Как сделать маску из бумаги своими руками

Признайтесь, что первое приходит на ум, когда разговор заходит о карнавальных масках или необходимо изготовить маску своими руками. Наверное, вспоминаются новогодние утренники в детском саду, венецианские карнавалы… Реже вспоминаются маски на Хэллоуин.

И правда, кому из нас не приходилось в детстве надевать маску на утренник, а в студенческие годы пугать прохожих, преобразившись для Хэллоуина. Возможно, не всем удалось выбраться на карнавал в Венецию, но о венецианских масках слышали все.

Праздничные мероприятия в дошкольных учреждениях, да и в начальной школе, редко обходятся без карнавала. А какой же карнавал без масок? Тогда у родителей возникает вопрос, как сделать маску из бумаги для ребенка?

Следует помнить, что изготовление маски из бумаги, — довольно творческий процесс, который необходим, в первую очередь, для обучения и развития ребенка. Кроме того, данный процесс способствует расширению кругозора, и развивает воображение у детей.

Все бумажные маски можно условно поделить на:

• плоские;
• объемные;
• из папье-маше;
• маски на обруче.

Наиболее простые в изготовлении плоские маски из бумаги для детей. Они могут быть различной формы: треугольные, круглые, квадратные и т.д. Для их изготовления используют заранее приготовленный макет из бумаги. Обрезав его по контуру и раскрасив, получается маска.

Объемные маски из бумаги, к примеру, животных, изготавливают применяя различные разрезы, специальные выточки, которые впоследствии склеивают между собой. При этом много времени занимает процесс изготовления выкройки. Однако это очень увлекательное занятие, поэтому дети делают их с удовольствием.

Изготовление маски из бумаги своими руками, по технологии папье-маше — самая сложная разновидность из всех рассмотренных масок. Выглядят они более солидно, и могут быть изготовлены учениками старших классов.

Маски из бумаги, приклеенные на обруч, также довольно просты в изготовлении. Все, что требуется, — это обруч и вырезанная по шаблону маска, которую украсив, приклеивают на имеющийся обруч. Такие маски подойдут для детей младшего возраста, и могут быть отлично использованы на утреннике в детском саду.
Особенно сложно изготовить оригами-маски из бумаги. Для этого необходимо освоить целую методику, которой обучают на специальных кружках детского творчества.

Собственно говоря, именно Венеция считается родиной карнавальной маски. Правда, история их возникновения не очень радостна. Впервые маски в Венеции начали надевать доктора, посещающие больных во время эпидемии чумы.

Те маски запомнились только длинным, клювообразным носом, предназначенным … для ароматических масел и других веществ, которые, по мнению лекарей, уберегали их от заразной болезни. Прошли времена, но подобная маска все еще пользуется популярностью у участников карнавала.

Но дизайн современных масок отличается кардинально, и многие туристы даже не догадываются, что послужило поводом для создания первых масок. У нас маски ассоциируются, прежде всего, с воспоминаниями о беззаботном детстве и веселой атмосферой новогодних праздников. И сегодня родители в преддверии Нового Года обходят магазины, подбирая маски для детей. Тем временем детвора не устает спорить, кому какая маска достанется. Кому-то больше нравится маска медведя, а кому-то достанется маска лисы.

А между тем изготавливать новогодние маски своими руками совсем не сложно. И если к этому процессу подключить детей, то этот праздник запомнится им надолго. Поверьте, маска, изготовленная самостоятельно, доставит массу удовольствия ее творцу и привлечет внимание окружающих.

В принципе изготовление любой маски следует начинать с выбора типа маски и применяемого для поделки материала. Самым простым вариантом являются маски, для изготовления которых применяется плотный картон. Чтобы сделать такие маски из бумаги своими руками достаточно простого листа плотного картона, цветной бумаги, клея и тонкой резинки для крепления маски. Красочно оформить маску можно с помощью фольги, блестящей самоклеющейся пленки, подойдут и стразы.

Из картона вырезается выбранная форма маски, например, маска кошки, затем ее следует оклеить цветной бумагой, декорировать и сделать отверстия по краям маски для крепления резинки. Как правило, таким образом изготавливаются обычные карнавальные маски-очки, которые смотрятся загадочно и не требуют рельефной поверхности. Рекомендуется начинать изготавливать подобные карнавальные маски своими руками детям. Простая в изготовлении, но выполненная самостоятельно маска принесет им много радости.

Не менее простым является вариант, когда маска своими руками изготавливается из пластиковой заготовки. В этом случае готовую маску остается только раскрасить и декорировать. Для изготовления маски из папье-маше следует подготовиться более тщательно и запастись дополнительно необходимым количеством глины или пластилина, газетами, марлей (бинтами) и вазелином, кисточкой и акриловыми красками. Потребуется также больше клея и пару листов плотной бумаги.

Прежде всего, следует подготовить основу маски. Как правило, основа изготавливается на «оригинале», то есть на себе, хотя можно взять и готовую. Лицо смазываем вазелином и наносим толстый слой пластилина или глины. Затем можно часок вздремнуть пока материал подсыхает. Далее аккуратно снимаем маску, вырезаем отверстия для рта и глаз, и, проложив бинтом или марлей, оставляем еще на часок для просушки.

Пока основа маски подсыхает, разрываем газеты на мелкие кусочки. Кстати, необходимо учесть один момент. В последнее время газеты печатают на более плотной бумаге, поэтому лучшим вариантом замены может быть туалетная бумага или мягкие бумажные салфетки. Подсохшую модель маски смазываем вазелином и начинаем аккуратно выкладывать смоченные кусочки подготовленной бумаги

На каждый слой наносится клей (рекомендуется ПВА). Таким образом наносим четыре – пять слоев бумаги. Специалисты рекомендуют пару слоев выложить плотной бумагой, что повысит прочность будущей маски. Снова оставляем изделие для просушки, после чего грунтуем ее мелом, растворенным в клее. После высыхания финишного слоя грунтовки можно приступать к декорированию маски. Здесь все зависит от вашей фантазии.

Процесс изготовления тканевых масок отличается только используемым материалом. В этом случае вместо бумаги применяются тканевые лоскутки. Проклейка слоев, обработка грунтовкой и декорирование ничем не отличается. Тканевую маску можно также изготовить без основы, вырезав по шаблону несколько заготовок нужной формы. Затем заготовки следует накрахмалить и склеить клейстером. После сушки маска украшается по вашему желанию, чтобы изготовленная маска своими руками заметно выделялась в общем разнообразии.

Перед тем, как делать маски из бумаги, необходимо определится с тем, какую именно вы будете изготавливать. Для начала необходимо приготовить материал и инструмент. В качестве материала обычно используют цветную бумагу или окрашенный картон. Маски из последнего более прочные и долговечные. Для того чтобы продлить срок использования маски из бумаги, ее также можно просто приклеить на любой картон.

Рассмотрим, как можно изготовить маску из бумаги «Кот». Для этого необходимо взять плотный альбомный лист (лучше для черчения).

Сложив его вдоль пополам получаем линию носа. Затем складываем лист поперек, получая в итоге линию глаз. Взяв в руки острые ножницы, делаем прорези для глаз. Затем рисуем мордочку кота на лицевой стороне маски, и только потом вырезаем по изображенному контуру маску.

Таким же образом можно изготовить и объемную маску. Для этого просто необходимо сделать надрезы в области бровей и носа, загнув отрезанные кусочки бумаги вовнутрь.

Осталось только раскрасить маску красками, и она готова! Подобного рода маски из бумаги подойдут, как для девочек, так и для мальчиков.

Особенно интересно детям изготавливать маску из папье-маше. Для этого понадобится воздушный шарик, старая ненужная газета и клей. Для начала необходимо надуть шарик небольшого размера. Затем, предварительно разорвав газету на мелкие кусочки, можно приступать к оклейке ими шарика. Бумагу наклеивают в несколько слоев, и дают им хорошо просохнуть. После этого можно срезать маску с шарика, и приступать к ее декорированию.

То же самое, можно проделать прямо на лице ребенка. При этом вместо клея используют вазелин либо клей. Приклеивая бумажки слой за слоем, в итоге получаем изысканную маску, в которой можно пойти на школьный бал.

Таким образом, изготовление бумажных масок — довольно увлекательный процесс, который доставляет детям массу позитивных эмоций.

Не секрет, что карнавальные венецианские маски являются истинным произведением искусства, хотя кажется, что изготовить очень просто. Достаточно взять гипсовую форму и повторить процедуру, описанную выше. Однако все не так просто. Весь секрет заключается в декоре такой маски.

В Венеции процесс профессионального изготовления масок поставлен «на поток» и разнообразие их просто поражает. Подчиняясь своей фантазии, художники покрывают маски слоем специальной краски, придающей ей вид раритетного произведения. Для украшения используется серебряная и золотая фольга, эмали и лаки, дорогие ткани и стразы… Поэтому возможно и не стоит стремиться изготовить уникальную копию, а проще побывать на венецианском карнавале и приобрести оригинал.

 

Как делать маски из бумаги и фетра. Видео и фото

Любое мероприятие или дружеская встреча станут намного интереснее, если все присутствующие будет в костюмах и масках. В магазинах сегодня можно купить разные готовые маски для мальчиков, девочек, а также маски животных. К сожалению, в самый нужный момент может не оказаться в продаже именно того аксессуара, что вам нужно, поэтому предлагаем освоить мастер-классы, как делать маски из бумаги своими руками на любой праздник.

Существует несколько видов масок:

— Декоративные полумаски

— Маски-шапки

— Полноценные накладки на лицо

— Объёмные маски.

Как делать маски из бумаги. Видео

Перед тем как приступить к изготовлению маски из бумаги, определитесь с типом и цветовым решением. Самый простой способ сделать карнавальную маску – нарисовать на бумаге трафарет и перенести его на декоративный или цветной картон.

Смотрите видео: Карнавальная маска из папье-маше

Чтобы сделать маску животного, вам нужно будет на большом листе бумаги нарисовать контуры головы, а потом также перенести на картон или ткань. Самый простой способ – сделать маски животных из бумаги, а потом приклеить ободок из картона или резинки.

Петух и ёжик

Маски животных из бумаги

Оказывается, что маски можно делать не только из обычной бумаги, но и из тарелок.

Смотрите видео: HAND MADE Маска из бумажной тарелки «Заяц»

Вы можете попробовать сделать объёмные маски животных, используя картон и цветную бумагу.

Объемная маска из бумаги волк

Маска из бумаги медведь

Маски из фетра своими руками

Любой трафарет можно перенести на ткань, но при этом вам придётся подумать о том, как обработать края материала. Чтобы долго не возиться, попробуйте сделать маску из фетра, только вам нужно будет её оригинально украсить, так как фетр сам по себе очень простой материал.

Красиво из фетра смотрятся объемные маски. Для их изготовления вам понадобятся следующие материалы:

— фетр;
— синтепон;
— горячий клей;
— карандаш;
— ножницы;
— миллиметровочная бумага.

Чтобы вашему ребёнку или вам в маске было все хорошо видно, измерьте расстояние между зрачками и отметьте его на бумаге. После этого нарисуйте форму маски или скопируйте готовый шаблон.Перенесите вашу нарисованную заготовку на картон после того как примерите на себе. Теперь такой же элемент нужно вырезать из синтепона.

Возьмите отрезок фетра такой, чтобы он не просто покрывал маску с одной стороны, а немного больше. Приложите ткань со стороны поролона и заверните края. Чтобы не было складок, сделайте небольшие разрезы на фетре. После этого приклейте ткань к картону при помощи клеевого пистолета.

После того как вы сделали основу для маски, можете преобразовать её в любое животное. Если хотите сделать медведя, придётся вырезать нос и ушки.

Не забудьте пришить верёвочки, чтобы маска хорошо держалась на голове. Чтобы не видно было никаких дефектов, приклейте с обратной стороны кусочек фетра по форме маски.

Маска из фетра готова

Если вы хотите быстро сделать маску, то вариант из бумаги будет самым простым. Оригинальные маски своими руками получаются из фетра или другой ткани. Самое главное – найти хорошую выкройку и правильно подобрать материалы. Пусть ваши вечеринки проходят всегда весело и интересно!

Как сделать маску из бумаги?

Праздничные мероприятия в дошкольных учреждениях, да и в начальной школе, редко обходятся без карнавала. А какой же карнавал без масок? Тогда у родителей возникает вопрос, как сделать маску из бумаги для ребенка?

Следует помнить, что изготовление маски из бумаги, — довольно творческий процесс, который необходим, в первую очередь, для обучения и развития ребенка. Кроме того, данный процесс способствует расширению кругозора, и развивает воображение у детей.

Какие бывают маски из бумаги?

Все бумажные маски можно условно поделить на:

• плоские;
• объемные;
• из папье-маше;
• маски на обруче.

Наиболее простые в изготовлении плоские маски из бумаги для детей. Они могут быть различной формы: треугольные, круглые, квадратные и т.д. Для их изготовления используют заранее приготовленный макет из бумаги. Обрезав его по контуру и раскрасив, получается маска.

Объемные маски из бумаги, к примеру, животных, изготавливают применяя различные разрезы, специальные выточки, которые впоследствии склеивают между собой. При этом много времени занимает процесс изготовления выкройки. Однако это очень увлекательное занятие, поэтому дети делают их с удовольствием.

Изготовление маски из бумаги своими руками, по технологии папье-маше — самая сложная разновидность из всех рассмотренных масок. Выглядят они более солидно, и могут быть изготовлены учениками старших классов.

Маски из бумаги, приклеенные на обруч, также довольно просты в изготовлении. Все, что требуется, — это обруч и вырезанная по шаблону маска, которую украсив, приклеивают на имеющийся обруч. Такие маски подойдут для детей младшего возраста, и могут быть отлично использованы на утреннике в детском саду.

Особенно сложно изготовить оригами-маски из бумаги. Для этого необходимо освоить целую методику, которой обучают на специальных кружках детского творчества.

Как самостоятельно изготовить маску из бумаги?

Перед тем, как делать маски из бумаги, необходимо определится с тем, какую именно вы будете изготавливать. Для начала необходимо приготовить материал и инструмент. В качестве материала обычно используют цветную бумагу или окрашенный картон. Маски из последнего более прочные и долговечные. Для того чтобы продлить срок использования маски из бумаги, ее также можно просто приклеить на любой картон.

Рассмотрим, как можно изготовить маску из бумаги «Кот». Для этого необходимо взять плотный альбомный лист (лучше для черчения).

Сложив его вдоль пополам получаем линию носа. Затем складываем лист поперек, получая в итоге линию глаз. Взяв в руки острые ножницы, делаем прорези для глаз. Затем рисуем мордочку кота на лицевой стороне маски, и только потом вырезаем по изображенному контуру маску.

Таким же образом можно изготовить и объемную маску. Для этого просто необходимо сделать надрезы в области бровей и носа, загнув отрезанные кусочки бумаги вовнутрь.

Осталось только раскрасить маску красками и она готова! Подобного рода маски из бумаги подойдут, как для девочек, так и для мальчиков.

Особенно интересно детям изготавливать маску из папье-маше. Для этого понадобится воздушный шарик, старая ненужная газета и клей. Для начала необходимо надуть шарик небольшого размера. Затем, предварительно разорвав газету на мелкие кусочки, можно приступать к оклейке ими шарика. Бумагу наклеивают в несколько слоев, и дают им хорошо просохнуть. После этого можно срезать маску с шарика, и приступать к ее декорированию.

То же самое, можно проделать прямо на лице ребенка. При этом вместо клея используют вазелин либо клей. Приклеивая бумажки слой за слоем, в итоге получаем изысканную маску, в которой можно пойти на школьный бал.

Таким образом, изготовление бумажных масок — довольно увлекательный процесс, который доставляет детям массу позитивных эмоций.

 

Детские МАСКИ — 122 шаблона новогодние, карнавальные.

Всем привет, мы наконец-то добрались до темы новогодних детских масок — из бумаги, картона, формиама фетра. Карнавальные маски в виде животных диких (маски медведя, волка, лисы, зайца, белки, ежика) и домашних (маски коровы, свиньи, быка, овечки, курицы и цыплят). Маски питомцев (собаки, кота, хомяка). Все эти маски вы можете сделать своими руками из бумаги и картона или мягкого материала (типа фетра, формиама). В этой статье вы найдете готовые образцы масок и выкройки-шаблоны.

Все карнавальные маски можно поделить на категории, по принципу их расположения на лице, и степени закрытости лицевой части.

1. Маски НАЛОБНЫЕ (которые крепятся на лоб — лицо ребенка полностью открыто).
2. Маски С ОТРЫТЫМ НОСОМ (маска закрывает лоб, глаза и часть щеки ребенка — но нос открыт.
3. Маски  ЗАКРЫТЫЕ (полностью закрывающие лицо ребенка).

 

Маски детские НАЛОБНЫЕ.

в виде животных.

Такие маски САМЫЕ УДОБНЫЕ — на широкую полоску плотного картона наклеивается АППЛИКАЦИЯ в виде головы животного. Например, собачка, наклеенная на полосу желтой бумаги — фото ниже.

Это может быть мордочка любого зверька (тигра, кошки, енота, слоненка, быка, обезьяны) — главное, чтобы ЧЕРТЫ БЫЛИ ВЫРАЗИТЕЛЬНЫЕ.

Вот несколько цветных шаблонов для создания таких карнавальных масок НА ЛОБ. Эти выкройки-аппликации подойдут как дополнение к новогоднему костюму.

 

Можно саму ПОЛОСКУ оформить как фон для нарисованных элементов морды. Вот как на фото ниже (маска утка и мышь).

Любая ГРАФИКА в интернет-пространстве может стать источником вашей карнавальной маски. Вы можете вместе с детьми полистать картинки (клип-арты) в Гугле или Яндексе и выбрать любую графичную картинку как основу для своей новогодней маски. Например вот эта графика ниже как раз найдена таким образом.

 

 

 

Маски С ОТКРЫТЫМ НОСОМ.

Новогодние и карнавальные.

Наиболее удобные для детей маски те, которые оставляют нос открытым. Крупные прорези для глаз позволяют иметь полноценных обзор. А открытая носовая зона детской маски дает возможность дышать и не пугаться удушливости.

 

 

Новогодние маски НА ВСЕ ЛИЦО.

А вот новогодние маски, которые максимально закрывают лицевую часть, до самого подбородка. Вы можете сделать такую маску ПЛОСКОЙ — как на фото-примерах ниже.

Сзади можено пришить резинку, вокруг головы.

Можете посадить маску на боковой держатель в виде палочки (как маска льва с фото ниже).

Или такую плоскую маску на все лицо  ВЫПОЛНИТЬ ИЗ МЯГКОГО ФЕТРА или ФЛИСА — тогда она будет уютной и простой.

 

Новогодняя маска ЗАЙЧИК.

5 вариантов шаблона.

 

 

Новогодняя маска ЛИСА.

Лисичка-сестричка — самый популярный персонаж на Новогоднем Утреннике. И маска у лисы самая симпатичная — яркий цвет шубки и приятная внешность обязывают передать эту привлекательность и на плоскость маски. Вот несколько самых красивых лисичек в виде детских масок.

Лиса с черными ушками и белыми пушистыми щечками.

Лиса с темным носиком

\

Маска лиса из оранжевого картона.

 

Карнавальная маска ВОЛК 

лучшие шаблоны и выкройки.

Серый волк — тоже частых гость на Новогодних Постановках в детском саду или в школе. И маску волка труднее придумать самому. Особенно трудно придать ему ОТЛИЧИЕ ОТ СОБАКИ. Поэтому в данной статье я даю четкие образцы для изготовления маски волка своими руками.

 

Тигры, мышки, кошки.

 

Наступает Год Мышки — и нам надо готовить мышиные костюмчики. Дети с удовольствием прицепливают себе хвостики и залезают в меховые комбинезончики. И поэтому остается добавить только карнавальную маску мышки. Это может быть Микки Маус или обычная серая мышка-норушка.

Это может быть маска мышки из мультика — Джерри.

Маски детские — тигр, кот, кошка.

 

Тыгры и кошки — полосатые и не очень. Вот отличные карнавальные маски для животных семейства кошачих.

Маска тигр с полосками из формиама.

Простая маска черный кот с желтыми глазами — из картона и цветной бумаги.

Светлая маска серый кот с розовыми ушами из мягкого фетра — ее просто сделать своими руками вырезать и склеить

 

 

Маски детские СОБАЧКИ.

Маски собак могут быть любые — зависит от породы, которую вы планируете изобразить. Найдите фотографию собачки и попробуйте передать линии ее морды и окраса в виде слоеной аппликации. Либо просто нарисуйте плоскую собачку, используя шаблоны для масок ниже.

 

 

 

 

 

Карнавальные театральные маски

Бык и Корова и другие

домашние животные.

Корова, часто является персонажем добрых театрализованных постановок. Вот несколько вариантов красивых масок в виде коровы.

Поросенок и свинка —

театральная маска для сказки.

Вот красивые маски в виде розовых пухлых свинок. Эти шаблоны можно распечатать, а можно срисовать с экрана этой веб-страницы.

 

Маска олень из картона своими руками.

Вот несколько вариантов для маски в виде новогоднего оленя.

 

Карнавальные маски ЗООПАРК.

Самые разные животные могут стать маской. Если вы задумали поиграть в зоопарк. Или выучить новые английские слова — названия животных.

Маски детски игровые — жираф, носорог, зебра, олень, лев.

 

А еще можно нарисовать прикольные маски с зубастыми улыбчивыми динозаврами.

Черно-белые шаблоны

для печати МАСОК новогодних.

Еще вы можете находить готовые шаблоны для вашей маске среди картинок-раскрасок. Нарисованные там персонажи очень подходят для создания маски-аппликации из бумаги и картона. Достаточно добавить прорези для глаз… или просто картинку можно приклеить на бумажную ленту  и получится НАЛОБНАЯ МАСКА.

Вы также можете находить цветные картинки среди разноцветной графики, мультяшных рисунков и превращать их в детские театральные маски.

Маски в виде цыплят и птиц.

Посмотрите на красивые маски в виде птицы (детское мультяшное) как цыплята ниже, или (более похожее с имитацией оперения) как фото орла ниже.

 

Вот такие быстрые и полезные шаблоны для карнавальных масок. Теперь каждый может сделать новогоднюю маску для ребенка своими руками из бумаги, картона, формиама, фетра.

Ольга Клишевская, специально для сайта Семейная Кучка.

Читайте НОВЫЕ статьи на нашем сайте:

на Ваш сайт.

Карнавальная маска своими руками из бумаги

Скоро-скоро Новый год. И пора задуматься о карнавальных костюмах для наших детишек на новогодний утренник, который проходит в детском саду и школе.

Ежегодно мы наряжаем свою детвору в самые красочные, яркие и необыкновенные костюмы, перевоплощая их в загадочных фей, разбойников-пиратов, снеговиков, бабочек и прочих персонажей из сказок и любимых мультфильмов. И каждый малыш отлично справляется со своей ролью. Да и когда, как не в этот зимний праздник малышам ощутить волшебство и настоящую сказку.

Сегодня предлагаю сделать маску своими руками из бумаги и фетра к карнавальному костюму бабочки. Это не составит особого труда для рукодельниц и тех, кто хочет удивить свою дочурку.

Для изготовления карнавальной маски нам понадобятся:

• рельефный картон фиолетового цвета
• белый картон
• фетр розового цвета
• силиконовый клей с термопистолетом
• поделочная резина
• фурнитура для декора цветочки и звездочки
• пайетки
• полочка для суши
• гофрированная бумага розового и сиреневого цвета
• проволока синельная розового цвета
• ножницы
• канцелярский нож
• маркер по ткани
• пинцет

Карнавальная маска своими руками из бумаги — шаблон и мастер класс с фото:

Распечатаем или скопируем шаблон на бумаге форматом А4.

Фигуру в форме очков перерисуем на фетр при помощи исчезающего маркера по ткани.

Вырезаем и получаем вот такие розовые очки.

Фигуру бабочки вырезаем из фиолетового рельефного картона.

Далее приклеиваем на клей ПВА к белому картону, для прочности конструкции. Вырезаем ножницами, а в не доступных для них местах работаем канцелярским ножом.

Приклеиваем термопистолетом очки к фигуре бабочки, оставив по бокам небольшой зазор, который нам понадобиться в конце работы.

Далее из поделочной резины вырезаем маленькие и средние сердечки. Приклеиваем на силиконовый клей к нашей маске по краешкам крылышек маленькие сердечки, а по центру – средние.

