新冠病毒防护
新冠病毒防护
1. 概述
1.1 当前疫苗无法解决新冠疫情
新冠疫情受各种因素影响[]。如果只依靠疫苗，人类和新冠病毒之间可能变成长期的拉锯战和消耗战，人类社会将无法恢复到之前的正常状态。按照目前疫苗接种速度推算，全球还需要7年才能恢复疫情之前的正常状态[]。这个推算并没有考虑新冠病毒的变异。新冠病毒正在向传染性更强[]和免疫逃逸[]的方向变异，并且使原有的一些疫苗效力大减甚至无效[]。面对最近的南非变异毒株，牛津-阿斯利康（AstraZeneca）、强生（J & J）和诺瓦瓦克斯（Novavax）疫苗的有效性分别只有21.9%、57% 、49%[]；莫德纳（Moderna）疫苗诱发的中和抗体水平只有之前的六分之一[]；辉瑞（Pfizer）疫苗抗体保护降低大约三分之二[]。
还有两个极其重要但被绝大多数人忽略的问题：
# 当前新冠疫苗是避免接种者生病，可能无法避免接种者被感染或传播病毒[], [], []。
# 对于某些病原体，当疫苗无法根除病原体时，反而会促进病原体的进化[]。
一月时，《自然》调研了全球一百多位研究新冠病毒的免疫学家、传染病专家以及病毒学家，近90%的人认为新冠病毒不会被根除，将成为地方流行病（endemic）；71%的人认为最主要因素是病毒的免疫逃逸[]。
1.2 现有的防疫措施
目前各种防疫措施归纳起来，就两类：
体外措施：尽量减少进入体内的病毒量，如保持社交距离、避免聚集、通风、洗手、消毒、戴口罩、戴呼吸器（N95、PAPR等）、隔离和封锁等[]。
保持社交距离（2米）可大大减少飞沫传播的风险，室内通风可减少气溶胶传播。
个人防护用品中防护最好的是电动空气净化呼吸器（PAPR），专业级PAPR有高达1000的指定防护因数（APF，总泄漏率的倒数）[]。
体内措施：尽量清除体内的病毒或尽量抑制病毒的复制；如自然免疫、打疫苗、增强免疫力和采用药物等。
体内措施中最理想的是可以彻底清除体内病毒的疫苗或药物（但目前全球还没有研发出这种理想疫苗或药物）。
人们需要采取各种防护措施，尽量减少感染风险。
1.3 如何控制新冠疫情
• 采用创新技术将个人或群体防护指数提升到500以上；
• 阻断病毒的传播，防止病毒进化。
2. 当前防疫措施的局限性
2.1 疫苗不是万能
全球新冠疫苗分四大类，有上百个产品[]。
疫苗可减缓或阻止疫情蔓延，但有局限性[], [], [], []：
1. 不能100%避免生病，临床试验有效率在60%~95%[]，但实际有效率尚不确定[19]；
2. 病毒变异到一定程度[3], [4]，疫苗效率大减甚至无效[5], [6], [7], [8]；
3. 要形成群体免疫，需要在短时间内~90%的人接种疫苗[]；
4. 抗体的持续时间是几个月以上，但因人而异[]；
5. 通常疫苗开发需要10年左右，新冠疫苗是紧急使用，疫苗安全性仍需时间来验证[11]。
针对易变异的RNA病毒，群体免疫很难成功：
1. 美国疾控中心的研究显示流感疫苗的有效率通常在40~60%，但有些有效率只有23%[]；
2. 自然感染新冠病毒后的抗体只能持续几个月[], [], []；
3. 巴西亚马逊州首府马瑙斯，约76%的人口感染新冠产生抗体，但还是再次爆发疫情[]；
4. 新冠患者复阳的个案显示，少数新冠患者康复后体内会携带病毒，病毒主要残留在消化道，会间歇性释放病毒[], []。
2.2 疫苗的局限性
2.2.1疫苗避免生病，但不避免感染
目前的新冠疫苗是避免接种者生病，但不一定能够避免接种者被感染或成为无症状传播者[9], [10], [11]。媒体报道新冠疫苗有效性为60%~95%，指的是效果性免疫（effective immunity），而不是消除性免疫（sterilizing immunity）。效果性免疫可以避免生病但仍可导致无症状感染，而消除性免疫才能根除病毒，避免接种者被感染[], []。目前没有证据显示新冠疫苗可产生消除性免疫[]。消除性免疫是疫苗发展的终极目标。
