La visualisation montre comment les écrans faciaux (et certains masques N95) ne parviennent pas à arrêter la propagation du COVID

Par Florida Atlantic University9 septembre 2020

(Cliquez sur l'image pour une vue complète.) Bien que les écrans faciaux bloquent le mouvement initial vers l'avant du jet, les gouttelettes expulsées se déplacent autour de la visière avec une relative facilité et se répandent sur une grande surface en fonction des perturbations ambiantes légères. Crédit : Collège d'ingénierie et d'informatique de la Florida Atlantic University

L'étude de visualisation du FAU College of Engineering and Computer Science illustre pourquoi les écrans faciaux seuls ne fonctionnent pas.

If the United States Centers for Disease Control and Prevention (CDC) guidelines aren't enough to convince you that face shields alone shouldn't be used to stop 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, alors peut-être qu'une nouvelle étude de visualisation le fera.

Pour sensibiliser le public à l'efficacité des écrans faciaux seuls ainsi que des masques faciaux avec soupapes d'expiration, des chercheurs du College of Engineering and Computer Science de la Florida Atlantic University ont utilisé des visualisations qualitatives pour tester la façon dont les écrans faciaux et les masques avec soupapes empêchent la propagation des gouttelettes de la taille d'un aérosol. L'utilisation publique généralisée de ces alternatives aux masques ordinaires pourrait avoir un effet négatif sur les efforts d'atténuation.

For the study, just published 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, les chercheurs ont utilisé la visualisation des flux dans un environnement de laboratoire en utilisant une feuille de lumière laser et un mélange d'eau distillée et de glycérine pour générer le brouillard synthétique qui constituait le contenu d'un jet de toux. Ils ont visualisé des gouttelettes expulsées de la bouche d'un mannequin tout en simulant la toux et les éternuements. En plaçant un écran facial en plastique et un masque facial classé N95 avec une valve, ils ont pu cartographier les trajectoires des gouttelettes et démontrer leurs performances.

Pour démontrer les performances de l'écran facial, les chercheurs ont utilisé une feuille laser horizontale en plus d'une feuille laser verticale révélant comment les gouttelettes traversent le plan horizontal. Non seulement les chercheurs ont observé la propagation vers l'avant des gouttelettes, mais ils ont également constaté que les gouttelettes se propageaient également dans le sens inverse. Crédit : Collège d'ingénierie et d'informatique de la Florida Atlantic University

Les résultats de l'étude montrent que bien que les écrans faciaux bloquent le mouvement initial du jet vers l'avant, les gouttelettes expulsées se déplacent autour de la visière avec une relative facilité et se répandent sur une grande surface en fonction des perturbations ambiantes légères. Les visualisations du masque facial équipé d'un orifice d'expiration indiquent qu'un grand nombre de gouttelettes traversent la valve d'expiration sans être filtrées, ce qui réduit considérablement son efficacité en tant que moyen de contrôle à la source.

"D'après cette dernière étude, nous avons pu observer que les écrans faciaux sont capables de bloquer le mouvement initial vers l'avant du jet expiré, cependant, les gouttelettes aérosolisées expulsées avec le jet sont capables de se déplacer autour de la visière avec une relative facilité", a déclaré Manhar Dhanak, Ph.D., directeur du département, professeur et directeur de SeaTech, co-auteur de l'article avec Siddhartha Verma, Ph.D., auteur principal et professeur adjoint; et John Frankenfeld, un professionnel technique, tous au sein du Département de génie océanique et mécanique de la FAU. "Au fil du temps, ces gouttelettes peuvent se disperser sur une large zone dans les directions latérale et longitudinale, mais avec une concentration de gouttelettes décroissante."

