Влияние систем ОВК на снижение риска хирургических операций

F. Memarzadeh, A. Manning

 

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

На возможность послеоперационных инфекций влияет несколько факторов, среди которых:

- 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. 2 показаны источники выделения загрязняющих веществ и характер взаимодействия многих из этих факторов.

	Рисунок 1. (подробнее) Схема базовой операционной (вид с платформы Мейо). Это обычная система вентиляции с объемным расходом воздуха 0,7 м3/с и показателем кратности воздухообмена, равным 18,75. Температура приточного воздуха равна 19,7 °С, скорость в приточной струе 1,63 м/с, используются обычные диффузоры
	Рисунок 2. (подробнее) Источники и направления перемещения загрязняющих веществ в операционной
	Таблицы 1 и 2. (подробнее) 1) Параметры различных вариантов систем вентиляции, рассмотренных в исследовании 2) Параметры источников выделения загрязняющих частиц

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 измененный 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 рециркуляционных 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 определенной 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 как метод моделирования воздушного потока. Известна только одна публикация Ло (Lo), посвященная 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 определенную 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.

В представленной здесь работе для рассмотрения рассеивания в операционных частиц, близких по размерам чешуйкам кожи, при использовании различных систем вентиляции, производилось моделирование потоков воздуха. Для сравнительного анализа различных систем вентиляции рассматривались параметры двух зон: места проведения операции и верхней поверхности заднего стола. Причиной заинтересованности загрязнения этого стола является то, что частицы, попадающие на его поверхность, с большой вероятностью вызывают непосредственное загрязнение инструментов.

Целью данной работы является:

- использование усовершенствованного численного моделирования и эмпирических данных для расчета влияния некоторых параметров помещения на понижение риска загрязнения определенными частицами места проведения операции и заднего стола;

- оценка этих параметров для определения систем вентиляции, наиболее эффективно удаляющих загрязняющие вещества из помещения;

- 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 расчета 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 расчетных значений составляло 14,36 % по температуре и скорости и 14,5 % по концентрации загрязнений. Данные этого исследования представлены в Интернете на странице http://des.od.nih.gov/eWeb/research/farhad/index.htm

Для вычисления траектории движения чешуек кожи использовался алгоритм расчета пробега частицы Лагранжа. Как будет рассмотрено далее, моделировалось выделение представительного количества частиц в определенных 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 расчета 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:

- количество находящегося в операционной медицинского персонала;

- освещение;

- оборудование;

- расположение столов и пациента.

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

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 расчет тепловой нагрузки были включены только объекты, постоянно отводящие теплоту.

Рассмотрение различных систем вентиляции

В этом исследовании рассматривались несколько различных систем вентиляции (табл. 1). Эти системы приблизительно аналогичны системам, которые приводятся в работе Шмидта (Schmidt). На рис. 3 показаны восемь таких вариантов, вариант 1 представлен на рис. 1. Вариант 3 идентичен варианту 4, за исключением того, что сетка диффузора для ламинарного потока имеет больший размер. Вариант 5 аналогичен варианту 6, за исключением того, что в последнем случае вытяжные отверстия расположены более высоко.

Рисунок 3. (подробнее) Восемь вариантов различных систем вентиляции

Моделирование различных типов диффузоров, используемых в данном проекте, проводилось с использованием комбинации нескольких граничных условий, проверка которых выполнялась перед исследованием параметров помещения. Большое внимание уделялось правильному расположению диффузоров в помещении, а также параметрам требуемого числа используемых решеток. Для обеспечения верного представления характеристик подачи воздуха множество моделей диффузоров проверялось на основании данных, предоставляемых производителями. Такая работа проводилась для всех типов диффузоров (обычная решетка, диффузор для ламинарного потока, неаспирационный диффузор, вытесняющий диффузор) и для соответствующих диапазонов расхода вентиляционного воздуха.

В этих вариантах использовалось около 600 000 ячеек-решеток. Для проверки того, что результаты не зависят от величины плотности решеток, проводились испытания решеток с различным числом ячеек.

