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謝克勤博士-醫護人員口罩分享...

作者:謝克勤博士(Ker-Ching Hsieh, Ph.D)

介紹:謝博士畢業于臺灣大學,研究所就讀於美國明尼蘇達大學 (University of Minnesota) 機械系的氣溶膠實驗室(Particle Technology Laboratory : PTL), 畢業後服務於美國3M 數年,從事高溫過濾材料和靜電棉的開發和應用,離開3M 後,成立了一個獨立過濾實驗室,近10數年,在中國上海從事空氣篩檢程式研發和生產的工作。

冠狀病毒(Covid-19)的肆虐,至今還在延續,前一陣子寫了篇些關於戴口罩和口罩裡過濾材料方面簡介,讀過的人認為對於口罩的瞭解有幫助。當時寫東西的主要目的是要科普一些常識。但從寫完上篇至今又過去了一個月,兩件事讓筆者覺得有必要在醫務人員和高危人員使用“口罩”上,以一些簡單的實驗資料來說明一些應注意的事項。

那兩件事讓筆者覺得這次有必要對此多做些闡述呢?

第一件事是前兩天在臺灣每天例行關於冠狀病毒疫情說明的衛福部記者會上,公佈了對於一位感染者住過的病房所做的檢測,發現在病房裡的很多東西的表面,牆面等都發現了冠狀病毒,發現病毒的地方之多,讓筆者覺得是氣溶膠(Aerosol/Airborne Particulate)傳染的最佳證據。另外有三名同房但不同室的看護(沒照顧過患者)感染上病毒,也很可能是經氣溶膠感染。

第二件事是在QQ新聞網站看到的消息,經披露其實在一月份時,湖北就有超過3000的醫務人員被感染。

當然,在這兩事件中被感染的人,不一定都是因為口罩沒戴好而遭受感染,但筆者認為病毒在特定場所(醫院,負壓病房)的氣溶膠化,對醫務人員來說是很大的威脅,此時戴正確的口罩和正確的佩戴方式就很重要了。

另外筆者要提醒的是負壓病房,對氣溶膠病毒的擴散管控是有效的,但不是百分之百的。且醫院的負壓病房的設計種類繁多,不是都一樣的,有單門的,有雙門的,甚至有三層門的,有的還有用高速氣體清洗的(Air Shower),但只要有氣旋(打轉的氣體),病毒都有可能外泄的。

口罩的選擇其實是有講究的,每個人的臉型,大小,輪廓都不一樣的,重要的是要找到適合自己的口罩,也就是提供最大防護的口罩,而不一定是戴起來最舒服的口罩,其實最舒服的口罩,也有可能是防護力最差的口罩。

當然,用最不舒服的口罩(壓損阻力大的),雖然可以給你最大的防護力,但有可能對心肺功能造成太大的負擔,也不是好事。所以重要的是經過測試來找適合自己的口罩。醫務人員有時會需要一段時間才能找到適合自己的口罩。

此次的冠狀病毒,不是普通的病毒,第一線的醫務人員在自己身體能夠承受的情形下,需要戴防護力高的口罩,什麼是防護力高的口罩?其實沒有一定的標準,如在室外,通風良好,且沒有人群聚集的地方,戴效率80%的口罩可能就很夠了,但如果在室內,口罩的效率可能就要提高到90%,但如果是在特定場所,如醫院,被傳染的風險可能較大,口罩的效率可能就至少要95%以上,對於一線的工作的人員(照顧染病的患者),可能N95都不一定夠,國外的一線醫務,大都使用帶氣泵和P100級篩檢程式(效率100%,且不怕油性氣溶膠)的正壓全面式的防毒面具,由於面具內是正壓,呼吸較不吃力,更重要的是此種裝置密封較好,較不會因為在身體活動時因密封問題,造成防護力的下降。這是使用一次性口罩(甚至N95口罩)都有的問題。

筆者在上一篇文章中,有提到口罩性能的比較,不是看效率(E),而是看穿透率(P),對於一線的醫務人員,這觀念就更重要了,對此筆者舉例來做較詳細的說明:

口罩效率(E)和穿透率(P)的關係如下:

100- E = P (E和P 都是百分比)

一個口罩如果效率是80%,那穿透率就是20%

比較四個口罩,效率分別為 80%, 95%, 99% 和99.9%

它們的穿透率分別為 20%, 5%, 1% 和0.1%

如果有100000個病毒透過這四個口罩,在口罩的下游,也就是戴口罩的人吸入體內的病毒分別為:

20000 (E=80%),5000(E=95%),1000 (E=99%) 和 100(99.9%)

