吳金輝,郝麗梅,王潤(rùn)澤,衣 穎,祁建城
埃博拉疫情防控正壓生物防護(hù)服研究
吳金輝,郝麗梅,王潤(rùn)澤,衣 穎,祁建城
目的:研究正壓生物防護(hù)關(guān)鍵技術(shù),研發(fā)用于埃博拉個(gè)人防護(hù)的系列正壓生物防護(hù)服。方法:采用聚氨酯雙面貼膜研究正壓生物防護(hù)服復(fù)合面料,設(shè)計(jì)全身式和半身式正壓生物防護(hù)服結(jié)構(gòu);采用高性能風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng),研究電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng);參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系列正壓生物防護(hù)服進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。結(jié)果:研制的聚氨酯復(fù)合面料復(fù)合正壓生物防護(hù)服符合防護(hù)要求,研制了系列正壓生物防護(hù)服,防護(hù)服正壓差>150 Pa,噪音<70 dB,連續(xù)工作時(shí)間>4 h,對(duì)0.3 μm粒徑氣溶膠整體防護(hù)因子>100 000,整體防液體滲透性能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)GB 24539—2009要求。結(jié)論:研制的系列正壓生物防護(hù)服可以應(yīng)用于埃博拉等烈性傳染病的醫(yī)護(hù)人員高水平個(gè)人防護(hù)。
埃博拉病毒;個(gè)人防護(hù);正壓生物防護(hù)服
2014年2月,西非爆發(fā)了有史以來(lái)最嚴(yán)重的埃博拉疫情。2014年10月30日,世界衛(wèi)生組織通報(bào),此次埃博拉疫情已導(dǎo)致至少5 000人死亡,以及13 000人感染;在幾內(nèi)亞、利比里亞和塞拉利昂這3個(gè)病毒廣泛擴(kuò)散和嚴(yán)重傳播的國(guó)家,病毒傳染繼續(xù)呈上升趨勢(shì)。在抗擊埃博拉疫情的同時(shí),醫(yī)護(hù)人員本身的安全形勢(shì)也日趨嚴(yán)峻,加強(qiáng)醫(yī)護(hù)人員的個(gè)人防護(hù)也成了研究的重點(diǎn)之一。目前,在西非的埃博拉醫(yī)護(hù)人員一般穿戴多層連體式生物防護(hù)服、頭套、口罩、面罩、多層手套、防護(hù)靴,基本做到了全身防護(hù)。但值得注意的是,已有超過(guò)400名醫(yī)護(hù)人員在西非感染埃博拉,其中233人死亡,醫(yī)護(hù)人員依然是埃博拉病毒感染的高危人群。為此,世界衛(wèi)生組織建議提高醫(yī)護(hù)人員防護(hù)等級(jí),以加強(qiáng)個(gè)人防護(hù)安全性[1]。
埃博拉病毒在生物安全分級(jí)上屬于感染性最強(qiáng)“四級(jí)”病毒,對(duì)其研究應(yīng)在生物安全四級(jí)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,并需要操作人員穿戴正壓生物防護(hù)服等個(gè)人防護(hù)裝備[2]。埃博拉病毒感染者的血液、體液、嘔吐物、排泄物中均含有埃博拉病毒,且主要通過(guò)接觸感染。醫(yī)護(hù)人員在對(duì)感染者進(jìn)行醫(yī)療護(hù)理時(shí),面對(duì)的將是一個(gè)隨時(shí)爆發(fā)的“感染源”。從感染的醫(yī)護(hù)人員數(shù)量分析,目前采取的個(gè)人防護(hù)措施遠(yuǎn)未能達(dá)到安全隔離的要求。
本文主要分析了國(guó)外正壓生物防護(hù)服的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀,結(jié)合我國(guó)正壓生物防護(hù)服的現(xiàn)實(shí)需求,研究了正壓防護(hù)服形成、裝備結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵材料和安全性評(píng)價(jià),研制了全身式正壓生物防護(hù)服和半身式正壓生物防護(hù)服,有望顯著提高我國(guó)醫(yī)護(hù)人員抗擊埃博拉等烈性傳染性病毒的個(gè)人防護(hù)能力。
1.1 正壓生物防護(hù)服分類(lèi)
