PCO助力抗COVID-19三：口罩防范COIVD-19病患气雾感染的研究
2026-07-15 来源:本站 点击次数:32Fundamental protective mechanisms of face masks against droplet infections
口罩对飞沫感染的基本保护机制
口罩对飞沫感染的基本保护机制
Christian J. K¨ahler *, Rainer Hain
doi.org/10.1016/j.jaerosci.2020.105617
Journal of Aerosol Science 148 (2020) 105617
Accepted 16 June 2020
【摘要翻译】
许多政府已指示民众佩戴简易口鼻罩或外科口罩，以保护自己在公众场合免受严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2（SARS-CoV-2）的飞沫感染。但是，这些口罩的基本保护机制和益处仍然存在争议。因此，这项工作的目的是从流体物理学的角度展示这些口罩在何种情况下可以防止飞沫感染。
首先，我们展示了口罩可以很好地保护病患周围的人们——口罩的流动阻力有效地防止了呼出空气（例如呼吸、说话、唱歌、咳嗽和打喷嚏时）的扩散。其次，我们提供的视觉证据证明：人们用普通家用材料制作的口罩无法在直径0.3–2 μm的可吸入颗粒和液滴面前提供有效防护，这些颗粒和液滴大部分可以穿过材料而不被过滤。根据我们的测试，只有带有精细灰尘过滤器的真空吸尘袋，才能表现出与商用颗粒过滤FFP2 / N95 / KN95半遮面口罩相当或甚至更好的过滤效果。第三，我们表明，即使佩戴由良好过滤材料制成的口罩，也无法在受污染的空气中得到可靠地防护并免于飞沫感染，这是因为大多数空气流经面罩边缘的间隙，只有紧密贴合的颗粒过滤式呼吸器才能提供良好的自我保护，防止飞沫感染。
然而，如果没有颗粒过滤呼吸面罩，我们依然强烈建议在公共场合佩戴简易的自制口罩或外科口罩。首先，由于它们可以防止手习惯性地接触面部，因此可以起到防止接触性感染的自我保护作用。其次，面罩的流阻确保在呼吸、说话、唱歌、咳嗽和打喷嚏时，空气保持在靠近头部的地方，如果人们彼此之间有足够的距离，则可以保护他人不受感染。但是，如果不能遵守保持距离的要求，同时附近的许多人具有传染性并且空气交换率很小，则基于吸入途径的感染风险会很高，此时就需要使用改良过滤效率的面罩，以充分利用这些面罩提供的基于三个基本原则的防护效用。
图文节选（1）
doi.org/10.1016/j.jaerosci.2020.105617
Journal of Aerosol Science 148 (2020) 105617
Accepted 16 June 2020
【摘要翻译】
许多政府已指示民众佩戴简易口鼻罩或外科口罩，以保护自己在公众场合免受严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2（SARS-CoV-2）的飞沫感染。但是，这些口罩的基本保护机制和益处仍然存在争议。因此，这项工作的目的是从流体物理学的角度展示这些口罩在何种情况下可以防止飞沫感染。
首先，我们展示了口罩可以很好地保护病患周围的人们——口罩的流动阻力有效地防止了呼出空气（例如呼吸、说话、唱歌、咳嗽和打喷嚏时）的扩散。其次，我们提供的视觉证据证明：人们用普通家用材料制作的口罩无法在直径0.3–2 μm的可吸入颗粒和液滴面前提供有效防护，这些颗粒和液滴大部分可以穿过材料而不被过滤。根据我们的测试，只有带有精细灰尘过滤器的真空吸尘袋，才能表现出与商用颗粒过滤FFP2 / N95 / KN95半遮面口罩相当或甚至更好的过滤效果。第三，我们表明，即使佩戴由良好过滤材料制成的口罩，也无法在受污染的空气中得到可靠地防护并免于飞沫感染，这是因为大多数空气流经面罩边缘的间隙，只有紧密贴合的颗粒过滤式呼吸器才能提供良好的自我保护，防止飞沫感染。
然而，如果没有颗粒过滤呼吸面罩，我们依然强烈建议在公共场合佩戴简易的自制口罩或外科口罩。首先，由于它们可以防止手习惯性地接触面部，因此可以起到防止接触性感染的自我保护作用。其次，面罩的流阻确保在呼吸、说话、唱歌、咳嗽和打喷嚏时，空气保持在靠近头部的地方，如果人们彼此之间有足够的距离，则可以保护他人不受感染。但是，如果不能遵守保持距离的要求，同时附近的许多人具有传染性并且空气交换率很小，则基于吸入途径的感染风险会很高，此时就需要使用改良过滤效率的面罩，以充分利用这些面罩提供的基于三个基本原则的防护效用。
图文节选（1）
图1.实验装置的示意图
图文节选（2）
图2.在没有面罩的情况下咳嗽出一口气时的瞬时流场（a，顶图）；
长时间不戴口罩咳嗽时的流场（b，中图）；
戴口罩咳嗽出一口气时的流场（c，左下图）；
不戴口罩讲话时咳嗽的瞬时流场（d，右下图）。
长时间不戴口罩咳嗽时的流场（b，中图）；
戴口罩咳嗽出一口气时的流场（c，左下图）；
不戴口罩讲话时咳嗽的瞬时流场（d，右下图）。
图文节选（3）
