中国建筑科学研究院 许钟麟
【摘 要】结合2016年WHO的《预防外科手术部位感染的全球指南》精神，以层层分析的方法，明确了手术室需要通风、需要净化通风、需要净化空调。在中国，空调已成为医院基本配备，在低收入地区大致也会如此。空调＋空气净化（简称净化）≈（温湿度的调节＋新风）＋（阻隔式过滤除尘和除菌＋气流组织和稀释＋压力梯度）。给出了常规的一般集中空调产生二次污染的可怕的实例和图片，阻隔式净化是必须的，净化和空调能自然简便地结合。本文用理论计算，结合NASA标准，分析了菌浓和尘浓的关系，按WHO的3个标准就需要100级、10000级和20万级，按美国外科学会最高标准用1000级洁净度也有可能达标。用中国多家医院数据证明这一关系的成立。感染和细菌剂量有关，用不着把菌浓降到极低甚至“0”，所以手术室用层流的必要性引起讨论。工程界的措施取决于医院对无菌程度的要求。本文介绍了比层流简单、便宜得多的在手术台上方用低紊流度置换流集中送风方式在中国手术室的应用，着眼于关键点控制，用低一级风量达到高一级洁净度，手术区可比周边区高一级，即分区定级。从原理、方式、效果各方面详细地作了分析，给出了数据和图。GB50333-2013《医院洁净手术部建筑技术规范》的Ⅲ级手术室仅用不少于18次换气（单纯空调换气次数可能还要大）即可能达到美国外科学会和WHO的中间一级要求。为适应低收入地区需要，中国规范还提出了“一般手术室”做法，室内用什么除菌方法不规定，但要符合综合医院规范对医院集中空调的规定，即它的新风必须有2或3级过滤，回风过滤器必须有符合规定的性能，这样可使风管内二次污染降到一般空调系统的1/10.如果再在送风口上安高中效过滤器（≥0.5μm，η≥70%），就成为净化空调了。相当于Ⅳ级洁净手术室，最小洁净换气次数为12次/h。计算表明，在Ⅰ级洁净手术室做一次手术（设可用15年），仅多花约10美元，电费多花约2.5美元，在其他级别手术室中做手术费用还要少一半。为了病人多一份安全，花这点钱是值得的。
【关键词】低紊流度 置换流 集中送风
1 手术室需要通风
2016年底WHO发布了一份文件，即《预防外科手术部位感染的全球指南》，“指南”4.23节坦承以“非常低的质量证据”或“支持证据质量低到很低”来说明“层流”（并无工程指标表明这是真层流还是假层流）不适用于关节置换类手术，甚至有害；但只字不提一些正面的证据。也未说明这些负面证据是出现在什么年代（例如出现在新世纪微创手术等技术高度发展的时候），技术发展了，层流作用减弱了，但总不致于出现“有害”结果吧？
但是“指南”4.23节以“手术室通风情况下的层流气流通风系统”为题肯定了手术室通风，显然这是机械通风。现在不论收入如何，家庭的卧室、起居室，办公室、会议室尚且都要通风，要做几个小时手术的手术室没有理由不需要通风。自然通风基本不适用于手术室（特殊情况如战时除外）这是通风空调工程师皆明白的。不同地区不同季节的冷热如何处理？即使合适了，难保一阵风一阵雨吹进手术室怎么办？闹市区的医院受汽车尾气影响怎么办？噪声传进来怎么办？虽然“指南”对自然通风做了不推荐的说明，但是这个问题根本和收入高低的地区无关，是手术室无需讨论的问题。但是对于整个医院建筑还是应考虑可能用到自然通风的。中国GB51039的《综合医院建筑设计规范》7.1.5条“当采用自然通风时，中庭内不宜有遮挡物……”
2 手术室空气环境需要净化通风，需要净化空调
任何地区的手术室的空气环境需要除菌净化是毋庸置疑的。这是对病人负责对生命尊重的基本态度。只是措施从擦净消毒→喷洒照射→空气净化一步步发展而来。
纵观目前各国医院标准，空气净化技术措施已成为控制医院用房空气环境无菌和干净程度的不二选择，见表1[1] 。
