层流手术室集中布置送风口的理(lǐ)论基础是什么？

提要　我國(guó)标准将洁净层流手术室分(fēn)為(wèi)四级, 其中前三级要求在手术台上方集中布置送风口,这样做是為(wèi)了保护关键區(qū)域, 符合我國(guó)早就提出的局部净化和主流區(qū)理(lǐ)论。按主流區(qū)理(lǐ)论计算结果表明, 这样布置送风口, 将在同样换气次数下使手术台區(qū)洁净度提高一个级别, 使主流區(qū)细菌浓度和周边區(qū)细菌浓度之比降到0 .5 以下。

1 　保护关键區(qū)域和局部净化

我國(guó)國(guó)家标准《医院洁净手术部建设标准》已从2000 年10 月1 日起施行。《标准》对洁净用(yòng)房分(fēn)為(wèi)4 级。其中对洁净层流手术室是按手术台區(qū)和周边區(qū)的细菌浓度和空气洁净度来分(fēn)级的, 这在國(guó)际上还是第一次。《标准》第29 条规定“ Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ级洁净层流手术室应采用(yòng)局部集中送风方式, 集中布置的送风口面积即手术區(qū)的大小(xiǎo)应和层流手术室等级相适应, Ⅰ 级时的不小(xiǎo)于6 .2 m²(其中头部专用(yòng)的不小(xiǎo)于1 .4 m²),Ⅱ级不小(xiǎo)于4 .6 m² , Ⅲ级不小(xiǎo)于3 .6m²” 。

这样规定, 完全不同于比较流行的工业洁净室做法(如日本):全室单向流或者乱流方式。这样规定, 其指导思想是应用(yòng)主流區(qū)理(lǐ)论, 保护关键區(qū)域, 达到既提高洁净效果又(yòu)更经济的目的。保护关键部位和局部净化是借鉴德國(guó)的做法。德國(guó)在医院层流手术室推行的不是全室净化和均匀送风, 而是着眼于将关键區(qū)域(手术台和器械桌)的浮游菌浓度控制在限定的范围之内。着眼于提供一个工作區(qū)的合格的背景环境。

德國(guó)医院洁净层流手术室的这一技术路線(xiàn)和柏林工业大學(xué)艾斯东(Esdorn)教授1977 年提出的污染度U_s 和相对污染度E_x 两个概念[1] (定义参见文(wén)献^[2] )密不可(kě)分(fēn)。

德國(guó)标准DIN 1946 第4 部分(fēn)“医院通风空调”采用(yòng)了上述概念, 并规定所谓一般无菌层流手术室允许Us =1 , 所谓高度无菌层流手术室允许Us =2/3 。

污染度概念的提出对于德國(guó)称之為(wèi)无菌层流手术室的洁净层流手术室以不同于当时工业洁净室一般做法的模式发展, 起到了促进作用(yòng)。它的主要优点是:

①以细菌浓度作為(wèi)判断依据, 适合医務(wù)人员习惯。

② 给出了达到所谓一般无菌要求的基本条件———20h^-1洁净空气量的换气次数, 认為(wèi)这样的换气量就可(kě)以满足所谓一般无菌层流手术室的卫生要求,这就是说, 洁净层流手术室必须送洁净风, 换气量至少相当于20h^-1 。

③给出了工作區(qū)是关键區(qū)域的概念, 提出了将20h^-1换气量集中在工作區(qū)上方送出的主张,使手术區(qū)达到的细菌浓度仅為(wèi)室内平均浓度的一半, 即污染度降到0 .5 。这就是集中布置过滤器和常规分(fēn)散布置过滤器的區(qū)别。

④没有(yǒu)停留在概念上, 而是把概念和实施的装置结合起来, 开发了层流手术室送风吊顶单元, 并将此项开发成果转让给伟医士(Weiss)公司, 这也就

是今天我们看到的欧洲许多(duō)洁净层流手术室送风吊顶单元(包括德國(guó)T rox Technik , Nickel 和瑞士Luwa等公司)的基型。

但是, 污染度概念表现的不足在于:

① 没有(yǒu)给洁净层流手术室定下细菌浓度绝对量的标准, 这在DIN 1946 第4 部分(fēn)中也没有(yǒu)反映。虽然2400m³/h 基本风量是经过测定等给出的, 但没有(yǒu)给出这一风量所能(néng)达到的细菌浓度标准, 也没给出有(yǒu)关的条件(如面积、人数)。这样相对量之间的比较就意义不大, 可(kě)操作性不强, 而且显得2 400m³/h(或20 h^-1换气)的认定有(yǒu)随意性。

