層流手術室集中布置送風口的理論基礎是什么？

提要　我國標準將潔凈層流手術室分為四級, 其中前三級要求在手術臺上方集中布置送風口,這樣做是為了保護關鍵區域, 符合我國早就提出的局部凈化和主流區理論。按主流區理論計算結果表明, 這樣布置送風口, 將在同樣換氣次數下使手術臺區潔凈度提高一個級別, 使主流區細菌濃度和周邊區細菌濃度之比降到0 .5 以下。

1 　保護關鍵區域和局部凈化

我國國家標準《醫院潔凈手術部建設標準》已從2000 年10 月1 日起施行。《標準》對潔凈用房分為4 級。其中對潔凈層流手術室是按手術臺區和周邊區的細菌濃度和空氣潔凈度來分級的, 這在國際上還是第一次。《標準》第29 條規定“ Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ級潔凈層流手術室應采用局部集中送風方式, 集中布置的送風口面積即手術區的大小應和層流手術室等級相適應, Ⅰ 級時的不小于6 .2 m²(其中頭部專用的不小于1 .4 m²),Ⅱ級不小于4 .6 m² , Ⅲ級不小于3 .6m²” 。

這樣規定, 完全不同于比較流行的工業潔凈室做法(如日本):全室單向流或者亂流方式。這樣規定, 其指導思想是應用主流區理論, 保護關鍵區域, 達到既提高潔凈效果又更經濟的目的。保護關鍵部位和局部凈化是借鑒德國的做法。德國在醫院層流手術室推行的不是全室凈化和均勻送風, 而是著眼于將關鍵區域(手術臺和器械桌)的浮游菌濃度控制在限定的范圍之內。著眼于提供一個工作區的合格的背景環境。

德國醫院潔凈層流手術室的這一技術路線和柏林工業大學艾斯東(Esdorn)教授1977 年提出的污染度U_s 和相對污染度E_x 兩個概念[1] (定義參見文獻^[2] )密不可分。

德國標準DIN 1946 第4 部分“醫院通風空調”采用了上述概念, 并規定所謂一般無菌層流手術室允許Us =1 , 所謂高度無菌層流手術室允許Us =2/3 。

污染度概念的提出對于德國稱之為無菌層流手術室的潔凈層流手術室以不同于當時工業潔凈室一般做法的模式發展, 起到了促進作用。它的主要優點是:

①以細菌濃度作為判斷依據, 適合醫務人員習慣。

② 給出了達到所謂一般無菌要求的基本條件———20h^-1潔凈空氣量的換氣次數, 認為這樣的換氣量就可以滿足所謂一般無菌層流手術室的衛生要求,這就是說, 潔凈層流手術室必須送潔凈風, 換氣量至少相當于20h^-1 。

③給出了工作區是關鍵區域的概念, 提出了將20h^-1換氣量集中在工作區上方送出的主張,使手術區達到的細菌濃度僅為室內平均濃度的一半, 即污染度降到0 .5 。這就是集中布置過濾器和常規分散布置過濾器的區別。

④沒有停留在概念上, 而是把概念和實施的裝置結合起來, 開發了層流手術室送風吊頂單元, 并將此項開發成果轉讓給偉醫士(Weiss)公司, 這也就

是今天我們看到的歐洲許多潔凈層流手術室送風吊頂單元(包括德國T rox Technik , Nickel 和瑞士Luwa等公司)的基型。

但是, 污染度概念表現的不足在于:

① 沒有給潔凈層流手術室定下細菌濃度絕對量的標準, 這在DIN 1946 第4 部分中也沒有反映。雖然2400m³/h 基本風量是經過測定等給出的, 但沒有給出這一風量所能達到的細菌濃度標準, 也沒給出有關的條件(如面積、人數)。這樣相對量之間的比較就意義不大, 可操作性不強, 而且顯得2 400m³/h(或20 h^-1換氣)的認定有隨意性。

② 艾斯東污染度的概念, 實質上是追求一種最小風量的思路, 他的方案只適用于所謂一般無菌的層流手術室, 這顯然是有很大局限性的, 而且同在歐洲的英國、瑞士等國標準中的送風量就比德國大得多。這一點也被曾在偉醫士公司工作的許密特(Schmidt)教授指出, 認為上述最小風量思路并非正確, 增加的一些投資與其所產生的避免感染、保證手術成功的效益及減少可能引起法律訴訟的損失相比, 是很微小的, 他則提出了所謂高度無菌層流手術室風量必須大于7 500 m³/h 。

③ 不論是艾斯東教授得出的Us =0 .5 的結果, 還是許密特教授由大量測定歸納出的送風面積和保護區面積的結果(見文獻[2] 表1), 都沒有達到理論預測的程度, 沒有提供一種基本可行的理論計算方法, 這也就降低了實踐中的可操作性。

