飛沫・エアロゾルの可視化とは

飛沫・エアロゾルの可視化とは?

くしゃみの飛沫を可視化映像

くしゃみをした時の飛沫:可視化映像 飛沫・エアロゾル可視化システムによる可視化

私たちの日常生活では、多様な感染リスクが懸念されています。これまで想定されなかったリスクを可視化することで、行動様式を全面的に見直すことができ、効果的なリスクコントロールが可能になります。個人のみならず、公衆衛生の観点からの情報共有と検証が重要で、これは集団感染を避けるための重要なステップとなります。

コロナウイルスの流行以降、衛生用品や空調、人と人との距離の重要性が高まりました。これまで当たり前とされていた要素を検証し、可視化することで潜在的なリスクを明らかにします。

カトウ光研では、飛沫・エアロゾルを可視化する技術を提案しています。微小な飛沫やエアロゾルを見える化して、再現性の難しい事象や現状の課題に合わせたサポートをさせていただきます。粒子が飛散する過程、粒子数の増減を可視化技術と画像処理で定量的に評価することができます。

可視化することのメリット

  • 感染リスクの検証が行える
  • 感染防止に有効と思われる機能(マスク・フェイスシールド・ソーシャルディスタンス)の比較検証ができる
  • 感染防止のための具体的な対策を検討できる
飛沫・エアロゾル可視化システムCV-74製品写真

飛沫・エアロゾル可視化システムCV-74
”先進的な見える化技術、飛沫・エアロゾルの挙動を可視化”
飛沫やエアロゾルがどのように挙動するか、目の前で確認することが可能です。特殊LED光源と超高感度カメラを組み合わせたシステムは、従来目視では捉えられなかった細部まで鮮明に撮影します。

飛沫とエアロゾルの主な違い

飛沫のイメージ画像

飛沫とエアロゾルの主な違いは、そのサイズ、飛散する距離、および空中での持続時間にあります。飛沫はエアロゾルよりも大きな粒子で、水分を含んでいるため重く、発生源から近い範囲に落下しやすい特徴があります。

これに対してエアロゾルは非常に小さく軽く、気流に乗りやすいため、長時間空中に留まりやすく広い範囲に渡って拡散する可能性があります。

飛沫の定義

飛沫は、人が咳やくしゃみ、会話などをする際に口や鼻から放出される水分を含んだ粒子です。これらの粒子は直径5μm以上で、重力の影響を受けやすく、発生源から1~2m程度で地面に落下する傾向があります。

飛沫に含まれる水分が蒸発すると、飛沫核と呼ばれる直径4μm以下の粒子になります。飛沫核は軽いので長時間空気中に浮遊し、発生源から遠くまで拡散する可能性があります。

エアロゾルの定義

エアロゾルとは、空気中に浮遊する非常に微小な粒子の総称です。粒子のサイズは0.001μmから100μmの範囲に及びますが、一般に直径5μm以上の大きさと定義される「飛沫」よりも細かいものを指します。

エアロゾルは黄砂、花粉、アスベストなど自然界の粒子の他、特定の病原体を含んだものも含まれます。病原体を含むエアロゾルは、人が呼吸することにより容易に吸引され、感染症の拡散に関与することがあります。特に密閉された空間でのエアロゾル濃度が高まると、感染のリスクも高くなると考えられています​。

発音時・呼気・マスク着用時の可視化事例

飛沫・エアロゾルを見える化

撮影協力:慶應義塾大学 理工学部 応用化学科 環境化学研究室 奥田 知明 教授
研究室URL: https://www.applc.keio.ac.jp/~okuda/

飛沫やエアロゾルを「微粒子可視化システムParticle Viewer PV2-Yellow」を使用して可視化した事例です。
動画では以下の条件で可視化実験を行っています。