② 艾斯东污染度的概念, 实质上是追求一种最小(xiǎo)风量的思路, 他(tā)的方案只适用(yòng)于所谓一般无菌的层流手术室, 这显然是有(yǒu)很(hěn)大局限性的, 而且同在欧洲的英國(guó)、瑞士等國(guó)标准中的送风量就比德國(guó)大得多(duō)。这一点也被曾在伟医士公司工作的许密特(Schmidt)教授指出, 认為(wèi)上述最小(xiǎo)风量思路并非正确, 增加的一些投资与其所产生的避免感染、保证手术成功的效益及减少可(kě)能(néng)引起法律诉讼的损失相比, 是很(hěn)微小(xiǎo)的, 他(tā)则提出了所谓高度无菌层流手术室风量必须大于7 500 m³/h 。

③ 不论是艾斯东教授得出的Us =0 .5 的结果, 还是许密特教授由大量测定归纳出的送风面积和保护區(qū)面积的结果(见文(wén)献[2] 表1), 都没有(yǒu)达到理(lǐ)论预测的程度, 没有(yǒu)提供一种基本可(kě)行的理(lǐ)论计算方法, 这也就降低了实践中的可(kě)操作性。

其实, 反映在污染度概念和DIN 1946 第4 部分(fēn)中的若干思想, 对于我们来说并不陌生。

德國(guó)1977 年提出的这一污染度思路, 认為(wèi)洁净层流手术室不必进行全室净化, 只需局部降低细菌浓度以及有(yǒu)效保护关键區(qū)域;并集中使用(yòng)20^h-1 换气量的洁净风于手术台上方送出。这一思路的实质就是“局部净化”和“主流區(qū)”概念的结合。

我國(guó)1977 年7 月经全國(guó)鉴定审查会通过并于1979 年正式出版的《空气洁净技术措施》^[3] 就第一次提出了“全面净化”和“局部净化”的概念:

“凡是通过空气净化及其它综合处理(lǐ)措施, 使室内的整个工作區(qū)域成為(wèi)洁净空气环境, 这种做法称全面净化” 。“凡仅使室内的局部工作區(qū)或特定的局部空间成為(wèi)洁净空气环境, 这种做法称局部净化” 。“在满足工艺要求的条件下应尽量采用(yòng)局部净化” 。当然这种局部净化也给全區(qū)带来净化效果。

2　主流區(qū)概念及不均匀分(fēn)布浓度计算

主流區(qū), 是1978 年國(guó)内首次提出的概念[ 4] :在乱流洁净室内, 在送风口下方一个范围内為(wèi)主流區(qū), 其洁净度最高;在回风口附近有(yǒu)一很(hěn)小(xiǎo)的回风口區(qū), 其洁净度可(kě)以高于也可(kě)以低于室内平均浓度, 这要视不均匀分(fēn)布系数Ψ大于或小(xiǎo)于1 而定,但是它等于理(lǐ)论的均匀分(fēn)布时(Ψc =1)的室平均浓度;此外, 在送风口两侧的其他(tā)區(qū)域是含有(yǒu)涡流的紊流區(qū)域, 习惯简称涡流區(qū)(并不是说整个區(qū)域都是涡流), 其洁净度明显低于中心的主流區(qū)。三區(qū)不均匀分(fēn)布见图1 。

根据主流區(qū)概念, 对于末端為(wèi)高效过滤器的洁净空间,由于送风浓度极小(xiǎo),因而有(yǒu):

不均匀分(fēn)布的室平均浓度

主流區(qū)浓度Na=Ψa N , 涡流區(qū)浓度Nb =Ψb N , 回风口區(qū)浓度Nc = Ψc N。

式中　Ψ——不均匀分(fēn)布系数,；

Ψa —— 主流區(qū)不均匀分(fēn)布系数,；

Ψb —— 涡流區(qū)不均匀分(fēn)布系数,；

Ψc —— 回风口區(qū)不均匀分(fēn)布系数, Ψc =1 ;

n —— 换气次数;

N —— 均匀分(fēn)布的室平均浓度,,Ns —— 送风浓度;

