高中效過濾、高強度紫外線和動態離子殺菌組合在手術室的應用

空氣污染是手術切口感染的原因之一，也是某些高度無菌手術感染的重要原因，特別是關節置換手術。為了減少手術感染，已經開發出許多空氣除菌技術，包括空氣過濾除菌技術，管道紫外線流動空氣輻照殺菌技術，離子空氣殺菌技術，氣體消毒技術和凈化除菌技術。2002年我國頒布《潔凈手術部建筑技術規范》以來，相比其他空氣消毒殺菌工程技術，空氣潔凈技術在我國綜合醫院的工程建設領域得到了迅速發展。遺憾的是采用層流手術室技術比我國早幾十年的世界發達國家,有關層流手術室沒有減少感染率的研究不斷出現在著名醫學研究雜志上。這一感染率沒有減少問題的實質是層流空氣解決了送入空氣的無菌衛生，防止了外部空氣和通風空調系統的內部污染對手術感染的影響，但垂直或水平定向氣流對源于室內的手術組人員產生的動態污染控制效果有限，甚至加重手術切口局部污染。另一個困擾的問題是采用潔凈技術帶來的高投入、設備大空間和過高的運行能耗與費用問題，使得大多數醫療保健機構建不起和用不起，引起了越來越多的關注。相比傳統的手術室空氣潔凈技術的效果和高投入以及高能耗問題，新的投資少和效果好的空氣消毒殺菌技術不斷涌現，美國和歐洲發達國家已經依據新的認識和新的空氣衛生技術修改了醫療保健設施手術室通風空調標準，我國醫院手術室空氣潔凈技術何去何從？如何發展？已經到了一個需要回顧和總結的歷史階段。本文就世界手術室空氣無菌潔凈技術的起源、高中效過濾除菌、高強度管道紫外線輻照和動態離子殺菌組合空氣衛生新技術的原理和筆者據此研究開發的世界上第一例可顯著降低造價和低運行費，控制動態手術污染的高中效過濾與手術中環境空氣和表面動態殺菌的工程實例給予介紹和探討。

1 手術室空氣過濾無菌技術的歷史回顧與問題

1961 年，為解決關節置換手術高達 8.9% 的術后感染問題，胯關節置換手術之父—英國約翰·查恩利醫生（John Charnley，1911-1982）在英國Wrightington醫院發明了世界上第一個采用空氣由上向下流動的全新風手術倉（greenhouse，圖1），換氣次數為 10 次，靜電過濾，1962 年投入使用。在空氣過濾專家 FN. Howorth 的協助下，改進為采用對 2 μm 粒徑塵粒具有 98% 過濾效率的袋式空氣過濾器，垂直氣流，換氣次數由10次增加到130次。改進后的約翰·查恩利手術倉關節置換手術中的每小時空氣菌落數由無空氣過濾處理時的 80~90cfu/ 皿，減少到 1961 年首個普通過濾空氣手術倉10 次換氣的 25 cfu/ 皿，再減少到 130 次換氣時的1.8 cfu/ 皿（1966 年），手術感染率也隨之減少到1%。約翰·查恩利醫生意識到除了空氣污染對手術感染的影響外，手術醫生也可能是手術感染的污染源，他為此發明了可有效隔離人體散發微生物粒子的全身隔離排氣手術服（圖2），使得手術中的

空氣細菌數進一步減少，手術感染率降低到0.65%。約翰·查恩利醫生的研究，證明了中效過濾與全身隔離吸氣服結合使用可以達到良好的動態空氣無菌指標并降低切口感染。英國約翰查恩利醫生發明的世界第一個無菌空氣手術倉，盡管已經過去了 49 年，但其發明的三項技術：1）手術臺局部無菌凈化，2）中效過濾和向下的送風氣流，3）隔離手術服，對于今天的中國應當如何建設空氣無菌手術室依然具有重要的現實意義。特別需要引起我國《潔凈手術部建筑技術規范》修改組的思考。

