Nanoparticles in operating theatres : generation, distribution and removal

The aim of this Thesis is to investigate the generation, distribution and removal of nanoparticles in an operating theatre. In particular, one of the main purposes of this research is to identify a correct model for the distribution of nanoparticles in order to define guidelines for the design of a ventilation system, which is able to effectively control nanoparticles. Nanoparticles or Ultra Fine Particles are defined as particles with at least one dimension smaller than 100 nm. They are characterized by a large surface area to volume ratio and, as a consequence, they have high surface reactivity. Moreover, they have a high deposition rate in the respiratory tract. Due to their small dimension and to their physical characteristics, nanoparticles might lead to infections and diseases, especially in the respiratory tract. In addition, the filters which are normally used in current application present a drop in filtration efficiency in the size range of nanoparticles. Sources of Ultra Fine Particles might be typically found in combustion processes of everyday life. However, they might also have a medical origin and recent studies have focused on the generation of nanoparticles in operating theatres through surgical smoke, produced by electro cautery tools, in particular during open surgeries like orthopaedic surgery and liver resection. These instruments are based on diathermy, a physical therapy in which tissues are deep heated through high-frequency electrical current. During the research, experimental tests have been made in order to prove the efficacy of the two-airflows model in describing the distribution of nanoparticles in an operating theatre. Calf liver slices have been cut through the use of an electrosurgical knife which shifted thanks to an electrically driven tool. The particles and nanoparticles generated have been monitored and controlled. In particular, two points have been taken under consideration: a point under the ULPA filter and one virtual point representing the mean conditions of the airflow exiting from the extraction grids. The results showed the efficacy of the two-airflows model in describing the distribution of both particles and nanoparticles in the operating theatre. As a matter of fact, a visual comparison showed that the trend of movement and the concentration of nanoparticles of the two-airflows model can be applied to nanoparticles as well as particles. Moreover, it has been proved that the ULPA filter used, although very efficient in the size range of particles, presents a drop of efficiency for nanoparticles, which are present in high number also in the proximity of the ULPA filter. As a consequence, further studies on local exhaust systems are recommended in order to extract surgical smoke in the proximity of its generation site. In addition, the suggested configuration of a plant for an operating theatre would be of the kind with filters above the operating table and extraction grids in the lower part of the walls. Extraction grids should be placed on the ceiling too, in order to extract surgical smoke from the operating theatre and to avoid recirculation vortexes. It is also suggested to make use of a large filtering ceiling, in order to increase the dimension of the clean zone, where it is safe to perform surgical operations, and in order to maintain the recirculation vortexes external to the filtering ceiling and far from the operating table.

L’obiettivo di questa Tesi è di analizzare la generazione, distribuzione ed estrazione di nanoparticelle in una sala operatoria. In particolare, uno degli scopi principali di questo studio è l’identificazione di un modello corretto per la distribuzione delle nanoparticelle, al fine di definire linee guida per la progettazione di un sistema di ventilazione che sia in grado di controllare efficacemente le nanoparticelle. Le nanoparticelle o Particelle Ultra Fini sono definite come particelle che abbiano almeno una dimensione minore di 100 nm. Esse sono caratterizzate da un alto rapporto superficie su volume e, di conseguenza, un’elevata reattività superficiale. Inoltre, esse hanno un’alta velocità di deposizione del tratto respiratorio. A causa della loro ridotta dimensione e delle loro caratteristiche fisiche, le nanoparticelle potrebbero causare infezioni e malattie, in particolare nel tratto respiratorio. Inoltre, i filtri normalmente utilizzati nelle attuali applicazioni presentano un decadimento nell’efficienza di filtrazione nell’intervallo di dimensioni delle nanoparticelle. Tipicamente, le sorgenti di nanoparticelle possono essere identificate all’interno di usuali processi di combustione. Tuttavia, è possibile individuare anche una loro origine in campo medico e studi recenti si sono concentrati sulla generazione di nanoparticelle in sala operatoria dovuta al fumo chirurgico (surgical smoke), prodotto da strumenti per l’elettro cauterizzazione, in particolare durante operazioni a cielo aperto come chirurgia ortopedica e resezioni di fegato. Questi strumenti sono basati sulla diatermia, una tipologia terapeutica nella quale i tessuti vengono portati ad alta temperatura attraverso corrente elettrica ad alta frequenza. Durante la fase di ricerca, sono state svolte prove sperimentali al fine di provare l’efficacia del modello a due flussi per descrivere la distribuzione di nanoparticelle in una sala operatoria. Durante la fase sperimentale, delle fette di fegato di vitello sono state incise da un elettrobisturi, mosso da un motore elettrico, che scorreva su delle guide. Le particelle e nanoparticelle generate sono state monitorate e controllate. In particolare, sono stati presi in considerazione due punti: un punto sotto il filtro ULPA e un punto virtuale che rappresenta le condizioni medie del flusso in uscita dalle griglie di estrazione. I risultati hanno mostrato l’efficacia del modello a due flussi per descrivere la distribuzione in sala operatoria sia di particelle che di nanoparticelle. Infatti, il confronto visivo eseguito ha mostrato che il trend di movimento e la concentrazione di nanoparticelle del modello a due flussi possono essere applicati al caso delle nanoparticelle, così come a quello delle particelle. Inoltre, è stato dimostrato che il filtro ULPA utilizzato, sebbene molto efficiente nell’intervallo dimensionale delle particelle, presenta un calo di efficienza per le nanoparticelle, le quali sono presenti in numero elevato anche all’uscita dal filtro ULPA. Di conseguenza, si raccomandano ulteriori studi su sistemi di estrazione locale in modo da estrarre il fumo chirurgico nell’immediata prossimità del punto della sua generazione. Inoltre, la configurazione di impianto di ventilazione per una sala operatoria che viene suggerita dal presente studio è del tipo con filtri terminali al di sopra del piano operatorio e griglie di estrazione nella parte inferiore delle pareti perimetrali. Ulteriori griglie di estrazione dovrebbero essere poste anche sul controsoffitto, in modo da estrarre il fumo chirurgico dalla sala operatoria ed evitare vortici di ricircolo. Si suggerisce inoltre di fare uso di ampi plafoni filtranti al di sopra del tavolo operatorio, in modo da aumentare l’estensione della zona più pulita della camera bianca, nella quale risulta sicuro svolgere operazioni chirurgiche, e al fine di mantenere i vortici di ricircolo esterni ad essa e lontani dal tavolo operatorio.