Resultados y discusión
La salida de un láser verde (532 nm) Coherent Verdi que operaba a una potencia óptica de 4 W se transformó con ópticas esféricas y cilíndricas en una lámina de luz de ∼1 mm de espesor y 150 mm de altura. Esta hoja de luz pasó a través de rendijas centradas en lados opuestos de un recinto cúbico de 226 L. Cuando se activa, un ventilador de mufla de 40 mm y 12 V en el interior del recinto homogeneiza espacialmente la distribución de las partículas en el recinto. Existe una película que muestra la disposición (17). Las películas de los núcleos de las gotas de habla se grabaron a una velocidad de 24 Hz con una resolución de alta definición (1.920 × 1.080 píxeles). El objetivo de la cámara proporcionaba un campo de visión horizontal de ∼20 cm. Por lo tanto, el volumen interceptado por la lámina de luz y visto por la cámara es ∼30 cm3. El número total de partículas en el recinto puede aproximarse multiplicando el número medio de partículas detectadas en un solo fotograma de la película por la relación de volumen del recinto con la lámina visualizada, que es ∼7.300. Las corrientes de convección lentas, a velocidades de unos pocos centímetros por segundo, permanecieron durante la duración de la grabación. Estas corrientes de convección se atribuyen a un gradiente de temperatura de 0,5 °C en el recinto (de abajo a arriba) que presumiblemente se debe al calor disipado por la cámara del iPhone11, que estaba acoplada a la parte frontal del recinto. Dado que el flujo de aire neto a través de cualquier plano horizontal de la carcasa es cero, esta convección no afecta a la velocidad media a la que los núcleos de las gotas caen al fondo de la carcasa.
Con el ventilador de circulación interna encendido, la carcasa se purgó con aire filtrado por HEPA durante varios minutos. A continuación, se cerró el obturador de purga, se puso en marcha el clip de película, se abrió el puerto del altavoz y se «llenó» el recinto con gotas de habla cuando alguien repitió la frase «mantente sano» durante 25 s. Se eligió esta frase porque se comprobó que la fonación «th» de la palabra «sano» es un generador eficiente de gotas de habla de fluido oral. El ventilador interno se apagó 10 s después de terminar el discurso, y la cámara continuó grabando durante 80 minutos. El clip de película se analizó fotograma a fotograma para determinar el número de puntos o rayas cuya intensidad máxima de un solo píxel superaba un valor umbral de 30. La Fig. 1 muestra la disminución del número de partículas de dispersión detectadas en función del tiempo. Todavía no podemos relacionar cuantitativamente la intensidad de la luz dispersa observada con el tamaño de la partícula dispersa porque la intensidad de la luz varía a lo largo de la hoja. Sin embargo, se encontró que el 25% más brillante decae más rápidamente que la fracción más tenue, con las dos curvas razonablemente bien descritas por tiempos de decaimiento exponencial de 8 y 14 minutos, respectivamente (Fig. 1A). Estos ajustes indican que, cerca del tiempo 0, había, en promedio, aproximadamente nueve núcleos de gotas en la ventana de observación de 30 cm3, con los núcleos más grandes y brillantes (en promedio) cayendo al fondo del recinto a velocidades más rápidas que los más pequeños y tenues.
Con la suposición de que el contenido de la caja es homogeneizado por el ventilador de la magdalena en el tiempo 0, el número medio de gotas encontradas en un solo cuadro cerca del tiempo 0 corresponde a ca. 66.000 pequeñas gotas emitidas en el recinto 226-L, o ca. 2.600 pequeños núcleos de gotas por segundo de habla. Si la distribución del tamaño de las partículas fuera una función delta y las partículas estuvieran distribuidas uniformemente en el recinto, se esperaría que el recuento de partículas permaneciera constante hasta que las partículas de la parte superior del recinto descendieran a la parte superior de la lámina de luz, después de lo cual el recuento de partículas decaería linealmente hasta el nivel de fondo. La observación de que los perfiles de decaimiento son aproximadamente exponenciales apunta a una heterogeneidad sustancial en los tamaños de las partículas, incluso después de clasificarlas en dos grupos separados.
