Ⅰ级洁净手术室动态特性研究

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1、太原理工大学 硕士学位论文 级洁净手术室动态特性研究 姓名：枚军 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：杜震宇 20100601 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 级洁净手术室动态特性研究级洁净手术室动态特性研究 摘摘 要要 本课题采用数值模拟的方法对级洁净手术室的动态特性进行了 研究。选择高 Re 数 K- 模型/壁面函数法和悬浮颗粒运动小滑移模型进 行模拟计算，利用有限容积法对微分方程进行离散，对代数方程组采用 TDMA 法和 ADI 线迭代法进行求解，压力与速度耦合关系处理采用 SIMPLE 算法。 课题选取了级洁净手术室做心脏手术过程的室内人员及设备配 置为研究对象，对不同送风速度、

2、不同的无影灯布置、不同室内人员数 量等工况下室内动态特性进行了模拟和预测。并在太原市女子医院的 级洁净手术室进行了实验检测。 结果显示，送风速度对洁净区粒子浓度有明显影响；在心脏手术过 程中，送风速度大于 0.35m/s 才能维持洁净区的局部高洁净度。提出制 定我国的动态标准，建议级洁净手术室洁净度动态检测指标取为 60 粒/L。在进行手术时，手术台覆盖台布能降低对洁净区的潜在污染。手 术过程中无影灯布置以采用双母灯的形式沿手术台方向前、后安装较 好，且无影灯的布置高度宜距手术操作面 1.0m 左右。对于级洁净手 术室，控制洁净区内医护人员的数量和站位位置是提高洁净区高洁净度 的关键因素。 太

3、原理工大学硕士研究生学位论文 II 关键词：关键词：级洁净手术室， 动态特性， 数值模拟， 高 Re 数 K- 模型， 小滑移模型 太原理工大学硕士研究生学位论文 III Study on Dynamic Characteristics of The Grade Operating Room ABSTRACT In this paper, Dynamic characteristics of the grade operating room is study by numerical simulation method. And the numerically simulated is bas

4、ed on high-Re number K- model /wall function method and small slip model. The partial differential equation is dispersed by F-V method, Algebraic equations is solved by TDMA method and ADI iteration method, And SIMPLE method is applied for pressure and velocity coupling algorithm. The operating room

5、 which is equiped to carry on a Cardiac Surgery is selected as the research model, and dynamic characteristics of the grade operating room is simulated and forecasted under different conditions. Also a set of experimental data is obtained in a grade operating room. Results showed that air supply vel

6、ocity is significantly effect on the concentration of Particle in surgical area. To maintain local high cleanliness of surgical area, the air supply rate is greater than 0.35m/s in the Cardiac Surgery room. The author propose developing Chinas dynamic standard and suggest Suspension particles60% 美国现

7、在实行的洁净标准是1999年版的美国供暖智能空调工程师学会手册应用篇 中的相关规定，强调以手术室粒子控制措施减少感染风险，不提倡采用单向流洁净手术 室4。美国认为手术区域的主要控制污染源是室内医护人员，因此很重视手术衣的开发 和推广使用，要求手术衣把医生罩起来隔离污染源。对于三个级别的手术室分别给出了 相应的悬浮菌允许浓度。表1-4是美国现行的推荐标准。 表 1-4 美国外科学会的手术室环境委员会推荐标准 Table 1-4 CORE Recommendations 手术室级别 悬浮菌允许浓度（个/m3） 应用场合 级 35 洁净手术(人工器官移植) 级 175 准洁净手术 级 700 一般手

8、术 1.1.2. 国内洁净手术室的发展历史及标准国内洁净手术室的发展历史及标准 我国用于医疗方面的洁净手术室起步较晚。1980年，黑龙江省人民医院改建成功我 国第一个局部水平平行流洁净手术室，投入临床使用后效果良好。其后的20多年里， 我国洁净手术室的建设取得了飞速的发展，全国先后有将近2000间洁净手术室投入使 用5。随着国家基本医疗卫生制度改革方案的实施，国内正改建和新建一大批洁净手术 室，以满足外科手术发展的需求。 我国最早实行的洁净标准是1985年颁行的洁净厂房设计规范 （GBJ73-84） ，其 后又于1995年颁行了军队医院洁净手术部建筑技术规范 （FL0106YFB001-199

9、5） 。 现行的标准是2002年颁布的医院洁净手术部建筑技术规范 （GB50333-2002） （以下 简称 规范 ） 6。 不同时期的规范反映了我国在洁净手术室污染控制思路方向的延续性， 在引入西方国家洁净技术先进理念的基础上，结合我国的国情，提出了洁净手术部的分 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 级标准与技术措施。 规范总体思想是为保证洁净手术部的高度无尘，强调手术室粒子控制的综合措 施，强调全过程控制，以及强调完善的保障体系。手术室的分级以细粒子浓度作为洁净 级别主要指标，按不同手术切口要求和手术内容分成四级，分别为特别洁净手术室、标 准洁净手术室、一般洁净手术室和准洁净手术室。表1-

