1.3.1 Защита ключевых зон и локальная очистка

Китайский национальный стандарт «Нормы проектирования чистых операционных отделений больниц» действует с 1 октября 2000 года. Этот стандарт классифицирует чистые помещения на 4 класса. При этом чистые операционные ранжируются по концентрации бактерий и классу чистоты воздуха в зоне операционного стола и окружающей его области, что впервые было реализовано в международной практике. Статья 29 стандарта гласит: «В чистых операционных I, II и III классов применяется локальный централизованный режим притока воздуха; площадь централизованно расположенных приточных воздухораспределителей, то есть размер операционной зоны, должна соответствовать классу операционной: не менее $6,2\ \mathrm{м}^2$ для I класса (из них участок для размещения головы пациента — не менее $1,4\ \mathrm{м}^2$), не менее $4,6\ \mathrm{м}^2$ для II класса и не менее $3,6\ \mathrm{м}^2$ для III класса».

Такое требование полностью отличается от широко распространённой практики организации промышленных чистых помещений (например, в Японии), где используется режим однонаправленного потока или турбулентной вентиляции во всём объёме помещения.

Идея, лежащая в основе этой нормы, заключается в применении теории основных зон приточного потока для защиты ключевых участков — это позволяет одновременно повысить эффективность очистки воздуха и обеспечить экономичность решения.

Принципы защиты ключевых точек и локальной очистки были заимствованы из немецкой практики. В Германии при организации вентиляции операционных не использовалась очистка всего помещения с равномерным притоком воздуха; вместо этого основное внимание уделялось поддержанию концентрации бактерий в воздухе ключевой зоны (операционного и инструментального столов) в заданных пределах, а также обеспечению нормативного фонового состояния среды в рабочей области.

Такой технический подход немецких чистых операционных неразрывно связан с двумя понятиями — степенью загрязнения $U_\mathrm{s}$ и относительной степенью загрязнения $E_\mathrm{x}$, предложенными в 1977 году профессором Берлинского технического университета Эсдорном [1] (определения приведены в источнике [2]).

Немецкий стандарт DIN 1946, часть 4 «Вентиляция и кондиционирование воздуха в больницах», принял эти понятия и установил: для так называемых операционных общего асептического режима допускается $U_\mathrm{s}=1$, а для операционных высокого асептического режима — $U_\mathrm{s}=2/3$.

Введение понятия степени загрязнения дало импульс развитию асептических (чистых) операционных в Германии по пути, отличному от общепринятой в то время практики организации промышленных чистых помещений. Основные преимущества такого подхода:

(1) Использование концентрации бактерий в качестве оценочного критерия соответствует рабочим привычкам медицинского персонала.

(2) Было определено базовое условие соблюдения требований общего асептического режима — кратность воздухообмена чистым воздухом $20\ \mathrm{ч}^{-1}$. Считалось, что такой объём воздухообмена удовлетворяет гигиеническим требованиям к операционным общего асептического профиля; иными словами, в чистую операционную должен подаваться очищенный воздух с кратностью воздухообмена не ниже $20\ \mathrm{ч}^{-1}$.

(3) Было сформулировано положение о том, что рабочая зона является ключевой, и выдвинута идея концентрированной подачи расчётного объёма воздуха над рабочей зоной. Благодаря этому концентрация бактерий в операционной зоне составляет лишь половину от среднего значения по помещению, то есть степень загрязнения снижается до 0,5. В этом заключается принципиальное отличие централизованного расположения фильтров от традиционного рассредоточенного.

(4) Разработчики не ограничились теоретическим обоснованием概念, а совместили его с практическим устройством: создали потолочный приточный блок для операционных и передали разработку компании Weiss. Эта конструкция стала базовой моделью потолочных приточных блоков для чистых операционных, которые сегодня используются во многих европейных клиниках (в том числе у производителей Trox Technik и Nickel в Германии, Luwa в Швейцарии).

