Операционные залы больниц
Контроль воздушных потоков

Помещения операционных являются одним из самых ответственных звеньев в структуре больничного здания с точки зрения важности хирургического процесса, а также обеспечения особых условий микроклимата, необходимых для удачного его проведения и завершения. Здесь источником выделения бактериальных частиц является в основном медицинский персонал, способный генерировать частицы и выделять микроорганизмы при движении по помещению. Интенсивность поступления частиц в воздух помещения зависит от степени подвижности людей, температуры и скорости воздуха в помещении. ВБИ имеет свойство перемещаться по помещению операционной с потоками воздуха, и всегда присутствует риск ее проникновения в незащищенную раневую полость оперируемого больного. Из наблюдений очевидно, что неправильно организованная работа систем вентиляции приводит к интенсивному накоплению инфекции до уровней, превышающих допустимые [1].

На протяжении нескольких десятилетий специалисты разных стран занимаются разработкой системных решений по обеспечению условий воздушной среды операционных. Воздушный поток, подаваемый в помещение, должен не только ассимилировать различные вредности (тепло, влажность, запахи, вредные вещества), поддерживать требуемые параметры микроклимата, но и обеспечивать защиту строго установленных зон от попадания в них инфекций, то есть необходимую чистоту воздуха помещений. Зону, где проводятся инвазивные вмешательства (проникновение в организм человека), можно называть операционной зоной или «критической» [2, 3]. Стандарт [4] определяет такую зону как «операционную санитарно-защитную зону» и подразумевает под ней пространство, где размещается операционный стол, вспомогательные столики для инструментов и материалов, аппаратура, а также медицинский персонал в стерильной одежде. В [5] есть понятие «технологического ядра», относящееся к зоне проведения производственных процессов в стерильных условиях, которую по смыслу можно соотнести с операционной зоной.

Для предотвращения проникновения загрязнений бактериального характера в наиболее критические области стали широко применяться способы экранирования посредством использования вытесняющего потока воздуха. Были созданы воздухораспределители ламинарного потока воздуха различных конструкций, впоследствии термин «ламинарный» был изменен на «однонаправленный» поток. В настоящее время можно встретить самые различные названия воздухораспределяющих устройств в чистых помещениях, такие как «ламинар», «ламинарный потолок», «операционный потолок», «операционная система чистого воздуха» и т. д., что не меняет их сути. Воздухораспределитель встраивается в конструкцию потолка над зоной защиты помещения и может быть различных размеров в зависимости от расхода воздуха. Рекомендуемая оптимальная площадь такого потолка [6] должна быть не менее 9 м² с целью полного перекрывания операционной зоны со столами, оборудованием и персоналом. Вытесняющий воздушный поток с малыми скоростями поступает сверху-вниз, как завеса, отсекая и асептическое поле зоны хирургического вмешательства, и зону передачи стерильного материала от окружающей среды. Удаление воздуха производится из нижней и верхней зон помещения одновременно. В конструкцию потолка встраиваются HEPA-фильтры (класс Н по [7]), через которые проходит приточный воздух. Фильтры задерживают, но не обеззараживают живые частицы.

В настоящее время во всем мире уделяется большое внимание вопросам обеззараживания воздуха помещений больничных и других учреждений, где имеются источники бактериальных загрязнений. В документах [4, 1, 8] озвучены требования о необходимости обеззараживания воздуха операционных с эффективностью инактивации частиц не менее 95 %, а также воздуховодов и оборудования климатических систем [9–13]. Бактериальные частицы, выделяемые хирургическим персоналом, непрерывно поступают в воздух помещения, накапливаются в нем. Чтобы концентрация частиц в воздухе помещения не достигала предельно допустимых уровней [1], необходим контроль воздушной среды. Такой контроль следует обязательно проводить после монтажа климатических систем, технического обслуживания или ремонта, то есть в режиме эксплуатируемого чистого помещения.

Применение в операционных воздухораспределителей однонаправленного потока со встроенными фильтрами сверхтонкой очистки потолочного типа стало обычным явлением для проектировщиков. Воздушные потоки больших объемов идут вниз помещения с маленькими скоростями, отсекая защищаемую зону от окружающей среды. Тем не менее, многие специалисты не подозревают, что этих решений не достаточно для поддержания должного уровня обеззараживания воздуха во время хирургических операций.

