การทดสอบประสิทธิภาพหน้ากากอนามัยชนิดต่างๆในการป้องกัน COVID-19

         ในเดือนกันยายน ค.ศ. 2020 เป็นเวลาเกือบ 1 ปีนับจากการเริ่มระบาดของโรคติดเชื้อไวรัสโคโรนา 2019 (COVID-19) สร้างความเสียหายเป็นวงกว้างทั้งในแง่เศรษฐกิจ การดำเนินชีวิตและชีวิตของผู้คนทั่วทั้งโลก ในกลางเดือนกันยายน ค.ศ. 2020 ทั่วโลกมีผู้ติดเชื้อมากกว่า 30 ล้านคนและเสียชีวิตไปแล้วมากกว่า 9.5 แสนคน คำแนะนำจากองค์การอนามัยโลกในการพยายามหยุดยั้งการแพร่ระบาดของไวรัสนี้คือมาตรการเว้นระยะห่างทางสังคมและการสวมหน้ากากอนามัยเมื่อออกมายังที่สาธารณะ เนื่องมาจากไวรัสโคโรนาสายพันธุ์ใหม่ (SARS-CoV-2) มีระยะฟักตัวที่ค่อนข้างนานและอัตราการแพร่เชื้อสูง ประมาณการกันว่าผู้ป่วยที่ติดเชื้อประมาณร้อยละ 35 ไม่ได้แสดงอาการของโรคอย่างชัดเจน การสวมหน้ากากอนามัยจึงมีความจำเป็นเพื่อป้องกันการแพร่กระจายของ SARS-CoV-2 ซึ่งแพร่กระจายไปพร้อมกับฝอยละอองที่มีขนาดใหญ่ (droplet) ที่อาจมาพร้อมกับการไอ การจาม การหายใจ การพูดคุยหรือการสัมผัส จริงๆแล้วการสวมหน้ากากอนามัยยังช่วยลดการแพร่ระบาดของเชื้อไวรัสและแบททีเรียที่ทำให้เกิดโรคต่างๆเช่น ไข้หวัด ไข้หวัดใหญ่ วัณโรค เป็นต้น แต่หน้ากากอนามัยสามารถป้องกันเชื้อโรคต่างๆได้อย่างไร และประสิทธิภาพการป้องกันของหน้ากากอนามัยแต่ละชนิดเป็นอย่างไร เรื่องนี้น่าสนใจและมีความสำคัญเพื่อเราจะได้เข้าใจและป้องกันการแพร่ระบาดของ COVID-19 ได้อย่างมีประสิทธิภาพ


         Siddhartha Verma และคณะได้ตีพิมพ์บทความชื่อ “Visualizing the effectiveness of face masks in obstructing respiratory jets” ลงในวารสาร Physics of Fluids เมื่อวันที่ 30 มิถุนายน ค.ศ. 2020 เพื่อทดสอบประสิทธิภาพหน้ากากอนามัยชนิดต่างๆ จุลชีพก่อโรค (pathogen) มาพร้อมกับฝอยละอองขนาดใหญ่ (droplet) จากระบบทางเดินหายใจของมนุษย์ซึ่งอาจแพร่ไปสู่ผู้ที่มีสุขภาพดีเป็นการติดต่อโดยตรงหรือไปปนเปื้อนกับวัสดุต่างๆและผู้ที่มีสุขภาพดีไปสัมผัสทำให้เกิดการติดต่อ หรือถ้าฝอยละอองมีขนาดเล็กมากๆมันสามารถล่องลอยอยู่ในอากาศได้ยาวนาน นี่อาจทำให้เกิดการติดต่อโรคผ่านทางอากาศ (airborne transmission) ได้ เมื่อผู้มีสุขภาพดีได้หายใจรับเชื้อเข้าไป ถึงแม้ผู้แพร่เชื้อจะได้ออกจากบริเวณดังกล่าวไปนานแล้ว


