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用于保护北京居民免受颗粒物空气污染的口罩的有效性
John W Cherrie，Andrew Apsley，Hilary Cowie，Susanne Steinle， William Mueller，Chun Lin，Claire J Horwell,Anne Sleeuwenhoek，Miranda Loh
摘要：目标：北京的许多居民都使用一次性口罩，以保护他们的健康免受高颗粒物（PM）浓度的影响。 零售口罩可能已通过本地或国际标准的认证，但其真实生活表现可能不会赋予市场上减少曝光的潜力。 这项研究旨在评估在中国可以买到的各种口罩的有效性。
方法：从北京的消费者商店购买了九个声称可以预防细颗粒物（PM2.5）的口罩。 口罩的过滤效率是通过以下方式测试的：将空气中的柴油废气通过一部分材料吸入，并测量过滤介质上游和下游的PM2.5和黑碳（BC）浓度。选择了四个口罩用于志愿者测试。志愿者在执行久坐任务和主动任务时暴露在实验室内的柴油机废气中。连续监测面罩内外的BC浓度。
结果：每种掩模材料的平均渗透百分比范围为0.26％至29％，具体取决于流速和掩模材料。 在自愿测试中，久坐测试的BC平均总内向泄漏（TIL）为3％至68％，而主动测试为7％至66％。 在两种测试条件下，仅一种测试的面罩类型的平均TIL小于10％。
结论：主要由于面部不适，许多市售的口罩可能无法提供足够的保护。我们的结果表明，应进一步关注口罩设计并为消费者提供基于证据的指导。
关键信息
关于这个问题已经知道了什么？
口罩或呼吸器的过滤效率和边缘密封泄漏对于确定口罩会给佩戴者带来的接触减少至关重要。
戴口罩会带来积极影响，例如短期血压降低和心率变异性增加，但是与这些影响相关的暴露减少尚不清楚。
有哪些新发现？
口罩的过滤效率不一定会转化为个体的持续暴露量减少。
市场上一些在减少微粒暴露方面非常有效的口罩在个人佩戴时无法实现所要求的暴露减少。
即使是性能最好的口罩，也不能始终减少一系列活动中的暴露量。
在可预见的将来，这会对政策或临床实践产生怎样的影响？
这项研究表明，应进行严格和标准化的测试，包括志愿者试验，以确保可用于消费者的所有口罩对空气污染的功效。
此外，应向消费者和监管机构更好地了解不同面罩类型对暴露的影响，以及如何确保适当安装面罩。
有兴趣研究口罩对健康的影响的研究人员应包括减少接触量的测量，研究参与者可以更准确地评估口罩的佩戴对空气污染暴露的影响。
背景
在中国，空气污染每年导致约160万人过早死亡，并丧失约3,100万残疾调整生命年。中国大城市的空气动力学直径2.5微米（PM2.5）浓度的年平均颗粒物远远超过了WHO的10mu;g/ m3，相应的黑碳（BC）浓度约为5micro;g/m3。在冬季和繁忙的街道附近，北京的PM2.5浓度经常达到不健康的水平。
现在，中国居民可以获取空气质量信息，并可以采取措施在短期内保护自己。在中国的研究发现，戴着口罩可以对短期健康状况（例如血压和心率变异性）产生积极影响，尽管目前尚不清楚与这些影响有关的减少接触水平，因为只有周围的微粒测量浓度。
在职业健康中，“呼吸器”一词包括一系列个人呼吸防护产品，包括一次性过滤式口罩（FFP）呼吸器，有时也称为“粉尘”或“口罩”，尤其是外行话。在本手稿中，我们将使用后一个术语（缩写为“ mask”），因为我们正在评估这些设备以用于非职业性空气污染环境。呼吸器通过过滤，重力沉降，惯性碰撞，拦截，扩散从过滤后的吸入气流中去除颗粒过滤效率取决于颗粒大小，电荷，浓度和通过过滤材料的流速。实际上，污染物可能会穿过呼吸器边缘和面部之间的小缝隙而绕过过滤器，即所谓的“边缘密封泄漏”。泄漏的程度取决于各种因素，例如面部的大小和形状，面部毛发，呼吸器的设计以及佩戴方式。
通常对用于工作场所的一次性颗粒物防毒面具进行测试，以确保符合适当的国际或国家标准（在线补充表S1），但是为防止空气污染而进行公共防护的口罩可能不需要符合任何标准，因此 可能不合适。2016年11月，中国国家标准化研究院发布了新指南，建议对“日常防护口罩”（在线补充表S1）的防护等级进行测试。本指南（GB/T 32610–2016）根据口罩的过滤效率进行分类（在线补充表S1）。与GB2626-2006（职业口罩的中国标准）和其他法规标准不同，“日常防护口罩”满足这些测试准则并不是强制性的。本研究中的测试是在引入本指南之前进行的。
