通过在手术室中使用保护窗帘，降低冠状病毒大流行期间病毒污染的风险

背景

空气传播疾病可以通过打喷嚏、咳嗽和呼吸进行长距离和短距离传播。这些在空气中储存的颗粒可以转化为气溶胶颗粒并随气流移动。在2019冠状病毒病(COVID-19)大流行期间，许多手术都被推迟，这增加了在手术室为患者和手术团队建立清洁环境的需求。

方法

本研究旨在探讨在手术室的手术微环境中实施防护帷幕以减少传染性污染传播的假设。在这方面，评估了患者通过空气传播疾病的传播情况，从而评估了手术团队的暴露水平。在本研究的第一部分中，在挪威一个学术医疗中心的手术室中建立了一个模拟手术实验。第二部分采用计算流体动力学技术对传染病的空气传播进行了研究。并通过现场实测对数值模型进行了验证，保证了应用数值模型的准确性。

结果

结果表明，空气传播的病原体可达到外科医生的呼吸区。然而，使用保护帘将患者头部和下半身之间的微环境分开，导致病毒传播到外科医生呼吸区的速度减少了75%。实验结果表明，在使用高强度LED手术灯时，伤口区域的表面温度为40˚C，约为20˚C。因此，温度升高会增加患者的热损伤风险。

结论

使用保护窗帘的新方法可以增加手术团队在手术室对COVID-19患者进行手术时的安全性。

空气传播疾病可通过人体呼吸系统释放的飞沫传播。这些飞沫在说话、呼吸、打喷嚏和咳嗽时转移[1，2］．由于蒸发，这些水滴可以有不同的大小分布[3.］．此外，这些空气中的颗粒可能会受到传染病病原体的污染，包括结核病、sars冠状病毒和麻疹[4，5，6］．这些经空气传播的传染病具有高度传染性，除了可由受污染的人通过直接接触传播外，还可短距离和长距离传播[7，8］．

在2019年冠状病毒病(COVID-19)爆发期间，大多数手术都被推迟到2020年春季[9];因此，手术患者接受延迟治疗[10］．另一方面，这些延误导致患者在进行手术治疗之前遭受更长的时间。大流行给手术室的绩效带来了新的挑战。因此，手术室的清洁环境不仅对病人的安全很重要。还考虑了对医护人员的保护，以避免手术团队受到COVID-19患者的感染。

越来越多的研究表明，空气传播是新冠病毒在人群中传播的主要方式[6，11，12］．这些研究表明，SARS-CoV-2病毒不仅可以通过打喷嚏、咳嗽和说话等产生大气溶胶颗粒的行为在短距离内传播，还可以通过呼吸产生小气溶胶。有研究提出在负压手术室对新冠肺炎患者进行手术。在这方面，SARS-CoV-2病毒通过门窗缝隙穿透相邻房间的传播已得到控制[13，14，15］．希尔等人。[16为保证急诊工作人员在新冠肺炎患者插管过程中的安全，引入了一种名为“冠状幕”的新方法。这个新颖的概念使用了塑料悬垂的作用来制作插管帐篷的墙壁。尽管他们提出的概念在早期阶段取得了成功，但他们缺乏科学数据来评估该系统的有效性。一些研究建议使用个人防护装备[17，18]及气雾剂盒[19来保护手术团队。然而，Yánez Benítez等。[20.]报告称，使用个人防护装备显著降低了卫生工作者的出勤率，超过80%的受访者报告了手术疲劳的增加。因此，有很高的需求提出新的方法来保护卫生保健工作者，而不影响他们的业绩。

以往文献主要提出了在医院病房治疗新冠肺炎患者时的HCW防护方法。相比之下，本研究调查了医疗团队在手术室感染患者手术期间的安全性。在这方面，研究了手术患者通过空气传播COVID-19等传染性疾病的传播情况。提出了一种提高手术团队安全性的新方法。此外，还对不同手术灯的辐射强度对创面温度分布的影响进行了实验和数值计算。

实验研究

手术室实验室

所有实验测量均在挪威科技大学能源与工艺工程系的全尺寸OR实验室完成。实验室面积为8.73 m × 7.05 m × 3.25 m(长×宽×高)，总容积200m^3.．手术室配备了换气速率为20 ACH的混合通风系统，如图所示。1．手术室里有各种医疗设备，包括一台超声波清洗机、两台内窥镜成像仪、一台麻醉机和两个手术吊顶。所有设备的设置都与挪威圣奥拉夫医院的真实手术室相似。清洁送风速率约为4000m^3./h，抽气速率约为4242 m^3./h，导致负压条件为- 5pa。实验室的空气温度为20℃。使用两个LED手术灯;其中第一盏灯是Z 500 M灯(由Meditech(印度)公司制造)，第二盏灯是STARLED3 NX灯(由ACEM医疗公司制造)。手术灯具有热值，其最大亮度下的加热功率见表1．

