Het laatste onderzoek van de laboratoria van Penn-wetenschappers Paulo Arratia en Douglas Jerolmack was een antwoord op 'een roep om hulp', zegt Arratia.

Het was 2020 en het Philadelphia Orchestra had, zoals zoveel culturele instellingen, uitvoeringen opgeschort vanwege de COVID-19-pandemie. Via P.J. Brennan, chief medical officer van het University of Pennsylvania Health System, zocht het orkest expertise om te helpen begrijpen of zijn muzikanten konden terugkeren naar het spelen in een veilige fysieke opstelling die de kans zou minimaliseren om elkaar of hun publiek bloot te stellen aan SARS -CoV-2.

"De dirigent van het orkest wilde niet dat de muzikanten ver uit elkaar stonden; ze moesten dicht bij elkaar zitten om het beste geluid te produceren", zegt Arratia van de School of Engineering and Applied Science. "En toch, als ze moesten worden gescheiden met plexiglas, vormde dat ook een probleem." De muzikanten meldden problemen met het horen van elkaar en slechte zichtlijnen met plexiglas tussenschotten. "De uitdaging was:hoe kunnen we hier vanaf komen tot het punt waarop ze onbelemmerd maar toch veilig kunnen spelen", zegt Arratia.

Nu, in een publicatie in Physics of Fluids , Arratia, Jerolmack en collega's rapporteren over hun bevindingen, die suggereren dat de aerosolen die muzikanten produceren binnen ongeveer zes voet verdwijnen. De resultaten waren niet alleen de basis voor de opstelling van het Philadelphia Orchestra toen ze in de zomer van 2020 hun optredens hervatten, maar legden ook de basis voor hoe andere muziekgroepen zouden kunnen denken over veilig samenkomen en spelen.

"Het hebben van experts zoals Paulo en Doug, die deeltjesgrootte en traject en afstand en snelheid konden meten, was echt waardevol bij het nemen van beslissingen voor het orkest", zegt Brennan, die nu in de raad van bestuur van het orkest zit. "Die beslissingen omvatten de afstand tussen spelers, de afstand tussen de secties, die moesten maskeren. Toen ze deze informatie verzamelden, samen met de tests en het volgen van casussen die Penn Medicine aan het doen was, hielp het ons om met vertrouwen beslissingen te nemen."

Experimentele benadering

Het onderzoek draaide om de vragen hoeveel aerosoldeeltjes de muzikanten produceerden, hoe dicht de deeltjes door de instrumenten werden uitgestoten en hoe snel ze door de lucht reisden.

"Je kunt een grote luchtstraal hebben, maar als de aerosolconcentratie erg laag is, maakt het niet veel uit", zegt Jerolmack van de School of Arts &Sciences. "Of je kunt veel aerosolen hebben die zich concentreren in een smalle straal. Die dingen zijn belangrijk om te begrijpen."

Om gegevens te verzamelen, nodigden de onderzoekers orkestmusici uit op de campus, met hun blaasinstrumenten, waaronder fluiten, tuba's, klarinetten, trompetten, hobo's en fagotten.

Om de aërosolen die uit de instrumenten stromen te visualiseren en te volgen terwijl de muzikanten speelden, gebruikten de onderzoekers een luchtbevochtiger die waterdampdruppels uitzond aan het beluiteinde van de instrumenten. Dit arrangement is alleen verschoven voor de fluitist, voor wie de luchtbevochtiger in de buurt van de mond van de muzikant werd geplaatst in plaats van de bel, aangezien lucht over het mondstuk reist tijdens het spelen van dat instrument.

De onderzoekers schenen vervolgens een laserstraal door de "mist" die door de luchtbevochtiger werd gecreëerd, waardoor de aerosoldeeltjes werden verlicht en ze konden worden vastgelegd door een hogesnelheidscamera en een deeltjesteller.

"Het is net als op een regenachtige dag; je zult het water zien vallen als de zon door schijnt", zegt Arratia.

De muzikanten speelden twee minuten lang onafgebroken toonladders. Het was voor de onderzoekers enigszins verrassend om te ontdekken dat de muzikanten van de blaasinstrumenten aerosolen produceerden die qua concentratie vergelijkbaar waren met die welke werden uitgestoten tijdens normale ademhaling en spraak, met een diameter van ongeveer 0,3 tot 1 micrometer.

Deeltjes van deze omvang zijn volgens de onderzoekers klein genoeg om ver door de lucht te reizen, op voorwaarde dat de luchtstroom sterk genoeg is om ze daarheen te brengen. Het meten van hun concentratie en de stroom werd dus belangrijk om het potentiële risico te begrijpen dat een muzikant SARS-CoV-2 mogelijk doorgeeft aan een andere persoon.

Bij het evalueren van de snelheid van de stroom, maten de onderzoekers snelheden van ongeveer 0,1 meter per seconde, orden van grootte langzamer dan die van een hoestbui, die 5 tot 10 meter per seconde kan reizen. De fluit was een uitbijter, maar bereikte nog steeds slechts stroomsnelheden van ongeveer 0,7 meter per seconde.

"When you observe the flow, you see these puffs and eddies, and we know that they spread, but we didn't know if there was going to be anything general at all between these instruments," says Jerolmack. "Here, we found that by measuring only flow and aerosol concentration and counts, we can make predictions about how far aerosols will travel."

Music's flow

Based on their observations, the aerosols produced by these "mini-concerts" dissipated, settling into the flow of the background air draft, within about 2 meters, or 6 feet—reassuringly similar, the researchers say, to what has been measured for ordinary speaking or breathing. Only flute and trombone-generated aerosols traveled beyond that distance, for the flute perhaps because the air travels over the instrument instead of the instrument acting like a mask to prevent the spread of aerosols.

Overall, woodwind instruments emitted slightly lower concentrations of aerosols than brass instruments, perhaps because the wooden elements of the instrument absorbed some of the humidity and the numerous holes along the instrument may reduce the flow of some of the aerosols, the researchers speculate.

Because the measurements the researchers made were not connected to any specific quality of SARS-CoV-2, they can be used to extrapolate how transmission of other respiratory pathogens could be affected by making music.

"Now you have something to work with for potential future concerns, maybe an outbreak of influenza or something like that," says Arratia. "You can use our findings about flow, plug in your numbers about infectiousness and viral loads, and adapt it to understand risk.

"This was not exactly a problem that we work on routinely, but we felt compelled to take it on," he says. "It was a lot of fun, and we were lucky to have a problem to work on that made a meaningful difference during the difficult times of the pandemic." + Verder verkennen

Brass, woodwind instruments emit respiratory particles, study finds