Den luftbårne levetid for små taledråber og deres potentielle betydning for SARS-CoV-2-transmissionen

Resultater og diskussion

Udgangen fra en grøn (532 nm) Coherent Verdi-laser med en optisk effekt på 4 W blev med sfærisk og cylindrisk optik omdannet til et lysark, der er ∼1 mm tykt og 150 mm højt. Denne lysflade passerede gennem spalter centreret på modsatte sider af et kubisk 226-L-kabinet. Når den aktiveres, homogeniserer en 40 mm, 12 V muffinblæser inde i kabinettet rumligt fordelingen af partikler i kabinettet. Der findes en film, der viser dette arrangement (17). Filmklip af taledråbernes kerner blev optaget med en billedfrekvens på 24 Hz med høj opløsning (1 920 × 1 080 pixels). Kameraobjektivet gav et horisontalt synsfelt på ∼20 cm. Derfor er det volumen, der affanges af lysskjoldet og ses af kameraet, ∼30 cm3. Det samlede antal partikler i indkapslingen kan tilnærmes ved at multiplicere det gennemsnitlige antal partikler, der registreres i et enkelt filmbillede, med volumenforholdet mellem indkapslingen og det visualiserede ark, som er ∼7.300. Langsomme konvektionsstrømme med hastigheder på nogle få centimeter i sekundet forblev i hele optagelsens varighed. Disse konvektionsstrømme kan tilskrives en temperaturgradient på 0,5 °C i kabinettet (fra bund til top), som formodentlig skyldes den varme, der afgives af iPhone11-kameraet, som var fastgjort på kabinettets forside. Da nettoluftstrømmen over ethvert horisontalt plan i kabinettet er nul, påvirker denne konvektion ikke den gennemsnitlige hastighed, hvormed dråbekerner falder til bunden af kabinettet.

Med den interne cirkulationsventilator tændt blev kabinettet renset med HEPA-filtreret luft i flere minutter. Derefter blev rensningslukkeren lukket, filmklippet blev startet, højttalerporten blev åbnet, og kabinettet blev “fyldt” med taledråber ved at en person gentog sætningen “stay healthy” i 25 s. Denne sætning blev valgt, fordi “th”-fonationen i ordet “healthy” viste sig at være en effektiv generator af taledråber af mundvæske. Den interne ventilator blev slukket 10 s efter, at talen blev afsluttet, og kameraet fortsatte med at optage i 80 minutter. Filmklippet blev analyseret billede for billede for at bestemme antallet af pletter/strejf, hvis maksimale enkeltpixelintensitet oversteg en tærskelværdi på 30. Fig. 1 viser den tidsafhængige nedgang i antallet af registrerede spredningspartikler. Vi er endnu ikke i stand til kvantitativt at knytte den observerede intensitet af det spredte lys til størrelsen af den spredte partikel, fordi lysintensiteten varierer på tværs af arket. Det blev imidlertid konstateret, at de lyseste 25 % faldt hurtigere end den svagere fraktion, idet de to kurver blev rimeligt godt beskrevet af eksponentielle faldtider på henholdsvis 8 og 14 minutter (Fig. 1A). Disse tilpasninger viser, at der nær tidspunktet 0 i gennemsnit var ca. ni dråbekerner i observationsvinduet på 30 cm3 , idet de større og lysere kerner (i gennemsnit) faldt til bunden af indhegningen med hurtigere hastighed end de mindre og svagere kerner.

Med den antagelse, at kassens indhold homogeniseres af muffinventilatoren på tidspunktet 0, svarer det gennemsnitlige antal dråber, der findes i et enkelt billede nær tidspunktet 0, til ca. 66.000 små dråber, der udsendes ind i 226-L-kabinettet, eller ca. 2 600 små dråbekerner pr. talesekund. Hvis partikelstørrelsesfordelingen var en deltafunktion, og partiklerne var jævnt fordelt i kabinettet, ville partikelantallet forventes at forblive konstant, indtil partikler fra toppen af kabinettet falder ned til toppen af lysskærmen, hvorefter partikelantallet ville falde lineært til baggrundsniveauet. Observationen af, at henfaldsprofilerne er omtrent eksponentielle, peger på en betydelig heterogenitet i partikelstørrelserne, selv efter opdeling af dem i to separate grupper.

