Кривая Уэллса
Кривая Уэллса (или кривая падения капель испарения Уэллса ) — это диаграмма, разработанная У. Ф. Уэллсом в 1934 году, которая описывает, что ожидается с маленькими каплями после их выдыхания в воздух. [ 1 ] При кашле, чихании и других резких выдохах образуется большое количество капель из слюны и/или респираторной слизи, размеры которых варьируются от примерно 1 мкм до 2 мм. [ 2 ] [ 3 ] По мнению Уэллса, у таких капель будет две разные судьбы, в зависимости от их размера. Взаимодействие силы тяжести и испарения означает, что капли, размер которых превышает пороговый размер, определяемый влажностью, будут падать на землю под действием силы тяжести, в то время как капли меньшего размера быстро испаряются, оставляя сухой остаток, который плывет в воздухе. Поскольку капли от инфицированного человека могут содержать инфекционные бактерии или вирусы, эти процессы влияют на передачу респираторных заболеваний. [ 4 ] [ 5 ]
Традиционное жесткое ограничение размера частиц в 5 мкм между воздушными и респираторными каплями подверглось критике как ложная дихотомия , не обоснованная наукой, поскольку выдыхаемые частицы образуют континуум размеров, судьба которых зависит не только от их первоначальных размеров, но и от условий окружающей среды. Тем не менее, на протяжении десятилетий он служил основой для мер предосторожности в отношении передачи инфекции в больницах. [ 6 ]
Фон
[ редактировать ]
При спокойном дыхании образуется мало капель, но при форсированном выдохе, таком как чихание, кашель, крик и пение, могут образовываться многие тысячи или даже миллионы мелких капель. Капли от здоровых людей состоят из слюны изо рта и/или слизи , выстилающей дыхательные пути. Слюна на >99% состоит из воды с небольшим количеством солей, белков и других молекул. [ 7 ] Слизь дыхания является более сложной, 95% воды с большим количеством белков муцина и различным количеством других белков, особенно антител, а также липидов и нуклеиновых кислот, секретируемых и полученных из мертвых клеток дыхательных путей. Размеры респираторных капель сильно различаются, от более 1 мм до менее 1 мкм, но распределение размеров примерно одинаково для различных активностей, выращивающих капли. [ 3 ]
Кривая скважин: влияние гравитации и испарения
[ редактировать ]В невозмущенном, насыщенном влагой воздухе все дыхательные капли падают под действием силы тяжести, пока не достигнут земли или другой горизонтальной поверхности. предсказывает, что для всех капель, кроме самых крупных, Закон Стокса скорость падения быстро достигает предела, установленного соотношением массы к площади поперечного сечения, при этом маленькие капли падают гораздо медленнее, чем большие. [ 8 ]
| Размер капли (мм) | Время падения 2 м |
|---|---|
| ≥1.0 | ≤0,6 с |
| 0.1 | 6 секунд |
| 0.01 | 10 минут |
| 0.001 | 16,6 ч. |
Если воздух не насыщен водяным паром, все капли при падении также подвергаются испарению, что постепенно уменьшает их массу и, таким образом, замедляет скорость их падения. Достаточно крупные капли все же достигают земли или другой поверхности, где продолжают высыхать, оставляя потенциально инфекционные остатки, называемые фомитами . Однако большое соотношение площади поверхности к объему мелких капель заставляет их испаряться так быстро, что они высыхают, не достигнув земли. Сухие остатки таких капель (называемые «капельными ядрами» или «аэрозольными частицами») затем перестают падать и дрейфуют с окружающим воздухом. Таким образом, непрерывное распределение размеров капель быстро приводит только к двум дихотомическим результатам: фомитам на поверхностях и ядрам капель, плавающим в воздухе. [ 1 ]
Уэллс обобщил эту взаимосвязь графически, указав размер капель по оси X и время испарения или падения на землю по оси Y. В результате получается пара кривых, пересекающихся по размеру капли, которая испаряется точно при падении на землю. [ 1 ]
Последствия для эпидемиологии
