Eredmények és vita
A 4 W optikai teljesítményen működő zöld (532 nm) Coherent Verdi lézer kimenetét gömb- és hengeres optikával ∼1 mm vastag és 150 mm magas fénylemezzé alakítottuk. Ez a fénylemez egy kocka alakú 226 L-es burkolat ellentétes oldalain középen elhelyezett réseken haladt át. Aktiváláskor egy 40 mm-es, 12 V-os muffinventilátor a burkolat belsejében térben homogenizálja a részecskék eloszlását a burkolatban. Az elrendezést bemutató film elérhető (17). A beszédcseppmagokról készült filmfelvételeket 24 Hz-es képkockasebességgel, nagy felbontású (1 920 × 1 080 pixel) felbontással rögzítették. A kamera objektívje ∼20 cm-es vízszintes látómezőt biztosított. Ezért a fénylemez által átvett és a kamera által látott térfogat ∼30 cm3. A burkolatban lévő részecskék teljes számát úgy lehet megközelíteni, hogy az egyetlen filmkockában észlelt részecskék átlagos számát megszorozzuk a burkolat és a láthatóvá tett lap térfogatának arányával, ami ∼7,300. Lassú, másodpercenként néhány centiméteres sebességű konvekciós áramlások maradtak fenn a felvétel időtartama alatt. Ezek a konvekciós áramlatok a burkolatban (alulról felfelé) kialakult 0,5 °C-os hőmérsékleti gradiensnek tulajdoníthatók, amely feltehetően a burkolat elülső oldalára rögzített iPhone11 kamera által leadott hőnek köszönhető. Mivel a nettó légáramlás a burkolat bármely vízszintes síkján nulla, ez a konvekció nem befolyásolja azt az átlagos sebességet, amellyel a cseppmagok a burkolat aljára esnek.
A belső keringető ventilátor bekapcsolásával a burkolatot néhány percig HEPA-szűrt levegővel tisztítottuk. Ezután a tisztítózárat bezárták, a filmklipet elindították, a hangszórónyílást kinyitották, és a fülkét beszédcseppekkel “töltötték meg” úgy, hogy valaki 25 másodpercig ismételgette a “maradj egészséges” kifejezést. Ezt a kifejezést azért választották, mert az “egészséges” szó “th” fonációját a szájfolyadék beszédcseppek hatékony generátorának találták. A belső ventilátort a beszéd befejezése után 10 másodperccel kikapcsoltuk, és a kamera 80 percig folytatta a felvételt. A filmklipet képkockánként elemeztük, hogy meghatározzuk azon foltok/csíkok számát, amelyek maximális egypixeles intenzitása meghaladta a 30-as küszöbértéket. Az 1. ábra az észlelt szóró részecskék számának időfüggő csökkenését mutatja. A megfigyelt szórt fény intenzitását még nem tudjuk kvantitatív módon összekapcsolni a szóró részecske méretével, mivel a fényintenzitás a lapon belül változik. Azt találtuk azonban, hogy a legfényesebb 25% gyorsabban bomlik, mint a halványabb frakció, a két görbét viszonylag jól leírja a 8, illetve 14 perces exponenciális bomlási idő (1A. ábra). Ezek az illesztések azt mutatják, hogy a 0. időpont közelében átlagosan körülbelül kilenc cseppmag volt a 30 cm3 -es megfigyelési ablakban, a nagyobb és fényesebb magok (átlagosan) gyorsabban zuhantak a burkolat aljára, mint a kisebb és halványabb magok.
Azzal a feltételezéssel, hogy a doboz tartalmát a muffinventilátor a 0. időpontban homogenizálja, a 0. időponthoz közeli egyetlen képkockában talált cseppek átlagos száma kb. 66 000 kis cseppnek felel meg, amelyeket a 226-L-es burkolatba bocsátottak ki, vagy kb. 2 600 kis cseppmagnak másodpercenkénti beszélgetésenként. Ha a részecskék méreteloszlása deltafüggvény lenne, és a részecskék egyenletesen oszlanának el a burkolatban, akkor a részecskék száma várhatóan állandó maradna, amíg a burkolat tetejéről a részecskék le nem ereszkednek a fénylemez tetejére, ami után a részecskék száma lineárisan csökkenne a háttérszintre. Az a megfigyelés, hogy a bomlási profilok megközelítőleg exponenciálisak, a részecskék méretének jelentős heterogenitására utal, még a két külön csoportba sorolás után is.
