一种呼吸道传染病生物气溶胶负压阻隔装置

1.本发明属于医疗器械领域，特别是涉及一种呼吸道传染病生物气溶胶负压阻隔装置。


背景技术：

2.飞沫和气溶胶是呼吸道传染病传播的主要途径之一。目前，医院处理患者呼吸产生传染性飞沫气溶胶的主要方式有给患者佩戴口罩、保持环境通风、定时清扫消毒等。对于烈性呼吸道传染病而言，则要进一步采取增设负压病房、穿戴隔离服等方式避免烈性病毒的扩散，减少人员感染风险。具备这种条件的病房由于建设、维护的成本过高，因此数量有限，仅能满足偶发、感染人数不多的烈性呼吸道传染病救治需要。
3.然而，由于一些呼吸道传染病的高度传染性和扩散能力，给现代医疗防护措施提出了新的挑战。现有符合条件的医疗设施不能满足及时收治激增病患的要求，对医疗资源产生了严重的挤兑。不仅如此，在救治病患的过程中，患者呼出的传染性气体不断在病房内扩散，使得整个房间弥漫着有害病原体，医护人员在这种环境下工作承担着较大的感染风险。不难看出，进一步加强相应防护措施的现实需求已经十分的迫切。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提出一种呼吸道传染病生物气溶胶负压阻隔装置，能够对患者呼吸产生的传染性飞沫气溶胶进行及时阻隔、捕获、过滤消杀，同时提高患者使用的舒适度，减轻传统面罩长时间佩戴所产生的局部疼痛和肿胀感。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种呼吸道传染病生物气溶胶负压阻隔装置，包括面罩系统、风机系统和过滤消杀系统，所述面罩系统放置于看护病床之上，位于患者头颈部的上方，能够通过挡位支架调整面罩本体与患者口鼻之间的距离，所述风机系统与面罩系统相连，利用其配备的负压风机通过集气管道抽取面罩系统收集的传染性飞沫气溶胶，并通过配备的净化管道将抽取的传染性飞沫气溶胶输送至过滤消杀系统，所述过滤消杀系统接收来自风机系统的传染性飞沫气溶胶，并负责对其中的有害物质进行消杀和过滤，之后将洁净无害的气体排出至周围环境。
6.更进一步的，所述面罩系统包括两个挡位支架和面罩本体，所述两个挡位支架分别安装在面罩本体的两侧，用于调节面罩本体距离患者口鼻之间的距离。
7.更进一步的，所述挡位支架包括支架底座、两个挡位立柱、支架上梁、调高龙骨、两个调高锁闩、两个复位弹簧、两根传力软绳、拉动握杆、龙骨封盖以及两个旋钮卡扣，两个挡位立柱下端安装在支架底座上，上端与支架上梁连接，每个挡位立柱上都设置有若干卡槽，所述调高龙骨的两端与挡位立柱连接，并卡在挡位立柱的卡槽上，两个调高锁闩分别安装在调高龙骨的左右两个锁闩滑道内，并与其形成滑动副，两个复位弹簧分别安装在调高龙骨的左右两个锁闩滑道内，位于各自对应的调高锁闩与隔离挡板之间，所述拉动握杆呈u型结构，其左右两侧的滑块结构安装在握杆滑道内，并与之形成滑动副，两根传力软绳成对使
用，两根软绳的一端分别与两个调高锁闩的牵引端面相连，另一端依次穿过各自对应复位弹簧的轴心以及各自对应隔离挡板的中心圆孔，途径传力滑道并沿着各自对应的转角挡板转弯，之后分别进入u型握杆滑道的左滑道和右滑道，最终分别与拉动握杆左右两侧的滑块结构相连，两个旋钮卡扣对称安装在龙骨封盖的上端面，在面罩本体安放在龙骨封盖上端面的同时，四个旋钮卡扣穿过面罩本体的四个定位孔并通过旋转对面罩本体进行固定。
8.更进一步的，所述调高龙骨包括支撑外壳、两个升降滑道、两个锁闩滑道、两个隔离挡板、两个转角挡板、传力滑道以及握杆滑道，两个升降滑道对称布置在支撑外壳的左右两端，可与两根挡位立柱配合形成滑动副，两个锁闩滑道对称布置在两个升降滑道的内侧，并分别与左右升降滑道的方形孔相连，与调高锁闩配合形成滑动副；所述传力滑道位于左右两个锁闩滑道之间，通过两个隔离挡板与两个锁闩滑道相连；在传力滑道的一侧布置有一对转角挡板，两个转角挡板同样呈左右对称布置；握杆滑道呈左右对称的u型结构，布置在支撑外壳的中部，与两个转角挡板位于同一侧，其滑道的左端口和右端口分别与左右两个转角挡板的开口相对应，与拉动握杆配合形成滑动副。
