醫療手術室中玻纖HEPA過濾器對微生物氣溶膠的攔截效果 引言 在現代醫療體係中，手術室作為高風險感染控製的重點區域，其空氣質量直接關係到患者術後感染率、手術成功率以及醫護人員的職業健康。據世界...
醫療手術室中玻纖HEPA過濾器對微生物氣溶膠的攔截效果
引言
在現代醫療體係中，手術室作為高風險感染控製的重點區域，其空氣質量直接關係到患者術後感染率、手術成功率以及醫護人員的職業健康。據世界衛生組織（WHO）統計，全球每年約有7%至30%的住院患者會發生醫院獲得性感染（Healthcare-Associated Infections, HAIs），其中外科手術部位感染（Surgical Site Infections, SSIs）占比較高，部分國家甚至達到15%以上[1]。而空氣傳播的微生物氣溶膠被認為是引發此類感染的重要途徑之一。
為有效控製空氣中的病原微生物，高效微粒空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）被廣泛應用於潔淨手術室的通風係統中。其中，以玻璃纖維（Glass Fiber）為濾材的HEPA過濾器因其優異的過濾性能、良好的化學穩定性及較長使用壽命，成為醫療機構首選的核心淨化設備。本文將係統闡述玻纖HEPA過濾器在醫療手術室環境中對微生物氣溶膠的攔截機製、效率評估、關鍵參數及其實際應用表現，並結合國內外權威研究數據進行深入分析。
一、微生物氣溶膠的基本特性與傳播途徑
（一）微生物氣溶膠的定義與組成
微生物氣溶膠是指懸浮於空氣中的含有細菌、病毒、真菌孢子等生物顆粒的微小液滴或固體顆粒，其粒徑通常介於0.001 μm至100 μm之間。在醫療環境中，常見的致病性微生物氣溶膠包括：
- 金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）
- 銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）
- 白色念珠菌（Candida albicans）
- 結核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）
- 流感病毒（Influenza virus）
- 新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）
這些微生物可通過咳嗽、打噴嚏、說話、傷口暴露、器械操作等方式釋放到空氣中，形成具有潛在感染風險的氣溶膠粒子。
（二）氣溶膠粒徑分布與沉降行為
研究表明，大多數病原體附著於1–10 μm的顆粒上，這一範圍恰好處於HEPA過濾器高效的捕集區間。小於0.3 μm的超細顆粒主要依靠擴散機製被捕獲，而大於1 μm的顆粒則更多依賴慣性碰撞和攔截作用。
| 微生物類型 | 典型粒徑範圍（μm） | 主要傳播方式 |
|---|---|---|
| 流感病毒 | 0.08–0.12 | 飛沫核 |
| SARS-CoV-2 | 0.06–0.14 | 氣溶膠/飛沫 |
| 結核杆菌 | 1–5（含載體顆粒） | 空氣傳播 |
| 金黃色葡萄球菌 | 0.5–1.5 | 皮膚脫落、飛沫 |
| 白色念珠菌孢子 | 3–8 | 空氣懸浮 |
數據來源：Lindsley WG et al., Appl Environ Microbiol, 2010；中華人民共和國國家衛生健康委員會《醫院空氣淨化管理規範》WS/T 368-2012
二、玻纖HEPA過濾器的工作原理與結構特征
（一）基本構造與材料選擇
玻纖HEPA過濾器由多層超細玻璃纖維無紡布折疊而成，通常采用波紋狀隔板支撐，形成“V”型或“U”型結構，以增加有效過濾麵積並降低風阻。其核心濾材直徑一般在0.5–2.0 μm之間，纖維間孔隙約為0.3–10 μm，通過物理攔截實現對微粒的高效去除。
（二）四種主要過濾機製
根據美國環境保護署（EPA）及ASHRAE標準，HEPA過濾器對顆粒物的捕集依賴以下四種物理機製：
- 慣性撞擊（Inertial Impaction）：適用於粒徑 >1 μm 的大顆粒，在氣流方向突變時因慣性脫離流線撞擊纖維表麵。
- 攔截效應（Interception）：當顆粒隨氣流靠近纖維表麵時，若其半徑大於流線與纖維的距離，則被直接“攔截”。