Следующий шаг – украшение фурнитурой. По линии очков приклеиваем поочередно одну пайетку и один цветочек.

В итоге получаем вот такие украшенные очечки.

Вокруг глаз размещаем миниатюрные звездочки. Удобнее всего с ними работать захватывая их пинцетом.

Из синельной проволоки (выглядит она вот так) формируем усики для бабочки.

Приклеиваем на силиконовый клей по центру маски с обратной (изнаночной) стороны.

Над большими сердечками по центру приклеим один серебристый цветочек. Вот так выглядит украшенная маска.

Нарежем из креповой бумаги шесть полосок длинной 30-35 см.

Аккуратно помещаем их в оставленные по бокам зазоры и закрепляем клеем.

Возьмем палочку для суши и отрежем полоску сиреневой гофрированной бумаги, которую на заостренном конце палочки закрепим клеем ПВА. Далее промазывая палочку клеем, оборачиваем ее по всей длине по спирали.

Получается декорированная палочка – держатель для маски.

Приклеиваем палочку к маске под углом на силиконовый клей.

Карнавальная маска — бабочка готова. Можно отправлять маленькую фею на карнавал.

Маски известных супергероев своими руками. Мастер-класс как сделать маску супергероя

«Да Ты крутой!» — восторженно крикнут друзья, встретив Тебя на новогоднем карнавале или костюмированной вечеринке. Не сомневайся — в облике супергероя Ты непременно сразишь всех наповал, а может быть, и покоришь сердце девочки, которая Тебе так давно нравится.

14 73 т.

Образ супергероя всегда работает на ура! Смотри, как сделать маску Бэтмена, черепашки-ниндзя, Человека-паука своими руками, и пусть Твое перевоплощение вдохновит Тебя на добрые дела и станет первым шагом на пути к всеобщему признанию.

Как сделать маску Человека-паука

Для создания маски Человека-паука Тебе понадобятся: фетр, черные нитки, резинка, бумага и… мамина помощь.

1. Распечатай схему маски на бумаге, увеличив ее до нужного размера.

2. Сделай две фетровые заготовки маски. На одной из них с помощью швейной машинки сделай строку. Чтобы паутинка вышла ровной, нужно приложить сверху бумажную схему маски, или сделать легкие пометки маркером.

3. Скрепив две половинки маски булавками, сшей их между собой по краям. Не забудь перед этим вставить между заготовками резинку, чтобы маска прочно держалась на голове.

Вот как будет выглядеть маска Человека-паука с обратной стороны.

А так маска смотрится на очень довольном ребенке.

Вариант для девочек:

Маску Человека-паука можна сделать и из бумаги. Распечатай изображение маски, наклей на картон и вырежи. Приклей картонную полоску или резинку. Все! Маска готова.

Но самым оригинальным решением несомненно станет маска-аквагрим. Умелое нанесение красной краски и паутинки на лицо создаст впечатляющий эффект.

Как сделать маску черепашки-ниндзя

Для создания маски черепашки-ниндзя Тебе понадобятся: фетр, ножницы, клеевой пистолет, контактная лента (липучка).

1. Распечатай схему маски, или перерисуй ее, приложив лист к экрану.

2. Перенеси выкройку на фетр. Для завязок сделай две оранжевые полоски.

3. С помощью ножниц вырежи детали и склей их клеевым пистолетом.

4. Примеряй маску, и в нужных местах скрепи завязки пришитыми отрезками ленты-липучки, или просто завяжи узел.

Ура! Маска черепашки-ниндзя Микеланджело готова.

Вот как еще может выглядеть маска одного из популярных сегодня черепашек-мутантов.

А если шить целую маску для Тебя слишком долго, можешь перевоплотиться в любимого героя с помощью яркой повязки. Вот как она делается:

Маска Бэтмена своими руками

Для изготовления маски Бэтмена Тебе понадобятся: фетр, контрастные нитки, широкая резинка, игла, карандаш и бумага.

1. Распечатай и вырежи шаблон маски.

2. Из черного фетра вырежи две заготовки маски Бэтмена.

3. Отверстия для глаз вырежи с помощью лезвия.

4. Зафиксируй резинку между заготовками в нужных местах, скрепи две половинки маски булавками и прострочи по краям нитками контрастного цвета, отступив примерно 4 мм.

Маска Бэтмена готова!

А юные принцессы могут сшить себе модную розовую или оранжевую повязку.

Вот еще одна маска Бэтмена, которую можно сделать из черной ткани, резинки и картонной заготовки.

Изготовить такую маску просто. Чуточку терпения, немножно усилий и фантазии — и у Тебя на новогоднем карнавале самая загадочная и таинственная маска!

Как создать другие интересные образы к Новому году читай здесь:

Заметили орфографическую ошибку? Выделите её мышкой и нажмите Ctrl+Enter

Сделать маску животных своими руками. Маска

В магазине сегодня можно купить любые детские маски животных. Но вряд ли они будут оригинальны. И ребенку гораздо интереснее танцевать вокруг елки в маске, сделанной своими руками.

Маска из бумаги и картона

Маски для детей не обязательно делать жесткими и многоразовыми. Для одного тематического утренника в детском саду можно склеить самые простые объемные маски животных для детей и воспитателей. Нам понадобится лишь набор цветной бумаги, клей, ножницы, карандаш и небольшой отрезок резинки.

Маска медведя или лисы изготавливается всего за час. Вырежьте из бумаги мордочку. Сложив пополам заготовку для полной симметрии, наметьте отверстия для глаз и поправьте контур. Подровняйте края.

Самое главное – выкраивание своими руками и склейка объемного носа. Его чертеж можно позаимствовать из следующего раздела. После того, как маска волка или лисы склеена, раскрасьте ее и пришейте резинку для крепления на голове.

Отлично смотрится, выполненная по такой же схеме маска медведя из картона.

Маска-шапка

Этот необходимый аксессуар карнавального костюма из бумаги или картона не закрывает лицо, а одевается на голову в виде шапочки. Такой подход легко и быстро решает проблему, как сделать маску волка или медведя.

Перед началом работы замерьте окружность головы и рассчитайте периметр заготовки на чертеже. Исходя из полученных размеров, сделайте расчет размера клеточек.

Например, окружность головы вашего малыша составляет 54 см, а на чертеже маски волка она складывается из 8х2+7х2=30 клеток. Значит, каждая клеточка должна иметь размер 54/30=1,8 см. Теперь чертим выкройку по клеткам, исходя из наших расчетов.

Далее вырезается заготовка и склеивается маска волка или медведя. Можно раскрасить маску, но лучше использовать цветную бумагу. Такие одноразовые детские шапочки-маски из бумаги или картона делаются своими руками за один вечер вместе с ребенком.

Фетр – благодатный материал. Он не только не сыпется, хорошо обрабатывается, легко сшивается. Маски из фетра приятно прикасаются к коже, не царапают лицо детей и отлично его облегают. Выкраиваются такие детские маски из фетра по бумажным лекалам для любых плоских масок из бумаги. Например, маска зайца из бумаги может быть с успехом использована для выкройки фетра.

Нам понадобится:

• линейка.
• карандаш;
• ножницы;
• клей;
• ткань;
• тонкий синтепон или фетр;
• поролон;
• картон;
• Измеряем расстояние между зрачками и, исходя из этого размера, чертим эскиз будущей маски. Вырезаем заготовку из картона, а затем из поролона, склеивая два материала между собой. Со стороны поролона накладываем ткань и, заворачивая края, приклеиваем к картону.

• Вырезаем по чертежу на фото нос медведя, тонкий синтепон и обклеиваем также тканью.

• По такому же принципу делаем ушки медведю, закрепляя их степлером, клеем или пришиваем к маске.

• Приклеиваем челку и прикрепляем нос. Вырезаем из белого фетра два полумесяца для глазниц. Приклеиваем их по диаметру. Пришиваем по бокам резинку или ленту, вырезанную из того же материала, что и мордочка.

Самое главное в этой работе – правильно наметить, а затем вырезать отверстия для глаз. Эта объемная маска для детей не ограничивает свободы движения, в ней не жарко, удобно и комфортно.

Праздничные утренники в детском саду или начальной школе зачастую проходят в форме театральных постановок. В празднике участвует каждый ребенок. Для интересного спектакля нужны соответствующие костюмы и маски на голову. Их можно купить в специализированных детских магазинах или сделать самостоятельно.

Для изготовления масок используют разные материалы. Чаще всего — бумагу и картон. Картинку скачивают, увеличивают на экране компьютера, затем распечатывают.

Эскизы могут быть цветными, малышу достаточно вырезать модель. Встречаются черно-белые или театральные маски-раскраски. Такие нужно раскрасить карандашами или красками на свое усмотрение. Также при изготовлении применяют кожу, поролон, фетр и другие материалы.

Отличается и форма масок. Одни делают на широком ободке. Изображение животного или сказочного персонажа приклеивается к ободку, надевается на голову, при этом лицо ребенка не закрыто. Другие эскизы скрывают личико, для глазиков делаются прорезы. Бывают маски респираторы, противогазы (для их изготовления обычно используются резиновые элементы) или на палочке.

Из бумаги

Картона

Кожаные

Из фетра

Из поролона

На палочке

Эскизы ободков

Для девочек

При выборе эскизов для девочек отдают предпочтение забавным мордашкам животных. Например, мишка или зайчик с розовым бантиком, маски в виде могущественных фей или прекрасных принцесс.

Для мальчиков

Маска к празднику для мальчика зависит от характера и предпочтений ребенка. Некоторые малыши любят изображать не только добрых животных (медвежонка, петушка, хрюшу, бегемота), но и пиратов, колдунов, суперменов, злодеев.

Мордочки зверей

Костюмы и маски лесных и домашних животных — распространенный вариант для проведения утренника. Одни дети предпочитают наряжаться в кошек, собачек, зайцев и других узнаваемых зверюшек (быка, козу, волка). Другим хочется моделей менее распространенных животных — енота, лося, утконоса или коалы.

Универсальный вариант — «маска Года». Она символизирует животное по восточному календарю. Для 2019 года актуальны мордашки свиньи, поросенка, кабана. Их можно делать не только из бумаги, но и сшить из ткани. Выкройки и схемы шитья позволяют легко справиться с задачей.

Лисы

Зайца

Медведя

Волка

Льва

Тигра

Енота

Крокодила

Лягушки

Рыбки

Ежика

Зебры

Оленя

Леопарда

Слона

Обезьяны

Змеи

Белочки

Носорога

Черепахи

Жирафа

Крысы

Хомяка

Белого медведя

Пантеры

Акулы

Ящерицы

Шаблоны птиц

Выбрав готовые эскизы, их сохраняют или копируют для последующей печати, маски вырезают. Обычно их используют для ободка на голову, не закрывая лицо малыша. Чтобы сделать полноценную маску, необходимо приложить усилия. Специфика заключается в анатомии головы птицы. Нужно отдельно подготовить шаблон головы и клюва. По обозначенным линиям приклеивается клюв птички. Его величина и форма зависит от птицы — у совы он будет маленьким и крючковатым, у вороны — длинным и острым.

Воробья

Орла

Галчонка

Совы

Ворона

Кукушки

Попугая

Цапли

Павлина

Насекомых

Маскарадные маски представителей мира насекомых менее популярны среди детей. Но они тоже подходят для праздников. А малыши сороконожки, тараканы, мухи или комары будут выделяться среди десятков кошечек и собачек. Детям понравятся костюмы кузнечика Кузи, божьей коровки Милы, деда Шера и бабы Капы и других друзей Лунтика.

Муравья

Паука

Пчелы

Кузнечика

Бабочки

Жука

Божьей коровки

Картинки домашних животных

Маски часто используют для фотосессии. Веселые фото ребенка родители могут сделать и сами. Образ создадут кошачьи ушки с хвостиком, очки из бумаги, веселая прическа.

Маски мышки, козленка или курицы подойдут для театра или цирка, когда малышей ведут на новогодние представления. Дети постарше или родители дошколят могут смастерить объемные маски по чертежам. Они надеваются на голову, закрывают затылок ребенка. Для глаз и носа делают разрезы. В качестве моделей детям понравится голова лошади, кабана, ослика.

Собаки

Кошки и Кота

Коня

Коровы

Свиньи

Мышки

Кролика

Козла

Барана

Ослика

Петуха

Цыплят

Курочки

Утки

Гуся

Рисунки масок для вырезания

Бывают разные шаблоны, которые не всегда символизируют животных. Дети любят прикольные костюмы, для таких подойдет маска чумного доктора, безумного гения или цыганки. Кто-то на утренниках играет злых персонажей. В этом случае актуальными будут маски с мордой черта, старика–колдуна или дядьки Черномора.

Черно-белые маски раскрашивают сами дети. Преимущество эскизов в том, что ребенок проявляет творческое начало. Его корова бывает фиолетового цвета, а коза — розовой в цветочек. После утренника организаторы устраивают конкурсы на самую интересную или оригинальную маску для лица.

При создании новогоднего образа подойдут маски снежинок, деда Мороза, Снегурочки или Бабы Яги. Если ребенок не хочет надевать полноценную маску, то ему подойдут уши зайца, лисички или медведя.

Маски эмоций передадут радостное или грустное настроение. Их делают в виде солнышка или популярного смайлика.

Прикольные

Смешные

Красивые

Карнавальные

Новогодние

Страшные

Злые

Раскраски

Эскизы

Большое значение играют мимические выражения маски. Даже самые обычные персонажи передают палитру настроения. Они могут быть грустными и веселыми, добрыми и злыми, удивленными и равнодушными. Это достигается благодаря прорисовке бровей (приподнятые, опущенные, домиком), улыбке на лице, положению морщин, если речь идет о маске старика или старухи. Эмоции передают не только лица людей и животных, но и неодушевленные изображения: шаблоны масок цветов (колокольчиков, роз, ромашек), овощей и фруктов (яблока, помидора, сливы).

Деда

Робота

Индейца

Морковки

Инопланетян

Снова в детских садах готовится очередная серия детских утренников с маскарадными костюмами.

Родителям очередной раз придется подготовить маску к утреннику. Делать это лучше с ребенком вместе.

Темой сегодняшнего поста является мастер класс, отвечающий на вопрос как решить эту непростую задачу.

Нужно превратить изготовление маски в развивающую игру.

Маска должна быть самая красивая и классная в садике. Это требование, предполагает неординарный подход со стороны родителей.

Сегодня, смастерим вместе с детьми, маску к утреннику.

Сегодня вместе с детьми своими руками сделаем маски кенгуру, кенгурихи, кенгуренка.

Ниже приведены картинки которые нужно распечатать, заламинировать, вырезать по контуру и продеть бечевку или резинку по размеру головы ребенка.

Так же возможен вариант с полоской картона или заламинированной бумаги внизу маски, свернутой ободом по размеру головы ребенка (если будете соединять не нитками, а стиплером, то скобы должны быть направлены острыми концами во внешнюю сторону(чтоб не поцарапать голову ребенка)) .

Чтобы маска получилась оригинальная, нужно распечатать имеющиеся здесь черно – белые шаблоны масок, раскрасить их вместе с детьми гуашью или акварельными красками и, также, заламинировать, после чего нужно продеть бечевку или резинку по размеру головы ребенка или прикрепить маску на приготовленный обод.

Кенгуру 007. Карнавальные маски животных и зверей из бумаги — кенгуру, кенгурихи, кенгуренка. Маски кенгурят. Кенгуру 006. Карнавальные маски животных и зверей из бумаги — кенгуру, кенгурихи, кенгуренка. Маски кенгурят. Кенгуру 005. Карнавальные маски животных и зверей из бумаги — кенгуру, кенгурихи, кенгуренка. Маски кенгурят.

Скачайте и распечатайте шаблоны для изготовления детских объемных масок на голову из бумаги своими руками.

Волшебные превращения — одно из любимых занятий ребенка. С раннего детства девочки примеряют мамины наряды и украшения, воображая себя принцессами или персонажами сказок. Мальчишки тоже не отстают, представляя себя в образе любимых Супергероев или отважного пирата. Подражание любимым героям – это не только развлечение, оно помогает ребенку самореализоваться.

Готовые карнавальные маски животных, птиц, супергероев для детей вы можете купить в интернет-магазине (в , в , ) или сделать своими руками из бумаги с помощью шаблонов, представленных ниже.

Маски животных для игры «Кошки-мышки»

Источник: mermagblog.com

Шаблон для печати маски «Мышка», pdf-файл.

Шаблон для печати маски «Кошка», pdf-файл.

Маска на голову «Сова» из цветной бумаги

Источник: paperchase.co.uk

Шаблон маски «Сова» для печати:

ЧАСТЬ 1

ЧАСТЬ 2

Распечатайте шаблон «ЧАСТЬ 1» на цветном картоне и ли плотной бумаге, установите параметры печати на «фото» и «оттенки серого». Вырежьте маску по контуру и глазные отверстия. Проделайте отверстия с обеих сторон, чтобы продеть ленту. На клюве сделайте сгибы по пунктирным линиям и приклейте на место.

Распечатайте перья на листах разной цветной бумаги. Установите параметры печати на «фото» и «оттенки серого». Вырежьте большие перья, сложите пополам и приклейте на маску. Вырежьте небольшие перья и начинайте приклеивать к основанию с нижнего ряда.

Маски «Супергерои» для мальчиков и девочек

Источник: mini.reyve.fr

Шаблоны масок «Супергерои» для печати, pdf-файл

Маска зайчика из бумаги

Источник: playfullearning.net

Шаблон детской маски «Зайчик» для печати, pdf-файл.

Для того, чтобы сделать маску вам понадобится: шаблон для печати, ножницы, маркер или фломастер, картон и два куска веревки или ленты.

Распечатайте шаблон маски на плотной бумаге и сложите пополам по вертикали. Вырежьте по контуру, сделайте отверстия для глаз. Раскройте маску, раскрасьте нос красками или карандашом. Дети могут разукрасить маску по своему желанию. Сделайте два продольных сгиба в области носа на одинаковом расстоянии от середины. В боковых крылышках проделайте отверстия и проденьте веревочки.

Маска-раскраска «Кошка» для детей

Предлагаем скачать цветной и черно-белый шаблон-раскраску «Кошка» для печати. Ребенок самостоятельно сможет раскрасить маску любыми цветами, склеить и перевоплотиться в любимое животное.

Анализ микроструктуры и моделирование на основе изображений лицевых масок для защиты от вируса COVID-19

Трехмерная морфология и структура лицевых масок

Микроструктура и морфология трех коммерческих лицевых масок, полученных с помощью рентгеновской томографии высокого разрешения в субмикронном масштабе. проиллюстрировано на рис. 1 и в дополнительном видео 1. Мы исключительно представили трехмерные микроструктуры трех масок, реконструированных с помощью усовершенствованного алгоритма реконструкции, а именно, многоразовой маски (рис. 1a – c), хирургической маски (рис.1d – f) и маска N95 (рис. 1g – i). Подробности как стандартной, так и расширенной итеративной реконструкции (дополнительный рисунок 2 и дополнительное примечание 1) можно найти в дополнительных материалах. В основном, есть две фазы, то есть волокна и воздух (обозначены белой стрелкой) в каждом образце в соответствии с контрастом значений шкалы серого. И микро-, и нановолокна наблюдаются в хирургической маске и маске N95 из срезов X─Y и X─Z (первый и второй ряды рис. 1), выбранных в середине трехмерного объема.Хотя те же структурные характеристики можно наблюдать с помощью SEM (дополнительный рис. 3), результаты по сути ограничиваются поверхностью в 2D. Внутренняя информация под поверхностью может быть обнаружена только методами трехмерной томографии, которые выявляют связность и, следовательно, перколяционное поведение материала маски. Маска многоразового использования имеет однослойную морфологию, полимеризованную более грубыми волокнами (рис. 1b), а хирургическая маска имеет многослойную структуру, которая включает три слоя в пределах поля зрения (поле зрения, выделено желтыми пунктирными линиями на рис.1д). Чтобы достичь того же самого высокого разрешения для фильтрующего слоя в маске N95, два слоя (вместо трех) захватываются только из-за ограниченного поля зрения (рис. 1h).

Рис. 1: Трехмерные микроструктуры трех коммерческих лицевых масок (FM), полученные с помощью рентгеновской томографии высокого разрешения.

Рентгеновские микро-КТ-изображения многоразовых ( a — c ), хирургических ( d — f ) и N95 ( g — i ) масок реконструированы с использованием усовершенствованный алгоритм итераций.Извлеченные срезы в плоскостях X─Y ( a , d , g ) и X─Z ( b , e , h ) (ослабление рентгеновского излучения показано через шкала серого) показывают, что каждый образец имеет две фазы, а именно волокна и воздух. Хирургическая лицевая маска имеет три слоя в пределах поля зрения, тогда как в N95 наблюдается два слоя. Трехмерные микроструктуры многоразовых ( c ), хирургических ( f ) и N95 ( i ) масок для лица визуализируются (удаляя фазу пор) фиолетовым, зеленым и желтым цветом соответственно.

Соответственно, трехмерные микроструктуры этих трех масок отображаются в пурпурном, зеленом и желтом цветах (третий столбец, рис. 1). Одинаковый цвет, но разные значения прозрачности используются для различения нескольких слоев хирургической маски и маски N95. Воздушная фаза намеренно прозрачна, чтобы визуализировать волокна во всех случаях. На рис. 1c многоразовая маска показывает большие зазоры между соседними микроволокнами размером от десятков до сотен микрометров в нижней части образца. Напротив, для хирургической маски на рис.1f, средний слой, полученный экструзией с раздувом из расплава (слой №2), состоит из микро- и нановолокон, где плотность волокна явно выше, чем у двух других внешних слоев (слой №1 и №3). Этот средний слой толщиной около 100 мкм обычно играет решающую роль в фильтрации микробов, проникающих через хирургическую маску. Точно так же мы наблюдали фильтрующий слой толщиной ок. 250 мкм (слой №b, оранжевая пунктирная линия на рис. 1i), состоящий из большой части нановолоконных структур в маске N95. Толщина этого отфильтрованного слоя в N95 обычно составляет около 200–400 мкм согласно исх. ²¹ . Кроме того, слой №b покрыт подобным щиту слоем (слой №a) толщиной ок. 80 мкм (рис. 1i). Кроме того, диаметр нановолокон в маске N95 явно меньше, чем в хирургической маске (рис. 1f, i и дополнительный рис. 3b, c), что подтверждается данными SEM и рентгеновской визуализации.

Объемные параметры были извлечены из трехмерных изображений (Таблица 1). Для важнейших слоев в каждой маске объемные доли пористости ( V _{f-пористость} ) составляют 82% (многоразовый слой), 69% (хирургический слой 2) и 86% (слой N95 №b).Мы заметили, что слой №a, выступающий в качестве внешнего слоя маски N95, имеет щитообразную структуру (рис. 1i) с меньшей пористостью (44%). В пробе N95 присутствует небольшая доля (около 1%) частиц. Объемная доля волокна ( V _f-fiber ) для всех масок обычно составляет менее 30%. Что касается смеси нано- и микроволокон, маска N95 имеет наивысшую удельную поверхность ( S _area-N95 = 0,64), чем хирургическая маска ( S _{площадь хирургическая} = 0.40) и многоразовая маска ( S _{многоразовая} = 0,27).

Таблица 1 Количественная оценка объемной доли и удельной поверхности, извлеченных из многоразовых, хирургических масок и масок N95.

PNM выполняется для лучшего понимания распределения пор при пропускании капель (рис. 2 и дополнительный ролик 2). Визуализации (первая и вторая колонки) и распределения диаметра пор ( Φ _пор ) (третья колонка) многоразовой маски (рис.2a – c) представлены хирургическая маска (рис. 2d – f) и маска N95 (рис. 2g – i). Чтобы проверить точность PNM и обеспечить обзор расположения и распределения пор, трехмерные волокнистые структуры вручную накладываются на поры, как показано в первом столбце рис. 2. Сферы и цилиндры представляют поры и каналы (второй столбец ), соответственно. Всем сферам (радиус пор составляет от 0 до 50 мкм) и горловинам автоматически присваиваются разные цвета в соответствии с их эквивалентным радиусом, чтобы указать пористость и связность пор.Например, сферы с наибольшим диаметром были отмечены красным, а сферы с наименьшим диаметром — синим. На рис. 2b для многоразовой маски почти 12 больших сфер ( Φ _поры > 60 мкм) занимают большую часть объема образца, и имеется несколько соседних более мелких пор. Процентное соотношение самых больших пор ( Φ _пор > 90 мкм) составляет около. 10% (многоразовая маска, рис. 2c) и ок. 2,5% (хирургическая маска, рис. 2е) соответственно. Напротив, для маски N95 (рис.2h, i) отсутствуют поры (отмеченные желтым или красным цветом) с диаметром более 65 мкм в поле зрения. Вместо этого почти 50% сфер меньше 30 мкм и они равномерно распределены в одном и том же поле зрения. Интересно, что в сэндвич-структуре хирургической маски сферы демонстрируют аналогичную характеристику (рис. 2д). В частности, размер сферы во внутреннем слое (слой № 2) кажется значительно меньше ( Φ _пор <15–30 мкм), чем во внешних слоях (слой № 1 и № 3).Кроме того, результаты показывают, что маска многоразового использования имеет самый широкий диапазон диаметров пор от 20 до 100 мкм, тогда как N95 имеет поры от 10 до 65 мкм. На дополнительном рис. 4f средний диаметр пор для многоразовой маски, хирургической маски и маски N95 составляет ~ 47, ~ 33 и ~ 30 мкм соответственно.

