艦用型復(fù)溫裝置設(shè)計方案研究

王猛，張孝強，劉勇，王世鋒，喻錫成，張建

人體低溫癥是體心溫度低于正常水平一定程度的突發(fā)癥狀［1-2］。根據(jù)低溫的程度，低溫癥可區(qū)分為輕度、中度、重度3種，如果處置措施不當(dāng)，中、重度低溫癥患者極易死亡。地球表面70%被水域覆蓋，而海軍是一種全球性兵種，海上活動頻繁，人員落水極易產(chǎn)生低溫癥，因此低溫癥也是海軍軍事醫(yī)學(xué)研究的熱點內(nèi)容之一［3-4］。

低溫癥的救治方法可分為體表（或體周）復(fù)溫法和體內(nèi)（或體心）復(fù)溫法［5-6］。體表復(fù)溫法通常是從人體外表面進行復(fù)溫處理，對于輕度低溫癥患者較為有效，被動保溫、溫水浴復(fù)溫、熱空氣循環(huán)復(fù)溫等均屬于此類方法［7］；對于中、重度低溫癥患者，應(yīng)先進行體內(nèi)復(fù)溫，再附加開展體表復(fù)溫救治，目前比較簡單可行的體心復(fù)溫方法主要是吸入熱空氣和輸入溫?zé)嵋后w［8-9］。

筆者針對艦船環(huán)境的特殊性，研制可有效解決中、重度低溫癥救治難題的艦艇專用衛(wèi)生裝備，以提高海上特種傷情的應(yīng)對能力。

1 艦用型復(fù)溫裝置勤務(wù)功能定位與技術(shù)形式分析

1.1 勤務(wù)功能定位分析

艦用型復(fù)溫裝置主要配置在各類艦艇上，救治對象主要是海上落水人員和嚴(yán)重戰(zhàn)創(chuàng)傷艦員，海上傷員后送困難，因此，大型艦船以及編隊救護所至少需具備低溫癥三級救治階梯中的第一級和第二級救治能力，即需要具備低溫癥傷員現(xiàn)場急救和體表、體內(nèi)復(fù)溫救治。根據(jù)艦船醫(yī)療設(shè)備配置情況，適宜研制具備體周熱空氣循環(huán)加熱、吸入溫?zé)釟怏w和輸注加溫液體手段的復(fù)溫裝置。

1.2 系統(tǒng)組成和技術(shù)形式分析

根據(jù)前述勤務(wù)功能定位分析，筆者研制的艦用型復(fù)溫裝置，采用模塊化設(shè)計理念，由擔(dān)架平臺模塊，以及可加裝到該平臺模塊上的通風(fēng)復(fù)溫模塊、加溫輸液復(fù)溫模塊和加溫加濕輔助呼吸復(fù)溫模塊組成。其中，擔(dān)架平臺模塊用于靈活加載其他3個復(fù)溫功能模塊。各模塊均可單獨使用，也可組合使用。

2 功能模塊設(shè)計

2.1 復(fù)溫裝置總成設(shè)計

按照上述組成及功能要求，筆者設(shè)計了艦用型復(fù)溫裝置，該裝置總體組成示意圖如圖1所示。通風(fēng)復(fù)溫、加溫輸液復(fù)溫塊和加溫加濕輔助呼吸復(fù)溫模塊分別通過設(shè)備掛架固定在籃式擔(dān)架外沿。

