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口罩和面膜在控制呼气活动外气溶胶粒子排放中的作用

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发表时间:2020-09-25 11:13作者:武汉新启迪Xinqidibio

新冠肺炎大流行引发了对口罩的需求激增,以防止疾病传播。为了应对短缺,许多公共卫生当局推荐自制口罩作为手术口罩和N95口罩的可接受替代品。虽然戴口罩的部分目的是为了保护其他人不受呼出的病毒粒子的侵害,但很少有研究发现戴口罩的人向周围空气中排放微粒。在这里,我们测量了健康人在戴着不同类型的医用或自制口罩时进行各种呼气活动时向外排放的微米级气溶胶粒子。外科口罩和无通气KN 95呼吸器,即使未经适当测试,在说话和咳嗽时,其向外粒子发射率分别比不戴口罩的平均减少90%和74%,证实了它们在减少外向排放方面的有效性。这些口罩同样减少了咳嗽超级发射器的向外粒子发射,由于不清楚的原因,后者通过咳嗽发出的呼气粒子比平均高出两个数量级。相反,在国产棉布口罩中从易碎的纤维素纤维中脱落非呼气微米级微粒,使其在减少呼气颗粒排放方面的有效性明显降低。声音分析的讲话和咳嗽强度证实,人们说话更大声,但不咳嗽更大声时,戴口罩。我们还需要进一步的工作来确定口罩在不同强度下阻隔呼气颗粒和咳嗽的功效,并评估受病毒污染的织物是否能产生气溶胶状口罩,但研究结果有力地证实了医用口罩的功效,并强调了定期清洗自制口罩的重要性。

导言

传染性呼吸道疾病的空气传播包括在各种呼气活动(如呼吸、说话、咳嗽和打喷嚏)中排放含有微生物的气溶胶和水滴。病毒在排放的液滴和气溶胶中传播到易感个体,可通过在表面沉积后的物理接触、沉积后的再气溶胶化、在粘膜表面(如口腔、眼睛)上直接沉积或直接吸入含有病毒的气溶胶而发生。1,2。对于这些不同传播模式(接触、液滴喷雾或雾化吸入)在特定呼吸道疾病中的作用和空间规模仍不确定,包括新冠肺炎。3,4,5,6,7,在特定的环境中,但是空气中的传播来源于气雾剂或液滴的第一次呼气发射。因此,除了保持警惕的手部卫生外,戴口罩也被提出作为一种减少疾病传播的手段,特别是在医疗保健环境中。8,9,10,11。许多研究表明,口罩可以为佩戴者提供重要的保护,尽管适当的口罩配戴是实现这些好处的关键。12,13,14,15。另外,口罩可以潜在地减少感染者的向外传播,为他人提供保护。7,16,17。有迹象表明新冠肺炎的无症状携带者感染了其他人。18,19,20,导致增加,尽管不一致21,22,23,24呼吁公众更普遍地戴上口罩或面罩,以帮助控制大流行期间的疾病传播。因此,了解不同类型的口罩和面罩在减少呼气活动中气溶胶和水滴向外传播的效果是非常重要的。

流行病学和临床研究评估口罩在减少疾病传播方面的效果的结果表明,戴口罩可以提供一些好处。10,11,尤其是早期干预,但结果往往缺乏统计学意义。25,26,27,28,29,30,31。实验室研究提供了另一种评估或推断面膜效果的方法。材料过滤效率的测量可以提供潜在的屏蔽效果的初步指导,以防止向外传播。15,32,33,34,35,但佩戴时不要直接提及面具的性能。早期的摄影证据表明口罩可以限制咳嗽产生的粒子的传播。36。用人工测试头模拟呼吸的测量表明,不同类型的掩模之间的粒子浓度在0.02μm-1μm之间下降。37。也使用模拟呼吸,Green等人。38发现外科口罩有效地减少了内孢子和营养细胞的向外传递,与较小的颗粒相比,粒子的减少似乎更大,大于0.7μm。利用志愿者,Davies等人。32研究发现,外科和国产棉质口罩可显著减少健康志愿者咳嗽所产生的可培养微生物的排放,在不同粒径范围内(从0.65μm到>7μm),也观察到了类似的减少。Milton等人16研究发现,外科口罩大大减少了流感患者呼出的“细”气溶胶(≤5μm)和“粗”小滴(>5μm)中的病毒拷贝数,而粗颗粒的减少幅度更大。这一结果与梁振英等人最近的测量结果略有不同。13,世卫组织在统计上显示,在吸入粗糙但不是细小的颗粒时,流感的脱落量显著减少,参与者戴着外科口罩。然而,他们确实发现口罩减少了季节性冠状病毒从呼吸中脱落的粗颗粒和细颗粒,尽管在不到一半的样本中观察到病毒RNA,即使没有口罩,也使评估复杂化。

