A novel ventilation system for hospital hybrid operating rooms.Prototype design and experimental campaign to measure system's performances

Hospital Operating Rooms (ORs) have very special requirements for indoor environmental design. Consequences of poor ventilation design in operating rooms can be very critical, leading to higher infection rates among patients, reducing the performance and affecting the health of the surgical staff. Surgical Site infections (SSIs) are proven to be one of the leading complications in surgeries. These infections occur in the wound of the patient created by an invasive surgical procedure. A way to reduce the incidence of SSIs is to reduce the deposition of bacteria into the open wound and this can be obtained with a better ventilation system. The quality of air ventilation system and the aseptic condition of the indoor environment in the OR, due also to the growing impact of antibiotic resistance, are considered a key factor for preventing surgical infections. To reduce the problems related to SSIs several ventilation systems have been proposed over the years. The basic idea behind them is to “clean” as much as possible the air in the OR; this goal is pursued with the provision and diffusion of clean air filtered with High Efficiency Particulate Air filters (HEPA). In the light of all the above issues, it becomes clear that designing an OR’s Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) system it’s a complex procedure that needs adequate methods and accurate performance calculations. The system’s performances calculation methods require studies and validation procedure in prototype or in a mock-up OR. In this thesis, the goal has been to deepen the knowledge of a novel air diffusion system developed by Halton, intended for use in ORs and clean environments. The specific aims of this work have been to size the ventilation system for a Hybrid OR, to build a mock-up OR and to plan, to perform and to analyze the experimental measurements which could lead to verify that the system works correctly. Hybrid ORs are intended to be Operating Room able to combine advaced imaging capability using devices such as C-Arms, CT (computed tomography) scabbers or MRI (Magnetic resonance imaging) with a fully functioning operating suite. The Hybrid OR configuration allows surgeons to combine a diagnostic procedure (by using real-time image guidance) with a thearapeutic one, thus giving better surgical outcomes and at the same time being less traumatic for the patient. After a review and analysis of standards and regulations about Operating Room’s ventilation systems and an appraisal of characteristics of Hybrid ORs, a real OR case has been chosen. For this case, the design and sizing were conducted with the help of Computational Fluid Dynamic (CFD) technology. Thereafter a 1:1 scale mock-up has been realized in the experimental hub of Halton, and the solution has been tested and evaluated.

Le sale operatorie ospedaliere richiedono particolari requisiti relativi alla progettazione dei sisitemi di ventilazione. Le conseguenze di un sistema non correttamente progettato possono essere molto critiche, causando un tasso più elevato di infezioni tra i pazienti e riducendo le performance dello staff chirurgico. Le infezioni del Sito Chirurgico sono una delle principali complicazioni nelle operazioni chirurgiche. Queste infezioni hanno luogo nelle ferite dei pazienti causate da operazioni chirurgiche invasive. Un modo per ridurre le infezioni è quello di ridurre la frequenza con cui i batteri si depositano nelle ferite aperte e ciò può essere ottenuto con un miglior sistema di ventilazione. Per ridurre i problemi relativi alle infezioni diversi sistemi di ventilazione sono stati proposti negli anni. L’idea alla base di ognuno di essi è di pulire il più possibile l’aria nella sala operatoria; questo obiettivo è perseguito con la diffusione di aria pulita, filtrata con filtri a ad alta efficienza. Alla luce di tutte le problematiche indicate, risulta chiaro che la progettazione di un sistema di ventilazione per una sala operatoria è una procedura complessa che necessita metodi adeguati e calcoli precisi delle prestazioni. In questa tesi, l'obiettivo è di approfondire un nuovo sistema di diffusione dell'aria sviluppato dalla società finlandese Halton e destinato ad essere utilizzato in Sale operatorie e ambienti puliti. I principali aspetti su cui si articola il lavoro sono: dimensionamento del sistema di ventilazione per una sala operatoria ibrida, costruzione di un modello mock-up e realizzazione di una campagna di misure con lo scopo di determinare l’efficacia del sistema. Le sale operatorie ibride sono sale in grado di combinare avanzate tecniche diagnostiche, effettuate con strumenti quali bracci a C per angiografie o tomografie, o attrezzature per la risonanza magnetica, con una suite operativa completamente funzionante. La configurazione delle sale operatorie consente ai chirurghi di combinare una procedura diagnostica (utilizzando immagini ottenuto in tempo reale) con un effetto tearapeutico, con migliori risultati e allo stesso tempo con una procedura meno traumatica per il paziente. Dopo una revisione e un’analisi delle norme e dei regolamenti riguardanti i sistemi di ventilazione per le sale operatorie e una valutazione delle caratteristiche delle sale operatorie ibride è stato scelto un caso reale; Per questo caso, la progettazione e il dimensionamento sono stati condotti con l'aiuto della fluidodinamica computazione nota anche come Computational Fluid Dynamic (CFD). Successivamente è stato realizzato un modello di scala 1: 1 nei laboratori della società Halton, ove la soluzione è stata testata e valutata.