抗疫應用 | 移動式病毒樣本采集亭
在新型冠狀病毒（COVID-19）疫情期間，Ansys聯合客戶、合作伙伴積極為抗擊疫情做出應有貢獻，通過運用我們的軟件、可用資源和員工的集體智慧，全力幫助受疫情影響的群體。『COVID-19下的仿真洞見』以系列專題的形式推出，分別從 “如何全力支持抗疫工業和科學應用”以及 “如何有效抑制病毒傳播”這兩大方面出發，期望通過詳細介紹Ansys及其客戶和合作伙伴目前在抗擊病毒中采取的措施，以及相關知識的分享，讓各位基于仿真獲取有價值的洞察。
*免責聲明
本系列專題所涉仿真在設計上是為了再現特定環境下的物理行為，未考慮諸如風或濕度等環境變量，請勿將其視為醫學指南。
如需通過網絡、印刷類或社交媒體等渠道轉發內容及視頻所示仿真結果，請注明仿真內容由ANSYS，Inc.提供。
在具有高度傳染性的環境下，減少COVID-19病毒的傳播十分重要。在社區層面減少病毒傳播的一種方法是早期檢測，此方法要求在短時間內完成對大批量人群的測試。而目前，測試僅限于已出現COVID-19癥狀的人群，為了在更大范圍內進行檢測，醫院需要建造大規模檢測的設施。傳統基于實驗室的樣本采集方法不適合在社區傳播階段對大批量人群進行檢測，需要根據BSL-2標準為公眾實施單獨的樣本采集方法。
本文提出一種移動式COVID-19病毒樣本采集亭的設計，它不僅可以快速裝配，而且方便移動，有助于從城市和偏遠地區采集樣本。根據BSL-2標準，樣本采集工作人員以及到采集亭進行檢測的人員安全是重中之重。韓國已經采用這種檢測亭，并且發現這種方法能有效地穩定疫情。
設計概念
COVID-19病毒樣本采集亭的主要目的在于避免樣本采集工作人員與樣本提供者之間的直接接觸。此外，下一個來到采集亭的人也不應被前一個人的鼻腔或口腔羽流感染。每人的總樣本采集時間（包括更換塑膠手套和采集亭消毒）不應超過5-7分鐘，這樣才能在一天之內采集大量樣本。采集亭根據負壓隔離室（Negative Pressure Room）概念建立，也就是維持病房內的負壓，使病房內的空氣不會通過縫隙泄露出去。亭內的空氣也會在過濾后以受控方式向外排出。
圖為韓國使用的移動式COVID-19病毒樣本采集亭。該采集亭由負壓艙組成，供樣本提供者使用，并按照生物安全隔離手套箱設計的原則工作。采集樣本的方式如下：
樣本采集工作人員待在艙外，同時佩戴個人防護裝備（PPE）。
人們進入消毒艙，取下面罩，使用對講電話與樣本采集工作人員交談，以提供需要的信息。
樣本采集工作人員使用安裝在消毒艙內的手套箱式手套采集拭子樣品。
人員重新戴上面罩后離開消毒艙。
樣本采集團隊的成員更換塑膠手套，對房間消毒，并將樣本放入盒中。
然后，下一個人可隨時進入消毒艙。
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所使用的軟件產品：
推薦設計
在推薦的設計中，維持采集亭內的負壓，以防止任何污染物泄露到外面。可在主要開口處進行煙霧檢測，確保空氣在向內部流動。通風空氣排出室外，通過便攜式HEPA過濾裝置進行過濾，從而將清潔后的廢氣排放到外部環境中。空氣流速設置為每小時換氣24次左右，這樣需要大約2.5分鐘才能使大部分室內空氣通風。空氣流速可以在HEPA過濾器/鼓風機組之前使用流量控制閥來控制。醫務人員通過隔離手套箱與患者交互，以避免身體接觸或直接空氣接觸。此通風系統是利用Ansys Fluent仿真軟件設計的，并通過計算流體動力學（CFD）建模進行驗證。流速的選擇應確保患者在呼吸、咳嗽或打噴嚏時排出的氣體直接向外通風，不在房間里進行過多循環。
上圖為方案設計。該設計由多個樣本采集艙組成，尺寸為2.5英尺x2.5英尺x7英尺，每個采集艙均設有一扇門，在艙門上離地面6英寸處安裝一個方形45度向下的百葉窗，在采集艙頂部中央安裝一個圓形排氣管道，采集艙的透明壁面上有兩個圓孔，用于放置手套箱式手套。排氣管道連接到由HEPA過濾器和排氣鼓風機組成的排氣系統。進氣口和圓形排氣口的尺寸選擇應確保進氣口和排氣口的流動面積相似。表1為采集艙的整體尺寸及工作參數。
COVID-19病毒樣本采集亭的艙室尺寸
以下是建造樣本采集亭所需的材料列表：
丙烯酸薄板
鋁制框架
45度向下百葉窗
每分鐘125立方英尺（CFM）HEPA過濾器/鼓風機組[7-8]
電源備用裝置（如果需要，可用小型發電機）
8英寸內徑軟管
流量控制閥（如果HEPA裝置沒有流量控制裝置）
對裝置進行消毒的熏蒸系統
按照BSL-2標準配備的個人防護裝備
橡膠手套
用計算流體動力學進行設計驗證
利用Ansys Fluent計算流體動力學仿真對上述設計進行驗證，如圖3所示。該圖顯示了空氣流速的體積渲染，路徑線展示了樣本提供者的鼻腔或口腔羽流的路徑。結果顯示，鼻腔和口腔羽流可以很容易從采集艙掃出，流向排氣口，沒有在艙內進行過多的再循環。因此，該設計很合適，并確保在樣本提供者測試為COVID-19陽性結果時，采集艙受到的污染最小。此外，結果還突出顯示了下一個人進入采集艙之前需要正確消毒的區域。
結論
本文闡述了COVID-19病毒樣本采集亭的設計。建議的設計可以作為固定裝置使用，或安裝在小型卡車上作為移動裝置使用。采集亭可快速建造，以每人大約7分鐘的速度檢測大量患者，同時也是正確選擇世界衛生組織指南中列出的材料并按照上述建議進行設計，即可達到BSL 2級規范，為了符合BSL 2規范，最終廢氣排放區域應盡量設置在較遠的位置，不靠近采集亭或進氣口。
參考資料
Laboratory Testing Strategy Recommendations for COVID-19, Interim Guidance, March 2020
Laboratory Biosafety Manual, Third Edition, 2004
WHO interim guidelines for Laboratory for COVID-19, Feb 2020
South Korean Hospital’s ‘Phone Booth’ Coronavirus Tests
How South Korea Flattened the Curve, The New York Times, March, 2020
ANSYS, Inc
RPS Ventilation Unit
Ventilation Design Guidelines for booth, tents and room
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