Die tatsächliche Bakterienfiltrationseffizienz zur Bewertung des wirksamen Schutzes von Gesichtsmasken zur Vorbeugung von Atemwegserkrankungen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8997 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der tatsächliche Schutz, den Gesichtsmasken zur Kontrolle der Übertragung von Atemwegsviren bieten, ist noch ungeklärt. Die meisten Herstellungsvorschriften sowie wissenschaftliche Studien konzentrieren sich auf die Untersuchung der Filterkapazität der Stoffe, aus denen sie hergestellt sind, wobei die Luft, die durch die Gesichtsfehlstellungen entweicht und von der Atemfrequenz und dem Atemvolumen abhängt, außer Acht gelassen wird. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, eine tatsächliche Bakterienfiltrationseffizienz für jeden Gesichtsmaskentyp zu definieren und dabei die Bakterienfiltrationseffizienz der Hersteller und die Luft, die durch sie strömt, zu berücksichtigen. Neun verschiedene Gesichtsmasken wurden an einer Schaufensterpuppe mit drei Gasanalysatoren (zur Messung von Einlass-, Auslass- und Leckvolumina) in einer Box aus Polymethylmethacrylat getestet. Zusätzlich wurde der Differenzdruck gemessen, um den Widerstand zu ermitteln, den die Gesichtsmasken beim Ein- und Ausatmen bieten. Mit einer manuellen Spritze wurde 180 Sekunden lang Luft eingeführt, um Ein- und Ausatmungen im Ruhezustand sowie bei leichten, mäßigen und starken Aktivitäten (jeweils 10, 60, 80 und 120 l/min) zu simulieren. Die statistische Analyse ergab, dass praktisch die Hälfte der in das System eintretenden Luft nicht in allen Intensitäten von den Gesichtsmasken gefiltert wird (p < 0,001, ηp2 = 0,971). Sie zeigten auch, dass die Hygiene-Gesichtsmasken mehr als 70 % der Luft filtern und ihre Filterung nicht von der simulierten Intensität abhängt, während die übrigen Gesichtsmasken eine offensichtlich unterschiedliche Reaktion zeigen, die von der Menge der mobilisierten Luft beeinflusst wird. Daher kann die tatsächliche Bakterienfiltrationseffizienz als Modulation der Bakterienfiltrationseffizienz berechnet werden, die vom Typ der Gesichtsmaske abhängt. Die tatsächliche Filterkapazität der Gesichtsmasken wurde in den letzten Jahren überschätzt, da die Filterung der Stoffe nicht die tatsächliche Filterung beim Tragen der Gesichtsmaske ist.

Die Verwendung von Gesichtsmasken ist neben sozialer Distanzierung und Händehygiene eine der am häufigsten eingesetzten nicht-pharmakologischen Maßnahmen aller Gesundheitspolitiker weltweit, um die Übertragung aller Arten von Viren zu reduzieren1. Diese Übertragung erfolgt hauptsächlich über Mund, Nase oder Augen über Atemtröpfchen, Aerosole oder Fomiten2,3, wie z. B. das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2), das die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) verursacht, die zu Infektionen führt mehr als 512 Millionen Menschen4,5.

Daher werden Gesichtsmasken von globalen Gesundheitsbehörden und Ländern auf der ganzen Welt verwendet, um das Risiko zu minimieren, dass Atemtröpfchen die Nasen- oder Mundschleimhäute anderer erreichen6, obwohl ihre Empfehlungen unterschiedlich sind7. Tatsächlich räumt die Weltgesundheitsorganisation ein, dass es keine Beweise dafür gibt, dass das Tragen einer Gesichtsmaske gesunde Menschen vor SARS-CoV-2 schützt, wie dies kürzlich in einer randomisierten klinischen Studie nachgewiesen wurde1,8, insbesondere bei Vergleichen zwischen N95 und medizinischen Masken zeigen keinen statistischen Unterschied bei der Übertragung von Virusinfektionen9. Darüber hinaus hat das Tragen einer medizinischen Maske durch gesunde Personen keine Hinweise darauf ergeben, dass die Übertragung von Krankheiten in Haushalten mit SARS-CoV-2-Einwohnern verringert wird10. Darüber hinaus wurden in spezifischen Studien Beschäftigte im Gesundheitswesen mit und ohne Maske verglichen und dabei keine statistisch signifikante Verringerung der Ausbreitung von Atemwegsviren festgestellt11,12.

