Covid-19 : Nouvelle application de recommandations pour limiter la transmission du virus en intérieur

Pour réduire la transmission de la COVID-19, les consignes officielles de santé publique limitent la distance entre 2 personnes (fixée à 1 ou 2 mètres), le temps et le taux d’occupation d’un espace, et préconisent la ventilation. Il y a de plus en plus de preuves scientifiques de la transmission aérienne de la COVID-19. Elle a lieu lorsque des aérosols infectieux sont échangés, en respirant l’air partagé des espaces intérieurs clos. Les autorités de santé publique commencent à reconnaître la transmission par aérosols de la COVID-19, mais elles n’ont pas encore fourni de consignes de sécurité prenant en compte tous les paramètres utiles.

Source : Indoor-Covid-Safety

La nouvelle application du site Covid-19 Indoor Safety Guideline, développée par Kasim Khan en collaboration avec Martin Z. Bazant et John W. M. Bush, utilise un modèle théorique pour calculer la durée d’exposition et le taux d’occupation d’un espace qui seraient acceptables en termes de sécurité, pour des espaces intérieurs. En faisant varier les caractéristiques du lieu, les taux de ventilation et de filtration de l’air, le port de masques, le type d’activité respiratoire ainsi que le degré de risque toléré (dans les autres onglets), vous pouvez mieux comprendre comment limiter le risque de transmission de la COVID-19 dans différents espaces intérieurs

En mode de base, vous pouvez calculer les limites d’occupation sûre suite à l’entrée d’une seule personne infectée dans un espace intérieur. En mode avancé, vous pouvez prendre en compte des facteurs supplémentaires, notamment la prévalence de l’infection et l’immunité de la population. Le mode avancé vous permet également d’évaluer l’occupation sans danger en fonction de la concentration moyenne de CO2, qui est liée à la concentration d’aérosols infectieux

Lien d’accès au site de l’application : Covid-19 Indoor Safety Guideline
Code source : https://github.com/kawesomekhan/covid-indoor

La science au cœur de cette application est aussi enseignée dans un cours en ligne (MOOC) gratuit, en anglais, sur edX: 10.S95x Physics of COVID-19 Transmission

Vous trouverez ci-dessous l’étude qui sous-tend la création de la application.

Source : Indoor-Covid-Safety

Recommandations pour limiter la transmission aéroportée de la Covid-19 en intérieur

Source : PNAS.org – 27/04/2021
Traduit par les lecteurs du site Les-Crises

Martin Z. Bazanta et John W. M. Bush

La distanciation sociale, en particulier la règle des 2 mètres, offre peu de protection contre les aérosols transportant des agents pathogènes, des gouttelettes suffisamment fines pour être brassées de manière homogène en intérieur. La règle des 2 mètres se basait sur l’hypothèse que les grosses gouttes éjectées pendant la toux et l’éternuement était le principal vecteur de contamination. Des preuves flagrantes montrent désormais que la transmission en intérieur est liée à des gouttelettes aérosols de l’échelle du micron, en particulier pour ce qu’on nomme les « événements super-propagateurs » qui se produisent invariablement en intérieur.

Dans les modèles théoriques de transmission de maladies par aérosols dans des espaces fermés et bien brassés, appliqués à la tuberculose, la rougeole, la grippe, le H1N1, le Sars-Cov et plus récemment au Sars-Cov-2, une personne n’est pas plus à l’abri à 20 m qu’à 2 m. Nous partons de ces modèles pour en tirer une consigne de sécurité en intérieur qui imposerait un « temps limite d’exposition cumulé », le produit du nombre d’occupants et du temps passé dans un espace confiné.

La pièce bien brassée

Lorsque l’air est calme, les gouttelettes expirées retombent au sol, mais plus l’air est brassé plus les gouttelettes suffisamment petites restent facilement en suspension grâce au courant d’air ambiant jusqu’à être extraites de la pièce ou inhalées. Le rayon des gouttes par rapport au rayon critique détermine si elles retombent comme des sédiments ou si ce sont des aérosols qui restent en suspension.

La société américaine d’ingénieurs chauffage ventilation climatisation recommande un renouvellement minimal de l’air de 0,35/h aux États-Unis. Pour une pièce de 2,10 m sous plafond, le rayon critique d’une gouttelette est de 1,3 µm. Pour se protéger des aérosols infectieux, la recommandation est désormais une ventilation supérieure à 6/h, ce qui correspond à des gouttes d’un rayon critique de 5,5 µm. La taille des gouttes expirées dépend de l’activité respiratoire illustrée sur la figure 1.