上述研究都表明口罩具有很强的潜力,可以帮助减少呼吸道疾病的传播。然而,到目前为止,还没有人在一系列呼气活动中研究口罩的有效性,并且对不同类型的口罩给予了有限的考虑。此外,到目前为止,还没有研究认为掩膜本身是气溶胶粒子的潜在来源。众所周知,纤维纤维素材料,如棉花和纸,能向空气中释放出大量的微米级颗粒(即灰尘)。39,40,41,42。传统上,这些粒子不被认为是呼吸道病毒疾病的潜在关注点,如流感或现在的新冠肺炎,因为这些疾病被认为是通过被感染者的呼吸道直接发出的呼气粒子传播的。43。然而,20世纪40年代早期的研究表明,在剧烈摇晃受污染的毯子后,可以从空气中收集到传染性流感病毒。44。尽管有这一发现,但在接下来的70年里,很少有人关注呼吸道病毒通过环境尘埃传播的可能性;一个例外是Khare和Marr的一项研究,他们研究了一个通过步行从地板上重新悬浮受污染尘埃的理论模型。45。最近,Asadi等人的工作。流感病毒经实验证实,从动物皮毛或纸组织等受病毒污染的表面喷出的非呼吸道粒子,也可携带流感病毒,并感染易感动物。46。这一观察提出了口罩或其他个人防护设备(PPE)更有可能受到病毒污染的可能性,它们可能是气溶胶的来源。的确,刘等人最近的工作。证明空气中sars-cov-2(导致新冠肺炎的病毒)数量最高的病例发生在医护人员脱毒的医院病房,表明病毒可能是从受病毒污染的衣服或ppe中雾化的,或者是在地板上重新悬浮在病毒污染的尘埃中。47。喷雾剂在人与人之间传播传染性呼吸道疾病中的作用尚不清楚,目前尚不清楚某些类型的口罩是否同时有效地阻断了呼吸颗粒的释放,同时将非呼气(纤维素)颗粒的排放降至最低。

在这里,我们报告了评估无通气KN 95呼吸器、排气N95呼吸器、手术口罩以及自制纸和布口罩的有效性的实验,以降低健康人呼吸、说话和咳嗽所致的气溶胶粒子排放率。两个关键的发现是:(一)外科口罩、没有排气的KN 95呼吸器,以及可能的排气N95呼吸器,都大大减少了排放粒子的数量,但(Ii)自制布口罩--可能是脱落的纤维碎片--在没有戴口罩的情况下,其粒子排放可能大大超过排放,这一结果混淆了对其阻止呼气微粒排放的有效性的评估。虽然没有对病毒的排放或传染性进行直接测量,但研究结果表明,从被污染的棉罩中脱落的纤维颗粒可能是气溶胶的来源。

方法

人类主体

我们招募了10名志愿者(6男4女),年龄从18岁到45岁不等。加州大学戴维斯学院审查委员会批准了这项研究(IRB#844,369-4),所有研究都是根据机构审查委员会的相关准则和条例进行的。所有参与者均在测试前获得书面知情同意,并要求所有参与者提供他们的年龄、体重、身高、一般健康状况和吸烟史。只有那些自我报告为健康的不吸烟者的参与者才参加了这项研究。

实验装置

所使用的一般实验装置与以前的工作相似。48,49。简单地说,采用空气动力粒度仪(APS,TSI模型3321)来计算空气动力学直径在0.3~20μm之间的颗粒数,其计数效率下降到~0.5m以下,因此,在0.3~0.5m之间计数的粒子很可能低估了真实数目。APS被放置在HEPA过滤的层流罩内,使背景粒子浓度降到最低(如图所示)。1a)。研究参与者被要求坐着,这样他们的嘴被放置在通过导电硅管连接到APS入口的漏斗前面。然后他们进行不同的呼气活动,同时不戴口罩或图中所示的面具之一。1B并在下文更详细地说明。在漏斗的一侧立即放置了一个麦克风,以记录谈话和咳嗽活动的持续时间和强度(如图所示)。1c)。参与者在离漏斗入口大约1厘米的地方用嘴定位;鼻子休息是在我们之前的设置中使用的。48,49被移除,以防止额外的粒子产生,通过摩擦面具织物在鼻子休息表面。空气被APS以5L/min的速度吸引进来,1L/min(20%)聚焦到探测器中,以1-s间隔来计数和调整累积粒子数(图1)。1d)。注意,漏斗是半封闭的环境,并不是所有过期的粒子都被APS捕获。戴口罩可能会将一些过期的气流转向非向外的方向(例如,面具的顶部或侧面)。50)。因此,我们用“向外发射”这个术语来指在这里测量到的粒子排放量。因此,这里报告的测量并不代表发射粒子的绝对数量,而且可能低估了从掩模侧面逸出的粒子的贡献,但确实允许在不同条件之间进行相对比较。从APS中报告的颗粒发射率可能比呼气总粒子发射率小,大约是进入漏斗的呼气容积流量与APS采样率的比率。

图1
figure1

(a)实验装置示意图,显示一名参与者在连接到APS的漏斗前戴上面具。(b)用于实验的面具的照片。(c)麦克风记录参与者(F3)在没有戴口罩的情况下咳嗽到漏斗里。(d)所有检测到的粒子在直径0.3~20m之间的瞬时粒子发射率。外科手术;KN 95:无通气KN 95呼吸器;SL-P:单层纸巾;SL-T:单层棉t恤;DL-T:双层棉t恤;n95:通风n95呼吸器。被试给予她书面的知情同意,以便在(b).

