高中效过滤、高强度紫外线和动态离子杀菌组合在手术室的应用

空气污染是手术切口感染的原因之一，也是某些高度无菌手术感染的重要原因，特别是关节置换手术。为了减少手术感染，已经开发出许多空气除菌技术，包括空气过滤除菌技术，管道紫外线流动空气辐照杀菌技术，离子空气杀菌技术，气体消毒技术和净化除菌技术。2002年我国颁布《洁净手术部建筑技术规范》以来，相比其他空气消毒杀菌工程技术，空气洁净技术在我国综合医院的工程建设领域得到了迅速发展。遗憾的是采用层流手术室技术比我国早几十年的世界发达国家,有关层流手术室没有减少感染率的研究不断出现在著名医学研究杂志上。这一感染率没有减少问题的实质是层流空气解决了送入空气的无菌卫生，防止了外部空气和通风空调系统的内部污染对手术感染的影响，但垂直或水平定向气流对源于室内的手术组人员产生的动态污染控制效果有限，甚至加重手术切口局部污染。另一个困扰的问题是采用洁净技术带来的高投入、设备大空间和过高的运行能耗与费用问题，使得大多数医疗保健机构建不起和用不起，引起了越来越多的关注。相比传统的手术室空气洁净技术的效果和高投入以及高能耗问题，新的投资少和效果好的空气消毒杀菌技术不断涌现，美国和欧洲发达国家已经依据新的认识和新的空气卫生技术修改了医疗保健设施手术室通风空调标准，我国医院手术室空气洁净技术何去何从？如何发展？已经到了一个需要回顾和总结的历史阶段。本文就世界手术室空气无菌洁净技术的起源、高中效过滤除菌、高强度管道紫外线辐照和动态离子杀菌组合空气卫生新技术的原理和笔者据此研究开发的世界上第一例可显著降低造价和低运行费，控制动态手术污染的高中效过滤与手术中环境空气和表面动态杀菌的工程实例给予介绍和探讨。

1 手术室空气过滤无菌技术的历史回顾与问题

1961 年，为解决关节置换手术高达 8.9% 的术后感染问题，胯关节置换手术之父—英国约翰·查恩利医生（John Charnley，1911-1982）在英国Wrightington医院发明了世界上第一个采用空气由上向下流动的全新风手术仓（greenhouse，图1），换气次数为 10 次，静电过滤，1962 年投入使用。在空气过滤专家 FN. Howorth 的协助下，改进为采用对 2 μm 粒径尘粒具有 98% 过滤效率的袋式空气过滤器，垂直气流，换气次数由10次增加到130次。改进后的约翰·查恩利手术仓关节置换手术中的每小时空气菌落数由无空气过滤处理时的 80~90cfu/ 皿，减少到 1961 年首个普通过滤空气手术仓10 次换气的 25 cfu/ 皿，再减少到 130 次换气时的1.8 cfu/ 皿（1966 年），手术感染率也随之减少到1%。约翰·查恩利医生意识到除了空气污染对手术感染的影响外，手术医生也可能是手术感染的污染源，他为此发明了可有效隔离人体散发微生物粒子的全身隔离排气手术服（图2），使得手术中的

空气细菌数进一步减少，手术感染率降低到0.65%。约翰·查恩利医生的研究，证明了中效过滤与全身隔离吸气服结合使用可以达到良好的动态空气无菌指标并降低切口感染。英国约翰查恩利医生发明的世界第一个无菌空气手术仓，尽管已经过去了 49 年，但其发明的三项技术：1）手术台局部无菌净化，2）中效过滤和向下的送风气流，3）隔离手术服，对于今天的中国应当如何建设空气无菌手术室依然具有重要的现实意义。特别需要引起我国《洁净手术部建筑技术规范》修改组的思考。