实验室里有六个热人体模型，包括一名麻醉师护士、一名循环护士、一名擦洗护士、一名病人、一名主治医生和一名助理外科医生。麻醉医师和患者的皮肤表面温度是恒定的，并由温度控制装置调节。他们的皮肤表面温度分别为头部33℃，手臂30℃，胸部31℃，腿部29℃。其他热模型产生恒定的热流，如表所示1．每个人体模型的加热功率按ASHRAE标准设定[21］．

实验设备及设置

使用AirDistSys5000测量湍流强度、风速(精度为0.2 m/s)和温度(精度为0.2℃)分布。总共有66个测点，如图所示。1b.所应用的仪器支持多达8台仪器的同时测量，本研究中使用了其中6台仪器。仪器液位按图中所示位置放置。1B，两个仪器之间的距离为0.1 m，位于地面上方1.2 m的高度。整个测量持续了3分钟，每2秒记录一次数据，结果是90个数据集。所有设备沿手术台上水平移动20cm后，重复测量。采用COLTECH EMT707CTL对所有热源的功率进行了测量。

数值研究

医院和手术室环境是复杂的，进行实验研究以调查气流场和污染物水平可能是困难的、昂贵的和耗时的。

另外，计算流体动力学(CFD)技术在预测气流场和进行高质量参数研究方面功能强大。为此，我们准备了实验室实验的复制模型，首先验证我们的数值模型，然后进行全面的数值建模和数据可视化。

计算流体动力学技术

CFD是流体力学知识的一部分，主要应用于封闭环境中温度和空气颗粒分布、空气运动、不同类型通风系统的影响以及空气污染水平的可视化[22，23，24，25，26，27］．该技术采用数值方法和模型来研究流体流动。由于室内气流和空气颗粒运动的复杂特性，使用CFD模拟已成为预测气流场的常用方法。CFD模拟为案例研究提供了高度准确的结果，因为控制背景因素(如ORs)具有挑战性。应用CFD技术需要以下四个步骤。

几何

在第一步中，生成了实验室的几何形状，包括工作人员和医疗设备的配置(图2)。1a).对远离手术台的不重要设备的几何图形进行了一定程度的简化。

网格生成

CFD技术应用的第二步是将计算几何细分为单元，称为网格。网格分辨率需要有最优值，以节省计算时间和计算资源。网格越细，模拟结果的精度越高。因此，它需要足够精细以提供精确的解决方案。得到的模拟结果与网格分辨率无关是很重要的。本研究完成了网格独立性研究，以确保结果独立于生成的网格。为了保证高质量的CFD结果，本研究使用了800万单元格的网格分辨率。

解决方法

为了计算物理模型中的气流、空气颗粒运动和气体分布，必须定义所需的数值模型、方程和边界条件。它需要建立条件来供应空气扩散器，排气格栅和气体释放。Navier-Stokes方程是大多数CFD模拟中计算流体动量的基本方程。

由于COVID-19大流行期间大量手术被推迟，因此对一名COVID-19患者的SARS-CoV-2病毒传播进行了调查。为了模拟这种传播，SF6气体从患者的嘴和鼻子中释放出来。通过求解气体输运模型和方程，完成了模拟。所有模拟BCPs和COVID -19分散的方程均采用商业CFD代码Fluent 19.2求解。此外，还引入了一种新方法，在患者头部和下半身之间放置一个保护性屏蔽帘，以减缓COVID-19的扩散(图2)。1一个)。

后处理的结果

利用后处理软件对气流场、颗粒和气体分布的CFD模拟结果进行提取和可视化。该软件通过生成速度和速度矢量等高线图、空气污染等高线图和气体弥散等高线图，包括每个研究变量的变化范围，提高了对模拟结果的洞察力。

模型验证

将模拟结果与实验数据进行了比较，以保证应用的CFD代码能够准确地预测OR内的气流行为。在这方面，在手术微环境中的66个测量点验证了温度和速度分布(图2)。1b)。2a比较了两种常见的湍流模型RNG和Realizable k-ε模型，用实验结果预测了速度分布。实验结果与CFD模拟结果的相对误差小于5%。因此，两种湍流模型都能成功预测气流场。

在实验步骤中，由于医疗设备和人体模型产生的热量对气流行为有影响，因此记录了高于手术患者的温度值。对比实验结果与CFD模拟结果的温度分布，如图所示。2b.本比较中最大相对误差为10%(图。2b).因此，CFD模拟可以准确预测气流场和温度分布。

气流的行为

CFD模拟结果表明，手术部位上方的空气温度高于其他区域。手术部位上方1.2 m处最高气温为25℃，地面上方1.3 m处最高气温为23.5℃(图。3.)．而在手术微环境中，空气温度在21℃左右，离创面较远。对测量数据的仔细分析证实了手术微环境中的温度变化。此外，在实验研究过程中，创面表面温度从20℃上升到40℃。

