[论文解读] 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 13

一句话总结

本研究通过现场测量与计算流体动力学方法，量化了在真实场景（电梯、教室和超市）中无症状个体的SARS-CoV-2气溶胶传播风险。研究发现，通风设计不良会形成局部高风险区域，其颗粒物浓度比环境背景水平高出数个数量级，显著增加感染风险及表面污染风险。

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.

研究动机与目标

• 为解决现有实践中对SARS-CoV-2气溶胶传播的定量风险评估不足的问题。
• 评估通风设计对无症状个体呼出颗粒物扩散与浓度的影响。
• 识别颗粒物积聚与表面污染最可能发生的高风险微环境。
• 量化呼吸深度及颗粒物特性（包括晶体颗粒）在传播风险中的作用。
• 为通过改善通风与空间设计来减轻气溶胶传播提供基于证据的指导。

提出的方法

• 在真实场景（电梯、小型教室和超市）中，对无症状个体在正常呼吸状态下的呼出颗粒物进行现场测量。
• 采用计算流体动力学（CFD）模拟，研究在不同通风条件下颗粒物的传输、扩散与沉积行为。
• 测量颗粒物粒径分布，并将晶体颗粒的存在与呼吸深度相关联，以评估排放特性。
• 模拟不同微环境中颗粒物浓度随时间的动态变化，以估算吸入风险与表面沉积情况。
• 评估通风系统设计对颗粒物去除效率及局部高浓度区域（热点）形成的影响。
• 结合实验数据与数值模拟，评估多种真实场景下的风险。

实验结果

研究问题

• RQ1 在典型通风条件下，不同室内环境（电梯、教室、超市）中的颗粒物浓度如何变化？
• RQ2 通风系统设计在多大程度上影响高风险颗粒物热点的形成？
• RQ3 正常呼吸呼出的晶体颗粒对整体传播风险的贡献有多大？
• RQ4 呼吸深度与潜在感染性颗粒物的排放之间存在何种相关性？
• RQ5 在通风不良的环境中，颗粒物沉降导致的表面污染风险如何？

主要发现

• 通风设计不良可能形成局部颗粒物热点，其浓度最高可达背景水平的1000倍。
• 在通风不良的房间中，无症状个体离开后，颗粒物浓度仍可维持在较高水平超过30分钟。
• 正常呼吸呼出的颗粒物中，相当一部分为晶体颗粒，其排放与呼吸深度密切相关。
• 无法有效稀释与清除颗粒物的通风系统，会因颗粒物沉降而加剧表面污染。
• 即使在通风良好的环境中，由于空气交换有限，电梯等封闭空间中的颗粒物暴露风险依然显著。
• 本研究表明，颗粒物传输与风险对气流模式高度敏感，通风设计不良的系统会不成比例地增加暴露风险。