Autorzy dr hab. inż. Anna Bogdan
Systemy wentylacji operacyjnej odgrywają istotną rolę w zapobieganiu zakażeniom miejsca operowanego (SSI). Pomimo wieloletniego stosowania systemów laminarnego przepływu (LAF) i wentylacji mieszającej (TMA) należy pamiętać, że istnieje jeszcze jedno rozwiązanie, które może być stosowane w salach operacyjnych . W artykule zaprezentowano zasadę działania, charakterystykę przepływu powietrza, efektywność energetyczną oraz wpływ kliniczny systemu Temperature-controlled Airflow (TcAF), który łączy cechy LAF i TMA, dodatkowo wykorzystując różnice temperatur do wspomagania kierunku przepływu powietrza. Analizę oparto na przeglądzie literatury, w szczególności art. przedstawionych w bibliografii.
Wprowadzenie
W środowisku sali operacyjnej, gdzie występuje wysokie ryzyko zakażenia, jakość powietrza ma fundamentalne znaczenie. Zakażenia miejsca operowanego (SSI) stanowią jedną z najczęstszych przyczyn powikłań pooperacyjnych, przyczyniając się do zwiększenia śmiertelności, przedłużenia hospitalizacji oraz znacznych kosztów leczenia. W literaturze podkreśla się, że 80–90% mikroorganizmów obecnych w powietrzu sali operacyjnej pochodzi z naskórka i układu oddechowego personelu medycznego. Cząsteczki te – tzw. Bacteria-Carrying Particles (BCP) – mają zwykle rozmiar od 0,5 do 20 μm i łatwo osiadają na powierzchniach sterylnych, narzędziach chirurgicznych oraz bezpośrednio w polu operacyjnym.
Zgodnie z wytycznymi WHO, wentylacja stanowi jeden z filarów ochrony mikrobiologicznej w pomieszczeniach zabiegowych. Rosnące wymagania jakościowe oraz zwiększona liczba procedur wysokiego ryzyka (np. endoprotezoplastyki, neurochirurgia, operacje hybrydowe) wskazują na potrzebę rozwoju technologii wentylacyjnych. Z tej przyczyny cały czas trwa poszukiwanie nowych pomysłów i udoskonalanie istniejących systemów wentylacji w salach operacyjnych oraz dążenie do uzyskania jak najlepszych efektów, zarówno pod kątem ochrony pacjenta, jak i komfortu personelu oraz oszczędności energii.
Od lat 60. XX wieku dominowały dwa rozwiązania: turbulentna wentylacja mieszająca (TMA) oraz laminarna wentylacja pionowa (LAF). Systemy TMA, choć przyjazne finansowo w instalacji i eksploatacji, nie zapewniają równomiernego rozcieńczania powietrza, a ich skuteczność zależy od wysokiej liczby wymian powietrza na godzinę (ACH). Z kolei LAF generuje jednokierunkowy strumień powietrza, który teoretycznie usuwa cząstki z pola operacyjnego. Niemniej jednak, badania wykazały wrażliwość LAF na przeszkody i zakłócenia w postaci ruchu personelu oraz obecności lamp i aparatury.
W odpowiedzi na te wyzwania opracowano system Temperature-controlled Airflow (TcAF), który wykorzystuje efekt różnicy temperatury powietrza w poszczególnych strefach sali operacyjnej do wspomagania naturalnego przepływu powietrza. Ten system zyskuje na popularności jako kompromis między jakością powietrza a efektywnością energetyczną i komfortem użytkowania, choć jeszcze nie jest zainstalowany w tylu obiektach, aby móc dokonywać pełnych porównań z systemami TMA i LAF.
Zasada działania systemu TcAF
System TcAF (Temperature-controlled Airflow) bazuje na koncepcji podziału sali operacyjnej na dwie strefy: centralną, z bezpośrednim nawiewem chłodniejszego powietrza oraz peryferyjną, gdzie powietrze ma wyższą temperaturę i zapewnia mieszanie. W praktyce, system TcAF składa się z:
- Centralnych nawiewników (UDAF), które nawiewają powietrze o temperaturze niższej o 1–3°C od temperatury otoczenia,
- Obwodowych nawiewników zlokalizowanych w bocznych częściach sufitu lub ścianach, które dostarczają powietrze cieplejsze,
- Systemu kontrolno-regulacyjnego, który umożliwia dostosowanie parametrów nawiewu w czasie rzeczywistym.