如果新冠疫苗只避免生病但不能避免感染，那么人们在接种疫苗后因接触病毒被感染但没生病，就有可能成为无症状病毒传播者。如果一个国家普及了疫苗，但民众不再采取防护，表面上确诊病例大降，但实际感染率不断增加。当抗体浓度减少到一定程度，或者病毒出现可逃逸免疫的变异，则容易出现第二轮疫情爆发。此外，在疫区群体免疫不一定有效，未接种者更有可能被接种者所携带的病毒感染。因此，疫苗接种者仍然需要戴口罩。
2.2.2疫苗促进病原体进化
效力不够的疫苗可能会促进病毒的进化，美国宾夕法尼亚大学病毒学家里德（Andrew Read）便对此提出了警告[]。对于病原体来说，疫苗就是施加在它们身上的一种新的选择压力，如果疫苗不能完全根除病原体，活下来的病原体适应性会增强，也会变得更加普遍[12]。不仅仅是疫苗，其他一些措施，比如治疗，也会对病毒带来选择压力，促进其进化[]。各种防护或治疗措施的后果需要考虑，尽可能避免病毒进化。
2.3 隔离和封锁的成本高
隔离和封锁在小范围内或短时间内非常有效，但也有局限：
1. 面对无症状和超长潜伏期的病例，隔离不能完全阻隔病毒；
2. 病毒通过物品表面传播，影响隔离效果；
3. 病毒一旦大规模通过动物传人，就很难根除病毒[]。
目前新冠病毒的无症状感染者的比例超过80%[]，防范难度大。当病毒突破隔离圈进入普通人群，就会迅速蔓延。隔离和封锁的经济成本和社会成本都很高。
2.4 SARS-CoV-2的气溶胶传播
新冠病毒有三种主要传播方式：飞沫、接触和气溶胶[]。
在通风不良的封闭空间里，如飞机、高铁、地铁、出租车、公交、病房、宿舍、公寓、电梯、卫生间、写字楼、商场、超市、电影院、餐厅等，病毒可通过气溶胶传播。
中国疾控中心的论文里列举了大量新冠病毒气溶胶传播的证据[]。气溶胶（aerosols）和飞沫（droplets）在呼气（exhaling）、咳嗽（coughing）和打喷嚏（sneezing）时传播距离不一样[]。人类社会活动大部分都在室内进行，所以了解气溶胶传播对防疫非常重要。
研究发现新冠病毒在气溶胶中的半衰期（half-lives）是1.1 到 1.2小时，在不锈钢、塑料和纸板表面的半衰期分别为5.6、6.8和3.5小时[]。紫外（UV）、温度和湿度会影响病毒的半衰期，而且可推算出来，常温低湿度下的半衰期比高温高湿度大10倍[]。若一百万个病毒在表面，需要20个半衰期病毒量才衰减到不具有感染性[]。
气溶胶传播比飞沫和接触传播更加难以防范，因为气溶胶颗粒小，可长时间停留于空气中；而且很容易穿透不含熔喷布的普通口罩（棉布口罩、纱布口罩、纸口罩等）。
2.5 外科口罩和洗手
有关呼吸防护的临床试验（见下表）显示，在家庭或学生宿舍，外科口罩和洗手对防止流感的效果看上去一般，有时感染率和不做任何防护差不多[]。主要原因应该是室内空间里，病毒传播以气溶胶传播为主。平面外科口罩和洗手对减少病毒的飞沫传播和接触传播是有效的，但对气溶胶传播的阻止效果很有限。
Milton等人在2013通过实验发现，流感患者呼出的颗粒中，细颗粒的病毒量（≤5 µm）时粗颗粒（>5 µm）的8.8倍；外科口罩可以使粗颗粒减少25倍，但细颗粒只减少2.8倍[]。这个实验也显示平面外科口罩的呼气泄漏率约为33%，而我们测试的外科口罩的吸气泄漏率是30%~40%，可认为呼气和吸气泄露率是近似相等，意味着外科口罩的防护因数和呼气过滤因数相等（2~3）。
2.6 N95/KN95的实际防护效果
以上流感试验统计表也显示，即便是医护人员佩戴外科口罩或N95，如果不能坚持，防护效果没有显著差别，甚至和不带口罩一样[44]。只有坚持并严格佩戴口罩，才有好的防护效果。在 Beaumont Health 的 20,000 多名报告直接接触 COVID-19 阳性个体的医护人员中，戴 N95/PAPR 的人的血清阳性率（10.2%）比戴外科/其他口罩 (13.1%) 或不戴口罩 (17.5%)的显著降低[]。
如果全民戴外科口罩，群体防护指数小于9，在高风险场所远远不足以避免感染。德国考虑在商店和交通领域强制性要求佩戴FFP2口罩[]。捷克政府正在考虑强制要求在商店和公共交通工具上佩戴呼吸器捷克也考虑在高风险场所要求民众佩戴FFP2[]。
其实N95/KN95不适合所有人，小孩、老人及重体力工作者都不建议戴N95[]；由于N95/KN95口罩的呼吸阻力比外科口罩大不少，会造成佩戴者不自觉的或主动的增加泄露以减少阻力，而且N95/KN95也不适合长时间佩戴，否则会造成肺部损伤[]和头痛[]。
