Влияние формы хирургических светильников на ламинарный поток в операционных

Резюме

Вентиляционные системы в операционных используются для предотвращения попадания бактерий в открытую рану пациента воздушным путем. Хирургические светильники – одна из основных причин нарушения воздушного потока, создаваемого вентиляционными системами в операционных. В данном отчете приводятся результаты исследований, целью которых было определить и рассчитать влияние формы операционных светильников на воздушный поток, образующийся вокруг хирургических ламп.

Для изучения механизма перенесения вверх частиц, находящихся под операционной лампой, использована методика визуализации и измерения концентраций частиц в сочетании с фиксированным источником частиц. Для определения размера воздушной струи под хирургической лампой проводились измерения скорости воздушного потока. При проведении исследования использовались светильники разных форм.

Результаты исследования стали основой для сравнения экспериментальных данных с индексами ламинарного потока по Леенеманну и Оостландеру и оценки того, насколько четко полученные данные позволяют определить качество работы хирургической лампы с точки зрения поддержания чистоты воздуха в операционной. Результаты проведенных экспериментов в дальнейшем будут использоваться при проведении сертификации CFD.

Введение

Чистый воздух в операционную подается, как правило, через приточную вентиляционную установку, смонтированную в запотолочном пространстве. При этом создается ламинарный воздушный поток, предотвращающий попадание бактерий в открытую рану пациента. Это специализированное устройство известно как медицинский ламинарный стерилизатор воздуха (МЛСВ). Хирургические светильники обычно располагаются между такими системами и пациентом, лежащим на операционном столе. Поэтому они и влияют на изменение воздушного потока. [1]

Производители хирургических светильников знают об этом и стараются свести к минимуму воздействие ламп на воздушный поток. Для измерения этого фактора влияния до настоящего момента использовались два так называемых индекса "ламинарного потока" – LAF (англ. «LaminarAirFlow»): индекс по Леенеманну [2] и индекс по Оостландеру [2]. Эти показатели позволяют определить степень воздействия хирургической лампы на воздушный поток.

Индекс по Леенеманну выводится из формулы, по которой учитываются площадь поверхности хирургической лампы, объем выработки теплоты и светоотдача. Допускается нарушение воздушного потока лампами большего размера, если их светоотдача высокая.

Индекс по Оостландеру – это упрощенная версия индекса по Леенеманну. Этот показатель учитывает фактор формы светильника и его аэродинамические характеристики. Метод вычисления коэффициента формы светильника до сих пор не определен, поэтому на практике этот коэффициент всегда берется за единицу. Существует также поправочный коэффициент для фокусного расстояния. Большее фокусное расстояние допускается при большем расстоянии между хирургической лампой и открытой раной.

Другим способом оценки эффективности системы нисходящего ламинарного потока является изучение площади распространения загрязняющих веществ в пределах операционной. Описание этого метода приводится в документе VDI 2167 [3]. В этом случае в экспериментальной операционной располагают фиксированный источник загрязняющих веществ. Измеряя количество загрязняющих частиц, занимающих определенный участок на операционном столе, можно определить способность системы ламинарного потока воздуха поддерживать чистоту воздуха в операционной. При этом методе оценки эффект работы хирургической лампы учитывается как отдельный элемент при общей планировке операционного зала.

Последние разработки показали, что при использовании VDI метода оценки индекс ламинарного потока, упомянутый выше, учитывается меньше. Тем не менее, при использовании этого метода степень оптимизации формы хирургической лампы оценить труднее, поскольку результат оценки есть комплексный итог планировки операционного зала.

Существуют и используются различные конструкции хирургических светильников. Поэтому так высок интерес к оценке влияния отдельных элементов оборудования операционного зала в дополнение к общей оценке его характеристик.

Цель данного исследования – экспериментально изучить влияние формы хирургических светильников, используемых на практике, на воздушные потоки в помещении. Итоги экспериментов будут полезны для проведения сравнения с численными результатами и обсуждения индексов ламинарного потока. В данной работе уделено внимание экспериментальной работе и ее результатам.

Фото 1. Камера, в которой проводились измерения

Методика измерений

Для проведения измерений использовалась приточная вентиляционная установка 1,0 x 1,0 м с нисходящим потоком, расположенная по центру потолка стеклянной камеры, установленной в экспериментальной лаборатории с регулируемыми условиями. Размеры стеклянной камеры: 2,0 × 2,0 × 1,65 м (см. фото 1). Вытяжка (высота 0,2 м) располагалась по всей длине стеклянной камеры по левой стороне пола.

Для эксперимента были выбраны три хирургических светильника разной формы, которые устанавливали каждый по отдельности под камерой приточной вентиляции с нисходящим потоком (расстояние от камеры примерно 0,25 м, в зависимости от формы светильника). В каждом случае (для светильника одной формы) проводились одни и те же измерения.

