Appunti completi di Impianti

Impianti ospedalieri

Introduzione

Il policlinico di Milano è stato uno dei primi esempi di ospedali costruiti con l’idea di porre al centro dell’attenzione il paziente. La parte più innovativa era la presenza di impianti tecnici con anche l’intenzione di applicare delle norme, tra cui sistemi idraulici, di scarico, di raccolta dell’acqua piovana e un sistema fognario. Inizia a esserci maggiore attenzione verso alcuni aspetti di impiantistica ma rimane comunque poca attenzione alla cura dei malati. L’idea di progettare un ospedale come una mini-città è stata ripresa anche negli anni successivi. L’ospedale a padiglione consente di avere nello stesso spazio strutture vecchie e più nuove, espandendosi se necessario.

Inizialmente, il medico e i suoi assistenti operavano in veri e propri teatri operatori come se fosse uno spettacolo a cui assistere. Non esistevano ancora impianti di illuminazione, per cui di solito essi erano posti ai piani più alti dell’edificio; anche la conformazione della stanza era tale da favorire la possibilità di sentire cosa dicesse il medico dal punto di vista acustico. Uno dei problemi principali riguardava sicuramente il rischio di infezioni.

Definizione di impianto

Impianto: L’insieme dei macchinari, delle attrezzature e dei mezzi di produzione in genere che, impiegati in maniera coordinata, sono necessari per la produzione di determinati beni o servizi: impianti siderurgici, impianti di trasporto, impianti chimici; [...]. Nelle costruzioni edilizie: impianti del gas; impianti idraulici, per la distribuzione dell’acqua potabile e per lo smaltimento delle acque di rifiuto; impianti elettrici, per l’illuminazione e la forza motrice; impianti termici, gli impianti centrali a termosifone o a vapore a bassa pressione, [...]; impianti di climatizzazione, qualsiasi impianto nel quale un fluido opportunamente trattato [...] viene fatto circolare in un sistema di condutture di un edificio.

Tutti gli impianti in ospedale hanno anche delle peculiarità che dipendono dalla struttura stessa. Una caratteristica comune è la necessità di erogare in maniera continua il servizio per cui servono appositi sistemi di sicurezza. Tipico dell’ospedale è il problema della continuità di servizio degli impianti, a seconda del livello di criticità della interruzione, anche per interdipendenza tra impianti. Si interviene su due livelli:

• In fase di progetto dell’impianto (es. ridondanza);
• In fase di conduzione dell’impianto (es. strategie di manutenzione, magazzino ricambi);

Chi assume la responsabilità della gestione di queste fasi deve avere conoscenze tecniche ma anche conoscenze degli aspetti rilevanti dei protocolli sanitari per lo svolgimento delle attività di cura dei pazienti. La necessità di garantire sempre il servizio ricade anche sulla necessità di continua manutenzione. Il responsabile di tutte queste attività è l’ingegnere clinico.

Ruolo dell'ingegnere clinico

Definizione dell’Associazione Italiana Ingegneri Clinici: «Professionista che partecipa alla cura della salute garantendo un uso sicur, appropriat ed econom della strumentazione e delle attrezzature biomedicali [...] in uso nei servizi socio-sanitari (sia all’interno dei presidi ospedalieri che nelle strutture distribuite di cura ed assistenza domiciliare) [...]».

Spesso la tecnologia è molto costosa, per cui è anche fondamentale limitare la richiesta di esami e interventi. Tutte queste attività devono essere integrate nell’ospedale e questo può avere un certo impatto sulla struttura. È anche fondamentale fornire una formazione adeguata al personale. Queste attività devono essere svolte in ospedali che hanno caratteristiche molto diverse tra di loro in termini di:

• Dimensioni e struttura; spesso si ha a che fare con strutture piccole o con limiti dal punto di vista urbanistico.
• Età degli edifici e delle infrastrutture.
• Servizio offerto (ospedali specializzati, ospedali generalisti).
• Contesto ambientale (urbano, extraurbano, zona turistica, ...).

L’ingegnere clinico deve avere una visione organica d’insieme delle problematiche tecniche e gestionali che gli permetta di adattarsi alla struttura con la quale potrà avere a che fare.

