전염성 질병은 인간 삶의 일부이면서 죽음의 원인입니다.
모든 살아있는 유기체는 과다한 바이러스 및 미생물 (예 : 박테리아)에 지속적으로 노출됩니다. 이들 중 대부분은 인간에게 무해하며 일부는 유익하지만 소수의 사람들은 우리를 감염시키고 심지어 우리를 죽일 수도 있습니다.
대부분의 바이러스 (및 기타 병원체)는 특정 종에서부터 유래합니다. 시간이 지남에 따라 숙주 유기체는 병원체에 대해 어느 정도의 면역력을 획득하여 감염의 결과를 최소화하고 전염성을 제한합니다.
때때로, 돌연변이도 발생하는데 이는 병원체가 "숙주 범위 장벽"을 넘어 새로운 숙주 종을 감염시킬 수 있게 합니다. 이전 숙주와 동일한 정도의 후천성 면역이 없으면 새로운 숙주는 쉽게 감염되며 또 다른 숙주에게 바이러스를 빠르게 확산시킬 수 있습니다. 인류 역사 최초의 전염병은 저수지에 살던 동물로부터 온 바이러스 (또는 박테리아)가 인간 숙주에게 감염되었을 때 입니다.
결과는 재앙이 될 수 있습니다. 1918 년 돼지의 풍토병 인 H1N1은 인간에게 퍼졌고 제 1 차 세계 대전보다 두 배 이상 많은 사람들을 죽였습니다. 이 사건은 인류 역사상 가장 치명적인 재앙이었고 다행히도 전염병이 오래 가지는 않았습니다. 중세 시대에 흑사병은 유럽 인구의 절반을 포함하여 최대 2 억 명의 사람들을 죽였습니다. 이는 쥐에 붙어있던 벼룩을 통해 인간에게도 박테리아 감염이 발생한 것입니다.
이러한 상황에서 Covid-19 전염병 (아마도 SARS-CoV-2 바이러스가 박쥐에서 인간 숙주로 뛰어 오르면서 발생했을 가능성이 있음)은 수백만 명의 사망자와 수조 달러의 지속적인 경제적 피해를 입히면서 전세계적으로 큰 화두에 오르고 있습니다.
"발병은 피할 수 없지만 전염병은 선택 사항입니다."
래리 브릴리언트 박사, 역학자.
인구 과잉, 고도로 상호 연결되고, 주로 도시 세계에서 새로운 전염성 질병의 다음 발발까지는 시간 문제 일 뿐입니다. 우리가 이러한 발병을 예방할 수는 없지만 그 영향을 최소화 할 수는 있습니다. 지금부터 Simcenter 가 미래의 전염병의 영향력을 어떻게 최소화하고 대비하는지 4가지 방법을 소개해드립니다.
1. 감염률 감소
전염병 초기, 인구의 면역력이 낮을 때 각종 보건 기관의 가장 큰 도전은 감염률을 통제하는 것입니다.
감염성 질병이 집단으로 퍼지는 속도는 각 감염된 사람에 의해 야기 된 2차 감염의 평균 수를 나타내는 재생 수 (종종 "R 번호"라고 함)라는 매개 변수에 의해 정의됩니다.
일반적으로 공기 중 바이러스는 물리적 접촉 또는 체액의 교환을 필요로 하는 병원체보다 훨씬 높은 R 수를 가지고 있습니다. 예를 들어, 홍역 (재채기에 의해 전염)은 가장 전염성이 강한 질병 중 하나이며 R 번호는 12와 18 사이입니다. 에볼라 (체액을 통해 퍼짐)는 2와 3 사이의 R 번호를 가지고 있습니다. Covid-19 바이러스의 오미크론 변종은 R 번호가 약 9 개로, 감염된 각 사람이 9 명의 다른 사람들에게 질병을 전파 할 것으로 예상 할 수 있음을 의미합니다.
병원균이 얼마나 전염성이 있는지에 직접적으로 영향을 줄 수는 없지만 정부는 감염의 확산을 줄이기 위해 다양한 공중 보건 개입을 도입 할 수 있습니다. 여기서 시뮬레이션은 전송 모드를 이해하고 이를 완화할 수 있는 방법을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.
