[論文レビュー] Risk assessment of airborne transmission of COVID-19 by asymptomatic individuals under different practical settings

Siyao Shao, Dezhi Zhou+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2020

Infection Control and Ventilation被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、実際の環境（エレベーター、教室、スーパーマーケット）における無症状者からのSARS-CoV-2の飛沫感染リスクを、現地測定と計算流体力学を用いて定量的に評価した。その結果、換気設計が不十分な場合、周囲の濃度と比べて数個のオーダーも高い局所的な高リスク領域が形成され、感染リスクと表面汚染が顕著に増加することが明らかになった。

ABSTRACT

The lack of quantitative risk assessment of airborne transmission of COVID-19 under practical settings leads to large uncertainties and inconsistencies in our preventive measures. Combining in situ measurements and numerical simulations, we quantify the exhaled particles from normal respiratory behaviors and their transport under elevator, small classroom and supermarket settings to evaluate the risk of inhaling potentially virus-containing particles. Our results show that the design of ventilation is critical for reducing the risk of particle encounters. Inappropriate design can significantly limit the efficiency of particle removal, create local hot spots with orders of magnitude higher risks, and enhance particle deposition causing surface contamination. Additionally, our measurements reveal the presence of substantial fraction of crystalline particles from normal breathing and its strong correlation with breathing depth.

研究の動機と目的

• 実際の屋内環境におけるSARS-CoV-2の飛沫感染リスクに対する定量的リスクアセスメントの不足を解消すること。
• 換気設計が、無症状者から発生する呼出粒子の拡散および濃度に与える影響を評価すること。
• 粒子の蓄積と表面汚染が最も顕著に発生する高リスクのマイクロ環境を特定すること。
• 呼吸の深さおよび粒子の特性（結晶性粒子を含む）が感染リスクに与える寄与を定量化すること。
• 換気と空間設計の改善を通じて飛沫感染を緩和する根拠に基づく指針を提供すること。

提案手法

• エレベーター、小規模な教室、スーパーマーケットなど、実際の環境で、無症状者の通常の呼吸中の呼出粒子を現地で測定した。
• 換気条件を変えて粒子輸送、拡散、沈着をモデル化するため、計算流体力学（CFD）シミュレーションを用いた。
• 粒子のサイズ分布を測定し、呼吸の深さと結晶性粒子の存在を関連付けて、放出特性を評価した。
• 時間経過に伴う粒子濃度のダイナミクスをシミュレートし、異なるマイクロ環境における吸入リスクと表面への沈着を推定した。
• 換気システムの設計が、粒子の除去効率および局所的な高濃度領域（ホットスポット）の形成に与える影響を評価した。
• 実験データと数値モデルの組み合わせを用いて、多数の現実的なシナリオにおけるリスクを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常の換気条件下において、エレベーター、教室、スーパーマーケットなどの異なる屋内環境での粒子濃度はどのように変化するか？
• RQ2 換気システムの設計が、高リスク粒子ホットスポットの形成にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 通常の呼吸からの結晶性粒子が、全体の感染リスクに果たす寄与は何か？
• RQ4 呼吸の深さと、感染性を有する可能性のある粒子の放出量の相関関係は何か？
• RQ5 換気の不十分な環境では、粒子沈着による表面汚染のリスクはどの程度か？

主な発見

• 換気設計が不十分な場合、背景濃度と比べて最大1000倍も高い粒子濃度の局所的ホットスポットが形成される可能性がある。
• 換気の不十分な部屋では、無症状者が退室後も、粒子濃度が30分以上にわたり高い状態を維持する。
• 通常の呼吸から発生する粒子の顕著な割合が結晶性であり、その放出は呼吸の深さと強く相関している。
• 粒子を適切に希釈・除去できない換気システムは、粒子沈着による表面汚染を助長する。
• 換気の良好な環境でも、エレベーターのような閉鎖空間では、空気交換が限られているため、粒子への曝露リスクは依然として顕著である。
• 本研究は、粒子輸送とリスクが気流のパターンに極めて敏感であることを示しており、設計が不適切な換気システムは、曝露リスクを著しく増加させる。