第一作者：Emma P. Fischer
通訊作者：Martin C. Fischer
通訊單位：美國杜克大學(xué)
研究亮點(diǎn)：
1. 設(shè)計了一種簡單、便捷的口罩性能測試方法。
2. 對比了14種口罩及其遮擋物的效果表現(xiàn)。
3. 對目前設(shè)計裝置的短板和限制因素進(jìn)行了分析。
在新型冠狀病毒(COVID-19)大流行期間，由于全球商業(yè)供應(yīng)短缺，導(dǎo)致自制口罩和口罩替代品的廣泛使用。戴口罩防止感染的原因很簡單:戴口罩會減少含有病毒的呼吸道飛沫的傳播。盡管如此，確定口罩的功效仍然是一個復(fù)雜的課題，因為受很多因素的影響，例如傳播途徑、口罩的正確佩戴和使用以及環(huán)境變量。
雖然有研究報告已經(jīng)對一些用于口罩制作的紡織品進(jìn)行了表征，但是需要考慮實際環(huán)境中可用口罩的性能。因此，亟需一種測量方法，可用于評估功效，以指導(dǎo)口罩的選擇和購買。
近日，美國杜克大學(xué)Martin C. Fischer團(tuán)隊以“Low-cost measurement of face mask efficacy for filtering expelled droplets during speech”為題，在Science Advances上發(fā)表最新研究成果，演示了一種簡單的光學(xué)測量方法，用于評估口罩在正常說話過程中減少呼吸道飛沫傳播的功效。該研究使用的測量裝置價格低廉，可以由非專業(yè)人員構(gòu)建和操作，能夠在講話、打噴嚏或咳嗽時快速評估口罩的性能。
01
測量原理
如圖1所示，操作者戴著口罩，對著黑暗、封閉空間中擴(kuò)展的激光束方向說話。通過激光束傳播的飛沫會散射光線，并通過手機(jī)攝像頭記錄下來。一個簡單的計算機(jī)算法被用來計算視頻中的飛沫數(shù)。實驗裝置很簡單，非專業(yè)人員可以很容易地建立和操作。
圖1. 實驗裝置示意圖。
02
14種口罩測試
作者測試了14種常用口罩或口罩替代品、一片口罩材料和經(jīng)過專業(yè)測試的N95口罩(詳見圖2和表1)。作為參考，作者記錄了說話者沒有戴防護(hù)面具或遮蓋物的對照試驗。每項測試都采用相同的方案，攝像機(jī)被用來記錄大約40s長的視頻，記錄說話時噴出的飛沫。視頻的前10s作為基線。在接下來的10s鐘里，面具佩戴者重復(fù)了“保持健康，人類（Stay healthy, people）”這句話五次，之后鏡頭繼續(xù)記錄另外20s(觀察)。
圖2. 實驗中采用的口罩。
表1. 實驗選用的口罩類型。
03
測試結(jié)果
研究結(jié)果如圖3A所示，顯示了每個測試口罩的相對飛沫數(shù)。在圖3B中，顯示出了由第一說話者測試的四個代表性示例(外科手術(shù)口罩、棉花口罩5、手帕和對照試驗)的檢測結(jié)果隨時間的變化，實線表示飛沫隨時間的傳輸速率。對于對照試驗(綠色曲線)，五個不同的峰值對應(yīng)于操作者說話的五次重復(fù)。在通過面罩講話的情況下，存在物理障礙，這導(dǎo)致傳輸?shù)娘w沫減少，并且在講話和檢測飛沫之間有顯著的延遲。
實際上，口罩起到暫時性的低通量過濾作用，隨著時間的推移降低飛沫傳輸速率，并降低整體的傳輸率。對于手帕(紅色曲線)，液滴速率僅降低了2倍，說話的重復(fù)仍然明顯。棉質(zhì)口罩(橙色曲線)的效果更強(qiáng)，說話模式不再可識別，與對照實驗相比，大部分飛沫被去除。手術(shù)口罩的曲線在這個刻度上不可見。所有曲線的陰影區(qū)域顯示一段時間內(nèi)的累積飛沫數(shù):曲線越低，被口罩阻擋的飛沫越多。