  • 一般環境での発音時の可視化
  • 清浄度の高い環境で発音・息を吐いた時で可視化
  • 清浄の高い環境でマスク着用時に漏れ出る呼気

動画内で行った実験について、次でご説明いたします。

一般環境での発音時の可視化
一般環境での発音時の飛沫を可視化

発音時の飛沫

一般環境での発音時の飛沫をカウント

画像から飛沫の数をカウント

一般環境で飛沫を可視化した事例です。微粒子可視化システムParticle Viewer PV2-Yellowは、超高感度で粒子を可視化できるため、飛沫・エアロゾル以外の室内で滞留する粒子も見えてしまいます。システムの機能である粒子数のカウント機能(画像計測機能)からも分かるように、感度が良過ぎるために飛沫の判別が難しいです。

清浄の高い環境で発音・息を吐いた時で可視化
清浄度の高い環境で飛沫を可視化

発音時の飛沫

清浄度の高い環境で飛沫をカウント

画像から飛沫の数をカウント

清浄度の高い環境でエアロゾルを可視化

息を吐いた時のエアロゾル

清浄度の高い環境でエアロゾルをカウント

画像からエアロゾルの数をカウント

クリーンブース内の環境:1Lあたり
  • 0.3マイクロの粒子が12個~72個
  • 0.5マイクロの粒子が12個~32個 

”ぱぴぷぺぽ”の半濁音を発声した時と、ゆっくりと息を吐いた状態の可視化を行っています。外乱となる滞留する粒子が少ないため、飛沫はもとより呼気に含まれる微小なエアロゾルまで判別できるレベルで可視化できています。

マスク着用時にエアロゾルが漏れ出る様子を可視化
不織布マスク着用時のエアロゾルをカウント

不織布マスク着用時

ウレタンマスク着用時のエアロゾルをカウント

ウレタンマスク着用時

マスクを着用した状態で、ゆっくり息を吐いた時のエアロゾルを可視化しています。不織布マスクでは、エアロゾルが漏れ出る様子はほとんど確認できません。一方、ウレタンマスクでは息を吐いた時に漏れ出るエアロゾルが可視化できています。

飛沫の速度を計測:3DPTV

くしゃみの(飛沫)の3次元測定

くしゃみの際に飛散する飛沫を測定しています。PTV(粒子追跡法)で画像から飛沫の速度ベクトル(U,V,W)を算出しました。PTVでは、飛沫が動きをハイスピードカメラで撮影し、撮影されたスーパースロー映像から飛沫の移動量を求めます。くしゃみの際の飛沫を定量的に評価できます。

飛沫とエアロゾルの浮遊を可視化検証

飛沫・エアロゾルの飛散の仕方、滞留する様子までを可視化。画像処理でよりわかりやすくすることで高いレベルの検証が可能です。

シチュエーション別 可視化事例

ランニング中のエアロゾル 周囲への影響を見える化

撮影協力:筑波大学 体育専門学群 浅井 武 先生
感染経路として器具されているエアロゾルを可視化して、PIVで解析。ランナーの呼吸を例として残留するエアロゾルの周囲への影響を評価しています。

PIV計測結果の画像_PIVとは

PIVとは【技術コラム】

PIV(粒子画像流速測定法,Particle Image Velocimetry)は、流れ場における多点の瞬時速度を非接触で得ることができる流体計測法です。流体に追従する粒子にレーザシートを照射し可視化、これをカメラで撮影しフレ...続きを読む

歯科治療中に飛散するミストを見える化

撮影協力:藤田医科大学 医学部 歯科・口腔外科学講座 小林 義和 先生 金 珉廷 先生
歯科治療中に飛散してしまうミストを見える化しています。歯科治療では、医療従事者や患者の方への飛沫感染によるリスクがあります。飛散してしまうミストは、バキュームを使って吸引をしています。吸引の効果を可視化技術で検証した事例です。

オフィスにおける呼気の挙動を可視化

使用機材

オフィスワークでの人からの呼気が周囲へどのように拡散していくか?検証しました。呼気に含まれるエアロゾルを可視化用レーザーシート光源を使用して見える化しています。

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