其實, 反映在污染度概念和DIN 1946 第4 部分中的若干思想, 對于我們來說并不陌生。

德國1977 年提出的這一污染度思路, 認為潔凈層流手術室不必進行全室凈化, 只需局部降低細菌濃度以及有效保護關鍵區域;并集中使用20^h-1 換氣量的潔凈風于手術臺上方送出。這一思路的實質就是“局部凈化”和“主流區”概念的結合。

我國1977 年7 月經全國鑒定審查會通過并于1979 年正式出版的《空氣潔凈技術措施》^[3] 就第一次提出了“全面凈化”和“局部凈化”的概念:

“凡是通過空氣凈化及其它綜合處理措施, 使室內的整個工作區域成為潔凈空氣環境, 這種做法稱全面凈化” 。“凡僅使室內的局部工作區或特定的局部空間成為潔凈空氣環境, 這種做法稱局部凈化” 。“在滿足工藝要求的條件下應盡量采用局部凈化” 。當然這種局部凈化也給全區帶來凈化效果。

2　主流區概念及不均勻分布濃度計算

主流區, 是1978 年國內首次提出的概念[ 4] :在亂流潔凈室內, 在送風口下方一個范圍內為主流區, 其潔凈度最高;在回風口附近有一很小的回風口區, 其潔凈度可以高于也可以低于室內平均濃度, 這要視不均勻分布系數Ψ大于或小于1 而定,但是它等于理論的均勻分布時(Ψc =1)的室平均濃度;此外, 在送風口兩側的其他區域是含有渦流的紊流區域, 習慣簡稱渦流區(并不是說整個區域都是渦流), 其潔凈度明顯低于中心的主流區。三區不均勻分布見圖1 。

根據主流區概念, 對于末端為高效過濾器的潔凈空間,由于送風濃度極小,因而有:

不均勻分布的室平均濃度

主流區濃度Na=Ψa N , 渦流區濃度Nb =Ψb N , 回風口區濃度Nc = Ψc N。

式中　Ψ——不均勻分布系數,；

Ψa —— 主流區不均勻分布系數,；

Ψb —— 渦流區不均勻分布系數,；

Ψc —— 回風口區不均勻分布系數, Ψc =1 ;

n —— 換氣次數;

N —— 均勻分布的室平均濃度,,Ns —— 送風濃度;

G —— 單位容積發塵量;

β ——主流區發塵量占全室發塵量的比例;

——主流區的引帶系數;

—— 渦流區容積占全室容積之比。

3　主流區污染度

Ψc =1 說明, 回風口區濃度就是均勻分布時的總平均濃度, 過去的理論研究成果已指出應把工作區置于主流區下, 為了判定集中布置送風口并使工作區布置在主流區下與常規分散布置相比的優越程度, 有以下幾種考慮。

① 這一程度用主流區濃度與室平均濃度之比即Ψa/ Ψ來表達, 因為室平均濃度中包括主流區濃度, 則從比值上可能反映不出主流區的優越。同時, 當采用集中布置送風口的主流區方案時, 對室平均濃度的認同易產生分歧, 因為在主流區內的測點應占多少和各自加權系數有關, 不好確定, 因而可操作性不強。

② 這一程度用主流區濃度與回風口濃度或均勻分布時室平均濃度之比即Ψa/ Ψc 表達, 也就是用Ψa 表達, 雖然有可操作性, 即回風口區濃度(也就是相當回風濃度)可測出來, 但因為工作點不可能布置在回風口區, 它們之比不是最受關心的。前述德國的污染度概念就是這樣一個比值, 它不能回答集中布置送風口以后關心的一個問題, 即沒有送風口的周邊區如何? 此外, 雖然回風口濃度可以測, 但顯然不同位置的回風口其濃度有較大不同,這就需要全測才不至于失真太大。

③ 這一程度用主流區濃度與渦流區即周邊區濃度之比即Ψa/ Ψb 表達, 則能比較清楚地說明問題。前面已說過, 渦流區是指主流區兩側含有渦流區的紊流區, 它的濃度就代表除了主流區和回風口以外的室內其他主要區域的濃度, 也就是主要為主流區周邊地區的濃度。所以Ψa/ Ψb 可以反映出工作區內和非工作區內的濃度差別。同時, 這兩區的濃度都可以按區布點分別測定。綜上所述, 即主流區對于周邊區的污染度, 稱為主流區污染度, 以Ψa/ Ψb 表示, 它明顯區別于德國的污染度即Ψa/ Ψc 。

