Ergebnisse und Diskussion
Der Ausgang eines grünen (532 nm) Coherent Verdi-Lasers, der mit einer optischen Leistung von 4 W arbeitet, wurde mit einer sphärischen und zylindrischen Optik in ein Lichtblatt mit einer Dicke von ∼1 mm und einer Höhe von 150 mm transformiert. Dieses Lichtblatt wurde durch Schlitze geführt, die auf gegenüberliegenden Seiten eines kubischen 226-L-Gehäuses zentriert waren. Bei Aktivierung eines 40-mm-12-V-Muffin-Lüfters im Inneren des Gehäuses wird die Verteilung der Partikel im Gehäuse räumlich homogenisiert. Ein Film, der die Anordnung zeigt, ist verfügbar (17). Videoclips von Sprachtropfenkernen wurden mit einer Bildfrequenz von 24 Hz und einer hochauflösenden Auflösung (1.920 × 1.080 Pixel) aufgenommen. Das Kameraobjektiv bot ein horizontales Sichtfeld von ∼20 cm. Daher beträgt das von der Lichtplatte erfasste und von der Kamera gesehene Volumen ∼30 cm3. Die Gesamtzahl der Partikel im Gehäuse kann näherungsweise ermittelt werden, indem man die durchschnittliche Anzahl der in einem einzelnen Filmbild erfassten Partikel mit dem Volumenverhältnis zwischen dem Gehäuse und der sichtbaren Folie multipliziert, das ∼7.300 beträgt. Langsame Konvektionsströme mit Geschwindigkeiten von einigen Zentimetern pro Sekunde blieben während der gesamten Dauer der Aufzeichnung bestehen. Diese Konvektionsströme werden auf ein Temperaturgefälle von 0,5 °C im Gehäuse (von unten nach oben) zurückgeführt, das vermutlich auf die Wärmeabgabe der iPhone11-Kamera zurückzuführen ist, die an der Vorderseite des Gehäuses angebracht war. Da der Nettoluftstrom in jeder horizontalen Ebene des Gehäuses gleich Null ist, wirkt sich diese Konvektion nicht auf die durchschnittliche Geschwindigkeit aus, mit der die Tröpfchenkerne auf den Boden des Gehäuses fallen.
Bei eingeschaltetem internen Umluftgebläse wurde das Gehäuse mehrere Minuten lang mit HEPA-gefilterter Luft gespült. Dann wurde die Spülklappe geschlossen, die Filmsequenz gestartet, die Lautsprecheröffnung geöffnet und das Gehäuse mit Sprachtröpfchen „gefüllt“, indem jemand 25 Sekunden lang den Satz „Bleib gesund“ wiederholte. Das interne Gebläse wurde 10 Sekunden nach Beendigung des Sprechens abgeschaltet, und die Kamera setzte die Aufnahme für 80 Minuten fort. Der Videoclip wurde Bild für Bild analysiert, um die Anzahl der Flecken/Streifen zu bestimmen, deren maximale Einzelpixelintensität einen Schwellenwert von 30 überstieg. Abb. 1 zeigt die zeitabhängige Abnahme der Anzahl der entdeckten Streupartikel. Wir sind noch nicht in der Lage, die beobachtete Streulichtintensität quantitativ mit der Größe des Streupartikels zu verknüpfen, da die Lichtintensität über die Platte hinweg variiert. Es wurde jedoch festgestellt, dass die hellsten 25 % schneller abfallen als der schwächere Teil, wobei die beiden Kurven durch exponentielle Abklingzeiten von 8 bzw. 14 Minuten recht gut beschrieben werden (Abb. 1A). Diese Anpassungen deuten darauf hin, dass sich zum Zeitpunkt 0 im Durchschnitt etwa neun Tröpfchenkerne im 30-cm3-Beobachtungsfenster befanden, wobei die größeren und helleren Kerne (im Durchschnitt) schneller auf den Boden des Gehäuses fielen als die kleineren und schwächeren.
Unter der Annahme, dass der Inhalt der Box durch den Muffin-Fan zum Zeitpunkt 0 homogenisiert wird, entspricht die durchschnittliche Anzahl der Tröpfchen in einem Einzelbild nahe dem Zeitpunkt 0 ca. 66.000 kleinen Tröpfchen, die in das 226-L-Gehäuse abgegeben werden, oder ca. 2.600 kleine Tröpfchenkerne pro Sekunde des Sprechens. Wäre die Partikelgrößenverteilung eine Deltafunktion und wären die Partikel gleichmäßig in der Kabine verteilt, würde man erwarten, dass die Partikelzahl konstant bleibt, bis die Partikel von der Oberseite der Kabine zur Oberseite des Lichtbogens hinabsteigen; danach würde die Partikelzahl linear auf das Hintergrundniveau abfallen. Die Beobachtung, dass die Zerfallsprofile annähernd exponentiell verlaufen, deutet auf eine erhebliche Heterogenität der Partikelgrößen hin, selbst wenn man sie in zwei getrennte Gruppen einteilt.
