Mesures contre le coronavirus : c'est la dose de CO₂ qui compte

Faire le luminescer des vortex : À l'aide de particules traceuses, d'une projection lumineuse et de caméras à haute vitesse, les flux d'air et la dispersion des particules dans les espaces intérieurs sont mesurés à l'Institut Hermann-Rietschel.

Fig. 1 : Comparaison du facteur de risque xr dans le modèle simplifié de risque pour différentes situations quotidiennes. La durée du séjour varie ici – un jour entier de travail ou d'école est supposé, une visite au cinéma ou au restaurant est considérée comme plus courte. La valeur de référence est xr = 1 pour un séjour de trente minutes dans un supermarché avec masque. La valeur de xr est indépendante de la variante du virus.

Fig. 2 : Combien de personnes supplémentaires une personne infectée peut-elle en moyenne infecter dans une situation donnée ? C'est ce que indique la « valeur R situationnelle ». Ici, elle est présentée pour différentes situations et mesures possibles. La personne infectée est supposée avoir un facteur viral élevé, ce qui correspond par exemple à une forte infectiosité. La mention « 1000 ppm » se réfère à la valeur de CO₂ et signifie que la pièce, dans ce cas, est suffisamment ventilée conformément aux exigences pour une bonne hygiène de l'air.

Fig. 3 : Risque d'infection prévu pour un employé dans un bureau spacieux avec dix personnes saines et une personne infectée, représenté sur une journée de travail complète. Les courbes correspondent aux différentes mesures (combinaisons) mentionnées à droite. La mention « 1000 ppm » se réfère à la valeur de CO₂ et signifie que la pièce, dans ce cas, est suffisamment ventilée conformément aux exigences pour une bonne hygiène de l'air.

Fig. 4 : Diagramme pour la détermination du risque d'infection en présence d'une personne infectée et de la moyenne statistique de la contagiosité. Dans l'exemple (flèches rouges), il en résulte, pour une ventilation modérée et une efficacité moyenne des masques FFP2 portés, lors d'une durée de séjour de six heures, un point situé à la frontière entre un risque faible et un risque moyen, indiquant qu'une autre personne pourrait également être infectée. Cela est valable indépendamment d'un nombre précis de personnes et pour toutes les tailles de pièce habituelles.

Des chercheurs de l'Institut Hermann-Rietschel de l'Université Technique de Berlin (TU) et d'autres scientifiques ont développé un modèle simplifié de risque afin de fournir des recommandations pratiques et basées sur des preuves pour la gestion des bâtiments et des événements lors de la pandémie de COVID-19. Il repose sur un modèle de dose d'infection déjà validé, l'analyse de 25 cas de foyers documentés et de nouveaux calculs mathématiques.

Pour la première fois, l'importance de la concentration de dioxyde de carbone (CO2) en tant qu'indicateur de la sécurité en matière d'infection dans les espaces intérieurs est également démontrée mathématiquement. Les chercheurs proposent d'étendre cette valeur avec la durée de séjour des personnes pour former la « dose de CO2 ». Afin d'expérimenter la gestion des bâtiments avec cet indicateur amélioré, un test sur le terrain est actuellement en cours dans des amphithéâtres de la TU Berlin. Des appareils de mesure du CO2 transmettent leurs données à un logiciel basé sur le cloud.

Les vaccinations ainsi que les concepts d'hygiène pour les espaces intérieurs ont permis, malgré des taux d'incidence élevés, d'aller au cinéma et de participer à des événements. Cependant, des questions importantes restent sans réponse : quels charges virales conduisent réellement à des foyers en pratique ? Comment quantifier les effets des différentes mesures d'hygiène dans un modèle mathématique simple ? Et quelles conclusions générales peut-on en tirer, indépendamment des caractéristiques spécifiques du virus ?

Foyers de COVID-19 dans le monde entier

Un foyer est considéré comme tout cas d'infection où une personne transmet le virus à plus d'une autre personne. « Les foyers bien documentés sont pour nous comme de l'or », déclare le Prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel, directeur de l'Institut Hermann-Rietschel et premier auteur de l'étude. « Ils sont rares et en même temps extrêmement précieux. » Les cas étudiés proviennent donc du monde entier, notamment de Corée, de Chine, d’Hawaii, d’Israël ou de France. Mais aussi d’un foyer dans une entreprise de viande allemande, ainsi que plusieurs foyers particulièrement bien documentés dans une école de Hambourg et lors de répétitions chorales à Berlin. Grâce à la détermination de l’ADN viral chez les personnes infectées, il a été possible de déterminer précisément qui a infecté qui. Parmi les coauteurs de l’étude de Kriegel figurent notamment une virologue, une hygiéniste et un épidémiologiste.

Un bon travail de scène est important

L’analyse et la comparaison des 25 foyers ont permis de tirer des conclusions générales. Elles ont également fourni des indications sur les données réellement importantes pour la documentation d’un foyer, afin d’obtenir rapidement une bonne image de la dynamique de l’infection. Parmi celles-ci figurent notamment un chiffre fiable du nombre total de personnes infectées lors du foyer, le nombre précis de personnes présentes, ainsi que des informations sur qui se trouvait combien de temps à quels endroits et ce que les personnes infectées ou contagieuses ont exactement fait. Des informations sur la situation de ventilation complètent ces données. « C’est en quelque sorte comme lors d’une enquête de scène de crime. Plus vite ces données sont recueillies après un foyer, mieux les participants se souviennent des circonstances », raconte Kriegel. Mais même avec des données rudimentaires, il est encore possible de reconstituer relativement bien les foyers en utilisant des valeurs empiriques et de les analyser statistiquement.

