折疊式傳染病員負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙研究

胡名璽，孫秋明，劉圣軍，田 豐，楊 健，高萬(wàn)玉

折疊式傳染病員負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙研究

胡名璽，孫秋明，劉圣軍，田 豐，楊 健，高萬(wàn)玉

目的：研發(fā)折疊式負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙，滿(mǎn)足新發(fā)突發(fā)傳染病現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急防控病員轉(zhuǎn)運(yùn)與處置需求。方法：基于負(fù)壓隔離原理，模擬仿真不同工況下艙體受力情況，設(shè)計(jì)可快速安裝的相對(duì)密閉艙體；綜合集成風(fēng)機(jī)、高效空氣過(guò)濾器、壓差傳感器、數(shù)據(jù)采集與控制元件，設(shè)計(jì)高效排風(fēng)過(guò)濾模塊；采用壓差補(bǔ)償技術(shù)，避免在機(jī)載顛簸工況下對(duì)艙內(nèi)壓差波動(dòng)，維持穩(wěn)定的定向氣流；通過(guò)環(huán)境生理學(xué)測(cè)量方法，分析負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙工作時(shí)對(duì)受試者生理指標(biāo)影響。結(jié)果：折疊式傳染病員負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙對(duì)0.3 μm生物氣溶膠的過(guò)濾效率大于99.99%，在2 min內(nèi)建立不小于15 Pa的負(fù)壓差，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)壓差、電量實(shí)時(shí)監(jiān)控，人體工效學(xué)試驗(yàn)表明對(duì)受試者生理指標(biāo)無(wú)影響。結(jié)論：折疊式負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙過(guò)濾效率高，負(fù)壓差建立穩(wěn)定可靠，艙體作業(yè)展收快捷方便，滿(mǎn)足傳染病員轉(zhuǎn)運(yùn)需求。

負(fù)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(lái)最嚴(yán)重的埃博拉疫情。中國(guó)政府高度關(guān)心在疫區(qū)工作和生活的專(zhuān)家、公民的健康，國(guó)家有關(guān)部門(mén)于2014年8月部署了做好埃博拉出血熱患者轉(zhuǎn)運(yùn)準(zhǔn)備重大任務(wù)。本課題組自我國(guó)2003年“非典”疫情起長(zhǎng)期從事高傳染性病員轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)及裝置研究工作，此次又承擔(dān)并開(kāi)展了埃博拉病員轉(zhuǎn)運(yùn)裝置和生物安全裝備研發(fā)，研制出折疊式傳染病員負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙，可滿(mǎn)足傳染病現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急防控環(huán)境下病員轉(zhuǎn)運(yùn)需求。

1 國(guó)內(nèi)外同類(lèi)裝備對(duì)比

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，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(guó)、日本、以色列等國(guó)高度重視并相繼開(kāi)展了生物防護(hù)隔離與轉(zhuǎn)運(yùn)裝備研發(fā)。目前的代表產(chǎn)品主要有美國(guó)運(yùn)送高危險(xiǎn)性傳染病員的負(fù)壓隔離后送艙、日本ISOTECH公司TI-2N負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙、以色列Isolation Tents Negative Pressure與 IsoARK N 36-1 ISOLATION CHAMBER等。這類(lèi)負(fù)壓隔離后送產(chǎn)品對(duì)負(fù)壓標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有統(tǒng)一的要求，主要分布在-5～-50 Pa范圍內(nèi)。其艙內(nèi)負(fù)壓差是通過(guò)高效空氣過(guò)濾通風(fēng)系統(tǒng)保持，每1 h進(jìn)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(chǎn)品采用防水涂層織物，還有部分產(chǎn)品采用硬質(zhì)艙體材料如聚甲基丙烯酸甲酯（俗稱(chēng)“有機(jī)玻璃”）；過(guò)濾裝置均采用高效空氣過(guò)濾器（HEPA），對(duì)0.3 μm的微粒氣溶膠過(guò)濾效率為99.97%[1-2]。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

臺(tái)灣原始碼科技股份有限公司生產(chǎn)有一款輕便型負(fù)壓隔離防疫裝置，該裝置由充氣式負(fù)壓隔離袋和負(fù)壓動(dòng)力系統(tǒng)兩大部分組成。充氣式負(fù)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(yù)留有呼吸管和輸液管進(jìn)口，附有手套，便于操作。

