王恒桓，于良軍

1.泰安市中醫(yī)醫(yī)院 設(shè)備科，山東 泰安271000；2.泰安市醫(yī)療器械維修管理站，山東 泰安 271000

0 前言

目前，人們對紫外線(Ultra Violet Ray，UVR)的危害已形成共識，人類長期暴露于紫外線輻射之中，可能對皮膚、眼睛和免疫系統(tǒng)造成實(shí)際的和持續(xù)的影響[1]。通過“中國知網(wǎng)”跨庫檢索1979～2010年“紫外線”數(shù)據(jù)庫，共有文章2973篇，其中1994～2010年涉及紫外線輻射損傷的文章有99篇。紫外線對眼睛的傷害主要是引起急性角膜炎和結(jié)膜炎、慢性白內(nèi)障等眼疾，而對皮膚的影響則會引起肌膚提前衰老,如角質(zhì)過厚、表皮粗糙、有皺紋和斑點(diǎn)、肌肉松弛或下垂；射線照射過量,可能會引起細(xì)胞DNA突變,導(dǎo)致皮膚癌，國際癌癥研究署已經(jīng)確認(rèn)UVR是一個完全的致癌因子[2]。為此，世界各國的科學(xué)家都提醒人們，應(yīng)該十分注意紫外線輻射對人體的危害并采取必要的預(yù)防措施。

UVR的波長范圍為100～400 nm，一般分為3個波段，即UVA（315～400 nm）、UVB（280～315 nm）和UVC（100～280 nm）[3],3個波段的紫外線均有各自特點(diǎn)。根據(jù)紫外線的特性，人們充分利用紫外線的生物效應(yīng)，在醫(yī)療機(jī)構(gòu)、賓館、飯店、學(xué)校、幼兒園將紫外線用于室內(nèi)空氣和物體表面消毒，紫外線輻射消毒有良好的作用，且具有使用方便、作用快速、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、無殘留污染、無毒副作用等優(yōu)點(diǎn)[4]。

2002年版中華人民共和國衛(wèi)生部《消毒技術(shù)規(guī)范》[5]明確指出了“紫外線滅菌法”的定義、消毒原理及效果驗(yàn)證。紫外線滅菌法是指用紫外線（能量）照射殺滅微生物的方法，紫外線不僅能使核酸蛋白變性，而且能使空氣中氧氣產(chǎn)生微量臭氧，從而達(dá)到共同殺菌作用。用于紫外線滅菌的波長一般為200～300 nm，滅菌用最強(qiáng)的為254 nm。該方法適于照射物體表面滅菌、無菌室空氣及蒸餾水的滅菌。

消毒效果驗(yàn)證則采用了細(xì)菌培養(yǎng)的方法，雖然準(zhǔn)確，但屬于事后評價，且時間長，使用較少?！断炯夹g(shù)規(guī)范》要求主要采用檢測紫外線強(qiáng)度的方法，以保證消毒效果。紫外線燈管輻射強(qiáng)度檢測，是保證醫(yī)院消毒效果的重要工作環(huán)節(jié)，關(guān)系到醫(yī)院隱性質(zhì)量[6]。

目前，醫(yī)院對紫外線強(qiáng)度的檢測方法主要有兩類：物理學(xué)檢測方法，即使用紫外線強(qiáng)度測定儀；生物學(xué)檢測方法，即采用載體（試紙）檢測。但兩類方法均存在以下缺陷：① 檢測的同時，檢測人員即受到輻射危害，無良好的防護(hù)措施致使監(jiān)測人員的眼睛、皮膚受到不同程度損傷[7]；② 檢測數(shù)據(jù)的重復(fù)性差，生物學(xué)檢測方法還只是停留在定性的水平；③ 檢測具有局限性，還沒有做到對所有消毒房間的紫外線進(jìn)行全面實(shí)時監(jiān)測；④ 紫外線光源通常用紫外輻照計(jì)測量某一表面的輻射照度（W/m2）來表示紫外線光源的紫外線強(qiáng)度大小，而在空氣殺菌方面的應(yīng)用，更重要的是要知道紫外線光源外空間一定范圍，甚至整個空間紫外線輻射的強(qiáng)度大小。

