Coronamaßnahmen: Het komt aan op de CO2-dosis

De wervels laten oplichten: Met behulp van tracer-deeltjes, een lichtprojectie en high-speed camera's worden luchtstromingen en de verspreiding van deeltjes in binnenruimtes gemeten aan het Hermann-Rietschel-Institut.

Figuur 1: Vergelijking van de risicofactor xr uit het vereenvoudigde risicomodel voor verschillende alledaagse situaties. De verblijfsduur varieert hier – er wordt telkens uitgegaan van een volledige werk- of schooldag, een bioscoop- of restaurantbezoek is dienovereenkomstig korter. Als referentiewaarde geldt xr = 1 voor een halfuur durend verblijf in een supermarkt met mondkapje. De waarde van xr is onafhankelijk van de betreffende virusvariant.

Fig. 2: Hoeveel andere personen kan een geïnfecteerde persoon in een bepaalde situatie gemiddeld infecteren? Dit wordt de "situatiegebonden R-waarde" genoemd. Hier wordt deze weergegeven voor verschillende situaties en mogelijke maatregelen. De geïnfecteerde persoon wordt aangenomen met een hoge virusfactor, wat bijvoorbeeld overeenkomt met een hoge besmettelijkheid. De aanduiding "1000ppm" verwijst naar de CO2-waarde en betekent dat de ruimte in dit geval voldoende geventileerd is volgens de eisen voor een goede luchtkwaliteit.

Abb. 3: Voorspeld infectierisico voor een medewerker in een kantoorruimte met tien gezonde personen en één infectieuze persoon, weergegeven over een volledige werkdag. De curves komen overeen met de verschillende maatregelen (combinaties) die rechts worden genoemd. De aanduiding "1000ppm" verwijst naar de CO2-waarde en betekent dat de ruimte in dit geval volgens de eisen voor een goede luchtkwaliteit voldoende geventileerd is.

Abb. 4: Diagram ter illustratie van het bepalen van het infectierisico bij aanwezigheid van een geïnfecteerde persoon en statistisch gemiddelde besmettelijkheid. In het voorbeeld (rode pijlen) resulteert een matige ventilatie en een gemiddelde werking van de gedragen FFP2-maskers bij een verblijfsduur van zes uur in precies een punt op de grens tussen een laag en een gemiddeld risico dat meer dan één andere persoon geïnfecteerd raakt. Dit geldt ongeacht het aantal personen en voor alle gangbare kamergroottes.

Onderzoekers van het Hermann-Rietschel-Instituut van de Technische Universiteit (TU) Berlijn en andere wetenschappers hebben een vereenvoudigd risicomodel ontwikkeld om praktische en evidence-based aanbevelingen te kunnen geven voor gebouw- en evenementbeheer tijdens de coronapandemie. Het is gebaseerd op een reeds gevalideerd infectiedosismodell, de evaluatie van 25 gedocumenteerde uitbraakgevallen en nieuwe wiskundige berekeningen.

Voor het eerst wordt hierin ook mathematisch aangetoond dat de kooldioxide (CO2)-concentratie een indicator is voor de infectieveiligheid in binnenruimtes. De onderzoekers stellen voor om deze waarde uit te breiden met de verblijfsduur van personen tot een ‘CO2-dosis’. Om het gebouwbeheer met deze verbeterde indicator te testen, wordt momenteel een veldtest uitgevoerd in collegezalen van de TU Berlijn. Daarbij sturen CO2-meters hun gegevens naar een cloudgebaseerde software.

De vaccinaties en hygiëneconcepten voor binnenruimtes hebben het mogelijk gemaakt dat we ondanks hoge incidentiepercentages naar de bioscoop kunnen gaan en aan evenementen kunnen deelnemen. Belangrijke vragen blijven echter onbeantwoord: Welke virusladingen leiden in de praktijk daadwerkelijk tot uitbraken? Hoe kan men de effecten van verschillende hygiënemaatregelen kwantificeren in een eenvoudig wiskundig model? En welke algemene inzichten kunnen hieruit worden gewonnen, ongeacht de specifieke eigenschappen van het virus?