В то же время у понятия степени загрязнения есть существенные недостатки:

(1) Для чистых операционных не был установлен абсолютный норматив концентрации бактерий, это не отражено и в стандарте DIN 1946, часть 4. Хотя на основе измерений был получен базовый объём притока $2400\ \mathrm{м}^3/\mathrm{ч}$, не был задан достигаемый при этом норматив концентрации бактерий, а также не были регламентированы сопутствующие условия (площадь помещения, количество человек и т.д.). В результате сравнение таких относительных величин имеет низкую практическую ценность, а использование значения $2400\ \mathrm{м}^3/\mathrm{ч}$ (или кратности $20\ \mathrm{ч}^{-1}$) выглядит недостаточно обоснованным.

(2) Понятие степени загрязнения Эсдорна по сути является подходом, ориентированным на минимальный объём приточного воздуха; его схема применима только к операционным общего асептического режима, что является существенным ограничением. При этом объёмы притока по стандартам других европейских стран (Великобритании, Швейцарии) значительно выше немецких. На это указывал и профессор Шмидт, работавший в компании Weiss: он считал идею минимального объёма воздуха неверной, поскольку дополнительные капитальные вложения ничтожно малы по сравнению с эффектом от предотвращения внутрибольничных инфекций, гарантии успешного исхода операций и снижения убытков от возможных судебных разбирательств. Вместо этого он предложил установить, что объём притока для операционных высокого асептического режима должен превышать $7500\ \mathrm{м}^3/\mathrm{ч}$.

(3) Как результат $U_\mathrm{s}=0,5$, полученный Эсдорном, так и данные о площади притока и размерах защищаемой зоны, обобщённые Шмидтом по большому массиву измерений (см. таблицу 1 в источнике [2]), не соответствовали уровню, предсказанному теоретически; не было разработано практически рабочего метода теоретического расчёта, что также снизило применимость подхода.

По сути, ряд идей, заложенных в понятие степени загрязнения и стандарт DIN 1946, часть 4, не являются для нас новыми.

Подход на основе степени загрязнения, предложенный Германией в 1977 году, исходит из того, что в чистой операционной не требуется очистка всего помещения: достаточно локально снизить концентрацию бактерий, эффективно защитить критическую зону и сконцентрировать очищенный воздух в объёме, соответствующем кратности $20\ \mathrm{ч}^{-1}$, подав его над операционным столом. Суть этого подхода как раз заключается в сочетании концепций «локальной очистки» и «основной зоны приточного потока».

В китайском документе «Технические мероприятия по очистке воздуха»^[3], одобренном национальным экспертным совещанием в июле 1977 года и официально опубликованном в 1979 году, впервые были сформулированы понятия «общей очистки» и «локальной очистки»:

«Если в результате очистки воздуха и других комплексных мероприятий вся рабочая зона внутри помещения организована как среда с очищенным воздухом, такой подход называется общей очисткой». «Если статус среды с очищенным воздухом получает только локальная рабочая область помещения — выделенное локальное пространство, — такой подход называется локальной очисткой». «При соблюдении требований технологического процесса по возможности следует отдавать предпочтение локальной очистке».

Разумеется, такая локальная очистка также оказывает положительный эффект на состояние воздуха во всём помещении.

1.3.2 Понятие основной зоны приточного потока и расчёт концентрации при неравномерном распределении

Понятие основной зоны приточного потока было впервые предложено в Китае в 1978 году^[4]: в чистом помещении с турбулентным режимом вентиляции область в определённых пределах под приточным воздухораспределителем является основной зоной потока с максимальным классом чистоты; вблизи вытяжного отверстия расположена очень малая по размеру зона вытяжки, чистота воздуха в которой может быть как выше, так и ниже средней по помещению — в зависимости от того, больше или меньше единицы коэффициент неравномерности распределения $\Psi$, но при теоретически равномерном распределении она равна среднему значению по помещению ($\Psi_{\mathrm{c}}=1$); остальные участки по обе стороны от приточного отверстия представляют собой турбулентные области с вихрями, которые условно называют вихревой зоной (это не означает, что вся область состоит исключительно из вихрей), и класс чистоты в них заметно ниже, чем в центральной основной зоне. Неравномерное распределение трёх зон показано на рисунке 1.