- Covid-19 전염병에서 가장 논쟁의 여지가있는 개입 중 하나는 의무적 인 마스크 착용이었습니다. 많은 사람들은 제대로 장착되지 않은 마스크가 기침과 재채기로부터 공기 중 점액 입자를 통한 바이러스의 전염으로부터 보호하는 데 거의 도움이되지 않는다고 주장했다. Simcenter는 얼굴 가리기의 효능을 입증하고 제대로 장착되지 않은 마스크의 결핍을 설명하는 데 도움을 주었습니다.
- 엔지니어링 컨설팅 회사인 Jaros, Baum & Bolles는 New York Times와 긴밀히 협력하여 학교가 창문을 열어 교실에서 COVID-19 노출을 줄일 수 있는 방법을 보여주었습니다. JB & B의 엔지니어들은 Simcenter CFD 시뮬레이션을 사용하여 감염된 학생의 오염 물질이 교실에서 어떻게 순환하는지 보여주었습니다.
- 지멘스와 에어버스는 심센터를 이용해 항공기 객실에서 사람의 기침으로 인한 입자/물방울의 수송을 이해했습니다. CFD 시뮬레이션을 사용하여 팀은 항공기 객실에서 기침 방울의 운송을 모델링했습니다.
- UES, Inc. 미 공군 연구소의 711번째 HPW(Human Performance Wing)와 제휴하여 Simcenter를 사용하여 여러 명의 승객이 탑승한 C-130 Hercules 항공기에서 감염된 승객의 기침을 시뮬레이션했습니다. CFD 시뮬레이션의 결과는 바이오에어로졸 검출 및 표면 오염 제거를 위한 절차 및 샘플링 전략을 개선하는 데 도움이 되었습니다.
- Norton Straw의 엔지니어들은 Simcenter와 함께 CFD 시뮬레이션을 사용하여 창문 열기, 승객 사이의 플라스틱 실드, 다양한 환기 공기 흐름 등 다양한 완화 전략으로 인한 열차 객실의 공기 흐름을 분석했습니다.
교실에서 창문을 여는 것이 감염된 학생의 오염 물질을 희석시키는 방법을 보여줍니다.
감염률을 통제하기 위해서는 보건 기관들이 인구 전반의 감염률을 정확하게 측정 할 수 있어야합니다. 또한 추가 감염을 예방하기 위해 격리 될 수 있도록 감염된 개인을 신속하고 안정적으로 식별해야합니다.
"COVID-19 전염병의 최악의 실패 중 하나는 미국이 결코 올바른 테스트를 진행하지 못했다는 것입니다. 거의 충분한 사람들이 테스트되지 않았고 결과가 돌아 오기까지 너무 오랜 시간이 걸렸습니다. 바이러스에 감염되었지만 7일 동안 감염 여부를 인지하지 못한다면, 당신은 일주일 동안 다른 사람들을 감염시킬 가능성이 높습니다."
빌 게이츠, 다음 유행병을 예방하는 방법
Covid 대유행 기간 동안 검사의 정확성, 특히 환자가 집에서 자신을 테스트하기 위해 사용하는 신속한 검사 장치의 정확성에 대한 합법적 인 우려가 제기되었습니다. 이로 인해 종종 시뮬레이션에 의해 주도되는 무대 뒤에서 많은 재 엔지니어링이 이루어졌으며 전염병이 진행됨에 따라 신속한 테스트 장치가 진화했습니다.
기계공, 하드웨어 및 소프트웨어를 사용한 완벽한 제품 개발을 위한 역량을 갖춘 엔지니어링 서비스 제공업체인 B&W Engineering은 Simcenter를 사용한 신속한 Covid 테스트 최적화. B&W Engineering의 전문 분야는 의료 기술, 자동차 공학 및 일반 장비 엔지니어링입니다.