Для проведения измерений источник частиц расположили на полу в центре комнаты (высота источника 0,2 м, размеры частиц 0,1 – 5,0 мкм). Дисперсия частиц визуализировалась. Концентрация частиц измерялась под лампой на расстоянии 0,2 м при помощи специального счетчика. Для обеспечения визуализации комнату затемнили, заранее был подготовлен светлый лист бумаги. Для каждого светильника были проведены два эксперимента. В первом эксперименте комнату полностью заполнили дымом, затем включили систему приточной вентиляции. В этом случае визуализировался нисходящий поток воздуха вокруг хирургической лампы определенной формы. Во втором эксперименте система вентиляции и источник дыма, расположенный на полу, работали непрерывно. В этом случае визуализировалось распространение дыма от его источника.

Помимо измерений частиц, проводились тщательные измерения скорости воздуха на расстоянии 0,8 м от пола. Для проведения измерений был использован ненаправленный анемометр. Интенсивность турбулентности была выведена из стандартного среднего отклонения скорости. Измерения проводились при изотермических условиях.  

Как упоминалось во вводной части данного отчета, выбранная методика измерений позволяет использовать полученные результаты для проверки пригодности использования валидации CFD.

Исследованные формы хирургических светильников

Были исследованы хирургические светильники трех форм: светильник классической закрытой формы, полуоткрытый светильник с промежутками между отдельными лампами, используемый, как правило, со светодиодными лампами, а также открытый светильник, в конструкции которого предусмотрено 6 отдельных прожекторов, подсоединенных к центральному держателю. Снимки исследованных светильников представлены ниже (см. фото 2). Светильники были подвешены к потолку при помощи тонкой стальной проволоки.

Фото 2. Исследованные формы хирургических светильников

Пограничные условия

Скорость подаваемого воздуха и состояние турбулентности в камере приточной вентиляции измерялись в 25 точках. В результате была выведена средняя скорость подачи воздуха — 0,31 м/с — с максимальным отклонением 11% от полученного среднего значения. Кратность воздухообмена в комнате равнялась 160 крат в час. Максимальная интенсивность турбулентности, согласно измерениям, составила 7% в одной из точек на краю камеры приточной вентиляции. Средняя интенсивность турбулентности составила 2.25%. Данные показывают, что воздушный поток непосредственно под камерой приточной вентиляции можно считать однородным и ламинарным.

Кратность подаваемого воздуха измерялась непрерывно в течение всех экспериментов. Для проверки изотермических условий также непрерывно измерялись температура подачи воздуха и температура репрезентативной стены внутри экспериментальной комнаты.

При подсчете частиц непрерывно измерялась концентрация частиц в подаваемом воздушном потоке для проверки того, что концентрация частиц в подаваемом воздушном потоке незначительная.

Вычисление индекса ламинарного потока (ИЛП)

Поскольку выбранные для исследования хирургические светильники не излучали света или тепла, определить индекс ламинарного потока (ИЛП) было невозможно. Тем не менее, можно вывести относительную величину, применив одинаковую среднюю величину теплоты и светоотдачи для всех выбранных светильников. 

ИЛП по Леенеманну вычисляется по формуле:

 (1)

 

где P – общее количество электроэнергии, производимой одной лампой в ваттах; AG – площадь поверхности в см²; E – освещенность в klx. Поскольку оптические и термические характеристики во внимание не принимаются и не существует определения коэффициента фактора формы по Оостландеру, оба показателя можно сократить до:

 (2)

 

Результаты

Наблюдения

На фото 3 показаны результаты первого этапа визуализации по исследованию классического закрытого светильника. В этом эксперименте комнату заполнили частицами, после чего включили систему вентиляции. На снимках, сделанных последовательно с интервалом 3,3 с, показано, что происходило после включения системы вентиляции и как вентилировалась область вокруг лампы. В нижней части комнаты возле пола не видно никакого дыма. Это потому, что участок, освещаемый прожектором, немного меньше, чем сама комната.

Фото 3. Визуализация работы системы вентиляции в комнате. Включение вентиляции в задымленной комнате (снимки представлены по порядку с интервалом фотографирования 3,3 с)

Результаты второго этапа визуализации с использованием непрерывного источника дыма, расположенного на полу, показаны на фото 4. На снимках видно, как дым распределяется по комнате. Источник загрязняющих частиц почти аналогичен некоторым отдельным клубам дыма. Их можно проследить по последующим фотографиям. Сделанные снимки позволяют более четко определить структуру потока. Для определения площади чистого участка полученные снимки были усреднены. Результат такого усреднения показан на фото 5. На этом снимке также показаны результаты усредненной визуализации светильников других форм и пустая комната.

Фото 4. Визуализация задымления с использованием непрерывного источника дыма

Фото 5. Средняя концентрация дыма, поступающего от непрерывного источника, для различных светильников. Фотографии отобраны из большого числа снимков

Измерения частиц

Результаты измерений частиц выражены в шкале, аналогичной той, которая применялась в VDI 2167 [3],

 (3)

 

где Cx – измеренная концентрация частиц; Cref – концентрация частиц в комнате с полностью смешанным воздухом. Если фактор защиты (PR) равен 0, то это так же хорошо, как результат смешанной вентиляции комнаты. Если PR = 1, это означает, что концентрация в 10 раз ниже, чем концентрация при смешанной вентиляции. Разница между VDI 2167 и данным вычислением состоит в том, что измеренная концентрация находится не в пределах целевой зоны. Если частицы направляются вверх к участку под лампой, это может привести к величине ниже 0. В таблице 1 представлены обобщенные результаты разных измерений. В случае с открытым светильником концентрация дыма под лампой была равна концентрации, измеренной непосредственно под камерой приточной вентиляции.