Дело в том, что конструкций воздухораспределительных устройств достаточно много, каждое из которых имеет свою область применения. Чистые помещения операционных внутри своего «чистого» класса [1] делятся на классы по степени чистоты в зависимости от назначения [14]. Например, операционные общехирургического профиля, кардиохирургические или ортопедические и т. д. К каждому конкретному случаю предъявляются свои требования по обеспечению чистоты.

Первые примеры применения воздухораспределителей для чистых помещений появились в середине 1950 годов. С тех пор стало традиционным распределение воздуха в чистых производственных помещениях в случаях, когда в них требуется обеспечить низкие концентрации частиц или микроорганизмов, производить через перфорированный потолок [16, 17]. Воздушный поток движется через весь объем помещения в одном направлении с равномерной скоростью, обычно равной 0,3–0,5 м/с. Воздух подается через группу высокоэффективных воздушных фильтров, размещенных на потолке чистого помещения. Подача воздуха организована по принципу воздушного поршня, движущегося вниз через все помещение, удаляя при этом загрязнения. Удаление воздуха происходит через пол. Такой характер движения воздуха способствует удалению аэрозольных загрязнений, источниками которых является персонал и процессы. Такая организация вентиляции направлена на обеспечение чистоты воздуха помещения, но требует больших расходов воздуха и поэтому неэкономична. Для чистых комнат класса 1 000 или класса ISO 6 (по классификации ISO) воздухообмен может составлять от 70 до 160 крат/ч.

В дальнейшем появились более рациональные устройства модульного типа значительно меньших размеров с маленькими расходами, позволяющие выбирать приточное устройство исходя из размеров защищаемой зоны и требуемых кратностей воздухообмена помещения в зависимости от назначения помещения.

Анализ работы ламинарных воздухораспределителей

Ламинарные устройства применяются в чистых производственных помещениях и служат для раздачи больших объемов воздуха, предусматривая наличие специально спроектированных потолков, напольных вытяжек и регулирования давления в помещении. В этих условиях работа распределителей ламинарного потока гарантированно обеспечивает требуемый однонаправленный поток с параллельными линиями тока. Высокая кратность воздухообмена способствует подержанию в приточном потоке воздуха условий, близких к изотермическим. Потолки, спроектированные под распределение воздуха при больших воздухообменах, за счет большой площади обеспечивают маленькую начальную скорость воздушного потока. Работа вытяжных устройств, расположенных на уровне пола, и контроль давления воздуха в помещении сводят к минимуму размеры зон рециркуляции потоков, и легко срабатывает принцип «одного прохода и одного выхода». Взвешенные частицы прижимаются к полу и удаляются, поэтому риск возникновения их рециркуляции невелик.

Однако при работе таких воздухораспределителей в операционной ситуация существенно меняется. Для поддержания допустимых уровней бактериологической чистоты воздуха в операционных значения воздухообмена по расчету обычно составляют в среднем 25 крат/ч и даже меньше, то есть они не сопоставимы со значениями для производственных помещений. Для поддержания стабильности движения потоков воздуха между операционной и смежными помещениями в ней обычно поддерживается избыточное давление. Удаление воздуха производится через вытяжные устройства, симметрично установленные в стенах нижней зоны помещения. Для раздачи более маленьких объемов воздуха применяются, как правило, ламинарные устройства небольшой площади, которые устанавливаются только над критической зоной помещения в виде острова посреди комнаты, вместо использования всего потолка.

