一種小型動(dòng)物專用低壓艙的研制

殷東辰，王桂友，于立華，張 巖，施維茹，王麗萍

（空軍特色醫(yī)學(xué)中心，北京 100142）

0 引言

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究中不可缺少的重要研究方法和手段，在超出人體生理極限的實(shí)驗(yàn)，需獲得解剖組織的實(shí)驗(yàn)，以及有毒有害氣體、試劑實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常使用小型動(dòng)物替代。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在醫(yī)學(xué)研究中約有40%的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)開展[1]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)不僅可避免醫(yī)學(xué)倫理問題[2]，還可進(jìn)行各種生理極限以及有毒害結(jié)果的研究，且在組織難度、時(shí)間和成本上優(yōu)勢明顯。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以小鼠、大鼠、豚鼠、兔等小型動(dòng)物最為常見，而專為此類小型動(dòng)物設(shè)計(jì)的低壓艙相對較少[3]。使用大型載人低壓艙進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)不僅耗費(fèi)大、影響載人低壓艙的正常職能任務(wù)，還存在病菌污染、消毒困難以及心理抵觸等問題。本研究針對小型動(dòng)物低氣壓實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，研制一種滿足動(dòng)物實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)的小型、低成本動(dòng)物低壓艙，以解決高原醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究設(shè)備不足的問題。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)一般以相對低的氣壓高度、長時(shí)間實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)時(shí)間可能持續(xù)數(shù)天、數(shù)周甚至數(shù)月，并可能對低氣壓環(huán)境下的動(dòng)物給予不同體積分?jǐn)?shù)的氣體以觀察實(shí)驗(yàn)效果，因此動(dòng)物實(shí)驗(yàn)低壓艙（以下簡稱“動(dòng)物艙”）需對艙內(nèi)氣壓高度、氧氣和其他氣體的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制并顯示，可自動(dòng)維持在設(shè)定的氣壓高度以減輕人工負(fù)荷。動(dòng)物在艙內(nèi)飲食會(huì)有排泄物并產(chǎn)生異味，需考慮新風(fēng)補(bǔ)充量及排泄物收集。為保證實(shí)驗(yàn)成功，設(shè)計(jì)上要充分考慮安全性、可靠性、精確度、可操作性和實(shí)時(shí)性。

1.2 工作原理

動(dòng)物艙工作原理：使用真空泵通過流量調(diào)節(jié)閥將艙內(nèi)氣體抽出，外部空氣通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入艙內(nèi)形成新風(fēng)。艙體內(nèi)部抽出氣體流量和新風(fēng)流量之間建立動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)抽出氣體流量大于新風(fēng)流量時(shí)艙內(nèi)氣壓高度上升，反之艙內(nèi)氣壓降低，兩者相等時(shí)艙內(nèi)維持預(yù)定的氣壓高度（如圖1 所示）?？紤]到建造成本和操作難度，本研究中氣壓高度的升降采用手動(dòng)控制，當(dāng)氣壓高度到達(dá)指定氣壓高度后通過一鍵式操作轉(zhuǎn)換為自動(dòng)模式，由單片機(jī)根據(jù)各傳感器反饋參數(shù)自動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，維持艙內(nèi)氣壓高度不變。動(dòng)物艙內(nèi)氧氣流量通過獨(dú)立于新風(fēng)系統(tǒng)的氧氣管路供給，并使用電磁閥進(jìn)行控制。當(dāng)艙內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到設(shè)定限值后，電磁閥切斷氧氣供給；當(dāng)艙內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)低于限值后，電磁閥打開，供給氧氣。

圖1 動(dòng)物艙工作原理

1.3 動(dòng)物艙組成

動(dòng)物艙包括艙體、動(dòng)力系統(tǒng)（無油真空泵及附件）、傳感系統(tǒng)（傳感器組件）、邏輯判斷系統(tǒng)（主控制板）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（流量調(diào)節(jié)閥、手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥）等主要部分（如圖2 所示），以及人機(jī)交互平臺（用于操作控制）、液晶屏幕（用于顯示艙內(nèi)信息），按鈕、開關(guān)元件若干，放置各系統(tǒng)的輪式小車。

圖2 動(dòng)物艙組成

1.3.1 艙體

艙體的功能是將動(dòng)物艙與外界環(huán)境隔絕，艙內(nèi)氣壓低于外界環(huán)境氣壓，可以模擬不同海拔高度的大氣環(huán)境。艙體上設(shè)置所需的氣路和電器接口，為檢測和控制系統(tǒng)提供必要的接口。