9.更进一步的，当调高锁闩沿着锁闩滑道向相连的升降滑道移动时，其锁闩端面通过升降滑道的方孔伸出，进而与挡位立柱对应高度上的定高凹槽配合锁紧，起到调整调高龙骨高度的作用。
10.更进一步的，当调高锁闩沿着锁闩滑道向相连的隔离挡板移动时，复位弹簧将受到调高锁闩牵引端面和隔离挡板的共同挤压而发生压缩，储存弹性能量。
11.更进一步的，龙骨封盖安装在调高龙骨上，用于对调高龙骨进行封装，保护调高龙骨内部的零部件，其上端面同时用于承装面罩本体。
12.更进一步的，所述面罩本体包括左法兰、右法兰、定位孔、斜坡曲面、聚气通道和抽气管，所述左法兰和右法兰在空间上互为对称结构，且位于同一平面，两者共同形成了面罩本体的支撑底座；所述定位孔布置在左法兰和右法兰上，与定位支架中的旋钮卡扣配合；所述斜坡曲面的左侧边界与左法兰相连，右侧边界与右法兰相连；聚气通道位于斜坡曲面的中下部，与斜坡曲面相通，负责在面罩系统与风机系统联动抽气时，对患者呼吸产生的传染性飞沫气溶胶进行初步汇集。在聚气通道的上弧面设置有抽气管。
13.更进一步的，所述抽气管包括左抽气管、中抽气管和右抽气管，所述聚气通道的上弧面从左至右依次连接有左抽气管、中抽气管和右抽气管，其中，中抽气管位于聚气通道上弧面的中心，左抽气管与右抽气管对称分布在中抽气管的左右两侧，三者以中抽气管为中心相互联通，用于在风机系统形成的负压作用下，抽取经聚气通道初步汇集的传染性飞沫气溶胶。
14.更进一步的，所述面罩本体是一种光滑透明的曲面罩壳，负责收集患者呼吸产生的传染性飞沫气溶胶并传递至风机系统，所述斜坡曲面采用了前高后低的曲面构造。
15.与现有技术相比，本发明所述的一种呼吸道传染病生物气溶胶负压阻隔装置的有益效果是：
16.(1)本发明涉及一种呼吸道传染病生物气溶胶负压阻隔装置，能够实现对患者呼吸产生的传染性飞沫气溶胶进行及时阻隔、捕获、过滤消杀，可有效避免病毒在病房内的扩散，降低医护人员感染风险，避免院内交叉感染。
17.(2)本发明采用半开放式便携设计，应用场景灵活，对病房配套条件没有特殊要
求，可以快速及时投入使用，形成有效的防护措施，可广泛应用于icu病房、传染病房、方舱医院、救护车等医疗场景。
18.(3)本发明可根据患者的身材调节面罩距离其口鼻的距离，满足不同人群的实际需要，同时非接触式的使用方式也提高了患者的使用舒适度，有效减少了传统面罩在长时间佩戴后产生的局部疼痛和肿胀感。
附图说明
19.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1为本发明所述的呼吸道传染病生物气溶胶负压阻隔装置的总体布局示意图；
21.图2为本发明所述的面罩系统的结构示意图；
22.图3为本发明所述的挡位支架的结构示意图；
23.图4为本发明所述的调高龙骨的结构示意图；
24.图5为面罩本体的结构示意图；
25.图中：1-面罩系统；1.1-挡位支架；1.2-面罩本体；1.1.1-支架底座；1.1.2-调高龙骨；1.1.3-旋钮卡扣；1.1.4-龙骨封盖；1.1.5-挡位立柱；1.1.6-调高锁闩；1.1.7-复位弹簧；1.1.8-传力软绳；1.1.9-拉动握杆；1.1.10-支架上梁；1.1.2.1-升降滑道；1.1.2.2-锁闩滑道；1.1.2.3-隔离挡板；1.1.2.4-转角挡板；1.1.2.5-传力滑道；1.1.2.6-握杆滑道；1.1.2.7-支撑外壳；1.2.1-定位孔；1.2.2-左法兰；1.2.3-左抽气管；1.2.4-中抽气管；1.2.5-右抽气管；1.2.6-聚气通道；1.2.7-斜坡曲面；1.2.8-右法兰；2-风机系统；3-过滤消杀系统。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
