Periodico bimestrale
Anno XXI, numero 98
mag/giu
ISSN 1128-3874

La diffusione delle pandemie ed il ruolo della simulazione numerica

N. 98 – mag/giu

La diffusione del COVID ha colpito duramente la popolazione dell’intero pianeta dimostrando concretamente e drammaticamente le debolezze di una società globalizzata e interconnessa. La scienza può fare molto per contrastare e prevenire eventi di questa portata. Per dare ai lettori di «A&C - Analisi e Calcolo» una prospettiva sul ruolo della simulazione e del calcolo abbiamo intervistato Thierry Marchal il Global Industry Director for Healthcare della Ansys, multinazionale che opera nella simulazione digitale multi-fisica.

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Marco Evangelos Biancolini -
Mi piacerebbe scambiare qualche idea su ciò che sta accadendo nel mondo e sul ruolo che possono avere le simulazioni numeriche nel combattere le pandemie.
Qual è il tuo punto di vista sull’argomento?


Thierry Marchal – Io credo che oggi più che mai la simulazione possa avere un ruolo chiave. Ci sono due categorie principali sulle quali porre attenzione: la prima è la prevenzione e la seconda è il trattamento. La prevenzione è correlata alla distanza sociale, ai DPI (dispositivi di protezione individuale), in particolare la mascherina. Le simulazioni, in questo caso, possono aiutare a capire meglio cosa accade quando si fa jogging o quando si cammina velocemente. Camminare velocemente potrebbe essere pericoloso per qualcuno che sta camminando vicino a noi perché non è possibile controllare le particelle che fuoriescono durante la respirazione. Le notizie sul distanziamento sociale non sono concordi, si parla di un metro, due metri, in alcuni casi addirittura dieci metri e tutto ciò confonde le persone. Ma quale è la realtà? Spesso anche gli esperti forniscono informazioni contraddittorie aumentando la confusione. Da questo punto di vista la bellezza della simulazione non è solo quella di poter supportare la ricerca, ma anche di poter contribuire all’educazione sociale. Non appena le persone vedranno con i loro occhi come si muovono le particelle nelle diverse situazioni del quotidiano, e capendo che le indicazioni di distanziamento dipendono dalla situazione specifica, esse agiranno di conseguenza senza che siano necessarie imposizioni.
In relazione a questo, ricordo che due mesi fa ho ricevuto per la prima volta alcuni risultati della simulazione fatta dal Professor Yu Feng della Oklahoma State University. La simulazione mostra l’effetto della propagazione di goccioline di saliva a seguito di un colpo di tosse fra due persone a un metro e a 1.8 metri di distanza. Mia figlia di 11 anni stava guardando il video e mi ha detto: “OK papà. Non posso stare a un metro di distanza, mi sembra che sia troppo vicino. Starò a 2 metri di distanza da chiunque”.

Fig. 1 - Distanziamento sociale.

Un altro risultato apprezzabile, oltre quello educativo è quello formativo: i risultati ottenuti dalle simulazioni sono utili alla formazione del personale medico. Ad esempio, se un paziente sta incubando il COVID può essere necessario un cambio di mascherina. Ma la mascherina chirurgica protegge dal rischio che le particelle possano entrare lateralmente? La simulazione del contatto può essere in questo caso di supporto per valutare sia la capacità di contenimento che il comfort: dopo molte ore il viso del paziente può infiammarsi per l’eccessiva pressione della mascherina.

Fig. 2 - Istantanea dell'irraggiamento (W/m2) dell'interno di una cabina utilizzando un impianto a lampade UVC.