雖然有很多業(yè)內(nèi)外人士對上述缺陷也進(jìn)行了各種研究和改進(jìn)，但均沒有徹底解決上述問題。

本課題對消毒過程中存在的問題，在當(dāng)前缺乏理想的測量紫外線消毒燈的殺菌紫外線輸出能量的情況下[8]，設(shè)計(jì)了醫(yī)用紫外線消毒無損傷實(shí)時監(jiān)測和動態(tài)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可確?？諝庀举|(zhì)量，減少交叉感染，又可節(jié)約大量資金。對確保廣大醫(yī)務(wù)人員和病患免受輻射傷害和整個醫(yī)院的紫外線消毒的有效實(shí)行和管理具有重要意義。

1 方案設(shè)計(jì)依據(jù)

本系統(tǒng)依據(jù)中華人民共和國衛(wèi)生部《消毒技術(shù)規(guī)范》，2002年版第3.1.4 紫外線消毒規(guī)范設(shè)計(jì)。

1.1 照射劑量和時間

不同種類的微生物對紫外線的敏感性不同，用紫外線消毒時必須使用照射劑量達(dá)到殺滅目標(biāo)微生物所需的照射劑量。殺滅一般細(xì)菌繁殖體時，應(yīng)使照射劑量達(dá)到10000 μW·s/cm2；殺滅細(xì)菌芽孢時應(yīng)達(dá)到100000 μW·s/cm2。病毒對紫外線的抵抗力介于細(xì)菌繁殖體和芽胞之間，真菌孢子的抵抗力比細(xì)菌芽孢更強(qiáng)，有時需要照射到600000 μW·s/cm2。但一般致病性真菌對紫外線的抵抗力比細(xì)菌芽胞弱，在消毒的目標(biāo)微生物不詳時，照射劑量應(yīng)≥100000 μW·s/cm2。輻照劑量是所用紫外線燈在照射物品表面處的輻照強(qiáng)度和照射時間的乘積。

1.2 對室內(nèi)空氣的消毒

1.2.1 間接照射法

首選高強(qiáng)度紫外線空氣消毒器，不僅消毒效果可靠，而且可在室內(nèi)有人活動時使用，一般開機(jī)消毒 30 min 即可達(dá)到消毒合格。

1.2.2 直接照射法

在室內(nèi)無人條件下，可采取紫外線燈懸吊式或移動式直接照射。采用室內(nèi)懸吊式紫外線消毒裝置時，室內(nèi)安裝紫外線消毒燈（30W紫外燈，在1.0 m 處的強(qiáng)度>70μW/cm2）的數(shù)量為平均每m3≥1.5 W，照射時間≥30 min。

紫外線對細(xì)菌和病毒的殺滅與紫外線照射劑量有關(guān)，照射劑量=照射時間（s）×照射強(qiáng)度（μW/cm2）。照射劑量理論上一般設(shè)計(jì)要求>30000μW·/cm2， 如果紫外線強(qiáng)度低，只要時間長，可與強(qiáng)度稍高時達(dá)到同樣的效果，如果在時間不允許的情況下，需選擇高強(qiáng)度大功率的紫外線燈。一般情況各種細(xì)菌和病毒所需殺滅的照射劑量不同，在被殺滅點(diǎn)測出照射強(qiáng)度就可計(jì)算出照射時間，對被消毒的對象不了解的情況下，一般需延長照射時間來確保殺菌效率。 由于紫外線會殺死細(xì)胞，因此紫外線消毒時要注意不能直接照射到人的皮膚，尤其是人的眼睛，紫外線殺菌燈點(diǎn)亮?xí)r不要直視燈管，由于短波紫外線不透過普通玻璃，戴眼鏡可避免眼睛受傷害。

兩種消毒方法的消毒效果評價僅限于醫(yī)院感染人員在消毒后做細(xì)菌培養(yǎng)。雖然方法可靠，但醫(yī)院空氣消毒的房間極多，且都屬事后評價，難以做到對每一個消毒房間進(jìn)行實(shí)時的檢測。本研究可對紫外線消毒房間進(jìn)行無損傷動態(tài)實(shí)時監(jiān)測，按照紫外線劑量監(jiān)測要求，及時更換紫外線燈管，保證消毒效果。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

