MIT-Ingenieure entwickeln Sensoren für Gesichtsmasken, die dabei helfen, die Passform zu messen

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Das Tragen einer Maske kann dazu beitragen, die Ausbreitung von Viren wie SARS-CoV-2 zu verhindern. Die Wirksamkeit einer Maske hängt jedoch davon ab, wie gut sie sitzt.

Derzeit gibt es keine einfachen Möglichkeiten, den Sitz einer Maske zu messen, aber ein neuer am MIT entwickelter Sensor könnte es viel einfacher machen, einen guten Sitz sicherzustellen. Der Sensor, der den physischen Kontakt zwischen der Maske und dem Gesicht des Trägers misst, kann an jeder Art von Maske angebracht werden.

Mithilfe dieses Sensors analysierten die Forscher die Passform von OP-Masken bei männlichen und weiblichen Probanden und stellten fest, dass die Masken insgesamt viel weniger genau auf die Gesichter von Frauen passen als auf die Gesichter von Männern.

„Bei der Analyse unserer gesammelten Daten der Personen in der Studie haben wir festgestellt, dass die Masken, die wir im täglichen Leben verwenden, für weibliche Teilnehmer nicht sehr geeignet sind“, sagt Canan Dagdeviren, LG Career Development Professor für Medienkunst und -wissenschaften am MIT und der korrespondierende Autor der Studie.

Die Forscher hoffen, dass ihr Sensor den Menschen hilft, Masken zu finden, die besser zu ihnen passen, und dass Designer damit Masken erstellen könnten, die zu einer größeren Vielfalt an Gesichtsformen und -größen passen. Der Sensor kann auch zur Überwachung von Vitalfunktionen wie Atemfrequenz und Temperatur sowie von Umgebungsbedingungen wie Luftfeuchtigkeit verwendet werden.

Die Studie ist eine Zusammenarbeit zwischen Dagdevirens Labor; Siqi Zheng, STL-Champion-Professor für Stadt- und Immobiliennachhaltigkeit in der Abteilung für Stadtstudien und -planung; und Tolga Durak, Geschäftsführerin der MIT-Programme für Umwelt, Gesundheit und Sicherheit. Jin-Hoon Kim, Postdoc am MIT, ist der Hauptautor des Artikels, der heute in Nature Electronics erscheint.

Passformqualität

Die Forscher begannen mit der Arbeit an diesem Projekt, bevor das Tragen von Masken während der Covid-19-Pandemie üblich wurde. Ihre ursprüngliche Absicht bestand darin, in Masken eingebettete Sensoren zu verwenden, um die Wirksamkeit des Maskentragens in Gebieten mit hoher Luftverschmutzung zu messen. Als die Pandemie jedoch begann, erkannten sie, dass ein solcher Sensor weitreichendere Anwendungen haben könnte.

Da während der Pandemie so viele verschiedene Arten von Masken zur Verfügung standen, dachten die Forscher, dass diese Art von Sensor nützlich sein könnte, um Einzelpersonen dabei zu helfen, die für sie am besten passende Maske zu finden. Derzeit besteht die einzige Möglichkeit, den Maskensitz zu messen, darin, ein Gerät namens „Masken-Fit-Tester“ zu verwenden, das den Maskensitz durch Vergleich der Luftpartikelkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Gesichtsmaske bewertet. Diese Art von Maschine ist jedoch nur in spezialisierten Einrichtungen wie Krankenhäusern verfügbar, die sie zur Beurteilung der Maskentauglichkeit für medizinisches Personal einsetzen.

Das MIT-Team wollte ein benutzerfreundlicheres, tragbares Gerät zur Messung des Maskensitzes entwickeln. Dagdevirens Labor, die Conformable Decoders-Gruppe, ist auf die Entwicklung flexibler, dehnbarer Elektronik spezialisiert, die auf der Haut getragen oder in Textilien integriert werden kann, um Signale vom Körper zu erkennen.