從效率上來看,這四個口罩的差別不超過20%,但從防護力來說卻有著天差地別,以E=80% 和 E=95% 來比較,防護力的差別是 20000/5000=4 (400%),  是的, 差別是400% 而不是15%,同樣比較 E=95% 和 E=99.9% 來比較,防護力的差別是5000/100=50 (5000%), 差別增加到 5000%,而不是 4.9%,如果比較 E=80% 和 E=99.9% 的口罩,防護力的差別更增加到 20000/100=200 (20000%)。

所以每每在電視上看到一線的醫生和護士戴三層式的平面口罩(因為這類口罩的的壓損較低,戴的較舒服,但同時此類口罩的效率也較低,故對醫務人員來說,是防護力很低的選擇),面對傳染性極高的冠狀病毒,都會讓我替他們捏把冷汗。

醫務人員如何選擇對的口罩?一般是要經過“Fit Test“ 測試來決定的,從英文的定義來說,就是要經過測試,找到和使用者面部最密合且提供足夠的防護力的口罩測試。這種測試方式在美國已行之有年,在各個需使用口罩和防毒面具的職業(包括民用和軍用)被廣泛使用。筆者在此對於口罩的Fit Test做簡單的介紹:

Fit Test (口罩密合度和防護力測試)和 Fit Factor

口罩使用者會選者種類和大小不同的口罩做測試,方法是在測試的口罩上先開一孔並加裝一很短取樣管,用於收集口罩下游(口罩內)的氣溶膠的數目或濃度。

 

 

 

偵測口罩外(上游)和口罩內(下游)的氣溶膠的濃度,所使用的鐳射粒子技術器為TSI 的 PortaCount Plus Model 8020 或 PortaCount Respirator Fit Tester Model 8030 和 Model 8038,後二款為較新的型號。PortaCount 能偵測到所有大於0.01-0.02 micron 到1-2 micron(微米)的氣溶膠,計數器有兩個取樣管,內有氣泵和分流閥,可以分別在口罩的上游(口罩外面)和 下游(口罩裡面)取樣和計數(以氣溶膠的濃度表達,#/cm3),以此來計算口罩所謂的 “Fit Factor”, 什麼是Fit Factor ?它的定義如下:

Fit Factor=口罩上游的氣溶膠濃度 / 口罩下游的氣溶膠濃度

測試時,一般可用空氣裡的氣溶膠(Aerosol)來做測試,所以口罩上游的氣溶膠的濃度,也就是空氣裡(Ambient Air)氣溶膠的濃度,口罩下游的氣溶膠的濃度則包括a) 經呼吸通過口罩濾材的氣溶膠和 b) 經口罩和面部接觸部分(因密合度不是百分之一百),吸氣時進入口罩內的氣溶膠。

例如:

口罩外氣溶膠濃度= 10000 #/cm3

口罩內氣溶膠濃度= 2000 #/cm3  (綜合效率=80%)

Fit Factor = 10000/2000 = 5

 

口罩外氣溶膠濃度= 10000 #/cm3

口罩內氣溶膠濃度= 100 #/cm3  (綜合效率=99%)

Fit Factor = 10000/100 = 100

 

口罩外氣溶膠濃度= 10000 #/cm3

口罩內氣溶膠濃度= 500 #/cm3  (綜合效率=95%)

Fit Factor = 10000/500 = 20

 

  

 

(備註:透明管為口罩下游(口罩內)氣溶膠收集管,藍色管為口罩上游(口罩外)氣溶膠收集管)

從前述的3個例子可看出,Fit Factor 越大,口罩的綜合效率越好 (備註:綜合效率和口罩效率不是一樣的東西,因它加入了因密封不佳而進入口罩內的氣溶膠,一般是小於或等於口罩的效率),Fit Factor(FF) 和 綜合效率 (Effective Eff) 的關係如下:

Effective Eff(%) =(1-1/FF)*100

Fit Factor 和口罩下游氣溶膠數目或濃度成反比,也就是說口罩下游氣溶膠數目或濃度越高,Fit Factor 越低,防護力也就越差,故口罩和口罩之間可以直接比較Fit Factor的大小來作為比較防護力的好壞,參考前述的例子,假如口罩上游的氣溶膠濃度不變:

 

口罩上游的氣溶膠濃度:10000 #/cm3

A:Fit Factor = 100(E=99%)口罩下游氣溶膠的濃度= 100 #/cm3

B:  Fit Factor = 5 (E=80%)口罩下游氣溶膠的濃度= 2000 #/cm3

 

所以兩者之間的防護力差別為Fit Factor A / Fit Factor B= 100/5=20 (和口罩下游氣溶膠濃度成反比:2000/100=20 《2000%》),特別要強調一點的是,雖然兩者口罩的綜合效率差只有19% (99% 和 80%),但防護力的差別可以達到20倍(2000%)。

