自循环烟雾过滤系统的设计与应用

王怡 梁艳 陈莉 侯淮杰 郭晶 付勇彬 国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医院肿瘤医院深圳医院内镜科 （广东 深圳 518116）

内容提要： 在临床医学上，激光和手术电设备已得到越来越广泛的应用，在进行手术等侵入性治疗时产生的烟雾已成为手术室环境污染的重要源头。文章结合腹腔镜手术的特点，设计一款自循环带净化功能的手术烟雾过滤系统。微型真空泵提供足够的吸引力将腹腔内的手术烟雾吸出，采用多级过滤方式，吸附手术烟雾中的蒸汽和绝大部分微粒，该自循环烟雾过滤系统，在自动维持腹腔内压力稳定的同时，自动吸引过滤手术烟雾，不需要人为过多干预，在避免手术烟雾排放至手术室内的同时也解放了人力，提升了手术效率。

在临床医学上，激光和手术电设备已得到越来越广泛的应用，在进行手术等侵入性治疗时产生的烟雾已成为手术室环境污染的重要源头，同时手术烟气污染的手术环境对患者健康也会造成不良影响。腹腔镜手术作为一种成熟的外科手术，在临床应用越来越普遍，据统计，我国每年进行的腹腔镜手术达几十万例[1]。由于腹腔镜手术释放出的手术烟雾及二氧化碳（Carbon Dioxide，CO2）气体容易造成职业伤害，长期吸入可对手术室医护人员健康造成严重威胁，因此急需有效设备来减少及消除手术烟雾的排放，在手术室营造无烟雾污染手术环境，保护医护人员及患者的身心健康。国内外越来越认识到手术室烟雾给医护人员和患者带来的危害，并给出了一些建议措施并制定了操作规范[2,3]。国内也有部分针对手术烟雾过滤系统的研究，如借助手术室负压系统产生吸力的结构紧凑型的手术烟雾过滤器[4]；针对激光手术特点设计的激光手术烟雾净化器，其利用真空泵形成负压，吸收在激光手术过程中从烧焦组织中散发出的烟雾，并将吸收的有毒有害烟雾经过活性炭净化后排出[5]；通过控制器实现的具有过压保护功能的手术烟雾吸附机，配备消毒瓶的可供多种治疗仪配套使用的烟雾吸引双重净化器等[6,7]。但手术室内配置的层流净化系统、烟雾抽吸等措施，以及口罩等并不能完全使医护人员远离手术烟雾及CO2气体的危害。总体而言，国内对手术烟雾的危害认识仍然不足，对于术中烟雾的清除措施尚处于探索阶段，鲜有具体的技术手段。本文结合腹腔镜手术的特点，设计了一款自循环带过滤净化功能的手术烟雾过滤系统，使用方便简单，成效比高。

1.自循环烟雾过滤系统

1.1 自循环烟雾过滤系统结构

本自循环烟雾过滤系统原理结构见图1。在密封壳体内内置微型真空泵和过滤组件，同时，密封壳体也提供了足够的空间以冷凝并滞留手术过程中可能的吸出物（如：蒸汽水分等），密封壳体的温度小于人体体内温度，所以手术烟雾中雾化的水分会在密封壳体内冷凝，可以避免过多的水汽经过过滤层，影响过滤效果。微型真空泵由同样一体化内置的微型电池供电，电池容量能够维持微型真空泵连续工作数小时。微型真空泵提供足够的引吸力以将腹腔内的手术烟雾吸出，微型真空泵出料口连接的出气管路靠近于密封壳体内表面位置，过滤组件进料口连接的进气管路位于壳体内部中央位置，这样的管路布置可以使液态吸出物尽量滞留在密封壳体内，避免因过滤组件滤芯堵塞而降低过滤效果，从而延长滤芯使用时长。

图1.自循环烟雾过滤系统

过滤组件滤芯采用三级过滤结构。依次为过滤网、一级过滤和二级过滤。其中，过滤网间隙设置为＜0.5μm，用以过滤掉98%的固体微粒；活性炭为一级过滤媒介，用以吸附、分解异味粒子，去除所有气化物和异味；二级过滤媒介为LEPA高效空气过滤棉，用以过滤更细小的微粒（＜0.3μm）。