L'ospedale come sistema e rete

L’etimologia dell’ospedale parte dalla parola nosocomio (che deriva da due parole greche, che indicano rispettivamente cura e malattia). L’ospedale quindi si occupa di entrambi questi aspetti, anche se per essere precisi, si devono considerare ulteriori tre elementi tipicamente ospedalieri: prevenzione, diagnosi e terapia. La cura della malattia si affrontano con le terapie cliniche ospedaliere, che si differenziano in terapeutiche e diagnostiche. Queste procedure cliniche non si svolgono in tutto l’ospedale ma solo nei locali medici.

I più importanti sono i locali di degenza in cui si ospitano i pazienti durante il periodo di cura. I locali medici sono organizzati in reparti, disposti secondo una precisa logica. La definizione di locale ad uso medico è la seguente: “Locale destinato a scopi diagnostici, terapeutici, chirurgici, di sorveglianza o di riabilitazione dei pazienti”.

Nelle camere di degenza si definisce uno spazio in senso orizzontale di 1.5m e di altezza 2.5m che prende il nome di zona paziente e che è molto importante dal punto di vista della sicurezza, in cui si svolgono anche le operazioni di terapia e diagnosi. In quest’area oltre al paziente, ci sono molti altri elementi.

Scopo degli impianti ospedalieri è fornire energia e informazione per il funzionamento dell’ospedale e in particolare lo svolgimento delle procedure diagnostiche e terapeutiche nei locali medici. Al paziente, oltre alle forme di energia che derivano direttamente dal contatto con apparecchiature, ci sono altre forme di energia, come quelle luminosa, termica, meccanica…

Gli impianti sono reti che interagiscono tra di loro, oltre che con il paziente. Il posto letto prevede un trasferimento di energia e informazioni da vari punti, interni ed esterni all’ospedale. Negli ospedali storici, il trasferimento di energia al posto letto per l’attuazione delle procedure di diagnosi e terapia era pari a zero. Negli ospedali attuali ogni strumento per lo svolgimento delle procedure di diagnosi e terapia al posto letto è terminale di un impianto che trasferisce energia.

L'ospedale come sistema complesso

I pazienti sono collocati in ambienti in cui svolgono diagnosi e terapia e servono delle risorse che siano disponibili (energia, personale, materiale e informazione). L’ospedale come sistema deve essere: dinamico, adattativo (è aperto quindi interagisce con l’ambiente esterno e reagisce a diversi parametri), complesso. Spesso la parola complessità viene usata in maniera impropria; si definisce «la complessità effettiva (di un sistema) è la lunghezza della descrizione concisa delle sue regolarità».

Un sistema complesso deve poter essere descritto in maniera semplice, precisa e non ridondante. L’ospedale è un sistema complesso per cui spesso si assimila ad un sistema vivente. Questo è dovuto a:

• Molte componenti: il sistema è complicato
• Le interazioni tra le componenti
• L'assenza di gerarchia “piramidale”
• L'interazione adattiva con l’ambiente

Spesso si confondono complessità e complicazione: una rete impiantistica, in sé, è un sistema complicato, ma non complesso. La stessa rete, inserita in un sistema complesso, può assumere comportamenti di tipo complesso.

Un sistema è complicato se:

• Si conoscono le proprietà di ogni singolo componente
• Si conoscono le regole di relazione tra i componenti
• È nota la finalità di funzionamento del sistema

Se si descrive un sistema con un insieme di equazioni allora si parla di sistema complicato, ma non complesso. I termini di “insieme”, “sistema”, “rete”, hanno una base comune e sono tutti relativi all’esistenza di elementi:

• Interagenti o collegati
• Funzionanti in modo coerente

L’ospedale è costituito da una sovrapposizione di più reti:

• Reti di reparti
• Reti impiantistiche: l’ospedale è un sistema tecnologico
• Reti logistiche: trasferimento di risorse, personale e materiale
• Reti informative: per svolgere correttamente l’attività medica

Struttura fisica e rete degli ospedali

L’ospedale, come struttura fisica, dipende dal numero e dal tipo di reparti e dall’organizzazione che ne viene data. Gli impianti ospedalieri presentano strutture a rete che dipendono dalla organizzazione delle reti di reparti e dalle strutture degli edifici ospedalieri. I sistemi artificiali, nel grande e nel piccolo, funzionano bene se sono simili a quelli biologici e fisiologici. Si distinguono diverse modalità di strutturazione:

• Ospedale a padiglioni
• Ospedale monoblocco
• Ospedale nuova piastra

Gli ospedali in Italia sono piuttosto datati, come si vede nel grafico a lato: la maggior parte hanno un’età notevole. Spesso ci sono strutture miste, con aree nuove affiancate a quelle più vecchie. Negli ultimi 30 anni è stato perso circa il 30% dei posti letto (con un leggero aumento negli ultimi anni per effetto della pandemia): questo è legato anche all’evoluzione della prassi medica e non ha determinato una riduzione dell’efficienza.

