医院洁净手术室空气动态分布分析

摘要

医院洁净手术室（或）无菌房间气流分布对外科手术的有效运作至关重要，但气流分布模式是否受复杂物理的控制，目前尚不十分清楚。定性和定量的流动可视化技术被用来评估室内空气分布，福州永科在一个全面的室内设计模拟医院手术室，利用激光片照明技术识别房间气流分布的主要特征，并利用粒子图像测速技术（PIV）测量了纵向的速度场，医院净化手术室需要在层流送风系统下使用手术台，在永科手术室无菌区提供向下的，单向的，非吸入的空气流，净化空调送风系统具有复杂的物理特性，包括环形形状、撞击、浮力、大射流与房间宽比以及再循环，手术室内送风速度的大小及层流天花的尺寸是手术室内空气分布的高敏感性因素，室内空气分布模式在送风口附近有较低的速度和湍流，但在送风口边缘处的剪切区增加了速度和湍流，流场可视化和PIV方法都显示了一个剪切层向内的射流中心的角度，这种流动特性降低了无菌气流的总覆盖面积，并可能对手术病人的保护造成危险。

一．简介

医院洁净手术室（或）无菌房间对室内环境设计有独特的要求，包括无菌气流控制感染，能够提供大的冷却负荷来处理来自医疗设备的热负荷，并为不同的活动水平和层次的衣服实现热舒适，手术室通风设计不良的后果是非常严重的，导致患者感染率增高，并降低手术人员的工作效率。因此，医院手术室通风系统的合理设计对手术人员的舒适性，以及更重要的是对患者的健康和外科手术的结果至关重要。病人的类型从麻醉病人到穿戴很重的外科医生，用铅背心进行X射线防护，它已经几乎不可能用于供暖，通风和空调（HVAC）工程师满足这些必要的手术室的最佳功能多样化的要求，手术室最关键的设计参数是供给空气扩散器的设计。

早期手术室内通风设计，用侧壁扩散和低安装在相对的侧壁格栅提供空气舒适条件定位，此时，室内空气质量与传染病传播的相互作用开始被人们所理解。现代手术室通风系统是基于原来的层流洁净室的设计，由Whitcomb在上世纪60年代制造，但该净化系统也被认为只是适当的减少空气传染，洁净室的设计，用于医院手术室之间的主要区别是，净化空调系统层流送风是装在房间的中心区域，这就造成了房间中央的无菌气流，与房间的外部隔离，这似乎是适当的，因为医院手术室包含无菌和非无菌物品和人员，需要无菌空气和半无菌空气的有效划分。此类空调系统已经经过时间的检验，但下行，单向的，非吸系统是目前唯一的系统类型在ASHRAE标准7 170-2008 的允许下的。ASHRAE是美国社会性供暖、制冷及空调工程人员，并负责制定这方面的标准。

虽然稀释和空气流动模式都被认为是至关重要的，但随着能源的需求，人们越来越希望减少室外空气变化率和总房间空气变化率，本研究的目的是评价空气分布模式的典型手术室通风，所以着重讨论菌落形成单位（CFU）。

层流罩通常安装在手术台上的一个中心文章，使用单一的0.61×1.22米（4英尺2×）层流罩。层流罩内高效过滤器阵列的水力直径通常比其他占用的室内环境大得多，这为剪切层创造了一个显著的周长。手术室室也通常有更高的天花板高度（~ 3米或10英尺），从而产生更大的尺度。

用原有的洁净室的设计（或低湍流）空气流量大大减少粒子在整个房间的扩散，这降低了气流传输所产生的粒子，选择向下的气流来减少微米颗粒的沉降时间，否则粒子可能无限期地停留在空中，所有洁净室的这些功能也需要重新去除在手术室内感染颗粒，自由剪切层的引入提供了室内环境湍流的特性。