Рис. 2: Моделирование сети пор (PNM) трех коммерческих лицевых масок и их распределение по диаметру пор.

Воздушная фаза (как показано на рис. 1) представлена ​​в виде серии сфер, соединенных более узкими горловинами (показаны линиями).Сферы заданного цвета представляют поры, масштабированные в соответствии с их эквивалентным радиусом (в диапазоне 0–50 мкм). Волокна, наложенные на сетку пор, показаны цифрами a , d , g , поры и горловины b , e , h указывают пористость в объеме образца. Соответствующие распределения диаметров пор c , f , i количественно определены для оценки эффективности фильтрации капель при кашле или чихании.

Рисунок 3 и дополнительный ролик 3 показывают визуализацию прорисованных скелетов для трех лицевых масок. 3D-волокна визуализируются как 70% прозрачности с их каркасами внутри (первый столбец). Каркасы (второй столбец) используются для представления каждого отдельного волокна для дальнейшей количественной оценки, в то время как 3D волокна намеренно замаскированы. Каркасы (изогнутые линии) масштабируются в соответствии с их длиной ( L, , _{, волокно,} ) и маркируются разными цветами (от 50 до 750 мкм, линии короче 50 мкм игнорируются).Такие измерения длины с помощью скелетонирования на основе трехмерного изображения обеспечивают ценную микроструктурную количественную оценку. Минимальные и максимальные значения L, , _{волокна} и коррелированных Φ _пор в каждом случае лицевой маски суммированы в Таблице 2 для будущего сравнительного исследования. Распределение длин волокон (третий столбец на рис. 3) количественно оценивается для понимания морфологии волокон. На рис. 3с более 20% волокон многоразовой маски длиннее 400 мкм, а их максимальная длина составляет до 750 мкм.Напротив, для случая N95 около 20% волокон имеют размер более 200 мкм, и нет волокон, длина которых превышает 500 мкм (рис. 3i). Средняя длина трех масок (дополнительный рис. 4d) подтверждает предыдущее трехмерное наблюдение (рис. 1), показывающее, что многоразовая маска имеет самую длинную длину волокна (примерно 219 мкм), за ней следует хирургическая маска примерно 143 мкм и Волокно N95 имеет самое короткое волокно (около 126 мкм). Более того, результаты диаметра волокна ( Ψ _{, волокна} ) (четвертый столбец) подтверждают наши предыдущие наблюдения (рис.1), показывающая, что маска многоразового использования (рис. 3d) имеет самый большой средний диаметр волокон ( _{волокна-многоразовые} = 13,8 мкм), в то время как маска N95 (рис. 3i) имеет самое тонкое волокно ( ). _fiber-N95 = 2,2 мкм). Хотя Ψ _fiber-N95 , полученная с помощью рентгеновской компьютерной томографии, сопоставима с результатами, полученными с помощью нашего SEM и предыдущих исследований ^16,21 , измерение L _{волокна} с помощью рентгеновской компьютерной томографии считается более надежным, чем это с помощью SEM, потому что для измерения изогнутых волокон потребуется другое измерение (ось z).

Рис. 3: Количественное определение волокон (длина и диаметр) трех коммерческих масок для лица.

Интерактивная трассировка волокна и его алгоритмы корреляции (скелетонизация) и отображение толщины выполняются в Avizo для понимания микроструктуры и производительности лицевых масок. a , e , i 3D-волокна визуализируются как прозрачные (70%) с их скелетами внутри. b , f , j Каркасы (изогнутые линии) используются для отслеживания и представления каждого отдельного волокна.Настоящие волокна намеренно замаскированы. Скелеты маркируются разными цветами (диапазон от 50 до 750 мкм, скелеты короче 50 мкм игнорируются) в соответствии с масштабом их длины. c , g , k Соответствующее распределение длин волокон определено количественно. d , h , l Диаметр волокон назначается нескольким цветам, которые масштабируются в соответствии с толщиной волокна. Следует отметить, что распределение толщины отображается над цветной полосой.

Таблица 2 Количественная оценка длины волокна ( L ) и коррелированного размера пор ( Φ ) с использованием модулей скелетонизации и моделирования сети пор.

Проницаемость для аэрозоля

Проницаемость (χ) указывает на способность пропускания через пористые материалы. Это помогает понять, как аэрозоль, содержащий бактерии и коронавирусы, проникает через маску, и таким образом оценить эффективность фильтрации воздуха трех масок для лица. Проницаемость трех различных масок в направлении оси Z показана на рис.4 и Дополнительный ролик 4, которые являются нормальным направлением воздушного потока масок. Соответствующие значения проницаемости сведены в Таблицу 3. Виртуальные линии тока (вторая строка) моделируются для выявления путей выбрасываемых аэрозольных потоков, масштабируемых в соответствии с их относительной скоростью. Волокнистые структуры намеренно накладываются друг на друга с линиями тока потока (первый ряд, рис. 4), чтобы визуализировать, где и как поток блокируется волокнами. Маска многоразового использования (рис. 4a, d) имеет самое низкое сопротивление потоку, а однородное распределение потоков в выходном направлении (Z-) имеет самую высокую относительную скорость среди всех случаев.Мы заметили, что наноразмерные волокна могут уменьшать скорость потока (рис. 4b, c). Например, маска N95 (рис. 4е) имеет наиболее неоднородный поток в выходной плоскости. Таблица 3 показывает, что проницаемость имеет последовательность χ _{многоразового использования} > χ _{хирургического} > χ _N95 , предполагая, что более высокая воздухопроницаемость в многоразовой маске будет иметь более низкую эффективность блокировки. Следовательно, капли будут иметь самую медленную процедуру диффузии в маске N95, что согласуется с трехмерной визуализацией обтекаемой формы.

Рис. 4: Визуализация освещенных линий тока трех лицевых масок, представляющих поле скорости при моделировании проницаемости.

Волокнистые структуры накладываются на линии тока a — c , чтобы визуализировать, где и как поток блокируется волокнами. Линии тока d — f отображаются, чтобы показать виртуальные пути потока выброшенного аэрозоля, масштабируемые в соответствии с их относительной скоростью.

Таблица 3 Абсолютная проницаемость многоразовых, хирургических лицевых масок и масок N95 в пределах области субобъема в направлениях оси Z.

ИК-тепловизор в реальном времени

В идеале, отличная маска для лица обеспечит хорошее воздухопроницаемость и комфорт для носящего маску, обеспечивая при этом адекватную защиту. Инфракрасная тепловизионная камера может обнаруживать микроволны с длинами волн от 1 до 7,5 мкм, и ее можно использовать в качестве дополнительного метода для быстрой оценки воздушной фильтрации лицевых масок, поскольку пропускание кислорода (O ₂ ), двуокиси углерода (CO ₂ ) и влажность будет обнаружена ИК-камерой.Температуру в каждом случае можно отслеживать с помощью картографии. На рис. 5 термография в реальном времени показывает изображения с диапазоном измеряемой температуры ( T ) от 20,2 до 33,6 ° C. Желтый цвет представляет более теплую область (соответствует высокой фильтрации воздуха), а более темный фиолетовый цвет указывает более прохладную область (соответствует низкой фильтрации воздуха). Эти тепловые изображения были получены, когда владелец маски вдыхает (верхний ряд) и выдыхает (нижний ряд) в многоразовых (первый столбец), хирургических (второй столбец) и N95 (третий столбец) масках.Ясно, что и многоразовая маска (рис. 5b), и хирургическая маска (рис. 5d) демонстрируют лучший комфорт при дыхании, чем маска N95 (рис. 5f), поскольку более высокие температуры наблюдались в области лица (белый штриховой кружок). N95 имеет самую низкую температуру, что указывает на самую низкую влагопроницаемость среди всех образцов.

Рис. 5: Оценка уровня пропускания воздуха (O ₂ и CO ₂ ) для трех связанных лицевых масок с помощью инфракрасного тепловизора.

Тепловые изображения ¾ портрета получены при вдохе добровольца ( a , c , e ) и выдохе ( b , d , f ) в многоразовом ( a — b ), хирургические ( c — d ) и N95 ( e — f ) маски для лица соответственно.

На респираторных каплях и масках для лица

Abstract

Фильтры маски для лица — текстильные, хирургические или респираторные — широко используются для ограничения распространение вирусных инфекций, передающихся воздушно-капельным путем. Наше понимание динамики капель вокруг фильтр маски для лица, включая удерживание капель и утечку из и через обложка неполная. Мы представляем гидродинамическое исследование передачи капли из дыхания через фильтр маски для лица и вокруг него.Используя многофазный вычислительная гидродинамика в полностью связанной системе Эйлера – Лагранжа, мы исследовать динамику капель, вызванную легким кашлем, и исследовать жидкость явления динамики, влияющие на эффективность маски. Модель учитывает турбулентный дисперсионные силы, фазовый переход капель, испарение и разрушение в дополнение к взаимодействие капля с каплей и капля с воздухом. Модель имитирует реальные события, используя данные, которые очень напоминают эксперименты с кашлем.Исследование показывает, что критерии, используемые для оценка характеристик маски должна быть изменена с учетом проникновения динамика перетекания капель в воздух, гидродинамика утечки вокруг фильтра, и снижение эффективности во время циклов кашля. Новый критерий расчета большего точно эффективность маски с учетом динамики проникновения составляет предложил. Мы показываем, что использование масок уменьшит передачу аэрокапель и также защитит владельца от капель, исходящих от других предметов.Однако многие во время циклов кашля капли по-прежнему растекаются вокруг укрытия и от него. Таким образом, использование маски не обеспечивает полной защиты и социального дистанцирования. остается важным во время пандемии. Последствия снижения эффективности маски и передача респираторных капель от маски еще более критична для здравоохранения рабочие. Результаты этого исследования свидетельствуют о предотвращении передачи капельным путем путем маски для лица, которые могут помочь в их использовании и дальнейшем улучшении.

I. ВВЕДЕНИЕ

Дыхательная капельная передача считается критической для быстрого распространения и продолжается циркуляция вирусов среди людей1. капли образуются при чихании, кашле или дыхании, а вирус гриппа может существовать даже в крошечных капельках, возникающих только в результате дыхания или речи2. В недавней статье Дбоук и Дрикакис3 показали, что капельки-переносчики слюны человека могут перемещаться неожиданные значительные расстояния в зависимости от условий окружающей среды.

Пандемия SARS-CoV-2 усилила дискуссии о социальном дистанцировании, использовании маски для лица и другие средства индивидуальной защиты (СИЗ).Таким образом, общественность и директивным органам необходимо глубже понять требуемую степень защиты и приспособиться к мерам социального дистанцирования на основе научных данных. Кроме того, нам необходимо тщательно оценить критерии, используемые для оценки характеристик масок и СИЗ, и мультифизические процессы (например, динамика жидкости и частиц), которые могут отрицательно повлиять на их эффективность.

Hui et al. 4 исследованы расстояние рассеивания воздуха, пройденное во время кашля симулятора пациента с использованием техника лазерной визуализации с дымом в качестве маркера.Они сообщили о результатах с помощью и без хирургического вмешательства и маски N95. Они показали, что нормальный кашель вызывает турбулентное течение который распространяется примерно на 70 см от объекта. Маска N95 предотвратила утечку воздуха подробнее эффективнее, чем хирургическая маска во время кашля, но все еще оставалась значительная боковая утечка.

Используя оптический метод Шлирена, Tang et al. 5 показали, что ношение стандартной хирургической маски блокирует прямая струя капель, но допускает утечку сверху, снизу и по бокам.Более того, они показали, что маска N95 уменьшает утечку капель вокруг краев маски во время кашель. Однако давление внутри маски увеличивается во время кашля и турбулентной струи. направлен через переднюю часть. Хотя и хирургические маски, и маски N95 замедляют бурный струя, ни один из них не помешает каплям полностью проникнуть или вырваться из маски, то есть капельная передача.

Эффективность маски определяется как процент загрязнения, удаленного фильтром маски.Его можно количественно определить по массе, весу, количеству частиц или объему.6 Стандарты сертификации7,8 обычно определяют эффективность хирургической маски как постоянное значение. независимо от эпизодов кашля или циклов. Эти стандарты не учитывают динамику потока жидкости. эффект и утечка капель через отверстия маски. Они также игнорируют тот факт, что Эффективность маски со временем может значительно ухудшиться из-за эффектов насыщения. Следовательно, нам нужно учитывать кашель и динамику жидкости при расчете маски эффективность.Случаи циклического кашля включают сложную гидродинамику и варьируются в зависимости от предметы. Нет объективной системы оценки вариабельности кашля у детей. пациенты. Кроме того, мы не знаем, является ли количество кашля функцией степени тяжести. болезни, лежащей в основе кашля. 9,10 При хроническом кашле наблюдается значительно большее количество кашля. в течение дня по сравнению с пациентами с астмой. Вышеуказанные факторы важны для оценки характеристик маски.

Основными механизмами фильтрации через маски являются диффузия капель, перехват и столкновение.Во время продолжающегося или циклического кашля поток увеличивается и ухудшается влияют на эффективность фильтра маски. Был изучен широкий диапазон эффективности фильтров. сообщается.11–15 утечка капель из маски также является важным фактором, который необходимо статистически количественно. Предыдущие исследования сообщают об ограниченной эффективности использования хирургических маски для уменьшения респираторных заболеваний, 16–18, и клинические испытания сообщают о незначительном влиянии на частоту инфицирования и без хирургических масок. 19,20 В Напротив, лабораторные исследования кашляющих и инфекционных субъектов показали, что хирургические маски эффективны для уменьшения выброса крупных капель21,22 и минимизации бокового рассеивания капель.Однако они допускали одновременное смещение выброса аэрозоля вверх и вниз от маску.4 В нескольких рандомизированных испытаниях не обнаружено статистических различий в эффективности хирургических масок и фильтрации N95 лицевые респираторы (FFR) для снижения респираторных заболеваний у медицинских работников.23,24

С учетом вышеизложенного, это исследование направлено на углубление нашего понимания гидродинамики капли из дыхательных путей через фильтры маски для лица и вокруг них. Мы пролили свет на два важных вопросы:

Научное подтверждение этих вопросов позволит более эффективно использовать средства индивидуальной защиты. оборудование как для медицинских работников, так и для населения.По результатам так же экипируем маску производители и регулирующие органы с новыми знаниями. Наконец, результаты дают представление в респираторные капли при ношении маски, что позволяет лучше оценка защиты, обеспечиваемой масками от переносчиков воздушных капель вирусы.

II. МОДЕЛИРОВАНИЕ

A. Начальное распределение капель по размерам

Начальное распределение капель по размерам () такое же, как в исследовании Дбука и Дрикакиса, 3 взятых в диапазоне [1 мкм м, 300 мкм м] со средним диаметром 80 мкм м.Этот начальный размер распределение очень близко к данным, полученным Xie et al. 25, подогнанный с использованием распределения Розина – Раммлера закон, 26, также известный как Weibull Распределение 27

Первоначальное распределение капель слюны по размеру. Воспроизведено с разрешения Т. Дбука. и Д. Дрикакис, «О кашле и воздушно-капельной передаче человеку», Phys. Жидкости 32 , 053310 (2020). Авторское право 2020 AIP Publishing LLC.

B. Начальные и граничные условия

Расчетная область является трехмерной, а расчетная сетка включает гексаэдрические ячейки с неоднородной структурой (≈0.52 × 10 ⁶ ), как показано на. Высота между верхней и нижней вертикалью плоскостей H = 0,45 м, длина области L = 1,6 м, ширина W = 0,5 м. показывает только часть домена крупным планом вокруг лица. Мы улучшили сетку возле отпечатка рта, лица и носа, а затем постепенно укрупнял его в продольном (кашлевом) направлении, используя многоуровневую сетку техника. Используя индекс сходимости сетки (GCI) Celik et al. , 28 мы провели исследование сходимости сетки для переменные потока (скорость жидкости, u _f и давление, p ) в интересующей зоне перед ртом и носом обволакивающая маска.Были сгенерированы три сетки: 1-мелкая (1015154 ячейки), 2-средняя (512 268 ячеек) и 3-грубый (350 132 ячеек), соответствующие коэффициентам уточнения r ₂₁ = 1,98 и r ₃₂ = 1,46, соответственно. Мы выбрали сетку среднего размера на основе результатов для индекса GCI (%): GCI ₂₁ = 3,5% и GCI ₃₂ = 4,5% для давления и GCI ₂₁ = 3% и GCI ₃₂ = 4,45% для скорости.

Двухмерный срез трехмерной вычислительной области с использованием продвинутой техники, использующей шестигранная неоднородная структурированная сетка (≈0,52 × 10 ⁶ ячеек). Сетка очищается на отпечатке рта, носа и на лице, а затем постепенно огрубляется в продольное направление кашля с многоуровневой процедурой уточнения. В общие размеры расчетной области: L = 1,6 м, W = 0,5 м, H = 0,45 м.

Мы проиллюстрируем примерку маски на лицо в отображение различных видов (сверху, снизу, сбоку и в перспективе или с поворотом).Минимум расстояние между маской и лицом составляет 4 мм, при этом максимальное расстояние составляет 1,4 см. на виде сверху между маской и уголком между носом. Приведенный выше сценарий подгонки близко к реальности. Соответствующая ситуация будет варьироваться по предметам в зависимости от многих такие факторы, как морфология лица и ее соответствие кривизне границ маски, среди других. Наша цель — изучить физику жидкости в каплях, находящихся в воздухе. влияет на характеристики маски, а не выполняет параметрическое исследование всех возможных сценарии.

Начальная общая масса введенной слюны в поле составляет 7,7 мг, из них 1008 мг. капельки во рту. Приведенные выше данные того же порядка, что и в литературы.25,29 Чтобы имитировать настоящую при кашле мы вводили в каждом цикле () 0,15 мг капель из носа. Любые начальные или граничные условия, которые мы не указывайте здесь детали, полностью совпадающие с данными исследования Дбука и Дрикакиса. 3 Скорость ветра равна нулю. Нижняя плоскость граница — бесконечная область.

Циклические условия для скорости на входе в устье U _f имитирует человеческий кашель как экспериментально наблюдаемый Hsu et al. 9 λ _i = 0,38 с с i ∈ [1, 10].

В исследовании Дбука и Дрикакиса, 3 мы смоделировал кашель, применив изменяющуюся во времени скорость впуска с частицами вводится на границе рта для имитации человеческого кашля в течение 0,12 с. Цель заключалась в том, чтобы исследовать влияние ветра на передачу капель в воздухе на расстояние более 2 м (6 футов), и для этого случая было достаточно кашля человека продолжительностью более 0,12 с.

В этой статье поле скорости применяется в течение десяти циклов с общим периодом 5 с. () так, чтобы количество введенной слюны капель повторяется за цикл.Мы произвели эти десять циклов кашля в соответствии с фактическими данными. случаи кашля9 с целью изучения Подробно о динамике капель. Мы выбрали температуру кожи лица 32 ° C. Жидкость свойства и число Рейнольдса такие же, как в исследовании Дбука и Дрикакис. 3 Он основан на гидравлический диаметр отпечатка рта ( D _h ) и его значение Re = 4400 ( Re = U _f D _h / ν _f ), где U _f — скорость кашлевого потока на входе в рта и ν _f — кинематическая вязкость (для воздуха как идеального газа).Впускное отверстие для скорости жидкости в носу U _n применялся как U _n = U _f /20 для имитации реальной ситуации кашля, где меньше капель выбрасывается из носа со значительно меньшей скоростью.

C. Модель физики жидкости

Мы применили многофазное моделирование Эйлера – Лагранжа с полной связью между фазы. Мы также приняли во внимание силы сопротивления и силы тяжести, дробление капель, 30 испарение капель, 31,32 и силы турбулентной дисперсии.33 Основные уравнения подробно описаны в много учебников.34,35 Для носителя объемной многофазной смеси флюидов, мы использовали сжимаемый усредненный по Рейнольдсу Уравнения Навье – Стокса в сочетании с k — ω модель турбулентности в формулировке переноса напряжения сдвига.36 Подход к моделированию для жидкости (смесь воздуха и водяного пара) и фазы капель слюны (жидкая вода) подробно описаны в исследовании Dbouk и Дрикакис.3 В этой статье мы сосредоточимся на моделирование законов перехода (или режимов) для капли, ударяющейся о пористую стенку толщиной d _f представляет толщину маски фильтр ().Альтернативой было бы использование эмпирический закон для эффективности фильтра в зависимости от диаметра капли и генерировать случайное количество капель, проникающих через покровный экран.37 Однако мы считаем, что с учетом местных взаимодействия и реализация переходных законов являются важными компонентами модели для точно прогнозируя общую эффективность фильтра лицевой маски, как описано в разд. II D. Вычислительная гидродинамика с открытым исходным кодом код «OpenFOAM» 38 (версия 7) в рамки метода конечных объемов39 работал.Кроме того, мы разработали численный код для расширения решателя. в OpenFOAM для учета локальных взаимодействий капель, воздействующих на пористую среду. В Расчеты проводились на 32 процессорах Intel-Xeon с тактовой частотой 3 ГГц. Вычислительное время составляла ~ 3 дня и 1,5 дня для случаев с маской и без нее соответственно.

Режимы взаимодействия с поверхностью капельного фильтра.

D. Режимы взаимодействия

В прошлых исследованиях сообщалось о результатах динамики капель, таких как смачиваемость, размер капель. распространение и проникновение через зазоры и фильтрующие средства по разным Приложения.40–46 Все приведенные выше исследования и ссылки в них относятся к проникновение капель через фильтры, распределение капель по размерам и диффузия капель, конвекция, броуновское движение или течение Дарси. В этом исследовании после изучения Бай et al. , 45,46 режимы локального взаимодействия капля-непроницаемая стенка описываются двумя безразмерными числа: число Вебера капли (We) и число Лапласа капли (La),

и

, где ρ _f , μ _f и σ _f — плотность жидкости, вязкость и поверхностное натяжение соответственно.Число Вебера капли (1) описывает соотношение между кинетической энергией и поверхностью энергия капли, движущейся с падающей нормальной скоростью удара U _I . Число Лапласа капли (2) представляет собой отношение поверхностного натяжения к перенос количества движения капли, движущейся в жидкой среде.

Мы расширили тип режима взаимодействия, чтобы учесть локальный взаимодействия, как показано в. В режим взаимодействия является функцией критических значений We , La , а также капли критического диаметра dpc и кинетическая энергия всплеска E _KS (см.46 для более подробной информации). Критический диаметр зависит от фильтра микроструктура, например шероховатость, пористость, волокнистая микроструктура и ориентация волокон, т.е. зависит от критического эффективного размера пор фильтра и начального размера распределение капель слюны. Например, Леонас и Джонс47 сообщили, что максимальный размер пор колеблется от 27,19. µ м и 146,6 µ м для шести различных типов масок. Таким образом, любой выбор dpc между 27,19 µ м и 146.6 µ м, что правильно соответствует начальному значению эффективности маски и лежит в начальное распределение по размерам считается подходящим. Мы представляем разные режимы переходные состояния режимов локального взаимодействия () для капли слюны, ударяющейся о волокнистый пористый фильтр в. Мы разработали численную модель для нового законы взаимодействия, таким образом, принимая во внимание учитывать волокнисто-пористый характер стенки маски.

ТАБЛИЦА I.

