機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

吳 航，劉志國，馬 林

機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

吳 航，劉志國，馬 林

介紹了機動手術室微環(huán)境系統(tǒng)主要的控制指標，闡述了目前的發(fā)展現(xiàn)狀主要包括控制方式和控制算法，同時結合目前的研究和現(xiàn)狀，展望了其未來的發(fā)展方向。

機動手術室；微環(huán)境；PMV；控制系統(tǒng)

0 引言

20世紀60年代，美軍率先開始進行機動手術室的研發(fā)，對戰(zhàn)爭中的傷員進行緊急救治手術。隨著各項技術的提升，目前機動手術室已經開始進行顱腦、心血管等專科手術，這對手術室微環(huán)境提出了更高的要求。建立穩(wěn)定高效的手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)，調節(jié)機動手術室內的溫濕度、壓力狀況，保證空氣潔凈度，能有效保證危重傷員?？剖中g的開展，提高醫(yī)護人員的舒適度，降低術后感染率。手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)已成為機動手術室建立的必要組成。

機動手術室作為野戰(zhàn)醫(yī)院的核心單元之一，是軍隊衛(wèi)勤保障的重要組成部分，是戰(zhàn)爭和非戰(zhàn)爭行動的緊急救助中心[1]。機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)作為機動手術室的關鍵組成部分，保障機動手術室正常發(fā)揮作用，其未來的發(fā)展影響著機動手術室的性能與應用，具有十分重要的地位。本文闡述了機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，主要包括控制方式和控制算法，簡要介紹了主要控制指標，并對未來機動手術室的研究發(fā)展進行了展望。

1 機動手術室微環(huán)境控制指標

與傳統(tǒng)固定醫(yī)院的手術室相比，機動手術室具有靈活展開和撤收方便的特點。目前的機動手術室主要分為帳篷式、車輛式、方艙式和醫(yī)院船手術室。

帳篷式手術室是機動野戰(zhàn)手術的主要形式之一，具有輕便、展收迅速、展開空間大、攜帶性好、購置費用低、可任意組合等特點，但是其密封性能差。手術車一般選擇越野汽車底盤改裝，具有在野戰(zhàn)條件下實施快速手術的能力，具有較強的機動靈活性和對氣候的適應性。手術方艙是軍隊另外一種具有密閉性好、機動性強的醫(yī)療平臺，適應多種運輸方式，裝卸快速。醫(yī)院船手術室是主要的海上急救手術平臺，用于緊急救治海上的傷病員。

機動手術室的微環(huán)境控制能保障醫(yī)護人員在野外應急條件下順利完成救治任務，給患者和醫(yī)務人員提供舒適的工作環(huán)境，提高工作效率，降低術后的感染率。機動手術室微環(huán)境控制的研究與發(fā)展，一方面是對各種控制方式及其硬件的不斷提升，另一方面是對控制算法的不斷優(yōu)化與探索。只有選取合理有效的控制方式，采用可靠優(yōu)良的控制算法，才能保證手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)能應對現(xiàn)代戰(zhàn)爭、災害救援等惡劣環(huán)境，保障醫(yī)護人員順利高效地進行手術治療。

2002年12月，我國頒布實施了GB 50333—2002《醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）。根據《規(guī)范》，機動手術室微環(huán)境的主要指標見表1[2]。

表1 機動手術室微環(huán)境主要參數(shù)指標

2 機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)簡介

機動手術室的微環(huán)境控制系統(tǒng)是機動手術室的關鍵組成部分，主要由控制器、執(zhí)行機構、傳感器、人機界面4個部分組成。

（1）控制器。根據不同的控制方式，選擇不同種類的控制核心，接收反饋信號，控制執(zhí)行機構運行，維持良好的手術室微環(huán)境。

（2）執(zhí)行機構。根據機動手術室微環(huán)境控制指標，微環(huán)境控制系統(tǒng)執(zhí)行機構一般選用空調、風機、過濾器、殺菌設備等。采用定制空調調節(jié)微環(huán)境的溫濕度，空調內置加濕器與除濕器，不設溫濕度采集與控制模塊，外接控制信號。同時，利用風道中的多級過濾器保持空氣潔凈度?？刂葡到y(tǒng)輸出控制信號、調節(jié)風機轉速、控制微環(huán)境靜壓差。殺菌設備選用紫外線殺菌器或臭氧殺菌器，外接控制信號控制啟動與停止。

