胡名璽，孫秋明，劉圣軍，田 豐，楊 健，高萬玉

折疊式傳染病員負壓隔離轉運艙研究

胡名璽，孫秋明，劉圣軍，田 豐，楊 健，高萬玉

目的：研發(fā)折疊式負壓隔離轉運艙，滿足新發(fā)突發(fā)傳染病現場應急防控病員轉運與處置需求。方法：基于負壓隔離原理，模擬仿真不同工況下艙體受力情況，設計可快速安裝的相對密閉艙體；綜合集成風機、高效空氣過濾器、壓差傳感器、數據采集與控制元件，設計高效排風過濾模塊；采用壓差補償技術，避免在機載顛簸工況下對艙內壓差波動，維持穩(wěn)定的定向氣流；通過環(huán)境生理學測量方法，分析負壓隔離轉運艙工作時對受試者生理指標影響。結果：折疊式傳染病員負壓隔離轉運艙對0.3 μm生物氣溶膠的過濾效率大于99.99%，在2 min內建立不小于15 Pa的負壓差，實現艙內壓差、電量實時監(jiān)控，人體工效學試驗表明對受試者生理指標無影響。結論：折疊式負壓隔離轉運艙過濾效率高，負壓差建立穩(wěn)定可靠，艙體作業(yè)展收快捷方便，滿足傳染病員轉運需求。

負壓；可折疊；隔離后送；傳染病員；埃博拉病毒

0 引言

2014年2月，西非爆發(fā)了有史以來最嚴重的埃博拉疫情。中國政府高度關心在疫區(qū)工作和生活的專家、公民的健康，國家有關部門于2014年8月部署了做好埃博拉出血熱患者轉運準備重大任務。本課題組自我國2003年“非典”疫情起長期從事高傳染性病員轉運關鍵技術及裝置研究工作，此次又承擔并開展了埃博拉病員轉運裝置和生物安全裝備研發(fā)，研制出折疊式傳染病員負壓隔離轉運艙，可滿足傳染病現場應急防控環(huán)境下病員轉運需求。

1 國內外同類裝備對比

1.1 國外現狀

進入21世紀以來，全球相繼暴發(fā)了SARS、禽流感、甲型流感H1N1、西非埃博拉出血熱等疫情，美國、日本、以色列等國高度重視并相繼開展了生物防護隔離與轉運裝備研發(fā)。目前的代表產品主要有美國運送高危險性傳染病員的負壓隔離后送艙、日本ISOTECH公司TI-2N負壓隔離轉運艙、以色列Isolation Tents Negative Pressure與 IsoARK N 36-1 ISOLATION CHAMBER等。這類負壓隔離后送產品對負壓標準沒有統一的要求，主要分布在-5～-50 Pa范圍內。其艙內負壓差是通過高效空氣過濾通風系統保持，每1 h進行5次以上的潔凈空氣交換；艙體材料主要以聚氯乙烯透明膜為主，部分產品采用防水涂層織物，還有部分產品采用硬質艙體材料如聚甲基丙烯酸甲酯（俗稱“有機玻璃”）；過濾裝置均采用高效空氣過濾器（HEPA），對0.3 μm的微粒氣溶膠過濾效率為99.97%[1-2]。

1.2 國內現狀

臺灣原始碼科技股份有限公司生產有一款輕便型負壓隔離防疫裝置，該裝置由充氣式負壓隔離袋和負壓動力系統兩大部分組成。充氣式負壓隔離袋尺寸210 cm×60 cm×60 cm，采用氣肋支撐（頭尾部具有雙重支撐），可承受30 Pa壓差不變形；袋體底部防滑耐磨，采用防水水密拉鏈，確保密封良好；預留有呼吸管和輸液管進口，附有手套，便于操作。

2003年，軍事醫(yī)學科學院衛(wèi)生裝備研究所研發(fā)了大陸首款傳染病員負壓隔離裝置，為成功轉運“非典”病員發(fā)揮了重要作用。該型負壓隔離裝置風機轉速靠手動調節(jié)，艙體采用不銹鋼支架式結構，由于艙體不可折疊，其貯運體積較大。2011年，課題組研制成功充氣式負壓隔離轉運艙，有效解決了貯運空間難題，但存在充氣支撐妨礙醫(yī)生觀察視野和破損隱患。此外，負壓隔離轉運艙在制造工藝水平方面與國外產品相比還存在明顯差距[3-4]。

