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层流手术室集中布置送风口的理论基础是什么？

2020-10-07
山东康德莱净化工程有限公司
提要
    我国标准将洁净层流手术室分为四级, 其中前三级要求在手术台上方集中布置送风口,这样做是为了保护关键区域, 符合我国早就提出的局部净化和主流区理论。按主流区理论计算结果表明, 这样布置送风口, 将在同样换气次数下使手术台区洁净度提高一个级别, 使主流区细菌浓度和周边区细菌浓度之比降到0 .5 以下。
1 　保护关键区域和局部净化
    我国国家标准《医院洁净手术部建设标准》已从2000 年10 月1 日起施行。《标准》对洁净用房分为4 级。其中对洁净层流手术室是按手术台区和周边区的细菌浓度和空气洁净度来分级的, 这在国际上还是第一次。《标准》第29 条规定“ Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ级洁净层流手术室应采用局部集中送风方式, 集中布置的送风口面积即手术区的大小应和层流手术室等级相适应, Ⅰ 级时的不小于6 .2 m2(其中头部专用的不小于1 .4 m2),Ⅱ级不小于4 .6 m2 , Ⅲ级不小于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, 其指导思想是应用主流区理论,保护关键区域, 达到既提高洁净效果又更经济的目的。保护关键部位和局部净化是借鉴德国的做法。德国在医院层流手术室推行的不是全室净化和均匀送风, 而是着眼于将关键区域(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区的合格的背景环境。
    德国医院洁净层流手术室的这一技术路线和柏林工业大学艾斯东(Esdorn)教授1977 年提出的污染度Us 和相对污染度Ex 两个概念[1] (定义参见文献[2] )密不可分。
    德国标准DIN 1946 第4 部分“医院通风空调”采用了上述概念, 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国称之为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。它的主要优点是:
    ①以细菌浓度作为判断依据, 适合医务人员习惯。
    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, 认为这样的换气量就可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给出了工作区是关键区域的概念, 提出了将20h-1换气量集中在工作区上方送出的主张,使手术区达到的细菌浓度仅为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散布置过滤器的区别。
    ④没有停留在概念上, 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洁净层流手术室送风吊顶单元(包括德国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 部分中也没有反映。虽然2400m3/h 基本风量是经过测定等给出的, 但没有给出这一风量所能达到的细菌浓度标准, 也没给出有关的条件(如面积、人数)。这样相对量之间的比较就意义不大, 可操作性不强, 而且显得2 400m3/h(或20 h-1换气)的认定有随意性。
    ② 艾斯东污染度的概念, 实质上是追求一种最小风量的思路, 他的方案只适用于所谓一般无菌的层流手术室, 这显然是有很大局限性的, 而且同在欧洲的英国、瑞士等国标准中的送风量就比德国大得多。这一点也被曾在伟医士公司工作的许密特(Schmidt)教授指出, 认为上述最小风量思路并非正确, 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能引起法律诉讼的损失相比, 是很微小的, 他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区面积的结果(见文献[2]表1), 都没有达到理论预测的程度, 没有提供一种基本可行的理论计算方法, 这也就降低了实践中的可操作性。
其实, 反映在污染度概念和DIN 1946 第4 部分中的若干思想, 对于我们来说并不陌生。
    德国1977 年提出的这一污染度思路, 认为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效保护关键区域;并集中使用20h-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“主流区”概念的结合。
我国1977 年7 月经全国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措施, 使室内的整个工作区域成为洁净空气环境, 这种做法称全面净化” 。“凡仅使室内的局部工作区或特定的局部空间成为洁净空气环境, 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局部净化” 。当然这种局部净化也给全区带来净化效果。
2　主流区概念及不均匀分布浓度计算
    主流区, 是1978 年国内首次提出的概念[ 4] :在乱流洁净室内, 在送风口下方一个范围内为主流区, 其洁净度最高;在回风口附近有一很小的回风口区, 其洁净度可以高于也可以低于室内平均浓度, 这要视不均匀分布系数Ψ大于或小于1 而定,但是它等于理论的均匀分布时(Ψc =1)的室平均浓度;此外, 在送风口两侧的其他区域是含有涡流的紊流区域, 习惯简称涡流区(并不是说整个区域都是涡流), 其洁净度明显低于中心的主流区。三区不均匀分布见图1 。
                      

