06.02.2022

Nataly Drozdova (681 articles)

Исследование: колготки доказали свою эффективность в улучшении прилегания защитных масок

Некоммерческая корпорация PLOS опубликовала результаты изучения методов повышения эффективности защитных масок, проведённое группой исследователей в 2020-м году. Статья об исследовании влияния приспособлений для улучшения прилегания масок была направлена реактору журнала PLOS в апреле 2021-го года, официально принята к публикации в январе 2022-го года.

В ходе пандемии COVID-19 высказывались предположения о том, что можно использовать различные методы для улучшения прилегания и, следовательно, эффективности масок для лица. Согласно заявлению авторов исследования, хорошо известно, что улучшение прилегания напрямую связано с повышением эффективности маски, но остается неизученным, насколько надежны способы, влияющие на прилегание. В данном исследовании оценивался ряд распространенных «лайфхаков», чтобы определить их способность улучшать характеристики защитной маски.

Введение

Во время пандемии COVID-19 нехватка средств индивидуальной защиты (СИЗ) привела к тому, что у населения не было иного выбора, кроме как носить плохо подходящие маски для лица, в том числе хирургические маски и маски KN95, которым посвящено это исследование. Правильная посадка была отмечена как основной фактор, определяющий эффективность масок для лица, но маски, доступные большинству, часто отличаются плохой посадкой. В попытке улучшить защиту, предлагаемую такими масками, появилось несколько изменений, также известных как приспособления для посадки, с целью улучшить облегание. Несмотря на то, что эти хаки привлекли широкое внимание и широкое освещение в СМИ, влияние большинства хаков на физическую форму остается в значительной степени непроверенным. Такие лайфхаки включают в себя надевание колготок поверх маски и изменение формы маски путем завязывания ушных лент. Ранние исследования показывают, что эти лайфхаки эффективны для улучшения посадки масок, при этом другая исследовательская группа тестировала несколько методов, однако в их экспериментах участвовал только один испытуемый (Clapp PW, Sickbert-Bennett EE, Samet JM, Berntsen J, Zeman KL, Anderson DJ, et al. Evaluation of Cloth Masks and Modified Procedure Masks as Personal Protective Equipment for the Public During the COVID-19 Pandemic.).

Есть два ключевых фактора, которые определяют эффективность маски: эффективность фильтрации материалом маски и прилегание маски. Маски с улучшенной посадкой обеспечивают меньше зазоров между лицом пользователя и краями маски, действительно обеспечивая фильтрацию вдыхаемого воздуха. Воздух имеет тенденцию идти по пути наименьшего сопротивления; поэтому, если вокруг маски с высоким сопротивлением есть небольшие зазоры, воздух будет проходить через них, минуя фильтрующий материал маски. Уменьшение этих зазоров и, следовательно, улучшение прилегания повышает защиту пользователя. Кроме того, было высказано предположение, что лучшая подгонка для пользователя уменьшает размер инокулята SARS-CoV-2, что потенциально устраняет или снижает тяжесть инфекции.

К сожалению, для оценки эффективности этих методов было проведено мало исследований. Ранние исследования, направленные на проверку протокола измерения характеристик маски, показали, что нейлоновый верхний слой, надеваемый поверх лицевой защиты, может повысить эффективность масок. Однако те же данные также свидетельствуют о том, что методы улучшения могут неоднородно влиять на различные типы защиты для лица. Это остается недостаточно изученной областью с заметной нехваткой исследований с привлечением значимого количества участников. Это исследование направлено на то, чтобы ответить на исследовательский вопрос: «Действительно ли простые лайфхаки улучшают посадку масок для лица?» Мы решаем эту проблему, исследуя количественную оценку соответствия нескольких масок с применением и без применения ряда приспособлений. Мы оцениваем как эффективность самим приспособлений, так и различия их эффективности у разных людей. При этом исследование направлено на то, чтобы выяснить, какие методы, если таковые имеются, можно использовать для улучшения прилегания масок для лица, предназначенных в первую очередь для использования широкой публикой.

Методы исследования

Качественное тестирование прилегания проводилось в период с июля по сентябрь 2020 года в жилом помещении. Исследователи использовали количественное тестирование прилегания на четырёх участниках как хирургических масок, так и масок KN95, с «дополнительными приспособлениями подгонкой» и без них. Была исследована эффективность семи приспособлений. Кроме того, один участник несколько раз применял каждый «лайфхак», чтобы оценить, насколько надежными были «лайфхак» при повторном применении. В исследовании приняли участие четыре участника с окружностью головы от 54 до 60 сантиметров: три женщины и один мужчина.

