Experimental study of personal exposure to exhaled contaminants in hospital rooms
Estudio experimental sobre la exposición de personas a contaminantes exhalados en habitaciones de hospital
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Author
Berlanga, Félix
Director/es
Ruiz de Adana, ManuelOlmedo Cortés, Inés
Publisher
Universidad de Córdoba, UCOPressDate
2018Subject
VentilationCross infections
Droplets
Exhaled contaminants
Health workers
Hospital rooms
Ventilación
Infecciones cruzadas
Contaminantes exhalados
Trabajadores sanitarios
Habitaciones de hospital
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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.