ISO 13138:2012
(Main)Air quality — Sampling conventions for airborne particle deposition in the human respiratory system
Air quality — Sampling conventions for airborne particle deposition in the human respiratory system
ISO 13138:2012 specifies sampling conventions to define idealized samplers for estimating the deposition of non-volatile, non-hygroscopic, non-fibrous aerosols in five specific loci of the respiratory tract. The five loci consist of the anterior and posterior areas of the nasal passages, the ciliated and non-ciliated parts of the tracheobronchial area, and the alveolar (gas exchange) region. The conventions are separated into three independent sampling efficiencies defined in terms of thermodynamic diameter characterizing the diffusive (Brownian) motion of sub-micrometre particles and four efficiencies in terms of aerodynamic diameter 0,1 μm characterizing deposition by impaction, interception or gravitational settling. Each conventional curve has been developed as an average of 12 deposition curves corresponding to 12 breathing conditions ranging from sitting to heavy exercise, male vs female, and breathing mode (mouth vs nasal breathing).
Qualité de l'air — Conventions de prélèvement de particules aéroportées en fonction de leur dépôt dans les voies respiratoires humaines
La présente Norme internationale spécifie les conventions de prélèvement destinées à définir les dispositifs de prélèvement idéaux pour estimer le dépôt des aérosols non volatils, non hygroscopiques et non fibreux dans cinq régions spécifiques des voies respiratoires. Ces cinq régions sont les secteurs antérieurs et postérieurs des voies nasales, les parties ciliées et non ciliées de la région trachéo-bronchique et la région alvéolaire (d'échange gazeux). Les conventions sont différenciées en trois efficacités de prélèvement indépendantes définies en termes de diamètre thermodynamique caractérisant le mouvement (brownien) de diffusion des particules sub‑micrométriques et en quatre efficacités en termes de diamètre aérodynamique > 0,1 μm c aractérisant le dépôt par impact, par interception ou par gravité. Chaque courbe conventionnelle a été développée en faisant la moyenne de 12 courbes de dépôt correspondant à 12 conditions respiratoires faisant la distinction entre l'état assis et l'exercice intense, les hommes et les femmes et les différents modes de respiration (par la bouche ou par les narines). NOTE Le dépôt est calculé selon un modèle développé par la Commission internationale de radioprotection (ICRP, Référence [3]).
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Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13138
First edition
2012-01-15
Air quality — Sampling conventions for
airborne particle deposition in the human
respiratory system
Qualité de l’air — Conventions de prélèvement de particules
aéroportées en fonction de leur dépôt dans les voies respiratoires
humaines
Reference number
©
ISO 2012
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Principle . 3
4.1 General . 3
4.2 Rationale for the early penetration conventions (EN 481 and ISO 7708) . 4
4.3 Need for particle deposition conventions . 4
4.4 Intended application . 4
5 Assumptions and approximations . 4
6 Deposition sampling conventions . 5
Annex A (informative) Deposition variation and its correction .10
Bibliography .16
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International
Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 13138 was prepared by Technical Committee ISO/TC 146, Air quality, Subcommittee SC 2, Workplace
atmospheres.
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Introduction
Aerosols comprise disperse systems of particles, liquid or solid, inorganic or organic, anthropogenic or natural
in origin. They are found in all working and living environments, indoors or outdoors. The range of aerosol types
is vast. Many can be hazardous to humans when exposure occurs by inhalation, leading to a wide range of
diseases, depending on where inhaled particles are deposited in the respiratory tract. Many specific diseases
such as asthma, bronchitis, emphysema, pneumoconiosis (including coal workers’ pneumoconiosis, silicosis
and asbestosis), and lung cancer are all known to be associated with aerosol exposures by inhalation. Protection
of workers and the general public therefore requires meaningful standards by which such exposures may be
regulated. The emergence of such standards goes back to the beginning of the 1900s, and has accelerated
in the decades running up to the publication of this International Standard with increasing awareness of the
associations between exposures and disease, along with better understanding of the nature of aerosols and
exposures to them. Even very early on, the particle-size role in the penetration of particles into, and deposition
within, the respiratory tract has been acknowledged. Based on a large body of research that has been conducted
since 1960 and before, understanding of the role of particle size in the distribution of and deposition of particles
in the various regions of the respiratory tract has led to the stipulation of particle size-selective curves that
provide guidelines for the performance of sampling instruments, of the type widely used by occupational and
environmental hygienists, that may be used to measure exposures in a way that is directly relevant to any of
the health effects of interest.