Количественный метод тестирования

Существует два устоявшихся метода, используемых для оценки посадки масок для лица: количественное тестирование и качественное. Количественное тестирование является наиболее надежным и точным методом измерения степени прилегания. Качественное тестирование прилегания, с другой стороны, включает в себя распыление соединения в окружающем воздухе и проверку того, может ли владелец маски почувствовать его вкус во время ношения маски. Это менее надёжный метод оценки, поскольку он часто основывается на субъективных суждениях о вкусе и не может количественно оценить эффективность. Таким образом, в этом исследовании для оценки эффективности использовалось количественное тестирование.

Во время количественного тестирования прилегания отбираются пробы воздуха для непрерывного измерения концентрации частиц как внутри, так и снаружи надетой маски. Концентрация частиц за пределами маски сравнивается по стандартной отраслевой формуле для получения коэффициента соответствия. Формула такова:

CB = концентрация B, концентрация вне маски перед респираторной пробой
CA = концентрация A, концентрация вне маски после респираторной пробы
CR = концентрация R, концентрация внутри маски.

Этот фактор соответствия представляет собой числовую оценку того, насколько хорошо маска подходит пользователю; это означает, что чем меньше частиц попадает в маску, тем лучше она подходит. Поскольку коэффициент соответствия представляет собой концентрацию частиц снаружи, деленную на концентрацию частиц внутри, маска с коэффициентом соответствия 100 обеспечивает воздух в 100 раз чище, чем наружный, а маска с коэффициентом соответствия 10 обеспечивает воздух в 10 раз более чистый, чем наружный воздух [Wen Z, Lu J, Li J, et al. Determining the filtration efficiency of half-face medical protection mask (N99) against viral aerosol. Aerobiologia (Bologna). 2010;26(3):245–251] . Более высокие числа указывают на лучшее соответствие, в то время как низкие числа указывают на плохое соответствие. Маски N95 или FFP3 должны набрать не менее 100 баллов, чтобы считаться подходящими по стандартам OSHA [PortaCount Pro 8030 and PortaCount Pro+ 8038 Respirator Fit Testers. March 2015].

Количественные тесты соответствия были проведены с использованием Portacount, TSI, Миннесота, модель 8038+, способного оценивать маски с эффективностью менее 99%. Спецификации производителя указывают на то, что в большинстве случаев показания точны в пределах +/- 10%. Это отображается в таблицах погрешностей, если не указано иное. Были измерены частицы размером от 0,02 микрометра до более 1 микрометра. Во время испытаний использовался генератор частиц от TSI, Миннесота, модель 8026, для распыления частиц хлорида натрия (NaCl). Образцом респиратора типа KN95 был респиратор Zhong Jian Le KN95, произведенный компанией Chengde Technology Co LTD (Китай) и сертифицированный в соответствии с китайским стандартом GB2626-2006.

В исследовании приняли участие четыре человека, три женщины и один мужчина. Этическое одобрение этого исследования было дано Комитетом по инженерной этике Кембриджского университета. Участники выполнили семь действий для воспроизведения ряда профессиональных действий в соответствии с исходным протоколом OSHA 29CFR1910.134 Приложение A, который с тех пор был изменен (укорочен). Мы решили использовать оригинальный протокол, в котором особое внимание уделяется действиям, обычным для широкой публики, таким как интенсивное и обычное дыхание, и проверяется способность маски сохранять форму после активной мимики. Все действия в новой таблице приложения A-2 стандарта 29CFR1910.134 включены в старый протокол испытаний. Каждый испытуемый выполнял следующие действия: нормальное дыхание, интенсивное дыхание, повороты головы из стороны в сторону, кивание головой вверх и вниз, разговор, наклоны, улыбка / гримаса  и нормальное дыхание после надевания маски. В ходе каждого теста собирались данные в течение 7 минут 15 секунд. Из-за продолжительности исследования (более двух часов на участника) испытуемым разрешалось сидеть во время определенных стадий.

Подходящие приспособления

Лайфхаки, взятых из Интернета и из наблюдений за публикой, был протестированы с двумя масками: маской KN95 и хирургической. Оценки прилегания маски без подгонки сравнивались с оценками прилегания после применения приспособления.

