Résultats et discussion
La sortie d’un laser vert (532 nm) Coherent Verdi fonctionnant à une puissance optique de 4-W a été transformée avec des optiques sphériques et cylindriques en une feuille de lumière de ∼1 mm d’épaisseur et de 150 mm de hauteur. Cette feuille de lumière passait par des fentes centrées sur les côtés opposés d’une enceinte cubique de 226-L. Lorsqu’il est activé, un ventilateur muffin de 40 mm et 12 V situé à l’intérieur de l’enceinte homogénéise spatialement la distribution des particules dans l’enceinte. Un film montrant l’arrangement est disponible (17). Les séquences vidéo des noyaux de gouttelettes de parole ont été enregistrées à une fréquence d’images de 24 Hz avec une résolution haute définition (1 920 × 1 080 pixels). L’objectif de la caméra offrait un champ de vision horizontal de ∼20 cm. Par conséquent, le volume intercepté par la nappe lumineuse et vu par la caméra est de ∼30 cm3. Le nombre total de particules dans l’enceinte peut être approximé en multipliant le nombre moyen de particules détectées dans une seule image vidéo par le rapport volumique entre l’enceinte et la feuille visualisée, qui est de ∼7 300. Des courants de convection lents, à des vitesses de quelques centimètres par seconde, sont restés pendant toute la durée de l’enregistrement. Ces courants de convection sont attribués à un gradient de température de 0,5 °C dans l’enceinte (du bas vers le haut) qui est vraisemblablement dû à la chaleur dissipée par la caméra de l’iPhone11, qui était fixée sur la face avant de l’enceinte. Comme le flux d’air net à travers tout plan horizontal de l’enceinte est nul, cette convection n’a pas d’impact sur la vitesse moyenne à laquelle les noyaux de gouttelettes tombent au fond de l’enceinte.
Le ventilateur de circulation interne étant allumé, l’enceinte a été purgée avec de l’air filtré HEPA pendant plusieurs minutes. Ensuite, l’obturateur de purge a été fermé, le clip vidéo a été lancé, le port du haut-parleur a été ouvert et l’enceinte a été « remplie » de gouttelettes de parole par une personne répétant la phrase « stay healthy » (restez en bonne santé) pendant 25 s. Cette phrase a été choisie parce que la phonation « th » dans le mot « healthy » s’est avérée être un générateur efficace de gouttelettes de parole de fluide oral. Le ventilateur interne a été éteint 10 secondes après la fin de la phrase, et la caméra a continué à enregistrer pendant 80 minutes. Le clip vidéo a été analysé image par image pour déterminer le nombre de points/traces dont l’intensité maximale d’un seul pixel dépassait une valeur seuil de 30. La figure 1 montre la diminution du nombre de particules diffusées détectées en fonction du temps. Nous ne sommes pas encore en mesure d’établir un lien quantitatif entre l’intensité de la lumière diffusée observée et la taille de la particule diffusante, car l’intensité lumineuse varie d’un bout à l’autre de la feuille. Cependant, nous avons constaté que les 25 % les plus brillants diminuent plus rapidement que la fraction la plus faible, les deux courbes étant raisonnablement bien décrites par des temps de décroissance exponentielle de 8 et 14 min, respectivement (Fig. 1A). Ces ajustements indiquent que, près du temps 0, il y avait, en moyenne, environ neuf noyaux de gouttelettes dans la fenêtre d’observation de 30 cm3, les noyaux les plus grands et les plus brillants (en moyenne) tombant au fond de l’enceinte à des vitesses plus rapides que les plus petits et les plus sombres.
En supposant que le contenu de la boîte est homogénéisé par le ventilateur de muffin au temps 0, le nombre moyen de gouttelettes trouvées dans une seule image près du temps 0 correspond à environ 66 000 petites gouttelettes émises dans l’enceinte 226-L, ou environ. 2 600 noyaux de petites gouttelettes par seconde de parole. Si la distribution de la taille des particules était une fonction delta et que les particules étaient uniformément réparties dans l’enceinte, le nombre de particules devrait rester constant jusqu’à ce que les particules du haut de l’enceinte descendent jusqu’au sommet de la feuille lumineuse, après quoi le nombre de particules diminuerait linéairement jusqu’au niveau de fond. L’observation que les profils de décroissance sont approximativement exponentiels indique une hétérogénéité substantielle dans les tailles des particules, même après les avoir classées en deux groupes distincts.
