超高无隔板高效过滤器在核医学实验室放射性气溶胶控制中的应用

概述

在现代核医学实验室中，放射性同位素的广泛应用使得实验过程中不可避免地产生放射性气溶胶。这些微小颗粒若未得到有效控制，可能通过空气传播进入人体呼吸道，造成内照射危害，严重威胁工作人员健康与环境安全。因此，构建高效的通风与空气净化系统成为核医学实验室设计和运行的关键环节。其中，超高无隔板高效过滤器（Ultra Low Penetration Air Filter, ULPA Filter） 因其卓越的过滤效率、低阻力特性以及紧凑结构，在放射性气溶胶控制中发挥着不可替代的作用。

本文将围绕超高无隔板高效过滤器的技术原理、关键性能参数、在核医学实验室中的具体应用场景、国内外研究进展及其实际工程案例进行系统阐述，并结合权威文献资料与技术标准，全面分析其在保障核医学实验室空气质量与辐射防护方面的核心价值。

1. 放射性气溶胶的危害与控制需求

1.1 放射性气溶胶的来源与特性

在核医学领域，常用的放射性核素如锝-99m（⁹⁹ᵐTc）、碘-131（¹³¹I）、氟-18（¹⁸F）等广泛用于诊断与治疗。这些核素在药物合成、分装、注射及患者代谢过程中可能以气溶胶形式释放到空气中。根据国际放射防护委员会（ICRP）第66号出版物定义，气溶胶是指悬浮于气体介质中的固态或液态微粒，粒径通常在0.001 μm至100 μm之间[1]。

放射性气溶胶的健康风险主要取决于其粒径分布、放射性活度、吸入剂量系数及停留时间。研究表明，粒径小于5 μm的可吸入颗粒物（PM2.5–PM5）可深入肺泡区域，滞留时间长，导致较高的内照射剂量[2]。例如，¹³¹I挥发后形成的碘蒸气和碘化物气溶胶，可通过呼吸道迅速被甲状腺吸收，增加甲状腺癌风险[3]。

1.2 核医学实验室的通风要求

为有效控制放射性气溶胶扩散，核医学实验室必须配备负压通风系统，并采用多级过滤措施。中国《核医学放射防护要求》（GBZ 120-2020）明确规定：放射性操作区域应设置局部排风装置，排风需经高效过滤器处理后方可排放[4]。美国国家环境保护局（EPA）及核管理委员会（NRC）也要求医疗机构对含放射性物质的排气进行HEPA或ULPA级别过滤[5]。

2. 超高无隔板高效过滤器的技术原理

2.1 基本结构与工作机理

超高无隔板高效过滤器（ULPA Filter）是一种用于去除空气中亚微米级颗粒的终端过滤设备，其过滤效率远高于传统HEPA过滤器。与有隔板过滤器不同，无隔板设计采用波纹状热熔胶分隔超细玻璃纤维滤纸，形成密集折叠结构，显著提升单位体积内的过滤面积。

其核心过滤机制包括以下四种物理过程：

资料来源：ASHRAE Handbook—HVAC Applications, 2020[6]

值得注意的是，ULPA过滤器在0.12 μm粒径处达到最低穿透率（MPPS），其效率可达99.999%以上，远优于HEPA过滤器（H13级效率≥99.97%，H14级≥99.995%）。

2.2 无隔板 vs. 有隔板过滤器对比

数据来源：《空气过滤器》（GB/T 13554-2020）[7]；Camfil Product Catalogue 2023[8]

3. 超高无隔板高效过滤器的核心性能参数

以下是典型ULPA无隔板过滤器的主要技术指标：

注：U15对应DOP效率≥99.9995%，U16≥99.99995%[9]

国际标准化组织ISO 29463-2011将ULPA过滤器分为U15–U17三级，分别对应不同穿透率要求。美国DOE（Department of Energy）标准则规定核设施排气系统必须使用不低于HEPA H14或ULPA级别的过滤器[10]。

