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使用FATE核安全软件分析简化的空气传播感染模型

张贴者 The 福斯克Team 在14.29.14

By Bob Apthorpe, Senior 核 Engineer, 福斯克& Associates, LLC

命运™ 代码是用于分析设施和系统的瞬态行为的通用程序 在正常和异常情况下。传统上,它已用于对火和烟进行建模 运输,制氢和迁移以及预测压力和温度行为 包装,干燥,运输和存储过程中产生的核废料。 命运的独特之处在于 表征和跟踪气溶胶的能力,包括沉降,撞击和过滤产生的沉积物。

为了说明这种功能,我将开发一个简单的医生办公室候诊室模型 包含两名患者:一名咳嗽感染患者(玛蒂·麻疹)和一名健康患者(菲奥娜) Fitfiddle)。我们的目标是估计因吸入空气传播的病原体而导致的感染机会。 在这种情况下,病毒由受感染的患者散发出来,并以气溶胶的形式释放到候诊室 environment.

重要说明和免责声明:此模型仅供参考。我不是传染病 专家,流行病学家或工业卫生学家,并且还没有人对此模型进行过评论。我有 进行了“尽力而为”的尝试,以使用合理的参数值和适当的剂量模型,但是 结果仅用于显示FATE代码的行为,而不作为防止任何行为的指导 疾病。我们积极鼓励提出改进建议。

还要注意,此模型对于分析埃博拉等不会传播的疾病绝对是毫无价值的 通过吸入。根据美国疾病控制中心的说法,埃博拉病毒不会通过 空气。该模型更适合于模拟通过吸入传播的疾病,例如 百日咳,百日咳,麻疹,结核或流行性感冒。

有了这个免责声明,让我们开始将这个问题分解为逻辑块。

候诊室和通风系统建模

让我们从描述模型的最简单部分开始-候诊室及其通风系统。

非医生Bob的偶尔过敏诊所有一个20平方英尺的候诊室, 宽敞的12英尺高的天花板,几把椅子和精选的艾森豪威尔风格的杂志 行政。冒着气泡的鱼缸里装着几十个无聊的孔雀鱼,几乎没有掩盖通风风扇的声音,通风风扇使候诊室中的空气每15次循环一次 minutes.

或者,为了用更少的诗意描述这种情况,外面有一个房间 通过两个流动路径,一个通过320 cfm排气扇排出的排气管和一个 未过滤的进气口。房间长20英尺x 20英尺,天花板高12英尺(3.7米), 体积为4800立方英尺或约135.9立方米。占地面积400平方英尺或37.16 平方米;我们将其作为房间的气溶胶沉积区域。进排气 每个通风孔的流通面积为0.25平方米,位于天花板上,海拔3.7 米。通风系统每小时提供4次换气(ACH),即(4 * 4800)/ 60 = 320 cfm或每秒0.1501立方米。我们将供气和排气流量都设置为 保持房间内的压力恒定。为简单起见,我们忽略了管道中的摩擦损失并设置了损失 系数(CJN)为2.78,相当于锋利的孔口。由于以下原因,CJN在这里并不重要 恒定流量的风扇,但对于涉及室间流动的系统建模至关重要, 自然循环等。出于建模目的,我们假设从候车室出来的气溶胶 气氛不能再次进入。

在此分析中,未对鱼缸建模。


对气溶胶源建模

我们的贫困感染病人(马蒂斯·麻疹)发烧了100度,并试图控制自己 一起。他每五分钟咳嗽一次(每小时12次),每次咳嗽中都含有6.0E-8毫升载有病毒的气雾剂,其液滴大小为<= 10微米。与此相比,每小时的咳嗽率为3-24 对于肺结核,每小时12-24的肺炎。气溶胶体积乘以 咳嗽率,我们得到的体积气溶胶源速率为每秒2.0E-16立方米。

气溶胶的传输和沉积是液滴大小的函数,并且气溶胶趋于对数正态 大小分布。为了正确地模拟气溶胶源,我们需要估算咳嗽液滴 几何平均值和几何标准偏差。方便地,3M技术公告编号174 “针对空气中暴露于生物危害的呼吸防护”提供了粒径分布 打喷嚏小滴,我们可以从中得出几何平均值和标准偏差(1.5051微米 和2.01)。出于此分析的目的,我们假设喷嚏滴具有相同的 物理性质如水(密度,粘度,表面张力等)