The original conventions, based on experimental data from carefully controlled inhalation studies with human
volunteers, were expressed as curves describing penetration to the region of interest as a function of particle
size, latterly (since the 1960s) in terms of the metric known as particle aerodynamic diameter in the size range
extending from 0,5 μm to 100 μm. These conventions led to the emergence of samplers for collecting the inhalable,
thoracic, and respirable mass fractions of ambient airborne particles, in both working and living environments,
although the conventions are not restricted solely to mass sampling. The conventions were deliberately set
up conservatively in view of the large inter- and intra-person variation and with full acknowledgement that the
actual deposition of particles (and hence true exposure) differs from penetration, e.g. to or within the alveolar
region of the lung and other scenarios, especially when there are particularly fine aerosols. From the outset,
therefore, it was to be expected that correlations between disease and exposure might be somewhat limited.
However, such an approach readily paved the way for aerosol scientists to develop reasonably simple samplers
or monitors whose performance could adequately match the conventions of interest.
With the current availability of large amounts of information on aerosol particle deposition in the human
respiratory tract, with ongoing development of more advanced and truly representative sampling instruments,
and with research into health-effect determinants such as deposited particle surface area (as opposed to
mass), the establishment of conventions that allow for more direct estimations of actual deposition is now
justified. This International Standard provides conventions for samplers intended to represent fractions of
inhaled aerosol particles actually depositing in specific areas of the respiratory system. The particle size range
is extended below 0,1 μm where deposition is dominated by diffusion (Brownian motion).
Whether these new conventions will in fact lead to significantly improved correlation between exposure and
disease is, at the time of publication, still an open question. Nonetheless, deposition is likely to be a more
relevant potentially causative factor than one that includes exhaled particles that do not interact with the
body. Whereas the earlier conventions have already been adopted in many legal schemes for determining
compliance with exposure levels deemed safe, the newer conventions are expected to be applied initially in
forthcoming health effects research. Eventually, however, it is possible that compliance standards themselves
will be revised if suitable samplers come into use, and correlation between exposure measurements and health
effects are in fact found to be significantly improved.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 13138:2012(E)
Air quality — Sampling conventions for airborne particle
deposition in the human respiratory system
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1 Scope
This International Standard specifies sampling conventions to define idealized samplers for estimating the
deposition of non-volatile, non-hygroscopic, non-fibrous aerosols in five specific loci of the respiratory tract.
The five loci consist of the anterior and posterior areas of the nasal passages, the ciliated and non-ciliated
parts of the tracheobronchial area, and the alveolar (gas exchange) region.
The conventions are separated into three independent sampling efficiencies defined in terms of thermodynamic
diameter characterizing the diffusive (Brownian) motion of sub-micrometre particles and four efficiencies in
terms of aerodynamic diameter >0,1 μm characterizing deposition by impaction, interception or gravitational
settling. Each conventional curve has been developed as an average of 12 deposition curves corresponding
to 12 breathing conditions ranging from sitting to heavy exercise, male vs female, and breathing mode (mouth
vs nasal breathing).
NOTE Deposition is computed according to a model developed by the International Commission on Radiological
Protection (ICRP, Reference [3]).
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document
(including any amendments) applies.
ISO 7708, Air quality — Particle size fraction definitions for health-related sampling
ISO/IEC Guide 98-3:2008, Uncertainty of measurement — Part 3: Guide to the expression of uncertainty in
measurement (GUM:1995)
EN 481, Workplace atmospheres — Size fraction definitions for measurement of airborne particles
EN 13205, Workplace atmospheres — Assessment of performance of instruments for measurement of airborne
particle concentrations
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
aerodynamic diameter
�
ae
3 �3 �3
diameter of a sphere of density � = 10 kg m = 1 g cm with the same terminal velocity due to gravitational
force in calm air as the particle, under the prevailing conditions of temperature, pressure and relative humidity
within the respiratory tract
NOTE 1 Adapted from ISO 7708:1995, 2.2.