Den vægtede gennemsnitlige henfaldshastighed (0,085 min-1) for de lyse og svage fraktioner af partikler (Fig. 1A) svarer til en halveringstid i indhegningen på ca. 8 minutter. Hvis man antager, at denne halveringstid svarer til den tid, det tager en partikel at falde 30 cm (halvdelen af kassens højde), er dens sluthastighed kun 0,06 cm⋅s-1, hvilket svarer til en dråbekernediameter på ∼4 μm. Ved den relative luftfugtighed (27 %) og temperatur (23 °C) i vores forsøg forventer vi, at dråberne dehydrerer i løbet af få sekunder. En dehydreret partikel på 4 μm svarer til en hydreret dråbe med en diameter på ca. 12- til 21-μm eller et samlet hydreret volumen på ∼60 nL til 320 nL for 25 s højlydt tale. Ved en gennemsnitlig virusbelastning på 7 × 106 pr. milliliter (7) anslår vi, at 1 min. højlydt tale genererer mindst 1 000 virionholdige dråbekerner, som forbliver i luften i mere end 8 min. Disse kan derfor blive inhaleret af andre og i henhold til IAH udløse en ny SARS-CoV-2-infektion.

Den længste henfaldskonstant, som vi har observeret, svarer til dråber med en hydreret diameter på ≥12 μm, når de forlader munden. Eksistensen af endnu mindre dråber er blevet fastslået ved hjælp af aerodynamiske partikelsizermålinger (APS) (2). APS anvendes i vid udstrækning til detektion af aerosolpartikler og er bedst egnet til partikler i intervallet 0,5 til 5 μm. Morawska et al. (2) detekterede op til 330 partikler pr. sekund i 0,8- til 5,5-μm-området ved vedvarende “aah”-vokalisering. I betragtning af den korte rejsetid (0,7 s) mellem mundudgang og APS-detektor og den høje relative luftfugtighed (59 %), der blev anvendt i denne undersøgelse, kan dråbernes dehydrering have været ufuldstændig. Hvis den var 75 % dehydreret ved detektoren, ville en observeret partikel på 5,5 μm være startet som en dråbe på 8,7 μm, da den forlod munden, hvilket ligger langt uden for det 12-21 μm-område, der er observeret ovenfor ved lysspredning. Dette resultat tyder på, at APS- og lysspredningsmålinger udgør et perfekt supplement. Vi bemærker imidlertid også, at selv om de mindste dråbekerner i praksis forbliver luftbårne på ubestemt tid og har en halveringstid, der domineres af ventilationshastigheden, er sandsynligheden for, at en dråbekerne på 1 μm (nedskaleret til den oprindeligt hydrerede 3 μm-størrelse) indeholder en virion, ved en virusbelastning i spyt på 7 × 106 kopier pr. milliliter kun 0, selv om de mindste dråbekerner i praksis forbliver luftbårne på ubestemt tid og har en halveringstid, der domineres af ventilationshastigheden.01%.

Vores nuværende opsætning registrerer ikke alle små partikler i hvert enkelt billede af filmen, og vores rapporterede værdier er derfor konservative nedre grænseestimater. Vi bemærker også, at spytviralbelastningen i spyt viser stor variation fra patient til patient. Nogle patienter har virale titre, der overstiger den gennemsnitlige titer fra Wölfel et al. med mere end to størrelsesordener (7, 18), hvorved antallet af virioner i de udsendte dråber øges til langt over 100.000 pr. minut af tale. De dråbekerner, der er observeret i vores nuværende undersøgelse og tidligere af APS (2, 9), er tilstrækkeligt små til at nå de nedre luftveje, hvilket er forbundet med et øget negativt sygdomsudfald (19, 20).

Vores laserlysspredningsmetode giver ikke kun et visuelt bevis i realtid for emission af taledråber, men vurderer også deres luftbårne levetid. Denne direkte visualisering viser, hvordan normal tale genererer luftbårne dråber, der kan forblive svævende i titusindvis af minutter eller længere og er eminent i stand til at overføre sygdom i lukkede rum.