尚輝，劉乃智，李靜

1.山東大學附屬省立醫(yī)院 醫(yī)學工程部，山東 濟南 250014；2.山東博科生物產(chǎn)業(yè)有限公司，山東 濟南 250012

引言

負壓隔離艙是一種用于與外界環(huán)境隔離的裝置[1-2]，在傳染病盛行的時候，它能有效地使病員與外界隔離[3-4]，避免交叉感染，用于傳染病員的隔離后運送，對通過傳染的病員或疑似病員的轉(zhuǎn)移救護起到臨時隔離的作用，防止病原體進一步擴散，對隨行的醫(yī)護人員和周圍環(huán)境提供有效保護。目前國內(nèi)市場上的負壓隔離艙主要有北京克力愛爾生物實驗室工程有限公司生產(chǎn)的ST-120生物安全型負壓隔離擔架、天津軍事醫(yī)學科學院生產(chǎn)的S-2014負壓隔離轉(zhuǎn)運艙、美國進口的FERNO、法國進口的IMMU-CHAMBER等，其共同特點為艙體采用拱形塑料支架作為支撐、縱向采用插接式鋁合金桿為連接，其過濾效率均能達到99.97%（鹽霧法0.3 μm）以上，具備壓力顯示與報警功能，但有的負壓隔離轉(zhuǎn)運裝置體積龐大，不可折疊，重量達幾十公斤，在運輸與轉(zhuǎn)運中給醫(yī)護人員帶來不便[5-7]；國內(nèi)研發(fā)的負壓隔離艙主要特點式艙體支撐形式采用氣囊式[8-9]。本項目研發(fā)的負壓隔離艙空氣過濾凈化效率高，設(shè)有壓力電力報警裝置；采用人性化設(shè)計，整體通透，沒有壓抑感；艙體耐腐蝕、抗壓，韌性好，組裝和拆卸都非常方便，便于攜帶。

2 設(shè)計材料與方法

2.1 設(shè)計思路總括

負壓轉(zhuǎn)運艙的工作原理為：由潔凈單元建立并維持密閉腔體內(nèi)負壓環(huán)境，腔內(nèi)的污染空氣不經(jīng)凈化不能溢出，從而對醫(yī)護人員起到有效的防護作用；外界新鮮空氣經(jīng)凈化可實時補充到腔內(nèi)，維持腔內(nèi)合理的新鮮空氣，艙內(nèi)空氣從進氣口到排氣口，形成定向的空氣流。另外，在操作口通過醫(yī)用PVC手套，醫(yī)護人員可以對病員進行簡單護理。其技術(shù)路線圖，見圖1。

圖1 產(chǎn)品技術(shù)路線圖

2.2 智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

設(shè)計基于單片機的智能控制系統(tǒng)，由內(nèi)置單片機控制風機轉(zhuǎn)速，內(nèi)部壓力由壓力傳感器采集[10]，當內(nèi)部壓力高于-15 Pa，由單片機控制風機自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并控制LED燈和蜂鳴器進行聲光報警；集成操作面板上有電量顯示及報警、艙內(nèi)壓力顯示及報警等功能，且具備防水和耐腐蝕的能力。

艙體內(nèi)部氣流的分布對于負壓隔離艙的安全性能有著重要的影響[11]。如何使艙內(nèi)空氣的流動合理分布，以達到良好的流動和分散效果，對艙內(nèi)傳染性病菌的安全隔離十分重要。設(shè)計中運用Fluent軟件，結(jié)合風機特性曲線，綜合利用多相流模型湍流模型對艙體內(nèi)氣流流場進行測試。根據(jù)負壓隔離艙的實際運行情況，將負壓生成系統(tǒng)處的氣流出口平面設(shè)為艙體氣流出口，其壓力由風機曲線給出。將底側(cè)的高效過濾器開口高度與模擬傳染病員口部附近一致高度，并將其設(shè)為氣流入口，傳染病員多有打噴嚏的癥狀，模擬病員口部氣流速度約為2 m/s，運用基于多相流模型湍流模型進行模擬測試，顯示艙內(nèi)氣流流動和分散效果良好，無氣流短路現(xiàn)象。負壓隔離艙的氣流模式圖，見圖2。

圖2 隔離艙氣流模式圖

2.3 負壓隔離設(shè)計

負壓隔離艙主要由可折疊的艙體和潔凈單元組成。艙體采用可折疊、高透明度的TPU膜材料組成相對密閉的空間，潔凈單元由高效過濾器[12-14]、壓差監(jiān)測、直流風機[15-16]等組成。具體見圖3。

