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病毒环境下保护率的简单估算

2021年1月2日,我在年终总结和展望中提到过对今年新冠疫情的判断,

当然,随着疫苗上市,越来越多人会接种疫苗,从而遏制疫情的进一步蔓延,但全民普遍免疫需要至少3~5年,所以,这几年,对疫情依旧必须保持谨慎态度应对。疫情对餐饮、旅游的冲击依旧会存在,但是会慢慢减弱。

目前,新冠变异,delta病毒再次卷土重来,且传播快速,已经造成了一定程度上的恐慌,个别城市再次进行居家隔离、甚至封城,而如果疫情继续蔓延,大规模封城,停止餐饮、娱乐等聚集性活动将成为必然措施。

在最近几个月的日常活动中,我看到了大量的民众在人员密集区,如商场,公交车站,汽车站,电梯等环境下居然已经不再佩戴口罩,让人甚是不解!最离谱的是,很多餐饮从业者居然也不佩戴口罩,有些装修干净的餐馆,开业之初员工口罩佩戴规范,让人眼球一亮,以为这是一股清流,然而,一个月不到,口罩要么成了装饰品,要么干脆不佩戴…

也就清净了几个月,疫情再次反扑。我们知道疫苗和口罩可以帮助我们应对疫情传播,但我更想知道它们对我们的保护效果到底是多少。为此,我希望通过简单的模型做出估算,以便可以量化口罩+疫苗的效果。

为了便于模型建立,我们假设口罩可以过滤P1的颗粒物、飞沫等,这个值可以等价看做一个时间片段内(这个时间段可以记为T)对人的保护率;疫苗在产生抗体后的有效率为P2。那么,当一个人戴了口罩,并注射的疫苗已经激发身体产生了足够抗体后,当他处在有病毒源的环境下被感染的概率为,病毒同时突破口罩防护(1-P1)和抗体(1-P2),也就是,

P3 = (1-P1)(1-P2)

从而由此得到这个时间T内的保护率为,

Px= 1- P3 = 1 – (1-P1)(1-P2)

Px为T时间段内的保护率,如果一个人在n个T时间中暴露在有病毒源的环境中,则他不被感染(保护率)为

P = Px^n= (1-P3)^n

接下来,我们调查口罩防护相关数据。

查阅口罩标准,从北京政府网站得到了一份比较清晰的描述不同口罩的介绍,得到如下不同口罩的标准差异:

这里就让我们感到非常困惑了,如果按照PFE来衡量病毒的过滤效果,医用防护口罩可以达到95%以上,而医用外科口罩30%,一次性使用医用口罩居然没有要求,可以认为0% ,虽然这三种口罩对细菌的过滤效果BFE。世卫组织COVID-19个人防护装备技术规格显示,各国的医用口罩标准在PFE项目上也是差异明显,

我们国内目前主要的医用防护口罩、医用外科口罩,一次性使用医用口罩这三种对PFE标准的差别非常明显。目前民众主要佩戴的口罩为医用外科口罩和一次性使用医用口罩,这也就一定程度说明了为什么有人戴了口罩也是那么容易被感染,原因就在PFE这项指标差异上。

到了这里,我不得不使用这三种口罩的PFE指标来计算保护率。

医用防护口罩+疫苗

取PFE=95%, 即P1 = 95% , 疫苗有效率90%, 即P2=90%, T按照4小时计算

从计算表看,这种场景下,暴露7天还有81.02%的保护率,暴露30天保护率40.57% 。

医用外科+疫苗

取PFE=30%, 即P1 = 30% , 疫苗有效率90%, 即P2=90%, T按照4小时计算

从计算表看,这种场景下,只要暴露一天,保护率就降为64.70% 。

一次性使用医用口罩+疫苗

取PFE=0%, 即P1 = 0% , 疫苗有效率90%, 即P2=90%, T按照4小时计算

从计算表看,这种场景下,只要暴露一天,保护率就降为53.14% 。

疫苗100%有效带来暴露时长无关性

我们再看一种特殊情况,就是我们的疫苗可以100%,我们可以得到

Px = 1 – (1-P1)(1-P2)= 1-(1-P1)(1-1)=1-0=1

也就是说,时间段T内保护率是100%,n个T中,保护率为

P = 1^n = 1

即,此时我们无论暴露多久都是100%保护率。

参考表格

这个现象很神奇,就是疫苗或口罩100%有效保护和和不足100%产生的巨大差异。然而,我们是否能够研制出100%有效保护的疫苗呢?目前我认为mRNA技术可能是一个很好的选择。但这个新技术的大规模使用仍然会让大家担心,因为mRNA疫苗在此次疫情之前还没有过大规模使用,潜在风险没有完全被掌握。只能谨慎评估了。