Un altro aspetto importante che può essere affrontato con la simulazione è la contaminazione delle superfici quando si viaggia in aereo o in treno. Ci sono diverse soluzioni possibili e ancora una volta le simulazioni possono aiutare fornendo un’indicazione, ad esempio, sulle giuste dosi di UV per cm2 (fig. 2) affinché ci sia la decontaminazione di ogni superficie toccata dal passeggero. In questo caso è possibile impiegare un robot che utilizza i raggi UV e prevedendo con la simulazione le zone effettivamente irraggiate si è sicuri di decontaminare in modo rapido, efficiente ed efficace le superfici. Ad esempio, la decontaminazione di un aereo o un treno potrebbe avvenire nei tempi di attesa d’imbarco dei passeggeri. Non occorrono quindi tante persone e in questo modo si può ottenere un buon compromesso tra l’aspetto economico e quello della sicurezza sanitaria.
In questo momento però, la grande battaglia per vincere il COVID è soprattutto sul farmaco. I ricercatori stanno lavorando per trovare un vaccino e si spera che ciò avvenga fra la fine dell’estate e l’inizio autunno. Non appena un vaccino sarà approvato si dovrà passare ad una produzione su larga scala con un processo di produzione che dovrà essere in grado di produrre vaccini per miliardi di persone: mai nella storia umana è stata affrontata una produzione su questa scala. In questo scenario le simulazioni possono giocare ancora una volta un ruolo chiave.
Si potrebbe anche parlare di aule, ristoranti, palestre o sale operatorie e considerare la possibilità di una variazione di geometria dei sistemi di ricambio dell’aria. Per questi ambienti è possibile supportare la progettazione mediante “gemelli digitali” basati sulla fluidodinamica numerica e su strumenti di mesh morphing. Questo approccio è già in uso per le strutture sanitarie. Nelle unità di terapia intensiva neonatale, il tempo di preparazione del personale per accedere in maniera sicura e sterile al neonato può arrivare fino a 45 minuti. Decisamente troppi per un’emergenza e potrebbero risultare fatali in alcuni casi. Come ridurre questo tempo? Utilizzando la simulazione è possibile risolvere il problema. Intervenendo infatti sul sistema di ventilazione è possibile l’accesso di emergenza di personale che non abbia effettuato la sterilizzazione. La contaminazione in questo caso viene evitata regolando opportunamente il sistema di ricambio dell’aria e la protezione dei pazienti è garantita da invisibili barriere d’aria.


M.E.B. – Una soluzione veloce basata sulla separazione dei fluidi. Quindi, controlliamo con precisione l’HVAC, questa è l’idea di base?


T.M. – Certamente, ma bisogna porre attenzione ai filtri perché l’aria che viene risucchiata potrebbe contenere dei virus. Inoltre, tornando al caso di ristoranti, palestre e altri ambienti della vita quotidiana, il metodo deve essere veloce, economico e facilmente accessibile. Una soluzione potrebbe essere quella di definire dei template di luoghi di vita, facilmente adattabili. Si potrebbe mettere un ristoratore nelle condizioni di verificare con uno strumento on line cosa succede nel suo esercizio in modo da poter decidere autonomamente la disposizione dei tavoli e la regolazione ottimale del sistema di trattamento dell’aria. Quindi le parole chiave sono: soluzioni economiche e veloci!


M.E.B. – Che ne pensi del protocollo BIM per la digitalizzazione degli edifici? Pensi che potremmo inserire un controllo attivo per un HVAC per avere una migliore qualità dell’aria?


T.M. – Questo è il sogno del BIM fin dall’inizio. In futuro avremo gemelli digitali non solo finalizzati alla sicurezza ma anche all’aspetto energetico. Sarà possibile regolare la temperatura e il livello di umidità nelle case e risparmiare molta energia. Penso che nonostante gli aspetti negativi dovuti alla perdita di tante persone, il COVID potrebbe essere l’occasione per investire in sicurezza sanitaria e per migliorare i comportamenti delle persone. La simulazione tramite gemello digitale, combinata con l’approccio BIM in relazione all’edilizia, potrebbe aiutarci anche in futuro, riducendo drasticamente la propagazione dell’influenza o di qualsiasi altro tipo di virus. Quindi, penso che questo diventerebbe un vantaggio da utilizzare ma a condizione di riconoscere il ruolo centrale delle simulazioni.


M.E.B. – Abbiamo parlato di ristoranti, di aerei, di corsa all’aperto. Ma come comportarsi quando lo sport si svolge in luoghi chiusi?


