Los videos de flujo de aire muestran claramente por qué las máscaras con válvulas de exhalación no reducen la propagación de COVID

Por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) 10 de noviembre de 2020

Este video, creado con un sistema de imágenes Schlieren, muestra la dinámica del flujo de aire cuando se usa una máscara N95 con válvula de exhalación (izquierda) y sin válvula de exhalación. La válvula está diseñada para permitir que el aire escape sin filtrar. Las máscaras con válvulas no ralentizan la propagación de COVID y no deben usarse para ese propósito, según los CDC. Crédito: 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, según lo recomendado por los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC). Sin embargo, las máscaras con válvulas de exhalación no ralentizan la propagación de la enfermedad, y ahora, nuevos videos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) muestran por qué.

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"}]">Física de Fluidos.

Este video, creado con una técnica de dispersión de luz, muestra la dinámica del flujo de aire cuando se usa una máscara N95 con válvula de exhalación (izquierda) y sin válvula de exhalación (centro). Las máscaras con válvulas no ralentizan la propagación de COVID y no deben usarse para ese propósito, según los CDC. Crédito: Matthew Staymates/NIST

"Cuando comparas los videos uno al lado del otro, la diferencia es sorprendente", dijo Staymates. "Estos videos muestran cómo las válvulas permiten que el aire salga de la máscara sin filtrarlo, lo que anula el propósito de la máscara".

Las válvulas de exhalación, que hacen que las máscaras sean más cómodas y más fáciles de respirar, son apropiadas cuando la máscara está destinada a proteger al usuario. Por ejemplo, las mascarillas con válvula pueden proteger a los trabajadores del polvo en una obra de construcción o a los trabajadores de hospitales de los pacientes infectados.

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. Incluso las personas sin síntomas deben usar máscaras, según los CDC, porque es posible infectarse pero no mostrar síntomas.

“No uso una máscara para protegerme. La uso para proteger a mi vecino, porque podría ser asintomático y propagar el virus sin siquiera saberlo”, dijo Staymates. "Pero si uso una máscara con una válvula, no estoy ayudando".

Staymates es un experto en técnicas de visualización de flujo que le permiten capturar el movimiento del aire en la cámara. Su investigación habitual involucra nuevas tecnologías para detectar explosivos y narcóticos en aeropuertos e instalaciones de envío mediante la detección de rastros de esos materiales en el aire. Recientemente dirigió su experiencia hacia las máscaras para ayudar a desarrollar nuevas formas de medir y mejorar su rendimiento.

Staymates creó dos videos utilizando diferentes técnicas de visualización de flujo. El primer video se creó usando lo que se conoce como un sistema de imágenes schlieren, que hace que las diferencias en la densidad del aire se muestren en la cámara como patrones de sombras y luces.

Con un sistema de imágenes Schlieren, el aire exhalado se vuelve visible porque es más cálido y, por lo tanto, menos denso que el aire circundante. Este video solo muestra el movimiento del aire en sí, no el movimiento de las gotas exhaladas en el aire. A la izquierda, Staymates lleva una máscara de respiración N95 con una válvula, que permite que el aire exhalado fluya al ambiente sin filtrar. A la derecha, no hay válvula y el aire pasa a través de la máscara, que filtra la mayoría de las gotas.

Staymates creó el segundo video utilizando una técnica de dispersión de luz.

Para el segundo video, Staymates construyó un aparato que emite aire a la misma velocidad y ritmo que un adulto en reposo, luego conectó ese dispositivo a un maniquí. Como sustituto de las gotas exhaladas, el aire transporta gotas de agua en una variedad de tamaños típicos de las gotas que las personas emiten en el aliento al exhalar, hablar y toser. Una luz LED de alta intensidad detrás del maniquí ilumina las gotas en el aire, lo que hace que dispersen la luz y se muestren brillantes en la cámara.

En contraste con el video de Schlieren, este video muestra el movimiento de las gotas en el aire. A la izquierda, gotitas escapan sin filtrar a través de la válvula de una máscara N95. En el medio, no hay válvula y no se ve respiración porque la máscara ha filtrado las gotas. A la derecha, no se usa máscara.

El uso de un maniquí y un aparato de respiración mecánica permitió a Staymates observar los patrones del flujo de aire mientras mantenía constante la frecuencia respiratoria, la presión del aire y otras variables.

Además, los videos producidos por la dispersión de la luz pueden ser analizados por una computadora de una manera que las imágenes schlieren no pueden. Staymates escribió un código de computadora que calculó la cantidad de píxeles brillantes en el video y lo usó para estimar cuántas gotas había en el aire. Esta no es una medida real de la cantidad de gotas porque el video bidimensional no puede capturar lo que sucede en el volumen de aire tridimensional completo. Sin embargo, los números resultantes brindan tendencias que se pueden analizar para comprender mejor la dinámica del flujo de aire de los diferentes tipos de máscaras.

Este proyecto de investigación analizó solo un tipo de máscara con válvula; los diferentes tipos de máscaras con válvula funcionarán de manera diferente. Además, las máscaras que no son ajustadas permitirán que escape algo de aire alrededor de la máscara en lugar de filtrarse a través de ella. Esto también puede comprometer el rendimiento de la máscara.

Pero el efecto principal de las válvulas es visible en estos videos. Staymates espera que los videos ayuden a las personas a comprender, de un vistazo, por qué las máscaras destinadas a frenar la propagación de COVID-19 no deberían tener válvulas.

Referencia: "Visualización de flujo de un respirador N95 con y sin válvula de exhalación usando imágenes schlieren y dispersión de luz" por Matthew Staymates, 10 de noviembre de 2020, Physics of Fluids.DOI: 10.1063/5.0031996