結果と考察
光出力4Wで動作するCoherent Verdiレーザーの緑（532nm）からの出力を球面および円筒光学系で変換し厚さ約1mm、高さ150mmの光シートが作成されました。 この光シートは、226Lの立方体の筐体の対向面に設けられたスリットを通過する。 筐体内部の40mm、12Vのマフィンファンを作動させると、筐体内の粒子分布が空間的に均質化される。 この配置を示す動画が公開されている(17)。 音声液滴核の動画は，フレームレート 24 Hz，高解像度（1,920 × 1,080 ピクセル）で記録された． カメラレンズの水平視野は約20cmであった。 したがって、光シートによって遮られ、カメラによって見られる体積は約30 cm3である。 1フレームで検出された粒子の平均数に、筐体と可視化シートの体積比（約7,300）を乗じることで、筐体内の粒子の総数を概算することができる。 秒速数センチメートルのゆっくりとした対流が、記録期間中ずっと残っていた。 この対流は、筐体の前面に取り付けられたiPhone11カメラの放熱によるものと思われ、筐体内（下から上）の0.5℃の温度勾配に起因するものである。 7383>
内部循環ファンをオンにした状態で、筐体をHEPAフィルターでろ過した空気で数分間パージしました。 このフレーズは、”healthy “という単語の “th “の発音が、口腔液の音声飛沫を効率的に生成することが判明したため、選ばれたものである。 発話終了後10秒後に内蔵ファンを停止し、カメラは80分間録画を継続した。 この動画像を1フレームずつ解析し，1ピクセルの最大強度が閾値30を超えたスポット/ストリークの数を求めた。 図1は、検出された散乱粒子の数の時間依存的な減少を示したものである。 散乱光強度はシート全体で変化するため、観測された散乱光強度と散乱粒子の大きさを定量的に結びつけることはまだできていない。 しかし、最も明るい25%は、より暗い割合よりも速く減衰することがわかり、2つの曲線はそれぞれ8分と14分の指数関数的減衰時間によって合理的に記述された(Fig. 1A)。 これらの適合から、時間0付近では、30cm3の観測窓内に平均約9個の液滴核が存在し、大きくて明るい核は小さくて暗い核よりも速い速度で囲いの底に落下していることがわかった（図1）。
「健康でいてください」というフレーズを大きな声で25秒間繰り返し話すことによって発生した空気中の音声飛沫核の光散乱観察（30cmの距離で最大85dBB、平均59dBB）。 (A) フレームあたりの粒子数対時間のグラフ（24秒移動平均で平滑化）。赤い曲線は散乱の明るさの上位25％、緑の曲線はそれ以外を表す。 明るい部分（赤）は8分の時定数で減衰し、暗い部分（緑）は14分の時定数で減衰している。 どちらの指数関数的減衰曲線も、1フレームあたり約0カウント（赤の水平破線）、0.4カウント（緑の破線）のそれぞれのバックグラウンドレベルに戻っている。 時間 “0 “は、攪拌ファンが停止した時間に相当する。 25秒のバーストは時間0の36秒前に始まった。黒い矢印（0.5分）は指数関数的なフィットの開始を示す。 (B)25秒間の発話終了直後に抽出した6秒間の連続144フレームの和の画像。 破線の円はカメラの焦点合わせに使用した針の先端を示す。 動画の全記録はref. 17に掲載されており、グラフの時間「0」は動画の時点3:38である。
時間0に箱の中身がマフィンファンによって均質化されたと仮定すると、時間0の近くの1フレームで見つかった液滴の平均数は、226Lの筐体に放出された約66000個の小さな液滴、または約60000個に対応します。 これは，1 秒間に約 2,600 個の小滴核が放出されたことになる． 粒径分布がデルタ関数で、粒子が筐体内で一様に分布している場合、筐体上部からの粒子がライトシートの上部に降下するまで粒子数は一定であると考えられ、その後、粒子数はバックグラウンドレベルまで直線的に減衰すると思われます。
粒子の明るい部分と暗い部分の加重平均減衰率（0.085 min-1）（図1A）は、囲い内での半減期を約8分と換算することができる。 この半減期は、粒子が30cm（箱の高さの半分）落下するのに必要な時間に相当すると仮定すると、その終端速度はわずか0.06cm・s-1で、これは液滴核の直径約4μmに相当する。 実験の相対湿度（27%）と温度（23℃）では、液滴は数秒以内に脱水すると予想される。 4μmの脱水粒子は、直径約12-21μmの水滴に相当し、25秒間の大声で話すと約60nLから320nLの水滴に相当する。 平均的なウイルス量を 7 × 106 個/ml とすると（7），1 分間の大声で話すと，少なくとも 1,000 個のウイルスを含む飛沫核が発生し，8 分以上空中に浮遊すると推定された．
私たちが観測した最長の減衰定数は、口から出るときの水和直径が12μm以上の液滴に対応するものであった。 さらに小さな液滴の存在は、空気力学的粒子径測定器（APS）測定によって立証されている(2)。 APS はエアロゾル微粒子の検出に広く用いられており、0.5- から 5-μm の範囲の粒子に最も適している。 Morawskaら(2)は、0.8～5.5μmの範囲において、「アー」という発声を持続することにより、1秒間に330個もの粒子を検出しました。 口から出て APS 検出器までの移動時間が短いこと（0.7 秒）、その研究で使用した相対湿度が高いこと （59%）を考慮すると、液滴の脱水が不完全であった可能性がある。 検出器での脱水が75%であった場合、観察された5.5μmの粒子は、口から出るときに8.7μmの液滴として始まり、光散乱で観察された12～21μmの範囲から大きく外れていたことになる。 この結果は、APSと光散乱の測定が完全に補完しあうことを示唆している。 ただし、最小の液滴核が実質的に無期限に空気中に残り、半減期が換気速度に支配されるとはいえ、唾液のウイルス量が 7 × 106 コピー/ミリリットルの場合、1-μm の液滴核（元の水和 3-μm サイズに縮小）がウイルスを含む確率はわずか 0.0 であることにも注目する。
私たちの現在のセットアップでは、動画の各フレームですべての小粒子を検出できないため、報告された値は保守的な下限推定値です。 また、唾液のウイルス量には大きな患者間のばらつきがあることにも注意が必要です。 一部の患者は，Wölfelらの平均力価を2桁以上上回るウイルス力価を有しており（7，18），その結果，放出される飛沫中のウイルス数は，1分間の会話で10万個をはるかに超えることになる． 本研究および APS による以前の研究 (2, 9) で観察された飛沫核は、有害な疾患転帰の増加と関連する下気道に到達するには十分小さいものです (19, 20)。
当社のレーザー光散乱法は、音声飛沫放出のリアルタイム視覚証拠を提供するだけでなく、空気中の寿命を評価するものでもあります。 この直接的な視覚化により、通常のスピーチが、数十分またはそれ以上浮遊している可能性があり、狭い空間で病気を感染させる可能性が極めて高い、空気中の飛沫を生成することが実証されました。 17.