2. 더 빠른 백신 생산
백신은 면역 체계를 속여 결코 노출되지 않은 바이러스를 "인식"시킵니다. 바이러스 구조의 "미리보기"를 제공함으로써 백신은 환자의 면역 체계가 개인이 감염된 경우 실제 바이러스를 중화시키는 강력한 항체를 설계 할 수 있게 합니다. 세계 보건기구 (WHO)는 예방 접종의 결과로 연간 2-3 백만 명의 생명을 구한다고 추정합니다.
Covid-19 대유행 기간 동안 세계 정부는 RNA 및 DNA 백신에 대한 규제 승인을 서둘러 통과했습니다. 이 백신은 바이러스 게놈의 일부를 환자에게 주입하여 작동합니다.
일단 숙주 세포에 흡수되면, 이 유전 적 지시 사항은 세포에 며칠 동안 특정 바이러스 단백질 (일반적으로 스파이크 단백질)의 여러 사본을 제조하도록 지시합니다. 합성 유전 물질은 복제 할 수 없는 게놈의 일부 사본 일 뿐입니다. 그럼에도 불구하고 바이러스를 공격하기위한 항체를 개발하기 위해 환자의 면역 체계를 훈련시키는 것으로 충분합니다.
문제는 유전 물질의 이러한 가닥이 깨지기 쉽고 환자의 세포로 주입될 때 보호 되어야 한다는 것입니다.
- 합성 mRNA 백신 (화이자-BioNTech 및 모더나와 같은)의 경우, 유전 물질은 지질 나노 입자의 거품 내에 싸여 있습니다. 각각의 직경은 수십 나노 미터로 측정됩니다 (단일 밀리미터에 백만 나노 미터가 있음). 관련된 입자의 규모와 RNA의 취약성 때문에, 거대 스케일 벌크 혼합은 효과적이지 않다. 미세 유체학의 전체 분야는 장치를 설계하고 검증하기 위해 다상 전산 유체 역학 시뮬레이션에 전적으로 의존하며, 합성 백신 생산은 디지털 시뮬레이션 없이는 불가능하지 않을 것입니다.
- 바이러스 벡터 백신 (옥스포드-아스트라제네카의 백신과 같은)은 유전자 조작 된 아데노 바이러스 (일반적인 감기와 같은 바이러스)를 사용하여 DNA를 숙주 세포로 운반합니다. 이러한 "바이러스 감염된" 세포는 생물반응기, 말 그대로 바이러스 농장, 온도, 산소 및 pH가 정밀하게 제어되어 세포와 바이러스의 수율을 극대화하는 세심하게 조절된 영양소가 풍부한 혼합 환경 내에서 재배됩니다. 생물학적 과정은 생물반응기의 기하학적 크기에 따라 선형적으로 확장되지 않는다. 4000리터 산업용 생물반응기에서 10리터 벤치 실험에서 개발된 이상적인 재배 조건을 유지하는 것은 복잡한 엔지니어링 문제이며, 이는 다시 전산 유체 역학에 크게 의존합니다.
지멘스는 BioNTech가 독일 마르부르크에 있는 시설을 전환하여 화이자와 함께 개발한 mRNA COVID-19 백신을 기록적인 시간 내에 생산하도록 도왔습니다: 자동화 및 디지털화 기술로 연간 예상 일정을 불과 다섯 달로 단축했습니다.
Simcenter가 Covid-19 전염병에 대한 백신 생산에서 수행 한 역할에 대한 자세한 내용은 "디지털 바이러스 용 디지털 백신"을 읽어보세요.
3. 더 나은 백신 전달
일단 효과적인 백신이 나오면, 다음 과제는 효과적인 전달 프로그램을 시행하는 것입니다. 여기서 문제는 백신을 투여하려면 어느 정도의 의학 훈련이 필요하다는 것입니다. COVID-19 전염병의 투쟁 중 하나는 백신을 관리하기에 충분한 훈련 된 의료 전문가를 동원하는 것이 었습니다. 여기에는 많은 의사와 간호사를 은퇴에서 데려 오는 것이 포함되었습니다. 또 다른 문제는 전 세계적으로 120 억 회 이상의 복용량을 투여하는 데 필요한 충분한 활성 백신을 제조하는 것이 었습니다.