[ редактировать ]Идея Уэллса получила широкое распространение из-за ее значимости для распространения респираторных инфекций. [ 5 ] Эффективность передачи конкретных вирусов и бактерий зависит как от типов капель и капельных ядер, которые они вызывают, так и от их способности выживать в каплях, капельных ядрах и фомитах. Такие заболевания, как корь , возбудители которой остаются высококонтагиозными в капельных ядрах, могут распространяться без личного контакта, через помещение или через системы вентиляции и, как считается, передаются воздушно-капельным путем . [ 4 ] Хотя более поздние исследования показали, что размер капель, при котором испарение опережает падение, меньше, чем у Уэллса, а время осаждения больше, его работа остается важной для понимания физики дыхательных капель. [ 3 ]
Осложняющие факторы
[ редактировать ]Относительная влажность. Эффективное различие между «большими» и «маленькими» каплями зависит от влажности. Выдыхаемый воздух при прохождении через дыхательные пути насыщается водяными парами, но воздух в помещении или на улице обычно гораздо менее влажный. При влажности 0% земли достигают только капли размером 125 мкм или больше, но при влажности 90% порог падает до 60 мкм. Поскольку большинство респираторных капель имеют размер менее 75 мкм, [ 2 ] даже при высокой влажности большинство капель высыхают и попадают в воздух. [ 9 ]
Движение выдыхаемого и окружающего воздуха. Воздух, который был резко выпущен при кашле или чихании, движется в виде турбулентного облака в окружающем воздухе. Такие облака могут перемещаться на расстояние до нескольких метров, при этом крупные капли падают из облака, а мелкие постепенно рассеиваются и испаряются, смешиваясь с окружающим воздухом. Внутренняя турбулентность таких облаков может также задерживать падение крупных капель, увеличивая вероятность того, что они испарятся, не достигнув земли. Поскольку выдыхаемый воздух обычно теплее и, следовательно, менее плотный, чем окружающий воздух, такие облака обычно также поднимаются. Капли и сухие частицы в выдыхаемом воздухе также рассеиваются за счет движения окружающего воздуха под действием ветров и конвекционных потоков. [ 10 ] [ 11 ]
Влияние защитных щитков, масок и респираторов
[ редактировать ]Защитный щиток защищает пользователя от ударов крупных капель, которые могут выбрасываться горизонтально при кашле или чихании инфицированного человека или во время лечения. [ 12 ] Поскольку экран представляет собой непроницаемый барьер, вокруг которого должен проходить воздух, он обеспечивает слабую защиту от мелких капель и сухих частиц, перемещающихся с воздухом. Хирургические маски и маски домашнего изготовления способны отфильтровывать крупные и мелкие капли, но их поры слишком велики, чтобы блокировать прохождение мелких частиц аэрозоля. Считается, что они более эффективны при ношении инфицированным человеком, предотвращая распространение инфекционных капель, чем при ношении незараженным человеком для защиты от инфекции. Воздух, который проходит через плохо прилегающую маску, не фильтруется и не выбрасывается резко при кашле или чихании. [ 13 ] [ 14 ] Респираторные маски Н-95 предназначены для фильтрации даже мелких сухих частиц, но их необходимо индивидуально подгонять и проверять, чтобы не допустить утечки воздуха по бокам. [ 14 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Уэллс, В. Ф. (1 ноября 1934 г.). «О воздушно-капельной инфекции» . Американский журнал эпидемиологии . 20 (3): 611–618. doi : 10.1093/oxfordjournals.aje.a118097 . ISSN 0002-9262 .
- ^ Jump up to: а б с д Дугид, JP (сентябрь 1946 г.). «Размеры и продолжительность авиапереноса респираторных капель и капель-ядер» . Эпидемиология и инфекции . 44 (6): 471–479. дои : 10.1017/S0022172400019288 . ISSN 1469-4409 . ПМК 2234804 . ПМИД 20475760 .
- ^ Jump up to: а б с Гралтон, Ян; Тови, Юан; Маклоуз, Мэри-Луиза; Роулинсон, Уильям Д. (январь 2011 г.). «Роль размера частиц в передаче патогенов аэрозольным путем: обзор» . Журнал инфекции . 62 (1): 1–13. дои : 10.1016/j.jinf.2010.11.010 . ISSN 0163-4453 . ПМЦ 7112663 . ПМИД 21094184 .