4　分級計算

① 層流手術室的平面

層流手術室內平面按功能可分成若干區, 可以借鑒軍隊有關標準^[5] 的劃分, 見圖2 。

圖2 中“1” 區是按手術床長1 .8 m 、遇特高患者時可打開兩頭至2 .1 m 考慮的。各區間隔基本是0 .6m 。

② 手術人數

手術人數和層流手術室內人員配置方案有關, 手術中醫護人員密集在手術臺四周, 外科醫生靠手術臺, 他們是主刀、第一助手、第二助手、護士長(或器械護士), 頭部近旁有麻醉師。同時, 醫療設備越現代化, 需要的人員越少,因為一臺儀器原則上要1 人照料, 儀器現代化多功能后臺數減少, 輔助人員也就減少了。輔助人員一般在8 ～ 12 人之間, 使用現代化設備后一般不超過10 人。見圖3 ～ 6^[6] 。

③ 送風面積

既然送風集中于工作區, 則送風面積大小很重要。送風面積太大則風量要求太大或在一定風量下風速太低, 造價高;太小則影響對工作區的保護。

現在分三種情況:最低、中間和最高的標準。

最低標準是把僅包括手術臺的工作區包籠在主流區內, 中間標準是包括手術臺外圍0 .6 m 的區域, 最高標準可包括手術臺側邊外0 .9 m 的區域。(在《標準》條文中實際數字略小, 因此計算結果更可保證實現。)

在這里應考慮弱射流氣流邊界的混摻和削弱現象(參見文獻[7]圖14-3), 邊界可有10.7°角的縮小(包括10.7°角在內的區域仍屬主流區)。根據無影燈類別, 室內凈高為2 .9 ～ 3 m , 手術臺高0 .8 m , 人體切口高度0 .3 m , 工作面高1 .1m , 則每邊縮小距離為[(2 .9 ～ 3)m -1.1 m] tan10 .7°=0 .34 ～ 0 .36 m 。

④ 發菌量發菌量不是按人員密度計算的, 要直接算。室內表面發菌量還沒有直接數據, 可參考表面發塵量, 即設8 m2 地面所代表的表面的發菌量, 相當于1 個人靜止時的發菌量。人靜止發菌量最大可取300 個/(人·min), 測定人員按2 名考慮, 則總發菌量為(+2)×300 個/min 。

⑤ 系數

按送風面滿布比, 依次取0.4 , 1.3 , 0.26 ,0.2 ;β 按送風面滿布比, 依次取0.7 , 0.65, 0.8 ,0.85 ;Vb/V按送風面滿布比, 依次取0.45 , 0.65 ,0.32, 0.24 。

計算結果列于表1。

　　如果送風口滿布比很大, β 達到0.95 , 標準兩側滿布回風口, =0 .05 , 則a =0.095 , 可算出Ψa/ Ψb ≈0.048 , 則Ψb =1 .98 , 可知周邊區濃度約是主流區的20 倍, 如果主流區屬于100 級范疇, 則周邊區在1000 級范圍之內。

5　結論

由于手術區是層流手術室中發塵集中的地點, 按主流區理論, 若將這一區域置于主流區內, 則對提高主流區和全室的潔凈度大有好處, 計算結果表明,將工業潔凈室均勻布置送風口(1000級換氣次數標準), 改為集中布置送風口, 則可在手術區達到100 級的效果(不僅潔凈度高, 而且氣流流型好), 而周邊區則為1000 級。依此類推關鍵區域均可提高一級^[8] 。要說明的是, 為了縮短手術的時間, 采用了自凈換氣次數概念^[9] , 上述層流手術室的1000 , 10000 , 100000 級換氣次數比常規的略高,而對于非層流手術室房間則比常規的要小。

參考文獻

1 　Esdorn H , Nouri Z.Vergleichsuntersuchungen ǜber Luft fǜhrungssysteme mit Mischstr?mung in Operationsr? umen.In Operationsraum HLH28(1977)Nr 4.

2　沈晉明.德國的醫院標準和層流手術室設計.暖通空調,2000, 30(2):33.

3 　空氣潔凈技術措施編制組.空氣潔凈技術措施.北京:中國建筑工業出版社, 1979 .

4 　許鐘麟.潔凈室的不均勻分布計算法.建筑學會暖通空調專業委員會成立大會論文集.1978 .

5　YFB 001-1995　軍隊醫院潔凈手術部建筑技術規范.

6　梅自力, 編著.醫療建筑空調設計.北京:中國建筑工業出版社, 1991 .

7　許鐘麟.空氣潔凈技術原理.上海:同濟大學出版社,1998 .

8　許鐘麟, 張益昭, 張彥國, 等.潔凈空間新型氣流分布方式的機理和特性研究.暖通空調, 2000, 30(3):1-7 .

9　許鐘麟, 編著.潔凈室設計.北京:地震出版社, 1994 .