机动手术室微环境控制系统的现状与发展

吴 航，刘志国，马 林

机动手术室微环境控制系统的现状与发展

吴 航，刘志国，马 林

介绍了机动手术室微环境系统主要的控制指标，阐述了目前的发展现状主要包括控制方式和控制算法，同时结合目前的研究和现状，展望了其未来的发展方向。

机动手术室；微环境；PMV；控制系统

0 引言

20世纪60年代，美军率先开始进行机动手术室的研发，对战争中的伤员进行紧急救治手术。随着各项技术的提升，目前机动手术室已经开始进行颅脑、心血管等专科手术，这对手术室微环境提出了更高的要求。建立稳定高效的手术室微环境控制系统，调节机动手术室内的温湿度、压力状况，保证空气洁净度，能有效保证危重伤员专科手术的开展，提高医护人员的舒适度，降低术后感染率。手术室微环境控制系统已成为机动手术室建立的必要组成。

机动手术室作为野战医院的核心单元之一，是军队卫勤保障的重要组成部分，是战争和非战争行动的紧急救助中心[1]。机动手术室微环境控制系统作为机动手术室的关键组成部分，保障机动手术室正常发挥作用，其未来的发展影响着机动手术室的性能与应用，具有十分重要的地位。本文阐述了机动手术室微环境控制系统的发展现状，主要包括控制方式和控制算法，简要介绍了主要控制指标，并对未来机动手术室的研究发展进行了展望。

1 机动手术室微环境控制指标

与传统固定医院的手术室相比，机动手术室具有灵活展开和撤收方便的特点。目前的机动手术室主要分为帐篷式、车辆式、方舱式和医院船手术室。

帐篷式手术室是机动野战手术的主要形式之一，具有轻便、展收迅速、展开空间大、携带性好、购置费用低、可任意组合等特点，但是其密封性能差。手术车一般选择越野汽车底盘改装，具有在野战条件下实施快速手术的能力，具有较强的机动灵活性和对气候的适应性。手术方舱是军队另外一种具有密闭性好、机动性强的医疗平台，适应多种运输方式，装卸快速。医院船手术室是主要的海上急救手术平台，用于紧急救治海上的伤病员。

机动手术室的微环境控制能保障医护人员在野外应急条件下顺利完成救治任务，给患者和医务人员提供舒适的工作环境，提高工作效率，降低术后的感染率。机动手术室微环境控制的研究与发展，一方面是对各种控制方式及其硬件的不断提升，另一方面是对控制算法的不断优化与探索。只有选取合理有效的控制方式，采用可靠优良的控制算法，才能保证手术室微环境控制系统能应对现代战争、灾害救援等恶劣环境，保障医护人员顺利高效地进行手术治疗。

2002年12月，我国颁布实施了GB 50333—2002《医院洁净手术部建筑技术规范》（以下简称《规范》）。根据《规范》，机动手术室微环境的主要指标见表1[2]。

表1 机动手术室微环境主要参数指标

2 机动手术室微环境控制系统简介

机动手术室的微环境控制系统是机动手术室的关键组成部分，主要由控制器、执行机构、传感器、人机界面4个部分组成。

（1）控制器。根据不同的控制方式，选择不同种类的控制核心，接收反馈信号，控制执行机构运行，维持良好的手术室微环境。

（2）执行机构。根据机动手术室微环境控制指标，微环境控制系统执行机构一般选用空调、风机、过滤器、杀菌设备等。采用定制空调调节微环境的温湿度，空调内置加湿器与除湿器，不设温湿度采集与控制模块，外接控制信号。同时，利用风道中的多级过滤器保持空气洁净度。控制系统输出控制信号、调节风机转速、控制微环境静压差。杀菌设备选用紫外线杀菌器或臭氧杀菌器，外接控制信号控制启动与停止。

（3）人机界面。又称用户界面或使用者界面，完成微环境参数的显示，控制指标与控制模式的设定，是医护人员与控制系统之间传递、交换信息的媒介。

（4）传感器。负责采集微环境指标，给控制核心提供反馈信号。一般设有温度、湿度、压力、空气颗粒和细菌传感器。机动手术室微环境控制系统简图如图1所示。

图1 机动手术室微环境控制系统简图

3 机动手术室微环境控制系统的研究现状

对于机动手术室微环境控制系统的研究，国外起步早，发展快，如德军模块化医疗方舱内的手术方舱已装配了微环境控制系统，能适应-30～90℃的环境温度，配有三防过滤装置，并通过微粒计数器及空气微生物收集器监视控制效果。瑞典的VEKLA三防机动医院装备中的手术方舱微环境控制系统可实现正压通风、滤毒洁净、调温调湿等功能。国内的研究起步相对较晚，在我军研制的第二代手术方舱中已经开始应用各种微环境控制设备，但集成度较低。

