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新冠期间呼吸通路过滤器的选择

为了防止新冠病毒扩散、传播,我们主要依赖两种重要的过滤系统:手术室和/或重症监护室(ICU)使用人工呼吸系统时的回路过滤器和面罩式呼吸器。

自2020年初新冠疫情暴发以来,全球已有一亿多人被确诊,三百多万人失去了生命。COVID-19引发的全球危机已渗透到我们医疗体系的各个方面。为了防止新冠病毒(SARS-CoV-2)扩散、传播至患者、医护人员、设备和环境中,我们主要依赖两种重要的过滤系统:手术室和/或重症监护室(ICU)使用人工呼吸系统时的回路过滤器和面罩式呼吸器

 

麻醉机和呼吸机需要过滤器来净化空气和防止交叉污染。具有高效粒子截留能力的过滤器,被称为HEPA过滤器。[1] 麻醉师协会(ASA)建议在呼吸回路Y形件和患者面罩、气管插管或喉罩气道之间放置HEPA过滤器。[2]

 

然而,市面上有众多种类的呼吸通路过滤器,不同制造商在讨论过滤效率水平时,其标准是否相同?COVID-19流行期间,如何选择高性能的呼吸通路过滤器?

 

本文将具体介绍麻醉和呼吸通路过滤器类型、测试标准/规范,过滤器选择需注意的关键参数

 

麻醉和呼吸通路过滤器类型

  • 折叠式机械过滤器

 

折叠式机械过滤器具有一层厚的结构致密的疏水滤膜,通过物理方式拦截有机体。滤膜通过折叠增加过滤面积,降低对气流的阻力。它们通常具有非常高的过滤效率,当放置在靠近气道的位置时,可实现热量和水分交换功能。这类过滤器在潮湿的环境中使用时,仍然具有高效的过滤性能。[3]由于滤膜为疏水材料,能够有效阻止液体透过。相比静电过滤器,折叠式机械过滤器的成本往往更高,内部容积也比静电过滤器大。

 

图1 折叠式机械过滤器示意图

  • 静电过滤器

 

静电过滤器由一层薄的结构较为松散的静电纤维膜构成。对于给定的表面积,它们对气流的阻力较小,因此无需折叠。静电膜过滤器的过滤效率通常比折叠膜机械过滤器低1000倍[3] 在潮湿的环境中,过滤器的静电作用会逐渐减弱,甚至消失。液体很容易透过静电膜过滤器 [4],存在潜在的交叉污染风险。

 

 

图2 静电过滤器示意图

图3 折叠疏水膜与静电膜结构对比[5]

  • 热湿交换过滤器(HMEF)

 

热湿交换(HME)设备本身没有过滤性能。采用静电膜或折叠式机械过滤膜的HMEF具有热湿交换功能及过滤性能。需要注意的是,HMEF只有在靠近气道、位于双向气流的位置时才能有效发挥热湿交换功能,它们在呼气时保留水分,在吸气时释放水分。[5]

 

 

如何测试和评价呼吸通路过滤器的过滤性能?

  • 颗粒过滤

 

1. ISO 23328-1:麻醉和呼吸用呼吸系统过滤器

 

ISO 23328-1为测试呼吸通路过滤器过滤效率的国际标准[6],该标准描述了氯化钠试验方法,对0.1μm至0.3μm气载氯化钠颗粒的数量进行量化,以预期使用期间的气流速度经过过滤器进行挑战测试*。过滤器在湿空气中预处理,以模拟一段时间的临床使用,然后再进行测试。

 

*儿童和成人过滤器分别用0.1 mg或0.2 mg氯化钠颗粒以15 L/min或30 L/min的速度挑战;

采用干燥的、不带静电的氯化钠颗粒进行挑战,因为它们很难被捕获;

测试结果为过滤效率百分比,即挑战中未通过过滤器的颗粒百分比。

 

该方法没有评估对液滴和气溶胶的过滤性能,也不适合用于测试微生物的过滤性能,缺乏临床相关性证明。该标准也没有规定过滤效率的最低阈值

 

2. IEST-RP-CC001: HEPA和ULPA过滤器[7]

 

测试用于洁净空气装置和洁净室的过滤器的性能。HEPA过滤器即高效微粒空气过滤器,能去除99.97%的直径为0.3微米的微粒

 

ISO 23328与HEPA试验方法的主要区别在于:ISO 23328只描述了测试方法,没有规定产品过滤效率的阈值标准;ISO 23328要求在干燥(预处理)和潮湿(后处理)两种条件下对产品进行测试。