Schemat (rys.1.) ilustruje porównanie sposobu działania systemu TcAF w stosunku do konwencjonalnej wentylacji mieszającej (TMA) oraz systemu laminarnego (LAF). W TcAF zimniejsze powietrze z nawiewników centralnych opada grawitacyjnie w kierunku pola operacyjnego, tworząc strefę ochronną. Jednocześnie cieplejsze powietrze dostarczane obwodowo zapobiega tworzeniu się stref stagnacji i wspiera stabilność przepływu.
Systemy TcAF wyposażone są w czujniki temperatury, wilgotności, obecności personelu oraz systemy zarządzania energią. Dzięki temu możliwe jest automatyczne dopasowanie parametrów przepływu powietrza do bieżących warunków zabiegu. W trybie adaptacyjnym, nawiewniki centralne mogą chwilowo zwiększyć wydajność w przypadku np. otwarcia drzwi lub wejścia dodatkowego personelu.
Skuteczność w kontroli zanieczyszczeń
Wyniki badań CFD
W badaniach numerycznych z wykorzystaniem modelu CFD typu RANS (Reynolds-Averaged Navier–Stokes) oraz modeli śledzenia cząstek (Lagrangian Particle Tracking) analizowano rozkład prędkości, temperatur i stężeń cząstek BCP w salach operacyjnych wyposażonych w systemy TcAF. Wyniki wskazują na stabilny, niemal jednolity strumień opadający w strefie centralnej z minimalnym poziomem turbulencji. Nawiew chłodniejszego powietrza centralnego w połączeniu z cieplejszym powietrzem obwodowym skutecznie tworzy gradient, który zapobiega recyrkulacji zanieczyszczeń.
Wpływ przeszkód i rozkład przepływów
Obecność przeszkód, takich jak lampy operacyjne, urządzenia obrazujące czy personel, wpływa na strukturę przepływu. W porównaniu z LAF, system TcAF wykazuje znacznie mniejszą podatność na zakłócenia — nawet przy obecności przeszkód nie dochodzi do wtórnej kontaminacji pola operacyjnego. Przepływ powietrza podąża naturalnie w dół, wypłukując zanieczyszczenia, które są natychmiast usuwane przez strategicznie rozmieszczone kratki wyciągowe przy podłodze.
Porównania z TMA i LAF
W badaniach klinicznych oraz laboratoryjnych TcAF zapewniał skuteczność mikrobiologiczną porównywalną z systemami LAF, lecz bez ograniczenia „czystej strefy” do jedynie kilku metrów kwadratowych. Podczas gdy TMA nie spełnia norm <10 CFU/m³, a LAF ogranicza się do centralnej strefy operacyjnej, TcAF osiąga te wartości w całej objętości sali, co ma kluczowe znaczenie dla przechowywania narzędzi i implantów w peryferiach.
Wpływ na rozprzestrzenianie się BCP
Zastosowanie TcAF ogranicza migrację cząstek BCP. Dzięki naturalnemu wymuszaniu przepływu przez gradient temperatury system skutecznie kontroluje dyfuzję cząstek i zapobiega ich gromadzeniu się w obszarach martwych. Jest to szczególnie istotne w salach o nieregularnej geometrii i podczas operacji wymagających dużej liczby personelu.
Wpływ na wyniki kliniczne
W retrospektywnej analizie 2000 przypadków (1000 przed i 1000 po wdrożeniu TcAF), zaobserwowano spadek liczby zakażeń SSI o ponad 50%, co przekładało się bezpośrednio na zmniejszenie liczby rehospitalizacji, powikłań pooperacyjnych oraz kosztów leczenia. Dodatkowo, w badaniach prospektywnych wykazano mniejsze stężenia markerów zapalnych u pacjentów operowanych w warunkach TcAF.
Przykłady zastosowań klinicznych
Szpital Regionalny w Amberg (Niemcy)
W Regionalnym Centrum Ortopedycznym w Amberg, Niemcy, system TcAF został zainstalowany w trzech salach operacyjnych przeznaczonych do endoprotezoplastyki. Po instalacji przeprowadzono retrospektywną analizę porównawczą 1000 operacji przeprowadzonych w systemie TMA i 1000 operacji po wdrożeniu TcAF. Odnotowano 56% redukcję zakażeń miejsca operowanego oraz skrócenie średniego czasu hospitalizacji z 11,4 do 9,2 dnia. Zespół operacyjny zgłaszał poprawę komfortu cieplnego i redukcję przeciągów.