Переходное состояние режимов локального взаимодействия при ударе капли слюны волокнистый пористый фильтр. α = 2630 и β = 0,183 были измерено и зарегистрировано для капель воды, падающих на сухую поверхность.45,46 Для воды сообщалось о α = 1320 и β = 0,183. капли, падающие на влажную поверхность; 45,46 Wec1 = 0 и dpc = 60 мкм.

−β

Режим взаимодействия (см.)	Условие	Критическое число
Stick	EKS	Wec1
Splash / Wec2
Penetrate	dp≤dpc	dpc

Пористость маски ε учитывалась путем наложения сопротивление объемному потоку жидкости, проявляющееся перепадом давления Δ p поперек стенки маски

Δpdf = −D μf Uf — 0.5 I ρf | Uf | 2,

(3)

где D и I — вязкие (Дарси) и инерционные коэффициенты соответственно. Для пористая фильтрующая среда из волокна, 48 коэффициент D можно оценить как

D = 64 ξ1,5 (1 + 56 ξ3) dpc2,

(4)

, где ξ — упаковка плотность волокнистого пористого материала. Мы использовали ξ = 0,15 на основе средние 49 для фиброзных слоев лица маски.

Согласно исследованиям Якшича и Якшича, 50,51 мы оцениваем коэффициент инерции I как

где d _f — толщина фильтра лицевой маски принимается за 2 мм. d _f зависит от производственный процесс, методы складывания волокнистых слоев внутри маски и использование маски.

III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

A. Динамика кашля

Мы провели моделирование для пациента с маской и без нее и сравнили качественная передача капель по воздуху в разные моменты времени (). Ношение маски достаточно близко к лицо значительно уменьшает облако капель. Однако некоторые капли все еще продолжаются. путешествие на значительное расстояние, даже более 1 м (см. 2 с и 3 с).Ношение маски также уменьшает латеральный дисперсия, но не устраняет ее (и ). Как мы покажем в гл. III C, номинальная эффективность данной маски составляет ∼91%. В моделирования показывают, что, несмотря на высокий (номинальный) КПД, существует значительная количество капель, переносимых ниже по потоку от объекта. Мы подробно объясним, что подкрепляет вышеуказанное поведение в разд. III B и III C. Прямое количественное сравнение результаты с результатами Дбоук и Дрикакис3 не могут быть сделаны потому что в настоящем исследовании мы моделируем эпизод циклического кашля.Объясняем кашель динамика следующая:

• 1.

  Циклический кашель вызывает большее количество капель-капель и жидкость-капля взаимодействия.

• 2.

  Струя выброшенных капель в течение циклов выталкивает капли перед объектом дальше по потоку, увеличивая таким образом расстояние до ∼70 см (без маски) через 2 с, с некоторыми капельками, которые все еще движутся дальше.

• 3.

  Облако капель также действует как амортизатор для выбрасываемой струи капель во время циклов, тем самым увеличивая время пребывания капель перед ртом.

Субъект кашляет во время циклического инцидента. Качественное обследование бортовых капельная передача в хирургической маске и без нее. Верх и низ на рисунках показаны результаты через 2 и 3 секунды соответственно. Ношение хирургической маски, которая показывает начальную эффективность ~ 91%. Это не может помешать транспортировке капельки слюны вдали от объекта. Многие капли проникают через экран маски и Некоторые частицы-переносчики болезней в виде капель слюны могут перемещаться более чем на 1.2 мес. Для визуализации капли были масштабированы в 600 раз по сравнению с их фактическими значениями. размер. Условия окружающей среды: нулевая скорость ветра, температура окружающей среды 20 ° C, давление 1 атм, относительная влажность 50%. Температура во рту 34 ° C и на лице. температура кожи 32 ° C.

Субъект кашляет во время циклического инцидента. Качественное обследование бортовых капельная передача в хирургической маске и без нее. Верх и низ на рисунках показаны результаты при 4 и 5 секундах соответственно.Ношение хирургической маски, которая показывает начальную эффективность ∼91%. Это не может предотвратить транспортировку слюны. капли от предмета. Многие капли проникают сквозь экран маски, а некоторые Частицы-переносчики болезней в виде капель слюны могут перемещаться на расстояние более 1,2 м. Для визуализации капли были масштабированы в 600 раз по сравнению с их фактическими значениями. размер. Условия окружающей среды: нулевая скорость ветра, температура окружающей среды 20 ° C, давление 1 атм, относительная влажность 50%. Температура во рту составляет 34 ° C, а Температура кожи лица 32 ° С.

Субъект кашляет во время циклического инцидента. Вид сверху качественной экспертизы воздушно-капельная передача в хирургической маске и без нее. Верх и нижние рисунки показывают результаты через 2 и 3 секунды соответственно. Считаем хирургическим маска с начальной эффективностью ∼91%. Крышка не препятствует перенос капель слюны полностью подальше от объекта. Много капель проникают через экран маски, и некоторые частицы слюны, являющиеся переносчиками болезней, могут путешествовать более 1.2 мес. Для наглядности капли масштабировали в 600 раз. по сравнению с их фактическим размером. Условия окружающей среды: нулевая скорость ветра, температура окружающей среды 20 ° C, давление 1 атм и относительная влажность 50%. Рот температура 34 ° C, температура кожи лица 32 ° C.

Субъект кашляет во время циклического инцидента. Вид сверху на передачу воздушно-капельным путем с хирургической маской и без нее. На верхнем и нижнем рисунках показаны результаты. через 4 и 5 с соответственно.Мы рассматриваем хирургическую маску с начальным КПД ∼91%. Крышка не препятствует транспортировке капель слюны. полностью от темы. Многие капли проникают сквозь экран маски, а некоторые Частицы-переносчики болезней в виде капель слюны могут перемещаться на расстояние более 1,2 м. Для визуализации капли были масштабированы в 600 раз по сравнению с их фактическими значениями. размер. Условия окружающей среды: нулевая скорость ветра, температура окружающей среды 20 ° C, давление 1 атм, относительная влажность 50%.Температура во рту составляет 34 ° C, а температура кожи лица 32 ° C.

Мы показываем динамику потока вокруг лицевой маски во время кашля в т = 3,06 с дюйм. У нас есть выбран конкретный диапазон скоростей для целей визуализации, т.е. до 0,4 м / с вместо от фактической максимальной скорости 5 м / с. Вверху показаны изолинии величины скорости для вида спереди и сбоку. На нижних рисунках схематично показано, как поток выходит из маски. Обтекание крышки имеет значительную динамику потока. чему способствует перепад давления между пространством, охватываемым маской, и окружающая среда.Жидкость выходит из всех отверстий и уносит с собой респираторные капли мы показали в и. Утечка капель из-за динамики потока вокруг маска способствует кумулятивному увеличению капель во время циклов кашля, что мы мы также обсудим количественно позже. Для маскирующего фильтра с начальной эффективностью ~ 91% и в условиях окружающей среды с нулевой скоростью ветра субъекты в маске не будут только уменьшают передачу респираторных капель, но также (частично) защищают себя из струи капли, выброшенной из других предметов в их близости.Результаты соответствуют времени моделирования 5 с.

Субъект кашляет в хирургической маске. Верхние цифры показывают скорость Изолинии магнитуды при t = 3,06 с. На нижних рисунках схематично показан поток. динамика.

Носитель маски: субъекты, носящие маску, уменьшают передачу через дыхательные пути. при этом (частично) защищаясь от других субъектов, испытывающих кашель инцидент. Мы показываем результаты при времени моделирования 5 с для хирургической маски, показывающей начальный КПД ∼91%.Условия окружающей среды: нулевая скорость ветра, окружающая температура 20 ° C, давление 1 атм, относительная влажность 50%. Температура во рту 34 ° C, температура кожи лица 32 ° C.

Помимо динамики потока, плавучесть также вносит свой вклад в общую сложность. Различная температура между ротовой полостью 34 ° C, температурой кожи 32 ° C и окружающий воздух с температурой 20 ° C создает температурные градиенты вокруг маски (). Контурные линии более высокой температуры у кожи лица проявить вышеуказанное поведение.Плавучесть облегчит утечку капель, особенно сверху маски. При т = 2,2 с тепловой шлейф приводит к горячему точечная циркуляция на передней части маски (см. перспективный вид на t = 2,2 с). Этот эффект связан с скоплением горячего воздуха изо рта и носа. выбросы и столкновения капель после маски во время циклов кашля.

Субъект кашляет в хирургической маске. Цифры показывают температуру контуры в разное время и виды сбоку и в перспективе.

B. Передача капель по воздуху

Размеры капель постоянно меняются и колеблются во время циклов кашля в результате несколько взаимодействий с маской и лицом, испарение, распад и слияние явления. Поэтому мы внедрили средний диаметр Заутера (SMD), классический метод усреднения, от 52 до лучше определить размер капелек слюны. SMD, также известный как D32, широко используется в характеристика спрея. Он представляет собой диаметр капли, отношение объема которой к площадь поверхности равна суммарному объему всех капель на всю их площадь поверхности.Мы приняли D32, потому что некоторые капли покидают домен и могут изменить фактическое распределение капель по размеру. Таким образом, учитывая конечный размер домена, D32 является репрезентативная мера эволюции капли, потому что в каждый момент времени она применяется к все капли, которые находятся внутри домена.

D32 выше для случая без маски по сравнению со сценарием с. Без маски D32 уменьшается с числом циклов с отрицательной скоростью наклона −0,215. С маской D32 также уменьшается с увеличением количество циклов, но с отрицательной скоростью наклона −0.725. Наивысшая скорость убывания для сценарий маски связан с прилипанием более крупных капель к волокнистым слоям маски. Более мелкие капли проникают через маску, а также происходит отскок или разбрызгивание, что приводит к образованию капель утечка из крышки ().

Эволюция респираторной капли, средний диаметр по Заутеру (SMD), известный как D 32, более десяти циклов кашля. Линейный крой: с маской ( a = −0,725, b ≈ 56,14) и без маски ( a = −0,215, b ≈ 73.27). Экологическая условия: нулевая скорость ветра, температура окружающей среды 20 ° C, давление 1 атм и относительная влажность 50%. Температура во рту составляет 34 ° C, а температура на лице. кожа 32 ° C.

Мы обнаружили, что масса накопленных капель во время циклов кашля уменьшается больше, когда ношение маски для лица (). Уменьшение связано к комбинации фильтрации по маске, капли, покидающие расчетную область, и капельное испарение. Для количественной оценки испарения капель мы рассчитываем массоперенос через фазовый переход, м ′ ().Расчетная область конечна; следовательно, некоторые капли покидают вычислительный ящик. Накопленная масса состоит из дыхательных капель внутри вычислительная область. Он включает в себя общее количество капель, выброшенных изо рта и носа, за исключением тех, кто прилипает к маске и покидает вычислительный ящик или испаряется (изменение фазы). Мы представляем анализ различных типов капель в. Маска улавливает значительное количество капель по сравнению с те, кто проходит. Разница в наклоне между синими («исключено изо рта и нос ») и красные (« придерживаться фильтра ») линии представляют собой снижение эффективности маски по сравнению с циклы.Кроме того, мы количественно оцениваем неопределенность в отношении капель, покидающих вычислительной области за десять циклов, построив их максимальный процент, P _L , по сравнению с общим числом изгнанных изо рта и носа (). P _L превышает 5% после пятого цикла и не превышает 6,6% на десятом цикле.

Накопленная масса респираторных капель за десять циклов кашля. Линейный крой: с маской ( a = 0,063, b ≈ 1,01) и без маски ( a = 0.24, b ≈ 9,19).

Массоперенос за счет фазового перехода (испарения) дыхательных капель более десяти циклы кашля. Линейная посадка: с маской ( a = 0,248, b ≈ 0,22) и без маски ( a = 0,832, b ≈ 0,33).

Анализ различных типов капель в циклах кашля. N _s и N _e появляются в уравнениях. (6) и (7).

Количественная оценка неопределенности: процент капель, покидающих расчетную область во время циклов кашля относительно общего количества капель, выходящих изо рта и нос.

C. Критерий проникновения

Расстояние проникновения жидкости (LPD) является важным параметром, который описывает максимальное расстояние, которое проходит капля жидкости слюны, составляющая 95% от ее начальной массы. показывает, что LPD уменьшается примерно с 42 см. до 22,38 см после десятого цикла при ношении маски для лица. Это значение того же на порядок величины по сравнению с экспериментальными данными Hui et al. 4

Изменение расстояния проникновения жидкости (LPD) за десять циклов кашля.Линейная посадка: с маска ( a = -0,05, b ≈ 22,38) и без маски ( a = 0,47, b ≈ 37). Окружающая среда нормальная температура, давление и относительная влажность 20 ° C, 1 атм и 50% соответственно. Температура во рту — 34 ° C, кожа лица — 32 ° C. Результаты нанесены на график с конца первого цикла.

Впервые мы представляем эффективный динамический фильтр эффективности η , что является функцией количества циклов n одного кашель.Он отражает общее количество капель слюны, покидающих лицо. маска,

η = 1 − PR (n) = η1 nγ,

(6)

, где PR обозначает маску коэффициент проникновения

где N _s ( n ) и N _e ( n ) — это количество капли в начале и в конце цикла n , соответственно; η ₁ , в (6), обозначает начальную эффективность маски (≈91%), которая зависит исключительно от фильтрующего материала. свойства, применяемые в слоях маски.Показатель степени γ является коэффициентом который описывает нестационарный эффект потока жидкости и динамики капли, изменяющий маскировать эффективность. Для условий, рассмотренных в данной работе, мы получили γ = −1/25 (). Отрицательный Знак γ означает снижение эффективности маски со временем. Нашим знания, производители масок предоставляют только η ₁ , что не может описать эффективность маски деградации из-за случаев динамического кашля ().

Эффективность фильтрации за десять циклов кашля. η ₁ = η ( n = 1) = 90,4% ( R ² = 0,97).

IV. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Мы численно исследовали физику потока дыхательных капель, возникающих из кашель вокруг и через маску для лица. Мы рассматривали маску, состоящую из воздухопроницаемой фильтрующий материал из пористых волокнистых слоев. Поток жидкости и динамика кашля существенно влияют на пропускание капель и, в свою очередь, на общую маску эффективность:

• 1.

  Без маски капли разлетаются примерно на 70 см.

• 2.

  В маске основная масса капель перемещается примерно на половину расстояния.

• 3.

  Тем не менее, в обоих случаях по-прежнему существуют отдельные капли, пропускаемые за пределы 70 см.

• 4.

  Эффективность маски является динамической (непостоянной). Он уменьшается во время циклов кашля. В гидродинамика и взаимодействие между каплями, фильтром и лицом влияние маски на эффективность.Мы показываем, что после десяти циклов кашля эффективность может снизиться. ∼8%. Вышеизложенное является консервативным прогнозом, учитывая, что мы моделируем легкий кашель. инцидент и десять циклов кашля. Следует ожидать более значительного снижения эффективности при сильном кашле, а также при длительном ношении маски.

• 5.

  Дозировка и время воздействия вируса, поражающего человека, неизвестны и будут варьируются в зависимости от предмета. Мы исследовали 10% и 32% капель, размер которых меньше их соответствующий начальный размер, и было обнаружено, что их количество уменьшается во время кашля. циклы при ношении маски.

• 6.

  Диаметр передаваемых капель больше во время циклов кашля, когда маска отсутствует. носится.

• 7.

  Накопление капель в окружающей среде увеличивается по мере кашля. продолжается и более значимо без маски.

• 8.

  С маской проникновение капель приблизительно достигает среднего значения. Без маски, скорость проникновения капель увеличивается с циклами кашля и имеет тенденцию к снижению после нескольких периодов.

• 9.

  Подгонка маски к лицу важна. Даже в случае плотно прилегающего сценария, если есть небольшие отверстия, это может привести к дополнительной утечке капель вокруг маски, которую нельзя игнорировать. Это способствует дополнительному снижению эффективность маски в отношении снижения эффективности, вызванного циклическим поведение при кашле.

• 10.

  При ношении маски она также обеспечивает большую защиту владельца, поскольку она блокирует капли выбрасываются из другого предмета и еще больше замедляют входящий струя.

• 11.

  Сложные взаимодействия капель и физика жидкости приводят к интересным явлениям, таким как как горячие точки после маски и рециркуляция потока, связанная с плавучесть.

По результатам этого исследования мы даем следующие рекомендации:

• 1.

  Хотя маски уменьшают передачу капель, мы не должны игнорировать некоторые капли будут передаваться от маски. Использование маски не обеспечит полная профилактика воздушно-капельной передачи.Вышесказанное особенно важно как для внутреннего, так и для наружного применения. Как показали Дбоук и Дрикакис3, респираторные капли могут быть передается на несколько метров от объекта из-за ветровых условий. Следовательно, социальное дистанцирование по-прежнему имеет важное значение перед лицом развивающейся пандемии.

• 2.

  Приведенная выше рекомендация подразумевает, что мы можем защитить медицинских работников, только если мы оснастить их полными СИЗ, например, каской со встроенным воздушным фильтром, лицом щит вместе с одноразовым костюмом по всему ансамблю и двойным комплектом перчатки.

• 3.

  Производители и регулирующие органы должны рассмотреть новые критерии для оценка характеристик маски для учета физики потока и динамики кашля. Мы предоставили простой критерий, учитывающий снижение эффективности во время циклический кашель.

Требуются дальнейшие исследования для углубления понимания следующего:

• 1.

  Явления распада и коалесценции капель, которые создают барьер жидкой пленки на поверхности волокнистая пористая поверхность маски для лица, e.g., в масштабе микроструктуры пор.

• 2.

  Динамика кашля у субъектов с различными заболеваниями.

• 3.

  Влияние состава капель слюны на динамику кашля и передачу капель.

• 4.

  Эффекты высокой эффективности фильтрации, обеспечиваемые более совершенными конструкциями масок относительно комфорта дыхания.

Нам нужны более качественные маски для лица — и оригами может помочь

Для Ричарда Гордона оригами похоже на музыкальное произведение.Хотя отдельные складки могут быть не особенно впечатляющими, многие вместе могут заставить бумагу петь. Гибкая простыня может превратиться в хлопающую птицу, парящую лодку, распустившийся цветок или, в случае последней попытки Гордона, в маску для лица.

«Это своего рода алхимия», — говорит Гордон, основатель и генеральный директор Air99 LLC.

Гордон — один из растущего числа дизайнеров масок, которые видят в древнем искусстве оригами обещание лучшей подгонки, функциональности и даже моды. Он начал создавать маски более десяти лет назад в Сучжоу, Китай, когда не смог найти маску, которая подходила бы его сыну для защиты от загрязнения воздуха.Но пандемия придала работе Гордона и других дизайнеров новую актуальность.

Пока мы ждем своей очереди в очереди на вакцинацию, надевание маски является важной мерой — наряду с социальным дистанцированием, вентиляцией, более быстрым тестированием и многим другим — чтобы помочь замедлить распространение SARS-CoV-2. Недавно вступивший в должность президент Джо Байден призывает всех американцев носить маски в течение первых 100 дней своего президентского срока, и он подписал новые исполнительные указы, требующие наличия масок в федеральных зданиях, на федеральных землях и на многих самолетах, поездах, общественных судах, городах. автобусы и в аэропортах.

«Мы вступаем в самый тяжелый и смертоносный период распространения вируса, — сказал Байден во время инаугурации. — Мы должны отказаться от политики и, наконец, противостоять этой пандемии как единое государство».

Маски также могут стать опорой после пандемии, помогая сдерживать как вирусы, так и загрязнение. В то время как маскировка уже стала частью повседневной жизни в других странах, в Соединенных Штатах этого не произошло. Но недавний опрос National Geographic и Morning Consult показал изменение отношения в США.С. в сторону маскировки. Около 63 процентов из 2200 взрослых американцев заявили, что они будут продолжать всегда или иногда носить маску, выполняя поручения после пандемии. Примерно 64 процента респондентов заявили, что они обратятся к маскам, чтобы предотвратить загрязнение воздуха. И 67 процентов сказали, что они будут маскироваться во время сезона гриппа.

Тем не менее, есть длинный список жалоб на маски. Некоторые плоские покрытия быстро превращаются в влажные кусочки ткани, прижимаемые к вашему лицу. Другие могут вызвать чувство удушья, даже если ткань и медицинские маски пропускают много кислорода для здоровых взрослых.И хотя все маски обеспечивают определенный уровень защиты от вирусов, некоторые из них более эффективны, чем другие. Оригами обещает помочь облегчить многие из этих бед.

Материал имеет значение

Первым серьезным препятствием для дизайна масок оригами является материал. Маска — это не простое сито. Напротив, материал больше похож на лабиринт для частиц — чем больше шансов, что частицы столкнутся со стеной, тем лучше работает фильтр. Два или три слоя лучше, чем один, а материалы с менее упорядоченной структурой, такие как нетканый полипропилен маски N95, делают фильтры лучше.Но для оригами не подходят самые распространенные ткани, которые требуют жесткости, чтобы удерживать складки.

Одно из возможных решений — полипропиленовый материал, обычно используемый в больницах для обертывания хирургических инструментов, — объясняет Шу Янг, профессор материаловедения и инженерии в Университете Пенсильвании. Она и ее коллеги обратились к этой упаковке в первые дни пандемии, когда защитное снаряжение было на исходе.

Исследование одной распространенной обертки под названием Halyard h400 показало, что три слоя материала могут обеспечить эффективность фильтрации, близкую к маскам N95, золотому стандарту фильтрации, которые блокируют не менее 95 процентов 0.3-микронные частицы и даже повышение эффективности как для более крупных, так и для более мелких частиц. Более того, упаковка доступна в больших листах и ​​достаточно жесткая, чтобы удерживать складки. Весной прошлого года Ян и ее коллеги доставили 10 000 масок оригами, сделанных из обертки, в медицинскую школу Пенсильванского университета на случай их нехватки.

Еще одно решение для удержания складок — создание внешнего каркаса из жесткого материала. Например, маска Airgami от Air99 сделана из гибкого фильтра класса N95, соединенного с более жестким и складывающимся слоем.Поскольку внешняя структура не пропускает воздух, в ней сделаны отверстия, чтобы воздух мог достигать фильтрующего слоя. И тесты показывают, что эти материалы можно дезинфицировать с помощью тепла и использовать повторно несколько раз.

Другие материалы, которые более доступны для общественности, также могут быть эффективны для некоторых конструкций сложенных масок, говорит Джонатан Реалмуто, научный сотрудник Калифорнийского университета в Ирвине. Например, фильтры MERV-13 из стекловолокна, которые обычно используются в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, особенно эффективны и доступны в большинстве хозяйственных магазинов.

Определение подбора

Выбор подходящего материала — лишь первый шаг к созданию эффективной маски. «Неважно, насколько хорош фильтр, если он вам не подходит», — говорит Джон Волкенс из Университета штата Колорадо, который руководил интенсивными испытаниями, чтобы задокументировать эффективность фильтрации для множества материалов.

При неправильном дизайне или ношении маски могут иметь зазоры вокруг носа или щек, позволяющие проходить через точки входа и выхода потенциально зараженным вирусом частицам — и закрытие этих зазоров — вот где действительно сияет оригами.

Техника оригами уже занимает центральное место для многих масок, представленных сегодня на рынке, отмечает Волкенс. Например, 3M VFlex сочетает складывание с термосваркой для удержания материала вместе, создавая более удобную версию N95. Но N95 еще не широко доступны, так как поставки в США все еще сокращаются из-за стремительного роста спроса. США являются крупнейшим в мире импортером масок для лица, и продолжающиеся неспособности федерального правительства увеличить производство масок в США отчасти привели к сохраняющемуся дефициту.

Острая потребность в большем количестве масок вдохновила на создание множества дизайнов оригами, от масок, которые каждый может сделать дома, до дизайнов, которые бросают вызов каждому, кроме самого знатока папок.

Такие простые функции, как изменение углов складок обычных хирургических масок, могут значительно улучшить подгонку. Эта идея лежит в основе дизайна сложенной маски Цзянмей Ву. Ву, художник-оригами и доцент кафедры дизайна интерьера в Университете Индианы, начала экспериментировать с узорами масок после того, как ей позвонил ее брат из Гонконга, поскольку коронавирус начал распространяться в январе 2020 года.

«Моей целью было найти дизайн, который был бы очень простым и легким, а также очень хорошо подходил бы», — говорит она. Переосмыслив складки по краям маски, Ву создал три дизайна, каждый из которых соответствовал немного разным профилям лица. Она протестировала несколько вариантов материала маски, приземлившись на внешний слой маски из типа нетканого полипропилена, подобного тем, которые используются в хирургических масках, но более тяжелые и жесткие, что позволяет складывать. (Ву все еще проверяет фильтрующую способность и воздухопроницаемость маски.)

