Особенности проектирования систем вентиляции и кондиционированния в операционном помещении

Было доказано, что 80%-90% заражающих бактерий, найденных в хирургической ране, попадают в нее из окружающего воздуха. Таким образом, чистота воздуха в операционном помещении напрямую влияет на возникновение сепсиса при хирургическом вмешательстве. Для предотвращения развития инфекционных осложнений после операционного вмешательства необходимо контролировать и поддерживать количество бактериинесущих частиц в воздухе в допустимых границах. Движение этих частиц в операционном помещении зависит от множества факторов — например, таких, как: геометрия помещения, конструкция системы кондиционирования, кратность воздухообмена в рабочей зоне, количество человек в помещении, источники бактериинесущих частиц, расположение оборудования и т.д. Результаты исследований показывают, что для достижения биологической чистоты зоны проведения операций именно во время проведения операции необходимо поддержание параметров концентрации колониеобразующих частиц из расчета: 1 CFU на 1 метр3 воздуха (где CFU — колониеобразующая частица). Самый простой способ добиться таких параметров — исследовать движение частиц и на основании результатов создать биологически чистое операционное помещение.

Для осуществления контроля за бактериинесущими частицами в операционной зоне (непосредственно над хирургическим столом в операционном помещении) при помощи метода вычисления динамики воздушных потоков были исследованы факторы, вызывающие возникновение и движение таких частиц. В результате исследований было определено, что критическими факторами, оказывающими влияние на их распространение, а также на стерильность в операционном помещении, являются: расположение источника бактериинесущих частиц, конструкция системы кондиционирования, месторасположение операционного стола и конструктивные особенности светильников.

Однако подобный опытный подход является дорогостоящим и не совсем точным, поскольку не все характеристики могут быть исследованы при помощи инструментов, а сами инструменты и люди, находящиеся во время исследований в помещении, нарушают движение воздушных потоков в изучаемой зоне. Появившиеся современные компьютерные программы, (например, программа Вычисления Динамики Воздушных Потоков (ВДВП)) стали надежным инструментом, позволяющим моделировать движение и распределение воздушных и тепловых потоков, а также бактериинесущих частиц. Ученый Чен провел успешные опыты по компьютерному моделированию воздушных потоков и концентрации бактериинесущих частиц в операционном помещении. Он утверждает, что на чистоту воздуха в помещении положительно влияет увеличение количества подаваемого воздуха и увеличение площади сечения решетки вытяжного воздуха.

Share Рис. 1a. Операционное помещение в Швейцарской клинике

Ученые Хартунг и Кюглер в свою очередь провели двухмерное компьютерное моделирование операционного помещения. Они доказали, что значительное влияние на воздушные потоки оказывают операционная бригада и хирургические светильники. Однако ниже мы продемонстрируем, что двухмерное компьютерное моделирование (даже цифровое) не может объективно отражать все характеристики воздушных потоков и передвижение бактериинесущих частиц.

Предлагаемое вашему вниманию в данной статье исследование проводилось в действующем операционном помещении в одной из Швейцарских клиник. Его целью было выбрать из множества вариантов оптимальную конструкцию для подачи наружного воздуха, оптимальное местоположение отверстия вытяжного воздуха, оптимальное место расположения операционного стола, а также определить степень коррекции или разрушения воздушных потоков при использовании различных светильников.

Физическая задача и математическая модель
Основой исследования стала инженерная задача создания системы кондиционирования воздуха для операционного помещения в одной из Швейцарских клиник (рис. 1а). При решении подобной задачи особое значение имеет распределение концентрации бактериинесущих частиц в операционной зоне. Эффективность уничтожения бактериинесущих частиц может быть выражена следующим образом:
h = (ln(Fех)– ln(Fp))/ln(Fех)–ln(Fin))
Где h — это эффективность уничтожения бактериинесущих частиц, Fех, Fin, и Fp — концентрация бактериинесущих частиц на вытяжке, притоке и в операционной зоне, соответственно.
Если воздух в операционной зоне соответствует показателям стерильности подаваемого воздуха, то h постоянно. Если концентрация бактериинесущих частиц в операционной зоне выше, чем в приточном воздухе, но ниже, чем в вытяжном воздухе, то значение h находится в интервале от 0 до 1. Таким образом, показатель h используется как критерий при проведении сравнений. Исследуемая точка Fp находится на высоте 5 см от центра операционного стола.
Во всех исследуемых случаях источник бактериинесущих частиц расположен под операционным столом. Концентрация бактериинесущих частиц на подаче воздуха поддерживается в границах 100 частиц на 1 м³, концентрация бактериинесущих частиц в операционной зоне не должна превышать данного значения, а в других частях помещения она может достигать значения 107 m–3.