2003年，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所研發(fā)了大陸首款傳染病員負(fù)壓隔離裝置，為成功轉(zhuǎn)運(yùn)“非典”病員發(fā)揮了重要作用。該型負(fù)壓隔離裝置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速靠手動(dòng)調(diào)節(jié)，艙體采用不銹鋼支架式結(jié)構(gòu)，由于艙體不可折疊，其貯運(yùn)體積較大。2011年，課題組研制成功充氣式負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙，有效解決了貯運(yùn)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(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙在制造工藝水平方面與國(guó)外產(chǎn)品相比還存在明顯差距[3-4]。

本課題組針對(duì)傳染病現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(chǔ)存等方面瓶頸問(wèn)題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)研發(fā)折疊式負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙。在以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)上有所突破：（1）基于有限元技術(shù)，采用數(shù)值模擬方法，分析計(jì)算不同壓差時(shí)艙體的受力狀態(tài)，合理布置艙體支撐點(diǎn)，研究可折疊、耐壓差、易洗消的密閉艙室整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）設(shè)計(jì)與研究由高效空氣過(guò)濾器、低噪高效離心式風(fēng)機(jī)、壓差顯示與控制電路等構(gòu)成的易洗消防水高效排風(fēng)過(guò)濾集成結(jié)構(gòu)；（3）對(duì)艙體密閉環(huán)境的空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)口的位置與尺寸。

2 艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

傳染病員負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙主要用于傳染病員的安全隔離后送，切斷在后送過(guò)程中病原體的傳播途徑，防止疫情進(jìn)一步擴(kuò)散，使外界環(huán)境免受污染，降低健康公眾的感染幾率。該轉(zhuǎn)運(yùn)艙主要由可開(kāi)啟的密閉式艙體、高效排風(fēng)過(guò)濾裝置組成（如圖1所示），新鮮空氣經(jīng)進(jìn)氣口過(guò)濾器補(bǔ)充到艙內(nèi)，病員呼出的污染空氣經(jīng)過(guò)濾后由高效排風(fēng)過(guò)濾裝置排出，艙內(nèi)空氣從進(jìn)氣口到排氣口，形成微環(huán)境空氣定向流。

2.2 結(jié)構(gòu)形式

該產(chǎn)品主要由可折疊艙體、高效排風(fēng)過(guò)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(duì)密閉的空間，高效排風(fēng)過(guò)濾裝置由超高效過(guò)濾器、壓差監(jiān)測(cè)、直流風(fēng)機(jī)等組成。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 數(shù)值模擬分析

通過(guò)有限元分析模擬艙體在使用過(guò)程中的受力情況，根據(jù)分析和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行艙體支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足其在負(fù)壓環(huán)境條件下的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求。同時(shí)，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)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(nèi)壓差值在-20、-30、-40 Pa時(shí)，計(jì)算艙體各部分的受力情況、艙體變形情況，進(jìn)而設(shè)計(jì)支撐桿的數(shù)量與支撐點(diǎn)的位置。在4根支撐桿（底部2根、距離底部300 mm位置）時(shí)，艙內(nèi)壓差-20 Pa時(shí)最大變形為7.9mm，等效應(yīng)力2MPa；艙內(nèi)壓差-40 Pa時(shí)最大變形為11mm，等效應(yīng)力3.8MPa?？紤]到聚氨酯材料的特性，該支撐的結(jié)構(gòu)形式能滿(mǎn)足要求。

圖1 負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙工作原理圖

圖2 負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙結(jié)構(gòu)圖

3 艙體內(nèi)部微環(huán)境空氣動(dòng)力學(xué)仿真

艙體內(nèi)部氣流流場(chǎng)及污染物流場(chǎng)分布對(duì)于負(fù)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(nèi)空氣的流動(dòng)，避免氣流短路現(xiàn)象，以達(dá)到良好的流動(dòng)及分散效果十分重要。運(yùn)用Fluent軟件，以風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)作為初始條件，采用基于VOF（多相流模型）湍流模型對(duì)艙體內(nèi)氣流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬[5]。根據(jù)負(fù)壓艙的實(shí)際運(yùn)行情況，將控制盒的2個(gè)氣流出口平面設(shè)為風(fēng)機(jī)出口，其壓力跳躍響應(yīng)由風(fēng)機(jī)曲線(xiàn)給出。下面以艙內(nèi)壓差-25 Pa為例進(jìn)行計(jì)算：將進(jìn)氣口平面設(shè)為壓力入口，其靜壓與外界大氣壓相同。在病員口部附近設(shè)計(jì)一平面，模擬傳染病員呼出的污染氣體，其速度設(shè)計(jì)為人在打噴嚏時(shí)的速度，約為2 m/s，介質(zhì)為Ⅱ，其余艙體內(nèi)有限體積元介質(zhì)設(shè)置為空氣，采用基于VOF（多相流模型）湍流模型進(jìn)行[6]。

