Surgical site infection is responsible for 38 percent of reported infections after surgery. This infection increases mortality and treatment costs, and prolongs the hospitalization of patients. Bacteria-carrying particles are the main cause of surgical site infection and one of the main sources of these particles is skin fragments released from the surgical personnel during an ongoing surgery. Ventilation systems reduce the concentration of bacteria-carrying particles by supplying clean air in the operating room. The performance of operating room ventilation systems is affected by internal disruptions such as medical equipment, surgical lamps, number of staff and their behaviour during the surgery.

Using computational fluid dynamics, this thesis investigates the airflow behaviour and distribution of the contamination in the operating room under the presence of various internal disruptions. In this regard, three common ventilation systems are considered: laminar airflow, turbulent mixing and temperature-controlled airflow ventilations. This study tries to overcome the weaknesses of the ventilation systems by providing sustainable solutions and continuously being in contact with design companies.

It is common to use warming blankets to prevent reduction in the core body temperature of the patient during major surgeries. However, there is a major concern that these blankets disrupt the supplied airflow, which results in rising contaminant concentration. Most of the studies about warming blankets are clinical works and it is still not clear whether or not these blankets should be used. The results of the present study show that using warming blankets had no impact on increase of contamination level at the surgical zone. However, one common type of warming blanket – a forced-air warming blanket – can considerably increase the concentration of bacteria-carrying particles at the wound area if it becomes contaminated.

The simulated results of the airflow field and particle tracking showed that the laminar airflow ventilation system was disturbed more easily by the local heat loads than overall heat loads in the operating room.

Surgical lamps are considered as an obstacle in the supplied airflow path. These lamps create a stagnant area above the operating table and increase the contamination level. In this regard, a novel design of surgical lamp, a fan-mounted surgical lamp, was introduced to operating rooms.This device was used in the operating rooms equipped with laminar airflow and mixing ventilation system. The simulated results revealed that this lamp significantly reduced the contamination level at the operating table.

Visualization techniques were adopted to teach and improve the understanding of surgical personnel about transmission of contaminated particles in operating rooms. Here, a virtual and augmented reality interface was used to visualize the impact of differences in ventilation principle, surgical staff constellation and work practice.

Infektioner relaterade till kirurgiskt ingrepp utgör 38 % av rapporterade infektioner efter operation. Dessa infektioner ökar dödligheten och behandlingskostnaderna samt förlänger patienternas sjukhusvistelse. Bakteriebärande partiklar är den främsta orsaken till infektion vid kirurgi. Huvudkällan till dessa partiklar är hudfragment som frigörs från kirurgisk personal under en pågående operation. Genom att tillföra ren luft via ventilationssystemet kan koncentrationen av baktebärande partiklar i operationssalen minskas. Ventilationssystemets förmåga att ventilera salen påverkas av föremål som stör luftströmmen, som exempel medicinsk utrustning, kirurgiska lampor samt av närvarande personal och deras beteende under operationen.

Med avancerade numeriska strömningsberäkningar undersöks i denna avhandling luftflöden och fördelningen av föroreningar i operationssalen under inverkan av sådana störningar. Tre olika ventilationssystem inkluderas. Ett för laminärt luftflöde, ett för turbulent omblandning och ett för temperaturreglerad luftströmning. I studien kartläggs ventilationssystemens funktion och relevansen prövas i ett kontinuerligt samarbete med tillverkande industri.

Användning av värmefiltar förekommer under större operationer för att hålla patientens kroppstemperatur stabil. Det finns emellertid en stor oro för att dessa filtar stör det tillförda luftflödet och därmed ökar föroreningsnivån. En vanlig typ av värmefilt med forcerad varmluft kan om den är förorenad avsevärt öka koncentrationen av bakteriebärande partiklar i sårområdet. De flesta undersökningar om värmande filtar är kliniska studier och det är fortfarande inte helt klarlagt i vilken mån och hur dessa filtar skall användas. Denna studie visar emellertid att användning av värmefiltar inte påverkar föroreningsnivån i den kirurgiska zonen. Gjorda datorsimuleringar av luftflödesfältet och partikelspårning visar att det laminära ventilationsflödet lättare störs av lokala värmebelastningarna än av generella värmebelastningar i operationssalen.

Kirurgiska lampor betraktas som hinder i en planerad luftflödesväg. Lampor kan skapa en stillastående luftmassa ovanför operationsbordet och därmed öka föroreningsnivån. För detta introduceras en ny design av kirurgisk lampa, en fläktmonterad kirurgisk lampa för operationsrum, utrustade med laminärt luftflöde och omblandning. Simulerade resultat visar att denna nya kirurgiska lampa signifikant minskar föroreningsnivån vid operationsbordet.

Visualiseringsteknik användes i denna studie för att förbättra förståelsen hos kirurgisk personal om hur förorenade partiklar kan spridas i operationssalen. Med ett virtuellt och förstärkt gränssnitt visualiserades föroreningshalter i rumsluften då olika typer av ventilationssystem användes. Visualiseringen visar också hur kirurgigruppens storlek och arbetsställning under operation påverkar spridningen av föroreningar.