正壓生物防護(hù)服按照結(jié)構(gòu)形式可以分為全身式正壓生物防護(hù)服和半身式正壓生物防護(hù)服。前者的頭部、軀干和四肢連在一起,向穿著人員提供全身防護(hù);后者由頭罩和披肩構(gòu)成,主要防護(hù)穿戴者的頭部,因此須與其他類(lèi)型的生物防護(hù)服配套使用。
按照供氣方式,正壓生物防護(hù)服可分為壓縮氣源式正壓生物防護(hù)服和電動(dòng)送風(fēng)過(guò)濾式正壓生物防護(hù)服[3]。壓縮氣源式正壓生物防護(hù)服采用向防護(hù)服內(nèi)接入壓縮空氣的供氣方式。壓縮氣源一般為固定式生命支持系統(tǒng),因此限制了穿著者活動(dòng)范圍,一般在實(shí)驗(yàn)室等固定場(chǎng)所使用。電動(dòng)送風(fēng)式正壓生物防護(hù)服由于靠自身攜帶風(fēng)機(jī)、電池及過(guò)濾單元進(jìn)行防護(hù)服內(nèi)送風(fēng),因此不受長(zhǎng)管和氣源的限制,穿著者活動(dòng)范圍也不受限制,可廣泛用于醫(yī)療護(hù)理、野外采樣、處置等環(huán)境。
1.2 正壓生物防護(hù)服研究現(xiàn)狀
正壓生物防護(hù)服研發(fā)難度大、檢測(cè)成本高昂,因此國(guó)際上僅有為數(shù)不多的知名公司開(kāi)展相關(guān)研究并形成產(chǎn)品。目前,廣泛被用戶(hù)接納的僅有法國(guó)DELTA公司、美國(guó)ILC Dover公司和德國(guó)HoV公司的產(chǎn)品(如圖1所示)。其中法國(guó)DELTA公司的市場(chǎng)占有率最大,該公司正壓防護(hù)服以180°視野、適體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輕柔的面料和嚴(yán)格系統(tǒng)的檢測(cè)使其具有優(yōu)良的綜合性能,已形成了包括壓縮空氣式和動(dòng)力送風(fēng)式,可供實(shí)驗(yàn)室和污染現(xiàn)場(chǎng)使用的系列產(chǎn)品。
正壓防護(hù)服材料要求防水、耐酸堿、耐腐蝕、耐磨擦、質(zhì)地柔軟、機(jī)械強(qiáng)度高、氣密性強(qiáng)及質(zhì)量輕[4]。一些單層橡膠、PVC、聚氨酯等材料被嘗試用于研制正壓生物防護(hù)服[5],如法國(guó)DELTA公司的生物安全四級(jí)防護(hù)服就采用了PVC涂在極薄的滌綸上的材料,質(zhì)地柔軟。瑞士研制的Rolamit材料,是一種多用途的層壓膜材料,厚度僅為100 μm,質(zhì)量100~150 g/m2,具有良好的機(jī)械性能、耐磨損和耐穿刺性能[6]。
目前,國(guó)外在正壓防護(hù)服研究方面采用了大量的新技術(shù)。在正壓防護(hù)服整體設(shè)計(jì)方面,虛擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬得到應(yīng)用。Edwards采用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行正壓防護(hù)服內(nèi)流場(chǎng)和熱交換模擬優(yōu)化設(shè)計(jì),為正壓防護(hù)服內(nèi)微環(huán)境模擬與優(yōu)化研究開(kāi)辟了新的途徑[7]。在關(guān)鍵部件研究方面,柔性氣密拉鏈、防水單向排氣閥、自動(dòng)閉鎖恒壓無(wú)污染切換式送氣接頭、輕型化動(dòng)力送風(fēng)系統(tǒng)等均得到深入研究[8]。在測(cè)試方面,動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)正被重視和深入研究[9]。正壓防護(hù)服工作狀態(tài)監(jiān)控關(guān)系到對(duì)人員的安全防護(hù),越來(lái)越受到重視,如法國(guó)DELTA公司的正壓防護(hù)服就帶有低風(fēng)量自動(dòng)報(bào)警功能。
對(duì)每類(lèi)生產(chǎn)設(shè)備的可利用生產(chǎn)時(shí)間進(jìn)行最優(yōu)分配,是企業(yè)生產(chǎn)管理者的一種常見(jiàn)生產(chǎn)安排方案之一.此時(shí),每類(lèi)設(shè)備中的每臺(tái)設(shè)備都將遵循相同的最優(yōu)分配,而不同種類(lèi)設(shè)備的最優(yōu)分配方案則不一定相同.