Es wird davon ausgegangen, dass die Verringerung der Freisetzung von Viren durch infizierte Personen in die Umwelt der Mechanismus zur Eindämmung der Übertragung in Gemeinden sein kann, in denen die Verwendung von Gesichtsmasken üblich oder obligatorisch ist, vorausgesetzt, dass die physikalischen Eigenschaften ihrer Materialien eine ordnungsgemäße Luftfiltration gemäß UNE 0065 gewährleisten: 2021, UNE-EN 14683:2019 + AC:2019, UNE-CWA 17553:2020 oder UNE-EN 1827:1999 + A1:2010; und seine Gesichtsanpassung ist für jeden Einzelnen geeignet, um die Wahrscheinlichkeit eines Austritts ungefilterter Luft zu verringern. Die meisten Studien, die sich mit der Filtrationseffizienz befassten, untersuchten die Fähigkeit verschiedener Schichten von Atemschutzmasken, Partikel, Bakterien, Viren und NaCl zu filtern2,3,13. Andere wiederum stützten sich auf den Unter- oder Überdruck, um zu untersuchen, wie gut die Maske oder das Atemschutzgerät an ein einzelnes Gesichtsteil passt3,5. In mehreren Studien wurde der Maskensitz quantifiziert, indem gleichzeitig die Partikelkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Maske sekundenweise mit linearen Regressionsmodellen gemessen wurden4,7, ohne die Menge an Partikeln zu bestimmen, die vom Gewebe gefiltert werden oder durch verschiedene Gesichtsfehlanpassungen austreten der Maske. Es gibt bereits Präzedenzfälle für die Untersuchung von Luftleckagen in Gesichtsmasken1,4. Ziel dieser Arbeit war jedoch nicht die Analyse dieser Lecks, sondern vielmehr die Leistung von vier Lüftern eines Pneumotachographen, gekoppelt an einen Differenzdruckwandler14. Derzeit ist der von Fortest (https://www.fortest.es/es/productos/c/gama-t/p/t9731) vertriebene Durchflusstester für UNE-EN 14683 High Level mit Luftdurchflussmessern und einem ausgestattet Doppeldifferenzdruckmanometer, führt Auswertungen gemäß der Norm UNE-EN 14683 durch, ohne die Luftleckage zu quantifizieren. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde eine neue Technik zur Erzielung der Filtereigenschaften von Gesichtsmaskenstoffen mithilfe von Ultraschallwellen ermittelt15. Im Hinblick auf Leckagen gibt es zwar eine Studie aus dem Jahr 2010, die Interesse an der Messung von Leckagen zeigte14, doch gibt es in der Literatur keine Studie, die eine Methodik zur Messung möglicher Leckagen durch ein validiertes Verfahren vorschlägt und die heute am häufigsten verwendeten Arten von Gesichtsmasken vergleicht. Daher kennen wir immer noch nicht den tatsächlichen Schutzkoeffizienten, den jede Gesichtsmaske bietet, da sich die Standards auf die Bewertung der Filterkapazität jedes Materials beschränken und die Luft, die austritt und nicht gefiltert wird, ignorieren, was die Hypothese aufkommen lässt, dass wir möglicherweise nicht gut messen die Schutzkapazität von Gesichtsmasken weltweit und dass die Design- und Herstellungsstandards überdacht werden sollten. Daher bestand das Ziel dieser Arbeit darin, eine echte Bakterienfiltrationseffizienz für jeden Gesichtsmaskentyp zu ermitteln und dabei die Bakterienfiltrationseffizienz der Hersteller und die Luft, die durch jeden Gesichtsmaskentyp strömt, für eine breite Palette weltweit erhältlicher Gesichtsmasken zu berücksichtigen Bevölkerung.

Die vorliegende Studie simuliert das Atemmustermodell, das in verschiedenen Situationen des täglichen Lebens des Menschen auftritt, unter Ruhebedingungen und mit fortschreitender Steigerung der Intensität körperlicher Aktivität. Wir haben ein Crossover-Design verwendet, bei dem jede Gesichtsmaske fünf Mal hintereinander getestet wurde, wobei zwischen den Tests eine Pause von fünf Minuten eingelegt wurde und alle Umgebungsdaten wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und CO2 der Umgebung aufgezeichnet wurden.

Für die Studie wurde eine 3 mm dicke Polymethylmethacrylat-Box mit den Maßen 320 × 300 × 300 mm (Höhe × Länge × Breite) entworfen und verwendet. Darin wurden drei radiöse Öffnungen von 30 mm angebracht, um in jeder von ihnen einen Volumensensor eines Gasanalysators anzubringen. Zur Messung der analysierten Atemmustervariablen wurden drei Gasanalysatoren verwendet: der Jäeger Oxycon Mobile® (Jäger, Würzburg, Deutschland), der im „Lufteingang“ direkt hinter der Kalibrierpumpe platziert wurde (Analysator 1 siehe Abb. 1), und den „Lufteintrag“ in das System gemessen (AIRin); der Jäeger Oxycon Pro® (Jäger, Würzburg, Deutschland), der am vorderen „Luftausgang“ der Gesichtsmaske platziert wurde (Analysator 2) und die von der Maske gefilterte Luft maß (AIRfil); und schließlich der Vyntus CPX (Vyaire, Mettawa, Illinois, USA) oben in der Box, der die nicht gefilterte Luft sammelte (AIRunf) (Analysator 3). Die bei der Belüftungsmessung der drei in Reihe hinter der Kalibrierungspumpe platzierten Analysegeräte ermittelte Zuverlässigkeit ergab einen klasseninternen Korrelationskoeffizienten von R = 0,999 mit p < 0,001, einen Standardfehler von 1,09 l/min und einen prozentualen Fehler von 2,1 % (siehe Ergänzung). Daten).

