疫情背景下供氣型正壓醫(yī)用防護服的研究與設(shè)計

周 珣，吳洪兵，鄔佩瑤

(南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，南京 211100)

結(jié)合正壓防護服的研究現(xiàn)狀，設(shè)計了一種供氣型正壓醫(yī)用防護服，改善目前普遍使用的一次性醫(yī)用防護服生理舒適性差、防護服與口罩、護目鏡分離、有效作業(yè)時間短等問題，來為疫情防控一線人員提供更安全的病毒防護及更舒適貼心的穿著體驗。

1 正壓防護服的研究現(xiàn)狀

正壓防護服是指具有供氣系統(tǒng)并能保持防護服內(nèi)部氣體壓力高于外界環(huán)境氣體壓力的防護服，是目前防護等級最高的個體防護裝備之一，主要應(yīng)用于重大傳染病救治人員的個體防護和4 級生物安全實驗室科研人員。正壓防護服按供氣方式分為壓縮空氣供氣式和動力送風(fēng)供氣式兩種。

壓縮空氣供氣式主要采用空氣壓縮機將空氣壓入壓力容器，通過空氣過濾器、穩(wěn)壓閥、油氣分離等設(shè)備處理后得到具有穩(wěn)定壓力的潔凈空氣，再通過軟管供給防護服。然而，無論采用長軟管連接集中供氣的方式還是自帶壓縮氣瓶的方式，穿著者都會受軟管長度、壓縮氣瓶容量限制活動范圍和工作時長的困擾。其優(yōu)點是防護等級較高，一般用于4級生物安全實驗室。

動力送風(fēng)式正壓防護服采用由風(fēng)機、電池、空氣過濾器和控制模塊構(gòu)成的小型便攜式動力送風(fēng)系統(tǒng)，給防護服提供干凈新鮮的空氣并形成正壓環(huán)境，確保穿著者的安全。動力送風(fēng)式正壓防護服不會受到軟管長度和氣源位置的限制，因此穿著者活動范圍不受限制，可廣泛用于戶外作業(yè)，如微生物采樣、廢棄物處理、環(huán)境消毒等。

正壓防護服可以有效排出濕熱空氣，舒適性更好，這取決于正壓防護服內(nèi)部穩(wěn)定的正壓環(huán)境。正因為防護服內(nèi)外有壓差，需要防護服面料整體具備較好的液密性和氣密性。服裝成形時為確保密閉性，一般采用高頻熱合方式進行縫合，同時使用超長的柔性氣密拉鏈配備卡環(huán)型防護手套和防護靴。

正壓醫(yī)用防護服研發(fā)難度大，檢測成本高，國際上研發(fā)正壓生物防護服的廠家并不多。目前，國外正壓防護服研究中采用了一些新技術(shù)，包括防護服整體設(shè)計中采用了計算機模擬技術(shù)和虛擬技術(shù)。正壓防護服內(nèi)流場和熱交換模擬優(yōu)化設(shè)計中采用了流體力學(xué)。防護服的性能測試過程中采用了動態(tài)測試技術(shù)。國內(nèi)外對正壓防護服的關(guān)鍵部件，如柔性氣密拉鏈、單向排氣閥、恒壓無污染自動閉鎖切換式送氣接頭、輕型化小型化動力送風(fēng)系統(tǒng)及正壓防護服工作狀態(tài)監(jiān)控等進行了深入研究。目前，在正壓防護服關(guān)鍵技術(shù)研究水平和產(chǎn)品開發(fā)能力上，歐美發(fā)達國家仍處于領(lǐng)先地位。

國內(nèi)對正壓醫(yī)用防護服的研發(fā)和應(yīng)用處于初級階段。2021年1月，北京方圣時尚科技集團與中國航天科工集團206所水凈化技術(shù)團隊聯(lián)合研發(fā)的新一代P2+電動送風(fēng)正壓防護服填補了國內(nèi)行業(yè)空白，并在航天中心醫(yī)院進行了試穿，目前僅在部分城市少數(shù)抗疫區(qū)有試用，因成本較高，試用數(shù)量較少。