本課題組針對傳染病現場應急防控環(huán)境，旨在解決安全性、可靠性、易展收操作性和攜行儲存等方面瓶頸問題，創(chuàng)新設計研發(fā)折疊式負壓隔離轉運艙。在以下幾個關鍵技術上有所突破：（1）基于有限元技術，采用數值模擬方法，分析計算不同壓差時艙體的受力狀態(tài)，合理布置艙體支撐點，研究可折疊、耐壓差、易洗消的密閉艙室整體結構設計；（2）設計與研究由高效空氣過濾器、低噪高效離心式風機、壓差顯示與控制電路等構成的易洗消防水高效排風過濾集成結構；（3）對艙體密閉環(huán)境的空氣動力學進行仿真分析，優(yōu)化進風、出風口的位置與尺寸。

2 艙體結構設計

2.1 工作原理

傳染病員負壓隔離轉運艙主要用于傳染病員的安全隔離后送，切斷在后送過程中病原體的傳播途徑，防止疫情進一步擴散，使外界環(huán)境免受污染，降低健康公眾的感染幾率。該轉運艙主要由可開啟的密閉式艙體、高效排風過濾裝置組成（如圖1所示），新鮮空氣經進氣口過濾器補充到艙內，病員呼出的污染空氣經過濾后由高效排風過濾裝置排出，艙內空氣從進氣口到排氣口，形成微環(huán)境空氣定向流。

2.2 結構形式

該產品主要由可折疊艙體、高效排風過濾裝置組成。艙體采用可折疊與快速組裝的鋁合金支架、高透明度的聚氨酯膜材料組成相對密閉的空間，高效排風過濾裝置由超高效過濾器、壓差監(jiān)測、直流風機等組成。具體結構如圖2所示。

2.3 數值模擬分析

通過有限元分析模擬艙體在使用過程中的受力情況，根據分析和計算結果進行艙體支撐結構設計，以滿足其在負壓環(huán)境條件下的強度、剛度、穩(wěn)定性要求。同時，根據人機工程學原則，合理安排操作手孔的位置，提高操作便捷性。

模擬工況：艙內壓差值在-20、-30、-40 Pa時，計算艙體各部分的受力情況、艙體變形情況，進而設計支撐桿的數量與支撐點的位置。在4根支撐桿（底部2根、距離底部300 mm位置）時，艙內壓差-20 Pa時最大變形為7.9mm，等效應力2MPa；艙內壓差-40 Pa時最大變形為11mm，等效應力3.8MPa。考慮到聚氨酯材料的特性，該支撐的結構形式能滿足要求。

圖1 負壓隔離轉運艙工作原理圖

圖2 負壓隔離轉運艙結構圖

3 艙體內部微環(huán)境空氣動力學仿真

艙體內部氣流流場及污染物流場分布對于負壓艙的安全性能有著重要的影響。研究如何合理地組織艙體內空氣的流動，避免氣流短路現象，以達到良好的流動及分散效果十分重要。運用Fluent軟件，以風機特性曲線作為初始條件，采用基于VOF（多相流模型）湍流模型對艙體內氣流流場進行數值模擬[5]。根據負壓艙的實際運行情況，將控制盒的2個氣流出口平面設為風機出口，其壓力跳躍響應由風機曲線給出。下面以艙內壓差-25 Pa為例進行計算：將進氣口平面設為壓力入口，其靜壓與外界大氣壓相同。在病員口部附近設計一平面，模擬傳染病員呼出的污染氣體，其速度設計為人在打噴嚏時的速度，約為2 m/s，介質為Ⅱ，其余艙體內有限體積元介質設置為空氣，采用基于VOF（多相流模型）湍流模型進行[6]。

4 高效排風過濾裝置設計與集成

在不同通氣量條件下，研究不同過濾效率的玻璃纖維，過濾微生物氣溶膠、無機粒子氣溶膠以及有機液滴氣溶膠的過濾效率和氣阻；探索活性炭纖維、丙綸非織造布等不同材質對過濾效率的影響，確定高效生物氣溶膠過濾器的最佳使用材質或材質組合。研究發(fā)現，多級高效空氣過濾模式較佳。當濾材折疊脊呈放射狀態(tài)，兩級濾紙疊脊的夾角呈45°布置時，可減少針孔效應幾率，同時實現高過濾效率與低氣流壓降效果，提高了生物氣溶膠防護安全系數。經檢測，對0.3 μm微粒氣溶膠的過濾效率達到99.99%。

