Pienten puhepisaroiden elinaika ilmassa ja niiden mahdollinen merkitys SARS-CoV-2:n leviämisessä

Tulokset ja keskustelu

Vihreän (532 nm), 4 W:n optisella teholla toimivan Coherent Verdi -laserin ulostulo muunnettiin pallo- ja sylinterimäisen optiikan avulla valolevyyn, jonka paksuus on ∼1 mm ja korkeus 150 mm. Tämä valolevy kulki rakojen läpi, jotka oli keskitetty kuutiomaisen 226 L:n kotelon vastakkaisille sivuille. Kun kotelon sisällä oleva 40 mm:n 12 V:n muffin-tuuletin aktivoidaan, se homogenisoi hiukkasten jakautumisen kotelossa. Järjestelyä esittävä elokuva on saatavilla (17). Videoleikkeet puhepisara-ytimistä tallennettiin 24 Hz:n kuvataajuudella ja teräväpiirtotarkkuudella (1 920 × 1 080 pikseliä). Kameran objektiivi tarjosi ∼20 cm:n vaakasuuntaisen näkökentän. Näin ollen valolevyn leikkaama ja kameran näkemä tilavuus on ∼30 cm3. Kotelossa olevien hiukkasten kokonaismäärä voidaan arvioida likimääräisesti kertomalla yksittäisessä elokuvakuvassa havaittujen hiukkasten keskimääräinen lukumäärä kotelon tilavuuden suhteella näkyvään levyyn, joka on ∼7 300. Hitaat konvektiovirtaukset, joiden nopeus oli muutamia senttimetrejä sekunnissa, säilyivät koko kuvauksen ajan. Nämä konvektiovirtaukset johtuvat kotelossa (alhaalta ylöspäin) olevasta 0,5 °C:n lämpötilagradientista, joka oletettavasti johtuu kotelon etupuolelle kiinnitetyn iPhone11-kameran luovuttamasta lämmöstä. Koska nettoilmavirta kotelon minkä tahansa vaakasuoran tason yli on nolla, tämä konvektio ei vaikuta keskimääräiseen nopeuteen, jolla pisara-ytimet putoavat kotelon pohjalle.

Sisäisen kiertoilmapuhaltimen ollessa päällä kotelo puhdistettiin HEPA-suodatetulla ilmalla useita minuutteja. Sitten puhdistussuljin suljettiin, elokuvaleike käynnistettiin, kaiutinportti avattiin ja kotelo ”täytettiin” puhepisaroilla, kun joku toisteli lausetta ”pysy terveenä” 25 s. Tämä lauseke valittiin, koska sanan ”terve” ”th”-fonaatio todettiin tehokkaaksi suunesteen puhepisaroiden tuottajaksi. Sisäinen tuuletin sammutettiin 10 s sen jälkeen, kun puhe oli lopetettu, ja kamera jatkoi tallentamista 80 minuutin ajan. Elokuvaklippi analysoitiin kuva kerrallaan niiden pisteiden/jaksojen lukumäärän määrittämiseksi, joiden yhden pikselin maksimi-intensiteetti ylitti kynnysarvon 30. Kuvassa 1 esitetään havaittujen sirontahiukkasten määrän ajasta riippuvainen väheneminen. Havaittua sironneen valon intensiteettiä ei voida vielä yhdistää kvantitatiivisesti sironneen hiukkasen kokoon, koska valon intensiteetti vaihtelee koko levyn alueella. Kuitenkin havaittiin, että kirkkaimmat 25 prosenttia hajoaa nopeammin kuin himmeämpi osa, ja näitä kahta käyrää kuvaa kohtuullisen hyvin eksponentiaalinen hajoamisaika, joka on vastaavasti 8 ja 14 minuuttia (kuva 1A). Nämä sovitukset osoittavat, että lähellä ajankohtaa 0 30 cm3 :n havaintoikkunassa oli keskimäärin noin yhdeksän pisaraydintä, joista suuremmat ja kirkkaammat putosivat (keskimäärin) kotelon pohjalle nopeammin kuin pienemmät ja himmeämmät.

Jos oletetaan, että laatikon sisältö homogenisoituu muffinituulettimella ajanhetkellä 0, yksittäisessä ruudussa lähellä ajanhetkeä 0 havaittujen pisaroiden keskimääräinen määrä vastaa n. 66 000 pientä pisaraa, jotka on päästetty 226-L:n koteloon, tai n. 2 600 pientä pisaraydintä sekunnin puhetta kohti. Jos hiukkaskokojakauma olisi deltafunktio ja hiukkaset jakautuisivat tasaisesti kotelossa, hiukkasmäärän odotettaisiin pysyvän vakiona, kunnes kotelon yläosasta tulevat hiukkaset laskeutuvat valolevyjen yläosaan, minkä jälkeen hiukkasmäärän odotetaan laskevan lineaarisesti taustatasolle. Havainto, että hajoamisprofiilit ovat suunnilleen eksponentiaalisia, viittaa hiukkaskokojen huomattavaan heterogeenisuuteen, vaikka hiukkaset olisi jaoteltu kahteen erilliseen ryhmään.