Рисунок 1　Неравномерное распределение трёх зон

В соответствии с концепцией основной зоны потока для чистого пространства с фильтром HEPA на конечном участке тракта, поскольку концентрация примесей в приточном воздухе крайне мала, справедливы следующие зависимости: средняя по помещению концентрация при неравномерном распределении

$$\overline{N}{\mathrm{v}} = N{\mathrm{s}} + \Psi,\frac{60G \times 10^{-3}}{n} \approx \Psi\overline{N}$$

Концентрация в основной зоне потока　　　$N_{\mathrm{a}} = \Psi_{\mathrm{a}}\overline{N}$

Концентрация в вихревой зоне　　　$N_{\mathrm{b}} = \Psi_{\mathrm{b}}\overline{N}$

Концентрация в зоне вытяжного отверстия　　$N_{\mathrm{c}} = \Psi_{\mathrm{c}}\overline{N}$.

где: $\Psi$ — коэффициент неравномерности распределения, $\Psi = \left(\dfrac{1}{\varphi} - \dfrac{\beta}{\varphi} + \dfrac{\beta}{1+\varphi}\right)\left(\varphi + \dfrac{V_{\mathrm{b}}}{V}\right)$;

$\Psi_{\mathrm{a}}$ — коэффициент неравномерности распределения для основной зоны потока, $\Psi_{\mathrm{a}} = 1 - \dfrac{\beta}{1+\varphi}$;

$\Psi_{\mathrm{b}}$ — коэффициент неравномерности распределения для вихревой зоны, $\Psi_{\mathrm{b}} = \dfrac{1+\varphi-\beta}{\varphi}$;

$\Psi_{\mathrm{c}}$ — коэффициент неравномерности распределения для зоны вытяжного отверстия, $\Psi_{\mathrm{c}} = 1$;

$n$ — кратность воздухообмена;

$\overline{N}$ — средняя по помещению концентрация при равномерном распределении, $N = N_{\mathrm{s}} + \dfrac{60G \times 10^{-3}}{n}$;

$N_{\mathrm{s}}$ — концентрация примесей в приточном воздухе;

$G$ — скорость генерации частиц на единицу объёма;

$\beta$ — отношение скорости генерации частиц в основной зоне потока к скорости генерации во всём помещении;

$\varphi$ — коэффициент эжекции (захвата окружающего воздуха) основной зоны потока;

$\dfrac{V_{\mathrm{b}}}{V}$ — отношение объёма вихревой зоны к общему объёму помещения.

1.3.3 Степень загрязнения основной зоны потока

Значение $\Psi_{\mathrm{c}}=1$ означает, что концентрация в зоне вытяжного отверстия равна средней по помещению концентрации при равномерном распределении. Результаты предыдущих теоретических работ уже указывали, что рабочую зону следует размещать в пределах основной зоны приточного потока. Для оценки степени преимущества централизованного расположения приточных отверстий и размещения рабочей зоны в основном потоке по сравнению с традиционным рассредоточенным вариантом рассматривались три подхода.

(1) Степень преимущества выражается отношением концентрации в основной зоне к средней по помещению, то есть $\Psi_{\mathrm{a}}/\Psi$. Поскольку среднее значение по помещению уже включает концентрацию в основной зоне, её преимущество может не отразиться в этом отношении. Кроме того, при использовании схемы с централизованным притоком при оценке средней концентрации часто возникают разногласия: количество точек измерения в основной зоне влияет на весовые коэффициенты усреднения, которые сложно однозначно определить, поэтому такой подход имеет низкую практическую применимость.

(2) Степень преимущества выражается отношением концентрации в основной зоне к концентрации в зоне вытяжки или к средней по помещению при равномерном распределении, то есть $\Psi_{\mathrm{a}}/\Psi_{\mathrm{c}}$, иначе говоря — величиной $\Psi_{\mathrm{a}}$. Несмотря на техническую реализуемость (концентрацию в зоне вытяжного отверстия, эквивалентную концентрации удаляемого воздуха, можно измерить), рабочие точки не могут быть размещены в зоне вытяжки, поэтому это отношение не представляет основного практического интереса. Вышеупомянутое немецкое понятие степени загрязнения как раз является таким отношением; оно не позволяет ответить на ключевой вопрос, возникающий при централизованном притоке: каково состояние периферийной зоны без приточных отверстий? К тому же концентрации у вытяжных отверстий в разных точках помещения значительно различаются, поэтому для исключения сильной погрешности требуются измерения во всех точках.

