Älä hengitä koronavirusta uudelleen: Uusia maskimalleja
Yaneer Bar-Yamin essee
Strategia koronavirustartuntojen vähentämiseksi on maskin käyttäminen. Tavallisen maskin käyttäminen voi kuitenkin johtaa tautiin sairastuneen tapauksessa siihen, että hän hengittää takaisin suuren määrän virushiukkasia. Tässä tarkastelemme sellaista tapaa maskien valmistamiseksi, jotta virushiukkasten hengittäminen uudelleen ei ole mahdollista julkisissa tiloissa kuin yleisemminkään. Huomaa, että oireettomat henkilöt voivat olla sairastuneita jo ennen oireiden ilmaantumista. Ei-hengittävä maski voi olla hyödyllinen myös heille tavallisten maskin sijaan.
Koronavirushiukkasten sisäänhengitys uudelleen voi olla haitallista sairastuneen kannalta, sillä se saattaa kiihdyttää koronavirustaudin kehittymistä. Infektiot johtuvat alun perin koronavirushiukkasten hengittämisestä tai virushiukkasten päätymisestä kasvoille ja/tai suoraan silmiin, suuhun tai nenään. Infektion asettuessa nenään tai keuhkoihin, virus monistuu ja hiukkasia aivastetaan, yskitään tai hengitetään ulos. Nämä hiukkaset voivat tartuttaa muita ihmisiä ja ne saattavat päätyä takaisin jo sairastuneeseen. Taudin eteneminen riippuu viruksen monistumisen ja immuunipuolustusjärjestelmän välisestä kilpailusta. Immuunipuolustus pyrkii tuhoamaan viruksen, joka puolestaan pyrkii lisääntymään. Virushiukkasten sisäänhengitys kasvattaa virusten määrää (viruskuormitus) ja voi johtaa uusiin infektioihin sairastuneen keuhkoissa. Tämä muistuttaa pitkän kantaman matkustusta yhteisöjen välillä. Itse asiassa tietokonetomografialla eli tietokonekerroskuvauksella voidaan havaita useita viruksen vahingoittamia keuhkoalueita.* Tartuntatapauksista 80 prosenttia on lieviä, joten virushiukkasten vähempi sisäänhengitys voi lisätä niiden ihmisten määrää, joiden taudinkuva pysyy vakaana; tällä tavoin ei välttämättä enää ilmene niin paljon vakavia tartuntatapauksia ja taudin kokonaisvaikutus vähenee.
Virushiukkasten uudelleenhengittämisen ja muiden altistumisen muotojen vähentämiseksi on olemassa monia eri tapoja. Suosituksiin kuuluvat muun muassa raikkaan ilman hengittäminen, toistuva käsienpesu, pintojen pyyhkiminen ja vaatteiden peseminen. HEPA-ilmansuodattimet voivat myös olla hyödyllisiä sekä päivällä että yöllä. Kohdennettu lähestymistapa on hengittää ulos yhteen suuntaan ja hengittää ulos toiseen suuntaan, erityisesti ulkona tai hengitettäessä ilmaa avoimen ikkunan kautta.
Ei-hengittävän maskin suunnitteluvaatimukset ovat seuraavat: ilmavirrat, suodattimet ja muut keinot, joilla vähennetään sen todennäköisyyttä, että yksilön ulos hengittämät, yskimät tai aivastamat virushiukkaset tulevat myöhemmin uudelleen sisäänhengitetyiksi.
Tarkastelemme monenlaisia maskeja ja erilaiset maskit sopivat eri käyttötarkoituksiin: (1) itse tehdyt maskimallit, (2) kotitekoiset kangasmaskit, (3) tavanomaisten kirurgisten maskien tai N95-hengityksensuojaiten muunnelmat ja (4) erikseen suunnitellut maskit. Eri maskit voivat olla hyödyllisiä erilaisten väestönosien kannalta. Tarkoituksenamme on sekä osoittaa muutamien yksinkertaisten ajatusten hyödyllisyys innovaatioprosessin parantamiseksi ja kiihdyttämiseksi.
Keskeinen periaate on mahdollistaa kaksikanavainen ilmavirta: sisäänhengitetty ilmavirta omaa suodatinkanavaa pitkin ja uloshengitetty omaa suodatinkanavaa pitkin. Tulo- eli sisäänhengityssuodatin estää virushiukkasten kulkeutumisen ulkopuolelta hengittäjän keuhkoihin, kun taas ulosvirtaussuodatin estää virushiukkasten kulkeutumisen muille ihmisille. Parannuksia voisivat olla: (a) sisään ja ulos kulkeutuvien ilmavirtojen ohjaaminen eri suuntiin ja/tai (b) mekanismi virushiukkasten tappamiseksi ulos- tai sisään hengitettäessä suolalla, saippualla tai kuparipinnoitetuilla suodattimilla tai esisuodatinhäkein. Jos ilman ulos- ja sisäänvirtaus erotetaan, viruksia tappava aine vahingoittaa vähemmän todennäköisesti keuhkoja. Parannuksia voidaan käyttää myös riippumattomasti virushiukkasten uudelleenhengittämisen vähentämiseksi.
