呼出盒干燥系统的设计与制作

于健伟，李 洋，崔志刚，杨春花，郭 丹

（江苏省人民医院临床医学工程处，南京 210029）

0 引言

新型冠状病毒肺炎疫情爆发后，机械通气作为新型冠状病毒肺炎危重症患者重要的生命支持手段，各医疗机构对呼吸机的需求快速增加。呼吸机及其相关配件在使用中易出现携带病原体的飞沫或气溶胶扩散，是一种高风险的院感传播途径。机械通气的患者因为呼吸回路中的微生物引发呼吸机相关性肺炎是临床经常遇到的问题。

MAQUET 是全球最大的手术室、ICU 医疗工程和设备供应商之一，其Servo 系列呼吸机广泛应用于现代化医院中。Servo 系列呼吸机的一大特征就是其呼出盒的设计。患者呼出的气体经过呼出盒排出，所以呼出盒中经常会有患者呼出物的残留，对设备进行预防性维护时应注意清洁呼出盒，避免设备故障[1-2]。为防止院感，减少呼吸机管路中病原体引发的呼吸机相关性肺炎，在同一台机器用于不同患者时，除了对呼吸机外部回路（呼吸管路、连接管、湿化器、集水杯、雾化器等）进行更换或消毒，还要对呼出盒进行清洗消毒[3-4]。通过查阅呼出盒使用说明及结构图，发现呼出盒内部有电路板、超声传感器等精密部件，常规的高温高压冲洗消毒并不适用，所以推荐的清洗消毒方法是将呼出盒完全浸没在消毒液中[5-6]。采用这种方式消毒后呼出盒中有液体残留，需要进行24 h以上的晾干，大大影响了呼出盒的使用效率[7]。为满足使用要求，临床往往会为每台呼吸机配备2 个及以上数量的呼出盒，加大了购置设备的成本，增加了管理难度。因此，本文设计一种呼吸机呼出盒快速干燥系统，并制作出模型机，经过验证其效果良好。

1 系统设计

1.1 设计思路

目前，很多医院对清洗消毒后的呼吸盒采用自然晾干的干燥方式，该方式干燥时间太长，降低了呼出盒的使用率。有医院提出由消毒供应中心统一清洗、烘干，该方式相对于自然晾干的方法缩短了干燥的时间，但过高的清洗水压和过高的干燥温度都会对呼出盒造成损伤，清洗后的呼出盒仅有不到60%的测试通过率[6]。为缩短干燥时间，同时避免呼出盒受损，本文设计一种利用空气吹干的呼出盒干燥系统。

1.2 结构设计

呼出盒干燥系统主要包括减压阀、流量阀、空气加热器、温湿度传感器、蜂鸣器5 个功能部件，系统结构如图1 所示。在空气进入呼出盒之前，先通过减压阀和流量阀调节气压和流量，以免损伤呼出盒；调节后的空气通过空气加热器，以提高空气温度，加速干燥过程；为了检测通入空气的温度以及干燥的进程，在呼出盒的出气端接入温湿度传感器，检测气体的温湿度；当出气端气体相对湿度低于15%时，视为干燥完成，蜂鸣器鸣叫，提示干燥完成。

图1 呼出盒干燥系统结构图

2 电路设计

2.1 主控芯片选择

本干燥系统拟选择STC89C52 作为主控芯片。STC89C52 是一种带8 KiB 可编程Flash 存储器的低功耗、高性能的CMOS 8 bit 微处理器，兼容标准MCS-51 指令系统，内置通用8 bit 中央处理器和闪存，可为嵌入式控制系统提供灵活、有效的解决方案。同时拥有32 个双向输入/输出（input/output，I/O）接口、3 个16 bit 可编程定时/计数器中断、2 个串行中断，保障后续系统有升级的空间。主控芯片最小系统原理图如图2 所示。

