Evaluation of different mixing airflow distribution methods for operating rooms

Abstract

Bakgrunn: Nyere studier har vist at det er mulig å oppfylle det ultra-rene kravet(10CFU/m3) for operasjonsrom(OR) utstyrt med blandingsventilasjon(MV). Variasjoner i målt CFU-nivå eksisterer imidlertid mellom operasjoner, noe som leder til usikkerhet om hvor konsekvent MV klarer å oppfylle kravet. Studier har antydet at aktivitetsnivået til det kirurgiske personalet er en viktig faktor som påvirker CFU-nivået, men få studier har kvantifisert denne hypotesen. Andre faktorer er: antall personale til stede, type bekledning som brukes, trafikknivå inn/ut av OR og luftfordeling. Undersøkelser har blant annet vist at innredningen i rom som er utstyrt med MV og plasseringen av avtreksventiler kan påvirke forurensningskonsentrasjonen.

Metode: Fem, 2-timers lange, standardiserte leke-operasjoner har blitt gjennomført i en ekte MV OR, hvor 5 kirurgiske medlemmer + 1 pasient, iført renromsdrakter og kirurgisk lue som grunnbekledning, var tilstede. I 4 av 5 lekeoperasjoner, i tillegg til grunnbekledningen, brukte kirurgene og steril sykepleieren tradisjonelle kirurgiske frakker og hetter, mens distribusjon -og anestesi sykepleieren brukte kun kirurgiske hetter. I 1 leke-operasjon brukte det kirurgiske teamet et ”Surgical helmet system”(SHS). En forhåndsdefinert individuell bevegelses- og handlingsplan ble gjennomført av hvert medlem av det kirurgiske personalet, og lekeoperasjonen ble delt i tre faser basert på aktivitetsnivået: 1.kirurgisk-snitt fase (0- 50min), 2.innsetting av protese fase (50-83min) og 3. lukking av sår fase (83-120min). I tre lekeoperasjoner ble det i tillegg lagt til en 20 minutters stille-stående fase der det kirurgiske personalet stod helt i ro, før den aktive delen av operasjonen startet. Kirurgisk-snitt og lukking av sår fasen hadde en veldig lik aktivitetsfordeling, som involverte generelle kirurgiske aktiviteter (kirurger gjør rolige aktiviteter i såret, logistikk til/fra det kirurgiske feltet). Innsetting av protese fasen var ulik de to andre ved at hoved kirurgen gjorde hamrende og ristende bevegelser med armene, assistent kirurgen gjorde knebøy bevegelser og den sterile sykepleieren gjorde ristende bevegelser med armene. 10 minutter lange CFU/m3 prøver ble tatt i operasjonssår -mikromiljøet med en aktiv luftprøvetaker gjennom hele operasjonen, og resultatene ble brukt til å evaluere forskjellen i målt CFU/m3 når:

1. det kirurgiske teamet utførte kirurgiske aktiviteter, mot at de stod helt i ro 2. det kirurgiske teamet gjorde kirurgiske aktiviteter som hadde ulik intensitet 3. det kirurgiske teamet brukte konvensjonell operasjonsfrakk, mot at de brukte et SHS

Det ble brukt en konstant-konsentrasjon sporgass-metode, med N2O som sporgass, til å evaluere den lokale ventilasjonsindeksen i fireforskjellige punkter i en fullskala OR-lab. Labben ble ventilert med 26 luftskifter per time(ACH), den var innredet som en ekte OR og hadde et tilsvarende internt varmetilskudd som en ekte OR. Labben var utstyrt med fire tillufts ventiler, plassert i hver sin kvadrant i taket på labben, slik som anbefalt i HTM 03-01 anbefalingen. Fire avtrekksmoduler som var utstyrt med et høyt og et lavtstående avtrekk ble fordelt til hvert sitt hjørne av OR-labben, slik det er påkrevd i DIN 1946-4 for referanse testrom som brukes til ytelsesmåling av laminær luftstrøm ventilasjons enheter. En konstant mengde sporgass ble spredt fra halsområdet til det kirurgiske personalet(n = 5), som var representert av sylindriske-termiske dukker. Målepunktene var: tilførselsluften, operasjonssår-mikromiljøet, lavt og høyt stående avtrekk på den ene avtrekksmodulen, og en i det lavtstående avtrekket i en modul som stod i det diagonale hjørnet av den førstnevnte modulen. Spor-gassmålingene ble brukt til å:

1. evaluere den lokale ventilasjonsindeksen i operasjonssår-mikromiljøet 2. evaluere forbedringer som kan gjøre med luftfordelingen, slik at ventilasjonsindeksen i operasjonssår-mikromiljøet forbedres. 3. bruke resultatene til å evaluere om det kan gjøres forbedringer i luftfordelingen på en ekte operasjonsstue, som har en liknende innredning, og et liknende ventilasjonssoppsett og internt varmetilskudd.