Как показывают наблюдения, такие ламинарные устройства не всегда будут обеспечивать однонаправленный поток. Поскольку почти всегда присутствует перепад между температурой в приточной струе и температурой окружающего воздуха (5–7 °С), более холодный воздух, выходящий из приточного устройства, опускается намного быстрее, чем изотермический однонаправленный поток. Для работы потолочных диффузоров, применяемых в общественных учреждениях, это обычное явление. Существует ошибочное общепринятое мнение, что ламинары обеспечивают стабильный однонаправленный воздушный поток независимо от места или способа их применения. На самом деле, в реальных условиях скорость низкотемпературного вертикального ламинарного потока будет увеличиваться по мере приближения к полу. Чем больше объем приточного воздуха и ниже его температура относительно воздуха помещения, тем больше ускорение его потока. Из таблицы видно, что применение ламинарной системы площадью 3 м² с температурным перепадом в 9 °С дает увеличение скорости воздуха в три раза уже на расстоянии 1,8 м от начала пути. Скорость воздуха на выходе из приточного устройства составляет 0,15 м/с, а на уровне операционного стола достигает 0,46 м/с. Это значение превышает допустимый уровень [1]. Уже давно многими исследованиями доказано, что при завышенных скоростях приточного потока невозможно сохранить его «однонаправленность». Анализ контроля воздушной среды в операционных, проводимый, в частности, Салвати (Salvati, 1982) и Льюисом (Lewis, 1993), показал, что в некоторых случаях применение ламинарных установок с высокими скоростями воздуха приводит к росту уровня обсемененности воздуха в области хирургического разреза с последующим риском его заражения.

При движении потока, в начальной точке линии тока воздуха будут параллельны, далее границы потока будут меняться, сужаясь в направлении к полу, и он уже не сможет защищать область, определенную размерами ламинарной установки. При скоростях воздуха 0,46 м/с поток будет захватывать малоподвижный воздух из помещения. Поскольку в помещении постоянно выделяются бактериальные частицы, в поток воздуха, поступающий из приточного устройства, будут подмешиваться зараженные частицы, так как источники их выделения постоянно действуют в помещении. Этому способствует рециркуляция воздуха, возникающая в результате подпора воздуха в помещении. Для соблюдения чистоты помещений операционных по нормам [1, 6] требуется обеспечивать дисбаланс воздуха за счет превышения притока над вытяжкой на 10 %. Избыточный воздух перемещается в смежные менее чистые помещения. В современных условиях в операционных часто применяют герметичные раздвижные двери, избыточному воздуху некуда деваться, он циркулирует по помещению и забирается снова в приточное устройство при помощи встроенных в него вентиляторов для дальнейшей очистки в фильтрах и вторичной подачи в помещение. Циркулирующий воздух собирает в себя все загрязненные частицы из воздуха помещения и, двигаясь вблизи приточного потока, может его загрязнять. Из-за нарушения границ потока происходит подмешивание в него воздуха из окружающего пространства и проникновение патогенных частиц в стерильную зону, которую принято считать защищенной.

Высокая подвижность способствует интенсивному отслоению частиц мертвой кожи с незащищенных участков кожного покрова медицинского персонала и их попаданию непосредственно в хирургический разрез. С другой стороны, следует отметить, что развитие инфекционных заболеваний в послеоперационный период вызывается гипотермическим состоянием больного, которое усиливается при воздействии на него потоков холодного воздуха повышенной подвижности.

Таким образом, воздухораспределитель ламинарного потока, традиционно применяемый и эффективно работающий в чистом производственном помещении, может принести вред при проведении операций в обычной операционной.

Этот разговор справедлив для ламинарных устройств, имеющих площадь в среднем около 3 м² – оптимальную для защиты операционной зоны. Согласно американским требованиям [18], скорость воздушного потока на выходе из ламинарных панелей не должна превышать 0,15 м/с, то есть с 1 фут² (0,09 м²) площади панели должно поступать в помещение 14 л/с воздуха. В нашем случае это будет составлять 466 л/с (1677,6 м³/ч) или примерно 17 крат/ч. По [18] нормативное значение воздухообмена в операционных залах должно составлять 20 крат/ч, по [1] – 25 крат/ч, поэтому 17 крат/ч вполне соответствует требованиям. Получается, что значению 20 крат/ч соответствует помещение объемом 64 м³.

По сегодняшним нормам площадь стандартной операционной (общехирургического профиля) должна составлять не менее 36 м². А к операционным для проведения более сложных операций (кардиологических, ортопедических и т. д.) требования намного выше, и часто объем такой операционной может превышать 135–150 м³. Система воздухораспределения для этих случаев потребуется значительно большей площади и производительности по воздуху.

В случае организации притока воздуха в операционных большего размера возникает проблема соблюдения ламинарности потока от плоскости выхода до уровня операционного стола. В нескольких операционных проводились исследования поведения воздушных потоков. В разных помещениях были установлены ламинарные панели, которые разделялись по площади на две группы: 1,5–3 м² и более 3 м³, и были смонтированы экспериментальные установки кондиционирования воздуха, позволяющие менять температуру приточного воздуха. Проводились многократные замеры скорости потока поступающего воздуха при различных расходах и перепадах температуры, результаты которых можно увидеть в таблице.

