Opatření proti koronaviru: Důležitá je dávka CO₂

Nechte svítit obratle: Pomocí tracerových částic, světelné projekce a vysokorychlostních kamer jsou na Hermann-Rietschel-Institutu měřeny proudění vzduchu a rozptyl částic v interiérech.

Obrázek 1: Porovnání rizikového faktoru xr z zjednodušeného rizikového modelu pro různé každodenní situace. Doby pobytu se zde liší – je tedy předpokládán celý pracovní nebo školní den, návštěva kina nebo restaurace je odpovídajícím způsobem kratší. Referenční hodnotou je xr = 1 pro půlhodinový pobyt v supermarketu s rouškou. Hodnota xr je nezávislá na konkrétní variantě viru.

Obr. 2: Kolik dalších osob může nakažená osoba v určité situaci v průměru nakazit? To udává "situacionální R-hodnota". Zde je uvedena pro různé situace a možné opatření. Nakažená osoba je předpokládána s vysokým faktorem viru, což odpovídá například vysoké infekčnosti. Uvedení „1000 ppm“ se vztahuje na hodnotu CO₂ a znamená, že místnost je v tomto případě dostatečně větraná podle požadavků na dobré vzdušné hygieny.

Obr. 3: Předpovězené riziko nákazy pro zaměstnance v kanceláři s velkým prostorem s deseti zdravými osobami a jednou nakaženou osobou, znázorněné za celý pracovní den. Křivky odpovídají různým, vpravo uvedeným opatřením (kombinacím). Uvedení „1000ppm“ se vztahuje na hodnotu CO₂ a znamená, že místnost je v tomto případě dostatečně větraná podle požadavků na dobré kvality vzduchu.

Obrázek 4: Schéma pro určení rizika nákazy při přítomnosti nakažené osoby a statisticky průměrné nakažlivosti. V příkladu (červené šipky) vychází pro mírné větrání a průměrný účinek nošených masek FFP2 při pobytu šest hodin právě bod na hranici mezi nízkým a středním rizikem, že se nakazí více než jedna další osoba. To platí bez ohledu na konkrétní počet osob a pro všechny běžné velikosti místností.

Výzkumníci z Hermann-Rietschel-Institutu Technické univerzity (TU) Berlín a další vědci a vědkyně vyvinuli zjednodušený model rizika, který umožňuje v době pandemie koronaviru poskytovat praktická a důkazem podložená doporučení pro správu budov a organizaci akcí. Je založen na již ověřeném modelu dávkování infekce, analýze 25 dokumentovaných případů vypuknutí nákazy a nových matematických výpočtech.

Poprvé je v něm také matematicky ukázána důležitost koncentrace oxidu uhličitého (CO₂) jako ukazatele bezpečnosti při infekci v uzavřených prostorách. Výzkumníci navrhují rozšířit tuto hodnotu o dobu pobytu osob jako „dávku CO₂“. Aby bylo možné otestovat správu budov s tímto vylepšeným ukazatelem, probíhá nyní terénní test v posluchárnách TU Berlín. Přitom měřiče CO₂ přenášejí svá data do cloudového softwaru.

Očkování a hygienická opatření vnitřních prostor umožnila, že i přes vysokou incidenci můžeme chodit do kina a účastnit se akcí. Důležité otázky však zůstávají nezodpovězené: Jaké virusové zátěže skutečně vedou k vypuknutí nákazy v praxi? Jak lze účinky různých hygienických opatření kvantifikovat v jednoduchém matematickém modelu? A jaké obecné poznatky lze z toho odvodit, nezávisle na konkrétních vlastnostech viru?

Vypuknutí koronaviru po celém světě

Vypuknutím se rozumí všechny případy nákazy, při nichž jedna osoba nakazí více než jednoho dalšího člověka. „Dobře zdokumentované vypuknutí je pro nás jako zlato,“ říká prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel, vedoucí Hermann-Rietschel-Institutu a hlavní autor studie. „Jsou vzácná a zároveň nesmírně cenná.“ Případy, které byly analyzovány, pocházejí z celého světa, například z Koreje, Číny, Havaje, Izraele nebo Francie. Zahrnují také vypuknutí u německé masokombinace nebo několik zvlášť dobře zdokumentovaných případů ve škole v Hamburku a při zkouškách sboru v Berlíně. Díky stanovení virální DNA u nakažených bylo možné přesně určit, kdo koho nakazil. Spoluautoři studie Kriegela jsou například virolog, hygienik a epidemiolog.

Důležitá práce na místě činu

Analýza a srovnání 25 vypuknutí umožnily obecné závěry. A poskytly návod, jaká data jsou skutečně důležitá pro dokumentaci vypuknutí, aby bylo možné rychle získat dobrý přehled o dynamice nákazy. Patří sem například spolehlivý počet nakažených při vypuknutí, přesný počet přítomných osob, informace o tom, kdo kde a jak dlouho byl, a co přesně dělali nakažení a infekční osoby. Dále pak informace o větrání. „Je to vlastně jako práce na místě činu. Čím rychleji po vypuknutí lze tyto údaje zaznamenat, tím lépe si účastníci pamatují okolnosti,“ říká Kriegel. I s hrubými údaji však bylo možné vypuknutí poměrně dobře rekonstruovat a statisticky vyhodnocovat.