这就是我们描述马蒂麻疹为持续气溶胶病原体来源所需要的全部信息。 他还具有其他赎回能力,但与该分析无关。

病原体吸收建模

整个房间里坐着Fiona Fitfiddle,她选择了最糟糕的时间安排身体检查(她 即将举行的铁人三项比赛)。她的呼吸频率是她的典型年龄,大约每小时0.4立方米或 每秒1.111E-4立方米。吸入剂量由呼吸速率乘以暴露持续时间得出 乘以沉积分数乘以空气传播的病原体浓度。对于1微米的颗粒,沉积 鼻咽,支气管树/气管和肺/肺的分数分别为0.3、0.08和0.25 分别。这些数字与用于估算辐射剂量的ICRP 30模型一致 从吸入的放射性颗粒中提取,并且应该对气溶胶病原体有效。

从CDC有关麻疹传播的信息中,我们看到麻疹往往会在 鼻子和喉咙,所以我们使用鼻咽保留分数0.30。鼻子和喉咙中的沉积 可以建模为HEPA过滤器,其去污系数为1 /(1-f)= 1 / 0.7 = 1.43,其中f为 过滤效率或沉积分数。我们假设肺系统的容积为0.05 立方米。这比0.5升的潮气量和6升的总体积高,但 无关,因为沉积仅发生在滤过的交界处(鼻咽),而不发生在肺部 卷。呼吸速率决定沉积,而不是肺活量。这给了我们足够的信息 模型在Fiona鼻子中保留了鼻咽气溶胶。

这样就完成了FATE使用的气流和气溶胶沉积模型的开发;的 此模型的源,控制量和流路拓扑如图1所示。

fig 1 

图1:通风拓扑

估计感染的可能性

在这里,我们做出几个关键的假设。首先,我们假设每个气溶胶中只有一种麻疹病毒 液滴,我们通过将沉积的气溶胶质量除以雾化质量来计算液滴(进而计算出病毒) 典型的液滴。气溶胶几何平均直径为1.5051微米,液滴质量为 1.7852E-15公斤对于仅需要一种病毒或杆菌即可引起感染的病原体(a 保守的假设),感染的概率为(1-exp(-n_virus)),其中n_virus是 保留在Fiona鼻子中的等量飞沫(病毒)。假设有泊松分布 空气传播疾病的Wells-Riley模型进行感染概率的估计 n_virus大于或等于零。参数n_virus只是m_retained / m_droplet,因此 感染的概率为(1-exp(-m_retained / m_droplet))。请注意,n_virus可能小于一。

方案1:30分钟的源,60分钟的曝光

在第一种情况下,假设Fiona和Marty都在早上8点到达Bob博士的办公室。马蒂有一个 上午8:30约好,而且(正点)菲奥娜(Fiona)上午9点约好。一个小时结束后, Fiona在她的鼻子和喉咙中沉积了7.50E-17 kg的气溶胶。假设有1.5微米的液滴, 表示她吸入了7.50E-17 / 1.7852E-15 = 0.0042液滴,这使她有可能感染 (1-exp(-0.0042))= 4.1%。

方案2:30分钟的源,15分钟的曝光

让我们更改方案,以便非医生Bob只需等待15分钟即可看到Fiona。在 在这种情况下,Fiona在她的鼻子和喉咙中沉积了1.46E-17 kg的气溶胶。使用相同的液滴  大小,她现在吸入1.46E-17 / 1.7852E-15 = 8.19E-3小滴,使她= 0.82%的机会 infection.

