负压隔离救治装备的研究进展与发展趋势.pdf
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1、窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024负压隔离救治装备的研究进展与发展趋势王心淼1,2,吴金辉1,2*,张宗兴1,2,房艳华1,2,衣颖1,2,邓橙1,2(1.军事科学院系统工程研究院,天津300161;2.国家生物防护装备工程技术研究中心,天津300161)摘要介绍了负压隔离救治装备的主要组成与工作原理,综述了国内外负压隔离救治装备的种类和适用范围,总结了不同使用场景负压隔离救治装备的主要结构、技术参数及其特点,分析了负压隔离救治装备存在的问题,指
2、出了部件简单化、提高舒适性、智能化和多功能化等是负压隔离救治装备未来的发展趋势。关键词负压;隔离救治装备;生物安全;呼吸道传染病中国图书资料分类号R318.6曰TH771.3文献标志码A文章编号1003-8868渊2024冤02-0097-08DOI院10.19745/j.1003-8868.2024037Research progress and development trends of negative pressure isolationtreatment equipmentWANG Xin-miao1,2,WU Jin-hui1,2*,ZHANG Zong-xing1,2,FANG
3、Yan-hua1,2,YI Ying1,2,DENG Cheng1,2(1.Systems Engineering Institute,AMS,PLA,Tianjin 300161,China;2.National Bio-Protection Engineering Center,Tianjin300161,China)AbstractThe main components and working principle of the negative pressure isolation treatment equipment weredescribed,and the classificat
4、ion and application scopes of the negative pressure isolation treatment equipment from foreigncountries and China were reviewed.The structure,key technical parameters and characteristics of different types of negativepressure isolation treatment equipment were analyzed under different conditions.The
5、 problems of the negative pressureisolation treatment equipment were analyzed,and its pointed out it would be enhanced in component simplification,comfort,intelligence and multifunctionality.悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造袁2024袁45渊2冤院97-104Key wordsnegative pressure;isolation treatmentequipment;bi
6、osafety;respiratoryinfectious disease0引言近年来,生物安全问题已成为当今人类生存和发展的重大威胁。自20世纪70年代以来,全球传染病谱发生重大变化,全球新发传染病近40种,其中大部分为新病毒,如2003年暴发的重症急性呼吸综合征(severe acute respiratory syndromes,SARS)病毒、2014年爆发的西非埃博拉病毒以及2020年席卷全球的新型冠状病毒,具有致病力强、传播范围广、危害性大等特点,不仅危害人民健康,更关系到国家稳定1-3。在生物安全问题应对与处置过程中,多种个体生物防护装备和各类医疗救治用品应运而生4-6。其中,负
