疫情防控：正确佩戴口罩以最大化防护效果

本系列专题所涉仿真在设计上是为了再现特定环境下的物理行为，未考虑诸如风或湿度等环境变量，请勿将其视为医学指南。

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那么，为了防止病毒扩散戴口罩会有帮助吗？已经感染者如果佩戴口罩，能将传染他人的风险降低6倍。但我们也知道长时间佩戴口罩容易令人烦躁或导致不适，因此免不了会经常调整口罩，但这样就会破坏面部和口罩间的密封性。通过仿真建模向我们展示了不合时宜地调整口罩会造成怎样的感染风险，同时通过仿真显示，进行适当调整，务必确保口罩正确密闭，以降低可能暴露的风险。

对于日渐增多的患者群体，护理工作的第一步是确保一线医护人员得到正确的保护。呼吸道病毒，包括新型冠状病毒（COVID-19），对临床医护人员也产生极大的威胁，因为当患者咳嗽或打喷嚏时，病毒很容易传播。所以医院工作人员和其他医护人员必须佩戴防护面罩，以保护自己免受能穿透眼睛粘膜的潜在致命悬浮颗粒物的伤害，同时配戴呼吸防护口罩，以防止颗粒物吸入。

挑战

呼吸防护口罩会在空气中的颗粒到达肺部之前对其进行过滤，起到保护佩戴者的作用。尽管我们深谙材料对口罩有效性发挥重要作用，但我们却很少关注它的贴合性。即便口罩拥有绝佳的质量，如果不具备良好的贴合性，也无法给予佩戴者充分的保护。数据显示，佩戴具有良好贴合性的口罩能将感染他人的风险降低六倍。

为了最大限度地提高口罩的有效性，佩戴者可以调整口罩的密封程度，从而尽可能地减少不适感。例如，N95防护口罩上的鼻夹可以灵活调整，使口罩贴合佩戴者的面部轮廓，从而减少口罩各边周围产生漏气现象。为了说明贴合性如何影响气流，Ansys工程师使用有限元分析和流体动力学仿真技术来预测通过口罩-面部边界中的间隙泄露的空气。

所使用的软件产品：

• Ansys LS-DYNA
• Ansys Fluent
• Ansys CFD

解决方案

为了对正确调整鼻夹和没有正确调整鼻夹的情况进行对比，工程师采用高保真头罩和N95防护口罩模型来对面部与口罩之间的接触压力和气流进行仿真。他们通过使用Ansys LS-DYNA对面部和防护口罩进行接触仿真，开始了两个阶段的过程，以预测口罩对面部产生的压力。接下来，他们将变形后的面部和防护口罩形状导出到Ansys Fluent，以仿真佩戴者呼吸时口罩周围的气流。

通过LS-DYNA设定N95防护口罩和面部组织的实际材料属性后，将虚拟防护口罩放置面部（图1），采用可变形的方式仿真鼻夹的调整，记录鼻夹调整前后的面部接触压力：接触压力为零的区域显示了潜在泄露的位置（图2）。接触压力结果表明，适当调整鼻夹能显著地降低呼吸防护口罩与面部之间的间隙大小，以及形成间隙的数量。

宽松口罩内部气流分布与鼻子（左图）附近的气流泄露；以及面部与口罩（右图）之间的间隙的流线

接下来，工程师使用Ansys Fluent进行了计算流体动力学（CFD）仿真，展示了佩戴宽松呼吸防护口罩与经过正确调整的呼吸防护口罩时气流和泄露量的差异。在CFD仿真中，将呼吸防护口罩按多孔材料进行建模，并使用真实的吸气和呼气流量设置边界条件。仿真显示了口罩边缘的周围存在气流泄露，佩戴宽松呼吸防护口罩的模型鼻部附近存在明显的气流泄露情况（图3）。相比之下，结果显示贴合性良好的呼吸防护口罩的边缘气流泄露较少。

结论

结构仿真显示，鼻夹能够调整呼吸防护口罩的贴合性，从而显著改善了口罩与佩戴者面部之间的接触度（接触面积增加了24.36%）。CFD仿真显示了空气沿口罩边缘（当有间隙时）溢出的量。这些结果共同表明具有良好的贴合性对呼吸防护口罩的有效性和保护自己与他人的生命至关重要。

而针对在医用口罩紧缺时期，可能有的人使用自制的、可重复利用的布口罩，作为降低COVID-19病毒传播风险的防护措施。通过仿真显示，布口罩是有可能抑制喷嚏和咳嗽产生的飞沫传播，消除更具危险性的较大飞沫所能到达的范围。

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