一种可更换过滤组件的口罩设计

徐庆俊，张菀桐，刘丽娜

医用口罩按性能特点及适用范围可分为医用防护口罩、医用外科口罩和普通医用口罩。医用防护口罩适用于医务人员和相关工作人员对经空气传播的呼吸道传染病的防护，是一种密合性自吸过滤式医疗防护用品，防护等级最高，尤其适用于诊疗活动中接触经空气传播或经近距离飞沫传播的呼吸道感染疾病患者时佩戴。医用外科口罩适用于医务人员或相关人员的基本防护，以及在有创操作过程中阻止血液、体液和飞溅物传播的防护，防护等级中等，具有一定的呼吸防护性能。普通医用口罩用于阻隔口腔和鼻腔呼出的喷溅物，可用于普通医疗环境下的一次性卫生护理，防护等级最低。在日常生活和从事基本医疗活动时最常用到的普通医用口罩和医用外科口罩在使用中均存在着消耗量大，更换频繁和密闭性差等问题，为此我们根据临床需要针对医用口罩进行了重新的设计。

1 需求分析

目前的平面口罩通常具有三层，由内而外依次为吸湿层、过滤层和阻水层，其中过滤层通常采用熔喷布，在使用时平面口罩贴在脸上，特别是会贴在口鼻处，口罩与面部之间空间小，长时间佩戴呼吸不畅，且对于平面口罩来说，能够实现过滤的部分仅在口鼻正对的区域，其余的部分虽然也具有过滤功能，但呼吸的空气难以经过，致使除口鼻处其余的过滤结构均造成浪费。同时随着佩戴时间的增加，平面口罩的密封性能及过滤性能均会出现衰减，在连续佩戴4 h后平面口罩基本就会丧失密封性及过滤性能，从而使佩戴者在疫情中的风险急剧增加。本文针对一次性防护口罩的缺点，研究了一种可更换过滤组件的口罩，提供能够重复利用的主体结构，只需更换尺寸较小的过滤芯，避免浪费，且口罩不会贴在口鼻处，始终保持具有良好的呼吸空间。口罩上的密封垫能长时间保持密封性，且在连续佩戴2 h～4 h后，更换滤芯，持续保持口罩的高效的过滤性能，更好的保护佩戴者。

2 装置设计

2.1原理 这种可更换过滤组件的口罩内的支撑骨架为仿形设置，可仿动物口鼻处整体形状，只要保证除边缘外位置均与面部具有一定距离，实现较大的呼吸空间，见图1。盖环与支撑骨架将过滤芯夹持固定，限位凸起和限位凹槽可将盖环与支撑骨架进行固定，避免自动脱落。多个限位凹槽进行圆周分布可减小安装和拆卸盖环所需用的力，方便拆装。

图1 可更换过滤组件的口罩的侧视图（2.过滤芯；11.密封垫；12.耳带）

图2 支撑骨架的部分结构示意图（3.支撑骨架；13.通气口；31.横杆；32.纵杆）

2.2总体结构 这种可更换过滤组件的口罩，包括硬质的支撑骨架，支撑骨架向前隆起，由硬质塑料制成，其中有若干条纵横交错的横杆和纵杆，见图2。其边缘设置有密封垫，骨架上开设有通气口，外表面设置阻水层，内表面设置有吸湿层，见图3。通气口处设置有可拆卸的盖环，盖环与支撑骨架之间夹持有过滤芯，过滤芯与盖板和支撑骨架之间为分体结构。

2.3主要部件 这种可更换过滤组件的口罩可采用耳带或头带连接在支撑骨架上进行佩戴。对应通气口处的侧壁上设置有限位凹槽，盖环的侧壁上设置有与限位凹槽配合的限位凸起。限位凹槽设置有若干个，沿圆周均匀分布。当然也可以是支撑骨架上具有限位凸起，而在盖环上具有限位凹槽，或者支撑骨架上既具有限位凸起，也具有限位凹槽，此时只要盖环上相应的位置设置限位凹槽和限位凸起即可。盖环的两侧分别为紧压面和操作面，操作面的一侧设置有外凸缘，外凸缘与支撑骨架之间留有操作缝隙。操作缝隙用以方便佩戴者对盖环向外施力，以便用手顺利的将其取下。支撑骨架对应通气口处设置有内凸缘，盖环的紧压面与内凸缘之间形成夹持缝，过滤芯位于夹持缝内，见图4及图5。内凸缘与通气口的侧壁之间形成台阶，过滤芯装于台阶上，并通过盖环的紧压面压紧固定，可以无需将过滤芯夹在盖环与通气口的侧面之间。内凸缘设置于支撑骨架朝向外侧的一面上，即操作面位于口罩内侧，在佩戴时无需担心盖环被异物刮到而掉落，在拆装过滤芯时由内侧操作。口罩中的吸湿层和阻水层可采用与现有技术口罩中相同的材质，过滤芯则根据需要采用相应防护级别的材质。其中密封垫采用硅胶制成，在佩戴时硅胶与面部具有良好的贴合性，能够自动形变补充缝隙，保持良好的密封效果。

图3 阻水层、支撑骨架和吸湿层的层结构示意图（3.支撑骨架；4.吸湿层；5.阻水层）

图4 盖环和过滤芯未装入支撑骨架上的示意图（2.过滤芯；3.支撑骨架；6.盖环；13.通气口；33.限位凹槽；34.内凸缘；61.限位凸起；62.外凸缘）

图5 盖环和过滤芯装入支撑骨架上的示意图（2.过滤芯；3.支撑骨架；6.盖环；63.操作缝隙）

3 讨 论

与现有的口罩技术相比，这种可更换过滤组件的口罩具有以下几方面优点：（1）节约制作材料及成本，可根据需要更换过滤芯，每次更换的废弃过滤芯体积/面积只有普通一次性平面口罩的1/10，极大减少浪费。（2）更换过滤芯操作简便。（3）可实现良好的密封效果，也具备舒适性。佩戴时，支撑骨架边缘的密封垫接触佩戴者的脸部，硬质支撑骨架会使得整个口罩的主体部分不会贴近口鼻处，保留一定的呼吸空间，通过通气口处的过滤芯实现与外界的空气交换。（4）可做应急使用。在一次性口罩供应不足的情况下，可更换过滤组建的口罩提供了一种短期替代方案。