医院手术室内通风系统已被众多研究者研究[，用实验室实验开发一个简化的数学模型，模拟污染物的传输方法，使用两区法来判断与房间无菌和非无菌区。部分空气净化领域专家提出NAR流动空气系统可能导致粒子撞击在手术部位。国外专家用CFD研究各种通风系统布置对传染性颗粒沉积在手术部位发生率的影响，后来又用计算流体动力学（CFD）研究室的几何形状和通风率对粒子撞击风险的手术部位的影响。目前的研究大多依赖于CFD，许多都是基于雷诺兹平均Navier Stokes方程（RANS）的涡粘性湍流模型，虽然许多涡粘性模型已被验证为多种类型的流量，运行这些模型对室内空气分布仍然有很多部分需要验证。室内空气分布的基本物理与室内环境中常用的k-型湍流模型的验证情况有很大的不同。为了进一步了解房间空气模式及其对感染性病原体运输的影响，仍然需要对手术室的室内空气分布进行进一步的实验研究。

本研究采用定性和定量相结合的一个全面的实验室室BER代表探讨空气分布的物理本质的手术室内环境空气流量测量的特点，本研究的主要目标是在室内空气运动的空气分布格局及其影响的认识的提高，这些知识可用于室内空气中基于粒子运动的手术室空气分布性能评价，这项重要研究的主要结果是确定影响空气分布模式的关键设计参数，以及平均流量和湍流量的定量数据集。此外，这里给出的数据往往能够验证CFD模型，为进一步研究探讨操作室内空气分布系统在计算域控制器设计。

二．试验方法论证

建造了一个完整的手术室进行实验，测量典型手术室内的液体和热状况，该室包括一个6.1×5.8米（20×19英尺）和2.9米（9.5英尺）的房间的地板到天花板的高度和典型的陈设和热源，墙壁和天花板都是用试验室的R-50保温构造，与R-30地板铺设，测量控制导管与18°C典型的温度（65°F）在实验室室表面，所以热损失通常是约12瓦（42瓦/小时），最大热传导约为房间冷负荷的1%，因此，在分析散热物体时，暖体假人用可变电压内部热源。通风空气是由全尺寸商用空气处理机组提供给一套变风量末端再热装置，每个终端有一个调节器和管式空气流量计为手术室提供平衡的气流组织方式，房间的空气流是由一组商业E组层流罩安装在天花板房间的天花板中心提供，房间中心温度控制在20°C（68°F），波动率为5%，室内空气温度在1～2小时内达到稳定，由于供气量大（即每小时31.6换气率），人员的移动和照明设备的存在只对室内空气环境有局部和短周期（30秒）的干扰。房间特征-如图1所示。

试验室（图1）是以手术室的典型家具作为室内空气流量的典型设备，如表2所示，房间的热特性（见表3）结合设计规范和现场测试结果，它的特点是设计一个典型的操作室，并提供了一个基线，并不能代表一个极端的例子（即大量的创伤表面）。本文不打算先试验热影响收益，由于ODS高密度在诊断成像设备的使用，并不是所有的条件都可以在本研究中实现，实验标准阳离子是有限的，所有的B类和C类手术常见的必需品。

散热量的影响在实验室已经实现。实验室通过多个热源的设计为可代表典型的一般般手术环境。手术室无菌区的主要热量来自外科手术人员和手术照明，无菌区域的外载荷是由医疗设备为主（如麻醉机、C形臂X射线），在一般的手术室的热量获得更详细的分析可以看到，在一般的手术室发热量统计工作后，实验室实验的目的是为外科手术环境中的气流分布提供一个基本的立足点，因此准确的热源不是本研究的重点，总热量（1817 W）是在典型的手术室的范围内，热源位置也近似定位在手术室内环境中的应用，满足稳态冷却负荷的送风温度差为1.8°C（3.2°F），这是手术室的适度降温负荷，有许多实例（如创伤、成像设备），其中冷却负荷和温度差异将显著高于这种情况，本文给出了所有流场可视化和PIV实验中（表3）的热量增益和数量。

表1。实验室特性。

图1。用于测量气流分布的全尺寸实验手术室。

表2。房间对象尺寸。

表3。室内散热量。

因手术人员的散热量使用人体模型与变量内部热源，可以使用一个可变电压源来实现所需的热量输出，达到控制实验室实验的散热模拟目的，共有五个热人体模型被用来代表典型的外科工作人员（如医生，护士和麻醉师），加热元件的密度被安排在一个近似理想的表面温度为人体温度的位置，人体模型的表面温度分布的热温度是采用热模型数据精度校准的仪器。