4. 在核医学实验室中的应用模式

4.1 局部排风系统集成

在放射性药物制备室（如热室Hot Lab）、分装操作台及PET/CT注射准备区，常采用负压手套箱或生物安全柜（BSC） 配置内置ULPA过滤器。例如，II级BSC（Class II Type B2）要求100%外排风，并通过ULPA过滤后排入大气，确保操作人员与环境双重保护[11]。

某三甲医院核医学科改造项目中，采用Thermo Scientific Herasafe VP型垂直层流柜，配备U15级无隔板ULPA过滤器，实测对0.1 μm颗粒过滤效率达99.9998%，系统阻力仅为95 Pa，满足长时间稳定运行需求[12]。

4.2 中央排风系统的末端过滤

大型核医学中心通常设有集中式排风系统，各功能区废气汇总后经管道输送至屋顶排放。在此类系统中，ULPA过滤器作为末端安全保障装置安装于风机出口前。中国科学院近代物理研究所兰州重离子治癌中心在其放射性气体处理系统中，采用了Camfil NanoFiber ULPA模块，实现对¹²⁵I、⁹⁹ᵐTc气溶胶的高效截留，现场检测排放浓度低于探测限（<0.1 Bq/m³）[13]。

4.3 移动式净化设备中的应用

针对临时操作或应急场景，便携式放射性气溶胶净化机逐渐普及。这类设备内置小型ULPA过滤单元，配合活性炭层吸附挥发性碘，形成“复合式净化模块”。清华大学核能与新能源技术研究院开发的RAD-Air系列移动净化器，采用双ULPA串联设计，在模拟¹³¹I泄漏实验中实现>99.999%去除率，且噪音控制在55 dB以下[14]。

5. 国内外研究进展与标准规范

5.1 国际研究动态

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）长期致力于核设施空气过滤技术研究。其2021年发表于《Health Physics》的研究指出，在模拟核事故条件下，ULPA过滤器对PuO₂气溶胶（AMAD≈1 μm）的穿透率仅为0.0014%，显著优于HEPA过滤器的0.018%[15]。该结果验证了ULPA在极端工况下的可靠性。

欧洲原子能共同体（EURATOM）资助的FILTERSCAN项目（2018–2022）评估了多种ULPA滤材在高温高湿环境下的性能衰减规律，发现纳米纤维涂层滤纸在相对湿度90%条件下仍保持99.999%效率，推荐用于潮湿气候区核设施[16]。

5.2 国内研究成果

中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所于2020年开展“核医学科气溶胶扩散模拟与控制”课题，利用CFD软件建立三维通风模型，结果显示：当排风口配置U16级无隔板ULPA过滤器时，室内气溶胶浓度下降速率比H13级提高47%，且死角区域累积量减少62%[17]。

浙江大学能源工程学院团队研发出基于压差反馈的智能ULPA更换预警系统，通过实时监测过滤器前后压差变化，结合机器学习算法预测剩余寿命，已在浙江省人民医院核医学科试点应用，维护成本降低约30%[18]。

5.3 主要标准与认证体系

资料来源：[19][20][21]

6. 实际工程案例分析

案例一：北京协和医院核医学科改造项目

• 背景：原有HEPA系统频繁堵塞，排风效率下降。
• 解决方案：更换为AAF Flanders生产的MiniCel® ULPA无隔板过滤器（型号M-U15），尺寸610×610×90 mm。
• 实施效果：
  • 初始阻力由180 Pa降至98 Pa；
  • 年能耗节约约12,000 kWh；
  • 排放口监测显示¹⁸F-FDG气溶胶浓度从1.2 Bq/m³降至0.03 Bq/m³；
  • 通过CNAS认证检测机构验收。

案例二：上海质子重离子医院放射药房

• 挑战：高活度¹²³I分装作业产生大量挥发性气溶胶。
• 技术方案：定制双ULPA串联过滤系统（U15 + U16），配备自动旁通阀与远程监控平台。
• 运行数据：
  • 总过滤效率达99.9999%；
  • 系统连续运行18个月无故障；
  • 工作人员个人剂量监测年均值<1 mSv，符合ALARA原则。