7、压隔离救治装备是一种重要的医疗救治用品,主要用于呼吸道传染病患者的隔离转运和现场救治,起到切断病原体的传播途径、降低医护人员的感染概率以及保护外界环境免受污染的重要作用7-9。本文对国内外负压隔离救治装备的种类和适用范围、主要结构及技术型式进行综述,结合当前存在的问题对负压隔离救治装备未来的发展趋势进行展望,对我国未来创新研发灵活多样、适用性强的负压隔离救治装备具有一定的借鉴意义。1负压隔离救治装备的主要组成与工作原理负压隔离救治装备一般由隔离屏障、负压生成与控制系统、高效空气过滤系统和监测系统组成10-11,部分装备需要搭配医用担架、病床、手术台、呼吸机等医疗设备使用。负压隔离救治装备的基本
8、工作原理如图1所示,通过负压生成系统中的送、排风控制,在物理隔离屏障内部的微环境中形成相对负压或定向流,促使空气只能由屏障外部流向屏障内部,从而有效防止感染患者呼吸、讲话、咳嗽或打喷嚏时产生的携带病原微生物的气溶胶泄漏到装备外部,在保证屏障内部患者能够得到充足新鲜空气的同时,保证患者产生的气溶胶经过高效空气过滤系统过滤后形成无污染的洁净空气排放到周围外部环基金项目院国家重点研发计划项目(2021YFC2600302)作者简介院王心淼(1989),女,博士,工程师,主要从事生物防护材料与技术方面的研究工作,E-mail:wang_。通信作者院吴金辉,E-mail:General Review综述
9、王心淼,吴金辉,张宗兴,等.负压隔离救治装备的研究进展与发展趋势J.医疗卫生装备,2024,45(2):97-104.97 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024境12。医护人员在装备外部能够隔着隔离屏障直接观察患者的生命体征或通过屏障的传递窗或手套窗直接接触到患者,从而对患者进行及时救治与护理。1.1隔离屏障负压隔离救治装备的隔离屏障主要为物理屏障,用于实现空间的分隔。物理屏障一般为带有传递窗或手套窗等的透明柔性隔离膜或硬质隔离罩,常用的隔离屏障材
10、料有聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)塑料、有机玻璃等。负压隔离救治装备的隔离屏障还包括气流屏障。气流屏障是基于负压生成系统产生的装备内部的气压低于装备外侧的气压的情况,促使气流组织从清洁区向污染区定向流动,从而实现对污染气体从装备内部向装备外侧传播的气流隔离10。1.2负压生成与控制系统负压生成与控制系统主要由送风系统和排风系统组成,包括风机、控制器、锂电池等部件。控制器主要用于控制装备中电动机的运行状态。送、排风系统电动机运行后,通过实现排风量大于送风量来保持装备内的空气静压低于装备外相邻区域的空气静压,从而在隔离屏障内部的微环境中形成相对负压,使得空气由屏障外部高压
11、侧流向屏障内部低压侧。负压隔离救治装备内部负压控制范围一般在15 Pa以上。1.3高效空气过滤系统高效空气过滤系统主要采用高效空气过滤器捕集粒径在0.3 滋m以上的颗粒灰尘及各种悬浮物,过滤效率不低于99.97%,一般安装在排风系统的最前端。患者产生的气体经过高效空气过滤器过滤后排到负压隔离救治装备外,病原微生物则全部被截留在过滤器内,从而防止病原微生物泄漏与扩散,降低周围人群的感染风险。1.4监测系统监测系统主要由压差实时监测系统、电量监测系统等组成。压差实时监测系统通过压力传感器测量装备内部气压,监测装备内是否维持稳定的负压环境,当压力不足时便会进行报警,部分装备采用数字显示屏实时显示气压
12、数值;电量监测系统会在电动机的电源电量不足时自动报警,提醒使用者更换电源13。部分负压隔离救治装备还具备装备内部温湿度监测、故障监测以及患者体温监测、血压监测等其他监测功能14-15。2负压隔离救治装备的研究现状当前国内外典型的负压隔离救治装备按照用途可分为候诊与住院治疗用、手术用和检测用3类。2.1候诊与住院治疗用负压隔离救治装备候诊与住院治疗用负压隔离救治装备主要用于感染患者候诊与住院治疗时的安全隔离,适用于无负压隔离病房及负压隔离病房满员时的医院或急救中心。该类负压隔离救治装备可分为半身式和全身式。2.1.1半身式候诊与住院治疗用负压隔离救治装备半身式候诊与住院治疗用负压隔离救治装备主要