В исследовании использовались маски KN95 и хирургические, поскольку оба типа широко доступны и при правильной подгонке могут обеспечить высокую степень фильтрации. Маски KN95 обещают те же преимущества фильтрации, что и маски N95; однако, в отличие от масок N95, доступ общественности к маскам KN95 был менее ограничен пандемией COVID-19. В то время как маски KN95 обладают значительным фильтрующим потенциалом, их плохое прилегание сводит на нет потенциальную пользу этих масок. Хирургические маски широко используются и, если они изготовлены из соответствующих материалов, могут обеспечить очень высокую фильтрующую способность. Хирургические маски в этом исследовании были закреплены ушными петлями за ухом и также называются процедурными масками.

Было протестировано семь соответствующих лайфхаков, как показано на рисунке и описано ниже:

• Лента: края маски заклеены тканевой лентой. Были предприняты меры для прилегания ленты к лицу и герметизации любых зазоров между кожей и краем маски.
• Заполненные промежутки: для заполнения видимых промежутков в маске использовалась марля (заполнялись видимые промежутки между кожей и маской).
• Мумия: с помощью рулона марли для оказания первой помощи плотно привязывали маску к лицу, прижимая края маски к коже лица.
• Колготки: две марки колготок поочерёдно надевались на голову, чтобы прижать маску (метод, предложенный и испытанный Mueller et al).
• Завязывание ушных петель: чтобы большая маска подходила для меньшего лица, резинка ушной петли была завязана узлом. Этот метод привлек внимание средств массовой информации, когда дантист доктор Оливия Цуй опубликовала видео в TikTok.
• Резинки: в хаке, предложенном инженерами Apple, три резинки используются для создания «скобы»

Иллюстрация протестированных хаков с применением KN95 и хирургической маски на двух головах манекенов. Голова мужского манекена имеет размер головы среднего мужчины, а женский идентичен маленькой женской голове или голове подростка.

Были привлечены четыре испытуемых, чтобы определить, значительно ли различаются преимущества, полученные в результате применения приспособлений. Участники идентифицируются по полу и возрасту. Участник F-29 имел самый маленький размер головы с окружностью 54 см. Участники F-51 и F-18 имели окружность 55 см и 56 см соответственно. У М-20 самый большой размер головы (окружность 60 см).

Были протестированы все лайфхаки за двумя исключениями. Эти два исключения были результатом неспособности владельца применить приспособление. В одном случае участнику не удалось надеть маску KN95 с завязанными ушными повязками, так как регулировка привела к тому, что проволока маски терлась о болезненную рану. Другой участник не смог надеть колготки марки А на голову, так как они были слишком тугими и не соответствовали размеру головы участника. В этих двух случаях лайфхак не проверялся.

Для оценки надежности этих методов был проведён еще один эксперимент на одном участнике. Этот участник применил каждый метод пять раз, чтобы определить, повторяются ли изменения в посадке в результате метода, когда маска снимается и надевается.

Условия

Эксперименты проводились в помещении в чистой среде. Температура и относительная влажность не были точно измерены во время эксперимента, но оцениваются в пределах от 65 до 75 oF и 65% и 70% соответственно. Поскольку коэффициент соответствия рассчитывается путём сравнения относительных концентраций частиц внутри и снаружи маски, исследователи не ожидают, что это повлияет на результаты. Однако следует отметить, что количество частиц может меняться в зависимости от температуры и влажности.

Результаты исследования

Использование колготок, скотча и резинок было эффективным для большинства участников. Было замечено, что наиболее эффективным приспособлением является использование колготок в качестве верхнего слоя. Между участниками были отмечены высокие степени вариации. Тем не менее, среди участников были отмечены небольшие различия: «лайфхаки» обычно показывали одинаковую эффективность каждый раз, когда они использовались одним и тем же участником. Исследование показало, что индивидуальные черты лица, особенно переносица, могут оказывать значительное влияние на облегание.

Маски КН95

Как показано на рисунке ниже, использование колготок и лент было наиболее эффективным для улучшения посадки масок KN95, хотя между участниками наблюдались значительные различия. Использование колготок привело к улучшению прилегания масок KN95 в зависимости от бренда, со средним улучшением коэффициента прилегания на 27,7 для бренда A и только на 5 для бренда B. Использование ленты для герметизации краев маски KN95 значительно улучшило коэффициент прилегания, с средним улучшением 14,7. Использование марли для герметизации зазоров дало незначительное улучшение на 2,8, в то время как использование марли для крепления маски к лицу с помощью обматывания улучшило прилегание только на 1,6. Завязывание ушных повязок привело к среднему улучшению только на 0,8.

Лайфхаки, примененные к маскам KN95.
Серые части столбцов указывают на эффективность без применения приспособлений. Зелёные части столбцов указывают на степень улучшения. Красная часть полосы указывает на степень снижения эффективности.