图2 主控芯片最小系统原理图

2.2 空气加热器电路

空气加热器拟选择5 V、5 W 的氧化铝高温陶瓷加热片，该加热片最高温度可达60 ℃，具有体积小、加热快、安全无明火、使用寿命长、使用方法简单等特点。加热片使用LM317 稳压芯片驱动，空气加热器电路原理图如图3 所示。

图3 空气加热器电路原理图

2.3 温湿度监测电路

采用AM2302 温湿度传感器，该传感器内部使用负温度系数热敏电阻作为测温元件测量温度，使用电容式感湿元件测量相对湿度。温度测量范围为-40～80 ℃，测量分辨力达0.1 ℃；相对湿度测量误差为±2%。该传感器采用单总线进行数据的回传，具有功耗低、抗干扰能力强等特点。

2.4 蜂鸣器电路

采用无源蜂鸣器，使用9013 三极管（NPN 型）驱动蜂鸣器，主控芯片通过I/O 接口输出脉冲宽度调制波（pulse width modulation wave，PWM）控制蜂鸣器的启动。蜂鸣器电路原理图如图4 所示。

图4 蜂鸣器电路原理图

3 模型搭建

在系统设计完成后，搭建简单模型验证其可行性。因我院采用集中供气，供气压力可调，所以在搭建模型时省略减压阀。流量阀采用医院现有浮标式氧气吸入器中拆下的流量计和流量阀；气体加热装置选用温度可控的陶瓷加热片；温湿度传感器用电子温湿度计代替。

因为各功能部件之间接口不统一，所以在搭建模型时还需要选择或制作各功能部件之间的连接部件。对于无法直接获取的连接部件，使用SolidWorks三维实体模型设计软件设计所需要的连接部件模型，并用3D 打印机制作连接部件[8]。

3.1 搭建方法

3.1.1 流量阀与空气加热器的连接

流量阀的出气端为M16-1.5RH 螺纹接口，所以连接部件一端采用相应的螺纹接口。空气加热器采用10 mm×15 mm 的陶瓷加热片，为了使加热片接入通气管路，需要设计制作一个固定陶瓷加热片的外壳。因此将加热器外壳两端作为接口，使外壳兼具连接部件的功能。根据需求绘制加热器外壳的三维模型图，如图5（a）所示。

3.1.2 空气加热器与呼出盒的连接

正常使用呼出盒时进气端与患者呼吸回路连接，患者呼吸回路多采用硅胶螺纹管或一次性螺纹管，为方便干燥系统的搭建与使用，选用硅胶螺纹软管作为连接管路，螺纹软管如图5（b）所示。螺纹软管两端为内径22 mm 的弹性硅胶，所以空气加热器的热空气出气端采用外径22 mm 的圆形接口，与螺纹软管直接连接。

3.1.3 呼出盒气路空腔与电路空腔的连通

通过拆解呼出盒可以发现，呼出盒内有2 个空腔，分别是气路空腔和电路空腔。除温度传感器和流量传感器从电路空腔探入气路空腔外，2 个空腔相对独立[9]。如果仅从呼出盒进气口处通入空气，只能将气路空腔吹干，电路空腔内仍有积水。为了同时吹干电路空腔内的积水，需要设计制作一个连接弯头用于连接气路的出气端和电路空腔。根据需求绘制连接弯头模型图，如图5（c）所示，连接弯头整体呈3/4 的“回”字型，其中进气端为内径30 mm 的圆型口，与呼出盒的出气端相连；“U”型接口出气端的2个出气口通过呼出盒底部的2 个矩形通孔与电路空腔连通；电子温湿度计安装于连接弯头内。因为连接弯头形状特殊、结构复杂，为了方便拆装，将连接弯头拆分为3 段，每一段均呈“L”型。

图5 连接部件模型图

3.2 验证结果

本干燥系统可以在2 h 内将呼出盒内吹出的空气的相对湿度降低至15%以下（即完成干燥），且完成干燥后的呼出盒装机自检无损坏，均能通过检测。测试结果表明本干燥系统完全可以完成呼出盒的干燥。