（3）人機界面。又稱用戶界面或使用者界面，完成微環(huán)境參數(shù)的顯示，控制指標與控制模式的設定，是醫(yī)護人員與控制系統(tǒng)之間傳遞、交換信息的媒介。

（4）傳感器。負責采集微環(huán)境指標，給控制核心提供反饋信號。一般設有溫度、濕度、壓力、空氣顆粒和細菌傳感器。機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)簡圖

3 機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

對于機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)的研究，國外起步早，發(fā)展快，如德軍模塊化醫(yī)療方艙內的手術方艙已裝配了微環(huán)境控制系統(tǒng)，能適應-30～90℃的環(huán)境溫度，配有三防過濾裝置，并通過微粒計數(shù)器及空氣微生物收集器監(jiān)視控制效果。瑞典的VEKLA三防機動醫(yī)院裝備中的手術方艙微環(huán)境控制系統(tǒng)可實現(xiàn)正壓通風、濾毒潔凈、調溫調濕等功能。國內的研究起步相對較晚，在我軍研制的第二代手術方艙中已經開始應用各種微環(huán)境控制設備，但集成度較低。

機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)通過控制空調保持微環(huán)境的溫濕度，利用多級過濾器保持微環(huán)境的潔凈度控制風轉速，維持最小靜壓差。對機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)的研究主要包括微環(huán)境的控制方式、微環(huán)境控制算法2個方面。

3.1 機動手術室微環(huán)境控制方式

機動手術室微環(huán)境控制有4種控制方式：繼電器控制、單片機控制、直接數(shù)字式控制器DDC以及PLC（可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)[3]。

（1）繼電器控制。繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，廣泛應用于控制領域[4]。但是因為其具有只能實現(xiàn)開關控制方式、故障率高、系統(tǒng)復雜、功耗高、適應性低等明顯的缺點，已逐漸被其他控制方式所替代。

（2）單片機控制。單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器，體積小、質量輕，功能強大、價格便宜。隨著其計算能力的大幅提高，在控制領域得到了廣泛應用[5]。但是其抗干擾能力一般，在野外惡劣環(huán)境和關鍵控制部位都需要慎重使用。

（3）直接數(shù)字式控制器DDC。直接數(shù)字式控制器代替了傳統(tǒng)控制組件，利用微信號處理器來執(zhí)行各種邏輯控制功能，其最大特點就是從參數(shù)的采集、傳輸?shù)娇刂频雀鱾€環(huán)節(jié)均采用數(shù)字控制功能來實現(xiàn)。同時，一個數(shù)字控制器可實現(xiàn)多個常規(guī)儀表控制器的功能，可有多個不同對象的控制環(huán)路[6]。直接數(shù)字式控制器已經成為各種建筑環(huán)境控制的通用模式。在戰(zhàn)爭或救援等惡劣條件下，雖然DDC在智能化方面有了很大的發(fā)展，但由于其自身的抗干擾能力問題和分級分布式結構的局限性，限制了它的應用范圍。

（4）PLC控制系統(tǒng)。PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。所有通道采用光電隔離，抗干擾能力強、使用可靠；具備自診斷功能，能快速發(fā)現(xiàn)故障；采用模塊化構成，通過更換模塊，能使系統(tǒng)從故障中快速恢復。適合新型高速網路結構，可拓展能力強；內置控制算法模塊，容易搭建和實現(xiàn)各種控制算法[7]。PLC廣泛用于關鍵系統(tǒng)的核心部位和惡劣環(huán)境中。

3.2 機動手術室微環(huán)境控制算法

針對機動手術室的溫度、濕度、壓力等環(huán)境參數(shù)控制，傳統(tǒng)的方法多采用開關控制方式，控制精度低，各環(huán)境參數(shù)波動大，抗干擾能力差。使用新型的控制算法能使環(huán)境參數(shù)快速穩(wěn)定于設定值，增強系統(tǒng)抗干擾能力與魯棒性。