지멘스의 고객 복스데일은 Simcenter를 사용하여 미래의 전염병에 대한 이러한 문제를 해결할 수 있는 자동화된 피내 예방 접종 장치를 설계하고 있습니다. 피내(intradermal)는 근육간 대신 '피부 속으로'를 의미하며, 이는 '근육 속으로'를 의미합니다.
피부에 주사하는 것의 장점은 근육 주사와 동일한 효과를 갖기 위해 필요한 백신의 1/10 만 섭취한다는 것입니다. 이는 수천억 개의 백신 용량을 제조, 운송 및 관리 할 때 상당한 절약입니다.
문제는 진피가 매우 얇고 약 1 ~ 4mm이며 근육에 주입하는 것보다 훨씬 작은 표적을 제공한다는 것입니다. 따라서 주사는 믿을 수 없을 만큼 정확해야 합니다. 피내 예방 접종은 역사적으로 수동으로 적용하기가 어렵습니다. 바늘을 피부 표면에 10 ~ 15도 각도로 삽입하려면 전문 교육이 필요합니다 (Mantoux 기술로 알려짐). Mantoux 기술을 사용하는 피내 주사의 약 70 %가 잘못 투여되는 것으로 나타났습니다.
일단 장치의 신뢰성이 입증되면 (그리고 힘든 규제 승인 과정을 거쳐왔다) 이와 같은 장치는 간단한 jab을 관리하기 위해 값 비싸게 훈련 된 의료 전문가의 무리를 필요로 하지 않는 완전 자동화 된 예방 접종 클리닉의 전망을 제공합니다.
4. 글로벌 예방 접종
COVID 19 예방 접종 프로그램이 성공적이었던 것처럼, 백신의 배포는 가장 경제적으로 선진국에 살고있는 사람들에게 편향되었습니다. 저소득 국가 같은 경우 사람들 중 20.9 %만이 적어도 하나의 복용량을 받았습니다. 이것은 그 나라에 살고 있는 사람들에게 문제가 될 뿐만 아니라 바이러스 조사 부분에서도 문제가 됩니다. 이러한 예방 접종을 받지 않은 개체군은 바이러스가 돌연변이를 일으키고 진화 할 수 있는 감염의 저장소를 제공하며, 아마도 예방 접종을 받은 인구를 다시 감염시킬 수 있는 보다 독성이 강한 형태로 변할 수 있습니다.
제일 중요한 점은 위에서 언급했던 것처럼 모든 사람에게 충분한 백신을 만드는 것입니다. 또 다른 하나는 의학적으로 훈련 된 사람들을 충분히 찾는 것 입니다.
또 다른 중요한 과제는 온도에 민감한 백신을 원격 지역 사회에 제공하는 것입니다. 백신은 부패하지 않도록 특정 온도 범위 내에 보관해야 합니다.
Voxdale은 Simcenter를 사용하여 더운 나라의 장거리 여행에서 백신 복용량의 온도를 엄격하게 지정된 온도 범위 (일반적으로 2 ~ 6C 사이)로 유지할 수 있는 배터리 구동 백신 캐리어를 설계했습니다.
COVID 19 전염병은 우리에게 동물 숙주 바이러스의 일부 유전자의 돌연변이가 인간의 생명 손실, 자유 제한 및 거의 치명적인 경제적 피해 측면에서 치명적인 결과를 초래할 수 있다는 깨우침을 주었습니다. 새로운 바이러스의 전염성 발생은 불가피합니다 (빈도가 증가 할 가능성이 있음). 종으로서, 우리는 다음 종에 대해 더 잘 준비해야합니다. 우리는 단순히 SARS-CoV-2 바이러스의 무작위 돌연변이로 인한 죽음과 파괴의 반복을 또 다시 재현할 수 없습니다. 만병 통치약은 아니지만 엔지니어링 시뮬레이션은 확실히 다음 전염병에 대비하여 우리를 탄력적으로 만드는 데 중요한 역할을 할 것입니다.
[출처] A Pandemic Resilient World - Simcenter (siemens.com)
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