用建模的方法預防空氣感染

04-24

醫療相關感染 (HAI, Healthcare-associated infections) 正影響著全球數百萬人。HAI 最常見的原因是和源頭直接接觸，另外空氣中傳播的細菌也可能造成感染。為預防空氣感染，讓醫院的潔凈室更加安全放心，設計出有效的通風系統便是一個重點。有效的通風設計還能降低能耗，節約成本，帶來額外收益。卓越設計的第一步是 CFD 建模。

醫療相關感染是一個全球問題

在全球範圍內，醫療相關感染對於住院患者是一個嚴重的問題，不論在發達國家還是發展中國家都是如此。根據世界衛生組織 (WHO) 的數據，每年有數以億計的患者受到感染。他們進一步指出，在任何特定時間，發達國家的一百名患者中有七名在住院期間至少受到一次感染，在不發達國家則有十名。而且這一數據還不包括那些因空氣感染而住院的患者。何不好好想一下這個問題？

「弗吉尼亞大學醫學中心」由 cvilletomorrow — flickr 提供，在 CC BY 2.0 許可下使用，通過維基共享資源發布。

那麼，為什麼在尋求治療時患者病情會加重？我們又要如何阻止？導致 HAI 的因素多種多樣。最明顯的罪魁禍首大概是和傳染源（人、設備、傢具等）直接接觸。然而，Veryst Engineering 的 Alireza Kermani 在 COMSOL 用戶年會 2015 波士頓站上指出，另一個元兇可能是低效的通風系統。為了證實這一理論，Veryst 轉向了 CFD 軟體。

利用 CFD 軟體評估通風系統設計

Veryst 藉助 COMSOL Multiphysics 模擬平台和 CFD 模塊分析了醫院潔凈室中的氣流模式，調查空氣中的細菌如何傳播到整個房間。

用於評估的潔凈室模型包括人員（患者和醫生）；傢具（床、衣櫃和燈具）；醫療設備；以及一套通風系統（入口和排風口）。已感染的患者正在咳嗽，隨即細菌顆粒就傳播到了房間內。這個模型考慮了強制通風和自然通風，通風率為每小時換氣 (ACH) 六次。這是 ASHRAE standard 170關於醫療保健設備的通風率標準。

院潔凈室的布局。房間的三面牆和地板與外界隔熱。天花板和衣櫃對面的牆與外界換熱。圖像經許可摘自 Veryst 的論文「CFD Modeling for Ventilation System of a Hospital Room「。

Veryst 在模型中加入以下幾種熱源：

醫生和患者的身體 (60 W/m2)
設備 (100 W/m2)
燈具 (200 W/m2)
通風入口 (20°C)
外界溫度 (5°C)

他們發現，潔凈室的平均溫度為 21°C。以下為他們的模擬結果，描述房間內的氣流和溫度分布：

醫院潔凈室內的溫度分布和速度矢量。圖像來源：Veryst。

通風系統的設計要能有效阻止空氣感染，同時還要確保不會導致房間過熱或過冷。當然，熱舒適是極其主觀的，但我們有方法來量化這一定性標準。評價通風系統設計時，Veryst 基於 ASHRAE Standard 55-2013 來量化熱舒適的熱感覺範圍：

ASHRAE 熱感覺範圍。可接受的室內值在 -0.5 到 +0.5 之間。表格經許可改編自 Veryst 的論文「CFD Modeling for Ventilation System of a Hospital Room」。

接下來，他們針對模擬結果計算 PWV 和患者的預測不滿意百分比 (PPD)，並將兩者與上述範圍比較。他們分析當前的設計，推測患者的代謝率和穿著，由此發現 56% 的患者表示不滿意，因為患者感覺偏涼 (PMV = -1.59)。

模擬細菌分布以預防空氣感染

利用 COMSOL Multiphysics 和粒子追蹤模塊，Veryst 終於能夠量化經通風系統排風口傳播到房間外的細菌百分比。

以上各圖分別顯示病人咳嗽後 30 秒、60 秒、180 秒以及 230 秒時細菌粒子的運動情況。粒子顏色和速度（米/每秒）對應。經許可摘自 Veryst 的論文「CFD Modeling for Ventilation System of a Hospital Room」。

如上方的各圖所示，病人咳嗽後，細菌經由通風系統傳播到整個房間。咳嗽後 30 秒到 35 秒時，大多數細菌粒子傳播到房間外。然而，即使經過了 300 秒，房間內仍有 8% 的細菌，這些細菌就可能導致 HAI。

Veryst 分享的動畫。（看視頻，歡迎移步：藉助 CFD 建模防止空氣感染）

為了改進通風系統，減少房間內的細菌數，提升系統效率，同時使房間內熱舒適範圍可接受，您可以進一步運行模擬以優化設計。要了解 Veryst 的全部研究細節，請查看論文「CFD Modeling for Ventilation System of a Hospital Room「。

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經授權轉載自 http://cn.comsol.com/blogs/，原作者 Fanny Littmarck。