Die gewichtete durchschnittliche Zerfallsrate (0,085 min-1) der hellen und dunklen Partikelfraktionen (Abb. 1A) ergibt eine Halbwertszeit in der Kabine von ca. 8 min. Wenn man davon ausgeht, dass diese Halbwertszeit der Zeit entspricht, die ein Partikel benötigt, um 30 cm zu fallen (die halbe Höhe der Box), beträgt seine Endgeschwindigkeit nur 0,06 cm⋅s-1, was einem Durchmesser des Tropfenkerns von ∼4 μm entspricht. Bei der relativen Luftfeuchtigkeit (27 %) und Temperatur (23 °C) unseres Experiments erwarten wir, dass die Tröpfchen innerhalb weniger Sekunden dehydrieren. Ein dehydriertes Partikel von 4 μm entspricht einem hydratisierten Tröpfchen von ca. 12- bis 21-μm Durchmesser oder einem hydratisierten Gesamtvolumen von ∼60 nL bis 320 nL für 25 s lautes Sprechen. Bei einer durchschnittlichen Viruslast von 7 × 106 pro Milliliter (7) wird geschätzt, dass 1 Minute lautes Sprechen mindestens 1.000 virionenhaltige Tröpfchenkerne erzeugt, die mehr als 8 Minuten in der Luft bleiben. Diese könnten daher von anderen eingeatmet werden und laut IAH eine neue SARS-CoV-2-Infektion auslösen.
Die von uns beobachtete längste Zerfallskonstante entspricht Tröpfchen mit einem hydratisierten Durchmesser von ≥12 μm beim Austritt aus dem Mund. Die Existenz noch kleinerer Tröpfchen wurde durch Messungen mit dem Aerodynamic Particle Sizer (APS) nachgewiesen (2). APS wird häufig zum Nachweis von Aerosolpartikeln verwendet und eignet sich am besten für Partikel im Bereich von 0,5 bis 5 μm. Morawska et al. (2) entdeckten bis zu 330 Partikel pro Sekunde im 0,8- bis 5,5-μm-Bereich bei anhaltender „Aah“-Vokalisation. In Anbetracht der kurzen Zeit (0,7 s) zwischen dem Austritt aus dem Mund und dem APS-Detektor und der hohen relativen Luftfeuchtigkeit (59 %), die in dieser Studie verwendet wurde, könnte die Dehydratisierung der Tröpfchen unvollständig gewesen sein. Wäre es am Detektor zu 75 % dehydriert, hätte ein beobachtetes 5,5-μm-Teilchen beim Verlassen des Mundes als 8,7-μm-Tropfen begonnen, also weit außerhalb des 12- bis 21-μm-Bereichs, der oben durch Lichtstreuung beobachtet wurde. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass sich APS- und Lichtstreuungsmessungen perfekt ergänzen. Wir stellen jedoch auch fest, dass, selbst wenn die kleinsten Tröpfchenkerne tatsächlich unbegrenzt in der Luft bleiben und eine Halbwertszeit haben, die von der Belüftungsrate dominiert wird, bei einer Viruslast im Speichel von 7 × 106 Kopien pro Milliliter die Wahrscheinlichkeit, dass ein 1-μm-Tropfenkern (zurückskaliert auf seine ursprünglich hydratisierte 3-μm-Größe) ein Virion enthält, nur 0.01%.
Unser derzeitiger Aufbau erkennt nicht jedes kleine Partikel in jedem Einzelbild des Films, und unsere angegebenen Werte sind daher konservative Schätzungen der unteren Grenze. Außerdem weisen wir darauf hin, dass die Viruslast im Speichel von Patient zu Patient stark schwankt. Einige Patienten haben Virustiter, die den durchschnittlichen Titer von Wölfel et al. um mehr als zwei Größenordnungen übersteigen (7, 18), wodurch die Anzahl der Virionen in den emittierten Tröpfchen auf weit über 100.000 pro Sprechminute steigt. Die Tröpfchenkerne, die in unserer Studie und in früheren APS-Studien (2, 9) beobachtet wurden, sind klein genug, um die unteren Atemwege zu erreichen, was mit einem erhöhten Krankheitsrisiko verbunden ist (19, 20).
Unsere Laserlichtstreumethode liefert nicht nur visuelle Echtzeit-Nachweise für die Emission von Sprachtröpfchen, sondern bewertet auch ihre Lebensdauer in der Luft. Diese direkte Visualisierung zeigt, wie normales Sprechen Tröpfchen in der Luft erzeugt, die für einige Minuten oder länger in der Schwebe bleiben können und in der Lage sind, Krankheiten in engen Räumen zu übertragen.
Datenverfügbarkeitserklärung.
Alle für die Analyse verwendeten Rohdaten sind in Ref. 17.