通仓交融手术室(barn integrated operating room)是多台手术在一个大空间交汇融合的简称 ^[1]。通常指在一个完全开放的大空间内,有多台手术可同时开展(一般为4台手术)的一个综合性的平台,见图1。4台手术的团队在这平台上有机组合在一起,在手术过程中相互交流、交汇、合作与融合。

　　 通仓交融手术室建筑空间可控、人员数量受限、手术区域环境可控、洁净等级可变,其空调系统风量变化、气流组织变化、运行多样化。在交融通仓手术室内,经验较少的外科医生和麻醉师在专家指导下,可成功地完成手术,使他们的能力得到锻炼,增加了手术数量,加快了手术周转,减少了手术人员配置,提高了手术效率,又可随时根据手术技术与装备改变手术方案。

　　 通仓交融手术室一般能同时开展1～4台手术,在手术进行时,仅需要1名高级麻醉师及1名资深手术医生,其余均由麻醉师、主刀医生及护士完成。1名巡回护士同时管理4台手术,医护人员数量配置相比传统模式缩减25%,提高了工作效率,而且手术空间、手术器具与设备、手术人员得以高效利用,最大程度发挥高级外科医生与高级麻醉师的作用,手术团队分享临床专业知识与手术技能,使医院在有限优质医疗资源下,更快、更省、更安全和更有效地服务、治疗更多的病人。通仓交融手术室一般建筑面积控制在196 m²(23.4 m×8.4 m(长×宽),见图2)内,手术内区与外区面积比约为1∶5.5。

　　 基于手术性质及对不同手术净化等级要求的区别,4台手术均可在Ⅰ级洁净手术室与Ⅲ级洁净手术室之间任意切换而不影响其他手术的开展。也就是说1#,2#手术区按Ⅰ级洁净手术室运行,而其他3#,4#手术区可以按Ⅲ级洁净手术室运行。理论上可以有24种运行模式,最佳运行模式是1#～4#按同一级别运行。当开展移植手术时,通仓交融手术室4台手术只能按Ⅰ级洁净手术室运行;当开展腔镜手术时,通仓交融手术室4台手术只能按Ⅲ级洁净手术室运行。

　　 通仓交融手术室共有4个既独立又关联的手术区域,为使手术区处于受控状态,并且各手术区能够灵活使用,每个手术区采用4套独立空调系统,而整个手术室采用1套新风空调系统,有利于通仓交融手术室整体压力控制和正压维持。

　　 空调系统设计方案的理念是:采用集中新风空调系统消除手术室内湿负荷,循环空调系统调节手术室内温度,空调的2个系统分别对手术室内温度和湿度进行独立控制,使通仓交融手术室整体处于受控状态,各手术区可灵活使用,使通仓交融手术室在受控环境下运行。

　　 通仓交融手术室室外参数参考上海地区,室内设计参数依据GB 50333—2013《医院洁净手术部建筑技术规范》确定:室内温度24 ℃,相对湿度50%,单个手术区平均室内人数4.5人。通仓交融手术室(4个手术区)总冷负荷Q=89.7 kW,总湿负荷d=9.28 kg/h,室内冷负荷Q_n=31.3 kW,新风负荷Q_w=58.4 kW,每个手术区送风面积为6.24 m²(2.6 m×2.4 m),送风量为9 000 m³/h,新风量为1 000 m³/h,排风量为500 m³/h,渗透风量为500 m³/h。

　　 通仓交融手术室空调送风方案与传统手术室不同,需要控制4个手术区在运行时的风量、压力、温湿度及洁净度的统一性,且各手术区在独立运行时,室内空气互相不干扰或少干扰,防止各手术区由空气交叉而引起的感染。因此空调送回风方案及气流组织设计尤其重要,本文分析4种可能的空调送回风及气流组织方案,见表1和图3。根据这4种空调气流组织方案的特点,采用方案3作为通仓交融手术室空调设计方案,并进行模拟分析,为今后“循证设计”提供科学论据。