Критерии чистоты помещения

Правильные решения относительно организации распределения воздуха в операционных: выбор рационального размера приточных панелей, обеспечение нормативной скорости потока и температуры приточного воздуха – не дают гарантии абсолютного обеззараживания воздуха в помещении. Вопрос обеззараживания воздуха операционных залов был остро поставлен более 30 лет назад, когда предлагались различные противоэпидемиологические мероприятия. И сейчас целью требований современных нормативных документов по проектированию и эксплуатации больниц является обеззараживание воздуха, где системы ОВК представлены как основной способ предотвращения распространения и накопления инфекций [4, 1, 8, 6, 18, 9, 10, 11, 12, 13].

Например, стандарт [18] считает обеззараживание главной целью своих требований, в [19] отмечено: «правильно спроектированная система ОВК минимизирует воздушно-капельную передачу вирусов, бактерий, спор грибков и прочих биологических загрязнений», системам ОВК отводится главная роль в контроле инфекций и прочих вредных факторов. В [20] выделено требование к системам кондиционирования воздуха операционных: «система подачи воздуха должна быть спроектирована таким образом, чтобы минимизировать проникновение бактерий в стерильные зоны вместе с воздухом, а также поддерживать максимальный уровень чистоты в остальной части операционной».

Тем не менее, нормативные документы не содержат прямых требований к определению и контролю эффективности обеззараживания для различных способов вентиляции, и проектировщикам зачастую приходится заниматься поисковой деятельностью, что занимает много времени и отвлекает от основной работы.

В нашей стране достаточно много различной нормативной литературы по проектированию систем ОВК для больничных зданий, и везде озвучены требования к обеззараживанию воздуха, которые по множеству объективных причин проектировщикам практически трудно реализовать. Это требует не только знания современного обеззараживающего оборудования и правильности его применения, но, самое главное, дальнейшего своевременного эпидемиологического контроля воздушной среды помещений, что дает представление о качестве работы систем ОВК, но, к сожалению, не всегда проводится. Если оценка чистоты чистых производственных помещений производится по наличию в нем частиц (например, пылинок), то показателем чистоты воздуха в чистых помещениях лечебных зданий являются живые бактериальные или колониеобразующие частицы, допустимые уровни которых приводятся в [1]. Для поддержания этих уровней следует регулярно контролировать воздушную среду по микробиологическим показателям, для чего необходимо уметь вести их подсчет. Методика сбора и подсчета микроорганизмов для оценки чистоты воздуха еще не приводилась ни в одном из нормативных документов. Важным является то, что подсчет микробных частиц должен проводиться в эксплуатируемом помещении, то есть во время проведения операции. Но для этого должен быть готов проект и монтаж системы воздухораспределения. Уровень обеззараживания или эффективность работы системы невозможно установить до начала работы ее в операционной, это можно сделать только в условиях проведения хотя бы нескольких операционных процессов. Для инженеров это представляет большие трудности, поскольку исследования хоть и необходимы, но противоречат порядку соблюдения противоэпидемической дисциплины больницы.

Воздушная завеса

Для обеспечения требуемого воздушного режима операционной важно правильно организовать совместную работу притока и удаления воздуха. Рациональным взаиморасположением приточных и вытяжных устройств в операционной можно улучшить характер движения воздушных потоков.

В операционных невозможно использовать как площадь всего потолка для распределения воздуха, так и площадь пола для его отведения. Напольные вытяжные устройства негигиеничны, поскольку быстро загрязняются и их трудно чистить. Громоздкие, сложные и дорогие системы так и не нашли своего применения в малогабаритных помещениях операционных. По этим причинам самым рациональным является «островное» расположение ламинарных панелей над критической зоной с установкой вытяжных отверстий в нижней части стен. Это позволяет смоделировать воздушные потоки по аналогии с чистым промышленным помещением более дешевым и менее громоздким способом. Успешно проявил себя такой способ, как применение воздушных завес, работающих по принципу защитного барьера. Воздушная завеса хорошо сочетается с потоком приточного воздуха в форме узкой «оболочки» из воздуха с большей скоростью, специально организованной по периметру потолка. Воздушная завеса непрерывно работает на вытяжку и предотвращает поступление загрязненного окружающего воздуха в ламинарный поток.