NOTE 2 The aerodynamic diameter is applicable to any particle, but it is dependent on the density, shape and porosity
of the particle.
NOTE 3 Under the conditions of interest in this International Standard, the aerodynamic diameter of a spherical particle
is generally equal to �√(�/�), where � is the geometric diameter of the sphere. For high-density spheres of diameter of
the order of 0,1 μm where the corpuscular aspects of the air can be significant, a “slip”-correction factor is required (see
Reference [3]).
NOTE 4 For particles with aerodynamic diameter below approximately 0,4 µm, the thermodynamic diameter becomes
more significant in characterizing deposition than aerodynamic diameter.
3.2
thermodynamic diameter
�
th
diameter of a sphere with the same diffusion coefficient as the particle under prevailing conditions of temperature
and pressure within the respiratory tract
NOTE 1 The weak dependence of the thermodynamic diameter on the relative humidity is neglected (see Reference
[3]).
NOTE 2 The thermodynamic diameter is applicable to any particle, regardless of its shape and is independent of the
density of the particle.
NOTE 3 The thermodynamic diameter is equal to the geometric diameter for spherical particles of interest in this
International Standard.
NOTE 4 For particles of aerodynamic diameter above approximately 0,4 µm, the aerodynamic diameter becomes more
significant in characterizing deposition than thermodynamic diameter.
3.3
inhalable fraction
fraction of total airborne particles of given particle size inhaled through the nose and mouth
NOTE 1 Adapted from ISO 7708:1995, 2.3.
NOTE 2 The fractions specified in 3.3 to 3.8, as defined at specific particle size (characterized by thermodynamic and
aerodynamic diameters), are independent of the basis of measurement, e.g. mass, area or particle count.
NOTE 3 A significant portion of the inhaled particles may be exhaled, but since these are smaller particles their effect
on the mass deposited may be minimal.
3.4
extrathoracic ET deposition efficiency
fraction of inhaled particles of given particle size deposited in the anterior nasal passages (i.e. the entrance to
the nose itself)
NOTE 1 Particles can be deposited in the ET region directly following inhalation by the nose or indirectly from interior
regions of the respiratory tract upon exhalation. Particles inhaled by mouth are deposited in ET only upon exhalation.
NOTE 2 The nasal/oral division between inhaled partic
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 13138
Première édition
2012-01-15
Qualité de l’air — Conventions de
prélèvement de particules aéroportées
en fonction de leur dépôt dans les voies
respiratoires humaines
Air quality — Sampling conventions for airborne particle deposition in
the human respiratory system
Numéro de référence
©
ISO 2012
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Publié en Suisse
ii © ISO 2012 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction . v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Principe . 4
4.1 Généralités . 4
4.2 Raisons à l’origine des premières conventions portant sur la pénétration (EN 481 et ISO 7708) 4
4.3 Besoin de conventions portant sur le dépôt de particules . 4
4.4 Application prévue . 4
5 Suppositions et approximations . 5
6 Conventions de prélèvement concernant le dépôt . 5
Annexe A (informative) Variation de dépôt et correction correspondante .10
Bibliographie .16
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales,
en liaison avec l’ISO participent également aux travaux. L’ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins des comités membres votants.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de droits
de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir
identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L’ISO 13138 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 146, Qualité de l’air, sous-comité SC 2, Atmosphères
des lieux de travail.
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Introduction
Les aérosols sont des systèmes dispersés de particules, liquides ou solides, inorganiques ou organiques,
anthropogènes ou d’origine naturelle. Ils sont présents dans tous les environnements professionnels et
domestiques, en intérieur comme en extérieur. La gamme des différents types d‘aérosols est vaste. Beaucoup
peuvent être dangereux pour les humains en cas d’exposition par inhalation, car cela peut entraîner un large
éventail de maladies en fonction de la région des voies respiratoires dans laquelle les particules inhalées
se sont déposées. De nombreuses maladies spécifiques telles que l’asthme, la bronchite, l’emphysème, les
pneumoconioses (notamment la pneumoconiose des mineurs, la silicose et l’amiantose) et le cancer des
poumons sont toutes connues pour être associées aux expositions par inhalation aux aérosols. La protection
des travailleurs et du grand public nécessite par conséquent des normes significatives régulant ces expositions.
