A vida útil aérea de pequenas gotas de fala e a sua potencial importância na transmissão do SRA-CoV-2

Resultados e Discussão

A saída de um laser verde (532 nm) Coherent Verdi operando a 4-W de potência óptica foi transformada com óptica esférica e cilíndrica numa folha de luz que é ∼1 mm de espessura e 150 mm de altura. Esta folha de luz passou através de fendas centradas em lados opostos de um invólucro cúbico 226-L. Quando ativado, um ventilador de muffin de 40 mm e 12 V dentro do invólucro homogeneiza espacialmente a distribuição de partículas no invólucro. Um filme mostrando o arranjo está disponível (17). Os clipes de vídeo dos núcleos de gotículas de fala foram gravados a uma taxa de quadros de 24 Hz com resolução de alta definição (1.920 × 1.080 pixels). A lente da câmera forneceu um campo de visão horizontal de ∼20 cm. Portanto, o volume interceptado pela folha de luz e visto pela câmera é ∼30 cm3. O número total de partículas no invólucro pode ser aproximado multiplicando o número médio de partículas detectadas em um único quadro de filme pela relação de volume do invólucro para a folha visualizada, que é ∼7,300. Correntes de convecção lentas, a velocidades de alguns centímetros por segundo, permaneceram durante toda a duração da gravação. Essas correntes de convecção são atribuídas a um gradiente de temperatura de 0,5 °C no invólucro (de baixo para cima) que presumivelmente é devido ao calor dissipado pela câmera do iPhone11, que foi fixada na parte frontal do invólucro. Como o fluxo líquido de ar através de qualquer plano horizontal do invólucro é zero, essa convecção não afeta a taxa média em que os núcleos de gotículas caem para o fundo do invólucro.

Com o ventilador de circulação interna ligado, o invólucro foi purgado com ar filtrado por HEPA por vários minutos. Então, o obturador de purga foi fechado, o clipe do filme foi iniciado, a porta do alto-falante foi aberta, e o invólucro foi “preenchido” com gotículas de fala por alguém repetindo a frase “mantenha-se saudável” durante 25 s. Esta frase foi escolhida porque a fonação “th” na palavra “saudável” foi encontrada como sendo um gerador eficiente de gotículas de fala de fluido oral. O ventilador interno foi desligado 10 s após o término da fala, e a câmera continuou gravando por 80 min. O clip de vídeo foi analisado fotograma a fotograma para determinar o número de spots/streaks cuja intensidade máxima de pixel único excedeu um valor limite de 30. Fig. 1 mostra a diminuição dependente do tempo no número de partículas de dispersão detectadas. Ainda não somos capazes de ligar quantitativamente a intensidade da luz dispersa observada ao tamanho da partícula dispersa porque a intensidade da luz varia ao longo da folha. No entanto, os 25% mais brilhantes foram encontrados a decair mais rapidamente do que a fração mais fraca, com as duas curvas razoavelmente bem descritas pelos tempos de decaimento exponencial de 8 e 14 min, respectivamente (Fig. 1A). Estes ajustes indicam que, perto do tempo 0, havia, em média, aproximadamente nove núcleos de gotas na janela de observação de 30 cm3, com os núcleos maiores e mais brilhantes (em média) caindo para o fundo do recinto a velocidades mais rápidas do que os menores e mais escuros.

Com a hipótese de que o conteúdo da caixa é homogeneizado pelo ventilador do muffin no tempo 0, o número médio de gotas encontradas num único fotograma perto do tempo 0 corresponde a cerca de 66.000 pequenas gotas emitidas no invólucro 226-L, ou ca. 2.600 pequenos núcleos de gotas por segundo de fala. Se a distribuição granulométrica fosse uma função delta e as partículas estivessem uniformemente distribuídas no invólucro, a contagem de partículas deveria permanecer constante até que as partículas do topo do invólucro descessem para o topo da folha de luz, após o que a contagem de partículas iria decair linearmente até o nível de fundo. A observação de que os perfis de decaimento são aproximadamente exponenciais aponta para uma substancial heterogeneidade nos tamanhos das partículas, mesmo depois de as aglomerar em dois grupos separados.

