Nový prvek pro přívod vzduchu na standardním operačním sále

Úvod

Tento text navazuje na článek s názvem "Modelování obrazů proudění vzduchu v standardním operačním sále". Na základě praktických měření v reálných stavbách a analýzou matematických modelů obrazu proudění byl v operačních sálech (OS) zjištěn negativní vliv zpětných proudů. Tyto proudy mají při provozu OS za následek znečišťování prostoru operačního pole částicemi unášenými z jeho okolí, zvaný jako efekt samoznečišťování.

Pro operační sály a tvorbu jejich mikroklimatu v ČR neexistuje s výjimkou klasifikace třídy čistoty podle [4] žádná platná norma, natož závazná legislativa. Vzhledem ke klasifikaci třídy čistoty OS je možné pro jejich návrh a provoz využít část přístupů uvedených v [5]. V uvedeném textu je mezi jednotlivými zásadami pamatováno v odstavci 54 i na profily proudění, které nemají způsobovat kontaminaci chráněného prostoru.

Pro odstranění uvedeného negativního jevu byl navržen nový velkoplošný přívodní prvek tzv. kombinovaný laminární strop (KLS). Cílem tohoto prvku je změna obrazu proudění v prostoru OS, a tím snížení koncentrace částic pevného aerosolu v operačním poli a zvýšení kvality vzduchu respektive třídy čistoty daného OS. Jako pilotní projekt již byla realizována montáž tohoto prvku v reálné místnosti funkčního operačního sálu.

Teorie

Teoretický přístup k problematice obrazu proudění a distribuce vzduchu v OS včetně identifikace zpětných proudů a efektu "samoznečišťování" operačního pole pacienta jsou popsány v předcházejícím článku "Modelování obrazů proudění vzduchu v standardním operačním sále".

Obr. 1. Obraz proudění na OS s použitím kombinovaného laminárního stropu

Obr. 2. Obraz proudění na OS s použitím laminárního stropu

Ukázka obrazu proudění pro kombinovaný laminární strop a pro standardní laminární strop jsou uvedeny na obr. 1 a obr. 2.

Obr. 3. Kombinovaný laminární strop

Obr. 4. Standardní laminární strop

Výrobek KLS aplikovaný na obr. 3 je oproti tradiční koncepci laminárního stropu (ukázka na obr. 4) podvěšený cca 300 mm pod podhled místnosti. Zmenšením vzdálenosti mezi KLS a operačním stolem je možné snížit výtokovou rychlost na laminarizátoru z dnešních 0,2 až 0,25 m/s na 0,16 až 0,18 m/s. Snížením výtokové rychlosti z KLS podle matematického modelu nedochází k narušení charakteru jednosměrného proudění v zóně operačního pole a současně dochází ke snížení pocitu průvanu operatérů. Ten lze s jistým přiblížením vyčíslit indexem DR dle ČSN EN 7730 [7], který při poklesu rychlosti z 0,24 m/s na 0,18 m/s při teplotě 20 °C a intenzitě turbulence 0,1 klesne z 16 % na 12 %. Stacionární model proudění ovšem nepostihne dynamické stavy při pohybu osob, jako jsou pohyby rukou s chirurgickými nástroji v operačním poli. Snížení výtokové rychlosti o přibližně 20 % způsobí i pokles příčné rychlosti při obtékání těchto pohyblivých překážek. I když se nepředpokládá negativní dopad na čistotu v operačním poli, bude vhodné tento jev dále analyzovat. Stávající zkušenosti a tradicí podporované hodnoty rychlostí proudění vzduchu bude v další práci nutné podrobit kritickému zkoumání.

Množství vzduchu, o které je snížen průtok vzduchu do operační zóny, je využito pro distribuci vzduchu pod strop dané místnosti. Tím je zachována energetická náročnost místnosti po stránce vzduchotechniky a zároveň dochází ke změně obrazu proudění.

Jak ukazují matematické simulace obrazů proudění, vlivem přívodu vzduchu pod strop místnosti dochází k výrazné eliminaci zpětných proudů a tím i k eliminaci zanášení částic do operačního pole pacienta.

Dalším přínosem nové koncepce distribuce vzduchu je fakt, že snížením koncentrace částic v operačním poli dochází ke zvýšení třídy čistoty OS.

