Experimental study of personal exposure to exhaled contaminants in hospital rooms

Abstract

Human beings need breathing to survive. The air emitted over the course of respiratory events such as breathing, sneezing and coughing is seeded with small particles known as droplets. These droplets can contain pathogens, which can be a source of airborne cross infections. People spend an increasing amount of time in indoor environments. In such spaces the probability of inhaling droplets emitted by other person increases. Hence, the probability of the occurrence of a cross infection also increases. From all the indoor spaces, hospital environments are perhaps the most enabling for cross infections. In these spaces coexist in close contact health workers, patients and familiars. The infection of a health worker is a major concern issue hence, because of his activity, is in contact with dozens of patients and familiars, becoming an infected vector. A correct design of the ventilation facility of the indoor space together with other individual protective measures helps to avoid airborne cross infections. Ventilation flows can remove the emitted droplets or maintain them far from the other occupant’s inhalation zone. The use of the ventilation is also crucial to maintain the thermal comfort of the occupants. Supplying fresh air, the ventilation facility compensates the present heat gains and removes the pollutants emitted inside. An incorrect ventilation facility design could lead to weaken thermal comfort conditions of the occupants so, this issue must be evaluated commissioning it . The dispersion of the emitted droplets through respiratory events depends on the interaction between the ventilation flows and the exhalation flow. Different previous studies on the matter reveal that the changes in both flows can modify the final distribution of the exhaled droplets. Since the droplets are seeded through the exhalation flow, its development must be studied in detail in order to gain knowledge on how and where are contaminants transported depending on the breathing function performed. This thesis aims to gain knowledge on the distribution of the exhaled droplets in hospital environments. It permits the evaluation of the exposure of the rest of the occupants to these contaminants and hence estimate their cross infection risk. To reach this milestone, it is necessary to characterize the exhalation flow from simplified airways as a source of contaminants and hence evaluate its resemblance with real exhalation flows. Different breathing exhalation flows are characterized. The flow is studied by using particle image velocimetry technique while the droplet distribution has been analysed using tracer gas as a surrogate. After that, different ventilation configurations are tested on a typical individual room setup considering a lying patient, as a source of contaminants and a standing health worker close to it, as a target or susceptible person. The occupants, represented by thermal breathing manikins, are equipped with the simplified airways considered for the study. Tracer gas technique is used to evaluate health worker exposure to patient exhaled contaminants. It is possible to measure health worker’s exposure by measuring the contaminants amount present in its inhalation from the exhaled by the patient. This way it is possible to determine the optimum ventilation configuration for the setup in terms of reducing health worker’s exposure. During these experiments thermal comfort for both, the patient and the health worker, is evaluated in order to assure that the ventilation configuration guarantee the required thermal comfort indices by international standards. The results obtained in this thesis permit obtain valuable conclusions. The exposure of a health worker to the patient’s exhaled contaminants is evaluated considering different parameters. The influence of the patient’ breathing function and exhalation mode is addressed concluding that it has a non-despicable influence on the flow and exhaled contaminants diffusion. Different ventilation strategies are tested, considering mixing, displacement ventilation configurations, and several air ventilation rates. Results show that is feasible to reduce health worker exposure by a selecting proper design of the ventilation facility. Occupant’s thermal comfort turn out to be a major issue in such scenario, being a challenge obtain a reasonable comfort indices for the two occupants due to their different activities performed.

