Les vidéos sur les flux d'air montrent clairement pourquoi les masques avec soupapes d'expiration ne ralentissent pas la propagation du COVID

Par National Institute of Standards And Technology (NIST)10 novembre 2020

Cette vidéo, créée à l'aide d'un système d'imagerie schlieren, montre la dynamique du flux d'air lors du port d'un masque N95 avec une soupape d'expiration (à gauche) et sans soupape d'expiration. La valve est conçue pour permettre à l'air de s'échapper sans être filtré. Les masques à valves ne ralentissent pas la propagation du COVID et ne doivent pas être portés à cette fin, selon le CDC. Crédit : Matthew Staymates/NIST

Many people wear masks in public to slow the spread of COVID-19First identified in 2019 in Wuhan, China, COVID-19, or Coronavirus disease 2019, (which was originally called "2019 novel coronavirus" or 2019-nCoV) is an infectious disease caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). It has spread globally, resulting in the 2019–22 coronavirus pandemic." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> COVID-19, tel que recommandé par les Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Cependant, les masques avec soupapes d'expiration ne ralentissent pas la propagation de la maladie, et maintenant, de nouvelles vidéos du National Institute of Standards and Technology (NIST) montrent pourquoi.

The videos, which show airflow patterns through masks with and without exhalation valves, were created by NIST research engineer Matthew Staymates. The videos were published, along with an accompanying research article, in the journal Physics of FluidsPhysics of Fluids is a monthly peer-reviewed scientific journal devoted to publishing original theoretical, computational, and experimental contributions to the understanding of the dynamics of gases, liquids, and complex or multiphase fluids. Established by the American Institute of Physics in 1958, Physics of Fluids is a preeminent journal covering fluid dynamics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Physique des Fluides.

Cette vidéo, créée à l'aide d'une technique de diffusion de la lumière, montre la dynamique du flux d'air lors du port d'un masque N95 avec une soupape d'expiration (à gauche) et sans soupape d'expiration (au centre). Les masques à valves ne ralentissent pas la propagation du COVID et ne doivent pas être portés à cette fin, selon le CDC. Crédit : Matthew Staymates/NIST

"Lorsque vous comparez les vidéos côte à côte, la différence est frappante", a déclaré Staymates. "Ces vidéos montrent comment les valves permettent à l'air de quitter le masque sans le filtrer, ce qui va à l'encontre de l'objectif du masque."

Les soupapes d'expiration, qui rendent les masques plus faciles à respirer et plus confortables, sont appropriées lorsque le masque est destiné à protéger le porteur. Par exemple, les masques à valve peuvent protéger les travailleurs de la poussière sur un chantier de construction ou les travailleurs hospitaliers des patients infectés.

The masks that the CDC recommends for slowing the spread of COVID, however, are mainly meant to protect people other than the wearer. They slow the spread of the disease by capturing exhaled droplets that might contain the virusA virus is a tiny infectious agent that is not considered a living organism. It consists of genetic material, either DNA or RNA, that is surrounded by a protein coat called a capsid. Some viruses also have an outer envelope made up of lipids that surrounds the capsid. Viruses can infect a wide range of organisms, including humans, animals, plants, and even bacteria. They rely on host cells to replicate and multiply, hijacking the cell's machinery to make copies of themselves. This process can cause damage to the host cell and lead to various diseases, ranging from mild to severe. Common viral infections include the flu, colds, HIV, and COVID-19. Vaccines and antiviral medications can help prevent and treat viral infections." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> virus. Même les personnes sans symptômes devraient porter des masques, selon le CDC, car il est possible d'être infecté mais de ne pas présenter de symptômes.

"Je ne porte pas de masque pour me protéger. Je le porte pour protéger mon voisin, car je pourrais être asymptomatique et propager le virus sans même le savoir", a déclaré Staymates. "Mais si je porte un masque avec une valve dessus, je n'aide pas."

