氣墊床的故事－微漏氣床

游朝慶醫師

   至於魚鱗教授及霍普金先生發明的微漏氣床(low air loss，LAL)，後來怎樣了呢？霍普金先生於1968年成立了氣墊床公司Air Cushion Equipment, Ltd. (其擁有及經營者為霍普金先生Mr. Leslie A. Hopkins. Mr. Roy Henvest, 廚子先生Mr. Robert Cook, and Mr. Graham Westerling-Norris) 持續對微漏氣床做了許多改良，霍普金先生一直夢想著要做出窮人負擔得起的的微漏氣氣墊床，這項改良及使之變得便宜的工作便由Air Cushion Equipment公司的廚子先生(Mr. Robert Cook) 開始，廚子先生一直致力於發展出一種可商業化，可放在於任何一種床架上的氣墊床，其研究接著由Watkins & Watson Ltd公司接手繼續研發，然而儘管經過了10年，成效卻有限，最後Watkins & Watson Ltd公司(Mediscus為其註冊商標，公司於1984年被正式改名為Mediscus Products, Ltd公司，Mediscus Products, Ltd.公司於1991年被KCI併購)的William Valentine Hunt及 Frank Edward Mayhew Ducker終於成功於1973年做出第一個商品化的微漏氣床(US 3909858 A，這個專利讓每個個別的充氣管都能被獨立地被拔除及清洗，而患者不需要被挪床)。其設計如下圖¹，為一個有21個防水透氣管所組成，充氣管的材質為鍍上PU材質的尼龍。管子深度為30公分。這21個管子分為五組，分別控制頭、胸、骨盆、大腿及腳，每組都能獨立控制其壓力，當患者姿勢改變時，可控制各組的壓力，以使得氣囊可以接觸到最大的身體面積，壓力可以很容易調整，以使患者能達到最舒服的壓力，此外進去的空氣有一個溫度調節單位，可使溫度控制在28到31度之間。這種LAL系統需要不到100Ft³/Min(47L/s)的空氣，並使氣囊壓力控制在6到33cm H2O(0.6-3.2kPa)，並允許皮膚蒸發出來的水蒸氣可穿透到氣囊內，以使相對濕度維持在27%，打氣機可提供36 cm H2O(3.5kPa)的壓力，加熱器則有1千瓦的加熱能力，並有數位溫控。

   下圖是我所能找到最古老的氣墊床照片 Mediscus Mark 5A-M Low Air Loss Bed System.，其約從1986年開始生產，而其Mediscus Mark V系列則是從1980年開始生產²。

   1976年，霍普金先生當時擔任Mediscus公司的顧問，並且也發明出一種可攜帶型的微漏氣床(British Patent No. 1,545,806)，其氣墊床公司Air Cushion Equipment, Ltd.的研究也跟著被Mediscus接手。
   雖然許多家氣墊床公司包括美國最大的氣墊床製作廠商Hill-Rom一直努力將氣墊床壓低價格，但直到1990年代，購買一張LAL氣墊床仍需要超過1萬美元，或者每天50-200塊美元的租金。
1. J.G Webster, Prevention of Pressure Sores: Engineering and Clinical Aspects, P94-96, http://books.google.com.tw/books?id=Wj2ZP94OWkoC&pg=PA95&lpg=PA95&dq=WATKINS+%26+WATSON+low+air+loss&source=bl&ots=1JCTL_kCM0&sig=gQ1GNrLLzhgbRRJnAIXlJFqwbf4&hl=zh-TW&sa=X&ei=0MJXU5uTD8jKkgWR7IHACA&ved=0CC4Q6AEwAA#v=onepage&q=WATKINS%20%26%20WATSON%20low%20air%20loss&f=false
2. Landi, 0., Catrani S., Mengozzi E, THE LOW AIR LOSS BED SYSTEM IN TREATMENT OF BURN PATIENTS, Annals of the MBC - vol. 2 - n' 3 - September 1989 http://www.medbc.com/annals/review/vol_2/num_3/text/vol2n3p140.htm