Prédictions du modèle pour la fraction volumique d’aérosol à l’état d’équilibre, résolue par le rayon des gouttelettes, ϕs(r), produite par une seule personne infectieuse dans une pièce bien mélangée. Le modèle tient compte des effets de la ventilation, de la désactivation des agents pathogènes et de la sédimentation des gouttelettes pour plusieurs types de respiration différents en l’absence de masques faciaux (pm=1). Les conditions ambiantes sont prises pour être celles de l’incident de superspreading de Skagit Valley Chorale (25, 27) (H=4,5 m, A=180 m2, λa=0,65 h-1, rc=2,6 μm, λv=0,3 h-1 et RH=50 %). Les distributions de taille des gouttelettes expiratoires sont calculées à partir des données de Morawska et al. (réf. 11, figure 3) à RH=59,4 % pour la concentration d’aérosol par log-diamètre, en utilisant nd(r)=(dC/dlogD)/(rln10). Le débit respiratoire est supposé être de 0,5 m3/h pour la respiration par le nez et la bouche, de 0,75 m3/h pour le chuchotement et la parole, et de 1,0 m3/h pour le chant.

Les virions peuvent être désactivés dans l’air, devenir non infectieux avec l’augmentation de l’humidité relative qui agit sur la dilution des sels des fluides corporels. À partir de 60 %, l’humidité relative a une influence sur la taille des gouttes. Ces désactivations fournissent une explication aux variations saisonnières de la grippe, en particulier sa diminution au moment du passage d’un été humide à un hiver sec. Notons qu’en pratique les UV-C et des désinfectants chimiques (eau oxygénée, ozone) peuvent aussi avoir une efficacité.

L’infectiosité est le paramètre qui relie la mécanique des fluides et l’épidémiologie. Elle relie la concentration de pathogènes en suspension et le taux d’infection. On note son lien avec la notion de « quantum d’infection » dans la littérature épidémiologique. Un quantum est une petite quantité indivisible, qui varie comme un nombre entier. Le taux de transmission par aérosol dépend des propriétés de filtration des masques et de l’infectiosité en fonction de la taille des gouttes. Des gouttes de tailles différentes ont des infectiosités différentes. Les virions dans des gouttes relativement petites peuvent se diffuser plus rapidement et échanger avec les fluides corporels plus efficacement.

Recommandations de sécurité en intérieur

On définit un R0 par aérosol en intérieur, analogue au taux de reproduction R0 d’une épidémie, le nombre de contaminations par individu infecté. On peut l’interpréter comme la probabilité qu’il y ait une première contamination. Notre consigne de sécurité fixe un seuil de tolérance de 1 % à 10 % pour le R en intérieur.

La concentration en quantum d’infection par volume de liquide représente la « contagiosité » de l’air expiré, ou le taux d’émission de quantum d’une personne infectée. Pour minimiser le risque d’infection, il faut éviter de rester une durée prolongée dans des endroits densément peuplés. On est plus en sécurité dans les pièces à grand volume et à haut taux de ventilation. Le risque est plus élevé dans les pièces où les gens font des efforts physiques, là où leur respiration augmente ainsi que la quantité de pathogènes qu’ils expulsent, par exemple en faisant de l’exercice, en chantant ou en parlant fort. Comme le taux d’inhalation de particules contagieuses dépend des flux d’expiration de la personne contaminée et de l’inhalation de la personne susceptible de l’être, le risque d’infection augmente avec le carré de la concentration en quantum d’infection. De la même manière, lorsque les masques sont portés à la fois par la personne contaminée et les personnes susceptibles de l’être, le risque de transmission sera lui aussi réduit au carré, un effet considérable sachant qu’un masque de qualité modérée-haute a 10 % de probabilité de laisser passer une goutte.

Application à la Covid-19

La seule quantité mal évaluée dans nos recommandations, c’est le produit de la concentration de virus expirée par un individu contagieux, avec la transmissibilité relative. Ces deux paramètres varient beaucoup suivant les populations, aux différents stades de la maladie et entre les souches virales. Lors du chant, la concentration émise a été évaluée à 970 quantums/h pour un homme respirant à 1 m³/h. La concentration a été évaluée à 28 quantums/m³ en intérieur, pour un hôpital et une école primaire. Nous estimons les concentration pour différentes formes de respiration à partir de la distribution de la taille des gouttes, figure 2.

