Misure contro il coronavirus: conta la dose di CO₂

Far brillare le vortici: con l'ausilio di particelle traccianti, una proiezione luminosa e telecamere ad alta velocità vengono misurate le correnti d'aria e la diffusione delle particelle negli ambienti interni presso l'Istituto Hermann-Rietschel.

Fig. 1: Confronto del fattore di rischio xr dal modello semplificato di rischio per diverse situazioni quotidiane. I tempi di permanenza variano qui – si assume una giornata intera di lavoro o scuola, mentre una visita al cinema o al ristorante è proporzionalmente più breve. Il valore di riferimento è xr = 1 per una permanenza di mezz'ora in un supermercato con mascherina. Il valore di xr è indipendente dalla variante virale.

Fig. 2: Quante altre persone può infettare in media una persona infetta in una determinata situazione? Questo è indicato dal "valore R situazionale". Qui è rappresentato per diverse situazioni e possibili misure. Si assume che la persona infetta abbia un alto fattore virale, che corrisponde ad esempio a un'alta contagiosità. L'indicazione "1000ppm" si riferisce al valore di CO₂ e significa che la stanza, in questo caso, è sufficientemente ventilata secondo i requisiti per una buona igiene dell'aria.

Fig. 3: Rischio di infezione previsto per un dipendente in un ufficio open space con dieci persone sane e una persona infetta, rappresentato durante un'intera giornata lavorativa. Le curve corrispondono alle diverse misure (combinazioni) indicate a destra. La dicitura "1000ppm" si riferisce al livello di CO2 e indica che la stanza, in questo caso, è sufficientemente ventilata secondo i requisiti per una buona qualità dell'aria.

Fig. 4: Diagramma per la determinazione del rischio di infezione in presenza di una persona infetta e della media statistica della contagiosità. Nell'esempio (frecce rosse), per una ventilazione moderata e un'efficacia media delle maschere FFP2 indossate durante un soggiorno di sei ore, si ottiene un punto al limite tra un rischio basso e uno medio, in cui più di una persona si infetta. Ciò vale indipendentemente dal numero di persone e per tutte le dimensioni tipiche degli ambienti.

Ricercatori dell'Istituto Hermann-Rietschel del Politecnico di Berlino (TU) e altri scienziati hanno sviluppato un modello di rischio semplificato per fornire raccomandazioni pratiche ed evidence-based nella gestione degli edifici e degli eventi durante la pandemia di COVID-19. Si basa su un modello di dosaggio di infezione già validato, sull'analisi di 25 casi di focolai documentati e su nuovi calcoli matematici.

Per la prima volta viene evidenziato anche matematicamente il ruolo della concentrazione di anidride carbonica (CO2) come indicatore di sicurezza infettiva negli ambienti chiusi. I ricercatori propongono di ampliare questo valore con la durata della permanenza delle persone, chiamandolo “dose di CO2”. Per testare questo indicatore migliorato nella gestione degli edifici, attualmente si sta conducendo un test sul campo nelle aule della TU Berlino. In questo modo, i dispositivi di misurazione della CO2 trasmettono i dati a un software basato su cloud.

Le vaccinazioni e i protocolli di igiene per gli ambienti interni hanno reso possibile, nonostante le alte incidenze, andare al cinema e partecipare a eventi. Tuttavia, rimangono aperte domande importanti: quali carichi virali portano effettivamente a focolai pratici? Come si possono quantificare gli effetti delle diverse misure igieniche in un modello matematico semplice? E quali conclusioni generali si possono trarre, indipendentemente dalle caratteristiche specifiche del virus?

Focolai di COVID-19 in tutto il mondo

Per focolaio si intende ogni episodio di infezione in cui una persona trasmette il virus ad almeno un’altra. “Focolai ben documentati sono come oro per noi”, afferma il Prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel, direttore dell'Istituto Hermann-Rietschel e primo autore dello studio. “Sono rari e allo stesso tempo estremamente preziosi.” I casi studiati provengono da tutto il mondo, ad esempio Corea, Cina, Hawaii, Israele o Francia. Sono inclusi anche un focolaio presso un’azienda di carne tedesca e diversi casi ben documentati in una scuola di Amburgo e durante prove corali a Berlino. Attraverso l’analisi del DNA virale nei soggetti infetti, è stato possibile stabilire con precisione chi avesse infettato chi. Coautori dello studio di Kriegels sono tra gli altri una virologa, un’igienista e un epidemiologo.

Importanza di un buon lavoro sul campo

L’analisi e il confronto dei 25 focolai hanno permesso di trarre conclusioni generali e di individuare quali dati siano realmente importanti per documentare un focolaio e ottenere rapidamente un quadro chiaro della dinamica dell’infezione. Tra questi, una stima affidabile del numero totale di infetti, il numero esatto di presenti e informazioni su chi si trovasse per quanto tempo in quali luoghi, e cosa abbiano fatto infetti e infettanti. Sono inoltre utili dati sulla ventilazione. “È come il lavoro sul luogo del delitto. Più rapidamente si raccolgono questi dati dopo un focolaio, meglio si ricordano le circostanze”, racconta Kriegel. Anche con dati rudimentali, i focolai possono essere ricostruiti abbastanza bene e analizzati statisticamente, usando valori di esperienza.