Чтобы понять работу воздушной завесы, следует представить операционный зал с вытяжкой, организованной со всех четырех сторон помещения. Приточный воздух, поступающий из «ламинарного островка», расположенного в центре потолка, будет только опускаться вниз, расширяясь в стороны стен по мере спуска. Такое решение уменьшает зоны рециркуляции, размеры застойных участков, в которых собираются патогенные микроорганизмы, а также предотвращает смешение ламинарного потока с воздухом помещения, снижает его ускорение и стабилизирует скорость, в результате чего нисходящий поток накрывает (запирает) всю стерильную зону. Это способствует удалению биологических загрязнителей из защищаемой зоны и изоляции ее от окружающей среды.

На рис. 1 видна стандартная конструкция воздушной завесы с щелями по периметру помещения. При организации вытяжки по периметру ламинарного потока, происходит его растягивание, он расширяется и заполняет всю зону внутри завесы, в результате чего предотвращается эффект «сужения» и стабилизируется требуемая скорость ламинарного потока.

Рисунок 1. Схема воздушной завесы

На рис. 2 представлена модель поперечного сечения воздушной завесы. Видно, что ламинарный поток движется вниз и расширяется во внешнюю сторону, соблюдая равномерную скорость, как показывают стрелки. Воздух, циркулирующий вне воздушной завесы (обозначен длинными стрелками), не проникает внутрь ламинарного потока.

Рисунок 2. Анализ работы воздушной завесы

Из рис. 3 видны значения фактической (замеренной) скорости, возникающей при правильно спроектированной воздушной завесе, которые наглядно демонстрируют взаимодействие ламинарного потока с воздушной завесой, причем ламинарный поток движется равномерно. Воздушная завеса устраняет необходимость установки громоздкой вытяжной системы по всему периметру помещения, вместо чего в стенах устраивается традиционная вытяжка, как принято в операционных. Воздушная завеса защищает зону непосредственно вокруг хирургического персонала и стола, предотвращая возврат загрязненных частиц в первичный воздушный поток.

Рисунок 3. Фактический профиль скоростей в сечении воздушной завесы

После проекта воздушной завесы возникает вопрос, какого уровня обеззараживания можно достичь при ее эксплуатации. Плохо спроектированная воздушная завеса будет не более эффективна, чем традиционная ламинарная система. Ошибкой проекта может быть высокая скорость воздуха, поскольку такая завеса будет «вытягивать» ламинарный поток слишком быстро, то есть еще даже до того, как он достигнет операционного тола. Поведение потока нельзя будет контролировать, и может возникнуть угроза просачивания зараженных частиц в операционную зону с уровня пола. Аналогично, воздушная завеса с маленькой скоростью всасывания не может эффективно шибировать ламинарный поток и может втягиваться в него. В этом случае воздушный режим помещения будет как при использовании только ламинарного приточного устройства. При проектировании важно правильно определить диапазон скоростей и подобрать соответствующую ему систему. Это непосредственно влияет на расчет обеззараживающих характеристик.

Несмотря на явные преимущества воздушных завес, их не следует применять вслепую. Стерильный воздушный поток, создаваемый воздушными завесами во время операции, не всегда требуется. Необходимость обеспечения уровня обеззараживания воздуха должна решаться совместно с технологами, в роли которых в данном случае должны выступать хирурги, участвующие в конкретных операциях.

Заключение

Вертикальный ламинарный поток может вести себя непредсказуемо в зависимости от режима его эксплуатации. Ламинарные панели, используемые в помещениях чистых производств, как правило, не могут обеспечивать требуемый уровень обеззараживания в операционных. Системы воздушных завес помогают скорректировать характер движения вертикальных ламинарных потоков. Воздушные завесы являются оптимальным решением задачи бактериологического контроля воздушной среды помещений операционных, особенно при продолжительных хирургических операциях и нахождении пациентов с нарушенной иммунной системой, для которых воздушные инфекции представляют особый риск.

Статья подготовлена А. П. Борисоглебской с использованием материалов журнала «ASHRAE».