　　 由于通仓交融手术室平面布置的特殊性,手术区下部回风不是平行于手术台长边两侧,而是在手术台短边一侧。为了使2个手术区之间气流尽量不干扰,空调设计方案3的气流组织为:Ⅰ级手术区大风量送风时,采用2/3风量上回风,送风天花送风气流下降到手术床高度后呈U形气流上回至回风口(见图3c),使2个手术区之间形成洁净气幕。当Ⅲ级手术区小风量送风时,无法形成气流幕,采用下回风。手术室采用上回风形式与国家有关规范相抵触,需做气流模拟和细菌检测实验,论证上回风的合理性(国外手术室有上回风工程实例),实验室初步检测结果的洁净度满足洁净手术室级别的要求。

　　 有序的气流组织设计是保证通仓交融手术室洁净度、防止菌尘污染的重要措施,上部送风下部回风的空调方案设计可以有效控制各手术区菌尘沉降污染。但受通仓交融手术室平面及各种条件限制,上送下回空调送风形式有一定困难,笔者参考国外设计案例及我国现有成熟的设计经验,送回风形式设计为:Ⅰ级手术区上部送风、部分下回风(上回2/3风量,下回1/3风量);Ⅲ级手术区上部送风,全部采用下回风。通过气流合理组织,达到各手术区气流互相少干扰,使整个通仓交融手术室环境受控,各手术区风量平衡、压力可控,手术区风量平衡计算、风口数量参数如表2,3所示。

　　 根据以上阐述及分析,通仓交融手术室净化空调系统采用温湿度独立控制 ^[2](见图4,由于手术室对称,只给出一半),其特点是:洁净手术部内各手术区新风处理后状态点相同且恒定,各手术区循环空调系统自成独立系统,且各手术区可以灵活使用。

　　 洁净手术室新风集中设置有利于满足各手术室的正压要求,保证各手术室的压力梯度。循环空调系统保证手术室的洁净度,避免空气交叉感染。排风采用独立系统,与手术室自动门连锁,当手术室门关闭时排风系统自动开启,使手术室始终处于正压受控状态,各手术区可以灵活使用。由于新风空调系统承担手术室内全部湿负荷,新风空调箱冷却盘管的冷却除湿能力增加,要求进新风空调箱表冷器的冷水温度降低。当表冷器冷水进水温度达不到要求时,可采用直接蒸发冷却器进行二级冷却处理。新风空调箱湿工况运行,循环空调箱在干工况状态下工作,并且新风空调系统控制室内相对湿度,循环空调系统控制手术室温度,保证手术室在设定的温湿度范围内运行,特别是手术室相对湿度必须被控制在小于60%。

　　 GB 50333—2013《医院洁净手术部建筑技术规范》第8.2.1条规定:“Ⅰ级～Ⅲ级洁净手术室内集中布置于手术台上方的非诱导型送风装置,应使包括手术台的一定区域即手术区处于洁净气流形成的主流区内。” ^[3]由Ⅰ级～Ⅲ级洁净手术室集中送风装置面积可知,不同级别的送风天花面积长度是固定的,不同的是宽度,见图5。

　　 图5为解决Ⅰ/Ⅲ级手术区的转换提供了新思路,将手术区集中送风装置分成3个送风箱体,可解决Ⅰ/Ⅲ级转换难题。将Ⅰ级手术区送风装置(2 600 mm×2 400 mm)分成3个箱体,即中心箱体1个(2 600 mm×1 400 mm),在长边两侧各增加1个箱体(2 600 mm×500 mm),见图6。将3个箱体组合使用即可达到Ⅰ/Ⅲ级手术区转换。当使用中心箱体时为Ⅲ级手术区,当中心箱体和两侧箱体同时使用时为Ⅰ级手术区。

　　 以Ⅰ级手术区为例进行分析,送风为中心箱体和两侧箱体,送风总箱体尺寸为2 600 mm×2 400 mm,送风量为9 000 m³/h,箱体面积为6.24 m²,截面风速为0.4 m/s,送风管分为6路分支管,分上下两侧分别送入3个箱体。每路送风管上安装定风量阀,并固定设计风量,保证整个送风装置截面风速均匀。每个支管阀门设双位控制,实施送风状态与关闭状态的切换。为维持各分支管路风量平衡,必须选择压力无关型定风量装置,才能随过滤器积尘使阻力增加等而改变风量,长期维持送风装置截面风速的恒定。同样Ⅲ级手术区送风时,开启中心箱体,送风量为3 000 m³/h,箱体面积为3.64 m²,截面风速为0.22 m/s。关闭两侧箱体的定风量阀,实现低级别运行,大大减少了送风量,可以降低运行费用与能耗。具体变级别方式见表4。