- 擴散沉積（Diffusion）：針對 <0.1 μm 的超細顆粒，受布朗運動影響頻繁接觸纖維而被捕獲。
- 靜電吸附（Electrostatic Attraction）：部分玻纖濾材帶有靜電荷，可增強對中性微粒的吸引力（非所有HEPA均具備此功能）。
值得注意的是，上述機製中，0.3 μm 被認為是HEPA過濾器難過濾的“易穿透粒徑”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）。因此，國際標準均以此粒徑作為測試基準。
三、玻纖HEPA過濾器的關鍵技術參數
下表列出了典型醫用級玻纖HEPA過濾器的主要性能指標，依據ISO 29463、EN 1822及GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》國家標準製定。
| 參數項 | 標準值/範圍 | 測試方法 | 備注 |
|---|---|---|---|
| 過濾效率（對0.3 μm DOP） | ≥99.97% | ISO 29463-3 / GB/T 6165 | H13級低要求 |
| 額定風量（m³/h） | 500–2000 | 根據規格型號調整 | 常見尺寸：610×610×292 mm |
| 初始阻力（Pa） | ≤220 Pa @ 0.45 m/s | ASHRAE 52.2 | 影響風機能耗 |
| 容塵量（g/m²） | ≥500 | JIS Z 8122 | 決定更換周期 |
| 濾料材質 | 超細玻璃纖維（硼矽酸鹽） | SEM電鏡分析 | 抗濕性強，耐高溫 |
| 使用溫度範圍 | -20℃ ~ 80℃ | ASTM F1406 | 滿足多數手術室環境 |
| 防火等級 | UL 900 Class 1 或 GB 8624 B1級 | 阻燃處理 | |
| 微生物截留率（模擬實驗） | >99.99% | 生物挑戰測試（如枯草杆菌芽孢） | 實際病原體數據參考 |
注：DOP（鄰苯二甲酸二辛酯）為常用氣溶膠示蹤劑；H13及以上級別用於手術室潔淨區（ISO Class 5或更高級別）
四、玻纖HEPA對微生物氣溶膠的實際攔截效能研究
（一）實驗室模擬測試結果
多項研究表明，合格的H13級玻纖HEPA過濾器在標準工況下對各類微生物氣溶膠具有極高的去除能力。例如：
- 美國CDC與NiosesH聯合研究（2018）顯示，在風速0.45 m/s條件下，H13過濾器對枯草杆菌芽孢（Bacillus subtilis，平均粒徑0.8 μm）的穿透率低於0.01%，即截留效率達99.99%以上[2]。
- 清華大學建築技術科學係實驗（2020）采用熒光標記的大腸杆菌氣溶膠進行測試，結果顯示玻纖HEPA在連續運行72小時後仍保持99.98%以上的去除率，且未發現二次釋放現象[3]。
（二）臨床環境監測數據對比
國內多家三甲醫院對手術室安裝HEPA前後空氣微生物濃度進行了長期跟蹤監測，結果如下表所示：
| 醫院名稱 | 手術室類型 | HEPA安裝前CFU/m³ | HEPA安裝後CFU/m³ | 下降幅度 |
|---|---|---|---|---|
| 北京協和醫院 | 百級層流手術室 | 186 ± 42 | 8 ± 3 | 95.7% |
| 上海瑞金醫院 | 正壓潔淨手術室 | 210 ± 55 | 6 ± 2 | 97.1% |
| 華西醫院（成都） | 綜合手術室群 | 167 ± 38 | 10 ± 4 | 94.0% |
| 廣州市第一人民醫院 | 關節置換專用室 | 195 ± 40 | 5 ± 1 | 97.4% |
CFU：菌落形成單位（Colony Forming Units）；數據來源：《中國感染控製雜誌》，2021年第20卷第6期
從數據可見，安裝玻纖HEPA後，空氣中可培養微生物數量普遍下降94%以上，顯著優於普通初效+中效過濾組合。
（三）不同品牌產品性能橫向比較
為評估市麵主流產品的差異，選取五個國內外知名品牌進行第三方檢測（檢測機構：中國建築科學研究院空調所），結果如下：
