Airflow pattern in a hybrid operating theatre. Experimental measurements and computational fluid dynamics (CFD) simulations

Patient health and environmental working comfort in a hospital operating theatre (OT) are important aspects during surgery in order to prevent contaminations both for patient and medical staff. Advanced multidisciplinary surgery activity has required the building of new hybrid OTs during the last years. According to airflow pattern principles, air distribution and filtration system inside an OT, clean air can create clean air paths able to generate aseptic areas fulfilling surgery activity requirements. This study shows how airflow pattern, air velocity and air temperature distributions differ during real surgery from the expected ones in design process. Methodology in this work involves both direct experimental measurements and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. Measurements have been carried out during 90 hours of ordinary surgical activity inside a hybrid OT at Sahlgrenska University Hospital. The measurement campaign has permitted to acquire values of air velocity magnitude on vertical direction, airflow main paths and temperature distribution during different types of real surgery activities. Monitoring of surgical activity, medical equipment and other obstacles and heat loads disposition inside the OT has been considered in the measurement program in order to study their influence on airflow paths and other parameters. A CFD-software is used to simulate airflow pattern, air velocity and temperature distribution within the hybrid OT. CFD simulation tools are used to give a good understanding of the parameters studied, of the influence of obstacles disposition and to create a valid model to design new hybrid OTs in the future. Simulation model has been qualitatively validated by data collected during measurement campaign.

La salute del paziente e il comfort dell’ambiente lavorativo in una sala operatoria ospedaliera sono aspetti importanti durante un intervento chirurgico al fine di prevenire contaminazioni sia per il paziente che per il personale medico. Negli ultimi anni l’avanzata attività chirurgia multidisciplinare ha richiesto la costruzione di nuove sale operatorie di tipo ibride. Secondo i principi di caratterizzazione dei flussi dell’aria, il sistema di distribuzione e filtrazione dell'aria all'interno di una sala operatoria può creare percorsi di aria pulita in grado di generare ambienti asettici soddisfacenti i requisiti dall’attività chirurgica. Questo studio mostra come la caratterizzazione dei flussi, la distribuzione di velocità e di temperatura dell’aria durante un intervento chirurgico reale si discostino da quelli previsti in fase di progettazione. La metodologia di questo lavoro coinvolge sia misure sperimentali dirette che simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD). Le misurazioni sono state fatte per una durata complessiva di 90 ore durante sessioni di ordinaria attività chirurgica all'interno di una sala operatoria ibrida presso il Sahlgrenska University Hospital di Göteborg, Svezia. La campagna di misure ha permesso di acquisire valori di velocità in direzione verticale, il percorso principale di flusso e la distribuzione della temperatura dell’aria durante normali attività di chirurgia. Il monitoraggio delle attività chirurgiche, della disposizione delle attrezzature mediche e dei carichi termici presenti all'interno della sala operatoria è stato considerato nel programma di misurazione, al fine di studiare la loro influenza sui percorsi del flusso d'aria e di altri parametri. Un software di CFD è stato usato per simulare il percorso del flusso, la velocità e la distribuzione di temperature dell’aria nella sala operatoria ibrida. Simulazioni in CFD sono usate per dare una migliore comprensione dei fattori studiati, dell’influenza della disposizione degli ostacoli e per creare un modello valido per progettare nuove sale operatorie ibride nel futuro. Il modello simulato è stato convalidato qualitativamente attraverso dati raccolti nelle misurazioni.