Если вы можете сделать что-то эстетично, люди будут чувствовать себя более комфортно и с большей вероятностью будут это носить.

Другие дизайны оригами были разработаны для того, чтобы люди могли создавать свои собственные маски, даже те, у кого нет навыков шитья. Например, шаблон, разработанный Realmuto из Калифорнийского университета в Ирвине и его коллегами, был разработан для использования в чрезвычайных ситуациях с использованием легко доступных предметов. По его словам, складки ограничивают протекание по швам маски.

Airgami Гордона, однако, гораздо сложнее.Он объясняет, что переплетенные бумажные долины и горы придают этой структуре уникальные свойства. В отличие от резинки, которая сужается при растяжении, маска Airgami расширяется при натяжении по лицу, что характерно для так называемых ауксетических материалов. В результате получается маска, которая плотно прилегает к лицу, даже когда пользователь находится в движении.

«Я могу смотреть вниз, могу говорить, пока одет, качаю головой. Он не хочет отрываться», — говорит Гордон. (Airgami прошел независимые испытания N95 на пригодность и фильтрацию, и компания продолжает работать над полной сертификацией Национального института безопасности и гигиены труда.)

Некоторые дизайны масок оригами также могут улучшить комфорт пользователя. Складки придают маске структуру и предотвращают соприкосновение рта с материалом, устраняя дискомфорт от влажной маски на коже. Ву добавила жесткости своему последнему дизайну, нагревая узкую линию по центру маски, которая превращает ткань в вертикальный гребень.

Складки маски Airgami облегчают дыхание за счет значительного увеличения площади поверхности, через которую проходит воздух.В разложенном виде фильтр в два-три раза больше, чем у обычных N95.

«Это похоже на дыхание через соломинку, а не через большую трубу», — говорит Гордон о маске с малой площадью поверхности.

Одним из неожиданных преимуществ множества схем складывания является стилистическое чутье, от минималистичных складок дизайна Ву до завораживающего поклонника Гордона. Ву и Гордон также отмечают, что на их масках могут быть напечатаны разные цвета и узоры. Если вы можете сделать что-то эстетически приятным, люди будут чувствовать себя более комфортно и с большей вероятностью будут это носить, говорит Ян.

«Люди, кажется, запрограммированы на то, чтобы находить оригами красивыми», — говорит Гордон.

Миллион в день

Однако чем сложнее конструкция, тем сложнее сделать маску. «Я считаю, что такого рода инновации прекрасны», — говорит Волкенс. Но он добавляет: «Пока вы не заработаете миллион таких в день, вы не решите проблему».

Даже простую гофрированную маску Ву оказалось сложно изготовить недорого, — говорит она. В настоящее время она ищет способы производить маски в больших количествах по цене менее доллара за штуку.«Это проблема оригами», — говорит Ву. «Как сделать оригами массовое производство?»

Гордон и его команда продолжают работать над ускорением производства. Маски доступны для покупки по цене 33,99 доллара за штуку, но Гордон надеется снизить стоимость, поскольку компания улучшает производство. Несмотря на то, что он разработал инструменты для помощи в складывании, сложность конструкции означает, что Airgami по-прежнему приходится складывать вручную. Время изготовления маски измеряется минутами. «Мы должны перейти к секундам», — говорит Гордон.

Но дизайнеры масок с оптимизмом смотрят в будущее оригами. Гордон любит ссылаться на выступление известного художника-оригами и физика Роберта Лэнга на TED 2008 года. «Как бы странно и удивительно это ни звучало, — сказал Ланг, — оригами однажды может даже спасти жизнь».

«Можете поспорить, что Роберт был прав», — добавляет Гордон.

Примечание редактора: Эта статья была обновлена ​​21 января информацией о указах президента Байдена, подписанных президентом Байденом о введении в действие масок в определенных областях.

Характеристики маски и распределение выдыхаемого аэрозоля вокруг пользователя

Abstract

Текущие исследования лицевых масок сосредоточены на характеристиках материалов и эффективности; однако маски для лица часто не тестируются, поэтому распределение аэрозолей оценивается по зазорам в боковых, нижних и носовых областях. Плохие методы оценки могут привести к дезинформации об оптимальном использовании масок; необходим высокопроизводительный, воспроизводимый метод, который освещает вопрос о влиянии посадки на передачу аэрозолей.С этой целью мы создали модель in vitro для количественной оценки передачи частиц путем имитации аэрозолей выдыхаемого воздуха в трехмерной копии лица-носа-рта с помощью распылителя и количественного определения количества частиц с помощью портативного счетчика частиц. Сшитая, сшитая носовая часть очистителя труб и сшитая маска для лица с кофейным фильтром использовались для оценки текущих распространенных самодельных дизайнов лицевых масок, сравниваемых с отраслевыми стандартами хирургических, плотно прилегающих респираторов N95 и свободно сидящих респираторов.Во всех лицевых масках количество частиц перед лицевой маской значительно уменьшено, но сторона и верх лицевой маски показали увеличение количества частиц по сравнению с состоянием отсутствия лицевой маски в том же месте, предполагая, что некоторая часть аэрозолей перенаправляется в эти зазоры. Наблюдалось изменение распределения аэрозолей по размерам, выходящих из уязвимых мест; улетевшие частицы имеют больший средний диаметр с уменьшенным соотношением мелких и крупных частиц, возможно, из-за гигроскопического роста или агрегации.Из самодельных сшитых лицевых масок маска для лица со вставкой для кофейного фильтра лучше всего справлялась с уменьшением утечки аэрозолей, причем повышенная эффективность наблюдалась также у сшитых масок с носовой частью для чистки труб. Важно отметить, что между лицевыми масками на увеличивающихся расстояниях были минимальные различия, что подтверждает, что социальная дистанция является критическим элементом в снижении передачи аэрозолей. Эта работа проливает свет на важность количественного определения количества частиц в других местах, а не непосредственно перед лицевой маской, и определяет области исследований, которые необходимо изучить.

Образец цитирования: Kolewe EL, Stillman Z, Woodward IR, Fromen CA (2020) Проверьте пробел: характеристики лицевой маски и распределение выдыхаемого аэрозоля вокруг пользователя. PLoS ONE 15 (12): e0243885. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0243885

Редактор: Амитава Мукерджи, Университет VIT, ИНДИЯ

Поступила: 2 сентября 2020 г .; Одобрена: 30 ноября 2020 г .; Опубликовано: 16 декабря 2020 г.

Авторские права: © 2020 Kolewe et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в рукописи и ее файлах с вспомогательной информацией.

Финансирование: Эта работа была частично поддержана внутренними средствами Университета Делавэра (https://www.udel.edu/), полученными К.AF и программой INBRE штата Делавэр при поддержке гранта Национального института общих медицинских наук — NIGMS (https://www.nigms.nih.gov/), номер награды P20 GM103446 — от Национальных институтов здравоохранения и штата Делавэр получен CAF. ZSS был поддержан грантом на обучение NIGMS номер награды T32GM008550. Авторы полностью несут ответственность за содержание и не обязательно отражают официальную точку зрения NIGMS или Национальных институтов здравоохранения. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Введение

Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC), Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) и другие организации здравоохранения во всем мире поощряли или требовали использование масок для замедления распространения респираторных заболеваний [1, 2]. Эти рекомендации основаны на растущих эпидемиологических исследованиях населения, демонстрирующих, что сообщества с высоким уровнем соблюдения лицевых масок были эффективны в сокращении числа случаев и числа репродуктивных заболеваний (R) многих вирусных респираторных заболеваний [3, 4].COVID-19, грипп и другие респираторные заболевания распространяются через респираторные капли (определяемые ВОЗ как выдыхаемые частицы размером более 5 мкм) и аэрозоли (также известные как ядра капель, определяемые ВОЗ как выдыхаемые частицы размером менее 5 мкм. по размеру) [5–7]. Это определение, однако, не является универсальным, поскольку сообщество аэрозолей определяет все взвешенные твердые и жидкие частицы как аэрозоли, что будет охватывать определение ВОЗ как респираторных капель, так и аэрозолей, а также включает более крупные частицы [8, 9].В контексте предотвращения вирусных инфекций лицевые маски могут служить двойной цели: ограничивать передачу вируса воздушным путем за счет уменьшения аэрозольного выдоха, а также аэрозольного вдыхания (определения лицевых масок расширены в дополнительной информации). Некоторые маски, такие как респиратор N95, защищают пользователя от вдыхания аэрозолей, в то время как другие маски в первую очередь предназначены для предотвращения выдоха аэрозолей от пользователя [8, 10, 11] и могут включать в себя все большее количество самодельных или коммерческих масок для лица. , эффективность которого для уменьшения количества выдыхаемых частиц еще исследуется [12].

Работа в 20-м веке улучшила маски для лица до структурных масок с высокой эффективностью фильтрации, которые мы знаем сегодня, таких как респираторные маски N95 и хирургические маски для лица [13, 14]. Эти первоначальные исследования в значительной степени заложили основу для оценки критических свойств лицевой маски, таких как форма лица, эффективность материала и вариации размера аэрозоля [13, 14]. Однако самые ранние упоминания о самодельных масках для защиты больших популяций от пандемий не публиковались до начала 1980-х годов [15, 16].В недавних исследованиях по оценке самодельных масок для лица одной из наиболее исследуемых тем в отношении масок для лица является выбор материала: хлопок, полиэстер, безворсовые материалы и другие, в дополнение к самодельным фильтрам из кофейных фильтров, нейлона и т. Д. [4 , 8, 17, 18]. Большинство предоставленных руководств по разработке лицевой маски для уменьшения проникновения выдыхаемых аэрозолей основаны на эффективности фильтрации материала [4, 8, 17, 18]. Материалы, изготовленные из волокон, имеют несколько основных механизмов фильтрации частиц: диффузия (мелкие, медленные частицы, в конечном итоге контактирующие с волокнами фильтра), перехват (частицы, следующие за воздушным потоком непосредственно на пути волокна фильтра), столкновение (крупные частицы, выходящие из воздушного потока. контакт с волокном фильтра) и электростатическое притяжение (полярные силы притягивают частицы к волокнам фильтра) [19–21].Учитывая профиль турбулентного потока и сопротивление лицевой маски потоку воздуха, воздух может не полностью проникать через лицевую маску и вместо этого может быть перенаправлен вокруг лицевой маски в зазоры, обычно на носу, щеках и подбородке, где материал лицевой маски имеет тенденцию складываться и пропускать воздух. побег [22]. Наличие или отсутствие зазоров называется «подгонкой» лицевой маски и может быть измерено либо количественно (путем подсчета деструктивных частиц внутри и снаружи лицевой маски в одном эталонном месте), либо с помощью качественной оценки способности носящего чувствовать запах или вкусовые частицы окружающей среды [23, 24].Описание подгонки также связано с размером частиц [19, 25], предполагаемым использованием лицевой маски [23] и размером зазора в материале [8]. На сегодняшний день большинство оценок не позволяют одновременно получить представление о местонахождении утечек / зазоров в подгонке, количественном определении этих утечек / зазоров, распределении аэрозолей в отдельных местах, учете формы лица человека и высокопроизводительном отборе проб [4, 8, 17, 26–28]. Компьютерное моделирование показало, что выдыхаемые аэрозоли могут перемещаться на несколько футов даже во время использования лицевой маски, и ясно, что поток воздуха перенаправляется вокруг лицевой маски; однако эти «пробелы» нелегко включить в расчеты эффективности лицевой маски [10, 27, 29].В результате существуют ограничения в нашем текущем понимании оценки, дизайна и использования лицевых масок, особенно в отношении ограничения выдыхаемых твердых частиц.

В этой работе мы стремимся реализовать высокопроизводительный метод количественной оценки распределения аэрозолей после прохождения потока через зазоры лицевой маски, чтобы получить более целостное представление о передаче выдыхаемого аэрозоля во время использования лицевых масок. С этой целью мы создали модель in vitro , используя напечатанную на 3D-принтере копию лица с прикрепленным распылителем, способным имитировать выдыхание аэрозоля, чтобы оценить передачу аэрозоля в различных местах вокруг лица после использования различных сшитых и стандартных лицевых масок.Мы подтверждаем, что все лицевые маски значительно уменьшают количество частиц непосредственно перед лицевой маской, но сторона и верх лицевой маски показывают увеличение количества частиц по сравнению со сценарием без маски, предполагая, что частицы не полностью фильтруются, а скорее перенаправляются в эти промежутки. Интересно, что мы наблюдаем сдвиг в гранулометрическом составе выдыхаемых частиц, подразумевая, что увеличенное время пребывания, обеспечиваемое лицевой маской, может способствовать выделению аэрозоля и возможности для гигроскопического роста.Важно отметить, что различия между масками на увеличивающемся расстоянии от лица были минимальными. Эта работа проливает свет на важность количественного определения количества частиц в других местах, а не непосредственно перед лицевой маской, и определяет области исследований, которые необходимо изучить. Сосредоточив внимание на ряде распространенных материалов лицевых масок при различных перепадах давления и эффективности сбора, наш подход может обеспечить оценку соответствия в дополнение к эффективности фильтра материала и, в долгосрочной перспективе, поддержать оценку присущей человеку вариабельности для оценки соответствия. более высокая экспериментальная производительность.

Материалы и методы

Маски для лица

Лицевые маски, оцениваемые в этом исследовании, включают как имеющиеся в продаже лицевые маски, так и сшитые в домашних условиях альтернативы, представляющие вероятные варианты для населения в целом, как показано на рис. , рис. 1 . Имеющиеся в продаже маски для лица включают в себя хирургическую маску с зажимом для носа (хирургическая маска) и респиратор N95, испытанный на свободную посадку (N95L) и искусственно наложенную более плотную посадку (N95T). Самодельные лицевые маски включают двухслойную сшитую вручную лицевую маску (Sewn), двухслойную сшитую вручную лицевую маску с промежуточным кофейным фильтром (SewnF), двухслойную сшитую вручную лицевую маску с носовым зажимом для чистки труб (SewnPC). ).Все сшитые вручную маски для лица были изготовлены из обычной домашней хлопчатобумажной ткани. Лицевые маски показаны на Рис. 1 .

3D печать

Все пользовательские детали для реплик лица и экспериментов с давлением были напечатаны с использованием 3D-принтера Carbon M1 (Carbon Inc., Редвуд-Сити, Калифорния) с разрезом 100 мкм в вертикальном направлении печати и с использованием настройки динамического синтеза света (DLS). Запатентованные полимерные материалы, используемые для каждой детали, включают: эластомерный полиуретан (EPU 40) для гибких адаптеров и заглушек, уретанметакрилат (UMA 90) для анатомических копий и смолу для прототипов (PR 25) для форсунок для испытания на падение давления.Детали были подготовлены в соответствии с рекомендациями производителя. Для деталей, напечатанных с использованием PR 25 или UMA 90, детали были очищены изопропиловым спиртом (IPA) перед воздействием ультрафиолетового света для отверждения оставшейся смолы в течение 30-секундных интервалов до тех пор, пока все участки не будут обнажены и детали не станут липкими. Для деталей, напечатанных в EPU, детали были кратковременно очищены IPA в течение 1 минуты, а затем подверглись обжигу для отверждения оставшейся смолы в течение 8 часов.

Копия лица и дыхательных путей

Была использована и проанализирована идеализированная трехмерная модель лица, описанная в методах дополнительной информации и показанная в рис. A в файле S1 .Он был выровнен и соединен с моделью верхних дыхательных путей, включая трахею, ротовые дыхательные пути и носовые дыхательные пути. Идеализированные верхние дыхательные пути Feng et al . [30] был модифицирован путем включения идеализированного носового прохода и отверстий для отбора проб, предназначенных для размещения счетчика частиц в задней части рта и трахеи. Верхние дыхательные пути были напечатаны на 3D-принтере в виде единой непрерывной части, а лицо было напечатано в трех частях из-за ограничений объема печати. Все детали были собраны и соединены жидким герметиком для прокладок.Чтобы контролировать поток воздуха и сохранять частицы внутри реплики во время тестирования, были разработаны заглушки для отверстий для отбора проб, рта и ноздрей. Все детали были установлены и объединены с использованием Solidworks 2019 (Dassault Systems, Велизи-Виллакублей, Франция) и Meshmixer (Autodesk, Сан-Рафаэль, Калифорния). Для целей данного исследования только выходное отверстие рта (OD = 20 мм) оставалось открытым во время измерений.

Генерация и подсчет частиц

Модель выдыхаемых аэрозольных частиц генерировалась с использованием системы доставки аэрозолей PARI Vios и небулайзера LC Sprint (PARI, Штарнберг, Германия), прикрепленных к аналогу трахеи с помощью гибкого адаптера для 3D-печати (, рис. 2, ).Компрессор распылителя непрерывно нагнетает воздух под давлением 50 фунтов на квадратный дюйм (345 кПа) в течение всего эксперимента, который проходит через распылитель (аэрозольные частицы) к модели дыхательных путей, имитируя выдох [31]. Устройство включается непосредственно перед взятием проб и выключается после завершения отбора проб, прежде чем снимать лицевую маску и готовиться к следующей обработке. В качестве среды для частиц для имитации естественного респираторного выброса была выбрана вода без добавления твердого вещества. Распылитель работал непрерывно с добавлением воды для поддержания видимого уровня, обеспечивая постоянное распределение по размерам и концентрацию образующихся аэрозолей.Скорость потока на выходе из устья была измерена на уровне 17 л / мин (см. Дополнительные методы и Рис. C в файле S1 ). Подсчет частиц выполняли с использованием портативного счетчика частиц TSI AeroTrak, модель 9306 (TSI Inc., Шорвью, Миннесота) в течение 10-секундного периода с тремя независимыми повторами, собранными счетчиком для каждого покрытия (или его отсутствия), положения и условий окружающей среды. Это устройство может регистрировать единичные счета с эффективностью 50% для частиц размером 0,3 мкм и 100% эффективностью выше 0.45 мкм, до 2,1х10 ​​ ⁸ частиц / м ³ . Подсчитанные частицы находились в ячейках размером 0,3–0,5 мкм, 0,5–1 мкм, 1–3 мкм, 3–5 мкм, 5–10 мкм и более 10 мкм. Счетчик отбирал 0,5 л воздуха за период 10 с и помещался в различные положения относительно отверстия для лица / рта. Для измерения выбросов частиц были выполнены два типа условий окружающей среды: 1) в закрытом боксе из оргстекла и 2) в открытом помещении на столе, как описано ниже. Аэрозоли генерировались и количественно определялись в среде с контролируемым климатом, поддерживаемой в среднем на уровне 21 ° C и относительной влажности 40–50%.В распылитель или устройство для 3D-печати не было внесено никаких изменений, которые могли бы повлиять на температуру аэрозоля или окружающего воздуха. До и после экспериментов, которые проводились в течение ~ 3 часов, фоновые уровни аэрозолей были измерены перед 3D-печатной копией в трех экземплярах в репрезентативных экспериментальных условиях. В каждой серии экспериментов измерения проводились в эквивалентных положениях от лица для следующих покрытий: без маски, Sewn, SewnF, SewnPC, N95L, N95T и хирургических лицевых масок.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки.

A. Схема экспериментальной установки в закрытом ящике, показывающая (а) модель лица, (б) идеализированную копию дыхательного пути, (в) горловой адаптер, (г) распылитель PARI LC Sprint, (д) ​​компрессор Vios, (е) ) счетчик частиц и (g) лицевую маску. Кроме того, места, где измерялось количество частиц, представлены красными точками; в частности, передняя, ​​боковая и верхняя. B. Схема экспериментальной установки на открытом стенде, показывающая модель лица с лицевой маской, подключенную к тому же распылителю (не показан), и расстояния, на которых измерялись частицы с помощью счетчика частиц: один фут, три фута и шесть футов (0.3 м, 0,9 м и 1,8 м) как в переднем, так и в боковом положении. C. Типичный пример данных, собранных для каждого образца, с ячейками размера частиц для частиц 0,3, 0,5, 1, 3, 5 и 10 мкм, сгруппированных вместе в порядке возрастания, так что каждая группа представляет лицевую маску и положение, например Без маски и с маской на расстоянии 0,3 м от модели.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0243885.g002

Экспериментальная установка: закрытая коробка

Первый набор измерений по подсчету частиц был проведен путем помещения модели лица, напечатанной на 3D-принтере, в коробку из оргстекла (17 дюймов x 17 дюймов x 17 дюймов; 0.4 м x 0,4 м x 0,4 м) с аэрозольными частицами, подаваемыми через трахею модели лица. Дополнительный проходной адаптер, напечатанный на 3D-принтере, удерживал копию лица на месте, запечатывая коробку из оргстекла. Во время измерения счетчик частиц помещали вручную в места отбора проб внутри бокса в местах, указанных на , рис. 2А, . Координаты в рамке трех положений: (8,5 дюйма, 5,5 дюйма, 2 дюйма; 2,2 x 10 ^-1 м, 1,3 x 10 ^-1 м, 5,1 x 10 ^-2 м) для Фронта положение, (1.5 дюймов, 5 дюймов, 2 дюйма; 3,8 x 10 ⁻² м, 1,3 x 10 ⁻¹ м, 5,1 x 10 ⁻² м) для бокового положения и (8,5 дюйма, 6 дюймов, 7,5 дюйма; 2,2 x 10 ⁻¹ м, 1,5 x 10 ⁻¹ м, 1,9 x 10 ⁻¹ м) для верхнего положения, все из которых являются координатами относительно переднего левого угла в нижней части поля. Для справки: отверстие для рта было расположено на (8,5 дюйма, 9 дюймов, 2 дюйма; 2,2 x 10 ^-1 м, 2,3 x 10 ^-1 м, 5,1 x 10 ^-2 м).Позиции были выбраны на основе положений потоков частиц от одних масок с другими на уровне фона или были приблизительно эквивалентны выбранным.

Экспериментальная установка: Открытый стенд

Второй набор измерений по подсчету частиц был проведен в открытой среде путем закрепления модели лица, напечатанной на 3D-принтере, на настольной кольцевой подставке. Точная копия лица была размещена на одном конце лабораторного стола в центре открытого лабораторного пространства 440 футов ² (41 м ² ), а счетчик частиц был размещен в различных точках стола, включая переднюю, боковую и боковую. и уязвимые места (локализованные потоки частиц, которые были визуально обнаружены и экспериментально подтверждены).Чтобы ограничить влияние воздушного потока и препятствий в помещении на показания измерений, счетчик частиц оставался неподвижным на столе, в то время как копия была повернута в переднее или боковое положение (см. , рис. 2B, ). В дополнение к этим изменениям положения, измерения также проводились на расстоянии трех футов (0,9 м) и шести футов (1,8 м) от модели лица, чтобы имитировать среду социального дистанцирования. Как и в первой установке, частицы генерировались системой небулайзера PARI и пропускались через аналог трахеи перед выходом изо рта.

Экспериментальная установка: падение давления

Для каждой из лицевых масок перепад давления на материале определялся с использованием массового расходомера модели 4043 (TSI Inc., Шорвью, Миннесота), контроллера потока модели TPK 2000 (Копли, Колвик, Ноттингем, Великобритания) и вакуумного насоса. Модель SCP5 (Копли, Колвик, Ноттингем, Великобритания). Сборка, напечатанная на 3D-принтере, была разработана для размещения одного слоя материала лицевой маски и удержания его в напряжении во время измерения, когда сборка была прикреплена к расходомеру.Пример настройки показан на рис. B в файле S1 . Для каждого измерения применяли вакуум для создания скорости потока 30 стандартных литров в минуту (SLPM, установленной перед прикреплением образца) в течение 20 секунд (в трех экземплярах).

Статистический анализ

Данные были проанализированы с использованием R v3.6.3 (R Core Team, Вена, Австрия). Одномерный и многомерный дисперсионный анализ проводился с использованием пакета [stats] [32], а тесты множественных сравнений post-hoc с 95% доверительными интервалами были выполнены с поправкой Тьюки с использованием пакета [emmeans] [33].Пакеты [tidyverse] [34] использовались при подготовке и представлении данных. Уровни аэрозолей с поправкой на фон рассчитывались путем взятия разницы между измеренными уровнями аэрозолей и средними дневными фоновыми уровнями аэрозолей для каждого размера ячейки; для измерений на открытом стенде для вычитания использовались уровни начала дня. Все анализы проводились на скорректированных по фону уровнях аэрозоля без трансформации. Медианные диаметры подсчета (CMD) для распределений аэрозолей были рассчитаны с использованием кумулятивного распределения размеров усредненных повторов и представляют собой долю частиц меньше заявленного значения [35].Подробная информация о статистических результатах представлена ​​в разделе «Дополнительная информация».

