Экспериментальная проверка эффективности марлевых масок

Прошедшая эпидемия гриппа вынудила обратить внимание на использование марлевых масок как средства защиты от заражения. Предположение о воздушно-капельном распространения гриппа подсказало многим идею ношения лицевых масок для борьбы с распространением инфекции, соответствующие меры были приняты во многих городах и посёлках, главным образом в Калифорнии. К сожалению, для рационального обоснования таких мер не многое было известно о характеристиках марлевых масок, которым те должны удовлетворять, хотя в течение 1918 года вышло четыре или пять статей, посвященных защитным эффектам масок. Одна из них описывала снижение числа заражений среди медицинских сестёр больницы Дюранд [Чикаго, штат Иллинойс] при использовании двухслойных марлевых масок (качество не указано) — Weaver G. H. “The value of the face mask and other measures in prevention of diphtheria, meningitis, pneumonia, etc.” («Значение масок и прочих мер в борьбе с дифтерией, менингитом, пневмонией и другими»), JAMA, 1918, 70(2):76–78. Заболеваемость скарлатиной и бессимптомной дифтерией заметно снизилась, но результаты в некоторой степени обесценены тем, что эксперимент не был контролируемым; сравнивались два периода, в одном носили маски, а в другом — нет. В лагере Кэмп Грант [штат Иллинойс] маски применялись для предотвращения инфекции в полевых госпиталях и среди пациентов, когда они временно покидали свой бокс — Capps J. A. “A new adaptation of the face mask in control of contagious disease” («Новое применение лицевой маски в борьбе с заразными болезнями»), JAMA, 1918, 70(13):910–911. В статье не упоминается ни качество масок, ни количество слоёв марли, нет иллюстраций или конкретных сравнений. Автор лишь заключает, что после начала применения масок не было случаев скарлатины, а до этого было шесть. Несколько бактериологических экспериментов были проведены для определения защитных свойств различных типов марли и числа слоёв — Haller D. A., Caldwell R. C. “The protective qualities of the gauze face mask: experimental studies” («Защитные свойства марлевых масок: экспериментальные исследования»), JAMA, 1918, 71(15):1213–1215. Авторы обнаружили, что для предотвращения посева колоний на чашу с агаром при кашле необходимы 300 прядей на дюйм (сумма продольных и поперечных волокон, умноженная на число слоёв), когда маска закрывала рот кашляющего, и 220 прядей — если маска закрывала чашу. Они не привели подробных таблиц и не учитывали рассеяние с краёв маски или вдыхание воздушно-капельной смеси через марлю. Несколько экспериментов были проведены с использованием Bacillus prodigiosus [бактерия Serratia marcescens, «Чудесная палочка»] во рту кашляющего — Doust B. C., Lyon A. B. “Face masks in infections of the respiratory tract” («Роль лицевых масок в респираторных инфекциях»), JAMA, 1918, 71(15):1216–1219. Было обнаружено, что колонии бактерий легко проходили через 10 слоёв крупной и средней марли, но не через 3 слоя мелкой. Эти результаты противоречат предыдущей работе, где семи слоёв средней марли было достаточно. О защите масками самих чаш не сообщалось.

Если мы признаём грипп воздушно-капельной инфекцией, то, казалось бы, ношение масок является надёжно обоснованной мерой, которая должна была иметь результаты.

Исследования, проведённые департаментом статистики болезней министерства здравоохранения штата Калифорния, не показали никакого влияния масок на распространение гриппа в тех города, где ношение масок было обязательным, и потому министерство было вынуждено взять курс на поощрение ношения масок, но не на принуждение к нему. Маски были обязательными только при определённых обстоятельствах при известных контактах с болезнью, а носить или не носить маски поголовно отдельные сообщества могли решать самостоятельно.

Причина очевидной неудачи с масками стала предметом спекуляций среди эпидемиологов, поскольку многие из нас долгое время верили, что воздушно-капельные инфекции можно легко контролировать с их помощью. Эта неудача вызвала разочарование, так как за первым экспериментом в Сан-Франциско наблюдали с интересом и надеждой, что в случае обоснования необходимости ношения масок, желаемый результат был бы достигнут. Всё оказалось иначе. Вопреки ожиданиям, маски использовались широко и охотно, но также вопреки ожиданиям, никакого влияния на эпидемическую кривую замечено не было. Что-то определённо было неправильным в наших предположениях.