10、5是我国现行洁净手术室标准。 表 1-5 洁净手术室的等级标准（空态或静态） Table 1-5 Standards of operating room (empty or static) 沉降法（浮游法）细菌最大平均浓度 空气洁净度级别 等 级 手术室 名称 手术区 周边区 表面最大染菌 浓度(个/cm2) 手术区 周边区 特别洁净 手术室 0.2 个/30min.90 皿（5 个/m3） 0.4 个/30min.90 皿（10 个/m3） 5 100 级 1000 级 标准洁净 手术室 0.75 个/30min.90 皿（25 个/m3） 1.5 个/30min.90 皿（50 个/m3）

11、 5 1000 级 10000 级 一般洁净 手术室 2 个/30min.90 皿（75 个/m3） 4 个/30min.90 皿（150 个/m3） 5 10000 级 100000 级 准洁净 手术室 5 个/30min.90 皿（175 个/m3） 5 300000 级 1.1.3. 洁净手术室气流组织方式洁净手术室气流组织方式 洁净手术室合理的气流组织是控制室内污染物的关键，现在手术室内常用的气流组 织方式6 8有单向流和非单向流。 1. 单向流 从送回风方式上，单向流分为全室垂直单向流、局部垂直单向流和水平单向流等几 种主要形式。早期的垂直单向流洁净室都是采用全室垂直单向流形式，有的

12、甚至采用全 新风系统。图1-1是全室垂直单向流方式。考虑到手术室内只需控制关键部位，为节省 运行费用，局部垂直单向流方式开始应用于手术室。图1-2是局部垂直单向流方式。水 平单向流洁净手术室是将送风口设置在一面侧墙上，回风口设置在对面墙上，送风气流 进入室内水平“置换”被污染的空气后排至回风口， 从而达到净化室内空气的目的。 图1-3 是水平单向流洁净手术室气流组织。 从国外的应用情况来看，美、日两国早期采用水平单向流的形式较多，但随着无影 灯从传统的葵花型转变为多头式或吸顶式，其对垂直单向气流的干扰逐渐减小，局部垂 直单向流方式的洁净手术室逐渐被广泛应用。与美、日相比，欧洲更倾向于应用垂直单

13、 向流方式的洁净手术室。 2. 非单向流 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 非单向流 （俗称乱流） 洁净手术室的气流组织主要包括上送下回和上送上回两大类。 图1-4是传统的上送下回非单向流洁净手术室。非单向流洁净室一般用于对洁净级别要 求不高的医院手术用房。 图 1-1 全室垂直单向流 图 1-2 局部垂直单向流 Fig.1-1 Vertical unidirectional flow of all room Fig.1-2 Local vertical unidirectional flow 图 1-3 水平单向流 图 1-4 上送下回非单向流 Fig.1-3 Level unidirec

14、tional flow Fig.1-4 Non-unidirectional air flow 1.2.国内外研究现状国内外研究现状 近些年来，国内外学者对如何合理设计洁净手术室的气流组织以便最大程度上减小 室内污染物浓度，降低手术过程中病人感染的几率展开了大量研究，并结合洁净室运行 实践得到了大量经验，已开发了一些新的系统形式，同时累积了相当丰硕的理论成果， 为洁净手术室的发展奠定了基础。 1.2.1. 国外对洁净手术室的研究现状国外对洁净手术室的研究现状 瑞典皇家工学院的Sipil研究了室内障碍物对单向流手术室中空气污染物的影响9。 他利用可示踪烟气在平行流手术室进行了实验，并通过计算机辅

15、助模拟。在平行流流动 状态下，室内气流被障碍物阻挡后出现减弱和涡旋，处于紊流状态。同时，平行流的速 度对保护手术关键区有决定性的作用，当人员手臂在平静的空气中运动的情况下，速度 超过0.35m/s时保护作用相当明显。 瑞典Ume University的Friberg.B从控制粒子的角度比较几种洁净手术室气流组织 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 形式10：热对流气流、超洁净层流气流及常规的水平和垂直单向流气流。通过实验对比 显示，在手术控制区内，热对流气流中空气浮游尘和表面沉降尘数是常规气流的两到三 倍，而超洁净层流气流能达到含菌量1的区域。由于采用低Re数K-模型时，要在粘性支层内布置比较

16、多的节点，大 大增加了模型的计算量。对于本文要求解的洁净手术室主流区流场，将大量的节点布置 在近壁区没有多大意义，因此，本文采用高雷诺数K-模型，近壁区采用壁面函数法。 1. k-方程： jtiij t jjkjjji ukkuuu xxxxxx =+ (2-1) 2. -方程 2 2 1 jtiij jjjjji uuuuc c c k xxxxxxk =+ (2 -2) 其中 2 /tc k= 3. 壁面函数法 高雷诺数K-模型适用于离开壁面一定距离的湍流区域，在近壁区需要采用壁面函 数法处理。壁面函数法即在靠近壁面的粘性支层内不布置任何节点，把壁面相邻的第一 个节点布置在旺盛湍流区域内。