Контроль концентрации бактериинесущих частиц в операционном помещении Краткое содержание: 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 их возникновение и движение. В результате исследований было определено, что критическими факторами, оказывающими влияние на распространение бактериинесущих частиц и стерильность в операционном помещении, являются: расположение источника бактериинесущих частиц, конструкция системы кондиционирования, месторасположение операционного стола и конструктивные особенности светильников. Ключевые слова: операционное помещение, воздушный поток, частица, концентрация, цифровая модель. Вступление Чистота воздуха в операционном помещении является ключевым фактором, обеспечивающим снижение уровня послеоперационных инфекций при хирургических вмешательствах. Было доказано, что 80 – 90% зараженных 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 инфекций после операционного вмешательства необходимо контролировать количество бактериинесущих частиц в определенных границах. Движение бактериинесущих частиц в операционном помещении зависит от множества факторов, таких, например, как: геометрия помещения, конструкция системы кондиционирования, концентрация выброшенного воздуха, количество человек в помещении, источник бактериинесущих частиц, расположение оборудования и т.д. Результаты исследований демонстрируют, что в биологически чистой зоне во время проведения операции необходимо поддержание параметров концентрации бактерииобразующих частиц: 1 cfu/m3 (cfu – бактерииобразующая частица). Самый простой способ добиться таких параметров – исследовать движение частиц и на основании результатов создать биологически чистое операционное помещение. 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 экспериментов в помещении, нарушают движение воздушных потоков в изучаемой зоне. Появившиеся цифровые компьютерные программы, например, Вычисления Динамики Воздушных Потоков (ВДВП), стали надежным инструментом, позволяющим моделировать воздушные потоки, движение тепловых потоков и бактериинесущих частиц. Ученый Чен провел успешные опыты по цифровому моделированию воздушных потоков и концентрации бактериинесущих частиц в операционном помещении. Он утверждает, что на чистоту воздуха в помещении положительно влияет усиление потока подаваемого воздуха и увеличение площади отверстия воздуховода. Ученые Хартунг и Кюглер, в свою очередь, провели двухмерное цифровое моделирование операционного помещения. Они доказали, что значительное влияние на воздушные потоки оказывают операционная бригада и хирургические светильники. Однако, далее мы продемонстрируем, что двухмерное цифровое моделирование не может объективно отражать область воздушных потоков и передвижение бактериинесущих частиц. Данное исследование проводилось в действующем операционном помещении в одной из Швейцарских клиник. Его целью было выбрать из множества вариантов оптимальную конструкцию сетки воздуховода, местоположение отверстия для отвода воздуха, расположение операционного стола, а также определить степень нарушения поля воздушных потоков при использовании различных светильников. Физическая задача и математическая модель Основой исследования стала инженерная задача создания системы вентиляции для операционного помещения в одной из Швейцарских клиник (рисунок 1а). Рисунок 1a. Операционное помещение в Швейцарской клинике При решении подобной задачи особое значение имеет распределение концентрации бактериинесущих частиц в операционной зоне. Эффективность уничтожения бактериинесущих частиц может быть выражена следующим образом: η = (ln(Фex) – ln(Фр))/(ln(Фex) – ln(Фin)), где η – это эффективность уничтожения бактериинесущих частиц, Фex, Фр и Фin – концентрация бактериинесущих частиц на выходе воздуха, подаче воздуха и в операционной зоне, соответственно. Если воздух в операционной зоне соответствует показателям стерильности подаваемого воздуха, то η – это равное значение, если концентрация бактериинесущих частиц в операционной зоне выше, чем в подаваемом воздухе, но ниже, чем в отработанном воздухе, то значение η находится между 0 и 1. Таким образом, η используется, как критерий при проведении сравнений. Исследуемая точка Фр 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 куб. метр, концентрация бактериинесущих частиц в операционной зоне не должна превышать данного значения, а в других частях помещения она может достигать значения 107/m3. Используемый здесь численный метод основан на трехмерных равенствах Рейнольдса (Reynolds-averaged Navier-Stokes) и модели неразрушаемого турбулентного потока (closed by the shear stress transport (SST) turbulence model). Вычленение выполнено при помощи метода «точного объема». Шифры CFX5.5 из AEA-CFX использованы 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, хирургов и стола фиксируется во время проведения опыта, температура стен не учитывается, поскольку они выполнены из не проводящих 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 нестандартное сеточное расположение. 