13、为自穿戴式负压隔离头罩,又分为移动式和固定式2种,多为一次性使用,质量较轻,可以安全地固定在患者身上。移动式负压隔离头罩由透明隔离充气头套、罩衣、高效空气过滤器、背负电动过滤排风系统和管道等部件组成,通过负压生成与控制系统在内部保持稳定的负压。该类头罩主要用于症状较轻、能够正常行走的感染患者在医院中进行候诊或治疗时穿戴,患者穿戴后可进行自由移动。国家生物防护装备工程技术研究中心的Hao等16研制的烈性传染病员负压隔离头罩(如图2所示)配备了对0.3 滋m颗粒物过滤效率达99.99%的高效空气过滤器,排风量逸200 L/min,静态压差约-40 Pa,可实现患者在静止站立、行走以及均匀呼吸、深呼
14、吸等情况下均能保持15 Pa左右的负压,确保头罩内部病原微生物不会发生泄漏。美国密歇根大学医学院的Haas等17研发的便携式负压头盔装置如图3所示,主要由头盔、罩衣、高效过滤器和管道组成,患者穿戴后可保持坐姿和卧姿。固定式的负压隔离头罩需通过管道连接现有的医疗基础设施排出患者产生的气溶胶,患者穿戴后移动范围有限,仅可在小范围内移动。美国斯坦福医学院的August等18研发的固定式负压隔离头罩如图4所示,主要由头罩、罩衣、病毒图1负压隔离救治装备基本工作原理示意图排风系统大气压高效空气过滤系统送风系统净化后的气体负压内部污染气体外部新鲜空气监测控制系统物理隔离屏障图2烈性传染病员负压隔离头罩16
15、(a)头罩结构示意图(b)患者穿戴头罩示意图General Review综述王心淼,吴金辉,张宗兴,等.负压隔离救治装备的研究进展与发展趋势J.医疗卫生装备,2024,45(2):97-104.98 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024图4穿戴在病床人体模型上的负压隔离头罩18图6床旁局部负压隔离装置示意图20图3便携式负压头盔装置17过滤器和管道等组成,排风量能够达到120 L/min,对0.3 滋m气溶胶的过滤效率为94.2%,对0.5 滋m气
16、溶胶的过滤效率为98.9%,过滤效率优于N95口罩,患者穿戴后可在坐姿或卧姿状态下实现头部小范围自由移动。英国INTERSURGICAL公司研发的病人无创呼吸负压头罩如图5所示,面部设计了护理窗口,可满足患者的饮水、咳痰等需求19。除上述自穿戴式负压隔离头罩外,半身式候诊与住院治疗用负压隔离救治装备还包括床旁局部负压隔离罩等装备。较为典型的为吴金辉等20研发的床旁局部负压隔离装置,如图6所示。该装置最大的特点是通用性强,由垫板组件、支撑骨架和贴合组件组成的结构可通过垫板组件下方的基板和加长板的相对转动促使垫板组件的形状发生变化,从而适应病床的形变,同时作为罩体的柔性膜的形状能够随垫板组件的形状
17、变化而变化。因此该装置既可适用于平板式普通病床,又可适用于折叠式病床,可允许患者仰卧或半卧。此外,该负压隔离该装置的垫板组件和罩体均能够快速折叠和组装,便于收纳、存储和运输。2.1.2全身式候诊与住院治疗用负压隔离救治装备全身式候诊与住院治疗用负压隔离救治装备是一种全封闭型的负压隔离救治装备,仅容纳1名患者,适用于普通医院病房、重症监护室和特殊门诊。其工作原理为对持续收集的患者呼出的气溶胶即时进行消杀处理,并释放处理后的洁净空气到病房内。全身式候诊与住院治疗用负压隔离救治装备主要以病床为主体,床体周边架设有与床栏杆连接为一体的支架,在床体上方搭设覆盖整个床体的透明气密负压隔离罩,罩体四周边缘与
18、病床边缘密封固定,将患者和病床所在的小空间与外界空间隔离21。常见的全身式候诊与住院治疗用负压隔离床如图7所示。负压隔离床的隔离罩形状由罩架的结构决定,可设计为倾斜顶帘、弧形顶帘或水平顶帘,如图8所示21-24。隔离罩一侧通常开设有供患者或医护人员出入的门,隔离罩表面可按需求设置若干供医护人员双手穿入的操作口。除隔离罩外,负压隔离床还配备了送风、排风系统和负压生成系统、高效空气过滤系统、压差报警器等部件。床的底脚通常设计为万向轮,方便医护人员推行。侯俊娜25研发的重症新冠肺炎ECMO(extra原corporeal membrane oxygenation)专用负压隔离床如图9所示,隔离床上设
19、有隔离罩、负压设备和ECMO支持模块。该负压隔离床的优势在于其隔离罩分为外壳体和内壳体单元2个部分,内壳体受到污染时可直接剥离,而外壳体通过消毒之后可继续重复使用。但该隔离床覆盖空间有限,容易给清醒的患者带来幽闭恐惧等不适感。图5病人无创呼吸负压头罩19(a)患者坐姿穿戴(b)患者卧姿穿戴图7负压隔离床图8不同形状顶帘负压隔离床示意图(a)倾斜顶帘21(b)弧形顶帘22(c)半圆弧形顶帘23(d)水平顶帘24General Review综述王心淼,吴金辉,张宗兴,等.负压隔离救治装备的研究进展与发展趋势J.医疗卫生装备,2024,45(2):97-104.99 窑医疗卫生装备窑 2024年2月
