劉守山 陳 燕

(山東科技大學電子通信與物理學院1，山東 青島 266590；山東科技大學機械電子工程學院2，山東 青島 266590)

紫外線測量與消毒系統(tǒng)的關鍵問題及設計研究

劉守山1陳 燕2

(山東科技大學電子通信與物理學院1，山東 青島 266590；山東科技大學機械電子工程學院2，山東 青島 266590)

針對大多數醫(yī)院中存在的紫外線消毒不良的狀況,首先對影響消毒效果的消毒劑量所涉及的關鍵問題(輻照度測量和測量時間的確定)進行了分析，并根據生物試驗, 提出并建立了用于確定消毒劑量的輻照度與消毒時間的數學模型。同時，針對紫外燈的電源電壓以及周圍環(huán)境的干擾會引起輻照度變化等問題，采用對輻射劑量遞減的算法，并在解決關鍵問題的基礎上，對紫外線自動檢測系統(tǒng)進行了設計和實現。試驗表明，該系統(tǒng)能夠實現對紫外線的消毒實時、有效監(jiān)控，消毒效果達到了國家消毒衛(wèi)生標準要求。

測量 紫外線 消毒 輻照度 監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

紫外線消毒是醫(yī)院臨床、試驗室、治療室等常用的物理消毒方法。通常用于殺菌的C波段紫外線具有快速殺菌的效果，但對人體的皮膚、眼睛傷害較大[1-2]。根據國家標準規(guī)定[3]，在醫(yī)用環(huán)境下利用紫外燈進行紫外線消毒時，輻照度要大于70 μW·cm-2,且消毒時間不少于30 min。經過調查發(fā)現，醫(yī)院在采用紫外燈進行定時消毒時，由于使用不同的燈管以及燈管的新舊程度不同，因而紫外線的輻照度也會隨之變化，如果采用定時消毒，則會產生消毒過量或消毒不足乃至無效的情況。

針對以上常用消毒方法的不足，本文首先分析了現有效消毒劑量的輻照度的測量方法和消毒時間的確定方法，實現了基于探測器法的輻照度測量方法，并建立了輻照度和消毒時間的關系模型，最終設計、實現了一種紫外線的自動測量和消毒系統(tǒng)。

1 關鍵問題分析

本系統(tǒng)設計的最終目標是能夠實現在醫(yī)用環(huán)境下對紫外線消毒過程的自動監(jiān)控。在醫(yī)用環(huán)境下，當用紫外燈進行消毒時，通常用紫外線燈的輻照度與消毒時間的乘積作為消毒劑量。在殺滅不同種類的病毒或細菌時，相應的消毒劑量也隨之變化。在相關的國家標準《醫(yī)療機構消毒技術規(guī)范》[3]中，對不同消毒環(huán)境下所應采用的消毒劑量都有明確的建議和規(guī)定。因此，在不同消毒環(huán)境下，消毒劑量的標定是影響消毒效果的首要問題。

根據對消毒劑量的定義可知，影響消毒劑量的基本因素有兩個：一個是紫外線燈的輻照度；另一個是消毒時間。因此，對紫外線輻照度的測量和對不同輻照度下消毒時間的精確判定，是系統(tǒng)設計過程中所需要解決的兩個關鍵問題。

對紫外線輻照度的測量方法(通常稱之為量值溯源方法)主要有兩種：光源法和探測器法[4-5]。其中，光源法是國家標準試驗室采用的方法，不適用于醫(yī)用消毒現場采用。在消毒現場，多采用探測器法。探測器法的基本原理是采用具有光電轉換功能的一體化傳感器完成對紫外線光照度對電信號的轉換，然后再進一步調理電信號，從而獲得紫外線對應的照度量值。本文系統(tǒng)中，采用探測器法實現對紫外線輻照度的測量。