L’apparition de telles normes remonte au début des années 1900 et s’est accélérée au cours des décennies
qui ont précédé la publication de la présente Norme internationale, avec la conscience grandissante des
corrélations entre l’exposition et la maladie et grâce à une meilleure compréhension de la nature des aérosols
et des expositions aux aérosols. Même très tôt, le rôle joué par la taille des particules sur la pénétration
des particules au sein des voies respiratoires, et dans leur dépôt à l’intérieur de celles-ci, a été reconnu.
Basée sur un large panel de recherches qui ont été conduites depuis 1960 et avant, la compréhension du rôle
joué par la taille des particules sur la distribution des dépôts de particules dans les différentes régions des
voies respiratoires a conduit à la spécification de courbes fonction de la taille des particules qui fournissent
des lignes directrices relatives aux performances des instruments de prélèvement, de même type que ceux
généralement utilisés par les hygiénistes du travail et de l’environnement, qui peuvent être utilisées pour
mesurer des expositions de manière directement pertinente pour tout effet sur la santé considéré.
À l’origine, les conventions basées sur les données expérimentales d’études d’inhalation strictement contrôlées
sur des volontaires humains ont été exprimées par des courbes décrivant la pénétration de la région considérée
en fonction de la taille des particules et récemment (depuis les années 60) en fonction de la métrique connue
sous le nom de diamètre aérodynamique des particules dans une gamme de taille s’étendant de 0,5 μm à
100 μm. Ces conventions ont conduit à leur tour à l’apparition de dispositifs de prélèvement pour recueillir
les fractions massiques inhalables, thoraciques et respirables des particules aéroportées dans l’atmosphère
des environnements professionnels et des environnements domestiques, bien que ces conventions ne soient
pas limitées au simple échantillonnage de masse. Ces conventions ont été délibérément établies de façon
conservatrice en raison des importantes variations à l’intérieur de l’organisme et entre les personnes et avec
la pleine reconnaissance que le dépôt actuel de particules (par conséquent la véritable exposition) diffère de la
pénétration, par exemple dans la région alvéolaire du poumon et dans d’autres scénarios, en particulier dans
le cas d’aérosols particulièrement fins. Par conséquent, il était prévu dès le début que les corrélations entre la
maladie et l’exposition puissent être quelque peu limitées. Cependant, cette approche a naturellement préparé
le terrain pour que les scientifiques spécialisés en aérosols développent des dispositifs de prélèvement ou des
moniteurs raisonnablement simples dont les performances puissent correspondre de façon appropriée aux
conventions considérées.
Grâce au grand nombre d’informations actuellement disponibles sur les dépôts de particules d’aérosol dans
les voies respiratoires humaines, au développement continu de dispositifs de prélèvement plus avancés et
véritablement plus représentatifs et à la recherche sur les causes déterminantes des effets sur la santé telles
que la surface des particules déposées (par opposition à la masse), l’établissement de conventions tenant
compte d’estimations plus directes du dépôt réel est maintenant justifié. La présente Norme internationale
fournit des conventions pour les dispositifs de prélèvement prévus pour représenter les fractions de particules
d’aérosol inhalées se déposant effectivement dans des régions spécifiques des voies respiratoires. L’éventail
des tailles de particules est étendu en dessous de 0,1 μm, là où le dépôt est majoritairement dû à la diffusion
(mouvement brownien).
Le fait de savoir si ces nouvelles conventions permettront effectivement de sensiblement mieux dégager la
corrélation entre l’exposition et la maladie reste pourtant, au moment de la publication, une question ouverte.