Les chercheurs ont également testé un masque facial classé N-95 avec des soupapes d'expiration et ont découvert que l'orifice d'expiration réduisait considérablement l'efficacité du masque en tant que moyen de contrôle de la source, car un grand nombre de gouttelettes traversaient la soupape sans être filtrées et sans entrave. Crédit : Collège d'ingénierie et d'informatique de la Florida Atlantic University

Pour démontrer les performances de l'écran facial, les chercheurs ont utilisé une feuille laser horizontale en plus d'une feuille laser verticale révélant comment les gouttelettes traversent le plan horizontal. Non seulement les chercheurs ont observé la propagation vers l'avant des gouttelettes, mais ils ont également constaté que les gouttelettes se propageaient également dans le sens inverse. Notamment, les écrans faciaux entravent dans une certaine mesure le mouvement vers l'avant des gouttelettes expirées, et les masques à valves le font dans une moindre mesure. Cependant, une fois libérées dans l'environnement, les gouttelettes de la taille d'un aérosol se dispersent largement en fonction des perturbations ambiantes légères.

Comme le masque facial classé N-95 utilisé dans cette étude, d'autres types de masques tels que certains masques à base de tissu disponibles dans le commerce sont également équipés d'un à deux orifices d'expiration, situés de chaque côté du masque facial. Le masque facial classé N95 avec la valve d'expiration utilisé dans cette étude avait une petite quantité de gouttelettes expirées qui s'échappaient de l'espace entre le haut du masque et l'arête du nez. De plus, l'orifice d'expiration a considérablement réduit l'efficacité du masque en tant que moyen de contrôle de la source, car un grand nombre de gouttelettes traversaient la valve sans être filtrées et sans entrave.

Visualisation de la propagation des gouttelettes lorsqu'un masque N95 équipé d'un orifice d'expiration est utilisé pour empêcher le jet sortant. Crédit : Siddhartha Verma, Manhar Dhanak, John Frankenfield

"Il y a une tendance croissante des gens à remplacer les masques en tissu ou chirurgicaux ordinaires par des écrans faciaux en plastique transparent ainsi qu'à utiliser des masques équipés de soupapes d'expiration", a déclaré Verma. "Un facteur déterminant pour cette adoption accrue est un meilleur confort par rapport aux masques ordinaires. Cependant, les écrans faciaux ont des lacunes notables le long du fond et des côtés, et les masques avec orifices d'expiration comprennent une valve unidirectionnelle qui limite le flux d'air lors de l'inspiration, mais permet une libre sortie d'air. L'air inhalé est filtré à travers le matériau du masque, mais le souffle expiré passe à travers la valve sans être filtré."

Les chercheurs affirment que la principale conclusion de cette dernière étude montre que les écrans faciaux et les masques avec soupapes d'expiration peuvent ne pas être aussi efficaces que les masques faciaux ordinaires pour limiter la propagation des gouttelettes aérosolisées. Malgré le confort accru qu'offrent ces alternatives, ils disent qu'il peut être préférable d'utiliser des masques en tissu ou chirurgicaux bien construits et de haute qualité qui sont de conception simple, au lieu d'écrans faciaux et de masques équipés de soupapes d'expiration. L'adoption publique généralisée des alternatives, au lieu des masques ordinaires, pourrait potentiellement avoir un effet négatif sur les efforts d'atténuation en cours contre le COVID-19.

"Les recherches menées par les professeurs Dhanak et Verma sur l'importance de se couvrir le visage pour arrêter la propagation du COVID-19 ont littéralement illuminé le monde", a déclaré Stella Batalama, Ph.D., doyenne du Collège d'ingénierie et d'informatique de la FAU. "Alors que le besoin de couvre-visage est largement accepté, il y a une tendance croissante de personnes qui remplacent les masques en tissu ou chirurgicaux ordinaires par des écrans faciaux en plastique transparent et par des masques équipés de soupapes d'expiration. Cette dernière recherche fournit des preuves importantes pour soutenir davantage les directives du CDC et informer le public de faire de meilleurs choix dans leur choix de couvre-visage pour leur bénéfice et pour la sécurité publique. "

Référence : "Visualizing droplet dispersal for face shields and Masks with exhalation valves" par Siddhartha Verma, Manhar Dhanak et John Frankenfield, 1er septembre 2020, Physics of Fluids.DOI : 10.1063/5.0022968