Corona-uitbraken van over de hele wereld

Een uitbraak wordt gedefinieerd als alle infectiegevallen waarbij één persoon meer dan één andere persoon besmet. “Goed gedocumenteerde uitbraken zijn voor ons als goud,” zegt Prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel, hoofd van het Hermann-Rietschel-Instituut en eerste auteur van de studie. “Ze zijn zeldzaam en tegelijkertijd uiterst waardevol.” De onderzochte gevallen komen uit de hele wereld, bijvoorbeeld uit Korea, China, Hawaï, Israël of Frankrijk. Maar ook een uitbraak bij een Duits vleesbedrijf en meerdere bijzonder goed gedocumenteerde uitbraken op een school in Hamburg en bij koorrepetities in Berlijn behoren tot de gegevens. Door de bepaling van virus-DNA bij de geïnfecteerden kon hier precies worden vastgesteld wie wie had besmet. Co-auteurs van Kriegels studie zijn onder andere een viroloog, een hygiëne-expert en een epidemioloog.

Goed werk op de plaats delict is belangrijk

De evaluatie en vergelijking van de 25 uitbraken maakten algemene conclusies mogelijk. En gaven aanwijzingen over welke gegevens echt belangrijk zijn voor de documentatie van een uitbraak om snel een goed beeld te krijgen van de infectiedynamiek. Daartoe behoren bijvoorbeeld een betrouwbare telling van alle geïnfecteerde personen, het exacte aantal aanwezigen, informatie over wie hoe lang op welke plaatsen was en wat geïnfecteerde en besmettelijke personen precies hebben gedaan. Daarnaast komen gegevens over de ventilatiesituatie kijken. “Dat is eigenlijk zoals bij het werk op de plaats delict. Hoe sneller na een uitbraak deze gegevens kunnen worden verzameld, des te beter herinneren de betrokkenen zich de omstandigheden,” vertelt Kriegel. Maar ook met rudimentaire gegevens kunnen uitbraken nog relatief goed worden gereconstrueerd en via statistische analyses worden verwerkt.

Nieuw model met wiskundige vereenvoudigingen

Om concrete kwantitatieve aanbevelingen te kunnen doen ter voorkoming van een uitbraak, bijvoorbeeld over het maximale aantal personen in een ruimte of de benodigde verse luchtstroom, maakten de onderzoekers gebruik van basisvergelijkingen voor infectiedynamiek die al in de jaren 50 en 70 waren ontwikkeld. Hierop bouwden ze een vereenvoudigd wiskundig infectiemodel op dat de voor een uitbraak relevante parameters bevat. Deze betreffen de eigenschappen van het virus en de ruimte, maar bijvoorbeeld ook de activiteiten van de personen in de ruimte. “We hebben daarbij voor het eerst vereenvoudigingen aangebracht die praktisch toepasbare uitspraken over infectiepreventie mogelijk maken,” legt Kriegel uit. Een belangrijk resultaat is de directe verbinding tussen het CO2-gehalte in de lucht en het infectierisico. Een van de vereenvoudigingen is bijvoorbeeld dat het aantal gevaarlijke personen in de ruimte wordt aangenomen groter te zijn dan het aantal geïnfecteerden — wat meestal het geval is. Op deze manier kon de ingewikkelde exponentiële functie in het model worden geëlimineerd.

Risicovergelijking voor alledaagse scenario’s

Een resultaat van deze berekeningen is een risicovergelijking voor bepaalde alledaagse situaties, die geldt voor alle soorten virussen die zich vooral via aerosolen verspreiden (zie fig. 1). Hoog op de lijst staan verblijf in kantoren en scholen, met een laag risico, terwijl theater- en bioscoopbezoeken als minder risicovol worden beschouwd. De vaak besproken restaurantbezoeken vormen een matig risico op een uitbraak met meer dan één geïnfecteerde. “Toch is de kans op besmetting daar relatief hoog, omdat iedereen spreekt en niemand op de plek maskers draagt,” legt Kriegel uit. De verblijfsduur maakt hier het verschil — want niemand zit zo lang in een restaurant als een normale werkdag op kantoor.