关于口罩对柴油机废气颗粒物性能的信息有限，这可能在环境颗粒物（PM）对健康的影响中起重要作用。研究通常会测试样品架或人体模型头部上的一部分口罩过滤材料的过滤效率，通常将口罩密封在人体模型的脸上。一项研究调查了符合N95标准（过滤ge;95％的颗粒，在线补充表S1）的面罩过滤材料的过滤效率，发现通过元素过滤器的柴油气溶胶（以元素碳计）的lt;0.5％-4.3％之间通过。 Langrish等人证明，几种面罩材料允许通过该材料的柴油排放挑战小于5％。对安装在模特头上且面罩密封在头上的面罩的过滤效率的研究发现，FFP2面罩的柴油气雾剂渗透率为11％至15％，而FFP3面罩的渗透率为13％–24％。但是，这些研究没有考虑面罩与人脸之间的密封周围的向内泄漏。
以前公众使用的口罩工作表明其性能很差，口罩经常设计不当且不合适。上海市质量技术监督局和中国消费者协会对几种市售口罩的过滤效率进行了测试。 报告中没有描述这些方法，但是很少有面具通过要求。 我们没有直接测量口罩在人们佩戴时对柴油机废气颗粒或周围环境颗粒污染的有效性。 安装在人体模型上的口罩只能提供部分真实的测试。 因此，本研究的目的是测试销售给北京消费者的一系列口罩的过滤效率，并为获得最佳性能的口罩，评估口罩在减少志愿者自愿佩戴的柴油机废气颗粒暴露方面的有效性。
方法
在中国（本地药房或便利店）在线购买了九个口罩（图1，在线补充表S2）。 测试在英国爱丁堡的一个室内进行。 在进行掩膜测试之前，使用DustTrak DRX（美国明尼苏达州TSI）和快速移动颗粒分级仪（FMPS 3091，TSI）对柴油机颗粒进行表征。
口罩材料渗透
使用图像编辑软件（Paint.net V.4.013，dotPDN LLC，2016）从扫描的图像估计每个掩模的表面积。从每个面罩上切出一个圆形区域，并安装在样品架上（15.9平方厘米）。
面罩在腔室中（在线补充图S1）在整个面罩的流速分别等于40L/min和80L / min的条件下进行了30分钟的测试，但要按比例缩放至采样器中面罩的面积。 选择这些速率以反映高强度的呼吸速率，这将有望吸引更多的颗粒通过过滤材料，从而模仿最坏的情况（例如骑车或穿越交通）。美国环境保护署（EPA）的《暴露因素手册》建议，年龄在21- lt;31岁之间的男性和女性的平均高活动呼吸速率为50L/min（95％76L/min）。
口罩的测试顺序是随机的。 挑战的目标BC浓度为50mu;g/ m3。 MicroAeth AE51（美国旧金山的Aethlabs）测量了BC，Sidepak AM510（TSI）测量了PM2.5（在线补充信息）。没有对Sidepak的柴油机排气进行校准，因为我们正在研究过滤的相对变化，而不是绝对浓度。
志愿者测试
根据材料渗透测试和面罩设计的性能，选择了四个用于志愿者测试的面罩，包括面罩如何密封在面部以及将面罩连接到头部的方法。
通过口口相传，社交媒体和当地市场网站招募志愿者。 对志愿者进行筛查以确保他们没有潜在的健康问题。最初的设计是由八名志愿者（四名男性，四名女性）组成，每名志愿者都戴着所有四个口罩，每个口罩都要进行两次测试（一个站立和一个坐着）。 但是，前两名女性志愿者在测试了两个口罩后辍学了，另外两名女性志愿者被测试了其余两个口罩。 因此，志愿者总数为10名（男性4名，女性6名）（见在线补充表S3）。
图1 研究中检查的口罩图片
使用人体测径卡尺测量了四个面部尺寸：嘴唇长度，下巴到鼻根的距离（menton-sellion长度），面部宽度（biz骨宽度）和拉紧（耳朵）到鼻尖。一个人对所有志愿者进行了测量，以减少测量方法的任何差异。采用拉丁方形设计来随机分配志愿者测试口罩的顺序。在线补充信息中提供了有关口罩和采样设备穿戴的其他信息。
在暴露室中进行测试，该暴露室从连接到小型柴油机的混合室（在线补充图S2）中供入空气，目标平均BC浓度为50micro;g/m3。
志愿者进行了两个模拟测试，旨在反映日常活动：（1）坐着（固定）和（2）站立和在现场行走（活跃）。 所有模拟都包含以下子任务：正常呼吸（5分钟），深呼吸（2分钟），上下移动头部（2分钟），左右移动头部（2分钟），说话（2分钟），弯腰（2分钟）和正常呼吸 （2分钟）。在面罩内部（穿透浓度）和暴露室（挑战浓度）同时测量BC。
