Samenwerking Actiflow en Interflow
Het beschermde gebied in een operatiekamer is de zone waarbinnen het operatieteam, de patiënt en instrumententafels zich moeten bevinden. Dit beschermde gebied heeft twee belangrijke functies: vervuiling van buitenaf tegenhouden en vervuiling vanuit het gebied zelf naar buiten afvoeren. Dit gebied is de reden dat een operatiekamer gebouwd wordt, met als doel om bacteriën uit de wond te houden om zo een infectie te voorkomen. Het bepalen van het beschermde gebied wordt gedaan bij oplevering van een nieuwe of verbouwde operatiekamer. De praktijk heeft geleerd dat het lastig is om van tevoren te voorspellen hoe groot dit gebied precies zal worden en welke verstoringen er door apparatuur en mensen worden veroorzaakt. Om dit te kunnen doen hebben Actiflow en Interflow de handen ineengeslagen. Waar het in de luchtvaartbranche al gebruikelijk is CFD simulaties van luchtstromingen toe te passen bij het testen van vliegtuigen, is het in de gezondheidszorg nog relatief ongebruikelijk. Het resultaat van deze samenwerking is een gevalideerd en nauwkeurig model waarmee het beschermde gebied voor de bouw al digitaal voorspeld of zelfs gegarandeerd kan worden. Doordat Interflow voorop loopt in de ontwikkelingen rondom het digitaal bouwen in BIM is deze stap eenvoudig gezet. Ook indien het bestaande situatie betreft, kan deze methodiek worden toegepast door een 3D scan te maken van de ruimte. Actiflow en Interflow geloven sterk in een digitale toekomst, ook op dit gebied. Een volgende stap in dit onderzoek is het simuleren van een operatiekamer welke in gebruik is. We onderzoeken daarbij de mogelijkheden om het aantal fysieke metingen te minimaliseren of zelfs overbodig te maken. Hierdoor kunnen we de beschikbaarheid van de operatiekamer maximaal houden en de hinder minimaliseren, want metingen van een operatiekamer in gebruik is een behoorlijk belastende klus.
Het validatietraject: CFD simulaties en praktijk metingen
In de ruimtevaart, luchtvaart en automotive industrie was het gebruik van windtunnels vroeger de belangrijkste manier om producten te testen. Echter door de opkomst van snelle hardware en betrouwbare simulatie software, heeft Computational Fluid Dynamics (CFD) een steeds grotere rol gekregen. Het gebruik van CFD-simulaties wordt niet alleen in deze industrieën steeds laagdrempeliger, maar ook voor het (her)ontwerpen van operatiekamers. Daarbij dienen de CFD-simulaties wel betrouwbaar te zijn. De vraag is in hoeverre simulaties overeenkomen met praktijkmetingen en welke simulatieparameters en software-instellingen resulteren in een goed resultaat? Om antwoord te vinden op deze vragen heeft Actiflow in samenwerking met Interflow, een toonaangevende Nederlandse producent van operatiekamers, een validatietraject uitgevoerd.
Met dit traject hebben we onze kennis vergroot, CFD-instellingen gefinetuned en bovenal de CFD simulaties gevalideerd met metingen in een realistische operatiekamer. In dit artikel bespreken we de opzet, resultaten en conclusie van dit validatietraject.
Opzet operatiekamer
Interflow beschikt over een eigen operatiekamer (OK) met het volledige luchtbehandelingssysteem zoals deze ook aan ziekenhuizen geleverd wordt (zie figuur 1). Deze kamer bestaat uit een rechthoekige ruimte met in het midden een tafel, twee operatielampen en een luchtbehandelingssysteem. Daarnaast zijn er ook een aantal objecten aanwezig zoals opdektafels, monitoren, deuren, ramen, lampen, pendel en een voorzieningenbrug.