Исследование источников выделения загрязняющих веществ

Как уже говорилось, в качестве источника загрязнений в этом исследовании рассматривались чешуйки кожи. Такие чешуйки отделяются с открытых мест тела медицинского персонала, например с шеи, лица и т. д. Они являются основным транспортным механизмом бактерий в операционной. Их размеры составляют приблизительно 25 микрон, толщина – от 3 до 5 микрон. Во время обычной операции (длящейся от двух до четырех часов) выделяется приблизительно от 1,15 х 106 до 0,9 х 108 таких чешуек. В данной работе проводилось отслеживание движения чешуек, чтобы определить, сколько их попадает на задний стол, показанный на рис. 1, или на место операции. В этом исследовании в качестве места операции брался квадрат со стороной 0,3 м, температура в этом месте была величиной 37,78 °C (рис. 4).

Рисунок 4. (подробнее) Место проведения операции и платформа Мейо

Естественно, отследить в ходе исследования такое количество частиц нереально. Поэтому было выбрано представительное число загрязняющих частиц для трех источников их выделения. Положение и размеры источников, обозначаемых как «основной», «место медсестры» и «зона проведения операции», приведены в табл. 2.

Основной источник выделения загрязняющих частиц представляет общий объем, из которого выделяются чешуйки при движении медперсонала вокруг стола. Источник в месте медсестры представляет общий объем, из которого выделяются частицы при перемещениях медсестры. И, наконец, источник в зоне проведения операции представляет общий объем, из которого выделяются частицы в то время, когда медперсонал наклоняется над местом проведения операции. Так как частицы могут очень легко попасть в этом месте на инструменты, анализ переноса частиц из источника зоны проведения операции на верхнюю поверхность заднего стола не включен в это исследование.

Проводились тесты для определения, какое минимальное количество загрязняющих частиц должно быть выделено из каждого источника загрязнения, чтобы результаты анализа были неизменными. В результате было найдено, что для обеспечения постоянства результатов достаточно выделения 500 частиц из каждого источника загрязнения.

Результаты

Каждая загрязняющая частица может перемещаться по трем направлениям:

- Частица может покидать помещение через вытяжные решетки вместе с вентиляционным воздухом. В этом случае анализ перемещения частицы прекращается.

- Частица попадает на место проведения операции или на верхнюю поверхность заднего стола. В этом случае анализ перемещения частицы прекращается.

- Частица остается в помещении в тот момент, когда прекращается анализ перемещения частицы.

Рассматриваются результаты только для двух случаев, а именно: частица выводится из помещения вентиляцией и частица попадает на место назначения. В последнем случае определяется процент таких частиц по отношению к общему количеству выделенных частиц. Расчет третьего случая тривиален, а именно: процент частиц, остающихся в помещении по окончании анализа перемещения частиц, равен следующему выражению: 100 – [(процент частиц, выводимых вентиляцией в конце анализа перемещения частиц) + процент частиц, попадающих на место проведения операции или на верхнюю поверхность заднего стола)].

Анализ показывает, что частицы, остающиеся в помещении, могут быть либо захвачены в зоны рециркуляции (в которых они могут находиться долгое время), либо под действием силы тяжести осесть на пол в зонах с низкой скоростью воздушного потока.

Процент частиц, выводимых системой вентиляции

Процент частиц, выводимых из помещения системой вентиляции в конце периода отслеживания их перемещения показан в табл. 3.

Таблица показывает большой разброс показателя эффективности удаления частиц вентиляцией. Это ожидаемый результат, но из полученных результатов может быть сделан интересный вывод. Во-первых, варианты систем вентиляции с одинаковым значением кратности воздухообмена демонстрируют поразительные различия процента частиц, выводимых системой вентиляции. Например, вариант 10 демонстрирует явно более эффективный вывод частиц, чем вариант 1. Причиной этому является то, что при работе системы вентиляции варианта 1 в помещении образуются две большие зоны рециркуляции, в которые «захватываются» частицы. В варианте 10 при работе системы вентиляции в центре помещения образуется тепловой шлейф, который поднимает частицы вверх до уровня вытяжных отверстий.