所有实验均在22~24°C环境温度下进行,相对湿度在30%~35%之间,在53%相对湿度下进行第二轮测试,比较清洗和未清洗的自制口罩。考虑到从进入漏斗到到达aps内部探测器之间大约有3s的延迟,在所有这些条件下,微米级飞沫的水相组分有足够的时间(即超过100 ms)充分蒸发至其干燥的残余(所谓的“液滴核”)。51);见Asadi等人的图S3。48在这些条件下进行完全干燥的直接实验证据。虽然较大的液滴(大于20m)需要大量超过1s才能蒸发。52如这里所示,绝大多数粒子小于5m,因此不太可能起源于大于20m的尺寸,这里的尺寸分布是基于在APS探测器上观察到的直径。

呼气活动

参与者被要求为每种口罩或呼吸器类型完成四项不同的活动:

  • (I)呼吸:通过鼻子和嘴轻轻地呼吸,2分钟的步调对参与者来说很舒服。粒子发射率计算为在整个2分钟周期内发射的粒子总数,除以2分钟以获得平均每秒粒子数。

  • (2)倾诉朗读彩虹通道(费尔班克斯)53和补充文本S1),一个标准的330字长的语言文本,有广泛的音素。参与者高声朗读这篇短文,声音适中,声音舒畅。由于参与者自然以稍微不同的音量和速度阅读,麦克风录音被用来计算均方根(RMS)振幅(作为响度的量度)和发声持续时间(不包括单词之间的停顿)。粒子发射率计算为在整个读数(约100至150秒)中发射的粒子总数,除以不包括暂停的发声累积时间。排除停顿是人与人在说话时积极发声的时间的差异(约82%±5%),这样,只是在单词之间停顿较长时间的人,就不会因为发声而人为地表现出低的排放率。

  • (3)咳嗽:连续,强迫咳嗽30秒,以舒适的速度和强度的参与者。类似于谈话实验,用麦克风数据测定每次咳嗽的均方根振幅、咳嗽次数和咳嗽累计持续时间(不包括咳嗽之间的停顿时间)。粒子发射率计算为测量过程中排放的粒子总数,除以咳嗽次数(获取粒子/咳嗽)或咳嗽累计持续时间(获得粒子/秒)。

  • (四)下颌运动:移动下巴就像嚼口香糖一样,不张嘴,持续1分钟,同时鼻子呼吸,以检验面部运动在没有更极端的呼气情况下是否会产生明显的微粒排放。从技术上讲,这是一种呼气活动,因为参与者是鼻子呼吸,但其主要目的是评估面部运动是否会显着地改变颗粒发射,原因要么是皮肤和面罩之间的温和摩擦,产生了增强的粒子发射,要么是面罩与皮肤之间的间隔距离变化,从而使或多或少的微粒得以逃逸。将粒子发射率计算为1-min周期内发射的粒子总数,除以60 s,得到平均粒子数/秒。

掩模类型

当参与者不戴口罩或6种不同的口罩或呼吸器中的一种时,他们完成了四项呼气活动中的每一项:

  • (I)一个名为“Surg”的外科面罩(ValuMax 5130 E-SB),由10名参与者测试。

  • (二)无排气KN 95呼吸器(GB2626-2006,制造商九保护技术,东莞,中国),由10名参与者进行测试。

  • (3)自制单层纸巾面罩(Kirkland,2层纸,27.9 cm×17.7 cm),标为“SL-P”,由10名参与者进行测试。

  • (Iv)一种自制的单层t恤面罩,“SL-T”,由10名参与者测试(卡尔文·克莱因男式液体棉球,100%棉,#1341469项)。

  • (V)自制双层t恤口罩,“DL-T”,由与SL-T面罩相同的t恤材料制成,并由10名参与者进行测试。

  • (6)由2名参与者测试的通风口N95呼吸器(NIOSH N95,安全补充,TC-84a-7448);测试时的短缺排除了较大的样本数量。在美国,N95和KN 95呼吸器的主要区别在于口罩被认证的地方。(N95)或中国(KN 95)。

自制的布面罩(SL-T和DL-T)是根据cdc自行制作的单层和双层t恤口罩的要求制作的。54。自制的纸巾口罩是根据自己动手制作的。55。所有面具类型的照片如图所示。1b.