Lufthastigheten ble målt tre ganger ved tre forskjellige anledninger, for 27 forskjellige punkter i oppholdssonen og i operasjonssår-mikromiljøet i OR-labben. Måletiden var 3 minutter for hvert punkt og målingshøyde var 1,7m for de fleste punkter. Problemstillingen var: Kan luftmengdene i en ekte MV OR økes fra 22,5 til 26 ACH, uten å overskride 0,3m / s -grensen i oppholdssonen fra HTM 03-01?

Resultat: Den gjennomsnittlige CFU/m3 konsentrasjonen for de 5 lekeoperasjonene var 12,9. I tre lekeoperasjoner var CFU-nivået under eller lik det ultra-rene kravet. Gjennomsnittlig CFU-nivå i disse forsøkene var 8,5, mens gjennomsnittet for de to forsøkene som ikke oppfylte det ultra-rene kravet, var 19,4. Den høyeste CFU konsentrasjonen ble målt i eksperiment 1, hvor SHS ble brukt (gjennomsnittlig 23,4 CFU/m3). Det skjedde en døråpning i 3 av 5 lekeoperasjoner. Gjennomsnittlig CFU/m3 -nivå for den stillestående fasen var 2,5, noe som tilsvarer en reduksjon på6CFU (71%) sammenlignet med gjennomsnittet i de aktive periodene fra de samme operasjonene. Gjennomsnittlig CFU/m3 -nivå i kirurgisk-snitt fasen, innsetting av protesen fasen og lukking av sår fasen i de fem lekeoperasjonene var henholdsvis; 11,8, 13,4 og 12,9 (SD: 0,67). En lokal ventilasjonsindeks på0,79 ble målt i operasjonssårmikromiljøet i OR-labben, mens indeksen i avtreksventilene var: 0,47 og 0,60 for henholdsvis høyt og lavtstående avtreksventiler på en modul og 1,24 for den lavtstående ventilen som var plasser i det diagonale hjørnet av den førstnevnte modulen. Lufthastigheter målt ved veggene viste hastigheter mellom 0,27-0,51 m/s, mens den høyeste hastigheten som ble målt ellers i labben var 0,24m/s.

Konklusjon: En MV OR kan oppfylle det ultra-rene kravet ganske konsekvent dersom de rette forholdene er tilstede. Enkelte operasjoner kan imidlertid avvike vesentlig fra dette, selv om de rette betingelsene er oppfylt. Hvis det ultra-rene kravet skal oppfylles, må det kirurgiske teamet ha på seg renromsdrakter, antall døråpninger må holdes på et absolutt minimum, og aktivitetsnivået til det kirurgiske personalet må holdes på et lavt nivå. Mengde personale som er til stede er mindre viktig sammenliknet med aktivitetsnivået. 10-11 personer som har på seg renromsdrakter kan være til stede på stuen, og fortsatt innfris det ultra-rene kravet, det vil si; hvis aktivitetsnivået og trafikk-nivået holdes på et bevist lavt nivå. Våre resultater viser at en person som utfører kirurgiske aktiviteter, sprer samme mengde bakterier til luften under operasjonen, som 3,4 personer som står stille. Aktivitetsnivå sammen med trafikk inn/ut av OR er den viktigste årsaken til høy CFU/m3 under operasjon. SHS ser ikke ut til å redusere CFU/m3 nivået i en MV OR sammenlignet med bruk av konvensjonell operasjonsbekledning. Men, det bør utføres flere eksperimenter der hanskene er tapet over ermene til SHS og at det brukes en kirurgisk hette under SHS som er stappet inn under renromsdrakten, for å gi et bedre sammenligningsgrunnlag. Den lokale ventilasjonsindeksen målt i operasjonssår-mikromiljøet i OR-laben antyder at; for en OR som er utstyrt med et diffusor-layout som anbefalt i HTM 03-01, og et avtrekksoppsett som anbefalt i DIN 1946-4, som ventilers med 26 ACH og som er innredet som AHL OR-1 ved St.Olavs sykehus, vil det være nært fullstendig omrøring i operasjonssår-mikromiljøet. Ved å redusere avtrekksmengden fra det lavtstående avtrekket som målte en ventilasjonsindeks på 1,24 og øke avtrekks mengde ved høyt og lavt stående avtrekk ved avtrekksmodulene som målte ventilasjonsindekser på 0,47 og 0,60, vil det oppnås en forbedring i lokal ventilasjosindeks for operasjonssår-mikromiljøet. Resultater og konklusjoner basert på sporgass-målingene i denne oppgaven må sees på med et kritisk blikk, på grunn av mulig dårlig distribusjon av sporgass nært utslippspunktet. Videre forskning er nødvendig for å vurdere om N2O-sporgass kan brukes som markør for å simulere hud flak, som er den viktige forurensningen åta hensyn til når det gjelder post-operative infeksjoner. En MV OR kan ventileres med 26ACH og fortsatt ha en lufthastighet under 0,3m/s i oppholdssonen slik som anbefalt i HTM 03-01, men hastigheten ved veggene vil være over denne grensen. Flere målinger må gjøres i oppholdssonen ved høyder lavere enn 1,7m for å bekrefte denne konklusjonen. Ved å bruke diffusorer som ikke utnytter Coanda-effekten, kan ACH økes, eller lufthastigheten nær veggene til OR kan reduseres. Sporingsgassmålingene som ble utført i OR-laben, tyder på at det kan være en resirkuleringssone av tilførsels luft fra en diffusor som er plassert i nærheten av den ene avtrekksmodulen i en ekte OR, som skyldes blokkeringer av luftstrømmer fra medisinsk utstyr og konvektive varmestrømmer. Dette vil føre til kortslutning av tilførselsluften, og kan dermed føre til forhøyede CFU/m3 nivåer. Hvis dette er tilfelle, og man reduserer avtrekksmengden fra avtrekkene i resirkuleringssonen og øker avtrekksmengdene fra avtrekkene på den motsatte veggen, vil mest sannsynlig effekten av kortslutning reduseres.