数字4显示病人上方外科微环境中的速度分布和气流行为。

污染分布

在正在进行的手术中，从患者体内释放了SARS-CoV-2病毒，以评估医疗团队的暴露水平。总的来说，数值模拟了三种不同的情景，以调查SARS-CoV-2病毒等空气传染病从患者身上的传播，具体如下:

• 或配备

• • 案例1:高强度LED手术灯，

  • 情况2:LED手术灯强度低，且

  • 案例3:高强度的LED手术灯加上防护帘。

图中显示了所有病例中来自受污染患者的传染性空气颗粒(如SARS-CoV-2)的分布。5，其中SF6示踪气体代表空气传播的感染性颗粒。结果表明，病例1和病例2中，感染颗粒物的质量分数最大，为0.18 × 10³在外科医生的呼吸区，辅助外科医生，位于手术台上(图。5a, b).在案例3中使用保护帘导致0.025 × 10³外科医生呼吸区的粒子质量分数(图;5c).在有和没有防护帘的两种情况下，病毒都没有在擦洗护士和循环护士的呼吸区获得。然而，在所有研究病例中，病毒污染都是在麻醉师护士附近检测到的。

先前的几项研究报告了氙气、卤素和无影手术灯对一些患者伤口区域的烧伤损伤[28，29］．LED手术灯已被公认为卤素灯的最佳替代品。然而，不同强度的LED手术灯对创面热损伤的影响尚不清楚。在目前的研究中，实验结果表明，使用高强度的LED手术灯，创面温度从20℃上升到40℃。这种现象可能是由于LED灯的辐射，从而加热了伤口的表面温度。因此，这种高强度的手术灯有可能将伤口温度提高到100%，并对手术患者造成严重的热损伤。为防止这种对伤口部位的伤害，建议长时间操作时使用低强度的LED灯。最大限度地扩大手术灯与创面之间的距离，可大大减少热辐射，从而降低创面热损伤的风险。

新冠肺炎疫情发生以来，医护人员的安全一直是重中之重。提出了各种战略，以提高医院中卫生生化物的保护水平。希尔等人。[16)提出了一个名为“Corona窗帘”的新概念，该概念实现了塑料窗帘的作用，为COVID-19患者制作插管帐篷。虽然他们提出的概念是成功的，但Corona窗帘是为医院病房设计的。因此，它可能会损害手术室手术团队的表现。在这方面，目前的研究评估了手术团队在手术室中使用位于上下患者身体之间的保护帘时的暴露水平。SF6气体从患者体内释放出来，是COVID-19等通过空气传播的传染病的代表。在没有防护帘的情况下(病例1和病例2)，这种污染到达了外科医生的呼吸区。因此，在COVID-19患者手术期间，手术团队靠近手术台的部分需要良好的防护水平。然而，CFD模拟显示，使用这种防护帘可将外科医生呼吸区域的暴露水平降低75%。由于在麻醉师护士和患者之间使用保护帘可能会影响护士的工作，因此强烈建议使用高保护口罩而不是外科口罩。因此，使用所提出的保护帷幕减少了从患者身上通过空气传播的传染病的传播，提高了外科医生的安全性。

这项研究的目的是在未来任何像COVID-19这样的大流行期间，降低手术团队对空气传染性污染物的暴露水平。在这方面，我们提出了一种新型的防护帷幕，以减少SARS-CoV-2从患者的传播，以保证外科医生的安全。因此，使用所提出的保护方法可以增加外科医生的安全性，而不影响他们的表现。SARS-CoV-2分布结果表明，强烈建议与患者关系密切的麻醉师使用合适的口罩。实验和CFD模拟结果强调了避免使用高强度LED手术灯以防止热损伤的重要性。未来的研究需要确定最佳的光强度、持续时间和距离LED手术灯。

CFD:

计算流体动力学

菌落:

克隆形成单位

COVID-19:

2019冠状病毒病

HCW:

医疗工作者

或者:

手术室

个人防护用品:

个人防护装备

SSI:

手术部位感染

由皇家理工学院提供的开放获取资金。瑞典研究委员会Formas[2017-01088]支持了本研究的财政资助。瑞典国家基础设施为PDC提供了计算(SNIC)的计算源[2018-05973]。

作者及隶属关系

1. KTH皇家理工学院土木与建筑工程系，Brinellvägen 23, 10044，瑞典斯德哥尔摩

   Parastoo Sadeghian和Sasan Sadrizadeh

2. 挪威科技大学能源与过程工程系，挪威特隆赫姆

   毕阳，曹广宇

贡献

PS:写作-原始草案，方法论，验证，概念化。YB:方法论，实验步骤，写作-评论和编辑。GC:写作、评论和编辑。SS:监督，写作，审查和编辑。作者阅读并批准最终的手稿。

相应的作者

对应到Parastoo Sadeghian．

伦理批准并同意参与

不适用。

发表同意书

不适用。

相互竞争的利益

作者声明他们之间没有利益冲突。

出版商的注意

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