Энергоэффективные решения в практике проектирования операционных: опыт Нидерландов

A. Zarzycka , Royal HaskoningDHV, Политехнический университет Эйндховена, Нидерланды

W. Maassen, Royal HaskoningDHV, Политехнический университет Эйндховена, Нидерланды

W. Zeiler, Политехнический университет Эйндховена, Нидерланды

Общемировая статистика показывает, что около 6 % общего энергопотребления зданий приходится на здания медицинского назначения. Вопрос снижения энергопотребления и выбросов СО₂ в атмосферу актуален для всех зданий, в том числе и для зданий сферы здравоохранения. Согласно Директиве ЕС по энергоэффективности [1] все здания, в том числе и медицинские центры, со временем должны соответствовать требованиям околонулевого энергопотребления (nZEB). Наибольший потенциал энергосбережения в госпиталях и больницах Нидерландов оказался у помещений операционных залов и боксов (боксированные палаты, изоляторы) [2]. Наибольшая доля в энергопотреблении операционных залов приходится на систему вентиляции. Энергопотребление системы вентиляции напрямую зависит от расхода воздуха и времени затрачиваемого на проведение операции.

Методология

При оценке потенциала снижения энергопотребления операционных залов мы используем подход, при котором центральным и ключевым вопросом является необходимость обеспечения безопасности и здоровья пациента. Самые важные факторы в профилактике распространения инфекций разделены на четыре группы, так называемые четыре «П»: Персонал, Патогены, врачебная Практика и Помещение.

Общепринятый подход при проектировании энергоэффективных зданий в Нидерландах – это трехступенчатая стратегия Trias Energetica [3]. По мере роста требований к энергоэффективности и развитию технических решений этот подход трансформируется в стратегию «Пять шагов» (рис. 1). К стратегии Trias Energetica добавляется два пункта: оценка модели поведения и потребностей пользователя помещения и внедрение системы аккумуляции и перераспределения тепловой энергии.

Рис. 1. Стратегии энергоэффективного проектирования Trias Energetica и метод «Пять шагов»

Фокус на модели поведения пользователя помещения позволяет правильно оценить его потребности, подобрать оптимальные параметры микроклимата и качества воздуха, по возможности снизить расход энергии на поддержание выбранных параметров. В статье рассматривается этот подход при поиске решений, снижающих энергопотребление операционных. Мы рассмотрим: какие параметры микроклимата создают безопасную для пациента среду в операционной и препятствуют распространению бактерий, чтобы оценить насколько оправдан нормируемый для операционных расход воздуха; какие решения для организации вентиляции могут применяться в операционных и за счет чего возможно снижение энергопотребления системы вентиляции.

Патогены

В европейских медицинских учреждениях, согласно статистике, от инфекций области хирургического вмешательства (инфекции, которые развиваются в течение 30 дней после хирургического вмешательства или в течение года после установки протеза) страдают 1,12 % пациентов [4]. При проведении операций бактерии могут попадать в рану через воздух, плохо продезинфицированные медицинские инструменты или из собственной микрофлоры пациента. Наибольшую опасность для раны пациента представляют бактерии, содержащиеся на коже медицинского персонала [5]. При ходьбе за одну минуту с человека в воздух «падает» около 10 000 частиц кожи. Около 10 % этих частиц содержат болезнетворные бактерии [6]. Средний размер частиц кожи, переносящих бактерии, составляет 12 мкм (от 4 до 60 мкм). Инфицирование раны пациента в 30 % случаев происходит вследствие прямого попадания частиц кожи на рану и в 70 % случаев после попадания частиц на инструменты и руки хирурга с последующим переносом на рану [7].

На распространение инфекций в воздухе операционной влияют несколько факторов: относительная влажность воздуха, температура, подвижность воздуха и интенсивность движения частиц. Исследования показывают, что поддержание уровня относительной влажности на уровне 40–60 % снижает риск инфицирования раны [8, 9]. Это связано с тем, что при данных значениях относительной влажности частицы находятся во взвешенном состоянии в воздухе меньше времени, слизистые поверхности не пересыхают, снижаются жизненный период бактерий и вирусов, риск аккумуляции электростатических зарядов [10, 11].

Однако среди профессионалов существует и альтернативное мнение, что важность уровня относительной влажности воздуха переоценена и этому вопросу не стоит уделять много внимания.