病人使用医疗假人，假人的伤口模拟器位于左腿，在典型的手术矫形外科中比较常见，伤口模拟器是由三个独立控制的加热元件控制，采用比例积分反馈控制脉宽调制控制器保持控制支架表面温度对加热元件调制，这使得外科伤口和周围皮肤的表面温度恒定，伤口模拟器提供了一个近似的代表在实际手术病例观察及CAL热条件，在身体暴露的部分有一个正常的皮肤温度和手术伤口的温度特征，身体的其余部分，通常被认为是绝热的居室环境。

2.1 净化空调系统流体可视化方式

流动可视化是获取室内空气流动的定性和定量数据的常用方法，大多数室内空气的流动是比较大的尺度和三维流动可难点测量描述定义，这使得平面流场可视化技术是适合评估流场特征的方法，研究人员已经利用基本流体力学新技术为开发研究提供了更好的性能更好的了解室内空气流动，两种流动可视化技术被用来评估在患者面积测量流场，边界标记激光片照明技术被广泛应用于通过捕捉种子颗粒的数字照片来确定手术室的关键流动特征，这种方法被证明在手术室是适当的室内空气流动捕捉方案，因为它可以产生平面和时间分辨的图像，可以很容易地比较PIV和CFD结果，粒子图像测速技术也被用来观察在手术部位和平面无菌区内定量值。

边界标记技术用于可视化房间内的几个流动特征，本文重点研究了非无菌空气与无菌射流界面处的手术光和自由剪切层，边界标记技术是由完全填充实验室试验雾模拟空气从通风系统内传递来实现，这在无菌和非无菌空气流动界面的流动可视化过程中提供了明显的区别，它还提供了在这个区域发生的湍流混合的信息，它也是界面区域中发光强度的函数，这种技术是特别成功的，因为所需的数据收集与粒子图像测速技术，可以在短时间内得出直观的数值。

2.2 粒子图像测速技术

采用双组元粒子图像测速仪（PIV）测量全尺寸实验室无菌区空气流量，PIV测量的矢量测量的采样率可达到大于1赫兹的高空间分辨率，PIV已被广泛用于研究室内空气流动，并越来越受欢迎，在过去的十年，这种技术研究室内空气分布是最合适的。

试验所使用的材料是一种基于乙二醇的舞台舞台烟雾，它能够准确地作为空气流动的示踪物，雾滴直径变化小于1µM，在空气净化组合式空调机组中注入该物质，以便在层流罩出口处实现中性浮力和良好混合状态。PIV测量是在一个二维平面上拍摄的，在病人的手术部位使用一个安装在激光片上的相机，如图2所示，在光波长为532 nm的情况下，使用了一种新的波长为120 nm的单波长Nd:YAG激光器，图像记录由TSI pivcam 138相机完成，到达630047×1K 1K分辨率，TSI的洞察力和3g PIV软件是用于捕获和处理对使用双帧捕获的系列数字图像方法。

图2. 流场可视化原理图及PIV实验设计

图像在帧间相隔4000微米，一个标准的奈奎斯特网格是采用不同的基准偏移中心方案和128×128像素相关窗口的光斑尺寸，这个窗口的大小，有助于减少计算大量数据的误码率的必要计算时间，同时还提供了一个准确的代表的流场图。利用快速傅里叶变换计算图像相关算法（FFT）和亚像素精度可提供了一个合适的Gaus，激光片采用约为5 - 6毫米厚的角度域为了通过平面粒子，有助于减少PAR系统丢失的数量。

整个流场是从无菌领域的PIV测量图像中编译出来的，单个PIV图像的视野为0.320米宽，高0.256米，需要5米宽的测量网格，以覆盖房间无菌区域的一半，如图3所示，对空气分布进行对称性测试，以减少测量流场所需的测量次数，这包括在剪切层边界上流动可视化图像的流动归一化光强值的比较，三组数据在图像的四个垂直位置（在扩压器表面下方200, 250, 250毫米和450毫米处）（漫射器阵列的边缘的左右两侧）进行了切割，如图4所示，在剪切层上的发光强度值被认为足以验证供给空气射流的对称性假设。