Szpital Uniwersytecki w Lund (Szwecja)
W szpitalu uniwersyteckim w Lund przeprowadzono badania porównawcze trzech sal operacyjnych – jednej z systemem TMA, jednej z LAF i jednej z TcAF. W trakcie 45 operacji ortopedycznych mierzono poziomy CFU w trzech lokalizacjach: przy ranie, przy stoliku narzędziowym i w peryferiach. Jedynie system TcAF zapewnił poziomy <10 CFU/m³ we wszystkich lokalizacjach w każdym zabiegu. Zużycie energii przez TcAF było o 28% niższe niż w przypadku LAF.
Szpital prywatny w Holandii – operacje z użyciem ramienia C i obrazowania śródoperacyjnego
W jednym z prywatnych szpitali w Holandii wdrożono TcAF w sali hybrydowej, w której wykonywano operacje naczyniowe z użyciem śródoperacyjnego obrazowania. Mimo obecności wielu urządzeń generujących ciepło oraz częstych zmian personelu i otwierania drzwi (średnio 25 otwarć na godzinę), TcAF utrzymał stabilny poziom CFU poniżej 5 w całej sali. Personel raportował wysoką jakość środowiska pracy, brak przeciągów oraz brak lokalnych przegrzań w pobliżu lamp.
Wnioski i zalecenia projektowe
System TcAF stanowi kolejne rozwiązanie wentylacyjne do zastosowania w salach operacyjnych, które łączy zalety LAF i TMA. Poprzez zastosowanie różnicy temperatur jako czynnika wspomagającego przepływ, TcAF zapewnia stabilny, opadający strumień powietrza w całej sali operacyjnej. Efektem tego jest utrzymanie wysokiej jakości powietrza i znaczne zmniejszenie ryzyka zakażeń. Rozważając zainstalowanie systemu TcAF należy pamiętać o następujących kwestiach:
- TcAF powinien być preferowanym rozwiązaniem w nowoprojektowanych salach operacyjnych wysokiego ryzyka.
- Należy uwzględniać pełną integrację systemu TcAF z infrastrukturą HVAC oraz systemami zarządzania budynkiem (BMS).
- Kluczowe jest odpowiednie rozmieszczenie nawiewników i wyciągów, a także uwzględnienie gradientu temperatury nie mniejszego niż 1,5°C między strefą centralną a peryferyjną.
- Systemy sterujące powinny automatycznie dostosowywać parametry nawiewu w odpowiedzi na liczbę osób, drzwi otwarte oraz generowane obciążenie cieplne.
Bibliografia
- Alsved, M., et al. (2018). Temperature-controlled airflow ventilation in operating rooms compared with laminar airflow and turbulent mixed airflow. Journal of Hospital Infection, 98(2), 181–190. https://doi.org/10.1016/j.jhin.2017.10.013
- Wang, C., Holmberg, S., & Sadrizadeh, S. (2018). Numerical study of temperature-controlled airflow in comparison with turbulent mixing and laminar airflow for operating room ventilation. Building and Environment, 144, 45–56. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2018.08.010
- Hu, N., et al. (2024). Ventilation performance evaluation of an operating room with temperature-controlled airflow system in contaminant control: A numerical study. Building and Environment, 259, 111619. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2024.111619
- Vasiuk, S., et al. (2020). Clinical validation and efficacy of a temperature-controlled ventilation system (TcAF) in the OR to reduce surgical site infections. Current Directions in Biomedical Engineering, 6(3). https://doi.org/10.1515/cdbme-2020-3077
- Yatim, A. S., et al. (2024). Effects of airflow velocity and temperature of laminar airflow and temperature-controlled airflow ventilation system to pathogen spread and energy consumption. SSRN Preprint. https://ssrn.com/abstract=5196279
- Warner, J. O. (2017). Use of temperature-controlled laminar airflow in the management of atopic asthma: clinical evidence and experience. Therapeutic Advances in Respiratory Disease, 11(4), 181–188. https://doi.org/10.1177/1753465817690505
- Warye, K., Hojerback, P., & Bulitta, C. (2021). Efficacy of Temperature-Controlled Airflow in Maintaining Ultraclean Conditions throughout the Operating Room. ASHRAE Transactions, 127(2).
- Noor, R.J.R., & Warye, K. (n.d.). Innovation in OR Ventilation Concepts: Stress Testing Temperature-controlled Air Flow. [Research poster]. Infection Prevention Partners / Maximuse B.V.