1 9 6 2 年，惠特菲尔德·威利斯（W i l l i sWhitfield）先生在美国新墨西哥州美军桑迪亚实验室安装了世界第一个高效过滤水平层流净化装置。在他的协助下，1964年美国新墨西哥州巴顿纪念医院在现有的手术间内建成了世界上第一个垂直层流局部高效过滤的手术仓（图3），1966 年 1 月 3日投入常规使用。这个局部净化设施的四周有塑料围帘，垂直层流空气来自手术台上方天花板上悬挂的HEPA过滤器。6台鼓风机以90英尺/min或者600次换气 /h 的速率提供垂直气流，新风量为 15 次换气。

笔者设计的我国第一个包括有13个空气净化手术室的手术部，1979年在沈阳市沈阳军区总医院建成并在当年投入使用，净化级别为12 间 100000级，一间 10000 级。

几十年来，以高效过滤为核心技术的空气净化技术已经为世界各地的医院手术室采用，但由于高投入、大空间、高运行费、维护复杂和效果难以肯定等问题的影响并未在发达国家普及应用。例如，2005 年美国的一项手术室使用空气净化技术，隔离排气服或手术中紫外线直接照射的清洁手术惯例调查表明在美国的4个州只有30%的医院对高度无

菌要求的关节置换手术采用了空气净化技术，42%的医院采用隔离排气服，采用手术中紫外线直接照射手术区的医院有 5%，有占比例 36% 的 107 所医院没有采用以上任何一种清洁手术惯例。由此可以断定美国医疗保健设施综合外科手术部采用空气净化技术的普及率比例很低。我国是一个发展中国家，根据《2009 中国卫生统计年鉴》统计数据，截止到 2008 年底，我国卫生机构总数已经达到27.83 万个。在这 27.83 万个卫生机构中，地县医院、社区卫生中心、卫生院和诊所数量占距了总数的 93% 以上。相比省级以上医疗机构，这部分卫生机构经费紧张，基本建筑设施相对落后，有的连基本的取暖通风设施都缺乏，几乎没有可能采用高成本的空气净化系统实现治疗环境的空气卫生。因此，2002 年颁发的《洁净手术部建筑技术规范》对我国绝大部分医疗机构的空气品质改善没有丝毫帮助。1961 年约翰查恩利医生开发的手术仓只有2.3 m×2.3 m，美国巴顿医院的局部垂直流手术室，塑料幕帘内的净化面积也就是 10 m²左右。局部净化一直是世界各国手术部洁净技术应用的主流趋势。但我国2002 年颁发的《洁净手术部建筑技术规范》将手术室的局部净化变成了手术部整体净化，造成净化技术被过度使用，投资大大增加，产生了高额运行费用和能耗，既不符合我国国情，也不符合医学科学的研究结果。

空气洁净技术，特别是最高净化要求的层流手术室是否有利于预防感染，以美国CDC为代表的政府机构持负面的意见，一些医学统计研究甚至提出了层流手术室感染率高过普通空调或乱流净化空调的研究结论（表1）。

表1的研究是用户（医学界）对其使用的层流设备在应用层面给出的对层流设备与手术感染率的宏观研究，不可能涉及到具体的层流技术。但任何产品的研制和发展，需要在理论、专业和用户层面给予分析和评论，尤其需要听取用户意见。任何用户都有权对其使用的产品作出评论和研究，净化专业技术人员需要从用户对层流的宏观研究中找出产品需要改进的方面，不能用没有评论资格和研究方法重大错误的观点去否定用户的直观研究。

2003年前美国国家健康研究院已对手术室的通风和防止手术切口污染的有效性进行了广泛的研究。表2中一项研究表明，对于减少手术切口空气污染区而言，空气换气次数并不重要。20 h^-1通风换气的落入手术区的微粒明显小于 150 h^-1通风换气。瑞士2006年的一项对手术服与层流手术室空气污染的模拟研究也证明了手术台中心区存在严重的局部空气污染。图4是模拟手术实验的现场照片，表3是测试结果。