至少1000的PIV图像在每个测量位置与3.63 Hz的脉冲重复率计算平均流量特性的抽搐和每个位置的湍流统计。然后通过将各个位置的数据映射到房间的几何位置来生成整个流场，一个标准过程被用来捕获数据，测量在多个测量地点收集多天，以帮助消除任何偏见的错误。

图3。示意图显示的位置图像捕捉评价流场在操作无菌区操作室。

图4。从左流可视化发光强度密度比较（L）、右（R）四垂直位置的供应空气射流两侧

三. 试验结果

3.1 空调系统气流可视化程度

初始流场可视化图像表明，层流罩阵列周围流场的面积对无菌空气流场的性能至关重要，这个区域包含一个自由剪切层，它由环绕区域内的静止空气与供给空气的结合组成，这种自由剪切层形成了房间无菌和非无菌空气区域之间的边界，同时也是供应空气中产生紊流的区域，利用边界标记技术进行激光片照明，然后利用舞台烟雾播撒室内空气，并在室内引入送风空气来捕捉自由剪切层的细节，这种技术促使剪切层被可视化，并提供涡流的细节，如图5所示；供应气流在左边，种子室的空气在右边，图像显示在剪切层中出现明显的混合量，剪切层的方向与外科手术室的角度成正相关。

除了湍流生产和进入到自由剪切层的发展特性，在手术无影灯吊杆位置扩散的缺乏导致中央的空隙，创造了一个广场，环形射流，环形射流有许多独特的特性，可以区分这些类型的送风空气呈现标准的圆形或矩形射流，环形射流在地面

压力的影响下，发现这些气流在环形区域存在压力腔，在典型的手术室中发现的环形送风射流被描述为撞击和受限，这有助于流动物理的进一步复杂性分析。

图5。在非无菌区（左）与无菌区（右侧）交界处应用边界标记技术的图像，用于演示供应空气射流周围的自由剪切层收缩角。图像宽度大约跨越0.5米。

图6 边界标记技术显示在供应气流下方部分放置的手术光的尾迹，射流中心线位于图像的左侧，图像跨度1.2米

其他物品和影响附近空气流动的无菌环境工作者（如护士，外科医生，病人），以及手术灯和灯支撑臂的影响一直是工程师们非常感兴趣的，近年来，随着LED照明技术的进步，手术灯的散热量益急剧下降，但仍有大量使用卤素灯的手术灯，这些手术灯产生较大的热增益（~ 200 - 500 W），导致AP的表面温度大约是40°C（105°F）。对卤素型手术灯周围空气流动的观测表明，由于光源的热增益，在光头附近有一个停滞区，图6显示了使用边界标记技术在无菌空气射流中部分放置的手术光的尾迹，非无菌空气被标记，未标记的空气被引入无菌区，外加手术灯通常位于在无菌空气场的外科医生的头部，图6说明了光尾流可能会创建一个主要的破碎——剪切层中的位置低于光的回流区的房间空气中夹带。在任何情况下，把湍流混合发生后强化的概念，这些灯不应位于病人或接近无菌物品。

3.2 粒子图像测速技术

室内空气流场的测定对于了解房间气流分布的流动特性和计算流体动力学模型的发展和验证是至关重要的，在无菌流场的38个位置中，在手术台和层流罩之间获取PIV图像，统计测量计算在每一个位置有超过1000个状态，总的PIV数据集包含超过1300万个单独的数据点，图7显示了数据所有被测速度的直方图，测量速度的大部分是低于约0.2米/秒（39程序），但有相当数量的值高于0.127米/秒的期望值（25程序），如图8所示的直方图显示，当速度平均在每个测量位置的最大平均风速小于0.3米/秒时，0.3米/秒以上的速度值是由湍流起伏引起的，这意味着除了在低速速度直方图也显示出平坦的分布，这是由于射流区的速度在0.2～0.3米/秒范围内，而回流区的流速小于0.2米/秒。

