巡回護士行走對手術區帶菌粒子濃度影響

王金良 陳振興 陳琪 封楊 朱家岑

常州大學建筑環境與能源應用工程系

外科手術部位感染（SSI）是外科手術患者中最常見的手術感染。在手術室中，除 了患者自身的微生物菌落會導致傷口感染，手術團隊身上脫落的皮屑或顆粒物也是引起外科手術感染的主要因素之一[1]。為了有效地減少病人暴露在帶菌粒子中的風險，超凈通風系統（UCV）被引進到了手術室氣流控制領域[2]。但是，國內外有關于超凈手術室帶菌顆粒物濃度的標準及規范卻都是在手術室空態情況下獲得的，很少有人分析巡回護士進出潔凈手術區時對手術區帶菌粒子濃度的影響。因此，本文的主要目的是介紹一種高等的CFD數值模擬模型，它與先前基于分布式動量源的間接數值模擬方法有明顯的不同，定量分析了巡回護士在手術室內行走時對帶菌粒子分布的影響。

1 研究案例

研究中采用的物理模型及人員配置如圖 1 所示[3]，所 設模型引用英國的HTM03-01。手術室的尺寸為7.0 m（長）× 7.0 m（寬）× 2.7 m（高），采 用垂直單向流超凈通風系統送風。送風裝置在圖1a中的天花板上，送風口面積為2.8 m×2.8 m。根據實測，送風口平均出風速度為0.38 m/s，送風溫度為20 ℃。在每面墻的垂直中線上布置1個矩形排風口，尺 寸為1.2 m×0.55 m。每一個排風口的下緣距水平地面0.34 m。為了防止帶菌粒子從外部環境滲透到手術室內，整 個手術室保持25 Pa的正壓力。如 圖1b所示在手術室內共有9人，即8名手術人員和1名患者。人員的形狀都簡化為立方體，尺 寸為0.2 m（厚）× 0.5 m（寬）× 1.7 m（高）。手術室的設備包括2臺醫療器械，1 個手術臺和 1張器械桌，天花板上的2臺手術燈。手術室的布局與作者在另一篇文章中的布局幾乎完全相同[3]，除了手術室內巡回護士（以粉紅色高亮顯示）最初站在非潔凈區。手術室的尺寸、人 員和設備的發熱量都被列進表1中。

圖1 標準超凈手術室中巡回護士行走的物理模型（黑色箭頭表示行走方向）

表1 手術室的尺寸、人員和設備的發熱量

如圖 1b所示動態模擬開始時，巡回護士站在手術室的非潔凈區域（黑色粗箭頭表示護士走動的方向），走 動 1.5 m后停止在手術室潔凈區域。假設巡回護士走動期間其他手術人員保持靜止不動。Matsumoto和Ohba[4]在研究人體移動方式及速度對置換通風室內空氣的溫度影響時，假設了人體最大的移動速度為1.0 m/s。唐喜慶、沈晉明等人[5]指 出通常人正常行走速度按1s 邁步兩次，行走速度約為向前1.08 m/s。根據國內外學者的研究，所 以本研究中采用的最大行走速度為1m/s。為了研究不同的行走速度對帶菌粒子分布的影響，選取了三種行走速度即0.25 m/s，0.5 m/s和 1.0 m/s，圖2是巡回護士行走的三種速度曲線。另外加上巡回護士靜止在原地的情況如圖1b，總共有四種情形進行對比研究。人類在不同活動強度下的發菌量已被證明是多種多樣的。Zhang等人在2008年對手術室人員在不同行走速度下的發菌量總結在了表2中[6]。在本研究中考慮的帶菌粒子粒徑分別為5μm ，6μm ，8 μm 和10 μm 。假設表2中所示的發菌量正被平均分配給每個顆粒組。