G —— 单位容积发尘量;

β ——主流區(qū)发尘量占全室发尘量的比例;

——主流區(qū)的引带系数;

—— 涡流區(qū)容积占全室容积之比。

3　主流區(qū)污染度

Ψc =1 说明, 回风口區(qū)浓度就是均匀分(fēn)布时的总平均浓度, 过去的理(lǐ)论研究成果已指出应把工作區(qū)置于主流區(qū)下, 為(wèi)了判定集中布置送风口并使工作區(qū)布置在主流區(qū)下与常规分(fēn)散布置相比的优越程度, 有(yǒu)以下几种考虑。

① 这一程度用(yòng)主流區(qū)浓度与室平均浓度之比即Ψa/ Ψ来表达, 因為(wèi)室平均浓度中包括主流區(qū)浓度, 则从比值上可(kě)能(néng)反映不出主流區(qū)的优越。同时, 当采用(yòng)集中布置送风口的主流區(qū)方案时, 对室平均浓度的认同易产生分(fēn)歧, 因為(wèi)在主流區(qū)内的测点应占多(duō)少和各自加权系数有(yǒu)关, 不好确定, 因而可(kě)操作性不强。

② 这一程度用(yòng)主流區(qū)浓度与回风口浓度或均匀分(fēn)布时室平均浓度之比即Ψa/ Ψc 表达, 也就是用(yòng)Ψa 表达, 虽然有(yǒu)可(kě)操作性, 即回风口區(qū)浓度(也就是相当回风浓度)可(kě)测出来, 但因為(wèi)工作点不可(kě)能(néng)布置在回风口區(qū), 它们之比不是最受关心的。前述德國(guó)的污染度概念就是这样一个比值, 它不能(néng)回答(dá)集中布置送风口以后关心的一个问题, 即没有(yǒu)送风口的周边區(qū)如何? 此外, 虽然回风口浓度可(kě)以测, 但显然不同位置的回风口其浓度有(yǒu)较大不同,这就需要全测才不至于失真太大。

③ 这一程度用(yòng)主流區(qū)浓度与涡流區(qū)即周边區(qū)浓度之比即Ψa/ Ψb 表达, 则能(néng)比较清楚地说明问题。前面已说过, 涡流區(qū)是指主流區(qū)两侧含有(yǒu)涡流區(qū)的紊流區(qū), 它的浓度就代表除了主流區(qū)和回风口以外的室内其他(tā)主要區(qū)域的浓度, 也就是主要為(wèi)主流區(qū)周边地區(qū)的浓度。所以Ψa/ Ψb 可(kě)以反映出工作區(qū)内和非工作區(qū)内的浓度差别。同时, 这两區(qū)的浓度都可(kě)以按區(qū)布点分(fēn)别测定。综上所述, 即主流區(qū)对于周边區(qū)的污染度, 称為(wèi)主流區(qū)污染度, 以Ψa/ Ψb 表示, 它明显區(qū)别于德國(guó)的污染度即Ψa/ Ψc 。

4　分(fēn)级计算

① 层流手术室的平面

层流手术室内平面按功能(néng)可(kě)分(fēn)成若干區(qū), 可(kě)以借鉴军队有(yǒu)关标准^[5] 的划分(fēn), 见图2 。

图2 中“1” 區(qū)是按手术床長(cháng)1 .8 m 、遇特高患者时可(kě)打开两头至2 .1 m 考虑的。各區(qū)间隔基本是0 .6m 。

② 手术人数

手术人数和层流手术室内人员配置方案有(yǒu)关, 手术中医护人员密集在手术台四周, 外科(kē)医生靠手术台, 他(tā)们是主刀(dāo)、第一助手、第二助手、护士長(cháng)(或器械护士), 头部近旁有(yǒu)麻醉师。同时, 医疗设备越现代化, 需要的人员越少,因為(wèi)一台仪器原则上要1 人照料, 仪器现代化多(duō)功能(néng)后台数减少, 辅助人员也就减少了。辅助人员一般在8 ～ 12 人之间, 使用(yòng)现代化设备后一般不超过10 人。见图3 ～ 6^[6] 。

③ 送风面积

既然送风集中于工作區(qū), 则送风面积大小(xiǎo)很(hěn)重要。送风面积太大则风量要求太大或在一定风量下风速太低, 造价高;太小(xiǎo)则影响对工作區(qū)的保护。