模型反映的问题

从上面三种不同口罩+疫苗的防护方案来看,当近距离处于病毒源环境下时,医用防护口罩(PFE>95%)的效果最佳,医用外科次之,一次性使用医用外科口罩基本无病毒防护效果。

那是不是我们一定都佩戴这种医用防护口罩呢? 医用防护口罩的优点是防病毒效果良好,缺点是长期佩戴会让人感觉闷,我们要根据自身要去的环境判断:

1) 如果人员密集,要优先考虑佩戴医用防护口罩。

2)如果前往疫区、医院,则必须佩戴医用防护口罩,甚至使用防护罩和防护服。

3)对于医务工作者,在当前疫情下则应该必须使用医用防护口罩。应该优先考虑GB19083-2010标准口罩。

4) 人员稀疏、非疫区则可以使用医用外科口罩

5)疫情期间不推荐使用一次性医用防护口罩。

另外,模型反映了一个事实,佩戴医用防护口罩可以大幅提高保护率减少接触病毒源也是至关重要的一个因素。简单来说,少去人员密集场所、疫区。

另外,这也从一个侧面说明了,为何有人佩戴了口罩打了疫苗仍然被感染。口罩防护效果不佳,长时间接触病毒源都会降低保护率,导致感染概率增加。

如果疫苗或口罩可以做到100%有效防护,理论上我们就可以做到 保护率与暴露时长无关性,100%有效保护。但100%的技术仍旧需要继续研究探索,有效性和安全性同等重要。

模型不足

在本模型计算中,我们使用4小时做为时间片段,这个主要依据的是口罩的推荐更换时间做参考,这一点可能不准确,这个需要可靠的实验数据获取。

为了便于大家研究参考,特别将计算表上传.

参考

[1] 口罩使用手册 http://yjj.beijing.gov.cn/yjj/xxcx/kpxc/ylqx6/1696942/2020021319333121537.pdf
[2] 世卫组织COVID-19个人防护装备技术规格 https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/336622/WHO-2019-nCoV-PPE_specifications-2020.1-chi.pdf

在文章中显示数学公式

在我们写博客过程中可能涉及要显示数学公式,那么这时让wordpress博客支持数学公式就显得很有必要。现在我讲支持方式写出来:
1. 首先为博客安装插件:MathJax-LaTeX, 它是基于https://www.mathjax.org/

实现的。

2. 在编写博客时,在你想显示数学公式的地方输入latex标签,中间用latex语法输入数学公式即可,比如

数学公式录入

这样就可以显示如下样式的公式,

\( E=mc^2 \)

另一个复杂的例子,

\(\left [ – \frac{\hbar^2}{2 m} \frac{\partial^2}{\partial x^2} + V \right ] \Psi = i \hbar \frac{\partial}{\partial t} \Psi\)

如果需要查看latex源码,可以在公式上面点击鼠标左键查看。很是方便。

注意:在墙内,默认的mathjax cdn是无法访问的,这样会导致它无法加载,影响公式的渲染展示,这时,请到MathJax-LaTeX 设置页面的Custom MathJax location? 录入一个mathjax cdn,比如我录入的是://cdn.bootcss.com/mathjax/2.6.1-rc.1/MathJax.js, 同时不要勾选Use MathJax CDN Service? ,然后保存。这样就可以正常显示公式了。

sin(18°)与黄金分割

写程序累了,来点数学换换口味:) 想起高中时求sin(18°)的一个方法,感觉挺有意思,写下来与大家分享。通过这个方法可以看出它与黄金分割的关系.

我们构造一个顶角A为36°的等腰三角形△ABC,作角∠B的平分线,交AB于D,并作出∠A的平分线,交底边与E,如下图,
SIN18

则我们有

△ABC∽△BCD,

从而有,

AB/BC = BC/CD,

即有,

BC^2 = AB*CD

所以,BC =AB* (sqrt(5)-1)/2,
由于AE⊥BC, AE为∠A的平分线,所以,

sin(18°) = sin(∠BAE) = AE/AB = (BC/2)/AB

=(1/2)*(BC/AB)
= (sqrt(5)-1)/4 ≈ 0.618/2 = 0.309
也就是说,sin(18°) 为黄金分割的一半。

作者:豆博草堂