圖1 艦用型復(fù)溫裝置總體組成示意圖

2.2 通風(fēng)復(fù)溫模塊

通風(fēng)復(fù)溫模塊由加熱通風(fēng)單元和保溫式充氣囊共同組成。

2.2.1 加熱通風(fēng)單元 加熱通風(fēng)單元的加熱結(jié)構(gòu)由風(fēng)機、空氣加熱管路（模塊外部）及控制電路組成。風(fēng)機的進氣口吸入外部空氣，之后經(jīng)出風(fēng)口送出，再通過空氣加熱管路送風(fēng)至保溫囊內(nèi)，實現(xiàn)循環(huán)加熱的工作模式?？諝饧訜峁苈返膬啥嗽O(shè)計有溫度傳感器，可根據(jù)保溫囊內(nèi)的實時溫度進行風(fēng)量和溫度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)精確控溫。配套的控制單元采用循環(huán)加熱、溫度反饋方案，其原理如圖2所示。完整的電路控制環(huán)路原理如圖3所示，系統(tǒng)電路實現(xiàn)方案如圖4所示。

圖2 通風(fēng)復(fù)溫模塊溫度控制方案原理圖

圖3 通風(fēng)復(fù)溫模塊電路控制環(huán)路原理圖

圖4 電路設(shè)計框圖

2.2.2 保溫式充氣囊 保溫式充氣囊三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖5。充氣囊外層為高強度尼龍面料，里料采用高強度尼龍綢，面料和里料之間填充保溫材料。保溫式充氣囊的兩側(cè)設(shè)計有可供手臂伸出的檢查通道，方便治療、檢查等操作。

圖5 保溫式充氣囊三維結(jié)構(gòu)示意圖

保溫式充氣囊內(nèi)部風(fēng)道及溫度傳感器布置如圖6所示，通風(fēng)復(fù)溫模塊整體的氣路循環(huán)如圖7所示。氣囊內(nèi)部的風(fēng)道部件通過加溫管路與加熱通風(fēng)單元上的4個風(fēng)口連接，風(fēng)道部件底部表面設(shè)有諸多散風(fēng)孔，形成均勻吹風(fēng)模式，有利于均勻復(fù)溫。加溫管路連接保溫式充氣囊的4個風(fēng)口處均設(shè)有溫度傳感器，用來實時監(jiān)測氣囊內(nèi)氣體溫度，并反饋給系統(tǒng)控制電路，用于實現(xiàn)閉環(huán)溫度調(diào)節(jié)。

圖6 保溫式氣囊內(nèi)部氣道部件和傳感器布置示意圖

2.3 加溫加濕輔助呼吸復(fù)溫模塊

加溫加濕輔助呼吸復(fù)溫模塊采用電熱蒸汽加濕、管路加熱、遠端（面罩端）溫度反饋的設(shè)計方案。傷員呼吸所需的氣體途經(jīng)該模塊時，首先進行霧化加濕，提高舒適度，然后采用加溫呼吸機的技術(shù)原理，在管壁內(nèi)側(cè)附著電阻絲，形成加熱管，對通過的氣體進行加熱，處理完畢后進入呼吸面罩。系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖8所示。

圖8 加溫加濕輔助呼吸復(fù)溫控制原理圖

加溫加濕輔助呼吸復(fù)溫模塊采用比例積分微分（proportional integral derivative， PID）控制原理進行氣體溫度、濕度的控制，控制原理如圖 9所示。

圖9 加溫加濕呼吸復(fù)溫模塊溫濕度控制原理圖

2.4 加溫輸液復(fù)溫模塊

該模塊主要由輸液單元和液體加溫單元組成，主要實現(xiàn)液體輸注、加溫等功能。

輸液單元采用半擠壓式液體驅(qū)動結(jié)構(gòu)，具有開門報警、氣泡報警、阻塞報警功能，提升輸液安全性。加溫護套是實現(xiàn)液體加溫的功能結(jié)構(gòu)，橫截面如圖10所示，同時，該護套還具備保溫功能。

圖10 加溫護套橫截面示意圖

加溫輸液復(fù)溫模塊的控制單元根據(jù)溫度傳感器反饋的溫度實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制?？刂圃砣鐖D11所示。

