呼吸病房中通风驱动的生物气溶胶扩散与表面沉积现象：对医护人员防护及针对性消毒工作的启示

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Ventilation-Driven Bioaerosol Dispersion and Surface Deposition in Respiratory Wards: Implications for Healthcare Worker Protection and Targeted Disinfection

　　刘凡|余淑华|任燕京|贾琴|李西安|张长勇|孙灿娟
上海科技大学环境与建筑学院，上海，中国

**摘要**
呼吸系统感染病房是高风险环境，呼出的生物气溶胶对医护人员（HCWs）存在空气传播和接触传播的风险。尽管通风被广泛认为是重要的控制策略，但其表面沉积模式仍了解不足。本研究结合数值模拟和全尺寸实验，研究了标准双人呼吸病房中患者呼出生物气溶胶的时空分布和表面沉积情况。评估了两种典型的气流模式（病房1为侧供气/上回风，病房2为侧供气/侧回风）在不同每小时换气次数（ACHs）下的情况。结果显示，排气口位置是影响生物气溶胶传输和沉积的主要因素，而ACH主要影响稀释程度，但并不根本改变沉积模式。侧供气/上回风模式使气溶胶沿主流方向向病房门传播，导致窗户和脚踏板等远处和难以消毒的表面沉积更多。相比之下，排气口位于患者头部附近的侧供气/侧回风模式形成了有效的近源捕获流场，将污染物限制在更接近源头的地方，并使沉积转移到患者背后的墙壁等近端表面。这种优化布局显著减少了污染物向医护人员活动区域的扩散。此外，仅增加ACH并不能持续改善沉积控制效果，经综合考虑暴露减少和能源效率后，6小时/次被认为是更平衡的通风速率。这些发现为优化病房通风和针对性的表面消毒策略提供了定量证据，以提高临床安全性和降低医院内传播风险。

**引言**
呼吸系统病原体在医疗环境中是一个普遍且持续的威胁。当患有呼吸道传染病的患者呼吸、咳嗽或说话时，会释放大量含病原体的颗粒到周围空气中[1,2]。这些生物气溶胶可以长时间悬浮并在空气中传播，使易感人群的呼吸区域成为无形 infection 源[3]。治疗呼吸道感染患者的医院病房需要成为安全且控制良好的环境。在这些临床空间中，患者的生物气溶胶对医护人员（HCWs）构成了重大的感染风险[4]。在COVID-19大流行期间，医疗环境中的感染显著增加。例如，在英国和美国进行的一项前瞻性队列研究发现，经过统计调整后，一线医护人员的COVID-19阳性检测风险仍比普通人群高约3.4倍[5]。2020年上半年，澳大利亚医护人员的确诊病例占全国总数的6%以上[6]。在英国的一家医院，医护人员抗体检测阳性率达到31.6%[7]。国际护士理事会也报告称，全球有超过9万名医护人员因职业暴露而感染了COVID-19[8]。这些事实强调了保护医护人员和减轻医院内感染传播的重要性，以改善患者预后并保持医疗系统的韧性，特别是在公共卫生准备方面。

大多数传染性呼吸道疾病通过多种途径传播，包括大型飞沫传播、空气传播以及通过频繁接触的表面直接或间接接触[9]。主要传播途径受感染个体的呼出强度和环境条件（特别是室内通风）的影响[10][11][12][13]。例如，咳嗽或打喷嚏产生的大型飞沫主要负责短距离飞沫传播或沉积在表面上，导致二次接触传播[14,15]。相比之下，呼吸或说话产生的小尺寸气溶胶可以长时间悬浮，促进远距离空气传播[16,17]。此外，通风气流模式和空气交换率是直接影响传染性气溶胶扩散、稀释和清除效率的重要环境因素[18][19][20]。先前的研究已考察了不同的临床通风策略，例如刘等人[21]研究了三种混合通风模式，发现从供应入口到源头再到排气口的方向气流大大提高了生物气溶胶的清除效率。陆等人[22]报告称，双层通风（回风出口位于墙壁底部）更有利于清除气溶胶并保护医护人员。Satheesan等人[23]研究了每小时换气次数（ACH）在3至13次/小时之间的影响以及排气流量比，发现每小时13次、局部排气格栅在50%供应流量下的情况下，呼吸区域的病原体浓度最低。李等人[24]评估了负压隔离病房中不同ACH下的空气帘通风效果，发现将ACH从8次/小时增加到16次/小时可将生物气溶胶浓度降低68%，感染概率降低95%，但超过12次/小时的ACH几乎没有进一步改善。然而，尽管现有研究已详细描述了空气传播生物气溶胶的分布和吸入暴露风险[25][26][27]，但生物气溶胶在表面沉积的方式尚未完全量化。值得注意的是，较大的呼吸飞沫（>100 μm）最终会沉积在表面，形成污染物库，使传播方式从直接空气吸入转变为间接接触[28]。表面污染被认为是医院内传播的一个因素[29]，然而，医院环境中生物气溶胶的沉积和空间分布尚未得到充分研究，限制了基于证据的针对性表面消毒策略的发展。

