可视化揭示不同呼吸模式传播呼吸道传染病的风险

在人类社会历经多次大流行疾病冲击的背景之下，对疾病传播的认知得到了显著的提升，特别是经历过新冠疫情以来。经由呼吸道释放的颗粒物及气流中可形成稳定悬浮的气溶胶体系被称为为人体呼出气溶胶。许多严重折磨人类社会的疾病，如新冠肺炎、肺结核、麻疹和流感，已被证明是通过呼吸排放后经空气传播的。人类呼吸道病毒感染会导致一系列呼吸道症状和疾病，在全球范围内导致高发病率、死亡率和重大经济损失。然而，医学界传统认为疾病流行只是靠飞沫（大于5微米）传播，这一思维惯性使得人们相对忽视了气溶胶（小于100微米的所有颗粒）传播的重要性，这也很大程度上归因于缺乏相关研究工具和实验观察。这些不确定性和一些传统错误的认识导致世界卫生组织在新冠疫情早期没能制定有效的防控策略。人体呼出气溶胶研究有助于了解呼出气溶胶的疾病传播潜力，进而为揭示呼吸道传染性疾病的发展规律以及预防控制策略的制定提供参考科学证据。尽管有文献报道人类呼出气溶胶颗粒的粒度分布，但不同呼吸模式的呼出气气流方向和疾病传播潜力仍不明朗。研究呼出气气流的可视化非常重要，特别在定量描述不同模式呼吸传播疾病的风险上。

图1 对于人类志愿者不同呼出活动的基于二氧化碳示踪的实时成像研究

对于上述问题，北京大学环境科学与工程学院要茂盛教授课题组利用所搭建的红外成像装置，通过对人体呼出气溶胶中存在的CO2的流动形态的捕捉成像，实现了对于真实人类志愿者不同呼吸活动下呼出气溶胶的实时可视化，开展了针对于不同呼气模式下的呼出气流动力学和传播风险的相关研究工作。课题组研究了如干咳、深呼吸和大笑等呼吸模式的呼出气溶胶气流特征及其相应的口鼻活动间的差异，对不同呼出活动的相对传播风险进行了半定量。此外，对各种保护措施的作用机制进行了可视化研究。

研究结果表明，人体呼出气溶胶气流特征在不同呼出活动和口鼻差异中存在着特征规律（图1、图2），体现在各呼出活动气流团形态各异，口部参与的活动其传播角度更加水平，口鼻的共同活动不是两者的简单叠加，而是相互干扰影响，增高了人体呼出气流运动的不稳定性和湍动程度。图像信息中灰度值水平的积分结果（图3）显示深呼吸活动的累积风险更高，口部参与的呼出活动保持稳定状态和较大面积范围的呼出气流能力更强，提示着口部活动较高的累积风险，而干咳等剧烈活动瞬间呼出的气流团颜色更深面积更大，瞬时风险更高。不同防护设备的作用（如图4），佩戴口罩可显著阻隔气流团的面对面水平传播，但有正面呼吸阀的口罩存在着呼出气流加压外溢的现象，在双人交流过程中双方的暴露易感区域及佩戴口罩所起到的防护作用的动态过程可参见后文所附视频链接1。桌面挡板的使用和可穿戴设备的开启，可将人体呼出气溶胶气流限制在一定空间范围。在这项工作中，课题组更多地关注不同呼吸模式之间的差异和特征，将不同呼吸模式下的气流走向可视化，真实理解呼出气气溶胶如何传播。这项工作的结果可以帮助我们更好地理解不同呼吸模式的传播特征，实验数据也为模型模拟的边界条件提供了重要信息。未来还需要更多的研究来更好地了解人类呼出的气溶胶及其对传染病传播的作用。

研究结果以“Quantitatively visualizing airborne disease transmission risks of different exhalation activities through CO2 Imaging”为题发表在Environmental Science and Technology刊物上，并入选刊物内页封面。论文第一作者为北京大学环境科学与工程学院硕士生彭一娇，要茂盛为通讯作者。该项目得到国家自然科学基金委创新群体项目（22221004）、基金委集成项目（92043302）、国家杰出青年科学基金（21725701）与广州实验室项目（EKPG21-02）的资助。

图2 不同呼出活动下可成像气流形态特征

图3 不同呼出活动下可成像气流传播距离

图4 不同呼出活动基于图像信息的相对传播风险的评估

图5 不同防护设备对人体呼出气溶胶气流团的影响