机动手术室微环境控制系统通过控制空调保持微环境的温湿度，利用多级过滤器保持微环境的洁净度控制风转速，维持最小静压差。对机动手术室微环境控制系统的研究主要包括微环境的控制方式、微环境控制算法2个方面。

3.1 机动手术室微环境控制方式

机动手术室微环境控制有4种控制方式：继电器控制、单片机控制、直接数字式控制器DDC以及PLC（可编程逻辑控制器）控制系统[3]。

（1）继电器控制。继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于控制领域[4]。但是因为其具有只能实现开关控制方式、故障率高、系统复杂、功耗高、适应性低等明显的缺点，已逐渐被其他控制方式所替代。

（2）单片机控制。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，体积小、质量轻，功能强大、价格便宜。随着其计算能力的大幅提高，在控制领域得到了广泛应用[5]。但是其抗干扰能力一般，在野外恶劣环境和关键控制部位都需要慎重使用。

（3）直接数字式控制器DDC。直接数字式控制器代替了传统控制组件，利用微信号处理器来执行各种逻辑控制功能，其最大特点就是从参数的采集、传输到控制等各个环节均采用数字控制功能来实现。同时，一个数字控制器可实现多个常规仪表控制器的功能，可有多个不同对象的控制环路[6]。直接数字式控制器已经成为各种建筑环境控制的通用模式。在战争或救援等恶劣条件下，虽然DDC在智能化方面有了很大的发展，但由于其自身的抗干扰能力问题和分级分布式结构的局限性，限制了它的应用范围。

（4）PLC控制系统。PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。所有通道采用光电隔离，抗干扰能力强、使用可靠；具备自诊断功能，能快速发现故障；采用模块化构成，通过更换模块，能使系统从故障中快速恢复。适合新型高速网路结构，可拓展能力强；内置控制算法模块，容易搭建和实现各种控制算法[7]。PLC广泛用于关键系统的核心部位和恶劣环境中。

3.2 机动手术室微环境控制算法

针对机动手术室的温度、湿度、压力等环境参数控制，传统的方法多采用开关控制方式，控制精度低，各环境参数波动大，抗干扰能力差。使用新型的控制算法能使环境参数快速稳定于设定值，增强系统抗干扰能力与鲁棒性。

微环境控制系统的控制算法主要有PID控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等。

（1）PID控制算法。PID控制器问世至今已有近70 a历史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一[8]。控制算法在过去50 a里有长足的发展，但PID算法仍然是最常用的算法[9]。PID控制算法由比例环节、积分环节、微分环节组成，经典的PID算法关系式为[10]：

PID控制器只需整定比例系数kp、积分时间常数Ti、微分时间常数Td，简单易用，具有较强的鲁棒性与抗干扰能力。

机动手术室微环境数学模型难建立，控制系统中存在多种干扰，PID控制算法对其有很好的适应性。现代的多种控制器都带有PID模块，如PLC、变频器、工业计算机等。PID算法实现容易，在微环境控制领域应用广泛。

（2）模糊控制算法。20世纪40年代发展起来的经典自动控制理论和现代控制理论在许多领域都取得了辉煌的成就，但是其最大的局限性就是需要被控对象的精确数学模型，因此，面对日益复杂的高度非线性、时变性及不确定性等问题时，受到了很大的挑战[11]。而不基于对象精确数学模型的智能控制理论为解决复杂非线性对象的控制难题提供了一种崭新的方式。模糊控制是目前实现智能控制最重要、应用最广泛的形式[12]。

模糊控制算法包括计算控制变量、模糊量化处理、模糊控制规则制定、模糊推理决策、非模糊化处理5个部分[13]。微环境控制领域数学方程很难建立，但具有丰富的控制经验，因此，模糊控制技术具有特殊优势。

（3）神经网络控制算法。神经网络运用在控制领域，形成了神经网络控制算法。通过神经网络对不同模式进行学习，当学习完成后，它将各种模式分布记忆在网络的各个连续权值上。当网络再次遇到其中任何一个模式时，能够做出迅速、准确的判断与识别，具有很好的灵活性和适应性[14]。对于机动手术室微环境控制，借助于神经网络，根据控制动作的过去值与当前值，预测设备的未来输出，改变控制系统参数，可获得最佳控制效果。

相比于其他控制算法，神经网络控制算法对微环境这种非线性系统有更好的适应性和控制效果，但是计算时间更长，硬件成本更高[15]。

（4）各种算法的结合。PID算法原理简单、使用方便，模糊算法和神经网络算法对非线性系统的适应性强。结合各种算法的优势，产生了基于模糊算法的PID控制器、基于神经网络算法的PID控制器等一系列控制系统[16]。通过模糊算法，神经网络算法对微环境的非线性特征进行采集分析，整定PID参数，针对各种干扰，随时改变PID参数，使系统获得更佳的控制效果，但搭建系统的成本增加，也更加复杂。基于模糊算法的PID控制器原理图如图2所示[17]。

