野外多功能隔離病床的設(shè)計(jì)

楊震，詹寧波，管吉，周祥，牛寶居，楊曉軍

中國(guó)人民解放軍第三O二醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程保障管理中心，北京 100039

野外多功能隔離病床的設(shè)計(jì)

楊震，詹寧波，管吉，周祥，牛寶居，楊曉軍

中國(guó)人民解放軍第三O二醫(yī)院
醫(yī)學(xué)工程保障管理中心，北京 100039

目的 設(shè)計(jì)一款適用于野外救治傳染病患者的隔離病床。方法 在病床上安裝推拉折疊式隔離罩，通過(guò)溫濕度控制裝置和氧濃度控制裝置分別監(jiān)測(cè)并控制隔離罩內(nèi)氣體的溫濕度和氧濃度，通過(guò)廢氣消毒滅菌裝置殺滅廢氣中的傳染病毒，并通過(guò)定期采樣檢測(cè)裝置檢測(cè)排出的廢氣是否合格。結(jié)果 隔離罩內(nèi)氣體的溫濕度和氧濃度均能控制在設(shè)定范圍，當(dāng)其超出報(bào)警限值時(shí)病床會(huì)發(fā)出報(bào)警提示音，以便醫(yī)護(hù)人員及時(shí)消除安全隱患。結(jié)論 該隔離病床方便、實(shí)用，能滿足臨床使用要求。

隔離病床；隔離罩；溫濕度控制；氧濃度控制；消毒滅菌

0 前言

野戰(zhàn)傳染病醫(yī)院的主要任務(wù)是在戰(zhàn)爭(zhēng)或自然災(zāi)害來(lái)臨時(shí)在野外收治傳染病患者。野外環(huán)境惡劣多變，極端溫濕度及高原缺氧等情況時(shí)有發(fā)生；且傳染病病源種類(lèi)復(fù)雜難辨，有些疾病傳染性極強(qiáng)如埃博拉出血熱（EHF）[1-3]。EHF是由埃博拉病毒（Ebolavirus）引起的一種急性出血性傳染病，病死率高，可達(dá)50%～90%，人類(lèi)主要通過(guò)接觸EHF病人或動(dòng)物的體液、分泌物和排泄物而感染。目前EHF尚沒(méi)有疫苗可以預(yù)防，隔離控制傳染源和加強(qiáng)個(gè)人防護(hù)是防控EHF的關(guān)鍵措施，一旦發(fā)現(xiàn)可疑病例，應(yīng)采取嚴(yán)格隔離措施，以控制傳染源，防止疫情擴(kuò)散[4-5]。此外，在標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)的基礎(chǔ)上，還要做好接觸防護(hù)和呼吸道防護(hù)。

為了給患者提供合適的野外治療環(huán)境以及避免患者和醫(yī)護(hù)人員之間的交叉感染，筆者設(shè)計(jì)了一款專門(mén)針對(duì)野外傳染病患者的便攜式多功能隔離病床，報(bào)道如下。

1 整體設(shè)計(jì)

病床的主要功能部件包括：可多體位升降且有防顛簸功能的野外床體、可高溫和臭氧消毒的隔離罩、數(shù)字液晶屏控制面板、隔離罩內(nèi)溫濕度自動(dòng)控制裝置、醫(yī)用鋼瓶氧減壓裝置、照明燈泡、隔離罩內(nèi)負(fù)壓通風(fēng)換氣裝置、空氣過(guò)濾裝置以及廢氣消毒處理裝置等。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備控制模塊設(shè)計(jì)

病床設(shè)備控制部分采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由溫濕度傳感器模塊、氧濃度傳感器模塊、氧氣壓力監(jiān)測(cè)模塊、鍵盤(pán)輸入和顯示模塊、智能報(bào)警模塊、80C51單片機(jī)系統(tǒng)以及溫濕度控制模塊等部分組成。設(shè)備控制模塊設(shè)計(jì)框圖，見(jiàn)圖1。

（1）溫濕度傳感器模塊用于實(shí)時(shí)采集隔離罩內(nèi)的溫濕度。選用數(shù)字化溫濕度探頭，型號(hào)為L(zhǎng)TM8901，溫度測(cè)量范圍為-25℃～+65℃，精度為±0.5℃，分辨率為0.0625 ℃；濕度測(cè)量范圍為1%～99% RH，精度為±3.0% RH，分辨率為0.5% RH；其性能特點(diǎn)適合手術(shù)環(huán)境為溫度22～26 ℃，濕度50%～60% RH的監(jiān)測(cè)。