Результаты

Уровни частиц с поправкой на фон для экспериментов с закрытой коробкой показаны на Рис. 3 . В случаях, когда количество частиц с поправкой на фон было отрицательным (ниже фона), эти измерения обозначаются одной серой точкой на базовой линии. Все подсчеты в каждом бункере размера частиц из положения «Без маски», спереди зарегистрированы как минимум на один порядок величины выше фона, и эти значения были приняты в качестве контрольной точки для максимального воздействия аэрозоля.Все условия лицевой маски снижали уровень пропускания аэрозолей, общее количество аэрозолей, выходящих из лицевой маски, относительно максимума в ячейках размером 0,3–0,5 мкм и 0,5–1 мкм. По сравнению с передним положением, некоторые лицевые маски демонстрировали повышенное количество пропускаемых частиц в верхнем положении (Sewn, SewnPC, SewnF) или боковом положении (Surgical). Некоторые маски также продемонстрировали перераспределение относительного количества частиц в каждой ячейке размера, смещаясь в сторону размеров частиц> 1 мкм. Этот сдвиг отражается в вычисленном CMD в каждой позиции для соответствующих масок, показанных в таблице A в файле S1 .Состояние без маски показало высокое количество аэрозолей в ячейках размером 0,5–1 мкм в переднем положении и CMD 0,74 мкм, в то время как все другие лицевые маски показали снижение уровней аэрозолей в ячейках размером 0,3–0,5 мкм и 0,5–1 мкм с соответствующее увеличение CMD, за исключением респиратора N95T. Во всех местах с обнаруживаемой концентрацией частиц (передняя, ​​боковая и верхняя) все лицевые маски демонстрировали увеличение CMD по сравнению с положением без маски, переднее, за исключением маски N95T, что дополнительно способствовало сдвигу в распределении частиц по размерам.Маски из сшитой ткани показали более высокие уровни аэрозоля в верхнем положении, при этом маска SewnPC имела количество частиц, сравнимое с маской Sewn, обе из которых имели более высокое количество частиц, чем маска SewnF. Каждая из масок Sewn, SewnPC и SewnF показала наибольшее количество аэрозолей в ячейке размером 1–3 мкм в верхней позиции с CMD между 1,84 и 2,54 мкм в этой позиции. Для сравнения, хирургическая маска показала наивысшее пропускание в ячейке размером 1–3 мкм в боковом положении с CMD равным 1.85 мкм в этом положении. Наконец, характеристики N95 сильно различались в двух разных условиях. Респиратор N95L показал наибольшее количество аэрозолей в ячейке размером 1–3 мкм в переднем положении, но до 65% в среднем пропускание в ячейке размером 3–5 мкм в переднем положении относительно состояния без маски. Однако N95T достиг среднего пропускания <5% для всех размеров частиц в переднем положении относительно условия отсутствия маски, что привело к сравнительно низким размерам образцов частиц, используемых для расчета CMD, и, возможно, способствовало низкому значению CMD.Оба N95 ограничивают пропускание аэрозоля в верхнем и боковом положениях.

Рис. 3. Подсчет частиц с поправкой на фон при сравнении обработки лицевой маски в закрытой коробке.

Измерения, показанные в каждой строке для шести бункеров размера частиц, затенены и сгруппированы по типу лицевой маски, включая «Без маски», «Сшитая», «Сшитая», SewnPC, Surgical, N95L и N95T. Оси масштабируются по каждому соответствующему диапазону, а серые точки маркера на базовой линии указывают отрицательные скорректированные значения. Планки погрешностей указывают стандартное отклонение образца для подсчета частиц в каждом из соответствующих бункеров размера частиц по трем независимым измерениям.Двухфакторный MANOVA и последующие двухфакторные ANOVA были выполнены в дополнение к тестам Tukey’s Honest Significant Differences; p-значения, соответствующие параметры и анализ показаны в виде интерактивных карт и графиков, включенных в файл S2 .

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0243885.g003

После оценки пропускания аэрозолей в более контролируемой среде закрытого бокса аналогичные оценки были выполнены для определения пропускания частиц в условиях открытого стенда на расстоянии одного фута, три фута и шесть футов расстояния (0.3 м, 0,9 м и 1,8 м). Это помогло более точно уловить динамику, с которой можно было бы столкнуться в такой среде, как рабочее место, школа или магазин, но менее контролируемо, чем среда закрытого ящика. Количество частиц сначала измерялось на столе в одном футе (0,3 м) от модели лица. При измерении без маски количество частиц было в 48 раз выше фона, что можно увидеть на первой панели , рис. 4 . Были также подсчеты выше фона, измеренного на одной ноге (0.3 м) от модели с маской SewnF, в 15 раз выше фона. Все остальные подсчеты на отметке в один фут (0,3 м) были очень немного выше или ниже фона в передней позиции (в диапазоне 3-5 раз выше). Исключением был респиратор N95T, который снизил общее количество частиц на 70%, а количество частиц снизилось ниже фонового уровня. На расстоянии 3 фута (0,9 м) от модели все лицевые маски показывали уровни немного выше или ниже фона, опять же, за исключением респиратора N95T, в котором количество частиц уменьшилось на 72% ниже фона (см. рис. D в файле S1 ).На всех других лицевых масках количество частиц было примерно на уровне фона на отметке 3 фута (0,9 м) с количеством частиц менее чем в 5 раз выше фона. Точно так же на расстоянии шести футов (1,8 м) от модели все лицевые маски показывали уровни немного выше или ниже фона, за исключением респиратора N95T, в котором количество частиц уменьшилось на 65,88% ниже фона. Эта информация также отображается визуально на графиках поверхности (см. S4, файл ).

Рис. 4. Подсчет частиц с поправкой на фон при сравнении обработки лицевой маски на открытом стенде.

На каждом графике показано количество частиц с поправкой на фон для каждой лицевой маски в порядке от наименьшего до наибольшего перепада давления на расстоянии один фут, три фута и шесть футов (0,3 м, 0,9 м и 1,8 м). от лица модели. Переднее положение показано для каждого расстояния. Группирование по диаметру частиц для каждой лицевой маски сгруппировано по рядам в порядке размера от 0,3 до 10 мкм, как описано в Рис. 2 . Оси масштабируются по каждому соответствующему диапазону, а серые точки маркера на базовой линии указывают отрицательные скорректированные значения.Планки погрешностей указывают стандартное отклонение количества частиц в каждом из соответствующих бункеров размера частиц по трем независимым измерениям. Трехфакторный MANOVA и последующие трехфакторные ANOVA были выполнены в дополнение к критериям достоверной разницы Тьюки. P-значения, соответствующие параметры и анализ показаны в виде интерактивных карт, а также контурных диаграмм и графиков данных с одного фута, трех футов, и шесть футов (0,3 м, 0,9 м и 1,8 м) в переднем и боковом положениях включены в S3 File .

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0243885.g004

В наблюдениях, проведенных в экспериментах с закрытыми ящиками и в экспериментах с открытым стендом, мы отметили, что каждый тип лицевой маски имел уникальные пробелы на модели лица, которые учитывали частицы побег в местах, которые мы назвали «уязвимостями» (см. S1 – S3 Videos ). Соответственно, сравнения подсчетов частиц на открытом стенде были выполнены для каждой лицевой маски в их уязвимых положениях, определенных положением с наибольшим количеством частиц, кроме переднего положения.Уязвимыми позициями оказались верхнее положение для всех сшитых масок и респиратора N95T, нижнее положение респиратора N95L, а также боковые и верхние положения для хирургической маски. Неуязвимые позиции не измерялись, поскольку предварительные подсчеты показали, что только уязвимые позиции имели счет выше фона. При оценке в уязвимом месте количество частиц для масок N95L и Surgical было увеличено почти для всех размеров частиц по сравнению с передним положением лицевых масок (, рис. 5, ).Это не относилось к маскам SewnPC и Sewn, которые имели меньшее количество в их уязвимом положении по сравнению с передним положением. Маски N95T и SewnF имели примерно одинаковое количество очков как на переднем плане, так и на позиции уязвимости, что указывает на эффективность масок. Степень, в которой лицевые маски допускают передачу частиц по сравнению со случаем без маски, сильно варьировалась от маски к маске, при этом N95L допускал максимальную передачу частиц в своем уязвимом месте, в то время как N95T, SewnPC, Sewn и SewnF позволяли относительно минимальная передача, даже в их уязвимом положении.Хирургическая маска имела промежуточные уровни передачи в уязвимых местах по сравнению с двумя ранее упомянутыми группами. Из экспериментов с закрытой коробкой было обнаружено, что уязвимые позиции имеют измененное распределение частиц ( рис. 6, ) по сравнению с распределением размеров без маски, а также имеют повышенные CMD (, таблица 1, ).

Рис. 5. Подсчет частиц с поправкой на фон, сравнивающий переднее и уязвимое положение для каждой лицевой маски на расстоянии 0,3 м в открытой среде.

Показанные измерения сгруппированы по размеру частиц и окрашены в зависимости от положения измерения. Строка 1 включает количество частиц для передней позиции каждой лицевой маски. Строка 2 включает уязвимые позиции, признанные значимыми во время экспериментального наблюдения. Уязвимые положения включают: сбоку (хирургическая маска), снизу (N95L) и сверху (сшитые маски, N95T). Серые точки на базовой линии указывают на отрицательные значения подсчета с поправкой на фон. Планки погрешностей указывают стандартное отклонение образца для подсчета частиц в каждом из соответствующих бункеров размера частиц по трем независимым измерениям.Для статистического анализа обратитесь к анализу открытого стенда, описанному в Рис. 4 .

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0243885.g005

Рис. 6. Кумулятивные распределения размеров с поправкой на фон, сравнивающие распределения в уязвимых местах для каждой лицевой маски в окружении закрытого ящика.

Уязвимые места включают: сбоку (хирургическая маска), спереди (без маски, N95L) и сверху (сшитые маски, N95T). Диаметр (D) получен из размера верхнего бункера и выражен в мкм.Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение количества частиц в каждом из соответствующих бункеров размера частиц по трем независимым измерениям.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0243885.g006

Еще одно интересное свойство, которое может повлиять на эффективность лицевых масок, — это перепад давления на каждом из материалов лицевых масок, который, как предполагалось, влияет как на воздухопроницаемость, так и на воздухопроницаемость. эффективность фильтрации. Подсчет частиц в закрытой коробке показан в Рис. 7 с лицевыми масками, показанными в порядке увеличения падения давления материала, как описано в , Таблица 2 .Падение давления на материалах лицевой маски все имело стандартные отклонения менее 0,06 кПа и статистически значимо отличались друг от друга. Материалом с наибольшим перепадом давления была маска SewnF, а материалом с наименьшим перепадом давления — хирургическая маска. Бумажный кофейный фильтр был измерен в сравнении с этими масками для лица и имел перепад давления 3,07 кПа, что в значительной степени способствует тому, что SewnF имеет наибольшее падение давления. Положение выходящих частиц различается в зависимости от маски и не зависит от падения давления; только респиратор N95L показал наиболее значительное количество частиц в переднем положении, только хирургическая маска показала наиболее значительное количество частиц в боковом положении, а все другие лицевые маски показали наиболее значительное количество частиц в верхнем положении.Лицевой маской с наименьшим количеством частиц в любом положении был респиратор N95T. Сшитая маска имеет большее количество частиц, чем сшитая ПК и хирургическая маска, которые представляют собой материалы с аналогичными перепадами давления и формой. В респираторе N95L было больше частиц, чем в респираторе N95T. Материал с наибольшим перепадом давления, маска SewnF, имел большее количество частиц, чем респиратор N95T. Хотя количество частиц было значительно выше фона для всех масок, во всех случаях количество частиц было ниже, чем при отсутствии маски.

Рис. 7. Подсчет частиц с поправкой на фон при сравнении обработки лицевой маски в закрытой коробке.

Измерения, показанные для шести бункеров размера частиц, затенены и сгруппированы по положению измерения (спереди — зеленый, слева; сбоку — желтый, посередине; сверху — синий, справа). Строка 1 включает No Mask, Sewn, SewnF, SewnPC. В строке 2 представлены более современные и доступные в продаже маски для лица (хирургические маски, маски N95L и N95T). Серые точки на базовой линии указывают на отрицательные скорректированные значения.Планки погрешностей указывают стандартное отклонение образца для подсчета частиц в каждом из соответствующих бункеров размера частиц по трем независимым измерениям. Двухфакторный MANOVA и последующие двухфакторные ANOVA были выполнены в дополнение к тестам Tukey’s Honest Significant Differences; p-значения, соответствующие параметры и анализ показаны в виде интерактивных карт и графиков, включенных в файл S2 .

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0243885.g007

В дополнение к измерениям количества частиц, количество и диаметр частиц были переведены в объемы частиц, предполагающие сферические частицы, как описано в дополнительных методах Агрегационный анализ в файле S1 .Объемы каждого бункера размера частиц были суммированы для определения общего объема частиц, измеренного для данной лицевой маски и положения, и впоследствии разделены на общий объем, чтобы сообщить объемную долю каждого размера частиц для данной лицевой маски и данного положения. Эти относительные объемные фракции были нормализованы к положению без маски, передняя часть в окружении замкнутого бокса, что эффективно описывает распределение частиц на основе объема относительно условия среды без маски, переднего бокса.Можно показать, что среднее значение относительных объемных фракций, нормализованных по лицевой маске, имеет меньший объем малых размеров частиц, с объемами на 15% ниже фона для 0,3 мкм и на 91% и 19% ниже без маски, условия окружающей среды переднего бокса для Частицы 0,5 и 1 мкм соответственно. Частицы среднего размера имели увеличение объема, на 59% и 24% частиц размером 3 и 5 мкм соответственно. Объем частиц 10 мкм также уменьшился, на 26% меньше частиц.

Обсуждение

Исторические исследования оценивали маски, в первую очередь рассматривая материалы масок [36] и защиту, предлагаемую пользователю при вдыхании [37].Кроме того, разработка методов тестирования респиратора позволила предложить надежные стандартизированные тесты и выявить общие точки отказа из-за неправильной посадки [38]. Недавние исследования поведения выдыхаемых аэрозолей показали, что при правильных условиях они могут перемещаться дальше, чем рекомендовано для физического дистанцирования 6 футов (1,8 м) [39]. Однако при использовании респиратора N95, хирургической маски или другой лицевой маски — даже тех, которые не оцениваются в сценарии тестирования на соответствие — передача аэрозоля может быть ограничена расстояниями до 6 футов (1.8 м) [40, 41]. В целом, недавние исследования показывают, что респираторы N95 предлагают наилучшие характеристики, за ними следуют хирургические маски и альтернативы. Из-за несоответствия характеристик подгонки между типами лицевых масок, физиологическими условиями и поведением пользователя эффективность лицевой маски может ухудшиться, что приведет к попаданию умеренного количества выдыхаемых аэрозолей в окружающий воздух [40–43].

Мы оценили 7 процедур обработки лицевых масок (No Mask, Sewn, SewnPC, SewnF, Surgical, N95L, N95T) в закрытых боксах и на открытых столах.Чтобы дополнить предыдущие результаты в этой области, основное внимание в этом исследовании уделяется типам лицевых масок, а не материалам масок, чтобы определить общие закономерности воздействия аэрозоля через точки утечки в маске. Кроме того, мы сосредотачиваемся на моделях, связанных с имитацией выдоха, чтобы понять, как люди вокруг объекта могут контактировать с потенциально инфекционными аэрозолями, а не исследовать, как можно защитить лицо, носящее маску, от воздействия аэрозоля. В тех случаях, когда среда бокса позволяла в большей степени контролировать условия отбора проб, среда открытого стенда давала представление об эффективности этих обработок в более реалистичных условиях, например, на рабочем месте и в условиях окружающей среды, аналогичных другим исследованиям [39, 40].Благодаря использованию 3D-печатной копии эта стратегия устанавливает высокопроизводительную и персонализированную платформу для выяснения ожидаемых характеристик ряда материалов и типов лицевых масок. Основываясь на фоновых измерениях, собранных перед проведением экспериментов, пределы обнаружения для шести бункеров размера частиц следующие:> 2400 отсчетов в бункере размером 0,3–0,5 мкм; > 67 отсчетов в ячейке размером 0,5–1 мкм; > 22 отсчета в ячейке размером 1–3 мкм; > 11 отсчетов в ячейке размером 3–5 мкм; > 6 отсчетов в ячейке размером 5–10 мкм; и> 5 отсчетов в бункере размером> 10 мкм.Эти значения отражают наибольшую изменчивость между всеми условиями отбора проб. Счетчик частиц, используемый в этом исследовании, способен обнаруживать отдельные частицы с эффективностью 100% для частиц диаметром> 0,45 мкм, до 2,1 x 108 отсчетов / м ³ . Для получения дополнительной информации об устройстве и условиях эксплуатации читатель отсылается к экспериментальному разделу. Несмотря на шум от окружающих аэрозолей в обеих средах, несколько изменяющийся выход распылителя и некоторую несогласованность в расположении потоков частиц, мы наблюдали аналогичные результаты для обработки лицевых масок, при этом лицевые маски имеют тенденцию уменьшать уровни частиц перед копией, но потенциально перенаправляют фракцию. траекторий аэрозоля, увеличивая вероятность передачи в различных уязвимых местах вокруг лицевой маски и копии.Этот результат количественно представляет результаты, полученные Келером и Хейном, которые продемонстрировали, что зазоры в материалах могут привести к менее эффективной фильтрации [44]. Как в закрытом боксе, так и в условиях открытого стенда, наиболее эффективными лицевыми масками, основанными на самом низком пропускании аэрозолей, были N95T и SewnF, при этом N95T пропускал <5% частиц в бункерах измеренного размера. Эта оценка подтверждается вероятностью наблюдения уменьшенного количества частиц в результате случайной вариации, как это определено апостериорными тестами Tukey Honest Significant Difference, проведенными в экспериментах с закрытой коробкой, где N95T значительно отличался во всех положениях, а SewnF отличался во всех размер частиц, но размер бункера 5–10 мкм.Этот результат отличается от предыдущих исследований, в которых было обнаружено, что хирургические маски в целом лучше, чем домашние аналоги из хлопка, хотя в этих исследованиях не используются 3D-печатные модели, а для измерения используются другие частицы [28, 45, 46]. В зависимости от формы каждой лицевой маски относительно геометрии лица, зазоры возникли в результате установки лицевой маски, и эти зазоры открыли выпускные отверстия низкого давления для перенаправления частиц, что легко визуализировать по изменению высоты полосы между типами лицевых масок по рядам Рис. 3 и места уязвимости в Рис. 5 .Тканевые лицевые маски позволяют большему количеству частиц выходить через верхнюю часть лицевой маски на нашей модели лица, но этот эффект можно смягчить с помощью зажима для носа или фильтра. Тем не менее, предел эффективности зажима для носа подтверждается результатами хирургической маски, которые подчеркивают возможность перенаправления частиц в стороны лицевой маски и дополнительно подчеркивают зависимость прохождения частиц от посадки. Это потенциальное ограничение для более жестких лицевых масок, которые не могут соответствовать чертам лица.В целом, наши результаты подтверждают, что лицевые маски помогают блокировать выдыхаемые частицы непосредственно перед пользователем и еще больше подтверждают важность использования лицевых масок, которые соответствуют индивидуальным чертам лица пользователя, чтобы свести к минимуму наличие и степень зазоров, которые вызывают уязвимость.

Когда частицы перенаправлялись из щелей в лицевой маске, распределение частиц по размерам сдвигалось в сторону более крупных размеров (см. , рис. 6, ), что указывает на возможность вторичного преимущества использования лицевой маски: более быстрое осаждение выдыхаемых аэрозолей для содействия передаче вируса снижение.Более крупные частицы оседают из воздуха быстрее, чем более мелкие, что указывает на то, что не только лицевые маски уменьшают общий объем выдыхаемого аэрозоля, но и аэрозоли, которые делают , выходят через зазоры лицевой маски, вероятно, будут оставаться в воздухе в течение более коротких периодов времени, чем те, которые получены без маски. аналоги, которые, как ожидается, снизят их потенциал передачи вируса [7, 47–49]. Уменьшение количества субмикронных частиц и увеличение общего CMD улетевших аэрозолей предполагает, что более мелкие частицы испытывают либо усиленный захват материалом лицевой маски, либо явления агрегации или роста из-за лицевой маски, либо оба явления одновременно [7, 50].Для справки, CMD для положения без маски, передняя часть составляла 0,74 мкм и попадала в интервал размера 0,5–1 мкм. Напротив, CMD для каждой из лицевых масок Sewn, SewnPC, SewnF, N95L и Surgical попадает в ячейку размером 1–3 мкм ( таблица 1 в тексте и таблица A в файле S1 ) независимо от места отбора образцов в расстояние в один фут (0,3 м), и для всех случаев интервалы 0,3–0,5 мкм и 0,5–1 мкм статистически отличались от максимального эталона (без маски, спереди). Было показано, что естественные респираторные выбросы имеют такой же диапазон размеров, как и выход распылителя PARI, использованного в этом исследовании, но в концентрациях потенциально на несколько порядков ниже [47–49].Влажная среда и увеличенное время пребывания в лицевой маске могут поддерживать агрегацию, а также гигроскопический рост, что делает агрегацию правдоподобным объяснением уменьшения количества частиц и сдвига CMD [51], особенно при испытанных концентрациях аэрозолей. Разумно предположить, что естественные респираторные выбросы будут иметь межфазные свойства, которые ведут себя как аэрозоли на водной основе в этом исследовании, и могут испытывать аналогичные изменения распределения по размерам, что потребует будущей проверки с помощью исследований на людях.Анализ агрегации, сравнивающий объем аэрозоля, дополнительно подтверждает гипотезу о том, что аэрозоли могут подвергаться агрегации или росту внутри влажной среды маски, где более мелкие частицы уменьшаются по объему или частоте, а частицы среднего размера увеличиваются по объему. Этот результат имеет отношение к распространению COVID-19, которое, как было продемонстрировано, усиливается при низкой влажности окружающей среды, что согласуется с нашим утверждением о том, что влажность, вызванная лицевой маской, и рост аэрозолей могут привести к снижению передачи вируса [52]. Однако, хотя по подсчетам можно определить, что более мелкие частицы уменьшаются по частоте, не совсем очевидно, что частицы среднего размера относительно увеличиваются, основываясь только на подсчетах, поскольку общие количества ниже при использовании лицевой маски.Изменения складок для лицевых масок указывают на то, что в маскированных условиях в целом значительно меньше частиц по сравнению с данными без маски, что затрудняет окончательное определение того, отфильтровываются ли частицы лицевыми масками или собираются внутри лицевых масок и становятся более крупными частицами [50] . Наконец, еще предстоит выяснить, происходят ли столь же значительные сдвиги в увеличенном распределении аэрозолей в респираторных выбросах человека, или этого сдвига достаточно, чтобы существенно повлиять на время пребывания аэрозоля вокруг пользователя.

Из оценки пропускания аэрозоля как функции расстояния ( Рис. 4 ) было обнаружено, что ношение лицевой маски значительно снижает уровень обнаруживаемых аэрозолей на расстоянии более одного фута (0,3 м) от модели. N95L, маска SewnF и хирургическая маска производили количество частиц выше фона в одном футе (0,3 м) от модели, предполагая, что взаимодействие между людьми на таком расстоянии может привести к непредвиденной передаче частиц, устраняя критическую необходимость оценить несколько позиций при количественной оценке эффективности лицевой маски и поддержать необходимость социального дистанцирования и адекватной вентиляции.В отличие от расстояния в один фут (0,3 м), большинство лицевых масок были примерно на уровне фона как на трех, так и на шести футах (0,9 м и 1,8 м) расстояния, за исключением ранее упомянутого респиратора N95T, который находится ниже фона. . На всех лицевых масках, за исключением респиратора N95T, количество частиц в основном в 4-5 раз выше фона, по сравнению с 48-кратным превышением фона для измерений, проведенных в пределах одного фута (0,3 м) от лицевой маски. Это демонстрирует важность соблюдения рекомендованных высот больше шести футов (1.8 m) принципы социального дистанцирования для минимизации проникновения частиц. О важности социального дистанцирования можно также судить по фоновым данным о расстоянии шести футов (1,8 м), которые со временем меняются очень незначительно. После почти трех с половиной часов эффективного непрерывного образования частиц изменение фона указывает на накопление 0,55 частиц в секунду из более чем 20 000 частиц в секунду, генерируемых распылителем. Это указывает на то, что даже после продолжительного воздействия на рекомендованном шестифутовом (1.8 м), при фоновых условиях окружающего воздуха, наблюдаемых в нашем эксперименте, почти не будет увеличения экспозиции частиц. Важно отметить, что испускаемые аэрозоли могут упасть ниже нашего экспериментального предела обнаружения и что вычислительные модели воздушного потока в помещении продемонстрировали, что передача аэрозолей может происходить на расстояниях, превышающих нормативные шесть футов (1,8 м), при определенных фоновых воздушных потоках и накоплении в атмосфере. закрытые пространства [10, 27].