Мы были склонны объяснять неудачу ошибками в использовании масок, а не каким-либо фундаментальным просчётом в теории. Соответственно, 31-й выпуск Бюллетеня министерства здравоохранения обращал внимание на определённые сложности, возникшие там, где ставка на победу над гриппом делалась на обязательное ношение масок. [см.  Kellogg W. H. “Influenza, a study of measures adopted for the control of the epidemic” («Анализ мер борьбы с эпидемией гриппа»), Sacramento, California State Printing Office, 1919]. Эти сложности включали:

Во-первых, использование большого количества неправильно сделанных масок.

Во-вторых, небрежное ношение масок, в том числе ношение слишком маленьких масок, закрывающих только нос или только рот, курение при ношении масок и прочее.

В-третьих, неуместное ношение масок. Там где ношение было обязательным, оно имело место на публике, на улицах, в трамваях, и других местах, где в маске не было необходимости, но где за её отсутствие мог последовать арест. Маска откладывалась в сторону как только человек пропадал из поля зрения полиции, например в частных офисах или на всевозможных небольших собраниях. Обычное общение между друзьями или коллегами на таких встречах создаёт благоприятные условия для передачи вируса. Если вирус передаётся воздушно-капельным путём, то собрания, где люди разговаривают друг с другом, безусловно должны быть более опасными, чем скопления незнакомцев путь даже в таких местах, как церкви или театры. Однако такие, казалось бы, исчерпывающие объяснения не удовлетворили нас. Мы сочли необходимым если не списывать маски со счетов окончательно, то получить более подробные сведения об особенностях их использования и недостатках. Если марлевые маски действительно полезны как защита против определённых инфекций, было бы досадно, если бы их бесконтрольное использование во время гриппа настроило против них критические и научные умы. Наличие такой опасности подтверждается многочисленными письмами, полученными от видных санитарных работников со всей страны. Таким образом, было решено провести серию экспериментов, чтобы продемонстрировать наконец какой тип масок должен быть использован против воздушно-капельных инфекций, и какую степень защиты от них можно ожидать.

Целью настоящей статьи является изложение этих экспериментов с уверенностью в их достаточной полноте, насколько это позволяют сугубо лабораторные методы. Будущие контролируемые эксперименты в инфекционных больницах должны прояснить такие вопросы, как заражение через глаза, руки и т. д.

Все известные нам предыдущие лабораторные эксперименты упустили некоторые особенности практического применения масок, которые могут иметь важное значение для понимания реальных фактов. Мы догадались, что простое гравитационное осаждение микроорганизмов через слои марли, натянутые над чашей Петри, совершенно не соответствует естественным условиям активного дыхания через маску.

Другой вероятный источник ошибок, который мы хотели исследовать, — это возможность прохождения воздушно-капельной смеси по краям маски и попадания в ноздри без фильтрации. Бо́льшая часть длинной серии предварительных экспериментов будет пропущена без подробностей, не представляя значительного интереса, но являясь важной основой для дальнейших действий.

Первая идея, которая, как и другим, пришла нам голову, — это кашель с различных расстояний на чаши, как открытые так и закрытые марлей. Вскоре была обнаружена необходимость в искусственном усилении выделений, которое было достигнуто впрыскиванием в рот и горло кашляющего суспензии Bacillus prodigiosus. Также после многих попыток было решено отказаться от естественного кашля в силу невозможности соблюдения какого-либо единообразия. Число частиц от раза к разу отличалось чрезвычайно. Следовательно, контрольные замеры обесценивались, и между отдельными экспериментами наблюдались нежелательные отличия.

Для наиболее полной имитации реальных условия дыхания через марлю была собрана камера из стеклянной чаши глубиной \(2\frac12\) и диаметром \(4\frac34\) дюйма со шлифованными краями, которая накрывалась стеклянной крышкой, имеющей круглую канавку для плотного прилегания к чаше.

При использовании, герметизированная парафином крышка служила низом устройства, а в днище чаши, которое было верхом, имелось круглое отверстие диаметром \(1\frac12\) дюйма. (Смотри иллюстрацию 1.) Сбоку у чаши проделывалось небольшое отверстие диаметром полдюйма для присоединения отсасывающий трубки. Открытые чаши Петри помещались внутрь камеры на больших кусках пробки, хорошо видных на иллюстрации, напротив больших верхних отверстий, которые могут быть закрыты марлей или оставлены открытыми по желанию.

