Residence Time Distribution Analysis of Patient-Emitted Air in a Mock Hospital Isolation Room: A CFD Study

技術要約：模擬病院隔離室における患者放出空気の滞留時間分布解析

問題提起
病院の隔離室における換気性能は、伝統的に換気回数（ACH）によって規定されている。しかし、ACHは室内が完全混合反応器として振る舞うことを前提としており、ショートサーキット（短絡）経路や再循環（デッド）ゾーンといった複雑な気流トポロジーを考慮できていない。これらの流れの構造は、患者から放出された空気の輸送と除去に大きく影響し、結果として汚染物質の濃度に顕著な空間的・時間的な変動をもたらす可能性がある。これまでの数値流体力学（CFD）研究では、患者から排気への直接的な経路が曝露を減少させることが示されてきたが、これらの輸送メカニズムと曝露指標との関係を定量化するための正式な枠組みは欠けていた。本研究は、バルクのACH指標を超えて、患者放出空気の具体的な輸送特性を特徴付ける必要性に対処するものである。

手法
本研究では、Thatipartiら [8, 9] によって調査された幾何学的形状に基づいた、模擬病院隔離室のCFDシミュレーションを用いる。2つの異なる排気構成を分析した：

1. 標準設計 (NMD): 排気が患者から離れた位置にあり、標準的なレイアウトを代表するもの。
2. ショートサーキット設計 (SCD): 排気が患者の口から排気口への直接的な経路を維持するように配置されており、一種のソースキャプチャ（発生源捕捉）として機能するもの。

シミュレーションは、6 ACHおよび12 ACHの2つの換気率で行われた。流体ダイナミクスは、低自由流乱流とスワール流を捉えるために、4方程式遷移SST乱流モデルを用いたレイノルズ平均ナビエ・ストークス（RANS）方程式を用いて解かれた。患者（312 K）および医療従事者（HCW）（309 K）による熱プルーム（熱上昇流）を含め、浮力の影響をシミュレートした。

輸送を特徴付けるために、本研究では**滞留時間分布（RTD）**解析を適用する。患者の口からパッシブ・トレーサーのパルス（約2 Lの咳を0.2秒間に相当）を放出する。トレーサーが排気に到達する様子を時間経過とともに追跡し、RTD曲線 $E(t)$ および累積RTD曲線 $F(t)$ を生成する。導出された主要な指標は以下の通りである：

• ブレイクスルー時間 ($t_{10}$): トレーサーの10%が排出されるまでの時間。
• スプレッド窓 ($t_{90} - t_{10}$): 中間の80%のトレーサーが除去される期間。
• 平均滞留時間 ($\tau_{CFD}$): RTD曲線の第1モーメント。
• モリル指数 ($t_{90}/t_{10}$): 早期のブレイクスルーと後半の残留性の組み合わせの尺度。
• 見かけのデッドボリューム率 ($\phi_d$): 理論的な平均滞留時間 ($\tau_{theor}$) からの偏差を定量化するもの。

これらの指標を完全混合仮定（PMA）と比較し、HCWの曝露（HCWの頭部付近におけるトレーサー濃度の時間積分）と相関させた。

主な結果
本研究は、換気性能がACHと排気配置の相互作用に強く依存しており、RTD指標がACH単独では予測できない差異を捉えられることを明らかにしている。

• 低換気量 (6 ACH): NMDおよびSCDの両構成において、RTD曲線はPMAの予測に近い結果となった。正規化されたブレイクスルー時間およびスプレッドは類似しており、平均滞留時間は理論値に近い値を示した。SCDはNMDと比較して長期的なHCW曝露を約20%減少させたが、全体的な輸送挙動は、強力なショートサーキットよりも混合と拡散によって支配されていた。
• 高換気量 (12 ACH): 両構成の間で明確な乖離が見られた。
  • SCD: 強力な直接経路を確立し、正規化ブレイクスルー時間 ($t_{10}/\tau_{theor}$) を0.311 (NMD) から0.0283へと減少させた。正規化されたスプレッドは2.29から1.64へと狭まり、平均滞留時間は6.23分から2.64分へと低下した。極めて迅速な初期ブレイクスルーにより、モリル指数は大幅に上昇した (58.88 対 NMDの8.36)。
  • NMD: ブレイクスルーの遅延と保持の拡大を示し、平均滞留時間 (6.23分) は理論値 (4.96分) を上回った。これは顕著なデッドゾーンの存在を示唆している。
• HCW曝露:
  • 短期: ACHを6から12に倍増させた際、短期曝露を減少させたのはSCD構成（直接経路が維持されている場合）のみであった。NMD構成では、ACHを倍増させることで、6 ACHの場合やPMAと比較して、実際には短期的な曝露率が増加した。これは、直接的な経路がない状態で流量を高めると、希釈が起こる前に汚染物質の輸送を加速させてしまうことを示している。
  • 長期: ACHの増加は両方の設計において長期曝露を減少させたが、その減少率はNMDの39%に対し、SCDでは75%と大幅に大きかった。12 ACHにおいて、SCD構成は長期曝露をPMA値の0.42倍に減少させた一方で、NMDはPMA値の1.27倍に増加させた。
• 相関関係: 長期的なHCW曝露は、CFDの平均滞留時間 ($\tau_{CFD}$) と強く相関していた。短期的な曝露率は、RTDのスプレッド、ブレイクスルー時間、およびモリル指数と系統的に相関していた。

意義および主張
本論文は、病院隔離室における患者放出空気の輸送を評価するために、RTD解析を正式に適用した最初の研究であると主張している。著者らは、RTD指標が複雑な気流トポロジーを、物理的に解釈可能な時間スケールへと変換するための定量的な枠組みを提供すると述べている。

主な主張は以下の通りである：

1. ACHの限界: ACHは供給される空気の量を規定するが、その目的地を指定するものではない。本研究は、ACH単独ではHCWの曝露を予測するのに不十分であることを示しており、ACHを上げることの効果は、気流トポロジーが患者から排気への直接経路を維持しているかどうかに完全に依存することを実証した。
2. 「パス原理」の検証: 結果は、「パス原理」（Memarzadeh and Xu [5]）を定量的に支持しており、直接的な経路がソースキャプチャ機構として機能し、特に高い換気率において曝露を劇的に減少させることを示している。
3. 設計上の有用性: RTD解析（CFDまたは物理的なトレーサー試験による）は、ACHに依存しない、移植可能な比較基準として、排気配置の比較に利用できる。著者らは、設計者は単にACH目標を達成することではなく、迅速なクリアランスを確保するために、正規化ブレイクスルー時間 ($t_{10}/\tau_{theor}$) が低く、正規化スプレッド ($W$) が低いレイアウトを優先すべきであると示唆している。
4. スクリーニングツール: 本研究は、RTD解析を、より高度な多相流シミュレーションや複雑なエアロゾル試験に頼る前の、設計およびコミッショニングのための安価なスクリーニングツールとして位置づけている。

著者らは、観察された関係性は4つの特定の構成に基づく記述的なものであること、また、より大きな粒子、異なる患者の姿勢、およびより広い範囲のACHを評価するための今後の課題があることを述べ、その範囲を控えめに設定している。