在明確了紫外線輻照度的定量測量后，還必需確定在一定輻照度下達到有效消毒劑量的有效消毒時間。在實際醫(yī)用消毒環(huán)境中(比如在手術室消毒中)，經常會使用多個紫外線燈進行消毒，即使是使用同一型號或批次的紫外燈，不同的紫外燈的輻照度也會有所變化。此外，隨著使用時間的增加，單個紫外線燈的輻照度也會發(fā)生變化。若對不同的輻照度的紫外線燈采用相同的消毒時間，顯然會產生消毒過量或消毒不足等問題。為了能夠實現消毒劑量的有效性，必需確定在不同輻照度下所應滿足的消毒時間。為了能夠實現對紫外線消毒劑量的自動設置和監(jiān)控，有必要對達到有效消毒劑量的紫外線輻照度和消毒時間的關系建立定量的數學模型。實際應用環(huán)境下，燈管的工作電壓隨時都可能變化，燈管的輻照度也會隨著電源電壓的變化而變化，而且環(huán)境的溫濕度等因素對輻照度也有影響[6-8]。因此，必需采取必要措施以消除這種不利影響。

2 關鍵問題的研究

2.1 紫外線輻照度的測量

本文采用探測器法測量紫外線輻照度。為了保證檢測的準確性，首先必須明確在醫(yī)用消毒領域消毒所用的不同波長紫外線的殺菌效果。然后，根據最佳殺菌效果確定所需的紫外線波段,進而確定探測所需紫外線波段的紫外線探測器。其中，在醫(yī)用消毒應用中，經過試驗證明,在波長240～280 nm之間的紫外線具有較高的殺菌效果。此波段恰好位于紫外線C波段。經反復試驗證明，當波長為253.7 nm時，殺菌效果最強。

標準紫外線照度計的標準響應函數與紫外輻射的殺菌效應函數基本一致。標準紫外照度計的示值定義為：

(1)

式中：Δλ=λ2-λ1為通帶寬度;S(λ)為接收器的光譜靈敏度；τ(λ)為濾光片的光譜透過率；Ee(λ)為紫外光源在測試面處的絕對光譜輻照度。

S(λ)的光譜響應曲線應與紫外輻射的殺菌效應函數基本一致。式(1)是針對紫外線入射法線垂直接收面S的情況。在實際情況下，紫外線輻射源與探測器軸線往往會存在一定的夾角，且光源往往是較大尺寸的擴展光源而非點光源，因此會導致測量結果產生嚴重的誤差[9-11]。修正這種誤差的方法是采用均勻漫射材料制成的余弦校正器。其中，本文系統(tǒng)所采用的探測器基本結構如圖1所示。在圖1中，濾光片的光譜透過率應與紫外照度計的標準響應函數基本一致。為此，系統(tǒng)采用了鍍膜石英濾光片，透過中心波長為253.7 nm,帶寬為20 nm，C波段以外響應2%。光電轉換器件選用了紫敏硅光電池。該電池在紫外波段有足夠的靈敏度，響應峰值在330 nm，在C波段200～290 nm范圍內，均有較高的靈敏度。余弦校正器則采用了平面型的磨砂石英玻璃。

圖1 紫外線探測器

由于紫外線探測器的輸出信號為電流且較小(微安數量級)，為了便于數字處理，需將探測器輸出電流信號轉換為電壓信號并進行放大，然后由A/D轉換器件完成模擬信號到數字信號的轉換。其中，電流/電壓轉換電路及信號放大電路采用了基于集成運算放大器的結構?？紤]到系統(tǒng)為單電源供電，且為了減小電流/電壓的轉換誤差，電流/電壓轉換電路及后級運算放大器采用軌至軌、低偏置電流放大器(偏置電流為皮安級)。電流/電壓轉換電路和放大電路的原理圖如圖2所示。其中，運算放大器(U1和U2)采用了AD8504。電容C1和C2能夠提高放大電路的穩(wěn)定性、避免產生自激振蕩所加的頻率補償(去耦)電容。

圖2 電流/電壓轉換、放大電路

2.2 輻照度與消毒時間關系

根據國家標準規(guī)定[13]，在消毒的目標微生物種類不詳或需殺滅多種病毒或細菌時，輻射劑量即輻照度與消毒時間的乘積不應低于100 000 μW.s/cm2。但是，在實際醫(yī)用消毒環(huán)境中，在高于有效輻照度(40 μW/cm2)的前提下，一方面要避免消毒劑量不足，另一方面還要避免不必要的消毒過量。因此，應該明確不同輻照度下達到有效消毒劑量所對應的有效消毒時間?；诒O(jiān)控系統(tǒng)的自動化要求，應該建立起不同輻照度情況下達到有效消毒劑量時表示輻照度和消毒時間關系的數學模型。這樣，在消毒過程中，當監(jiān)測的紫外線燈輻照度發(fā)生變化時，系統(tǒng)可實時調整相應的消毒時間，以保證消毒劑量的有效性。本文通過醫(yī)院大量的生物檢測試驗，提出并建立了輻照度與消毒時間關系的數學模型。

