便攜式防傳染醫用負壓隔離艙的設計

尚輝，劉乃智，李靜

1.山東大學附屬省立醫院 醫學工程部，山東 濟南 250014；2.山東博科生物產業有限公司，山東 濟南 250012

引言

負壓隔離艙是一種用于與外界環境隔離的裝置[1-2]，在傳染病盛行的時候，它能有效地使病員與外界隔離[3-4]，避免交叉感染，用于傳染病員的隔離后運送，對通過傳染的病員或疑似病員的轉移救護起到臨時隔離的作用，防止病原體進一步擴散，對隨行的醫護人員和周圍環境提供有效保護。目前國內市場上的負壓隔離艙主要有北京克力愛爾生物實驗室工程有限公司生產的ST-120生物安全型負壓隔離擔架、天津軍事醫學科學院生產的S-2014負壓隔離轉運艙、美國進口的FERNO、法國進口的IMMU-CHAMBER等，其共同特點為艙體采用拱形塑料支架作為支撐、縱向采用插接式鋁合金桿為連接，其過濾效率均能達到99.97%（鹽霧法0.3 μm）以上，具備壓力顯示與報警功能，但有的負壓隔離轉運裝置體積龐大，不可折疊，重量達幾十公斤，在運輸與轉運中給醫護人員帶來不便[5-7]；國內研發的負壓隔離艙主要特點式艙體支撐形式采用氣囊式[8-9]。本項目研發的負壓隔離艙空氣過濾凈化效率高，設有壓力電力報警裝置；采用人性化設計，整體通透，沒有壓抑感；艙體耐腐蝕、抗壓，韌性好，組裝和拆卸都非常方便，便于攜帶。

2 設計材料與方法

2.1 設計思路總括

負壓轉運艙的工作原理為：由潔凈單元建立并維持密閉腔體內負壓環境，腔內的污染空氣不經凈化不能溢出，從而對醫護人員起到有效的防護作用；外界新鮮空氣經凈化可實時補充到腔內，維持腔內合理的新鮮空氣，艙內空氣從進氣口到排氣口，形成定向的空氣流。另外，在操作口通過醫用PVC手套，醫護人員可以對病員進行簡單護理。其技術路線圖，見圖1。

圖1 產品技術路線圖

2.2 智能控制系統的設計

設計基于單片機的智能控制系統，由內置單片機控制風機轉速，內部壓力由壓力傳感器采集[10]，當內部壓力高于-15 Pa，由單片機控制風機自動調節轉速，并控制LED燈和蜂鳴器進行聲光報警；集成操作面板上有電量顯示及報警、艙內壓力顯示及報警等功能，且具備防水和耐腐蝕的能力。

艙體內部氣流的分布對于負壓隔離艙的安全性能有著重要的影響[11]。如何使艙內空氣的流動合理分布，以達到良好的流動和分散效果，對艙內傳染性病菌的安全隔離十分重要。設計中運用Fluent軟件，結合風機特性曲線，綜合利用多相流模型湍流模型對艙體內氣流流場進行測試。根據負壓隔離艙的實際運行情況，將負壓生成系統處的氣流出口平面設為艙體氣流出口，其壓力由風機曲線給出。將底側的高效過濾器開口高度與模擬傳染病員口部附近一致高度，并將其設為氣流入口，傳染病員多有打噴嚏的癥狀，模擬病員口部氣流速度約為2 m/s，運用基于多相流模型湍流模型進行模擬測試，顯示艙內氣流流動和分散效果良好，無氣流短路現象。負壓隔離艙的氣流模式圖，見圖2。

圖2 隔離艙氣流模式圖

2.3 負壓隔離設計

負壓隔離艙主要由可折疊的艙體和潔凈單元組成。艙體采用可折疊、高透明度的TPU膜材料組成相對密閉的空間，潔凈單元由高效過濾器[12-14]、壓差監測、直流風機[15-16]等組成。具體見圖3。