1 9 6 2 年，惠特菲爾德·威利斯（W i l l i sWhitfield）先生在美國新墨西哥州美軍桑迪亞實驗室安裝了世界第一個高效過濾水平層流凈化裝置。在他的協助下，1964年美國新墨西哥州巴頓紀念醫院在現有的手術間內建成了世界上第一個垂直層流局部高效過濾的手術倉（圖3），1966 年 1 月 3日投入常規使用。這個局部凈化設施的四周有塑料圍簾，垂直層流空氣來自手術臺上方天花板上懸掛的HEPA過濾器。6臺鼓風機以90英尺/min或者600次換氣 /h 的速率提供垂直氣流，新風量為 15 次換氣。

筆者設計的我國第一個包括有13個空氣凈化手術室的手術部，1979年在沈陽市沈陽軍區總醫院建成并在當年投入使用，凈化級別為12 間 100000級，一間 10000 級。

幾十年來，以高效過濾為核心技術的空氣凈化技術已經為世界各地的醫院手術室采用，但由于高投入、大空間、高運行費、維護復雜和效果難以肯定等問題的影響并未在發達國家普及應用。例如，2005 年美國的一項手術室使用空氣凈化技術，隔離排氣服或手術中紫外線直接照射的清潔手術慣例調查表明在美國的4個州只有30%的醫院對高度無

菌要求的關節置換手術采用了空氣凈化技術，42%的醫院采用隔離排氣服，采用手術中紫外線直接照射手術區的醫院有 5%，有占比例 36% 的 107 所醫院沒有采用以上任何一種清潔手術慣例。由此可以斷定美國醫療保健設施綜合外科手術部采用空氣凈化技術的普及率比例很低。我國是一個發展中國家，根據《2009 中國衛生統計年鑒》統計數據，截止到 2008 年底，我國衛生機構總數已經達到27.83 萬個。在這 27.83 萬個衛生機構中，地縣醫院、社區衛生中心、衛生院和診所數量占距了總數的 93% 以上。相比省級以上醫療機構，這部分衛生機構經費緊張，基本建筑設施相對落后，有的連基本的取暖通風設施都缺乏，幾乎沒有可能采用高成本的空氣凈化系統實現治療環境的空氣衛生。因此，2002 年頒發的《潔凈手術部建筑技術規范》對我國絕大部分醫療機構的空氣品質改善沒有絲毫幫助。1961 年約翰查恩利醫生開發的手術倉只有2.3 m×2.3 m，美國巴頓醫院的局部垂直流手術室，塑料幕簾內的凈化面積也就是 10 m²左右。局部凈化一直是世界各國手術部潔凈技術應用的主流趨勢。但我國2002 年頒發的《潔凈手術部建筑技術規范》將手術室的局部凈化變成了手術部整體凈化，造成凈化技術被過度使用，投資大大增加，產生了高額運行費用和能耗，既不符合我國國情，也不符合醫學科學的研究結果。

空氣潔凈技術，特別是最高凈化要求的層流手術室是否有利于預防感染，以美國CDC為代表的政府機構持負面的意見，一些醫學統計研究甚至提出了層流手術室感染率高過普通空調或亂流凈化空調的研究結論（表1）。

表1的研究是用戶（醫學界）對其使用的層流設備在應用層面給出的對層流設備與手術感染率的宏觀研究，不可能涉及到具體的層流技術。但任何產品的研制和發展，需要在理論、專業和用戶層面給予分析和評論，尤其需要聽取用戶意見。任何用戶都有權對其使用的產品作出評論和研究，凈化專業技術人員需要從用戶對層流的宏觀研究中找出產品需要改進的方面，不能用沒有評論資格和研究方法重大錯誤的觀點去否定用戶的直觀研究。

2003年前美國國家健康研究院已對手術室的通風和防止手術切口污染的有效性進行了廣泛的研究。表2中一項研究表明，對于減少手術切口空氣污染區而言，空氣換氣次數并不重要。20 h^-1通風換氣的落入手術區的微粒明顯小于 150 h^-1通風換氣。瑞士2006年的一項對手術服與層流手術室空氣污染的模擬研究也證明了手術臺中心區存在嚴重的局部空氣污染。圖4是模擬手術實驗的現場照片，表3是測試結果。