正如上述WHO在文件中指出的：对于手术室供给正压的过滤后的空气的特别通风系统是必要的。理想情况是，为了手术室内发生的微生物得到稀释，微生物不能从周围环境侵入，平均20次/h换气是必要的。这就是空气净化或者净化通风在手术室的应用。
由于空气净化可以实现全过程的环境参数控制，可以自然地与调节温湿度和补充新风的空调结合起来，所以中国GB50333《医院洁净手术部建筑技术规范》（以下简称“洁净手术部规范”）提出了净化空调的概念，简言之就是净化空调=空调＋空气净化（简称净化）≈（温湿度的调节＋新风）＋（阻隔式过滤除尘和除菌＋气流组织和稀释＋压力梯度）。
3 空气净化到什么程度由卫生学标准决定
在手术室中采用什么样的空气净化措施（气流形式、换气次数、干净程度等）不是由我们搞空气净化的技术人员说了算的，我们是根据医院的卫生学标准，确定采取什么样的净化措施的。
下面表2三个广为人知的标准[2]都是动态标准。可见美国外科学会标准是紧靠两学者的研究结果的。WHO的标准总体上从严了，把菌浓下限定到10。
有的国家手术室菌浓下限甚至被降到5，上限未超过500。
空气净化到什么程度才能使空气中的菌浓降到表3的WHO标准呢？
空气中尘、菌尚未发现有明显的相关性。美国宇航标准给出了在静态洁净环境下的尘、菌的一般关系，据此，作者推算出尘、菌浓度参考值[3]见表4。
中国GB15982《医院消毒卫生标准》1995版和2012版的规定分别见表5、表6。
动态菌浓与静态菌浓之比，作者称之为动静比，[4]一般为3～5，可以大到7。据北京大学附属人民医院等单位和作者等人对北京5家三甲医院13间洁净手术室共39例手术的实测总结，[5]4个手术程序的平均动态菌浓（测点见图1）和上述中国“洁净手术部规范”规定的手术区静态菌浓的比值，就在3～5之间：
所以WHO的动态浮游菌10cfu/m3标准，静态浮游菌约相当于2～3cfu/m3，则由表4可见，静态尘浓约在 3.5粒/L以下，即ISO5级或更高的洁净度级别，此时动态沉降菌浓≤0.24cfu/φ90皿·30min。
若按美国外科学会最高标准35cfu/m3，其静态约为10cfu/m3，则由表4，洁净度降到6级之内即可，也就是可用209标准1000级洁净室。
这就是说，按WHO的最低菌浓，需要5级（原100级）洁净度。
按传统的洁净室概念，只有全室层流（早已改称单向流）才能实现5级洁净度。
4 洁净度、细菌浓度、手术部位感染率（SSI）的关系
上世纪的文献普遍认为空气洁净度越高（达到层流5级），细菌浓度越低，手术部位感染率将越低，有太多的文献，不在这里列举了。
但手术部位感染率的因素非常复杂，首先是术中产菌量有很大差别：
不同手术的产菌量不同
不同切口手术的产菌量不同
离切口的不同位置的产菌量不同
测定时间稍有差异结果不同
其次是病人自身状况影响很大，而空气因素可能不到10%。由于手术本身的进步加上不可能有同一组医生用同样的器材在不同的空气洁净方式（如层流、乱流等）的手术室中，在同一个病人身上实施同一个手术，从而进行比较，因此层流能不能较大地降低像关节置换这类手术的手术部位感染率受到质疑。不可能有完全肯定或完全否定的确切结论。但是过去大量报道的正面数据，应该反映出一种倾向性是可能存在的。
但是2008年由德国布朗特（Christian Brandt）撰文，把德国早期建设的手术室误认为都是层流手术室而得出层流手术室感染率高于乱流手术室的结论已被德国官方指明是错误的，[6]这不在本文讨论之列。
医学理论已证明，细菌感染有一个剂量问题。手术区域的细菌含量也要达到某一个临界值才会引起手术创口感染。例如有报道指出，10个细菌可引起关节修复术后感染，感染率和伤口周围30cm的空间中空气微生物浓度相关。[7]所以并不是细菌越少，少到零，感染率才最低。从这一点看，手术室用层流才最好的看法是会引起质疑的，或者说这种做法性价比不高。