微環(huán)境控制系統(tǒng)的控制算法主要有PID控制算法、模糊控制算法、神經網絡控制算法等。

（1）PID控制算法。PID控制器問世至今已有近70 a歷史，它以結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一[8]?？刂扑惴ㄔ谶^去50 a里有長足的發(fā)展，但PID算法仍然是最常用的算法[9]。PID控制算法由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)組成，經典的PID算法關系式為[10]：

PID控制器只需整定比例系數(shù)kp、積分時間常數(shù)Ti、微分時間常數(shù)Td，簡單易用，具有較強的魯棒性與抗干擾能力。

機動手術室微環(huán)境數(shù)學模型難建立，控制系統(tǒng)中存在多種干擾，PID控制算法對其有很好的適應性。現(xiàn)代的多種控制器都帶有PID模塊，如PLC、變頻器、工業(yè)計算機等。PID算法實現(xiàn)容易，在微環(huán)境控制領域應用廣泛。

（2）模糊控制算法。20世紀40年代發(fā)展起來的經典自動控制理論和現(xiàn)代控制理論在許多領域都取得了輝煌的成就，但是其最大的局限性就是需要被控對象的精確數(shù)學模型，因此，面對日益復雜的高度非線性、時變性及不確定性等問題時，受到了很大的挑戰(zhàn)[11]。而不基于對象精確數(shù)學模型的智能控制理論為解決復雜非線性對象的控制難題提供了一種嶄新的方式。模糊控制是目前實現(xiàn)智能控制最重要、應用最廣泛的形式[12]。

模糊控制算法包括計算控制變量、模糊量化處理、模糊控制規(guī)則制定、模糊推理決策、非模糊化處理5個部分[13]。微環(huán)境控制領域數(shù)學方程很難建立，但具有豐富的控制經驗，因此，模糊控制技術具有特殊優(yōu)勢。

（3）神經網絡控制算法。神經網絡運用在控制領域，形成了神經網絡控制算法。通過神經網絡對不同模式進行學習，當學習完成后，它將各種模式分布記憶在網絡的各個連續(xù)權值上。當網絡再次遇到其中任何一個模式時，能夠做出迅速、準確的判斷與識別，具有很好的靈活性和適應性[14]。對于機動手術室微環(huán)境控制，借助于神經網絡，根據控制動作的過去值與當前值，預測設備的未來輸出，改變控制系統(tǒng)參數(shù)，可獲得最佳控制效果。

相比于其他控制算法，神經網絡控制算法對微環(huán)境這種非線性系統(tǒng)有更好的適應性和控制效果，但是計算時間更長，硬件成本更高[15]。

（4）各種算法的結合。PID算法原理簡單、使用方便，模糊算法和神經網絡算法對非線性系統(tǒng)的適應性強。結合各種算法的優(yōu)勢，產生了基于模糊算法的PID控制器、基于神經網絡算法的PID控制器等一系列控制系統(tǒng)[16]。通過模糊算法，神經網絡算法對微環(huán)境的非線性特征進行采集分析，整定PID參數(shù)，針對各種干擾，隨時改變PID參數(shù)，使系統(tǒng)獲得更佳的控制效果，但搭建系統(tǒng)的成本增加，也更加復雜?；谀：惴ǖ腜ID控制器原理圖如圖2所示[17]。

4 未來機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展

良好的手術室微環(huán)境能增加醫(yī)護人員的舒適度，提高手術成功率，減少術后感染。手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)也會發(fā)揮愈加重要的作用，未來的微環(huán)境控制系統(tǒng)將會向信息化、智能化發(fā)展，節(jié)能低噪，舒適度更佳。

4.1 多種控制指標向綜合控制指標轉換

圖2 基于模糊算法的PID控制器原理圖

現(xiàn)階段控制系統(tǒng)多采用的環(huán)境指標有溫度、濕度、風速等，通過控制它們在一定范圍內，能夠間接地使環(huán)境處于一個舒適的區(qū)間。以多種間接指標，并不能準確地反映環(huán)境的舒適度。丹麥的范格爾（P. O.Fanger）教授提出的表征人體熱反應（冷熱感）的評價指標PMV（預測平均投票數(shù)），代表了同一環(huán)境中絕大多數(shù)人的冷熱感覺的平均值[18]。美國采暖制冷與空調工程師學會的ASHRAE 55和國際標準化組織的ISO 7730中均采用PMV指標來描述和評價熱環(huán)境。該指標綜合考慮了人體活動情況、著衣情況、空氣溫度、濕度、流速、平均輻射溫度6個因素，是迄今為止最全面評價熱環(huán)境的指標[19]，PMV指標分度見表2。

