Pictures of the Future      Herbst 2008

Luft für die Wunde

Die optimale Belüftung eines Operationssaals finden Planer heute durch Versuch und Irrtum – wenn überhaupt. Doch künftig soll dank Strömungs­simulation die Klimaanlage ausreichend keimfreie Luft auf OP-Tisch und Patienten blasen, um das Infektionsrisiko zu senken und die Arbeits­bedingungen zu verbessern.

Ein Operationssaal im Klinikum Rechts der Isar in München: Zwei Ärzte stehen neben dem Patienten, hinter ihnen Tische für Operations­besteck, über der OP-Liege sorgt eine große Lampe für Licht. Plötzlich verschieben sich medizinische Geräte wie von Geisterhand – und mit ihnen seltsame Linien, die wie farbige Spinnweben den OP-Saal durchziehen. "Die Linien zeigen die Luftströmung an, die Farbe ist die Geschwindigkeit der Luftteilchen", sagt Dr. Gerta Köster von Siemens Corporate Technology in München. Menschen und Maschinen ver­schiebt Köster mit einem Mausklick, denn der OP-Saal ist nur eine Simulation.

Steht ein Arzt zwischen den Lüftungsdüsen in der Wand und der Patienten­liege, nehmen mehr Luft-Linien den Umweg um das Ärzteteam – und beim Patienten kommt weniger Frischluft an. Das ist gefährlich. Die Untersuchung "Krank im Krankenhaus" der deutschen Gesellschaft für Krankenhaushygiene geht davon aus, dass 15 % aller Patienten auf der Intensivstation eine Infektion bekommen, und es gibt Hinweise, dass mit Keimen belastete Luft während der Operation die Hauptursache für die Ansteckung ist. Die Krankheitserreger stammen vorwiegend aus der Atemluft des OP-Personals, werden aber auch durch schlechte Filter von außen in den Raum geblasen. Untersuchungen an der schwedischen Uniklinik Uppsala zeigen, dass sich mit einer gezielten Belüftung der Wunde das Infektionsrisiko um 95 % senken lässt. Ein wichtiger Vorteil einer effektiveren Lüftung ist zudem, dass der Patient so besser gekühlt werden kann. Doch das war bisher bloßes Wunschdenken. "Im OP geht es oft zu wie im Taubenschlag", sagt Köster. Ein ständiges Kommen und Gehen ändere den Luftstrom laufend, manchmal stünden auch die Türen offen, ins­besondere in der Unfall- und Notfallchirurgie.

Die OP-Planung funktioniert heute nach dem Prinzip Versuch und Irrtum. Meist wird ein Standardlayout verwendet, das ein Gebläse für Frischluft an der Decke und Absaugung in den seitlichen Wänden vorsieht. Am Münchner Klinikum Rechts der Isar nutzt man auch eine Luftzufuhr aus der Seitenwand, weil dann die großen Lampen über dem OP-Tisch nicht im Weg sind. Was besser ist, weiß niemand – das soll jetzt erstmals die Simulation klären.

Strömungssimulation – bei diesem Begriff denken Fachleute sofort an Finite-Volumina-Verfahren mit aufwändiger Vernetzung über die der reale Raum virtuell im Rechner in kleine Volumina eingeteilt und die Luftbewegung in jedem Bereich berechnet wird. Solche Software-Pakete gibt es zu kaufen, die Ergebnisse sind sehr gut. Der Nachteil: Eine Berechnung dauert bis zu mehrere Wochen – für Projektleiterin Gerta Köster viel zu lange. "Wir brauchen interaktive Simulationen in Echtzeit", fordert die Mathematikerin. Soll heißen: Verschiebt man am Bildschirm Objekte, sollen die veränderten Strömungs­linien in Sekundenschnelle sichtbar sein. Nur dann würden OP-Planer gerne mit so einem Werkzeug arbeiten.

Mathematische Anpassung. Um dieses Werkzeug zu entwickeln, mussten Köster und ihre Partner vom Lehrstuhl für Computation in Engineering der Technischen Universität München und vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik in Holzkirchen einen effizienteren mathematischen Ansatz suchen. Die Wahl fiel auf den so genannten thermischen Gitter-Boltzmann-Ansatz, für den es keine für die Aufgabe geeigneten kommerziellen Software-Pakete gibt. Die Forscher mussten das Modell für die eigenen Zwecke anpassen (siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2006, Angenehme Turbulenzen). Die Strömungsphysik dahinter ist dieselbe, erklärt Dr. Christoph van Treeck, Projektleiter beim Partner TU München am Lehrstuhl für Computation in Engineering von Prof. Dr. Ernst Rank. Die Methode ist aber wesentlich geeigneter für effiziente Programmierung: Die Volumengitter werden in Sekunden errechnet. Bei einer interaktiven Simulation leidet darunter zwar die Präzision, doch das Ergebnis ist immer noch gut genug, um verlässliche Strömungslinien zu erzeugen.