此外，在进气管路直管部分内部，放置有亲水滤芯，长约20cm，亲水滤芯通过密封接头（鲁尔接头）固定于直管的中心，亲水滤芯由聚乙烯醇（Polyvinylalcohol，PVA）制成，PVA为无毒无污染的水溶性的高分子化合物，可以有效吸附水分。将亲水滤芯制成方形长条状，以增大与手术烟雾的接触面积，提升微粒与水分的吸附效率。亲水滤芯与直管之间留有足够的流通气路，以使手术烟雾能够顺利流过。

过滤组件的出气管路上，设置有三通旋塞阀，三通阀下游设置有“Y型”分接头。各部分之间以软管连接，软管由软质聚乙烯材料制成。

1.2 工作原理

整个装置进行无菌化处理，独立包装，按手术室一次性物品管理。在腹腔镜手术时患者在腹部合适位置固定一个或数个腹腔镜穿刺器，一个独立的吸入器与腹腔镜穿刺器排气口连接，将CO2泵入腹腔而使腹腔充气，形成气腹。在使用本系统时将Y型分接头一端与泵入CO2的腹腔镜穿刺器排气口密封连接，如果只需要使用其中1个分接头，则将空置的Y型分接头密封，防止气体外逸，将吸入端（亲水滤芯所在的一端）与引入高频电刀等手术器械的穿刺器排气口密封连接。在术者使用高频电刀对组织部位进行切割、止血操作时，其间因烧灼等产生的细胞碎片等手术烟雾颗粒随水蒸气一起被吸入。亲水滤芯拥有足够的长度，与手术烟雾充分接触，初步吸附蒸汽和微粒，吸入密封壳体内的手术烟雾经过滤组件进一步过滤处理后，再泵入腹腔。这样就形成了一个封闭的自循环烟雾过滤系统，过滤后的气体以自循环的方式进入腹腔，保证了气腹压力相对稳定，减少CO2气体的使用量，在过滤手术烟雾的同时也优化了术者的视野。

在腹腔镜手术过程中，可能出现腹腔内水汽量突然增大导致清除不及时，在腹腔内手术部位附近形成蒸汽层，导致术者的视野不足。可通过三通旋塞阀控制切换排放路径，将三通旋塞阀调至释放模式，使气体直接排放至手术室内空间，同时阻止再循环过滤气体通过正常出口管路返回到腹腔。可使排放管路的背压迅速降低，加速装置的手术烟雾的引吸和过滤能力，迅速排出蒸汽，消除腹腔内的蒸汽层，使腹腔内的可视化程度恢复至可接受条件。然后可将三通旋塞阀重新置于正常出口管路模式，阻止向手术室空间直接释放。

该自循环烟雾过滤系统也可以以“被动”的方式使用。在电池用尽后，微型真空泵不再提供引吸驱动力，此时可将Y型分接头一端接于手术室负压引吸管道，由手术室负压引吸系统提供引吸驱动力。打开CO2穿刺器注气阀门，通过转动控制结构来控制流量调节机构的流量大小，使手术烟雾以不同的流动速率流动，如果要迅速去除手术烟雾，可将流量调大，较高的流动体积可以将烟雾和其他杂质从外科医生的视野中迅速去除。

2.讨论与建议

在腹腔镜手术中，在利用超声刀、电刀及激光等设备对组织进行切割时，会破坏和汽化组织蛋白及脂肪形成手术烟雾，术者为保证手术视野清晰，需反复或始终开放穿刺套管排气阀，释放出大量手术烟雾。经研究证实，手术烟雾主要由水蒸气和以颗粒形态存在的细胞碎片组成，其中水蒸气约占95%，细胞碎片约占5%[1,2]。细胞碎片颗粒一般由化学物质、血液及组织碎片、活病毒、活性细胞和可诱导突变物质成分组成，烟雾浓度可达3×108/m3以上，且95%为粒径＜5μm的气溶胶颗粒[8,9]。其中，值得关注的化学成分包括多环芳烃、丙烯腈和氰化氢等，丙烯腈为无色挥发性液体，是具有较强毒性的氰化物，在被细胞和肺部吸收后可抑制细胞色素氧化酶活性，阻断细胞内的氧利用，具有致癌性[10]；氢化腈是无色的有毒气体，经皮肤或肺吸入后，可引起头痛、乏力、呕吐、呼吸困难等症状。