4 高效排風(fēng)過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)與集成

在不同通氣量條件下，研究不同過(guò)濾效率的玻璃纖維，過(guò)濾微生物氣溶膠、無(wú)機(jī)粒子氣溶膠以及有機(jī)液滴氣溶膠的過(guò)濾效率和氣阻；探索活性炭纖維、丙綸非織造布等不同材質(zhì)對(duì)過(guò)濾效率的影響，確定高效生物氣溶膠過(guò)濾器的最佳使用材質(zhì)或材質(zhì)組合。研究發(fā)現(xiàn)，多級(jí)高效空氣過(guò)濾模式較佳。當(dāng)濾材折疊脊呈放射狀態(tài)，兩級(jí)濾紙疊脊的夾角呈45°布置時(shí)，可減少針孔效應(yīng)幾率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高過(guò)濾效率與低氣流壓降效果，提高了生物氣溶膠防護(hù)安全系數(shù)。經(jīng)檢測(cè)，對(duì)0.3 μm微粒氣溶膠的過(guò)濾效率達(dá)到99.99%。

根據(jù)病員對(duì)艙體內(nèi)氧氣含量的需求，艙體內(nèi)與外界環(huán)境要求達(dá)到負(fù)壓差、艙體進(jìn)氣口的大小等綜合因素，確定艙體合理的排風(fēng)量。根據(jù)艙體的排風(fēng)量、高效生物氣溶膠過(guò)濾器在設(shè)計(jì)要求的過(guò)濾效率下的氣阻，綜合集成高效生物氣溶膠過(guò)濾器、直流風(fēng)機(jī)、控制器、鋰電池、負(fù)壓測(cè)試儀等零部件，且具備防水及耐標(biāo)準(zhǔn)消毒劑腐蝕的能力，實(shí)現(xiàn)壓差實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、低電壓報(bào)警等功能。并采用空氣流體力學(xué)設(shè)計(jì)風(fēng)道截面與走向，結(jié)合隔振吸音材料的應(yīng)用，有效降低系統(tǒng)噪聲等級(jí)。如圖3所示。

圖3 高效排風(fēng)過(guò)濾裝置三維模型示意圖

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的智能控制系統(tǒng)電路，集成操作面板、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制、電量顯示及報(bào)警、艙內(nèi)壓力顯示及報(bào)警等功能，且具備防水及耐標(biāo)準(zhǔn)消毒劑腐蝕的能力。以單片機(jī)C8051F330為核心構(gòu)建智能控制系統(tǒng)。操作面板接收按鍵信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)可輸出PWM波到MC33035控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；壓力表的壓力傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波后傳給單片機(jī)，由單片機(jī)內(nèi)置ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換、采集；另外設(shè)計(jì)電量采集電路，由單片機(jī)內(nèi)置ADC采集電源電量信息；艙內(nèi)壓力、電源電量通過(guò)單片機(jī)處理，以L(fǎng)ED燈顯示[7]，并控制LED燈和蜂鳴器進(jìn)行壓力、電量聲光報(bào)警。當(dāng)壓力小于15 Pa，電池輸出電壓低于10 V時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警；供電電源可采用自帶內(nèi)置直流12 V電池，也可采用外接電源，外接電源可以是車(chē)載電源（直流12 V）或者市電交流220 V。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)本期田豐文章圖13。

研發(fā)直流風(fēng)機(jī)與控制電路。該風(fēng)機(jī)為12 V直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速8 000 r/min。風(fēng)機(jī)控制芯片為直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制器MC33035，基于該芯片的典型控制電路參見(jiàn)本期田豐文章中的圖15。

6 人體工效學(xué)試驗(yàn)研究

采用環(huán)境生理學(xué)測(cè)量方法，對(duì)負(fù)壓轉(zhuǎn)運(yùn)艙進(jìn)行人體工效學(xué)試驗(yàn)，旨在通過(guò)分析試驗(yàn)過(guò)程中，艙體內(nèi)環(huán)境指標(biāo)和受試者生理指標(biāo)的變化，為負(fù)壓轉(zhuǎn)運(yùn)艙適體性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。