為便于觀察艙內(nèi)動(dòng)物，艙體采用12 mm 厚透明有機(jī)玻璃制作，艙體為圓筒形結(jié)構(gòu)，長度為800 mm、直徑為500 mm，其一端密封，另一端為可拆式活動(dòng)密封蓋，密封蓋設(shè)加強(qiáng)支撐梁。艙體下端使用支撐座保證艙體能夠平穩(wěn)地放置在水平面上。艙體內(nèi)距離底端約150 mm 處安裝置物橫板，并在橫板上打孔以避免動(dòng)物飼料和排泄物堆積。

1.3.2 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)主要由真空泵及配套的線路、開關(guān)、保險(xiǎn)、氣體管路等組成，主動(dòng)力為一臺無油真空泵，其功能是將艙體內(nèi)部的氣體抽出艙外，建立艙內(nèi)負(fù)壓。經(jīng)過計(jì)算后選擇某品牌V-1500 型無油真空泵，該型真空泵功率580 W，最大抽氣量230 L/min，最大真空度-98 kPa（-25 mmHg），工作噪聲≤68 dB。

1.3.3 傳感系統(tǒng)

傳感系統(tǒng)主要包括氣壓傳感器、氧氣濃度傳感器和二氧化碳濃度傳感器以及為其提供電源的驅(qū)動(dòng)電路，其功能是作為閉環(huán)控制的信號測量端口，將動(dòng)物艙內(nèi)的氣壓、氧氣體積分?jǐn)?shù)和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)等物理量轉(zhuǎn)化為電信號，為顯示和控制動(dòng)物艙的相關(guān)參數(shù)提供數(shù)據(jù)。傳感系統(tǒng)的工作流程是首先對各傳感器采集的電信號進(jìn)行優(yōu)化處理，然后將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最終提交給邏輯判斷系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析[4]。

1.3.4 邏輯判斷系統(tǒng)

邏輯判斷系統(tǒng)主要包括控制電路和控制面板。其中控制電路采集各個(gè)傳感器的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，結(jié)合輸入的目標(biāo)值進(jìn)行分析計(jì)算后生成控制策略驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)值?？刂泼姘逄峁┤藱C(jī)交互界面，供操作人員選擇控制模式、設(shè)定目標(biāo)高度和升降速度，并查看動(dòng)物艙狀態(tài)。

控制電路以ATmega16 單片機(jī)為核心，利用片上10 位A/D 接口采集傳感器數(shù)據(jù)，其他I/O 口連接不同的按鈕和LED 顯示屏。LED 顯示屏使用12864 液晶模塊顯示信息和操作提示?？刂栖浖蒀 語言編寫，主要功能是對氣體壓力傳感器、氧氣濃度傳感器和各調(diào)節(jié)閥門的位移傳感器電壓模擬量進(jìn)行采集、計(jì)算處理；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制；LED 顯示屏、按鈕等人機(jī)交互界面的顯示和緊急情況的應(yīng)急處理、報(bào)警（如圖3 所示）。

圖3 邏輯判斷系統(tǒng)工作流程圖

1.3.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是通過各種電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入動(dòng)物艙內(nèi)的空氣和氧氣的流速及真空泵抽出氣體的流速。主要包括：3 臺電磁閥，用于控制氧氣和新風(fēng)通斷；1 套電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)閥門開啟、關(guān)閉；5 套手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用于手動(dòng)調(diào)節(jié)各氣路中氣體的流通；1 套氣體管路，用于連接各個(gè)零部件；電源、開關(guān)、繼電器等若干組件為各個(gè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制電路、檢測電路提供電源。

2 測試及改進(jìn)

對動(dòng)物艙進(jìn)行總體調(diào)試后發(fā)現(xiàn)的問題與不足如下：

（1）氣壓高度維持階段壓力值波動(dòng)范圍過大。在最大新風(fēng)量條件下，維持5 000 m 高度（54.20 kPa，20 ℃）壓力值波動(dòng)幅度接近10%，維持12 000 m 高度（19.38 kPa，20 ℃）壓力值波動(dòng)幅度則達(dá)到15%。（2）平面式艙蓋無法承受大氣壓力（如圖4 所示）。（3）噪聲和震動(dòng)較大。在距離設(shè)備1 m 處測試，噪聲值為72 dB。