Share

Рис. 1b. Сеточное представление операционного помещения

Используемый в нашем эксперименте метод основан на трехмерных равенствах Рейнольдса (Reynolds-averaged Navier — Stokes) для неразрушаемого турбулентного потока (shear stress transport (SST) turbulence model). Вычленения выполнены при помощи метода “точного объема”. Коммерческий код CFX5.5 из AEA-CFX использован для вычислений. Уравнения силы, тепловой энергии и перемещения частиц решаются одновременно во время повторного процесса. В соответствии с предположениями Буссине включаются положительные эффекты. Температура поверхности светильника, температура от хирургической бригады и стола фиксируются во время проведения опыта, температура стен не учитывается, поскольку они выполнены из непроводящих температуру материалов. Никакие пограничные значения не предполагаются для твердых поверхностей. На не проводящих температуру стенах тепло, получаемое в результате излучения от других поверхностей, выбрасывается в воздух за счет процесса конвекции. Для потоков рядом с пограничными слоями применяется шкалированная функция стены. Для данной трехмерной физической задачи мы применили нестандартные сеточные потокоулавливатели. Точная сетка применяется при высоком градиенте скорости или когда необходимо определить перемещение частиц, например, у края занавески, рядом с хирургом или столом. Общее число контролируемых объемов составляет 300 тыс. ячеек, как продемонстрировано на рисунке 1b.

Опыт рассматривается как конвергенный и прекращается, как только остатки RMS от всех уравнений падают до 10-5 и баланс перемещения частиц Y превышает 99%. Для демонстрации типичных условий работы хирургической бригады время замеров как срок жизни CPU взято 20 часов. Баланс перемещения бактериинесущих частиц рассчитывается следующим образом:

где Vi , Vin — это объем вытяжного воздушного потока и приточного воздушного потока соответственно; Gparticle — это скорость появления частиц.

Рис. 1c. Стандартная схема операционного помещения

Подготовка опыта
Как показано на рисунке 1c, длина операционного помещения составляет 7.3 м, ширина — 6.2 м и высота 2.7 м. Все стены тщательно изолированы, а воздух поступает вертикальным потоком с потолка. Стандартная операционная обстановка создана за счет операционного стола, стола для хирургических инструментов и 5 манекенов хирургов, расположенных в ламинарном потоке воздуха, подаваемом Медицинским Ламинарным Стерилизатором Воздуха (МЛСВ), как это показано на рисунке 1a. Для упрощения задачи подразумевалось, что весь медицинский персонал находится в состоянии покоя, а на операционном столе имитируется нахождение на нем пациента по средствам подогрева. Для изучения различных ситуаций создается стандартная ситуация и 4 дополнительных ситуации для сравнения. В стандартной ситуации светильник с шестью прожекторами помещается на высоте 0.6 м от стола и на 0.75 м ниже ламинарного воздухораспределителя. Бактериинесущие частицы вырабатываются непосредственно под операционным столом. Подразумевается, что частицы следуют с потоком без отклонения от его направления. Объем подаваемого воздуха через МЛСВ равен 8,000 м³ в час, что соответствует 67-ми кратному обмену воздуха в час. Воздух подается со скоростью 0.28 м/с через МЛСВ размером 2,8 і 2,8 м с ограничительной пластиковой шторкой высотой 0,5 м для обеспечения более качественной ламинарности воздушного потока. Таблица 1 демонстрирует все ситуации, рассмотренные в данном исследовании. Стандартная рассмотренная ситуация отличается от реальной только наличием манекенов вместо медицинских работников. Шестипрожекторный светильник Admeco и большой светильник расположены в одном и том же положении. Большой светильник имеет форму тарелки диаметром 0,9 м, а шестипрожекторный светильник состоит из 6 ламп диаметром 0,08 м.

Таблица.1 Детали исследуемых ситуаций

N	Тип светильника	Расположение стола	Подача воздуха
A	6-прожекторный	На краю	8000 (м3/час)
B	большой	На краю	8000 (м3/час)
C	6-прожекторный	По центру	8000 (м3/час)
D	нет	На краю	8000 (м3/час)
E	нет	На краю	4000 (м3/час)

Рис. 2. Модель потока на центральном срезе в ситуации А.

Результаты
Рисунок 2 демонстрирует направление воздушного потока в операционном помещении в стандартной ситуации (ситуация А). Он показывает, что стерильный воздух, подаваемый МЛСВ, будет распространяться по всему помещению. После столкновения с операционным столом большая часть воздуха выталкивается налево, где образуется турбулентное завихрение. Это, в свою очередь, вызывает перемещение воздуха слева направо под операционным столом и скопление бактериинесущих частиц под столом с правой стороны. Однонаправленный поток под столом вызван его расположением — правый край (где расположена голова пациента) выровнен по краю ограничительной шторки и не центрован по отношению к МЛСВ.

Рис. 3 Модель потока на центральном срезе в ситуации В.