Entwurf des Protokolls und der Messausrüstung sowie Einzelheiten des Verfahrens zur Sammlung gefilterter Luft.

Die Luftdruckmessung wurde mit einem digitalen Druckmanometer MAN-37 (Kowloon, Hongkong) mit Differenzdruckmesser (Analysator 4, siehe Abb. 1) durchgeführt, der den Export der Druckdaten in eine Textdatei mit einer Abtastfrequenz ermöglichte von 1 Hz.

Wir haben neun verschiedene Gesichtsmasken von sieben verschiedenen Herstellern getestet. Die Beschreibung der Gesichtsmasken und die verfügbaren Informationen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Im Allgemeinen bestanden Gesichtsmasken aus zwei äußeren und sehr dünnen Schichten und dazwischen ein bis drei inneren Schichten. Ein beobachteter Unterschied besteht darin, dass wiederverwendbare Gesichtsmasken dehnbar sind. Daher ist davon auszugehen, dass jede Dehnung der Ohrschlaufen (entweder während des Gebrauchs oder während des Tests) die Eigenschaften der Gesichtsmaske beeinträchtigen kann. Um dies zu vermeiden, wurde während der Tests versucht, den Grad der Anpassung der Gesichtsmasken an die Gesichtsoberfläche zu maximieren.

Jede Maske wurde mit einer 0,1 mm dicken Plastikfolie und einem doppelseitigen 3M-Klebeband mit hoher Haftung abgedeckt, was zu einer Kanüle mit 30 mm Durchmesser führte, durch die die gesamte von der Maske gefilterte Luft gesammelt wurde (siehe Abb. 1). Die 30-mm-Kanüle wurde am Austrittsloch positioniert. Im Zusatzmaterial können die Ergebnisse der Durchführung von fünf Messungen ohne Wechsel dieser Umhüllung im Vergleich zu jedem Wechsel der Umhüllung beobachtet werden.

Vor jedem Versuch wurde die Einstellung der Gesichtsmaske und aller Messelemente überprüft und die Umgebungsbedingungen notiert. Das Protokoll wurde mit der Simulation der Beatmung in Ruhe für 60 s (~ 10 l/min)16 gestartet. Ohne Pausen zwischen den einzelnen Phasen begann die nächste Phase mit einer Pumpleistung von etwa 30 l/min, die sogenannte „Aufwärmphase“ mit einer Dauer von 30 s. In den nächsten drei Phasen („leichtes, mittleres und hochintensives Training“) wurden jeweils 60, 80 und 120 l/min Luft mit einer Dauer von jeweils 30 s gepumpt. Daher betrug die Gesamtdauer des Protokolls 180 s (siehe Abb. 1). Insgesamt wurden 45 Experimente durchgeführt.

Die Daten jedes Analysegeräts [Beatmung (l/min), Atemzugvolumen (inspiratorisch/exspiratorisch) (l), Zeit (inspiratorisch/exspiratorisch) (s) und Atemfrequenz (Hz)] wurden Atemzug für Atemzug exportiert und in separaten Dateien gespeichert . Druckdaten von jedem Embolus der Spritze wurden jede Sekunde (1 Hz) vom Manometer exportiert. Davon wurden absolute Werte über dem Median als Exspirationswerte betrachtet, während negative Inspirationswerte unter dem Median als Exspirationswerte betrachtet wurden. Anschließend wurden die Daten des Gasanalysators und des Manometers zur weiteren Analyse in einer einzigen Datenbank zusammengefasst.

Die Bakterienfiltrationseffizienz (BFE) wurde anhand der technischen Spezifikationen jedes Gesichtsmaskenherstellers ermittelt. Um jedoch die tatsächliche bakterielle Filtrationseffizienz (RBFE) jeder Gesichtsmaske zu berechnen, muss die BFE um die tatsächlich gefilterte Luft jeder Gesichtsmaske korrigiert werden (siehe Gleichung 1).

wobei α der als lineare Regression erhaltene Korrekturkoeffizient ist (siehe Tabelle 4 der „Ergebnisse“).