La tasa de decaimiento media ponderada (0,085 min-1) de las fracciones de partículas brillantes y tenues (Fig. 1A) se traduce en una vida media en el recinto de aproximadamente 8 minutos. Suponiendo que esta vida media corresponde al tiempo necesario para que una partícula caiga 30 cm (la mitad de la altura de la caja), su velocidad terminal es de sólo 0,06 cm⋅s-1, lo que corresponde a un diámetro de núcleo de gota de ∼4 μm. Con la humedad relativa (27%) y la temperatura (23 °C) de nuestro experimento, esperamos que las gotas se deshidraten en pocos segundos. Una partícula deshidratada de 4 μm corresponde a una gota hidratada de aproximadamente 12 a 21 μm de diámetro, o un volumen total hidratado de ∼60 nL a 320 nL para 25 s de habla fuerte. Con una carga viral media de 7 × 106 por mililitro (7), estimamos que 1 minuto de hablar en voz alta genera al menos 1.000 núcleos de gotas que contienen viriones y que permanecen en el aire durante más de 8 minutos. Por lo tanto, éstos podrían ser inhalados por otras personas y, según la IAH, desencadenar una nueva infección de SARS-CoV-2.
La constante de decaimiento más larga observada por nosotros corresponde a gotas con un diámetro hidratado de ≥12 μm al salir de la boca. La existencia de gotitas aún más pequeñas se ha establecido mediante mediciones con el medidor aerodinámico de partículas (APS) (2). El APS se utiliza ampliamente para detectar partículas de aerosol y es el más adecuado para partículas en el rango de 0,5 a 5-μm. Morawska et al. (2) detectaron hasta 330 partículas por segundo en el rango de 0,8- a 5,5-μm tras una vocalización sostenida de «aah». Teniendo en cuenta el corto tiempo de viaje (0,7 s) entre la salida de la boca y el detector APS, y la alta humedad relativa (59%) utilizada en ese estudio, la deshidratación de las gotas puede haber sido incompleta. Si se deshidrató en un 75% en el detector, una partícula observada de 5,5-μm habría comenzado como una gota de 8,7-μm al salir de la boca, muy fuera del rango de 12 a 21-μm observado anteriormente por dispersión de luz. Este resultado sugiere que las mediciones de APS y de dispersión de luz forman un complemento perfecto. Sin embargo, también observamos que, aunque los núcleos de gota más pequeños permanecen efectivamente en el aire de forma indefinida y tienen vidas medias que están dominadas por la tasa de ventilación, con una carga viral de saliva de 7 × 106 copias por mililitro, la probabilidad de que un núcleo de gota de 1 μm (escalado a su tamaño originalmente hidratado de 3 μm) contenga un virión es sólo del 0.01%.
Nuestra configuración actual no detecta cada partícula pequeña en cada fotograma de la película, y nuestros valores reportados son, por tanto, estimaciones conservadoras del límite inferior. También observamos que la carga viral en saliva muestra una gran variación de paciente a paciente. Algunos pacientes tienen títulos virales que superan el título medio de Wölfel et al en más de dos órdenes de magnitud (7, 18), con lo que el número de viriones en las gotas emitidas supera ampliamente los 100.000 por minuto de habla. Los núcleos de gotas observados en nuestro presente estudio y anteriormente por APS (2, 9) son lo suficientemente pequeños como para alcanzar el tracto respiratorio inferior, lo que se asocia con un mayor resultado adverso de la enfermedad (19, 20).
Nuestro método de dispersión de luz láser no sólo proporciona evidencia visual en tiempo real de la emisión de gotas del habla, sino que también evalúa su vida útil en el aire. Esta visualización directa demuestra cómo el habla normal genera gotas en el aire que pueden permanecer suspendidas durante decenas de minutos o más y son eminentemente capaces de transmitir enfermedades en espacios confinados.
Declaración de disponibilidad de datos.
Todos los datos en bruto utilizados para el análisis están disponibles en la ref. 17.