Estimations de l' »infectiosité » de l’air expiré, Cq, définie comme la concentration maximale de quanta d’infection COVID-19 dans l’air expiré d’une personne infectée, pour diverses activités respiratoires. Les valeurs sont déduites des distributions de la taille des gouttes rapportées par Morawska et al. (barres bleues) et Asadi et al. (barres orange). La seule valeur rapportée dans la littérature épidémiologique, Cq=970 quanta/m3, a été estimée pour l’événement de superspreading Skagit Valley Chorale, que nous prenons comme un cas de référence (sr=1) d’individus âgés exposés à la souche originale du SRAS-CoV-2. Cette valeur est rééchelonnée par les fractions de volume d’aérosol infectieux prédites, ϕ1=∫rc0ϕs(r)dr, obtenues en intégrant les distributions de taille à l’état d’équilibre rapportées dans la figure 1 pour différentes activités expiratoires. Les fractions de volume d’aérosol calculées pour diverses activités respiratoires à partir de la figure 5 d’Asadi et al. sont remises à l’échelle de façon à ce que la valeur Cq=72 quanta/m3 pour la « parole intermédiaire » corresponde à celle déduite de Morawska et al. pour le « comptage vocal ». Les estimations de Cq pour les flambées pendant la période de quarantaine du Diamond Princess et du voyage en bus de Ningbo, ainsi que pour la flambée initiale dans la ville de Wuhan, sont également présentées.

On peut rééchelonner les valeurs de concentration par la susceptibilité d’être infecté en fonction de l’âge et de la souche virale. Nous avons assigné une susceptibilité de 1 aux personnes âgées de plus de 65 ans, une susceptibilité de 68 % aux adultes et plus de 15 ans, et de 23 % aux enfants. Ces valeurs devront être révisées pour les variants comme le variant anglais.

Études de cas

Commençons par appliquer nos recommandations à une classe américaine typique conçue pour 19 élèves et leur professeur, et choisir un risque modéré de tolérance de 10 %. Pour une occupation normale et sans masque, la durée en sécurité après qu’un individu infecté rentre dans la salle de classe est de 1,2 h pour une ventilation naturelle et de 7,2 h avec une ventilation mécanique. Avec des masques en tissu à 30 % de filtration, ces limites sont portées à 8 h et 80 h respectivement. En supposant 6 h de présence en intérieur par jour, une classe portant des masques avec une ventilation adéquate serait donc en sécurité plus longtemps et les contaminations à l’école seraient rares. Nous insistons sur le fait qu’il s’agit d’une salle calme où la respiration de repos est la norme.

Notre analyse tire la sonnette d’alarme pour les maisons de retraites qui comptent une grande part d’hospitalisations et de décès de Covid-19. À New-York, la loi limite l’occupation des chambres à 3 personnes et recommande une surface minimum de 7,5 m² par personne. Dans la figure 3B, nous traçons les recommandations pour une tolérance de 1 %, une probabilité de contamination qui reflète la vulnérabilité de la communauté. Là encore, l’effet de la ventilation est frappant. Pour une ventilation naturelle, la règle des 2 mètres est mise en échec au bout de 3 minutes dans des conditions quasi-stables, ou après 17 minutes après la réponse transitoire à l’arrivée d’une personne infectée. Dans ce cas, la règle des 15 minutes n’est pas assez sûre. Avec une ventilation mécanique, il faut 18 minutes pour que 3 occupants ne soient plus en sécurité dans la pièce.

La directive COVID-19 sur la sécurité à l’intérieur des bâtiments limiterait le temps d’exposition cumulé (TEC) dans une pièce où se trouve un individu infecté à un niveau inférieur aux courbes indiquées. Les courbes pleines sont déduites de la formule pseudo-stationnaire, Eq. 5, pour la ventilation naturelle (λa=0.34/h ; courbe bleue) et la ventilation mécanique (λa=8.0/h ; courbe rouge). Les axes horizontaux indiquent les temps d’occupation avec et sans masques. De toute évidence, la règle des six pieds (qui limite l’occupation à Nmax=A–√/(6 ft)) devient inadéquate après un temps critique, et la règle des quinze minutes devient inadéquate au-dessus d’une occupation critique. (A) Une salle de classe typique : 20 personnes partagent une pièce d’une superficie de 900 pi2 et d’une hauteur de plafond de 12 pi (A=83,6 m2, V=301 m3). Nous supposons une faible transmissibilité relative (sr=25 %), des masques en tissu (pm=30 %) et une tolérance au risque modérée (ϵ=10 %) convenant aux enfants. (B) Une chambre partagée de maison de retraite (A=22,3 m2, V=53,5 m3) avec une occupation maximale de trois personnes âgées (sr=100%), des masques chirurgicaux ou en tissu hybride jetables (pm=10%), et une tolérance au risque plus faible (ϵ=1%) pour refléter la vulnérabilité de la communauté. La formule transitoire, annexe SI, Eq. S8, est représentée par des courbes en pointillés. Les autres paramètres sont Cq=30 quanta/m3, λv=0,3/h, Qb=0,5 m3/h, et r¯¯=0,5 μm.