Die prozentuale Menge der von jeder Gesichtsmaske gefilterten Luft (Abb. 3) wurde als Anteil der „Einlassluft“ geteilt durch die „Auslassluft“ multipliziert mit 100 berechnet.

Alle Werte werden als Mittelwert ± Standardabweichung für Tabellen und Mittelwert ± Standardfehler des Mittelwerts (SEM) für Abbildungen ausgedrückt. Eine Drei-Wege-ANOVA für wiederholte Messungen (5 × 3 × 9) wurde durchgeführt, um die Wirkung der fünf Trainingsphasen (Ruhe, Aufwärmen, leichtes Training, mäßiges Training und hohes Training) mithilfe von drei Analysegeräten (AIRin, AIRfil, AIRunf) und neun Arten von Gesichtsmasken (Surgical_1 (MVT), Surgical_2 (Radex), Hygienic_1 (Emotion), Hygienic_2 (Elite), Hygienic_3 (LifeStyle), FFP2_Aura, FFP2_Palens, FFP2_Biofield, FFP3_MC002) in der Beatmung, Atemzugvolumen (inspiriert). /abgelaufen), Zeit (inspiratorisch/exspiratorisch) und Atemfrequenz.

Eine dreifache ANOVA für wiederholte Messungen (5 × 2 × 2) wurde durchgeführt, um die Wirkung der fünf Trainingsphasen (Ruhe, Aufwärmen, leichtes Training, mäßiges Training und hohes Training) und zwei Atemphasen (inspiriert/ausgeatmet) zu analysieren Luft) und zwei Analysatoren (AIRin, AIRfil) für die Tidalvolumenvariable. In ähnlicher Weise wurde eine Drei-Wege-ANOVA für wiederholte Messungen (5 × 2 × 4) durchgeführt, um die Wirkung der fünf Trainingsphasen (Ruhe, Aufwärmen, leichtes Training, mäßiges Training und starkes Training), zwei Atemphasen ( Ein-/Ausatemluft und vier Maskentypen (FFP2, FFP3, Hygiene und Chirurgie) in den Druckvariablen.

Um die Auswirkung eines Wechsels des die Maske abdeckenden Kunststoffs bei jeder Gelegenheit zu analysieren, wurden die Beatmungen der fünf Versuche mit der Emotion-Gesichtsmaske ohne Austausch des Kunststoffs mit den fünf Versuchen verglichen, bei denen der Kunststoff bei jeder Gelegenheit gewechselt wurde, wobei ein T-Student für die unabhängige Untersuchung verwendet wurde Proben.

Der Mauchly-Sphärizitätstest wurde durchgeführt, um zu bewerten, ob die Sphärizitätsannahme der Varianzen verletzt wurde. In diesem Fall wurde die Huynh-Feldt-Korrektur angewendet. Es wurden Post-hoc-Tests von Bonferroni durchgeführt, bei denen signifikante Unterschiede bei allen analysierten Faktoren festgestellt wurden.

Der klasseninterne Korrelationskoeffizient wurde zur Schätzung der Zuverlässigkeit der Belüftungsmessung der drei in Reihe hinter der Kalibrierungspumpe angeordneten Analysatoren verwendet.

Es wurde eine schrittweise lineare Regressionsanalyse durchgeführt, wobei die abhängige Variable gefilterte Luft und die unabhängigen Variablen alle Variablen des vorgeschlagenen Atmungsmodells in allen Intensitäten (Einlassluftvolumen, Auslassluftvolumen, Atemzeiten, Drücke usw.) waren.

Die Effektgröße (ES) wurde durch partielles Eta-Quadrat (ηp2) und unter Berücksichtigung von Effekten > 0,2 klein, > 0,5 mittel und > 0,8 groß geschätzt. Die Daten wurden mit der SPSS Statistic-Software, Version 26.0 für Windows (IBM Corporation; Armonk, New York) analysiert. Das Signifikanzniveau wurde auf p < 0,05 festgelegt.

Bei der gemeinsamen Analyse aller Gesichtsmasken konnte beobachtet werden, dass es für alle im Atemmustermodell untersuchten Variablen eine doppelte Interaktion zwischen der Phase des Protokolls und dem Analysator gab, wenn auch nicht für alle Variablen gleich (siehe Tabelle 2). In diesem Sinne zeigte die Belüftung in allen Intensitäten eine Wechselwirkung zwischen diesen beiden Faktoren (F(5,3) = 1,208, p < 0,001, ηp2 = 0,971), was zeigt, dass fast die Hälfte der in das System eintretenden Luft nicht durch gefiltert wird Gesichtsmasken.

