわかった。

出典:坪倉誠(理化学研究所 神戸大学/教授)「室内環境におけるウイルス飛沫感染の予測とその対策」(2020年8月24日記者勉強会資料)

最初に行ったことは、マスクによる飛散防止効果とフェースシールドによる感染防止効果の評価です。通常、マスクを着用していない場合に咳をすると、飛沫・エアロゾルは秒速10mで空気中に飛び散ります。

それに対し、不織布マスク、綿製手作りマスク、ポリエステル製手作りマスクという素材の異なる3種類のマスクについて、飛沫・エアロゾルの飛散の仕方をシミュレーションし、マスクによる飛散抑制効果を評価しました。

図1が、シミュレーション結果です。まず、素材の種類に限らず、マスクにより多く飛散が抑制されている一方で、マスクの隙間やマスクを透過して漏れ出た飛沫・エアロゾルがあることがわかりました。

次に、それぞれマスクの種類による違いを評価し、不織布マスクが約8割、手作りマスクが約7割の飛散を抑制できていることが明らかとなりました。特に不織布マスクはフィルター性能が高く、マスクを透過した粒径50ミクロン(1ミクロンは1000分の1ミリ)以上の飛沫はほとんどありませんでした。これは、空気中で飛沫によって発生するエアロゾルの抑制効果も意味しています。

一方で、不織布マスクはフィルター性能が高い分、手作りマスクに比べて隙間から漏れる量が多く、性能を高めるためには、マスクを密着させることが有効であることが確認されました。

また、手作りマスクに関しては、綿製よりもポリエステル製の方がフィルター性能が高いこと、一方で、綿製の方がマスクを透過する飛沫の量が多い分、隙間から漏れる量が少ないことがわかりました。

以上の結果から、素材の種類にかかわらず、マスクは7割以上の飛沫・エアロゾルの飛散を抑制しており、改めて、感染予防に非常に有効であることが確認されました。また、綿製のマスクは、他の2種類に比べてフィルター性能が若干落ちるものの、その分、呼吸がしやすいことから、夏場や運動中は綿製のマスクを着用するなど、時と場合に応じて使い分けるとよいことがわかりました。

一方、フェースシールドに関しては、シミュレーション結果から、粒径50ミクロン以上の飛沫はフェースシールドに付着するため飛散を抑制できる一方、粒径が5~10ミクロンの飛沫に関してはほとんどが横から漏れてしまうため、小さな飛沫の防止効果は低いことが確認されました。そのため、小さな飛沫に対する感染対策としては、換気などを併用する必要があることが明らかとなりました。

加えて、咳などを通じて飛沫・エアロゾルを顔に浴びた場合についても、シミュレーションしました。その結果、50ミクロン以上の飛沫は、鼻腔や口腔に付着して留まる一方、20ミクロン以下の微小な飛沫・エアロゾルは、鼻腔や口腔には付着せず、そのまま、咽頭、気管を通って体内に侵入するという結果を得ました。このことからも、マスクの着用に加え、エアロゾル対策としての換気の重要性が再確認されました。


オフィスではパーティションと換気で感染リスクを低減

座席間のパーティションの高さの比較

図2(クリックで拡大) 18人程度の小規模なオフィス(269 ㎥)を対象に、4人が対面で座っている場合について、シミュレーションした。その結果、発話者の横に座っている人のリスクは低い一方で、正面に座っている人のリスクが高いことがわかった。そこで、近距離からの飛散による感染リスクの低減対策として、パーティションを設置するシミュレーションを実施。その結果、正面からの感染リスクに関しては、高さ1.2 mでは効果がなく、高さ1.4 mと1.6 mでは効果が同等なことから、高さ1.4 mが最適なことがわかった。

出典:坪倉誠(理化学研究所 神戸大学/教授)「室内環境におけるウイルス飛沫感染の予測とその対策」(2020年8月24日記者勉強会資料)

次に、オフィス、公立学校の教室、病院、多目的ホールといった室内環境において、飛沫・エアロゾルがどのように飛散するかをシミュレーションしました。また、空調、換気、パーティションなどを活用することで、感染リスクをどれくらい低減できるかを評価しました。その中で、本稿ではオフィスと学校、病院を取り上げます。

まず、18人程度の小規模なオフィス(269㎥)を対象に、感染リスクを評価しました。4人が対面で座り、真正面を見て咳や発話をした場合、咳や発話による飛沫は主として正面方向に2m程度飛散することから、発話者の横に座っている人のリスクは低い一方で、正面に座っている人のリスクが高いことがわかりました。そこで、図2のように、机の正面・横にパーティションを設置するシミュレーションを実施したところ、正面からの感染リスクに関しては、高さ1.4mが最適で、これにより飛沫の到達量を約10分の1に減らせるという結果を得ました。