在戴上每个面罩之前,与会者都会得到关于如何戴上面罩的口头指导。对于外科口罩和KN 95呼吸器,他们被指示捏紧金属棒,使口罩与鼻子保持一致。根据OSHA标准(29 CFR 1910部分)对呼吸器进行不适合测试56,目的是为未受过训练的个人获得有代表性的粒子发射率,而无法获得专业的装配协助。

面罩清洗

为了测试自制口罩的清洗是否对微粒排放率有任何影响,4名参与者被要求把他们的双层t恤面罩带回家,用水和肥皂洗手,彻底冲洗,然后让它风干。这些参与者然后返回和重复这四项活动与全新的DL-T口罩和他们清洗的DL-T面罩,以提供直接比较清洗和未清洗的织物。

磨擦颗粒

除了上述测量不同面膜织物相关粒子发射的实验外,我们还用类似于纸张组织的方法,用手在APS前摩擦每个面罩,对面罩的易碎性进行了定性测试。图形4Asadi等人的报告。46)。具体来说,面具被折叠在拇指和食指之间,口罩材料被擦在自己身上。每种面罩的样本都是同一个人在APS前用手擦10s,每次都尽可能地使用相同的力量。每种面罩类型重复3次。用磨擦时间(10s)除以发射的总粒子数来计算颗粒发射率。请注意,这一过程并不排除可能的颗粒从实验者的皮肤上脱落。57因此,观察到的不同掩模材料的粒子发射率只是相对易碎性的定性指标。

统计分析

方框和胡须图显示中间线(红线),中间四分位数范围(蓝色框)和范围(黑色胡须)。用Stata/IC 15对每种活性的粒子发射速率进行Shapiro-Wilk正态性检验。在对数据进行对数转换后,进行混合效应线性回归,以考虑人的水平相关性.考虑到我们只有一个主要的随机效应(人与人之间的可变性),所有的方差都被设定为零协方差。用Scheffe的方法对多组比较进行了比较,并对其进行了调整。在每个方框下面用绿色字母表示Scheffe组;没有普通字母的组被认为是显著不同的(p < 0.05).

结果

四次呼气活动的粒子发射率如图所示。2。首先专注于呼吸(图1)。2(A)当参与者不戴口罩时,粒子发射率中位数为0.31粒子/秒,其中一名参与者(M6)高达0.57粒子/秒,另一名参与者(F3)则为0.05粒子/秒。48,51。相反,戴上外科口罩或KN 95呼吸器可以显著减少每秒钟向外排放的粒子数量。这些掩模的中位外向发射率分别为0.06和0.07粒子/s,与无掩模相比大约减少了6倍。戴着自制单层纸巾(SL-P)面罩的外向发射率也有类似的下降,尽管没有医疗级口罩有统计学意义。

图2
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粒子发射率与(a)呼吸,(b)交谈,(c)咳嗽,和(d当参与者没有戴口罩或戴六种面罩中的一种时,下巴移动。Scheffe组用绿色字母表示;没有普通字母的组被认为是显著不同的(p < 0.05). Surg.: surgical; KN95: unvented KN95; SL-P: single-layer paper towel; U-SL-T: unwashed single-layer cotton t-shirt; U-DL-T: unwashed double-layer cotton t-shirt; N95: vented N95. Note that the scales are logarithmic and the orders of magnitude differ in each subplot.

令人惊讶的是,在呼吸时戴上未经清洗的单层t恤(U-SL-T)面罩,测量到的粒子发射率比不戴面罩的显著增加,平均为0.61个粒子/秒,部分参与者(F1和F4)的比例超过1粒子/秒,比无面罩的中位数增加了384%。戴双层棉质t恤(U-DL-T)面罩对颗粒发射率无显着性影响,其中位数和范围与未戴口罩的相比,差异无统计学意义(P>0.05)。

转向演讲(图)。2(B)所观察到的总体趋势是,声音以中等的、舒适的声音响亮(如图)。沙一A和表沙一)产生的粒子比呼吸多一个数量级。当参与者不戴口罩说话时,中位数为2.77粒子/秒(而呼吸为0.31)。掩膜型效应对粒子发射的总体趋势与观察到的呼吸性质相似。口罩和KN 95口罩在说话时显着地减少了外向排放,分别降低到0.18和0.36粒子/秒的中位数。同样地,戴着纸巾面罩,向外语音粒子发射率降至1.21粒子/秒,低于无口罩,但与外科口罩和KN 95口罩相比,下降幅度较小。相比之下,国产布口罩在言语过程中与无口罩相比,要么没有变化,要么显着地增加了发射率。受试者戴U-SL-T面罩时,其向外粒子排放量超出无掩模条件的数量级,中位数为16.37粒子/s,戴上U-DL-T面罩的效果不显著。