圖3 負壓隔離艙

圖中負壓生成系統是為整個儀器產生負壓的裝置，當按下開關按鈕后負壓生成系統里的風機開始工作往外抽氣，氣體通過連接的兩個高效過濾器凈化排出，同時在另一側空氣經過高效過濾器凈化進入艙體內部為里面的人員提供所需氧氣，在剛啟動工作的時候風機抽出的氣體量大于從另一側進入的氣體量，從而艙內形成負壓；待穩定后排出和進入的氣體量相等，艙內負壓此時穩定，艙內負壓為定值；把手套套在操作口上，打開操作口拉鏈，在隔離艙正常運行的情況下通過手套可對里面的病員進行一些操作護理；通過附加孔，醫護人員可對里面的病員進行輸氧、輸液等應急操作。

3 結果

該負壓隔離艙產品的設計，從艙體設計、支撐結構、負壓系統以及過濾器的選擇上做了充分研究，整個艙體采用TPU膜熱合而成，艙體密閉不透氣，機械強度高，整體通透，病人無壓抑感；在支撐結構的選擇上，使用ABS材料制成的弧形支撐，同時對支撐的邊角倒鈍，減少對人體的傷害；負壓生成系統整體外殼采用ABS材質，綜合集成出風口的高效過濾器、直流風機、控制單元、鋰電池及負壓測試儀等零部件，且具備防水及耐腐蝕的能力，可實現艙內壓力實時監測、電池電量顯示等功能；最后高效過濾器外殼也采用ABS材質，內部濾芯擺放成45°夾角，不僅實現了高過濾效率并保證了低氣流壓降的效果，對0.3 μm的微粒氣溶膠過濾效率也不低于99.99%，可有效防止傳染性病菌的外溢。

整機測試結果顯示，負壓艙內壓力穩定在-15 Pa的微負壓，專用高效過濾器的高效過濾效率為99.99%，采用了超靜音通風系統，噪聲測試低于72 db，負壓隔離艙的換氣量不小于75 L/min，可以采用交流市電或UPS兩種電源充電方式，電池可連續使用不少于6 h，隔離艙上配備擔架結構，可與市場上任意類型擔架配套使用，不需要專門為此配置擔架，并配備兩個負壓艙體（一用一備），整體重量不大于20 kg，方便攜帶。在隔離艙一側配備兩對密閉操作手孔，一個充氣口，一個中效過濾進氣口，一個輸液管道口，兩套患者安全扣，兩套擔架固定扣。其控制系統的顯示面板，見圖4。

圖4 控制系統顯示面板

4 討論和展望

通過分析研究市場上的產品，發現現在市場上的負壓隔離艙主要存在以下幾個問題：① 艙體的強度不夠，艙體易損壞；② 設計繁瑣，輸氣管較長，使用不方便；③ 電池的容量較小，使用時間較短；④ 使用金屬做支撐，易對人體造成傷害；⑤ 換氣量較小；⑥ 噪音較大；⑦ 無聲光報警，易發生危險。在本轉運艙的設計中我們創新的選用了TPU膜材料，通過熱合封裝而成，強度大而且耐撕裂，可適應多種環境，而支撐材料采用ABS材質制成，強度夠且一旦發生折斷對醫護人員和患者危害也不大，避免出現二次損傷。

該產品能夠從根源上保護隨行醫務人員免受病毒的傷害，而且從通透性的艙體外面便可直觀的發現內部病員的狀態，由專用的報警顯示功能可監控內部壓力變化和電源電量情況，同時可以進行折疊，便于儲存，可配備給傳染病醫院和急救中心，具有較強的社會和經濟效益。但目前的研究僅模擬了在地面常壓狀態下的情況，采用急救車進行轉運。目前國內尚無空中轉運的先例，所以對適用于空中轉運的負壓隔離艙的安全性能研究將是該類轉運艙研究的一個方向。

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