Czas życia w powietrzu małych kropel mowy i ich potencjalne znaczenie w przenoszeniu SARS-CoV-2

Wyniki i dyskusja

Wyjście z zielonego (532 nm) lasera Coherent Verdi działającego przy mocy optycznej 4-W zostało przekształcone za pomocą sferycznych i cylindrycznych układów optycznych w arkusz światła o grubości ∼1 mm i wysokości 150 mm. Ten strumień światła przechodził przez szczeliny umieszczone po przeciwnych stronach sześciennej obudowy 226-L. Po włączeniu, 40-mm wentylator muffinowy 12 V wewnątrz obudowy przestrzennie ujednolica rozkład cząstek w obudowie. Dostępny jest film pokazujący ten układ (17). Filmy przedstawiające jądra kropli mowy były nagrywane z częstotliwością 24 Hz przy rozdzielczości high-definition (1,920 × 1,080 pikseli). Obiektyw kamery zapewniał poziome pole widzenia wynoszące ∼ 20 cm. Dlatego objętość przechwycona przez płachtę świetlną i widziana przez kamerę wynosi ∼ 30 cm3. Całkowitą liczbę cząstek w obudowie można w przybliżeniu określić, mnożąc średnią liczbę cząstek wykrytych w pojedynczej klatce filmu przez stosunek objętości obudowy do widzianego arkusza, który wynosi ∼ 7 300. Wolne prądy konwekcyjne, o prędkościach rzędu kilku centymetrów na sekundę, utrzymywały się przez cały czas trwania rejestracji. Te prądy konwekcyjne przypisuje się 0,5 °C gradientowi temperatury w obudowie (od dołu do góry), który prawdopodobnie jest spowodowany ciepłem rozpraszanym przez kamerę iPhone11, która była przymocowana do przedniej części obudowy. Ponieważ strumień powietrza netto przez każdą poziomą płaszczyznę obudowy wynosi zero, konwekcja ta nie ma wpływu na średnią szybkość opadania jąder kropel na dno obudowy.

Przy włączonym wentylatorze z obiegiem wewnętrznym obudowę oczyszczano przez kilka minut powietrzem z filtrem HEPA. Następnie zamykano żaluzję oczyszczającą, włączano klip filmowy, otwierano port głośnika i obudowę „wypełniano” kroplami mowy, powtarzając przez 25 s frazę „pozostań zdrowy”. Frazę tę wybrano, ponieważ fonacja „th” w słowie „zdrowy” okazała się skutecznym generatorem kropel płynów ustnych. Wewnętrzny wentylator został wyłączony 10 s po zakończeniu wypowiedzi, a kamera kontynuowała nagrywanie przez 80 min. Klip filmowy był analizowany klatka po klatce w celu określenia liczby plamek/szczelin, których maksymalna intensywność pojedynczego piksela przekraczała wartość progową 30. Rys. 1 przedstawia zależny od czasu spadek liczby wykrytych cząstek rozpraszających. Nie jesteśmy jeszcze w stanie ilościowo powiązać obserwowanej intensywności światła rozproszonego z rozmiarem rozpraszanej cząstki, ponieważ intensywność światła zmienia się na całej powierzchni arkusza. Jednakże, okazało się, że 25% najjaśniejszych cząstek zanika szybciej niż frakcja ciemniejsza, a obie krzywe są dość dobrze opisane przez wykładnicze czasy zaniku wynoszące odpowiednio 8 i 14 minut (Rys. 1A). Dopasowania te wskazują, że w pobliżu czasu 0, w oknie obserwacyjnym o objętości 30 cm3 znajdowało się średnio około dziewięciu jąder kropel, przy czym większe i jaśniejsze jądra (średnio) opadały na dno komory z większą prędkością niż mniejsze i ciemniejsze.

Przy założeniu, że zawartość pudełka jest homogenizowana przez wentylator muffinek w czasie 0, średnia liczba kropel znalezionych w pojedynczej klatce w pobliżu czasu 0 odpowiada ok. 66 000 małych kropel wyemitowanych do obudowy 226-L, lub ok. 2600 małych jąder kropel na sekundę mówienia. Gdyby rozkład wielkości cząstek był funkcją delta, a cząstki byłyby równomiernie rozmieszczone w obudowie, należałoby oczekiwać, że liczba cząstek pozostanie stała do momentu, gdy cząstki z górnej części obudowy zejdą do górnej części ekranu świetlnego, po czym liczba cząstek spadnie liniowo do poziomu tła. Obserwacja, że profile zaniku są w przybliżeniu wykładnicze wskazuje na znaczną heterogeniczność rozmiarów cząstek, nawet po podzieleniu ich na dwie oddzielne grupy.

