新型传染病现场应急处置帐篷系统设计与研制

田 丰，胡名玺，孙秋明，李 钒，杨 健，刘长军，刘圣军，高万玉

新型传染病现场应急处置帐篷系统设计与研制

田 丰，胡名玺，孙秋明，李 钒，杨 健，刘长军，刘圣军，高万玉

编者按：2014年2月以来，埃博拉疫情在非洲迅速蔓延，西班牙、美国等欧美国家也相继出现了感染病例，呈现出向全球扩散趋势。2014年8月8日，世界卫生组织（WHO）宣布非洲埃博拉出血热疫情为“国际关注的突发公共卫生事件”，世界各国纷纷制定相应措施防止疫情在国际间蔓延。面对疫情，我国军地医学科研机构迅速行动，开展了埃博拉病毒防护装备与技术研究，现已取得了阶段性成果。本期我刊特邀军事医学科学院卫生装备研究所研究员祁建城博士担任栏目主编，组织有关专家就埃博拉病毒防护装备与技术发展及其新研传染病现场应急处置帐篷系统、正压生物防护服、折叠式传染病员负压隔离转运舱等进行系统论述，以飨读者。

本期特邀栏目主编：祁建城（1971—），男，工学博士，研究员，博士生导师，处长，主要从事生物防护技术与装备研究，兼任国家生物防护装备工程技术研究中心副主任、学术带头人，国家863计划生物和医药技术领域主题项目首席专家，中国合格评定国家认可委员会实验室生物安全主任评审员，中国微生物学会微生物生物安全专业委员会副主任委员，中国实验动物学会实验动物设备工程专业委员会副主任委员，中华预防医学会生物安全与防护装备分会常委，全国洁净室及相关受控环境标准化技术委员会委员，全军生物安全专家委员会委员，《医疗卫生装备》、《中国卫生工程学》、《中国卫生检验》、《中国医院建筑与装备》、《洁净室技术标准化》等杂志编委，美国《Building and Environment》杂志审稿专家等学术职务；先后被评为总后勤部科技新星、军事医学科学院建院60周年AMMS优秀人才奖，并获国家科技进步二等奖、天津市专利金奖等多项成果奖励。

目的：研制新发突发传染病现场应急处置帐篷式防控系统，满足传染病应急防控现场病员留观、处置及快速检测等勤务需求。方法：运用数值模拟与有限元仿真分析计算，系统设计双层篷体、多腔室气柱支撑整体式结构密闭空间；优化滤材种类、配比、折叠结构、过滤级数等条件，破解低气阻条件下高过滤效率瓶颈问题；基于可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）的智能控制，实现帐篷内微环境智能调控与监测显示。结果：生物气溶胶过滤效率＞99.99%，负压差15～30 Pa；展开作业时间10 min、气柱充气间隔时间＞24 h，负压差建立时间10 min，缓冲间压差重建时间3 min。结论：帐篷系统高效排风过滤效率高，负压差建立稳定可靠，作业展收快捷方便，传染病现场应急防控环境下适应性强。

负压隔离；传染病；应急处置；帐篷；埃博拉病毒

0 引言

近年来，由于气候等自然生态环境变化、人类生活方式不同与饮食习惯各异、经济社会生产不均衡发展、生物安全管理漏洞等因素，使得全球性新发突发传染病的发生机会呈现可能上升的趋势，2014年2月，西非暴发的埃博拉疫情再次向世界敲响警钟[1-5]。我国传染病发病态势也十分严峻，结核病、血吸虫病患者总数居高不下，部分已经消灭血吸虫病地区，输入性病例也呈上升趋势，一度消灭的性病死灰复燃，发病近年持续上升；SARS[6]、禽流感[7]、猪链球菌[8]、甲型H1N1流感[9]等新发传染病不断出现；登革热、疟疾等境外输入的传染病，出现局部流行。此外，我国幅员辽阔，传染病病原多样，发病和防控形势复杂；大城市人员密集、流动性大，传染病暴发呈现发病人数多、传播速度快等特点；偏远、落后地区的自然疫源性疾病、人兽共患病散发多发，以上特点均会不同程度地造成可利用传染病防控资源的相对有限。针对上述情况，我国新发突发急性传染病防控战略具体目标中明确指出，要加强应对新发突发急性传染病基础准备工作，其中传染病现场应急处置技术装备[10-11]建设是重要措施之一。