氣墊床的故事－矽砂床

游朝慶 醫師

    當魚鱗教授及霍普金先生忙於高漏氣及微漏氣床的同時，美國的哈格斯特Thomas S. Hargest想出了矽砂床的概念(air fluidized bed，AFB or “bead bed”) (US Pat No 3428973)，哈格斯特先生出生於1925年，原本是一名地質學家¹，之後於1964年卻在美國德州一家燒傷醫院the Shriners Burn Institute擔任臨床工程師，在那兒由於有幾位醫師的幫忙，哈格斯特先生發明了矽砂床air fluidized bed，bead bed，並於1966年發表專利，他改良水床(liquid-filled mattress)會有吊床效應(hammock)、分散壓力不平均、悶熱、以及不易被加熱的缺點，以高密度(密度約1.6-1.7)的矽砂取代水，浮力更大，如將人放於死海中(人體的密度是1.021～1.097，死海水的密度為1.172至1.227)，並更能使人體浮起，每個矽砂直徑大小約0.001英吋(這是原始專利設計的大小，比較大，約254μm)，裝在一個大缸裡面，缸的底層有許多小洞，可讓空氣吹出，但矽砂不會掉下，底層下面裝有壓縮空氣或可控制溫度及濕度的噴氣機，以噴射的空氣來讓矽砂流動，來模擬水的狀態，這也是空氣流體化air-fluidized字面的由來，但大家還是習慣稱呼為矽砂床bead bed(流體(空氣)由下而上通過固體顆粒層，當流體速度超過固體顆粒的最小流體化速度時，在流體的作用下，固體顆粒層就會呈現類似流體的行為，這現象稱為「流體化」，而使用壓縮空氣，增加氣體的壓力，使空氣的黏度及密度增加，如此可使流體化效率增加)。當其靜止狀態時，看起來就像是細白的砂子，當但其被啟動時，看起來就像是滾沸的牛奶。接著在矽砂上面鋪一層透氣布，以避免矽砂接觸人體，並降低剪力，這布的通氣孔洞約有30μm(水蒸氣分子的平均直徑為0.0004μm，而小水滴的平均直徑為20-100μm，因此從理論上講，所謂“防水透氣”微孔要小於20μm，現在的GORE-TEX其微孔約為1μm)，相對於砂子直徑是75-150μm，並允許空氣很容易以0.6m/min的速度穿透過去，這種風速還不至於被感覺到，但當空氣的溫度小於30℃時仍足以讓人感覺涼快，所以正常狀況下，空氣在被壓縮狀況下通常先被加熱到39℃，因為矽砂的量很大(約2000磅)，故不容易被快速加熱，通常從室溫加熱到31℃約需2小時，假如床變得太溫暖了，降溫的速度也只能1小時下降1℃。當人躺在上面，約有三分之二的身體是沉沒在矽砂裡面，如此更增加床對身體的接觸體表面積，因壓力=重量/接觸面積，故矽砂床理論上可提供地球上燒傷患者身體最小的壓力(我個人另一個概念是將患者移居到月球或太空站，以減輕重量)，並且號稱可以不用翻身，以減少燒傷病患翻身時的痛苦，這種床的唯一缺點是身體表皮的水分會被快速蒸發散失，故需要小心地補充水分，其他如矽砂破裂漏出透氣布，而造成皮膚或眼睛的損傷，脫水，皮膚乾燥及意識改變都有被通報過。這儀器發明的當時尚未使用防水透氣布(如Gore-Tex sheet)，故當時使用的矽砂會被體液及糞便汙染，故需要定期消毒，並且只能給一位患者長期使用。
   這矽砂床分類上也屬於高漏氣床的一種。這概念若還是很難懂，可以先去找You-tube看一下會比較清楚。哈格斯特先生因為這矽砂床的發明而功成名就，於1965年便被網羅至南卡羅萊納醫科大學(MUSC)擔任臨床工程部主任及外科學教授，直到1985年退休。