Bei der Analyse der Auswirkung des Wechsels der Plastikfolie, die die Gesichtsmaske abdeckt, bei jeder Messung im Vergleich zur Durchführung der fünf Messungen mit demselben Kunststoff für die wiederverwendbare (Emotion) Gesichtsmaske „Hygienic_1“ wurden bei keinem der drei Analysegeräte (AIRin, AIRfil) signifikante Unterschiede festgestellt , AIRunf ) (siehe Ergänzende Daten).

Das Atemzugvolumen, sowohl inspiratorisch (F(5,3) = 840, p < 0,001, ηp2 = 0,959) als auch exspiratorisch (F(5,3) = 784, p < 0,001, ηp2 = 0,956), zeigte eine ähnliche Reaktion auf die menschliche Beatmung . Eine Drei-Wege-Interaktion wurde in der Tidalvolumen-spezifischen Varianzanalyse gefunden, bei der die fünf Intensitäten „Lufteinlass“ und „Auslassluft“ sowie inspiratorische und exspiratorische Tidalvolumina verglichen wurden (F(5,2,2) = 85,9, p < 0,001, ηp2 = 0,494) (siehe Abb. 2).

Atemzugvolumen, Vergleich der fünf Intensitäten, der Maskenein- und -austrittsluft (AIRin vs. AIRfil) sowie der inspiratorischen und exspiratorischen Atemzugvolumina aller Masken zusammen. *Signifikante Unterschiede zwischen inspiratorischen und exspiratorischen Werten (p < 0,05), **signifikante Unterschiede zwischen inspiratorischen und exspiratorischen Werten (p < 0,001).

Allerdings zeigten die Variablen, die sich auf die Atemzeiten beziehen, eine andere Reaktion als die Volumenvariablen. Sowohl die Inspirationszeit (F(5,3) = 68, p < 0,001, ηp2 = 0,654) als auch die Exspirationszeit (F(5,3) = 60, p < 0,001, ηp2 = 0,625) zeigten größere Unterschiede in den Phasen, in denen die Intensität herrschte ist geringer und verschwindet tendenziell, wenn die Intensität der Phasen zunimmt.

Die Gesamtbeatmungszeit (F(5,3) = 65, p < 0,001, ηp2 = 0,643) und die Atemfrequenz (F(5,3) = 43, p < 0,001, ηp2 = 0,544) zeigten eine sehr ähnliche Reaktion, seit 1 ist das Gegenteil des anderen. Diese Reaktion verschwindet jedoch tendenziell mit zunehmender Phasenintensität.

Insbesondere bei der Analyse der Belüftung und damit der gefilterten oder nicht gefilterten Luft in Bezug auf den Typ der Gesichtsmaske kann festgestellt werden, dass nicht alle Gesichtsmasken gleich reagieren. Es wurde eine dreifache Wechselwirkung zwischen den Faktoren Intensitätsphase, Analysator und Art der Gesichtsmaske für die Beatmung gefunden (F(5,3,8) = 108, p < 0,001, ηp2 = 0,960), die sich in Abb. 3 widerspiegelt. Es zeigt, dass die Hygiene-Gesichtsmasken filterten mehr als 70 % der Luft, und ihre Filterung war nicht von der Intensität abhängig, während die übrigen Gesichtsmasken eine offensichtlich unterschiedliche Reaktion zeigten. Tabelle 3 zeigt, dass, wenn wir drei Gruppen von Gesichtsmasken (chirurgisch, hygienisch und FFP) vergleichen, die hygienischen Gesichtsmasken diejenigen waren, die die meiste Luft filterten (78,5 ± 0,7 %), unabhängig von der Intensität der Übung (Abb. 3), während die anderen Gesichtsmasken von der Menge der mobilisierten Luft beeinflusst wurden. Nach den Hygienemasken war die FFP2-Biofield-Maske die Gesichtsmaske, die die meiste Luft filterte. Im Ruhezustand filterte das FFP2-Biofeld etwa 48,5 ± 0,8 %, während es bei hoher Intensität nicht mehr als 30,4 ± 0,8 % filterte (siehe Abb. 3).

Verhältnis der von jeder Gesichtsmaske gefilterten Luft (Luftausstoß/Lufteinlass × 100) in Bezug auf die von der Pumpe bei unterschiedlichen Intensitäten des Protokolls eingeführte Luft. Die Punkte geben den Mittelwert für jede Gesichtsmaske an und die Balken den statistischen Fehler des Mittelwerts.