表3可見層流手術室模擬手術中存在手術人員上風向污染的手術臺中部切口區的0.5 ìm塵粒數為5277 粒，污染嚴重，但同一手術臺尾部的器械臺處，由于人員污染少，0.5 ìm 塵粒數僅為 47 粒，差別極為顯著。

分析以上研究，可以發現造成空氣凈化沒有有效減少手術感染的重要原因之一是自身無菌的潔凈氣流只能稀釋但無法解決手術中圍繞手術臺的手術組人員對切口的局部直接污染，潔凈技術特有的垂直或水平高速氣流甚至將位于上風向的手術人員散發的微生物微粒定向導航污染了手術切口。單向流的氣流速度越高，手術時間越長，形成的切口量化污染就越大。

全身隔離排氣服可有效防止手術人員對切口的污染，但穿著不方便，影響手術操作，噪聲大，且機械排氣系統若有故障，幾分鐘就可使身穿隔離排氣服的人汗流浹背。因此采用何種通風空調技術方式，既可防止外部空氣污染又可控制手術中動態的空氣污染，又經濟實用，容易為大多數醫療保健機構采用，是我國通風空調專業面臨的現實問題，更是關系到普及全民醫療保健的國家醫療衛生方針和重大醫療建設投資的制定的重要問題。下面的章節將就此展開詳細討論。

2 復合過濾殺菌衛生技術

自然環境的空氣中，存在無以計數的以氣溶膠狀態存在的塵粒，包括微生物粒子。對于電子行業的潔凈室，由于半導體元件基板電路間的連線寬度僅為 30 nm（0.03 μm）的芯片已經投入生產，生產車間的空氣的潔凈度必須采用高效甚至超高效過濾器，嚴格控制空氣中的≥ 0.1 μm 直徑的塵粒數量，否則會引起電路間短路，產品報廢。但涉及空氣衛生控制的微生物粒子，其平均粒徑則大得多。單個細菌的直徑一般在0.3 μm ~10 ìm之間，與其它氣溶膠成分結合形成細菌氣溶膠，粒徑范圍為0.3 μm ~100 ìm。一項國內對室內外微生物氣溶膠粒徑分布特征的研究表明：氣溶膠粒子數量主要集中在粒徑 1.1 μm~4.7 μm。數量比例 19.9%~21.1% 的微生物氣溶膠粒子粒徑為 3.3 μm~4.7 μm，21.1%~22.4% 的微生物氣溶膠粒子粒徑為 2.1 μm~3.3 μm，8%~24.3% 的微生物氣溶膠顆粒粒徑分布在 1.1 μm~2.1 μm 上；室內外空氣中有 69.8%~72.9% 的細菌氣溶膠顆粒粒徑在 0.65 μm~6μm 之間。2010 年希臘的一項關于空氣微生物氣溶膠粒徑和數量濃度的研究表明，空氣微生物氣溶膠的粒徑主要分布在 2.1 μm 到 3.1 μm 之間（圖5）。

由圖5可見粒徑為 0.65 μm到 1.1 μm的大氣微生物氣溶膠微粒的濃度已經接近于零，絕大部分空氣微生物的粒徑分布集中在1.1μm 到 7 μm 之間。據此可以假定帶有微生物的氣溶膠微粒的平均粒徑一般大于 1 μm，容易被高中效過濾器攔截。也就是說

不一定要采用高效過濾器即可全部攔截微生物微粒。我們在上海肺科醫院無菌病房采用的非高效二級過濾，實測空氣菌落數的結果證明了以上的假定。約翰查恩利醫生采用的中效過濾手術倉和美國醫療保健設施通風空調標準的對手術室空調二級過濾要求，都說明對于空氣微生物控制，中效過濾器可以達到醫院空氣衛生控制的基本要求，經濟實用。美國ASHRAE52.2-2007過濾器最低效率評價標準對不同過濾等級的濾器對1 μm~3 μm粒子的平均過濾效率見表 4。由表4可見當對手術室送風采用 F7（相當MERV13，對 1 μm 粒子最低過濾效率90%以上）和 F9（相當 MERV16，對 1μm 粒子最低過濾效率95% 以上）二級過濾。計算可得二級高中效過濾組合過濾，對1 μm粒徑微生物氣溶膠的綜合濾除效率可大于 99.5% 以上。