室内环境中不同人际距离与姿势对飞沫传播的吸入暴露建模研究

　　推荐：本研究针对室内飞沫传播风险，通过建立真实人体呼吸道模型，系统分析了不同人际距离(IPD)、接触姿势和面部朝向对咳嗽/说话产生飞沫的吸入暴露影响。结果显示：短距离(≥0.3m)吸入是主要暴露途径，站立姿势下咳嗽暴露量(4.8%)显著高于说话(2.9%)，侧脸朝向可降低说话时的暴露风险。研究为制定科学防疫距离提供了重要依据。

　　

在COVID-19大流行的背景下，室内飞沫传播机制成为公共卫生领域的关键科学问题。尽管各国普遍采用1-2米的社交距离政策，但关于安全距离的科学依据仍存在争议。这种不确定性源于多种因素：不同研究采用的实验方法差异、对人体行为参数（如姿势、面部朝向）考虑不足，以及缺乏真实呼吸道模型的暴露评估。更复杂的是，飞沫在蒸发过程中尺寸的动态变化（如100μm飞沫蒸发后缩小至原尺寸的25-33.3%），以及室内气流与人体热羽流的相互作用，都使得准确评估感染风险面临巨大挑战。

为解答这些问题，国内研究团队在《Indoor Environments》发表了创新性研究。他们构建了包含真实呼吸道解剖结构的计算机模拟人体(CSP)，采用低雷诺数k-ε湍流模型，结合离散相模型(DPM)追踪飞沫运动，系统模拟了0.3-2.0m人际距离(IPD)范围内，站立-站立、站立-坐姿、坐姿-坐姿三种接触姿势下，说话和咳嗽产生的飞沫(0.9-850μm)传播规律。研究特别考虑了位移通风(DV)系统(换气率6ACH)和50%相对湿度下飞沫蒸发的影响，通过17种暴露场景的对比分析，揭示了飞沫吸入暴露的关键规律。

关键技术包括：(1)基于CT扫描构建包含鼻腔-咽部的真实呼吸道模型；(2)采用瞬态边界条件模拟咳嗽(峰值流量5.75L/s)和说话(3.3L/s)的呼气特征；(3)应用Miller-Sazhin模型计算飞沫蒸发动力学；(4)通过Fanger模型计算人体热羽流；(5)采用网格独立性验证确保数值模拟精度。

【空气动力学特征】
模拟显示人体热羽流对飞沫扩散具有显著影响。在DV系统下，小飞沫(<10μm)会随上升气流向天花板扩散，而大飞沫(≥50μm)则主要受重力作用沉降。这种双重效应导致不同尺寸飞沫在室内呈现分层分布特征。

【说话情景的暴露规律】
在站立-站立姿势下，0.3m距离时飞沫仅需0.62秒即可到达受体面部，吸入效率(AE)达2.9%，其中15μm以上飞沫主要沉积在鼻腔(1.43%)。当IPD增至1.1m时，飞沫到达时间延长至4.5秒，AE降至可忽略水平。值得注意的是，飞沫尺寸分布显示说话产生的较大飞沫(≥15μm)更易在鼻腔截留。

【咳嗽情景的高风险特征】
咳嗽产生的飞沫(1-10μm)表现出更强的穿透性：在0.7m距离时，飞沫0.4秒即到达受体，AE高达4.77%，是说话场景的10倍。这些细小飞沫中仅0.2%沉积在鼻腔，大部分可直达咽部。研究首次量化了"咳嗽射流"的初始速度对暴露风险的放大效应。

【姿势与朝向的调节作用】
站立-坐姿接触时，因受体鼻部气流速度较低，同距离下的AE比站立-站立姿势降低35%。而侧脸(面颊)朝向可使说话时的飞沫暴露减少66.2%，但对咳嗽防护效果有限。这种差异源于咳嗽飞沫更高的初始动能和更分散的空间分布。

【飞沫蒸发的时间效应】
10μm飞沫在50%湿度下仅需0.066-1.52秒即可蒸发为"飞沫核"，这解释了为何1.5m距离时咳嗽飞沫需6.23秒才能到达受体，且此时AE已降至0.09%。蒸发导致的尺寸变化显著延长了细小飞沫的空气停留时间。

该研究通过多参数系统建模，首次揭示了不同行为场景下飞沫吸入暴露的定量规律：短距离(≤0.7m)暴露中，咳嗽产生的细小飞沫风险最高；中等距离(0.7-1.5m)时，说话产生的大飞沫鼻腔沉积占主导；而超过1.5m后，飞沫蒸发和气流分散共同作用使暴露风险急剧下降。这些发现为精准防控提供了重要依据：在医疗等高危环境应采用≥1.5m距离，而日常交流中调整面部朝向和采用坐姿可有效降低风险。研究建立的CSP模型和暴露评估框架，为未来呼吸道传染病防控策略的优化奠定了方法学基础。