В то время как на всех других лицевых масках количество частиц было примерно на уровне фона, у N95T было еще меньше частиц, которые были ниже фона; хотя у N95 не было наибольшего перепада давления на материале, ожидалось, что респиратор N95T будет иметь самое низкое количество частиц из-за характеристик, конструкции и соответствия респираторов N95, что было показано на рис. 7 .Респиратор N95L, как и ожидалось, имел большее количество частиц, чем респираторы N95T, что позволяет предположить, что перепад давления на материале не так важен, как подгонка лицевой маски. Как показано на рис. 4 , , респиратор N95T показал снижение количества ниже фонового уровня. Теоретически это может быть достигнуто за счет изменения схемы воздушного потока для этой лицевой маски по сравнению с другими лицевыми масками, поскольку в них меньше зазоров, из-за чего воздух течет в направлениях от модели.Это также может указывать на общий фоновый шум от окружающих аэрозолей и на ограничения нашей экспериментальной чувствительности. Хотя это наблюдение было неожиданным, оно также символизирует разницу в функциональности, которую может дать хорошо подогнанная лицевая маска. N95T не проявил значительной уязвимости и продемонстрировал ускользнувшие CMD размером <0,5 мкм, что еще раз указывает на его эффективность в фильтрации всех, кроме мельчайших частиц. Результаты экспериментов по подсчету уязвимых частиц дополнительно подчеркивают важность подгонки с точки зрения эффективности использования лицевой маски, поскольку подсчет частиц в месте уязвимости также находился на субфоновом уровне (, рис. 5, ).В то время как передняя позиция обычно была хорошо защищена от капель аэрозоля для большинства масок, другие позиции могут быть более уязвимыми для утечки частиц, особенно если лицевые маски не надеты или не подходят должным образом. Например, сшитые маски, которые плотно облегают модель лица благодаря ремням, привязанным к затылку модели, превосходят маски Surgical и N95L, что указывает на то, что даже защитные средства медицинского уровня не так эффективны, если не носить правильно.

В дополнение к оценке уязвимости лицевой маски с точки зрения эффективности, мы также оценили роль падения давления в отношении проникновения частиц.Несмотря на то, что они изготовлены из разных материалов, близость значений перепада давления между сшитой маской и сшитой маской SewnPC была ожидаемой, поскольку это были почти идентичные лицевые маски, сшитые одним и тем же человеком из аналогичных материалов (, таблица 2, ). Важно отметить, что значение перепада давления N95 соответствует как респираторам N95T, так и N95L. Значения падения давления, указанные в литературе, часто получают с помощью автоматического тестера фильтров TSI модели 8130 и работают при 85 л / мин; однако более низкие скорости потока из распылителя, используемого в наших экспериментах, потребовали измерения перепада давления на лицевых масках без автоматического тестера фильтров и при более низких скоростях потока, которые были измерены и составили 17 л / мин (см. Дополнительные методы в файле S1 ).Это привело к более высоким перепадам давления, чем сообщалось для респираторов N95, которые обычно имеют перепад давления 35 мм H ₂ O или 0,3432 кПа [53]. Возможность тестирования всех лицевых масок в одних и тех же экспериментальных условиях имела решающее значение для непрерывности данных и позволяла проводить однородный анализ тенденций, обусловленных давлением. Маска SewnF имела самый высокий перепад давления, как и ожидалось, исходя из использования бумажного кофейного фильтра, который имел большой перепад давления при измерении в той же экспериментальной установке, что и лицевые маски; кофейные фильтры имели падение давления 3.07 кПа и поэтому считаются наиболее значимым фактором при измерении падения давления с помощью маски SewnF. Несколько неожиданно, но не возникло очевидной тенденции, связывающей перепад давления и подгонку лицевой маски (, рис. 7, ), в отличие от предыдущих исследований, в которых тестировалось множество материалов, но не учитывались размер или расположение частиц [54]. Респираторы N95L и N95T продемонстрировали совершенно разные характеристики посадки, которые не зависели от их эквивалентных перепадов давления. Отсутствие тенденций было дополнительно подтверждено наблюдаемым подсчетом частиц для соответствующих сшитых масок.Маска SewnF, перепад давления которой в два или три раза выше, чем у других лицевых масок, показывает общее количество частиц, аналогичное показателям респираторов N95T и N95L. Сшитая маска имеет более высокое количество частиц, чем сшитая ПК и хирургические маски, хотя, несмотря на то, что три лицевых маски имеют одинаковые перепады давления по материалам, подтверждают вывод о том, что подгонка играет большую роль, чем падение давления, поскольку добавление носового зажима помогло уменьшить количество частиц. подсчитывает. Хотя наблюдается некоторая тенденция к снижению количества частиц по мере увеличения перепада давления на материале лицевой маски, наличие других факторов предполагает, что эта тенденция, по-видимому, не связана с самим падением давления.Вместо этого расположение большего количества частиц (уязвимых мест), кажется, варьируется больше, чем общее количество частиц, и общее количество частиц, кажется, больше связано с подгонкой лицевой маски, чем перепад давления на соответствующих материалах лицевой маски.

В целом, это исследование освещает важные области, которые ранее упускались из виду при исследованиях лицевых масок, включая неразрушающий позиционный отбор образцов во время оценки лицевой маски с использованием комбинированной высокопроизводительной модели лица и дыхательных путей. Кроме того, использование капель воды в диапазоне размеров выдыхаемых частиц критически важно для обеспечения того, чтобы данные лучше отражали результаты in vivo .Выявление уязвимостей лицевых масок и их снижение эффективности лицевых масок по сравнению с передним расположением, мы надеемся, повлияет на будущие исследования лицевых масок для дальнейшего рассмотрения позиционной изменчивости. Хотя наша модель in vitro полезна для оценки эффективности лицевой маски, она ограничена в нескольких аспектах, которые выделены в , Таблица 3 . Например, были выдыхаемые частицы за пределами диапазона 0,3–10 мкм, которые, вероятно, также способны нести вирусные копии, и не измерялись в этом исследовании из-за ограничений диапазона размеров используемого счетчика частиц [3].Кроме того, хотя мы использовали модель лица и дыхательных путей, мы реализовали только одну модель лица, которая была идеализирована для обеспечения широкого применения. Таким образом, точные результаты, представленные здесь, могут не быть верными для всех типов лиц, хотя мы ожидаем, что тенденции сохранятся, особенно в отношении общей важности подгонки и уменьшения количества частиц в зависимости от расстояния. Однако преимуществом использования 3D-модели лица является возможность оценивать множество лиц, что позволяет исследователям увеличить вариативность и размер выборки лиц, используемых, чтобы лучше гарантировать, что результаты будут доступны широкой публике.Для этого исследования использовалась модель лица, имеющая черты в пределах среднего здорового взрослого мужчины [55, 56]. Более того, хотя выдыхаемые капли воды имитировали выдыхаемые in vivo , выдох был несовершенным; выдох составлял 17 л / мин, что является низким показателем для взрослых, а дыхание достигалось линейно через рот при температуре окружающей среды, которая не имитирует человеческое дыхание. Дополнительным ограничением модели лицо-дыхательные пути является то, что из-за конструкции, основанной на усредненных моделях, эти части не совпадают идеально, а модель дыхательных путей ротовой полости выходит за пределы модели лица, что потенциально приводит к завышенной оценке способности. для маски для уменьшения проникновения частиц.В будущей работе использование более реалистичного профиля дыхания с контролируемыми профилями имитации температуры во время дыхания, включая носовой выдох, улучшит сравнение с данными in vivo . Будущие исследования также могут извлечь выгоду из использования более биологически значимых частиц, чем чистая вода, таких как муцинсодержащий фосфатно-солевой буфер, благодаря исследованиям, в которых подробно показано, что состав переносящих болезни аэрозолей сложен и включает множество белков, солей, бактерий, и вирусы в воде одновременно [57–59].Кроме того, использование более низких концентраций частиц лучше имитирует выдох in vivo . Наконец, включение большего количества дизайнов и материалов для лицевых масок позволит провести еще более надежный анализ и рекомендации по идеальному дизайну лицевой маски. Примечательно, что респиратор N95 выиграет от оценки соответствия в соответствии со стандартами OSHA на подходящей модели лица. Эти ограничения считаются наиболее актуальными для будущей работы; однако не ожидается, что идентификация уязвимостей, поддержка социального дистанцирования, подтверждение важности использования масок для сокращения количества частиц и определение общих тенденций в результатах не будут меняться даже при этих потенциальных улучшениях.

Маски, оцениваемые в этой работе, в настоящее время особенно актуальны в связи с глобальной пандемией, вызванной COVID-19; исследователи использовали эффективность маски для лица, чтобы оценить передачу вируса от инфицированного человека в маске, находящегося в плохо вентилируемой комнате, человеку, ненадолго посетившему указанную комнату. Чтобы воспроизвести это в сравнительных целях, расчеты были выполнены на основе разумных предположений о характере дыхания и концентрациях вирусных копий, как указано в разделе Дополнительные методы Расчеты воздействия вирусных копий в ограниченном пространстве в файле S1 .Основываясь на данных об утечке аэрозоля через отверстие в лицевой маске, ожидается, что второй посетитель комнаты без маски вдохнет от 400 000 до 2 миллионов вирусных копий за 10-минутный период. Это контрастирует с предыдущими оценками, которые предполагали, что эффективность фильтрации лицевой маски достигает 99% и прогнозирует менее 75 вирусных копий. Хотя точное количество вирусных копий, необходимых для заражения, еще не определено, наша работа выявляет ключевые ограничения предыдущих исследований, которые недооценивают количество аэрозолей, которые могут нести вирусные копии и, таким образом, могут привести к слабым руководящим принципам государственной политики, особенно для внутренние помещения.Наше исследование показывает, что комбинация факторов, включая подгонку лицевой маски, уязвимые места и расстояние от лица, влияют на эффективность лицевой маски в предотвращении передачи выдыхаемых частиц; Эффективность материала лицевой маски может оставаться на уровне 99%, в то время как сама маска имеет эффективность на порядок ниже из-за плохой подгонки. Этот расчет не предназначен для оценки передачи вируса, но вместо этого предназначен для выявления недостатков в предположениях об эффективности лицевой маски, которые не учитывают подгонку, расстояние и другие соответствующие параметры.Эти различия могут существенно повлиять на рекомендации по использованию лицевых масок и социальному дистанцированию, и очень важно, чтобы эти соображения были учтены в будущих исследованиях лицевых масок.

Выводы

Результаты этого исследования позволяют предположить ряд факторов, которые важны для рассмотрения при использовании масок для лица. Наиболее важным предположением из этого исследования является то, что использование масок, даже если они неправильно подогнаны, лучше, чем отсутствие маски, в плане снижения передачи выдыхаемых частиц, которые являются основным способом заражения COVID-19 и других респираторных заболеваний. болезни.Кроме того, наше исследование служит улучшением оценки лицевых масок, используя неинвазивное определение передачи частиц от нескольких типов лицевых масок в нескольких местах вокруг лица. Несмотря на то, что наши результаты не являются окончательными рекомендациями по выбору наилучшей лицевой маски, они демонстрируют, что определенные функции лицевой маски могут уменьшить количество частиц. Например, из сшитых лицевых масок лицевая маска с кофейным фильтром между слоями хлопчатобумажной ткани давала наименьшее количество частиц. Примечательно, что установка устройства для очистки труб на носу также снизила количество частиц.Однако эти уменьшенные количества наблюдаются в уязвимых местах, а не перед лицевой маской; таким образом, исследования, которые измеряют только количество аэрозолей перед лицевой маской, будут вводить в заблуждение. Из протестированных лицевых масок респиратор N95T оказался самой эффективной лицевой маской, N95L, хирургические и сшитые маски позволяли улетучиваться в 35-70 раз большему количеству частиц по сравнению с N95T, что позволяет предположить, что изготовленные медицинские маски не должны использоваться. является приоритетом для населения в целом, и вместо этого следует отдавать приоритет медицинским работникам, которые будут должным образом пройти тестирование на физическую форму.Предыдущие исследования были больше сосредоточены на падении давления на материалах и воздухопроницаемости материалов; Хотя мы обнаружили, что количество частиц в некоторой степени уменьшается по мере увеличения перепада давления на материале, существует большая разница в количестве частиц в перенаправленных областях лицевой маски (уязвимости) по сравнению с уменьшением количества частиц из-за падения давления. Это говорит о том, что посадка и воздушный поток являются важными факторами, которые следует учитывать при оценке наилучших методов использования масок для уменьшения количества частиц, и, вероятно, они являются более важными факторами, чем падение давления.Наши результаты показывают, что даже в случае плохой подгонки маски для лица будут снижать общую передачу аэрозолей от пользователя. Наши результаты показывают, что плохо подогнанные лицевые маски по-прежнему уменьшают общее количество аэрозолей, передающихся непосредственно перед пользователем, и могут способствовать росту аэрозолей, что в дальнейшем будет способствовать снижению передачи. Однако, исходя из наших оценок воздействия, плохо подогнанные маски для лица все же могут привести к значительному выходу аэрозоля, что может привести к накоплению в непроветриваемых областях, что может способствовать передаче инфекции.Это также подтверждает, что использование лицевой маски наиболее эффективно в сочетании с социальным дистанцированием и хорошей вентиляцией для предотвращения накопления аэрозолей и потенциальной передачи. Наконец, в этих рекомендациях мы также отмечаем, что посадка лицевой маски является важным параметром для минимизации проникновения капель и аэрозолей, что справедливо как для медицинских масок для лица, так и для самодельных масок для лица.

Вспомогательная информация

Файл S3. Стендовые сравнения по размеру аэрозоля.

Этот файл содержит статистический анализ стендовых данных на расстояниях 1, 3 и 6 футов (0.3 м, 0,9 м и 1,8 м), а также интерактивные версии 95% доверительных интервалов для оцененных предельных средних и парных графиков p-значений.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0243885.s004

(HTML)

S1 Видео. Экспериментальная установка без маски.

На этом видео изображен стендовый эксперимент с подсчетом частиц без маски в переднем положении. Видны лицо и модель дыхательных путей, небулайзер и счетчик частиц. Кажущийся туман — это частицы воды, создаваемые распылителем.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0243885.s006

(MP4)

S2 Видео. Экспериментальная установка сшитая маска.

На этом видео изображен стендовый эксперимент с сшитой маской, подсчитывающей частицы в переднем положении. Видны лицо и модель дыхательных путей, закрытая сшитой маской, а также небулайзер и счетчик частиц. Кажущийся туман — это частицы воды, создаваемые распылителем, который заметно пропускает частицы через переднюю часть маски и зазоры по бокам и сверху маски.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0243885.s007

(MP4)

S3 Видео. Экспериментальная установка хирургической маски.

На этом видео изображен стендовый эксперимент с хирургической маской, подсчитывающей частицы в переднем положении. Видны лицо и модель дыхательных путей, закрытая хирургической маской, а также небулайзер и счетчик частиц. Кажущийся туман — это частицы воды, создаваемые распылителем, который заметно пропускает частицы через зазоры по бокам и сверху маски.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0243885.s008

(MP4)

Благодарности

Авторы благодарят Сьюзан Мейган за предоставленные самодельные маски для лица. Авторы также хотели бы поблагодарить Барри А. Бодта, Ph.D. и Райан Т. Полиг, доктор философии. из основного фонда биостатистики Колледжа медицинских наук UD за их полезные предложения по подходу к статистическому анализу данных.

Список литературы

1. 1. Брукс Дж. Т., Батлер Дж. С., Редфилд Р. Р..Универсальная маскировка для предотвращения передачи SARS-CoV-2 — время пришло. Журнал Американской медицинской ассоциации. 2020. pmid: 32663243
2. 2. Организация WH. Рекомендации по использованию масок в контексте COVID-19: временное руководство, 5 июня 2020 г. Всемирная организация здравоохранения, 2020 г.
3. 3. Ховард Дж., Хуанг А., Ли З., Туфекчи З., Здимал В., ван дер Вестуизен Х. М. и др. Маски для лица против COVID-19: обзор доказательств. Препринты. 2020.
4. 4. Пратер К.А., Ван СС, Schooley RT.Снижение передачи SARS-CoV-2. Наука. 2020. pmid: 32461212
5. 5. Организация WH. Профилактика инфекций и борьба с острыми респираторными инфекциями, предрасположенными к эпидемиям и пандемиям, в здравоохранении: Всемирная организация здравоохранения; 2014.
6. 6. Организация WH. Передача SARS-CoV-2: значение для мер предосторожности по профилактике инфекций: научный отчет, 9 июля 2020 г. Всемирная организация здравоохранения, 2020 г.
7. 7. Шойх Г. Дыхания достаточно: для распространения вируса гриппа и SARS-CoV-2 только через дыхание.Журнал аэрозольной медицины и легочной доставки лекарств. 2020. pmid: 32552296
8. 8. Конда А., Пракаш А., Мосс Г. А., Шмольдт М., Грант Г. Д., Гуха С. Эффективность аэрозольной фильтрации обычных тканей, используемых в респираторных тканевых масках. ACS nano. 2020; 14 (5): 6339–47.
9. 9. Телье Р., Ли И, Коулинг Б.Дж., Тан Дж.В. Распознавание аэрозольной передачи инфекционных агентов: комментарий. BMC инфекционные болезни. 2019; 19 (1): 101. pmid: 30704406
10. 10. Верма С., Дханак М., Франкенфилд Дж.Визуализация эффективности лицевых масок в блокировании дыхательных струй. Физика жидкостей. 2020; 32 (6): 061708. pmid: 32624649
11. 11. Ким Дж. Х., Роберж Р. Дж., Пауэлл Дж. Б., Шаффер Р. Э., Илитало С. М., Себастьян Дж. М.. Падение давления в фильтрующих респираторах с лицевой маской: как низко мы должны спуститься? Международный журнал медицины труда и гигиены окружающей среды. 2015; 28 (1): 71. pmid: 26159949
12. 12. Leaks Jr CR, Mood L, Huggins D, PAGES CDB. ПОВЕСТКА ДНЯ СПЕЦИАЛЬНОГО ПОДКОМИТЕТА COVID-19.
13. 13. Лилоя Г.Дж., Бёрд WH, изобретатели; Джонсон и Джонсон, правопреемник. Патент на маску для лица US3220409. 1965.
14. 14. Савчук В.С., Фельтен Р.П. Инфекционный потенциал аэрозольных частиц. Архив дерматологии. 1989. 125 (12): 1689–92. pmid: 2686550
15. 15. Вагнер С.Л. Защитные маски для лица. Технический отчет. Корваллис, штат Орегон: Служба распространения знаний, Государственный университет Орегона, 1980, 2011-10-17. Отчет №
16. 16. Белый КА. Питтсбург во время большой эпидемии 1918 года.West Pa Hist Mag. 1985. 68 (3): 221–42. Epub 1985/01/01. pmid: 11618283.
17. 17. Сетти Л., Пассарини Ф., Де Дженнаро Дж., Барбьери П., Перроне М.Г., Борелли М. и др. SARS-Cov-2RNA, обнаруженный на твердых частицах в Бергамо в Северной Италии: первые доказательства. Экологические исследования. 2020: 109754. pmid: 32526492
18. 18. Ван Д, Ю Й, Чжоу Х, Цзун З, Хуанг Х, Чжан Х и др. Выбор материалов самодельных масок для предотвращения передачи COVID-19: лабораторное исследование.medRxiv. 2020. pmid: 33057355
19. 19. Ренгасамы С., Эймер BC. Проникновение наночастиц через фильтрующий материал и утечка через интерфейс лицевого уплотнения фильтрующих респираторов N95. Летопись гигиены труда. 2012. 56 (5): 568–80. pmid: 22294504
20. 20. Дэвис К. Разделение переносимой по воздуху пыли и частиц. Труды Института инженеров-механиков. 1953. 167 (1b): 185–213.
21. 21. Стаффорд Р.Г., Эттингер Х.Дж. Эффективность фильтра в зависимости от размера и скорости частиц.Атмосферная среда (1967). 1972. 6 (5): 353–62.
22. 22. Лей З., Ян Дж., Чжуан З., Роберж Р. Моделирование и оценка утечек через лицевое уплотнение респиратора с использованием вычислительной гидродинамики и инфракрасной визуализации. Летопись гигиены труда. 2013. 57 (4): 493–506. pmid: 23243192
23. 23. Мюллер А. В., Иден М. Дж., Оукс Дж. М., Беллини С., Фернандес Л. А.. Количественный метод сравнительной оценки эффективности удаления частиц тканевыми масками как альтернативой стандартным хирургическим маскам для ППЭ.Иметь значение. 2020. pmid: 32838296
24. 24. Оберг Т, Броссо Л. Хирургическая маска с фильтром и подгонкой. Американский журнал инфекционного контроля. 2008. 36 (4): 276–82. pmid: 18455048
25. 25. Холтон П.М., Тэкетт Д.Л., Виллек К. Утечка и потери аэрозолей в респираторах, зависящие от размера частиц. Журнал Американской ассоциации промышленной гигиены. 1987. 48 (10): 848–54. pmid: 3687729
26. 26. Леунг НХЛ, Чу DKW, Шиу EYC, Чан КХ, МакДевитт Дж.Дж., Хау БДЖП и др.Распространение респираторного вируса при выдохе и эффективность масок для лица. Природная медицина. 2020; 26 (5): 676–80. pmid: 32371934
27. 27. Тан Дж., Ноукс С., Нильсен П.В., Имс И., Николь А., Ли Й и др. Наблюдение и количественная оценка воздушных потоков в борьбе с инфекциями, передаваемыми аэрозолями и воздушно-капельным путем: обзор подходов. Журнал госпитальной инфекции. 2011; 77 (3): 213–22.
28. 28. Дэвис А., Томпсон К.А., Гири К., Кафатос Дж., Уолкер Дж., Беннетт А. Проверка эффективности самодельных масок: защитят ли они от пандемии гриппа? Подготовка к общественному здравоохранению Disaster Med.2013. 7 (4): 413–8. Epub 2013/11/16. pmid: 24229526; PubMed Central PMCID: PMC7108646.
29. 29. Вонг П., Лим Вайоминг. Согласование рекомендаций по затрудненным дыхательным путям с рекомендациями по анестезии COVID-19 для разработки стратегии сложных дыхательных путей COVID-19: повествовательный обзор. Журнал анестезии. 2020: 1–20. pmid: 32642840
30. 30. Feng Y, Zhao J, Chen X, Lin J. An In Silico Исследование вариабельности морфологического влияния верхних дыхательных путей на режим воздушного потока в трахеобронхиальном дереве.Биоинженерия. 2017; 4 (4): 90–103. pmid: 236
31. 31. Дэвис Дж., Нагель М.В., Митчелл Дж., Макинтайр Н.Р. Характеристики распылителя с двумя различными источниками сжатого газа. A67 Функция дыхательных путей и аэрозоли у детей, взрослых и мышей с. A2193 – A.
32. 32. Команда RC. R: Язык и среда для статистических вычислений. Вена, Австрия; 2013.
33. 33. Lenth R, Singmann H, Love J, Buerkner P, Herve M. Emmeans: оценочные предельные средние, также известные как средние по методу наименьших квадратов.Версия пакета R. 2018; 1 (1): 3.
34. 34. Викхэм Х., Аверик М., Брайан Дж., Чанг В., Макгоуэн, LDA, Франсуа Р. и др. Добро пожаловать в Tidyverse. Журнал открытого программного обеспечения. 2019; 4 (43): 1686.
35. 35. Хиндс WC. Технология аэрозолей: свойства, поведение и измерение частиц в воздухе: John Wiley & Sons; 1999.
36. 36. Фурухаши М. Исследование эффективности микробной фильтрации хирургических масок для лица с особым упором на маску из нетканого материала.Бюллетень Токийского медицинского и стоматологического университета. 1978; 25 (1): 7–15. PubMed Central PMCID: PMC343940.
37. 37. Туоми Т. Протечка лицевого уплотнения полумаск и хирургических масок. Журнал Американской ассоциации промышленной гигиены. 1985. 46 (6): 308–12. Epub 1985/06/01. pmid: 4014006.
38. 38. Остенстад РК, Диллион ХК, Перкинс ЛЛ. Распределение участков протечки лицевого уплотнения на респираторе-полумаске и их связь с размерами лица. Журнал Американской ассоциации промышленной гигиены.1990. 51 (5): 285–90. Epub 1990/05/01. pmid: 2346116.
39. 39. Дбоук Т., Дрикакис Д. О кашле и воздушно-капельной передаче людям. Физика жидкостей (1994). 2020; 32 (5): 053310. Epub 2020.06.24. pmid: 32574229; PubMed Central PMCID: PMC7239332.
40. 40. Дбоук Т., Дрикакис Д. О дыхательных каплях и масках для лица. Физика жидкостей (1994). 2020; 32 (6): 063303. Epub 2020/06/24. pmid: 32574231; PubMed Central PMCID: PMC7301882.
41. 41. Прасанна Симха П., Мохан Рао П.С.Универсальные тенденции в воздушных потоках человека при кашле на больших расстояниях. Физика жидкостей (1994). 2020; 32 (8): 081905. Epub 2020/09/10. pmid: 322; PubMed Central PMCID: PMC7461125.
42. 42. Sickbert-Bennett EE, Samet JM, Clapp PW, Chen H, Berntsen J, Zeman KL и др. Эффективность фильтрации альтернативных медицинских масок для лица, доступных для использования во время пандемии COVID-19. Журнал Американской медицинской ассоциации внутренней медицины. 2020. Epub 2020/08/12. pmid: 32780113; PubMed Central PMCID: PMC7420816.
43. 43. Фишер Е.П., Фишер М.К., Грасс Д., Генрион I, Уоррен В.С., Вестман Э. Недорогое измерение эффективности лицевой маски для фильтрации капель, выбрасываемых во время речи. Наука продвигается. 2020; 6 (36). Epub 2020/09/13. pmid: 32917603; PubMed Central PMCID: PMC7467698.
44. 44. Kahler CJ, Hain R. Фундаментальные защитные механизмы масок для лица от капельных инфекций. Журнал аэрозольной науки. 2020; 148: 105617. Epub 2020/08/25. pmid: 32834103; PubMed Central PMCID: PMC7321045.
45. 45. Jain M, Kim ST, Xu C, Li H, Rose G. Эффективность и использование тканевых масок: обзорный обзор. Cureus. 2020; 12 (9): e10423. Epub 2020/10/17. pmid: 33062538; PubMed Central PMCID: PMC7553716.
46. 46. Rengasamy S, Eimer B, Shaffer RE. Простая защита органов дыхания — оценка эффективности фильтрации тканевых масок и обычных тканевых материалов против частиц размером 20–1000 нм. Анналы гигиены труда. 2010. 54 (7): 789–98. Epub 2010/06/30. pmid: 20584862; PubMed Central PMCID: PMC7314261.
47. 47. Schwarz K, Biller H, Windt H, Koch W., Hohlfeld JM. Характеристика выдыхаемых частиц из легких здорового человека — систематический анализ в отношении переменных функции легких. Журнал аэрозольной медицины и легочной доставки лекарств. 2010. 23 (6): 371–9. pmid: 20500095
48. 48. Фабиан П., Мозг Дж., Хаусман Е.А., Герн Дж., Милтон Д.К. Происхождение частиц выдыхаемого воздуха от здоровых людей и людей, инфицированных риновирусом. Журнал аэрозольной медицины и легочной доставки лекарств.2011. 24 (3): 137–47. pmid: 21361786
49. 49. Ван Г-Х, Ву Ц-Л, Чен И-Ф, Хуан С.-Х, Ван И-Л, Чен Ц-З. Распределение концентрации частиц по размерам и влияние на частицы выдыхаемого воздуха у пациентов с механической вентиляцией легких. ПлоС один. 2014; 9 (1): e87088. pmid: 24475230
50. 50. Чжан Ю., Самнер В., Чен Д. Р.. Распределение частиц по размерам in vitro в электронных и обычных сигаретных аэрозолях предполагает сопоставимые модели осаждения. Никотин и табачные исследования.2013; 15 (2): 501–8. pmid: 23042984
51. 51. Cherrie JW, Wang S, Mueller W., Wendelboe-Nelson C, Loh M. Температура и влажность в маске могут подтверждать время ношения респиратора и указывать на состояние здоровья легких. Журнал экспозиционной науки и экологической эпидемиологии. 2019; 29 (4): 578. pmid: 30382241
52. 52. Ахлават А, Виденсохлер А, Мишра СК. Обзор роли относительной влажности в воздушной передаче SARS-CoV-2 в помещениях 2. Аэрозоли и исследования качества воздуха.20.
53. 53. Чо Х-в Юн Ц-С, Ли Дж-Х Ли С-Дж, Винер А. Джонсон EW. Сравнение падения давления и эффективности фильтрации респираторов для улавливания твердых частиц с использованием сварочного дыма и хлорида натрия. Летопись гигиены труда. 2011; 55 (6): 666–80. pmid: 21742627
54. 54. Маурер Л., Перис Д., Керл Дж., Гюнтер Ф., Кёлер Д., Деллвег Д. Общественные маски во время пандемии SARS-CoV-2: эффективность фильтрации и сопротивление воздуха. Журнал аэрозольной медицины и легочной доставки лекарств.2020. Epub 2020/09/26. pmid: 32975460.
55. 55. Уилкинсон И.Дж., Пизаниелло Д., Ахмад Дж., Эдвардс С. Оценка крупномасштабной программы количественного тестирования респираторов для медицинских работников: результаты опроса. Инфекционный контроль и госпитальная эпидемиология. 2010; 31 (9): 918. pmid: 20658919
56. 56. Гордон С.К., Черчилль Т., Клаузер К.Э., Брэдтмиллер Б., МакКонвилл Дж. Т.. Антропометрическое обследование военнослужащих армии США: методы и сводная статистика, 1988 г. Anthropology Research Project Inc., Йеллоу-Спрингс, Огайо, 1989.
57. 57. Zemouri C, de Soet H, Crielaard W., Laheij A. Обзорный обзор биоаэрозолей в здравоохранении и стоматологической среде. PLoS One. 2017; 12 (5): e0178007. Epub 2017/05/23. pmid: 28531183; PubMed Central PMCID: PMC5439730.
58. 58. Теллье Р. Аэрозольная передача вируса гриппа A: обзор новых исследований. Журнал Интерфейса Королевского общества. 2009; 6 Приложение 6: S783–90. Epub 2009/09/24. pmid: 19773292; PubMed Central PMCID: PMC2843947.
59. 59.Шойх Г. Дыхания достаточно: для распространения вируса гриппа и SARS-CoV-2 только через дыхание. Журнал аэрозольной медицины и легочной доставки лекарств. 2020; 33 (4): 230–4. Epub 2020/06/20. pmid: 32552296; PubMed Central PMCID: PMC7406993.