另外，實驗發(fā)現(xiàn)，通過一些口罩（尤其是脖套）說話似乎可以將最大的液滴分散成許多較小的液滴，這解釋了在這種情況下，相對于沒有面罩，液滴數(shù)量明顯增加的原因。考慮到較小的粒子比大的液滴在空氣中停留的時間長（大的液滴下沉得更快），使用這種口罩可能會適得其反。此外，帶閥N95面罩的性能可能會受到呼氣閥的影響，呼氣閥打開后會產(chǎn)生強(qiáng)大的向外氣流。雖然閥門不會損害對佩戴者的保護(hù)，但它會降低對佩戴者周圍人員的保護(hù)。相比之下，無閥N95口罩的性能要高得多。
圖3. 通過面罩的飛沫傳播。（a）通過不同口罩的相對飛沫傳輸。（b）飛沫計數(shù)隨時間變化。
04
實驗缺陷
該實驗裝置的實現(xiàn)非常簡單，所需的硬件和軟件容易獲得。然而，這種簡單性確實伴隨著一些限制，以及可能的改進(jìn)和未來研究的路線。同樣，我們要注意的是，這里操作的口罩測試(一個說話者用于所有口罩測試，四個說話者用于選定的口罩測試)應(yīng)該僅作為演示。主體間的差異是可以預(yù)料的，例如，由于生理、面罩配合、頭部位置、語言模式等方面的差異。
作者列舉的目前裝置的限制因素包括下面幾點(diǎn)：
1）設(shè)計的實驗裝置只對一小部分進(jìn)行采樣，因此，一些通過口罩傳輸?shù)娘w沫可能無法記錄在激光束中。類似地，通過將前額和下巴對準(zhǔn)盒，定位說話者的面部。每個說話人的生理機(jī)能不同，導(dǎo)致嘴相對于光片的位置發(fā)生變化。因此，飛沫計數(shù)只反映了所有飛沫的一部分，但是當(dāng)我們對所有口罩使用相同的初始條件進(jìn)行實驗時，可以比較口罩的相對性能。
2）手機(jī)攝像頭的使用對探測靈敏度造成了一定的限制，即最小的可識別液滴尺寸。圖4A顯示了從直徑為5μm的飛沫散射的532nm光的散射分布示例和水的折射率（n=1.33）。圖4B中顯示了每幀散射到手機(jī)相機(jī)光圈中的光子的估計數(shù)量，與粒子直徑的關(guān)系函數(shù)。
3）考慮到拍攝盡可能多的液滴所需的大視場，單個手機(jī)攝像頭的使用也限制了可實現(xiàn)的尺寸分辨率，這使得在我們的裝置中無法直接測量小飛沫的尺寸。
圖4. 光散射特性。（a）用綠色激光照明時，被直徑為5 μm的飛沫散射的光的角度分布(散射相位函數(shù))；（b）相機(jī)在一幀中記錄的光子數(shù)，與飛沫直徑間的函數(shù)關(guān)系。
小結(jié)
綜上所述，該測量方法提供了一種快速且經(jīng)濟(jì)有效的方法來評估口罩的有效性。雖然，本文的實驗包含的說話者數(shù)量有限，但是，設(shè)計的裝置仍可以作為未來研究的基礎(chǔ)，比如不同的說話人、說話的音量、語音模式和其他影響下，對口罩的性能進(jìn)行檢測。這種方法也可以在其他條件下測試口罩，比如咳嗽或打噴嚏。
參考文獻(xiàn)
Emma P. Fischer, et al. Low-cost measurement of face mask efficacy for filtering expelled droplets during speech, Science Advances, 2020.
DOI: 10.1126/sciadv.abd3083
https://advances.sciencemag.org/content/6/36/eabd3083