We hebben de exacte geometrie van de OK middels bouwtekeningen en een 3D-scan in kaart gebracht. De positie van de lampen onder het inblaasplenum komt overeen met de voorgeschreven opzet in richtlijn 7 (RL7). Deze richtlijn van de VCCN wordt veelal gebruikt om het beschermde gebied te bepalen.
Daarnaast hebben de lampen een realistische warmtelast. De lucht komt de OK binnen via het plenum van ongeveer 2.9 m bij 3.2 m en verlaat de ruimte grotendeels via plintafzuiging en gedeeltelijk via de hoekafzuiging. De hoekafzuiging bestaat uit 4 elementen in de bovenhoeken om voor specifieke situaties het beschermde gebied te kunnen reguleren.
Figuur 1 – Foto van de Interflow OK
Metingen in de praktijk
In het validatietraject zijn veel verschillende zaken onder de loep genomen. Eén van de onderdelen van de meting is de standaard RL7 meting waarbij de afmeting van het beschermde gebied centraal staat. Daarnaast zijn er ook metingen uitgevoerd om de snelheid op verschillende plekken in kaart te brengen en zijn er meerdere configuraties van de OK uitgevoerd; bijvoorbeeld om de invloed van de lampen te bepalen.
De snelheid is gemeten met een hoge resolutie anemometer (TSI model 9565) om de meest accurate resultaten te verkrijgen (zie figuur 2). De deeltjes zijn gemeten middels drie deeltjestellers; 1 op het bed, 1 in de periferie en 1 daar tussenin op een variabele afstand om het beschermde gebied te bepalen. (zie figuur 3).
Figuur 2 – Meting snelheid met behulp van een anemometer(type: TSI model 9565)
Figuur 3 – Meting van de deeltjes in de ruimte
Simulaties
Naast metingen is er ook een groot aantal simulaties uitgevoerd. Veel daarvan zijn gebruikt om de simulatie parameters te toetsen. Hieronder een greep uit de uitgevoerde simulaties:
- Software; Er zijn twee verschillende softwarepakketten gebruikt om de meshes te maken. Hierbij wordt de ruimte verdeeld in een groot aantal cellen. De kwaliteit van de cellen is een belangrijke parameter in het eindresultaat.
- Mesh-refinement; Er is een mesh-refinement studie uitgevoerd waarbij de invloed van de grootte van de meshcellen bepaald wordt. Zowel de oppervlakte cellen als volumecellen zijn in grootte gevarieerd. Een groot aantal cellen zorgt voor een hogere nauwkeurigheid, maar kost meer rekenkracht en daarmee doorlooptijd en dus kosten voor de klant. Te weinig cellen kunnen een lagere nauwkeurigheid opleveren en zelfs tot een verkeerd resultaat leiden. Er is een goede balans gezocht tussen de hoeveelheid cellen waarbij de afweging tussen snelheid en nauwkeurigheid centraal stond.
- Turbulentie modellen; Turbulentie is in feite een snelheidswisseling in het veld welke niet expliciet opgelost kan worden met de huidige software en hardware. Hiervoor worden rekenmodellen gebruikt waarin aannames verwerkt zijn. Verschillende modellen zijn tegen het licht gehouden en de beste zijn hierbij gebruikt voor de verdere studie.
- Turbulentie intensiteit; Naast het gebruikte turbulentie model kan ook de intensiteit van dit model gereguleerd worden. Afhankelijk van het gebruikte model kan dit een significante invloed hebben op de eindresultaten.
- Geometrie; Door de geometrie te versimpelen kan de klant geholpen worden met een kortere doorlooptijd van het project, wat resulteert in lagere kosten. Net als bij het aantal meshcellen geldt hier dat er een balans gezocht moet worden tussen een gedetailleerde geometrie en een goed eindresultaat. Ook het veranderen van de configuratie, zoals het verplaatsen van de lampen kan invloed hebben op het resultaat. De invloed hiervan is onderzocht.
