抗疫应用 | 移动式病毒样本采集亭
在新型冠状病毒（COVID-19）疫情期间，Ansys联合客户、合作伙伴积极为抗击疫情做出应有贡献，通过运用我们的软件、可用资源和员工的集体智慧，全力帮助受疫情影响的群体。『COVID-19下的仿真洞见』以系列专题的形式推出，分别从 “如何全力支持抗疫工业和科学应用”以及 “如何有效抑制病毒传播”这两大方面出发，期望通过详细介绍Ansys及其客户和合作伙伴目前在抗击病毒中采取的措施，以及相关知识的分享，让各位基于仿真获取有价值的洞察。
*免责声明
本系列专题所涉仿真在设计上是为了再现特定环境下的物理行为，未考虑诸如风或湿度等环境变量，请勿将其视为医学指南。
如需通过网络、印刷类或社交媒体等渠道转发内容及视频所示仿真结果，请注明仿真内容由ANSYS，Inc.提供。
在具有高度传染性的环境下，减少COVID-19病毒的传播十分重要。在社区层面减少病毒传播的一种方法是早期检测，此方法要求在短时间内完成对大批量人群的测试。而目前，测试仅限于已出现COVID-19症状的人群，为了在更大范围内进行检测，医院需要建造大规模检测的设施。传统基于实验室的样本采集方法不适合在社区传播阶段对大批量人群进行检测，需要根据BSL-2标准为公众实施单独的样本采集方法。
本文提出一种移动式COVID-19病毒样本采集亭的设计，它不仅可以快速装配，而且方便移动，有助于从城市和偏远地区采集样本。根据BSL-2标准，样本采集工作人员以及到采集亭进行检测的人员安全是重中之重。韩国已经采用这种检测亭，并且发现这种方法能有效地稳定疫情。
设计概念
COVID-19病毒样本采集亭的主要目的在于避免样本采集工作人员与样本提供者之间的直接接触。此外，下一个来到采集亭的人也不应被前一个人的鼻腔或口腔羽流感染。每人的总样本采集时间（包括更换塑胶手套和采集亭消毒）不应超过5-7分钟，这样才能在一天之内采集大量样本。采集亭根据负压隔离室（Negative Pressure Room, NPR）概念建立，也就是维持病房内的负压，使病房内的空气不会通过缝隙泄露出去。亭内的空气也会在过滤后以受控方式向外排出。
图为韩国使用的移动式COVID-19病毒样本采集亭。该采集亭由负压舱组成，供样本提供者使用，并按照生物安全隔离手套箱设计的原则工作。采集样本的方式如下：
样本采集工作人员待在舱外，同时佩戴个人防护装备（PPE）。
人们进入消毒舱，取下面罩，使用对讲电话与样本采集工作人员交谈，以提供需要的信息。
样本采集工作人员使用安装在消毒舱内的手套箱式手套采集拭子样品。
人员重新戴上面罩后离开消毒舱。
样本采集团队的成员更换塑胶手套，对房间消毒，并将样本放入盒中。
然后，下一个人可随时进入消毒舱。
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所使用的软件产品：
Ansys Fluent
推荐设计
在推荐的设计中，维持采集亭内的负压，以防止任何污染物泄露到外面。可在主要开口处进行烟雾检测，确保空气在向内部流动。通风空气排出室外，通过便携式HEPA过滤装置进行过滤，从而将清洁后的废气排放到外部环境中。空气流速设置为每小时换气24次左右，这样需要大约2.5分钟才能使大部分室内空气通风。空气流速可以在HEPA过滤器/鼓风机组之前使用流量控制阀来控制。医务人员通过隔离手套箱与患者交互，以避免身体接触或直接空气接触。此通风系统是利用Ansys Fluent仿真软件设计的，并通过计算流体动力学（CFD）建模进行验证。流速的选择应确保患者在呼吸、咳嗽或打喷嚏时排出的气体直接向外通风，不在房间里进行过多循环。
上图为方案设计。该设计由多个样本采集舱组成，尺寸为2.5英尺x2.5英尺x7英尺，每个采集舱均设有一扇门，在舱门上离地面6英寸处安装一个方形45度向下的百叶窗，在采集舱顶部中央安装一个圆形排气管道，采集舱的透明壁面上有两个圆孔，用于放置手套箱式手套。排气管道连接到由HEPA过滤器和排气鼓风机组成的排气系统。进气口和圆形排气口的尺寸选择应确保进气口和排气口的流动面积相似。表1为采集舱的整体尺寸及工作参数。
COVID-19病毒样本采集亭的舱室尺寸
以下是建造样本采集亭所需的材料列表：
丙烯酸薄板
铝制框架
45度向下百叶窗
每分钟125立方英尺（CFM）HEPA过滤器/鼓风机组[7-8]
电源备用装置（如果需要，可用小型发电机）
8英寸内径软管
流量控制阀（如果HEPA装置没有流量控制装置）
对装置进行消毒的熏蒸系统
按照BSL-2标准配备的个人防护装备
橡胶手套
用计算流体动力学进行设计验证
利用Ansys Fluent计算流体动力学仿真对上述设计进行验证，如图3所示。该图显示了空气流速的体积渲染，路径线展示了样本提供者的鼻腔或口腔羽流的路径。结果显示，鼻腔和口腔羽流可以很容易从采集舱扫出，流向排气口，没有在舱内进行过多的再循环。因此，该设计很合适，并确保在样本提供者测试为COVID-19阳性结果时，采集舱受到的污染最小。此外，结果还突出显示了下一个人进入采集舱之前需要正确消毒的区域。
结论
本文阐述了COVID-19病毒样本采集亭的设计。建议的设计可以作为固定装置使用，或安装在小型卡车上作为移动装置使用。采集亭可快速建造，以每人大约7分钟的速度检测大量患者，同时也是正确选择世界卫生组织指南中列出的材料并按照上述建议进行设计，即可达到BSL 2级规范，为了符合BSL 2规范，最终废气排放区域应尽量设置在较远的位置，不靠近采集亭或进气口。
参考资料
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