呼吸系统感染病房是病原体传播的高风险区域。肺炎支原体、呼吸道合胞病毒和流感是呼吸道感染患者中常见的病原体[30]。然而，在这种特定的医疗环境中，多重耐药革兰氏阴性细菌（如肺炎克雷伯菌和鲍曼不动杆菌[31]）带来了更大的挑战。有效减少这些多样病原体的传播风险需要采取双重策略，即通过有效通风稀释和清除空气中的污染物来保护医护人员免受职业暴露，并实施严格和有根据的表面消毒协议。在中国，医疗环境中的环境卫生受到一系列标准的规范。例如，WS/T 512-2016[32]要求“高接触表面必须每天至少清洁和消毒两次”，但没有包括应对病原体水平实时变化的灵活机制。同样，WS/T 367-2012[33]描述了消毒技术，但没有针对不同气溶胶沉积模式的场所特定或病原体靶向协议。此外，GB 15982-2012[34]将消毒后的接受阈值为≤10 CFU/cm2，但没有包括在常规检查之间的主动监测或控制策略。因此，为了克服当前静态标准的局限性，迫切需要通过实时监测或模拟识别高风险污染区域，以实现动态和基于证据的消毒响应。

关于室内气流和生物气溶胶传输的研究通常依赖于实验和数值模拟。实验已在隔离病房[35]、手术室[36]、走廊[37]以及缩比模型[38]等实际空间中进行。获得的数据也可用于验证计算流体动力学（CFD）模型，确保其准确反映现实世界条件。经过验证的CFD模拟可以提供临床空间中气流动力学和颗粒传输的详细可视化和定量分析[39][40][41]。此外，结合微生物方法（如受控生物气溶胶排放和环境采样）不仅显著提高了CFD模型的预测准确性，还纳入了关键生物变量。包括颗粒大小分布和微生物存活率在内的变量对于生物气溶胶在真实临床环境中的沉积动态至关重要[42,43]。

本研究使用数值模拟和现场生物气溶胶实验，研究了中国某社区医院呼吸系统感染病房中患者呼出生物气溶胶的时空分布和沉积特征。选择枯草芽孢杆菌（B. subtilis）作为现场实验中的示踪病原体，以获得生物气溶胶的传输动态；由于实验时间较短，未明确量化衰减动力学。经过验证的数值模型研究了病房现有的通风气流模式，并将其与中国现行国家标准推荐的气流模式[44]在不同ACHs下的效果进行了比较。研究结果预计将为优化病房通风设计和实施有针对性的、基于风险的消毒协议提供依据，从而增强对医护人员的保护并降低呼吸护理环境中的医院内传播风险。

**部分摘录**
**物理模型和网格**
数值模拟的物理模型是在ANSYS Space Claim（ANSYS Inc., USA）中建立的，复制了中国上海某社区医院呼吸系统感染科双人住院病房的几何形状。该病房（命名为病房1）的尺寸为5.25米（X）× 2.88米（Y）× 3.5米（Z），包括一个患者护理区和一个卫生设施，其中浴室（1.9米× 2.37米× 2米）被排除在流体域之外。

**生物气溶胶的制备和生成**
在本研究中，选择枯草芽孢杆菌（B. subtilis）菌株CMCC(B) 63501作为生物气溶胶实验的示踪微生物。作为一种典型的革兰氏阳性细菌，B. subtilis在生物气溶胶传输研究中被广泛使用[55]。生物气溶胶的制备、生成和采样实验程序如图5所示。首先，向含有1.0-2.0 × 10^6 CFU/mL浓度的B. subtilis孢子的培养基中加入2毫升复苏液。

**数值模型验证**
生物气溶胶浓度是室内感染风险和通风性能的重要指标。为了为后续案例模拟建立可靠的基础，首先在真实患者病房进行了实验测量以验证数值模型。气溶胶浓度使用以下公式计算：
C = N × 1000 × T × Q
其中C是气溶胶浓度（CFU/m3），N是在采样点收集的生物气溶胶菌落数量，T是时间（分钟）。

**结论**
本研究使用CFD模拟和生物气溶胶实验，研究了双人呼吸系统感染病房中呼出生物气溶胶的扩散、沉积和暴露动态。评估了两种气流模式（侧供气/上回风和侧供气/侧回风）在不同ACH下的效果。研究表明，气流模式在生物气溶胶空间分布和医护人员暴露风险方面起着主导作用。上回风模式使气溶胶向病房门方向扩散。

**局限性和展望**
本研究存在一些需要进一步研究的局限性。首先，采用2.5米/秒的讲话呼出速度作为呼吸道感染患者的代表值。然而，呼出速度会随着患者的呼吸模式、活动水平和健康状况而变化，这可能影响生物气溶胶的扩散和沉积。其次，分析集中在生物气溶胶沉积和气流分布上，而没有考虑可能干扰医护人员移动的因素。

**作者贡献声明**
刘凡：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学、资金获取、概念化。
余淑华：撰写——初稿、正式分析、数据管理。
任燕京：撰写——初稿、软件使用、正式分析。
贾琴：验证、项目管理、数据管理。
李西安：方法学、数据管理、概念化。
张长勇：验证、资源获取、方法学。
孙灿娟：监督、项目管理、资金获取。