尽管N95/KN95的指定防护因数要求10以上[]，医用N95的适合因数（fit factor）要求至少100；但通常需要通过密合性测试（fit test）才能达到好的防护效果[]。在实际佩戴中，脸型和口罩质量影响很大，大部分N95/KN95口罩的适合因数的范围为5-20[]。相同N95 /KN95口罩，普通人群佩戴，适合因数相差很大，只有少数人才能达到100以上，部分人在10以下[], []。
美国CDC不推荐普通民众佩戴带呼吸阀的口罩、透明口罩和透明面罩（不能防范气溶胶传播）[]。
2.7 双口罩的防护效果
美国CDC最近在官方网站上推荐双口罩，其研究发现感染者和健康人都带两个口罩（外科口罩+棉布口罩）时可减少96.4%的气溶胶传播[]。
该研究中的双口罩可达到群体防护指数30，但增加了呼吸阻力。这种双口罩的防护指数还是远远达不到阻断病毒气溶胶传播。
双口罩模式需要考虑有些双口罩搭配会适得其反。我们的研究发现，当双口罩中有一个是密合性能好的N95（适合因子100以上），并戴在外科口罩外，很有可能防护效果反而比只戴一个N95差。
3. COVID-19感染风险评估
3.1 感染剂量
感染剂量（Infective Dose）：达到感染所需的最少病原体量。不同的细菌或病毒，感染剂量相差很大；流感病毒A通过鼻咽吸入的感染剂量为790个以上[]。
新冠病毒的感染剂量尚未知，有研究者推测新冠病毒感染剂量在300个左右[]。接触的病毒量越多，感染和重症的风险也越大[]。
3.2 病毒载量
病毒载量（Viral Load）：通常指血液、唾液或呼气中的单位体积的病毒量[]。病人的病毒载量高会增加接触者的感染的风险[]。
新冠感染者的唾液中病毒载量高，平均约为105~107个/mL[], []。一次咳嗽就可能会释放出成千上万的病毒[]。说话产生的气溶胶颗粒是呼吸的几倍，大声说话会超过十倍[], []。无症状和有症状的感染者病毒载量相似，无症状感染者的传播可能是社区传播的关键因素[]。2021年1月发生在吉林省通化市的超级传播事件中，超级传播者为1名讲师，其已造成至少141个相关病例感染。该讲师举办了三场保健品讲座，三场讲座参与者的新冠感染率分别为90％、90％和38％[]。
学校需要防范超级传播事件的发生，教师群体最需要注意自身防护。一是教师接触的学生多；二是疫情一旦爆发，宿舍和教室都成为高危场所；三是讲课比呼吸更容易传播病毒。
在2009-2010年流感季节里，Yang等人收集了健康中心、日常护理中心和飞机上的空气样本。一半样品中的病毒浓度为5800到37000个/m3。平均64%的病毒是附在小于2.5微米的颗粒物上，悬浮几小时。室内病毒浓度建模表明病毒释放速率为1.6 ± 1.2 × 105个m-3每小时，表面沉积量为13 ± 7个m−2每小时[]。
北京大学要茂盛团队和北京朝阳疾控中心的一项研究发现，一些新冠患者的病毒释放速率为每小时呼出10万到2250万个病毒；在部分环境样品中，比如无通风的隔离酒店的卫生间，检测到空气中新冠病毒浓度高达6000个每立方米[]。
3.3 高风险场所病毒浓度估测
假设在某个高风险场所中只有一个新冠患者，其病毒呼出量为600万个每小时，在患者无防护且环境不通风的情况下，对1分钟、10分钟和60分钟下的病毒浓度进行估算。
上表显示在1000 m3以下的高风险场所，如果通风不畅，病毒浓度容易达到3000至60000个/m3，部分狭小封闭场所甚至可以达到百万个/m3。准确的估算要把空气交换速率（AERs），以及病毒在气溶胶里的半衰期考虑进去。只考虑AERs时，实际病毒浓度可简化为病毒释放速率除以体积和AERs。通常美国的医院、学校和写字楼的AERs分别为13、9、4 ACH（每小时换气次数）[71]。
上表只是按正常呼吸估算病毒浓度，如果感染者咳嗽，会释放更多病毒。Michael Riediker 和 Dai-Hua Tsai的一项研究显示，一个经常咳嗽的新冠病毒感染者可以在通风不良的房间里释放大量病毒，每立方米空气中可含有多达740万个新冠病毒，普通人在该房间呆几分钟就有感染风险[]。此外，病毒浓度和本区域的感染率有关系，10%感染率下，高风险场所的病毒浓度可能要比0.1%感染率大很多。所以随着疫情蔓延，人们更容易被感染。
