Wissenschaftler entwickeln System zur Visualisierung des Atems, um Einblicke in die COVID-19-Übertragung zu erhalten

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System bietet praktische Methode, um zu messen, wie sich der Atem bewegt, wenn Menschen sprechen oder singen.
Eine neue Methode zur Visualisierung des Atems, der ausgeatmet wird, während jemand spricht oder singt, könnte wichtige neue Erkenntnisse darüber liefern, wie sich Krankheiten wie COVID-19 ausbreiten und die Wirksamkeit von Gesichtsmasken.
“Wissenschaftler glauben, dass das SARS-CoV-2-Virus in erster Linie durch Atemtröpfchen verbreitet wird, die in der Atemluft getragen oder durch Husten oder Niesen ausgestoßen werden können”, sagt Thomas Moore vom Rollins College, der die Forschung durchgeführt hat. “Aber es wird auch durch Aerosole in der Luft übertragen, das sind kleine Partikel, die länger in der Luft bleiben als die größeren Tröpfchen.

Das System, das ich entwickelt habe, bietet eine Möglichkeit, abzuschätzen, wie weit der Atem reist, bevor er in die umgebende Luft verteilt wird, und kann einen visuellen Beweis dafür liefern, dass Masken die Strecke, die der Atem in der Luft zurücklegt, deutlich begrenzen.”

In der Fachzeitschrift Applied Optics der Optical Society (OSA) beschreibt Moore, wie er eine Variante der elektronischen Speckle-Muster-Interferometrie verwendet hat, um Temperaturunterschiede zwischen ausgeatmeter Atemluft und der Umgebungsluft darzustellen.

Die neue Technik kann auch verwendet werden, um die Details zu untersuchen, wie der Atem beim Sprechen oder Singen aus dem Mund fließt, was für den Musikunterricht und die Sprachtherapie nützlich sein könnte.
Die neue Bildgebungstechnik wurde verwendet, um einen professionellen Musiker beim Flötenspiel abzubilden.

Das Video zeigt, dass ein handelsüblicher Aufsatz den Luftstrom der Flöte effektiv umlenken kann.

Dies ist eine Demonstration der veröffentlichten Bildgebungstechnik, die weiter untersucht wird.

Die Bildgebung zeigt nur die mit dem ausgeatmeten Atem verbundene Temperaturänderung, die nicht unbedingt die Bewegung der im Atem enthaltenen Viruspartikel widerspiegelt.

Kredit: Thomas Moore, Rollins College
Von Musikinstrumenten zu Menschen
Moore entwickelte die Bildgebungstechnologie ursprünglich, um den Luftstrom durch Musikinstrumente wie Orgelpfeifen zu untersuchen. “Als Reaktion auf die COVID-19-Pandemie begann ich, den Atem von Menschen beim Sprechen und Singen abzubilden”, sagte er. “Ich erkannte, dass ich durch die Skalierung meines bestehenden Systems wahrscheinlich feststellen könnte, wie weit der Atem reicht und wie effektiv Masken die Ausdehnung des Atems begrenzen können.”
Die meisten bestehenden Ansätze zur Abbildung des ausgeatmeten Atems erfordern teure Geräte und können nur einen relativ kleinen Bereich abbilden. Moore entwarf ein System, das handelsübliche optische Komponenten verwendet, um diese Einschränkungen zu überwinden.
“Ich habe eine Variation der elektronischen Speckle-Muster-Interferometrie verwendet, die seit vielen Jahren zur Untersuchung der Schwingungsmuster von festen Objekten eingesetzt wird”, so Moore. “Die Innovation bestand darin, das System so zu verändern, dass es zur Abbildung von transparenten Dingen, wie dem Atem, anstelle von festen, schwingenden Objekten verwendet werden kann.”
Das Abbildungssystem nutzt die Tatsache, dass sich die Lichtgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur der Luft, die es durchquert, ändert.

Da der Atem wärmer ist als die Umgebungsluft, kommt das durch den Atem übertragene Licht etwas früher bei der Kamera an als Licht, das nicht durch ihn hindurchgegangen ist.

Dieser leichte Unterschied in der Lichtgeschwindigkeit kann genutzt werden, um Bilder des ausgeatmeten Atems zu erzeugen.
Moore testete das neue System, indem er den Atem zweier professioneller Sänger beim Singen und eines professionellen Musikers beim Flötenspiel abbildete – eines der wenigen Instrumente, bei denen der Musiker direkt in die Umgebungsluft bläst. “Die Arbeit mit den Musikern bestätigte sofort, dass das System gut funktioniert und für die Untersuchung einer Vielzahl von Problemen eingesetzt werden kann”, sagte er.
Ändern des Luftstroms
Moore setzt die Methode derzeit ein, um zu untersuchen, wie effektiv Masken bei der Reduzierung der Strecke sind, die ausgeatmete Aerosole zurücklegen. Er ist besonders daran interessiert, das Singen zu untersuchen, da Untersuchungen zeigen, dass beim Singen oder lauten Sprechen mehr Aerosole ausgeatmet werden als beim normalen Sprechen. Er arbeitet auch daran, das System stabiler gegen Vibrationen zu machen und die Größe des Systems weiter zu erhöhen, um größere Bereiche abzubilden.
Moore sagt, dass die Technik bereits neue Informationen offenbart hat, die sich auf die Art und Weise auswirken könnten, wie wir die Anforderungen an die Distanzierung und Maskierung angehen, insbesondere im Freien. Er erwartet, dass er diese Ergebnisse bald zur Veröffentlichung einreichen wird.
“Die Pandemie hat für viele Musiker eine wirtschaftliche Katastrophe verursacht, und jede Information, die wir ihnen geben können, um ihnen zu helfen, wieder zu arbeiten, ist wichtig”, sagt Moore. “Wir haben viel Interesse von der musikalischen Gemeinschaft gehabt, und ich erwarte, dass die medizinische Gemeinschaft auch interessiert sein wird, sobald wir unsere Ergebnisse veröffentlichen.”
Referenz: “Visualization of exhaled breath by transmission electronic speckle pattern interferometry” von Thomas R. Moore, 21. Dezember 2020, Applied Optics.DOI: 10.1364/AO.410784

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