冗余醫用氣體管道系統設計研究

楊斌

北京軍區總醫院 醫學工程科，北京 100700

冗余醫用氣體管道系統設計研究

楊斌

北京軍區總醫院 醫學工程科，北京 100700

目的 解決傳統醫用氣體管道系統在維護關鍵控制節點時遇到的風險。方法 采用冗余設計方法，將醫用氣體管道系統從氣源敷設雙主管到醫療建筑，通過雙立管到護理單元，采用U型管道結構，用維修隔離閥將氣體終端劃分成較小區域。結果 此系統增加了管道結構的復雜度，增加了15%～30%的前期投入成本，但提高了系統的可靠性，降低后期維護費用和醫療維護風險成本。在管道分配系統中，任何部位出現故障需要維護時，氣體終端的連續供氣不受影響，或僅影響幾間病房。結論 適用于規模較大的醫院和局部生命支持區域。

醫用氣體；醫用氣體管道系統；可靠性；維修管理

0 前言

醫用氣體管道系統負責將醫用氣體（氧氣、壓縮空氣等）輸送到手術室、ICU和各個臨床科室，用于維系危重病人生命，促進病人治療康復，是關系到患者生命安全的生命支持系統，是醫用氣體系統的重要一環[1-2]。須保障4條用氣安全原則：① 可連續供氣；② 氣體識別（防接錯）；③ 足夠的流量及壓力；④ 氣體的質量[3]。

當前醫院所采用的醫用氣體管道系統，在結構上存在著維護風險大、成本高等缺點。因此，我們提出采用冗余設計的醫用氣體管道系統，提高醫用氣體供應的可靠性和管道維護的簡便性。

1 傳統醫用氣體管道系統結構及維護困境

1.1 傳統醫用氣體管道系統結構

發達國家對醫用氣體管道系統的設計、安裝、驗收等有著非常成熟的經驗，對氣源、管道、閥門等安全性做了嚴格的規定，以確保供氣的安全。影響較為廣泛的醫用氣體管道標準有：國際標準ISO7396、美國標準NFPA99、英國標準HTM02-01，對醫用氣體管道結構的要求基本一致。

國際標準ISO7396-1:2007推薦的醫用氣體管道系統結構示意圖[4]，見圖1～2。醫用氣體通過管道系統上的各級閥門進行逐級分配和區域控制。醫院當前所采用的醫用氣體管道系統與之結構相似，部分醫院在用氣單元處增設二級減壓器[5]。前者主管道和用氣單元壓力一致，為單壓力狀態管道結構。后者則壓力不同，為雙壓力狀態管道結構。圖1中主管道截止閥2為醫療建筑入口總控制閥門，立管截止閥4為醫療建筑內專用氣體管井的控制閥，支管截止閥5為醫療建筑內每層的區域控制閥。

由圖可知：為確保醫用氣體供應的連續性，國際標準ISO7396要求氣源（A、B、C）為兩級冗余（NFPA99要求雙氣源[6]，HTM02-01和HTM2022要求雙或三氣源[7-8]），減壓器8為一級冗余，并設立了多處緊急供氣接口12，以確保在上游管道不能提供醫用氣體供應的情況下，將緊急氣源引入，確保下游管道供氣的連續性。

根據醫用氣體管道系統的工作特點，我們將其簡化為拓撲結構，見圖3。整個管道系統為一個樹型結構，通過各級節點進行分層管理。從頂點逐級分別向下游各節點供氣，直到氣體終端。一級節點代表氣源處向各用氣醫療建筑分配醫用氣體的控制節點，包括各主管道截止閥和與之相連的上游管道及附屬設備。二級節點代表醫療建筑內醫用氣體專用管井分配控制節點，包括各管井內的立管截止閥和與之相連的上游管道及附屬設備。三級節點代表管井內醫用氣體分配控制節點，包括各支管截止閥和與之相連的上游管道及附屬設備。四級節點代表氣體終端，包括各氣體終端和與之相連的上游氣體管道及附屬設備。

樹型結構特點是：結構簡單，管理成本低，可以方便的擴展系統，并能通過節點將故障區域與其他部分隔離[9]。但某一節點的故障，會影響下級各節點的正常工作，尤其是頂級節點，直接影響著整個系統的安全。

1.2 傳統醫用氣體管道系統的維護困境

對當前采用的醫用氣體管道系統進行維護和升級改造時，為確保臨床供氣的連續性，不允許停氣[10]，因此，改造難度很大，當一些級別較高的閥門和管道出現泄漏故障時，就會陷入到兩難境地。不修，資源浪費，存在隱患；修，則要冒著承擔高額成本的風險。