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 300 000 ячеек, как продемонстрировано на рисунке 1b. Рисунок 1b. Сеточное представление операционного помещения Опыт рассматривается как конвергентный и прекращается как только остатки RMS от всех уравнений падают до 10-5 и баланс перемещения частиц ψ превышает 99%. Баланс перемещения бактериинесущих частиц рассчитывается следующим образом: где Vj, Vin – это объем отработанного воздушного потока и подаваемого воздушного потока соответственно; Gparticle – это скорость выработки частиц. 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 со стороны потолка. Стандартная операционная обстановка создана за счет операционного стола, расположенного на уровне воздуховода, стола для инструментов, расположенного под отверстием забора воздуха, и пяти манекенов хирургов, как показано на рисунке 1a. Для упрощения задачи подразумевалось, что весь медицинский персонал находится в состоянии покоя, а на стол подается определенная температура, симулирующая нахождение на нем пациента. Рисунок 1c. Стандартная схема операционного помещения Для изучения отличий различных ситуаций создается стандартная ситуация и 4 дополнительных для сравнения. В стандартной ситуации светильник с шестью прожекторами помещается на высоте 0.6 м от стола и на 0.75 м ниже воздухораспределителя. Бактериинесущие частицы вырабатываются непосредственно под операционным столом. Подразумевается, что частицы следуют с потоком без отклонения от его направления. Объем потока воздуха равен 8 000 м3 в час, что соответствует скорости смены воздуха в 67 ach. Воздух подается со скоростью 0.28 м/с от воздухораспределителя размером 2.8 x 2.8 м2, с ограничительной шторкой высотой 0.5 м, предложенной фирмой Meierhans AG для обеспечения параллельной направленности воздушных потоков. Таблица 1 демонстрирует все ситуации, рассмотренные в данном исследовании. Стандартная рассмотренная ситуация отличается от реальной только наличием манекенов вместо медицинских работников. Шестипрожекторный светильник и большой светильник находятся в одном и том же положении. Большой светильник имеет форму тарелки диаметром 0.9 м, а шестипрожекторный светильник состоит из 6 маленьких ламп диаметром 0.08 м. Таблица 1. Детали исследуемых ситуаций Результаты Рисунок 2 демонстрирует направление воздушного потока в операционном помещении в стандартной ситуации (ситуация А). Он показывает, что чистый подаваемый воздух, поступающий от ламинарного воздухораспределителя, будет распространяться по всему помещению. После столкновения с операционным столом большая часть воздуха выталкивается налево, где образуется рециркуляция. 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 сцентрован по отношению к ламинарному воздухораспределителю. Рисунок 2. Модель потока на центральном срезе в ситуации А В соответствии с расчетами для ламинарного потока воздуха, имеющего скорость 0.28 м/с, над шестипрожекторным светильником и большим светильником не было обнаружено подвижных завихрений. Однако было замечено, что большой светильник разрушает область потока настолько, 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 воздухораспределителем и операционным столом. Рисунок 3. Модель потока на центральном срезе в ситуации В На рисунке 4 продемонстрирована модель потока при расположении операционного стола в центре под ламинарным воздухораспределителем (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. Рисунок 4. Модель потока на центральном срезе в ситуации С На рисунке 5 продемонстрирована модель 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 шестипрожекторным светильником направление потока существенно не нарушается. Рисунок 5. Модель потока на центральном срезе в ситуации D По сравнению с ситуацией А, при сокращении скорости воздушного потока с 0.28 м/с до 0.20 м/с сила подаваемого потока превышает эффекты подвижности; при дальнейшем сокращении скорости воздушного потока до 0.14 м/с начинают действовать тепловые силы и возникает подвижный направленный вверх поток. Это ведет к более высокой концентрации бактериинесущих частиц над столом (ситуация Е). Заключение Для контроля за бактериинесущими частицами в операционном помещении, особенно над операционным столом, необходимо учитывать следующее: 1. светильники над операционным столом будут влиять на воздушный поток; в особенности это касается больших светильников, 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 ламинарным воздухораспределителем создается асимметричный поток, и все частицы, поднимающиеся от ног хирурга, будут выталкиваться в одну сторону операционного помещения; 3. при скорости воздушного потока 0.28 м/с не было обнаружено подвижных потоков над светильниками, при уменьшении скорости потока до 0.14 м/с такие потоки существуют. Авторы статьи – Юнлонг Лиу, Альфред Мосер. Климатическая лаборатория, Федеральный Швейцарский Технологический Институт. Перевод: Фурманчук О. В., Группа компаний «Хоссер».