数据分析
对于BC和PM2.5，通过在每个时间点将渗透浓度除以挑战浓度，可以计算出每种口罩过滤材料的渗透百分比。 使用Spearman相关性评估了MicroAeth和Sidepak读数的渗透百分比之间的一致性。 对于模拟研究，通过将每个掩模内部测得的浓度除以每个时间点曝光室中的浓度来计算BC的总向内泄漏（TIL）百分比。
为每个面罩生成未调整的TIL的均值，中位数和四分位间距（IQR）。利用Durbin-Watson统计量评估了时间序列数据的自相关，其中值受先前时间点的影响。开发了Cochrane-或Cutt一阶自回归模型，可通过以下协变量调整TIL：掩模类型，时间，性别，面部大小和活动。使用P lt;0.05时显着的似然比检验将协变量包括在模型中。使用贝叶斯信息准则比较了对数线性模型的拟合优度。对于分类变量，将在TIL中贡献最小增量的级别用作参考。如果志愿者（1）坐着或站着/走路，（2）摇头，（3）保持静止，（4）说话，（5）深呼吸或（6）弯曲，则将测试期间进行的活动分组。国家职业安全与健康研究所（NIOSH）指南根据脸部的长度和宽度以及通过评估嘴唇的长度和脸部的深度，将志愿者分为大/小脸型。使用Stata V.13.1.u中的“ prais”命令进行数据分析。
结论
在柴油表征期间，室内空气PM2.5含量gt; 90％PM1。 腔室中的纳米颗粒尺寸分布表明，颗粒主要在0.3micro;m以下，模式在0.1micro;m以下。
口罩材料渗透
两种仪器之间的穿透力总体一致性非常好（rho = 0.84，P lt;0.001）。 在40L / min流速的情况下，九个口罩中的八个在PM2.5和BC上的渗透率中值均低于9％（图2）。BC的中位数渗透率范围从0.2％（IQR：0.2％–0.3％）到20.7％（IQR：19.6％–22.1％），其中最低值是“ Yimeijian”面膜，而最高值是“ Gucheng Professional” AntiHaze W＆G（古城）面膜。 使用80L / min的值相似，但略高，范围从0.7％（IQR：0.4％–1.0％）到32.8％（IQR：21.1％–35.3％），相同的口罩表现最佳/最差。
PM2.5的渗透率通常大于BC：在40meiL / min的流量中，益美见面罩的中值渗透率最低，为0.3％（IQR：0.2％–0.3％），而对应的最高渗透率则为BC。 古城，中位数为29.3％（IQR：27.7％–30.3％）。 80micro;L / min测试的中位数范围从以梅见的0.8％（IQR：0.7％–1.1％）扩展到古城的41.4％（IQR：33.9％–50.2％）。
图2 针对黑碳（MicroAeth）和PM2.5（Sidepak）监测器评估的每个面罩渗透率的箱线图。 方框表示第25至75个百分点（IQR），方框内的线表示中位数（第50个百分点）。 晶须表示IQR的1.5倍以内的值，而点则是异常值。
志愿者研究
选择了3M9322、3M9502，易洁PM2.5口罩和医美健口罩进行志愿者试验（图1）。
图3箱形图显示了志愿者试验中测试的每个面罩的总向内泄漏。 方框表示第25至75个百分点（IQR），方框内的线表示中位数（第50个百分点）。 晶须表示IQR的1.5倍以内的值，而点则是异常值。
除了两个被归类为大的志愿者（在线补充表S3）外，志愿者的面部大小差异相对较小。 其他八名志愿者被分类为具有“小”或“中”的面孔。 图3提供了在志愿者研究中测试的四个口罩的TIL范围，按图2所示的相同顺序。如果面部密封性很差，则TIL值可能超过100％。 在这种情况下，TIL值将在很大程度上代表面罩内部和外部相似浓度水平的波动。
两个3M掩模的TIL值中都有许多明显的异常值。 尽管每个志愿者的口罩不同，但每个3M口罩的单个受试者的TIL值均超过30％。 四个测试面罩的未调整中值TIL均存在明显差异，从3M9322的1.8％（IQR：0.6％–4.7％）到怡洁PM2.5面罩的67.3％（IQR：56.6％–75.2％）
志愿者，时间和活动之间的TIL存在明显差异（图4）。来自简单回归模型的Durbin-W
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