Esempi di ospedale a padiglioni sono il Niguarda e gli Spedali civili di Brescia (con una simmetria centrale). Nel corso della storia degli ospedali sono stati aggiunti dei blocchi per far fronte alle nuove esigenze sanitarie, così come nuovi spazi verdi. Invece, esempi di ospedali monoblocco sono il San Carlo Borromeo e il San Gerardo.

Modelli ospedalieri e futuro dell'ospedale

Nel 2000, il Ministero della sanità (in particolare Veronesi) ha elaborato una nuova idea di ospedale basata sui principi riportati sopra. Erano previsti anche degli schemi su come far funzionare l’ospedale in base alla sua struttura. Questi principi si sono tradotti in costruzioni reali. Dal punto di vista dei flussi, l’ospedale nuova piastra si basa sull’idea che vi siano due accessi, opposti e indipendenti: emergenza/urgenza e accettazione. Dal baricentro in cui questi ingressi si incontrano poi ci si sposta verso gli altri elementi, chirurgia, day hospital, radiologia e diagnostica. Sono previste anche strutture alberghiere per i parenti dei visitatori. Gli ambulatori e il day surgery si collocano al primo piano. È previsto un sistema a corpo quintuplo con diversi settori e due corridoi.

Questo modello trova applicazione, ad esempio, nell’ospedale di Versilia: l’altezza non supera quella degli alberi nel verde ed è sempre previsto un seminterrato. Un altro esempio noto è quello Dell’angelo di Mestre, un ospedale monoblocco con una grande hall con molto verde: ha rispettato perfettamente il principio di integrazione, dato che appare come un piccolo quartiere urbano. Anche il Sant’Anna di Como prevede una grande hall, con reparti e pronto soccorso ben organizzati. Infine, anche il nuovo ospedale di Bergamo rispetta tutti questi principi.

La struttura dell’ospedale a padiglioni prevede un grande sviluppo dei percorsi orizzontali e verticali. L’ospedale Niguarda, dal 1939 al 2006, si è sviluppato aumentando del 30% il suo volume e quindi la complessità dei suoi collegamenti. Sono stati aggiunti nuovi blocchi sud e nord (che replicano in piccolo l’ospedale piastra) e poli tecnico-logistici. Gli accessi al pronto soccorso e agli ambulatori sono quindi mantenuti separati. Ci sono anche aree commerciali e di ristorazione, sia per il personale che per i pazienti. L’interfaccia tra ospedale e realtà urbana rispetta i criteri precedenti.

Consideriamo anche il caso del Policlinico di Milano, un edificio storico nel cuore della città sottoposto a trasformazione secondo vari criteri: alcuni edifici sono legati all’attività sanitaria e altri a quella non sanitaria, ed è stata anche realizzata una nuova struttura a doppia torre. Si parla quindi di ristrutturazione ma anche di riqualificazione e rinnovamento. Rimane comunque esteso lo spazio verde. Il cantiere è previsto che terminerà nel 2023-2024: sono anche previste aule di docenza e insegnamento universitario.

Storicamente si sono verificati una serie di trend che hanno influenzato la struttura ospedaliera:

• Riduzione del numero dei posti letto ordinari
• Introduzione dei posti letto a diversa intensità di cura: non tutti i pazienti sono uguali dal punto di vista della malattia e ognuno deve essere curato in maniera specifica e personalizzata.
• Integrazione della chirurgia con la diagnostica: le attività chirurgiche si svolgono con apparecchiature che forniscono immagini in tempo reale (chirurgia robotizzata)
• Aumento di day hospital e day surgery: le cure diminuiscono in termini di durata

L’ospedale continuerà ad evolvere: si deve pensare come a una struttura concentrica, con livelli esterni (pronto soccorso e ambulatori) che convergono verso quelli interni (laboratori dedicati a pazienti non ricoverati) fino ad arrivare alla degenza e alla chirurgia (centro tecnologicamente più avanzato).