Teoreticky je tak možné při stejné energetické náročnosti zvýšit třídu aseptického operačního sálu na sál superaseptický, bude-li splněn požadavek na čistotu podle tab. 1. V praxi to znamená, že při 20-ti násobné aseptické výměně vzduchu v OS za hodinu je možné operační sál validovat při splnění podmínek uvedených v tab. 1 jako superaseptický, tj. nemusí být aplikována obecně používaná 30-ti násobná výměna vzduchu za hodinu. Tento efekt může znamenat finanční úsporu nejen v pořizovacích nákladech na VZT zařízení, ale také významnou úsporu v provozních nákladech operačního sálu. Na operačních sálech VZT zařízení zajišťuje nejen požadovanou čistotu prostoru, ale také celoročně utváří parametry tepelně - vlhkostního mikroklima.

Tab. 1. Klasifikace tříd čistoty podle ČSN EN ISO 1644

V případě validace superaseptického OS se vzduchovými parametry odpovídajícími sálu aseptickému je možná až 40 % úspora provozních nákladů na daný VZT systém, jak podrobně uvádí tab. 2.

Tab. 2. Energetická náročnost provozu OS

Instalace a praktické měření kombinovaného laminárního stropu

Na těchto poznatcích byl proveden technický návrh nového KLS. Výrobek je chráněn českým patentovým úřadem formou Užitného vzoru číslo CZ 17934 U1 - Kombinovaný laminární strop. Následně byl osloven výrobce standardních laminárních stropů brněnská výrobní a montážní firma ELFA s.r.o. s nabídkou spolupráce na výrobě prototypu a instalace výrobku v reálné místnosti operačního sálu v nemocnici na Jižní Moravě. Firma návrh přijala a provedla výrobu prototypu včetně následné instalace.

Pro srovnání funkce standardního a kombinovaného LS bylo provedeno měření čistoty prostoru před a po instalaci nové technologie. Měření prováděla Ing. Zuzana Mathauserová, vedoucí národní referenční laboratoře pro prašnost a pracovní prostředí ze Státního zdravotního ústavu. Parametry systému VZT včetně stáří a kvality filtrů třetího stupně filtrace byly s ohledem na objektivitu měření shodné (měření probíhalo v obou případech po výměně a defektoskopii nových filtrů). Významně se však lišil výchozí stav prostoru z hlediska úklidu a doby provozu. Měření KLS probíhalo při běžném provozu OS mezi dvěma operačními výkony definované jako měření za poloprovozu.

Obr. 5. Poměrný počet částic od velikosti 0,5 μm v prostoru OS

Obr. 6. Poměrný počet částic od velikosti 5 μm v prostoru OS

Základní validační měření je prováděno bez výskytu osob v prostoru, aby byly shodné srovnávací podmínky, i když toto měření nemusí plně vypovídat o chování prostoru za provozu. V současné době se objevují tendence [6] uzpůsobit podmínky měření skutečným poměrům za provozu, tj. s osobami, které jsou zdrojem tepla a částic aerosolu. Tyto jednotné podmínky lze těžko nastavit s různými lidmi v různém - na místě dostupném - čistém oděvu. Proto se jako standardní zdroje znečištění, simulující člověka, vyvíjí figuríny. To je sice technicky možné, ale v podmínkách ČR zatím nedostupné. Proto byla pro porovnávací měření zvolena ne sice dokonale objektivní, zato ale snadno dostupná metoda spočívající v tom, že celá čtyřčlenná skupina účastníků měření je během měření v OS, je vybavena oděvem a ochrannými pomůckami, které jsou při provozu OS používány. Tato měření nejsou srovnatelná s měřeními v jiných místnostech s jinými lidmi v jiném oděvu, pro účely změny stavu v jedné místnosti se stejnou skupinou je to ovšem dostatečné. Pouze při přítomnosti zdrojů částic lze postihnout místa s vyšší a nižší koncentrací, protože bez výskytu osob v místnosti s vysokou výměnou vzduchu se koncentrace částic v prostoru rychle vyrovnají.

Při druhém měření (s KLS) byl prostor na počátku méně vyčištěný než v prvním případě, avšak měření probíhá vždy ve směru rostoucí koncentrace, tzn. nejdříve v proudu přiváděného vzduchu, následně v okolním prostoru a na závěr u odvodních koncových elementů. Trvalá přítomnost osob zajišťuje po celou dobu měření přibližně stejné okrajové podmínky.