Staymates est un expert des techniques de visualisation de flux qui lui permettent de capturer le mouvement de l'air devant la caméra. Ses recherches habituelles impliquent de nouvelles technologies pour détecter les explosifs et les stupéfiants dans les aéroports et les installations maritimes en reniflant les traces de ces matériaux dans l'air. Il a récemment tourné son expertise vers les masques pour aider à développer de nouvelles façons de mesurer et d'améliorer leurs performances.

Staymates a créé deux vidéos en utilisant différentes techniques de visualisation de flux. La première vidéo a été créée à l'aide de ce qu'on appelle un système d'imagerie schlieren, qui fait apparaître les différences de densité de l'air sur la caméra sous forme de motifs d'ombre et de lumière.

Avec un système d'imagerie schlieren, l'air expiré devient visible car il est plus chaud, et donc moins dense, que l'air ambiant. Cette vidéo ne montre que le mouvement de l'air lui-même, pas le mouvement des gouttelettes expirées dans l'air. À gauche, Staymates porte un masque respiratoire N95 avec une valve, qui permet à l'air expiré de s'écouler dans l'environnement sans être filtré. A droite, il n'y a pas de valve, et l'air passe à travers le masque, qui filtre la plupart des gouttelettes.

Staymates a créé la deuxième vidéo en utilisant une technique de diffusion de la lumière.

Pour la deuxième vidéo, Staymates a construit un appareil qui émet de l'air à la même vitesse et au même rythme qu'un adulte au repos, puis a connecté cet appareil à un mannequin. En remplacement des gouttelettes expirées, l'air transporte des gouttelettes d'eau dans une gamme de tailles typiques des gouttelettes que les gens émettent dans leur respiration lorsqu'ils expirent, parlent et toussent. Une lumière LED haute intensité derrière le mannequin illumine les gouttelettes en suspension dans l'air, ce qui les fait disperser la lumière et s'afficher brillamment sur la caméra.

Contrairement à la vidéo schlieren, cette vidéo montre le mouvement des gouttelettes dans l'air. À gauche, des gouttelettes s'échappent sans être filtrées par la valve d'un masque N95. Au milieu, il n'y a pas de valve et aucun souffle n'est visible car le masque a filtré les gouttelettes. A droite, aucun masque n'est porté.

L'utilisation d'un mannequin et d'un appareil respiratoire mécanique a permis à Staymates d'observer les modèles de flux d'air tout en maintenant le rythme respiratoire, la pression atmosphérique et d'autres variables.

De plus, les vidéos produites par diffusion de la lumière peuvent être analysées par un ordinateur d'une manière que les images schlieren ne peuvent pas. Staymates a écrit un code informatique qui a calculé le nombre de pixels lumineux dans la vidéo et l'a utilisé pour estimer le nombre de gouttelettes dans l'air. Ce n'est pas une vraie mesure du nombre de gouttelettes car la vidéo bidimensionnelle ne peut pas capturer ce qui se passe dans le volume d'air tridimensionnel complet. Cependant, les chiffres obtenus fournissent des tendances qui peuvent être analysées pour mieux comprendre la dynamique des flux d'air des différents types de masques.

Ce projet de recherche n'a examiné qu'un seul type de masque à valve ; différents types de masques à valve fonctionneront différemment. De plus, les masques qui ne sont pas bien ajustés permettront à un peu d'air de s'échapper autour du masque plutôt que de le filtrer. Cela peut également compromettre les performances du masque.

Mais l'effet principal des vannes est visible dans ces vidéos. Staymates espère que les vidéos aideront les gens à comprendre – en un coup d'œil – pourquoi les masques destinés à ralentir la propagation du COVID-19 ne devraient pas avoir de valves.

Référence : "Flow visualization of an N95 respirator with and without an exhalation valve using schlieren imaging and light scattering" par Matthew Staymates, 10 novembre 2020, Physics of Fluids.DOI : 10.1063/5.0031996