王金良 陳振興 陳琪 封楊 朱家岑

常州大學建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系

外科手術(shù)部位感染（SSI）是外科手術(shù)患者中最常見的手術(shù)感染。在手術(shù)室中，除 了患者自身的微生物菌落會導致傷口感染，手術(shù)團隊身上脫落的皮屑或顆粒物也是引起外科手術(shù)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(tǒng)（UCV）被引進到了手術(shù)室氣流控制領(lǐng)域[2]。但是，國內(nèi)外有關(guān)于超凈手術(shù)室?guī)Ьw粒物濃度的標準及規(guī)范卻都是在手術(shù)室空態(tài)情況下獲得的，很少有人分析巡回護士進出潔凈手術(shù)區(qū)時對手術(shù)區(qū)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(shù)值模擬模型，它與先前基于分布式動量源的間接數(shù)值模擬方法有明顯的不同，定量分析了巡回護士在手術(shù)室內(nèi)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(shè)模型引用英國的HTM03-01。手術(shù)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(tǒng)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(jù)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(huán)境滲透到手術(shù)室內(nèi)，整 個手術(shù)室保持25 Pa的正壓力。如 圖1b所示在手術(shù)室內(nèi)共有9人，即8名手術(shù)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(shù)室的設(shè)備包括2臺醫(yī)療器械，1 個手術(shù)臺和 1張器械桌，天花板上的2臺手術(shù)燈。手術(shù)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(shù)室內(nèi)巡回護士（以粉紅色高亮顯示）最初站在非潔凈區(qū)。手術(shù)室的尺寸、人 員和設(shè)備的發(fā)熱量都被列進表1中。

圖1 標準超凈手術(shù)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(shù)室的尺寸、人員和設(shè)備的發(fā)熱量

如圖 1b所示動態(tài)模擬開始時，巡回護士站在手術(shù)室的非潔凈區(qū)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(shù)室潔凈區(qū)域。假設(shè)巡回護士走動期間其他手術(shù)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(nèi)空氣的溫度影響時，假設(shè)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(jù)國內(nèi)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(fā)菌量已被證明是多種多樣的。Zhang等人在2008年對手術(shù)室人員在不同行走速度下的發(fā)菌量總結(jié)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(shè)表2中所示的發(fā)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(fā)菌量

2 數(shù)值模擬

在英國衛(wèi)生技術(shù)細則HTM 03-01 正式提到的“ 層流”即 經(jīng)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(shù)室內(nèi)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(shù)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(shù)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(yīng)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(tài)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(shù)；為廣義源項。更多的細節(jié)可見文獻[3]。手術(shù)室內(nèi)人員和設(shè)備整體的發(fā)熱量是 1720 W，熱浮力效應(yīng)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(shù)室?guī)ЬＷ臃植嫉挠绊慬3]。修正的漂移通量模型是根據(jù)Lai和Nazaroff 的三層粒子沉積模型開發(fā)出來的[10]。在MDFM中粒子濃度被分為兩個區(qū)域，即粒子核心濃度區(qū)和近壁邊界濃度層。在粒子核心濃度區(qū)，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(zhì)量濃度，C0為1 區(qū)域的初始粒子質(zhì)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(shù)；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(guān)于 MDFM 方法更多的細節(jié)可以見Chow 和Wang在2012年的研究[3]。帶菌粒子運輸?shù)倪吔鐥l件、手術(shù)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(shù)據(jù)，而其它墻壁的濃度梯度指定為零。由于手術(shù)室是超凈通風系統(tǒng)沒有帶菌粒子進入手術(shù)室，所以送風裝置的帶菌粒子濃度設(shè)置為零。四個排風口邊界的帶菌粒子的濃度梯度都設(shè)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(wǎng)格模型。動網(wǎng)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(wǎng)格的運動速度；Γ 為擴散系數(shù)相當與不同的標量φ；為源項；?V為邊界控制量。