Los seres humanos necesitan respirar para sobrevivir. El aire emitido a través de procesos respiratorios tales como la respiración, la tos y los estornudos contiene pequeñas partículas conocidas como “droplets” (gotitas). Estas gotitas pueden contener patógenos, que pueden ser una fuente de infecciones de transmisión por vía aérea. Pasamos cada vez más tiempo en ambientes interiores. Dentro de estos espacios aumenta la probabilidad de inhalar partículas emitidas por otra persona. Por lo tanto, la probabilidad de que ocurra una transmisión de una enfermedad también aumenta. De todos los ambientes interiores, los espacios sanitarios son quizá, los más propensos para las infecciones cruzadas. En estos espacios coexisten en contacto estrecho, trabajadores sanitarios, pacientes y familiares. El contagio de un trabajador sanitario es un hecho especialmente preocupante porque, debido a su actividad, se encuentra en contacto con docenas de pacientes y familiares, convirtiéndose en un vector de enfermedad. Un diseño correcto de la instalación de ventilación de un ambiente interior ayuda a evitar las infecciones cruzadas por vía aérea. Los flujos de ventilación pueden eliminar las gotitas emitidas o mantenerlas lejos de la zona de inhalación de otros ocupantes. El uso de la ventilación es también crucial para mantener el confort térmico de los ocupantes. Proporcionando aire fresco y limpio, la instalación de ventilación compensa las cargas térmicas y elimina los contaminantes producidos en su interior. Un diseño incorrecto de la instalación de ventilación puede conducir a un deterioro de las condiciones de confort de los ocupantes, de modo que este hecho ha de ser evaluado antes de dar por buena la instalación. La distribución de las partículas emitidas a través de procesos respiratorios depende de la interacción entre los flujos de ventilación y el de exhalación. Diferentes estudios previos revelan que los cambios en estos dos flujos derivan en una diferente distribución final de las partículas emitidas. Ya que las gotitas son emitidas a través del flujo de exhalación, su desarrollo ha de ser estudiado en detalle para incrementar el conocimiento sobre cómo y dónde son transportadas las partículas dependiendo de la función respiratoria realizadas. Esta tesis tiene como objeto profundizar en el conocimiento de la distribución de los contaminantes exhalados en ambientes hospitalarios. Esto permite evaluar la exposición del resto de ocupantes y de este modo estimar su riesgo de infección cruzada. Para lograr este objetivo es necesario caracterizar el flujo de exhalación emitido a través de las vías respiratorias simplificadas como fuente de contaminantes y evaluar su parecido con flujos exhalados reales. Se caracterizan diferentes exhalaciones respiratorias. Utilizando la técnica de velocímetría de imagen de partícula se estudia su flujo mientras que la distribución de las partículas emitidas se ha estudiado sustituyéndolas por un gas trazador. Una vez concluido este estudio, se prueban diferentes sistemas de ventilación utilizando una configuración típica para habitaciones de hospital individuales, considerando un paciente tumbado, como fuente de contaminantes, y un trabajador sanitario erguido situado cerca del mismo, como objetivo de los mismos. Los ocupantes, representados por maniquíes térmicos, están equipados con las vías aéreas simplificadas consideradas en este estudio. La técnica de gases trazadores se utiliza para evaluar la exposición del trabajador sanitario a los contaminantes exhalados por el paciente. Es posible estimar la exposición del trabajador sanitario midiendo la cantidad de contaminantes presente in su área de inhalación frente a los emitidos por el paciente. De este modo es posible determinar la configuración de ventilación optima en términos de reducción de la exposición del trabajador sanitario. Durante el transcurso de los experimentos se evalúa el confort térmico de los ocupantes con objeto de comprobar que la configuración de ventilación probada asegura los valores exigidos por las normas internacionales. Los resultados obtenidos en esta tesis permiten obtener valiosas conclusiones. La exposición del trabajador sanitario a los contaminantes exhalados se evalúa considerando diferentes parámetros. La influencia de la función respiratoria del paciente y del modo de respiración es abordada concluyéndose que tiene una influencia no despreciable en la difusión de los contaminantes exhalados. Se prueban diferentes estrategias de ventilación, considerando ventilación por mezcla y por desplazamiento, y diferentes tasas de renovación de aire. Los resultados muestran que es posible reducir la exposición del trabajador sanitario a través de una selección de un diseño apropiado de la instalación de ventilación. El confort térmico de los ocupantes resulta ser un problema importante en este escenario, siendo un reto obtener resultados de confort razonables para los dos ocupantes debido a las diferentes actividades desarrolladas por los mismos.