| 品牌 | 國別 | 過濾等級 | 0.3μm效率（%） | 初始阻力（Pa） | 微生物截留率（%） | 價格區間（元/台） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil（康斐爾） | 瑞典 | H14 | 99.995 | 180 | 99.998 | 8,000–12,000 |
| Donaldson（唐納森） | 美國 | H13 | 99.98 | 200 | 99.99 | 6,500–9,000 |
| KLC Filter（科利爾） | 中國 | H13 | 99.97 | 210 | 99.98 | 4,000–6,000 |
| Freudenberg（弗萊堡） | 德國 | H14 | 99.996 | 175 | 99.999 | 10,000–14,000 |
| Suzhou SafeAir | 中國 | H13 | 99.96 | 225 | 99.97 | 3,500–5,000 |
注：微生物截留率基於枯草杆菌芽孢挑戰試驗（濃度1×10⁶ CFU/m³），持續運行24小時
盡管國產產品在成本上具備優勢，但在長期穩定性、低阻力設計方麵仍略遜於歐美高端品牌。然而，隨著國內材料工藝進步，差距正在逐步縮小。
五、影響玻纖HEPA過濾效率的因素分析
（一）運行條件的影響
| 影響因素 | 對過濾效率的影響機製 | 實際案例 |
|---|---|---|
| 風速過高（>0.6 m/s） | 減少顆粒與纖維接觸時間，降低擴散與攔截效率 | 某醫院改造後風量提升30%，檢測發現PM0.3穿透率上升至0.08% |
| 濕度 >80% RH | 玻纖吸水可能導致結構變形，增加泄漏風險 | 南方梅雨季節期間，個別未做防潮處理的過濾器出現效率下降 |
| 積塵過多 | 堵塞孔隙，初期效率上升但後期風阻劇增，可能引發旁通泄漏 | 某醫院一年未更換，阻力達450 Pa，被迫停機檢修 |
| 安裝密封不良 | 存在邊框泄漏，導致未過濾空氣繞行 | 泄漏率測試發現局部泄漏達5%，遠超標準允許的0.01% |
參考文獻：ANSI/ASHRAE Standard 110-2020《Testing Performance of Laboratory Fume Hoods》
（二）微生物種類與存活狀態的影響
某些微生物因自身物理特性可能影響過濾表現：
- 芽孢類細菌（如炭疽杆菌）密度高、體積小，易於穿透，但玻纖HEPA仍能有效截留；
- 病毒顆粒本身極小（<0.2 μm），但通常依附於飛沫核（>1 μm）存在，故整體去除效果良好；
- 真菌孢子具疏水性外殼，不易被濕潤表麵吸附，但在幹燥環境下仍可被機械攔截。
一項發表於《Journal of Hospital Infection》的研究指出，在使用H13級HEPA的負壓隔離病房中，SARS-CoV-2 RNA檢出率較對照組降低98.6%，證明其對冠狀病毒氣溶膠具有高度阻斷能力[4]。
六、國際標準與我國規範要求
（一）主要國際標準體係
| 標準編號 | 發布機構 | 適用範圍 | 核心內容 |
|---|---|---|---|
| ISO 29463 | 國際標準化組織 | HEPA/ULPA分級 | 將HEPA分為H10–H14，ULPA為U15–U17 |
| EN 1822 | 歐洲標準化委員會 | 高效過濾器測試 | 引入MPPS概念，強調局部掃描檢漏 |
| IEST RP-CC001 | 美國環境科學與技術學會 | 潔淨室應用 | 規定HEPA安裝後的現場驗證流程 |
| ASME AG-1 | 美國機械工程師協會 | 核醫學與生物安全 | 對放射性/生物氣溶膠提出更高要求 |
（二）我國現行相關法規
我國自2002年起陸續出台多項關於醫院空氣淨化的技術規範：
-
GB 50333-2013《醫院潔淨手術部建築技術規範》
明確規定Ⅰ級~Ⅲ級潔淨手術室必須采用“三級過濾”係統（G4初效 + F8中效 + H13/H14高效），且高效過濾器應設置在送風末端。 -
WS/T 368-2012《醫院空氣淨化管理規範》
要求手術室空氣中的細菌總數≤10 CFU/m³（Ⅰ類環境），並通過定期檢測確保HEPA有效性。 -
YY 0569-2011《生物安全櫃》
雖非直接針對手術室，但其對HEPA的要求（如完整性測試、負壓保護等）為醫療場所提供了重要參考。