- ^ Jump up to: а б Каттер, Жасмин С; Спронкен, Моник I; Фраай, Питер Л; Фушье, Рон AM; Осень, Сандер (01.02.2018). «Пути передачи респираторных вирусов среди человека» . Современное мнение в вирусологии . Новые вирусы: внутривидовая передача • Вирусная иммунология. 28 : 142–151. дои : 10.1016/j.coviro.2018.01.001 . ISSN 1879-6257 . ПМК 7102683 . ПМИД 29452994 .
- ^ Jump up to: а б Всемирная организация здравоохранения; Ю. Шартье; К. Л. Пессоа-Сильва (2009). Естественная вентиляция для инфекционного контроля в медицинских учреждениях . Всемирная организация здравоохранения. п. 79. ИСБН 978-92-4-154785-7 .
- ^ Инициатива по вопросам гигиены окружающей среды; Национальные академии наук, техники и медицины (22 октября 2020 г.). Шелтон-Дэвенпорт, Мэрили; Павлин, Джули; Сондерс, Дженнифер; Штаудт, Аманда (ред.). Передача SARS-CoV-2 по воздуху: материалы семинара – кратко . Вашингтон, округ Колумбия: National Academies Press. doi : 10.17226/25958 . ISBN 978-0-309-68408-8 . ПМИД 33119244 . S2CID 236828761 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Хамфри, Сью П.; Уильямсон, Рассел Т. (февраль 2001 г.). «Обзор слюны: нормальный состав, поток и функция». Журнал ортопедической стоматологии . 85 (2): 162–169. дои : 10.1067/mpr.2001.113778 . ПМИД 11208206 .
- ^ Стоукс, Джордж Габриэль (1901). «О влиянии внутреннего трения жидкостей на движение маятников». Математические и физические статьи . Том. 3. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 1–10. дои : 10.1017/cbo9780511702266.002 . ISBN 978-0-511-70226-6 .
- ^ Се, X.; Ли, Ю.; Чван, ATY; Хо, Польша; Сето, штат Вашингтон (июнь 2007 г.). «Как далеко капли могут перемещаться в помещении? Возвращаясь к нисходящей кривой испарения Уэллса» . Внутренний воздух . 17 (3): 211–225. дои : 10.1111/j.1600-0668.2007.00469.x . ISSN 0905-6947 . ПМИД 17542834 .
- ^ Буруиба, Лидия; Дехандшоеверкер, Элин; Буш, Джон В.М. (апрель 2014 г.). «Насильственные явления выдоха: при кашле и чихании» . Журнал механики жидкости . 745 : 537–563. Бибкод : 2014JFM...745..537B . дои : 10.1017/jfm.2014.88 . hdl : 1721.1/101386 . ISSN 0022-1120 . S2CID 2102358 .
- ^ Пика, Натали; Бувье, Николь М (01 февраля 2012 г.). «Факторы окружающей среды, влияющие на передачу респираторных вирусов» . Современное мнение в вирусологии . Проникновение вируса/Экологическая вирусология. 2 (1): 90–95. дои : 10.1016/j.coviro.2011.12.003 . ISSN 1879-6257 . ПМК 3311988 . ПМИД 22440971 .
- ^ Роберж, Рэймонд Дж. (2 апреля 2016 г.). «Защитные маски для инфекционного контроля: обзор» . Журнал гигиены труда и окружающей среды . 13 (4): 235–242. дои : 10.1080/15459624.2015.1095302 . ISSN 1545-9624 . ПМК 5015006 . ПМИД 26558413 .
- ^ Тан, Джулиан В.; Либнер, Томас Дж.; Крейвен, Брент А.; Сеттлс, Гэри С. (6 декабря 2009 г.). «Шлирен-оптическое исследование кашля человека в маске и без нее для контроля аэрозольной инфекции» . Журнал интерфейса Королевского общества . 6 (дополнение_6): S727-36. doi : 10.1098/rsif.2009.0295.focus . ISSN 1742-5689 . ПМЦ 2843945 . ПМИД 19815575 .
- ^ Jump up to: а б «Управление по контролю за продуктами и лекарствами США. 11 марта 2020 г. Получено 28 марта 2020 г.» . «Респираторы и хирургические маски (лицевые маски) N95» . 5 апреля 2020 г. Проверено 9 мая 2020 г.