В ранних экспериментах мы использовали прямые и изогнутые переходники для крепления марлевых масок, но позже отказались от них и помещали марлю непосредственно над отверстием камеры. При использовании таких переходников, показанном на иллюстрации 2, было обнаружено значительное снижение числа проходящих через них бактерий по сравнению с прямым доступом к входным отверстиям. Большее снижение наблюдалось с изогнутыми переходниками, что говорит о том, что трубки с несколькими изгибами могут препятствовать проникновению бактерий так же, как марлевый фильтр.

Таблица выше представляет пример результатов, полученных с помощью устройства, установленного на расстоянии четырёх футов перед кашляющим, носящим шестислойную маску с плотностью сетки 40 на 17 прядей на дюйм во второй серии измерений. Кроме чаш Петри под каждым переходником, прямым и изогнутым, четыре чаши помещались снаружи камеры: спереди, сзади и по сторонам.

После многочисленных попыток было решено, что естественный кашель слишком переменчив и ненадёжен, и протестированы несколько атомизаторов с разными давлениями, а также обычная спринцовка. Пример результатов:

Атомизатор DeVilbiss 15.
Солевая суспензия 48-часовой культуры Bacillus prodigiosus.
Чаши в камерах.
Вакуумный насос присоединён к камерам вместо помощника, делающего вдох через трубки.

В следующем эксперименте в попытке получения более равномерного распределения использовалась суспензия B. prodigiosus в лёгком парафиновом масле, так как солевая суспензия часто давала слишком плотный посев, затрудняя подсчёт КОЕ:

Маска из марли 20 на 17 прядей на квадратный дюйм — 6 слоёв.
Атомизатор — DeVilbiss 15.
Давление — сжатый воздух из трубки, примерно 40 фунтов.
Культура — B. prodigiosus, выращенная за 48 часов в парафиновом масле, распыляемая в течении 30 секунд, и осаждаемая в течение \(4\frac12\) минут.
Инкубация — 24 часа, 37 °C.

* Примерное количество.

Многие подробности этих экспериментов не представляют интереса и не приведены в данной статье, представлены только существенные факты.

В качестве иллюстрации опущенных деталей мы бы упомянули многочисленные эксперименты по подбору подходящего давления и времени экспозиции; эксперименты, в ходе которых были забракованы небулайзеры вроде DeVilbiss 49. Приведён последний из экспериментов по определению оптимального давления и расстояний.

Суспензия 48-часовой культуры B. prodigiosus в фильтрованном масле.
Давление — 43 фунта.
Атомизатор — DeVilbiss 15.
Время — только включение и отключение, 5-минутное ожидание оседания.
Распыление сравнимое с чиханием.
Насос подключен к каждой камере во время распыления и оседания.
Производительность вытяжки насколько возможно соответствовала обычному вдоху.
Входные отверстия камер не закрыты марлей.

Такой же, как эксперимент IV, только с марлей плотностью 24 на 18 прядей на квадратный дюйм, закрывающей входные отверстия камер.
Число слоёв — 6.
Расстояние от атомизатора — 5 футов.

Такой же, как предыдущий, но с выдержкой в три, а не пять минут.

Суспензия в фильтрованном масле — 48-часовая культура B. prodigiosus.
Давление — 43 фунта.
Атомизатор — DeVilbiss 15.
Время — только включение и выключение с 5-минутным осаждением.
Вытяжка — 25 фунтов в камерах во время распыления и осаждения.
Марля — 42 на 44 пряди на квадратный дюйм.

Такой же, как предыдущий, но с 3-минутным осаждением.

Суспензия в фильтрованном масле — 48-часовая культура B. prodigiosus.
Давление — 43 фунта.
Атомизатор — DeVilbiss 15.
Время — только включение и выключение с 5-минутным осаждением.
Вытяжка в камерах во время распыления и осаждения.
Марля — 60 на 72 пряди на квадратный дюйм.

