便携式防传染医用负压隔离舱的设计

引言

负压隔离舱是一种用于与外界环境隔离的装置[1-2]，在传染病盛行的时候，它能有效地使病员与外界隔离[3-4]，避免交叉感染，用于传染病员的隔离后运送，对通过传染的病员或疑似病员的转移救护起到临时隔离的作用，防止病原体进一步扩散，对随行的医护人员和周围环境提供有效保护。目前国内市场上的负压隔离舱主要有北京克力爱尔生物实验室工程有限公司生产的ST-120生物安全型负压隔离担架、天津军事医学科学院生产的S-2014负压隔离转运舱、美国进口的FERNO、法国进口的IMMU-CHAMBER等，其共同特点为舱体采用拱形塑料支架作为支撑、纵向采用插接式铝合金杆为连接，其过滤效率均能达到99.97%（盐雾法0.3 μm）以上，具备压力显示与报警功能，但有的负压隔离转运装置体积庞大，不可折叠，重量达几十公斤，在运输与转运中给医护人员带来不便[5-7]；国内研发的负压隔离舱主要特点式舱体支撑形式采用气囊式[8-9]。本项目研发的负压隔离舱空气过滤净化效率高，设有压力电力报警装置；采用人性化设计，整体通透，没有压抑感；舱体耐腐蚀、抗压，韧性好，组装和拆卸都非常方便，便于携带。

2 设计材料与方法

2.1 设计思路总括

负压转运舱的工作原理为：由洁净单元建立并维持密闭腔体内负压环境，腔内的污染空气不经净化不能溢出，从而对医护人员起到有效的防护作用；外界新鲜空气经净化可实时补充到腔内，维持腔内合理的新鲜空气，舱内空气从进气口到排气口，形成定向的空气流。另外，在操作口通过医用PVC手套，医护人员可以对病员进行简单护理。其技术路线图，见图1。

2.2 智能控制系统的设计

设计基于单片机的智能控制系统，由内置单片机控制风机转速，内部压力由压力传感器采集[10]，当内部压力高于-15 Pa，由单片机控制风机自动调节转速，并控制LED灯和蜂鸣器进行声光报警；集成操作面板上有电量显示及报警、舱内压力显示及报警等功能，且具备防水和耐腐蚀的能力。

舱体内部气流的分布对于负压隔离舱的安全性能有着重要的影响[11]。如何使舱内空气的流动合理分布，以达到良好的流动和分散效果，对舱内传染性病菌的安全隔离十分重要。设计中运用Fluent软件，结合风机特性曲线，综合利用多相流模型湍流模型对舱体内气流流场进行测试。根据负压隔离舱的实际运行情况，将负压生成系统处的气流出口平面设为舱体气流出口，其压力由风机曲线给出。将底侧的高效过滤器开口高度与模拟传染病员口部附近一致高度，并将其设为气流入口，传染病员多有打喷嚏的症状，模拟病员口部气流速度约为2 m/s，运用基于多相流模型湍流模型进行模拟测试，显示舱内气流流动和分散效果良好，无气流短路现象。负压隔离舱的气流模式图，见图2。

2.3 负压隔离设计

负压隔离舱主要由可折叠的舱体和洁净单元组成。舱体采用可折叠、高透明度的TPU膜材料组成相对密闭的空间，洁净单元由高效过滤器[12-14]、压差监测、直流风机[15-16]等组成。具体见图3。

图中负压生成系统是为整个仪器产生负压的装置，当按下开关按钮后负压生成系统里的风机开始工作往外抽气，气体通过连接的两个高效过滤器净化排出，同时在另一侧空气经过高效过滤器净化进入舱体内部为里面的人员提供所需氧气，在刚启动工作的时候风机抽出的气体量大于从另一侧进入的气体量，从而舱内形成负压；待稳定后排出和进入的气体量相等，舱内负压此时稳定，舱内负压为定值；把手套套在操作口上，打开操作口拉链，在隔离舱正常运行的情况下通过手套可对里面的病员进行一些操作护理；通过附加孔，医护人员可对里面的病员进行输氧、输液等应急操作。

3 结果

该负压隔离舱产品的设计，从舱体设计、支撑结构、负压系统以及过滤器的选择上做了充分研究，整个舱体采用TPU膜热合而成，舱体密闭不透气，机械强度高，整体通透，病人无压抑感；在支撑结构的选择上，使用ABS材料制成的弧形支撑，同时对支撑的边角倒钝，减少对人体的伤害；负压生成系统整体外壳采用ABS材质，综合集成出风口的高效过滤器、直流风机、控制单元、锂电池及负压测试仪等零部件，且具备防水及耐腐蚀的能力，可实现舱内压力实时监测、电池电量显示等功能；最后高效过滤器外壳也采用ABS材质，内部滤芯摆放成45°夹角，不仅实现了高过滤效率并保证了低气流压降的效果，对0.3 μm的微粒气溶胶过滤效率也不低于99.99%，可有效防止传染性病菌的外溢。

整机测试结果显示，负压舱内压力稳定在-15 Pa的微负压，专用高效过滤器的高效过滤效率为99.99%，采用了超静音通风系统，噪声测试低于72 db，负压隔离舱的换气量不小于75 L/min，可以采用交流市电或UPS两种电源充电方式，电池可连续使用不少于6 h，隔离舱上配备担架结构，可与市场上任意类型担架配套使用，不需要专门为此配置担架，并配备两个负压舱体（一用一备），整体重量不大于20 kg，方便携带。在隔离舱一侧配备两对密闭操作手孔，一个充气口，一个中效过滤进气口，一个输液管道口，两套患者安全扣，两套担架固定扣。其控制系统的显示面板，见图4。

4 讨论和展望

通过分析研究市场上的产品，发现现在市场上的负压隔离舱主要存在以下几个问题：① 舱体的强度不够，舱体易损坏；② 设计繁琐，输气管较长，使用不方便；③ 电池的容量较小，使用时间较短；④ 使用金属做支撑，易对人体造成伤害；⑤ 换气量较小；⑥ 噪音较大；⑦ 无声光报警，易发生危险。在本转运舱的设计中我们创新的选用了TPU膜材料，通过热合封装而成，强度大而且耐撕裂，可适应多种环境，而支撑材料采用ABS材质制成，强度够且一旦发生折断对医护人员和患者危害也不大，避免出现二次损伤。

该产品能够从根源上保护随行医务人员免受病毒的伤害，而且从通透性的舱体外面便可直观的发现内部病员的状态，由专用的报警显示功能可监控内部压力变化和电源电量情况，同时可以进行折叠，便于储存，可配备给传染病医院和急救中心，具有较强的社会和经济效益。但目前的研究仅模拟了在地面常压状态下的情况，采用急救车进行转运。目前国内尚无空中转运的先例，所以对适用于空中转运的负压隔离舱的安全性能研究将是该类转运舱研究的一个方向。

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