智能口罩在新型冠状病毒感染疫情防控中的应用

龚 之，应昀峰，姜 波*

（1.舟山市中医院康复科，浙江舟山 316000；2.浙江中医药大学研究生院，杭州 310053）

0 引言

口罩作为当前不可或缺的个人防护用品，在疫情防控中发挥着重要的作用[1]。目前，在公共场所和人员密集区域，科学佩戴口罩仍然是预防新型冠状病毒感染的重要措施。新型冠状病毒感染疫情期间，佩戴一次性医用口罩、医用外科口罩、N95、KN95 等口罩虽然可以起到一定程度的防护作用，但也引出了新的问题。如在佩戴口罩期间，使用者可能会出现供气不足、闷热等情况，也可能会增加医务人员在抢救病员时的疲劳度[2]。如患有呼吸功能障碍或年老体弱者，在长时间佩戴口罩进出公共场所或参与体育锻炼时，可能会因口罩透气性差危及其生命健康。新型冠状病毒总是让人防不胜防，在疫情防控期间，虽然人们按要求佩戴口罩出行，但仍有被感染风险，如在排队检测核酸过程中、与感染者乘坐同一班次交通工具以及所经过地点与感染者有时空交接时。而智能口罩在一定程度上能够解决上述问题[3-6]。本文通过回顾智能口罩在国内外疫情防控方面的相关文献和专利设计，探讨其在国内的研究现状和性能特点，总结其在疫情防控中的应用和未来发展趋势。

1 智能口罩的由来和性能特点

1.1 智能口罩的由来

2009 年，甲型H1N1 流感全球大流行，由于佩戴普通医疗类口罩防护效果不佳[7]，我国香港生物科技公司Filligen 研发出了世界上第一款智能口罩——BioMask[8]。该智能口罩依托一种“智能过滤”技术，能够主动探测并锁定病原体，然后在接触之后的几分钟内将其快速杀死[9]。近几年随着人工智能的快速发展，智能技术进一步应用于口罩的功能设计，智能口罩的功能呈现出多样化的特点，市场需求逐渐增多。

1.2 智能口罩与普通口罩在防疫中的应用对比

根据使用人群普通口罩可分为3 类：医疗类口罩、民用类口罩及工业用防护口罩。3 类口罩因执行标准不同，故作用亦有差异[10]。在新型冠状病毒感染疫情期间，与其他2 类口罩相比，医疗类口罩具有较好的防护优势，使用率最广，故本文只对医疗类口罩进行阐述说明。医疗类口罩可分为一次性使用医用口罩（如图1 所示）、医用外科口罩（如图2 所示）和医用防护口罩（如图3 所示）。而智能口罩作为新的防护产品，也发挥着不可替代的作用。

图1 一次性使用医用口罩

图2 医用外科口罩

图3 医用防护口罩

本文主要从口罩的性能特点、在疫情防控中的选择与使用2 个方面对医疗类口罩和智能口罩进行对比分析。

1.2.1 不同医疗类口罩的性能对比

不同医疗类口罩的性能特点不同[11-13]，各类口罩性能对比见表1。需要注意的是，KN95 口罩没有抗湿层，在密切接触患者时，需要加戴有抗湿层的外科口罩[14]。

表1 各类口罩性能对比

与普通口罩相比，智能口罩在功能设计上较为多样化，如可降低佩戴者呼吸负荷、改善呼吸，最终改善使用者的佩戴舒适度；可实时监测并反馈呼出气压；可实时监测体温和监测新型冠状病毒等。因此，智能口罩可适用于不同的人群和场所[15-17]。

当然，部分智能口罩对细菌和病毒的阻断效果也并不理想，因此，没有防护功能的智能口罩不适合病毒感染者、疑似感染者或发热门诊医护人员等高危环境人群佩戴使用。另外，智能口罩都是通过电动机供电，每次充电后续航时间不长，会给佩戴者带来限制和不便[10]。

1.2.2 疫情期间口罩的选择与使用

在新型冠状病毒感染疫情期间，佩戴口罩仍是最经济、有效、便捷的自我防护措施之一，但不同类型的口罩防疫功能不同，因此选择符合防疫标准的口罩十分重要，具体可根据国务院制定的《不同人群预防新型冠状病毒感染口罩选择和使用技术指引》选择与使用[18]。

智能口罩可分为2 类：一类无防疫功能[19-21]，佩戴时可以改善呼吸功能及监测呼出气压、湿度等，适用于有呼吸功能障碍或心肺功能差等人群，如有呼吸功能障碍或体育训练需佩戴口罩等人员；一类具有防疫功能[3，5，22]（如图4 所示），佩戴时可实时反馈使用者的体温、监测周围空气中的病毒等，适用于机场、海关入口、火车站等场所工作人员。