3.4 术语
个人防护用品的常用术语：
过滤效率（Filtration Efficiency）：通常指过滤材料在一定流量下对~0.3 µm颗粒物的过滤效率。
总泄漏率（TIL-Total Inward Leakage）：使用呼吸器后，呼吸器内的污染物浓度和外界浓度的比值。
指定防护因数（APF- Assigned Protection Factor）：是指在正确使用某种呼吸器下，空气污染物浓度降低的水平。APF是呼吸器总泄漏率的倒数。
适合因数（FF-fit factor）：口罩贴合泄露率（FSL）的倒数，FSL是TIL减去滤材渗透率。
为了更方便讨论，自定义以下术语。
呼出过滤因数（EPF-Exhalation Protection Factor）：使用呼吸器后呼出气体中病毒减少的水平。
个人防护指数（PPI- Personal Protection Index）：是个人在实际使用某种呼吸器中，空气污染物浓度降低的水平。PPI反映的是实际防护性能，不一定和APF相同，还和呼吸量和外界环境有关。
群体防护指数（HPI-Herd Protection Index）：群体在实际使用某种呼吸器时，吸入病毒的浓度降低的水平。HPI通常是PPI和EPF的乘积。
3.5 感染风险评估
在一定时间内，当吸入病毒的量是感染剂量以上时，个人可能会被感染。以下是病毒吸入量（Nv）的计算公式，Nv和病毒浓度、呼吸量和时间成正比，和防护指数成反比：
Nv=病毒浓度X呼吸量X时间/防护指数
中国居民的长期呼吸量为15.7 m3/d，在休息、坐、轻微活动、中体力活动、重体力活动和极重体力活动下的短期呼吸量分别为5.5、6.6、8.2、21.9、32.9和54.8 L/min[]。
假设个人呼吸量为0.5m3/h，初始病毒浓度分别为3000或60000个/m3，感染剂量为300或1000时，估算佩戴不同呼吸器时的感染所需最少时间（Ti），列于下表。初始病毒浓度是指感染者没有采取任何防护时的病毒浓度。当Ti大于某个时间时，比如8小时，身体内免疫系统足以消灭所吸入的病毒，可认为感染不会发生。
Ti=感染剂量X防护指数/（病毒浓度X呼吸量）
从下表看出，在高风险场所，民众佩戴外科口罩或普通N95，感染风险仍然很高。Ti从几分钟到几小时。这也是世界各国在面对疫情时，不得不实施居家令、封锁或隔离的一个原因。
在当防护指数超过500时，Ti都超过8小时，除了极端情况（病毒浓度为60000个m-3，感染剂量为300个）。当群体防护指数超过500时，大部分高风险场所不需要封锁关闭，整个社会基本可以恢复正常。
即使全民普及N95，群体防护指数很难达到500以上。目前市面上个人防护用品的防护因数高于N95的主要有如下一些：弹性半面罩、弹性全面罩和PAPR等[]。弹性呼吸器由于都有呼吸阀，这种呼吸器的群体防护指数和个人防护指数一样，方便性远不如普通口罩。PAPR是专业人员使用的高级别防护用品，但通常价格昂贵[]，常规款重量为1~2kg，随身携带不方便。因此，要达到500以上的群体防护指数，需要采用新技术。
只有采用创新技术将群体防护指数提升到500以上；才能有效阻断新冠病毒的传播，防止病毒进化。
杨东宁 博士
三匚科技（SUMFOUND TECH.）创始人 & CEO
2021年03月01日初稿
2021年08月31日修改
参考资料
[] 《Science》影响新冠病毒后疫情时代传播的四大因素！
Will SARS-CoV-2 become endemic
[] 全球还要多久才能恢复到疫情之前的正常状态？预计7.4年！
When Will Life Return to Normal? In 7 Years at Today's Vaccine Rates
[] 世卫组织正式通报新冠病毒四种变体情况
WHO | SARS-CoV-2 Variants
[] 新冠病毒如何“变身”逃避免疫系统“攻击”；
COVID-19 virus variants are evolving ‘escape’ mutations