Хирургические маски

Колготки и тканевая лента по краям маски значительно улучшили прилегание хирургических масок по краям. Колготки доказали свою эффективность в улучшении коэффициента прилегания хирургических масок со средним улучшением на 7,2 для бренда A и 4,9 для бренда B. Лента обеспечила аналогичное улучшение в среднем на 4,8. Наименее эффективными были использование резиновых лент со средним улучшением 2,5 и завязывания ушных лент со средним улучшением 2,5.

Подгоночные лайфхаки, применённые к хирургическим маскам.
Серые части столбцов указывают на эффективность без применения приспособлений. Зелёные части столбцов указывают на улучшение, достигнутое в результате применения приспособления. Красная часть полосы указывает на снижение эффективности из-за применения приспособления.

Воспроизводимость улучшений посадки

Результаты одного и того же лайфхака, применённого несколько раз к одному и тому же человеку, в большинстве случаев были очень стабильными. Исключением было применение колготок и тканевых лент к маскам KN95. В случае с лентой такая высокая степень вариации, вероятно, была связана с незначительными различиями в степени, в которой лента могла запечатать края маски. Как показали предыдущие исследования, даже небольшие зазоры сильно влияют на характеристики маски. Точно так же высокая степень вариации между применениями колготок может указывать на то, что приспособление может плотно прижать маску к лицу, но этот эффект не всегда достигается при каждом применении. Надеть колготки поверх маски было сложно, так как они были тугими. Иногда применение приспособления нарушало положение маски, так что она деформировалась или смещалась относительно центра. Изменения в прическе также повлияли на плотность прилегания колготок к маске, что является ключевым фактором, определяющим посадку. Точно так же посадка зависит от размера и типа используемых колготок. Кроме того, коэффициент соответствия не масштабируется линейно с эффективностью фильтрации, и при более высоких значениях коэффициента соответствия небольшие изменения эффективности фильтрации могут быть представлены как более значительные изменения коэффициента соответствия.

Один лайфхак, примененный пять раз к одному испытуемому, демонстрирует, насколько надёжным является применение лайфхака для улучшения коэффициента соответствия.

Выводы

«Лайфхаки» для улучшения облегания могут быть использованы для повышения эффективности хирургических масок и масок KN95, повышая защиту владельца. Однако многие из наиболее эффективных «приспособлений» очень неудобны и их вряд ли можно будет терпеть в течение длительного периода времени. Разработка эффективных решений по улучшению облегания остается критическим вопросом, требующим дальнейшего исследования.

За немногими исключениями, лайфхаки улучшили коэффициент прилегания как хирургических масок, так и масок KN95 для всех участников. Использование колготок и липкой ленты оказалось наиболее эффективным способом как для KN95, так и для хирургических масок, а использование резиновой ленты также показало некоторые перспективы для хирургических масок.

Преимущества каждого лайфхака сильно различались в зависимости от участника, иногда неожиданным образом. Например, ожидалось, что подходящие приспособления для уменьшения размера маски не принесут существенной пользы участникам с большими головами. Хотя это оказалось верным для хирургических масок, когда люди с двумя самыми маленькими головами получили наибольшую пользу, это не так для масок KN95.

Проверка однажды примененных лайфхаков показала, что отдельные черты лица могут оказывать существенное влияние на посадку. Например, визуальный осмотр приспособлений, примененных к участникам, показал, что переносица препятствовала тому, чтобы некоторые приспособления сгибались по бокам носа, что является более серьезной проблемой для людей с выступающими носами. Этот тип проблемы может помочь объяснить более низкую надежность лайфхака с колготками, потому что размещение колготок на переносице может создать зазор между подглазничной областью и вышележащей маской.

Многие лайфхаки не смогли исправить проблемы с посадкой в области переносицы.
Это касается людей с выдающимся носом и послужило примером одной черты лица, имеющей решающее значение для эффективности посадки.

Дискомфорт был проблемой многих лайфхаков. Наибольший дискомфорт был отмечен при использовании колготок и резинок. Было обнаружено, что резинка оказывает болезненное давление на уши и лицо, вплоть до того, что у некоторых участников нарушается кровообращение в ушах. Колготки вызывали высокий уровень дискомфорта, а также проблемы с речью и иногда затрудняли зрение. Сообщалось, что использование ленты было комфортным при ношении, но удаление ленты сопровождалось умеренным или сильным дискомфортом. Эти наблюдения показывают, что, хотя более плотное прилегание обеспечивает большую защиту, это может достигаться за счет комфорта пользователя.