T.M. - Abbiamo pubblicato in questi giorni un articolo sulle palestre in cui si utilizza un approccio che sfrutta la ventilazione proveniente dall’alto che spinge l’aria verso il basso utilizzando prese d’aria nella parte inferiore dell’edificio. Un approccio numerico simile è già stato utilizzato anni fa a supporto della costruzione di nuovi edifici. Era importante infatti assicurarsi che il nuovo edificio, convogliando diversamente il vento, non influisse sul comfort dei pedoni.
L’uso della simulazione consente anche di ottimizzare gli spazi interni. Nel data center di ANSYS in Germania siamo riusciti a ridurre il consumo energetico intervenendo sul layout e sul posizionamento dei sistemi di raffreddamento dei server risparmiando così 10.000 euro sui costi annuali. (https://www.ansys.com/-/media/ansys/corporate/resourcelibrary/article/aa-v5-i2-better-cooling-hot-savings.pdf).


M.E.B. – Ho capito che immagini un possibile ruolo della simulazione quando si avrà un vaccino e si dovrà produrlo. Quale?


T.M. - Ogni volta che si lavora a nuovi farmaci o vaccini, non si utilizzano serbatoi di miscelazione molto grandi o grandi bioreattori. Le dimensioni sono molto ridotte perché si producono piccoli volumi di vaccino in laboratorio per poche persone. Anche nel caso di poche migliaia di pazienti siamo ancora su una scala pilota e serbatoi di miscelazione di pochi litri. Per il COVID sarà necessaria una produzione su larga scala e per passare da un litro a 5000 litri e molto oltre, non basta solo scalare tutte le dimensioni di un fattore 10 o 100. In questo caso l’esperienza di decenni di simulazioni gioca un ruolo chiave per comprendere meglio il processo di miscelazione e per creare bioreattori in grado di garantire la qualità anche su scala di produzione di massa (fig. 3).
Per fronteggiare l’emergenza la nostra azienda si impegna a rendere disponibili tutte le risorse necessarie e opportune sia in termini di tecnologie di simulazione che di competenze.


M.E.B. – Ho un’ultima domanda. Quando pensiamo alla possibilità di personalizzare l’HVAC con strumenti collegati al cloud, usando gli strumenti standard di ANSYS o di altri, quale TRL (Technology Readiness Level) possiamo considerare? Possiamo fidarci di questi strumenti per contrastare la propagazione del virus? Sono pronti per essere certificati?


T.M. – Il punto principale di ciò che stiamo affrontando con le autorità di certificazione è tutto da verificare e validare. Il modello pre-COVID era spiegato in un documento pubblicato dalla ASME che definisce quali sono i passaggi per verificare e validare un modello ai fini dell’approvazione da parte dalla FDA. Allo stesso modo, ora stiamo lavorando a stretto contatto con l’agenzia europea per i medicinali (EMA), per un “white paper” su argomenti simili ma con un focus sul farmaceutico: i regolamenti nei diversi Paesi sono differenti. Tutti gli enti certificatori sono a conoscenza dell’importanza delle simulazioni ma allo stesso tempo vogliono assicurarsi di definire le linee guida giuste per garantire che qualsiasi tipo di modello sia adeguatamente normato. Stiamo lavorando con i governi in tutto il mondo, tra cui il governo australiano, proprio per regolamentare i criteri di accettazione delle simulazioni. C’è molto lavoro da fare. Si sta lavorando con gli enti ma anche con i governi i quali devono dare delle linee guida e adeguare la legislazione in modo tale che sia possibile utilizzare approcci basati sulla simulazione. Questo è uno dei ruoli chiave dell’Avicenna Alliance per la quale ho il privilegio di ricoprire il ruolo di Segretario Generale.


M.E.B. – Grazie Thierry. È stata una conversazione estremamente piacevole. Sono sicuro che i lettori di «A&C - Analisi e Calcolo» la troveranno interessante.


T.M. – È stato un piacere Marco. Segnalo ai lettori che la ANSYS ha predisposto una pagina del sito web dedicata all’argomento. Viene aggiornata molto frequentemente ed è possibile approfondire molte delle notizie che ho dato oggi (ansys.com/COVID).


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— Marco Evangelos Biancolini

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