Hiukkasten kirkkaiden ja himmeiden fraktioiden painotettu keskimääräinen hajoamisnopeus (0,085 min-1) (kuva 1A) tarkoittaa, että hiukkasten puoliintumisaika kammiossa on n. 8 min. Jos oletetaan, että tämä puoliintumisaika vastaa aikaa, jonka hiukkanen tarvitsee pudotakseen 30 cm (puolet laatikon korkeudesta), sen loppunopeus on vain 0,06 cm⋅s-1, mikä vastaa pisaran ytimen halkaisijaa ∼4 μm. Kokeemme suhteellisen kosteuden (27 %) ja lämpötilan (23 °C) vallitessa odotamme pisaroiden kuivuvan muutamassa sekunnissa. Dehydratoitunut 4 μm:n hiukkanen vastaa halkaisijaltaan n. 12- 21 μm:n hydratoitunutta pisaraa tai ∼60 nL:n – 320 nL:n hydratoitunutta kokonaistilavuutta 25 s:n kovaäänisen puhumisen aikana. Kun keskimääräinen viruskuormitus on 7 × 106 millilitrassa (7), arvioimme, että 1 minuutti kovaäänistä puhumista tuottaa vähintään 1 000 virionia sisältävää pisaraydintä, jotka pysyvät ilmassa yli 8 minuuttia. Nämä voivat siis joutua muiden hengittämiksi ja IAH:n mukaan laukaista uuden SARS-CoV-2-infektion.

Havaitsemamme pisin hajoamisvakio vastaa pisaroita, joiden hydratoidun läpimitan halkaisija on ≥12 μm, kun ne poistuvat suusta. Vielä pienempien pisaroiden olemassaolo on todettu aerodynaamisen hiukkasmittarin (APS) mittauksilla (2). APS:ää käytetään laajalti aerosolihiukkasten havaitsemiseen, ja se soveltuu parhaiten 0,5-5 μm:n hiukkasille. Morawska et al. (2) havaitsivat jopa 330 hiukkasta sekunnissa 0,8-5,5μm:n alueella jatkuvan ”aah”-vokaalin yhteydessä. Kun otetaan huomioon lyhyt matka-aika (0,7 s) suusta poistumisen ja APS-ilmaisimen välillä sekä kyseisessä tutkimuksessa käytetty korkea suhteellinen kosteus (59 %), pisaroiden kuivuminen on voinut olla epätäydellistä. Jos se olisi kuivunut 75-prosenttisesti ilmaisimessa, havaittu 5,5 μm:n kokoinen hiukkanen olisi alkanut 8,7 μm:n kokoisena pisarana, kun se poistui suusta, mikä olisi ollut reilusti edellä valonsironnan avulla havaitun 12-21 μm:n alueen ulkopuolella. Tämä tulos viittaa siihen, että APS- ja valonsirontamittaukset täydentävät täydellisesti toisiaan. Huomaamme kuitenkin myös, että vaikka pienimmät pisaraydimet pysyvät ilmassa loputtomiin ja niiden puoliintumisaika määräytyy tuuletusnopeuden mukaan, syljen viruskuormituksen ollessa 7 × 106 kopiota millilitrassa todennäköisyys sille, että 1 μm:n kokoinen pisaraydin (skaalattuna alkuperäiseen hydratoituneeseen 3 μm:n kokoon) sisältää virionin, on vain 0. Jos syljen viruskuormitus on 7 × 106 kopiota millilitrassa, todennäköisyys sille, että 1 μm:n kokoinen pisaraydin (skaalattuna alkuperäiseen hydratoituneeseen 3 μm:n kokoon) sisältää virionin, on vain 0.01 %.

Nykyinen laitteistomme ei havaitse jokaista pientä hiukkasta elokuvan jokaisessa kuvassa, ja siksi ilmoittamamme arvot ovat konservatiivisia alaraja-arvioita. Huomautamme myös, että syljen viruskuormassa on suurta potilaskohtaista vaihtelua. Joillakin potilailla virustitterit ylittävät Wölfelin ja muiden tutkijoiden keskimääräisen titterin yli kahdella suuruusluokalla (7, 18), mikä nostaa virionien määrän lähtevissä pisaroissa reilusti yli 100 000:een minuutissa puhuttaessa. Tässä tutkimuksessamme ja aiemmin APS:n (2, 9) havaitsemat pisaraydimet ovat riittävän pieniä päästäkseen alempiin hengitysteihin, mikä liittyy lisääntyneisiin haitallisiin tautitapahtumiin (19, 20).

Laservalon sirontamenetelmämme tarjoaa reaaliaikaisen visuaalisen todisteen puhepisaroiden emissiosta ja arvioi myös niiden elinikää ilmassa. Tämä suora visualisointi osoittaa, miten normaali puhe synnyttää ilmassa leviäviä pisaroita, jotka voivat jäädä leijumaan kymmeniksi minuuteiksi tai pidemmäksi ajaksi ja jotka ovat erinomaisesti omiaan levittämään tautia suljetuissa tiloissa.