[] 去完超市就确诊！？新冠疫苗恐对变异毒株无效；
UK Scientists Worry Vaccines May Not Protect Against S.African Coronavirus Variant
[] 牛津/阿斯利康疫苗无法应对变异病毒，被南非紧急叫停；
South Africa suspends use of AstraZeneca’s COVID-19 vaccine after it fails to clearly stop virus variant
[] Moderna疫苗对南非变种病毒保护力减弱；
Moderna admits South African COVID variant reduces its vaccine antibody levels SIX-FOLD
[] 辉瑞疫苗对南非变异病毒免疫效果降低，大约减少三分之二；
Pfizer says South African variant could reduce vaccine protection by two-thirds
[] 辉瑞新冠疫苗首获批准 但能否防止病毒感染仍待研究；
Moderna, Pfizer vaccines may prevent disease, but not infection
[] 福奇：早期新冠疫苗的主要目标不是阻止感染 而是预防重症和并发症；
Fauci: Early COVID-19 vaccines will only prevent symptoms, not block the virus
[] 我希望开发新冠疫苗的公司更谦逊一些；
Paul Offit's Biggest Concern About COVID Vaccines
[] 疫苗是把双刃剑？除了打击病毒，还能让病毒进化？
Vaccines Are Pushing Pathogens to Evolve
[] 《自然》调研：近九成科学家认为新冠病毒不会消失；
The coronavirus is here to stay — here’s what that means
[] COVID-19 infection prevention and control guidance | WHO
[] Considerations for Optimizing the Supply of Powered Air-Purifying Respirators (PAPRs)
[] 7张图带你看懂90多种新冠疫苗的研发现状；
The race for coronavirus vaccines: a graphical guide
[] 打了新冠疫苗，为什么还要戴口罩，五个原因
5 Reasons to Wear a Mask Even After You’re Vaccinated
[] How Effective Will Covid-19 Coronavirus Vaccines Be? 8 Reasons It’s Too Early To Tell
[] What We Do Know and Do Not Yet Know about COVID-19 Vaccines as of the Beginning of the Year 2021
[] 五款已公布有效率数据的疫苗比较；
Covid-19 Vaccine: Which Is the Most Effective?
[] 福奇：要实现群体免疫，疫苗接种率或需接近90%；
Dr. Fauci Says Herd Immunity May Require 90% to Get COVID Vaccine
[] Moderna新冠疫苗抗体持续时间或较预期低；
The Moderna Vaccine’s Antibodies May Not Last As Long As We Hoped；
Durability of Responses after SARS-CoV-2 mRNA-1273 Vaccination
[] Vaccine Effectiveness: How Well Do the Flu Vaccines Work?