（2）氧電池位于隔離罩底部的中間位置，用于實(shí)時(shí)測(cè)量隔離罩內(nèi)的氧濃度。選用德?tīng)柛裱蹼姵?，型?hào)為OX005。該氧電池為電化學(xué)、單電極傳感器，其氧濃度測(cè)量范圍為0%～100%，響應(yīng)時(shí)間為0.5 s，工作溫度為15～40 ℃。

（3）鍵盤(pán)輸入和顯示模塊用于實(shí)現(xiàn)野外病床的人機(jī)交互。選用HD7279A智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片。HD7279A和單片機(jī)之間可采用串行接口，占用口線少，其接口和外圍電路比較簡(jiǎn)單，無(wú)需外圍電路便可直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管(或64只獨(dú)立的LED)；具有多種譯碼方式，各顯示位可分別控制譯碼方式、消隱和閃爍等屬性，并可以單獨(dú)控制顯示段，其左移、右移、閃爍、消隱等多種顯示控制指令便于使用獨(dú)立的LED。

（4）智能報(bào)警模塊LTM8901用于實(shí)現(xiàn)對(duì)野外病床隔離罩內(nèi)溫濕度和氧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控及報(bào)警，并通過(guò)LED顯示各參數(shù)信息；可通過(guò)軟件設(shè)定溫濕度和氧濃度的上下限值，使隔離罩內(nèi)保持合適的溫濕度，即溫度24～26 ℃、濕度50%～60% RH。隔離罩內(nèi)氧濃度可通過(guò)調(diào)節(jié)氧氣減壓閥手動(dòng)控制。

（5）單片機(jī)系統(tǒng)80C51作為野外病床隔離罩內(nèi)空氣溫濕度、氧濃度等自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)將各功能模塊整合成一個(gè)完整的系統(tǒng)[6-8]；通過(guò)相關(guān)硬件并結(jié)合單片機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)并控制手術(shù)艙內(nèi)溫濕度和氧濃度數(shù)據(jù)的采集、顯示和報(bào)警。

圖1 設(shè)備控制模塊設(shè)計(jì)框圖

2.2 5 V穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)

病床5 V穩(wěn)壓模塊電路圖，見(jiàn)圖2。該電路的核心部件是三端集成穩(wěn)壓塊7805，輸出+5 V穩(wěn)定Vcc電壓。集成穩(wěn)壓塊7805左側(cè)管腳1為高電位輸入端，中間管腳2為公共接地端，右側(cè)管腳3為輸出端。集成穩(wěn)壓塊7805的最佳工作狀態(tài)是輸入電壓與輸出電壓間的壓差在3～4 V左右，輸入電壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓塊溫度過(guò)高甚至被擊穿，輸入電壓過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定。本電路AC 220 V經(jīng)變壓、整流后變?yōu)镈C 12 V左右，然后經(jīng)電阻R1分壓、9 V穩(wěn)壓二極管ZD穩(wěn)壓后變?yōu)镈C 9 V電壓給穩(wěn)壓塊7805供電。發(fā)光二極管D1是5 V電源指示燈，用于指示電源的通斷。電容C1、C2和C3都是濾波電容，可使單片機(jī)系統(tǒng)80C51得到更加穩(wěn)定可靠的輸入電壓。

圖2 5 V穩(wěn)壓模塊電路圖

3 氣路圖設(shè)計(jì)

病床氣路圖，見(jiàn)圖3。鼓風(fēng)機(jī)1（圖中未標(biāo)識(shí)）是將新鮮空氣吸入病床隔離罩的動(dòng)力源，新鮮空氣通過(guò)空氣過(guò)濾器進(jìn)入病床隔離罩內(nèi)。鼓風(fēng)機(jī)2（圖中未標(biāo)識(shí)）是將帶有傳染病毒的廢氣排出隔離罩的動(dòng)力源，有毒廢氣首先經(jīng)活性炭吸附過(guò)濾，然后經(jīng)分流器分流后流入裝有消毒液的懸掛式消毒容器，經(jīng)徹底消毒后排出外界。鋼瓶?jī)?nèi)的高壓氧經(jīng)醫(yī)用減壓閥組減壓后壓力降為0.45 MPa，低壓氧流入盛有蒸餾水的濕化杯內(nèi)，經(jīng)濕化后的氧氣經(jīng)氧氣流量計(jì)精確控制后輸入病床隔離罩內(nèi)。隔離罩內(nèi)的氣體是流動(dòng)的，新鮮氣體不斷流入，有毒廢氣不斷排出，從而有效保障隔離罩內(nèi)氣體的潔凈度和氧濃度。