通過對紫外線強(qiáng)度的采集，利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)可有效地實(shí)現(xiàn)對醫(yī)院中紫外線消毒過程進(jìn)行監(jiān)控。該系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)包括紫外線強(qiáng)度實(shí)時監(jiān)測、照射劑量實(shí)時監(jiān)測、動態(tài)管理、定時開關(guān)、人員無損傷監(jiān)測、人員誤入和消毒失效報(bào)警及功能。系統(tǒng)總體功能框圖，見圖1。

（1）紫外線強(qiáng)度實(shí)時監(jiān)測?？蓪Ω飨痉块g及物品接受的紫外線強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時采集并顯示，供操作人員觀察。

（2）照射劑量實(shí)時監(jiān)測。通過照射強(qiáng)度和照射時間來統(tǒng)計(jì)房間或物品接受的照射劑量。

（3）動態(tài)管理?？蓪?shí)現(xiàn)多消毒地點(diǎn)同時監(jiān)控。

（4）定時開關(guān)。根據(jù)消毒照射劑量自動關(guān)斷紫外線消毒燈。

（5）人員無損傷監(jiān)測。紫外線強(qiáng)度檢測人員，不用在紫外線照射下進(jìn)行檢測，免受了紫外線傷害。

（6）人員誤入報(bào)警。非檢測人員一旦誤入消毒房間，可報(bào)警提示，使周圍人群免受紫外線傷害。

（7）失效報(bào)警。如果消毒燈老化，達(dá)不到一定的強(qiáng)度，即使增加照射時間也不能達(dá)到消毒效果時，根據(jù)需要可設(shè)置100000 μW·s/cm2、300000 μW·s/cm2，甚至 600000 μW·s/cm2的報(bào)警劑量。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由紫外線強(qiáng)度檢測單元、中心監(jiān)控工作站及網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，見圖2。

2.2.1 紫外線強(qiáng)度檢測單元

由紫外線傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)主控單元和數(shù)據(jù)通訊電路組成，完成紫外線強(qiáng)度的采集、發(fā)送和顯示功能。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)由星形網(wǎng)絡(luò)、交換機(jī)、網(wǎng)線組成，完成紫外線強(qiáng)度實(shí)時值、定時開關(guān)機(jī)信號、報(bào)警信號的傳輸。

2.2.3 中心監(jiān)控工作站

由計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)監(jiān)控軟件、網(wǎng)絡(luò)適配卡等組成，完成紫外線強(qiáng)度、時間、劑量及報(bào)警功能。

3 系統(tǒng)各單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 紫外線強(qiáng)度檢測單元

3.1.1 紫外線傳感器單元

主要由紫外線傳感器和放大電路組成。傳感器采用紫外探測器UV10T2E10F，能很好地探測200～400 nm光譜范圍的紫外線輻射，并產(chǎn)生光電流。它的高靈敏度、寬響應(yīng)光譜范圍、密封封裝、小尺寸、低價格、寬工作溫度范圍以及能長期暴露在紫外光輻射的環(huán)境，很適合工業(yè)和消費(fèi)類紫外線探測應(yīng)用。其主要參數(shù)如下：

高靈敏度：140 mA/W峰值；

低溫度系數(shù)：TO-5、TO-18、TO-46等微小標(biāo)準(zhǔn)封裝；

光敏面尺寸：0.25 mm×0.25 mm、0.5 mm× 0.5 mm (NEW)、1 mm×1 mm和2 mm×2mm，還有14.8 mm2、37.7 mm2，最大可達(dá)100 mm2光敏面積。

各種濾波器窗口可選，能提供：UV-A、UV-B、UV-C和 UV-BC(包括B&C波段)濾波器的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

放大電路采用集成單運(yùn)放電路，見圖3。傳感器采集的紫外線轉(zhuǎn)化為電流信號，由放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，傳至數(shù)據(jù)采集單元。

3.1.2 紫外線強(qiáng)度檢測主控單元

由紫外線傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、89C52單片機(jī)主控單元和數(shù)據(jù)通訊電路組成。電路工作時，紫外線傳感器將采集紫外線轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)SGM8521單運(yùn)算放大器經(jīng)線纜送至單片機(jī)主控單元，經(jīng)由放大器TLE2022組成的絕對值放大器將采集到強(qiáng)度交流信號轉(zhuǎn)化成絕對值電壓值送入89C52的P1.0口進(jìn)行模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量由輸出到89C52，經(jīng)軟件處理后，將測量的輻射值經(jīng)P2.0-P2.7輸出到液晶顯示單元，用數(shù)字形式顯示出當(dāng)前的輻射值，同時經(jīng)RXD串行口上傳至網(wǎng)絡(luò)傳輸控制單元。