第三次呼气活动--咳嗽--在口罩类型方面再次产生了类似的定性趋势(图一)。2c)。我们强调,参与者咳嗽的步数不同,因此咳嗽的次数、累计咳嗽时间和声功率在参与者之间有所不同(图)。沙一B,图S2和表S2)。然而,我们观察到,不戴口罩的咳嗽产生的中位数为10.1粒子/秒,大多数参与者在3至42粒子/秒之间。作为比较,如果咳嗽频率为每分钟6次,那么由于咳嗽超过一分钟而产生的中位外向粒子数略小于呼吸产生的粒子数,并且比一分钟以上的说话量小数量级(见图一)。每咳嗽对应的粒子数为S3)。在呼吸和说话方面,在戴不同口罩时咳嗽也有类似的一般趋势。手术面罩使中位外向发射率下降到2.44个/s(下降75%),KN 95下降到6.15个/s(下降39%),但没有统计学意义。SL-P掩模与无掩模相比,差异无统计学意义.相比之下,国产的U-SL-T和U-DL-T型口罩的平均发射率分别为49.2和36.1粒子/s,每秒(或每咳嗽)的向外粒子发射量显著增加。

值得注意的是,一名名为M6的人在咳嗽时发射的气溶胶粒子比其他人多两个数量级,在没有遮罩的情况下发射出567个粒子/秒。即使在M6戴口罩时,他在咳嗽时也会释放出19.5个粒子/秒,大大高于没有面罩的中位数,尽管与这个人的没有口罩相比仍有很大的下降。咳嗽的声学分析,均为均方根振幅(图)沙一(B)和过滤后的功率密度,表明M6的咳嗽不是特别响亮,也不是比其他咳嗽更有力(见图S2和表S2)。目前尚不清楚是什么原因导致这个人咳嗽时排放的气溶胶粒子比平均水平高出100倍,尽管从质量上看,M6的咳嗽似乎更多来自胸部,而其他参与者的咳嗽似乎更多来自喉咙;值得注意的是,这个人在说话和呼吸时发出的粒子的平均数量更接近平均水平。此外,无论面罩类型如何,M6咳嗽期间气溶胶粒子排放量明显高于平均水平。

终于,图。2D显示当参与者移动他们的下巴时的粒子发射率,类似于闭着嘴的口香糖,而只是通过他们的鼻子呼吸。一般来说,有鼻呼吸且没有口罩的颌骨运动产生的粒子每秒比呼吸活动(通过鼻子呼吸和通过嘴巴呼吸)略少,没有口罩的中位速度为0.12粒子/秒。由于参与者在下颚运动时仍然用闭着的嘴呼吸,所以较低的颗粒产生可能是参与者通过鼻子而不是通过嘴呼气造成的。48,51。戴上手术口罩或KN 95呼吸器对颌骨运动产生的颗粒发射的影响与无面罩相比,差异无统计学意义。相反,戴上所有其他类型的自制口罩(SL-P、U-SL-T和U-DL-T)则大大提高了粒子发射率,单层掩膜产生的粒子以1.72粒子/秒最高。

所有上述实验也都是用通风的N95呼吸器重复的,尽管只有2名参与者(由于测试时的短缺)。小样本量排除了显着性检测的可能性,但总的来说,两种测试的粒子发射率在总体发射率的降低方面与外科面罩和未暴露的KN 95相当。

排放率如图所示。2表示所有粒子在0.3~20m范围内的总粒径分布。我们还用所有试验的总分数测量了相应的尺寸分布(图1)。3)。一般来说,这里观察到的所有尺寸分布都是对数正态分布,峰值在0.5m附近,迅速衰减到5m以上的可忽略的分数。不戴面具时呼吸发出的粒子几何平均直径为0.65m(图1)。3(A)35%的粒子在0.3至0.5m的最小尺寸范围内,不论面罩类型如何,呼吸时戴口罩可使最小尺寸范围内的颗粒比例显著增加(例如,KN 95呼吸器最高可达60%),使几何平均直径向较小尺寸移动。与呼吸相比,不带面具的谈话产生的粒子稍大,平均直径为0.75公分(图一)。3b)。在说话时戴着口罩对尺寸分布的影响与呼吸观察到的情况在质量上相似,因为较高比例的粒子在最小的尺寸范围内。然而,与呼吸不同的是,U-SL-T和U-DL-T掩膜释放的小粒子比例最高(分别为47%和51%)。

图3
figure3

观测到的粒子大小分布,按每个垃圾箱的粒子/s归一化,与(a)呼吸,(b)交谈,(c)咳嗽,和(d当参与者没有戴口罩或五种面罩中的一种时,下巴移动。每条曲线是所有10个参与者的平均曲线。实线表示数据,使用5-点平滑函数。带有水平误差条的数据点表明,APS检测到的小颗粒直径在0.3~0.5μm之间,而对其在这一范围内的尺寸分布没有进一步的信息。外科手术;KN 95:未通风的KN 95;SL-P:单层纸巾;U-SL-T:未洗的单层棉质t恤;U-DL-T:未洗的双层棉t恤;n95:通风的n95。

