[論文レビュー] Respiratory aerosols and droplets in the transmission of infectious diseases

Mira L. Pöhlker, Ovid O. Krüger+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2021

Infection Control and Ventilation被引用数 53

ひとこと要約

この論文は呼気粒子の物理化学的性質を批判的に検討し、多モーダルなサイズ分布パラメータ化を導出し、活動特異的PSDがSARS-CoV-2のような病原体の伝播とどのように関連するかを示しています。

ABSTRACT

Knowing the physicochemical properties of exhaled droplets and aerosol particles is a prerequisite for a detailed mechanistic understanding and effective prevention of the airborne transmission of infectious human diseases. This article provides a critical review and synthesis of scientific knowledge on the number concentrations, size distributions, composition, mixing state, and related properties of respiratory particles emitted upon breathing, speaking, singing, coughing, and sneezing. We derive and present a parameterization of respiratory particle size distributions based on five lognormal modes related to different origins in the respiratory tract, which can be used to trace and localize the sources of infectious particles. This approach may support the medical treatment as well as the risk assessment for aerosol and droplet transmission of infectious diseases. It was applied to analyze which respiratory activities may drive the spread of specific pathogens, such as Mycobacterium tuberculosis, influenza viruses, and SARS-CoV-2 viruses. The results confirm the high relevance of vocalization for the transmission of SARS-CoV-2 as well as the usefulness of physical distancing, face masks, room ventilation, and air filtration as preventive measures against COVID-19 and other airborne infectious diseases.

研究の動機と目的

• 呼吸、発声、歌唱、咳、くしゃみの際に放出される呼吸粒子の数濃度、サイズ分布、組成、および混合状態を要約する。
• 複数の対数正規モードに基づく吐出粒子サイズ分布のパラメータ化を開発し、感染源を追跡する。
• 結核菌(Mycobacterium tuberculosis)、インフルエンザ、SARS-CoV-2 などの病原体の伝播ポテンシャルと放出特性を関連づける。
• 物理的に基づく枠組みに基づき、リスク評価と緩和（例：距離、マスク、換気）へのガイダンスを提供する。

提案手法

• 呼吸粒子の放出と性質に関する幅広い文献を総合する。
• <10 nm から >1000 µm をカバーする汎用の多モーダル対数正規 PSD パラメータ化を導入する。
• モード特有の粒子数を放出機構および呼吸器の部位と関連づける。
• 呼吸活動をモード特異的な放出と病原体拡散のポテンシャルと関連づける。
• 距離確保、マスク、換気、ろ過などの介入の影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 呼気粒子のサイズ分布は、呼吸、発話、歌唱、咳、くしゃみといったさまざまな呼吸活動でどう変化するか？
• RQ2 呼吸器内で支配的なサイズモードとその発生源は何で、それらが病原体の付着と伝播リスクにどう影響するか？
• RQ3 多モーダルPSDパラメータ化は、SARS-CoV-2、インフルエンザ、結核などの疾病の伝播モデル化とリスク評価をどのように改善するか？
• RQ4 呼吸性エアロゾルと飛沫の多モーダル性を考慮した場合、最も効果的にリスクを低減する緩和戦略はどれか？

主な発見

• 発声（話すこと／歌うこと）はSARS-CoV-2の伝播に非常に関連している。
• 五モードの対数正規PSDパラメータ化は、<10 nm から >1000 µm までの吐出粒子分布を記述できる。
• 個人や活動間で粒子数および体積放出量は大きく異なり、正確なモデリングにはスペクトルのPSDが必要となる。
• この枠組みは放出機構と呼吸器部位を特定のサイズモードへ結びつけ、源の局在化と介入設計を支援する。
• 近距離伝播と遠距離伝播の双方が、連続したサイズ連続体内のエアロゾルと飛沫を含み、単純な二分法に挑戦する。
• 物理的距離、フェイスマスク、換気、ろ過などの緩和措置は、多相呼吸雲の物理に裏打ちされている。