4 未来机动手术室微环境控制系统的发展

良好的手术室微环境能增加医护人员的舒适度，提高手术成功率，减少术后感染。手术室微环境控制系统也会发挥愈加重要的作用，未来的微环境控制系统将会向信息化、智能化发展，节能低噪，舒适度更佳。

4.1 多种控制指标向综合控制指标转换

图2 基于模糊算法的PID控制器原理图

现阶段控制系统多采用的环境指标有温度、湿度、风速等，通过控制它们在一定范围内，能够间接地使环境处于一个舒适的区间。以多种间接指标，并不能准确地反映环境的舒适度。丹麦的范格尔（P. O.Fanger）教授提出的表征人体热反应（冷热感）的评价指标PMV（预测平均投票数），代表了同一环境中绝大多数人的冷热感觉的平均值[18]。美国采暖制冷与空调工程师学会的ASHRAE 55和国际标准化组织的ISO 7730中均采用PMV指标来描述和评价热环境。该指标综合考虑了人体活动情况、着衣情况、空气温度、湿度、流速、平均辐射温度6个因素，是迄今为止最全面评价热环境的指标[19]，PMV指标分度见表2。

表2 PMV分度表

随着PMV测量仪器的进步，以PMV为目标控制值的微环境控制系统成为未来的发展方向。通过调节PMV的偏差量，智能调节温度、湿度、风速，减小PMV偏差，控制机动手术室微环境PMV值稳定于目标PMV值，将成为研究的重点。

4.2 机动手术室微环境控制系统网络化

目前，微环境控制系统多针对单个车辆或者方舱，布线复杂，线路保养维修困难，各个控制单元间缺少数据交流与统筹安排，与固定医院的微环境控制系统相比还有很大的差距。实现微环境控制系统网络化可以大幅度减少系统布线，降低搭建成本与难度。微环境控制系统网络化的要求使得每一个舱室的控制系统都必须有很强的可拓展性和数据传输与接收能力。未来单个舱室的微环境控制系统将发展成为野战机动医院微环境控制系统。

随着控制系统网络化的发展，控制系统的集成度将进一步提高，控制系统的网络防护与数据加密也将成为研究的方向之一。只有保证了整个系统的网络完全，才能使机动手术室微环境控制系统既是一个独立的整体，又能融入整个后勤保障系统中[20]。

4.3 机动手术室微环境控制系统的节能与降噪

能源紧缺是当今世界面临的重大问题，在野战环境下，节能问题更加紧迫[21]。改造舱室结构，选择更佳的执行机构，研究加入能源因素的控制算法都会有效地解决节能问题。在追求手术室舒适度与洁净度的目标时，兼顾节能，是未来微环境控制系统进一步提升的方向。

在满足热舒适的同时，降噪也是医护人员舒适度的重要要求。研究表明，30 dB以下属于非常安静的环境，40 dB是正常的环境。50～60 dB属于较吵的环境，此时脑力劳动受到影响，谈话也受到干扰[22-23]。手术室微环境控制中，空调、风机、过滤器等都是噪音源，降噪也将是微环境控制系统提升的一个方向。

5 结语

作为机动手术室的必要组成部分，微环境控制系统将向着人性化、智能化、网络化、信息化、节能高效化的方向发展。掌握先进的控制方式，应用先进的控制算法，是实现未来智能化机动手术室微环境控制系统的重要基础。本文简单介绍了机动手术室微环境控制系统的主要控制指标、控制方式、控制算法，提出了未来的发展方向，促进了机动手术室微环境控制系统的研究与发展。

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（收稿：2013-11-11 修回：2014-01-14）

Status and trend of microenvironment control system in mobile operating room

WU Hang1,LIU Zhi-guo1,MA Lin2
（1．Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China;2．Northeast China Military Material Procurement Bureau under the PLA General Logistics Department,Shenyang 110026,China）

The main control indexes of the mobile operating room microenvironment are introduced．Then the current development status is described,including control methods and control algorithms．Finally,the prospect microenvironment control system in mobile operating room is pointed out．[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（9）：109-112]

mobile operating room;microenvironment;PMV;control system

R318；TP311．1

A

1003-8868（2014）09-0109-04

10．7687/J．ISSN1003-8868．2014．09．109

吴 航（1991—），男，研究方向为医疗设备自动化、微环境控制，E-mail：2008．wuhang@163．com。

300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（吴 航，刘志国）；110026沈阳，总后勤部东北军用物资采购局（马 林）