Персонал

Основной фокус при проектировании микроклимата операционных – это профилактика инфекций. При этом тепловой комфорт медицинского персонала, как правило, игнорируется. Исследования теплового комфорта медицинского персонала [12] показали, что при стандартных для операционных параметрах микроклимата хирургам, как правило, слишком жарко, анестезиологи, медсестры и пациенты мерзнут, и только ассистент хирурга ощущает тепловой комфорт [13].

Исследования [11] показали, что минимально требуемая температура для пациента составляет 21 °C. При этом при температуре выше 23 °C медицинскому персоналу слишком жарко. Во время операции температура тела пациента снижается из-за открытых тканей в области хирургического вмешательства, низкой температуры вдыхаемого газа при общей анестезии, сниженной мышечной активности. Даже незначительная гипотермия во время операции может привести к осложнениям и снижает сопротивление организма к хирургическим инфекциям [14]. Исследования Меллинга [15] показали, что при обогреве тела пациента во время операции риск развития инфекций области хирургического вмешательства снижается на 36 %.

Врачебная Практика

При проведении операций под общим наркозом иммунитет пациента снижается. Если во время операции происходит прямой контакт пациента и медицинского персонала, то небрежность в дезинфекции инструментов и рук персонала значительно увеличивает риск развития инфекций области хирургического вмешательства.

К факторам, влияющим на риск развития инфекций области хирургического вмешательства, относятся:

- недостаточная дезинфекция рук и предплечий медицинского персонала;

- недостаточная и несвоевременная санитарная обработка и дезинфекция помещения;

- недостаточная стерилизация медицинского инструмента;

- недопустимое загрязнение помещения операционного зала;

- несоответствующая условиям одежда персонала;

- неудовлетворительная дезинфекция кожи пациента в районе вмешательства;

- неудовлетворительное бритье кожи пациента в районе вмешательства;

- плохая хирургическая техника: чрезмерная кровопотеря, переохлаждение, травма тканей, отмирание тканей и др.;

- чрезмерная продолжительность операций.

В табл. 1 дана количественная оценка влияния различных факторов на риск развития инфекций области хирургического вмешательства. Следует отметить, что количественная оценка значительно расходится в различных исследованиях, поскольку дать точную оценку весьма затруднительно.

Таблица 1 Факторы, влияющие на риск инфицирования

Фактор Влияние на риск инфицирования, % Гигиена рук 13–54 Правильное использование антибиотиков 26–92 Переохлаждение пациента 36 Предоперационная обработка хлоргексидином 24,40 Вид хирургического вмешательства До 83,7 Состояние здоровья пациента До 86,4

Помещение

По уровню стерильности и оснащенности оборудованием операционные делятся на пригодные и непригодные для проведения особо опасных операций.

Вентиляционная система в операционной должна обеспечивать требуемое качество и уровень стерильности воздуха.

Как правило, в операционных применяются два типа систем вентиляции и распределения воздуха, представленных на рис. 2: смесительная TMA (turbulent mixed airflow – неоднонаправленный поток воздуха) и вытесняющая/поршневая UDF (unidirectional flow – однонаправленный поток воздуха).

Рисунок 2. Модель воздухораспределения при неоднонаправленном TMA (слева) и однонаправленном UDF (справа) потоке воздуха.

При смесительной вентиляции/неоднонаправленном потоке очищенный через HEPA-фильтры приточный воздух раздается с относительно высокой скоростью через потолочные диффузоры. Реализуется принцип перемешивания и разбавления – снижения концентраций воздушно-капельных микробов с течением времени [19]. Раздача воздуха осуществляется как в сторону операционного стола, так и к периметру помещения. В зависимости от размеров помещения, требований к температуре воздуха направление потока может адаптироваться к текущим условиям использования операционной.

При однонаправленном потоке очищенный через HEPA-фильтры приточный воздух раздается с постоянной скоростью около 0,4 м/с и примерно параллельными линиями тока по всему поперечному сечению чистой зоны над операционным столом. Такой способ подачи воздуха создает подобие защитной воздушной завесы в зоне проведения операции.

На базе этих способов раздачи воздуха в последние годы разрабатываются новые системы, например Halton Vita OT Space, представленная на рынке в 2015 году.

Система Optimus Integrated Surgical Environment, реализованная на принципе однонаправленного потока, является комплексным решением для операционных залов и объединяет в себе систему вентиляции, систему освещения, видеонаблюдения за ходом операции, сенсоры, микрофоны и специальные хирургические видеокамеры. Кратность воздухообмена [21] составляет 30 час^-1.