5 降低空气菌浓还是必要的
如上所述，虽然层流和非层流相比，对降低某些手术的SSI不见得有明显效果，但是高洁净度的空气环境对降低菌浓是有效的，这是不争的事实。这里先举上面提到的5家医院的情况，[5]不论是静态菌浓还是动态菌浓，都有：Ⅰ级（高洁净度）＜Ⅱ级（中洁净度）＜Ⅲ级（低洁净度）。图2为所测结果（标准级别为原209标准）
正如有研究者明确宣称：“100级洁净室的微生物浓度比10000级和100000级洁净室内的微生物浓度低得多”，“100级洁净室内极少发现微生物”。[8]这一基本事实确定不容置疑。
既然洁净度高则菌浓低，菌浓低则感染可能少，但菌浓低到一定程度对降低感染率可能作用不大；而洁净度最高的全室层流洁净室又费钱又费能，那么能否找到一种既能在手术全过程中通风换气，大幅度提高洁净度、降低菌浓，减少手术部位感染的机会又比全室层流简单、便宜、节能的净化通风或净化空调措施呢？
6 低紊流度置换流的局部集中顶送风
① 中国GB50333《医院洁净手术部建筑技术规范》正是本着上述目的，经过理论论证和实验研究提出了在手术台上方比手术台大的一块局部送风面以集中送风的方式代替全室层流。这种方式送风速度低（只有乱流风口送风的几分之一），不仅吹风感小，不会扬尘，且具有单向性，紊流度低（但高于按德国标准或作者提出的界定层流的数值），同时不是靠混掺稀释把手术台所在空间尘菌浓度降低，而是定向推进、压出，置换掉空间中的脏空气，其诱导周边的气流与送风气流之比即引带系数相当于单个风口的约1/5，[9]所以这种低紊流度的置换流属于非诱导型送风的大范畴。见图3，送风口下方作者称为主流区。
提出这一方案还基于这样一个质量控制理念：关键点控制。
关键点是生产或操作过程中最容易且最怕受到尘菌污染的地方，该点应受到有效或加强控制。在手术室，显然手术区（手术台所在的一个小区域）是关键区域。此区之外的手术室其他区域（称为周边区），不应和关键区同等对待，例如用层流措施时，使室内的边边角角都处于层流之下，显然无必要。
② 低紊流度置换流局部集中顶送风的特性
1）过去认为只有满布层流（送风面积占到全部截面的80%最低不小于60%）才可以达到5级。5级洁净度被认是层流和乱流的分水岭。
根据作者提出的扩大主流区理论[10][11]，对于分散送风口，若每个送风口（设为标准484mm×484mm过滤器，扩散板送风口面积约0.3m2）负担的室面积不超过2.5m2，则对于一般室高的洁净室，工作区可以达到5级洁净度，在药厂GMP车间的实践证明，此时换气次数只有38次/h。[12]
如果是集中送风，当集中送风面积不小于室面积1/5时，全室可达到5级洁净度，否则周边区将低一级[13]。如果送风面积达到室面积１/８～１/10时，周边区比核心区低一级。
以上达到5级洁净度的气流不够单向流标准，有关特性（如速度场均匀度、自净时间、流线平行性等）当然不如单向流，但接近单向流。对于希望在稳定后洁净度达到5级的目标来说，它实现了。
2）根据顶部集中送风的面积和末级过滤器档次实现分区定级。
Ⅰ级：要求手术区达到5级，周边区达到6级，同时希望气流把手术台边的医护人员及器械桌（约0.4×0.6m）全罩住，设手术台为0.6×1.8m，则台的两边外延各0.9m，台两端外延0.4m，面积为2.4×2.6m=6.24m2，这就是送风面积，见图4（虚线为送风面投影边界）。
Ⅰ级手术室面积一般在45～50m2，则送风面积占室面积约1/8。
Ⅱ级：要求手术区达到6级，周边区达到7级，同时希望气流能基本罩住人员和器械桌，两边外延0.6m，两端外延0.4m，手术区面积为1.8×2.6m=4.68m2，这也就是送风面积。