圖2 護士行走的三種速度曲線

表2 護士在不同行走速度下的發菌量

2 數值模擬

在英國衛生技術細則HTM 03-01 正式提到的“ 層流”即 經過高效粒子空氣過濾器（HEPA Filter）過濾后提供的垂直向下氣流[7]，從空氣動力學的觀點看并不是真正的層流。因此，對手術室內氣流進行模擬用湍流模型。湍流模擬中的LES（大渦模擬）和DNS（直接數值模擬）是高等但耗時的方法，U RANS（非定常雷諾平均 N-S方程）在仿真精度與計算耗時方面更具有吸引力。由于手術室是相對低的湍流和非支配的浮力，所以在過去幾十年中的氣流研究中標準湍流模型已被廣泛應用[3、6、8]。因此，采 用非定常標準K-ε湍流模型來模擬護士行走時引起的動態氣流，控制方程的一般格式如下：

式中：ρ為空氣密度；為速度矢量為通用變量，代表三個速度方向的變量；K為湍流脈動動能；ε為湍流耗散率；因變量H為空氣的焓值；為廣義擴散系數；為廣義源項。更多的細節可見文獻[3]。手術室內人員和設備整體的發熱量是 1720 W，熱浮力效應和熱輻射效果分別采用Boussinesq近似的空氣密度和離散坐標輻射模型[9]。

采用 Chow 和 Wang 在2012 年研究的修正的漂移通量模型（MDFM），模擬巡回護士行走對手術室帶菌粒子分布的影響[3]。修正的漂移通量模型是根據Lai和Nazaroff 的三層粒子沉積模型開發出來的[10]。在MDFM中粒子濃度被分為兩個區域，即粒子核心濃度區和近壁邊界濃度層。在粒子核心濃度區，粒子濃度的控制方程如下：

式中：C為粒子的濃度，可 表述為質量濃度，C0為1 區域的初始粒子質量濃度；分別為氣流速度、粒子的重力沉降速度；D為粒子的布朗擴散數；ερ為粒子的湍流擴散率。當粒子直徑大于0.01μm時，布朗擴散與湍流擴散相比可以忽略不計[11]。因此，在這項研究中只考慮粒子的湍流擴散。

關于 MDFM 方法更多的細節可以見Chow 和Wang在2012年的研究[3]。帶菌粒子運輸的邊界條件、手術人員暴露的表面引起的帶菌粒子的釋放量采用表2所列的數據，而其它墻壁的濃度梯度指定為零。由于手術室是超凈通風系統沒有帶菌粒子進入手術室，所以送風裝置的帶菌粒子濃度設置為零。四個排風口邊界的帶菌粒子的濃度梯度都設置為零。

研究中為了直觀的模擬巡回護士行走時對帶菌粒子分布的影響，采用了動網格模型。動網格模型的一般積分形式表示為；

式中：ρ為氣流密度；為氣流速度矢量；為動網格的運動速度；Γ 為擴散系數相當與不同的標量φ；為源項；?V為邊界控制量。

關于等式每個項離散化過程的更多細節可以見文獻[9]。當采用動態分層方法時，模擬護士行走過程中總的網格量幾乎保持相同，變化的網格量小于總量的0.6%。動網格模型的詳細說明見Chow和Wang 的研究[3]，其中動網格模型也被用來研究外科醫生彎曲運動對帶菌粒子分布的影響。

如圖3所示在巡回護士行走時，整個網格被分成兩個區域即靜網格區和動網格區。動網格區即巡回護士行走區域，尺寸為1.9 m（長）× 0.7 m（寬）× 1.75 m（高）。如 圖3所示的動網格區域（黃色部分），基 于網格界面規律的滑動網格理論，有六個界面與靜態網格區域交換數據。研究中采用靜網格和動網格劃分的原因是：巡回護士行走時動態網格區域可以隨時間變化而變化，而靜網格區內的網格不受影響，提高了模擬過程的收斂性和穩定性。網格經過獨立性測試后，靜網格區域被劃分為250296個六面體單元，動網格區域被劃分為25024個六面體單元。研究中基于FLU ENT平臺開發了一系列子程序，成功地分析了不同行走速度（如圖2）的影響。如圖 1所示當所有手術人員都靜止時，穩態空氣流場和帶菌粒子的濃度場作為后續動態模擬所需的初始條件。