Nouveau modèle avec des simplifications mathématiques

Pour pouvoir donner des recommandations quantitatives concrètes pour prévenir un foyer, comme la limite maximale de personnes dans une pièce ou le flux d’air nécessaire, les chercheurs se sont appuyés sur des équations fondamentales de la dynamique de l’infection, développées dès les années 1950 et 1970. Sur cette base, ils ont établi un modèle mathématique simplifié de l’infection, qui inclut les paramètres pertinents pour un foyer. Ceux-ci concernent les propriétés du virus et de la pièce considérée, mais aussi, par exemple, les activités des personnes dans la pièce. « Nous avons effectué pour la première fois des simplifications permettant de faire des déclarations pratiques sur la prévention de l’infection », explique Kriegel. Un résultat essentiel est la connexion directe entre la teneur en CO2 dans l’air de la pièce et le risque d’infection. L’une des simplifications consiste, par exemple, à supposer que le nombre de personnes à risque dans la pièce est supérieur au nombre de personnes infectieuses — ce qui est généralement le cas. De cette manière, la fonction exponentielle complexe du modèle peut être éliminée.

Comparaison des risques pour des scénarios quotidiens

Un résultat de ces calculs est une comparaison du risque pour certaines situations quotidiennes, applicable à tous les types de virus se propageant principalement par aérosols (voir Fig. 1). Les séjours dans les bureaux et les écoles figurent en haut de la liste, avec un risque faible, tandis que les visites au théâtre ou au cinéma présentent un risque modéré. Les visites souvent discutées dans les restaurants ne présentent qu’un risque moyen de foyer avec plus d’une personne infectée. « Pourtant, le risque de transmission y est relativement élevé, car tout le monde parle et personne ne porte de masque à sa place », explique Kriegel. La durée de séjour fait ici toute la différence — personne ne reste aussi longtemps dans un restaurant qu’une journée de travail normale au bureau.

Le facteur temps souvent négligé

Le fait que le facteur temps soit important dans l’évaluation du risque est également illustré par un aperçu de l’efficacité de différentes mesures de prévention non médicales et de leurs combinaisons (voir Fig. 2). Comme pour calculer la réduction globale du risque, il faut multiplier la contribution de chaque protection — par exemple, une durée de séjour réduite de moitié peut doubler l’effet protecteur de la ventilation et du port du masque. « Alors que nous savons intuitivement, lors d’accidents chimiques ou de radiations, qu’il ne faut pas rester trop longtemps dans une zone dangereuse, cette règle est souvent oubliée en cas de risque d’infection », indique Martin Kriegel.

Test sur le terrain dans les amphithéâtres de la TU Berlin

C’est pourquoi la concentration de CO2 mesurée dans une pièce n’est qu’un indicateur partiel du risque d’infection. Bien que le taux de CO2 soit un bon indicateur du moment où il faut ventiler, il n’existe pas de « seuil sûr » de CO2 au-delà duquel aucune infection ne pourrait se produire. En effet, une personne infectieuse dans la pièce émet en permanence des aérosols chargés en virus, et les personnes exposées les inhalent en continu. « Nous proposons donc une dose de CO2 pour l’évaluation du risque, qui inclut en plus de la concentration en CO2 la durée d’exposition », explique Kriegel. Des essais sont actuellement en cours dans des amphithéâtres de la TU Berlin. Les appareils de mesure du CO2 envoient leurs données à un logiciel dans le cloud, qui calcule la dose de CO2. Sur cette base, une application pour smartphone pourrait accéder à ces données et établir un profil de risque personnel pour chaque étudiant, en fonction de la durée de séjour et de la concentration en CO2. En collaboration avec le département de Cloud Computing Mobile de la TU Berlin, une application web a déjà été développée à partir de l’étude, permettant de calculer le nombre de personnes susceptibles d’être infectées par une personne infectieuse, en fonction de la dose de CO2.

Recommandations pour la gestion des bâtiments

Grâce au modèle mathématique de risque développé dans l’étude, d’autres chercheurs peuvent poursuivre leurs investigations. Il est également adapté aux professionnels de l’hygiène, de la ventilation et de la gestion des bâtiments ou des événements, qui élaborent des concepts d’hygiène. « La « vitesse de renouvellement d’air » souvent utilisée dans les discussions sur les systèmes de traitement de l’air et les purificateurs d’air mobiles n’est pas pertinente », explique Kriegel. Au lieu de ce paramètre, les chercheurs proposent d’utiliser le « débit volumique » basé sur le nombre de personnes et leur durée de séjour. Alors que la vitesse de renouvellement d’air indique la fréquence à laquelle tout l’air de la pièce est renouvelé dans un certain délai, ce débit volumique indique la quantité d’air neuf non contaminé fournie par personne et par unité de temps. « Avec cela, nous avons déjà une connexion directe entre la dimensionnement et le fonctionnement des systèmes de ventilation, la dose de CO2 et le risque d’infection prévu, ce qui n’est pas possible avec la seule vitesse de renouvellement d’air. »

Par leur travail, les chercheurs souhaitent contribuer à l’hygiène de l’air intérieur, indépendamment du type d’agent pathogène. La mesure étant au centre de leur démarche, insiste Kriegel. « Seul celui qui mesure peut améliorer de manière ciblée. L’air est une denrée alimentaire et doit être surveillé tout comme notre eau potable. » En effet, alors que nous buvons environ 1,5 kilogramme d’eau par jour, nous inhalons dix fois plus d’air — environ 15 kilogrammes par jour.