超高無隔板高效過濾器在核醫學實驗室放射性氣溶膠控製中的應用 概述 在現代核醫學實驗室中，放射性同位素的廣泛應用使得實驗過程中不可避免地產生放射性氣溶膠。這些微小顆粒若未得到有效控製，可能通...
超高無隔板高效過濾器在核醫學實驗室放射性氣溶膠控製中的應用
概述
在現代核醫學實驗室中，放射性同位素的廣泛應用使得實驗過程中不可避免地產生放射性氣溶膠。這些微小顆粒若未得到有效控製，可能通過空氣傳播進入人體呼吸道，造成內照射危害，嚴重威脅工作人員健康與環境安全。因此，構建高效的通風與空氣淨化係統成為核醫學實驗室設計和運行的關鍵環節。其中，超高無隔板高效過濾器（Ultra Low Penetration Air Filter, ULPA Filter） 因其卓越的過濾效率、低阻力特性以及緊湊結構，在放射性氣溶膠控製中發揮著不可替代的作用。
本文將圍繞超高無隔板高效過濾器的技術原理、關鍵性能參數、在核醫學實驗室中的具體應用場景、國內外研究進展及其實際工程案例進行係統闡述，並結合權威文獻資料與技術標準，全麵分析其在保障核醫學實驗室空氣質量與輻射防護方麵的核心價值。
1. 放射性氣溶膠的危害與控製需求
1.1 放射性氣溶膠的來源與特性
在核醫學領域，常用的放射性核素如锝-99m（⁹⁹ᵐTc）、碘-131（¹³¹I）、氟-18（¹⁸F）等廣泛用於診斷與治療。這些核素在藥物合成、分裝、注射及患者代謝過程中可能以氣溶膠形式釋放到空氣中。根據國際放射防護委員會（ICRP）第66號出版物定義，氣溶膠是指懸浮於氣體介質中的固態或液態微粒，粒徑通常在0.001 μm至100 μm之間[1]。
放射性氣溶膠的健康風險主要取決於其粒徑分布、放射性活度、吸入劑量係數及停留時間。研究表明，粒徑小於5 μm的可吸入顆粒物（PM2.5–PM5）可深入肺泡區域，滯留時間長，導致較高的內照射劑量[2]。例如，¹³¹I揮發後形成的碘蒸氣和碘化物氣溶膠，可通過呼吸道迅速被甲狀腺吸收，增加甲狀腺癌風險[3]。
1.2 核醫學實驗室的通風要求
為有效控製放射性氣溶膠擴散，核醫學實驗室必須配備負壓通風係統，並采用多級過濾措施。中國《核醫學放射防護要求》（GBZ 120-2020）明確規定：放射性操作區域應設置局部排風裝置，排風需經高效過濾器處理後方可排放[4]。美國國家環境保護局（EPA）及核管理委員會（NRC）也要求醫療機構對含放射性物質的排氣進行HEPA或ULPA級別過濾[5]。
2. 超高無隔板高效過濾器的技術原理
2.1 基本結構與工作機理
超高無隔板高效過濾器（ULPA Filter）是一種用於去除空氣中亞微米級顆粒的終端過濾設備，其過濾效率遠高於傳統HEPA過濾器。與有隔板過濾器不同，無隔板設計采用波紋狀熱熔膠分隔超細玻璃纖維濾紙，形成密集折疊結構，顯著提升單位體積內的過濾麵積。
其核心過濾機製包括以下四種物理過程：
| 過濾機製 | 作用原理 | 適用粒徑範圍 |
|---|---|---|
| 慣性碰撞（Inertial Impaction） | 高速氣流中大顆粒因慣性偏離流線撞擊纖維被捕獲 | >0.5 μm |
| 截留效應（Interception） | 中等粒徑顆粒隨氣流接近纖維表麵時被吸附 | 0.1–0.5 μm |
| 擴散沉積（Diffusion） | 小顆粒受布朗運動影響與纖維接觸並附著 | <0.1 μm |
| 靜電吸引（Electrostatic Attraction） | 濾材帶靜電增強對中性顆粒的捕獲能力 | 全範圍，尤其<0.3 μm |
資料來源：ASHRAE Handbook—HVAC Applications, 2020[6]
值得注意的是，ULPA過濾器在0.12 μm粒徑處達到低穿透率（MPPS），其效率可達99.999%以上，遠優於HEPA過濾器（H13級效率≥99.97%，H14級≥99.995%）。
2.2 無隔板 vs. 有隔板過濾器對比
| 特性 | 無隔板高效過濾器 | 有隔板高效過濾器 |
|---|---|---|
| 結構形式 | 波紋鋁箔/塑料分隔，連續折疊 | 紙質或金屬隔板分隔濾紙 |
| 迎風麵積 | 大，節省空間 | 相對較小 |
| 初始阻力 | 低（約80–120 Pa） | 較高（約150–250 Pa） |
| 容塵量 | 中等 | 高 |
| 安裝靈活性 | 高，適合緊湊空間 | 受限 |
| 成本 | 中等偏高 | 較低 |
| 應用場景 | 淨化台、生物安全櫃、核設施 | 工業潔淨室、大型空調係統 |
數據來源：《空氣過濾器》（GB/T 13554-2020）[7]；Camfil Product Catalogue 2023[8]