2 供氣型正壓醫(yī)用防護服的結(jié)構(gòu)研究和設(shè)計

2.1 防護服面料

材料是正壓防護服的基礎(chǔ)，防護服是否安全直接取決于面料的性能，防護服面料必須確保醫(yī)護人員在相應(yīng)等級的感染風(fēng)險下具有絕對的防護安全性，同時又要盡可能地提供較長時間的穿著舒適性。正壓防護服內(nèi)外有壓力差，面料要求氣密性強、防水、耐酸堿、耐腐蝕、耐磨擦、機械強度高、質(zhì)地柔軟且重量輕等。目前，正壓防護服透明頭罩部分一般采用 0.3 mm 厚的高透明性聚酯型聚氨酯膜制成，以保證穿著者有充足的視野，其余面料大都以織物基布復(fù)合高分子涂層為主。常用的是聚氨酯抗菌復(fù)合面料，將聚酯型聚氨酯熱壓在機織布上，對照GB 24539-2009標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)合面料進行斷裂強力、撕破強力、接縫斷裂強力、抗穿刺強力等物理參數(shù)測試表明，該復(fù)合面料適用于正壓防護服的制造。

2.2 防護服整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用連體式防護服，由透明頭罩、防護服主體、防護手套及防護靴連成一體，一側(cè)有通過高頻熱合方式固定在防護服主體上的氣密拉鏈，更加方便穿脫。

防護服增加了可視姓名牌插，可以插入工作人員姓名，便于身份辨識。為了使防護服內(nèi)部保持恒定正壓，防護服內(nèi)部增加了單向排氣閥，同時也可以排出穿著者的熱量和水蒸氣，提高舒適度。防護靴和防護手套通過氣密連接環(huán)兩側(cè)密封圈勒緊及封膠的方式固定在防護服主體上，便于防護手套和防護靴可以更換的同時也可以提高手和腳的靈活度。供氣型正壓防護服正面和背面分別如圖1、圖2所示。防護服背面設(shè)有向外凸出的送風(fēng)系統(tǒng)背包，用于裝戴送風(fēng)系統(tǒng)。背包外側(cè)上有1個開口，用于安裝空氣過濾器。防護服主體內(nèi)部設(shè)有送風(fēng)管腔連接送風(fēng)軟管，將氣流引至頭部透明罩頂部。

圖1 供氣型正壓防護服正面Fig.1 Front face of air-fed pressurized protective clothing

圖2 供氣型正壓防護服背面Fig.2 Back of air-fed pressurized pressure protective clothing

2.3 供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)是供氣型正壓防護服的核心組成部分，采用小型便攜式電動送風(fēng)系統(tǒng)，包括送風(fēng)系統(tǒng)主體、空氣過濾器，送風(fēng)軟管接口等?？諝膺^濾器通過標(biāo)準(zhǔn)螺紋口固定在送風(fēng)系統(tǒng)主體上。小型電動送風(fēng)系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部工作原理框架分別如圖3、4所示。

圖3 小型電動送風(fēng)系統(tǒng)外結(jié)構(gòu)圖Fig.3 External structure diagram of small electric air supply system

圖4 小型電動送風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部工作原理框架Fig.4 Internal working principle frame of small electric air supply system

送風(fēng)機主體由小型渦流風(fēng)機、鋰電池和控制模塊組成，渦流風(fēng)機將經(jīng)過過濾器的凈化空氣通過送風(fēng)軟管接口連接送風(fēng)軟管送給防護服的送風(fēng)管腔，進入透明頭罩頂部。凈化空氣進入防護服內(nèi)部形成正壓，通過腿部單向排氣閥使防護服內(nèi)部壓力達到恒定，防護服處于正常使用狀態(tài)。送風(fēng)系統(tǒng)主體側(cè)面有液晶顯示和按鍵，通過按鍵開啟和關(guān)閉送風(fēng)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)送風(fēng)量的大小，液晶顯示實時顯示電池電量，低電量報警。

