呼出盒干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作

于健偉，李 洋，崔志剛，楊春花，郭 丹

（江蘇省人民醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)工程處，南京 210029）

0 引言

新型冠狀病毒肺炎疫情爆發(fā)后，機(jī)械通氣作為新型冠狀病毒肺炎危重癥患者重要的生命支持手段，各醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)呼吸機(jī)的需求快速增加。呼吸機(jī)及其相關(guān)配件在使用中易出現(xiàn)攜帶病原體的飛沫或氣溶膠擴(kuò)散，是一種高風(fēng)險(xiǎn)的院感傳播途徑。機(jī)械通氣的患者因?yàn)楹粑芈分械奈⑸镆l(fā)呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎是臨床經(jīng)常遇到的問題。

MAQUET 是全球最大的手術(shù)室、ICU 醫(yī)療工程和設(shè)備供應(yīng)商之一，其Servo 系列呼吸機(jī)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化醫(yī)院中。Servo 系列呼吸機(jī)的一大特征就是其呼出盒的設(shè)計(jì)。患者呼出的氣體經(jīng)過呼出盒排出，所以呼出盒中經(jīng)常會(huì)有患者呼出物的殘留，對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)時(shí)應(yīng)注意清潔呼出盒，避免設(shè)備故障[1-2]。為防止院感，減少呼吸機(jī)管路中病原體引發(fā)的呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎，在同一臺(tái)機(jī)器用于不同患者時(shí)，除了對(duì)呼吸機(jī)外部回路（呼吸管路、連接管、濕化器、集水杯、霧化器等）進(jìn)行更換或消毒，還要對(duì)呼出盒進(jìn)行清洗消毒[3-4]。通過查閱呼出盒使用說明及結(jié)構(gòu)圖，發(fā)現(xiàn)呼出盒內(nèi)部有電路板、超聲傳感器等精密部件，常規(guī)的高溫高壓沖洗消毒并不適用，所以推薦的清洗消毒方法是將呼出盒完全浸沒在消毒液中[5-6]。采用這種方式消毒后呼出盒中有液體殘留，需要進(jìn)行24 h以上的晾干，大大影響了呼出盒的使用效率[7]。為滿足使用要求，臨床往往會(huì)為每臺(tái)呼吸機(jī)配備2 個(gè)及以上數(shù)量的呼出盒，加大了購(gòu)置設(shè)備的成本，增加了管理難度。因此，本文設(shè)計(jì)一種呼吸機(jī)呼出盒快速干燥系統(tǒng)，并制作出模型機(jī)，經(jīng)過驗(yàn)證其效果良好。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

目前，很多醫(yī)院對(duì)清洗消毒后的呼吸盒采用自然晾干的干燥方式，該方式干燥時(shí)間太長(zhǎng)，降低了呼出盒的使用率。有醫(yī)院提出由消毒供應(yīng)中心統(tǒng)一清洗、烘干，該方式相對(duì)于自然晾干的方法縮短了干燥的時(shí)間，但過高的清洗水壓和過高的干燥溫度都會(huì)對(duì)呼出盒造成損傷，清洗后的呼出盒僅有不到60%的測(cè)試通過率[6]。為縮短干燥時(shí)間，同時(shí)避免呼出盒受損，本文設(shè)計(jì)一種利用空氣吹干的呼出盒干燥系統(tǒng)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

呼出盒干燥系統(tǒng)主要包括減壓閥、流量閥、空氣加熱器、溫濕度傳感器、蜂鳴器5 個(gè)功能部件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在空氣進(jìn)入呼出盒之前，先通過減壓閥和流量閥調(diào)節(jié)氣壓和流量，以免損傷呼出盒；調(diào)節(jié)后的空氣通過空氣加熱器，以提高空氣溫度，加速干燥過程；為了檢測(cè)通入空氣的溫度以及干燥的進(jìn)程，在呼出盒的出氣端接入溫濕度傳感器，檢測(cè)氣體的溫濕度；當(dāng)出氣端氣體相對(duì)濕度低于15%時(shí)，視為干燥完成，蜂鳴器鳴叫，提示干燥完成。

圖1 呼出盒干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片選擇

本干燥系統(tǒng)擬選擇STC89C52 作為主控芯片。STC89C52 是一種帶8 KiB 可編程Flash 存儲(chǔ)器的低功耗、高性能的CMOS 8 bit 微處理器，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用8 bit 中央處理器和閃存，可為嵌入式控制系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。同時(shí)擁有32 個(gè)雙向輸入/輸出（input/output，I/O）接口、3 個(gè)16 bit 可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷、2 個(gè)串行中斷，保障后續(xù)系統(tǒng)有升級(jí)的空間。主控芯片最小系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。

圖2 主控芯片最小系統(tǒng)原理圖

2.2 空氣加熱器電路

空氣加熱器擬選擇5 V、5 W 的氧化鋁高溫陶瓷加熱片，該加熱片最高溫度可達(dá)60 ℃，具有體積小、加熱快、安全無明火、使用壽命長(zhǎng)、使用方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。加熱片使用LM317 穩(wěn)壓芯片驅(qū)動(dòng)，空氣加熱器電路原理圖如圖3 所示。