Dans les deux exemples, le bénéfice des masques est immédiatement apparent parce que la limite de temps d’exposition cumulée augmente avec le carré de la filtration des masques. Des masques chirurgicaux filtrent entre 95 % et 99 % et permettent de multiplier la limite de temps d’exposition entre 400 et 10 000 fois. Même des masques en tissu multiplieraient la limite de 6 à 100 fois pour des couches hybrides (filtration entre 60 % et 90%), ou de 1,5 à 6 fois pour une seule couche de tissu (filtration entre 20 % et 60 %).

La filtration de l’air a un effet moins spectaculaire que le port du masque sur la limite du temps d’exposition cumulé, bien que le coût de l’équipement soit supérieur. Une filtration d’air parfaite n’aura un effet significatif qu’avec un air fortement recirculé. Pour l’exemple de la salle de classe, le renouvellement de l’air est de 20 % et on peut en pratique multiplier la filtration par 4,6 avec un filtre MERV-13 (90 % de filtration) ou par 5,0 avec un filtre HEPA (99,97 % de filtration).

Le Centre américain pour le contrôle et la prévention des maladies (CDC) définit un cas contact comme un individu resté à moins de 2 mètres d’une personne infectée pendant plus de 15 minutes. La figure 3 montre clairement que cette définition peut largement sous-estimer le nombre d’individus exposés à un risque d’aérosols en intérieur. Lorsque la limite de temps cumulé est franchie, au moins une contagion est probable, la probabilité étant le seuil de tolérance. Tous les occupants de la pièce devraient alors être considérés cas contacts et ils devraient être testés.

Nos consignes supposent une prévalence de l’infection faible dans la population. Le risque de transmission augmente avec le nombre attendu de personnes infectées, et la tolérance doit être réduite proportionnellement si ce nombre est supérieur à 1.

Au-delà de la pièce bien brassée

Sans masque, les concentrations en pathogènes varient dans une pièce et les contaminations en intérieur ne se font pas de façon homogène. La concentration est supérieure dans les aérosols au voisinage d’une personne infectée, au point que le risque de transmission est supérieur à celui des grosses gouttes. Il a été calculé qu’à 2 m la concentration en pathogènes diminue de 3 %.

Dans le cas de la chorale de Skagit Valley, nous calculons que la concentration en pathogènes aurait continué à diminuer après 10 m. Les projections respiratoires directes d’aérosols posent donc probablement plus de risques que l’air ambiant homogène de la pièce. Même à 2 m, la concentration au niveau de la projection d’aérosols est 30 fois supérieure à celle de l’air ambiant du reste de la pièce, et cela amplifie donc beaucoup la probabilité de transmission.

Dans le cas où les masques ne sont pas portés, nous pouvons ajouter à notre formule la probabilité qu’une personne ait près d’elle une personne infectée et la distance la plus courte entre les occupants. Cette distance peut être la longueur d’une table dans un restaurant, et la probabilité serait la fraction du temps où chacun est en face de chaque personne. Lorsque les masques sont bien portés, le risque de projection directe d’aérosol est éliminé, bien que le risque dans l’air ambiant demeure.

Discussion et mise en garde

Le paramètre le moins bien défini de notre modèle est le produit de la concentration en pathogène dans le souffle d’une personne infectée, et de la contagiosité qui dépend de l’âge moyen de la population. Ce produit a été déduit de l’incident de la chorale de Skagit Valley et rééchelonnée en fonction des distributions de taille des gouttes pour d’autres événements.

Les valeurs de concentration que nous avons déduites sont valables à longue distance et dans l’air ambiant et elles sont donc nécessairement surévaluées. Des courants d’air, une température non homogène ou des irrégularités dans la forme de la pièce peuvent avoir une influence locale.

Notre étude indique clairement que la règle des 2 mètres n’est pas adaptée pour diminuer les risques de transmission aéroportée. Nous recommandons d’imposer un temps limite d’exposition cumulé en intérieur, qui s’il était dépassé serait considéré comme une exposition pour tous les occupants de la pièce. Une application en ligne a été développée. Elle permet d’utiliser les données de capteurs de gaz carbonique pour améliorer la précision de nos recommandations. https://indoor-covid-safety.herokuapp.com/?lang=fr

Source : PNAS.org – 27/04/2021
Traduit par les lecteurs du site Les-Crises