[논문 리뷰] Risk assessment of airborne transmission of COVID-19 by asymptomatic individuals under different practical settings

Siyao Shao, Dezhi Zhou외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 07.

Infection Control and Ventilation인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 실제 환경인 엘리베이터, 교실, 슈퍼마켓에서 무증상 개인으로부터의 공기 전파 위험을 현장 측정 및 수치 유체역학을 사용하여 정량화한다. 나쁜 환기 설계로 인해 기준 수준보다 수십 배에서 수백 배 높은 입자 농도를 가진 局소적 고위험 구역이 형성되며, 이는 감염 위험과 표면 오염을 크게 증가시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제 실내 환경에서의 SARS-CoV-2 공기 전파에 대한 정량적 위험 평가 부족을 해결하기 위해.
• 환기 설계가 무증상 개인으로부터 배출된 입자의 확산 및 농도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 입자 축적과 표면 오염이 가장 높을 가능성이 있는 고위험 미세환경을 규명하기 위해.
• 숨결 깊이와 입자 특성(결정립 포함)이 전파 위험에 미치는 기여도를 정량화하기 위해.
• 개선된 환기 및 공간 설계를 통한 공기 전파 억제를 위한 근거 기반 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 실제 환경인 엘리베이터, 소형 교실, 슈퍼마켓에서 무증상 개인의 정상적인 숨결 시 배출된 입자를 현장 측정하였다.
• 다양한 환기 조건 하에서 입자 이동, 확산 및 침착을 모델링하기 위해 수치 유체역학(CFD) 시뮬레이션을 활용하였다.
• 입자 크기 분포를 측정하고, 숨결 깊이와 함께 결정립 존재 여부를 연관시켜 배출 특성 평가를 수행하였다.
• 시간에 따른 입자 농도 동역학을 시뮬레이션하여 다양한 미세환경에서의 흡입 위험과 표면 침착을 추정하였다.
• 환기 시스템 설계가 입자 제거 효율성과 국소적 고농도 구역(핫스팟) 형성에 미치는 영향을 평가하였다.
• 실험 데이터와 수치 모델링을 병행하여 다수의 현실적인 시나리오에서 위험을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 환기 조건 하에서 엘리베이터, 교실, 슈퍼마켓 등 다양한 실내 환경에서 입자 농도는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 환기 시스템 설계가 고위험 입자 핫스팟 형성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 정상적인 숨결에서 유래한 결정립이 전체 전파 위험에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ4 숨결 깊이와 감염 가능성이 있는 입자 배출 간의 상관관계는 어떠한가?
• RQ5 환기 부족 환경에서 입자 침착으로 인한 표면 오염 위험은 어느 정도인가?

주요 결과

• 부적절한 환기 설계는 배경 수준보다 최대 1000배 높은 농도를 가진 국소적 입자 핫스팟을 형성할 수 있다.
• 환기 부족한 실내 공간에서는 무증상 개인이 퇴장한 후에도 입자 농도가 30분 이상 높은 상태로 유지될 수 있다.
• 정상적인 숨결로 배출되는 입자 중 상당 부분이 결정립이며, 이들의 배출은 숨결 깊이와 강하게 상관된다.
• 입자를 적절히 희석하고 제거하지 못하는 환기 시스템은 입자 침착으로 인해 표면 오염을 악화시킬 수 있다.
• 환기 양호한 환경에서도 엘리베이터와 같은 제한된 공간에서는 공기 교환 수가 적어 입자 노출 위험이 여전히 높다.
• 본 연구는 입자 이동과 위험이 기류 패턴에 매우 민감하며, 설계가 잘못된 시스템은 노출 위험을 비례를 초월해 증가시킨다는 것을 입증하였다.