Kontekst badania
Artykuł dotyczy problemu transmisji bioaerozoli w poradniach pulmonologicznych, które stanowią miejsca wysokiego ryzyka zakażeń krzyżowych drogą powietrzną. Autorzy wskazują, że podczas konsultacji pacjenci emitują aerozole zawierające patogeny, które mogą utrzymywać się w powietrzu przez długi czas i rozprzestrzeniać wraz z przepływem powietrza. Szczególne znaczenie ma więc organizacja przepływu powietrza i skuteczność systemów wentylacyjnych w ograniczaniu transmisji zakażeń. Dotychczasowe badania koncentrowały się głównie na salach operacyjnych, izolatkach i oddziałach szpitalnych, natomiast poradnie pulmonologiczne pozostawały słabo rozpoznanym środowiskiem badawczym.
Cele i hipotezy
Celem badania była kompleksowa ocena (1) wzorców transmisji bioaerozoli w poradniach pulmonologicznych; (2) skuteczności organizacji przepływu powietrza w usuwaniu aerozoli; (3) wpływu układu wentylacji i pozycji pacjenta na rozprzestrzenianie się aerozoli.
Badanie obejmowało dwa typy gabinetów:
- Team outpatient clinic (TC) – gabinet zespołowy z nawiewem bocznym,
- Private outpatient clinic (PC) – gabinet indywidualny z nawiewem sufitowym.
Analizowano dwa scenariusze:
- pacjent siedzący,
- pacjent leżący.
Autorzy przyjęli hipotezę, że: (1) organizacja przepływu powietrza wpływa na skuteczność usuwania aerozoli, (2) pozycja pacjenta istotnie zmienia charakter dyfuzji aerozoli, (3) układ boczny nawiew–wywiew będzie skuteczniejszy niż system sufitowy.
Metody badawcze
Badanie przeprowadzono z wykorzystaniem połączonej metody eksperymentalnej i numerycznej. Analizie poddano dwa rzeczywiste gabinety poradni pulmonologicznej nowo wybudowanego szpitala: gabinet zespołowy (Team Outpatient Clinic – TC) oraz gabinet indywidualny (Private Outpatient Clinic – PC). W obu przypadkach uwzględniono dwa najczęściej występujące scenariusze konsultacji: pacjenta siedzącego oraz pacjenta leżącego. Na podstawie pomiarów terenowych wykonano trójwymiarowe modele pomieszczeń w programie SpaceClaim. Następnie przeprowadzono symulacje CFD (Computational Fluid Dynamics) z wykorzystaniem modelu Euler–Lagrange oraz modelu turbulencji RNG k-ε do odwzorowania przepływu powietrza i transportu aerozoli. Aerozole emitowane przez pacjenta podczas oddychania i mówienia uproszczono do cząstek o średnicy 1 μm, co odpowiada drobnym cząstkom dominującym w transmisji powietrznej. Uwzględniono również wpływ temperatury wydychanego powietrza oraz pióropusza cieplnego człowieka.
W celu walidacji modelu numerycznego wykonano eksperymenty in-situ obejmujące pomiary prędkości powietrza oraz testy emisji aerozoli. Do generowania aerozolu wykorzystano generator Collisona, natomiast stężenie cząstek mierzono za pomocą liczników aerozoli rozmieszczonych w różnych punktach pomieszczenia. Wyniki eksperymentów porównano z rezultatami symulacji CFD, potwierdzając zgodność modelu numerycznego z pomiarami rzeczywistymi. Dodatkowo przeprowadzono analizę niezależności siatki obliczeniowej w celu zapewnienia stabilności wyników symulacji.
Oceny skuteczności organizacji przepływu powietrza dokonano na podstawie kilku wskaźników: wskaźnika usuwania zanieczyszczeń (contaminant removal index), wskaźnika rozcieńczania aerozoli (contaminant dilution index) oraz wskaźników depozycji aerozoli na powierzchniach. Analizowano rozprzestrzenianie się aerozoli, ich unoszenie, osadzanie na ścianach i suficie, pozostawanie w zawieszeniu oraz skuteczność ich usuwania przez system wentylacyjny w czasie trwania wizyty i po jej zakończeniu.
Rezultaty badań i ich interpretacja
Wpływ pozycji pacjenta na przepływ powietrza
W gabinecie TC system nawiewu bocznego tworzył bardziej uporządkowany, kierunkowy przepływ powietrza. Lekarz znajdował się przed źródłem zanieczyszczeń, co zwiększało jego ochronę. Jednak w pozycji leżącej pacjenta część aerozoli była unoszona w kierunku lekarza.
