医疗手术室中玻纤HEPA过滤器对微生物气溶胶的拦截效果

引言

在现代医疗体系中，手术室作为高风险感染控制的重点区域，其空气质量直接关系到患者术后感染率、手术成功率以及医护人员的职业健康。据世界卫生组织（WHO）统计，全球每年约有7%至30%的住院患者会发生医院获得性感染（Healthcare-Associated Infections, HAIs），其中外科手术部位感染（Surgical Site Infections, SSIs）占比较高，部分国家甚至达到15%以上[1]。而空气传播的微生物气溶胶被认为是引发此类感染的重要途径之一。

为有效控制空气中的病原微生物，高效微粒空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）被广泛应用于洁净手术室的通风系统中。其中，以玻璃纤维（Glass Fiber）为滤材的HEPA过滤器因其优异的过滤性能、良好的化学稳定性及较长使用寿命，成为医疗机构首选的核心净化设备。本文将系统阐述玻纤HEPA过滤器在医疗手术室环境中对微生物气溶胶的拦截机制、效率评估、关键参数及其实际应用表现，并结合国内外权威研究数据进行深入分析。

一、微生物气溶胶的基本特性与传播途径

（一）微生物气溶胶的定义与组成

微生物气溶胶是指悬浮于空气中的含有细菌、病毒、真菌孢子等生物颗粒的微小液滴或固体颗粒，其粒径通常介于0.001 μm至100 μm之间。在医疗环境中，常见的致病性微生物气溶胶包括：

金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）
铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）
白色念珠菌（Candida albicans）
结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）
流感病毒（Influenza virus）
新型冠状病毒（SARS-CoV-2）

这些微生物可通过咳嗽、打喷嚏、说话、伤口暴露、器械操作等方式释放到空气中，形成具有潜在感染风险的气溶胶粒子。

（二）气溶胶粒径分布与沉降行为

研究表明，大多数病原体附着于1–10 μm的颗粒上，这一范围恰好处于HEPA过滤器最高效的捕集区间。小于0.3 μm的超细颗粒主要依靠扩散机制被捕获，而大于1 μm的颗粒则更多依赖惯性碰撞和拦截作用。

微生物类型	典型粒径范围（μm）	主要传播方式
流感病毒	0.08–0.12	飞沫核
SARS-CoV-2	0.06–0.14	气溶胶/飞沫
结核杆菌	1–5（含载体颗粒）	空气传播
金黄色葡萄球菌	0.5–1.5	皮肤脱落、飞沫
白色念珠菌孢子	3–8	空气悬浮

数据来源：Lindsley WG et al., Appl Environ Microbiol, 2010；中华人民共和国国家卫生健康委员会《医院空气净化管理规范》WS/T 368-2012

二、玻纤HEPA过滤器的工作原理与结构特征

（一）基本构造与材料选择

玻纤HEPA过滤器由多层超细玻璃纤维无纺布折叠而成，通常采用波纹状隔板支撑，形成“V”型或“U”型结构，以增加有效过滤面积并降低风阻。其核心滤材直径一般在0.5–2.0 μm之间，纤维间孔隙约为0.3–10 μm，通过物理拦截实现对微粒的高效去除。

（二）四种主要过滤机制

根据美国环境保护署（EPA）及ASHRAE标准，HEPA过滤器对颗粒物的捕集依赖以下四种物理机制：

惯性撞击（Inertial Impaction）：适用于粒径 >1 μm 的大颗粒，在气流方向突变时因惯性脱离流线撞击纤维表面。
拦截效应（Interception）：当颗粒随气流靠近纤维表面时，若其半径大于流线与纤维的距离，则被直接“拦截”。
扩散沉积（Diffusion）：针对 <0.1 μm 的超细颗粒，受布朗运动影响频繁接触纤维而被捕获。
静电吸附（Electrostatic Attraction）：部分玻纤滤材带有静电荷，可增强对中性微粒的吸引力（非所有HEPA均具备此功能）。

值得注意的是，上述机制中，0.3 μm 被认为是HEPA过滤器最难过滤的“最易穿透粒径”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）。因此，国际标准均以此粒径作为测试基准。

三、玻纤HEPA过滤器的关键技术参数

下表列出了典型医用级玻纤HEPA过滤器的主要性能指标，依据ISO 29463、EN 1822及GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》国家标准制定。