(3) Степень преимущества выражается отношением концентрации в основной зоне к концентрации в вихревой (периферийной) зоне, а именно $\Psi_{\mathrm{a}}/\Psi_{\mathrm{b}}$, что позволяет достаточно наглядно описать ситуацию. Как уже упоминалось, вихревая зона — это турбулентные области с вихрями по обе стороны от основного потока; её концентрация характеризует состояние всех основных участков помещения, помимо основной зоны и зон вытяжных отверстий, то есть областей, окружающих рабочий участок. Поэтому отношение $\Psi_{\mathrm{a}}/\Psi_{\mathrm{b}}$ отражает разницу концентраций между рабочей и нерабочей зонами. При этом концентрации в этих двух зонах можно измерить отдельно, организовав точки отбора проб по зонам.

Таким образом, степень загрязнения основной зоны относительно периферийной называется степенью загрязнения основной зоны потока и обозначается $\Psi_{\mathrm{a}}/\Psi_{\mathrm{b}}$, что чётко отличает её от немецкого показателя степени загрязнения $\Psi_{\mathrm{a}}/\Psi_{\mathrm{c}}$.

1.3.4 Расчёт параметров при градации по классам

(1) Планировка операционной. Внутреннее пространство операционной по функциональному назначению разделяется на несколько зон с опорой на подходы соответствующего военного стандарта[5], как показано на рисунке 2. Зона «1» на рисунке рассчитана исходя из длины операционного стола 1,8 м; для пациентов с очень высоким ростом она может быть увеличена с обоих концов до 2,1 м. Расстояние между зонами в основном составляет 0,6 м.

Рисунок 2 Функциональное зонирование (турбулентный режим и вертикальный однонаправленный поток)

(2) Количество хирургического персонала. Численность бригады зависит от схемы расстановки сотрудников в операционной. Во время вмешательства персонал плотно группируется вокруг стола: непосредственно у операционного поля работают оперирующий хирург, первый и второй ассистенты, операционная сестра, у головы пациента находится анестезиолог. При этом чем современнее медицинское оборудование, тем меньше требуется персонала: в классической схеме для каждого прибора нужен отдельный сотрудник, но по мере появления многофункциональной техники количество единиц оборудования сокращается, а вместе с ним уменьшается и численность вспомогательного персонала. Вспомогательный состав обычно насчитывает 8–12 человек; после перехода на современное оборудование — как правило не более 10 человек. Планировка размещения хирургического оборудования показана на рисунках 3–6[6].

(3) Площадь притока воздуха. Поскольку приток концентрируется на рабочей зоне, размер площади приточной поверхности имеет критическое значение. При слишком большой площади потребуется избыточный объём воздуха, либо при фиксированном объёме скорость потока будет слишком низкой при неоправданно высоких затратах; при слишком малой площади пострадает качество защиты рабочей зоны.

Различают три уровня нормативных требований: минимальный, промежуточный и максимальный.

По минимальному нормативу в основную зону потока заключается только пространство с операционным столом; по промежуточному — дополнительно включается полоса шириной 0,6 м вокруг стола; по максимальному нормативу может учитываться полоса шириной 0,9 м за боковыми сторонами стола (фактическое значение в положениях стандарта немного меньше, поэтому расчётные показатели гарантируются с большей надёжностью).

Рисунок 3　Пример планировки 1: оборудование для кардиохирургических операций

  1. Сердечно-лёгочный аппарат　2. Инструментальный стол　3. Шкаф для медикаментов　4. Электрохирургический блок　5. Дефибриллятор　6. Электрическая пила для грудины　7. Рабочий стол　8. Устройство аспирации и подачи кислорода　9. Анестезиологический стол　10. Наркозный аппарат　11. Электрокардиограф　12. Теплообменник　13. Тазы и вёдра

Рисунок 4　Пример планировки 2: оборудование для кардиохирургических операций

  1. Потолочная консоль для подвода 5 видов медицинских газов　2. Аппарат искусственного кровообращения　3. Подвесная шина для инфузий　4. Индикатор　5. Монитор　6. Инструментальный стол　7. Тазы и вёдра

Рисунок 5　Пример планировки 3: оборудование для кардиохирургических операций

  1. Наркозный аппарат　2. Электрокардиограф　3. Анестезиологический стол　4. Инструментальный стол　5. Лоток для инструментов　6. Микроскоп　7. Тазы и вёдра　8. Штатив для инфузий　9. Электродрель　10. Устройство аспирации и подачи кислорода