圖3 隔離病床氣路圖

隔離罩是氣路的核心部件，可清洗、消毒、重復(fù)使用。罩內(nèi)頂部配有小風(fēng)扇和照明燈管，可提高被隔離患者的舒適度。隔離罩的支架為3段可伸縮鋼管，床頭、床尾兩側(cè)面以及頂端側(cè)面為軟質(zhì)耐用材料制成，可折疊，方便轉(zhuǎn)運(yùn)；隔離罩正面及后側(cè)面均采用2 cm厚的透明硬質(zhì)塑料制成，其中正面為平推門(mén)結(jié)構(gòu)，安裝有可固定轉(zhuǎn)運(yùn)呼吸機(jī)和轉(zhuǎn)運(yùn)多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的固定支架，便于對(duì)傳染病患者進(jìn)行救治和生命體征的監(jiān)測(cè)；隔離罩床尾側(cè)面設(shè)有緊急通風(fēng)口和臭氧消毒機(jī)專用口，以便在病床氣體控制模塊發(fā)生故障時(shí)對(duì)隔離罩、床單、被罩、床墊等進(jìn)行一體化臭氧消毒。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 80C51單片機(jī)外部中斷源擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

80C51單片機(jī)外部中斷源擴(kuò)展電路圖，見(jiàn)圖4。80C51單片機(jī)只有兩個(gè)外部中斷源INT0和INT1，不能滿足設(shè)計(jì)需求，因此需擴(kuò)展其外部中斷源。本設(shè)計(jì)采用查詢法來(lái)擴(kuò)展外部中斷源，使4個(gè)中斷源通過(guò)與非門(mén)后共用一個(gè)外部中斷輸入端INT1，并將中斷源分別接在I/O口線上，便于軟件查詢中斷源。軟件程序?qū)1各端口電平的查詢順序決定了外部中斷源的優(yōu)先級(jí)，P1.0＞P1.1＞P1.2＞P1.3。若P1.0為高電位，則EX20服務(wù)子程序有效，繼電器1吸合，加熱棒工作，同時(shí)散熱風(fēng)扇使手術(shù)艙內(nèi)的溫度升高到設(shè)定范圍；若P1.1為高電位，則EX21服務(wù)子程序有效，繼電器2吸合，壓縮機(jī)和風(fēng)冷風(fēng)扇啟動(dòng)，使手術(shù)艙內(nèi)的溫度迅速降低到設(shè)定范圍；若P1.2為高電位，則EX22服務(wù)子程序有效，繼電器3吸合，霧化裝置和加濕風(fēng)扇啟動(dòng)，使手術(shù)艙內(nèi)氣體濕度升高到設(shè)定范圍；若P1.3為高電位，則EX23服務(wù)子程序有效，繼電器4吸合，空氣干燥裝置啟動(dòng)，使手術(shù)艙內(nèi)空氣濕度降低到設(shè)定范圍。

圖4 80C51單片機(jī)外部中斷源擴(kuò)展電路圖

4.2 程序流程設(shè)計(jì)

程序設(shè)定起始地址為0000H，然后跳到0100H去執(zhí)行主程序。主程序的任務(wù)是首先設(shè)置堆棧指針寄存器SP、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON和中斷使能控制器IE，開(kāi)外中斷，置INT1為邊沿觸發(fā)方式；其次調(diào)用EX1鍵盤(pán)及顯示子程序；最后等待中斷申請(qǐng)[9-11]。

外INT1響應(yīng)外中斷申請(qǐng)的入口地址是0013H，響應(yīng)外中斷后跳到2000H執(zhí)行中斷程序INT。中斷程序首先禁止中斷、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，然后依次查詢P1.0、P1.1、P1.2的電平狀態(tài)，如果是高電平，則分別執(zhí)行EX20、EX21、EX22中斷子程序；如果P1.0、P1.1、P1.2都是低電平，則執(zhí)行EX23子程序。最后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，中斷返回，主程序再次等待中斷。程序流程圖，見(jiàn)圖5。

圖5 程序流程圖

4.3 匯編程序編寫(xiě)