目前，欧美很多国家都构建有帐篷式野战医疗救护所或集体防护单元[12-13]。在西非埃博拉疫区，美国部署有帐篷式P3实验室，以用于传染病现场埃博拉疫情的快速检测。美军纳蒂克士兵系统中心曾研制了一套颇具代表性的高级医疗帐篷系统（FMSS）。该系统采用世界先进高压充气技术，最大特点是后勤负担低、展收迅速、帐篷内附有抗生化战剂衬里，同时进出口处均配有加压防护过渡通道，能为医护人员在野外环境条件下提供洁净手术环境[14-17]。我国在“十一五”期间，由国家科技重大专项资助军事医学科学院卫生装备研究所开展“负压隔离式重大传染病员现场处置间、后送舱与收治单元研究”等课题研究，其装备成果在近年国家疾控应急任务中发挥了重要作用。在此基础上，本文基于高效空气过滤和稳态负压梯度原理，研究适用、实用的传染病现场应急防控隔离技术，构建了科学高效、层级配套的传染病防控帐篷式系列装备，并推进该型装备系列化研究、产业化研发和规模化配备，以适应和满足新发突发传染病现场应急防控现实需要。

1 篷体支撑结构设计及优化

针对负压帐篷支撑骨架——充气拱形气柱的承载力、变形进行有限元分析，并在此基础上对负压帐篷的整体结构进行力学分析。负压帐篷及气柱的结构、尺寸如图1所示。

首先进行有限元分析。方法是：（1）模拟帐篷在使用过程中受力情况，根据分析和计算结果进行支撑结构设计，满足装备在负压环境下的强度、刚度、稳定性要求。（2）将充气气柱作为特殊的气囊膜，在一个拱形气囊内充气，形成具有一定刚度的拱以承受外荷载作用，并作为篷体支撑骨架有效结构单元，将其按设计结构排列布置后即可构建出大跨度充气帐篷。

图1 篷体支撑气柱结构示意图

图2 单个拱形气柱的有限元模型

图3 单个拱形气柱变形与应力分布图

1.1 单个拱形气柱力学性能计算

采用ANSYS软件建立模型进行数值分析。如图2所示，选用shell41壳单元，厚度为0.3 mm，材料为各向正交异性，Ex= 492 MPa，Ey=Ez=609 MPa。在支撑气柱底部所有节点3个方向自由度（Ux、Uy、Uz）全部约束。计算中，考虑几何非线性，采用牛顿—拉普森方法进行平衡迭代，同时打开线性搜索和预报功能，采用自动载荷步。

气柱直径为250mm，内压为10 kPa时，计算结果垂直方向变形与应力分布如图3所示，可以看出：最大变形位于气柱顶部，为14 mm左右；环向应力最大值位于拱形的拐角内侧，为5.2 MPa；径向应力最大值靠近气柱底部，为2.5 MPa。

1.2 气柱最大变形及应力随气柱内压变化规律

动态生成既是独立学院词汇教学过程的主要特征，又是生态课堂的发展规律，还是教学过程的理想状态。实现动态生成的手段有创设、探索、合作交往、体验、反思等。

气柱内压增加时，环向、径向应力随之增加，变形亦显著增大。气柱直径为250 mm时，气柱的最大变形及应力随气柱内压变化的数值和曲线见表1。

表1 不同内压下气柱的变形与应力

气柱直径增加时，环向、径向应力基本不变，但气柱的变形随内压增加而明显增加，气柱的变形与应力随气柱直径和内压变化规律如图4所示。

图4 气柱的变形与应力随气柱直径和内压变化曲线

1.3 单体帐篷结构力学性能

利用ANSYS建立帐篷整体有限元模型，采用shell141壳单元模拟充气柱和外篷布（气柱内胆及帐篷内层篷布对充气帐篷结构作用很小，有限元计算时，不计内胆及内层篷布材料），厚度均为0.3 mm，材料为各向正交异性，Ex=492 MPa，Ey=Ez=609 MPa。图5为整体帐篷和气柱骨架有限元模型图。帐篷底部所有节点3个方向自由度（Ux、Uy、Uz）全部约束。考虑几何大变形，采用牛顿—拉普森方法进行平衡迭代，打开线性搜索和预报功能，采用自动载荷步。