Таблица 1. Результаты измерений частиц для светильников разных форм.

Форма светильника	Площадь поверхности [м2]	Фактор защиты
Закрытая	0,26	-0,09
Полуоткрытая	0,35	-0,76
Открытая	0,05	>2

Измерения скорости и турбулентности

Эффекты, наблюдавшиеся во время визуализации, обнаруживаются и в измерениях скорости. Интенсивность турбулентности наивысшая на границе участка с нисходящим потоком и окружающего участка, где градиенты скорости самые высокие. Преобладающая частота в спектре турбулентности совпадает с частотой самых сильных вихрей, наблюдавшихся при визуализациях.

Схема 1. Профиль измеренной скорости в горизонтальной линии под исследованными формами светильников

Выводы

Из наблюдений следует, что разные формы хирургических светильников по-своему влияют на окружающий воздушный поток. В пустой комнате сильный вихревой поток образуется в нижнем правом углу. Этот поток толкает участок нисходящего ламинарного потока в левую часть комнаты (направление вытяжки). В результате дым от дымового источника может попасть прямо в образовавшийся вихревой поток.

Как видно из снимка 5, светильник открытой формы (с отдельными лампами) существенно не повлиял на структуру потока по сравнению с результатами эксперимента в пустой комнате. С другой стороны, светильник закрытой формы блокирует воздушный поток, из-за чего поток чистого воздуха движется в обход, вызывая расширение участка чистого воздуха рядом со светильником. Вихрь в нижнем правом углу по-прежнему присутствует и аналогичен вихрю, наблюдавшемуся при эксперименте в пустой комнате. При проведении эксперимента со светильником полуоткрытой формы вихрь в нижнем правом углу комнаты исчезает. При этом механизм восходящего переноса частиц под светильником этой формы более отчетлив, чем под светильниками других форм.

Приведенные результаты визуализации подтверждаются результатами измерений частиц. В случае со светильником полуоткрытой формы был выведен наихудший фактор защиты. Чуть более высокие скорости, измеренные в серединной области под полуоткрытым светильником, соответствуют восходящему воздушному потоку.

Механизм восходящего переноса частиц, наблюдавшийся в эксперименте со светильником полуоткрытой формы, вероятнее всего, вызывается потоком воздуха, проходящим через открытые промежутки между лопастями светильника. Эти промежутки действуют как маленькие форсунки, вызывающие движение воздуха под светильником, в результате чего и развивается этот механизм. В связи с этим воздух под светильником становится менее концентрированным, чем в случае со светильником закрытой формы. Если непосредственно под светильником присутствует источник загрязнения, эффект разбавления воздуха может быть даже благоприятным. Остается неясным, насколько низко может опуститься этот восходящий поток. В данном случае расстояние было не менее 1 метра. Конструкция светильника с лампами (открытая форма) не страдает ни от механизма восходящего переноса частиц, ни от участка неподвижного воздуха под светильником.

Сравнительные данные, приведенные в таблице 1, демонстрируют соотношение между результатами измерений частиц и индексами ламинарного потока выбранных форм светильников.

Обсуждение

Проведенные эксперименты показали ряд недостатков при сопоставлении с реальной ситуацией. И комната, и камера приточной вентиляции намного меньше, чем в реальности. Воздушный поток в нормальном операционном зале может по-разному реагировать на воздействие.

Для проведения исследования были выбраны лишь три формы светильников, причем не было двух светильников разных форм с одинаковой площадью поверхности. Это говорит об отсутствии четкого заключения о применимости индекса ламинарного потока. Выполненные измерения, тем не менее, могут быть использованы для проверки пригодности CFD-моделей.

Признательность

Финансирование исследования обеспечивалось Фондом Promotieonderzoek in de installatietechniek (PIT), Эйндховенским технологическим университетом и инженерами-консультантами Deerns.

Ссылки

1. Werkgroep infectiepreventie, 2005, Beheersplan luchtbehandeling Operatieafdeling, Maastricht
2. Bedeutung des laminarstrom-index bei der Beurteilung van Operationsleuchten, Jörg Ed Hartge, 08-12-1996
3. VDI, 2007. VDI Стандарт 2167, август 2007, Коммунальные услуги в больницах. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Дюссельдорф: Verein Deutscher Ingenieuree. V.
   
   Авторы статьи — В. А. Ц. Зоон (1, 2), М. Г. М. ван дер Хейден (1, 2), Дж. Л. М. Хенсен (1) и М. Г. Л. Ц. Лооманс (1).

1 — Эйндховенский технологический университет, Нидерланды

2 — Инженеры-консультанты Deerns, Нидерланды