軟件匯編程序如下：

ORG 0000H；復(fù)位地址

LJMP MAIN；轉(zhuǎn)主程序

ORG 0013H；中斷入口地址

LJMP INT；

ORG 0100H；主程序首地址

MAIN: MOV SP,#60H；置堆棧指針

ORL TCON,#04H；置INT1為邊沿觸發(fā)方式

MOV IE,#0FFH；全部開(kāi)中

LCALL WORK1；調(diào)用鍵盤(pán)及顯示子程序

… ；主程序內(nèi)容

HERE：SJMP HERE；原地等待中斷申請(qǐng)

ORG 2000H；中斷服務(wù)程序首地址

INT:CLR EA；CPU禁中斷

PUSH Acc；中斷保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

PUSH DPH；

PUSH DPL；

SETB EA；CPU開(kāi)中斷

JB P1.0,LWK20；P1.0=1,EX20請(qǐng)求中斷

JB P1.1,LWK21；P1.1=1,EX21請(qǐng)求中斷

JB P1.2,LWK22；P1.2=1,EX22請(qǐng)求中斷

LCALL WORK23；1.3=1,調(diào)用EX23服務(wù)子

LRET:CLR EA；CPU禁中斷

POP DPL；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

POP DPH；

POP Acc；

SETB EA；CPU開(kāi)中斷

RETI；中斷返回

LWK20:LCALL WORK20；P1.0=1,調(diào)用EX20服務(wù)子程序

SJMP LRET；轉(zhuǎn)中斷返回

LWK21:LCALL WORK21；P1.1=1,調(diào)用EX21服務(wù)子程序

SJMP LRET；轉(zhuǎn)中斷返回

LWK22:LCALL WORK22；P1.2=1,調(diào)用EX22服務(wù)子程序

SJMP LRET；轉(zhuǎn)中斷返回

END

5 結(jié)語(yǔ)

該隔離病床不但具有普通多功能病床的多體位升降功能，而且配有溫濕度控制模塊，可將隔離罩內(nèi)氣體溫濕度精確控制在設(shè)定范圍；當(dāng)隔離罩內(nèi)的溫濕度或氧濃度超出報(bào)警限值時(shí)，蜂鳴器可發(fā)出報(bào)警，及時(shí)提醒臨床醫(yī)護(hù)人員，以保證患者的安全；鼓風(fēng)機(jī)1和鼓風(fēng)機(jī)2可保證隔離罩內(nèi)連續(xù)進(jìn)行通風(fēng)換氣，排出的有毒廢氣經(jīng)活性炭吸附過(guò)濾以及分流器分流后進(jìn)入消毒容器徹底消毒，消毒后的氣體再排向采樣容器和外界。工作人員可隨時(shí)檢測(cè)采樣氣體滅菌是否合格，從而有效防止患者之間、患者和醫(yī)護(hù)人員之間的交叉感染。隔離罩正面裝有轉(zhuǎn)運(yùn)多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀和轉(zhuǎn)運(yùn)呼吸機(jī)專用口，以便為重癥傳染病患者提供緊急治療和生命體征參數(shù)的監(jiān)護(hù)。實(shí)際應(yīng)用證實(shí)，該隔離病床的整體性能能夠滿足野外傳染病患者隔離治療的要求。

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Design of A Multi-functional Isolation Sickbed for Field Operations

YANG Zhen, ZHAN Ning-bo, GUAN J i, ZHOU Xiang, NIU Bao-ju, YANG Xiao-jun
Security Management Center of Medical Engineering, The 302thHospital of PLA, Beijing 100039, China

Objective To design an isolation sickbed for the treatment of infectious patients in the fi eld. Methods The push-pull and collapsible isolation hood was installed on the sickbed. The temperature, humidity and oxygen concentration of gas inside the isolation hood can be monitored and controlled with temperature and humidity control device, and oxygen concentration control device, respectively. The sterilization for exhaust gas inside the isolation hood can be conducted with sterilization device. The qualifi ed case of sterilized exhaust gas can be detected periodically with sampling and detection device. Results The temperature, humidity and oxygen concentration of gas inside the isolation hood can be controlled within the set range. When the values of the above parameters go beyond the alarm limit, the sickbed will alarm to remind medical staff to eliminate the potential safety hazard in time. Conclusion The convenient and practical isolation sickbed can meet the clinical requirements of fi eld operations.

isolation sickbed; isolation hood; temperature and humidity control; oxygen concentration control; sterilization and disinfection

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.01.011

1674-1633(2015)01-0040-04

2014-08-24

本文作者：楊震，助理工程師。

作者郵箱：yangzhen302@163.com