手术室空气净化系统 通仓交融手术室的空气净化怎么做？

在前面的文章中，我们介绍了同仓混匀手术室的特点和发展过程。鉴于中国的国情，我们正在探索起源于关节置换术的同仓混合手术室在胸外科肺结节手术中的首次应用。

因为胸外科和骨科是两个完全不同的领域，需要做更多的工作来设计和建造一个科学合理的胸外科综合手术室。

在设计和建造综合手术室之前，需要解决许多理论和实践上的问题，尤其是有效控制操作环境的前提是合理配置各种室内通风口(新风、送风、回风和排风)，形成良好的室内气流组织。需要避免大型空房间内四种作业的主要送风装置的干扰，保证各自主送风装置对作业环境的有效控制。

通常初步设计往往依靠设计者以往的工程经验，根据相应的设计规范和类似工程的资料。经验设计可能会设想出多种设计方案，但很难评价方案的优劣。同时，基于经验的设计也可能出错，尤其是对于前所未有的胸外科设施。

当然，最好的循证手段是建立1 :1的实体模型。其优点是符合综合手术室的实际操作条件，可靠性强。便于用实测数据修改模拟边界条件，核对CFD(计算流体力学)模拟结果，对模型进行验证，最终使模型模拟与实体模型更吻合，进而推导出真实可信的工程所需的设计参数。其缺点是造价高、施工复杂、工期长。

由于空之间的空间有限，很难布置多套风道来实现多工况的转换。因此，有必要通过早期的CFD模拟分析，对几个设计方案进行评估筛选，剔除明显不合理的方案，优化几个相对合理的方案。通过优化实体模型，不仅可以减少实体模型的测试条件，避免不必要的条件转换、检测和模拟，尽快找出一体化手术室的最佳设计方案和设计参数，而且可以降低实体模型的成本，缩短建设周期。

实体模型的气流方案

根据同仓调配手术室的实际工程设计图纸，物理模型为实际同仓调配手术室的1/2，室内设置2个操作。镜面效果反映了四个手术室。对应的两个主供风装置是标准的一级主供风装置(2.6m×2.4m)，但可以实现变液位(I/III)和变风量运行。实体模型示意图见图1。

图1实体模型示意图

根据我国的工程设计经验，为了防止大型手术室四个主要送风装置之间的相互干扰，常见的方案是在主要送风装置周围增加高围护结构，每两个主要送风安装间设置空空气幕(图2)，或者设置两个出风口形成气流屏障(图3)。国外仓库手术室普遍采用每两个主送风装置之间设置一个回风出口的方法(图4)。根据文献报道，这种方法也可以形成有效的气流屏障。在图2-4中，左侧示出了一级供气装置，右侧示出了转换成三级供气装置的供气装置。在主供风装置周围设置一个高度为150mm的短围栏，不仅有利于有效控制主供风装置对手术环境的气流，而且便于胸外科手术的实施。

图2同仓混合手术室气幕立体模型1平面布置空

图3铜仓混合手术室上部送风口立体模型2平面布置图

图4同仓调配手术室上部回风口立体模型3平面布置图

这三种设计模型如表1所示。

表1综合手术室的三种设计模式

模型

综合手术室气流方案

循环空气装置

新丰入口

回风格栅

模型1

在两个主送风装置之间设置空空气幕，前后两侧回风。

每个主供气装置独立设置

新鲜空气直接送到空空气幕

前侧壁和后侧壁的下部设有回风口

模型2

两个主送风装置之间设有出风口，前后两侧回风

每个主供气装置独立设置

新鲜空气直接送到中间供气出口

前侧壁和后侧壁的下部设有回风口

模式3

两个主送风装置之间设有上回风口，前后两侧向下回风

每个主供气装置独立设置

新鲜空气直接送入主供气装置的静压箱

前后侧壁下部设有回风口，中部设有上回风口

模型 1 的空气幕模式与模型 2 的上送风模式的净化空调系统相同（图 5），都是将新风直接送入每两主送风装置间的送风口，每个主送风装置各设置独立循环风系统送风，两侧墙下部设置回风口回风，这是上送下回的典型送风方式。