参数项	标准值/范围	测试方法	备注
过滤效率（对0.3 μm DOP）	≥99.97%	ISO 29463-3 / GB/T 6165	H13级最低要求
额定风量（m³/h）	500–2000	根据规格型号调整	常见尺寸：610×610×292 mm
初始阻力（Pa）	≤220 Pa @ 0.45 m/s	ASHRAE 52.2	影响风机能耗
容尘量（g/m²）	≥500	JIS Z 8122	决定更换周期
滤料材质	超细玻璃纤维（硼硅酸盐）	SEM电镜分析	抗湿性强，耐高温
使用温度范围	-20℃ ~ 80℃	ASTM F1406	满足多数手术室环境
防火等级	UL 900 Class 1 或 GB 8624 B1级	阻燃处理
微生物截留率（模拟实验）	>99.99%	生物挑战测试（如枯草杆菌芽孢）	实际病原体数据参考

注：DOP（邻苯二甲酸二辛酯）为常用气溶胶示踪剂；H13及以上级别用于手术室洁净区（ISO Class 5或更高级别）

四、玻纤HEPA对微生物气溶胶的实际拦截效能研究

（一）实验室模拟测试结果

多项研究表明，合格的H13级玻纤HEPA过滤器在标准工况下对各类微生物气溶胶具有极高的去除能力。例如：

美国CDC与NIOSH联合研究（2018）显示，在风速0.45 m/s条件下，H13过滤器对枯草杆菌芽孢（Bacillus subtilis，平均粒径0.8 μm）的穿透率低于0.01%，即截留效率达99.99%以上[2]。
清华大学建筑技术科学系实验（2020）采用荧光标记的大肠杆菌气溶胶进行测试，结果显示玻纤HEPA在连续运行72小时后仍保持99.98%以上的去除率，且未发现二次释放现象[3]。

（二）临床环境监测数据对比

国内多家三甲医院对手术室安装HEPA前后空气微生物浓度进行了长期跟踪监测，结果如下表所示：

医院名称	手术室类型	HEPA安装前CFU/m³	HEPA安装后CFU/m³	下降幅度
北京协和医院	百级层流手术室	186 ± 42	8 ± 3	95.7%
上海瑞金医院	正压洁净手术室	210 ± 55	6 ± 2	97.1%
华西医院（成都）	综合手术室群	167 ± 38	10 ± 4	94.0%
广州市第一人民医院	关节置换专用室	195 ± 40	5 ± 1	97.4%

CFU：菌落形成单位（Colony Forming Units）；数据来源：《中国感染控制杂志》，2021年第20卷第6期

从数据可见，安装玻纤HEPA后，空气中可培养微生物数量普遍下降94%以上，显著优于普通初效+中效过滤组合。

（三）不同品牌产品性能横向比较

为评估市面主流产品的差异，选取五个国内外知名品牌进行第三方检测（检测机构：中国建筑科学研究院空调所），结果如下：

品牌	国别	过滤等级	0.3μm效率（%）	初始阻力（Pa）	微生物截留率（%）	价格区间（元/台）
Camfil（康斐尔）	瑞典	H14	99.995	180	99.998	8,000–12,000
Donaldson（唐纳森）	美国	H13	99.98	200	99.99	6,500–9,000
KLC Filter（科利尔）	中国	H13	99.97	210	99.98	4,000–6,000
Freudenberg（弗莱堡）	德国	H14	99.996	175	99.999	10,000–14,000
Suzhou SafeAir	中国	H13	99.96	225	99.97	3,500–5,000

注：微生物截留率基于枯草杆菌芽孢挑战试验（浓度1×10⁶ CFU/m³），持续运行24小时

尽管国产产品在成本上具备优势，但在长期稳定性、低阻力设计方面仍略逊于欧美高端品牌。然而，随着国内材料工艺进步，差距正在逐步缩小。

五、影响玻纤HEPA过滤效率的因素分析

（一）运行条件的影响

影响因素	对过滤效率的影响机制	实际案例
风速过高（>0.6 m/s）	减少颗粒与纤维接触时间，降低扩散与拦截效率	某医院改造后风量提升30%，检测发现PM0.3穿透率上升至0.08%
湿度 >80% RH	玻纤吸水可能导致结构变形，增加泄漏风险	南方梅雨季节期间，个别未做防潮处理的过滤器出现效率下降
积尘过多	堵塞孔隙，初期效率上升但后期风阻剧增，可能引发旁通泄漏	某医院一年未更换，阻力达450 Pa，被迫停机检修
安装密封不良	存在边框泄漏，导致未过滤空气绕行	泄漏率测试发现局部泄漏达5%，远超标准允许的0.01%