Ⅲ级：要求手术区达到7级，周边区达到8级，手术区面积为1.4×2.6m=3.64m2。
规范还规定，当室面积超过50m2时， 送风面积可按比例增大，不应在边上加设单个送风口或净化器，即不应在置换流环境中存在其他气流组织。
Ⅳ级：不分区，要求用风口分散送风，全室达到8.5级即30万级，从表4可见30万级时，最大浮游菌浓约比10万级时大1倍，约在220cfu/m3，动静比取3时，满足美国外科学会一般手术室菌浓≤700cfu/m3的要求。
规范实施15年来，未有关于器械桌保护不妥的报告。这里要说明一下：德国标准的Ia、Ib级送风面积见图5、图6。[14]
美国标准不分级别，要求送风面积比手术台每边外延0.3～0.45m。
分区定级除根据送风面大小外，还根据送风末级过滤器效率，按GB50333的要求见表7。
俄罗斯2008年标准也采用了上述Ⅰ级的分区定级，只是送风面积和德国的一样大。
一间Ⅱ级手术室末端用亚高效过滤器和接近亚高效的阻漏层，其总效率约0.995（≥0.5μm），仍是亚高效。经国家建工质检中心测定结果如表8所列 ，手术区最大上限浓度达到209标准500级，即属于1000级范围，符合规范要求。
3）用低一级的换气次数达到手术区高一级的目的。Ⅰ～Ⅲ级的洁净换气次数均按周边区级别确定的。
4）从表4可见，洁净度差一级，浮游菌浓可差3倍。1977年德国的艾斯东（Esdorn H）等对手术区的菌浓提出污染度的概念[15]，即在集中送风达20次/h换气时，手术区菌浓只及周边一半，即差2倍的关系。
中国规范考虑上述两种情况，从安全计，未采取3倍关系，也采取周边区菌浓和手术区菌浓为2倍的关系，大量测定证明，这一比例可以达到。
5）手术区的风速是大好还是小好？有人认为垂直送风会把医生身上微粒吹到手术台上，从图7可见这是不可能的。因为即使1μm微粒的跟随气流的速度和气流速度相差不超过10-3，因此应完全跟随气流运动。[16]
但是风速大了对切口不利是显然的，医生也会不舒服，所以能小则小，还节能。我们在北京人民医院手术室做的模拟实验证明，风速大比风速小是有好的排除污染能力，但0.22m/s风速时动态菌浓可以达标。[17]
手术区0.28m/s风速时，3种模拟工况手术台上5个测点区平均动态菌浓2.33cfu/m3，图4为一种工况的布置。
手术区0.22m/s风速时，上述数值为11.8cfu/m3。据北京市标准，Ⅰ级手术室动态标准为≤30cfu/m3。
因此，中国“洁净手术部规范”采用Ⅰ级手术室手术区风速为0.20～0.25m/s。
③ 非诱导型送风的低紊流度置换流在手术室完全可以替代全面层流。
1）中国的实践证明，15年来仅由国家建工质检中心检测的数千例手术室，绝大部分是菌浓一次达标。
据王方2011年报告，徐州医学院附属医院1808例手术，使用洁净手术室，感染率由传统普通手术室的6.41%降至0.93%，徐焕华等对某教学医院统计结果，用紫外线空气消毒的术后感染率是洁净手术室的7.06倍，是用空气净化机组的2.11倍。夏牧涯报告苏州大学第一附属医院使用洁净手术室使感染率下降一半以上[18]。
2）由德国一个固定的手术团队，从2008年至2014年6年间在被称为单向置换流（根据标准DIN-1946-4，附件D [2008]建造）与湍流通风手术室（根据标准DIN-1946-4 [1999]建造）中，监测了1286台手术，后者可降低菌浓90%以上，见图8。[19]该测定的培养皿放在器械桌上置于无菌区，未具体说明地点。
7 中国规范中的“一般手术室”
中国是一个发展中国家，地区差异也极大，在制订GB50333《医院洁净手术部建筑技术规范》时考虑到当时存在、今后还会有地方采用的不要求洁净度级别的常规手术室的情况，在后来制订GB51039《综合医院建筑设计规范》时，保留了“一般手术室”的名称。