Resultaten van het validatietraject
Alle metingen en simulaties hebben een enorme hoeveelheid data opgeleverd. Hieronder volgen de belangrijkste resultaten op het gebied van de luchtsnelheid in de ruimte en de afmetingen van het beschermde gebied.
Luchtsnelheid
De luchtsnelheid is op meer dan 40 punten in het plenum en op meer dan 20 punten op de uitlaten gemeten en als randvoorwaarde opgegeven in de simulaties. Hierdoor is het snelheidsveld in de ruimte inzichtelijk gemaakt. Hetgeen resulteerde in een aantal interessante inzichten.
In figuur 4 zijn 10 grijze bolletjes zichtbaar, welke een meetpunt voorstellen. Deze punten zijn op 110cm en op 150cm van de grond geplaatst. Op de twee doorsneden in de OK is de luchtsnelheid in verticale richting weergegeven. Hoe roder, hoe hoger de snelheid naar beneden is en hoe blauwer, hoe hoger de luchtsnelheid omhoog is. Het downflow plenum bestaat uit twee delen, een middengedeelte met een lagere snelheid en een ring daaromheen met een hogere snelheid. Dit resulteert als het ware in een laag snelheidsverdringingsveld direct boven het bed en een sterk luchtgordijn daarbuiten om het beschermde gebied te garanderen. Rechtsonder is de hoge snelheid nabij de plintafzuiging goed zichtbaar.
De snelheid in de meting en de uiteindelijke simulaties laten grote overeenkomsten zien. De verschillen tussen de metingen blijven beperkt tot gemiddeld 0,05 m/s. De meting is onderhevig aan de turbulentie en de daarbij behorende snelheidswisselingen. Deze worden voornamelijk veroorzaakt door geometrische elementen stroomopwaarts van de meetpunten. De grootste verschillen zijn dan ook aanwezig bij meetpunten direct bij een lamp of een overgang in luchtstroom door instelling van het plenum. Uiteraard kunnen kleine meetfouten, de meetlocaties of versimpelingen in de gebruikte geometrie snel tot grote snelheidsverschillen leiden. In onderstaand figuur 4 is bijvoorbeeld zichtbaar dat een kleine verschuiving van één van de meetlocaties grote verschillen oplevert in het meetresultaat. Met andere woorden, de nauwkeurigheid van de meetlocaties en ingevoerde geometrie zijn van groot belang.
Ondanks dat de complexiteit van een OK in combinatie met lage luchtsnelheden lastig te simuleren is, is het ons gelukt om de metingen en simulaties met elkaar te verenigen.
Figuur 4 – Snelheidsdistributie met meetlocaties
Het beschermde gebied van een operatiekamer
De afmeting van het beschermde gebied is een belangrijke parameter voor de classificatie van operatiekamers waarmee veel van onze klanten naar ons toe komen. Volgens de RL7 vindt er op 8 punten een meting plaats. Vervolgens worden deze punten verbonden met lijnen. Het gebied tussen deze lijnen is het beschermde gebied. Het volledige protocol wordt beschreven in de VCCN Richtlijn 7 ‘Methode voor testen en classificeren van operatiekamers en opdekruimten in rust’.
Met een vergelijkbare methode zijn de resultaten van de simulatie tot stand gekomen. Een belangrijk verschil is echter het aantal meetpunten. Met de RL7 meting bevinden 4 meetpunten zich op de hoekpunten en 4 daartussen. De simulatieresultaten kunnen bepaald worden in elk van de miljoenen cellen. Daardoor is het met dezelfde simulatie ook mogelijk om iets te zeggen tussen de 8 meetpunten of daaronder of daarboven. De resultaten van zowel de simulatie als de meting zijn weergegeven in figuur 5 hieronder.
De RL7 meetpunten van het beschermde gebied zijn met de rode bollen weergegeven. Figuur 5 geeft een bovenaanzicht van de kamer weer, waarin de belangrijkste geometrie half transparant is en het beschermde gebied volgens de simulaties paars/blauw/groen gekleurd is. De doorsnede van de simulatieresultaten bevindt zich op een hoogte van 120 cm, net als de meetpunten. De kleuren geven de hoeveelheid deeltjes weer, volgens de legenda aan de linkerkant.