圖3 空氣加熱器電路原理圖

2.3 溫濕度監(jiān)測(cè)電路

采用AM2302 溫濕度傳感器，該傳感器內(nèi)部使用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻作為測(cè)溫元件測(cè)量溫度，使用電容式感濕元件測(cè)量相對(duì)濕度。溫度測(cè)量范圍為-40～80 ℃，測(cè)量分辨力達(dá)0.1 ℃；相對(duì)濕度測(cè)量誤差為±2%。該傳感器采用單總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的回傳，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.4 蜂鳴器電路

采用無源蜂鳴器，使用9013 三極管（NPN 型）驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，主控芯片通過I/O 接口輸出脈沖寬度調(diào)制波（pulse width modulation wave，PWM）控制蜂鳴器的啟動(dòng)。蜂鳴器電路原理圖如圖4 所示。

圖4 蜂鳴器電路原理圖

3 模型搭建

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，搭建簡(jiǎn)單模型驗(yàn)證其可行性。因我院采用集中供氣，供氣壓力可調(diào)，所以在搭建模型時(shí)省略減壓閥。流量閥采用醫(yī)院現(xiàn)有浮標(biāo)式氧氣吸入器中拆下的流量計(jì)和流量閥；氣體加熱裝置選用溫度可控的陶瓷加熱片；溫濕度傳感器用電子溫濕度計(jì)代替。

因?yàn)楦鞴δ懿考g接口不統(tǒng)一，所以在搭建模型時(shí)還需要選擇或制作各功能部件之間的連接部件。對(duì)于無法直接獲取的連接部件，使用SolidWorks三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)所需要的連接部件模型，并用3D 打印機(jī)制作連接部件[8]。

3.1 搭建方法

3.1.1 流量閥與空氣加熱器的連接

流量閥的出氣端為M16-1.5RH 螺紋接口，所以連接部件一端采用相應(yīng)的螺紋接口?？諝饧訜崞鞑捎?0 mm×15 mm 的陶瓷加熱片，為了使加熱片接入通氣管路，需要設(shè)計(jì)制作一個(gè)固定陶瓷加熱片的外殼。因此將加熱器外殼兩端作為接口，使外殼兼具連接部件的功能。根據(jù)需求繪制加熱器外殼的三維模型圖，如圖5（a）所示。

3.1.2 空氣加熱器與呼出盒的連接

正常使用呼出盒時(shí)進(jìn)氣端與患者呼吸回路連接，患者呼吸回路多采用硅膠螺紋管或一次性螺紋管，為方便干燥系統(tǒng)的搭建與使用，選用硅膠螺紋軟管作為連接管路，螺紋軟管如圖5（b）所示。螺紋軟管兩端為內(nèi)徑22 mm 的彈性硅膠，所以空氣加熱器的熱空氣出氣端采用外徑22 mm 的圓形接口，與螺紋軟管直接連接。

3.1.3 呼出盒氣路空腔與電路空腔的連通

通過拆解呼出盒可以發(fā)現(xiàn)，呼出盒內(nèi)有2 個(gè)空腔，分別是氣路空腔和電路空腔。除溫度傳感器和流量傳感器從電路空腔探入氣路空腔外，2 個(gè)空腔相對(duì)獨(dú)立[9]。如果僅從呼出盒進(jìn)氣口處通入空氣，只能將氣路空腔吹干，電路空腔內(nèi)仍有積水。為了同時(shí)吹干電路空腔內(nèi)的積水，需要設(shè)計(jì)制作一個(gè)連接彎頭用于連接氣路的出氣端和電路空腔。根據(jù)需求繪制連接彎頭模型圖，如圖5（c）所示，連接彎頭整體呈3/4 的“回”字型，其中進(jìn)氣端為內(nèi)徑30 mm 的圓型口，與呼出盒的出氣端相連；“U”型接口出氣端的2個(gè)出氣口通過呼出盒底部的2 個(gè)矩形通孔與電路空腔連通；電子溫濕度計(jì)安裝于連接彎頭內(nèi)。因?yàn)檫B接彎頭形狀特殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了方便拆裝，將連接彎頭拆分為3 段，每一段均呈“L”型。

圖5 連接部件模型圖

3.2 驗(yàn)證結(jié)果

本干燥系統(tǒng)可以在2 h 內(nèi)將呼出盒內(nèi)吹出的空氣的相對(duì)濕度降低至15%以下（即完成干燥），且完成干燥后的呼出盒裝機(jī)自檢無損壞，均能通過檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明本干燥系統(tǒng)完全可以完成呼出盒的干燥。