表3可见层流手术室模拟手术中存在手术人员上风向污染的手术台中部切口区的0.5 ìm尘粒数为5277 粒，污染严重，但同一手术台尾部的器械台处，由于人员污染少，0.5 ìm 尘粒数仅为 47 粒，差别极为显著。

分析以上研究，可以发现造成空气净化没有有效减少手术感染的重要原因之一是自身无菌的洁净气流只能稀释但无法解决手术中围绕手术台的手术组人员对切口的局部直接污染，洁净技术特有的垂直或水平高速气流甚至将位于上风向的手术人员散发的微生物微粒定向导航污染了手术切口。单向流的气流速度越高，手术时间越长，形成的切口量化污染就越大。

全身隔离排气服可有效防止手术人员对切口的污染，但穿着不方便，影响手术操作，噪声大，且机械排气系统若有故障，几分钟就可使身穿隔离排气服的人汗流浃背。因此采用何种通风空调技术方式，既可防止外部空气污染又可控制手术中动态的空气污染，又经济实用，容易为大多数医疗保健机构采用，是我国通风空调专业面临的现实问题，更是关系到普及全民医疗保健的国家医疗卫生方针和重大医疗建设投资的制定的重要问题。下面的章节将就此展开详细讨论。

2 复合过滤杀菌卫生技术

自然环境的空气中，存在无以计数的以气溶胶状态存在的尘粒，包括微生物粒子。对于电子行业的洁净室，由于半导体元件基板电路间的连线宽度仅为 30 nm（0.03 μm）的芯片已经投入生产，生产车间的空气的洁净度必须采用高效甚至超高效过滤器，严格控制空气中的≥ 0.1 μm 直径的尘粒数量，否则会引起电路间短路，产品报废。但涉及空气卫生控制的微生物粒子，其平均粒径则大得多。单个细菌的直径一般在0.3 μm ~10 ìm之间，与其它气溶胶成分结合形成细菌气溶胶，粒径范围为0.3 μm ~100 ìm。一项国内对室内外微生物气溶胶粒径分布特征的研究表明：气溶胶粒子数量主要集中在粒径 1.1 μm~4.7 μm。数量比例 19.9%~21.1% 的微生物气溶胶粒子粒径为 3.3 μm~4.7 μm，21.1%~22.4% 的微生物气溶胶粒子粒径为 2.1 μm~3.3 μm，8%~24.3% 的微生物气溶胶颗粒粒径分布在 1.1 μm~2.1 μm 上；室内外空气中有 69.8%~72.9% 的细菌气溶胶颗粒粒径在 0.65 μm~6μm 之间。2010 年希腊的一项关于空气微生物气溶胶粒径和数量浓度的研究表明，空气微生物气溶胶的粒径主要分布在 2.1 μm 到 3.1 μm 之间（图5）。

由图5可见粒径为 0.65 μm到 1.1 μm的大气微生物气溶胶微粒的浓度已经接近于零，绝大部分空气微生物的粒径分布集中在1.1μm 到 7 μm 之间。据此可以假定带有微生物的气溶胶微粒的平均粒径一般大于 1 μm，容易被高中效过滤器拦截。也就是说

不一定要采用高效过滤器即可全部拦截微生物微粒。我们在上海肺科医院无菌病房采用的非高效二级过滤，实测空气菌落数的结果证明了以上的假定。约翰查恩利医生采用的中效过滤手术仓和美国医疗保健设施通风空调标准的对手术室空调二级过滤要求，都说明对于空气微生物控制，中效过滤器可以达到医院空气卫生控制的基本要求，经济实用。美国ASHRAE52.2-2007过滤器最低效率评价标准对不同过滤等级的滤器对1 μm~3 μm粒子的平均过滤效率见表 4。由表4可见当对手术室送风采用 F7（相当MERV13，对 1 μm 粒子最低过滤效率90%以上）和 F9（相当 MERV16，对 1μm 粒子最低过滤效率95% 以上）二级过滤。计算可得二级高中效过滤组合过滤，对1 μm粒径微生物气溶胶的综合滤除效率可大于 99.5% 以上。