图5 单体帐篷和气柱骨架的有限元模型

1.3.1 帐篷内无负压作用

气柱直径250 mm，内压20 kPa，帐篷内无负压作用时，帐篷整体最大变形发生在气柱顶部，为27 mm左右，最大等效应力位于顶部气柱与气柱相交点，为42 MPa，如图6所示；气柱骨架的变形和应力分布如图7所示。从有限元分析可看出，气柱变形是造成帐篷整体最大变形的主要原因，最大等效应力由气柱环向应力决定。

图6 无负压时帐篷整体变形和等效应力分布

在上述工况下（气柱直径250 mm，内压20 kPa），篷内施加15 Pa负压时，气柱骨架的计算结果基本不变（变形减小0.5 mm左右，应力减小0.2 MPa），如图8所示，篷面入口处变形最大，为35 mm，篷面应力很小，最大值为8.12 MPa。帐篷整体应力主要由气柱环向应力决定，如图9所示。

2 气柱内压和帐篷内负压对帐篷力学性能影响

气柱内压较小时，帐篷整体变形随负压增大显著增加，应力基本与负压值无关，但随气柱内压增加而增大。气柱直径为250 mm时，帐篷整体变形与等效应力随气柱内压和篷内负压变化的数值和曲线如图10所示。

图7 帐篷内常压条件下气柱骨架变形和应力分布

图8 帐篷内施加15 Pa负压条件下气柱骨架变形与应力分布

图9 施压后帐篷整体变形和等效应力

3 气柱间距和负压对帐篷力学性能影响

气柱直径为250 mm，内压为17 kPa、帐篷内负压为0和20 Pa时，帐篷整体变形与应力随气柱间距变化的数值与曲线如图11所示，气柱间距不同时，负压对帐篷整体变形和应力分布影响不大。

气柱直径为250 mm，内压为17 kPa时，帐篷整体变形与等效应力随气柱间距和帐篷内负压变化的数值与曲线如图12所示。

4 高效排风过滤模块关键技术研究与集成设计

图10 帐篷整体变形与等效应力随气柱内压和篷内负压变化曲线

图11 帐篷整体变形与等效应力随气柱间距变化曲线

高效排风过滤模块主要集成了高效空气过滤器、风机、控制电路3个部分，实现建立负压环境和生物气溶胶高效过滤功能。

4.1 高效空气过滤器

图12 帐篷整体变形与等效应力随气柱间距和篷内负压变化曲线

常用的空气过滤材料有玻璃纤维、聚偏氟乙烯驻极体、活性炭（纤维）、丙纶非织造布等。由于玻璃纤维成本低且具备良好的过滤效率，是目前空气过滤的主要基材；聚偏氟乙烯驻极体带有大量电荷，对吸附气溶胶颗粒作用显著。负压隔离处置帐篷内部空间不大，过滤材料使用量小，因此玻璃纤维的价格优势不显著，低阻力高截流率成为选取过滤材料的关键。活性炭（纤维）、丙纶非织造布等属于空气过滤的辅助材料，二者的亲疏水性能差异较大，选配适宜的过滤辅助材料有助于增强过滤效果。本文将分别研究玻璃纤维、聚偏氟乙烯驻极体，在不同通气量条件下，过滤微生物气溶胶、无机粒子气溶胶以及有机液滴气溶胶的过滤效率和阻力，考察组合使用活性炭（纤维）、丙纶非织造布对过滤效率的影响，确定高效微生物过滤模块最佳化基材及材料组合，设计单级板框模式高效空气过滤器结构，如图13所示。