在腹腔镜手术中除了通过腹部穿刺引入内窥镜、光源和手术器械外，还需持续注入CO2气体以维持气腹，给手术医生创造足够的手术空间和优良的视觉条件，以便于手术顺利进行。开放气阀时，大量CO2伴随手术烟雾排出。腹腔镜手术期间排出的手术烟雾和CO2主要集聚在手术台上方，极易被正在手术的医护人员吸入，在手术室封闭环境中，空气中高浓度的CO2污染会导致手术室工作人员出现头疼、耳鸣、血压增加、呼吸急促、注意力不集中、四肢乏力等症状。同时，有研究表明，在腹腔镜手术的手术烟雾中一氧化碳浓度较高，一氧化碳是手术烟雾中最常见的有毒化学物质，它可在血液中与氧气竞争结合血红蛋白，使组织缺氧[11]。

总体而言，长期吸入上述化学成分对人体具有细胞毒性、基因毒性，也存在致染色体断裂和诱发基因突变的可能性。同时手术烟雾中含有的病原体如人乳头瘤病毒、乙型肝炎病毒或EB病毒会传染相应疾病[12]。手术烟雾可通过皮肤、肺、黏膜和眼睛侵入手术室内医务人员的体内，长期慢性侵入可能导致皮肤黏膜、上呼吸道刺激症状，同时伴有致癌、致畸、细菌、病毒感染等严重后果[13]。此外，手术期间产生的烟雾集聚在腹腔内，将对外科医生的术野造成干扰，可能会增加患者出血量，导致手术延迟。目前手术室配备的引吸系统虽然能有效地保持腹腔内充气压力，但在其运行过程中出现的一个问题是手术烟雾直接排放对医护人员的危害，配备的烟雾过滤系统并未考虑蒸汽和细胞碎片颗粒从腹腔排出而堵塞引吸管和过滤滤芯的问题，导致腹腔内手术烟雾清除不足，腹腔内蒸汽聚积以及视野模糊问题。本装置可有效防止手术烟雾堵塞引吸口和过滤滤芯，并减少或消除腹腔镜手术期间腹腔内烟雾和蒸汽的聚积。

目前，国内虽然在手术烟雾自动引吸装置方面进行了一些尝试，但大多数地区在腹腔镜手术期间仍采用传统的负压引吸装置清除手术烟雾[14,15]。由第一助手调节进气阀门维持腹腔气压，CO2直接排放至手术室空间，这种方式虽然可以通过控制CO2的注入保持气腹压力稳定，并利用注入的CO2气流带走手术烟雾，但这种方式要求第一助手时刻关注CO2的注入情况，使得第一助手无法全程及时配合手术；同时，手术烟雾未经过滤而直接排放，在将负压引吸管置于烟雾集中区域，利用负压引吸管清除这些烟雾时，势必会干扰到主刀医生的视野，同时，在助手配合手术期间，负压吸引管被放置一旁，此时产生的烟雾几乎会全部排放到手术室空间内。本装置为自循环烟雾过滤系统，在自动保持腹腔内压力的同时，自动引吸过滤手术烟雾，不需要人员的过多干预，在避免手术烟雾排放至手术室内的同时，也解放了人力，提升手术效率。

据美国职业安全与保健管理总署调查统计，每年约有5万包括外科医生、护士、麻醉师在内的医护人员暴露在手术烟雾中。为了减少手术烟雾对医务人员的危害，为医务人员的手术室工作提供健康的环境，美国国家职业安全和健康研究所和美国手术室护士联合会等机构陆续出台了一系列的管理政策和操作规范[16,17]。国内调查表明，目前国内手术室医护人员对手术烟雾危害的认知水平和防护能力较低，大多数医护人员不能够采取有效措施预防手术烟雾[18,19]。为了尽量降低手术烟雾的危害，建议在引入手术烟雾过滤系统等专业设备的同时，着重提升医护人员职业安全意识，开展职业安全防护教育，增强医护人员对手术烟雾危害的认知，规范电外科设备的正确使用，在个人防护方面，佩戴能够过滤手术烟雾的高效过滤性外科口罩、护目镜等。虽然手术烟雾仅在手术期间短暂产生，但长期健康危害是不容忽视的，在手术医护人员实际工作中，只有通过采取有效的防护措施，不断加强防护意识，才能使自身身体健康得到有效保障。