27.(一)总体布局
28.参见图1-5说明本实施方式，本发明涉及一种呼吸道传染病生物气溶胶负压阻隔装置，其总体布局如图1所示。装置由面罩系统1、风机系统2、过滤消杀系统3等零部件组成。其中，面罩系统1放置于看护病床之上，位于患者头颈部的上方，可通过配备的挡位支架1.1按照一定的高度挡位调整面罩本体1.2与患者口鼻之间的距离，负责收集患者呼吸产生的传染性飞沫气溶胶；风机系统2通过配备的集气管道与面罩系统1相连，利用配备的负压风机通过集气管道抽取面罩系统1收集的传染性飞沫气溶胶，并通过配备的净化管道将抽取的传染性飞沫气溶胶输送至过滤消杀系统3；过滤消杀系统3接收来自风机系统2的传染性飞沫气溶胶，并负责对其中的有害物质进行消杀、过滤，之后将洁净无害的气体排出至周围环境。
29.(二)面罩系统设计
30.本发明所涉及面罩系统1的结构示意如图2所示，主要由挡位支架1.1、面罩本体1.2组成，其主要特征如下：
31.挡位支架1.1成对使用，负责承装面罩本体1.2并调节面罩本体1.2与患者口鼻之间的距离，其结构示意如图3所示，主要由支架底座1.1.1、挡位立柱1.1.5、支架上梁1.1.10、调高龙骨1.1.2、调高锁闩1.1.6、传力软绳1.1.8、复位弹簧1.1.7、拉动握杆1.1.9、龙骨封盖1.1.4以及旋钮卡扣1.1.3等零部件组成。
32.支架底座1.1.1是挡位支架1.1的支撑基座；挡位立柱1.1.5成对使用，其下端固定安装在支架底座1.1.1对应的孔位上，上端与支架上梁1.1.10的对应孔位固定相连；支架底座1.1.1、挡位立柱1.1.5、支架上梁1.1.10构成了挡位支架1.1的结构主体。
33.调高龙骨1.1.2是一种内部具有滑道结构的空腔壳体，同时也是挡位支架1.1实现高度调节功能的基础零件，其结构示意如图4所示。调高龙骨1.1.2呈左右对称布局，主要由支撑外壳1.1.2.7、升降滑道1.1.2.1、锁闩滑道1.1.2.2、隔离挡板1.1.2.3、转角挡板1.1.2.4、传力滑道1.1.2.5以及握杆滑道1.1.2.6等结构组成。其中，支撑外壳1.1.2.7是调高龙骨1.1.2的主体结构，其他的滑道结构和空腔结构均设置在其内部；升降滑道1.1.2.1对称布置在支撑外壳1.1.2.7的左右两端，可与两根挡位立柱1.1.5配合形成滑动副；锁闩滑道1.1.2.2对称布置在支撑外壳1.1.2.7的左右两端，位于两个升降滑道1.1.2.1的内侧，并分别与左右升降滑道1.1.2.1的方形孔相连，可与调高锁闩1.1.6配合形成滑动副；传力滑道1.1.2.5位于左右两个锁闩滑道1.1.2.2之间，通过两个隔离挡板1.1.2.3与两个锁闩滑道1.1.2.2相连；在传力滑道1.1.2.5的一侧布置有一对转角挡板1.1.2.4，两个转角挡板1.1.2.4同样呈左右对称布置；握杆滑道1.1.2.6呈左右对称的u型结构，布置在支撑外壳1.1.2.7的中部，与两个转角挡板1.1.2.4位于同一侧，其滑道的左端口和右端口分别与左右两个转角挡板1.1.2.4的开口相对应，可与拉动握杆1.1.9配合形成滑动副。
34.调高锁闩1.1.6成对使用，分别安装在调高龙骨1.1.2的左右两个锁闩滑道1.1.2.2内，并与其形成滑动副。当调高锁闩1.1.6沿着锁闩滑道1.1.2.2向相连的升降滑道1.1.2.1移动时，其锁闩端面可通过升降滑道1.1.2.1的方孔伸出，进而与挡位立柱1.1.5对应高度上的定高凹槽配合锁紧，起到调整调高龙骨1.1.2高度的作用。
35.复位弹簧1.1.7成对使用，分别安装在调高龙骨1.1.2的左右两个锁闩滑道1.1.2.2内，位于各自对应的调高锁闩1.1.6与隔离挡板1.1.2.3之间。当调高锁闩1.1.6沿着锁闩滑道1.1.2.2向相连的隔离挡板1.1.2.3移动时，复位弹簧1.1.7将受到调高锁闩1.1.6牵引端面和隔离挡板1.1.2.3的共同挤压而发生压缩，储存弹性能量。