试验结果证明，该结构形式简单，滤材折成瓦楞状结构，过滤面积大，风阻小，使用寿命长。

4.2 排风风机

图13 高效过滤器单极板框模式立体剖面示意图

排风风机依据通气量、风机噪声、体积、质量、电压要求等进行配型。风机通气量以全新风系统为模型，根据英国《预防与控制多重抗药性肺结核菌院内感染准则》和美国疾病控制与预防中心（Centers for Disease Control and Prevention，CDC）《卫生保健设施中防止结核分枝杆菌传播指南》等标准计算，换气量达到12次/h。风机控制将与帐篷内微环境监控智能电路进行一体化集成设计，采用PID算法对风机转速进行调节，如图14所示。

4.3 控制电路

采用PLC控制器作为主控制器，具备与液晶屏通信能力，实现多参数的实时显示；搭载模拟输入/输出板卡，实现多通道模拟信号采集及继电器、电动机等执行机构控制。实现的主要技术参数：AD输入通道数≮10；AD采样频率≮1 kHz；DA输出通道数≮2；PID控制周期≯0.1 s。

采用传感器采集帐篷内氧气与二氧化碳浓度、温度、湿度等参数指标，获得的信息通过智能控制电路，转化为数字信号实时显示，超过设定阈值则进行报警。智能控制电路根据帐篷内负压差信息，以PID算法对风机转速进行调节，实现对帐篷内负压差的控制（控制误差≯3 Pa）。并在确保负压差相对稳定的同时，换气量不低于最低换气量的要求，如图15所示。

5 装备生物安全防护性能试验

考察几种不同噬菌体（f2、SM701、SM702和Phi-X174）耐雾化性能、气溶胶颗粒特性、对抗外环境压力，筛选出理想的甲型H1N1流感病毒替代物噬菌体；模拟自然状态下甲型H1N1流感病毒模拟病毒气溶胶发生和测试方法。在高效排风过滤模块前端发生噬菌体Phi-X174气溶胶，用AGI-30采样器采集生物气溶胶本底浓度，测试流量12.5 L/min；在排风口处用Andersen6级采样器采集排出的生物气溶胶样本，测试流量28.3 L/min，采样时间均为10 min。用双层琼脂平板培养计数法测量采样后的噬菌斑数。试验情况如图16所示。试验结果对微生物气溶胶的过滤效率达到99.999%。

6 高频热合成型工艺研究

针对多腔室支撑气柱复杂成型结构，进行立体高频热合试验。参考QB/T 2358—1998《塑料薄膜包装袋热合强度试验方法》，并根据材料在帐篷中的实际使用状态，将标准中材料一边重叠热合改为中间交叉重叠热合，优化不同材料、篷体不同叠层、不同热合形状条件下高频热合功率、时间和道数等工艺参数；根据成型结构需要，设计多种异形热合刀具，并掌握不同形状热合刀具成型工艺特性。

7 结语

本文研发的负压隔离处置帐篷，从传染病现场应急防控勤务需求出发，兼顾作业功能和使用特点，运用多体动力学与有限元相结合方法，仿真计算不同工况条件下力学参数，系统设计操作性好、支撑结构稳定可靠。破解过滤材料种类、配比、折叠结构、结构形式、过滤级数等关键技术，实现了低气阻条件下高过滤效率，对0.3 μm微粒气溶胶（如噬菌体Phi-X174气溶胶）的防护效率不小于99.99%，在15min内可建立15 Pa负压差，换气量达到350 m3/h。基于帐篷内多场耦合微环境人体生理学测量结果，设计出基于可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）的智能控制系统，实现了帐篷内微环境负压差、温度和湿度等参数调控、监测及显示，确保了系统安全性。通过掌握多腔室支撑气柱复杂成型工艺，为产业化发展奠定了技术基础。目前，该型负压隔离处置帐篷已随我国医疗卫生机构抵达西非埃博拉疫区应用，取得很好的效果。

图14 MC33035典型风机控制电路（虚线框内为MC33035内部电路）

图15 控制电路示意图

图16 高效排风过滤模块安全防护性能试验

[1]Centers for Disease Control and Prevention.2014 Ebola Outbreak in West Africa[EB/OL].[2014-02-17].http：//www.cdc.gov/vhf/ebola/ outbreaks/guinea/index.html.

[2]李昱，任翔，刘翟，等.埃博拉病毒病：流行病学、生态学、诊断、治疗及控制[J].科技导报，2014，32（24）：15-24.