圖1 歐美知名企業(yè)的生物安全四級(jí)實(shí)驗(yàn)室正壓生物防護(hù)服
2.1 正壓生物防護(hù)服面料研制
采用將聚酯型聚氨酯熱壓在機(jī)織布上的方法,制成符合GB 24539—2009[10]標(biāo)準(zhǔn)要求的復(fù)合面料。透明頭罩部分采用0.3 mm厚的聚酯型聚氨酯透明膜材料。
制備復(fù)合面料時(shí),首先用線(xiàn)棒涂布器將聚氨酯母液制備成0.2 mm和0.1 mm厚度的2種膜,分別放置于熱壓機(jī)上35 MPa壓力下滾壓,使聚氨酯與春亞紡針織布牢固結(jié)合,制成聚氨酯復(fù)合面料。壓出的聚氨酯復(fù)合面料厚度為0.4 mm,質(zhì)量為180 g/m2,具有良好的高頻熱合加工性能。0.2 mm聚氨酯膜強(qiáng)度較高,光澤度好,可作為面料表層,0.1 mm聚氨酯膜較為柔軟,手感和體感較好,可作為面料里層。
按照GB 24539—2009標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合面料進(jìn)行各項(xiàng)物理參數(shù)測(cè)試,結(jié)果表明,復(fù)合面料斷裂強(qiáng)力652N,撕破強(qiáng)力100 N,接縫斷裂強(qiáng)力620 N,抗穿刺強(qiáng)力132 N,耐磨次數(shù)>500次,耐靜水壓>120 kPa,達(dá)到GB 24539—2009氣密性化學(xué)防護(hù)服的分級(jí)3級(jí)要求,能夠用于正壓生物防護(hù)服的研制。
參照標(biāo)準(zhǔn)ISO 16604—2004檢測(cè)復(fù)合面料的微生物阻隔性能,微生物選擇噬菌體Phi-X174、脊髓灰質(zhì)炎病毒、枯草桿菌黑色變種芽孢、白色念珠球菌和人工合成血液。檢測(cè)結(jié)果表明,在20 kPa的靜水壓下,所測(cè)微生物均未能穿透復(fù)合面料,達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的防護(hù)要求。
2.2 系列正壓生物防護(hù)服電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)研制
系列正壓生物防護(hù)服電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為通用型,既能用于全身式,也能用于半身式。電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)主要由無(wú)刷直流高速風(fēng)機(jī)、鋰電池、高效空氣過(guò)濾器、集成控制電路、外殼等部分組成。要求結(jié)構(gòu)緊湊,整體氣密、防水,采用4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)小型超高效過(guò)濾器以增大送風(fēng)量。最終研制的電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。
電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)的噪聲<70 dB,在300 Pa送風(fēng)壓力下,送氣流量不低于390 L/min,在持續(xù)運(yùn)行的6 h內(nèi)性能穩(wěn)定可靠,對(duì)0.3 μm粒徑的氣溶膠整體防護(hù)效率>99.999%,防護(hù)因子>360 000,可滿(mǎn)足全身式正壓生物防護(hù)服和半身式正壓生物防護(hù)服的使用要求。
圖2 系列正壓生物防護(hù)服用電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)
2.3 全身式正壓生物防護(hù)服研制
全身式正壓生物防護(hù)服為一體化結(jié)構(gòu),頭部、軀干和四肢連接成一整體,如圖3所示。頭部采用高透明性的PU膜制成,其余采用聚氨復(fù)合面料通過(guò)高頻熱合方式加工。通過(guò)背部電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)將新鮮潔凈空氣送入防護(hù)服內(nèi)部,然后經(jīng)襯腔首先到達(dá)頭部,最后由安放在腿部的單向排氣閥排出。設(shè)計(jì)頭部送風(fēng)口目的是在面部形成風(fēng)幕,避免霧化現(xiàn)象發(fā)生;手套和防護(hù)靴均采用卡環(huán)設(shè)計(jì),方便更換。采用進(jìn)口柔性氣密拉鏈設(shè)計(jì)可保證穿脫方便,并可使防護(hù)服具有較好的折疊性。為防止電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)故障、電量過(guò)低或防護(hù)服意外破損造成的正壓差下降,設(shè)計(jì)了微壓差報(bào)警裝置,壓差低于50 Pa時(shí)自動(dòng)蜂鳴報(bào)警。電池電量過(guò)低時(shí)電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)也將蜂鳴報(bào)警。提醒穿著人員及時(shí)從工作區(qū)撤離到安全區(qū)。
