2.1 감염 위험률 평가 모델⁽⁵⁾

공기를 통해 감염되는 감염병의 전파의 전통적인 모델로 많은 연구에서 사용되고 있는 공기 감염위험률을 평가방법인 Wells-Riley 모델은 다음 식(1)과 같이 계산된다. 여기서, $P$는 감염위험률[%], $C$는 감염 환자수[N], $S$는 감염 잠재 환자수[N], $I$는 병원균을 배출하는 환자수[N], $q$는 병원균 양자 발생수[quanta/h], $p$는 사람의 호흡량[m³/h], $t$는 병원균 누적 노출시간, 그리고 $Q$는 실내 환기량[m³/h]을 나타낸다. Wells-Riley는 밀폐공간 즉 격리공간의 공기가 정상상태에서 완전히 혼합되어 있다는 가정이 선행되어야 한다.

2.2 공기희석 기반 감염위험률 평가방법⁽⁴⁾

희석의 개념은 공기 중 오염물질을 청정한 공기로 희석하여 오염농도를 줄이는 것이다. 희석비율은 오염원 농도 대비 측정위치의 오염농도의 비율로 정의된다. 희석비율은 오염원을 기준으로 위치에 따라서 달라지며, 희석비율은 식(2)와 같이, 현장에서 측정한 추적가스 농도 분포를 통해 계산이 가능하다. 여기서 $D$는 공기 희석비율[%]이며, $C_{source}$는 오염원의 농도[ppm], 그리고 $C_{t\arg et}$은 측정점에서의 농도[ppm]이다.

측정위치의 공기 중 병원균의 양자농도는 식(2)를 통한 희석 비율을 고려하여 계산하며 감염자가 발생시키는 병원균의 희석된 양자의 수로 식(3)과 같이 계산된다. $C_{quantum}$은 측정위치의 공기 중 양자농도[quanta/m³], $p_{infecor}$는 감염자 호흡량[m³/h]이며 $q$는 감염자의 양자 발생수[quanta/h]이다.

노출시간 동안 측정위치의 사람이 흡입한 양자수 $N_{quantum}$은 식(4)로 계산되며 $p_{susceptable}$은 감염 잠재자 (의료진)의 호흡량[m³/h]이며 흡입되는 양을 활용하여 노출되는 시간에 해당 측정지점에 위치한 잠재자의 감염위험률은 식(5)를 통해 추정한다. (푸아송 분포 기반) 식(6)의 Φ는 마스크 투과율 계수이다. η는 마스크 의 효율이고 n은 마스크를 착용한 사람의 수다. 본 연구에선 극단적 상황을 가정하여 Φ는 1로 적용하였다.

공기 희석기반 감염 위험률은 위의 열거된 식을 토대로 복합식인 식(7)으로 산출한다.

여기서, 감염 잠재자($p_{infecor}$) 및 감염자($p_{susceptable}$)의 호흡량과 감염자($q$)의 양자발생 수는 일반적인 경자세의 성인 호흡량⁽⁶⁾과 성인 감염자의 양자발생 수⁽⁷⁾를 Table 1의 객관적인 지표를 활용하여 해당 조건은 실험결과에 영향을 미치므로 객관적인 근거에 기반을 두어 감염위험률을 도출하였다.

3.1 평가 대상

본 사례연구의 평가대상은 격리시설로 활용되는 내부 치료공간 15.04 m²인 가변형 양압/음압시설이다. 의료시설의 공조시스템 계획 및 설계검증과 운영 단계에서의 실간 교차감염과 실내 감염위험률 도출을 위한 현장측정방법에 따라서 진행하였다. 측정결과를 활용하여 공기희석기반 감염위험률 분석을 진행하였다. 현장측정은 선행연구⁽³⁾에서 제시한 프로토콜을 따른다. 추적가스인 SF₆의 비중이 공기보다 약 6배 높아 완전한 공기감염이 아닌 실내기류에 의한 에어로졸 형태의 감염병 평가에 보다 적합한 것으로 판단된다.

3.2 평가 방법

프로토콜 A는 Fig. 1(a)와 같이, 오염원을 모사한 추적가스 SF₆ 방출량은 사람의 호흡량인 0.54 m³/h에 포함한 일정량을 방출한다. 호흡량에 포함된 일정 오염원 농도 산출하며 SF₆의 도징량을 결정한다. 여기서, c는 주입되는 SF₆(용질)의 몰 [mol], s는 환자의 호흡량 공기(용매)의 [mol]이 된다. SF₆ 가스를 사용하여 현 공간에서 50,000 ppm의 오염원 농도 유지를 위해서는 7.8 mL/s(468 mL/min)의 정량적인 양으로 주입해야 한다. 50,000 ppm의 오염물질 농도는 실내 전체 농도가 아닌 오염물질의 점(point) 농도이기 때문에 8시간 임계한계값(TVL) 규정⁽⁸⁾인 1,000 ppm을 위반하지 않는다는 점을 명확하게 한다.

