Rezultate și discuții
Lovitura unui laser verde (532 nm) Coherent Verdi care funcționează la o putere optică de 4 W a fost transformată cu ajutorul opticii sferice și cilindrice într-o foaie de lumină care are ∼1 mm grosime și 150 mm înălțime. Această foaie de lumină a trecut prin fante centrate pe laturile opuse ale unei incinte cubice de 226-L. Atunci când este activat, un ventilator muffin de 40 mm și 12 V din interiorul incintei omogenizează spațial distribuția particulelor în incintă. Este disponibil un film care prezintă aranjamentul (17). Clipurile video ale nucleelor de picături de vorbire au fost înregistrate la o frecvență de 24 Hz cu o rezoluție de înaltă definiție (1.920 × 1.080 pixeli). Obiectivul camerei a oferit un câmp de vedere orizontal de ∼20 cm. Prin urmare, volumul interceptat de foaia de lumină și vizualizat de cameră este de ∼30 cm3. Numărul total de particule din incintă poate fi aproximat prin înmulțirea numărului mediu de particule detectate într-un singur cadru de filmare cu raportul dintre volumul incintei și foaia vizualizată, care este ∼7,300. Curenții de convecție lentă, cu viteze de câțiva centimetri pe secundă, au rămas pe toată durata înregistrării. Acești curenți de convecție sunt atribuiți unui gradient de temperatură de 0,5 °C în incintă (de jos în sus), care se presupune că se datorează căldurii disipate de camera iPhone11, care a fost atașată pe partea frontală a incintei. Deoarece fluxul net de aer în orice plan orizontal al incintei este zero, această convecție nu are niciun impact asupra ratei medii cu care nucleele de picături cad pe fundul incintei.
Cu ventilatorul de circulație internă pornit, incinta a fost purjată cu aer filtrat HEPA timp de câteva minute. Apoi, oblonul de purjare a fost închis, clipul de film a fost pornit, portul difuzorului a fost deschis, iar incinta a fost „umplută” cu picături de vorbire prin repetarea de către cineva a frazei „rămâi sănătos” timp de 25 s. Această frază a fost aleasă deoarece s-a constatat că fonația „th” din cuvântul „sănătos” este un generator eficient de picături de vorbire de fluid oral. Ventilatorul intern a fost oprit la 10 s după terminarea vorbirii, iar camera a continuat să înregistreze timp de 80 min. Clipul video a fost analizat cadru cu cadru pentru a determina numărul de pete/straturi a căror intensitate maximă pe un singur pixel a depășit o valoare de prag de 30. În Fig. 1 este reprezentată grafic scăderea în funcție de timp a numărului de particule de dispersie detectate. Nu suntem încă în măsură să legăm cantitativ intensitatea luminii împrăștiate observate de dimensiunea particulei de împrăștiere, deoarece intensitatea luminii variază de-a lungul foii. Cu toate acestea, s-a constatat că cele mai strălucitoare 25 % scad mai repede decât fracțiunea mai slabă, cele două curbe fiind descrise rezonabil de bine prin timpi de descreștere exponențială de 8 și, respectiv, 14 min (Fig. 1A). Aceste ajustări indică faptul că, în apropierea timpului 0, existau, în medie, aproximativ nouă nuclee de picături în fereastra de observație de 30 cm3, nucleele mai mari și mai luminoase (în medie) căzând pe fundul incintei cu o viteză mai mare decât cele mai mici și mai puțin luminoase.
Cu presupunerea că conținutul cutiei este omogenizat de ventilatorul de brioșe la momentul 0, numărul mediu de picături găsite într-un singur cadru în apropierea momentului 0 corespunde la cca. 66.000 de picături mici emise în incinta 226-L, sau cca. 2.600 de nuclee de picături mici pe secundă de vorbire. Dacă distribuția dimensiunilor particulelor ar fi o funcție delta și particulele ar fi distribuite uniform în incintă, numărul de particule ar trebui să rămână constant până când particulele din partea superioară a incintei coboară în partea superioară a foii de lumină, după care numărul de particule ar scădea liniar până la nivelul de fond. Observarea faptului că profilurile de dezintegrare sunt aproximativ exponențiale indică o eterogenitate substanțială a dimensiunilor particulelor, chiar și după clasificarea acestora în două grupuri separate.