Le taux de décroissance moyen pondéré (0,085 min-1) des fractions brillantes et sombres des particules (Fig. 1A) se traduit par une demi-vie dans l’enceinte d’environ 8 min. En supposant que cette demi-vie correspond au temps nécessaire à une particule pour tomber de 30 cm (la moitié de la hauteur de la boîte), sa vitesse terminale n’est que de 0,06 cm⋅s-1, ce qui correspond à un diamètre de noyau de gouttelette de ∼4 μm. À l’humidité relative (27 %) et à la température (23 °C) de notre expérience, nous nous attendons à ce que les gouttelettes se déshydratent en quelques secondes. Une particule déshydratée de 4 μm correspond à une gouttelette hydratée d’environ 12- à 21-μm de diamètre, soit un volume total hydraté de ∼60 nL à 320 nL pour 25 s de parole forte. À une charge virale moyenne de 7 × 106 par millilitre (7), nous estimons qu’une minute de parole forte génère au moins 1 000 noyaux de gouttelettes contenant des virions qui restent en suspension dans l’air pendant plus de 8 minutes. Ceux-ci pourraient donc être inhalés par d’autres personnes et, selon l’AIH, déclencher une nouvelle infection par le SRAS-CoV-2.
La plus longue constante de décroissance observée par nous correspond à des gouttelettes d’un diamètre hydraté de ≥12 μm à la sortie de la bouche. L’existence de gouttelettes encore plus petites a été établie par des mesures de sizer de particules aérodynamiques (APS) (2). L’APS est largement utilisé pour détecter les particules d’aérosol et convient mieux aux particules de 0,5 à 5-μm. Morawska et al. (2) ont détecté jusqu’à 330 particules par seconde dans la gamme de 0,8 à 5,5-μm lors d’une vocalisation » aah » soutenue. Compte tenu du court temps de parcours (0,7 s) entre la sortie de la bouche et le détecteur APS, et de l’humidité relative élevée (59 %) utilisée dans cette étude, la déshydratation des gouttelettes peut avoir été incomplète. Si elle était déshydratée à 75 % au niveau du détecteur, une particule observée de 5,5-μm aurait commencé sous forme de gouttelette de 8,7-μm en sortant de la bouche, bien en dehors de la plage de 12 à 21-μm observée ci-dessus par diffusion de la lumière. Ce résultat suggère que les mesures de l’APS et de la diffusion de la lumière forment un complément parfait. Cependant, nous notons également que, même si les plus petits noyaux de gouttelettes restent effectivement indéfiniment en suspension dans l’air et ont des demi-vies qui sont dominées par le taux de ventilation, à une charge virale salivaire de 7 × 106 copies par millilitre, la probabilité qu’un noyau de gouttelette de 1μm (ramené à sa taille initiale hydratée de 3μm) contienne un virion est seulement de 0.01%.
Notre installation actuelle ne détecte pas chaque petite particule dans chaque image du film, et nos valeurs rapportées sont donc des estimations prudentes de la limite inférieure. Nous notons également que la charge virale salivaire présente une grande variation d’un patient à l’autre. Certains patients ont des titres viraux qui dépassent de plus de deux ordres de grandeur le titre moyen de Wölfel et al (7, 18), augmentant ainsi le nombre de virions dans les gouttelettes émises à bien plus de 100 000 par minute de parole. Les noyaux de gouttelettes observés dans notre étude actuelle et précédemment par APS (2, 9) sont suffisamment petits pour atteindre les voies respiratoires inférieures, ce qui est associé à une augmentation de l’issue défavorable de la maladie (19, 20).
Notre méthode de diffusion de la lumière laser fournit non seulement une preuve visuelle en temps réel de l’émission de gouttelettes de parole, mais évalue également leur durée de vie dans l’air. Cette visualisation directe démontre comment la parole normale génère des gouttelettes en suspension dans l’air qui peuvent rester en suspension pendant des dizaines de minutes ou plus et sont éminemment capables de transmettre des maladies dans des espaces confinés.
Data Availability Statement.
Toutes les données brutes utilisées pour l’analyse sont disponibles dans la réf. 17.