Aby byl omezen vliv různých počátečních podmínek z měření LS a KLS, bylo vyhodnocení počtu částic, jakožto směrodatné veličiny pro hodnocení kvality vzduchu, realizováno poměrově. Jako výchozí je použita průměrná koncentrace částic v odváděném vzduchu a má v obou případech hodnotu 1. V dalších měřených místech, vždy stejných jak pro měření s LS i KLS je vyjádřen poměr počtu částic v tomto měřicím místě ku počtu částic v odváděném vzduchu.

Znečištění odváděného vzduchu zahrnuje vliv osob nebo jiných zdrojů v prostoru, a jako výhodnější bude jistě hodnocen systém distribuce vzduchu, který dosáhne při stejném znečištění vzduchu v místnosti menší koncentrace částic v chráněném prostoru operačního pole.

Vyhodnocení je provedeno pro dvě skupiny velikosti částic, menší částice od velikosti 0,5 μm do 5 μm (obr. 5) a větší částice s průměrem větším jak 5 μm (obr. 6).

Počty částic v různých oblastech OS se významně liší. V prostoru mimo operační pole je koncentrace částic více než 5ti násobná než v oblasti pod přívodním elementem (LS, KLS). Poměr koncentrace látky v odváděném vzduchu (tedy u odvodních koncových elementů) a v dýchací zóně (zde v operačním poli) definuje účinnost větrání. Při běžných způsobech turbulentní distribuce vzduchu je účinnost větrání velmi blízká hodnotě 1. U vytěsňovacího způsobu větrání, jako např. v OS, je účinnost vyšší. Pro jemný prach má tato účinnost odvozená z obr. 5 pro LS hodnotu 5, pro KLS hodnotu 10, tedy dvojnásobnou. U velkých částic již rozdíl tak výrazný není, v prostoru s KLS dochází k vytěsňování částic více směrem dolů, celková účinnost pro LS má hodnotu 5,9, pro KLS 6,4. Důvod odlišného rozdělení malých a velkých částic bude dále předmětem zkoumání. Vzduch přiváděný bočními štěrbinami pod strop zřeďuje vzduch podstropními odvodními elementy, proto jsou zde koncentrace nižší u KLS než u LS, zatímco u podlahy je tomu obráceně. Zatímco distribuci vzduchu z LS lze popsat shora-nahoru, u KLS to bude přibližně shora-dolů (do stran).

Závěr

Měření počtu částic je základním a objektivním ukazatelem kvality vzduchu v OS. Přestože měření probíhala za odlišných podmínek, poměrným hodnocením bylo prokázáno, že KLS nastoluje výhodnější rozložení částic v prostoru OS, protože tento systém distribuce vzduchu dosahuje vyšší účinnosti větrání. Další práce se zaměří na zpřesnění identifikace a kvantifikace zdrojů částic v OS, aby další vývoj matematického modelu již zahrnoval dvoufázové proudění s emitovanými částicemi z vnitřních zdrojů, zejména osob.

Literatura

[1] RUBINA, A.: Vzduchotechnické systémy pro čisté prostory ve zdravotnictví. Disertační práce. Brno 2007, 110 s., 30 s. příloh. Vysoké učení technické v Brně. Fakulta stavební. Ústav technických zařízení budov.
[2] RUBINA, A.: Vzduchotechnické systémy pro čisté prostory operačních sálů. Odborná monografie, STP - územní centrum Brno, Praha 2008, ISBN 978-80-02-02065-3
[3] RUBINA, A. - UHER, P.: Obrazy proudění vzduchu na standardním operačním sále. Sborník 5. konference IBPSA-CZ, Brno 2008, ISBN 978-80-254-3373-7.
[4] ČSN EN ISO 14644:2000: Čisté prostory a příslušné řízené prostředí. Část 1: Klasifikace čistoty vzduchu
[5] SÚKL, VYR-32: Pokyny pro správnou výrobní praxi - Doplněk 1, výroba sterilních léčivých přípravků, platnost od 1. 3. 2009.
[6] BRUNNER, A.: New guidelines for hospitals in Switzerland and in Germany, Zürich 2005.
[7] ČSN EN 7730:2007: Mírné tepelné prostředí a popis podmínek tepelné pohody.