В экспериментах V и VI было обнаружено, что средняя марля, а именно 24 на 28 прядей, не обладает заметным сдерживающим эффектом вплоть до восьми слоёв, что согласуется с наблюдениями в экспериментах Дауста и Лайона, в которых десять слоёв такой марли были проницаемы для кашля. Эксперименты VII, VIII и IX более интересны, поскольку в них участвует мелкая и сверхмелкая марля. Халлер и Колдвэлл обнаружили, что 220 прядей (продольных плюс поперечных, умноженных на число слоёв) на дюйм над чашами Петри практически останавливают прохождение организмов, а Дауст и Лайон заключили, что три слоя сверхмелкой марли были бы достаточны для фильтрации B. prodigiosus. Они не указывают плотность марли, но предположительно она соответствует плотности 42 на 44 прядей в наших экспериментах VII и VIII, в которых, при наличии имитирующей дыхание вытяжки, даже пять слоёв были недостаточными для уменьшения числа проникновений настолько, чтобы маски имели значение. Более того, наш эксперимент IX с наиболее плотной и качественной марлей 60 на 72 прядей на дюйм продемонстрировал, что при вдыхании воздушно-капельной смеси через маску для заметной фильтрации необходимы четыре слоя марли, через которые чрезвычайно трудно дышать, что оставляет любую надежду на приемлемые результаты на практике.

Следующая серия экспериментов была посвящена выяснению возможности прохождения воздушно-капельной смеси мимо маски, а не сквозь неё, а также имитации других физических условий, связанных с ношением масок. В этим экспериментах, для максимально близкого моделирования естественных условий ношения масок людьми, использовались искусственные носы, сделанные из парафина.

Иллюстрация 3 демонстрирует эти искусственные носы присоединёнными к стеклянным камерам, внутри которых расположены чаши Петри непосредственно за выходными отверстиями в парафине.

Были опробованы различные сочетания с моделями. В эксперименте X, с целью определения возможности просачивания по краям маски, в дополнении к обычному носу был задействован нос без ноздрей. Таблица результатов показывает задерживающее влияние носовых проходов, поскольку число КОЕ больше там, где воздух проходит в камеру напрямую, а не через нос.

Суспензия в фильтрованном масле — 48-часовая культура B. prodigiosus.
Давление — 43 фунта.
Атомизатор — DeVilbiss 15.
Время — только включение и выключение с 3-минутным осаждением.
Вытяжка во время распыления и осаждения.
Марля — 60 на 72 пряди на квадратный дюйм.
Большая камера — с двумя отверстиями — одно накрытое восковым носом с ноздрями; другое открытое с носом без ноздрей над отверстием.
Расстояние от атомизатора — 5 футов.
Камеры установлены вертикально.

Другая заметная особенность этого эксперимента заключается в слабой зависимости результатов от количества слоёв марли в пределах, приемлемых с точки зрения комфорта.

Эксперимент XI (см. изображение 4 и таблицу I) был проведён с несколькими слоями и типами марли. Из результатов первой серии измерений видно, что эффективность фильтрации увеличивается с увеличением числа слоёв марли, особенно когда воздух вынужденно проходит через маску (столбец C) и не может обогнуть её с краёв, как это происходит с надетой на нос маской (столбец A).

Суспензия в фильтрованном масле — 48-часовая культура B. prodigiosus.
Давление — 43 фунта.
Атомизатор — DeVilbiss 15.
Время — только включение и выключение с 3-минутным осаждением.
Вытяжка во время распыления и осаждения.
Марля — 60 на 72 пряди на квадратный дюйм в первой серии и 24 на 28 во второй.
Расстояние от атомизатора — 5 футов.
Вытяжка во всех камерах во время распыления и осаждения.
Камеры установлены вертикально.

Однако разница не очень существенна, что указывает на активное вдыхание как на главную причину неэффективности масок. Та же таблица показывает, что пять слоёв мельчайшей марли, которые невозможно было бы комфортно использовать, эффективны лишь на 57%.

1. Марлевые маски обладают определённым задерживающим влиянием на количество вдыхаемых капель, содержащих бактерии.

2. Это влияние можно регулировать числом слоёв марли и её плотностью.

3. Когда маска имеет достаточную плотность, чтобы оказать полезное фильтрующее влияние, дыхание становится затруднённым, и воздушно-капельная смесь обходит маску по краям.

4. Эта утечка по краям и энергичное дыхание сквозь маску достаточны для того, чтобы её эффективности не превышала 50 процентов.

5. Будущие контролируемые эксперименты в инфекционных больницах должны определить, является ли ношение достаточно удобных масок эффективным средством снижения числа инфицирований. [Первые эксперименты были проведены в 2006 году.]

6. Маски не продемонстрировали такой степени эффективности, которая бы оправдывала их обязательное применение для борьбы с эпидемиями.