根據病員對艙體內氧氣含量的需求，艙體內與外界環(huán)境要求達到負壓差、艙體進氣口的大小等綜合因素，確定艙體合理的排風量。根據艙體的排風量、高效生物氣溶膠過濾器在設計要求的過濾效率下的氣阻，綜合集成高效生物氣溶膠過濾器、直流風機、控制器、鋰電池、負壓測試儀等零部件，且具備防水及耐標準消毒劑腐蝕的能力，實現壓差實時監(jiān)測、低電壓報警等功能。并采用空氣流體力學設計風道截面與走向，結合隔振吸音材料的應用，有效降低系統噪聲等級。如圖3所示。

圖3 高效排風過濾裝置三維模型示意圖

5 控制系統設計

設計基于單片機的智能控制系統電路，集成操作面板、風機轉速調節(jié)控制、電量顯示及報警、艙內壓力顯示及報警等功能，且具備防水及耐標準消毒劑腐蝕的能力。以單片機C8051F330為核心構建智能控制系統。操作面板接收按鍵信息傳遞給單片機，單片機可輸出PWM波到MC33035控制風機轉速；壓力表的壓力傳感器信號經過放大、濾波后傳給單片機，由單片機內置ADC進行轉換、采集；另外設計電量采集電路，由單片機內置ADC采集電源電量信息；艙內壓力、電源電量通過單片機處理，以LED燈顯示[7]，并控制LED燈和蜂鳴器進行壓力、電量聲光報警。當壓力小于15 Pa，電池輸出電壓低于10 V時，進行聲光報警；供電電源可采用自帶內置直流12 V電池，也可采用外接電源，外接電源可以是車載電源（直流12 V）或者市電交流220 V。系統的結構參見本期田豐文章圖13。

研發(fā)直流風機與控制電路。該風機為12 V直流無刷電動機，轉速8 000 r/min。風機控制芯片為直流無刷電動機控制器MC33035，基于該芯片的典型控制電路參見本期田豐文章中的圖15。

6 人體工效學試驗研究

采用環(huán)境生理學測量方法，對負壓轉運艙進行人體工效學試驗，旨在通過分析試驗過程中，艙體內環(huán)境指標和受試者生理指標的變化，為負壓轉運艙適體性能的系統設計提供科學的依據。

分別在-15、-20和-30 Pa艙體內負壓差環(huán)境條件下，每位受試者平躺于負壓隔離艙內60 min。在受試者進入負壓艙0、10、20、30、40、50和60 min時，同步測試受試者生理指標和艙體內環(huán)境指標。其中，生理指標包含血氧飽和度、口溫、心率、主觀體力感覺等級（RPE）、疲勞癥狀問卷、負壓轉運艙對受試者聽力影響問卷等。環(huán)境指標包括氧氣含量、二氧化碳氣含量、氣溫、濕度、氣壓、噪聲等。結果如圖4～6所示，表明在試驗條件下，艙體內環(huán)境對受試者人體生理指標無影響。

圖4 不同負壓不同時間艙內二氧化碳含量變化（男性）

圖5 不同負壓不同時間艙內溫度變化（男性）

圖6 不同負壓不同時間艙內人員血氧飽和度的變化（女性）

7 裝備生物安全防護性能試驗

通過對不同噬菌體（f2、SM701、SM702和PhiX-174）耐霧化性能、氣溶膠顆粒特性、對抗外環(huán)境壓力等比較實驗研究，篩選出理想的甲型H1N1流感病毒替代物噬菌體；模擬自然狀態(tài)下甲型H1N1流感病毒模擬病毒氣溶膠發(fā)生和測試方法。

在艙體內發(fā)生噬菌體Phi-X174氣溶膠，用AGI-30采樣器采集生物氣溶膠本底濃度，測試流量12.5 L/min；在排風口處用Andersen 6級采樣器采集排出的生物氣溶膠樣本，測試流量28.3 L/min，采樣時間均為10 min，用雙層瓊脂平板培養(yǎng)計數法測量采樣后的噬菌斑數。試驗情況如圖7所示。結果顯示對微生物氣溶膠的過濾效率大于99.999%。