De meetpunten van het beschermde gebied en de simulatieresultaten laten een zeer overeenkomstig beeld zien. De 3 punten in de linkerbovenhoek hebben een foutmarge van enkele centimeters, maar de andere punten komen zeer goed overeen.
Naast de 8 meetpunten is goed te zien dat er tussen de meetpunten geen lineaire lijn getrokken kan worden. In de linkerbovenhoek zorgt een verticaal hangende monitor voor een insnoering van het beschermde gebied van zo’n 20cm. Vertrouw je alleen op de 8 meetpunten uit de richtlijn RL7, dan zal dit niet opgemerkt worden. Hiermee wordt meteen de toegevoegde waarde van een simulatie duidelijk.
Figuur 5 – Beschermde gebied resultaten van de simulatie en metingen
Het is niet alleen interessant om te meten hoeveel deeltjes zich op een plek bevinden, maar ook om inzicht te krijgen in hoe de deeltjes zich verspreiden in de ruimte. In figuur 6 is dit in 3D weergegeven voor de helft van de operatiekamer. Vanaf boven naar benden bekeken wordt er vanaf het plenum schone lucht (paars) in de operatiekamer geblazen. Naarmate de lucht verder stroomafwaarts naar beneden gaat, verspreidt de schone lucht zich door de OK. De kleuren geven een overgang weer in ISO klasse in de ruimte. Naarmate er verder naar de zijkant van de ruimte gekeken wordt is een grotere hoeveelheid deeltjes zichtbaar. Ook is er in het oranje goed zichtbaar dat er recirculatie zones zijn waar lucht met veel deeltjes zich blijft ophopen in de ruimte. De lucht in het midden van kamer blaast naar beneden en de lucht aan de wand, welke niet wordt afgezogen in de ruimte, gaat omhoog. Hierdoor ontstaat er een recirculatie patroon. Deze zones dienen zich niet te bevinden nabij een opdektafel of veel gebruikte plek in de OK om de infectiekans te verkleinen. Naast een doorsnede op 120 cm hoogte geeft zo’n aanzicht veel informatie over de kwaliteit van een operatiekamer buiten de richtlijn.
Figuur 6 – 3D aanzicht van de deeltjes verdeling bij actieve vervuiling in de periferie volgens RL7
Conclusie van het validatietraject
Actiflow heeft in samenwerking met Interflow een validatietraject opgezet met als doel de nauwkeurigheid van de simulaties te bepalen. De methodiek die Actiflow heeft ontwikkeld om het beschermde gebied te bepalen in een operatiekamer is aangescherpt en getoetst.
Een greep uit de vele resultaten en opstellingen is hier kort besproken. Hierin is uiteengezet dat zowel de snelheidsmetingen op kritieke locaties nauwgezet overeenkomen met die van de CFD-simulaties. Ook de resultaten van de RL7 meting en simulatie laten een goede overeenstemming zien. Daarnaast biedt CFD de mogelijkheid om op ieder willekeurig punt te bekijken hoe het beschermde gebied zich ontwikkelt.
CFD-simulaties bieden een grote meerwaarde voor een ontwerp- en validatietraject van zowel bestaande als nieuwe operatiekamers en bieden meer inzicht dan enkel de metingen zoals voorgeschreven in de RL7. De simulaties bieden de mogelijkheid om ook de invloed van artsen, opdektafels of warmtebronnen in de OK inzichtelijk te maken. Dit onderwerp komt ook aan bod in het artikel Hoe beïnvloedt luchtstroming het OK-ontwerp?.
Lees via onderstaande link hoe Actiflow CFD simulaties heeft ingezet in de ontwerpfase van een OK voor het Tergooi ziekenhuis in Hilversum.
Project: operatiekamer Tergooi