3. 超高無隔板高效過濾器的核心性能參數
以下是典型ULPA無隔板過濾器的主要技術指標：
| 參數項 | 標準值 | 測試方法 |
|---|---|---|
| 過濾等級 | U15（EN 1822:2019）或 U16 | EN 1822-3:2019 |
| 效率（MPPS 0.12 μm） | ≥99.9995%（U15），≥99.99995%（U16） | 鈉焰法或計數法 |
| 額定風量 | 800–1200 m³/h（標準尺寸610×610×90 mm） | ASHRAE 52.2 |
| 初始阻力 | ≤100 Pa @ 1.0 m/s | GB/T 13554-2020 |
| 終阻力報警值 | 300–400 Pa | 現場設定 |
| 框架材質 | 鋁合金或鍍鋅鋼板 | — |
| 密封材料 | 聚氨酯發泡膠或矽膠 | — |
| 使用壽命 | 3–5年（視環境而定） | 實際監測 |
| 耐火等級 | Class A（不燃材料） | UL 586 |
注：U15對應DOP效率≥99.9995%，U16≥99.99995%[9]
國際標準化組織ISO 29463-2011將ULPA過濾器分為U15–U17三級，分別對應不同穿透率要求。美國DOE（Department of Energy）標準則規定核設施排氣係統必須使用不低於HEPA H14或ULPA級別的過濾器[10]。
4. 在核醫學實驗室中的應用模式
4.1 局部排風係統集成
在放射性藥物製備室（如熱室Hot Lab）、分裝操作台及PET/CT注射準備區，常采用負壓手套箱或生物安全櫃（BSC） 配置內置ULPA過濾器。例如，II級BSC（Class II Type B2）要求100%外排風，並通過ULPA過濾後排入大氣，確保操作人員與環境雙重保護[11]。
某三甲醫院核醫學科改造項目中，采用Thermo Scientific Herasafe VP型垂直層流櫃，配備U15級無隔板ULPA過濾器，實測對0.1 μm顆粒過濾效率達99.9998%，係統阻力僅為95 Pa，滿足長時間穩定運行需求[12]。
4.2 中央排風係統的末端過濾
大型核醫學中心通常設有集中式排風係統，各功能區廢氣匯總後經管道輸送至屋頂排放。在此類係統中，ULPA過濾器作為末端安全保障裝置安裝於風機出口前。中國科學院近代物理研究所蘭州重離子治癌中心在其放射性氣體處理係統中，采用了Camfil NanoFiber ULPA模塊，實現對¹²⁵I、⁹⁹ᵐTc氣溶膠的高效截留，現場檢測排放濃度低於探測限（<0.1 Bq/m³）[13]。
4.3 移動式淨化設備中的應用
針對臨時操作或應急場景，便攜式放射性氣溶膠淨化機逐漸普及。這類設備內置小型ULPA過濾單元，配合活性炭層吸附揮發性碘，形成“複合式淨化模塊”。清華大學核能與新能源技術研究院開發的RAD-Air係列移動淨化器，采用雙ULPA串聯設計，在模擬¹³¹I泄漏實驗中實現>99.999%去除率，且噪音控製在55 dB以下[14]。
5. 國內外研究進展與標準規範
5.1 國際研究動態
美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）長期致力於核設施空氣過濾技術研究。其2021年發表於《Health Physics》的研究指出，在模擬核事故條件下，ULPA過濾器對PuO₂氣溶膠（AMAD≈1 μm）的穿透率僅為0.0014%，顯著優於HEPA過濾器的0.018%[15]。該結果驗證了ULPA在極端工況下的可靠性。
歐洲原子能共同體（EURATOM）資助的FILTERSCAN項目（2018–2022）評估了多種ULPA濾材在高溫高濕環境下的性能衰減規律，發現納米纖維塗層濾紙在相對濕度90%條件下仍保持99.999%效率，推薦用於潮濕氣候區核設施[16]。
5.2 國內研究成果
中國疾病預防控製中心輻射防護與核安全醫學所於2020年開展“核醫學科氣溶膠擴散模擬與控製”課題，利用CFD軟件建立三維通風模型，結果顯示：當排風口配置U16級無隔板ULPA過濾器時，室內氣溶膠濃度下降速率比H13級提高47%，且死角區域累積量減少62%[17]。
浙江大學能源工程學院團隊研發出基於壓差反饋的智能ULPA更換預警係統，通過實時監測過濾器前後壓差變化，結合機器學習算法預測剩餘壽命，已在浙江省人民醫院核醫學科試點應用，維護成本降低約30%[18]。
5.3 主要標準與認證體係
| 標準名稱 | 發布機構 | 關鍵內容 |
|---|---|---|