這也就是為何照顧病患的一線醫務工作人員,在身體可以承受的情況下, 要儘量使用Fit Factor高的口罩,而不是只比較效率,95% 和99% 的口罩,效率只差5%,但Fit Factor的差別是5倍(500%),也就是戴95%口罩和戴99%口罩的人比起來,會吸入多達5倍多的病毒。

嚴格說起來,平時就應建立起一線醫務人員使用不同口罩(效率從低到高)時 Fit Factor 的資料庫(Database). 這類工作和資料平時就需定期測試和更新 (每6-12 個月),遇到傳染性高的病毒,醫務人員才知要使用什麼樣的口罩才能更有效的保護自己。

 

前面說到口罩的綜合效率的計算包含A:經過濾材的氣溶膠和B:吸氣時因口罩和面部接觸部分的密封不佳,吸氣時進入口罩內的氣溶膠。前者取決於口罩種類(如三層式低效口罩,N, R, P級口罩)的不同,一般來說,較易控制和選擇,後者的影響則不容忽視,且較難控制,造成密封性不佳的原因很多, 常見的有 a) 口罩沒帶正 b) 鼻樑夾不夠緊和鼻樑的接觸面密封性不好 c) 身體活動時,有面部肌肉動作時,也會降低密封性 d) 鼻樑夾在戴上口罩後,有時會慢慢變的沒有那麼緊,要常常調整需 e) 口罩鬆緊帶的鬆緊度不夠或是放在腦後的位置不對。。。。。。

 

故在做Fit Test 時,為了能較正確的估計 Fit Factor,它不是一個靜態的測試,而是會要求被測試的人,在測試時做一些固定的動作,來得到口罩的綜合效率和Fit Factor。

 

口罩的種類很多,即使是同一型的口罩,過濾效率和吸氣阻力也可能有很大的不同,對效率較高的口罩 (例如N, R,P級),各國都有很一定的標準,但對於效率較低的口罩,有些國家和區域有標準,但在很多國家就沒有固定的標準,在沒有疫情時,不是大問題,但面對傳染性很強的冠狀病毒,口罩Fit Factor的高低,對醫務人員而言,直接影響到防護能力,就不能小覷了。在各種口罩類別中,最常見的各種三層式的平面口罩,如前述,他們的過濾效率和吸氣阻力也有很大的不同,和N95口罩比起來差別也是很大的,差別主要在於 a) 過濾效率較低 b) 密封性較差。但因為吸氣阻力較低,舒適度較好,故較受使用者的喜歡,但殊不知它的防護力也較低,尤其是對在一線照護病患的醫務工作人員而言,在醫院的工作場合裡,可能是很危險或是高度危險的!

 

為此筆者做了幾個簡單的實驗來說明平面口罩和效率較高的口罩,如N95類的口罩,防護力上的差別。前面提到比較口罩的防護力,可以經過Fit Test,得到 Fit Factor 來比較,受測的口罩種類如下:

 

A: 三層式的平面口罩(備註:筆者經過其它的測試方法,找了一款過濾效率較高的平面口罩)

B: 四層式的立體口罩 (除了上下兩層面料和中間的熔噴靜電棉外,加了一層纖維較大的靜電棉,為筆者因買不到口罩,自行設計和製造給員工使用的口罩)

C: MSA N95 帶呼吸閥立體罩杯口罩 Model L# 7-1553-0 (MSA 為一美國公司,此為一過期很久的N95 口罩,製造日期為:09-22-1998,測試此類過期口罩,主要是要看看過期很久的口罩,防護能力有多少)

D 和 E :3M 8210V N95帶呼吸閥立體罩杯口罩 (使用有效期至01/2025)

F: 3M 1870 N95 無呼吸閥立體口罩 (過期口罩,製造日期為 04/25/2002)

G: 3M  9501VT  KN95 帶呼吸閥立體口罩 (製造日期:12/22/2017)

H:3M 8210 N95 無呼吸閥罩杯口罩 (製造日期 : 07/1998,同C 口罩相同,為過期較久的口罩)

  • A:將酒精噴灑在口罩A上,待乾燥後,作Fit Test.