В соответствии с расчетами для ламинарного потока воздуха, имеющего скорость 0,28 м/с, над шестипрожекторным светильником и большим светильником не было обнаружено завихрений воздушного потока. Однако было замечено, что большой светильник разрушает воздушный поток таким образом, что концентрация бактериинесущих частиц над столом значительно увеличивается. На рисунке 3 продемонстрированы векторы воздушных потоков на центральном срезе стола (ситуация В). Становится очевидно, что большой светильник не подходит для размещения между МЛСВ и операционным столом.

Рис. 4. Модель потока на центральном срезе в ситуации С.

На рисунке 4 продемонстрирована модель воздушного потока при расположении операционного стола в центре под МЛСВ (ситуация С). Частицы поднимаются наверх из под стола с обеих сторон, но не достигают его поверхности, а направление потоков является практически симметричным. Поскольку концентрация частиц на правой и левой стороне намного меньше, чем в случае А, то подобное расположение является более приемлемым.

Рис. 5. Модель потока на центральном срезе в ситуации D

На рисунке 5 продемонстрирована модель воздушного потока при отсутствии светильников (ситуация D). Поскольку не существует никаких препятствий при распределении воздуха, оно является более равномерным, чем в ситуации А. Концентрация частиц в других частях помещения практически соответствует ситуации А, поскольку направление потока не нарушается шестипрожекторным светильником.
По сравнению с ситуацией А при уменьшении скорости воздушного потока с 0,28 м/с до 0,20 м/с при равных температурно-влажностных параметрах потока, мощность воздушного потока доминирует над эффектом подвижности. При дальнейшем уменьшении скорости воздушного потока до 0,14 м/с на поток начинают действовать тепловые силы и возникает альтернативный воздушный поток, направленный против основного потока воздуха. Это ведет к увеличению концентрации бактериинесущих частиц над столом (ситуация Е).

Заключение
Для контроля за бактериинесущими частицами в операционном помещении, особенно в районе раны и над операционным столом необходимо учитывать следующее:
1. Площадь светильника над операционным столом будет влиять на воздушный поток, в особенности это касается больших светильников с большой площадью непроходного сечения, которые вызывают увеличение концентрации частиц в операционной зоне.
2. Расположение источника бактериинесущих частиц и операционного стола является критическим для распространения частиц в операционном помещении. При расположении стола по центру под МЛСВ создается асимметричный поток воздуха и все бактериинесущие частицы, поднимающиеся от ног хирурга, будут выталкиваться в одну сторону операционного помещения и удаляться через вытяжную систему.
3. При скорости воздушного потока 0,28 м/с не было обнаружено каких-либо завихрений или противотоков воздушного потока над светильниками, в то время как при уменьшении скорости потока до 0,14 м/с такие явления существуют.

Литература
1. Nelson, J.P. (1977), The operating room environment and its influence on deep wound infection in the hip. Proceedings of the Fifth Scientific Meetings of Hip Society. C.V. Mosby, St. Louis.
2. Lidwell, O.M., Lowbury, E.J.L.W., Blowers R., Stanley S.J., and Lowe D. (1982), Effects of ultraclean air in operating room on deep sepsis in the joint after total hip or knee replacement: A randomized study. British Medical Journal, 285, P10-14.
3. F. Hugh, Howorth OBE. (1987), Prevention of airborne infection in operating room. Journal of Medical Science and Technology, V11, N5 P263- 266.
4. Chen Q., Jiang Z., Moser A. (1992), Control of airborne particle concentration and draught risk in an operating room, Indoor Air, 2, P154-167.
5. Hartung, Kugler (1999), Zur Leistungfahigkeit von Laminar-Flow- Systemen im OP-Alltag, Hyg. Med. 24(12), P509-515
6. Moser A., Numerische Stromungssimulationen fur Detailuntersuchungen in OP-Raumen, DGKH, 6. Internationaler Kongress Krankenhaus-Hygiene, Deutsche Gesellschaft fur Krankenhaushygiene, Berlin, Deutschland, April 2002.
7 Kulpmann R., OP-Luftungskonzepte und ihre Wirtschaftlichkeit: Neuer Abnahmevorschlag von OP-Zuluftdecken, DGKH, 6. Internationaler Kongress Krankenhaus-Hygiene, Deutsche Gesellschaft fur Krankenhaushygiene, Berlin, Deutschland, April 2002.
8. Menter F.R. (1994) Two-Equation Eddy- Viscosity Turbulence models for engineering applications, AIAA Journal, V32, N8, P37-40.
9. Kenjeres S., Hanjalic K. (2000), Convective rolls and heat transfer in finitelength Rayleigh-Bernard convection: A two-dimensional numerical study, Physics Review E, V62, N6, P 7987-7998.

---

Юнлонг Лиу, Альфред Мосер
Климатическая лаборатория, Федеральный
Швейцарский Технологический Институт
Перевод: О. Фурманчук,
Группа Компаний Хоссер,
г. Санкт-Петербург