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折叠式传染病员负压隔离转运舱研究

2014-03-18胡名玺孙秋明刘圣军高万玉

医疗卫生装备 2014年12期
关键词:舱体排风气溶胶

胡名玺,孙秋明,刘圣军,田 丰,杨 健,高万玉

折叠式传染病员负压隔离转运舱研究

胡名玺,孙秋明,刘圣军,田 丰,杨 健,高万玉

目的:研发折叠式负压隔离转运舱,满足新发突发传染病现场应急防控病员转运与处置需求。方法:基于负压隔离原理,模拟仿真不同工况下舱体受力情况,设计可快速安装的相对密闭舱体;综合集成风机、高效空气过滤器、压差传感器、数据采集与控制元件,设计高效排风过滤模块;采用压差补偿技术,避免在机载颠簸工况下对舱内压差波动,维持稳定的定向气流;通过环境生理学测量方法,分析负压隔离转运舱工作时对受试者生理指标影响。结果:折叠式传染病员负压隔离转运舱对0.3 μm生物气溶胶的过滤效率大于99.99%,在2 min内建立不小于15 Pa的负压差,实现舱内压差、电量实时监控,人体工效学试验表明对受试者生理指标无影响。结论:折叠式负压隔离转运舱过滤效率高,负压差建立稳定可靠,舱体作业展收快捷方便,满足传染病员转运需求。

负压;可折叠;隔离后送;传染病员;埃博拉病毒

0 引言

2014年2月,西非爆发了有史以来最严重的埃博拉疫情。中国政府高度关心在疫区工作和生活的专家、公民的健康,国家有关部门于2014年8月部署了做好埃博拉出血热患者转运准备重大任务。本课题组自我国2003年“非典”疫情起长期从事高传染性病员转运关键技术及装置研究工作,此次又承担并开展了埃博拉病员转运装置和生物安全装备研发,研制出折叠式传染病员负压隔离转运舱,可满足传染病现场应急防控环境下病员转运需求。

1 国内外同类装备对比

1.1 国外现状

进入21世纪以来,全球相继暴发了SARS、禽流感、甲型流感H1N1、西非埃博拉出血热等疫情,美国、日本、以色列等国高度重视并相继开展了生物防护隔离与转运装备研发。目前的代表产品主要有美国运送高危险性传染病员的负压隔离后送舱、日本ISOTECH公司TI-2N负压隔离转运舱、以色列Isolation Tents Negative Pressure与 IsoARK N 36-1 ISOLATION CHAMBER等。这类负压隔离后送产品对负压标准没有统一的要求,主要分布在-5~-50 Pa范围内。其舱内负压差是通过高效空气过滤通风系统保持,每1 h进行5次以上的洁净空气交换;舱体材料主要以聚氯乙烯透明膜为主,部分产品采用防水涂层织物,还有部分产品采用硬质舱体材料如聚甲基丙烯酸甲酯(俗称“有机玻璃”);过滤装置均采用高效空气过滤器(HEPA),对0.3 μm的微粒气溶胶过滤效率为99.97%[1-2]。

1.2 国内现状

台湾原始码科技股份有限公司生产有一款轻便型负压隔离防疫装置,该装置由充气式负压隔离袋和负压动力系统两大部分组成。充气式负压隔离袋尺寸210 cm×60 cm×60 cm,采用气肋支撑(头尾部具有双重支撑),可承受30 Pa压差不变形;袋体底部防滑耐磨,采用防水水密拉链,确保密封良好;预留有呼吸管和输液管进口,附有手套,便于操作。

2003年,军事医学科学院卫生装备研究所研发了大陆首款传染病员负压隔离装置,为成功转运“非典”病员发挥了重要作用。该型负压隔离装置风机转速靠手动调节,舱体采用不锈钢支架式结构,由于舱体不可折叠,其贮运体积较大。2011年,课题组研制成功充气式负压隔离转运舱,有效解决了贮运空间难题,但存在充气支撑妨碍医生观察视野和破损隐患。此外,负压隔离转运舱在制造工艺水平方面与国外产品相比还存在明显差距[3-4]。

本课题组针对传染病现场应急防控环境,旨在解决安全性、可靠性、易展收操作性和携行储存等方面瓶颈问题,创新设计研发折叠式负压隔离转运舱。在以下几个关键技术上有所突破:(1)基于有限元技术,采用数值模拟方法,分析计算不同压差时舱体的受力状态,合理布置舱体支撑点,研究可折叠、耐压差、易洗消的密闭舱室整体结构设计;(2)设计与研究由高效空气过滤器、低噪高效离心式风机、压差显示与控制电路等构成的易洗消防水高效排风过滤集成结构;(3)对舱体密闭环境的空气动力学进行仿真分析,优化进风、出风口的位置与尺寸。