2.2.1 試驗條件和試驗方法

試驗在醫(yī)院實際消毒工作環(huán)境中進行。其中，醫(yī)院的消毒房間內紫外燈的數量按消毒標準設置[4]，即每立方米空間紫外燈功率不小于1.5 W的原則，消毒的總效果是所有紫外燈共同作用的綜合。為了確保測試的準確性，將環(huán)境溫度設定為20～25℃，相對濕度為60%，紫外燈電源電壓通過穩(wěn)壓器保持穩(wěn)定。針對不同的污染環(huán)境，將消毒分為常規(guī)消毒、加強消毒1、加強消毒2、加強消毒3四類，消毒時間依次增加。在一般污染環(huán)境中，通過對生物樣本進行不同輻射劑量的消毒試驗，在選用最低消毒時間的基礎上，增加40%作為常規(guī)消毒的時間參數。在污染較重的環(huán)境中，對地面、墻角等距離紫外燈較遠的地方，進行了專門的輻照度測量，通過延長消毒時間來增加輻射劑量，并將有效的消毒時間作為加強消毒的時間參數。針對8種不同的輻照度進行了生物試驗，每項試驗進行了15組，并取其平均值作為測量數據。

2.2.2 試驗數據及數學模型

測量的輻照度與消毒時間關系曲線如圖3所示。

圖3 輻照度與消毒時間關系曲線

根據圖中曲線形狀，設其數學模型為：

y=axbb<0

(2)

將其化成線性模型:lny=lna-blnx。

對試驗數據進行相關性分析，加強消毒相關系數和常規(guī)消毒相關系數均大于N=8時的標準值R=0.704,故可以擬合成線性關系曲線。利用最小二乘法算得常規(guī)消毒以及加強消毒的參數a、b。由此可得輻照度與消毒時間的數學模型：

T=aEb

(3)

式中：E為紫外燈輻照度；T為消毒時間。

分別代入常規(guī)消毒和加強消毒的參數，可以得出相應的消毒時間。其中常規(guī)消毒與加強消毒1的消毒時間如下。

常規(guī)消毒：

T1=3 789.540 3E-1.194

(4)

加強消毒1：

T2=19 015.315 2E-1.286

(5)

其中，一個消毒空間內常常需要多個紫外線燈和探測器，以便于對整個消毒空間進行有效消毒和實時監(jiān)控。式(3)中E的求解如式(6)和式(7)所示：

(6)

E=1/2(Emin+Eevn)

(7)

式中：Eevn為全部燈管輻照度的平均數；ei為第i個燈的輻照度；n為燈數；Emin為所有輻照度中的最小值。

將式(7)中的E代入式(3)，即可求出該強度下所需的消毒時間。由此求出在不同消毒模式下所需的輻射劑量:

M=T×E

(8)

式中：T為由式(3)得出的常規(guī)消毒或加強消毒1、2、3的時間；M為相應模式下的輻射劑量。

2.3 電壓波動等干擾的消除

由試驗得知，施加在燈管上的電壓隨時都可能發(fā)生變化，變化范圍一般在220 V±10%之間，燈管的輻照度隨著電源電壓的變化而變化，而且環(huán)境的溫濕度等因素對輻照度也有影響。如果按最初測定的輻照度平均數E計算總輻射劑量值，經過時間T后，由于輻照度的變化，實際輻射劑量大于或小于理論值是可能的。為消除電壓波動等因素影響，在軟件設計上，采取對輻射劑量遞減的算法，每1min測一次E值，并從總劑量M中減去一個E,同時消毒時間增加1min，直到M減完為止，消毒過程結束。這樣設計將盡可能減少電壓波動等環(huán)境因素造成的輻照度的變化對消毒效果的影響。