七、維護管理與壽命評估
（一）常規維護措施
為保障玻纖HEPA持續高效運行，醫療機構需建立完善的運維製度：
| 維護項目 | 周期 | 方法 | 目的 |
|---|---|---|---|
| 表麵清潔 | 每月一次 | 吸塵器輕掃 | 防止積塵堵塞 |
| 壓差監測 | 實時在線 | 差壓計讀數 | 判斷是否需更換 |
| 檢漏測試 | 每年至少一次 | PAO/DSI氣溶膠掃描法 | 檢測局部泄漏 |
| 更換周期 | 3–5年或阻力超標時 | 整體拆卸更換 | 避免效率衰減 |
PAO：聚α烯烴（Polyalphaolefin），常用作氣溶膠發生劑
（二）使用壽命預測模型
根據容塵量與實際運行負荷，可通過經驗公式估算理論壽命：
$$
T = frac{C times A}{Q times C_d}
$$
其中：
- $ T $：預期使用壽命（小時）
- $ C $：單位麵積容塵量（g/m²）
- $ A $：過濾麵積（m²）
- $ Q $：風量（m³/h）
- $ C_d $：進風顆粒濃度（mg/m³）
以某H13過濾器為例（A=8.5 m², C=500 g/m², Q=1500 m³/h, Cd≈0.1 mg/m³）：
$$
T = frac{500 times 8.5}{1500 times 0.1} ≈ 2833 text{小時} ≈ 3.2 text{年}
$$
該數值與實際臨床反饋基本吻合。
八、新興技術與未來發展趨勢
隨著精準醫療與智慧醫院建設推進，玻纖HEPA也在不斷升級：
- 智能監控集成：新型過濾器內置傳感器，可實時上傳壓差、溫濕度、泄漏報警信息至BMS係統；
- 抗菌塗層技術：在玻纖表麵負載銀離子或TiO₂光催化材料，抑製截留微生物繁殖；
- 模塊化快速更換設計：減少停機時間，提高應急響應能力；
- 低碳環保材料研發：探索可降解玻纖替代品，降低廢棄濾芯的環境負擔。
此外，結合計算流體力學（CFD）模擬優化送風布局，使HEPA淨化效果大化，已成為高端手術室設計的新方向。
參考文獻
[1] World Health Organization. Healthcare-associated infections: Fact sheet. Geneva: WHO, 2023.
[2] NiosesH. evalsuation of HEPA Filters Under High Challenge Conditions. DHHS (NiosesH) Publication No. 2018-150, 2018.
[3] Zhang Y, et al. "Performance of glass fiber HEPA filters against bioaerosols in hospital environments." Building and Environment, 2020; 175: 106789.
[4] Tang JW, et al. "Transmission of SARS-CoV-2 via air filtration systems: Evidence from a hospital outbreak investigation." Journal of Hospital Infection, 2021; 112: 88–95.
[5] 中華人民共和國國家衛生健康委員會. WS/T 368-2012 醫院空氣淨化管理規範. 北京: 中國標準出版社, 2012.
[6] GB 50333-2013. 醫院潔淨手術部建築技術規範. 北京: 中國計劃出版社, 2013.
[7] ISO 29463-3:2011. High-efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) – Part 3: Measurement of fractional efficiency and classification.
[8] ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
（全文約3,600字）
==========================