4 使用方法

开始干燥前先轻轻甩出清洗消毒完成后的呼出盒内的大部分积水，再按图6 所示连接压力阀、流量阀、空气加热器、螺纹软管、呼出盒和连接弯头，连接好的实物图如图7 所示。使用时先将压力阀和流量阀关闭，连接气源后，再打开压力阀和流量阀并调节至合适的压力和流量，待相对湿度降低至15%以下，表示干燥完成。关闭压力阀和流量阀后即可取下呼出盒。

图6 呼出盒干燥系统安装示意图

图7 呼出盒干燥系统实物图

5 应用效果

选取我院在用的部分呼出盒进行干燥效率测试，通过比较传统晾干法和本干燥系统的吹干法2种方式完成干燥所需要的时间，验证本干燥系统的应用效果。

（1）传统晾干法：选取13 个呼出盒，在清洗消毒后分别将进气端和出气端朝向操作人员，轻甩3～5下，确保呼出盒内无明显余水滴落后，再将呼出盒进气端朝上，倾斜45°放置在室内晾干。室内环境条件为温度22 ℃，相对湿度47%。每12 h 检查所有呼出盒，将内壁无明显水滴的呼出盒上机自检，自检不通过继续晾干，自检通过的认为干燥完成，记录干燥完成的呼出盒数量。统计结果见表1。通过统计发现使用晾干法的呼出盒大部分干燥完成时间超过48 h，24 h 内没有呼出盒能完成干燥。

表1 晾干法干燥效率统计单位：个

（2）使用本干燥系统：对13 个呼出盒进行相同的清洗消毒、甩干操作后，在同样的室内环境下，使用本干燥系统进行吹干，0.5 h 后每15 min 观察一次温湿度，将相对湿度低于15%的呼出盒上机自检，自检不通过的继续吹干，自检通过的认为干燥完成，并记录干燥完成的呼出盒数量。统计结果见表2。通过统计发现多数呼出盒在1 h 内就可以完成干燥，全部呼出盒在2 h 内完成干燥，干燥效率相对传统晾干法有显著提升。

表2 呼出盒干燥系统干燥效率统计单位：个

6 呼出盒干燥系统优缺点

本干燥系统具有以下优点：（1）可以无损地快速吹干清洗消毒过的呼出盒，提高呼出盒和呼吸机的使用率；（2）可以根据不同的气源自主调节进气压力和流量，保证干燥过程中不会损坏呼出盒；（3）可以加热进气的温度，提高干燥效率；（4）末端采用温湿度传感器监测出气湿度来判断呼出盒内部的干燥情况，可以保障干燥的效果；（5）结构相对简单、使用便捷、成本低，若出现材料部件的损耗，修复简单。

因为本干燥系统仅根据设计初步实现了功能，所以仍存在以下不足：（1）没有进行整体外壳设计，使用前需按要求组装；（2）需要科室自备空气气源；（3）自动化程度不够，未设计干燥完成时自动关闭气源的功能。

7 结语

呼吸机是重要的生命支持类设备，在危重患者的抢救和治疗过程中发挥着重要的作用。Servo 系列呼吸机监测参数准确、直观，操作简单，性能稳定，是国内各大医院较为常用的呼吸机机型。为了解决呼出盒消毒的问题，医院往往会多配置一些呼出盒轮换使用，这样的做法加大了医院的设备成本和管理难度。而本干燥系统气压、气流、温度均可调节，不会损坏呼出盒，以湿度作为干燥完成的标准，保障了干燥后的测试通过率，而且结构简单、成本低，可以为医院减少不必要的设备支出和人力支出。目前，我院已经有3 个科室在用本干燥系统，使用效果很好，得到科室好评。本设计兼具创新性与实用性，具有非常好的应用前景。