프로토콜 B의 단일 실내공간의 위치별 감염위험률 평가는 Fig. 1(b)와 같이 오염원 발생지점인 ES와 각 해당 위치별 측정기를 설치하고 측정시간과 간격을 설정하여 실시간 측정한다. Table 2는 실험장비의 측정 범위를 보여준다.

프로토콜 C는 측정불확도에 관한 내용이며 측정값의 신뢰성이 보장되어야 한다. 단일 측정이 아닌 3회 실시간 연속 측정으로 통계적 처리를 통해 분석하여 획득된 데이터 및 계산된 값의 신뢰성을 확보하는 절차를 진행하였다. 또한 모든 측정장비는 측정 전 교정된 상태를 기본으로 한다.

앞서 제시한 프로토콜 A, B, C를 준수하여 현장실험 측정을 진행하였다. 본 실험체는 Fig. 2와 같이, 음압유지의 병실, 전실, 화장실로 구성되어 있으며 전실 출입구 상부 급기 디퓨져, 화장실 출입구 상부에 배기 디퓨져가 설치되어 있다. 측정 포인트는 SP1(전실), SP2(병실 중앙부), SP3(환자위치)로 10분간 3회 실시간 측정을 진행하였으며 오염원 발생지점은 ES로 칭한다. 환자의 호흡선 0.9 m 높이에서 SF₆ 가스를 취출하였으며 전실과 병실 간 차압측정도 실시간으로 진행하였다. 동일한 조건 및 상황에 맞춰 10분 간격으로 3회 측정하였다. 프로토콜 B에 따른 실간 교차감염 여부는 전실과 병실간의 농도 차이를 분석하는 것이지만 병실 중앙부 측정지점을 통한 희석기반 감염위험률 분석과 환기시스템의 제어가 원활하게 작동하는지 추가적으로 분석하였다.

Fig. 1 (a) Protocol A: Emission source setup and (b) Protocol B: infection risk evaluation in a single zone.

Fig. 2 Experimental set-up, measurement instruments and position of sampling points.

4.1 프로토콜 기반 현장측정 결과

Fig. 3은 제시한 프로토콜을 준수한 SF₆ 추적가스 실험 결과이다. 전실과 병실 간 차압은 평균 -9.1 Pa으로 운영되어 전실(SP 1)에서는 오염농도는 검출되지 않았다. 병실 중앙지점인 SP 2의 평균 오염농도는 32.2 ppm이고 측정기간 중 최대 농도는 47.5 ppm으로 분석되었다. 환자 위치의 SP 3의 평균농도는 183.9 ppm, 최대 농도는 842.0 ppm으로 분석되었다. SP 3의 농도의 변화폭이 높게 나타났다. SP 2 위치의 농도 변화는 20 ppm - 40 ppm으로 유지되는 양상을 보아 환기시스템을 통한 오염물질 제거를 통해 적정 수준으로 유지되는 것으로 분석되었다. Fig. 3(b) 및 Fig. 3(c)는 30분간의 추적가스 농도와 병실과 전실의 차압측정 결과의 box plot chart이다. 또한, Table 3의 결과는 10분간 3회 연속 측정한 실험의 결과를 나타낸 것이며 프로토콜 C의 측정불확도 부분의 신뢰성을 확보하기 위한 통계분석을 실시하였다. 결론적으로 전실 위치에서의 교차감염 위험성은 없는 것으로 분석되었다.

Fig. 3 (a) SF6gas concentration profile, (b) SF6gas box plot and (c) pressure differential box plot.

4.2 공기희석 기반 감염위험률 분석

Fig. 4는 앞서 제시한 식(2)를 활용하여 공기 희석률을 계산하고 식(7)을 적용하여 최종적인 감염위험률을 산출한 결과를 보여준다. 감염자에서 발생하는 오염농도와 위치별 공기의 희석비율을 사용하여 감염위험률을 산출할 수 있다. 따라서 Protocol A를 통한 오염원 발생농도 산출이 선행되었으며 그에 따른 희석비율을 산출하였다. Table 4는 위치별 측정한 희석비율의 산출 결과를 나타내며 산출된 비율의 평균값을 비교해 보면 SP 3이 SP 2보다 약 6배 정도 오염도가 높은 것을 볼 수 있다. 산출된 측정 위치별 공기의 희석비율과 감염자/의료진의 호흡량 및 병원균 양자 발생수를 누적시간에 따른 함수에 대입하면 병실 내부의 위치별 누적 시간에 따른 감염 위험률을 산출할 수 있다(Fig. 4). 병원균에 대한 누적 노출시간 30분에서는 24.66% - 79.12% 로 분석 되었으며 전실에선 감염위험률이 없는 것으로 분석되었다(Table 5).

Fig. 4 Evaluation results Infection risk assessment dilution-based method according to the exposure time.