Рисунок 6　Пример планировки 4: оборудование для операций на суставах

  1. Наркозный аппарат　2. Анестезиологический стол　3. Инструментальный стол　4. Лоток для инструментов　5. Электрокоагулятор　6. Пневматическая дрель　7. Подвесная шина для медицинских газов и инфузий　8. Тазы и вёдра

При расчёте учитывается явление смешения и ослабления потока на границе слабой приточной струи (см. рисунок 14-3 в источнике [7]); граница струи может сужаться под углом 10,7° (область с учётом этого угла по-прежнему относится к основной зоне потока).

При стандартных параметрах (в зависимости от типа бестеневой лампы чистая высота помещения 2,9–3 м, высота операционного стола 0,8 м, высота операционного разреза 0,3 м, высота рабочей плоскости 1,1 м) величина сужения струи с каждой стороны составляет: $[(2,9–3)-1,1]\operatorname{tg}10,7^\circ=0,34–0,36$ м.

(4) Скорость бактериовыделения. Этот показатель не рассчитывается по плотности персонала, его необходимо определять напрямую. Прямых данных о бактериовыделении с внутренних поверхностей помещения на сегодняшний день нет, поэтому в качестве ориентира используют показатель пылевыделения: принимается, что бактериовыделение с поверхностей общей площадью, эквивалентной 8 м² пола, соответствует выделению одного человека в состоянии покоя. Максимальное бактериовыделение человека в покое принимается равным 300 бактерий/(чел.·мин); при двух сотрудниках, проводящих измерения, суммарное значение рассчитывается как:

$$\text{Суммарное бактериовыделение}=\left(\frac{\text{площадь помещения}}{8\ \mathrm{м}^2}+2\right)\times\frac{300}{\mathrm{мин}}\ \text{бактерий}$$

(5) Коэффициенты. Значение $\varphi$ в зависимости от коэффициента полного перекрытия площади притока принимается равным последовательно 0,4; 1,3; 0,26; 0,2; значение $\beta$ — 0,7; 0,65; 0,8; 0,85; значение $\dfrac{V_\text{b}}{V}$ — 0,45; 0,65; 0,32; 0,24.

Результаты расчётов приведены в таблице 1.

Если коэффициент перекрытия приточной поверхности очень велик, $\beta$ достигает 0,95, вытяжные отверстия по стандарту размещены по обеим сторонам помещения, а $\varphi=0,05$, то $\varphi_\text{a}=0,095$, и расчётным путём получаем $\Psi_\text{a}/\Psi_\text{b}\approx0,048$. Следовательно, $\Psi_\text{b}=1,98$, то есть концентрация примесей в периферийной зоне примерно в 20 раз выше, чем в основной зоне потока; если основная зона соответствует классу чистоты 100, то периферия попадает в диапазон класса 1000.

1.3.5　Заключение

Поскольку операционная зона является областью концентрированного пыле- и бактериовыделения, размещение этого участка в пределах основного приточного потока в соответствии с описанной теорией даёт значительный эффект для повышения чистоты как рабочей зоны, так и всего помещения. Результаты расчётов показывают: если заменить равномерно рассредоточенные приточные отверстия в промышленном чистом помещении (рассчитанном по нормативу кратности воздухообмена для класса 1000) на централизованную схему, в операционной зоне достигаются показатели класса 100 (причём не только по чистоте воздуха, но и по рациональной структуре потока), а периферийная зона остаётся на уровне класса 1000. По аналогии класс чистоты всех ключевых зон можно повысить на одну ступень[8]. Следует отметить, что для сокращения времени самоочистки использовалось понятие кратности воздухообмена для самоочистки[9]; кратности воздухообмена для упомянутых операционных классов 1000, 10 000 и 100 000 немного выше традиционных значений, а для вспомогательных помещений (не являющихся операционными) — ниже традиционных.