图5综合手术室立体模型上送风下回风净化空调节系统图

3号机型上回风模式的净化空调节系统(图6)不同，直接将新鲜空气送入各主送风装置的送风静压箱，有利于湿度优先控制。每个主送风装置设有独立的循环风系统，两侧壁下部增设回风口，使每个主送风装置的四个侧面都回风。国外广泛采用上送风、上下回风的系统模式。

图6同仓调配手术室立体模型3上送风及上下回风净化空调节系统图

实体模型的相关参数

基本参数设置

物理模型为实际手术室的一半，比例为11.4米(L)×7.4米(W)×3.0米(H)，面积84.36平方米，房间内有两个手术间，对应两个主送风装置。每个主供风装置的尺寸为一级2.6m×2.4m，在变水位和变风量运行时，主供风装置的尺寸可改为三级2.6m×1.4m。

在手术室建模计算过程中，需要建立相应的人体和设备模型(尤其是一些靠近主送风装置、体积较大、对气流有影响的必要设备)。为了简化模型，人体和设备按照长方体建模，在尽可能反映真实情况的同时尽可能简化模型。各手术单元的基本参数见表2和表3。

模型布局

根据胸外科微创手术的特点设置人员和设备。操作者和设备都不同于常规的开放手术。模型的平面布局如图7和8所示。

图7模型的布局

图8模型的人员和设备安排

模型的边界条件

室内墙壁全部为防滑墙；送风、回风、排风出口设置为速度入口(出口)，门缝设置为压力出口。

热边界条件

在本课题中，人体和设备都设定为恒定热流边界条件，所有表面均匀分布。T.T.Chow等人在香港超净通风手术室的CFD模拟中使用了人体和加热设备恒定热流的边界条件，认为热量是100%通过对流散失的，并指出这种简化处理对模拟结果影响不大。根据相关文献设定人体和设备的热通量(表6)。

人员的细菌生产

人员菌数见表7。分布方式为体表均匀分布。患者手术台上表面粒子边界设置为捕捉，风口设置为逃逸模式，其他物体和墙壁表面设置为反射。

收敛准则:能量方程的残差为10-6，其他方程的残差为10-4。网格独立性测试后，选择0.7M网格作为计算网格。

仿真结果及分析评价

利用计算流体力学软件ANSYS Fluent16.0对三种固体模型的速度场和浓度场进行了初步的定性模拟，得到了模拟结果，可作为模型评价和优化的依据。

速度场模拟结果及评价

图9一级手术室不同模型Y方向速度分布

图10一级手术室不同模型X方向速度分布

图11一级手术室对称面速度图

图12一级手术室Z=1.2m时的速度等值线图

图9反映了三个模型在y方向上的速度云图和流线图，其中(a)、(c)、(e)和(b)、(d)和(f)分别显示了无影灯和非无影灯下气流速度和流线的变化。不难看出无影灯对气流有明显的阻挡作用，导致这个地方干净的气流无法替代病人表面的气流。而不是无影灯处的截面，气流流线几乎保持平行，可以对患者表面起到一定的气流置换作用。

从速度图来看，模型1、2手术台上方风速明显低于模型3，主送风装置送出的洁净气流高度高于模型3，患者表面局部涡流大于模型3。这种现象主要由三个原因造成:

一、手术室总风量为9000m3/h，但1、2型通过独立新风出口送出的1000m3/h风量小于3型主送风装置的风量，因此到达患者表面的风速低于3型。

其次，无影灯安装在主送风装置的下方，起到障碍物的作用，防止洁净气流直接送到关键操作区，在其下方形成涡流，导致风速降低；

第三，由于无影灯和人员设备的散热，产生向上的热羽，与供气方向相反，导致风速降低，患者表面产生涡流。

这三款机型采用独立的狭缝新风出口、孔板新风出口和格栅回风出口构成气流屏障，避免了不同手术台之间的相互干扰。

但模型1中槽式新风出口形成的空空气幕风速较高，达到0.37m/s，会吸走空空气的顶部，影响主送风装置的风量。从反映对称面速度情况的图11(a)来看，主送风装置的风量远大于槽式新风出口的风量，所以主送风装置的风量以倒喇叭口的形状向外扩散。同时，新出风口送出的空大部分空气通过同一侧的下回风口排出。从图中可以看出，由于人员和设备的阻碍，洁净通道侧容易形成局部涡流，调整回风口位置和大小对气流分布的影响不明显，不能有效缓解这一问题。