在醫用氣體管道維護時，必須中斷相關區域醫用氣體的管道供應，用緊急氣源替代，以確保臨床醫療用氣不中斷。而緊急氣源通常為高壓氣瓶，設備笨重，容量有限，使用時的安全風險大。維護節點級別越高，所涉及范圍則越大，需要的緊急氣源就越多，導致緊急氣源不能保障臨床供應和操作意外的風險就越高。有的醫院在醫療設備帶中加裝維修截止閥，確保在對氣體終端維護時，不影響其他病房的醫用氣體使用。此方法將維護風險轉移到維修截止閥上，一旦維修截止閥出現故障，仍需停止整個用氣單元的管道供氣。

國產閥門、氣體終端等密封組件，使用3～5年后，逐漸老化失去彈性，導致氣體泄漏。以我院為例，經常使用的氣體終端，每1～2年就需要更換“O”型密封圈等組件。在實際維護氣體終端的過程中，盡量不開/關已使用3年以上的閥門，一般采用帶氣維修方式，以免造成閥體漏氣，難以更換。

當前，正值我國醫院建設的高峰時期，均涉及到醫用氣體管道的建設。我院近4年來已對醫用管道系統進行了7次擴容改造。在維護改造過程中，需要耗費大量的時間、人力和物力。需要提前制定周密的實施方案，確定人員和物資的合理準備和分配，全面考慮各種風險，并制定意外情況處理預案。提前與臨床科室溝通，安排合理用氣，降低維護期間緊急氣源的需求量。嚴格培訓操作人員，使其能處理可能出現的各種意外情況。準備足夠的緊急氣源和相關器材，以確保在最不利的條件下，仍能保證整個維護過程的安全。

2 冗余醫用氣體管道系統

2.1 設計思路

在系統工程中，兩個完全獨立的子系統并聯組成一個系統時，系統的失效率是兩個子系統的失效率之積[11]。因此，通過增加系統中關鍵部件備份的冗余設計，是提高系統可靠性的一種常用方法，任何冗余部件的維護和更換，均不影響整個系統的正常工作。

我們結合醫用氣體管道的特點，遵循以上原則，將圖3中對供氣影響范圍較大的一、二、三級節點進行冗余設計，并將四級節點內部設計成可相互隔離成更小區域的U型結構。使醫用氣體管道系統出現任意單一故障的情況下，對整個醫用氣體管道系統的影響降到最小。

2.2 冗余醫用氣體管道系統結構

整個管道系統結構，見圖4。氣源（A、B、C）通過氣源截止閥1，可同時向任一主管道供氣，并能隨時相互隔離，形成完全獨立的子系統。因此，氣源部分任一部件故障，均可隔離，不會影響醫用氣體的正常供應。主管道和立管均是一級冗余，因此，可以通過隔離故障部位，而不影響用氣單元D的醫用氣體供應。

用氣單元D內部結構，見圖5。管道設計成U型回路，并通過維修截止閥7將氣體終端分割成不同的維修區域，以便維修時隔離，因此區域截止閥6和維修截止閥7功能相同，均可視為區域維修隔離閥。若是區域維修隔離閥、或與之相連的氣體終端9及管路出現故障時，均可以通過上下區域維修隔離閥隔離，使影響醫用氣體供應的區域被限制在與故障點相連的隔離區域內。

由于整個管道系統設計了冗余結構，相對于氣體終端均有兩條管道與氣源相連，因此，圖1～2中的緊急氣源接口不再必要。

為了增加管道供氣的靈活性，可以將冗余管道相互連通，冗余管道間連通方式，見圖6。但需要采用雙閥門結構（圖6A），而不能采用直連（圖6B）或單閥門（圖6C）結構。因為直連結構將兩個管道子系統的獨立性完全消除，一旦出現故障，會相互影響。而單閥門結構在閥門出現問題時，將使兩個管道子系統的獨立性喪失。雙閥門結構可以保證在單一閥門故障時，仍能保持兩個管道子系統的獨立性，并能對故障閥門進行更換而不影響系統的氣體供應。冗余設計的主管道中，氣源的接法采用的就是單閥門結構。

相對于用氣終端，可將整個冗余醫用氣體管道系統簡化為拓撲結構，見圖7。這是一個U型結構，該結構中任一個一、二、三級節點出現故障，通過隔離手段，都不會影響第四級節點的正常工作。假設傳統結構的管道供氣的可靠性為90%，那么采用冗余結構后，其供氣可靠性可提升為99%，對于第四級節點（用戶終端），其保持供氣連續的可靠性比傳統管道結構高一個數量級。該結構是兩個樹型結構結合后的變形，仍然具備了樹型結構的一些優點，如擴展方便，出現故障后，不影響相鄰區域等。

2.3 冗余醫用氣體管道系統特點

冗余醫用氣體管道系統的可靠性高。由于該系統中的主管道和立管是由完全獨立的兩個子系統并聯組成，因此，最不利條件下的單一故障（如區域隔離閥故障），僅會影響與之相連的氣體終端，而其他部分故障，終端用戶均不受影響。