A taxa média ponderada de decaimento (0,085 min-1) das frações brilhantes e fracas das partículas (Fig. 1A) se traduz em meia-vida no invólucro de cerca de 8 min. Assumindo que essa meia-vida corresponde ao tempo necessário para uma partícula cair 30 cm (metade da altura da caixa), sua velocidade terminal é de apenas 0,06 cm⋅s-1, o que corresponde a um diâmetro de núcleo de gota de ∼4 μm. Na humidade relativa (27%) e temperatura (23 °C) da nossa experiência, esperamos que as gotas se desidratem em poucos segundos. Uma partícula desidratada de 4 μm corresponde a uma gota hidratada de cerca de 12- a 21-μm de diâmetro, ou um volume total hidratado de ∼60 nL a 320 nL durante 25 s de volume em voz alta. A uma carga viral média de 7 × 106 por mililitro (7), estimamos que 1 min de alto-falante gera pelo menos 1.000 núcleos de gotículas contendo viriões que permanecem no ar por mais de 8 min. Estes, portanto, poderiam ser inalados por outros e, segundo a IAH, desencadear uma nova infecção pelo SRA-CoV-2.

A maior constante de decaimento observada por nós corresponde a gotas com um diâmetro hidratado de ≥12 μm ao sair da boca. A existência de gotas ainda mais pequenas foi estabelecida pelas medidas do granulador aerodinâmico (APS) (2). O APS é amplamente utilizado para a detecção de partículas de aerossol e é mais adequado para partículas na faixa de 0,5 a 5-μm. Morawska et al. (2) detectaram até 330 partículas por segundo na faixa de 0,8- a 5,5-μm após uma vocalização “aah” sustentada. Considerando o curto tempo de viagem (0,7 s) entre a saída da boca e o detector de APS, e a elevada humidade relativa (59%) utilizada nesse estudo, a desidratação das gotas pode ter sido incompleta. Se estivesse 75% desidratada no detector, uma partícula de 5,5-μm observada teria começado como uma gota de 8,7-μm ao sair da boca, bem fora da faixa de 12- a 21-μm observada acima por dispersão de luz. Este resultado sugere que o APS e as medidas de dispersão de luz formam um complemento perfeito. Entretanto, também observamos que, mesmo que os menores núcleos de gotas efetivamente permaneçam suspensos no ar indefinidamente e tenham meia-vida que é dominada pela taxa de ventilação, com uma carga viral de saliva de 7 × 106 cópias por mililitro, a probabilidade de um núcleo de gotas de 1-μm (escalado de volta ao seu tamanho originalmente hidratado de 3-μm) conter um virião é de apenas 0.01%.

Nossa configuração atual não detecta cada pequena partícula em cada fotograma do filme, e nossos valores reportados são, portanto, estimativas conservadoras do limite inferior. Também notamos que a carga viral da saliva mostra uma grande variação de paciente para paciente. Alguns pacientes têm títulos virais que excedem o título médio de Wölfel et al em mais de duas ordens de magnitude (7, 18), aumentando assim o número de viriões nas gotículas emitidas para bem mais de 100.000 por minuto de fala. Os núcleos de gotículas observados em nosso presente estudo e anteriormente por APS (2,9) são suficientemente pequenos para alcançar o trato respiratório inferior, o que está associado a um aumento do resultado adverso da doença (19,20).

Nosso método de dispersão de luz laser não só fornece evidência visual em tempo real da emissão de gotículas de fala, mas também avalia sua vida útil aérea. Esta visualização direta demonstra como a fala normal gera gotículas suspensas no ar por dezenas de minutos ou mais e são eminentemente capazes de transmitir doenças em espaços confinados.