戴口罩对咳嗽产生的颗粒的大小分布影响更大(图1)。3c)。在不戴口罩的情况下,咳嗽产生的颗粒平均直径为0.6m,在戴自制口罩(SL-P、U-SL-T和U-DL-T)时,以最小的粒径范围(57%)为主。我们还注意到,在所有呼气活动中,咳嗽产生的粒子排放率最高,戴上自制口罩可显著减少大颗粒的比例(>0.8m)。最后,对于颌骨运动,除无面罩和手术面罩的最小颗粒比例最低外,无面罩和带面罩病例的总体尺寸分布相似(图1)。3d)。

为了直接比较医用口罩和国产口罩在减少不同尺寸粒子排放方面的效果,我们将APS测量的整个尺寸范围(0.3~20m)划分为三个亚范围(最小0.3-0.5m;中间0.5-1m;最大0.5-20m),并计算了呼吸、说话和咳嗽过程中每个亚范围内粒子发射率的相应变化百分比(见图)。4)。对于最小的粒子,如图所示。4A结果表明,戴外科口罩和KN 95口罩用于呼吸、说话和咳嗽时,0.3-0.5m粒子发射率降低92%,KN 95在此尺寸范围内下降幅度较小,为20.5%。SL-P面罩使说话和呼吸的0.3-0.5m粒子发射减少了60%,而咳嗽则增加了77%。在尽量减少最小粒子的排放方面,最不有效的掩膜是U-SL-T和U-DL-T掩膜,其中U-SL-T使0.3-0.5m粒子的语音发射几乎增加了600%,U-DL-T掩膜对说话和呼吸的影响很小,咳嗽增加了近300%。在0.5-1微米的范围内,对中等大小的粒子,观察到了类似的质量趋势(图1)。4),医疗级口罩产生了显著的减少。这种尺寸范围的主要区别在于,SL-P掩模使咳嗽时的粒子排放量减少了15.7%,而U-DL-T掩模使呼吸和说话的粒子排放量减少了34.1%。

图4
figure4

10名参与者的中位粒子发射率(N)与不戴面具的中位数相比,在以下大小范围内,当戴不同面罩类型和呼吸(蓝色点)、说话(红点)或咳嗽(绿点)时,粒子发射率(N)的百分比变化:(a)最小,0.3-0.5米;(b)中间,0.5-1米;(c)最大,1至20米;和(d)各种尺寸,0.3至20米。虚线是用来引导眼睛的。外科手术;KN 95:未透气的KN 95;SL-P:单层纸巾;U-SL-T:未洗的单层棉质t恤;U-DL-T:未洗的双层棉t恤。

对于最大粒径(1-20μm),观察到的趋势在质量上又与中间粒子相似(图一)。4(C),医疗级口罩产生了很大的削减。值得注意的是,U-DL-T型口罩发出的呼吸和说话所需的大粒子要少得多,大约减少了60%,但咳嗽仍然增加了160%。在0.3~20m的整个尺寸范围内,中位数粒子发射的百分比变化如图所示。4结果表明,国产口罩一般产生的咳嗽颗粒总量较多,在减少呼吸和说话微粒排放方面效果参差不齐。关键是手术和KN 95面罩在APS测量的整个粒子范围内有效地减少了所有呼气活动的粒子发射。

为了帮助解释我们的发现,我们还量化了人工摩擦口罩织物所释放的颗粒。结果(图1.5(A)显示,在没有任何呼气活动的情况下,擦口罩织物平均每秒产生1.5粒子,而KN 95和N95呼吸器每秒产生的粒子不到1粒。与之形成对比的是,摩擦自制的纸张和棉花面罩雾化了大量颗粒,其中SL-P(8.0粒子/s)和U-SL-T(7.2粒子/s)的气溶胶量最高。有趣的是,我们发现通过手工摩擦从自制的面膜织物中雾化的颗粒的大小分布(图1)。5(B)与参与者戴相同口罩进行呼气活动的情况有质的不同。在约6m处出现一个额外的峰值,小颗粒的比例下降到27%以下,这表明纤维与纤维之间的摩擦力有助于将更大的颗粒破碎并排入空气中。然而,重要的是,手工摩擦产生了相当数量的微粒,尺寸范围为0.3至2米,与呼气活动期间戴口罩时观察到的范围相称。请注意,在面膜织物摩擦实验中从手上释放出的粗糙的皮肤颗粒(>2m)可能有助于观察到的粒子计数。57。然而,由于这一因素在所有手工摩擦实验中都是相同的,而且只有面膜织物不同,因此很难仅从蒙版织物与蒙皮织物之间的摩擦角度来解释观察到的变化趋势。此外,虽然在这些实验中,摩擦力并没有得到严格的控制或量化,但这些结果强烈地表明,棉织物口罩的材料更加易碎,这与我们观察到在棉织物口罩中进行呼气活动时会释放出更多的颗粒是一致的。