          เส้นผ่านศูนย์กลางของฝอยละอองขนาดใหญ่มีความสำคัญมากต่อคุณสมบัติการเคลื่อนที่ของมัน ปรกติแล้วมันมีขนาดในช่วง 1-500 ไมโครเมตร โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยคือประมาณ 10 ไมโครเมตร ฝอยละอองขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 100 ไมโครเมตรนั้นพบว่าประพฤติตนตามกฎของฟิสิกส์ โดยมีการเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ (projectile motion คือมีการเคลื่อนที่ของวัตถุในแนวเส้นโค้งพาราโบลา ประกอบด้วยการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งและแนวระดับที่เป็นอิสระต่อกัน การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งเป็นการเคลื่อนที่ภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลกเพียงแรงเดียว หรือการตกแบบเสรี ซึ่งมีความเร่งคงตัวมีค่าเท่ากับความเร่งโน้มถ่วง ส่วนการเคลื่อนที่ในแนวระดับไม่มีแรงกระทำ จึงเป็นการเคลื่อนที่ที่มีความเร็วคงตัว วัตถุที่เคลื่อนที่ในลักษณะดังกล่าวนี้เรียกว่า โพรเจกไทล์) โดยมีเรื่องของแรงต้านของอากาศพลศาสตร์มาเกี่ยวข้องด้วย (aerodynamic drag) ฉะนั้นอนุภาคเหล่านี้จะอยู่ในอากาศไม่นานมากนักก็จะตกสู่พื้น ขณะที่ฝอยละอองขนาดใหญ่ปานกลางจะสามารถเคลื่อนที่ไปได้ไกลกว่า และสุดท้ายฝอยละอองขนาดใหญ่หรืออนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 5-10 ไมโครเมตร อันตรายมากที่สุดเพราะสามารถอยู่ในอากาศได้ยาวนานมากและสามารถแพร่ไปได้ระยะทางไกล เมื่อฝอยละอองขนาดใหญ่แพร่สู่อากาศแล้วจะเกิดการระเหยที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับขนาดของมัน ความชื้นและอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม ฝอยละอองขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กมากๆนั้นอาจจะระเหยไปหมดคงเหลือไว้แต่อนุภาคขนาดเล็กที่เป็นจุลชีพก่อโรคที่เราเรียกมันว่าคือแกนกลางฝอยละอองขนาดใหญ่ (droplet nuclei) ซึ่งมันจะเป็นแหล่งการแพร่เชื้อที่ดีมากเพราะมันสามารถอยู่บนอากาศได้ยาวนาน เมื่อผู้มีสุขภาพดีสูดอนุภาคนี้เข้าไปแล้วมันสามารถเข้าไปในบริเวณทางเดินอากาศหายใจได้ลึกและเพิ่มโอกาสการติดเชื้อมากขึ้นแม้จะสูดอนุภาคนี้เข้าไปไม่มากก็ตาม