在模型2中，孔口供气装置安装在主供气装置之间。由于新鲜空气出口附近流动护士和医疗设备的障碍物和热源，部分空气向上流动后被高速送出的新鲜空气吸下，不利于被污染空空气的快速排出。此外，由于孔口送风出口的影响面积较小，在洁净通道和污物通道的两侧容易形成较大的涡流。

模型3中，回风出口设置在主送风装置之间，同时回风出口设置在下部。由于上回风口引导空空气向上流动，并利用气流接触地面的反弹效应，在对称面上形成向上的气流屏障，起到一定的阻挡作用，不易在手术室前后两端形成大的涡流。

浓度场模拟结果及评价

图13三种模型X/Y方向的截面浓度场分布

图14 z = 1.2m截面浓度场分布

图13和14分别反映了三个模型在x方向、y方向和z方向的浓度等值线。可以看出，人体散热和人体作为排放源产生的热羽导致人附近污染物浓度较高。结合速度场分析，模型3对手术灯等设备和人员的抵御能力最强，因此其污染物浓度最低，患者表面的污染物水平也最低，可以满足手术区5CFU/m3的要求。而模型1和模型2与模型3换气次数相同，作业区平均风速分别为0.215m/s和0.219m/s，远低于模型3作业区平均风速0.255m/s。

结论

在模型1中，空空气幕设置在主要送风装置之间。由于气流速度过高，会吸入顶部空空气，干扰主送风装置的气流。调节回风口的位置和大小对气流组织没有明显影响。所以不推荐型号1。

在模型2中，主送风装置之间设有新风送风口，下部设有前后回风出口。主送风装置的送风量大于新风的送风量，会造成对称的平面气流对冲，导致下半部新风速度衰减。

同样，调节回风口的位置和大小对气流分布也没有明显的影响。但是来自上送风出口的气流可以形成一定的气流屏障。

在模型3中，上部回风口设置在主送风装置之间，同时设置下部回风口。由于去掉了独立的新鲜空气出口，新鲜空气直接送入主送风装置的静压箱，增加了送风速度，可以减弱手术灯对气流的阻挡作用，在手术灯下方区域形成一定的气流位移效应。由于上回风口引导空空气向上流动，气流弹开地面，在对称平面上形成向上的气流屏障，起到一定的阻挡作用。当洁净通道侧的下回风口关闭时，手术室前侧会形成较大的涡流，这部分的气流路径会增大，由于热源的作用导致局部温度升高。当上部回风口风速过高时，会明显造成空空气短路现象。

根据实体模型的评价结果，认为应淘汰带有空空气幕的模型1。模型2和模型3都有一定的优势，建议在实体模型中使用。由于模型2和模型3的出风口位置没有差异，因此可以建立实体模型。通过切换风管和阀门，将主送风装置之间的出风口从出风口切换到回风口，新风管道从主送风装置之间的出风口切换到各主送风装置的送风静压箱。

根据评价结果，在优化实体模型的基础上，对模型2和模型3的送风、回风、排风以及变液位(I/III)和变风量运行工况下的速度场、温度场、浓度场和压力进行了测量和模拟。计算流体力学模拟结果得到了实测数据和实验结果的验证，为修改模拟边界条件、进一步改进模拟实验和提高模拟精度提供了参考，产生了更加可靠的结果

本文只是胸外科研究课题中的一篇文章，后续的研究内容和成果会陆续发表。

原作者:

刘彦民李晓英同济大学

颜杰上海健康建筑设计研究院有限公司

杨陈赞上海肺医院

资料来源:中国医院建设与设备杂志