W gabinecie PC nawiew sufitowy powodował tworzenie licznych stref recyrkulacji i mieszania powietrza. W pozycji leżącej aerozole były transportowane ku lekarzowi oraz rozpraszane po całym pomieszczeniu.
Dyspersja aerozoli
Aerozole początkowo unosiły się ku sufitowi pod wpływem ciepła od człowieka oraz w wyniku przepływu powietrza nawiewnego.
W pozycjach siedzących aerozole były skuteczniej usuwane przez wywiew. W pozycjach leżących obserwowano: większe osadzanie na ścianach, dłuższy czas zawieszenia aerozoli, większą akumulację zanieczyszczeń.
Los aerozoli
Najlepsze wyniki uzyskano dla scenariusza TCS: usunięto ok. 49,3% aerozoli po zakończeniu konsultacji.
Najgorsze wyniki uzyskano dla PCL: po 600 s nadal 20,67% aerozoli pozostawało zawieszonych w powietrzu,
usunięto jedynie 15,81% aerozoli.
W PC obserwowano także większą depozycję aerozoli na powierzchniach.
Ocena wskaźników wentylacyjnych
TC wykazywał lepszą zdolność usuwania i rozcieńczania aerozoli niż PC.
Pozycja siedząca pacjenta poprawiała skuteczność wentylacji.
W pozycji leżącej skuteczność kontroli aerozoli wyraźnie malała.
Autorzy wskazują, że źródło aerozolu znajdujące się poza głównym strumieniem przepływu pogarsza skuteczność wentylacji.
Wnioski
- Układ wentylacji istotnie wpływa na transmisję aerozoli w poradniach pulmonologicznych.
- System bocznego nawiewu i wywiewu (TC) zapewnia skuteczniejsze usuwanie aerozoli niż układ sufitowy (PC).
- Konsultacje pacjentów siedzących są bezpieczniejsze pod względem transmisji aerozoli niż badania pacjentów leżących.
- Konsultacje pacjentów w pozycji leżącej powoduje wzrost depozycji aerozoli na ścianach i powierzchniach.
- Organizacja przepływu powietrza powinna być projektowana z uwzględnieniem rzeczywistych scenariuszy pracy poradni.
- W poradniach o słabszej skuteczności usuwania aerozoli należy wydłużać odstępy między pacjentami.
- Sam system wentylacji nie jest wystarczający — konieczne są dodatkowe środki ochrony, np. lokalne oczyszczacze i środki ochrony indywidualnej.
Ograniczenia zakresu badawczego
Autorzy wskazują, że istotnym ograniczeniem badania było zastosowanie modelu RANS do symulacji przepływu powietrza i transportu aerozoli. Model ten opiera się na wartościach uśrednionych w czasie, dlatego może nie odwzorowywać w pełni krótkotrwałych, lokalnych zjawisk turbulentnych oraz chwilowych wzrostów ekspozycji na aerozole. W przyszłości bardziej dokładne odwzorowanie procesów mieszania powietrza mogłoby zostać osiągnięte poprzez zastosowanie metody LES (Large Eddy Simulation), jednak wymagałoby to znacznie większych zasobów obliczeniowych. Kolejnym ograniczeniem był zakres analizowanych obiektów, ponieważ badanie obejmowało wyłącznie dwa nowoczesne gabinety poradni pulmonologicznej wyposażone w zaawansowane systemy wentylacyjne projektowane z uwzględnieniem kontroli zakażeń po pandemii COVID-19. Wyniki nie mogą więc zostać bezpośrednio odniesione do starszych poradni wykorzystujących wentylację naturalną lub standardowe systemy klimatyzacyjne.
Badanie oparto również na uproszczeniu aerozoli do cząstek monodyspersyjnych o średnicy 1 μm, co dobrze odzwierciedla transmisję drobnocząsteczkową na większe odległości, lecz nie pozwala analizować zachowania większych kropli odpowiedzialnych za transmisję bliskiego kontaktu i depozycję w bezpośrednim sąsiedztwie pacjenta. Autorzy podkreślają także, że analizowano ograniczoną liczbę scenariuszy klinicznych oraz konfiguracji przestrzennych. W przyszłych badaniach konieczne będzie uwzględnienie większej liczby typów gabinetów, różnych układów wentylacyjnych, odmiennych procesów konsultacyjnych oraz wpływu wyższych krotności wymian powietrza na skuteczność usuwania aerozoli i bezpieczeństwo epidemiologiczne personelu oraz pacjentów.
Artykuł dostępny na stronie czasopisma Building and Environment