    根据主流区概念, 对于末端为高效过滤器的洁净空间,由于送风浓度极小,因而有:
    不均匀分布的室平均浓度
主流区浓度Na=Ψa N , 涡流区浓度Nb =Ψb N , 回风口区浓度Nc = Ψc N。
式中　Ψ——不均匀分布系数,；
Ψa —— 主流区不均匀分布系数,；
Ψb —— 涡流区不均匀分布系数,；
Ψc —— 回风口区不均匀分布系数, Ψc =1 ;
n —— 换气次数;
N —— 均匀分布的室平均浓度,,Ns —— 送风浓度;
G —— 单位容积发尘量;
β ——主流区发尘量占全室发尘量的比例;
——主流区的引带系数;
—— 涡流区容积占全室容积之比。
3　主流区污染度
Ψc =1 说明, 回风口区浓度就是均匀分布时的总平均浓度, 过去的理论研究成果已指出应把工作区置于主流区下, 为了判定集中布置送风口并使工作区布置在主流区下与常规分散布置相比的优越程度, 有以下几种考虑。
① 这一程度用主流区浓度与室平均浓度之比即Ψa/ Ψ来表达, 因为室平均浓度中包括主流区浓度, 则从比值上可能反映不出主流区的优越。同时, 当采用集中布置送风口的主流区方案时, 对室平均浓度的认同易产生分歧, 因为在主流区内的测点应占多少和各自加权系数有关, 不好确定, 因而可操作性不强。
② 这一程度用主流区浓度与回风口浓度或均匀分布时室平均浓度之比即Ψa/ Ψc 表达, 也就是用Ψa 表达, 虽然有可操作性, 即回风口区浓度(也就是相当回风浓度)可测出来, 但因为工作点不可能布置在回风口区, 它们之比不是最受关心的。前述德国的污染度概念就是这样一个比值, 它不能回答集中布置送风口以后关心的一个问题, 即没有送风口的周边区如何? 此外, 虽然回风口浓度可以测, 但显然不同位置的回风口其浓度有较大不同,这就需要全测才不至于失真太大。
③ 这一程度用主流区浓度与涡流区即周边区浓度之比即Ψa/ Ψb 表达, 则能比较清楚地说明问题。前面已说过, 涡流区是指主流区两侧含有涡流区的紊流区, 它的浓度就代表除了主流区和回风口以外的室内其他主要区域的浓度, 也就是主要为主流区周边地区的浓度。所以Ψa/ Ψb 可以反映出工作区内和非工作区内的浓度差别。同时, 这两区的浓度都可以按区布点分别测定。综上所述, 即主流区对于周边区的污染度, 称为主流区污染度, 以Ψa/ Ψb 表示, 它明显区别于德国的污染度即Ψa/ Ψc 。
4　分级计算
① 层流手术室的平面
层流手术室内平面按功能可分成若干区, 可以借鉴军队有关标准[5] 的划分, 见图2 。
 

图2 中“1” 区是按手术床长1 .8 m 、遇特高患者时可打开两头至2 .1 m 考虑的。各区间隔基本是0 .6m 。www.iwuchen.com
② 手术人数
手术人数和层流手术室内人员配置方案有关, 手术中医护人员密集在手术台四周, 外科医生靠手术台, 他们是主刀、第一助手、第二助手、护士长(或器械护士), 头部近旁有麻醉师。同时, 医疗设备越现代化, 需要的人员越少,因为一台仪器原则上要1 人照料, 仪器现代化多功能后台数减少, 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区, 则送风面积大小很重要。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;太小则影响对工作区的保护。
现在分三种情况: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区包笼在主流区内, 中间标准是包括手术台外围0 .6 m 的区域, 最高标准可包括手术台侧边外0.9 m 的区域。(在《标准》条文中实际数字略小, 因此计算结果更可保证实现。)
在这里应考虑弱射流气流边界的混掺和削弱现象(参见文献[7]图14-3), 边界可有10.7°角的缩小(包括10.7°角在内的区域仍属主流区)。根据无影灯类别, 室内净高为2 .9 ～ 3 m , 手术台高0 .8 m , 人体切口高度0 .3 m , 工作面高1 .1m , 则每边缩小距离为[(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直接数据, 可参考表面发尘量, 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取300 个/(人·min), 测定人员按2 名考虑, 则总发菌量为(+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大, β 达到0.95 , 标准两侧满布回风口, =0 .05 , 则a =0.095 , 可算出Ψa/ Ψb ≈0.048 , 则Ψb =1.98 , 可知周边区浓度约是主流区的20 倍, 如果主流区属于100 级范畴, 则周边区在1000 级范围之内。
5　结论
    由于手术区是层流手术室中发尘集中的地点, 按主流区理论, 若将这一区域置于主流区内, 则对提高主流区和全室的洁净度大有好处, 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), 改为集中布置送风口, 则可在手术区达到100 级的效果(不仅洁净度高, 而且气流流型好), 而周边区则为1000 级。依此类推关键区域均可提高一级[8] 。要说明的是, 为了缩短手术的时间, 采用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。
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