表2 PMV分度表

隨著PMV測量儀器的進步，以PMV為目標控制值的微環(huán)境控制系統(tǒng)成為未來的發(fā)展方向。通過調節(jié)PMV的偏差量，智能調節(jié)溫度、濕度、風速，減小PMV偏差，控制機動手術室微環(huán)境PMV值穩(wěn)定于目標PMV值，將成為研究的重點。

4.2 機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)網絡化

目前，微環(huán)境控制系統(tǒng)多針對單個車輛或者方艙，布線復雜，線路保養(yǎng)維修困難，各個控制單元間缺少數(shù)據交流與統(tǒng)籌安排，與固定醫(yī)院的微環(huán)境控制系統(tǒng)相比還有很大的差距。實現(xiàn)微環(huán)境控制系統(tǒng)網絡化可以大幅度減少系統(tǒng)布線，降低搭建成本與難度。微環(huán)境控制系統(tǒng)網絡化的要求使得每一個艙室的控制系統(tǒng)都必須有很強的可拓展性和數(shù)據傳輸與接收能力。未來單個艙室的微環(huán)境控制系統(tǒng)將發(fā)展成為野戰(zhàn)機動醫(yī)院微環(huán)境控制系統(tǒng)。

隨著控制系統(tǒng)網絡化的發(fā)展，控制系統(tǒng)的集成度將進一步提高，控制系統(tǒng)的網絡防護與數(shù)據加密也將成為研究的方向之一。只有保證了整個系統(tǒng)的網絡完全，才能使機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)既是一個獨立的整體，又能融入整個后勤保障系統(tǒng)中[20]。

4.3 機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)的節(jié)能與降噪

能源緊缺是當今世界面臨的重大問題，在野戰(zhàn)環(huán)境下，節(jié)能問題更加緊迫[21]。改造艙室結構，選擇更佳的執(zhí)行機構，研究加入能源因素的控制算法都會有效地解決節(jié)能問題。在追求手術室舒適度與潔凈度的目標時，兼顧節(jié)能，是未來微環(huán)境控制系統(tǒng)進一步提升的方向。

在滿足熱舒適的同時，降噪也是醫(yī)護人員舒適度的重要要求。研究表明，30 dB以下屬于非常安靜的環(huán)境，40 dB是正常的環(huán)境。50～60 dB屬于較吵的環(huán)境，此時腦力勞動受到影響，談話也受到干擾[22-23]。手術室微環(huán)境控制中，空調、風機、過濾器等都是噪音源，降噪也將是微環(huán)境控制系統(tǒng)提升的一個方向。

5 結語

作為機動手術室的必要組成部分，微環(huán)境控制系統(tǒng)將向著人性化、智能化、網絡化、信息化、節(jié)能高效化的方向發(fā)展。掌握先進的控制方式，應用先進的控制算法，是實現(xiàn)未來智能化機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)的重要基礎。本文簡單介紹了機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)的主要控制指標、控制方式、控制算法，提出了未來的發(fā)展方向，促進了機動手術室微環(huán)境控制系統(tǒng)的研究與發(fā)展。

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（收稿：2013-11-11 修回：2014-01-14）

Status and trend of microenvironment control system in mobile operating room

WU Hang1,LIU Zhi-guo1,MA Lin2
（1．Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China;2．Northeast China Military Material Procurement Bureau under the PLA General Logistics Department,Shenyang 110026,China）

The main control indexes of the mobile operating room microenvironment are introduced．Then the current development status is described,including control methods and control algorithms．Finally,the prospect microenvironment control system in mobile operating room is pointed out．[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（9）：109-112]

mobile operating room;microenvironment;PMV;control system

R318；TP311．1

A

1003-8868（2014）09-0109-04

10．7687/J．ISSN1003-8868．2014．09．109

吳 航（1991—），男，研究方向為醫(yī)療設備自動化、微環(huán)境控制，E-mail：2008．wuhang@163．com。

300161天津，軍事醫(yī)學科學院衛(wèi)生裝備研究所（吳 航，劉志國）；110026沈陽，總后勤部東北軍用物資采購局（馬 林）