36.拉动握杆1.1.9呈左右对称的u型布局，其左右两侧的滑块结构可安装在握杆滑道1.1.2.6内，并与之形成滑动副。
37.传力软绳1.1.8成对使用，两根软绳的一端分别与两个调高锁闩1.1.6的牵引端面相连，另一端依次穿过各自对应复位弹簧1.1.7的轴心以及各自对应隔离挡板1.1.2.3的中心圆孔，途径传力滑道1.1.2.5并沿着各自对应的转角挡板1.1.2.4转弯，之后分别进入u型握杆滑道1.1.2.6的左滑道和右滑道，最终分别与拉动握杆1.1.9左右两侧的滑块结构相连。
38.龙骨封盖1.1.4与调高龙骨1.1.2配合使用，可在调高龙骨1.1.2内安装好调高锁闩1.1.6、传力软绳1.1.8、复位弹簧1.1.7、拉动握杆1.1.9之后对调高龙骨1.1.2的开放面进行封装，保护调高龙骨1.1.2内部的零部件，其上端面同时用于承装面罩本体1.2。
39.旋钮卡扣1.1.3成对使用，呈左右对称布局安装在龙骨封盖1.1.4的上端面，可在
面罩本体1.2安放在龙骨封盖1.1.4上端面的同时，穿过面罩本体1.2的定位孔并通过旋转对面罩本体1.2进行固定。
40.面罩本体1.2是一种光滑透明的曲面罩壳，负责收集患者呼吸产生的传染性飞沫气溶胶并传递至风机系统2，其结构示意如图5所示，呈左右对称布局，主要由左法兰1.2.2、右法兰1.2.8、定位孔1.2.1、斜坡曲面1.2.7、聚气通道1.2.6、左抽气管1.2.3、右抽气管1.2.5以及中抽气管1.2.4等结构组成。其中，左法兰1.2.2和右法兰1.2.8在空间上互为对称结构，且位于同一平面，两者共同形成了面罩本体1.2的支撑底座；定位孔1.2.1布置在左法兰1.2.2和右法兰1.2.8之上，可与定位支架1.1中的旋钮卡扣1.1.3配合使用，当面罩本体1.2承装在定位支架1.1上时，起到固定面罩本体1.2的作用；斜坡曲面1.2.7是面罩本体1.2的主体结构，采用了前高后低的曲面构造，其左侧边界与左法兰1.2.2相连，右侧边界与右法兰1.2.8相连；聚气通道1.2.6位于斜坡曲面1.2.7的中下部，与斜坡曲面1.2.7相通，负责在面罩系统1与风机系统2联动抽气时，对患者呼吸产生的传染性飞沫气溶胶进行初步汇集；在聚气通道1.2.6的上弧面从左至右依次连接有左抽气管1.2.3、中抽气管1.2.4、右抽气管1.2.5，中抽气管1.2.4位于聚气通道1.2.6上弧面的中心，左抽气管1.2.3与右抽气管1.2.5对称分布在中抽气管1.2.4的左右两侧，三者以中抽气管1.2.4为中心相互联通，用于在风机系统2形成的负压作用下，抽取经聚气通道1.2.6初步汇集的传染性飞沫气溶胶。
41.为使得本发明能够有效收集、抽取、净化患者呼吸产生的传染性飞沫气溶胶，应对人体呼吸产生的气流的运动形式开展研究，并以此作为设计依据。
42.由于人体呼出的气流在脱离口鼻不远处就开始以湍流的形式运动扩散，本发明所涉及面罩系统1在设计时，首先采用了基于雷诺时均法的标准k-ε双方程模型，作为湍流流动的基本模型对呼出气流进行了分析；其次，采用瞬时纳维-斯托克斯控制方程对有限空间内受边界阻碍条件下呼出气流的自由扩散以及在定常气流引流条件下的流场进行了流体力学仿真模拟，得到了对应的呼出气流流场模型，分析出气流随时间变化的空间扩散分布情况。
43.面罩系统1的形状尺寸、与患者口鼻之间的位置关系，直接影响着传染性飞沫气溶胶的捕获率。本发明基于cfd数值模拟技术对面罩系统1的形状及结构参数进行了设计，可达到提高飞沫气溶胶阻隔效率，降低风机系统2最小工作负压值的目的。
44.依据建立的呼出气流自由扩散流场模型，通过cfd数值模拟得到飞沫气溶胶随时间爆发性扩散的情况，取气流快速衰减转折点的空间参数作为面罩本体1.2尺寸与曲面形状的参考。
