Kontekst badania
Badanie koncentruje się na efektywności masek chirurgicznych jako środka kontroli źródła infekcji, szczególnie w kontekście ich skuteczności ograniczania rozprzestrzeniania patogenów w powietrzu. Maski te, stosowane powszechnie jako ochrona przed zakażeniami przenoszonymi drogą kropelkową, mogą mieć zmniejszoną skuteczność w przypadku nieszczelnego dopasowania, co prowadzi do wycieku powietrza i aerozoli.
Cele i hipotezy
Celem badania było określenie wpływu wielkości oraz położenia szczelin (przerw) między maską a twarzą na skuteczność masek chirurgicznych. Postawiono hipotezę, że większe szczeliny oraz ich określone pozycje mogą prowadzić do wyższych poziomów wycieku, co wpływa na rozprzestrzenianie patogenów.
Metody badawcze
Badanie przeprowadzono przy użyciu modelu numerycznego opartego na rzeczywistej geometrii maski chirurgicznej oraz symulacjach CFD w celu analizy przepływu powietrza i dyspersji patogenów przez szczeliny. Zastosowano symulacje komputerowe, aby modelować różne rozmiary i pozycje szczelin oraz ich wpływ na wyciek powietrza i patogenów.
Rezultaty badań i ich interpretacja
Wyniki pokazały, że maski chirurgiczne, mimo obecności szczelin, wciąż zapewniają skuteczną kontrolę źródła infekcji, przy maksymalnym wycieku powietrza wynoszącym 9,11% i patogenów – 16,83%. Szczeliny na dole maski prowadziły do najszerszego rozprzestrzeniania się patogenów w porównaniu do bocznych i górnych szczelin. Małe szczeliny, ze względu na wyższe prędkości początkowe wycieku, mogą prowadzić do szerszej dyspersji patogenów.
Wnioski
Wyniki badań szczegółowo pokazują, jak rozmiar i położenie szczelin wpływają na skuteczność masek chirurgicznych w kontroli rozprzestrzeniania patogenów. Oto najważniejsze wyniki wraz z ich interpretacją:
1Skuteczność masek mimo obecności szczelin: Badanie wykazało, że pomimo obecności szczelin, maski chirurgiczne zachowują wysoką skuteczność w ograniczaniu transmisji patogenów. Maksymalny odnotowany wyciek powietrza wynosił 9,11%, a wyciek patogenów 16,83%, co świadczy o stosunkowo dobrej kontroli źródła infekcji. Nawet przy nieszczelnym dopasowaniu maski część wydychanego powietrza i patogenów jest zatrzymywana przez maskę, co zmniejsza ryzyko zakażeń.
Wpływ pozycji szczelin na dyspersję patogenów: Analiza wykazała, że położenie szczelin wpływa na zakres dyspersji patogenów:
- Szczeliny dolne generują najszersze rozprzestrzenianie się patogenów. Patogeny wypływające z dolnych szczelin przemieszczają się dalej w porównaniu do szczelin bocznych i górnych. Jest to spowodowane synergistycznym działaniem prądów powietrza wokół ciała i systemu wentylacji pomieszczenia, co kieruje wyciek w górę i do przodu.
- Szczeliny boczne pozwalają na rozprzestrzenianie się patogenów na nieco mniejszym obszarze niż szczeliny dolne.
- Szczeliny górne wykazują najmniejszy rozrzut patogenów. Przy szczelinach u góry maski patogeny są mniej podatne na przemieszczanie się na dalsze odległości ze względu na działanie prądów ciepłego powietrza wokół ciała, które powodują, że wycieki kierują się ku górze i ograniczają rozprzestrzenianie.
Wpływ wielkości szczelin na prędkość i zakres wycieku: Badanie wykazało, że wielkość szczelin ma bezpośredni wpływ na prędkość początkową wycieku oraz zakres dyspersji:
- Mniejsze szczeliny generują wyższe prędkości wycieku, co w konsekwencji prowadzi do szerszego rozprzestrzeniania się patogenów. Większa prędkość początkowa powoduje, że wyciek pokonuje większą odległość, zwiększając ryzyko zakażenia.
- Większe szczeliny wykazują niższą prędkość wycieku, przez co dyspersja patogenów jest ograniczona do mniejszej przestrzeni. Przepływ jest mniej dynamiczny i łatwiej podlega wpływowi prądów powietrza w pomieszczeniu, co powoduje, że patogeny pozostają bliżej ciała osoby noszącej maskę.
Korelacja między wielkością szczeliny a wyciekiem powietrza i patogenów: Opracowano korelacje matematyczne, które opisują zależność między powierzchnią szczeliny a wyciekiem powietrza i patogenów. Obserwacje pokazały, że większa powierzchnia szczeliny prowadzi do wzrostu frakcji wycieku powietrza i patogenów. Wartości wycieku wzrastają wraz z intensywnością oddychania, co oznacza, że przy większym wysiłku fizycznym i bardziej intensywnym wydychaniu zwiększa się ilość powietrza i patogenów przechodzących przez szczeliny.
Analiza przestrzenna ryzyka zakażenia: Przestrzenne rozmieszczenie patogenów uwidoczniło, że wycieki z dolnych szczelin są najbardziej problematyczne, powodując powstanie największej strefy wysokiego ryzyka zakażenia. Objętość zanieczyszczonego powietrza wyciekającego z dolnych szczelin była nawet 9,7 razy większa niż w przypadku szczelin górnych i 6,5 razy większa niż w przypadku szczelin bocznych. To zjawisko jest spowodowane działaniem siły ciężkości i termicznych prądów wstępujących, które zwiększają rozprzestrzenianie się wycieków z dolnych szczelin.
Podsumowując, wyniki badań sugerują, że zarówno wielkość, jak i pozycja szczelin znacząco wpływają na skuteczność masek chirurgicznych. Ograniczenie nieszczelności, zwłaszcza w dolnych częściach maski, może poprawić ich efektywność w kontroli rozprzestrzeniania patogenów.
Ograniczenia zakresu badawczego
Badanie nie uwzględniało efektów wynikających z ruchu użytkownika ani dynamicznych zmian w dopasowaniu maski podczas intensywnych aktywności oddechowych, co mogłoby prowadzić do większego wycieku. Przyszłe badania mogą skupić się na bardziej realistycznych symulacjach obejmujących interakcję struktury maski z ruchem.
Artykuł opublikowano w Building and Environment