方案3:30分钟的源,无通风

一夜之间,附近的松鼠咬着皮带,将通风风扇连接到通风口。 电机和非医生Bob都没有注意到。马蒂和菲奥娜如期到达,并注意到等待 房间比平常闷。如果没有室内通风,Fiona的15分钟气溶胶吸收量为1.99E-17 kg, 对应于0.0111的飞沫和1.1%的感染机会。她的60分钟气溶胶吸收量是 2.39E-16千克,对应于0.134滴,感染机会为12.5%。

方案4:30分钟的源,通风3倍

在这里,非医生Bob升级了诊所的通风系统,并替换了旧的嘈杂的320 cfm 风扇采用更强劲,更安静的960 cfm风扇,现在每小时可提供12次换气。菲奥娜(Fiona)接手 15分钟后,对应于5.07E-3滴的9.06E-18 kg气雾剂和0.51%的感染机会 分钟;一小时后,她服用了2.66E-17 kg的气雾剂,相当于0.0149滴和 1.48%的感染机会。

方案5:30分钟的源,通风1次,有效面罩为70%

在我们的最终场景中,菲奥娜一直在关注有关近期流行病的新闻报道。 疫苗可预防的疾病,例如麻疹和百日咳。她正在接种最新疫苗 但采取了额外的预防措施,那就是给非医生Bob的医生戴上NIOSH认可的呼吸器 诊所。不幸的是,她的口罩安装不正确,因此只能提供70%的过滤效率 而不是其95%的效率等级。另外,非医生鲍勃(Bob)决定通过转向 候车室的通风恢复到原来的320 cfm。

在这里,我们调整了模型以添加新的体积,新的流路并重新安排其他一些流 以模拟菲奥娜面具的路径。我们将用于建模Fiona鼻子的体积复制到 创建一个代表面罩和脸部之间的气体空间的体积;音量不重要 它只需要足够大就可以避免引起问题的数值解 太硬但足够小以至于气溶胶稀释不是问题。然后,我们克隆过滤后的流路 代表鼻咽沉积位置并将去污因子更改为1 /(1- 0.7) = 3.3333,代表口罩的70%过滤效率。最后对齐通风路径 等候室通过面罩过滤器穿过Fiona的鼻子到达面罩容积,然后返回到 等候室。修改后的流程拓扑如图2所示。

fig 2 

图2:带面罩的通风拓扑

结果是Fiona的15分钟气溶胶吸收量为2.01E-18 kg或1.12E-3液滴,对应于 感染概率为0.11%。一个小时后,她的气溶胶吸收量为2.12E-017千克或0.0119滴, 感染率为1.18%。

观察与讨论

图3和图4总结了暴露15分钟和60分钟后Fiona的感染可能性, 分别。模型结果显示了我们直观的期望:减少曝光时间,增加 房间通风以及使用个人防护设备(PPE)都可以大大降低 由气溶胶病原体引起的感染。图5显示了所有人群的感染概率与暴露时间的关系 通风率和口罩使用的结合。为了验证气溶胶的行为是否符合我们的预期,图 图6示出了与其生产相比的气雾剂的质量分布。这显示了预期的线性 气溶胶的产生和指数耗竭行为随时间的变化。

fig 3

图3:暴露60分钟后的感染概率

fig 4 

图4:暴露15分钟后的感染概率

 fig 5

图5:感染概率与暴露时间和个人防护装备的使用

Fig 6 

图6:方案1和2的气溶胶质量分布

我个人最惊讶的是,尽管对其中的许多参数进行了粗略的估算 在模型中,感染机率似乎相当合理,范围为0.1%至13%。这不是 “煮熟”的分析;没有选择任何值来产生看起来合理的结果。而是 参数来自许多不同的来源-呼吸器选择指南,医院 隔离室的通风标准,放射分析教科书-并在非常特殊的环境中处理 机械方式。即使这样,我们获得的见解也不来自原始数据本身,而是它们如何获得的。 当我们更改模型的方面时也会有所不同。该模型以我们期望的方式做出响应,并且通常 证实了我们对通风,过滤和空气传播病原体的了解。这为我们提供了 在坚实的基础上将模型精简到可以预测感染概率的程度 可接受的准确性和信心水平。 

该模型的局限性

如开头所述,这是具有已知限制的简化的临时模型。我有几个 确定可能还有更多:

我们明确地忽略了病原体来源与受体之间的距离效应;菲奥娜(Fiona)多2-3倍 如果她在Marty咳嗽的3英尺范围内,可能会被感染。

我们假设打喷嚏的液滴大小分布是一个合理的近似值 cough.