图5
figure5

(a)所有测试的口罩每秒钟发出的粒子数量。每个数据点是磨擦10s以上的时间平均粒子发射率.(b)相应的尺寸分布,用于自制纸张和棉面罩,在APS前进行总共30 s的手工摩擦。实线表示数据,使用5-点平滑函数。用水平晶须测量的数据点表明,该方法检测到的小颗粒直径在0.3~0.5μm之间。外科手术;KN 95:未通风的KN 95;SL-P:单层纸巾;U-SL-T:未洗的单层棉质t恤;U-DL-T:未洗的双层棉t恤;n95:通风的n95。

由于这些口罩都是用全新的、未经清洗的织物制成的,因此,作为最后一项测试,我们假设,也许清洗口罩可以去除表面黏结的灰尘和其他易碎的物质,并降低排放率。我们的实验没有证实这一假设。用肥皂和水洗手双层t恤面罩,然后用空气干燥,与原始的未清洗口罩相比,颗粒发射率没有明显变化(图1)。6)。此外,手工摩擦洗过的双层棉质面罩比未洗过的面罩雾化的颗粒稍多.这些结果表明,一次洗涤对标准棉织物中可雾化颗粒物的存在影响不大。还请注意,这里观察到的范围与前一天相同的4名参与者所做的先前测量结果定性地一致(比较图中每一类别的结果)。6相对于图中各自呼气活动的U-DL-T列。2)。这一观察表明,对于某一特定个体而言,日复一日的可变性小于所有呼气活动和面具类型所观察到的人与人之间的变异性。

图6
figure6

4名戴着未洗或洗过的双层t恤口罩(U-DL-T和W-DL-T)的参与者呼吸、说话、咳嗽和下巴运动产生的粒子发射率。最后一栏显示了人工擦洗和未清洗口罩的粒子发射率(每个面罩进行三次10次试验)。

讨论

我们的结果清楚地表明,佩戴外科口罩或无通气KN 95呼吸器,与不戴口罩相比,口罩和咳嗽时的外向粒子发射率分别平均降低了90%和74%。然而,对于国产棉面罩,测量的颗粒发射率(DL-T)保持不变或增加了492%(SL-T)。对于颌骨运动,自制纸和布面罩的颗粒发射率比无面罩高一个数量级(图1)。2d)。这些观察,以及我们的手工面罩摩擦实验的结果(图一)。5),提供强有力的证据,证明纸张中易碎的纤维素纤维和由于机械作用造成的口罩中的非呼气微米级微粒大量脱落。40。颌骨运动的颗粒发射率高于呼吸,这表明与呼吸相比,纸巾和棉面罩在下颚运动时摩擦脱落更大,至少在这里进行了测试。同样地,口罩摩擦的大小分布和口罩呼气活动的大小分布可能是由于手工施加在口罩上的强烈摩擦力造成的。无论较大颗粒(>5m),擦面膜织物产生相当数量的颗粒在0.3-5m范围内,类似于观察到的呼气活动。这一发现证实了一种解释,即在有效期内观察到的某些颗粒物是从面具本身气溶胶化的颗粒。

另一个需要考虑的因素是,掩码可以降低语音信号的可懂度。58,并能显著降低通过它们的声音强度(例如,Saedi等人的声音强度大于10 dB)。59)。作为对此的回应,人们在戴口罩时会说得更大声,或者以其他方式调整他们的讲话。Mendel等人60研究发现,对于一组带口罩和不戴口罩的演讲者来说,他们测得的说话强度大致相同,这表明说话人戴口罩时会增加说话的实际强度。费彻61发现扬声器实际上会通过某些类型的口罩产生更响亮的输出,如果他们高估了口罩的阻尼效果。此外,当说话人戴上某些口罩时,说话人也可能会发出隆巴第语。62。朗伯德语声音更大,基频更高,元音持续时间更长,所有这些特征都可能导致气溶胶排放的增加。48,49。我们的结果表明,当参与者戴上任何类型的面具时,外部测量的语音均方根振幅等于或超过无掩模条件下的均方根振幅(图)。沙一(A),这表明参与者的确是在用面具大声说话。尽管在这种情况下,戴口罩时语音信号强度的增加会导致更大的粒子输出。48,不同条件下的语音强度差异不大(图)。沙一a)。因此,这一机制本身无法解释在某些掩蔽条件下粒子输出的增加。有趣的是,大多数参与者在戴上一种口罩后,咳嗽的均方根振幅都下降了。沙一(B),建议他们戴口罩时不要咳嗽得更大声,即咳嗽没有朗伯德效应。