2 舱体结构设计

2.1 工作原理

传染病员负压隔离转运舱主要用于传染病员的安全隔离后送,切断在后送过程中病原体的传播途径,防止疫情进一步扩散,使外界环境免受污染,降低健康公众的感染几率。该转运舱主要由可开启的密闭式舱体、高效排风过滤装置组成(如图1所示),新鲜空气经进气口过滤器补充到舱内,病员呼出的污染空气经过滤后由高效排风过滤装置排出,舱内空气从进气口到排气口,形成微环境空气定向流。

2.2 结构形式

该产品主要由可折叠舱体、高效排风过滤装置组成。舱体采用可折叠与快速组装的铝合金支架、高透明度的聚氨酯膜材料组成相对密闭的空间,高效排风过滤装置由超高效过滤器、压差监测、直流风机等组成。具体结构如图2所示。

2.3 数值模拟分析

通过有限元分析模拟舱体在使用过程中的受力情况,根据分析和计算结果进行舱体支撑结构设计,以满足其在负压环境条件下的强度、刚度、稳定性要求。同时,根据人机工程学原则,合理安排操作手孔的位置,提高操作便捷性。

模拟工况:舱内压差值在-20、-30、-40 Pa时,计算舱体各部分的受力情况、舱体变形情况,进而设计支撑杆的数量与支撑点的位置。在4根支撑杆(底部2根、距离底部300 mm位置)时,舱内压差-20 Pa时最大变形为7.9mm,等效应力2MPa;舱内压差-40 Pa时最大变形为11mm,等效应力3.8MPa。考虑到聚氨酯材料的特性,该支撑的结构形式能满足要求。

图1 负压隔离转运舱工作原理图

图2 负压隔离转运舱结构图

3 舱体内部微环境空气动力学仿真

舱体内部气流流场及污染物流场分布对于负压舱的安全性能有着重要的影响。研究如何合理地组织舱体内空气的流动,避免气流短路现象,以达到良好的流动及分散效果十分重要。运用Fluent软件,以风机特性曲线作为初始条件,采用基于VOF(多相流模型)湍流模型对舱体内气流流场进行数值模拟[5]。根据负压舱的实际运行情况,将控制盒的2个气流出口平面设为风机出口,其压力跳跃响应由风机曲线给出。下面以舱内压差-25 Pa为例进行计算:将进气口平面设为压力入口,其静压与外界大气压相同。在病员口部附近设计一平面,模拟传染病员呼出的污染气体,其速度设计为人在打喷嚏时的速度,约为2 m/s,介质为Ⅱ,其余舱体内有限体积元介质设置为空气,采用基于VOF(多相流模型)湍流模型进行[6]。

4 高效排风过滤装置设计与集成

在不同通气量条件下,研究不同过滤效率的玻璃纤维,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气阻;探索活性炭纤维、丙纶非织造布等不同材质对过滤效率的影响,确定高效生物气溶胶过滤器的最佳使用材质或材质组合。研究发现,多级高效空气过滤模式较佳。当滤材折叠脊呈放射状态,两级滤纸叠脊的夹角呈45°布置时,可减少针孔效应几率,同时实现高过滤效率与低气流压降效果,提高了生物气溶胶防护安全系数。经检测,对0.3 μm微粒气溶胶的过滤效率达到99.99%。

根据病员对舱体内氧气含量的需求,舱体内与外界环境要求达到负压差、舱体进气口的大小等综合因素,确定舱体合理的排风量。根据舱体的排风量、高效生物气溶胶过滤器在设计要求的过滤效率下的气阻,综合集成高效生物气溶胶过滤器、直流风机、控制器、锂电池、负压测试仪等零部件,且具备防水及耐标准消毒剂腐蚀的能力,实现压差实时监测、低电压报警等功能。并采用空气流体力学设计风道截面与走向,结合隔振吸音材料的应用,有效降低系统噪声等级。如图3所示。

图3 高效排风过滤装置三维模型示意图

5 控制系统设计

设计基于单片机的智能控制系统电路,集成操作面板、风机转速调节控制、电量显示及报警、舱内压力显示及报警等功能,且具备防水及耐标准消毒剂腐蚀的能力。以单片机C8051F330为核心构建智能控制系统。操作面板接收按键信息传递给单片机,单片机可输出PWM波到MC33035控制风机转速;压力表的压力传感器信号经过放大、滤波后传给单片机,由单片机内置ADC进行转换、采集;另外设计电量采集电路,由单片机内置ADC采集电源电量信息;舱内压力、电源电量通过单片机处理,以LED灯显示[7],并控制LED灯和蜂鸣器进行压力、电量声光报警。当压力小于15 Pa,电池输出电压低于10 V时,进行声光报警;供电电源可采用自带内置直流12 V电池,也可采用外接电源,外接电源可以是车载电源(直流12 V)或者市电交流220 V。系统的结构参见本期田丰文章图13。

研发直流风机与控制电路。该风机为12 V直流无刷电动机,转速8 000 r/min。风机控制芯片为直流无刷电动机控制器MC33035,基于该芯片的典型控制电路参见本期田丰文章中的图15。