Nový model s matematickými zjednodušeními

Aby mohli poskytnout konkrétní kvantitativní doporučení pro prevenci vypuknutí, například ohledně maximálního počtu osob v místnosti nebo nutného přívodu čerstvého vzduchu, využili vědci základní rovnice infekční dynamiky, které byly již vyvinuty v 50. a 70. letech. Na jejich základě vytvořili zjednodušený matematický model infekce, který obsahuje parametry relevantní pro vypuknutí nákazy. Ty se týkají vlastností viru a prostoru, ale například i aktivit osob v místnosti. „Poprvé jsme provedli zjednodušení, která umožňují praktické doporučení pro prevenci nákazy,“ vysvětluje Kriegel. Významným výsledkem je přímé spojení mezi obsahem CO₂ ve vzduchu a rizikem nákazy. Jedno ze zjednodušení spočívá například v tom, že počet ohrožených osob v místnosti je považován za větší než počet nakažených – což je obvykle pravda. Tím se odstraní složitá exponenciální funkce v modelu.

Srovnání rizik pro každodenní scénáře

Jedním z výsledků těchto výpočtů je srovnání rizika v určitých běžných situacích, které platí pro všechny typy virů přenášených převážně aerosoly (viz obr. 1). Vysoce rizikové jsou například pobyty v kancelářích a školách, zatímco návštěvy divadel a kin jsou spíše s nízkým rizikem. Často diskutované návštěvy restaurací představují střední riziko vypuknutí s více než jednou nakaženou osobou. „Přesto je zde riziko nákazy relativně vysoké, protože všichni mluví a nikdo si na místě nenosí roušku,“ vysvětluje Kriegel. Délka pobytu zde dělá rozdíl – nikdo nezůstává v restauraci tak dlouho jako při běžném pracovním dni v kanceláři.

Faktor čas je často přehlížen

Ukazuje to také přehled efektivity různých ne lékařských preventivních opatření a jejich kombinací (viz obr. 2). Protože při výpočtu celkového snížení rizika je třeba vynásobit přínosy jednotlivých ochranných složek, může například zkrácení doby pobytu o polovinu zdvojnásobit ochranný účinek větrání a nošení roušek. „Zatímco u chemických havárií nebo radioaktivního záření víme intuitivně, že se nesmíme příliš dlouho zdržovat v nebezpečné oblasti, u infekcí se na to často zapomíná,“ říká Martin Kriegel.

Terénní test v posluchárnách TU Berlín

Z tohoto důvodu je také samotná měřená koncentrace CO₂ v místnosti pouze omezeně vhodná pro posouzení rizika nákazy. Ačkoliv je obsah oxidu uhličitého dobrým ukazatelem, kdy je třeba větrat, neexistuje „bezpečný limit CO₂“, po jehož překročení by již žádné nákazy nenastávaly. Protože nakažlivá osoba v místnosti neustále vypouští aerosoly s viry a exponované osoby je neustále vdechují. „Navrhujeme proto dávku CO₂ pro hodnocení rizika, která kromě koncentrace CO₂ zahrnuje i dobu, po kterou je člověk vystaven této koncentraci,“ říká Kriegel. Momentálně probíhají pokusy v posluchárnách TU Berlín. Přitom měřiče CO₂ přenášejí svá data do softwaru v cloudu, který vypočítá dávku CO₂. Na základě toho by například mohla vzniknout mobilní aplikace, která by na základě těchto dat vytvářela osobní rizikový profil každého studenta či studentky podle délky pobytu a koncentrace CO₂. Ve spolupráci s katedrou mobilního cloudového výpočetnictví prof. Dr.-Ing. Davida Bermbacha z TU Berlín již studie vedla k vytvoření webové aplikace, která umožňuje spočítat počet osob, které se s vysokou pravděpodobností nakazí od nakažené osoby, na základě dávky CO₂.

Doporučení pro správu budov

S pomocí matematického modelu rizika vyvinutého ve studii mohou nejen další výzkumníci provádět další podrobné studie. Je také vhodný pro odborníky z hygieny, větrací techniky nebo správy budov či organizace akcí, kteří vyvíjejí hygienická opatření. „Často používané ‚rychlosti výměny vzduchu‘ v diskuzích o vzduchotechnických systémech a mobilních čističkách vzduchu není cílené,“ vysvětluje Kriegel. Místo tohoto parametru navrhují vědci používat ‚objemový tok‘, který se vztahuje k počtu osob a době jejich pobytu. Zatímco rychlost výměny vzduchu udává, jak často se za určitý čas vymění veškerý vzduch v místnosti, tento objemový tok udává, kolik nezatíženého čerstvého vzduchu je přiváděno na osobu a za dobu pobytu. „Tím máme při dimenzování a provozu větracích systémů přímé spojení s dávkou CO₂ a předpovězeným rizikem nákazy, což samotná rychlost výměny vzduchu nezajistí.“

Svým výzkumem chtějí vědci přispět ke zlepšení kvality vzduchu v místnostech nezávisle na konkrétním patogenu. Klíčové je podle nich měření. „Jen ten, kdo měří, může cíleně zlepšovat. Vzduch je potravina a měl by být stejně tak monitorován jako například naše pitná voda,“ zdůrazňuje Kriegel. Zatímco denně vypijeme asi 1,5 kilogramu vody, dýcháme desetkrát více vzduchu – asi 15 kilogramů denně.