病人呼出气流特征与风险评估文献综述

文献综述（或调研报告）：

室内微生物污染是影响人类身体健康的重要因素之一，会造成传染性疾病，呼吸道疾病或者一些过敏性反应。如SARS病毒、H1N1等病毒都可通过空气生物气溶胶进行传播，当人体接触或者吸入病人呼出的带有病原的气流，很大可能会被传染。因此研究人体呼出气流特征刻不容缓，分析口罩在防止病毒传染中起到的作用对防止传染很有用。

人体呼出的气流速度对于预测粒子传播距离以及轨迹有重要意义。气流的速度特性可由2个参数表示:一个是它初始速度, 即呼出的气流刚从嘴巴喷出时所具有的速度;第二个就是气流在空气中的传播速度。但是由于气流速度在空气中衰减很快,所以传播速度比初始速度小得多。在室内气流环境研究中, 为避免低估污染物的传播能力, 多采用初始速度^[1]。

人体呼出气流方式主要包括喷嚏，咳嗽，呼吸，说话等方式。不同的呼出气流方式的差别主要在它们的呼出气流速度不同，呼出的气溶胶的大小浓度的不同。

通过打喷嚏喷出的气流具有初速度大、喷出粒子多、传播距离远的特点,会给周围人员的健康造成很大威胁。对喷嚏喷出气流速度的测量,不同文献得出的结果有一定差异。早期对喷嚏呼出气流的速度多进行估计得到:如Wells基于气流掠过液体能带起10mu;m粒径的粒子时的速度估计喷嚏喷出的气流速度可达100m/s^[2];Jennison等人通过高速摄像技术计算得出喷出粒子的最快速度可至30 m/s,使得喷出的粒子瞬时蒸发成粒子核^[3]。Jennison测得喷嚏喷出的气流速度可达46 m/s^[4]。喷嚏喷出气流速度的另一种测量方法是直接测量:例如Unno用体积扫描装置测试了过敏性鼻炎患者打喷嚏时的流量和呼出气体体积,发现在1s内有超过2L的气体被呼出, 男性打喷嚏时最大流量为8L/s,女性为6L/s^[5]。喷嚏喷出的气流速度与很多因素有关,例如测量方法、人的生理差异、肺容量、被测试时的姿势等等。

咳嗽喷出的气流是室内气溶胶污染物的主要来源, 其动力学特性与喷嚏类似。Zhu等人用PIV测量了实验者咳嗽2.3ms后嘴附近的气流速度分布,得到的速度范围为6~22m/s, 多数为10m/s左右, 平均速度为11.2m/s^[6]。咳嗽呼出最大流量与志愿者身高和身体质量呈近似线性关系^[7]。

说话时也会产生气溶胶粒子, 根据说话的内容和方式的不同, 产生的气流流量和速度也不同。说话呼出气流的初速度也多用PIV仪器测量, 通常男性的呼出气流速度比女性更大。Kwon等人用PIV系统测试说话呼出气流的初始速度分布, 得到的结果为男性平均呼出速度4.07m/s, 女性2.31m/s^[8]。

呼吸产生的气溶胶浓度和粒径较小, 呼出气流速度也比其他行为小, 但是通过呼吸传播的病毒却不容忽视。Fabian等人利用过滤器收集流感病毒患者呼出的粒子, 发现患者每分钟可呼出lt;3.2~20个含有流感病毒核糖核酸 (RNA) 的粒子^[9]。

人体呼出气流的开口面积和角度是也是研究室内气溶胶分布的重要参数。Kwon等人用粒子图像测速仪（PIV）仪器测量了咳嗽和说话时呼出气流的速度和角度^[8];Gupta等人利用可视化烟气配合高速摄影技术测量了志愿者呼吸和咳嗽时呼出气流的角度和开口面积^[10];Xu等人利用纹影成像技术测试了人在不同姿态下呼出气流的角度^[11]。

在面对空气生物气溶胶病菌传播的威胁时，人们经常选择戴上面罩，以保护自己或环境免受呼吸性生物气溶胶感染或污染。例如，Caijia Xu等研究了12名健康受试者呼出气的生物气溶胶排放率，然后使用生物气溶胶传感器紫外空气动力学粒子光谱仪（UV-APS）评估了在受控环境（27m³）中佩戴两种不同呼吸器“医生面罩”和N95时的生物气溶胶排放。结果表明即使在戴口罩的情况下，对于需要高卫生水平的医疗场所，也需要重新评估微生物气溶胶暴露的风险。