2.4 系統(tǒng)總體設計

為了實現對消毒過程的自動監(jiān)控，對監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架進行了設計和實現。其中，針對實際消毒環(huán)境的要求，設計了一種可實現對8路紫外線燈的輻射量進行測量和監(jiān)控的、基于嵌入式微控制器的系統(tǒng)。其系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4 總體系統(tǒng)框架

圖4所示的系統(tǒng)分為現場探測和遠程監(jiān)控兩部分：現場探測部分包括紫外線傳感器、信號調理電路、多路開關、采樣保持與模/數(A/D)轉換、微控制器等，以實現對紫外燈輻照度的探測，并能實現對輻照度不足的紫外燈進行報警、現場總線通信等功能；遠程監(jiān)控則是由上位機通過現場總線與現場探測設備進行通信來實現，上位機所實現的功能包括各路紫外燈輻照度的顯示，以及消毒時間顯示、消毒方式的設定、報警、自動開關紫外燈等。系統(tǒng)最多可對8路紫外燈進行實時監(jiān)控，實際需要控制的紫外燈數量可通過功能鍵進行設置。當某個消毒環(huán)境中所需的監(jiān)控點大于8路時，則可通過兩個或兩個以上的系統(tǒng)的現場總線互聯，實現對消毒現場系統(tǒng)的擴展。

3 試驗結果與分析

在所建立的系統(tǒng)基礎上，在實際的工作環(huán)境下，對系統(tǒng)進行了運行試驗。其中，影響系統(tǒng)運行效果和性能幾個關鍵因素的試驗如下。

3.1 傳感器精度測量試驗

系統(tǒng)傳感器精度測量采用了對比測量法。即將所設計的傳感器的測量結果與標定的紫外線輻照計的測量結果進行對比，以確定傳感器的測量精度。

紫外線輻照計采用標定有限期內的UV-B型紫外線輻照計。將輻照計與系統(tǒng)設計的紫外線傳感器同置于紫外燈管中心垂直距離1 m處，比較其顯示的輻照度值。每組測量進行50次，取其平均值。表1為試驗測試的一組數據。

表1 傳感器精度試驗結果

3.2 消除電壓波動因素影響試驗

為了驗證消除電壓波動等因素影響的軟件設計的有效性，改變紫外燈電源電壓，觀察其輻照度的變化，并在生物樣本試驗基礎上，對實際消毒時間與理論消毒時間進行比較。根據紫外線輻照度測試要求[3]，將傳感器固定在燈上方1 m處。由于傳統(tǒng)懸掛式紫外燈的燈架對燈的上方有遮擋，所以對其進行了改造，將燈架設計成無擋光式，這樣可以避免燈架上方紫外線輻射死區(qū)。在普通手術室外使用調壓器，將紫外燈電源電壓每隔6 min調整一次，分別進行常規(guī)消毒和加強消毒的生物樣本試驗。

表2為輻照度隨電壓變化試驗結果。表2中,電壓值是紫外燈的電源電壓，輻照度1至輻照度3分別是3組紫外燈的平均輻照度。

表2 輻照度隨電壓變化試驗結果

表3為在加強消毒1模式下各個輻照度對生物樣本的實際消毒時間和理論消毒時間。

表3 加強消毒1模式下理論與實際消毒時間對比結果

表3中，理論消毒時間是按照開始測得的輻照度進行計算的，由于電源電壓的變化，紫外燈輻照度隨之變化。從表3看出，系統(tǒng)實際消毒時間與理論消毒時間是有一定差別的。經過實際消毒時間，生物樣本試驗表明消毒效果符合國家標準要求中規(guī)定II類環(huán)境衛(wèi)生要求[12]，系統(tǒng)模型的建立是適合的，系統(tǒng)消除電壓波動因素影響的軟件設計是有效的。

3.3 消毒效果試驗

將安裝本文所設計系統(tǒng)的儀器使用在泰安市第一人民醫(yī)院和其他幾家醫(yī)院普通手術室，進行了半年多現場試驗。每天常規(guī)消毒3～5次，每周加強消毒2次，每月隨機做2次空氣培養(yǎng)，試驗符合國家標準中規(guī)定II類環(huán)境衛(wèi)生要求。用戶一致認為儀器操作簡單，使用安全方便，準確地反映了實際消毒情況，消毒效果可靠。