Самым эффективным лайфхаком стало использование колготок. Надевание колготок поверх маски и головы оказалось эффективным способом улучшить посадку, хотя следует отметить, что марка используемых колготок оказывает значительное влияние на полученные преимущества. В эксперименте использовали большие размеры колготок брендов A и B. Использовалась вырезанная часть колготок в области бедра. Материал марки А оказался более плотным и менее эластичным. В целом это привело к улучшению, которое было в среднем примерно в два раза больше, чем у бренда B. Использование колготок привело к улучшению для всех тестировщиков, хотя один тестировщик не смог надеть колготки через голову. Надежность колготок при многократном надевании на одного испытуемого была разной.

Использование липкой ленты для герметизации краев маски было вторым наиболее эффективным методом. В случаях, когда данный метод показывал значительную эффективность, у испытуемых был помощник, который следил за тем, чтобы лента была правильно размещена и не оставалось просветов. Как тканевая лента будет герметизировать маску в течение более длительных периодов времени, неизвестно, поскольку ожидается, что пот или движение ухудшат герметичность всех лент, кроме самой гибкой. Как и ожидалось, надежность этого метода была разной, вероятно, из-за того, насколько точно была наложена лента и не ослабла ли лента в какой-либо области в любой момент во время тестирования.

Более высокие оценки соответствия были достигнуты, когда к маске KN95 были применены лайфхаки. Хотя маски KN95 обладают высокой эффективностью фильтрации, они часто плохо прилегают, и результаты показывают, что использование масок KN95 с приспособлениями для подгонки потенциально может обеспечить высокий уровень защиты. Один участник не смог надеть маску KN95 с завязанными ушными повязками. Другой участник не смог надеть через голову колготки одной марки без того, чтобы колготки не порвались. В этих двух случаях проблемный лайфхак не тестировался.

Выводы согласуются с выводами Clapp et al (2020), которые протестировали пять похожих способов, включая завязывание ушных петель и надевание нейлоновых чулок поверх маски. Нейлоновый верхний слой был их самым эффективным приспособлением. Но было отмечено, что, несмотря на то, что эти методы улучшали посадку маски, они не всегда были удобными или практичными для пользователя.

Максимальная защита, которую обеспечивает маска, в значительной степени зависит от улучшения прилегания. Результаты показывают, что существует потенциал для лайфхаков для улучшения посадки масок путём герметизации краев маски или более плотного прижатия масок к лицу. Мы бы рекомендовали, чтобы новые конструкции масок были сосредоточены на обеспечении плотности соприкосновения краёв маски с лицом.

Однако, хотя исследование действительно показывает, что лайфхаки могут быть эффективными, многое ещё предстоит сделать для создания комфортных, эффективных улучшений посадки. Многие из наиболее эффективных приспособлений были настолько неудобными, что в некоторых случаях были непригодны для использования. В целом, хотя мы обнаружили, что лайфаки в целом улучшили эффективность маски, трудно предсказать эффекты для конкретного человека или типа лица.

Мы надеемся, что эти результаты принесут пользу дизайнерам, чтобы они могли улучшить маски и устройства для подгонки масок, а также представителям общественности, стремящимся улучшить свои собственные маски. Все проверенные лайфхаки доступны для широкой публики. Поскольку медицинские работники обычно носят хирургические маски и маски KN95, эти результаты могут помочь им улучшить защиту. Дальнейшие исследовательские усилия должны быть направлены на подтверждение этих выводов, тестирование более широкого спектра приспособлений и расширение ассортимента протестированных масок, включая тканевые маски для лица.

Авторы исследования:

Eugenia O’Kelly (Department of Engineering, University of Cambridge, Cambridge, United Kingdom).
Anmol Arora (School of Clinical Medicine, University of Cambridge, Cambridge, United Kingdom).
Sophia Pirog (Feinberg School of Medicine, Northwestern University, Evanston, IL, United States of America).
Charlotte Pearson (Lundquist College of Business, University of Oregon, Eugene, OR, United States of America).
James Ward (Department of Engineering, University of Cambridge, Cambridge, United Kingdom).
P. John Clarkson (Department of Engineering, University of Cambridge, Cambridge, United Kingdom).

Напомним, что ранее Лоретта Фернандес,  доцент кафедры гражданского и экологического инжиниринга факультета морских и экологических наук Северо-Восточного университета в Бостоне (штат Массачусетс, США), выразила мнение, что с помощью колготок можно улучшить эффективность самодельных защитных масок.