Ventilația și filtrele de aer pot crește răspândirea aerosolilor în spitale

Pandemia de COVID-19 a evidențiat amenințarea transmiterii aerogene a virusurilor, în special în mediile spitalicești unde pacienții și personalul medical sunt deosebit de expuși. Existența aerosolilor încărcați viral care pot rămâne în suspensie pentru perioade mai lungi și se pot deplasa pe distanțe considerabile reprezintă un factor esențial în răspândirea infecțiilor nosocomiale. Pentru a reduce riscul de transmitere, sunt folosite două direcții majore de atenuare a răspândirii aerosolilor: ventilația mecanică și utilizarea purificatoarelor portabile de aer (PAC). Totuși, creșterea volumului de aer schimbat pe oră nu este neapărat sinonimă cu o distribuție optimă a fluxului de aer, ceea ce poate conduce la situații neașteptate, în care aerosolii sunt transportați în locuri mai îndepărtate, nedorite. Studiul publicat în Aerosol Science & Technology și-a propus să investigheze efectul combinat al ventilației mecanice și al purificatoarelor de aer asupra migrației aerosolilor într-o clinică de ambulatoriu a unui spital.

Metodologie

• Amplasarea și contextul: Experimentele au avut loc într-o clinică de ambulatoriu (Outpatients Clinic) dintr-un spital din Londra (UCLH), care include o zonă centrală de așteptare (Waiting Room, WR), opt cabinete (Consulting Rooms, CR), o stație pentru asistente (Nurses’ Station, NS) și un coridor deschis către restul spitalului. Totalul volumului spațiului este de circa 470 m³, cu o ventilație mecanică proiectată pentru aproximativ 6 schimburi de aer pe oră.
• Generarea aerosolilor: S-a folosit un generator de aerosoli („VALUATOR”), care eliberează particule de salină cu diametrul mediu în jur de 3 µm, la o viteză și rată constantă, pentru a simula expirarea unei persoane infectate așezate pe scaun.
• Detecția particulelor: S-au utilizat contoare laser portabile (AeroTrak 9306) calibrate să detecteze particule între 0,3 și 25 µm. S-au înregistrat numărul cumulat de particule din fiecare punct de măsură și s-a normalizat la valorile din încăperea-sursă (unde se afla generatorul de aerosoli). Punctele de măsură au fost plasate la înălțimea de 1,2 m, pentru a simula zona de respirație a unui adult șezând.
• Ventilația mecanică și PAC: Sistemul de ventilație avea alimentare de aer proaspăt, cu debituri diferite prin difuzoare de tavan. S-au folosit două tipuri de purificatoare de aer cu filtre HEPA, unul mai mic (P1) cu un CADR de maximum 201 m³/h și unul mai mare (P2) cu un CADR de 466 m³/h, amplasate în diverse poziții din cabinete sau din sălile de așteptare, în funcție de configurația testată.
• 
  Scenarii și configurații:
  • (1) Migrația către o încăpere vecină: sursa în CR8, s-a urmărit răspândirea aerosolilor către CR7 și zonele comune (WRB și NS), variind poziția PAC-urilor și menținând sau închizând uși.
  • (2) Migrația în întreaga clinică: sursa pe rând în diferite CR, toate ușile deschise, un PAC în fiecare încăpere (cabinet sau zonă de așteptare), pentru a vedea unde se acumulează aerosolii.
  • (3) Migrația transversală în clinică: sursa în CR1 sau CR5 ori în zonele de așteptare WRA/WRB, ușile celorlalte cabinete închise, ușile CR1 și CR5 deschise. S-au testat diverse combinații: ventilație mecanică pornită/oprită, PAC-uri în CR vs PAC-uri în WR, pentru a vedea cum se modifică circulația aerosolilor între două puncte relativ îndepărtate din clinică.

Rezultate principale

Migrația către un cabinet vecin

În scenariul în care sursa se afla în CR8, s-a constatat că închiderea ușilor reduce semnificativ (până la 97%) numărul de particule care ajung în CR-ul vecin și în zona de așteptare. Surprinzător, prezența purificatoarelor de aer (PAC) în sala de așteptare a condus la creșterea aerosolilor în încăperea vecină. Acest efect este probabil cauzat de modificarea circulațiilor de aer, care pot antrena particulele din CR8 către CR7 înainte să fie filtrate. Plasarea PAC-urilor în ambele cabinete și în Nurses’ Station a ajutat ușor, dar nu a readus nivelul de particule sub varianta fără PAC atunci când ușile erau deschise.