Néanmoins, le dépôt est probablement un facteur potentiellement causal plus approprié que ne le serait un
facteur qui inclurait les particules expirées n’interagissant pas avec le corps. Considérant que les premières
conventions ont déjà été adoptées dans de nombreux arrangements légaux pour déterminer la conformité
avec les niveaux d’exposition considérés comme sans danger, les nouvelles conventions sont vouées à être
appliquées dans un premier temps aux futures recherches sur les effets produits sur la santé. Par la suite,
cependant, les normes de conformité elles-mêmes pourront être révisées si des dispositifs de prélèvement
appropriés entrent en usage et que la corrélation entre les mesures d’exposition et les effets sur la santé
s’avère être effectivement sensiblement améliorée.
vi © ISO 2012 – Tous droits réservés
NORME INTERNATIONALE ISO 13138:2012(F)
Qualité de l’air — Conventions de prélèvement de particules
aéroportées en fonction de leur dépôt dans les voies
respiratoires humaines
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utiles pour la bonne compréhension du document. Il convient donc aux utilisateurs de considérer
l’emploi d’une imprimante couleur pour l’impression du présent document.
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale spécifie les conventions de prélèvement destinées à définir les dispositifs de
prélèvement idéaux pour estimer le dépôt des aérosols non volatils, non hygroscopiques et non fibreux dans
cinq régions spécifiques des voies respiratoires. Ces cinq régions sont les secteurs antérieurs et postérieurs
des voies nasales, les parties ciliées et non ciliées de la région trachéo-bronchique et la région alvéolaire
(d’échange gazeux).
Les conventions sont différenciées en trois efficacités de prélèvement indépendantes définies en termes
de diamètre thermodynamique caractérisant le mouvement (brownien) de diffusion des particules
sub-micrométriques et en quatre efficacités en termes de diamètre aérodynamique > 0,1 μm caractérisant
le dépôt par impact, par interception ou par gravité. Chaque courbe conventionnelle a été développée en
faisant la moyenne de 12 courbes de dépôt correspondant à 12 conditions respiratoires faisant la distinction
entre l’état assis et l’exercice intense, les hommes et les femmes et les différents modes de respiration (par la
bouche ou par les narines).
NOTE Le dépôt est calculé selon un modèle développé par la Commission internationale de radioprotection (ICRP,
Référence [3]).
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables à l’application du présent document. Pour les
références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence (y compris les éventuels amendements) s’applique.
ISO 7708, Qualité de l’air — Définitions des fractions de taille des particules pour l’échantillonnage lié aux
problèmes de santé
Guide ISO/CEI 98-3:2008, Incertitude de mesure — Partie 3: Guide pour l’expression de l’incertitude de
mesure (GUM:1995)
EN 481, Atmosphères des lieux de travail — Définition des fractions de taille pour le mesurage des particules
en suspension dans l’air
EN 13205, Atmosphères des lieux de travail — Évaluation des performances des instruments de mesurage
des concentrations d’aérosol
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
3.1
diamètre aérodynamique
d
ae
3 -3 -3
diamètre d’une sphère de masse volumique ρ = 10 kg m = 1 g cm possédant la même vitesse terminale
de chute dans l’air calme liée à la pesanteur que celle de la particule, dans les conditions de température, de
pression et d’humidité relative régnant dans les voies respiratoires
NOTE 1 Adapté de l’ISO 7708:1995, 2.2.
NOTE 2 Le diamètre aérodynamique est applicable à n’importe quelle particule, mais il dépend de sa masse volumique,
de sa forme et de sa porosité.
NOTE 3 Dans les conditions prises en considération dans la présente Norme internationale, le diamètre aérodynamique
d’une particule sphérique est en général égal à d√(ρ/ρ ), où d est le diamètre géométrique de la sphère. Pour les sphères
de masse volumique élevée ayant un diamètre de l’ordre de 0,1 μm, où les aspects corpusculaires de l’air peuvent être
significatifs, un facteur de correction pour le «glissement» est requis (voir Référence [3]).
NOTE 4 Pour les particules dont le diamètre aérodynamique est inférieur à 0,4 μm environ, le diamètre thermodynamique
devient plus significatif que le diamètre aérodynamique pour caractériser le dépôt.
3.2
diamètre thermo
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.