新研制的全身式正壓生物防護(hù)服如圖4所示。
圖3 全身式正壓生物防護(hù)服結(jié)構(gòu)組成
圖4 全身式正壓生物防護(hù)服
2.4 半身式正壓生物防護(hù)服研制
半身式正壓生物防護(hù)服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示,主要由透明頭罩、柔性頸部充氣密封、頸部單向進(jìn)氣閥、防護(hù)披肩、送氣軟管、單向排氣閥、電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)和背負(fù)系統(tǒng)組成。透明頭罩采用0.3 mm厚聚氨酯膜材料,工作時(shí)內(nèi)部正壓,對(duì)穿著人員進(jìn)行呼吸和頭部防護(hù)。頸部充氣密封圈采用0.03 mm厚聚氨酯膜材料制成,在兩側(cè)安裝單向排氣閥。電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)提供的潔凈空氣首先充滿(mǎn)密封圈,使密封圈緊貼穿著人員的頸部。兩側(cè)單向排氣閥將空氣沿穿著人員下頜部送入頭罩,在面部形成氣幕,防止頭罩呼吸起霧。最后空氣從位于頭罩頂部的單向排氣閥排出。電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)安裝在雙肩背包式背負(fù)系統(tǒng)上,通過(guò)胸帶和腰帶牢牢固定在穿著人員背部。
圖5 半身式正壓生物防護(hù)服結(jié)構(gòu)示意圖
新研制的半身式正壓生物防護(hù)服如圖6所示。
圖6 半身式正壓生物防護(hù)服
3.1 系列正壓生物防護(hù)服運(yùn)行性能研究
系列正壓生物防護(hù)服運(yùn)行性能主要包括送風(fēng)量、正壓差、噪聲、連續(xù)工作時(shí)間、質(zhì)量等。通過(guò)檢測(cè),系列正壓生物防護(hù)服的主要運(yùn)行性能指標(biāo)見(jiàn)表1。
表1 系列正壓生物防護(hù)服運(yùn)行性能指標(biāo)
3.2 系列正壓生物防護(hù)服氣溶膠防護(hù)性能研究
參照EN 943-1標(biāo)準(zhǔn),采用大氣塵作為氣溶膠源,評(píng)價(jià)系列正壓生物防護(hù)服對(duì)0.3 μm粒徑氣溶膠的整體防護(hù)性能。其中,全身式正壓生物防護(hù)服檢測(cè)頭部、胸部和排氣閥3個(gè)位置,半身式則只檢測(cè)頭部位置。
首先用粒子計(jì)數(shù)器采集待測(cè)房間的大氣塵濃度,采樣流量28.3 L/min,采樣時(shí)間1 min,達(dá)到要求方可進(jìn)行下一步檢測(cè)。檢測(cè)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)各記錄一次大氣塵氣溶膠濃度,作為本底濃度。將正壓生物防護(hù)服放置于環(huán)境氣溶膠濃度達(dá)到測(cè)試要求的房間內(nèi),將粒子計(jì)數(shù)器接在防護(hù)服內(nèi)部。啟動(dòng)電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng),待正壓防護(hù)服壓力達(dá)到穩(wěn)定后,持續(xù)檢測(cè)防護(hù)服內(nèi)0.3 μm粒徑氣溶膠個(gè)數(shù),同時(shí)計(jì)時(shí)。測(cè)試在全身式正壓生物防護(hù)服頭部、胸部、排氣閥位置各進(jìn)行1次,半身式只在頭罩中央位置檢測(cè)1次。
系列正壓生物防護(hù)服整體生物氣溶膠防護(hù)效率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。在測(cè)試條件下,全身式正壓生物防護(hù)服各部位和半身式正壓生物防護(hù)服頭罩內(nèi)部防護(hù)因子均在100 000以上,說(shuō)明系列正壓生物防護(hù)服在各種工作狀況下均能保證其對(duì)氣溶膠的整體防護(hù)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
表2 系列正壓生物防護(hù)服整體生物氣溶膠防護(hù)效率測(cè)試結(jié)果
3.3 系列正壓生物防護(hù)服整體液體穿透性能研究
埃博拉病毒主要通過(guò)接觸傳播,因此,系列正壓生物防護(hù)服對(duì)液體滲漏的防護(hù)能力成為至關(guān)重要的指標(biāo)。本文系列正壓生物防護(hù)服整體液體穿透性能測(cè)試參照GB 24539—2009附錄B《化學(xué)防護(hù)服液體穿透性能測(cè)試方法》。整體液體穿透性能測(cè)試系統(tǒng)由5個(gè)低流量噴嘴和1個(gè)供水裝置組成,噴嘴1位于正壓生物防護(hù)服上端460 mm處,左右水平距離1 070 mm,噴嘴前端直徑9 mm,上端分布10個(gè)Φ0.8 mm的出水小孔,測(cè)試時(shí)噴嘴的流量控制在(3.0±0.2)L/min,如圖7所示。