Średnie ważone tempo zaniku (0.085 min-1) jasnych i ciemnych frakcji cząstek (Rys. 1A) przekłada się na okres połowicznego zaniku w komorze wynoszący około 8 minut. Zakładając, że ten okres połowicznego zaniku odpowiada czasowi potrzebnemu na opadnięcie cząstki na odległość 30 cm (połowa wysokości pudełka), jej prędkość końcowa wynosi zaledwie 0,06 cm⋅s-1, co odpowiada średnicy jądra kropli ∼4 μm. Przy wilgotności względnej (27%) i temperaturze (23°C) panującej w naszym eksperymencie, spodziewamy się, że kropelki ulegną dehydratacji w ciągu kilku sekund. Odwodniona cząstka o wielkości 4 μm odpowiada uwodnionej kropli o średnicy około 12-21 μm, lub całkowitej uwodnionej objętości ∼60 nL do 320 nL dla 25 s głośnego mówienia. Przy średniej wiremii 7 × 106 na mililitr (7), szacujemy, że 1 minuta głośnego mówienia generuje co najmniej 1,000 zawierających wirusy jąder kropel, które pozostają w powietrzu przez ponad 8 minut. Dlatego mogą one być wdychane przez innych i, zgodnie z IAH, wywołać nową infekcję SARS-CoV-2.

Najdłuższa stała rozpadu zaobserwowana przez nas odpowiada kropelkom o uwodnionej średnicy ≥12 μm przy wyjściu z ust. Istnienie jeszcze mniejszych kropli zostało ustalone na podstawie pomiarów aerodynamicznego sizera cząstek (APS) (2). APS jest szeroko stosowany do wykrywania cząstek aerozolu i najlepiej sprawdza się w przypadku cząstek w zakresie od 0,5 do 5 μm. Morawska et al. (2) wykryli aż 330 cząstek na sekundę w zakresie 0.8- do 5.5μm przy podtrzymywanej wokalizacji „aah”. Biorąc pod uwagę krótki czas podróży (0,7 s) pomiędzy wyjściem z jamy ustnej a detektorem APS oraz wysoką wilgotność względną (59%) zastosowaną w tym badaniu, dehydratacja kropli mogła być niekompletna. Gdyby w detektorze była odwodniona w 75%, zaobserwowana cząstka o wielkości 5,5 μm zaczynałaby jako kropla o wielkości 8,7 μm przy wyjściu z jamy ustnej, co znacznie wykracza poza zakres 12-21 μm zaobserwowany powyżej przez rozpraszanie światła. Wynik ten sugeruje, że pomiary APS i rozpraszania światła doskonale się uzupełniają. Jednakże, zauważamy również, że nawet jeśli najmniejsze jądra kropli skutecznie pozostają w powietrzu w nieskończoność i mają okresy półtrwania, które są zdominowane przez szybkość wentylacji, przy obciążeniu wirusem śliny 7 × 106 kopii na mililitr, prawdopodobieństwo, że jądro kropli o wielkości 1μm (skalowane z powrotem do jego pierwotnie uwodnionego rozmiaru 3μm) zawiera wiriona wynosi tylko 0.01%.

Nasza obecna konfiguracja nie wykrywa każdej małej cząstki w każdej klatce filmu, a nasze zgłoszone wartości są zatem konserwatywnymi szacunkami dolnej granicy. Zauważamy również, że ładunek wirusa w ślinie wykazuje dużą zmienność między pacjentami. Niektórzy pacjenci mają miano wirusa przekraczające średnie miano Wölfel et al o ponad dwa rzędy wielkości (7, 18), co zwiększa liczbę wirusów w emitowanych kropelkach do ponad 100,000 na minutę mówienia. Jądra kropli obserwowane w naszym obecnym badaniu i poprzednio przez APS (2, 9) są wystarczająco małe, aby dotrzeć do dolnych dróg oddechowych, co wiąże się ze zwiększonym niekorzystnym wynikiem choroby (19, 20).

Nasza metoda laserowego rozpraszania światła nie tylko dostarcza w czasie rzeczywistym wizualnych dowodów na emisję kropli mowy, ale również ocenia ich czas życia w powietrzu. Ta bezpośrednia wizualizacja pokazuje jak normalna mowa generuje unoszące się w powietrzu kropelki, które mogą pozostawać zawieszone przez dziesiątki minut lub dłużej i są wybitnie zdolne do przenoszenia chorób w zamkniętych przestrzeniach.