Migrația în toată clinica

Când toată clinica (8 cabinete + 2 zone de așteptare + stație de asistență) era deschisă și echipată cu PAC-uri, fluxul de aer a devenit complex. Pentru exemplu, dacă sursa era în CR5, cea mai mare concentrație de aerosoli măsurată a apărut în cabinetul CR1 și la stația asistentelor (NS), deși acestea erau la distanță mai mare decât alte încăperi. Astfel, fluxul impus de ventilația mecanică și PAC-urile din zonele de așteptare a canalizat o parte semnificativă a aerosolilor prin sala de așteptare spre zone mai îndepărtate.

Migrația transversală în clinică

S-au analizat cabinetele CR1 și CR5, situate diagonal în clinică, cu uși deschise doar la aceste două încăperi. În unele configurații, oprirea alimentării cu aer proaspăt (dar menținând extracția) a dus la scăderea fluxului de aerosoli către încăperea opusă, cu procente de până la 82%. Totuși, în alte cazuri (când existau PAC-uri mari în sălile de așteptare), oprirea ventilației de alimentare a sporit migrația în CR opus cu 3%–27%. Rezultă că creșterea schimburilor de aer pe oră (fie prin ventilație, fie prin purificatoare) nu duce automat la o scădere a riscului de transmitere a aerosoli în toate zonele – circulațiile nou create pot, în anumite condiții, favoriza transportul aerosolilor la distanțe mai mari.

Discuții

• Creșterea numărului de schimburi de aer nu este suficientă: Simplul fapt că se asigură 6–8 ACH (schimbări de aer pe oră) sau chiar mai mult nu garantează o distribuție avantajoasă a fluxurilor. Unele spații pot deveni puncte de acumulare a aerosolilor infectanți, mai ales acolo unde fluxul nu trece direct spre evacuare.
• Rolul ventilației mecanice și al PAC: Sistemele de ventilație pot împinge aerosolii spre direcții neașteptate; la fel, un purificator de aer evacuează aerul filtrat printr-o gură de ieșire care poate împinge la rândul ei particulele în zone nedorite înainte să le aspire. Poziționarea PAC-urilor este, așadar, critică.
• Închiderea ușilor și strategia de utilizare a încăperilor: Prin simpla închidere a ușilor, s-a putut constata o reducere drastică a migrării aerosolilor, ceea ce sugerează importanța compartimentării adecvate a spațiilor pentru a preveni răspândirea virusurilor.
• Proximitatea nu este singurul factor: Studiul a arătat situații în care încăperi mai îndepărtate de sursă au avut concentrații de aerosoli mai mari decât altele aflate mult mai aproape, din cauza curenților creați de ventilație și/sau PAC-uri.
• Necesitatea analizelor CFD: Date fiind aceste pattern-uri complexe, simulările numerice (CFD) pot ajuta la proiectarea sau reconfigurarea sistemelor de ventilație și la plasarea optimă a purificatoarelor, pentru a preveni efectele contraproductive.

Limitări

Experimentele au fost efectuate în absența personalului și pacienților, deci fără mișcările și deschiderea/închiderea ușilor în mod dinamic. Valoarea umidității, a debitului de aer și a sursei de aerosoli a fost stabilizată la un regim constant, fără a imita exact variabilitatea inspirației/expirației naturale a omului. Rezultatele se bazează pe măsurători punctuale în fiecare încăpere, neacoperind distribuția spațială completă a aerosolilor. Totuși, această abordare experimentală controlată a permis evidențierea modului în care pot apărea rezultate neașteptate în ceea ce privește migrația particulelor.

Concluzii

Studiul confirmă faptul că simpla creștere a ratei de ventilare nu garantează reducerea uniformă a particulelor infectante în toate zonele unei clinici. În schimb, poziționarea strategică a sistemelor de ventilație și a purificatoarelor de aer este critică pentru a limita migrarea aerosolilor către zone îndepărtate sau intens circulate. Închiderea ușilor oferă o reducere semnificativă a riscului de contaminare între încăperi, dar această soluție poate, în unele situații, genera acumulări în spații comune, precum stațiile asistentelor.

Mesaj final: orice strategie de creștere a schimburilor de aer pe oră, fie prin sisteme de ventilație mecanică, fie prin aparate portabile, ar trebui implementată cu atenție la direcțiile curenților de aer și la efectele potențiale de redistribuire a aerosolilor. Modelele de simulare CFD ar putea sprijini proiectarea în detaliu a intervențiilor, evitând situațiile în care părți mai îndepărtate ale clinicii devin, de fapt, zone de risc crescut.