Indoor air quality directly affects the comfort, performance, and well-being of occupants. Indoor pollution can cause immediate or long-term health effects and has been responsible for 4.1% of global deaths in recent decades. In operating rooms, providing a high indoor air quality is especially critical as surgical site infection can occur in patients due to air contamination in operating rooms.

Surgical site infections due to antibiotic resistant bacteria may threaten the safety and lives of millions of people each year. To moderate and reduce indoor contamination, it is necessary to select a proper ventilation strategy.Improving ventilation system performance requires a deep understanding of airflow patterns and contamination distribution.

This thesis adopted computational fluid dynamics to evaluate airflow patterns and the spread of airborne contaminations in indoor environments. Moreover, we sought to provide an approach to facilitate transferring the obtained knowledge to medical experts and decisionmakers to reduce the infection risk after the surgery.

The use of warming blankets has raised the concern about surgical site infections. Warming blankets are used to prevent hypothermia in patients during surgery. However, our results showed that these warming blankets reduce the bacteria-carrying particles level at the wound due to warm upward airflows.

Surgical lamps can block the airflow and generate a low-velocity area under the lamp that increases the accumulation of contaminants. The simulation results revealed that a novel fan-mounted surgical lamp reduced the contamination level to an acceptable range for infection-prone surgeries. This novel surgical lamp successfully reduced contamination in the operating room supplied with both turbulent mixing and laminar airflow ventilations.

In another study, we implemented a protective curtain and showed that this strategy could significantly reduce the exposure level of the medical team to a patient with infectious respiratory disease. This novel protective curtain is located between the patient’s upper body and the lower part during surgery. We found a 57% reduction in bacteria-carrying particle concentration at the wound by adopting this curtain. Thus, using this protective curtain can reduce the exposure level of both patient and surgical team in the operating room.

Besides investigating the performance of ventilation systems in hospitals, we investigated the application of diffuse ceilings ventilations in clinics, especially waiting rooms. Diffuse ceiling ventilation systems are common air distribution systems in offices and schools. Based on simulation results, a diffuse ceiling with a central opening and evenly distributed heat loads resulted in the highest cooling capacity and thermal comfort in clinic waiting rooms.

We have visualised the airflow field and airborne particles in operating rooms with the help of virtual reality techniques. We found the virtual reality environment more engaging to understand the airflow field and particle movements in operating rooms.

Luftkvaliteten inomhus påverkar människors komfort, ochprestationsförmåga. Luftföroreningar inomhus kan orsaka omedelbaraoch långvariga hälsoeffekter och har orsakat 4,1 % av de globala dödsfallenunder de senaste decennierna. I operationssalar på sjukhus är det viktigtatt tillhandahålla god luftkvalitet. Infektioner i samband med operationkan drabba patienter på grund av förorenad luft i operationssalen.

Förekomst av infektioner i samband med kirurgiska ingrepp, och tillföljd av antibiotikaresistenta bakterier kan hota patientsäkerheten förmiljontals personer varje år. För att kontrollera och minska föroreningarinomhus är det nödvändigt att välja en korrekt ventilationsstrategi. För attförbättra ventilationssystemets prestanda krävs förståelse av hurventilationsluften strömmar och hur föroreningar sprider sig i rum.

I denna avhandling används numerisk strömningsmekanik ochexperimentella data för att utvärdera luftflödesmönster och spridning avluftburna föroreningar i inomhusmiljöer. Dessutom avser detta arbete atttillhandahålla ett tillvägagångssätt för att underlätta kunskapsöverföringtill medicinska experter och beslutsfattare för att minska infektionsriskenefter operationer.

Det finns oro för att patienter ska drabbas av postoperativasårinfektioner på grund av användning av medicintekniska produkter ioperationssalar, såsom värmande filtar. Värmefiltar används för attförhindra hypotermi hos patienter. Våra resultat visade dock attvärmefiltar minskar nivån av bakteriebärande partiklar vid såret på grundav uppåtgående varma luftflöden.

Operationslampor blockerar luftflödet och genererar ett område medlåg lufthastighet som ökar risken för ansamling av kontaminanter.Simuleringsresultaten visade att en ny fläktmonterad operationslampaminskade kontamineringsnivån till acceptabel nivå för infektionskänslig kirurgi. Den nya fläkten minskade kontaminationen i operationssalen vidsåväl turbulent som vid laminärt luftflöde.

I en annan studie implementerade vi en skyddande gardin som visadeatt den avsevärt minskade exponeringsnivån för det kirurgiska teametunder operation av en patient med infektion i luftvägarna. Dessutomrapporterades en 57 % minskning av den bakteriebärandepartikelkoncentrationen vid såret då gardinen användes. Skyddsgardinenförbättrar således säkerheten både för patienten och för operationsteamet.

Vi undersökte användning av diffunderande takventilation på kliniker.Diffunderande takventilation är vanligt förekommandeluftdistributionssystem i kontor och skolor. Baserat på simuleringar, gavinnertak med diffunderande tilluft ur central öppning, vid jämnt fördeladevärmelaster, den högsta kylkapaciteten och termiska komforten iklinikernas väntrum.

För visualisering av numeriska simuleringar användes teknik förvirtuell verklighet. Den virtuella verklighetsmiljön gav ökad upplevelse ochförståelse av luftflödesfältet och partikelrörelserna i operationssalar.