Abbildung 3 zeigt Unterschiede in der gefilterten Luft zwischen chirurgischen Gesichtsmasken und den übrigen analysierten Gesichtsmasken (p < 0,001), mit Ausnahme von FFP3_MC002. Die hygienischen Gesichtsmasken zeigten keine Unterschiede in der gefilterten Luft zwischen ihnen, aber bei allen anderen (p < 0,001). Es lässt sich auch beobachten, dass die Reaktion der FFP3-MC002-Maske der der chirurgischen ähnlicher war als die der FFP2-Gesichtsmasken. FFP3 MC002 zeigte keinen statistischen Unterschied zur chirurgischen Gesichtsmaske, während es Unterschiede zu allen anderen zeigte (p < 0,001). Darüber hinaus filterten die FFP2-Gesichtsmasken bei allen eine sehr ähnliche Luftmenge, wobei es zwischen den drei analysierten Modellen keine Unterschiede gab.

Die Analyse der Drücke ist in Abb. 4 dargestellt. Es wurde eine Interaktion zwischen den Faktoren Phase (Intensität), Atemphase (Inspiration/Exspiration) und Art der Gesichtsmaske gefunden (F(5,2,8) = 18, p < 0,001). , ηp2 = 0,539). Bei allen Intensitäten ist zu beobachten, dass der Druck in der Inspirationsphase höher war als in der Exspirationsphase. Die Reaktion ist jedoch nicht proportional, sondern exponentiell.

Inspiratorischer und exspiratorischer Druck nach Trainingsintensität, zur Unterscheidung wird der Medianwert verwendet. Nachfolgend die Inspirations- und Exspirationszeit(en) für jede Phase. Die Punkte geben den Mittelwert für jede Gesichtsmaskengruppe an und die Fehlerbalken 95 % IC mit statistischem Fehler des Mittelwerts. (a) Signifikante Unterschiede zu Hygienic (Emotion. Elite. LifeSytle) p < 0,001; (b) Signifikante Unterschiede mit Surgical und FFP2 p < 0,001.

Es ist auch zu beobachten, dass die Hygienemasken den für die Filterung der Luft notwendigen Druck kaum erhöhten. Im Gegenteil, bei den übrigen Gesichtsmasken steigt der Druck. Ähnliche Werte wurden für die chirurgischen und die FFP2-Gesichtsmasken gefunden. Schließlich bot die FFP3-Maske sowohl beim Ein- als auch beim Ausatmen einen viel größeren Widerstand gegen den Luftstrom (siehe Abb. 4).

Tabelle 4 zeigt die relevantesten Ergebnisse der schrittweisen linearen Regressionsanalyse, die es uns ermöglichte, den α-Wert zu berechnen. Diese Tabelle zeigt, dass fast alle Gesichtsmasken 30 % der gefilterten Luft, die durch sie strömt, nicht erreichen, während hygienische Gesichtsmasken 74,7 % dieser Luft filtern.

Wie aus den berichteten Experimenten hervorgeht, lässt keine der untersuchten Gesichtsmasken beim Tragen 100 % der eingeatmeten oder ausgeatmeten Luft durch ihr Filtermaterial passieren. Darüber hinaus hängt die Luft, die durch die Gesichtsmaske strömt, stark vom Inspirations-/Exspirationsfluss und dem Typ der Gesichtsmaske ab. Daher kann die Filterkapazität der Gesichtsmaske nicht nur direkt durch die Filterkapazität des Materials bestimmt werden, aus dem sie besteht, sondern auch durch den tatsächlichen Filterkoeffizienten.

In Übereinstimmung mit unserer Arbeit zeigte eine frühere Studie17 auch große Unterschiede zwischen Gesichtsmasken: 98,5 ± 0,4 % bei der angepassten Filtrationseffizienz (FFE) für die 3M1860N95-Gesichtsmaske und 71,5 ± 5,5 % bei der angepassten Filtrationseffizienz (FFE) für die chirurgische Gesichtsmaske mit Riemenverstellung und bis zu einem Wert von 38,1 ± 11,4 % bei der angepassten Filtrationseffizienz (FFE) für die chirurgische Gesichtsmaske mit Gummibändern an den Ohren.

Frühere Versuche zur Analyse der Luft, die durch die Gesichtsmaske strömt, lassen sich jedoch typischerweise in zwei spezifische Bereiche einteilen: qualitative Methoden, wie die Fähigkeit, verschiedene Chemikalien anhand des Geruchs zu erkennen18; und quantitative Methoden, die die Partikel analysieren, die aufgrund der Nichtübereinstimmung durch die Gesichtsmasken gelangen17,19. Diese Systeme messen den Schutz jedoch nur bei Inspiration, da sie den Eintritt von Partikeln messen, nicht jedoch den Austritt. Nichtsdestotrotz erfolgt die Analyse der Filterfähigkeiten der Materialien, einschließlich der Passform der Gesichtsmaske am Gesicht, in den meisten Studien unter Ruhebedingungen20 oder sehr leichter körperlicher Aktivität17,18,21. Daher können sie nicht auf intensivere Situationen übertragen werden. Die natürlichen Luftströme, die beim Atmen oder Sprechen entstehen, liegen zwischen 0,2 und 0,4 l/min. Dies würde zu Ventilationen von 12 bis 24 l/min führen, wobei unsere Daten innerhalb dieser natürlichen Ventilationsbereiche beim Menschen liegen20.