Keskeinen suunnittelukysymys on, voidaanko ulos- ja sisäänvirtaus toteuttaa sekä nenän että suun kautta, mikä vaatisi yksisuuntaisia venttiilejä. Vaihtoehtoinen lähestymistapa on erottaa nenän ja suun erilaiset ilmavirrat toisistaan. Tässä tapauksessa ihmistä pitäisi opastaa hengittämään jatkuvasti nenän kautta sisään ja suun kautta ulos tai päinvastoin. Huomaamme, että koska koronavirukselle alttiita reseptoreita on erityisen paljon nenässä [2], nenä saattaa olla hyvin herkkä virushiukkasille. Sisäänhengitys suun kautta ja uloshengitys nenän kautta saattaa olla parempi ohje kuin tavanomainen ohje hengittää sisään ensisijaisesti sisään nenän kautta. Maskin suodatin voi korvata nenässä tapahtuvan ilmansuodatuksen. Ei-hengittävissä suodattimissa, jotka erottavat nenän ja suun toisistaan, raja voidaan ulottua ylähuulesta sivusuunnassa niin pitkälle, ettei ilma voi virrata sen ympärille.
Itse tehty maski — Ajattele mielessäsi kotitekoinen maski, huivi tai kasvosuoja. Kun olet asettanut maskin kasvoille, voit solmia sen pään ympäri tai asettaa kuminauhan niin, että se on kiinni ylähuulessa. Tämä nauha erottaa nenän ja suun väliset ilmavirrat jossain määrin. Toinen vaihtoehto on kääriä nenän ja suun ympärille erilliset kankaat.
Kotitekoinen (kangas)maski — Maskia, jossa on laskokset ja kaksi paria laskoksia maskin ylä- ja alaosassa, voidaan muokata lisäämällä siihen kolmas naru, joka asettaa maskin jännityksen juuri nenän alapuolelle. Tämä saattaa auttaa erottamaan ilmavirrat paremmin toisistaan.
Kirurginen maski — Käytä etukäteen kiinnitettyä liimanauhaa tai kaksipuolista teippiä maskin kiinnittämiseen ylähuuleen siten, että nenä ja suu muodostavat omat erilliset taskunsa.
Erikseen suunnitellut maskit — muunneltuihin N-95-maskeihin tai snorklausmaskeihin perustuviin malleihin voidaan käyttää yksisuuntaista ilmaventtiiliä (vastaventtiiliä) erillisin suodattimin tai saman suodattimen sisällä tapahtuvaan ulos- ja sisäänvirtauksen erottamiseen. Optimaalisesti ilmavirta kulkeutuu eri suuntiin, jotta tulo- ja poistoilma eivät sekoitu, esim. tuloilma imetään maskin yläosasta ja poistoaukko on maskin alaosassa.
Nämä ideat ovat ideoita ja todelliset toteutukset seuraavat perästä.
Huomaat, että jotkut N-95-henityssuojaimet mahdollistavat suodattamattoman ilman virrata venttiileistä ulos. Tällaisia maskeja ei saa käyttää koronavirustaudin tapauksessa, koska tällöin jo esioireiset yksilöt saattavat saastuttaa ympäristön.
Kiitos Tye Blazeylle ja Aaron Greenille hyödyllisistä kommenteista.
—
[1] Wölfel, R., Corman, V.M., Guggemos, W. ym. Virological assessment of hospitalized patients with COVID-2019. Nature (2020).
[2] Huang, S.COVID-19: Why we should all wear masks ? There is new scientific rationale, Medium (2020).
[*] Kohtuullisen hyvä kysymys on, onko ensisijainen leviämistapa hengitysilman kautta vai veriteitse. Yhdeksän sairaalahoitoa saaneen koronavirustartunnan saaneen potilaan tapaus osoittaa, että virus tunkeutuu lopulta vereen (serokonversio), mutta se tapahtui vasta seitsemän päivän kuluttua 50 prosentille potilaista ja kesti muissa tapauksissa 14 päivää. Viruksen leviäminen hengitysteitse jatkuu koko ajan ja jatkuu jo ennen oireiden ilmaantumista.
Suomennos Yaneer Bar-Yamin (Twitter) artikkelista “Don’t rebreath the coronavirus: New mask designs”. Artikkeli ilmestyi New England Complex Systems Instituten verkkosivuilla 3.4.2020.
Yaneer Bar-Yam on fyysikko, järjestelmätieteilijä ja New England Complex Systems Instituten perustaja. Hän on erikoistunut monimutkaisten järjestelmien tutkimukseen ja tehnyt tutkimusta lukuisilla eri tieteenaloilla aina materiaalitieteistä neuraaliverkkoihin.
Kirjoituksen on suomentanut Thomas Brand (Twitter).