 

測試使用空氣中的懸浮微粒/氣溶膠(Aerosol和 TSI PortaCount Plus Model 8020 鐳射粒子計數器來收集口罩上游(口罩外)和口罩下游(口罩內)的氣溶膠濃度,並以此來計算 Fit Factor。每次的測試,PortaCount 會偵測口罩內外的氣溶膠濃度,並計算Fit Factor,重複8次後,取平均值,為此次測試的結果。

測試以靜坐的方式進行,沒有做任何動作。每次測試開始前,筆者會調整口罩的位置,鼻樑夾的鬆緊或鬆緊帶在腦後的位置等步驟,以取得最大的Fit Factor (最大的防護力)為目標。每個口罩測試3-5次,且至少有2次的測試結果,接近最大的Fit Factor 值,取最大的 Fit Factor 值,做為報告的資料。這樣做的理由如前所述,口罩的 Fit Factor 值/ 綜合效率 的計算包括客觀經過濾材的效率和主觀的在吸氣時,從口罩和臉接觸面,進入口罩內的氣溶膠。後者對Fit Factor 的影響有時很大,即使是 N95 口罩,在3-5次的測試中,Fit Factor 最大和最小的差別,可以達到2-3倍,其中又以鼻樑夾的鬆緊對 Fit Factor 的影響最為顯著。測試的結果如下表所示:

測試結果和討論

 

  1. Fit Factor 的分佈很廣,從最低三層式口罩的 19 到 最高N95 口罩的 440,防護力的差別達到 20 倍以上,也就是說在面臨固定的污染源下,戴三層式口罩的人,和戴 N95口罩的人相比,有可能多吸入20 多倍的病毒,感染的幾率自然要高的多。
  2. 從 A-H 口罩的綜合效率來說,差別並不大,且都不算低,從 94.7368% 到 99.7327%,效率上的差別,不超過 6%,但防護力的差別卻有20 多倍的差別。所以一線的醫務工作人員,不宜有所謂的“False Security”, 也就是認為只要戴了口罩(如三層式的平面口罩),就能保證安全,殊不知所戴口罩的種類和戴上口罩後的調試會大大影響到對病毒的防護力,如前所言,在身體能負荷的情況下,儘量戴高效率的口罩,如 N95 級別以上的口罩。
  3. N95口罩的效率,其實遠遠大於95%,但不是所有N95口罩的Fit Factor都是相同的,這也就是為什麼要常做 Fit Test 測試,找到適合自己且有最大Fit Factor的 N95 口罩。
  4. 在疫情之初,由於口罩的數量不足,對於過期的口罩,一直有是否還可以使用的問題?筆者特別找了三款過期的 N95 口罩做了實驗 (C, F 和 H),製造日期最久的為 07/1998,超過20年以上,Fit Factor 分別為 60, 334 和 242. 除了口罩C外, 口罩F和口罩H仍有不低的Fit Factor, 也就是說,在 N95 口罩缺乏時,即使是過期的 N95口罩,經過Fit Test測試後,可以決定是否可以使用,重點是要經過實驗來做決定。 (備註:很多的口罩使用了靜電棉,靜電棉纖維間的靜電電場,可以增加口罩的過濾效率,而且不會增加吸氣阻力。但靜電效應有可能會隨著時間而慢慢消失,靜電效應的消失,取決於加電方法,纖維材質及原材料用的添加劑而有所不同)
  5. 口罩A-A 是將酒精噴在口罩A上,濕透後放在空氣裡乾燥,然後做的Fit Test實驗。Fit Factor 從19降到7.4,也就是說防護力降低了2倍多。主要原因是酒精或其他揮發性化學物質(VOC)的Vapor會對口罩裡靜電棉內的靜電電場產生負面的影響,進而降低靜電效果和過濾效率。故千萬不可用酒精來消毒口罩或將口罩置放在有揮發性化學物質的附近。
  6. 3M的 KN95 口罩(G)和 N95 口罩 (D & E)的防護力從Fit Factor 的資料上來說,還是有差別的(~400 vs. 125),但二者都超過了100. 和三層式平面口罩相比,即使是 KN95 的口罩,防護力還是比三層式的平面口罩要好的多(125 vs. 19)。
  7. 筆者寫此文章最重要的目的,是針對一線的醫務工作人員,特別要強調口罩Fit Test的重要性,如前所述,Fit Test 和其測試結果的 Fit Factor 不是只做一次的工作,而是一個很重要且是一個需要系統性和常常要做的工作.  Fit Factor資料庫的建立,讓在前線的醫務人員知道在面對傳染性強的病毒,如Covid-19時,用何種口罩才能最好的保護自己。

醫務人員是維護社會大眾健康的主要成員,一線的醫務人員,更是冒著個人安危去救死扶生的關鍵,筆者除了向他們致最高敬意外,也希望他們的安全能儘量的得到保障,這種保障需要建立在對使用的口罩做各種的測試,尤其是Fit Test 和個人使用不同口罩時 Fit Factor 資料庫的建立。