4 結束語

本文針對醫(yī)用環(huán)境下的紫外線消毒不足或消毒過量的問題，提出并建立了輻照度和消毒時間關系數學模型，并在此基礎上對紫外線輻照度自動測量和消毒監(jiān)控系統(tǒng)進行了設計和實現。相比傳統(tǒng)的紫外線消毒方法，該系統(tǒng)能實時監(jiān)測每個紫外燈的輻照度，對不符合要求的紫外燈及時報警，嚴格控制輻射劑量，并根據電源電壓的波動及環(huán)境因素等對紫外燈輻照度的影響，自動調整消毒時間，有效保證了消毒效果，提高了醫(yī)療質量。該系統(tǒng)在實際應用中有較大的優(yōu)越性，在醫(yī)院、衛(wèi)生防疫部門等消毒場所具有重要的推廣價值。

[1] 高建民,翁惠輝,陳永軍,等.基于AVR單片機的高精度紫外線檢測儀的設計[J].自動化與儀表,2012,27(1)：28-30.

[2] 郭蘭英,何艷.紫外線消毒致眼部灼傷的原因分析及防范對策[J].中外醫(yī)學研究,2011,24(9):182.

[3] WS/T367-2012 醫(yī)療機構消毒技術規(guī)范[S].2012.

[4] 王媛.紫外線消毒自適應智能控制與管理研究[J].中國消毒學雜志，2009,26(2):189-190.

[5] Qlang Z, Li M, Bolton R. Development of a tri-parameter online monitoring system for UV disinfection reactors[J].Chemical Engineering Journal, 2013,222(4): 101-107.

[6] 曹璟宜.醫(yī)學試驗室紫外線燈使用現狀及其消毒效果調查[J].中國消毒學雜志,2010,27(6):768-769.

[7] 李夢凱,強志民,史彥偉,等.原位在線紫外線強度測試平臺對紫外線消毒系統(tǒng)的測試及應用[J].給水排水，2011,37(8):26-30.

[8] 牟強善,朱繼軍,孫濤，等.一種新型遙控紫外線消毒車的研制[J].中國醫(yī)學裝備,2012,9(12):15-16.

[9] 黃勃，代彩虹，于家琳.紫外輻射照度計的余弦響應特性測試研究[J].光學技術，2010，36(2)：176-181.

[10]代彩虹，于佳琳，于靖，等.太陽紫外光輻射地面測量裝置中的入射光系統(tǒng)的研制[J].光學技術，2006，32(1):42-46.

[11]Woolliams E R, Fox N P, Cox M G, et al.The CCPR K1-a key comparison of spectral irradiance from 250nm to 2500nm: measurements, analysis and results[J].Matrologia, 2006(43):S98-S104.

[12]GB15982-2012 醫(yī)院消毒衛(wèi)生標準[S].2012.

Key Issue and Design Study of Ultraviolet Measurement and Disinfection System and Its Design and Implementation

Bad situations of ultrasonic (UV) disinfection exist in most of the hospitals, the critical issues (measurement of irradiance and measurement time) involved disinfection dose that affecting disinfection effects are analyzed; and in accordance with biological test, the mathematical model for determining irradiance of disinfection dose and disinfection time is proposed and established. In addition, in accordance with the variation of irradiance caused by interference from the voltage of power supply for UV lamp and surroundings, the decreasing algorithm for irradiation dose is adopted in software, and on the basis of solving critical issues, the UV automatic detection system is designed and implemented. The tests indicate that the system can implement real time and effective monitoring the UV disinfection, the effects of disinfection reaches the requirements of national standards for disinfection.

Measurement Ultraviolet Disinfection Irradiance Monitoring and control system

山東省高等學?？萍加媱澔鹳Y助項目(編號：J11LG23)。

劉守山(1970-)，男，2007年畢業(yè)于浙江大學機械制造及其自動化專業(yè)，獲博士學位，副教授；主要從事光電技術、嵌入式可重構技術應用方面的研究。

TN23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509011

修改稿收到日期：2015-03-10。