Таблица 3 Процент частиц, удаляемых системой вентиляцией через час

Вариант Кратность воздухообмена Процент частиц, удаляемых системой вентиляцией через час Основной источник Место медсестры Зона проведения операции 1 18,75 41,9 49,7 46,0 2 150,0 99,4 98,4 94,8 3 15,0 77,3 49,7 73,3 4 20,0 80,4 54,2 86,7 5 20,0 85,9 60,8 86,0 6 20,0 83,8 72,1 80,1 7 37,25 63,5 65,0 64,9 8 37,25 74,3 77,4 44,3 9 25,0 72,4 74,1 60,7 10 18,75 69,2 81,8 73,8 11 19,0 52,2 48,2 44,7

Во-вторых, если принять варианты 3, 4, 5, 6 и 9 в качестве одной группы, в которой применяется единый подход к вентиляции, можно отметить, что в пределах этой группы процент выводимых частиц становится более равномерным в отношении места выделения частиц, но не обязательно в отношении величины этого процента, т. к. увеличивается показатель кратности воздухообмена и одновременно увеличивается размер сетки для приточного воздуха. Причиной этому является то, что для небольших ламинарных сеток в зонах вне прямого влияния приточного воздуха наблюдаются очень небольшие скорости перемещения потока. Здесь частицы под действием силы тяжести оседают на пол и остаются в помещении.

Процент частиц, попадающих на место проведения операции или на задний стол

В табл. 4 представлен процент частиц, попадающих на место проведения операции или на задний стол от основного источника, с места медсестры или из зоны проведения операции. Так же как и при рассмотрении частиц, выводимых системой вентиляции, здесь необходимо отметить несколько интересных моментов.

Таблица 4 Процент частиц, попадающих на место проведения операции и задний стол

Вариант АСН Процент частиц, попадающих на место проведения операции Процент частиц, попадающих на задний стол Основной источник Место медсестры Зона проведения операции Основной источник Место медсестры 1 18,75 0,2 0,3 4,7 1,4 2,4 2 150,0 0,0 0,0 4,2 0,1 0,0 3 15,0 0,2 0,0 4,1 0,1 0,6 4 20,0 0,0 0,0 1,9 0,2 0,3 5 20,0 0,0 0,0 2,1 0,0 0,2 6 20,0 0,0 0,0 2,7 0,2 0,2 7 37,25 0,5 0,0 5,2 2,4 0,2 8 37,25 0,0 0,1 3,4 0,0 0,0 9 25,0 0,0 0,0 2,1 0,1 0,2 10 18,75 0,0 0,0 6,9 0,2 0,9 11 19,0 0,1 0,2 4,6 1,1 9,8

Во-первых, процент частиц, попадающих на место проведения операции из основного источника и с места медсестры, незначителен (менее 1 %). Это можно объяснить относительным доминированием теплового шлейфа над местом проведения операции. Например, на рис. 5 показан шлейф для варианта 2. Только если частицы выделяются близко к месту проведения операции, например частицы из источника в зоне проведения операции, процент попадающих частиц становится значительным.

Во-вторых, при анализе места/зоны проведения операции показатель кратности воздухообмена не так важен, как конструкция системы вентиляции. Например, в варианте 4, имеющем показатель кратности воздухообмена, равный 20, количество попадающих на место операции частиц меньше, чем в варианте 2, в котором значение кратности воздухообмена равно 150.

В третьих, за исключением варианта 11, процент частиц, попадающих на задний стол от основного источника и с места медсестры, сравнительно невелик. Хотя здесь нет теплового шлейфа, препятствующего попаданию частиц на стол, частицы попадают на стол, только если они входят в зону низких скоростей потока воздуха, где частицы оседают под действием силы тяжести или выдуваются потоком воздуха прямо на стол. Это имеет место для случая, когда процентное содержание частиц, попадающих с места медсестры, составляет 9,8 %. Результаты для вариантов 4, 5 и 6 указывают на то, что расположение вытяжных отверстий на разных уровнях лучше, чем установка вытяжки либо только высоко, либо только низко. И, наконец, для вариантов, которые можно скомпоновать в одну группу по типу ламинарного потока воздуха, а именно, для вариантов 2, 3, 4, 5, 6 и 9 не наблюдаются более высокие показатели попадания загрязняющих частиц на место проведения операции или на задний стол, чем у других систем. Фактически варианты 4 и 9 демонстрируют самый низкое значение этого показателя из всех рассмотренных вариантов.