分別在-15、-20和-30 Pa艙體內(nèi)負(fù)壓差環(huán)境條件下，每位受試者平躺于負(fù)壓隔離艙內(nèi)60 min。在受試者進(jìn)入負(fù)壓艙0、10、20、30、40、50和60 min時(shí)，同步測(cè)試受試者生理指標(biāo)和艙體內(nèi)環(huán)境指標(biāo)。其中，生理指標(biāo)包含血氧飽和度、口溫、心率、主觀體力感覺(jué)等級(jí)（RPE）、疲勞癥狀問(wèn)卷、負(fù)壓轉(zhuǎn)運(yùn)艙對(duì)受試者聽(tīng)力影響問(wèn)卷等。環(huán)境指標(biāo)包括氧氣含量、二氧化碳?xì)夂?、氣溫、濕度、氣壓、噪聲等。結(jié)果如圖4～6所示，表明在試驗(yàn)條件下，艙體內(nèi)環(huán)境對(duì)受試者人體生理指標(biāo)無(wú)影響。

圖4 不同負(fù)壓不同時(shí)間艙內(nèi)二氧化碳含量變化（男性）

圖5 不同負(fù)壓不同時(shí)間艙內(nèi)溫度變化（男性）

圖6 不同負(fù)壓不同時(shí)間艙內(nèi)人員血氧飽和度的變化（女性）

7 裝備生物安全防護(hù)性能試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)不同噬菌體（f2、SM701、SM702和PhiX-174）耐霧化性能、氣溶膠顆粒特性、對(duì)抗外環(huán)境壓力等比較實(shí)驗(yàn)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(cè)試方法。

在艙體內(nèi)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(cè)試流量12.5 L/min；在排風(fēng)口處用Andersen 6級(jí)采樣器采集排出的生物氣溶膠樣本，測(cè)試流量28.3 L/min，采樣時(shí)間均為10 min，用雙層瓊脂平板培養(yǎng)計(jì)數(shù)法測(cè)量采樣后的噬菌斑數(shù)。試驗(yàn)情況如圖7所示。結(jié)果顯示對(duì)微生物氣溶膠的過(guò)濾效率大于99.999%。

圖7 負(fù)壓隔離裝置生物安全防護(hù)性能試驗(yàn)

8 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研發(fā)的負(fù)壓轉(zhuǎn)運(yùn)裝置可折疊，質(zhì)量輕，便于貯存與運(yùn)輸；艙體為一體式成型結(jié)構(gòu)，無(wú)消毒“死角”；高效微生物過(guò)濾器、直流風(fēng)機(jī)、控制器、鋰電池、負(fù)壓測(cè)試儀等零部件的集成結(jié)構(gòu)，具備防水及耐標(biāo)準(zhǔn)消毒劑腐蝕的能力，可實(shí)現(xiàn)壓差實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，低電壓報(bào)警等功能，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。通過(guò)對(duì)艙體內(nèi)部氣流流場(chǎng)及污染空氣的流場(chǎng)分布進(jìn)行模擬，研究最優(yōu)的進(jìn)氣口、出氣口等參數(shù)對(duì)艙體內(nèi)空氣流動(dòng)的影響，達(dá)到了良好的流動(dòng)及分散效果。人體工效學(xué)試驗(yàn)分析不同負(fù)壓條件下艙體內(nèi)氧氣濃度、二氧化碳濃度、氣溫、濕度的變化對(duì)受試者的心率、血壓、血氧飽和度等生理指標(biāo)無(wú)明顯影響。

該裝置能夠滿(mǎn)足疫情環(huán)境條件下對(duì)傳染病員進(jìn)行隔離后送，避免傳染病原體的擴(kuò)散，降低隨行醫(yī)護(hù)人員的感染幾率，且折疊體積小，便于貯運(yùn)；可配備給承擔(dān)相關(guān)任務(wù)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)、傳染病醫(yī)院和急救中心，具有較強(qiáng)的軍事、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。該產(chǎn)品目前已經(jīng)配發(fā)并同時(shí)應(yīng)用到西非塞拉利昂、馬里等國(guó)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(lián)合軍種化學(xué)與生物防御計(jì)劃概要（2008－2009版）[M].北京：軍事誼文出版社，2008.

[2]高樹(shù)田，張曉峰，王運(yùn)斗.國(guó)外核化生醫(yī)學(xué)防護(hù)裝備現(xiàn)狀與發(fā)展[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32（1）：67-68.

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（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(guó)家科技部埃博拉疫情防控應(yīng)急專(zhuān)項(xiàng)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(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（胡名璽，孫秋明，劉圣軍，田 豐，楊 健，高萬(wàn)玉）