图4 可以监测体温的智能传感口罩[5]

1.3 新型冠状病毒感染疫情下智能口罩的优势

新型冠状病毒感染疫情肆虐全球至今，仍没有被完全控制。因此，佩戴口罩仍然是非常重要的自我防护措施之一[23]。但在日常佩戴口罩时也出现了各种新问题。如在天热时，口罩会出现佩戴不规范现象，口罩的密闭性、贴合性和防护效果均会受到影响。另外，对于一些患有心肺功能障碍的患者，佩戴口罩可能会加重呼吸问题，甚至危及生命健康[19]。

而选用智能口罩能在一定程度上解决上述问题。例如：具备主动送风功能的智能口罩[24]（如图5所示），佩戴时可以增加舒适度和改善呼吸功能；具备制冷[25]（如图6 所示）和恒温功能[26]的智能口罩，可以有效改善佩戴时出现的闷热感；有些智能口罩通过与辅助手环连接可以实时监测佩戴者的呼出气压，根据气压自动通过风扇提供足量空气[4，27]。另外，有些智能口罩除了具有普通口罩的防护功能外，还可以实时监测佩戴者的心率、体温、血氧饱和度等[28]。因此，与医疗类口罩相比，在新型冠状病毒感染疫情防控中，智能口罩不论是在功能设计还是实用性上都具有较大优势。

图5 具备主动送风功能的智能口罩[24]

图6 一种智能制冷口罩[25]

2 智能口罩在新型冠状病毒感染疫情防控中的应用

2.1 在体温监测方面

目前，各地医疗秩序和社会生产生活正逐步恢复中，虽然可能不会出现规模性疫情，但全球各地疫情仍存在局部零星散发现象，因此，戴口罩和及时的体温监测可以降低疫情传播的风险。为了有效防控疫情，国内外学者把思路转向口罩功能设计上，如Lazaro 等[29]设计了一款可以监测体温与呼吸频率的智能口罩（如图7 所示），该口罩采用无创双热流系统，由4 个用绝缘材料相互隔离的传感器组成。该系统还可根据测量的温度和呼吸频率实时反馈使用者口罩是否规范佩戴。王磊等[22]设计了一款智能防护口罩，该口罩不仅具有阻隔和过滤细菌、病毒等致病性微生物的功能，还可以通过口罩内置的体温测量预警装置自动对口罩使用者的体温进行测量，当使用者体温异常时，口罩可自动发出警报。

图7 可以监测体温和呼吸频率的智能口罩[29]

2.2 在气溶胶过滤方面

新型冠状病毒的主要传播途径之一是经呼吸道飞沫传播。有研究显示，普通人群如果长时间处于相对封闭的环境且同时暴露于高浓度气溶胶情况下，则存在被感染的风险[30]。Tanisali 等[31]的研究结果显示，不同类型的口罩材质不同，气溶胶的过滤效率也有所不同，因口罩贴合度不同，相同类型的口罩不同受试者佩戴，其过滤效率也有所不同。为了提高气溶胶过滤效率，Karam 等[32]开发了一款可防止新型冠状病毒在医疗场所内传播的新型气溶胶屏障口罩。该智能口罩可以阻拦气溶胶和飞沫颗粒，将它们阻拦在生物过滤器中，而且使用者佩戴期间可正常呼吸。Kalavakonda 等[23]设计了一款智能口罩（如图8 所示），可以有效阻止病毒经气溶胶传播。上述学者的设计理念是在口罩内置实时闭环控制系统，通过系统颗粒物传感器感知口罩周围不同大小的空气颗粒物，依靠压电驱动器产生的喷雾将口罩周围的气溶胶颗粒加载，使其迅速落到地面，可显著减少口罩周围的颗粒物数量，从而更有效地保护口罩佩戴者避免经气溶胶被病毒颗粒感染。但这些学者在研究结果中也指出，没有哪种口罩能够完全阻挡气溶胶颗粒的传播，条件允许下也应做好其他相应的防护措施，如注意手卫生、多保持通风状态、尽量不要去人群聚集处等。

图8 可以阻止病毒经气溶胶传播的智能口罩及气溶胶可视化实验装置[23]