Таблица 1　Результаты расчётов параметров основной зоны приточного потока

Тип операционной Площадь притока/м² Медицинский персонал Кратность воздухообмена/ч⁻¹ Объём воздуха/(м³/ч) Скорость притока/(м/с) Коэффициент неравномерности по помещению Коэффициент неравномерности по рабочей зоне $N_a$/(ед./м³) $\overline{N}$/(ед./м³) $N_a$/(частиц/л) $\overline{N}$/(частиц/л) Немецкий показатель $\Psi_a/\Psi_c$ Показатель основной зоны $\Psi_a/\Psi_b$
Общая чистая операционная (30,8 м², h=3 м) 1,3×2,15=2,8 Измерения при сдаче (2 чел.), 10 чел. в покое 20 1 848 0,18 1,08 0,48 28,0 63,1 13,9 31,3 0,76 0,57
Общая чистая операционная (30,8 м², h=3 м) 1,3×2,15=2,8 Измерения при сдаче (2 чел.), 10 чел. в покое 20 1 848 0,18 1,08 0,48 46,7 105,2 32,6 73,9 0,76 0,57
Общая чистая операционная (18,9 м², h=3 м) 1×1=1 Измерения при сдаче (2 чел.), 6 чел. в покое 15 851 0,24 1,1 0,76 72,0 104,2 36,5 52,8 0,48 0,29
Общая чистая операционная (18,9 м², h=3 м) 1×1=1 Измерения при сдаче (2 чел.), 6 чел. в покое 15 851 0,24 1,1 0,76 96,5 139,7 54,7 79,2 0,48 0,29
Чистая операционная (30,8 м², h=3 м) 1,8×3=5,4 Измерения при сдаче (2 чел.), 11 чел. в покое 30 2 772 0,14 0,84 0,37 14,4 32,7 7,0 16,0 0,37 0,21
Чистая операционная (30,8 м², h=3 м) 1,8×3=5,4 Измерения при сдаче (2 чел.), 11 чел. в покое 30 2 772 0,14 0,84 0,37 26,4 60,0 14,9 33,8 0,37 0,21
Специальная чистая операционная (37,8 м², h=3 м) 2,4×3=7,2 Измерения при сдаче (2 чел.), 12 чел. в покое 110 12 441 0,48 0,61 0,27 2,6 6,0 1,3 3,0 0,27 0,17
Специальная чистая операционная (37,8 м², h=3 м) 2,4×3=7,2 Измерения при сдаче (2 чел.), 12 чел. в покое 110 12 441 0,48 0,61 0,27 4,6 10,6 3,4 7,8 0,27 0,17

Примечание: $N_a$ — средняя концентрация бактерий в рабочей зоне; $\overline{N}$ — средняя концентрация бактерий по помещению; $N_a$ — средняя концентрация пыли в рабочей зоне; $\overline{N}$ — средняя концентрация пыли по помещению.

1.3.6　Список литературы

[1] Esdorn H, Nouri Z. Vergleichsuntersuchungen über Luftführungssysteme mit Mischströmung in Operationsräumen. // Operationsraum HLH, 28(1977), Nr. 4.

[2] Шэнь Цзиньмин. Немецкие больничные стандарты и проектирование операционных. // Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха, 2000, т. 30, № 2, с. 33.

[3] Группа по составлению сборника «Технические мероприятия по очистке воздуха». Технические мероприятия по очистке воздуха. Пекин: Издательство китайской архитектуры и строительной промышленности, 1979.

[4] Сюй Чжунлинь. Метод расчёта неравномерного распределения в чистых помещениях. Труды учредительной конференции профессионального комитета по ОВиК Архитектурного общества Китая, 1978.

[5] YFB 001-1995　Технические нормы архитектурного проектирования чистых операционных отделений военных госпиталей.

[6] Мэй Цзыли (ред.). Проектирование кондиционирования воздуха медицинских зданий. Пекин: Издательство китайской архитектуры и строительной промышленности, 1991.

[7] Сюй Чжунлинь. Принципы технологии очистки воздуха. Шанхай: Издательство Тунцзиского университета, 1998.

[8] Сюй Чжунлинь, Чжан Ичжао, Чжан Яньго и др. Исследование механизма и особенностей новых режимов распределения воздуха в чистых пространствах. // Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха, 2000, т. 30, № 3, с. 1–7.

[9] Сюй Чжунлинь (ред.). Проектирование чистых помещений. Пекин: Издательство «Сейсмология», 1994.

II. Международная практика