| EN 1822:2019 | 歐洲標準化委員會（CEN） | ULPA分級測試方法，定義MPPS掃描檢漏程序 |
| ISO 29463:2011 | 國際標準化組織 | 提供ULPA效率分類框架 |
| GB/T 13554-2020 | 中國國家市場監督管理總局 | 明確ULPA過濾器技術要求與檢測流程 |
| DOE-STD-3020-2018 | 美國能源部 | 規定核設施用過濾器性能與質量保證 |
| JIS Z 8122:2019 | 日本工業標準協會 | 包括ULPA耐久性與抗震測試條款 |
資料來源：[19][20][21]
6. 實際工程案例分析
案例一：北京協和醫院核醫學科改造項目
- 背景：原有HEPA係統頻繁堵塞，排風效率下降。
- 解決方案：更換為AAF Flanders生產的MiniCel® ULPA無隔板過濾器（型號M-U15），尺寸610×610×90 mm。
- 實施效果：
- 初始阻力由180 Pa降至98 Pa；
- 年能耗節約約12,000 kWh；
- 排放口監測顯示¹⁸F-FDG氣溶膠濃度從1.2 Bq/m³降至0.03 Bq/m³；
- 通過CNAS認證檢測機構驗收。
案例二：上海質子重離子醫院放射藥房
- 挑戰：高活度¹²³I分裝作業產生大量揮發性氣溶膠。
- 技術方案：定製雙ULPA串聯過濾係統（U15 + U16），配備自動旁通閥與遠程監控平台。
- 運行數據：
- 總過濾效率達99.9999%；
- 係統連續運行18個月無故障；
- 工作人員個人劑量監測年均值<1 mSv，符合ALARA原則。
7. 安裝、維護與監測要點
7.1 安裝注意事項
- 必須確保過濾器邊框與安裝框架完全密封，推薦使用液槽式或刀邊式密封結構；
- 安裝方向應符合氣流箭頭標識，避免反向安裝導致濾紙塌陷；
- 建議配備初效+中效前置過濾器，延長ULPA使用壽命。
7.2 維護周期與更換判斷
| 判斷依據 | 正常範圍 | 警戒閾值 |
|---|---|---|
| 壓差表讀數 | 初始值1.5倍以內 | ≥300 Pa |
| 顆粒計數器檢測（下遊） | <1個/L（0.3 μm） | 連續3次超標 |
| 外觀檢查 | 無破損、無積塵 | 出現裂紋或變形 |
| 使用年限 | ≤5年 | 超期服役 |
建議每季度進行一次完整性掃描測試（使用冷煙發生器或氣溶膠光度計），參照ISO 14611標準執行[22]。
8. 發展趨勢與技術創新
隨著核醫學向精準化、自動化發展，對空氣淨化係統提出更高要求。當前技術演進方向包括：
- 智能化監測：集成物聯網傳感器，實現壓差、溫濕度、顆粒濃度實時上傳至BMS係統；
- 自清潔功能：研發具有疏水疏油塗層的濾材，減少粉塵粘附；
- 模塊化設計：支持快速更換與遠程診斷，適用於無人值守實驗室；
- 綠色節能：優化氣流組織，降低係統總阻力，匹配變頻風機運行。
德國曼胡默爾（MANN+HUMMEL）已推出SmartFilter係列ULPA產品，內置RFID芯片記錄生產、安裝、維護全生命周期信息，推動過濾器管理數字化轉型[23]。
參考文獻
[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. 核醫學放射防護要求. 北京: 國家衛生健康委員會, 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. 空氣過濾器. 北京: 中國標準出版社, 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 Biosesafety Cabinetry. National Sanitation Foundation, 2022.
[12] 李明等. 生物安全櫃在核醫學藥物操作中的防護效果評估. 中國輻射衛生, 2021, 30(3): 245–248.
[13] 張偉等. 重離子治療中心放射性廢氣處理係統設計. 原子能科學技術, 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] 中國疾控中心. 核醫學科氣溶膠擴散數值模擬研究報告. 內部資料, 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] 黃誌堅. 現代空氣過濾技術. 北京: 化學工業出版社, 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.
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