圖4 平面式艙蓋無法承受大氣壓力開裂示意圖

針對實(shí)際應(yīng)用中的問題與不足，采取了以下改進(jìn)措施：

（1）壓力值波動(dòng)過大的原因包括：①控制氣壓高度調(diào)節(jié)的閾值設(shè)置簡單；②不同新風(fēng)量對調(diào)節(jié)氣壓高度的工作過程影響較大，且新風(fēng)量過大也影響真空泵壽命[5]。解決方法：①對控制程序進(jìn)行優(yōu)化，對上升和維持氣壓高度階段電磁閥閾值進(jìn)行修正，將只檢測1 次氣壓高度值改為檢測前1 min 內(nèi)的6 次氣壓高度的差值作為趨勢判斷，判斷目前處于氣壓高度上升還是氣壓高度下降趨勢；②將新風(fēng)量固定在最大值，取消新風(fēng)量手動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

經(jīng)過程序優(yōu)化后的動(dòng)物艙在維持固定氣壓高度時(shí)波動(dòng)幅度明顯降低，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，見表1。

表1 程序優(yōu)化后固定氣壓高度波動(dòng)檢測結(jié)果

（2）由平面式艙蓋改為弧形艙蓋以解決平面式艙蓋無法承受壓力的問題（如圖5 所示）。

圖5 改進(jìn)后的弧形艙蓋

（3）在動(dòng)物艙底部加橡膠墊以解決真空泵噪聲、震動(dòng)大的問題，改進(jìn)后噪聲值降低至65 dB 左右。

改進(jìn)后的動(dòng)物艙各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 應(yīng)用效果

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)艙交付使用后，各項(xiàng)功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求：與單獨(dú)置于艙內(nèi)的獨(dú)立測試裝置比對校準(zhǔn)，升降高度范圍為0～12 000 m（101.33～19.38 kPa），其中0～8 000 m（101.33～35.71 kPa）時(shí)誤差為±5%，8 000～12 000 m（35.71～19.38 kPa）時(shí)誤差為±10%；升降速度為0～30 m/s（±1 m/s）；艙內(nèi)新風(fēng)量為50 L/min（±1 L/min）；氧氣體積分?jǐn)?shù)為0～30%（±1%）。

由此可看出，無人值守自動(dòng)控制模式能夠長時(shí)間維持在預(yù)定氣壓高度，顯著減輕實(shí)驗(yàn)人員勞動(dòng)負(fù)荷。使用高精度傳感器—邏輯判斷控制—執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閉環(huán)反饋控制保證艙內(nèi)壓力控制精準(zhǔn)。控制軟件中使用趨勢判斷方法代替單一閾值節(jié)點(diǎn)，降低了氣壓調(diào)控波動(dòng)幅度，保證了調(diào)控過程精準(zhǔn)。

另外，針對動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的工作環(huán)境，在設(shè)計(jì)上所有接插件采用防水、防振、防松脫加固，保證了工作的穩(wěn)定性和可靠性。

4 討論

動(dòng)物試驗(yàn)艙具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。在同類密閉氣壓艙室的研制中，應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)問題：

（1）保持與使用人員的充分溝通。在充分理解使用人員需求的基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)與操作便利性之間尋求最優(yōu)方案。本動(dòng)物艙原設(shè)計(jì)中新風(fēng)流量可調(diào)、可預(yù)設(shè)的程序化自動(dòng)升降功能在工程設(shè)計(jì)上花費(fèi)了大量時(shí)間和精力，但使用人員認(rèn)為實(shí)用意義較小。

（2）壓力艙體要充分考慮各部位承壓能力。本動(dòng)物艙初始設(shè)計(jì)為平面式艙蓋，即便設(shè)計(jì)了加強(qiáng)梁依然無法承受大氣壓力而開裂，增加了研制周期。

（3）在設(shè)計(jì)上保留升級改造余量。本動(dòng)物艙在設(shè)計(jì)階段考慮未來升級可能，在傳感器通道、管路布置等方面預(yù)留空白位置，同時(shí)使用模塊化設(shè)計(jì)，可按照功能模塊整體替換，便于今后的維修和改造升級。

經(jīng)過設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試和改進(jìn)，本動(dòng)物艙達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)要求，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人監(jiān)控條件下自動(dòng)運(yùn)行，并具備成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷的優(yōu)點(diǎn)。但是目前預(yù)設(shè)程序操作較為復(fù)雜，還應(yīng)進(jìn)一步簡化操作步驟。此外，還應(yīng)考慮增加監(jiān)視攝像頭，并開通遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和控制功能，以滿足長期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)有關(guān)要求。