關(guān)于等式每個項離散化過程的更多細節(jié)可以見文獻[9]。當采用動態(tài)分層方法時，模擬護士行走過程中總的網(wǎng)格量幾乎保持相同，變化的網(wǎng)格量小于總量的0.6%。動網(wǎng)格模型的詳細說明見Chow和Wang 的研究[3]，其中動網(wǎng)格模型也被用來研究外科醫(yī)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(wǎng)格被分成兩個區(qū)域即靜網(wǎng)格區(qū)和動網(wǎng)格區(qū)。動網(wǎng)格區(qū)即巡回護士行走區(qū)域，尺寸為1.9 m（長）× 0.7 m（寬）× 1.75 m（高）。如 圖3所示的動網(wǎng)格區(qū)域（黃色部分），基 于網(wǎng)格界面規(guī)律的滑動網(wǎng)格理論，有六個界面與靜態(tài)網(wǎng)格區(qū)域交換數(shù)據(jù)。研究中采用靜網(wǎng)格和動網(wǎng)格劃分的原因是：巡回護士行走時動態(tài)網(wǎng)格區(qū)域可以隨時間變化而變化，而靜網(wǎng)格區(qū)內(nèi)的網(wǎng)格不受影響，提高了模擬過程的收斂性和穩(wěn)定性。網(wǎng)格經(jīng)過獨立性測試后，靜網(wǎng)格區(qū)域被劃分為250296個六面體單元，動網(wǎng)格區(qū)域被劃分為25024個六面體單元。研究中基于FLU ENT平臺開發(fā)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(shù)人員都靜止時，穩(wěn)態(tài)空氣流場和帶菌粒子的濃度場作為后續(xù)動態(tài)模擬所需的初始條件。

3 結(jié)果與討論

在巡回護士行走期間，身體的左右兩側(cè)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(shù)關(guān)鍵區(qū)的帶菌粒子濃度一般在0 cfu/m3，符合英國衛(wèi)生技術(shù)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(jié)束時，手術(shù)關(guān)鍵區(qū)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(qū)進入潔凈區(qū)時幾乎不

圖3 巡回護士行走時靜態(tài)和動態(tài)的網(wǎng)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(fā)表的研究結(jié)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(shù)關(guān)鍵區(qū)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(shù)臺的部分區(qū)域和病人的上表面。為了清楚地表示出受污染的區(qū)域，圖 6e、f分別顯示了受污染的6c、d手術(shù)關(guān)鍵區(qū)的局部放大數(shù)字。從局部放大數(shù)字可以看到手術(shù)關(guān)鍵區(qū)的帶菌粒子已經(jīng)超過了英國衛(wèi)生技術(shù)細則HTM 03-01 推薦的 10 cfu/m3，嚴重污染了手術(shù)區(qū)，增大了患者感染的風險。因此，在手術(shù)期間為了減少外科手術(shù)感染的危險，應(yīng) 盡量減少從非潔凈區(qū)快速步行到潔凈區(qū)。

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(shù)關(guān)鍵區(qū)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(nèi)。另一方面，這也意味著在手術(shù)室內(nèi)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(yīng)。當巡回護士從非潔凈區(qū)走到潔凈區(qū)時，身前的二次氣流與流經(jīng)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(shù)關(guān)鍵區(qū)。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(jīng)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(shù)關(guān)鍵區(qū)，污染手術(shù)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(jié)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(shù)室的非潔凈區(qū)進入潔凈區(qū)時，對帶菌粒子的濃度分布造成的影響。文中所提出的數(shù)學模型的有效性也被文獻數(shù)據(jù)所證明。得出的主要結(jié)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(shù)關(guān)鍵區(qū)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(shù)臺部分區(qū)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(jīng)患者上方的潔凈氣流強得多，導致了手術(shù)關(guān)鍵區(qū)被帶菌粒子污染，所以巡回護士應(yīng)盡量以低于0.25 m/s的速度行走。