Um dieses Problem zu lösen, wurde in diesem Manuskript die Real Bacterial Filtering Efficiency (RBFE) erstellt, die eine korrekte Umfangsanpassung voraussetzt. Diese Anpassung könnte eine Einschränkung der Studie darstellen, da das Gewicht des schützenden Kunststoffs oder sogar die Luftumlenkung die Messung beeinflussen könnten20. Der RBFE liefert einen Korrekturfaktor für Gesichtsmasken, wobei das Material einer der wichtigsten Aspekte ist, die bei der Korrektur berücksichtigt werden müssen, nicht nur wegen seiner Filterfähigkeit, sondern auch wegen seiner Anpassungsmöglichkeiten. Wenn eine falsche Umfangsanpassung vorgenommen wird, verringert sich der Prozentsatz der Luft, die von einer Gesichtsmaske gefiltert wird, drastisch. Das RBFE wurde auf der Grundlage von 45 Experimenten erarbeitet, die an einer realistischen Schaufensterpuppe mit menschlichem Gesicht durchgeführt wurden. Es gibt jedoch einige Unterschiede, die berücksichtigt werden sollten. Die Schaufensterpuppe ist steifer als ein echtes menschliches Gesicht und erzeugt keine Gesichtsbewegungen, wodurch die Gesichtsmasken schwieriger zu konditionieren sind, aber weniger anfällig für Elastizitätsunterschiede sind. Dennoch ermöglichen die Ergebnisse aufgrund des befolgten Protokolls einen zuverlässigen Vergleich zwischen verschiedenen Gesichtsmaskentypen. Andererseits könnte die Einbeziehung von Experimenten, bei denen die Partikel- oder Bakterienfiltration analysiert werden kann, entscheidend sein, um die tatsächliche Filtration der Masken und nicht die des Stoffes, aus dem sie hergestellt sind, zu klären.

In der Inspirationsphase sind die absoluten Druckwerte höher als in der Exspirationsphase. Dies wurde bereits zuvor beschrieben22 und deutet darauf hin, dass der Druck, den die Ventilationsmuskulatur erzeugen muss, in der Inspirationsphase nicht derselbe ist wie in der Exspirationsphase. Dieser Umstand schränkt nicht die Arbeitsleistung ein, sondern die Arbeitszeit, die eine Person leisten kann23. Dieser höhere Inspirationsdruck kann dadurch erklärt werden, dass die Gesichtsmaske während der Inspiration stärker an der Gesichtsoberfläche haftet und das Volumen der gefilterten Luft in der Inspirationsphase größer ist als in der Exspirationsphase. Dies hat eine wichtige praktische Konsequenz, da die eingeatmete Luft stärker gefiltert wird als die ausgeatmete Luft. Dies wird in Abb. 2 veranschaulicht, wo die Inspirations- und Exspirationsvolumina unterschiedlich sind und dieser Unterschied mit der Intensität der Anstrengung zunimmt24,25.

In jedem Fall hängen die erzeugten Drücke in hohem Maße von der verwendeten Gesichtsmaske ab. Die hygienischen Modelle erzeugen kaum einen Druckanstieg, möglicherweise aufgrund der Eigenschaften ihres Stoffes (hohe Atmungsaktivität). Die chirurgischen haben einen erheblichen Einfluss auf den Druckanstieg, ebenso wie die FFP2. Darüber hinaus erhöhen FFP3-Gesichtsmasken den Widerstand gegen den Luftstrom, ohne die Menge der gefilterten Luft zu erhöhen. Dies stimmt mit früheren Studien26 überein, die besagen, dass der Druck während der Inspiration ansteigt und dass in dieser Phase normalerweise ein Anstieg des Widerstands gegen den Luftdurchgang auftritt.

Es darf jedoch nicht vergessen werden, dass zur korrekten Messung der Eigenschaften einer Gesichtsmaske der Widerstand gegen den Durchgang von Flüssigkeiten, die Entflammbarkeit, die Atmungsaktivität, die Bakterienfiltration und die Partikelfiltration gemessen werden müssen18, da große Unterschiede in der Atmungsaktivität je nach Intensität festgestellt wurden körperliche Anstrengung24,25. Tatsächlich wird mit zunehmender Intensität die Atemreserve beeinträchtigt27, und dies könnte Auswirkungen auf die maximale Trainingszeit haben, die durchgeführt werden kann24.