Background: Recent studies have shown that it is possible to fulfill the ultra-clean requirement (10CFU/m3) for operating rooms(ORs) equipped with mixing ventilation(MV). However, variations in the measured CFU-level between operations is seen, which leads to an uncertainty about how consistently it is able to fulfill the requirement. Studies have suggested that the activity level of the surgical staff is one important factor affecting the CFU-level, but few studies have quantified this parameter. Other factors are: amount of people present, type of clothing worn, traffic level in/out of the OR and air distribution. Studies have shown that the furnishing in room equipped with MV and the location of exhaust grills may influence the pollutant concentration.

Method: Five, 2hour long, standardized mock-up surgeries have been carried out in an actual MV OR, in which 5 surgical staff members + 1 patient, wearing a clean air suit and surgical cap as a clothing base layer, was present. In addition to the base layer, in 4 of 5 mock-ups the surgeons and sterile nurse wore conventional surgical gowns and surgical hoods, and the distribution and anaesthetic nurse wore surgical hoods. In 1 mock-up the surgical team wore a surgical helmet system. A predefined movement and action plan was made for each member of the staff, and the mock-up was divided in three phases according to the activity level: 1.incision (0-50min), 2.joint replacement (50-83min,) and 3.wound closure phase (83-120min). In three mock-ups, a 20min stand-still period was added before the start of the procedure. The incision and wound closure phase had a very similar activity distribution, which involved general surgical activities(Surgeons fiddling inside the surgical wound, and logistics). The joint replacement phase differed from the two other by a hammering and shaking of arms action performed by the main surgeon, squatting action by the assistant surgeon, and shaking of arms action by the sterile nurse. 10min CFU/m3 samples were taken in the surgical-site microenvironment with an active air sampler throughout the mock-ups, and the results used to evaluate the difference in measured CFU/m3, when:

1. the surgical team were performing surgical activities versus when they were standing still 2. the surgical team were performing different surgical activities 3. the surgical team wore conventional surgical gowns and surgical hoods, versus when they wore a surgical helmet system

The steady-state tracer-gas method, utilizing N2O as tracer-gas, was used to evaluate the local ventilation index of four different locations in one full-scale OR-lab. The lab was ventilated with 26ACH, furnished like a real OR and had a similar internal heat gain as a real OR. The lab was equipped with four diffusors, each placed in one quadrant of the ceiling as recommended in the HTM 03-01 guideline. Four exhaust modules, each consisting of one low-placed and one high-placed grill, was placed close to each corner of the lab, as required in DIN 1946-4 for reference test rooms used for performance evaluation of LAF units. A constant amount of tracer-gas was released from the neck area of the surgical team(n = 5), which were represented by cylindrical thermal dummies. The measurement locations were: supply air, surgical-site microenvironment, low and high exhaust grill of one exhaust module, and one in the lower exhaust grill of a module in the diagonal corner. The tracer-gas measurements was used to:

1. evaluate the local ventilation index in the surgical-site microenvironment 2. evaluate improvements that can be made to the air distribution so that a higher local ventilation index can be achieved in the surgical-site microenvironment 3. Use the results to evaluate if improvements can be made on the ventilation system of a real MV OR that have a similar furnishing/equipment and ventilation layout

Air velocity was measured 3 times on three different occasions, for 27 different points in the occupied zone and the surgical-site microenvironment, of the OR-lab. Sampling time was 3 minutes for each point and measuring height was 1,7m for most points. The research question was: Can the airflow rate in one real MV OR be increased from 22,5 ACH to 26ACH, without exceeding the 0,3m/s limit in the occupied zone as suggested in HTM 03-01?

