Una recerca de la URV ha construït un model tridimensional del tracte respiratori superior per reproduir episodis respiratoris intensos i ha estudiat com es dispersen els núvols de partícules en interiors per prevenir la transmissió de malalties

Investigadors de la Universitat Rovira i Virgili han desenvolupat un simulador capaç de replicar episodis respiratoris intensos —com la tos o els esternuts— per estudiar la dispersió d’aerosols, és a dir, núvols de partícules que transporten malalties respiratòries. Els resultats de l’estudi demostren l’impacte de la cavitat nasal en el comportament dels aerosols pel que fa al seu abast i dispersió. Les noves dades ofereixen informació per millorar els equips de protecció individual, com ara les mascaretes, i dissenyar sistemes de ventilació que redueixin l’exposició a patògens en entorns compartits i la consegüent transmissió de malalties.

Els aerosols respiratoris són un dels principals mecanismes de transmissió de malalties com la grip, la COVID-19 o la tuberculosi. Es produeixen quan tossim o esternudem, i estan formats per núvols de partícules minúscules que es dispersen en l’ambient. Tot i els avenços en la comprensió d’aquests processos, la variabilitat anatòmica dels aparells respiratoris humans i la intensitat dels episodis respiratoris intensos han dificultat l’obtenció de dades per entendre com es dispersen els aerosols i com podem mitigar la transmissió dels patògens que transporten.

Per superar aquestes limitacions, el grup de recerca ECoMMFiT ha creat un simulador que reprodueix de manera precisa i controlada els núvols de partícules generats per la tos i els esternuts. Es tracta d’un model tridimensional del tracte respiratori superior, imprès en tres dimensions, que inclou la cavitat nasal, òrgan que determina la trajectòria d’evacuació dels aerosols. L’aparell utilitza fluxos d’aire per reproduir els episodis respiratoris amb diverses configuracions, variant el grau d’obertura de les fosses nasals. Aquest dispositiu permet ajustar paràmetres com la velocitat, el volum d’aire i la duració de l’exhalació per aconseguir una reproducció precisa dels fluxos respiratoris en diferents condicions. En la recol·lecció de dades, l’equip investigador va utilitzar càmeres d’alta velocitat i un feix làser, que els van permetre estudiar amb detall la dispersió de partícules en temps real.

Els resultats de la recerca revelen que la cavitat nasal té un impacte significatiu en la dinàmica dels aerosols. Quan el nas participa en l’exhalació —quan esternudem amb el nas— els aerosols tendeixen a dispersar-se més verticalment i menys horitzontalment. Això pot reduir el risc de transmissió directa entre persones properes, però també facilita que les partícules es mantinguin en suspensió més temps i es distribueixin uniformement en l’espai. En entorns tancats amb poca ventilació, aquesta acumulació augmenta la concentració d’aerosols i, per tant, el risc d’exposició a llarg termini per part d’altres individus.

En canvi, en absència de flux nasal —quan esternudem per la boca— els aerosols segueixen una trajectòria més horitzontal i cobreixen una distància més gran. Aquest patró incrementa el risc de transmissió en proximitat, ja que les partícules tenen més probabilitat de dipositar-se directament sobre persones situades a prop, especialment en situacions com converses cara a cara o en entorns compartits.

“Aquests resultats ens ajuden a entendre com es dispersen els núvols de partícules en espais interiors i, en conseqüència, com es transmeten malalties per via aèria”, explica Nicolás Catalán, investigador del Departament d’Enginyeria Mecànica de la URV. En aquest sentit, es tracta d’un coneixement crucial en el disseny d’equips de protecció individual, com per exemple les mascaretes, o en la millora dels sistemes de ventilació en entorns de risc com hospitals, laboratoris o centres educatius per tal de reduir el risc de contagi.

A més a més, en el procés de la investigació, l’equip va dissenyar un model analític capaç de predir l’evolució dels núvols d’aerosols en funció de variables com la velocitat de sortida, el volum d’aire exhalat i les condicions del sistema respiratori. “És una eina que hem pogut validar experimentalment; és aplicable en diferents situacions i pot ser un recurs útil en futurs projectes”, recorda Catalán, coautor de la recerca.

El mètode utilitzat en aquesta investigació representa un avenç respecte als estudis anteriors —que recollien dades estudiant els episodis respiratoris intensos de persones voluntàries—, eliminant la variabilitat individual i oferint dades més consistents. Tot i això, els investigadors subratllen la necessitat d’ampliar la recerca per “incloure factors ambientals, com la temperatura i la humitat, i explorar la dispersió dels aerosols a llarg termini”.

Referència: Catalán, N., Cito, S., Varela, S., Fabregat, A., Vernet, A., & Pallarès, J. (2024). Effects of nasal cavity and exhalation dynamics on aerosol spread in simulated respiratory events. Physics of Fluids, 36(12). https://doi.org/10.1063/5.0241346