為了節(jié)約成本，采用供氣系統(tǒng)與醫(yī)用防護服主體獨立設(shè)計，醫(yī)用防護服主體是一次性消耗品，供氣系統(tǒng)可以在使用后進行酒精噴灑、擦拭消毒，防止交叉感染，消毒后可重復(fù)使用，空氣過濾器和送風(fēng)軟管也可以定期更換。

送風(fēng)量直接決定穿著者呼吸需求和防護服內(nèi)部形成安全正壓，風(fēng)量越大，散熱散濕較好，但風(fēng)量太大會產(chǎn)生噪音，影響穿著者聽力，目前國內(nèi)外對正壓防護服送風(fēng)量還沒有明確的規(guī)定，經(jīng)查閱相關(guān)技術(shù)資料和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，綜合因素考慮，風(fēng)量暫選在75～180 L/min，風(fēng)量可以調(diào)節(jié)。目前，市場上空氣過濾器可以實現(xiàn)高效過濾，油性及非油性顆粒過濾效率大于99.99%，滿足防護服病毒防護需求。

2.4 單向排氣閥

為了使防護服不斷有凈化空氣進來并處于恒壓狀態(tài)，在防護服的腿部設(shè)有單向排氣閥。當(dāng)防護服處于正壓狀態(tài)，排氣閥在內(nèi)外壓力差的作用下打開，氣流經(jīng)過固定墊片和引流罩對外排出，如果正壓防護服內(nèi)部壓力小于外部氣壓產(chǎn)生負(fù)壓時，排氣閥片則自動閉合隔絕外部空氣進入防護服，確保防護服正常使用時能更加安全，不受外部環(huán)境污染，引流罩可以防止外環(huán)境污染物的噴濺。

3 存在的問題

目前供氣型正壓醫(yī)用防護服的研究與應(yīng)用仍處于初級階段，尚有許多問題需要解決，主要包括以下幾個方面：

一是正壓防護服與人體工程學(xué)。人體工程學(xué)又稱人類工效學(xué)，人體工程學(xué)在服裝方面主要研究人體在穿著服裝過程中的舒適、健康和安全問題。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確規(guī)定正壓防護服內(nèi)的正壓取值范圍，因此需要在安全的前提下確定最符合人體工程學(xué)的正壓取值范圍。送風(fēng)量與人體工程學(xué)之間的關(guān)系需要進一步確定。國內(nèi)外對正壓防護服送風(fēng)量并無明確規(guī)定，正壓防護裝備人體工程學(xué)對送風(fēng)量這一重要參數(shù)的研究不多，并未形成共識。因此需要通過研究各種送風(fēng)量條件下人體各生理參數(shù)的變化規(guī)律，探索最合適的送風(fēng)量范圍。

二是正壓防護服內(nèi)的微環(huán)境監(jiān)控。正壓防護服內(nèi)的壓力、溫度、濕度、噪音、二氧化碳和氧濃度、氣流形成等重要參數(shù)關(guān)系到穿著者的安全與身心健康，穿著過程對穿著者的呼吸、聽覺、視力等都會產(chǎn)生較大的干擾和影響，對這些參數(shù)有必要進行實時監(jiān)控，但也會增加相應(yīng)的生產(chǎn)成本。

三是研制與檢測標(biāo)準(zhǔn)。無論是國外還是國內(nèi)沒有完全針對正壓醫(yī)用防護服的研制和檢測標(biāo)準(zhǔn)。正壓醫(yī)用防護服的研制需要參考的標(biāo)準(zhǔn)種類較多，增加了研制困難度和復(fù)雜度。

4 結(jié)語

醫(yī)用防護服的需求一直備受關(guān)注。要對醫(yī)用防護服結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能進行優(yōu)化，在保證病毒防護性能的基礎(chǔ)上不斷提升穿著者的舒適度和智能化。本研究供氣系統(tǒng)設(shè)計較為簡單，智能化程度有待提高。將來，供氣系統(tǒng)可以根據(jù)正壓防護服內(nèi)部微環(huán)境的溫濕度實時信號自動調(diào)節(jié)并穩(wěn)定防護服內(nèi)部壓力，進一步提高舒適度，可在穿著者手腕處增加數(shù)據(jù)顯示和按鍵功能，使操作更便利。