Nuovo modello con semplificazioni matematiche

Per fornire raccomandazioni quantitative concrete sulla prevenzione di un focolaio, ad esempio sul numero massimo di persone in una stanza o sul flusso di aria fresca necessario, i ricercatori hanno utilizzato equazioni di base sulla dinamica dell’infezione sviluppate già negli anni ’50 e ’70. Su questa base, hanno creato un modello matematico di infezione semplificato che include i parametri rilevanti per un episodio di focolaio. Questi riguardano le caratteristiche del virus e dello spazio considerato, ma anche le attività delle persone presenti. “Abbiamo introdotto per la prima volta semplificazioni che consentono di formulare raccomandazioni pratiche per la prevenzione dell’infezione”, spiega Kriegel. Un risultato chiave è la connessione diretta tra il livello di CO2 nell’aria e il rischio di infezione. Una delle semplificazioni adottate è, ad esempio, considerare che il numero di persone a rischio in una stanza sia superiore al numero di infettanti — cosa che di solito è vera. In questo modo, si può eliminare la funzione esponenziale complessa dal modello.

Confronto del rischio in scenari quotidiani

Uno dei risultati di questi calcoli è un confronto del rischio tra diverse situazioni quotidiane, valido per tutti i tipi di virus che si diffondono principalmente tramite aerosol (vedi Fig. 1). In alto si collocano le permanenze in ufficio e a scuola, con un rischio basso, mentre visite a teatro e al cinema sono considerate a rischio moderato. Le frequenti discussioni sui ristoranti comportano un rischio medio di focolaio con più di un infetto. “Tuttavia, il rischio di contagio è abbastanza alto, perché tutti parlano e nessuno indossa la mascherina al posto”, spiega Kriegel. La durata della permanenza fa la differenza — nessuno resta in un ristorante quanto un normale giorno di lavoro in ufficio.

Il fattore tempo spesso trascurato

Il ruolo del fattore tempo nelle valutazioni di rischio è evidenziato anche da una panoramica sull’efficacia di diverse misure di prevenzione non mediche e delle loro combinazioni (vedi Fig. 2). Poiché nel calcolo della riduzione complessiva del rischio si devono moltiplicare i contributi di ciascuna misura protettiva, ad esempio, dimezzare il tempo di permanenza può raddoppiare l’efficacia delle misure di aerazione e uso della mascherina. “Mentre per incidenti chimici o radiazioni radioattive si sa intuitivamente che non si deve stare troppo a lungo in un’area pericolosa, questa regola spesso si dimentica con i rischi di infezione”, afferma Martin Kriegel.

Test sul campo nelle aule della TU Berlino

Per questo motivo, anche la concentrazione di CO2 misurata in una stanza è solo un indicatore parziale del rischio di infezione. Sebbene il livello di anidride carbonica sia un buon parametro per capire quando ventilare, non esiste un “limite sicuro di CO2” oltre il quale non si verifichino più infezioni. Infetta una persona nel locale, questa emette continuamente aerosol carichi di virus, e le persone esposte respirano costantemente. “Proponiamo quindi di calcolare una dose di CO2 per la valutazione del rischio, che includa oltre alla concentrazione anche il tempo di esposizione”, afferma Kriegel. Attualmente sono in corso esperimenti nelle aule della TU Berlino. I dispositivi di misurazione della CO2 inviano i dati a un software in cloud, che calcola la dose di CO2. Su questa base, potrebbe essere sviluppata un’app per smartphone che, in funzione della durata della permanenza e della concentrazione di CO2, crei un profilo di rischio personale per ogni studente. In collaborazione con il dipartimento di Mobile Cloud Computing del Prof. Dr.-Ing. David Bermbach della TU Berlino, è già stata sviluppata una web app che, sulla base della dose di CO2, permette di calcolare il numero di persone che, in presenza di un infettato, hanno alta probabilità di infettarsi.

Raccomandazioni per la gestione degli edifici

Con il modello matematico di rischio sviluppato nello studio, non solo altri ricercatori possono condurre approfondimenti, ma anche professionisti dell’igiene, della ventilazione e della gestione di edifici o eventi possono sviluppare protocolli di igiene. “Il parametro spesso usato nelle discussioni su impianti di ventilazione e purificatori mobili — il ‘tasso di ricambio d’aria’ — non è efficace”, spiega Kriegel. Al suo posto, i ricercatori propongono di usare il ‘portata volumetrica’ riferita al numero di persone e alla durata della permanenza. Mentre il tasso di ricambio indica quante volte in un certo intervallo di tempo viene sostituita tutta l’aria della stanza, questa portata volumetrica indica quanta aria fresca non contaminata viene fornita per persona e per unità di tempo. “In questo modo, abbiamo già una connessione diretta tra dimensionamento e funzionamento degli impianti di ventilazione, la dose di CO2 e il rischio di infezione, cosa che con il solo tasso di ricambio non si può fare”.

Con il loro lavoro, i ricercatori vogliono contribuire alla qualità dell’aria indoor, indipendentemente dal tipo di agente patogeno. L’obiettivo principale è la misurazione, sottolinea Kriegel. “Solo chi misura può migliorare in modo mirato. L’aria è un alimento e dovrebbe essere monitorata come, ad esempio, l’acqua potabile”. Infatti, mentre beviamo circa 1,5 chilogrammi di acqua al giorno, respiriamo circa dieci volte di più — circa 15 chilogrammi di aria al giorno.