         ในขั้นตอนการทบทวนวรรณกรรมจากวิจัยต่างๆพบว่า การสวมหน้ากากอนามัยนั้นไม่สามารถป้องกันการแพร่เชื้อได้อย่างสมบูรณ์แบบ เพราะหน้ากากอนามัยก็ยังมีช่องว่างที่ปิดไม่สนิทขณะที่สวมใส่และอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากๆสามารถป้องกันได้ยากกว่า แต่งานวิจัยต่างๆพบว่าการสวมหน้ากากอนามัยสามารถป้องกันการแพร่เชื้อจากฝอยละอองขนาดใหญ่ได้ อย่างไรก็ตามฝอยละอองขนาดใหญ่มีปริมาณน้อยกว่าอนุภาคขนาดเล็กที่มาจากระบบทางเดินหายใจของมนุษย์ โดย Siddhartha Verma และคณะพบว่าหน้ากากอนามัยแต่ละชนิดต่างก็มีประสิทธิภาพที่ต่างกันโดยได้ทำการทดลองโดยใช้ศีรษะหุ่นจำลองมนุษย์สูงประมาณ 172 cm ตามความสูงเฉลี่ยมนุษย์เพศชาย โดยต่อเครื่องกำเนิดควันโดยต่อกับปั๊มเพื่อไว้ติดตามการเคลื่อนที่ของอนุภาคจำลองการไอของมนุษย์ ส่งไปยังท่อมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2 cm แทนขนาดปากของมนุษย์ขณะไอ โดยผ่านหน้ากากอนามัยชนิดต่างๆ โดยควันหรือหมอกที่สังเกตได้นั้นประกอบด้วยฝอยละอองขนาดใหญ่ของของเหลวที่ระเหยที่เทียบได้กับฝอยละอองขนาดใหญ่จากการไอของมนุษย์ที่มีอนุภาคขนาดประมาณ 1-10 ไมโครเมตร            เมื่อจำลองการไออย่างรุนแรงโดยไม่สวมหน้ากากอนามัยจากผลการทดลองแสดงภาพภาคตัดขวางในสองมิติพบว่า อนุภาคสามารถเคลื่อนที่ไปได้ไกลกว่า 6 ฟุต (182 cm)  โดยอนุภาคสามารถไปได้ไกลถึง 12 ฟุต (364 cm) ภายในระยะเวลา 50 วินาที โดยอนุภาคส่วนใหญ่จะตกถึงพื้นที่ระยะทางนี้ และอนุภาคสามารถอยู่ในอากาศได้ถึง 3 นาทีในสภาพอากาศที่ไม่มีลม โดยจากการทดลองยังพบว่าจำนวนและความเข้มข้นของอนุภาคนั้นจะลดลงตามระยะทางที่ไกลขึ้น นี่เองคือเหตุผลเบื้องหลังการรักษาระยะห่างทางสังคม โดยในการทดลองยังทดลองเปรียบเทียบประสิทธิภาพของหน้ากากอนามัยชนิดต่างๆโดยเปรียบเทียบวัสดุที่ใช้ จำนวนเส้นใยต่อนิ้ว และระยะทางเฉลี่ยที่อนุภาคเคลื่อนที่ตามตารางที่ 1  จากการทดลองพบว่าหน้ากากอนามัยแบบ Stitched mask ที่ทำมาจากวัสดุ quilting cotton มีประสิทธิภาพที่สุดอนุภาคสามารถเคลื่อนที่ไปได้เฉลี่ย 2.5 นิ้ว (6.35 cm) เทียบกับการไม่สวมหน้ากากอนามัยที่อนุภาพเคลื่อนที่ไปได้เฉลี่ยถึงประมาณ 8 ฟุต (243 cm) การทดลองยังพบอีกว่าจำนวนเส้นใยต่อนิ้วบางครั้งที่มากก็ไม่ได้หมายความว่าจะป้องกันได้ดีกว่าเสมอไป โดยมันยังขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุที่นำมาใช้ ขนาดของช่องว่างเล็กๆของหน้ากากอนามัย โดยการสวมหน้ากากอนามัยสามารถช่วยลดได้ทั้งความเร็วและระยะทางของอนุภาคที่เคลื่อนที่ได้อย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตามพบว่ายังมีรอยรั่วของการแพร่บริเวณที่ติดกับบริเวณใบหน้าซึ่งอาจสามารถป้องกันได้โดยการสวมหน้ากากอนามัยที่กระชับและพอดีกับรูปทรงของร่างกายผู้สวมใส่           สถานการณ์ในประเทศไทยในตอนนี้ ณ เดือน กันยายน ค.ศ. 2020 นับว่าสามารถรับมือกับ COVID-19 ได้ดีมากเมื่อเทียบกับประเทศอื่นๆทั่วโลก เป็นที่น่าสังเกตว่าในบางประเทศมีกลุ่มของผู้คนที่ทำการประท้วงการสวมหน้ากากอนามัยโดยบ้างก็เชื่อว่าไม่มีโรคระบาดเกิดขึ้นจริงๆ บ้างก็เชื่อว่าหน้ากากอนามัยไม่สามารถป้องกันการแพร่เชื้อได้ แต่จากงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์จำนวนมากและงานวิจัยชิ้นนี้ การทดลองพบว่าการสวมหน้ากากอนามัยตามคำแนะนำขององค์การอนามัยโลกสามารถช่วยป้องกันแพร่เชื้อได้และจากงานวิจัยนี้พบว่าหน้ากากอนามัยแต่ละชนิดมีประสิทธิภาพต่างกันแต่ต่างก็สามารถช่วยป้องกันการแพร่เชื้อได้ ซึ่งการสวมหน้ากากอนามัยในที่สาธารณะและการเว้นระยะห่างทางสังคมจะช่วยลดการแพร่เชื้อได้ สุดท้ายผู้เขียนหวังว่าด้วยความรู้จากการทดลองวิทยาศาสตร์และการร่วมมือร่วมใจปฏิบัติตามคำแนะนำของผู้คนในสังคม เราจะสามารถผ่านพ้นวิกฤตการณ์นี้ไปได้ในที่สุด

 

อ้างอิง

• Verma, S., Dhanak, M., & Frankenfield, J. (2020). Visualizing the effectiveness of face masks in obstructing respiratory jets. Physics of Fluids, 32(6), 061708.
• Nicas, M., Nazaroff, W. W., & Hubbard, A. (2005). Toward understanding the risk of secondary airborne infection: emission of respirable pathogens. Journal of occupational and environmental hygiene, 2(3), 143-154.
• https://phys.org/news/2020-06-mask-materials-droplets.html
• https://www.ucsf.edu/news/2020/06/417906/still-confused-about-masks-heres-science-behind-how-face-masks-prevent