L’ospedale futuro sarà molto complesso, in cui convergono moltissimi ambiti. L’ospedale futuro dovrà essere:

• Flessibile: In grado di modificare tempestivamente la struttura e le tecnologie dei reparti in funzione delle esigenze epidemiologiche. L’ospedale deve distinguere i pazienti in base all’intensità di cura ma sapendosi adattare, come con la pandemia, a nuove esigenze sanitarie.
• Esteso: Costituito dall’integrazione tra un nucleo centrale e vari centri periferici distribuiti nel territorio e dotati di risorse funzionali

La capacità di crescita dei sistemi biologici potrebbe essere realizzata anche nelle strutture ospedaliere. Da un’area principale di accesso (emergenza o ambulatoriale) si arriva ai reparti di degenza con percorsi differenziati e separati, indipendenti e non sovrapposti. La flessibilità deve integrarsi con l’estensione.

Le reti tecnologiche dell’ospedale futuro riguarderanno anche le estensioni territoriali dell’ospedale che vi saranno integrate:

• UCCP, unità complessa di cure primarie: Strutture ambulatoriali e di assistenza sanitaria di base e diagnostica di primo livello
• AFT, aggregazione funzionale territoriale: Strutture polispecialistiche per lo svolgimento di visite specialistiche, prestazioni diagnostiche di primo livello e di laboratorio, consulti polispecialistici, presa in carico dei pazienti cronici, prestazioni infermieristiche di assistenza domiciliare.

Le reti degli impianti negli ospedali a padiglioni percorrevano lunghe distanze rispetto alle centrali; le lunghezze sono state compattate negli ospedali monoblocco e ancora di più in quelli a nuova piastra. L’evoluzione strutturale degli ospedali ha portato a una riduzione delle lunghezze delle reti interne ma a un aumento della loro articolazione. Le strutture dovranno avere reti di impiantistica indipendenti, funzionali e connesse alla realtà, con l’intento di razionalizzare l’energia.

Teoria delle reti

I concetti generali che stanno alla base della teoria delle reti sono:

• Insieme
• Sistema
• Rete: insieme di elementi, chiamati nodi, connessi tra loro da archi o rami per costruire un grafo.

Nodo: elemento della rete dotato di propria autonomia funzionale.

Ramo: elemento della rete in grado di svolgere la funzione di connettività. Su di essi si muovono elementi fisici, come informazione, personale e materiale.

I criteri per individuare nodi e rami sono specifici per ciascuna tipologia di rete; i rami sono spesso denominati link. La definizione di nodi e reti dipende dal contesto tecnologico di scala. Esistono diverse configurazioni di reti:

• Reti a stella: è un insieme di nodi con uno centrale, connesso a tutti gli altri. Il nodo stella centrale permette alla rete di sopravvivere e in mancanza di esso decade.
• Reti ad albero: si aggiungono nodi di ulteriori livelli rispetto a quello principale.
• Reti ad anello: molto comuni. L’anello sostituisce il nucleo centrale. Se uno dei link viene a mancare, la funzionalità permane perché gli altri nodi riescono a comunicare. Questo non vale se vengono a mancare due link.
• Reti a maglie: si usano per le telecomunicazioni. Per passare da un nodo all’altro ci sono dei percorsi alternativi. Se manca un link o un nodo la funzionalità rimane.

A lato si mostra la legge di potenza: se si misura il numero di nodi collegati al web attraverso i link, allora N è proporzionale ad un fattore esponenziale. Ci sono esempi di reti, ad esempio, nelle interazioni tra le proteine: una rete costituita da un nucleo di anelli e maglie con alberi periferici. Anche le reti neurali prevedono diversi livelli di collegamento tra input e output.

In biologia, le reti sono dei sistemi adattativi che cambiano la configurazione in funzione dell’informazione interna o esterna che si muove nella rete. Le reti a maglia si usano per i sistemi informativi negli ospedali e negli spazi pubblici dato che sono le più versatili. Non si usano invece come modello del web, che prevede invece una configurazione ad albero con periferie a stella: c’è un nodo centrale (hub) da cui si dipartono gli altri livelli. Conoscendo i centri stella è possibile agire, con anche problemi relativi alla sicurezza; questi sistemi, nonostante la geometria, comunque sono in grado di funzionare anche in presenza di danni locali.