圖7 負壓隔離裝置生物安全防護性能試驗

8 結語

本文設計研發(fā)的負壓轉運裝置可折疊，質量輕，便于貯存與運輸；艙體為一體式成型結構，無消毒“死角”；高效微生物過濾器、直流風機、控制器、鋰電池、負壓測試儀等零部件的集成結構，具備防水及耐標準消毒劑腐蝕的能力，可實現壓差實時監(jiān)測，低電壓報警等功能，達到了國際領先水平。通過對艙體內部氣流流場及污染空氣的流場分布進行模擬，研究最優(yōu)的進氣口、出氣口等參數對艙體內空氣流動的影響，達到了良好的流動及分散效果。人體工效學試驗分析不同負壓條件下艙體內氧氣濃度、二氧化碳濃度、氣溫、濕度的變化對受試者的心率、血壓、血氧飽和度等生理指標無明顯影響。

該裝置能夠滿足疫情環(huán)境條件下對傳染病員進行隔離后送，避免傳染病原體的擴散，降低隨行醫(yī)護人員的感染幾率，且折疊體積小，便于貯運；可配備給承擔相關任務的醫(yī)療機構、傳染病醫(yī)院和急救中心，具有較強的軍事、社會和經濟效益。該產品目前已經配發(fā)并同時應用到西非塞拉利昂、馬里等國家，抗擊埃博拉出血熱疫情。

[1]防化研究院信息研究中心.美軍聯合軍種化學與生物防御計劃概要（2008－2009版）[M].北京：軍事誼文出版社，2008.

[2]高樹田，張曉峰，王運斗.國外核化生醫(yī)學防護裝備現狀與發(fā)展[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32（1）：67-68.

[3]劉長軍，田豐，孫秋明，等.生化集體防護隔離與轉運帳篷的應用現狀研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31（7）：33-35.

[4]胡名璽，田豐，劉圣軍，等.可折疊傳染病患者負壓隔離后送裝備發(fā)展及展望[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2012，33（10）：73-75.

[5] 李范春.ANSYS Workbench設計建模與虛擬仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6]高耀樂.ANSYS機械工程應用精化60例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[7]Centers for Disease Control and Prevention.Epidemic Intelligence Service（EIS）[EB/OL].[2014-11-10].http：//www.cdc.gov/eis/index. html.

（收稿：2014-11-20）

Study on folding negative-pressure isolation transport capsule for infectious disease patients

HU Ming-xi,SUN Qiu-ming,LIU Sheng-jun,TIAN Feng,YANG Jian,GAO Wan-yu
（Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China）

To develop folding negative-pressure isolation transport capsule for the evacuation and treatment of infectious disease patients.An airtight framework which could be assembled rapidly was designed with using negative-pressure isolation principle and simulating the stresses on the framework under different conditions.The capsule had its blowing filtration module made from the integrated blower,high-efficiency air filtrator,differential pressure sensor as well as the component for data acquisition and control.Differential pressure compensation was involved to eliminate the pressure fluctuation in the capsule in case of bumping.Environmental physiology methods were used to analyze the physiological status of the patient during evacuation.The capsule had the filtration efficiency more than 99.99% against 0.3 μm biological aerosol particles,and took less than 2 min to form negative pressure difference not less than 15 Pa. Real-time monitoring was realized for the pressure difference and electric quantity in the capsule.Ergonomics experiments showed that the physiological indexes of the examinee were not influenced significantly.The capsule behaves well in filtration,developing negative pressure difference and deployment,and thus can be used for the evacuation and treatment of infectious disease patients.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（12）：97-100]

negative pressure;folding;isolated evacuation;infectious patient;Ebola virus

R318；R181.9

A

1003-8868（2014）12-0097-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.097

國家科技部埃博拉疫情防控應急專項課題

胡名璽（1978—），男，助理研究員，主要從事野戰(zhàn)急救器材方面的研究工作，E-mail：humax@ 126.com。

300161天津，軍事醫(yī)學科學院衛(wèi)生裝備研究所（胡名璽，孫秋明，劉圣軍，田 豐，楊 健，高萬玉）