Factor tijd wordt vaak over het hoofd gezien

Dat de factor tijd belangrijk is bij de risicobeoordeling, blijkt ook uit een overzicht van de effectiviteit van verschillende niet-medische preventiemaatregelen en hun combinaties (zie fig. 2). Omdat bij de berekening van de totale risicoreductie de bijdragen van de afzonderlijke beschermingscomponenten met elkaar vermenigvuldigd moeten worden, kan bijvoorbeeld een gehalveerde verblijfsduur de beschermingswerking door ventilatie en het dragen van maskers nog eens verdubbelen. “Terwijl we bij chemische ongelukken of radioactieve straling intuïtief weten dat je je niet te lang in een gevaarlijke zone mag ophouden, wordt dit bij infectiegevaar vaak vergeten,” zegt Martin Kriegel.

Veldtest in de collegezalen van de TU Berlijn

Om die reden is ook de gemeten CO2-concentratie in een ruimte alleen beperkt geschikt voor de beoordeling van het infectierisico. Hoewel het kooldioxidegehalte een goede maat is voor wanneer er geventileerd moet worden — er bestaat echter geen ‘veilige CO2-grenswaarde’ waaronder geen infecties meer zouden plaatsvinden. Want een infectieuze persoon in de ruimte produceert voortdurend virushoudende aerosolen en de blootgestelde personen ademen deze voortdurend in. “We stellen daarom een CO2-dosis voor voor de risicobeoordeling, die naast de CO2-concentratie ook de tijd omvat waarin men aan deze concentratie wordt blootgesteld,” zegt Kriegel. Momenteel worden hiervoor experimenten uitgevoerd in collegezalen van de TU Berlijn. CO2-meters sturen hun gegevens naar software in de cloud die de CO2-dosis berekent. Op basis hiervan zou bijvoorbeeld een smartphone-app toegang kunnen krijgen tot deze gegevens en voor elke student, afhankelijk van de verblijfsduur en CO2-concentratie, een persoonlijk risicoprofiel kunnen maken. In samenwerking met het vakgebied Mobile Cloud Computing van Prof. Dr.-Ing. David Bermbach van de TU Berlijn is al een webapplicatie ontwikkeld waarmee men op basis van de CO2-dosis het aantal personen kan berekenen dat zich bij een infectieuze persoon met grote waarschijnlijkheid zal besmetten.

Aanbevelingen voor gebouwbeheer

Met het in de studie ontwikkelde wiskundige risicomodel kunnen niet alleen andere onderzoekers vervolgonderzoeken uitvoeren. Het is ook geschikt voor professionals uit hygiëne, ventilatietechniek en gebouw- of evenementbeheer die hygiëneconcepten ontwikkelen. “De in discussies over luchtbehandelingsinstallaties en ook mobiele luchtzuiveraars vaak gebruikte ‘luchtwisselingsgraad’ is daarbij niet doelgericht,” legt Kriegel uit. In plaats daarvan stellen de onderzoekers voor om de ‘volume-stroom’ te gebruiken, gerelateerd aan het aantal personen en hun verblijfsduur. Terwijl de luchtwisselingsgraad aangeeft hoe vaak in een bepaalde periode de volledige lucht in de ruimte wordt ververst, geeft deze volume-stroom aan hoeveel onbelaste verse lucht per persoon en verblijfstijd wordt toegevoerd. “Hiermee hebben we bij de dimensionering en het gebruik van ventilatiesystemen direct de koppeling met de CO2-dosis en het voorspelde infectierisico, wat alleen met de luchtwisselingsgraad niet mogelijk is.”

Door hun werk willen de onderzoekers een bijdrage leveren aan de luchtkwaliteit in binnenruimtes, onafhankelijk van een specifiek pathogeen. Centraal staat daarbij het meten, benadrukt Kriegel. “Alleen wie meet, kan ook gericht verbeteren. Lucht is een levensmiddel en moet net als ons drinkwater worden gecontroleerd.” Want terwijl we dagelijks ongeveer 1,5 kilogram water drinken, ademen we tien keer meer lucht in — ongeveer 15 kilogram per dag.