Gezichtsvorm beïnvloedt pasvorm en effectiviteit van mondkapjes

Ruim twee jaar na het begin van de coronapandemie is het nog steeds niet bekend wat voor mondkapje de beste bescherming biedt. Wel is inmiddels duidelijk dat de effectiviteit niet alleen aan het materiaal ligt, maar ook aan de pasvorm. Een recente studie die is gepubliceerd in Physics of Fluids bevestigde dit met behulp van een model gemaakt om het zogenoemde lekpatroon te bestuderen op een realistisch gezicht.

Mondkapjes veroveren de wereld

Sinds het begin van de pandemie is het gebruik van gezichtsmaskers door het grote publiek overgenomen, zij met enige tegenwerking. Vanwege een tekort aan N95- en chirurgische mondkapjes werd in het begin het gebruik van stoffen mondkapjes aanbevolen. Later veranderde dit advies echter. Momenteel wordt gezegd dat stoffen maskers de minste bescherming bieden tegen COVID-19, en N95- en KN95-mondkapjes de meeste.

Materiaal en pasvorm

Experimentele studies tonen aan dat de gezichtsbescherming de overdracht van verschillende infecties van en naar de drager kan beperken. De effectiviteit van gezichtsbescherming blijft echter een punt van discussie, en hangt nauw samen met zowel het materiaal en de pasvorm. Daar waar het mondkapje geen afdichting vormt met het gezicht kan lucht weglekken. De totale lekkage kan aanzienlijk worden beïnvloed door de afmetingen en kenmerken van het gezicht.

Realistisch gezicht modelleren

Computersimulaties hebben het potentieel om de locatie en de hoeveelheid lekkage voor verschillende gezichtsstructuren systematisch te schatten. Onderzoekers van de Florida State University en de John Hopkins University gebruikten hoofdcomponentenanalyse (Engels: principal component analysis, PCA) samen met vloeistofdynamica-simulatiemodellen lekkage bij een realistisch gezicht te modelleren.

Een realistische 3D-gezichtsvorm werd geproduceerd door middel van een systematische PCA-methode, van 100 mannelijke en 100 vrouwelijke hoofden. De informatie hiervoor werd opgehaald uit hoofdscangegevens aan de Universiteit van Basel in Zwitserland. PCA is een methode om een grote hoeveelheid gegevens te beschrijven met een flink kleiner aantal variabelen dan voor de analyse.

Simulatie van een matige hoeststroom

Op deze manier konden de auteurs het cruciale belang van een goede pasvorm aantonen voor alle soorten mondkapjes. Ook vonden ze hoe de gezichtsvorm de meest ideale pasvorm beïnvloedt. De onderzoekers modelleerden een matige hoeststroom uit de mond van een volwassen man die een stoffen mondkapje over de neus en mond droeg met elastische banden om de oren. Ze berekenden de maximale volumestroomsnelheden door de voorkant van het masker en perifere openingen bij verschillende materiaalporositeitsniveaus.

Asymmetrie verstoort pasvorm

Het model demonstreerde hoe de lichte asymmetrie, die in elk gezicht aanwezig is, de juiste pasvorm van het mondkapje kan verstoren. Zo kan een masker aan de linkerkant van het gezicht strakker zitten dan aan de rechterkant.

“Asymmetrie van het gezicht is bijna onmerkbaar voor het oog, maar wordt duidelijk gemaakt door de hoeststroom door het masker”, zegt een van de auteurs. “Voor dit specifieke geval is de enige ongefilterde lekkage die wordt waargenomen via de bovenkant, maar voor verschillende gezichtsvormen is lekkage via de onderkant en zijkanten van het masker ook mogelijk.”

Het gevaar van dubbele mondkapjes

Daarnaast suggereert de studie dat het gebruik van twee niet goed passende mondkapjes over elkaar de bescherming niet significant verbetert. Ook geeft het mogelijk een vals gevoel van veiligheid. Meer lagen betekenen een minder poreuze gezichtsbedekking, wat leidt tot meer stroming die uit de omtrekopeningen (aan de zijkanten, boven- en onderkant) wordt gedwongen in maskers met een minder goede pasvorm. Dubbele lagen verhogen de filterefficiëntie alleen bij een goede pasvorm van het mondkapje, maar kunnen ook leiden tot ademhalingsmoeilijkheden.

Designermondkapjes

Een mogelijke oplossing is het maken van ‘designermondkapjes’ die zijn aangepast aan het gezicht van elke persoon. Op grote schaal is dit echter niet praktisch. Toch kunnen op PCA gebaseerde simulaties worden gebruikt om betere maskers te ontwerpen voor verschillende populaties. Hiervoor moeten algemene verschillen tussen mannelijke en vrouwelijke of kinder- versus oudere gezichtsstructuren en de bijbehorende luchtstroom door maskers aan het licht worden gebracht.

Verspreiding van aerosolen verminderen

“Het huidige model kan worden gebruikt om de effectiviteit van gezichtsmaskers te kwantificeren en om toekomstige maskerontwerpen te sturen die de lekstralen verminderen of omleiden om de verspreiding van ademhalingsaerosolen te beperken”, schreven de auteurs.

Bron:
Physics of Fluids