不论地区收入高低，由于气候原因，采用空调应无可非议，而在中国，空调设备已是医院的一项基本配备。
但是空调因其系统的积尘积菌导致二次污染，现已公认其为一种污染源。
表9[20]是中国的测定数据（新风仅有滤网或粗效过滤器的医院、商场、酒店），中等污染菌浓为（1～3）×104cfu/g。
又据日本清扫业协会的200余样本的分析，细菌数在103～104cfu/g之间[21]，略低于上述数据。图9[22]、图10[23]则是管道内和回风口的污染状况。
发达国家、空气状况良好的国家，可能会好一些。但回风都是不会有什么差别的。即使家用壁挂式空调器，据前几年北京晚报报道：88%该空调器冷却器翅片上细菌超标，84%空调器真菌超标。手术室为公共场所，用这种空调器情况更会严重。
通过近十几年来各种传染病的教训，中国卫生主管部门出台了一些规定，对医院用空调系统的新风口和回风口作出规定。上述《综合医院建筑设计规范》据此给出了比较严格的要求。
规定之一是：当地的PM10年平均值浓度未超过国家环境标准二级时，新风口应至少设置粗效和中效两级过滤，否则应再加一道高中效过滤器。
规定之二是：集中空调和风机盘管的回风口要设初阻力小于50Pa，微生物一次通过率不大于10%，颗粒物一次计重通过率不大于5%的过滤设备。
同时规定一般手术室应采用集中空调系统，并安有高中效（≥0.5μm，η≥70）过滤器。
可见一般手术室和洁净手术室的差别仅在未规定达到的洁净度级别，但也要安上高中效过滤器。其实这就是Ⅳ级准洁净手术室的基本措施。
可见，一般手术室或Ⅳ级洁净手术室，对低中收入国家是值得推荐的方式。
8 关于经济问题
① 关于造价
1）上海多年前限定Ⅰ级100万人民币一间，Ⅱ级80万人民币一间，Ⅲ级60万人民币一间（均含一定辅房，这两年有所提高），净化空调设备造价仅占其中不足20%，而纯净化设备则更小了。
2）北京某中央大医院47间手术室，一天做近130台手术，平均每间每天3台手术。
其中Ⅰ级设15年淘汰（不考虑折旧和其他房间仍可用），做15475台手术，每台均摊为64.6元（不足10美元）。
② 关于风量
有一种误解认为用净化空调的手术室风量一定比单用空调的大很多。表10是按“洁净手术部规范”规定的平均人数按北京气象条件计算的数据（据牛维乐工程计算）。按GB50736《民用建筑采暖通风与空气调节设计规范》，舒适性空调送风可选用5～10℃送风温差，而置换流由于不是混掺稀释，怕人有明显吹冷风感，所以规定最小送风温度不低于18℃，设按19℃考虑，按手术室规范规定的夏季室温下限21℃，设取22℃，则送风温差不宜超过3℃，其中Ⅳ级手术室为乱流、送风可按≥5℃计算。
从表10可见，两种条件下的换气次数相当，而仅和室内负荷有关的换气次数按空调计算，结果还可能大于按洁净要求的最低结果（如Ⅰ级即人数降到9，则空调换气次数降到53次/h）。
③ 关于电费
一间Ⅰ级手术室耗电约20kW，一天运行12h，则耗电240度，0.82元/度，约196.8元，每台手术65.6元（不足10美元）。一间Ⅱ级手术室则每台手术需50元（约7美元），采用超低阻新风过滤，则费用可少1/3。
9. 结论
① 用合适的通风手段降低手术室菌浓是必要的。
② 非诱导型送风的低紊流度置换流比层流与乱流均更适合于手术室，具有高的性价比。
③ 中国医院洁净手术室采用非诱导型送风的低紊流度置换流是成功的。
④ 在经济、节能的原则下，有降低SSI 1%的可能，就要作出100%的努力。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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