一方で、オフィスに、エリアの仕切りなどの用途で1.6mのパーティションを設置した場合、局所的に換気の悪い場所ができることが判明しました。そのため、扇風機などにより、換気のムラを減らすことが重要であることがわかりました。


飛沫・エアロゾル飛散における湿度の影響

湿度30%、60%、90%の時の飛沫・エアロゾルの飛散の比較

図3(クリックで拡大) オフィスで4人が対面で座っていて、その中の1人が咳をした場合、湿度30%、60%、90%のそれぞれにおいて、飛沫・エアロゾルがどのように飛散するかを再現した。その結果、湿度が高いほど飛沫は咳をした人の机の上に落ち、湿度が低くなるにしたがって、机の上に落ちる飛沫の量は減り、その分、小さな飛沫となって空気中を漂うことがわかった。

出典:坪倉誠(理化学研究所 神戸大学/教授)「室内環境におけるウイルス飛沫感染の予測とその対策」(2020年10月13日記者勉強会資料)

また、秋から冬にかけて乾燥の時期を迎える中、湿度の違いによって飛沫・エアロゾルの飛散のしかたがどのように変化するかについてもシミュレーションしました。

オフィスで4人が対面で座り、その中の1人が正面を向いて咳をした場合、湿度30%、60%、90%のそれぞれにおいて、飛沫・エアロゾルがどのように飛散するかを再現してみました(図3)。咳によって口から出る飛沫の量はいずれも同量です。

まず、湿度が高いほど飛沫は咳をした人の机の上に落ち、湿度が低くなるにしたがって、机の上に落ちる飛沫の量は減り、その分小さな飛沫となって空気中を漂う量が増えることが明らかになりました。これは、空気が乾燥することにより、飛沫の蒸発量が増え、エアロゾル化することを示しています。このことから、乾燥する冬場は夏場以上に室内換気を頻繁に行い、発生したエアロゾルをできるだけ早く室外に逃すことが重要だといえます。

次に、どれくらいの量の飛沫が、咳をした人の正面の人に到達するかを算出しました(図4)。2人の距離は約1.8mと想定しました。その結果、湿度90%の場合、飛沫の量の約2%が正面の人に到達するのに対し、湿度30%の場合、約6%も到達することがわかりました。このことから、冬場は加湿器などを使って乾燥を防ぐことで、空気中を飛散する飛沫・エアロゾルの量を減らすことが、感染予防として有用であるといえるでしょう。


学校の教室ではエアコンと窓開けの併用が有効

オフィスのほか、学校の教室や病室の場合についてもリスク評価を行いました。まず、学校の場合ですが、公立学校の生徒40名の教室(192㎥)を対象に感染リスク評価を行いました。オフィスと異なる点は、公立学校のエアコンには、換気機能が不十分な場合があることです。そのため、エアコンと窓開けによる換気により、感染リスクがどの程度低減されるかを評価しました。その結果、窓と廊下側の扉を対角に開けることで、エアコンによる温度管理機能と空気の循環機能を発揮しつつ、窓開けによる換気の効果もあることがわかりました。

一方、病室の場合は、4床の一般病室では各種法令により、一定基準を満たした外部空気との換気がされています。しかし、室内における空気の流れは一様ではなく、換気のムラが発生しています。シミュレーションの結果、飛沫・エアロゾル感染のリスク低減に即効性がある対策として、サーキュレーターや扇風機により空気の流れを発生させることが有効であることが確認されました。


約2000通りにも及ぶ様々なケースを短期間で大規模計算

今回のシミュレーションは主に3つの波及効果を期待しています。1つ目は、飛沫・エアロゾルの飛散の様子を可視化し、マスクや換気、パーティションなどの有効性を定量的に評価することにより、一般の方々の感染予防への理解の助けになること。2つ目は、産業界の方々による感染対策に向けた新商品や新サービスの開発のヒントになること。そして、3つ目は、学校で授業を進める際や、ホールでイベントを開催する際にはどのような感染対策を実施すればよいかなど、政策や各種ガイドラインを作成するための指標作りに役立てていただくことです。

また今回、「富岳」利用したことにより、約2000通りにも及ぶケースを想定し、2カ月弱という短期間でシミュレーションを実施し、結果を比較できました。飛沫シミュレーションに活用したソフトウェア「CUBE」は様々なケースの数理モデルを、短期間で作ることができる点も特徴です。海外に比べてかなり早い段階で、エアロゾルによる感染リスクを定量的に把握できたことは、「富岳」の大きな功績です。

今後も引き続き、多様なケースを数多くシミュレーションしていくことで、有効な感染対策を提案し、社会経済活動の早期回復に貢献していきます。


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