Влияние систем ОВК на снижение риска хирургических операций

При любых хирургических процедурах существует риск послеоперационных инфекций, но при некоторых операциях этот риск может быть особенно серьёзен, например, при замене суставов. Национальный институт здоровья США (NIH), Управление исследовательских проектов и Отделение инженерных служб провели всестороннее исследование влияния систем ОВК операционных на защиту места хирургического вмешательства от послеоперационных инфекций.

Рис. 1. Источники и направления перемещения загрязняющих веществ в операционной

При любых хирургических процедурах существует риск послеоперационных инфекций, но при некоторых операциях этот риск может быть особенно серьёзен, например, при замене суставов. Национальный институт здоровья США (NIH), Управление исследовательских проектов и Отделение инженерных служб провели всестороннее исследование влияния систем ОВК операционных на защиту места хирургического вмешательства от послеоперационных инфекций.

факторы, связанные с самим пациентом (восприимчивость к инфекции); факторы, связанные с местом проведения операции (тепловой шлейф над хирургическим столом); факторы помещения (например, чистота в операционной); факторы систем ОВК (например, кратность воздухообмена (air change rate — АСН) и направление потока воздуха).

На рис. 1 показаны источники выделения загрязняющих веществ и характер взаимодействия многих из этих факторов.

Рис. 1. Источники и направления перемещения загрязняющих веществ в операционной

Влияние систем ОВК на снижение риска хирургических операций

Во многих научных исследованиях признается, что основными источниками вызывающих инфекции бактерий являются чешуйки или частицы кожи. Эти частицы имеют диаметр около 10 микрон и отделяются с открытых участков кожи как медицинского персонала, так и самого пациента. В данном исследовании рассматривается только этот источник загрязнения.

Во многих странах существуют стандарты систем кондиционирования воздуха операционных. Например, в Германии имеется стандарт для операционных DIN 1946/4, последний изменённый вариант которого был подготовлен в 1999 году. Этот стандарт содержит некоторые специальные требования к проектированию операционных, например такие, как расход подаваемого воздуха, и определяет контрольный уровень этого расхода. Но фактическое количество подаваемого в помещение воздуха определяется, тем не менее, двумя факторами, требующими проведения специальных измерений.

В справочнике ASHRAE — Applications (приложения) 1999 года говорится о том, что «подача воздуха с потолка, с нисходящим движением к нескольким вытяжным отверстиям, расположенным на противоположных стенах, является, возможно, наиболее эффективной схемой движения воздуха для поддержания концентрации загрязняющих веществ на приемлемом уровне». В руководстве указывается, что температура должна находиться в диапазоне от 17 до 27 °C, и в помещении следует поддерживать слегка повышенное давление воздуха.

Указывается также, что воздух должен подаваться на уровне потолка, а вытяжка или рециркуляция воздуха должны осуществляться через вытяжные отверстия, расположенные по крайней мере в двух местах вблизи пола. Рекомендуются приточные устройства, формирующие компактные струи; недопустимо использование потолочных или настенных диффузоров с высоким коэффициентом эжекции. Значение показателя кратности воздухообмена должно быть около 15 для систем, подающих наружный воздух, и 25 — для циркуляционных систем.

В некоторых исследованиях рассматривались относительные преимущества различных систем вентиляции. Однако в работах, например, Лидуелла и Шмидта (Lidwell, Schmidt) не указываются параметры конструкции конкретных систем, поэтому довольно трудно дать рекомендации по определённой конструкции системы вентиляции. Кроме того, существуют противоречивые данные по определению системы вентиляции, признаваемой самой «чистой». В частности, указывается, что системы вентиляции с ламинарным потоком воздуха обеспечивают меньший общий уровень концентрации загрязняющих веществ в помещении, но иногда встречаются обвинения в адрес этих систем по поводу того, что в них возникает больше инфекций, чем в обычных системах, см., например, работу Сальвати (Salvati) и др. Льюис (Lewis) выдвинул теорию, согласно которой системы с ламинарным потоком воздуха вызывают проникновение загрязнений в рану. Однако такое предположение, как нам кажется, основано на воздействии систем с высокими скоростями ламинарного приточного потока. Шмидт определяет ламинарную систему как систему со скоростями потока около 0,45 м/с.

Упомянутые выше исследования основаны на экспериментальных данных. Однако в исследовательских проектах по изучению параметров потока воздуха и рассеиванию загрязняющих веществ в помещении в качестве эффективного метода исследования хорошо себя зарекомендовала альтернативная техника вычислительной гидродинамики (computational fluid dynamics — CFD), называемая иногда методом моделирования воздушного потока. Известна только одна публикация Ло (Lo), посвящённая контролю загрязнений в операционных c использованием этого метода.