Results: The average CFU/m3 for the five mock-ups were 12,9. In three mock-ups, the CFU level was below or equal to the ultra-clean requirement. The average CFU-level from these experiments was 8,5, while the average for the two experiments which did not meet the ultra-clean requirement, were 19,4. The highest CFU/m3 level is found in experiment 1, where SHS were used(average 23,4 CFU/m3). One door-opening occurred in 3 of the 5 mock-ups. The average CFU-level for the stand-still period was 2,5, which makes a 6CFU(71%) reduction compared to the average of the active periods in the mock-ups which the stand-still phase was added. The average CFU/m3 in the incision, joint replacement and wound closure phase of the five mock-ups was 11,8, 13,4 and 12,9 respectively(SD:0,67). A local ventilation index of 0,79 was seen in the surgical-cite microenvironment of the OR-lab, while the different exhausts measured: 0,47 and 0,60 for upper and lower exhaust grill of one module, respectively, and 1,24 for the lower exhaust of the module located in the diagonal corner. Air velocities near the walls showed values ranging from 0,27-0,51m/s while the highest velocity else in the lab was 0,24m/s.

Conclusion: A MV OR can meet the ultra-clean requirement quite consistently if the right conditions are present. However, single operations can deviate quite substantially from this, even when the right conditions are present. If the ultra-clean requirement is to be met in MV ORs, the surgical team needs to wear clean air suits, door openings must be kept at an absolute minimum and the activity level of the surgical staff needs to be kept at a low level. The amount of people present in to OR is less important compared to the activity level taking place during surgery. 10-11 people wearing clean air suits can be present and the OR can still fulfill the ultra-clean requirement, that is; if the activity and traffic level is adjusted accordingly. Our results show that one person who is performing surgical activities, disperses the same amount of bacteria to the air during surgery, as 3,4 persons standing still. Activity level together with traffic level in and out of the OR is the most significant reason for high CFU/m3during surgery. SHS do not seem to reduce the CFU/m3level in a MV OR, compared to using regular OR clothing. However, more experiments should be carried out in which the gloves are taped over the cuffs of the SHS, and a surgical hood is worn under the SHS, which is tucked in under the clean air suit, to have a better comparison basis between the two clothing systems. The ventilation index of the surgical-site microenvironment in the OR-lab suggests that; for an OR that is equipped with a diffuser layout as recommended in HTM 03-01, exhaust layout as recommended in DIN 1946-4, ventilated by 26ACH and which is furnished like AHL OR-1 at St.Olavs Hospital, can expect close to fully-mixed conditions in the surgical-site microenvironment. By reducing the airflow rate from the lower exhaust grill which measured a ventilation index of 1,24 and increase the amount exhausted air from the upper and lower exhaust which measured a ventilation index of 0,47 and 0,60, a reduction in the tracer-gas concentration in the surgical-site microenvironment is likely to occur. The results and conclusions based on the tracer-gas measurements in this thesis must be questioned as of probable poor distribution of tracer-gas near the release point. Further research is needed to evaluate if tracer-gas can be used as a marker to simulate the behaviour of skin scales, which is the pollutant source of concern in relation to surgical site infections. 26 ACH can be delivered in an OR equipped with MV and still the HTM 03-01 limit of 0,3m/s is maintained for all parts of the room, except near the walls. More measurements is needed in the occupied zone of heights less than 1,7m to verify this conclusion. By using diffusers which do not utilize the Coanda effect, the ACH can be increased, or the air velocity close to the walls of the OR can be reduced. The results from the tracer-gas measurements performed in the OR-lab, suggests that there might be a re-circulation zone of supply air near two of the exhaust grills, in one real MV OR, which is caused by blockages of air flows from medical equipment and convective flows. This would lead to some short-circuiting of the supply air, and may so lead to elevated CFU/m3levels. If being the case, reducing the airflow rate from the grills of concern, and increase airflow rate of the grills placed on the opposite wall would probably reduce the short-circuiting.