[3]WHO.WHO Statement on the Meeting of the International Health Regulations Emergency Committee Regarding the 2014 Ebola Out-

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）breakin West Africa[EB/OL].[2014-08-10].http://www.who.int/mediacentre/news/statements/2014/ebola-20140808/en/.

[4]Huffingtonpost，Second American In Liberia Tests Positive For Ebola Virus[EB/OL].（2014-07-27）[2014-08-10].http://www.huffingtonpost.com/2014/07/27/ebola-american_n_5625508.html.

[5]ABC News，American Doctor in Liberia Tests Positive for Ebola Virus [EB/OL].（2014-07-27）[2014-08-05].http://abcnews.go.com/GMA/ video.

[6]薛澜，张强.SARS事件与中国危机管理体系建设[J].清华大学学报：哲学社会科学版，2003，18（4）：1-6，18.

[7]朱闻斐，高荣保，王大燕，等.H7亚型禽流感病毒概述[J].病毒学报，2013（3）：245-249.

[8]拜廷阳，闫若潜，吴志明，等.猪链球菌病研究进展[J].动物医学进展，2007，28（9）：83-87.

[9]林磊，童贻刚，祝庆余.新甲型H1N1流感病毒及疫情分析[J].军事医学科学院院刊，2009（3）：201-204.

[10]Bakanidze L，Imnadze P，Perkins D.Biosafety and biosecurity as essential pillars of international health security and cross-cutting elements of biological nonproliferation[J].BMC Public Health，2010，10（suppl 1）：S12.

[11]杨冬梅，祁建城.烈性呼吸道传染病防护装备链及其应用[J].中国个体防护装备，2008（2）：37-40.

[12]刘长军，田丰，孙秋明，等.生化集体防护隔离与转运帐篷的应用现状研究[J].医疗卫生装备，2010，31（7）：33-35.

[13]伍瑞昌，王政，初泽坤，等.帐篷式野战医疗系统研制[J].医疗卫生装备，2006，27（8）：18-20.

[14]NFPA 1994-2001.Standard on protective ensembles for chemical/ biological terrorism incidents[S].

[15]MIL-HDBK-7531971-8-31.CB collective protection of mobile vehicles，vans and shelters[S].

[16]ETL 1110-3-498.Design of collective protection shelters to resist chemical，biological，and radiological(CBR)agents[S].

[17]Philippe Boye.Material for manufacturing protective equipment against nuclear，biological and chemical attacks：USA，US00516214 8A[P].1992-11-10.

（收稿：2014-11-17）

Design and development of new tent system for emergency response to infectious diseases

TIAN Feng,HU Ming-xi,SUN Qiu-ming,LI Fan,YANG Jian,LIU Chang-jun,LIU Sheng-jun,GAO Wan-yu
（Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China）

To develop a new tent system for holding,observation,treatment and rapid detection of infectious disease patients.Numerical simulation and finite element simulation analysis were used to design two-layer framework,with multi-cavity air column supporting closed structure.High-efficiency filtration under low air resistance was realized by optimizing the category,proportioning,folding structure and filtering grade of the filtration materials. Intelligent regulation,monitoring and displaying in the tent microenvironment were implemented with PLC.The tent system had the filtration efficiency more than 99.99%against bio-aerosol,air column endurance of 24 h and negative pressure between 15 and 30 Pa,which took 10 min for deployment,10 min to form negative pressure and 3 min to reconstruct differential pressure in the buffer room.The tent system is gifted with high-efficiency blowing filtration,stable negative pressure difference,rapid deployment and high environment adaptability for infectious disease prevention and control.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（12）：87-92，154]

negative pressure isolation;infectious disease;emergency disposal;tent;Ebola virus

R318；R181.9

A

1003-8868（2014）12-0087-07

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.087

国家 “十二五” 科研计划重大专项（2012ZX10004801-3）

田 丰（1964—），男，博士，研究员，博士生导师，主要从事现场急救器材、卫生装备与包装工程方面的研究工作，E-mail：tianfeng62037@163.com。

300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（田 丰，胡名玺，孙秋明，李 钒，杨 健，刘长军，刘圣军，高万玉）