45.将面罩本体1.2作为流体边界引入到数值模拟中，计算呼出气流的压力空间分布图和边界溢出情况，在呼出气流中心高压力区以及溢出严重的边界区域设置相应的抽气管道。依据建立的定常气流引导的流场模型进行仿真，并通过插值法确定飞沫气溶胶溢出的临界负压值，由此得到面罩本体1.2的形状与结构参数的参考基准。
46.基于响应面法，以临界负压值为响应变量，面罩本体1.2的半径、跨度、高度等外形尺寸以及抽气管道等效截面积、等效中心位置等为输入变量组，以cfd数值模拟结果作为样本点，进行响应函数的多元二次回归方程拟合，并据此在合理区间内选取最优参数组合，最后通过流体有限元仿真以及标识烟雾实验验证。
47.(一)实施案例a
48.本发明所涉及的呼吸道传染病生物气溶胶负压阻隔装置在使用时的操作步骤如下：
49.(1)患者平躺在看护床上。
50.(2)在患者头颈部附近左右两侧的床体上各布置一个挡位支架1.1。
51.(3)握紧挡位支架1.1上的拉动握杆1.1.9，使得调高锁闩1.1.6与挡位立柱1.1.5当前的定高凹槽松开。
52.(4)抬动调高龙骨1.1.2上升或下降，找到符合患者身材要求的高度挡位。
53.(5)松开挡位支架1.1上的拉动握杆1.1.9，使得调高锁闩1.1.6在复位弹簧1.1.7的回复力作用下重新与挡位立柱1.1.5当前的定高凹槽锁紧。
54.(6)按照步骤(3)-(5)的方式依次调整好左右两侧挡位支架1.1的调高龙骨1.1.2的高度。
55.(7)将面罩本体1.2与挡位支架1.1安装在一起，其中，左法兰1.2.2放置在左侧的龙骨封盖1.1.4上，左侧的旋钮卡扣1.1.3穿过左侧的定位孔1.2.1并旋合；右法兰1.2.8放置在右侧的龙骨封盖1.1.4上，右侧的旋钮卡扣1.1.3穿过右侧的定位孔1.2.1并旋合。
56.(8)将风机系统2的集气管道与面罩本体1.2上的中抽气管1.2.4相连。
57.(9)启动过滤消杀系统3。
58.(10)启动风机系统2。
59.(二)实施案例b
60.本发明所涉及的挡位支架1.1在使用时的具体工作原理如下：
61.(1)按握拉动握杆1.1.9，令拉动握杆1.1.9在握杆滑道1.1.2.6中向下移动。
62.(2)拉动握杆1.1.9带动左右两根与其相连的传力软绳1.1.8分别沿着所在的传力滑道1.1.2.5和转角挡板1.1.2.4运动。
63.(3)与两根传力软绳1.1.8对应相连的左右调高锁闩1.1.6沿着所在的锁闩滑道1.1.2.2朝着对应隔离挡板1.1.2.3的方向移动，并压缩与之相连的复位弹簧1.1.7，使其积累复位所需的弹性能量。
64.(4)当调高锁闩1.1.6完全退出升降滑道1.1.2.1之后，可抬动调高龙骨1.1.2上升或下降，找到符合患者的身材要求的高度挡位。
65.(5)松开拉动握杆1.1.9，左右两根复位弹簧1.1.7因之前受到压缩而积累的弹性能量得到释放，反过来推动与之接触的调高锁闩1.1.6沿着所在的锁闩滑道1.1.2.2朝着对应升降滑道1.1.2.1的方向移动，直至调高锁闩1.1.6与挡位立柱1.1.5上对应的定高凹槽配合锁紧为止。
66.(6)与此同时，与左右两个调高锁闩1.1.6对应相连的两根传力软绳1.1.8将在各自调高锁闩1.1.6的带动下，沿着所在的传力滑道1.1.2.5和转角挡板1.1.2.4运动，其方向与原理(2)所描述的运动方向相反。
67.(7)拉动握杆1.1.9在两根传力软绳1.1.8的带动下，也会在握杆滑道1.1.2.6中移动，其方向与原理(1)所描述的运动方向相反。
68.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应
用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。