呼吸道传染病传播过程中的飞沫粒径效应研究

Respiratory droplets of different sizes may play different roles in the transmission of respiratory infectious diseases. Understanding of the role of respiratory droplet size is the prerequisite to determine the transmission route/routes of respiratory infectious diseases and to take efficient control measures. .This project will firstly investigate the deposition mechanism of respiratory droplets inside the patient’s respiratory tract by both Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling method and experimental method, to confirm the largest size of droplets released into indoor environment that are produced in throat or trachea under various respiratory activities. Complexity in the structure of respiratory tract and variability in flow conditions will be considered as important factors for droplet deposition..Afterwards, the exposure risk to respiratory droplets will be re-evaluated by studying the evaporation, dispersion and deposition of respiratory droplets after they are exhaled into the air, where the effect of ambient temperature and humidity and conversation contact between people will be considered. The relative importance of direct spray route by large droplets and airborne route by small droplets will be compared. In addition, the role of building ventilation in controlling respiratory disease will be evaluated..By understanding the roles of respiratory droplets of different sizes, this project will provide theoretical guidance for the effective control of respiratory infectious diseases.

不同粒径飞沫在呼吸道传染病的传播过程中扮演不同的角色，掌握呼吸飞沫的粒径效应是明确呼吸道传染病的传播途径和采取有效防控手段的前提。本研究拟从飞沫在呼吸道内的沉积规律和飞沫暴露规律两方面入手，系统开展对呼吸道传染病传播过程中飞沫粒径效应的研究。鉴于飞沫携带的病毒量与其在呼吸道内的产生位置有关，将采用计算流体动力学（CFD）手段和实验手段研究不同呼吸工况下各种粒径的飞沫在病人呼吸道内的沉积规律，获得咽喉、气管等关键部位产生并能呼出到室内环境的大粒径飞沫临界粒径。然后，结合射流模型、飞沫蒸发和运动模型，重新评估飞沫暴露的风险；重点考虑环境温湿度和人的会话接触行为等因素的影响，评估大飞沫近距离直接喷射传播和小飞沫空气传播等不同传播途径导致的感染风险，在此基础上评估建筑通风对呼吸道传染病的防控作用。本研究将为流感等呼吸道传染病的有效防控提供理论指导。

流感、新冠肺炎等呼吸道传染病的传播机理仍存在很大争议，掌握呼吸飞沫的粒径效应是明确呼吸道传染病的主要传播途径和采取有效防控手段的前提。首先，本项目采用计算流体动力学（CFD）模拟方法研究正常呼吸、说话和咳嗽等呼吸过程各种粒径飞沫在呼吸道内的沉积规律，表明咽喉连接部位、声带和下呼吸道等病灶位置释放并能逃逸到体外的最大飞沫粒径是20µm；由于喉部射流的存在，喉部和咽、喉连接部位是最重要的飞沫沉积位置，鼻腔对小粒径飞沫的沉积也有重要作用。然后，本项目综合考虑了呼吸飞沫释放、蒸发、扩散、暴露、呼吸道沉积和致病等全过程，通过数学建模系统评估大粒径飞沫的近距离喷射传播、近距离/远距离空气传播和直接/间接表面接触等途径的风险；结果表明，各种传播途径的相对重要性受携带病毒的飞沫临界粒径、暴露距离、剂量反应率和表面接触时病原体转移率等因素的影响；通风主要影响长距离空气传播途径，因此能有效降低小粒径飞沫占主导作用的疾病的传播风险。此外，新冠疫情爆发后，招募了21名新冠患者，利用自研的呼吸采样系统和其它采样手段，对新冠肺炎的传播途径进行表征：病人呼气样本、呼气凝结液、床边空气样本、私人物体表面、公众表面和粪便相关的空气/表面/水样本的阳性率分别是0/9、2/8、1/12、4/132、0/70和7/23，表明新冠肺炎的院内传播可以通过多种途径发生；但呼吸和环境标本中病毒RNA检测频率低、数量有限，与COVID-19患者出现症状后数天病毒载量降低有关。以上研究对准确量化呼吸道传染病的传播风险、揭示主要影响因素和采取针对性地防控手段，具有重要的指导意义。