Система Opragon (рис. 3) реализована на принципе ламинарного потока с контролем температуры приточного воздуха (Temperature controlled Laminar Airflow – TAF) – по сути, это модификация принципа однонаправленного потока UDF. Слабо охлажденный (от −1,5 до −3 °C) относительно температуры в рабочей зоне воздух, прошедший через HEPA-фильтр, с малой скоростью раздается через полусферические воздухораспределители, смонтированные на потолке над операционным столом (Т1). Такое решение позволяет обеспечить зону стерильного воздушного потока над операционным столом, с подвижностью около 0,25 м/с. Дополнительные восемь полусферических воздухораспределителей смонтированы по периметру потолка (Т2). Раздача воздуха по периметру позволяет избежать образования застойных воздушных зон в помещении и при необходимости регулировать температуру воздуха в помещении.

Сравнение систем Vita IT Space, Optimus и Opragon приведено в табл. 2.

Рисунок 3. Система Opragon, работающая по принципу ламинарного потока с контролем температуры приточного воздуха TAF (источник: https://www.avidicare.com).

Таблица 2 Сравнение различных систем воздухораспределения [19]

Показатель Неодно- направленный поток TMA Однона- правленный поток UDF Ламинарный поток с контролем температуры TAF ISO класс стерильности над операционным столом 7 5 5 ISO класс стерильности по периметру операционной 7 7 7 Защитная зона (стерильная завеса воздуха) над столом Нет Да Да Время достижения стерильности над столом < 3 мин Нет Да Да Тип потока воздуха Неодно- направленный Одно- направленный Одно- направленный Возможность проведения особо опасных операций Нет Да Да Средний расход приточного воздуха, м3/час 3200 12 000 5600 Рециркуляция воздуха, % 0 70 45 Уровень звукового давления в пустом помещении, дБ(А) 45 58 48 Мощность вентилятора, кВт 2,8 8,0 5,7 CFU/m³ – среднее количество жизнеспособных микроорганизмов на м3 (диапазон) 10 (0–162) 0 (0–16) 1 (0–29)

Выводы

Традиционный подход в проектировании системы вентиляции для операционных основан на использовании типовых параметров (исходных данных), хотя на практике эти параметры сильно разнятся и зависят от многих факторов. Такие факторы, как гигиена рук, количество частиц кожи, спадающей с персонала, тип одежды персонала, вид хирургического вмешательства, опыт команды, интенсивность перемещения персонала в помещении при проведении операций, не могут быть описаны единым универсальным значением. Параметры микроклимата помещения также влияют на риск инфицирования области хирургического вмешательства. Для того чтобы корректно и эффективно спроектировать систему вентиляции, необходимо правильно оценить описанные выше факторы и их влияние на возможность перемещения бактерий в помещении, риск попадания бактерий в рану. Моделирование таких процессов является сложной задачей и доступно не в каждом проекте, однако есть несколько универсальных способов снизить энергопотребление системы вентиляции операционных залов:

- контроль расхода приточного воздуха по датчику концентрации частиц в зоне операционного стола;

- возможность изменения температуры приточного воздуха;

- отключение системы вентиляции в нерабочее время;

- оптимизация графика использования операционных;

- отказ от увлажнения воздуха;

- увеличение доли рециркуляционного воздуха.

Установка датчика концентрации частиц в зоне операционного стола позволяет в реальном времени оценивать количество взвешенных в воздухе частиц. Несмотря на отсутствие точной статистики по взаимосвязи количества взвешенных в воздухе частиц и риска возникновения инфекций области хирургического вмешательства, очевидно, что бактерия может попасть в открытую рану именно на одной из таких частиц. Таким образом, снижая количество взвешенных частиц в области операционного стола, мы снижаем риск инфицирования. Такой подход позволяет гибко менять расход воздуха по фактической потребности и экономить энергию.

Второй подход – это изменение температуры воздуха в помещении в зависимости от температуры наружного воздуха. Поскольку тепловые ощущения человека адаптируются к сезону, температура в помещении операционного зала может изменяться для разных периодов года, что позволит экономить энергию на подготовку приточного воздуха. При этом разность температур приточного и вытяжного воздуха, необходимая для обеспечения правильного потока, может оставаться постоянной, но уставки по абсолютной температуре воздуха в помещении могут меняться в зависимости от фактической температуры наружного воздуха.

Возможность отключения системы вентиляции операционных в нерабочее время детально изучена в работе Деттенкофера[23]. Автор пришел к выводу, что отключение системы вентиляции в нерабочее время не приводит к критическому росту количества взвешенных в воздухе частиц, бактерий и микробов. Запуск системы за 30 мин до проведения операции позволяет обеспечить достаточную стерильность воздуха при проведении операции.

