Wellsova křivka - Wells curve

Wellsova křivka ukazuje, že respirační kapičky po výdechu rychle vysychají nebo padají na zem.

The Wellsova křivka (nebo Křivka odpařování jamek kapiček) je diagram vyvinutý společností W. F. Wells v roce 1934, který popisuje, co si myslel, že by se mohlo stát malému kapénky jakmile byly vydechnuty do vzduchu.^[1]Myslel si, že kašel, kýchání a další prudké výdechy vytvářejí vysoký počet kapiček dýchacích cest pocházejících ze slin a / nebo dýchacích hlenů, jejichž velikost se pohybuje od přibližně 1 µm do 2 mm.^[2][3] Wellsovy neexperimentální odhady zahrnovaly, že takové kapičky mají dva odlišné osudy, v závislosti na jejich velikosti. Souhra gravitace a odpařování znamená, že kapičky větší než prahová velikost určená pro vlhkost mohou padat na zem v důsledku gravitace, zatímco kapičky menší než tato velikost se rychle odpařují a zanechávají suchý zbytek, který se snáší ve vzduchu. Protože kapičky infikované osoby mohou obsahovat infekční bakterie nebo viry, tyto procesy ovlivňují přenos respiračních onemocnění.^[4][5]

Tradiční mezní hodnota tvrdé velikosti 5 μm mezi vzdušnými a respiračními kapičkami byl kritizován jako a falešná dichotomie není založen na vědě, protože vydechované částice tvoří kontinuum velikostí, jejichž osudy kromě původních velikostí závisí také na podmínkách prostředí. Po desetiletí však informovala o opatřeních založených na přenosu v nemocnici.^[6]

Pozadí

Každý histogram ukazuje distribuci velikosti 3000 respiračních kapiček produkovaných specifikovanou aktivitou. Data z Duguid 1946^[2]

Tiché dýchání produkuje několik kapiček, ale vynucené výdechy, jako je kýchání, kašel, křik a zpěv, mohou produkovat tisíce nebo dokonce miliony malých kapiček. Kapičky od zdravých lidí sestávají z sliny z úst a / nebo sliz který dýchá dýchací cesty. Sliny jsou> 99% vody s malým množstvím solí, bílkovin a dalších molekul.^[7] Respirační hlen je složitější, 95% voda s velkým množstvím mucin proteiny a různá množství jiných proteinů, zejména protilátek, stejně jako lipidy a nukleové kyseliny, vylučované i odvozené z mrtvých buněk dýchacích cest. Velikosti respiračních kapiček se velmi liší, od více než 1 mm do méně než 1 µm, ale distribuce velikostí je zhruba podobná napříč různými aktivitami vytvářejícími kapičky.^[3]

Wellsova křivka: účinky gravitace a odpařování

V nerušeném vzduchu nasyceném vlhkostí padají všechny kapičky dýchacích cest gravitací, dokud nedosáhnou země nebo jiného vodorovného povrchu. Pro všechny kromě největších kapiček Stokesův zákon předpovídá, že klesající rychlosti rychle dosáhnou limitu stanoveného poměrem hmotnosti k ploše průřezu, přičemž malé kapičky padají mnohem pomaleji než velké.^[8]

Pokud není vzduch nasycen vodními parami, všechny kapičky podléhají při pádu také odpařování, které postupně snižuje jejich hmotnost a tím zpomaluje jejich rychlost. Dostatečně velké kapičky se stále dostávají na zem nebo na jiný povrch, kde pokračují v sušení a zanechávají potenciálně infekční zbytky kontaminované předměty. Vysoký poměr povrchu k objemu malých kapiček však způsobuje, že se odpařují tak rychle, že před dosažením země vyschnou. Suché zbytky těchto kapiček (nazývané „jádra kapiček“ nebo „aerosolové částice“) poté přestávají padat a unášet se s okolním vzduchem. Kontinuální distribuce velikostí kapiček tedy rychle produkuje pouze dva dichotomické výsledky, fomity na površích a jádra kapiček plovoucí ve vzduchu.^[1]