圖11 加溫輸液復(fù)溫模塊電氣控制原理圖

3 主要材料、零部件選型

3.1 主要材料選型

各復(fù)溫功能模塊殼體材料宜選用強度高、韌性大、耐腐蝕、易著色、易加工的熱塑性塑料，并確保能夠滿足艦船工作環(huán)境要求。

丙烯晴-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile-butadienestyrene， ABS）三元共聚物具有強度高、輕便、表面硬度大、非常光滑、易清潔處理、尺寸穩(wěn)定、抗蠕變性好等優(yōu)點，常用來制作殼體、箱體、零部件等。采用該材料制作殼體，在技術(shù)性能和成本之間能夠達到較好的平衡。

3.2 主要零部件選型要求

采用上述方案設(shè)計的艦用型復(fù)溫裝置，市場選型的零部件主要包括電源轉(zhuǎn)換模塊、循環(huán)風(fēng)機以及空氣加熱管路。其中，電源轉(zhuǎn)換模塊除了應(yīng)滿足電源功率、調(diào)制電路和醫(yī)療用途及相關(guān)要求之外，還應(yīng)具備電壓波動范圍寬、輸出功率穩(wěn)定等特點，并能滿足艦艇艙室內(nèi)工作的電磁兼容性要求。

空氣加熱管，需具備加熱功率可調(diào)，入口、出口端氣體溫度實時監(jiān)測等功能，方便實現(xiàn)根據(jù)傷員體溫實時、自動調(diào)整加熱方案的功能。為減少選型產(chǎn)品類型，通風(fēng)復(fù)溫模塊和呼吸復(fù)溫模塊宜選用同一類型器件。

4 樣機試制及性能試驗

按照前述方案和零部件選型要求，筆者加工試制了科研樣機，樣機實物如圖12所示。

圖12 艦用型復(fù)溫裝置科研樣機實物圖

該樣機展開時總體尺寸2 000 mm×800 mm×470 mm（含籃式擔(dān)架），通風(fēng)復(fù)溫模塊8.5 kg，加溫加濕輔助呼吸復(fù)溫模塊1.9 kg，加溫輸液復(fù)溫模塊1.6 kg。系統(tǒng)總功率不超過650 W。

筆者對樣機進行了性能試驗，試驗內(nèi)容包括自然環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、溫控范圍、溫控精度、電磁兼容性測試。試驗結(jié)果證明，通風(fēng)復(fù)溫模塊氣體溫度調(diào)節(jié)范圍34～44 ℃，溫控誤差不大于1.5 ℃；加溫加濕輔助呼吸模塊氣體溫度調(diào)節(jié)范圍34～42 ℃，加溫輸液復(fù)溫模塊液體溫度調(diào)節(jié)范圍37～42 ℃；溫度控制誤差不大于0.9 ℃。系統(tǒng)工作可靠性不低于500 h（樣機累計運行602 h），按照GJB 151B—2013［10］測 試 了CE101、CE102、CS101、CS106、CS114、CS116、RE101、RE102、RS101、RS103等10個電磁兼容項目，測試結(jié)果均符合要求。

總體來說，試驗結(jié)果表明該方案設(shè)計的樣機，其高低溫、鹽霧、濕熱等性能能夠滿足艦艇艙室工作條件要求，溫控范圍和精度、可靠性、電磁兼容性達到了相關(guān)要求，功能和性能均能夠滿足艦船艙室環(huán)境條件下開展中、重度低溫癥傷員的救治需求。

5 結(jié)語

筆者研制了艦用型復(fù)溫裝置，為艦船環(huán)境下低溫癥傷員的現(xiàn)場救治提供了器材保障。但是，低溫癥傷員的救治對醫(yī)務(wù)人員的專業(yè)能力要求較高。如果要提高對低溫癥傷員的救治水平，還需要對隨船醫(yī)務(wù)人員及其他人員分類進行復(fù)溫救治技能培訓(xùn)，避免因業(yè)務(wù)不熟練、救治策略不當(dāng)影響救治效果。