巡回护士行走对手术区带菌粒子浓度影响

王金良 陈振兴 陈琪 封杨 朱家岑

常州大学建筑环境与能源应用工程系

外科手术部位感染（SSI）是外科手术患者中最常见的手术感染。在手术室中，除 了患者自身的微生物菌落会导致伤口感染，手术团队身上脱落的皮屑或颗粒物也是引起外科手术感染的主要因素之一[1]。为了有效地减少病人暴露在带菌粒子中的风险，超净通风系统（UCV）被引进到了手术室气流控制领域[2]。但是，国内外有关于超净手术室带菌颗粒物浓度的标准及规范却都是在手术室空态情况下获得的，很少有人分析巡回护士进出洁净手术区时对手术区带菌粒子浓度的影响。因此，本文的主要目的是介绍一种高等的CFD数值模拟模型，它与先前基于分布式动量源的间接数值模拟方法有明显的不同，定量分析了巡回护士在手术室内行走时对带菌粒子分布的影响。

1 研究案例

研究中采用的物理模型及人员配置如图 1 所示[3]，所 设模型引用英国的HTM03-01。手术室的尺寸为7.0 m（长）× 7.0 m（宽）× 2.7 m（高），采 用垂直单向流超净通风系统送风。送风装置在图1a中的天花板上，送风口面积为2.8 m×2.8 m。根据实测，送风口平均出风速度为0.38 m/s，送风温度为20 ℃。在每面墙的垂直中线上布置1个矩形排风口，尺 寸为1.2 m×0.55 m。每一个排风口的下缘距水平地面0.34 m。为了防止带菌粒子从外部环境渗透到手术室内，整 个手术室保持25 Pa的正压力。如 图1b所示在手术室内共有9人，即8名手术人员和1名患者。人员的形状都简化为立方体，尺 寸为0.2 m（厚）× 0.5 m（宽）× 1.7 m（高）。手术室的设备包括2台医疗器械，1 个手术台和 1张器械桌，天花板上的2台手术灯。手术室的布局与作者在另一篇文章中的布局几乎完全相同[3]，除了手术室内巡回护士（以粉红色高亮显示）最初站在非洁净区。手术室的尺寸、人 员和设备的发热量都被列进表1中。

图1 标准超净手术室中巡回护士行走的物理模型（黑色箭头表示行走方向）

表1 手术室的尺寸、人员和设备的发热量

如图 1b所示动态模拟开始时，巡回护士站在手术室的非洁净区域（黑色粗箭头表示护士走动的方向），走 动 1.5 m后停止在手术室洁净区域。假设巡回护士走动期间其他手术人员保持静止不动。Matsumoto和Ohba[4]在研究人体移动方式及速度对置换通风室内空气的温度影响时，假设了人体最大的移动速度为1.0 m/s。唐喜庆、沈晋明等人[5]指 出通常人正常行走速度按1s 迈步两次，行走速度约为向前1.08 m/s。根据国内外学者的研究，所 以本研究中采用的最大行走速度为1m/s。为了研究不同的行走速度对带菌粒子分布的影响，选取了三种行走速度即0.25 m/s，0.5 m/s和 1.0 m/s，图2是巡回护士行走的三种速度曲线。另外加上巡回护士静止在原地的情况如图1b，总共有四种情形进行对比研究。人类在不同活动强度下的发菌量已被证明是多种多样的。Zhang等人在2008年对手术室人员在不同行走速度下的发菌量总结在了表2中[6]。在本研究中考虑的带菌粒子粒径分别为5μm ，6μm ，8 μm 和10 μm 。假设表2中所示的发菌量正被平均分配给每个颗粒组。