Noch läuft die Software für ComfSim – so der Name des von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten gemeinsamen Projekts – auf einem mehrere Millionen Euro teuren Hochleistungsrechner und errechnet an der TU erfolg­reich die Luftströmung in ICE-Waggons und Flugzeugen. Im fertigen Produkt für die OP-Planung, das in zwei Jahren stehen soll und für dessen Entwicklung Köster in den Siemens-Divisions noch Partner sucht, soll ein PC-Cluster für wenige tausend Euro genügen. Für die Planung eines neuen Operations­saals könnte man die Software aber schon jetzt benutzen.

Eine Simulation während der Operation, bei der die Position von Mensch und Maschine laufend überwacht und zur Steuerung der Klimatisierung verwendet wird, hält Köster zwar prinzipiell für machbar, aber für wenig sinnvoll. Besser sei es, bei der Planung des Operationssaales verschiedene Szenarien durch­zuspielen und allgemeine Verhaltensregeln zu definieren. In der Demo-Simulation des OP-Saals zum Beispiel, wo die Frischluft am Fußende des OP-Tisches hereinströmt, sollten sich keine Personen zwischen Liege und Lüftung aufhalten, um die Luft nicht unnötig zu verwirbeln.

Bei der Planung einer Operation könnte der Arzt die Simulation auch nutzen, um vorab die Platzierung der Geräte zu optimieren und den Arbeitsablauf während der Operation festzulegen. "Bisher versuchten wir die Geräte und Systeme im OP-Saal hinsichtlich der Luftströmung so zu positionieren, dass sie diese möglichst wenig stören", erklärt Dr. Rainer Burgkart, orthopädischer Chirurg am Klinikum Rechts der Isar. "Allerdings vertrauten wir dabei unserem Gefühl. Somit konnten wir natürlich nicht wissen, ob wir letzten Endes eine optimale Frischluftzufuhr erreicht haben."

Noch sind nicht alle Potenziale der Simulationssoftware ausgeschöpft. Als nächstes soll die Lüftung so angepasst werden, dass nicht bloß die Luft­temperatur stimmt, sondern dass sich die Personen im Raum wohl fühlen. Der Patient soll gekühlt werden, aber nicht unter eine bestimmte Schwelle, und die Ärzte sollen unter ihrer sterilen Kluft nicht ins Schwitzen kommen. Ein weiteres Ziel ist, Strahlungsmodelle in die Simulation einzubeziehen. Das ist wichtig, weil es einen Unterschied macht, ob zum Fenster die Sonne herein­prallt oder ob es draußen neblig ist und Lampen im Raum eingeschaltet sind. Die Zeit für ComfSim in der OP-Planung ist reif, ist Köster überzeugt. Derzeit würden wieder vermehrt neue Krankenhäuser gebaut, viele alte OP-Säle renoviert – mit dem Simulationswerkzeug hätte Siemens dabei einen klaren Wettbewerbsvorteil. Kösters Botschaft: "Wer immer einen OP-Saal plant, sollte dies nicht ohne unsere Strömungssimulation tun."

Simulationswerkzeug für Architekten. Da Luftströmung nicht nur in OP-Sälen wichtig ist, sondern prinzipiell in allen Gebäuden, könnte der Simulator auch zu einem universellen Hilfsmittel für Architekten entwickelt werden. Diese planen heute Gebäude vorwiegend nach optischen Gesichtspunkten. Ein Raumplaner mit simulierter Luftströmung und Temperaturverteilung erlaubt Gebäude gleich so auszulegen, dass die Menschen immer im Wohlfühlbereich sind, also genau dort geheizt und gekühlt wird, wo es nötig ist. Das spart Energie. So ließe sich die Belüftung von Konzerthallen vorab so simulieren, dass die Klimatisierung immer optimal ist, egal ob die Halle schwach besucht oder brechend voll ist. Sogar Personenströme, etwa in Terminals am Flughafen, sollen dann in die Simulation eingehen. Köster: "Dann können wir auch die Wärme der Menschen für die Klimatisierung berücksichtigen."
                                                                                                                Bernd Müller