3 結果與討論

在巡回護士行走期間，身體的左右兩側存在兩個漩渦而且行走速度越快漩渦越大。由于篇幅的限制，僅選取了巡回護士以較大的速度1 m/s行走時的氣流流線（左）和粒子濃度分布（右）。如圖5右圖所示巡回護士在行走前，手術關鍵區的帶菌粒子濃度一般在0 cfu/m3，符合英國衛生技術細則HTM 03-01 推薦的小于 10 cfu/m3[7]。另一方面，如圖 6a、b 所示巡回護士以0 m/s和 0.25 m/s 的速度行走結束時，手術關鍵區帶菌粒子濃度仍接近0 cfu/m3，這意味著巡回護士以低于0.25 m/s的速度從非潔凈區進入潔凈區時幾乎不

圖3 巡回護士行走時靜態和動態的網格配置

圖4 模擬的帶菌粒子與文獻資料的平均沉積速率對比

從模擬的帶菌粒子與文獻資料的平均沉積速率對比（圖4）中，可以清楚地看到模擬的 5 μm，6μm，8 μm和 10 μm直徑的帶菌粒子的平均沉積速率與Zhao等人和Fogh等人發表的研究結論相同[12-13]。所以，這說明了所選模擬模型的正確性。影響手術關鍵區的帶菌粒子分布。如圖 6c、d 所示，當巡回護士以0.5 m/s 和 1 m/s 的更快速度行走時會污染手術臺的部分區域和病人的上表面。為了清楚地表示出受污染的區域，圖 6e、f分別顯示了受污染的6c、d手術關鍵區的局部放大數字。從局部放大數字可以看到手術關鍵區的帶菌粒子已經超過了英國衛生技術細則HTM 03-01 推薦的 10 cfu/m3，嚴重污染了手術區，增大了患者感染的風險。因此，在手術期間為了減少外科手術感染的危險，應 盡量減少從非潔凈區快速步行到潔凈區。

圖5 巡回護士以1 m/s走動后的流線圖（左）和帶菌粒子的濃度分布（右）

研究中對巡回護士以0.5m/s 和1m/s 的速度行走，造成手術關鍵區污染的原因進行了如下分析：首先，從理論上講基于 Reist的停止距離公式[14]，護士以最大的速度1m/s行走時直徑為5μm，6μm，8μm 和10μm的粒子分別被估計的最大運動距離為76.3μm，110μm，195μm和305μm。這些距離意味著單純的依靠粒子自身的慣性，粒子本身水平移動的最遠距離只是在1 mm的范圍內。另一方面，這也意味著在手術室內帶菌粒子的運輸主要依靠空氣的流動，而不是巡回護士在初始行走時施加的慣性效應。當巡回護士從非潔凈區走到潔凈區時，身前的二次氣流與流經患者表面的潔凈氣流方向相反，氣流流速大約是0.25 m/s。巡回護士以0.25 m/s的速度行走時兩個相反的速度大小相當，導致帶菌粒子不能被二次氣流輸送到手術關鍵區。以0.5 m/s 和1 m/s 的速度行走時，護士身前的二次氣流比流經患者上表面的潔凈氣流強得多。因此，帶菌粒子可以通過二次氣流輸送到手術關鍵區，污染手術臺和患者上表面。

圖6 四種行走速度下帶菌粒子的濃度分布圖（單位：cfu/m 3 ）

4 結論

在這項研究中，采用了高等的CFD仿真模型模擬巡回護士從手術室的非潔凈區進入潔凈區時，對帶菌粒子的濃度分布造成的影響。文中所提出的數學模型的有效性也被文獻數據所證明。得出的主要結論如下：

1）巡回護士以較低的速度 0 m/s和 0.25 m/s行走時對手術關鍵區帶菌粒子的分布有輕微的影響，而以更快的速度 0.5 m/s 和 1 m/s 行走時會污染手術臺部分區域和病人的上表面。

2）當巡回護士以0.5 m/s 和 1 m/s 行走時，身前的二次氣流比流經患者上方的潔凈氣流強得多，導致了手術關鍵區被帶菌粒子污染，所以巡回護士應盡量以低于0.25 m/s的速度行走。