Die getesteten Hygienemasken weisen statistische Unterschiede zu den übrigen getesteten Gesichtsmasken auf. Dieser Befund steht im Einklang mit früheren Arbeiten zu seiner Dichte und Dicke15. Das bedeutet, dass bei niedrigen Luftströmen, Ruhe und Aufwärmen die Inspirations- und Exspirationszeiten unterschiedlich sind, sich aber mit zunehmender Intensität annähern. Wenn der Luftstrom niedrig ist und nicht genügend Luft vorhanden ist, um von der Gesichtsmaske gefiltert zu werden, bewegt sich der Ausgangssensor mit einer niedrigen Geschwindigkeit und daher erzeugen die Diskretisierungszeiten kleine Artefakte. Dieser Effekt verschwindet, wenn der Durchfluss zunimmt.

Im Allgemeinen zeigen die Variablen, die sich auf den Durchfluss beziehen, die Filterkapazität jedes Gesichtsmaskentyps, und die Zeitvariablen sind tendenziell stabil und weisen keine Unterschiede zwischen den Analysatoren auf. Es ist jedoch zu beachten, dass bei niedrigen Luftströmungsraten die zeitlichen Variablen der gefilterten und ungefilterten Luft weniger genau sind. Dies tritt auch dann auf, wenn die Gesichtsmaske einen hohen Widerstand gegen die Luftfiltration bietet und die Luftmengen gering sind.

Die bakterielle Filtrationseffizienz der in dieser Studie analysierten Gesichtsmasken zur Vorbeugung von Atemwegsviren wird durchweg überschätzt, da die Filterung des Gewebes nicht mit der der Gesichtsmaske im Gebrauch übereinstimmt. Andererseits hängt diese tatsächliche Filterung davon ab, ob die Luft eingeatmet oder ausgeatmet wird, und vom Druck, der zum Durchatmen erforderlich ist, und hat keinen Bezug zum tatsächlichen Schutz der Gesichtsmasken. Darüber hinaus hängt die tatsächliche Filterung von der Art der Atmung ab und ist in Ruhe oder unter Belastung sehr unterschiedlich. Daher zeigen unsere Ergebnisse, dass die tatsächliche Bakterienfiltrationseffizienz von Gesichtsmasken deutlich unter den Angaben der Hersteller in ihren Spezifikationen liegt. Wie bereits erwähnt, haben sich im gesamten Dokument nur sehr wenige Studien mit der tatsächlichen Bakterienfiltrationseffizienz verschiedener auf dem Markt erhältlicher Gesichtsmasken befasst. Obwohl die neuesten Metaanalysen den Nutzen von Gesichtsmasken als Schutz vor Atemwegsviren belegen21, sollten die in diesem Manuskript präsentierten Ergebnisse ein Ausgangspunkt sein, um die zuständigen Behörden zu zwingen, die aktuellen Filterstandards für Gesichtsmasken zu überprüfen und gegebenenfalls zu ändern.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Studie wurde von Texcon y Calidad finanziert.

LFE-Forschungsgruppe, Abteilung für Gesundheit und menschliche Leistungsfähigkeit, Fakultät für körperliche Aktivität und Sportwissenschaft, Universidad Politécnica de Madrid, 28040, Madrid, Spanien

Pedro J. Benito und Miguel A. Rojo-Tirado

ETSI Telecommunications, Polytechnische Universität Madrid, Av. Complutense 30, 28040, Madrid, Spanien

Alvaro Gutierrez

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Alle Autoren haben zur Konzeption und Gestaltung der Studie beigetragen. Die Materialvorbereitung, Datenerfassung und Analyse wurden von PJB, Á.G. und MAR durchgeführt. Der erste Entwurf des Manuskripts wurde von PJB verfasst und alle Autoren kommentierten frühere Versionen des Manuskripts. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt. Im Einzelnen ist die Verteilung des Beitrags wie folgt: Konzeptualisierung, PJB; Methodik, PJB, MAR, AG; Validierung, PJB und MAR; formale Analyse, PJB; Untersuchung, Ressourcen, Datenkuration, PJB; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, PJB, MAR, AG; Schreiben – Rezension und Bearbeitung, PJB, MAR, AG; Visualisierung, PJB; Aufsicht, PJB und MAR; Projektverwaltung, MAR; Finanzierungseinwerbung, PJB Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und sind damit einverstanden.

Korrespondenz mit Pedro J. Benito.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Benito, PJ, Gutiérrez, Á. & Rojo-Tirado, MA Die tatsächliche Bakterienfiltrationseffizienz zur Bewertung des wirksamen Schutzes von Gesichtsmasken zur Vorbeugung von Atemwegserkrankungen. Sci Rep 13, 8997 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35071-1

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Eingegangen: 12. Januar 2023

Angenommen: 12. Mai 2023

Veröffentlicht: 05. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35071-1

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