インタビュー:科学者が新型コロナウイルス除去真空ヘルメットをデザイン

インタビュー:科学者が新型コロナウイルス除去真空ヘルメットをデザイン

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新型コロナウイルス関連の研究における一連の迅速な対応が可能な助成金による支援の一環として、米国コーネル大学の機械工学博士課程の学生であるDongjie Jia氏は、患者が使用するためのオープンフェイス型のヘルメットのデザイン開発に協力しました。デンタル・トリビューン・インターナショナルのインタビューでJia氏は、コーネル・アトキンソン・センター・フォー・サステナビリティから資金提供を受けたこのプロジェクトがどのようにして誕生したのか、また、現在進行中のパンデミックの中で医療従事者をどのように助けることができるのかを説明しました。

[Jiaさん、どのようにしてヘルメットのアイデアを思いついたのですか?]

-ヘルメットの原案を出してくれたのは、共同研究者であるウィル・コーネル医学のアナイス・ラモー博士とジョナサン・リー・ベイカー博士です。マフディ・エスマイリー・モガダム博士は、液滴捕捉効率を向上させるため、液滴がヘルメットを出る前に流れに逆らって移動する必要がある距離、いわゆる逆流領域を増加させるよう、フェース開口部のノズル設計を提案しました。

最終的な原型のデザインをCADで描いてみました。ヘルメットの動作はかなりシンプルです。トップチューブは、医療グレードの真空に接続されています。真空は顔の開口部で逆流を起こし、患者によって排出された液滴を吸い込みます。その後真空は、患者によって排出された液滴を吸い込むために、顔の開口部で逆流を発生させます。我々のシミュレーションによると、この装置は250μm未満の液滴を含むことができ、咳飛沫全体の99.6%を占めています。

大きな液滴が捕捉しにくい理由は、粒子(液滴)の流体力学にあります。流体力学において、粒子が流れの変化にどれだけ早く適応するかを示す粒子緩和時間は、粒子径の二乗の関数です。したがって液滴の直径が大きくなるにつれ、液滴を封じ込めたりノズルの流れが液滴に影響を与えることが益々困難になります。

大きな液滴(>100μm)は小さな液滴よりも危険性が低く、透過性も低いです。大きな液滴は質量が大きいため、放出後1 秒以内に地面(またはフェイスシールド上)に落下する傾向があるのに対し、小さな液滴はすぐに蒸発して非常に小さな液滴核を形成し、その軽さが故に数時間から数日の間、空気中に留まります。これを図に示しています。

当社の設計は、より危険で小さな飛沫を捕らえることに高頻度で成功しています。このデザインでは捕捉できない大きな飛沫も、フェイスシールドを使用することで簡単に処理することができ、表面の衛生管理を行うことができます。

[仕事の性質上、特に歯科医師は新型コロナウイルスに感染するリスクがあるかと思います。現在利用可能な個人用保護具(PPE)にはどのような限界があり、歯科医師がこの装置を使用することでどのようなメリットがあるのでしょうか?]

-N95フェイスマスクやフェイスシールドなどの現行の個人用保護具は、歯科医師を感染から守るだけであって、患者が臨床環境を汚染する可能性を防ぐものではありません。咳飛沫は放出後、何時間も空気感染したままになる事があります。この問題を対処するため歯科医は本来、患者との間に空気中の隔離が必要で、高価なHEPA空気ろ過機を設置する必要がありますが、これは液滴の除去効率が約90%程度しかありません。私たちのヘルメットは使い捨て用のプラスチックから作られ、もしかするとフェイスシールドとほぼ同じ価格で作れるかもしれません。私たちの装置は、安価で非常に効果的な代替品を提供します。

[このプロジェクトでは、これまでどのような課題がありましたか?]

-主な課題は、シミュレーションの設定と結果が正確であるかどうかを確認する事でした。使用したソフトウェアは、様々な流れの状況を想定して厳密にテストを実施しました。また、シミュレーション結果が数値的に意味のあるものであると確認するために、解析的な計算も行いました。最終的には、実際の状況に近いシミュレーションができたと自負しています。

[研究プロセスの次の段階はどのようなものですか?このヘルメットを製造して実際の臨床現場に導入する予定はありますか?]

-私たちの共同研究者は、この装置を試作し、ウェイルコーネル大学医学部の臨床現場でテストすることを計画しています。試作試験で良好な結果が得られた場合には、実際の臨床現場で使用するためにこの装置を製造するメーカーに連絡することを試みています。現在のデザインは、アイデアのための概念実証です。私たちのデザインの人間工学と実用性を向上させるために、臨床現場からのフィードバックをお待ちしています。

編集注:「歯科・耳鼻科外来における病原体を含む飛沫を封じ込めるための真空ヘルメットのシミュレーション」と題された記事は、Physics of Fluidsの2021年1月号のオンライン版に掲載されました。

読者の方は、こちらをタップすれば液滴の異なる挙動や分類について詳しく知ることができます。Duguid JP. 呼吸器の液滴と液滴核の大きさと空気輸送の持続時間。J Hyg(ロンド)。1946 Sep;44(6):471-9.doi:10.1017/s0022172400019288.

記事提供

© Dental Tribune

ライター

Monique Mehler, Dental Tribune International

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