Wells shrnul tento vztah graficky, s velikostí kapiček na ose X a časem odpařit se nebo spadnout na zem na ose Y. Výsledkem je dvojice křivek protínajících se o velikosti kapiček, které se odpařují přesně při dopadu na zem.^[1]

Důsledky pro epidemiologii

Wellsův pohled byl široce přijat kvůli jeho významu pro šíření respiračních infekcí.^[5] Účinnost přenosu specifických virů a bakterií závisí jak na druzích kapiček a jádrech kapiček, které způsobují, tak na jejich schopnosti přežít v kapičkách, jádrech kapiček a fomitech. Nemoci jako spalničky, jejichž původci virů zůstávají vysoce infekční v jádrech kapiček, lze šířit bez osobního kontaktu, po místnosti nebo ventilačními systémy a říká se, že ve vzduchu přenos.^[4] Ačkoli pozdější studie prokázaly, že velikost kapiček, při které klesá odpařování, je menší než velikost popsaná Wellsem a doba usazování je delší, jeho práce zůstává důležitá pro pochopení fyziky kapiček dýchání.^[3]

Wellsovy křivky pro různé relativní vlhkosti

Komplikující faktory

Relativní vlhkost: Efektivní rozlišení mezi „velkými“ a „malými“ kapičkami závisí na vlhkosti. Vydechovaný vzduch se při průchodu dýchacími cestami nasytil vodní párou, ale vnitřní nebo venkovní vzduch je obvykle mnohem méně vlhký. Při vlhkosti 0% se na zem dostanou pouze kapičky 125 µm nebo větší, ale práh klesne na 60 µm pro 90% vlhkost. Protože většina kapiček dýchacích cest je menší než 75 µm,^[2] i při vysoké vlhkosti většina kapiček vyschne a stane se vzduchem.^[9]

Pohyb vydechovaného a okolního vzduchu: Vzduch, který byl prudce vytlačen kašlem nebo kýcháním, se pohybuje jako turbulentní mrak okolním vzduchem. Takové mraky mohou cestovat až několik metrů, s velkými kapičkami padajícími z mraku a malé se postupně rozptýlí a odpařují, když se mísí s okolním vzduchem. Vnitřní turbulence takových mraků může také zpozdit pád velkých kapiček a zvýšit tak šanci, že se před dosažením země odpaří. Vzhledem k tomu, že vydechovaný vzduch je obvykle teplejší a tedy méně hustý než okolní vzduch, takové mraky obvykle také stoupají. Kapky a suché částice ve vydechovaném vzduchu jsou také rozptýleny pohybem okolního vzduchu v důsledku větru a konvekčních proudů.^[10][11]

Účinky obličejových štítů, masek a respirátorů

Ochranný štít chrání nositele před nárazem velkých kapiček, které mohou být vodorovně vyloučeny kašlem nebo kýcháním infikované osoby nebo během lékařských ošetření.^[12] Vzhledem k tomu, že štít je nepropustnou bariérou, kolem které musí vzduch cestovat, poskytuje malou ochranu před malými kapičkami a suchými částicemi, které cestují vzduchem. Chirurgické masky a domácí masky mohou odfiltrovat velké i malé kapičky, ale jejich póry jsou příliš velké, aby blokovaly průchod malých aerosolových částic. Považuje se za účinnější, když je nosí nakažená osoba, zabraňující uvolňování infekčních kapiček, než když je nosí neinfikovaná osoba na ochranu před infekcí. Vzduch, který cestuje kolem špatně přiléhající masky, není filtrován, ani není násilně vypuzován vzduch produkovaný kašlem nebo kýcháním.^[13][14] N-95 respirátorové masky jsou navrženy tak, aby odfiltrovaly i malé suché částice, ale musí být jednotlivě namontovány a zkontrolovány, aby se zabránilo úniku vzduchu po stranách.^[14]

Reference