由布罩脱落的物质颗粒混淆了用于减少呼气活动产生的颗粒向外排放的布罩效果的测定。不同布料材料的过滤效率差异很大。32,34,35,63。以前没有考虑过颗粒脱落对这种测定的影响,我们的结果提出了颗粒脱落导致某些材料的过滤效率被低估的可能性。在此未确定棉罩的材料效率,但我们注意到双层棉罩的使用减少了较大颗粒的排放(无论是在归一化的基础上还是在绝对的基础上),这表明在减少呼气粒子排放方面有一些合理的效果。进一步的工作区分呼气和脱落颗粒,可能基于组合,可以帮助建立布罩对呼气颗粒的具体功效。口罩从机械刺激中脱落纤维,这表明在去除和清洗(可重复使用的口罩)时必须小心,以免清除沉积的微生物。

我们还注意到,手术口罩的减排量大于KN 95呼吸机的相应减少量,尽管这一差异仅对咳嗽有显着性差异(p<0.05)。手术口罩似乎比KN 95呼吸器有更大的减少,这也许是令人惊讶的,因为人们通常认为KN 95比吸入性手术口罩提供更多的保护。手术口罩和KN 95呼吸器的材料过滤效率都很高(>95%)。63,尽管外科口罩的质量可能有很大差异64。外科呼吸器和KN 95呼吸器的安装有很大的不同。在这里,没有进行适合的测试,以确保KN 95呼吸器的良好密封。与更灵活的手术口罩相比,KN 95呼吸器的不完美安装可能使粒子更多地从面具覆盖的环境中逸出。无论如何,所有的外科口罩,KN 95和N95呼吸器测试这里提供了大量减少粒子排放相比,没有口罩。

一个特别重要的观察是咳嗽超级发射器的存在,由于未知的原因,它在咳嗽过程中发射出的粒子比平均值多两个数量级(图1)。2C,M6的红点)。这种巨大的差异,无论面罩类型,即使是最有效的口罩,外科口罩,只是降低到一个数值两倍的中位数,没有面罩。虽然导致这种增强粒子发射的潜在机制尚不清楚,但这些观察仍然证实,有些人在咳嗽时充当超级发射者,类似于“语音超级发射者”。48,和“呼吸高生产者”65。这一观察提出了这样一种可能性,即咳嗽的超级排放者可以充当超级传播者,他们对空气传播传染病的爆发负有不成比例的责任。值得注意的是,咳嗽超级发射器不是呼吸超级发射器或说话超级发射器,这表明只测试一种类型的呼气活动可能不一定能识别其他呼气活动的超排物。

作为最后的评论,我们强调,在这里,我们只测量了不同呼气活动和面具类型向外气溶胶粒子发射的物理动力学。重定向呼气气流,包括呼气的空气从鼻子或面罩的侧面向上移动,这里没有测量,但应在今后的工作中考虑。同样,需要更复杂的生物技术来衡量掩膜在阻止可行病原体的释放方面的功效。然而,我们的工作确实提出了这样一种可能性,即受病毒污染的口罩可以通过从口罩织物中脱落纤维颗粒,将被气溶胶化的浮油释放到空气中。由于口罩的功效试验通常只对新鲜的,而不是使用的口罩进行,今后评估可行病原体排放的工作应更详细地考虑这一可能性。我们的工作还提出了这样的问题:使用其他织物(如聚酯)的自制口罩是否比棉花更有效地阻挡呼气颗粒,同时尽量减少织物微粒的脱落;重复冲洗是否会影响自制口罩。在未来的实验中,使用通过面罩控制的清洁空气爆发将有助于解决这些非呼气粒子的来源。尽管如此,作为一种预防措施,我们的结果表明,使用自制织物口罩的个人应注意定期清洗或以其他方式消毒,以尽量减少排放气溶胶的可能性。

结论

这些观察直接表明,戴上外科口罩或KN 95口罩,即使没有进行适当的测试,也能大大减少呼吸、说话和咳嗽产生的微粒数量。虽然布和纸口罩的功效不那么清楚,也不像面具纤维脱落那样混乱,但观察表明,它们很可能减少了呼出颗粒的排放,特别是较大的颗粒(>0.5μm)。我们还没有直接测量病毒的排放;尽管如此,我们的结果强烈地暗示,戴口罩将减少携带病毒的气溶胶和与呼气活动相关的飞沫的排放,除非在面具纤维上出现明显的病毒脱落。排放的大部分粒子在气溶胶范围内(<5μm)。由于惯性冲击应随着颗粒尺寸的增加而增加,这里观察到的减排量很可能为液滴范围内(>5μm)内的粒子减少提供了一个下限。我们的观察结果与戴口罩有助于减轻与呼吸道疾病有关的流行病的建议是一致的。我们的结果强调了定期更换一次性口罩和清洗自制口罩的重要性,并建议在去除和清洁口罩时必须特别小心。


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