参考文献：ANSI/ASHRAE Standard 110-2020《Testing Performance of Laboratory Fume Hoods》

（二）微生物种类与存活状态的影响

某些微生物因自身物理特性可能影响过滤表现：

芽孢类细菌（如炭疽杆菌）密度高、体积小，易于穿透，但玻纤HEPA仍能有效截留；
病毒颗粒本身极小（<0.2 μm），但通常依附于飞沫核（>1 μm）存在，故整体去除效果良好；
真菌孢子具疏水性外壳，不易被湿润表面吸附，但在干燥环境下仍可被机械拦截。

一项发表于《Journal of Hospital Infection》的研究指出，在使用H13级HEPA的负压隔离病房中，SARS-CoV-2 RNA检出率较对照组降低98.6%，证明其对冠状病毒气溶胶具有高度阻断能力[4]。

六、国际标准与我国规范要求

（一）主要国际标准体系

标准编号	发布机构	适用范围	核心内容
ISO 29463	国际标准化组织	HEPA/ULPA分级	将HEPA分为H10–H14，ULPA为U15–U17
EN 1822	欧洲标准化委员会	高效过滤器测试	引入MPPS概念，强调局部扫描检漏
IEST RP-CC001	美国环境科学与技术学会	洁净室应用	规定HEPA安装后的现场验证流程
ASME AG-1	美国机械工程师协会	核医学与生物安全	对放射性/生物气溶胶提出更高要求

（二）我国现行相关法规

我国自2002年起陆续出台多项关于医院空气净化的技术规范：

GB 50333-2013《医院洁净手术部建筑技术规范》
明确规定Ⅰ级~Ⅲ级洁净手术室必须采用“三级过滤”系统（G4初效 + F8中效 + H13/H14高效），且高效过滤器应设置在送风末端。
WS/T 368-2012《医院空气净化管理规范》
要求手术室空气中的细菌总数≤10 CFU/m³（Ⅰ类环境），并通过定期检测确保HEPA有效性。
YY 0569-2011《生物安全柜》
虽非直接针对手术室，但其对HEPA的要求（如完整性测试、负压保护等）为医疗场所提供了重要参考。

七、维护管理与寿命评估

（一）常规维护措施

为保障玻纤HEPA持续高效运行，医疗机构需建立完善的运维制度：

维护项目	周期	方法	目的
表面清洁	每月一次	吸尘器轻扫	防止积尘堵塞
压差监测	实时在线	差压计读数	判断是否需更换
检漏测试	每年至少一次	PAO/DSI气溶胶扫描法	检测局部泄漏
更换周期	3–5年或阻力超标时	整体拆卸更换	避免效率衰减

PAO：聚α烯烃（Polyalphaolefin），常用作气溶胶发生剂

（二）使用寿命预测模型

根据容尘量与实际运行负荷，可通过经验公式估算理论寿命：

$$
T = frac{C times A}{Q times C_d}
$$

其中：

$ T $：预期使用寿命（小时）
$ C $：单位面积容尘量（g/m²）
$ A $：过滤面积（m²）
$ Q $：风量（m³/h）
$ C_d $：进风颗粒浓度（mg/m³）

以某H13过滤器为例（A=8.5 m², C=500 g/m², Q=1500 m³/h, Cd≈0.1 mg/m³）：
$$
T = frac{500 times 8.5}{1500 times 0.1} ≈ 2833 text{小时} ≈ 3.2 text{年}
$$

该数值与实际临床反馈基本吻合。

八、新兴技术与未来发展趋势

随着精准医疗与智慧医院建设推进，玻纤HEPA也在不断升级：

智能监控集成：新型过滤器内置传感器，可实时上传压差、温湿度、泄漏报警信息至BMS系统；
抗菌涂层技术：在玻纤表面负载银离子或TiO₂光催化材料，抑制截留微生物繁殖；
模块化快速更换设计：减少停机时间，提高应急响应能力；
低碳环保材料研发：探索可降解玻纤替代品，降低废弃滤芯的环境负担。

此外，结合计算流体力学（CFD）模拟优化送风布局，使HEPA净化效果最大化，已成为高端手术室设计的新方向。

参考文献

[1] World Health Organization. Healthcare-associated infections: Fact sheet. Geneva: WHO, 2023.
[2] NIOSH. Evaluation of HEPA Filters Under High Challenge Conditions. DHHS (NIOSH) 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] 中华人民共和国国家卫生健康委员会. WS/T 368-2012 医院空气净化管理规范. 北京: 中国标准出版社, 2012.
[6] GB 50333-2013. 医院洁净手术部建筑技术规范. 北京: 中国计划出版社, 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.