Development of a New Ventilation Solution for Surgical Microenvironment in Operating Rooms

Abstract

Postoperative infeksjoner står for 36% av helsetjenesteassosierte infeksjoner, og rammer årlig 3.3-3.6% av pasientene ved norske sykehus. Ved prosedyrer med mindre enn 3% infeksjonsrate, har luftkvalitet vist seg å være en kritisk faktor. Å optimalisere luktkvaliteten i operasjonsrom vil dermed redusere sykligheten blandt pasienter, og videre redusere pasientkostnader med opp mot to tredjedeler. Temperatur og relativ fuktighet i det kirugiske mikromiljøet vist seg å variere fra resten av operasjonsrommet, på grunn av avgitt varme fra kirgisk personell og utstyr. I tilegg oppnås ikke nødvendige hastigheter i mikromiljøet, på grunn av barierer som kirurigske lamper. Derfor har den nye ventilasjonsløsningen fokusert på en kombinert løsning som inneholder både kirurisk belysning og tilluft.

Prototypen som er evaluert i denne studien gir en flerakset stråle, og er tilknyttet en ventilasjonvifte som gir en luftstrømning mellom 15.2-22.9 l/s. Den indre strålen er designet som en perforert plate, mens den ytre strålen er ringformet. Luftstrømningsrate mellom indre og ytre stråle kan justeres ved hjelp av en ventil. 0˚ og 90˚ indikerer henholdsvis helt lukket og helt åpent for luftstrømningen å gå til indre stråle. Først ble eksperimenter utført i et testrom, uten ytterligere ventilasjonsystem, for å evaluere ulik vifteeffekt og ulike ventilvinkler. Videre ble eksperimentene utført i operasjonsrom lab med omrøringsventilasjon satt til 14 luftutskiftninger i timen, for å se hvordan prototypen påvirker miljøet i en realistisk situasjon. Til slutt ble simuleringer i Ansys FLUENT gjennomført, og teoretisk analyse av hastigheten nedenfor den nye ventilasjonsløsningen.

Tidlige resultat viste at ventil satt til 0˚ gir en small hastighetsprofil, dermed ble det raskt utelukket som den beste løsningen. Simuleringsresulatene validerte dette. Videre målinger gav ingen klare indikasjoner på optimal ventilvinkel mellom 45˚ og 90˚. Ingen av forsøkene gav bred nok stråle til å ventilere hele det ønskede området. Turbulensintensitet nær det kirurigiske mikromiljøet var litt lavere for 90˚, som kan indikere mindre omrøring med omliggende luft. Videre vises en påvirking fra omrøringsventilasjon på den nye ventilasjonsløsningen, da bredere stråler ble oppnådd i operasjonsrom enn i testrom. For å oppnå tilfredstillende hastigheter i hele det ønskende området kreves det et større system enn det som foreligger. For minimum luftstrømningsrate er hastighetskravene oppfylt og dermed tilfredstillende.

Ved å inkludere den nye ventilasjonsløsningen oppnår det kirurgisk mikromiljøet mindre avvik fra temperatur og relativ fuktighet målt i makromiljøet. Temperaturøkningen ble målt til å være mellom 4.4-5.2˚C uten prototypen, mens maksimum økning med prototypen var 0.75˚C. Relativ fuktighetendretsegfraetavvikmellom5.5-6.2%RH,tilmaksimumavvik på 0.98%RH. Under andre rom-og inntaksforhold ble maksimumavvik målt til 6.485˚C og 8.72%RH, mens prototypen gav avvik mellom 0.552.41˚C og 1.36-4.05%RH. I tillegg ble temperaturer på tvers av patienten målt til å ligge svært nært temperaturene i det kirurgiskemiljøet. I videre undersøkelser vil det være viktig å kontrollere inntaksforholdene, for å forstå hvilke temperatur og relativ fuktighet som gir optimal ventilering.

CFD-resulatene kan valideres av målingene fra testrommet og underbygger at modellen kan brukes til å studere inkrementelle designendringer. Overpredikering av hastigheter langt nedstrøms og underpredikering av tubulensintensitet tilsier at modellen fortsatt har forbedringsområder. En god approksimasjon for senterhastigheten U ble funnet gjennom teoretisk analyse.

Surgical site infections accounts for 36% of sosocomial infections and affects 3.3-3.6% of Norwegian surgical patients. In procedures with infection rates bellow 3%, air quality is discovered to be a critical factor. Optimizing air quality will reduce sickness of patients, in addition to reduce patient cost by up to two thirds. However, temperature and humidity in the SMiE differs significantly from overall room conditions due to internal gains from surgical staff and surgical equipment. In addition, desired air velocities is not necessary obtained as surgical lamps acts as an barriers to the air flow. Therefore, in the development of a new ventilation system a combined solution of both surgical lighting and ventilation was investigated.

The evaluated prototype is a coaxial jet connected to a ventilation fan, supplying a total air flow rate between 15.2-22.9 l/s. Inner jet is designed as a perforated plate, while outer jet is a annular diffuser. Air flow ratio between inner and outer jet can be adjusted by a internal valve, where 0˚ and 90˚ indicates fully closed and fully open access to inner jet, respectively.

First, experimental evaluation was performed in a testing chamber, containing no additional ventilation system, evaluating both different fan power and different valve angle. Secondly, experiments were performed in an operating room lab with mixing ventilation set to 14 air changes per hour, to investigate the performance in a realistic environment. Lastly, simulations were performed in Ansys FLUENT and theoretical analysis of properties downstream the new ventilation solution was carried out.

Early results revealed a more narrow velocity profile for valve set to 0˚, eliminating a closed valve as the better solution. Simulation results supports the decision. However, no clear preference between 45◦ and 90◦ was obtained. None of the valve positions gave a jet stream wide enough to ventilate the desired area. TI near SMiE was slightly lower for 90˚, which could reduce mixing with surrounding air. Further, an impact of mixing ventilation system was found, as wider air streams was observed for OR lab than testing chamber. To obtain a sufficient velocity across the entire surgical bed a larger ventilation system is required. Whereas as for air flow rate, minimum is found sufficient to obtain the required velocity in surgical microenvironment.

A surgical microenvironment with temperature and relative humidity closer to room conditions is clearly achieved by including the new ventilation system. From a temperature increase of 4.4-5.2 ˚C without, the greatest deviation was 0.75˚C with the prototype. Relative humidity changed from a deviation between 5.5-6.3%RH, to a maximum of 0.98%RH. Under different room and inlet air conditions, a maximum difference of 6.48˚C and 8.72%RH appeared without, while ranging between 0.55-2.41˚C and 1.36-4.05%RH with the prototype. In addition, temperatures measured across and above the patient was found to be close to temperature in surgical microenvironment.

In further experimental research, control of air inlet conditions is necessary to understand which temperature and relative humidity is optimal for ventilation of the surgical microenvironment. Valid simulation results are obtained, compared with results from testing chamber. A useful model is created, supporting that investigation of incremental design changes can be done through CFD simulations. However, overprediction in velocities far downstream and underprediction of turbulence intensity suggests that the model has some areas of improvement. From theoretical analysis, a good approximation of centerline velocity U is found.