图2 护士行走的三种速度曲线

表2 护士在不同行走速度下的发菌量

2 数值模拟

在英国卫生技术细则HTM 03-01 正式提到的“ 层流”即 经过高效粒子空气过滤器（HEPA Filter）过滤后提供的垂直向下气流[7]，从空气动力学的观点看并不是真正的层流。因此，对手术室内气流进行模拟用湍流模型。湍流模拟中的LES（大涡模拟）和DNS（直接数值模拟）是高等但耗时的方法，U RANS（非定常雷诺平均 N-S方程）在仿真精度与计算耗时方面更具有吸引力。由于手术室是相对低的湍流和非支配的浮力，所以在过去几十年中的气流研究中标准湍流模型已被广泛应用[3、6、8]。因此，采 用非定常标准K-ε湍流模型来模拟护士行走时引起的动态气流，控制方程的一般格式如下：

式中：ρ为空气密度；为速度矢量为通用变量，代表三个速度方向的变量；K为湍流脉动动能；ε为湍流耗散率；因变量H为空气的焓值；为广义扩散系数；为广义源项。更多的细节可见文献[3]。手术室内人员和设备整体的发热量是 1720 W，热浮力效应和热辐射效果分别采用Boussinesq近似的空气密度和离散坐标辐射模型[9]。

采用 Chow 和 Wang 在2012 年研究的修正的漂移通量模型（MDFM），模拟巡回护士行走对手术室带菌粒子分布的影响[3]。修正的漂移通量模型是根据Lai和Nazaroff 的三层粒子沉积模型开发出来的[10]。在MDFM中粒子浓度被分为两个区域，即粒子核心浓度区和近壁边界浓度层。在粒子核心浓度区，粒子浓度的控制方程如下：

式中：C为粒子的浓度，可 表述为质量浓度，C0为1 区域的初始粒子质量浓度；分别为气流速度、粒子的重力沉降速度；D为粒子的布朗扩散数；ερ为粒子的湍流扩散率。当粒子直径大于0.01μm时，布朗扩散与湍流扩散相比可以忽略不计[11]。因此，在这项研究中只考虑粒子的湍流扩散。

关于 MDFM 方法更多的细节可以见Chow 和Wang在2012年的研究[3]。带菌粒子运输的边界条件、手术人员暴露的表面引起的带菌粒子的释放量采用表2所列的数据，而其它墙壁的浓度梯度指定为零。由于手术室是超净通风系统没有带菌粒子进入手术室，所以送风装置的带菌粒子浓度设置为零。四个排风口边界的带菌粒子的浓度梯度都设置为零。

研究中为了直观的模拟巡回护士行走时对带菌粒子分布的影响，采用了动网格模型。动网格模型的一般积分形式表示为；

式中：ρ为气流密度；为气流速度矢量；为动网格的运动速度；Γ 为扩散系数相当与不同的标量φ；为源项；∂V为边界控制量。

关于等式每个项离散化过程的更多细节可以见文献[9]。当采用动态分层方法时，模拟护士行走过程中总的网格量几乎保持相同，变化的网格量小于总量的0.6%。动网格模型的详细说明见Chow和Wang 的研究[3]，其中动网格模型也被用来研究外科医生弯曲运动对带菌粒子分布的影响。

如图3所示在巡回护士行走时，整个网格被分成两个区域即静网格区和动网格区。动网格区即巡回护士行走区域，尺寸为1.9 m（长）× 0.7 m（宽）× 1.75 m（高）。如 图3所示的动网格区域（黄色部分），基 于网格界面规律的滑动网格理论，有六个界面与静态网格区域交换数据。研究中采用静网格和动网格划分的原因是：巡回护士行走时动态网格区域可以随时间变化而变化，而静网格区内的网格不受影响，提高了模拟过程的收敛性和稳定性。网格经过独立性测试后，静网格区域被划分为250296个六面体单元，动网格区域被划分为25024个六面体单元。研究中基于FLU ENT平台开发了一系列子程序，成功地分析了不同行走速度（如图2）的影响。如图 1所示当所有手术人员都静止时，稳态空气流场和带菌粒子的浓度场作为后续动态模拟所需的初始条件。