A részecskék világos és halvány frakciójának súlyozott átlagos bomlási sebessége (0,085 min-1) (1A. ábra) kb. 8 perc felezési időt jelent a burkolatban. Feltételezve, hogy ez a felezési idő megfelel egy részecske 30 cm-es (a doboz magasságának fele) eséséhez szükséges időnek, a végsebessége mindössze 0,06 cm⋅s-1, ami ∼4 μm-es cseppmagátmérőnek felel meg. A kísérletünkben alkalmazott relatív páratartalom (27%) és hőmérséklet (23 °C) mellett a cseppek várhatóan néhány másodpercen belül kiszáradnak. Egy 4 μm-es dehidratált részecske kb. 12- 21 μm átmérőjű hidratált cseppnek felel meg, vagy 25 s hangos beszéd esetén ∼60 nL és 320 nL közötti teljes hidratált térfogatnak. 7 × 106/ml átlagos vírusterhelés mellett (7) becsléseink szerint 1 perc hangos beszéd legalább 1000 vírustartalmú cseppmagot generál, amelyek több mint 8 percig a levegőben maradnak. Ezeket tehát mások is belélegezhetik, és az IAH szerint új SARS-CoV-2 fertőzést válthatnak ki.
Az általunk megfigyelt leghosszabb bomlási állandó olyan cseppeknek felel meg, amelyek hidratált átmérője a szájból kilépve ≥12 μm. Még kisebb cseppek létezését is megállapították aerodinamikus részecske-sizer (APS) mérésekkel (2). Az APS-t széles körben használják az aeroszol részecskék kimutatására, és leginkább a 0,5-5μm-es tartományba eső részecskékre alkalmas. Morawska és munkatársai (2) a 0,8-5,5μm-es tartományban másodpercenként akár 330 részecskét is detektáltak tartós “aah” vokalizációra. Figyelembe véve a szájból való kilépés és az APS detektor közötti rövid utazási időt (0,7 s), valamint az említett vizsgálatban használt magas relatív páratartalmat (59%), a cseppek dehidratációja nem lehetett teljes. Ha a detektorban 75%-ban dehidratálódott volna, akkor a megfigyelt 5,5 μm-es részecske a szájból való kilépéskor 8,7 μm-es cseppként indult volna, ami jóval kívül esik a fényszórással fentebb megfigyelt 12 és 21 μm közötti tartományon. Ez az eredmény arra utal, hogy az APS és a fényszórásos mérések tökéletesen kiegészítik egymást. Ugyanakkor azt is megjegyezzük, hogy még akkor is, ha a legkisebb cseppmagok gyakorlatilag korlátlan ideig a levegőben maradnak, és felezési idejüket a szellőzési sebesség határozza meg, 7 × 106 kópia/milliliter nyál vírusterhelés esetén annak valószínűsége, hogy egy 1μm-es cseppmag (az eredetileg hidratált 3μm-es méretre visszavezetve) tartalmaz egy viriont, mindössze 0. A nyál vírusterhelésének a valószínűsége, hogy egy 1μm-es cseppmag (az eredetileg hidratált 3μm-es méretre visszavezetve) tartalmaz egy viriont.01%.
A jelenlegi elrendezésünk nem érzékel minden kis részecskét a film minden egyes képkockájában, ezért a közölt értékeink konzervatív alsó határbecslések. Azt is megjegyezzük, hogy a nyál vírusterhelés nagy betegenkénti eltérést mutat. Egyes betegek vírustiterei több mint két nagyságrenddel meghaladják a Wölfel és munkatársai által megállapított átlagos titereket (7, 18), ezáltal a kibocsátott cseppekben lévő virionok száma jóval 100 000 fölé emelkedik percenkénti beszédidőnként. A jelen vizsgálatunkban és korábban az APS által megfigyelt cseppmagok (2, 9) kellően kicsik ahhoz, hogy elérjék az alsó légutakat, ami fokozottan kedvezőtlen kimenetelű betegséggel jár (19, 20).
A lézerfény-szórásos módszerünk nemcsak a beszédcseppek kibocsátásának valós idejű vizuális bizonyítékát biztosítja, hanem a levegőben terjedő élettartamukat is értékeli. Ez a közvetlen vizualizáció bemutatja, hogy a normál beszéd hogyan generál levegőben szálló cseppeket, amelyek több tíz percig vagy hosszabb ideig is lebegve maradhatnak, és kiválóan alkalmasak a betegség átvitelére zárt terekben.
Adatok elérhetőségi nyilatkozata.
Az elemzéshez használt összes nyers adat elérhető a ref. 17.