20、第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024图11全身式候诊与住院治疗用负压隔离救治罩27图10覆盖空间较大的负压隔离床26Kumar等26研发的便携式负压隔离床(如图10所示)覆盖空间较大,隔离罩覆盖了整个床身,并可调节过滤装置和隔离罩的高度、长度尺寸,能够容纳输液架。此外,该负压床还配备了可提供112 m3/h的负压气流的Bed-Air气流系统,可通过隔离罩支撑结构和PVC材质圆形通道进行空气的输送和抽取。当医院候诊区或住院区空间受限时,可将候诊与住院治疗用负压隔离救治装备的主体由病
21、床换为占地面积较小的座椅。Nishimura等27设计的全身式候诊与住院治疗用负压隔离救治罩(如图11所示)主体为座椅或病床均可,视区域面积大小而定。当用于患者候诊与住院治疗时,透明的罩体不会令患者尤其是幼童患者感到不安。该负压隔离罩还可转化为正压隔离罩使用。综上,半身式和全身式候诊与住院治疗用负压隔离救治装备分别适用于不同使用场景。当患者穿戴半身式候诊与住院治疗用负压隔离救治装备时,其身体除头部或上半身外的其他部位裸露在外,方便医护人员对患者身体进行触诊;而全身式候诊与住院治疗用负压隔离救治装备则将患者全身进行封闭式隔离。使用时,应综合考虑患者症状和治疗需求进行合理选择。2.2手术用负压隔离
22、救治装备手术用负压隔离救治装备主要为医院在救治传染病患者过程中使用的适合手术操作的负压隔离罩,需搭配手术台和医疗救治仪器使用,将患者头部或上半身保持在负压隔离罩内部,在医护人员和患者之间建立保护屏障,实现医护人员能够在保护自身安全的前提下接触到患者,对其进行支气管镜检查、内窥镜检查、气管插拔、气管环切术和造口术等鼻咽部手术以及神经外科手术等头部手术,减少手术过程中患者产生的病原微生物污染气溶胶对周围环境和医护人员带来的危害。该类负压隔离罩可分为2种:一种由支架和柔性材料如透明塑料布等制作,柔性材料为一次性使用;另一种为由硬质透明材料制作,消毒后可重复使用。2.2.1柔性手术用负压隔离罩柔性手术
23、用负压隔离罩具有原材料易得、成本较低、组装拆卸简单方便等优势。针对柔性手术用负压隔离罩,国内外各相关医疗机构相继研发出各种成品。Patir等28设计了一种可同时覆盖患者头部及医用显微镜等医疗设备的负压手术头罩,用于进行神经外科手术。该头罩由2个透明的无菌聚乙烯罩体组成,如图12所示。使用时将患者的头部以及接触患者头部的医疗设备与医护人员进行阻隔,可使0.3 滋m的颗粒物浓度降低99%左右,能有效防止手术过程产生的气溶胶传播。在手术过程中,包裹患者头部的头罩不会干扰患者头部的定位,包裹显微镜的罩具有一定的宽松度,便于医生移动显微镜。美国加州大学洛杉机分校医学院的John等29研发出一种可在10
24、min内快速组装使用的插管专用负压手术罩。医护人员隔着透明罩进行插管前的视频喉镜检查和插管操作,如图13所示。在气管插管期间,外溢到环境中的气溶胶浓度降低了97%,较好地保护了医护人员免受通过空气传播的病原体的感染。Eslahpazir等30研发的适用于插管手术使用的图9重症新冠肺炎ECMO专用负压隔离床25(a)患者保持坐姿使用(b)患者保持卧姿使用图12负压手术头罩28(a)负压手术头罩实物图(b)负压手术头罩应用场景General Review综述王心淼,吴金辉,张宗兴,等.负压隔离救治装备的研究进展与发展趋势J.医疗卫生装备,2024,45(2):97-104.100 窑医疗卫生装备窑
25、 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024图16各类柔性手术用负压隔离罩图15负压隔离生物防护罩及高压风机31图13插管专用负压手术罩使用场景29图14安装在手术台末端的负压隔离罩30负压隔离罩由安装在手术台末端的方形铝框架和透明移动式X射线防护帘组成,需搭配手术室的手术台使用。该负压隔离罩的防护帘上设计了3个切口分别作为呼吸回路、吸管和视频喉镜的入口,还设置了2个可供手臂伸入进行接触操作的切口,类似于典型的真空手套箱设计,如图14所示。Convissar等31将透明塑
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