[] 新冠病毒抗体可能在数月内消失；
Immunity to Covid-19 could be lost in months, UK study suggests
[] 争议! 新冠患者体内的抗体只能维持60天？
Rapid Decay of Anti-SARS-CoV-2 Antibodies in Persons with Mild Covid-19
[] 新冠患者抗体存在时间只有3个月；Clinical and immunological assessment of asymptomatic SARS-CoV-2 infections
[] 群体免疫破灭：这座城76%人口曾染新冠 疫情再爆发;
Three-quarters attack rate of SARS-CoV-2 in the Brazilian Amazon during a largely unmitigated epidemic
[] 广东新研究成果：新冠病毒复阳与缺少保护性抗体有关；
A compromised specific humoral immune response against the SARS-CoV-2 receptor-binding domain is related to viralpersistence and periodic shedding in the gastrointestinal tract
[] Pathological evidence for residual SARS-CoV-2 in pulmonary tissues of a ready-for-discharge patient
[] 新冠疫苗与消除性免疫
[] Sterilizing Immunity and COVID-19 Vaccines
[] No evidence that COVID-19 vaccine results in sterilization
[] Coronavirus: The dangers of weak vaccines
[] 自然 | 首次揭示新冠在免疫力低患者体内进化过程;
SARS-CoV-2 evolution during treatment of chronic infection
[] 新冠病毒动物传人已被确认，这里已经全面“封杀”！
Denmark to cull entire mink population after coronavirus mutation spreads to humans
[] 无症状感染者比例超80%？超50%的新冠感染是无症状感染者传播的？
Quantifying asymptomatic infection and transmission of COVID-19 in New York City
[] 新型冠状病毒的气溶胶传播？证据、预防和控制
Aerosol transmission of SARS-CoV-2? Evidence, prevention and control
[] 新冠病毒能在气溶胶、塑料、不锈钢、铜等表面存活多久
Aerosol and Surface Stability of SARS-CoV-2 as Compared with SARS-CoV-1
[] Estimated Surface Decay of SARS-CoV-2
[] Expert reaction to questions about COVID-19 and viral load
[] 德国维持“封城”力度不变将为高危人群发放N95口罩
Germany weighs up mandatory FFP2 masks in shops and on transport
[] Czech government considering mandatory respirators in shops and public transport
[] Facemask headache: a new nosographic entity among healthcare providers in COVID-19 era
[] Proper N95 Respirator Use for Respiratory Protection Preparedness
[] N95过滤式防尘口罩防护性能与受试者主观评价的相关分析
[] 美国CDC新研究：戴两个口罩更有效，阻隔率达95%
Double masking can block 92% of infectious particles, CDC says
[] 病原微生物及其感染剂量；
Influenza Virus Type A | MSDSonline
[] The Risks - Know Them - Avoid Them
[] 新冠病毒接触量越高，重症住院风险越大
The 'dose' of coronavirus a person gets may determine how sick they get
[] 病毒载量-百度百科；Viral load - Wikipedia
[] Manage Risk as Front Liners
[] 患者发病首周唾液病毒载量最高；
Temporal profiles of viral load in posterior oropharyngeal saliva samples and serum antibody responses during infection by SARS-CoV-2
[] Clinical Significance of a High SARS-CoV-2 Viral Load in the Saliva
[] Aerosol emission and superemission during human speech increase with voice loudness
[] 无症状感染者体内病毒载量相似；
Symptoms or Not, COVID Patients Have Same Viral Load；
Clinical Course and Molecular Viral Shedding Among Asymptomatic and Symptomatic Patients With SARS-CoV-2 Infection
[] 1传141！“超级传播”事件细节披露！
Outbreak Reports:COVID-19Super Spreading Event Amongst Elderly Individuals
[] 北大研究团队首次证实：人体呼吸是新冠病毒重要排放传播方式；
Coronavirus Disease 2019 Patients in Earlier Stages Exhaled Millions of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 Per Hour
[] JAMA：经常咳嗽的新冠感染者，让每立方米空气含740万个病毒；
COVID-19 'super spreaders' quickly fill room with virus, but masks help；
Estimation of Viral Aerosol Emissions From Simulated Individuals With Asymptomatic to Moderate Coronavirus Disease 2019
[] 我国成人呼吸量研究
[] General Purpose PAPR Systems - Grainger Industrial Supply