4 使用方法

開始干燥前先輕輕甩出清洗消毒完成后的呼出盒內(nèi)的大部分積水，再按圖6 所示連接壓力閥、流量閥、空氣加熱器、螺紋軟管、呼出盒和連接彎頭，連接好的實(shí)物圖如圖7 所示。使用時(shí)先將壓力閥和流量閥關(guān)閉，連接氣源后，再打開壓力閥和流量閥并調(diào)節(jié)至合適的壓力和流量，待相對(duì)濕度降低至15%以下，表示干燥完成。關(guān)閉壓力閥和流量閥后即可取下呼出盒。

圖6 呼出盒干燥系統(tǒng)安裝示意圖

圖7 呼出盒干燥系統(tǒng)實(shí)物圖

5 應(yīng)用效果

選取我院在用的部分呼出盒進(jìn)行干燥效率測(cè)試，通過比較傳統(tǒng)晾干法和本干燥系統(tǒng)的吹干法2種方式完成干燥所需要的時(shí)間，驗(yàn)證本干燥系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

（1）傳統(tǒng)晾干法：選取13 個(gè)呼出盒，在清洗消毒后分別將進(jìn)氣端和出氣端朝向操作人員，輕甩3～5下，確保呼出盒內(nèi)無明顯余水滴落后，再將呼出盒進(jìn)氣端朝上，傾斜45°放置在室內(nèi)晾干。室內(nèi)環(huán)境條件為溫度22 ℃，相對(duì)濕度47%。每12 h 檢查所有呼出盒，將內(nèi)壁無明顯水滴的呼出盒上機(jī)自檢，自檢不通過繼續(xù)晾干，自檢通過的認(rèn)為干燥完成，記錄干燥完成的呼出盒數(shù)量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)使用晾干法的呼出盒大部分干燥完成時(shí)間超過48 h，24 h 內(nèi)沒有呼出盒能完成干燥。

表1 晾干法干燥效率統(tǒng)計(jì)單位：個(gè)

（2）使用本干燥系統(tǒng)：對(duì)13 個(gè)呼出盒進(jìn)行相同的清洗消毒、甩干操作后，在同樣的室內(nèi)環(huán)境下，使用本干燥系統(tǒng)進(jìn)行吹干，0.5 h 后每15 min 觀察一次溫濕度，將相對(duì)濕度低于15%的呼出盒上機(jī)自檢，自檢不通過的繼續(xù)吹干，自檢通過的認(rèn)為干燥完成，并記錄干燥完成的呼出盒數(shù)量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)多數(shù)呼出盒在1 h 內(nèi)就可以完成干燥，全部呼出盒在2 h 內(nèi)完成干燥，干燥效率相對(duì)傳統(tǒng)晾干法有顯著提升。

表2 呼出盒干燥系統(tǒng)干燥效率統(tǒng)計(jì)單位：個(gè)

6 呼出盒干燥系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

本干燥系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以無損地快速吹干清洗消毒過的呼出盒，提高呼出盒和呼吸機(jī)的使用率；（2）可以根據(jù)不同的氣源自主調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力和流量，保證干燥過程中不會(huì)損壞呼出盒；（3）可以加熱進(jìn)氣的溫度，提高干燥效率；（4）末端采用溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)出氣濕度來判斷呼出盒內(nèi)部的干燥情況，可以保障干燥的效果；（5）結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、使用便捷、成本低，若出現(xiàn)材料部件的損耗，修復(fù)簡(jiǎn)單。

因?yàn)楸靖稍锵到y(tǒng)僅根據(jù)設(shè)計(jì)初步實(shí)現(xiàn)了功能，所以仍存在以下不足：（1）沒有進(jìn)行整體外殼設(shè)計(jì)，使用前需按要求組裝；（2）需要科室自備空氣氣源；（3）自動(dòng)化程度不夠，未設(shè)計(jì)干燥完成時(shí)自動(dòng)關(guān)閉氣源的功能。

7 結(jié)語(yǔ)

呼吸機(jī)是重要的生命支持類設(shè)備，在危重患者的搶救和治療過程中發(fā)揮著重要的作用。Servo 系列呼吸機(jī)監(jiān)測(cè)參數(shù)準(zhǔn)確、直觀，操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，是國(guó)內(nèi)各大醫(yī)院較為常用的呼吸機(jī)機(jī)型。為了解決呼出盒消毒的問題，醫(yī)院往往會(huì)多配置一些呼出盒輪換使用，這樣的做法加大了醫(yī)院的設(shè)備成本和管理難度。而本干燥系統(tǒng)氣壓、氣流、溫度均可調(diào)節(jié)，不會(huì)損壞呼出盒，以濕度作為干燥完成的標(biāo)準(zhǔn)，保障了干燥后的測(cè)試通過率，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可以為醫(yī)院減少不必要的設(shè)備支出和人力支出。目前，我院已經(jīng)有3 個(gè)科室在用本干燥系統(tǒng)，使用效果很好，得到科室好評(píng)。本設(shè)計(jì)兼具創(chuàng)新性與實(shí)用性，具有非常好的應(yīng)用前景。