我们对所有大小的液滴使用单一保留分数和过滤效率。这是简化吗 这种分析是否合理?

我们选择了ICRP 30呼吸模型,因为它很熟悉。这个模型适合模拟吗 生物危害?由于气溶胶的运输和滞留应独立于 气溶胶的含量。但是,不同的标准机构可能使用不同的模型,因此在 实际分析中,我们将使用适用的监管机构或标准机构推荐的模型。对于 出于说明目的,ICRP 30模型是一个合理的初始选择。

我们明确地忽略了气溶胶在空气中的沉积(重力沉降)和湍流沉积 墙壁和地板。壁上的湍流沉积可能起作用,但气溶胶的数量级约为 微米倾向于留在空气中而不是因重力而沉降。

请注意,如果我们忽略了特定于浮质的现象,而是将其视为一般 空气传播的污染物,有一个简单的封闭形式的解决方案,可用于病原体浓度和生物 吸收,因此无需专用分析软件。但是,如果我们一开始不知道 气溶胶在沉降和沉积方面的表现如何,我们需要足够复杂的工具 对气溶胶行为进行建模,以显示哪些现象重要而哪些不重要。无论如何,这很重要 这些工具可用于分析,而不是用于驱动分析。在这里,FATE输入的简单性,快速的运行时间和 简单明了的结果表示,一旦 初始模型已建立。

通气率没有坚实的基础。在实际分析中,可以从 设计或测量数据,或作为不正常情况的一部分(例如,通风不良)。尽管是 任意选择,此模型中的通风率与标准中推荐的通风率相似 医院隔离病房通风设计。

我们估计气溶胶中的病原体浓度。为了说明的目的,假设一个 每1.5微米液滴中的病毒可能是适当的,但在实际情况下,我们需要更强大的 集中的基础。当前模型没有为假定的病原体提供依据 concentration.

我们假设只需要一种病毒或细菌即可引起感染。对于麻疹来说,这还不错 假设,因为我们凭经验知道麻疹是一种剧毒疾病。这个假设 是保守且合理的,但可能需要进行审查以进行最佳或名义案例分析。而且,虽然 这个假设对于特别是强毒的疾病可能是合理的,对于其他疾病可能不适合 (e.g. Ebola).

我们假设对Wells-Riley模型的使用已正确实施,适当且准确。一世 在空气传播的病原体建模方面,尤其是在Wells-Riley模型方面,没有任何专门知识。 但是,我已经看到了NIOSH文件中有关呼吸器选择的参考文献 生物危害保护,我相信我会正确应用它。同样,出于  说明这可能是适当的,但在实际分析中,此方法的选择和实施 模式将需要更强大的理由。这是工程师和 需要卫生专业人员。

我们没有提供不确定性范围。这在概率模型中尤其重要 输入值的不确定性可能足够大,以至于定量预测毫无用处。 在实际分析中,可以使用更好的数据源解决大多数这些限制,并且 文献参考,可以通过添加安全系数或类似的保守方法来解决其他问题 工程技术,有些可能只是必须承认。不管他们如何 性格清晰,陈述清楚很重要,以便读者可以对模型设置信心 accordingly.

为此,在放射学分析中有一种做法是避免呈现以下结果: 高度不确定或基于不完整的数据或简化的模型,以避免出现两个严重的问题 风险沟通:给人一种错误的安全感,并通过高估风险来引发恐慌。这是一个 在讨论放射风险时尤其严重的问题,但也适用于以下方面的讨论: 生物风险,例如传染病。上面的限制的免责声明和讨论不是 防御性法律术语;它们是负责任的风险沟通中非常重要的一部分。

结论和后记

希望您喜欢这次游览气溶胶建模和生物危害的世界 分析。虽然这篇博客文章旨在说明FATE在其外部的建模能力 核安全分析的典型问题域,它更能说明工程过程 分析和建模&Associates,LLC可以解决问题,从设施建模中获得的见解以及 认识到模型适用性和准确性的局限性。 

请联系我们讨论Fate™,建模,危害分析和其他 核安全 顾虑 at [email protected]

 

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话题: 概率风险评估, 核事故, 核安全, 工厂安全, 危害分析, 命运,

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