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Aktuelle Studien haben gezeigt, dass sich SARS-CoV-2 während der infektiösesten Phase typischerweise in den oberen Atemwegen vermehrt [1]. Somit ist anzunehmen, dass virushaltige Aerosole vorwiegend in dieser Region erzeugt werden, d.h. im Kehlkopf- und Mundtrakt, insbesondere während der Stimmgebung. Patterson et al. [2] vermuten, dass Flüssigkeitsbrücken, die beim Schließen der Glottis entstehen und beim anschließenden Öffnen zerreißen, für die Aerosolentstehung verantwortlich sind. Aufgrund der eingeschränkten optischen Zugänglichkeit sind die genauen Mechanismen der Aerosolbildung insbesondere an den Stimmlippen allerdings bis heute unbekannt. Daher ist das übergeordnete Ziel dieser Studie, die Details der Zerstäubungsmechanismen zu verstehen. Einflussparameter für die Entstehung bestimmter Partikelgrößen sowie die potenzielle Verbreitung von Viren durch Aerosole während der Stimmbildung sollen abgeleitet werden.

Die Form des verwendeten Stimmlippenmodells basiert auf dem von Scherer et al. [3] vorgestellten „M5“-Modell und entspricht den Maßen für einen erwachsenen Mann. Die komplexe Form der menschlichen Stimmlippen (SL) wurde dabei aufgeteilt in (s. Abbildung 1 a, b [Abb. 1]): einen stark abstrahierten, beweglichen Teil, die zylindrischen Modell-SL aus extrem weichem Silikon und einen starren, ähnlich realer SL geformten Teil, die Strömungsführungen. Um Frequenz und Amplitude der SL-Schwingung genau vorgeben zu können, erfolgt eine aktive mechanische Anregung. Vereinfachend oszilliert nur eine der SL, die zweite wird fixiert. In die Modell-Trachea – den Kanal aus Plexiglas – wird mithilfe eines Massenstromreglers (MFC) ein definierter, konstanter Volumenstrom angefeuchteter Luft geleitet, welcher durch die Glottis in die Umgebung austritt und dabei einen auf die SL aufgetragenen künstlichen Mukus zerstäubt. Luft-Volumenstrom , SL-Frequenz (f) und SL-Amplitude wurden in für die menschliche Stimmgebung physiologischen Bereichen [4] variiert:

= [10;20;30] L/min; f = [75;100;125;150] Hz; = [0,5;0,7;1,0] mm.

Das entstehende Spray wird einerseits direkt oberhalb der Glottis im Durchlichtverfahren aufgenommen (s. Abbildung 1 c [Abb. 1]), andererseits werden die Entstehungsmechanismen der Tröpfchen mithilfe von High-Speed-Aufnahmen der Stimmlippen in der Draufsicht visualisiert (s. Abbildung 1 d [Abb. 1]). Anhand der Messbilder aus dem Durchlichtverfahren können die Größen der aufgenommenen Partikel bestimmt werden. In der anschließenden statistischen Auswertung lassen sich die zugrundeliegenden Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (PDF) für jede Parametereinstellung mithilfe eines Kernel-Density-Estimators ableiten.

Die Ergebnisse der Durchlichtaufnahmen sind in Abbildung 2 [Abb. 2] für die Variation der einzelnen Parameter gegenübergestellt. Fast alle Verteilungen sind bimodal, was auf unterschiedliche Entstehungsmechanismen hinweist. Der erste Peak liegt überall bei ca. 13 µm.

Eine Variation der Parameter nimmt insbesondere Einfluss auf Ausprägung und Lage des zweiten Peaks, d.h. Partikel der Größenordnung 100 µm. Eine Erhöhung des Volumenstroms vergrößert die Höhe des zweiten Peaks deutlich (Entstehung mehr größerer Partikel), wohingegen eine Erhöhung der Frequenz keinen Einfluss auf dessen Ausprägung hat, ihn aber stattdessen in Richtung kleinerer Partikelgrößen verschiebt. Weiterhin scheint eine „Grenzamplitude“ zu existieren, ab der der zweite Peak verschwindet und wesentlich mehr sehr kleine Partikel entstehen.

Bei der Zerstäubung an den Modell-SL entstehen Partikel in der für Menschen im Kehlkopfmodus erwarteten Größenordnung [5]. Alle Parametervariationen haben einen deutlichen Einfluss auf die entstehenden Partikelgrößen. Die auftretenden Partikelentstehungsmechanismen können zeitaufgelöst in der Draufsicht (s. Abbildung 1 d [Abb. 1]) beobachtet werden. Der Vorteil des in-vitro-Modells ist, dass Verteilungsfunktionen isoliert von anderen Aerosolerzeugungsmechanismen c in den unteren Atemwegen oder im Mund betrachtet werden können.

Höhere Stimmlagen, die mit einer Erhöhung der Vibrationsfrequenz einhergehen, führen zu einer Verringerung der Partikelgröße. Die dadurch ausgestoßenen Aerosole werden aufgrund ihres kleineren Durchmessers weiter und länger mit der Luft transportiert und erweitern damit Ansteckungsradius und -zeit. Lauteres Sprechen, d.h. eine Erhöhung des Volumenstromes, führt eher zu einer Verringerung kleinerer Partikel bei vermehrter Entstehung größerer Aerosole.