Rata medie ponderată de dezintegrare (0,085 min-1) a fracțiunilor luminoase și întunecate de particule (Fig. 1A) se traduce printr-un timp de înjumătățire în incintă de aproximativ 8 min. Presupunând că acest timp de înjumătățire corespunde timpului necesar pentru ca o particulă să cadă 30 cm (jumătate din înălțimea cutiei), viteza sa terminală este de numai 0,06 cm⋅s-1, ceea ce corespunde unui diametru al nucleului de picături de ∼4 μm. La umiditatea relativă (27 %) și temperatura (23 °C) din experimentul nostru, ne așteptăm ca picăturile să se deshidrateze în câteva secunde. O particulă deshidratată de 4 μm corespunde unei picături hidratate cu un diametru de cca. 12- până la 21-μm, sau un volum total hidratat de ∼60 nL până la 320 nL pentru 25 s de vorbire cu voce tare. La o încărcătură virală medie de 7 × 106 pe mililitru (7), estimăm că 1 minut de vorbire cu voce tare generează cel puțin 1 000 de nuclee de picături care conțin virioni și care rămân în aer mai mult de 8 minute. Prin urmare, acestea ar putea fi inhalate de alte persoane și, conform IAH, ar putea declanșa o nouă infecție cu SARS-CoV-2.
Cea mai lungă constantă de dezintegrare observată de noi corespunde picăturilor cu un diametru hidratat de ≥12 μm la ieșirea din gură. Existența unor picături chiar mai mici a fost stabilită prin măsurători cu ajutorul sizerului aerodinamic de particule (APS) (2). APS este utilizat pe scară largă pentru detectarea particulelor de aerosoli și este cel mai bine adaptat pentru particule în intervalul 0,5 – 5 μm. Morawska et al. (2) au detectat până la 330 de particule pe secundă în intervalul de 0,8 până la 5,5μm la vocalizarea susținută „aah”. Având în vedere timpul scurt de deplasare (0,7 s) între ieșirea din gură și detectorul APS, precum și umiditatea relativă ridicată (59 %) utilizată în acel studiu, este posibil ca deshidratarea picăturilor să fi fost incompletă. Dacă ar fi fost deshidratată în proporție de 75 % la detector, o particulă observată de 5,5 μm ar fi început ca o picătură de 8,7 μm la ieșirea din gură, cu mult în afara intervalului de 12 până la 21 μm observat mai sus prin împrăștierea luminii. Acest rezultat sugerează că măsurătorile APS și cele de împrăștiere a luminii formează o completare perfectă. Cu toate acestea, observăm, de asemenea, că, chiar dacă cele mai mici nuclee de picături rămân efectiv în aer la nesfârșit și au timpi de înjumătățire care sunt dominați de rata de ventilație, la o încărcătură virală de salivă de 7 × 106 copii pe mililitru, probabilitatea ca un nucleu de picătură de 1μm (redimensionat la dimensiunea sa inițială hidratată de 3μm) să conțină un virion este de doar 0.01%.
Configurația noastră actuală nu detectează fiecare particulă mică în fiecare cadru al filmului, iar valorile noastre raportate sunt, prin urmare, estimări conservatoare ale limitei inferioare. De asemenea, observăm că încărcătura virală din salivă prezintă variații mari de la pacient la pacient. Unii pacienți au titruri virale care depășesc titrul mediu al lui Wölfel et al. cu mai mult de două ordine de mărime (7, 18), crescând astfel numărul de virioni din picăturile emise la mult peste 100.000 pe minut de vorbire. Nucleele de picături observate în studiul nostru de față și anterior de către APS (2, 9) sunt suficient de mici pentru a ajunge în tractul respirator inferior, ceea ce este asociat cu o creștere a rezultatelor adverse ale bolii (19, 20).
Metoda noastră de împrăștiere a luminii cu laser nu numai că oferă dovezi vizuale în timp real pentru emisia de picături de vorbire, dar evaluează, de asemenea, durata de viață a acestora în aer. Această vizualizare directă demonstrează modul în care vorbirea normală generează picături în aer care pot rămâne suspendate timp de zeci de minute sau mai mult și sunt eminamente capabile să transmită boli în spații închise.
Declarație privind disponibilitatea datelor.
Toate datele brute utilizate pentru analiză sunt disponibile în ref. 17.