6 人体工效学试验研究

采用环境生理学测量方法,对负压转运舱进行人体工效学试验,旨在通过分析试验过程中,舱体内环境指标和受试者生理指标的变化,为负压转运舱适体性能的系统设计提供科学的依据。

分别在-15、-20和-30 Pa舱体内负压差环境条件下,每位受试者平躺于负压隔离舱内60 min。在受试者进入负压舱0、10、20、30、40、50和60 min时,同步测试受试者生理指标和舱体内环境指标。其中,生理指标包含血氧饱和度、口温、心率、主观体力感觉等级(RPE)、疲劳症状问卷、负压转运舱对受试者听力影响问卷等。环境指标包括氧气含量、二氧化碳气含量、气温、湿度、气压、噪声等。结果如图4~6所示,表明在试验条件下,舱体内环境对受试者人体生理指标无影响。

图4 不同负压不同时间舱内二氧化碳含量变化(男性)

图5 不同负压不同时间舱内温度变化(男性)

图6 不同负压不同时间舱内人员血氧饱和度的变化(女性)

7 装备生物安全防护性能试验

通过对不同噬菌体(f2、SM701、SM702和PhiX-174)耐雾化性能、气溶胶颗粒特性、对抗外环境压力等比较实验研究,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。

在舱体内发生噬菌体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Andersen 6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7所示。结果显示对微生物气溶胶的过滤效率大于99.999%。

图7 负压隔离装置生物安全防护性能试验

8 结语

本文设计研发的负压转运装置可折叠,质量轻,便于贮存与运输;舱体为一体式成型结构,无消毒“死角”;高效微生物过滤器、直流风机、控制器、锂电池、负压测试仪等零部件的集成结构,具备防水及耐标准消毒剂腐蚀的能力,可实现压差实时监测,低电压报警等功能,达到了国际领先水平。通过对舱体内部气流流场及污染空气的流场分布进行模拟,研究最优的进气口、出气口等参数对舱体内空气流动的影响,达到了良好的流动及分散效果。人体工效学试验分析不同负压条件下舱体内氧气浓度、二氧化碳浓度、气温、湿度的变化对受试者的心率、血压、血氧饱和度等生理指标无明显影响。

该装置能够满足疫情环境条件下对传染病员进行隔离后送,避免传染病原体的扩散,降低随行医护人员的感染几率,且折叠体积小,便于贮运;可配备给承担相关任务的医疗机构、传染病医院和急救中心,具有较强的军事、社会和经济效益。该产品目前已经配发并同时应用到西非塞拉利昂、马里等国家,抗击埃博拉出血热疫情。

[1]防化研究院信息研究中心.美军联合军种化学与生物防御计划概要(2008-2009版)[M].北京:军事谊文出版社,2008.

[2]高树田,张晓峰,王运斗.国外核化生医学防护装备现状与发展[J].医疗卫生装备,2011,32(1):67-68.

[3]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.

[4]胡名玺,田丰,刘圣军,等.可折叠传染病患者负压隔离后送装备发展及展望[J].医疗卫生装备,2012,33(10):73-75.

[5] 李范春.ANSYS Workbench设计建模与虚拟仿真[M].北京:电子工业出版社,2011.

[6]高耀乐.ANSYS机械工程应用精化60例[M].北京:电子工业出版社,2012.

[7]Centers for Disease Control and Prevention.Epidemic Intelligence Service(EIS)[EB/OL].[2014-11-10].http://www.cdc.gov/eis/index. html.

(收稿:2014-11-20)

Study on folding negative-pressure isolation transport capsule for infectious disease patients

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

To develop folding negative-pressure isolation transport capsule for the evacuation and treatment of infectious disease patients.An airtight framework which could be assembled rapidly was designed with using negative-pressure isolation principle and simulating the stresses on the framework under different conditions.The capsule had its blowing filtration module made from the integrated blower,high-efficiency air filtrator,differential pressure sensor as well as the component for data acquisition and control.Differential pressure compensation was involved to eliminate the pressure fluctuation in the capsule in case of bumping.Environmental physiology methods were used to analyze the physiological status of the patient during evacuation.The capsule had the filtration efficiency more than 99.99% against 0.3 μm biological aerosol particles,and took less than 2 min to form negative pressure difference not less than 15 Pa. Real-time monitoring was realized for the pressure difference and electric quantity in the capsule.Ergonomics experiments showed that the physiological indexes of the examinee were not influenced significantly.The capsule behaves well in filtration,developing negative pressure difference and deployment,and thus can be used for the evacuation and treatment of infectious disease patients.[Chinese Medical Equipment Journal,2014,35(12):97-100]

negative pressure;folding;isolated evacuation;infectious patient;Ebola virus

R318;R181.9

A

1003-8868(2014)12-0097-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.097

国家科技部埃博拉疫情防控应急专项课题

胡名玺(1978—),男,助理研究员,主要从事野战急救器材方面的研究工作,E-mail:humax@ 126.com。

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

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