„In diesem Projekt wollten wir sowohl biologische als auch Umweltbedingungen gleichzeitig überwachen, wie Atemmuster, Hauttemperatur, menschliche Aktivitäten, Temperatur und Luftfeuchtigkeit innerhalb der Gesichtsmaske sowie die Position der Maske, einschließlich der Frage, ob Menschen sie richtig tragen oder.“ nicht“, sagt Kim. „Wir wollten auch die Passformqualität überprüfen.“

Um ihre Sensoren in Gesichtsmasken zu integrieren, entwickelten die Forscher ein Gerät, das sie als anpassungsfähige multimodale Sensor-Gesichtsmaske (cMaSK) bezeichnen. Sensoren, die eine Vielzahl von Parametern messen, sind in einen flexiblen Polymerrahmen eingebettet, der reversibel an der Innenseite jeder Maske an den Rändern befestigt werden kann.

Um die Passform zu messen, verfügt der cMaSK über 17 Sensoren am Rand der Maske, die die Kapazität messen. Mithilfe dieser Sensoren kann festgestellt werden, ob die Maske an jeder dieser Stellen die Haut berührt.

Die cMaSK-Schnittstelle verfügt außerdem über Sensoren zur Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck, die Aktivitäten wie Sprechen und Husten erkennen können. Ein Beschleunigungsmesser im Gerät kann erkennen, ob sich der Träger bewegt. Alle Sensoren sind in ein biokompatibles Polymer namens Polyimid eingebettet, das in medizinischen Implantaten wie Stents verwendet wird.

Die Forscher testeten die cMaSK-Schnittstelle in einer Gruppe von fünf Männern und fünf Frauen. Alle Probanden trugen chirurgische Masken, und die Forscher überwachten die Messwerte der Sensoren, während die Teilnehmer verschiedene Aktivitäten ausführten, beispielsweise Sprechen, Gehen und Laufen. Sie testeten die Sensoren auch unter verschiedenen Temperaturbedingungen.

Anhand der von den Kapazitätssensoren gewonnenen Daten erstellten die Forscher einen maschinellen Lernalgorithmus, um die Passformqualität der Maske für jeden Probanden in der Studie zu berechnen. Diese Messungen ergaben, dass die Passform der Maske bei Frauen aufgrund der unterschiedlichen Gesichtsform und -größe deutlich schlechter war als bei Männern. Allerdings könnte die Passform für Frauen durch das Tragen kleinerer OP-Masken leicht verbessert werden. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Passform der Maske bei einem der männlichen Probanden mit Bart schlecht war, was zu Lücken zwischen der Maske und der Haut führte.

Um ihre Ergebnisse zu überprüfen, arbeiteten die Forscher auch mit dem Büro für Umwelt, Gesundheit und Sicherheit des MIT an der Gestaltung und Bewertung der Anpassung zusammen und stellten fest, dass die Anpassungsergebnisse für jeden Studienteilnehmer denen, die sie mit dem cMaSK ermittelt hatten, sehr ähnlich waren.

Maßgeschneiderte Passform

Die Forscher hoffen, dass ihre Ergebnisse Maskenhersteller dazu ermutigen werden, Masken zu entwerfen, die zu einer Vielzahl von Gesichtsformen und -größen passen, insbesondere zu Frauengesichtern. Dagdevirens Labor plant, an der Massenproduktion und dem groß angelegten Einsatz der cMaSK-Schnittstelle zu arbeiten.

„Wir hoffen, über Möglichkeiten nachzudenken, Masken zu entwerfen und die beste Passform für den Einzelnen zu finden“, sagt Dagdeviren. „Wir haben verschiedene Schuhgrößen und Sie können Ihre Schuhe sogar individuell anpassen. Warum können Sie Ihre Maske also nicht individuell gestalten und gestalten, für Ihre eigene Gesundheit und zum Nutzen der Gesellschaft?“

Die Forscher hoffen auch, zu ihrer ursprünglichen Idee zurückkehren zu können, die Auswirkungen der Luftverschmutzung auf Menschen zu untersuchen, die im Freien arbeiten.

„Unsere Technologie kann wirklich dabei helfen, die sozialen Kosten dieser Umweltgefahren zu quantifizieren und auch den Nutzen jeder Art von politischer Intervention zu messen“, sagt Zheng.

Die Forschung wurde vom MIT Media Lab Consortium, dem 3M Non-Tenured Faculty Award und dem MIT International Science and Technology Initiative (MISTI) Global Fund finanziert.

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