Valutazione quantitativa delle precauzioni contro il COVID

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 22573 (2022) Citare questo articolo

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In questo lavoro, ci concentriamo sulla dispersione delle goccioline cariche di COVID-19 utilizzando la modellazione fluidodinamica computazionale transitoria (CFD) e la simulazione del processo di tosse dei portatori del virus in una stanza chiusa, con l'obiettivo di creare il prototipo di base del popolare metodo precauzionale strategie, ad esempio, maschera facciale, ventilazione verso l’alto, schermo protettivo o qualsiasi combinazione di questi, contro la futura trasmissione indoor di COVID-19 e di altre malattie altamente contagiose. Un modello multicomponente di tracciamento delle particelle CFD Euleriano-Lagrangiano con funzioni definite dall'utente viene utilizzato in 8 casi per esaminare le caratteristiche della dispersione delle goccioline riguardanti il ​​trasferimento di massa e calore, l'evaporazione delle goccioline, la galleggiabilità dell'aria, la convezione dell'aria, l'attrito delle goccioline d'aria, e dispersione turbolenta. Il risultato mostra che l’implementazione della ventilazione verso l’alto è la misura più efficace, seguita dall’uso di maschere facciali. Gli schermi protettivi possono limitare il movimento delle goccioline della tosse (sebbene non riducano la carica virale). Tuttavia, l’applicazione di schermi protettivi disposti con snellezza può essere controproducente nel prevenire la diffusione del COVID-19 quando sono posizionati in modo inappropriato con ventilazione. La soluzione più valida è la combinazione della maschera facciale e della ventilazione verso l’alto, che può ridurre la concentrazione infettiva interna di quasi il 99,95% rispetto al valore di riferimento senza alcuna strategia precauzionale. Con la ripresa della scuola e del lavoro nell’era post-epidemica, questo studio fornirebbe consigli alle masse e ai legislatori per migliorare l’intelligence per frenare la pandemia.

La nuova malattia da coronavirus 2019 (COVID-19) si è diffusa rapidamente in tutto il mondo, costringendo miliardi di persone al blocco. Ad oggi (12 agosto 2022), il COVID-19 ha avuto oltre 584 milioni di casi e 6,41 milioni di decessi segnalati all’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS). La chiusura degli istituti scolastici e dei luoghi di lavoro nel tentativo di contenere la diffusione della pandemia di COVID-19 sta colpendo milioni di studenti e dipendenti. Questa pandemia ha reso chiaro il ruolo fondamentale delle goccioline e degli aerosol presenti nell’aria come potenziali vettori virali nell’ambiente interno. Da ciò sono nate molte strategie promettenti contro la via di trasmissione infettiva, sia a breve che a lungo raggio1. Maschere facciali, visiere montate sulla testa e schermi protettivi sono tre strategie comuni per interrompere la trasmissione di goccioline a breve termine, la cui limitazione è principalmente rappresentata dalle perdite d'aria dovute a difetti dei materiali e all'uso improprio2. Per quanto riguarda le precauzioni a lunga distanza, sebbene la ventilazione e la purificazione dell’aria siano modi multifunzionali per migliorare la qualità dell’aria e controllare la concentrazione della contaminazione, la loro efficacia sarebbe attenuata a causa delle molteplici decorazioni e tipologie di case. Si consiglia di utilizzarne alcuni contemporaneamente per superare queste limitazioni di precauzioni. Tuttavia, è necessaria una guida più teorica e una descrizione quantitativa della scelta delle strategie combinate negli scenari indoor. In tali circostanze, quando le attività sociali sono necessarie, sono urgentemente richieste precauzioni sistematiche per costruire più livelli di protezione negli ambienti pubblici chiusi.

La ricerca attuale ha principalmente condotto l’efficacia di ciascuna strategia separatamente. Per precauzioni a breve termine, Kahler3 ha dichiarato che tutti i tipi di maschere possono ridurre il flusso anteriore del flusso espirato, riducendo così il danno nelle circostanze faccia a faccia; Ho4 ha quantificato i rischi di esposizione sotto maschera e visiera; sia Dbouk5 che Pendar6 hanno analizzato in dettaglio la trasmissione di goccioline attraverso un filtro per maschera facciale. Per le precauzioni a lunga distanza, Yang7 ha effettuato un confronto elaborato dell'efficacia dei metodi avanzati di distribuzione dell'aria nella rimozione dei contaminanti presenti nell'aria; Dai8 ha stimato l'associazione tra probabilità di infezione e tasso di ventilazione sulla base del modello Wells–Riley, la cui accuratezza necessita di ulteriori discussioni2; Alsaad9 ha dimostrato che la ventilazione personalizzata può penetrare lo strato limite termico a forma di corona per avvolgere il corpo umano, fornendo aria pulita per l’inalazione; Zhang10 ha condotto uno studio parametrico sul tasso di ricambio d'aria per ora (ACH) e ha concluso che un movimento d'aria più forte generalmente impedirebbe l'inalazione diretta di aerosol. Tuttavia, nessuno di questi studi ha adottato una combinazione di più strategie di controllo infettivo. La maggior parte di essi ha applicato un modello fisico dei fluidi meno completo, che ha portato alla deviazione o all'omissione della tosse naturale e delle caratteristiche ambientali, ad esempio, materiali non evaporabili nella saliva5,11, calore del corpo umano6, direzione iniziale della tosse9, distribuzione delle dimensioni delle goccioline8 e portata massica transitoria della nuvola di goccioline4. Tutte le strategie sopra menzionate hanno dimostrato di modificare direttamente la trasmissione aerea di una nuvola di tosse. Tuttavia, i meccanismi fluidodinamici del trasferimento indiretto di agenti patogeni tra persone attraverso l’aerosol espirato rimangono poco compresi12,13,14. Li et al.15 hanno applicato una combinazione del modello VOF e del modello DPM per simulare il flusso del fluido e il movimento delle particelle. Redrow et al.16 hanno fornito informazioni su come la composizione delle goccioline di espettorato influisce direttamente sulla sua evaporazione e condensazione durante la trasmissione. Molte ricerche condotte sull'evaporazione17, sulla velocità18 e sulla traiettoria11 delle goccioline sono state limitate all'ambito di un modello fisico semplificato, come il meccanismo di movimento della singola particella. Come mostrato in Fig. 1, l'evoluzione di ciascuna gocciolina è principalmente sotto il controllo della forza di gravità, della galleggiabilità, della resistenza dell'aria e delle forze esterne. Si prevede che le grandi goccioline si muovano come proiettili prima di depositarsi. Al contrario, le goccioline più piccole possono portare il virus nel flusso d’aria e quindi causare malattie infettive, e infine sospese nell’aria o diffuse sulle pareti anziché cadere a terra. Tuttavia, a causa della significativa variazione dei dati tra i diversi soggetti e le condizioni dello studio, il modello di flusso di base dello sciame di goccioline risulta influenzato ed è difficile da determinare19.