手术室的空气流场显示出一个巨大的速度成分，向内喷射中心线，因此手术台，图9显示气流模式从层流罩阵列的周边向病人的位置方向引导，然后在手术台撞击时从病房中心向外弯曲，这种气流分布模式允许非无菌空气流过外科医生，这些工作人员被空气冲洗，并要求在手术过程中保持无菌状态，这就对空气分布格局产生担忧，通风可能无法充分保护外科医生。典型的等温射流导致惯性核心的射流出口附近出现降低衰减区，但如图10所示的速度轮廓描述射流以低速通过层流罩出口附近，在通过高速射流的剪切区域区域，第二个高速度区见于病人侧的区域，该区域可能是由于与手术台相互作用所致，房间的非无菌区的特点是循环流动具有非常低的速度（＜0.05米/秒），小的回流区是低于手术灯臂和由内循环区域形成低压。

图7。从PIV数据中采集到的所有测量速度的直方图。

图8。每个测量位置的速度幅值直方图。

图11显示了流场中rms速度的波动，波动的幅度是在射流再速度值的等值线图区域，在水流剪切区发现了显著的波动（0.2米/秒）。

图9。在病人上方无菌区的房间平面相交的速度向量

湍流强度的分布，如图12所示，提供生产的湍流剪切层中进行进一步的论证，在这些图中的湍流强度，定义为波动性，意味着速度平方根除以当地的平均速度。

在层流罩附近的湍流强度低于10%，但随着环形射流的形成和开始收缩而迅速增加，在非无菌区（40% - 60%）湍流强度相当高，但这是速度相当低的一个因素，在这个区域的波动，因此是可以忽略不计的。

四.结论

研究表明，在医院洁净手术室环形气分布的空气流动模式的特点是复杂的物理性，导致射流向内收缩向中心线，这个位置与病人的标准位置相一致，很可能使病人暴露在非无菌空气中，对室内空气分布的物理撞击，再循环系统中形成环状流、自由剪切层流动和浮力。而层流可以分布系统，完全覆盖天花板和塞流实现的，较小的天花板覆盖面积和较低的空气速度在现代手术室中产生，空气流动的特征是空气速度普遍较低，在无菌区边缘有显著的曲率和较高的速度。如果入口层流罩阵列是通过移动光固定位置的外边缘进行连续控制，喷气收缩可以减轻，需要进一步的研究来验证。

图10。归一化速度等值线相交的平面中的房间的中心在无菌区域病人

图11。均方根速度等值线相交的平面中的房间的中心的PA患者无菌区

手术室湍流产生的主要来源是层流罩边缘处的自由剪切层，但不良的混合无菌和非无菌空气发生在这些房间的区域之间的接口，湍流强度因此在层流罩器的下游要大得多，因为湍流是在自由剪切层中产生的。

图12。在平面湍流强度轮廓间的中心病人的无菌区。

向下输送空气的射流的方向和手术室空气温差满足空调负荷产生的混合和对流条件要求，空气浮力也可以发挥重要的作用，由于速度是通常所需的空气变化率受迎面风速的限制，PA的参数中具有最大的操作灵活性的是送风温差，在手术室的趋势是朝着更高的附加冷负荷来满足现代医疗设备传统的散热量的趋势下，本研究确定了室内空气温度的修正，但永科需要进一步研究，以更好地了解该参数对整个气流分布的影响。

供应气流的入口气流条件对整个房间气流分布的重要性不如空气分配系统的布局重要，从而降低了可能存在速度低湍流度的入口条件，送风射流可能增加速度和湍流到达手术台，需要进一步的研究来更好地了解剪切层区域中速度增加的因素。

这项研究是在简单的基本手术环境的稳态表示上进行的，在现实中，手术室里含有大量瞬态现象的发生，可能导致内空气分布模式重大变化（如开门），其他瞬变现象（如醒来，手术开始，运动的外科医生和手术伤口表面烧灼）也可能对室内空气分布格局有着重要的影响，需要进一步的研究以了解室内空气质量的涵义。