2.3 在呼吸功能调节方面

在新型冠状病毒感染疫情期间，在公共场所佩戴口罩已经成为了共识。但在一些公共场合，经常可以看到有些人虽戴着口罩，但却不规范，如口罩没把鼻子遮住或把口罩直接戴挂在下巴上等，其原因主要是戴着口罩不舒服，透气性也不好。尤其是老年人或体质较弱人群，长时间佩戴口罩可能因供氧量不足而出现呼吸困难甚至影响其生命健康[33]。针对口罩舒适性、透气性差等问题，张丛楠等[34]设计了一款供气式可循环使用智能口罩。该口罩由智能模块组件和提醒装置2 个部分组成，可自动监测使用者在佩戴过程中的呼吸频率、氧气体积分数和过滤芯处的过滤效率，当过滤芯处过滤效率和氧气体积分数值异常时，口罩可自动发出亮灯提醒，并及时自动供气。祁华平[35]设计了一款智能口罩，可通过口罩内置的呼气单元，收集使用者在佩戴过程中的生理相关参数，并依据收集的信息对吸气单元的吸入空气量进行调节，从而提高使用者的呼吸流畅性和舒适性。

2.4 在新型冠状病毒监测方面

虽然医用防护口罩（如N95、KN95 等）在一定程度上能阻隔新型冠状病毒在空气中传播，但全民普及率和使用率并不高。人们使用率最高的还是普通医疗类口罩，如一次性医用口罩和外科口罩，但普通医疗类口罩对新型冠状病毒并不能起到有效阻隔作用。傅曦[3]设计了一款智能口罩，可以对口罩周围空气的病毒颗粒浓度自动进行检测，其工作原理为：当空气通过口罩外层的单向呼吸阀进入口罩前，同样位于口罩外层的新型冠状病毒检测传感器可对即将进入口罩内的空气进行新型冠状病毒颗粒浓度检测，当检测的浓度达到阈值时，智能口罩可通过无线模块自动将数据发送到使用者的手机App 中，并发出警报，提醒使用者。Pattanaik 等[36]提出一种可以杀死病毒的智能口罩概念，将远紫外-C 和一个基于纱线的加热器置于口罩内，通过一种可控的方式激活口罩内的控制系统，杀死吸入口罩内的病毒颗粒，从而阻隔病毒经空气传播给人。

3 展望

近些年，伴随大数据和人工智能等高新技术的深度融合，智能口罩的发展更加趋于数字化和多功能化。在国内外市场中，智能口罩的研究和应用热度持续高涨。未来的智能口罩研发主要将侧重于以下几个方面：（1）在智能口罩的材料应用方面，目前贴合面部的材料仍以熔喷布为主，而熔喷布以聚丙烯为主要原料，在生产的过程中可对环境造成不良的影响。因此，设计生产出较为绿色的原材料替代聚丙烯是今后智能口罩材料设计中亟待解决的问题。（2）在智能口罩的功能设计方面，相比于医疗类口罩，智能口罩在对颗粒物等的过滤效率上还有待优化。同时，未来如何将人工智能技术与智能口罩的功能设计相结合也是今后研究的热点之一，如设计出可实时翻译、可自动消毒重复利用、可变声等功能的智能口罩，从而在多方面满足市场的使用需求。

但是，智能口罩想要实现市场化与高普及率，也面临着一些问题，如与普通口罩相比，普及智能口罩的首要问题是口罩生产成本相对较高，因此，在当下，智能口罩并不能成为人们防疫的首选。鉴于智能口罩在防疫中的优势，在未来，如果在不影响智能口罩功能的同时降低其生产成本，则其市场前景非常广阔。另外，国内外不少智能口罩还停留在概念设计阶段，如De 等[37]提出的一种纳米辅助杀灭病原体的可重复使用智能口罩概念，如果该口罩能够生产，那么医护人员既可以省去更换口罩的烦恼，也可以防止患者和他人交叉感染的可能。因此，如果未来智能口罩能真正被产品化和量产化，将会有效解决现有口罩功能不全、特点单一、不能重复回收使用等问题，可大大地推动智能口罩市场的发展。

4 结语

目前，虽然新型冠状病毒感染疫情大流行迎来转折点，但病毒并未就此远去或消失，国内外疫情目前仍处于局部零星散发状态。因此，口罩仍然是非常有效且必要的防护用品之一。而智能口罩作为一款新兴的防护技术产品，除了拥有与普通医疗类口罩相似的功能外，还可以有效阻隔医务人员在有创操作过程中的组织血液、体液等液体飞溅物的传播，有效过滤空气中的气溶胶颗粒物，阻断病毒或致病菌通过空气传播的途径。另外，智能口罩还具有可重复利用性、较好的佩戴舒适性、可循环自动供气、可实时监测和反馈佩戴者的体温等功能特点。由于智能口罩的独特功能优势，以及科研人员不断将大数据与人工智能有效融入到智能口罩的设计中，使口罩更具个性化、精准化和功能的样化，未来，智能口罩将会被应用于越来越多的领域中。