 

 

  • 微生物过滤

 

1.  ASTM F2101–19

 

使用金黄色葡萄球菌的生物气溶胶评估医用面罩材料的细菌过滤效率(BFE)的标准试验方法。[8]

 

2. 枯草芽孢杆菌或MS-2噬菌体生物气溶胶测试

 

Wilkes等人[9]描述了使用枯草芽孢杆菌或MS-2噬菌体生物气溶胶测试呼吸通路过滤器的类似方法。

 

在这两种方法中,细菌或病毒的悬浮液被雾化成平均3.0μm的液体颗粒,并通过下游的真空吸入滤膜中。任何通过过滤器的物质都会被捕获到营养液或培养皿中。

 

过滤效率百分比的计算方法是:将过滤器下游培养的颗粒数除以上游培养的颗粒数

 

需要注意的是,细菌和病毒的过滤效率很大程度上和实验条件有关。 接种量、使用的微生物的类型、还有实验条件(使用的材料,悬浊液种类,气体流速和实验时长)都会影响实验的结果。由于目前还没有针对呼吸通路过滤器细菌和/或病毒过滤效率的统一测试标准,因此,即使不同制造商声称的对微生物的过滤效率相同,但实际过滤性能却并不一定相同。原因在于,测试过滤器效率时所采用的微生物接种量和类型(/大小)、实验条件存在差异

COVID-19流行期间,如何选择高性能的过滤器?

临床医生应了解呼吸通路过滤器的规格参数。这些可从制造商的网站或热线、产品资料、在线和期刊文章中找到。[3,4] 重要参数包括:

 

  • 细菌和病毒过滤效率(%-越高越好)
  • NaCl或盐过滤效率(%-越高越好)
  • 气体阻力(给定气流速度下的压降(单位:Pa或cmH2O,单位:L/min)越低越好)
 
需要注意的是,当过滤器在潮湿条件下,其之前的参数(例如,过滤效率和气体阻力)是否受到影响或发生改变?
 
  • 内部体积(越低越好)
  • 加湿性能(水分损失,mgH2O/L air-越低越好),或(水分输出,mgH2O/L air,越高越好)。
 
 
 
 

参考文献

[1] Australian & New Zealand College of Anaesthetists. PS28 Guideline on infection control in anaesthesia 2015. Available at: https://www.anzca.edu.au/safety-advocacy/standards-of-practice/policies,-statements,-and-guidelines Accessed July 6, 2020.

[2] Association of Anaesthetists of Great Britain & Ireland. Guidelines: infection prevention and control 2020. https://anaesthetists.org/Portals/0/PDFs/Guidelines%20PDFs/Infection_Control_Guideline_FINAL%202020.pdf?ver=2020-01-20-105932-143 Accessed July 6, 2020.

[3] Wilkes A. Breathing system filters: an assessment of 104 breathing system filters. MHRA Evaluation 04005. March 2004 https://www.psnetwork.org/wp-content/uploads/2018/01/An-assessment-of-104-breathing-system-filters-MHRA-Evaluation-04005-2004-.pdf Accessed July 6, 2020.

[4] Wilkes AR. The ability of breathing system filters to prevent liquid contamination of breathing systems: a laboratory study* APPARATUS. Anaesthesia. 2002;57:33–39.

[5] Cann, et al., The pressure required to force liquid through breathing system filters. Anaesthesia, 2006, 61, pages 492–497

[4] Wilkes AR. Heat and moisture exchangers and breathing system filters: their use in anaesthesia and intensive care. Part 1–history, principles and efficiency. Anaesthesia. 2011;66:31–9.

[6] International Organization for Standardization. Breathing system filters for anaesthetic and respiratory use — Part 1: Salt test method to assess filtration performance. (ISO 23328-1:2003) https://www.iso.org/standard/35330.html Accessed July 6, 2020.

[7] Institute for Environmental Sciences and Technology. HEPA and ULPA Filters. (IEST-RP-CC001) https://www.iest.org/Standards-RPs/Recommended-Practices/IEST-RP-CC001 Accessed July 6, 2020.

[8] ASTM International. Standard test method for evaluating the bacterial filtration efficiency (BFE) of medical face mask materials, using a biological aerosol of Staphylococcus aureus. (F2101 – 19) https://compass.astm.org/EDIT/html_annot.cgi?F2101+19 Accessed July 6, 2020.

[9] Wilkes AR, Benbough JE, Speight SE, et al. The bacterial and viral filtration performance of breathing system filters. Anaesthesia. 2000;55:458–465.

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