　　 通仓交融手术室Ⅰ级手术区送风量为9 000 m³/h,Ⅲ级手术区送风量为3 000 m³/h,送风量比为3∶1 ^[4]。根据风量与风压的关系(L₁/L₂=(H₁/H₂)^1/2,其中L₁,L₂为2台风机风量,m³/h;H₁,H₂为相应风量下的风机风压,Pa)计算,当循环空调箱送风量为9 000 m³/h,机外余压为600 Pa时满足Ⅰ级手术区洁净度要求,当转换Ⅲ级手术区时,风量需减少到原送风量的1/3,机外余压降至66 Pa左右,显然不能满足克服风系统阻力的要求。按风量-风压性能曲线,当空调系统完成后,管网性能曲线固定,而风机性能曲线随风量改变而改变。笔者将Ⅰ级手术区9 000 m³/h的送风机,设计成2台4 500 m³/h的相同性能曲线的风机,当运行Ⅰ级手术时,开2台风机,而运行Ⅲ级手术时,开1台风机,这样当送风机送风量由4 500 m³/h变为3 000 m³/h时,机外余压600 Pa降为400 Pa。按管网特性方程式计算,由于Ⅰ/Ⅲ级手术区合用1套管路,阻抗确定,风量减少使系统阻力减少55%,循环风机产生的风压完全能克服风系统阻力。

　　 1台风机单独工作时的风量大于2台并联工作时每台风机的风量,即2台风机并联工作时的风量不可能比单台风机工作时的风量成倍增加(L₁+L₂<2L₁)。因此在选择风机时,应考虑相同型号风机在并联运行时,均处在风量高效率工作点且风量略大于单台风机风量的工况,不宜成倍增大。

　　 通仓交融手术室上下回风,采用在回风风管上安装电动双位定风量阀方案。当Ⅰ级手术区模式运行时,开启上部回风定风量阀(5 333 m³/h)和下部回风定风量阀(2 666 m³/h);Ⅲ级手术区模式运行时,则关闭上部回风定风量阀,打开下部回风定风量阀(2 000 m³/h)。上下回风定风量阀采用直接数字控制器(DDC)控制,并在手术区内显示控制屏上进行操作,手术区变级别回风量转换控制情况见表5。

　　 按照原通仓交融手术室尺寸建立CFD模型(见图7,由于实验室对称,只建立一半模型),模拟手术室采用上部回风的气流组织,结果如图8所示。由图8可知:1) 手术灯对气流的影响较大,导致手术灯下方出现涡旋,非手术灯下方,流线基本保持直线;2) 在污物通道处设置下部回风口,导致手术室洁净通道侧出现较大涡旋,但此涡旋并未影响手术关键区;3) 上部回风口回风量大,能够在各个手术区之间形成气流方向向上的“空气幕”。

　　 我国胸外科微创手术医疗水平已不亚于国外,通仓交融手术室能在很大程度上提高手术室运营效率,最大程度降低运行成本。对于我国大型专科医院手术室来说,是一个“减量增效”的新思路。通仓交融手术室可减少医护人员及资深护士总数量约25%,高级麻醉师约37.5%,人力成本降低9.38%,手术量可提高25%以上,经济效益增加显著。

　　 通舱交融手术室空调系统有四大特点:各手术区温湿度独立控制;Ⅰ/Ⅲ级洁净等级可转换;上回风和下回风形式有机组合;Ⅰ级洁净手术区运行时,送风气流在2个手术区之间形成“空气幕”。通仓交融手术室洁净级别(Ⅰ级与Ⅲ级)可转换,使得在切除不良结节的手术过程中,调正手术方案、扩大手术视野而转换洁净度成为可能。

　　 目前通仓交融手术室的设计已完成,初步计算机模拟结果是可行的,后续会搭建实体模型,验证气流组织的合理性。通仓交融手术室在国内医院建设标准或规范中尚未涉及,该设计需要不断努力从控制思路、设计计算、实体模型、数值模拟等方面,在具体工程中验证后实施。