Роль объема классной комнаты, занятости, снижения голоса и масок ffp2 в риске передачи SARS-CoV2 в школах

2.1 GN-модель с идеальным смешиванием и лицевыми масками

Модель риска заражения, используемая в настоящем анализе, основана на Модель Gammaitoni-Nucci (GN), первоначально разработанная для туберкулеза и гриппа, подходит для замкнутых, вентилируемых сред [14].Эта консолидированная модель основана на предположении, что вновь образованные вирусные частицы мгновенно растворяются по всему объему окружающей среды (идеальное перемешивание) и что параметр скорости эмиссии ER _q (скорость эмиссии, т. Е. Количество вирусных частиц, генерируемых в час за счет каждый инфекционный субъект) известен, по крайней мере, как среднее значение за время воздействия. В недавней статье, написанной несколькими экспертами в данной области [1], выяснилось, как возможным механизмом передачи SARS-Covid2 в замкнутых пространствах могло бы быть образование «легких» аэрозольных капель (т.е.е. <5 мкм в диаметре, в отличие от «тяжелых» капель (более 5 мкм), которые диффундируют в окружающей среде после того, как были произведены инфицированным человеком. В модели GN, если количество источников инфекции остается постоянным, вероятность заражения для каждого субъекта в данный момент времени t будет зависеть только от общей концентрации вирусных частиц, предположительно распределенных изотропно в объеме V . Эта вероятность следует хорошо известному экспоненциальному закону для увеличения времени воздействия t, который строго зависит от параметра и степени вентиляции p / AER , где p — средний ингаляционный поток (связанный с легочной емкостью), а AER — приток чистого воздуха за счет естественной или механической вентиляции.Чтобы объяснить сложный феномен вирусной инактивации и гравитационного осаждения на поверхностях [15], скорость воздухообмена (AER) в (2-4) более правильно заменить на скорость удаления инфекционного вируса (IVRR = AER + λ + k ) , который добавляет к AER коэффициент вирусной инактивации (λ) и коэффициент осаждения частиц (k). В целях этой демонстрации небольшой вклад осаждения частиц на поверхности не учитывался также на основании того факта, что зимой системы отопления в классной комнате будут стремиться поднимать воздух вверх.Кроме того, значения k для стандартных неотапливаемых сред находятся в литературе ниже 0,25 об / ч [16]. Согласно модели GN, риск заражения в объеме V, где присутствует один инфекционный субъект и начальное количество вирусных частиц составляет n ₀ (которое может отличаться от нуля), определяется общей формулой: Где

Таблица 1.

Параметры модели и соответствующие диапазоны значений. В скобках — контролируемые параметры.

IVRR в ур. В (3) и (4) преобладает термин AER из-за естественной вентиляции (системы HVAC здесь не рассматриваются).На естественную вентиляцию в классе влияют различные факторы, такие как разница температур между классом и открытым пространством при открывании окон, направление ветра и средняя скорость ветра, а также геометрические факторы, такие как размер и положение окна [15]. Что касается теплового воздействия в зимних условиях, то большой перепад температур | T _i — T _e | между температурой внутри и снаружи. В настоящем исследовании мы исследовали типичные зимние условия: температура в помещении поддерживается на уровне T _i = + 20 ° c системой отопления школы и внешней температурой около 0 ° C, так что | T _i — T _e | = 20 ° С.Это влияет на поток вентиляции через окно. Согласно недавно пересмотренной Euronorm 16798-7: 2018 [23] односторонний воздушный поток Q _w через открытые окна с заданной разностью температур приблизительно оценивается по формуле (действительной для умеренных скоростей ветра): общая площадь открытых окон, высота окон и соотношение плотности воздуха между эталонной плотностью воздуха и плотностью рассматриваемой зоны. Это подразумевает AER через открытие окон, которое становится функцией разницы внутренней и внешней температуры: Все кривые были рассчитаны для типичного класса объемом 8 * 7 * 3 ≅ 170 м ³ , с эффективным объемом для диффузии аэрозолей 150 м ³ .Следовательно, для такого стандартного класса результирующий AER при открывании окон имеет следующий вид: Дополнительный рисунок S1 показывает температурную зависимость AER _W , принимая два типичных значения ( A _w , h _w ) в классах средней школы, где окна были частично открыты . Следует отметить, что геометрические параметры окон также могут сильно изменяться в разных школьных зданиях или даже в разных классах в одном здании.Однако исследование таких конкретных зависимостей выходит за рамки данной работы.

Рисунок S1

Влияние разницы температур внутри и снаружи на воздухообмен при открывании окон (синие кривые) в типичном классе в соответствии с EN 16798-7 (односторонняя вентиляция) [23]. Помеченные синими точками обозначают значения AER, использованные в моделировании при Ti — Te = 20 ° C. Также показаны времена для одного обмениваемого объема.

Чтобы учесть влияние СИЗ (средств индивидуальной защиты, в данном случае масок для лица) на снижение как количества вирусных частиц, генерируемых инфицированными субъектами, так и на снижение вероятности вдыхания вирусных частиц подвергнутыми воздействию объектов, мы предлагаем модификация уравнения (3), в соответствии с которым термин вирусной ингаляции ER _q p / Q умножается на два масштабных коэффициента:

(1- f _из ), что представляет собой частичное уменьшение сгенерированная вирусная нагрузка, и

(1- f _из ), что представляет собой частичное снижение вдыхаемой вирусной нагрузки,

при предположении, что все субъекты носят маски.Уравнение (3) затем можно переписать как: Если маски не надеты, значения f _in и f _out равны нулю.

Степень эффективности лицевых масок в снижении передачи воздушно-капельным путем является предметом все еще продолжающихся дебатов, хотя было принято общее согласие относительно их важности как фактора смягчения. Некоторые недавние результаты [7] убедительно подтверждают эффективность масок для уменьшения распространения инфицированных аэрозольных капель во время выдоха при условии, что маска правильно и постоянно носит как инфицированные, так и восприимчивые субъекты.Оценочная эффективность хирургических масок в фильтрации переносимой по воздуху вирусной нагрузки при вдыхании, представленной плавником, варьируется в доступной литературе. Некоторые авторы (например, [17]) оценивают это значение как близкое к нулю, утверждая, что маски могут фильтровать только «большие» капли (> 5 мкм), но более поздние измерения показывают, что хирургические маски действительно могут фильтровать даже «маленькие» капли. , т.е. субмикрометрические, капли [24]. В настоящем анализе мы рассмотрели возможный диапазон значений 0–0,3 для ласт, который соответствует хирургическим маскам.Что касается эффективности фильтрации выдыхаемой вирусной нагрузки, параметр f может иметь значение до 0,95 [7] в случае хирургической маски, прилегающей к телу все время. Однако в классе будет сложно обеспечить полное и постоянное соблюдение правил в течение многих часов обычного учебного дня. Например, итальянские местные научные комитеты с октября 2020 года рекомендуют носить маски как можно дольше, но разрешать их время от времени снимать, если соблюдается социальное дистанцирование.Поскольку эффективность фильтрации маски варьируется от человека к человеку и в течение всего времени воздействия, для оценки эффективности фильтрации был рассмотрен довольно большой интервал изменения (от 50% до 100%).

Общая вирусная нагрузка в объеме окружающей среды при наличии одного инфекционного субъекта со скоростью эмиссии ERq> 0 определяется по формуле:

2.2 Средняя скорость выброса для SARS-CoV2

Правильная оценка параметра скорости выброса ER _q нетривиальна и в основном основана на полуэмпирическом подходе, сочетающем измерения вирусной нагрузки по результатам клинических испытаний и обратный инжиниринг по наблюдаемым вспышкам.На этот параметр также сильно влияет поведение человека. Наконец, это зависит от различных популяций микрокапель в излучаемом аэрозоле, которые различаются в зависимости от конкретной голосовой активности (подсчет голоса, счет шепотом, немодулированный вокал, дыхание). Затем скорость выброса может быть описана следующей формулой [18], действительной только для одной специфической экспираторной активности, индексированной j. Кроме того, формула может быть хорошо аппроксимирована 4-канальным распределением частиц по размерам [25]: В (9) параметр c _v представляет собой вирусную нагрузку в мокроте (количество копий вирусной РНК, мл ^-1 ), которую необходимо оценить экспериментально посредством клинической оценки вирусной нагрузки, c _i — это коэффициент преобразования, имеющий единицы измерения в квантах · Копии РНК ⁻¹ (соотношение между одним заразным квантом и инфекционной дозой), p ^w — частота легких или ингаляций (m ³ h ⁻¹ ), связанной с конкретной k-й деятельностью тела (покой, стоянием и т. 4-модальное распределение капель, выбрасываемых испытуемым во время озвучивания или дыхания.Для вирусов типа SARS экспериментальные оценки всех параметров в уравнении (9) приведены в [18,20,21].

Вдобавок, рассматривая реальное поведение учителя или ученика, следует ввести дополнительное среднее время (9), которое действительно уже является средним временем по активности k-го тела. Причина в том, что оба предмета (во время преподавания или посещения урока) не ведут себя постоянно (то есть часами) в одной фиксированной категории вокальной активности и частоты пульса. Поэтому лучше рассматривать двойное усреднение как: Один из способов оценки для настоящих случаев состоит в том, чтобы рассматривать ученика как отдыхающего человека, а учителя как стоящего человека, что в приближении (10) превращается в: В (11) рассматриваются только две «голосовые активности» из источника и их связанное чистое время t _j (дыхание без речи и говорение).Фактически, во время обучения есть периоды разговора, чередующиеся с паузами. Во-вторых, громкость голоса учителя также может варьироваться [26]. То же самое для студентов, посещающих лекции, которые могут задавать вопросы или комментарии и произвольно изменять свою голосовую активность и интенсивность. Оценки используемых во всех моделированиях приведены в приложении.

Даже если учителя остаются в классе в среднем только на два часа, большую часть этого времени они говорят. В начальных и средних школах тоже громко разговаривают, а иногда и кричат.Это делает их гораздо большим источником вирусов по сравнению со студентами. В настоящем анализе значение 32 ± квантов h ⁻¹ было оценено для инфекционного учителя, говорящего с умеренно высокой громкостью, тогда как меньшее значение в 16 квантов h ⁻¹ было получено для того же субъекта, говорящего спокойно через микрофон. Для потенциально заразных учеников, которые большую часть времени сидят за своим столом, были рассчитаны более низкие значения (указаны в приложении), поскольку они считались отдыхающими людьми, говорящими реже, чем учителями.

Сравнение двух термопластичных иммобилизационных масок в ежедневной лучевой терапии под контролем объемного изображения при раке головы и шеи

Введение ; Лучевая терапия с модулированной интенсивностью (IMRT) требует точной воспроизводимости настройки для точной доставки дозы RT при лечении рака головы и шеи (HNC). Воспроизводимость настройки обычно обеспечивается за счет использования термопластичных систем иммобилизационных масок, ежедневного управления изображениями и позиционных поправок, выполняемых с помощью таблиц обработки на линейном ускорителе.В этом исследовании сравнивались две системы термопластичных масок по воспроизводимости настройки и дозиметрическому воздействию с использованием таблицы с 4 степенями свободы (DOF) с ежедневным объемным изображением. Методы и материалы ; Было проведено ретроспективное исследование 22 пациентов, по 11 в каждой системе масок A и B, для сравнения воспроизводимости настройки и дозиметрического воздействия. Средние абсолютные позиционные сдвиги в 6 степенях свободы, включая срединно-латеральный (ML), верхний-нижний (SI), переднезадний (AP), тангаж, рыскание и крен, сравнивались между системами масок с использованием линейной регрессии со смешанными эффектами.Средний процент ошибок в запланированных и пересчитанных дозах ЛТ для 27 параметров дозы HN (9 запланированных целевых объемов (PTV) и 18 нормальных тканей) сравнивали с использованием двухвыборочных тестов t . Результаты ; Не было статистически значимых различий в клинических характеристиках, которые, как считается, влияли на воспроизводимость ежедневной настройки RT между группами масок A и B. Средние абсолютные позиционные сдвиги в ML, SI, AP, тангаж, рыскание, крен для группы масок A составляли 1,51 мм, 2,06 мм, 6,11 мм, 0,43 °, 0.39 °, 0,27 °, соответственно, а для группы масок B 1,43 мм, 1,93 мм, 6,48 мм, 0,33 °, 0,47 °, 0,29 ° соответственно. Статистически значимых различий между группами не было. Диапазон средних процентных ошибок в оцененных параметрах дозы составлял менее +/- 4% между запланированной и пересчитанной. Не было обнаружено различий в средних процентах ошибок для любого из 27 дозиметрических параметров HN, оцененных между группами. Выводы ; Воспроизводимость настройки и дозиметрическое воздействие после корректировок на основе объемного изображения с 4 степенями свободы, основанных на наведении, были минимальными и одинаковыми для систем термопластичных масок.

Идеи изготовления масок Бэтмена

Какой мальчик не мечтает стать Бэтменом? Ведь этот супергерой — идеал мужественности, бесстрашия и власти. Герои комиксов никого не оставляют равнодушными, особенно мальчишек. Детская маска Бэтмена — одна из самых популярных среди мальчиков, так почему бы не порадовать любимого ребенка и не сотворить себе такой шедевр прямо у себя дома. Есть много способов создать маску Бэтмена своими руками. Его можно сделать из бумаги или ткани, из одного листа или сделать трехмерный дизайн.Все эти методы различаются необходимыми материалами и сложностью, тем не менее, каждый из них можно использовать в процессе создания изделия вместе с ребенком. Ему будет очень интересно создать с вами карнавальную маску. Такие новогодние маски не могут остаться незамеченными. Они привлекут внимание, и ваш ребенок будет знать, что у него самая красивая маска.

Бумажный вариант

Сделать маску Бэтмена из бумаги быстрее и проще. Это стандартный вариант, для которого потребуется обычный картон или фетр.Для его создания необходимо:

Измерьте лицо ребенка, чтобы определить, какая голова наполовину проглочена. Этот замер понадобится для создания подходящего для вашего ребенка варианта.

Далее необходимо сделать наброски на бумаге, для этого можно использовать имеющийся трафарет.

Обязательно прорисовываем ушки сверху.

Разметьте дырочки для глаз в виде овалов.

Перенести получившийся контур на картон, фетр. Используйте любые оттенки, не обязательно черный.

Сделайте отверстия для крепления резинки.

Варианты из бумаги и фетра делать очень просто. В таких масках любой ребенок почувствует себя настоящим супергероем.

Поверхностная маска

Производство плоских заготовок — не единственный метод. Маска объема, например, более сложная, но и выглядит эффектнее. Представленный ниже пошаговый план поможет создать настоящий шедевр. Надо взять:

• трафаретов;
Картон
• ;
• бумага, желательно глянцевая;
• карандаш;
• ножницы;
• изолента;
• горячий пистолет с клеем;
• falsbane.

Создание такого продукта может занять много времени и сил. А вот выкройка маски Бэтмена поможет в процессе.

Для начала нужно вырезать из картона все детали.

Возьмите трафарет A и согните его по пунктирной линии.

К нижней части нужно приклеить трафарет Б.

С помощью трафарета D нужно сделать нос Бэтмена.

Глазки на трафаретах А и В расположены симметрично на основной «трубе».Они крепятся прямо над ротовым отверстием. Можно использовать изоленту или горячий клей.

Обе детали C прикреплены к глазам — это брови.

Между глазками прикрепляется носик и вырезается по отверстию по его контуру.

Нужны порезы от бровей вверх. Должен быть покатый лоб. По окружности головы делаются надрезы.

При скошенном лбу также необходимы надрезы над бровями.

Затем нужно прикрепить ко лбу черную полосу изолентой.

Трафареты E нужно вставить в изогнутый разрез, как показано на рисунке. Затем нужно выровнять ушки и прикрепить скотчем.

Далее по всей окружности головы заклеиваем разрезы скотчем, чтобы получилось аккуратное помещение.

Используйте 2 трафарета F. Эти детали необходимо наклеить сзади, чтобы добавить объема.

Трафареты G наклеиваются на переднюю часть уха. Черная бумага поможет закрыть пробелы.

Два треугольника помогают добавить объема.Они складываются по центру и приклеиваются с двух сторон.

Окончательный вариант можно обмотать черной лентой.

Сначала полностью закройте глаза и нос, потом можно просто вырезать отверстия.

На готовое лицо нужно приклеить носик каплей горячего клея.

Не забудьте оставить макет. Будьте уверены, что такое рукописное творение обязательно произведет фурор на детский праздник. Это вполне доступный способ сделать маску Бэтмена из картона.Это не самое простое, но результат потрясающий.

Ткань «Бэтмен»

Можно сшить маску из ткани. При этом совершенно не обязательно умение шить на машинке, это можно делать руками, иглой и ниткой. На вопрос, как сшить такую ​​красоту, есть ответ: делается довольно просто — понадобится выкройка, мел, ножницы. Из ткани вырезаются детали, части верха сшиваются. На изнаночную сторону к основным элементам прикрепляются ушки, прикрепляется вторая деталь.Получите что-то вроде шлема. Вырезаем ножницами дырочки для глаз. Кусочки глаз можно прошивать на машинке. При желании можно воплотить в жизнь разные идеи. Например, сделать маску из папье-маше, красиво ее украсить или придумать еще один интересный способ создать образ супергероя.