3.1.3 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

本軟件系統(tǒng)采用KeilC集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括1個主程序、6個子程序。6個子程序?yàn)檠訒r子程序、輻射值采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、輻射值計(jì)算子程序、液晶顯示子程序、驅(qū)動控制子程序和串行輸出子程序。

（1）主程序。主程序進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，主要是進(jìn)行定時/計(jì)數(shù)器和A/D采集口的初始化。

（2）延時子程序。應(yīng)用定時/計(jì)數(shù)器延時的目的是產(chǎn)生一定的時間間隔，定時進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測和發(fā)送。

（3）輻射值采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序。輻射值采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序按照延時程序產(chǎn)生的時間間隔采集輸入到單片機(jī)A/D口的電壓值轉(zhuǎn)換數(shù)字量，并保存在內(nèi)存中。

（4）輻射值計(jì)算子程序。根據(jù)輻射值的分度值和電路參數(shù)計(jì)算出一張輻射值表，存放在DATATAB數(shù)據(jù)表中。根據(jù)采樣值，通過查表及比較的方法計(jì)算出當(dāng)前的輻射值。采用查表法計(jì)算輻射值是為了克服紫外線傳感器特性曲線的非線性，提高測量精度。

（5）驅(qū)動控制子程序。該子程序用于保護(hù)人員，當(dāng)有人員進(jìn)入時，輸出驅(qū)動控制信號，關(guān)閉消毒設(shè)備；當(dāng)幅度值下降到下限值時，發(fā)送信號至主控端，顯示報(bào)警。

（6）串行輸出子程序。將采集、轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量的信號經(jīng)串行輸出子程序由串行口傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)傳輸單元，至中心監(jiān)控端。

3.2 通訊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為網(wǎng)絡(luò)通訊，使用232通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)和單片機(jī)使用MODBUS-RTU協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，以太網(wǎng)絡(luò)模塊采用了RTL8019AS，CAN總線控制器接口采用了PCA82C00。

3.3 中心監(jiān)控工作站的設(shè)計(jì)

中心監(jiān)控工作站采用VB語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，由主界面、房間選擇界面、紫外線強(qiáng)度監(jiān)控界面組成。

（1）主界面設(shè)計(jì)。窗體背景采用醫(yī)院圖片，添加兩個命令按鈕，用于進(jìn)入房間選擇界面和退出程序代碼。

（2）房間選擇界面設(shè)計(jì)。添加16個命令按鈕，并添加代碼，分別進(jìn)入不同房間的監(jiān)控界面。

（3）監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。添加窗體控件、形狀控件、MSCOMM控件及定時器控件。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

測試項(xiàng)目包括用戶界面及性能測試，見圖4、表1～2。

表1 用戶界面測試

表2 監(jiān)控系統(tǒng)總體功能測試

進(jìn)入紫外線強(qiáng)度監(jiān)控界面，見圖5，此界面可實(shí)時監(jiān)控所選擇房間內(nèi)的動態(tài)紫外線強(qiáng)度，顯示累計(jì)照射劑量，可實(shí)現(xiàn)人員誤入報(bào)警和消毒失效報(bào)警等功能。

目前，國內(nèi)很多醫(yī)院正在使用中國建材研究所石英玻璃科學(xué)研究所生產(chǎn)的UVR-254 nm紫外輻照儀（量字京字5000217，編號4900）用于紫外線強(qiáng)度的檢測。我們對該儀器檢測數(shù)據(jù)和本文研制的紫外線檢測單元實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果見表3。

表3 實(shí)測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)測試儀檢測數(shù)據(jù)比對結(jié)果

由表3可見，實(shí)測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)測試儀檢測有較高的一致性，可達(dá)到實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的測試方法比較，本系統(tǒng)除具有準(zhǔn)確實(shí)時顯示功能外，還具備實(shí)時紀(jì)錄功能。

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