冗余醫用氣體管道系統使關鍵節點的維護和改造成為可能。由于任一單一故障，其影響區域極為有限，甚至不影響最終用戶的使用，因此大大降低了維護風險和成本。

冗余醫用氣體管道系統使安裝成本增加。雖然此種管道結構降低了維護改造的風險和成本，但卻增加前期安裝的費用。整個工程增加的成本集中在主管道和立管。根據測算，在不包含氣源站房設備成本的情況下，比傳統管道結構費用高約15%～30%。用氣單元內氣體終端數量越多，氣體終端等設備性能越好，主管道和立管的距離越短，則費用增加比例越低，因為進行冗余設計的管道均為較大口徑，其使用量占工程總量的比重較小[12]。由于采用冗余技術，可以通過優化設計進一步降低成本。如各處的緊急供氣接口可以取消；減壓器可以不采取冗余設計，但對于整個管道系統仍保持一級冗余；管道的走向、布局可以合并優化等。

冗余醫用氣體管道系統的管理難度較大。由于出現兩路供氣管道，那么在安裝時的管道標識就要非常清晰明確，不能產生歧義，否則，在維護改造時，可能會出現不能及時隔離控制點的情況。在日常管理上，要清楚管道結構，能在緊急情況下準確處理，防止該斷的斷不開，該供的供不上，產生醫療事故。而且仍需要加強日常的維護工作，防止故障積累。尤其是采用雙閥連通的結構（圖6A），若不及時檢查發現問題，當兩個閥門都出現無法關嚴的故障時，就會導致冗余結構的失效，仍會面臨維護的困境。

3 結論

冗余醫用氣體管道系統降低了管道維護改造的風險和成本，但安裝投入增加，管道管理相對復雜。因此，適用于對風險控制要求嚴格、日常維護成本較高、具備管理水平的500張床位以上的大型醫院。

醫院也可以局部采用冗余管道結構，既節約一定成本，又具備了一定的靈活性。在高風險的生命支持區域采用冗余管道結構，以提高局部醫用氣體系統的可靠性和可維護性，如手術室、ICU采用冗余和U型管道供氣結構，可以進行局部維護，而不影響其他區域醫療工作的開展。

[1] 曹輝.醫院生命支持系統的研究探討[J].中國醫學裝備,2009, (3):6-9.

[2] 王軍,閻承斌,沈正海,等.醫用氣體管網的日常檢查與維護[J].中國醫療設備,2008,(5):95,92.

[3] 馬琪偉.安全的醫用氣體系統[J].中國醫院建筑與裝備,2009, (6):66-69.

[4] ISO7396-1:2007,Medical gas pipeline systems-Part 1:Pipeline systems for compressed medical gases and vacuum[S].

[5] 王宇虹,林在豪.當前醫用氣體建設中的若干問題與建議[J].中國醫院建筑與裝備,2005,(2):18-21.

[6] NFPA 99:2005,Standard for Health Care Facilities[S].

[7] 王進軍.醫用氣體管道采用銅管與不銹鋼管的技術經濟分析[J].中國醫院建筑與裝備,2011,(11):80-85.

[8] HTM 0222,Medical gas pipeline systems Design, installation, validation and verification Health Technical Memorandum 2022 [S].42-85,91-99.

[9] 楊斌,張美,龐晏慶.醫用中心吸引系統平均抽氣速率的計算[J].中國醫療設備,2009,(5):60-61.

[10] 沈倍義.醫院病區改造中的氣體設備帶安裝方案探討[J].中國醫院建筑與裝備,2008,(11):14-17.

[11] 茅以升.現代工程師手冊[M].北京:北京出版社,1986:122-141.

[12] HTM 02-01,Medical gases Health Technical Memorandum 02-01:Medical gas pipeline systems Part A:Design,installation,val idation and verification[S].

Design and Research of Medical Gas Pipeline System Based on Redundancy Design

YANG Bin
Medical Engineering Department, General Hospital of Beijing Military Command of PLA, Beijing 100700, China

Objective To solve the high risk when maintaining the key node of medical gas pipeline systems in large scale hospitals. Methods Adopting redundancy design method, medical gas pipeline system could transfer the air across double main pipes to medical building, through the double riser pipe to nursing unit, maintenance isolation valve, using U pipe structure, also could divide gas terminal into smaller area. Results On one hand, the medical gas pipeline system based on redundancy increases 15%～30% cost of installation, and makes the structure of pipeline complex, on the other hand, it improves the reliability of this system and reduces the follow-up maintenance cost and risk. It can also guarantee the continuous gas supply of terminal not be affected when f xing the failure, or only effect several wards. Conclusion The pipeline system is suitable to large scale hospitals and lifeline support areas.

medical gas; medical gas pipeline systems; reliability; maintenance management

R197.39

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.038

1674-1633(2012)09-0125-04

2012-03-30

2012-08-09

作者郵箱：yb88214@sina.cn