因为咳嗽会使空气强烈运动并且咳嗽是COVID-19的典型症状，所以我们在第3.1节中概述的第一组实验中，检测了咳嗽时佩戴和不戴医用口罩时产生的流场。为了在空间和时间上定量地测量流场，我们使用了PIV（Particle Image Velocimetry） 技术（Raffel et al., 2018）。在测量时，在横截面为2 m × 2 m的8 m长的测试室中播撒了平均直径为1 μm的DEHS（癸二酸二辛酯）示踪剂粒子（Kâahler et al.，2002）。使用DEHS原因是因为这些液滴可以存在数小时，直到它们蒸发为止。在由倍频Nd：YAG激光（SpitLight PIV 1000-15，InnoLas Laser GmbH，德国）产生的光片中，照亮由种子生产器（PIVTEC GmbH，德国）播撒的示踪剂颗粒。灯片的方向垂直于张口，并平行于身体的对称轴和房间的纵轴。示踪剂粒子的散射光则用配备了焦距为35 mm和50 mm的Zeiss Distagon T *镜头的背照式科研CMOS相机（pco.edge 5.5，PCO AG，德国）进行记录。 LaVision的DaVis软件实现了系统组件的触发和数据记录。流速由大气和流箱之间的压差驱动。
【关于pco.edge 5.5】
因为咳嗽会使空气强烈运动并且咳嗽是COVID-19的典型症状，所以我们在第3.1节中概述的第一组实验中，检测了咳嗽时佩戴和不戴医用口罩时产生的流场。为了在空间和时间上定量地测量流场，我们使用了PIV（Particle Image Velocimetry） 技术（Raffel et al., 2018）。在测量时，在横截面为2 m × 2 m的8 m长的测试室中播撒了平均直径为1 μm的DEHS（癸二酸二辛酯）示踪剂粒子（Kâahler et al.，2002）。使用DEHS原因是因为这些液滴可以存在数小时，直到它们蒸发为止。在由倍频Nd：YAG激光（SpitLight PIV 1000-15，InnoLas Laser GmbH，德国）产生的光片中，照亮由种子生产器（PIVTEC GmbH，德国）播撒的示踪剂颗粒。灯片的方向垂直于张口，并平行于身体的对称轴和房间的纵轴。示踪剂粒子的散射光则用配备了焦距为35 mm和50 mm的Zeiss Distagon T *镜头的背照式科研CMOS相机（pco.edge 5.5，PCO AG，德国）进行记录。 LaVision的DaVis软件实现了系统组件的触发和数据记录。流速由大气和流箱之间的压差驱动。
【关于pco.edge 5.5】
pco.edge 5.5 具有新异的科研级CMOS（sCMOS）芯片，能提供清晰的图像质量和准确的测量结果。为需要超高分辨率、高帧速率、16位动态范围、高量子效率和多种快门选项的用户精心设计，并且具有彩色芯片型号。
基本参数：
- 热稳定（制冷）0°C / +5°C / +7°C
- 超低中值读出噪音1.0 e-
- 高分辨率2560×2160像素
- 动态范围30 000 : 1 (CLHS, USB) / 27 000 : 1 (CL)
- 量子效率可达60%
- 快门曝光时间: 500 µs to 2 s（RS）
- 最高帧速率100 fps
- 滚动快门或全域快门/全域重置快门
- 光片成像模式
- Camera Link 全接口或者USB 3.0 接口
- 黑白或者彩色芯片
- 紧凑机身设计: 102×79×70 mm3
- 可选项：水制冷系统
【关于埃赛力达科技Excelitas Technologies Corp.】
埃赛力达是一家技术经验丰富供应商，致力于提供先进的、改善生活的革新技术，为生命科学、先进工业、新一代半导体、航空航天等各终端市场的全世界企业提供服务。公司总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡。埃赛力达是光子技术设计、开发和制造领域的重要合作伙伴，为全世界客户提供传感、检测、成像、光学和特种光源方面的前沿创新技术。
广州市元奥仪器有限公司作为埃赛力达在国内的核心代理商，根据用户的不同需求提供具备高性能、高质量的产品，为客户提供专业的方案与报价，欢迎咨询！
【关于元奥仪器】
广州市元奥仪器有限公司从事引进欧美高端光电相关领域的仪器设备与提供系统集成的服务商。
本公司是一家有一定工程技术根基的高质素专业公司，为客户提供专业的高端的仪器与产品。我们拥有充满活力的销售队伍与受过原厂培训、经验丰富的售后服务队伍，同时我们具有丰富仪器技术知识和应用经验的人员，这是我司成功和发展的基本保障，是我们的信心所在，也是客户寄以信任的基础，我们衷心感谢各位客户长期以来对我司的充分信赖和鼎力支持。我司代理众多国际上高端品牌的光学成像系统与光机系统，如德国Excelitas PCO公司、加拿大Excelitas LED光源、美国FLI公司、美国MEDIACY公司、英国Prior公司、美国BNC公司、日本GOYO OPTICAL公司等等。
我司凭借多年在成像领域的应用经验与成功案例，我们为您提供各种成像设备与系统产品，科学级CCD相机、高速摄像机、高灵敏度相机、工业相机、超高灵敏度相机、sCMOS科学相机与水下摄像机。主要应用在天文成像、工业成像、光谱成像分析、机器视觉和其他在科研对成像有高要求的测量领域。
我们以专业的知识及热忱的服务，期望为用户提供途径而达到更好的工作效率而努力，本着不断吸收新知的精神，让用户能享用信息科技所带来的便利。努力保持在物理光学、高速摄影、工业检测、分析化学，环境环保等领域的仪器设备各方面上给用户提供全新的技术产品。
“专业的知识，优质的售后服务，专门的技术支持力量”，这是我公司所一向的待客宗旨，把一整套优质的服务贯彻于售前、售后服务中，这是我们的承诺。
我们所代理的仪器设备已广泛应用于各著名大学、研究单位、工业生产领域、医院等。让我们与新老客户朋友一起，继往开来，与时共进......如对相关产品感到兴趣，欢迎随时联系交流，公司网址：www.gzyaco.com、电话：400-860-2677。
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