Однако это исследование проводилось на основе двух допущений, снижающих значение полученных выводов. В частности, во‑первых, рассматривалась только изотермная операционная и, во‑вторых, предполагалось, что загрязнения имеют в воздухе определённую концентрацию. Говоря о первом допущении, можно отметить, что игнорируется эффект значительного теплового шлейфа в помещении. Второе допущение, эквивалентное предположению, что частицы загрязнения в помещении следуют Броуновскому движению, в полной мере применимо только к частицам, меньшим или равным одному микрону в диаметре.

Так как бактерии и вирусы не удовлетворяют этому критерию, как указывалось ранее, бактерии обычно заносятся в операционную чешуйками кожи, которые имеют значительно больший размер (порядка 10 микрон), поэтому не обязательно следуют Броуновскому движению. По этой причине в данном исследовании концентрация частиц в воздухе не рассматривалась. Другой причиной отказа от теории концентрации является то, что при использовании указанного предположения трудно учесть влияние частиц на место проведения операции.

Целью данной работы является:

• оценка этих параметров для определения систем вентиляции, наиболее эффективно удаляющих загрязняющие вещества из помещения
• использование усовершенствованного численного моделирования и эмпирических данных для расчёта влияния некоторых параметров помещения на понижение риска загрязнения определёнными частицами места проведения операции и заднего стола
• предоставление архитектурных и инженерных инструментальных средств для выявления оптимальных параметров операционной, приемлемых для обычного использования этого помещения

Методология

Для реализации численного метода моделирования воздушного потока использовалась программа расчёта методом конечных элементов, основанная на экспериментальных данных. Для анализа производительности системы вентиляции при различных установочных значениях использовались методы вычислительной гидродинамики с моделированием более 160 различных конфигураций помещения. Эффективность такого подхода была успешно проверена по результатам большого количества экспериментальных измерений. Для подтверждения методологии было собрано в общей сложности около 12,9 миллионов значений экспериментальных (эмпирических) данных. Среднее расхождение экспериментальных и расчётных значений составляло 14,36% по температуре и скорости и 14,5% по концентрации загрязнений.

Для вычисления траектории движения чешуек кожи использовался алгоритм расчёта пробега частицы Лагранжа. Как будет рассмотрено далее, моделировалось выделение представительного количества частиц в определённых местах помещения. Так же как и для метода моделирования воздушного потока, проводилась проверка алгоритма Лагранжа на основании соответствующих экспериментальных данных, в стохастическую модель вводилась турбулентность в виде модели турбулентности типа k-e.

Методология написания программ по методу моделирования воздушного потока и расчёта пробега частиц подробно описана в работе Мемарзаде и Маннинга (Memarzаdeh, Manning).

Базовая модель операционной

Для задания базовой модели методом моделирования воздушного потока рассматривалась схема типичной операционной со следующими переменными параметрами:

1. количество находящегося в операционной медицинского персонал
2. освещение
3. оборудование
4. расположение столов и пациента

За основу бралась операционная с размерами 6,1 × 6,1 × 3,66 м. Общие характеристики базового помещения (вариант 1) представлены на рис. 2.

Рис. 2. Схема базовой операционной (вид с платформы Мейо).

На начальной стадии исследования медики и инженеры пришли к согласию по общей схеме помещения. Было решено не включать в схему некоторые элементы (например, газовую колонну) на том основании, что они препятствуют свободному перемещению по операционной крупного оборудования, ограничивают установку и расположение операционного стола. Кроме того, их сложно чистить. Эксперты исследовательской группы решили также, что подключения магистралей газа целесообразно разместить у потолка, т.к. в этом случае магистрали не будут препятствовать потоку воздуха.

Другие важные элементы оборудования, например, С-образный кронштейн, не были включены в модель, т.к. эксперты посчитали, что они не относятся к «типичному» оборудованию. Согласились, что такие элементы могут влиять на воздушные потоки и распределение температуры в операционной, поэтому они будут учтены только при последующих исследованиях. Была принята величина отвода теплоты, равная 2 166 Вт. В расчёт тепловой нагрузки были включены только объекты, постоянно отводящие теплоту.

Для вычисления траектории движения чешуек кожи использовался алгоритм расчёта пробега частицы Лагранжа. Как будет рассмотрено далее, моделировалось выделение представительного количества частиц в определённых местах помещения. Так же как и для метода моделирования воздушного потока, проводилась проверка алгоритма Лагранжа на основании соответствующих экспериментальных данных, в стохастическую модель вводилась турбулентность в виде модели турбулентности типа k-e.