測(cè)試前檢查防護(hù)服以確保其完全干燥,采用表面活性劑調(diào)節(jié)測(cè)試溶液表面張力為(0.032±0.002)N/m,然后開(kāi)啟正壓生物防護(hù)服動(dòng)力送風(fēng)系統(tǒng),待壓力達(dá)到穩(wěn)定后開(kāi)啟噴嘴閥門(mén)開(kāi)始噴淋實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行60 min,每隔15 min將正壓生物防護(hù)服按相同方向旋轉(zhuǎn)45°。噴淋實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,去除正壓防護(hù)服表面殘余的液體,關(guān)閉送風(fēng)系統(tǒng),檢查內(nèi)部濕潤(rùn)情況,重點(diǎn)檢查接縫、接口和進(jìn)排氣口等部位。
系列正壓生物防護(hù)服在經(jīng)過(guò)上述方法噴淋后未在內(nèi)部發(fā)現(xiàn)泄漏和濕潤(rùn)現(xiàn)象,整體防液體滲透防護(hù)性能達(dá)到GB 24539—2009要求。
圖7 系列正壓生物防護(hù)服防液體穿透性能測(cè)試原理圖
埃博拉等烈性傳染病防控時(shí)醫(yī)護(hù)人員個(gè)人防護(hù)至關(guān)重要,已引起了世界各國(guó)的廣泛重視。本文從埃博拉疫情防控實(shí)際需要出發(fā),研究了正壓個(gè)人生物防護(hù)技術(shù),開(kāi)發(fā)了系列正壓生物防護(hù)服,其對(duì)氣溶膠和液體滲透的整體防護(hù)性能優(yōu)良。本文研制的系列正壓生物防護(hù)服已在埃博拉疫情防控相關(guān)領(lǐng)域得到了應(yīng)用,有望為埃博拉疫情防控相關(guān)人員提供高等級(jí)的個(gè)人防護(hù)。
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(收稿:2014-11-20)
Research of positive-pressure bio-protective suit for Ebola disease
WU Jin-hui,HAO Li-mei,WANG Run-ze,YI Ying,QI Jian-cheng
(Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China)
To study the key techniques of positive-pressure protection and series of suits for Ebola disease.The suit had composite fabric made of double-side filmed polyurethane,an electric blower system made of high-performance blower and control system as well as an one-piece and two-piece structure.Safety evaluation of the suit was carried out according to standard related.The suite could meet the desired requirements,with the positive pressure difference more than 150 Pa,noise less than 70 dB,continuous operating time more than 4 h and general protection factor more than 100 000 against 0.3 μm aerosol particles.The anti-seepage performance against liquid accorded with GB 24539—2009.The suit can be used for the protection of medical staffs against the fulminating infectious diseases such as Ebola disease.[Chinese Medical Equipment Journal,2014,35(12):93-96]
Ebola virus;individual protection;positive-pressure bio-protective suit
R318;R181.9
A
1003-8868(2014)12-0093-04
10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.093
國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2012ZX10004801);國(guó)家“863”計(jì)劃(2014A A021405)
吳金輝(1978—),男,副研究員,主要從事生物防護(hù)技術(shù)與裝備方面的研究工作,E-mail:wujh@npec.org.cn。
300161天津,軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所(吳金輝,郝麗梅,王潤(rùn)澤,衣 穎,祁建城)
祁建城,E-mail:qijch@npec.org.cn