圖3 負壓隔離艙

圖中負壓生成系統(tǒng)是為整個儀器產(chǎn)生負壓的裝置，當按下開關(guān)按鈕后負壓生成系統(tǒng)里的風機開始工作往外抽氣，氣體通過連接的兩個高效過濾器凈化排出，同時在另一側(cè)空氣經(jīng)過高效過濾器凈化進入艙體內(nèi)部為里面的人員提供所需氧氣，在剛啟動工作的時候風機抽出的氣體量大于從另一側(cè)進入的氣體量，從而艙內(nèi)形成負壓；待穩(wěn)定后排出和進入的氣體量相等，艙內(nèi)負壓此時穩(wěn)定，艙內(nèi)負壓為定值；把手套套在操作口上，打開操作口拉鏈，在隔離艙正常運行的情況下通過手套可對里面的病員進行一些操作護理；通過附加孔，醫(yī)護人員可對里面的病員進行輸氧、輸液等應(yīng)急操作。

3 結(jié)果

該負壓隔離艙產(chǎn)品的設(shè)計，從艙體設(shè)計、支撐結(jié)構(gòu)、負壓系統(tǒng)以及過濾器的選擇上做了充分研究，整個艙體采用TPU膜熱合而成，艙體密閉不透氣，機械強度高，整體通透，病人無壓抑感；在支撐結(jié)構(gòu)的選擇上，使用ABS材料制成的弧形支撐，同時對支撐的邊角倒鈍，減少對人體的傷害；負壓生成系統(tǒng)整體外殼采用ABS材質(zhì)，綜合集成出風口的高效過濾器、直流風機、控制單元、鋰電池及負壓測試儀等零部件，且具備防水及耐腐蝕的能力，可實現(xiàn)艙內(nèi)壓力實時監(jiān)測、電池電量顯示等功能；最后高效過濾器外殼也采用ABS材質(zhì)，內(nèi)部濾芯擺放成45°夾角，不僅實現(xiàn)了高過濾效率并保證了低氣流壓降的效果，對0.3 μm的微粒氣溶膠過濾效率也不低于99.99%，可有效防止傳染性病菌的外溢。

整機測試結(jié)果顯示，負壓艙內(nèi)壓力穩(wěn)定在-15 Pa的微負壓，專用高效過濾器的高效過濾效率為99.99%，采用了超靜音通風系統(tǒng)，噪聲測試低于72 db，負壓隔離艙的換氣量不小于75 L/min，可以采用交流市電或UPS兩種電源充電方式，電池可連續(xù)使用不少于6 h，隔離艙上配備擔架結(jié)構(gòu)，可與市場上任意類型擔架配套使用，不需要專門為此配置擔架，并配備兩個負壓艙體（一用一備），整體重量不大于20 kg，方便攜帶。在隔離艙一側(cè)配備兩對密閉操作手孔，一個充氣口，一個中效過濾進氣口，一個輸液管道口，兩套患者安全扣，兩套擔架固定扣。其控制系統(tǒng)的顯示面板，見圖4。

圖4 控制系統(tǒng)顯示面板

4 討論和展望

通過分析研究市場上的產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在市場上的負壓隔離艙主要存在以下幾個問題：① 艙體的強度不夠，艙體易損壞；② 設(shè)計繁瑣，輸氣管較長，使用不方便；③ 電池的容量較小，使用時間較短；④ 使用金屬做支撐，易對人體造成傷害；⑤ 換氣量較??；⑥ 噪音較大；⑦ 無聲光報警，易發(fā)生危險。在本轉(zhuǎn)運艙的設(shè)計中我們創(chuàng)新的選用了TPU膜材料，通過熱合封裝而成，強度大而且耐撕裂，可適應(yīng)多種環(huán)境，而支撐材料采用ABS材質(zhì)制成，強度夠且一旦發(fā)生折斷對醫(yī)護人員和患者危害也不大，避免出現(xiàn)二次損傷。

該產(chǎn)品能夠從根源上保護隨行醫(yī)務(wù)人員免受病毒的傷害，而且從通透性的艙體外面便可直觀的發(fā)現(xiàn)內(nèi)部病員的狀態(tài)，由專用的報警顯示功能可監(jiān)控內(nèi)部壓力變化和電源電量情況，同時可以進行折疊，便于儲存，可配備給傳染病醫(yī)院和急救中心，具有較強的社會和經(jīng)濟效益。但目前的研究僅模擬了在地面常壓狀態(tài)下的情況，采用急救車進行轉(zhuǎn)運。目前國內(nèi)尚無空中轉(zhuǎn)運的先例，所以對適用于空中轉(zhuǎn)運的負壓隔離艙的安全性能研究將是該類轉(zhuǎn)運艙研究的一個方向。

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