Оптимизация графика использования операционных подразумевает необходимость управленческих решений: не все операции требуют наивысшего уровня стерильности и качества воздуха. Составление графика операций, согласно их классу по опасности и риску инфицирования, позволит делать разные уставки по качеству воздуха в помещении и снижать энергопотребление.

Отказ от увлажнения приточного воздуха и использование рециркуляции активно применяются в США в последние годы. Такой подход доказал свою энергоэффективность.

Необходимость обеспечить безопасный микроклимат и качество воздуха является первостепенной задачей при проектировании систем вентиляции операционных залов. Обзор доступной литературы показывает, что существует большой потенциал энергосбережения в операционных, а разработка решений по снижению энергопотребления операционных залов должна начинаться с оценки потребностей пациента в качестве воздуха/микроклимата и анализа возможных путей распространения бактерий в помещении.

Литература

1. EU «Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings (recast)» and Directive (Eu) 2018/844 Of the European Parliament and of the Council of 30 May 2018 amending Directive 2010/31/ EU on the energy performance of buildings and Directive 2012/27/EU on energy efficiency.
2. Schoenmakers I. Increasing HVAC energy performance in University Medical Centres by optimizing energy efficiency indicators. 2014. Р. 78.
3. Entrop A. G., H. Brouwers H. J. Assessing the sustainability of buildings using a framework of triad approaches // J. Build. Apprais. 2010.
4. European Centre for Disease Prevention and Control. Point Preval. Surv. Healthc. Assoc. Infect. Antimicrob. use Eur. acute care Hosp. 2013. Vol. 2013 SRC/
5. Ritter M. A. Operating room environment // Clin. Orthopaed. Relat. Res. 1999.
6. Noble W. C. Dispersal of skin microorganisms // Brit. J. Dermatol. 1975.
7. Chauveaux D. Preventing surgical-site infections: Measures other than antibiotics // Orthopaed. Traumatol. Surg. Res. 2015.
8. Radiology H. O. W., Find H. T. O., Diseases F. L. Breathe Easy 2016.
9. Harper G. J. Airborne micro-organisms: survival tests with four viruses // Epidemiol. Infect. 1961. Vol. 59. No. 4. P. 479–486.
10. Arundel A. V., Sterling E. M., Biggin J. H., Sterling T. D. Indirect health effects of relative humidity in indoor environments // Env. Heal. Perspect. 1986.
11. Khodakarami. J., Nasrollahi N. Thermal comfort in hospitals – A literature review // Renewab. Sustainab. Energ. Rev. 2012.
12. Jacobs I. Thermal comfort of surgical staff in operating rooms with different types of ventilation systems. 2018. July
13. Van Gaever R., Jacobs V. A., Diltoer M., Peeters L., Vanlanduit S. Thermal comfort of the surgical staff in the operating room // Build. Environ. 2014. Vol. 81. P. 37–41.
14. Sessler D. I. Mild perioperative hypothermia // N. Engl. J. Med. 1997. Vol. 336. No. 24. P. 1730–1737/
15. Melling A. C., Ali B., Scott E. M., D. J. Leaper. Effects of preoperative warming on the incidence of wound infection after clean surgery: A randomised controlled trial. // Lancet. 2001.
16. Alfonso-Sanchez J. L., Martinez I. M., Marthn-Moreno J. M.  et al. Analyzing the risk factors influencing surgical site infections: the site of environmental factors // Can. J. Surg. 2017.
17. Cruse P. J. E., R. Foord. A Five-Year Prospective Study of 23,649 Surgical Wounds // Arch. Surg. 1973.
18. Friberg B., Friberg S., Burman L. G. Inconsistent correlation between aerobic bacterial surface and air counts in operating rooms with ultra clean laminar air flows: Proposal of a new bacteriological standard for surface contamination // J. Hosp. Infect. 1999. Vol. 42. No. 4. P. 287–293/
19. Alsved M.et al. Temperature-controlled airflow ventilation in operating rooms compared with laminar airflow and turbulent mixed airflow // J. Hosp. Infect. 2017. Vol. 98.
20. Halton [Online]. Available: https://www.halton.com/nl_NL/health/home.
21. Optimus Integrated Surgical Environment. Integrated Air Plenum [Online]. Available: www.optimusise.com/components/integrated-air-plenum/.
22. Airsonnet. Opragon brochure. 2009.
23. Dettenkofer M. et al. Shutting down operating theater ventilation when the theater is not in use: infection control and environmental aspects //Infect. Control. Hosp. Epidemiol. 2003.