现在分(fēn)三种情况:最低、中间和最高的标准。

最低标准是把仅包括手术台的工作區(qū)包笼在主流區(qū)内, 中间标准是包括手术台外围0 .6 m 的區(qū)域, 最高标准可(kě)包括手术台侧边外0 .9 m 的區(qū)域。(在《标准》条文(wén)中实际数字略小(xiǎo), 因此计算结果更可(kě)保证实现。)

在这里应考虑弱射流气流边界的混掺和削弱现象(参见文(wén)献[7]图14-3), 边界可(kě)有(yǒu)10.7°角的缩小(xiǎo)(包括10.7°角在内的區(qū)域仍属主流區(qū))。根据无影灯类别, 室内净高為(wèi)2 .9 ～ 3 m , 手术台高0 .8 m , 人體(tǐ)切口高度0 .3 m , 工作面高1 .1m , 则每边缩小(xiǎo)距离為(wèi)[(2 .9 ～ 3)m -1.1 m] tan10 .7°=0 .34 ～ 0 .36 m 。

④ 发菌量发菌量不是按人员密度计算的, 要直接算。室内表面发菌量还没有(yǒu)直接数据, 可(kě)参考表面发尘量, 即设8 m2 地面所代表的表面的发菌量, 相当于1 个人静止时的发菌量。人静止发菌量最大可(kě)取300 个/(人·min), 测定人员按2 名考虑, 则总发菌量為(wèi)(+2)×300 个/min 。

⑤ 系数

按送风面满布比, 依次取0.4 , 1.3 , 0.26 ,0.2 ;β 按送风面满布比, 依次取0.7 , 0.65, 0.8 ,0.85 ;Vb/V按送风面满布比, 依次取0.45 , 0.65 ,0.32, 0.24 。

计算结果列于表1。

　　如果送风口满布比很(hěn)大, β 达到0.95 , 标准两侧满布回风口, =0 .05 , 则a =0.095 , 可(kě)算出Ψa/ Ψb ≈0.048 , 则Ψb =1 .98 , 可(kě)知周边區(qū)浓度约是主流區(qū)的20 倍, 如果主流區(qū)属于100 级范畴, 则周边區(qū)在1000 级范围之内。

5　结论

由于手术區(qū)是层流手术室中发尘集中的地点, 按主流區(qū)理(lǐ)论, 若将这一區(qū)域置于主流區(qū)内, 则对提高主流區(qū)和全室的洁净度大有(yǒu)好处, 计算结果表明,将工业洁净室均匀布置送风口(1000级换气次数标准), 改為(wèi)集中布置送风口, 则可(kě)在手术區(qū)达到100 级的效果(不仅洁净度高, 而且气流流型好), 而周边區(qū)则為(wèi)1000 级。依此类推关键區(qū)域均可(kě)提高一级^[8] 。要说明的是, 為(wèi)了缩短手术的时间, 采用(yòng)了自净换气次数概念^[9] , 上述层流手术室的1000 , 10000 , 100000 级换气次数比常规的略高,而对于非层流手术室房间则比常规的要小(xiǎo)。

参考文(wén)献

1 　Esdorn H , Nouri Z.Vergleichsuntersuchungen ǜber Luft fǜhrungssysteme mit Mischströmung in Operationsrä umen.In Operationsraum HLH28(1977)Nr 4.

2　沈晋明.德國(guó)的医院标准和层流手术室设计.暖通空调,2000, 30(2):33.

3 　空气洁净技术措施编制组.空气洁净技术措施.北京:中國(guó)建筑工业出版社, 1979 .

4 　许钟麟.洁净室的不均匀分(fēn)布计算法.建筑學(xué)会暖通空调专业委员会成立大会论文(wén)集.1978 .

5　YFB 001-1995　军队医院洁净手术部建筑技术规范.

6　梅自力, 编著.医疗建筑空调设计.北京:中國(guó)建筑工业出版社, 1991 .

7　许钟麟.空气洁净技术原理(lǐ).上海:同济大學(xué)出版社,1998 .

8　许钟麟, 张益昭, 张彦國(guó), 等.洁净空间新(xīn)型气流分(fēn)布方式的机理(lǐ)和特性研究.暖通空调, 2000, 30(3):1-7 .

9　许钟麟, 编著.洁净室设计.北京:地震出版社, 1994 .