3 结果与讨论

在巡回护士行走期间，身体的左右两侧存在两个漩涡而且行走速度越快漩涡越大。由于篇幅的限制，仅选取了巡回护士以较大的速度1 m/s行走时的气流流线（左）和粒子浓度分布（右）。如图5右图所示巡回护士在行走前，手术关键区的带菌粒子浓度一般在0 cfu/m3，符合英国卫生技术细则HTM 03-01 推荐的小于 10 cfu/m3[7]。另一方面，如图 6a、b 所示巡回护士以0 m/s和 0.25 m/s 的速度行走结束时，手术关键区带菌粒子浓度仍接近0 cfu/m3，这意味着巡回护士以低于0.25 m/s的速度从非洁净区进入洁净区时几乎不

图3 巡回护士行走时静态和动态的网格配置

图4 模拟的带菌粒子与文献资料的平均沉积速率对比

从模拟的带菌粒子与文献资料的平均沉积速率对比（图4）中，可以清楚地看到模拟的 5 μm，6μm，8 μm和 10 μm直径的带菌粒子的平均沉积速率与Zhao等人和Fogh等人发表的研究结论相同[12-13]。所以，这说明了所选模拟模型的正确性。影响手术关键区的带菌粒子分布。如图 6c、d 所示，当巡回护士以0.5 m/s 和 1 m/s 的更快速度行走时会污染手术台的部分区域和病人的上表面。为了清楚地表示出受污染的区域，图 6e、f分别显示了受污染的6c、d手术关键区的局部放大数字。从局部放大数字可以看到手术关键区的带菌粒子已经超过了英国卫生技术细则HTM 03-01 推荐的 10 cfu/m3，严重污染了手术区，增大了患者感染的风险。因此，在手术期间为了减少外科手术感染的危险，应 尽量减少从非洁净区快速步行到洁净区。

图5 巡回护士以1 m/s走动后的流线图（左）和带菌粒子的浓度分布（右）

研究中对巡回护士以0.5m/s 和1m/s 的速度行走，造成手术关键区污染的原因进行了如下分析：首先，从理论上讲基于 Reist的停止距离公式[14]，护士以最大的速度1m/s行走时直径为5μm，6μm，8μm 和10μm的粒子分别被估计的最大运动距离为76.3μm，110μm，195μm和305μm。这些距离意味着单纯的依靠粒子自身的惯性，粒子本身水平移动的最远距离只是在1 mm的范围内。另一方面，这也意味着在手术室内带菌粒子的运输主要依靠空气的流动，而不是巡回护士在初始行走时施加的惯性效应。当巡回护士从非洁净区走到洁净区时，身前的二次气流与流经患者表面的洁净气流方向相反，气流流速大约是0.25 m/s。巡回护士以0.25 m/s的速度行走时两个相反的速度大小相当，导致带菌粒子不能被二次气流输送到手术关键区。以0.5 m/s 和1 m/s 的速度行走时，护士身前的二次气流比流经患者上表面的洁净气流强得多。因此，带菌粒子可以通过二次气流输送到手术关键区，污染手术台和患者上表面。

图6 四种行走速度下带菌粒子的浓度分布图（单位：cfu/m 3 ）

4 结论

在这项研究中，采用了高等的CFD仿真模型模拟巡回护士从手术室的非洁净区进入洁净区时，对带菌粒子的浓度分布造成的影响。文中所提出的数学模型的有效性也被文献数据所证明。得出的主要结论如下：

1）巡回护士以较低的速度 0 m/s和 0.25 m/s行走时对手术关键区带菌粒子的分布有轻微的影响，而以更快的速度 0.5 m/s 和 1 m/s 行走时会污染手术台部分区域和病人的上表面。

2）当巡回护士以0.5 m/s 和 1 m/s 行走时，身前的二次气流比流经患者上方的洁净气流强得多，导致了手术关键区被带菌粒子污染，所以巡回护士应尽量以低于0.25 m/s的速度行走。