Выводы и обсуждение результатов

Исходя из представленных выше результатов, можно утверждать следующее:

- Варианты систем вентиляции с одинаковым значением показателя кратности воздухообмена демонстрируют значительные различия процента частиц, удаляемых системой вентиляции.

- Увеличение значения показателя кратности воздухообмена приводит к достаточно полному удалению системой вентиляции частиц, но не обязательно ведет к уменьшению процента частиц, попадающих на место проведения операции и на поверхность заднего стола.

- Процент частиц, попадающих на место проведения операции от основного источника и с места медсестры, незначителен (менее 1 %). Это можно объяснить доминированием теплового шлейфа над местом проведения операции. Только для частиц, выделяющихся вблизи места операции, например из области проведения операции, этот процент становится значительным.

- Для анализа области/места проведения операции значение показателя кратности воздухообмена не так важно, как конструкция системы вентиляции. Например, для варианта системы вентиляции со значением показателя кратности воздухообмена, равным 20, наблюдался меньший процент попадания частиц на место проведения операции или на задний стол, чем для варианта со значением показателя кратности воздухообмена, равным 150.

- В системе вентиляции, обеспечивающей ламинарный поток воздуха, расположение вытяжных отверстий на разных уровнях дает лучший результат, чем в случае размещения вытяжки либо на самом верху, либо в самом низу. Однако разница не столь велика, чтобы полностью исключить их размещение на одном уровне – вверху или внизу.

- Системы вентиляции с ламинарным потоком воздуха предоставляют лучшие возможности для обеспечения контроля загрязнений в операционной, т. к. в них обеспечивается наименьший процент попадания частиц на место проведения операции. Однако следует проявлять осторожность в определении параметров устройств подачи ламинарного потока. Для сеточного диффузора, обеспечивающего приток ламинарного потока воздуха, достаточна скорость в сечении, равная 0,15–0,18 м/с, при условии, что размер самой сетки установлен правильно.

При более широком рассмотрении проблемы выбора размера сетки диффузора представляется, что основным фактором при проектировании системы вентиляции является возможность контролирования условий в центральной зоне операционной. В частности, операционная лампа и медперсонал обусловливают значительную тепловую плотность в центре помещения. Частицы могут захватываться тепловым шлейфом, образуемым этими объектами, рассеивающими тепло, и в этой точке контроль над частицами теряется. Но если используется система вентиляции, обеспечивающая ламинарный поток воздуха, частицы захватываются потоком и выводятся из помещения через вытяжные отверстия. В идеальном случае размер сетки должен быть достаточно большим, чтобы охватить основные объекты, рассеивающие тепло. Это проиллюстрировано на рис. 6, на котором показано поле воздушных потоков для варианта 9.

	Рисунок 5. (подробнее) Тепловой шлейф над местом проведения операции для варианта 2 (система вентиляции с ламинарным потоком воздуха)
	Рисунок 6. (подробнее) Поле потоков воздуха для варианта 9

Другим фактором уменьшения загрязнения является тепловой шлейф, формируемый над местом проведения операции. На рис. 5 представлен тепловой шлейф для варианта 2. Система вентиляции, создающая ламинарный поток воздуха со скоростью 0,15–0,18 м/с, предотвращает возможность попадания частиц на место проведения операции, на которую указывал Льюис (Lewis), т. к. в этом случае тепловой шлейф достаточен для защиты места проведения операции от загрязняющих веществ.

 

Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE.

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено В. Д. Коркиным – зав. кафедрой СПб ГАИЖСА им. И. Е. Репина.