哈格斯特Thomas S. Hargest

哈格斯特先生發明的矽砂床

矽砂床專利
   微漏氣床及矽砂床兩者都是為了治療燒傷患者而誕生，但如今更常被用在無法活動的患者身上，來治療或預防壓瘡，甚至有些還拿來治療失眠。其理論兩者都是儘量增加支持接觸人體的表面積，以減少身體任何一部位的承受壓力，然而儘管這兩種偉大的發明都於1960年代末期誕生，但在接下來的10年，卻都還無法成功商業化。
   在1970年代，由於微漏氣床及矽砂床無法商品化，許多其他預防及治療壓瘡的特製床被發明了，如oscillating bed搖床(Keane's mobility bed，rotation bed )，以及吊床net bed，Stryker 公司的車輪床"circle electric bed"，交替式壓力墊alternating pressure pad，然而這些治療效果還是比不上矽砂床及微漏氣床。其中搖床由於將患者左右擺動30度，會產生剪力，故須將患者全身及四肢固定，所以個人認為目前市面上的翻身床只是將患者左右傾斜30度，而容易會因剪力而導致1-2度壓瘡。

                     搖床                               車輪床                                 交替式壓力墊

1. Thomas S. Hargest 簡介http://waring.library.musc.edu/exhibits/Innovation/hargrest.php

氣墊床的故事 --漂浮床

游朝慶醫師

   這故事架構取材於一篇1992年發表的氣墊床專利的背景介紹¹。
   在1960年代早期，一名英國的骨科醫師Scales, John Tracey，在幫燒燙傷患者補皮(STSG)的時候遇到一個問題，當皮膚移植到傷口後，若遇到剪力(摩擦力)時，其會造成皮瓣的脫落而導致移植失敗。這位魚鱗教授(Professor Scales)從氣墊船(hovercraft)可漂浮在水面上的概念，聯想到可用大量的空氣流將患者漂浮在空中。這類的產品之後被熟知為漂浮床(levitation bed)。他並且將這個概念於1967年申請到美國專利(US Pat. No. 3354476，名稱為Apparatus for supporting bodies ²)

   這種漂浮床隨後在1967年由英國的萊斯利. 霍普金(Lesile A. Hopkins)改良並申請到兩項美國專利(U.S. Pat. Nos. 3,340,550 and 3,340,551)。魚鱗教授與霍普金先生於1960年代一起合作要做出第一個臨床上可用的漂浮床，這個我們現在把它歸為「高漏氣床」”high air loss bed”的一種，魚鱗教授當時服務於倫敦的維農山醫院(Mt Vernon Hospital)，而霍普金先生則服務於氣墊船發展公司(Hovercraft Development, Ltd)，也是個氣墊床圍裙(hovercraft craft)的專家。這兩人也針對漂浮床一起發表一些文章³。

 若能讓一個人飄浮起來，避免身體任何地方受到壓迫，這實在是一個很棒最能治療及預防壓瘡的神奇方法。
   圖片來源：http://www.thedesignwork.com/20-levitation-photography-examples/
   雖然理想上漂浮床可以使一個患者漂浮在大量的空氣並且可以避免任何剪力去傷害皮膚，但這項發明之後卻被證明是不切實際的。因為這機器需要很大量被加溫及潮濕的空氣，而且運作起來非常花錢。儘管漂浮床有其理論依據，然而在商業上卻被判出局。故雖然他們最後真的把漂浮床做出來了且臨床測試成功³，但終究還是在1970年左右被市場捨棄。



   但霍普金先生仍不死心，於1968年又發明了現在稱之為的「微漏氣氣墊床low air loss bed，LAL」⁴，(British Patent No 932779)，並於當年成立氣墊床公司Air Cushion Equipment, Ltd.，這個裝置魚鱗教授進一步想到使用透氣防水的布來改良，並於1972年申請美國專利US Pat No 3822425。而微漏氣這名詞是相對於高漏氣而來的。

1. http://www.google.com.br/patents/US5168589
2. http://www.google.com/patents/US3354476
3. Scales JT, Hopkins LA, Bloch M, Towers AG, Muir IF.,Levitation in the treatment of large-area burns. Lancet. 1967 Jun 10;1(7502):1235-40.
4. Scales JT, Hopkins LA. Patient-support system using low-pressure air. Lancet. 1971 Oct 23;2(7730):885-8.