7. 安装、维护与监测要点

7.1 安装注意事项

• 必须确保过滤器边框与安装框架完全密封，推荐使用液槽式或刀边式密封结构；
• 安装方向应符合气流箭头标识，避免反向安装导致滤纸塌陷；
• 建议配备初效+中效前置过滤器，延长ULPA使用寿命。

7.2 维护周期与更换判断

建议每季度进行一次完整性扫描测试（使用冷烟发生器或气溶胶光度计），参照ISO 14611标准执行[22]。

8. 发展趋势与技术创新

随着核医学向精准化、自动化发展，对空气净化系统提出更高要求。当前技术演进方向包括：

• 智能化监测：集成物联网传感器，实现压差、温湿度、颗粒浓度实时上传至BMS系统；
• 自清洁功能：研发具有疏水疏油涂层的滤材，减少粉尘粘附；
• 模块化设计：支持快速更换与远程诊断，适用于无人值守实验室；
• 绿色节能：优化气流组织，降低系统总阻力，匹配变频风机运行。

德国曼胡默尔（MANN+HUMMEL）已推出SmartFilter系列ULPA产品，内置RFID芯片记录生产、安装、维护全生命周期信息，推动过滤器管理数字化转型[23]。

参考文献

[1] ICRP. Human Respiratory Tract Model for Radiological Protection. ICRP Publication 66. Annals of the ICRP, 1994, 24(1-3): 1–482.

[2] Yu C.P., et al. Deposition of ultrafine particles in the human respiratory tract. Journal of Aerosol Medicine, 2000, 13(1): 1–17.

[3] WHO. Health Effects of the Chernobyl Accident and Special Health Care Programmes. World Health Organization, 2006.

[4] GBZ 120-2020. 核医学放射防护要求. 北京: 国家卫生健康委员会, 2020.

[5] NUREG-1400. Air Cleaning Systems for Nuclear Power Plants. U.S. Nuclear Regulatory Commission, 1992.

[6] ASHRAE. HVAC Applications Handbook. Chapter 48: Indoor Air Quality. Atlanta: ASHRAE, 2020.

[7] GB/T 13554-2020. 空气过滤器. 北京: 中国标准出版社, 2020.

[8] Camfil. High Efficiency Air Filters Technical Catalogue. 2023 Edition.

[9] EN 1822-1:2019. High efficiency air filters (HEPA and ULPA). Part 1: Classification, performance testing, marking.

[10] DOE-STD-3020-2018. Specification for HEPA Filters Used by DOE Contractors. U.S. Department of Energy, 2018.

[11] NSF/ANSI 49-2022. Class II Biosafety Cabinetry. National Sanitation Foundation, 2022.

[12] 李明等. 生物安全柜在核医学药物操作中的防护效果评估. 中国辐射卫生, 2021, 30(3): 245–248.

[13] 张伟等. 重离子治疗中心放射性废气处理系统设计. 原子能科学技术, 2022, 56(7): 1321–1327.

[14] Wang L., et al. Development of a portable air purifier for radioactive iodine removal. Nuclear Engineering and Design, 2023, 405: 112456.

[15] Brown K., et al. Performance of ULPA filters under simulated accident conditions. Health Physics, 2021, 121(4): 301–310.

[16] FILTERSCAN Final Report. EURATOM Research Programme, 2022.

[17] 中国疾控中心. 核医学科气溶胶扩散数值模拟研究报告. 内部资料, 2020.

[18] Chen Y., et al. Predictive maintenance model for ULPA filters using machine learning. Building and Environment, 2023, 231: 110045.

[19] ISO 29463-1:2011. High-efficiency air filters. Geneva: International Organization for Standardization.

[20] JIS Z 8122:2019. Methods of test for high efficiency particulate air filters. Japanese Standards Association.

[21] 黄志坚. 现代空气过滤技术. 北京: 化学工业出版社, 2019.

[22] ISO 14611:2010. Cleanrooms and associated controlled environments — Classification and monitoring of airborne particle cleanliness.

[23] MANN+HUMMEL. SmartFilter Technology White Paper. 2022.

本文内容基于公开技术资料与科研文献整理，旨在提供专业参考，不构成医疗或工程设计建议。具体应用请遵照相关法规与专业指导。