王穎

(吉林大學(xué)第一醫(yī)院 二部消毒供應(yīng)中心， 吉林 長春 130031)

0 引言

紫外線消毒常用在治療室、實驗室和醫(yī)院臨床科室等環(huán)境，由于消毒環(huán)境的變化使得傳統(tǒng)的定時消毒制度不能達到滿意效果，只有合適的消毒劑量才能達到滿意的消毒效果[1]。在醫(yī)用環(huán)境下，紫外線消毒劑量為消毒時間和紫外線輻照度的乘積[2]。由此看出，影響紫外線消毒效果的因素有兩個，即消毒時間和輻照度。因此，消毒時間的準(zhǔn)確判斷和輻照度的精準(zhǔn)測量是本設(shè)計的關(guān)鍵。

1 關(guān)鍵因素研究

1.1 輻照度的測量

醫(yī)用消毒領(lǐng)域，紫外線輻照度的測量常常使用探測器法，此外還要確定不同波長紫外線的消毒效果，根據(jù)消毒效果來選擇不同紫外線波段的探測器。文獻研究可知，醫(yī)療領(lǐng)域紫外線消毒效果最佳的波段為240—280 nm，屬于紫外線C波段范圍(C波段具有快速消毒效果)。經(jīng)過反復(fù)試驗，現(xiàn)將最佳消毒波長確定為254.2 nm[3]。

紫外線消毒效果函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的輻照計響應(yīng)函數(shù)趨同，因此可得到輻照度示值為式(1)。

(1)

其中，λ1和λ2表示通帶寬度范圍，即Δλ=λ2-λ1；Ee(λ)、S(λ)、τ(λ)分別表示絕對光譜輻照度、光譜靈敏度和光譜透過率。

式(1)所得到的輻照度示值是紫外線接收面與入射紫外線垂直情況下的示值。但通常情況下，探測器軸線會與紫外線入射具有一定夾角，而發(fā)射光源也并非是點光源，這樣會導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，本文的紫外線自動檢測消毒系統(tǒng)利用余弦修正原理，設(shè)計了探測器，如圖1所示。

圖1 紫外線探測器結(jié)構(gòu)

圖1中，濾光片為鍍膜石英，C波段以外響應(yīng)為1.5%、通帶寬度為20 nm，通過濾光片中心的紫外線波長為254.2 nm；將子紫敏硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換器，該電池具有較高的紫外線靈敏度，響應(yīng)峰值為280 nm，屬于C波段范圍；采用磨砂石英玻璃作為余弦修正器件。

紫外線探測器的輸出信號是微安級別的，因此難以直接將其處理成數(shù)字信號。因此，本設(shè)計首先將輸出信號轉(zhuǎn)換為可放大的電壓信號，并通過A/D將電壓信號處理為數(shù)字信號，紫外線探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯箅妷盒盘柕碾娐吩韴D，如圖2所示。

圖2 電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯箅妷盒盘柕碾娐吩韴D

其中，采用AD8504作為運算放大器，雙電容(C1和C2)能夠起到穩(wěn)定放大電路的作用，有效避免了自激振蕩的產(chǎn)生。

1.2 消毒時間的確定

按照醫(yī)用消毒規(guī)定，通常情況下對于醫(yī)院等細(xì)菌、病毒種類及數(shù)量較多的環(huán)境，紫外線輻射劑量要大于1×105μW·s/cm2。但在實際醫(yī)院環(huán)境中，當(dāng)輻射劑量大于40 μW/cm2(有效輻照度)后，就要考慮消毒過量和劑量不足兩個問題。因此，本系統(tǒng)開發(fā)需要考慮安全、有效的消毒劑量與消毒時間的關(guān)系。

醫(yī)院消毒環(huán)境中，紫外線消毒燈數(shù)量(總功率)是按照消毒標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的，即1.5 W/cm3。根據(jù)真實醫(yī)院環(huán)境，本實驗將相對濕度設(shè)定為62%，環(huán)境溫度為25 ℃，并保持紫外線燈電源電壓穩(wěn)定。根據(jù)醫(yī)院場所消毒要求，本實驗將消毒等級分為普通消毒、強消毒1、強消毒2和強消毒3，強消毒1是在普通消毒基礎(chǔ)上增加40%消毒時間，以此類推，以增加消毒劑量，輻照度分為8個等級，最后得到消毒時間與測量的輻照度的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 消毒時間與輻照度的關(guān)系曲線

根據(jù)關(guān)系曲線，可列出數(shù)學(xué)模型為y=axbb<0，通過線性變換得到為式(2)。

lny=lna-blnx

(2)

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，可得到普通消毒和強消毒相關(guān)系數(shù)均大于8時的標(biāo)準(zhǔn)值為0.704，所以可對數(shù)據(jù)進行線性關(guān)系擬合，并計算參數(shù)a(普通消毒)和b(強消毒)，最終得到消毒時間與輻照度關(guān)系[4]為式(3)。

T=aEb

(3)

其中，T表示消毒時間；E表示輻照度。

將參數(shù)a和b代入式(3)中，結(jié)合探測器測量的紫外線輻照度，即可得到相應(yīng)的消毒時間。例如，通過計算得到的普通消毒時間T1和強消毒時間TQ1[5]為式(4)、式(5)。

T1=3 792.603 4E-1.194

(4)

TQ1=19 213.287 6E-1.292

(5)

不同環(huán)境下，需要的紫外線消毒燈個數(shù)不同(即輻照度大小)，同時也需要增加相應(yīng)的探測器來監(jiān)控消毒是否有效。因此，輻照度E可通過下式獲得，如式(6)、式(7)。

(6)

E=1/2(Emin+Eevn)

(7)

其中，Emin表示最小輻照度；n表示紫外線燈數(shù)量；ei表示第i個紫外線燈的輻照度；Eevn表示全部輻照度平均數(shù)。

將上述結(jié)果代入式(3)中即可計算出不同輻照度下的消毒時間。由此可建立輻射劑量M的計算式，如式(8)。

M=T×E

(8)

1.3 干擾因素的消除

醫(yī)院實際消毒環(huán)境中，紫外燈電源的電壓通常為市電電壓，即220V±10%，電壓的波動會對輻照度產(chǎn)生一定的影響，此外實際消毒環(huán)境的濕度和溫度也具有波動性，對輻照度存在難以消除的微小影響。按照上述理論式計算的輻射劑量，與真實需要的輻射劑量會存在一定的偏差。為了消除干擾因素的影響，本文自動檢測系統(tǒng)中引入了遞減算法來達到抗干擾的目的。即每分鐘測量一次輻照度E，總輻射劑量M減去該次測量結(jié)果E，然后消毒時間增加一分鐘，直到M減完為止，即結(jié)束消毒。遞減算法的引入能夠有效抵抗電壓波動因素對消毒效果的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計及效果測試

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)紫外線自動檢測，本文設(shè)計了消毒系統(tǒng)。本設(shè)計可實現(xiàn)8路紫外線燈的監(jiān)控和輻射量檢測，基于嵌入式微控制系統(tǒng)，分為遠程監(jiān)控和現(xiàn)場探測兩個單元。其中，遠程監(jiān)控是通過總線與現(xiàn)場設(shè)備的連接來實現(xiàn)傳輸?shù)?，上位機主要提供顯示(如消毒時間、輻照度)、報警、消毒方式設(shè)定、自動控制紫外線燈開關(guān)等功能；現(xiàn)場探測包含紫外線燈、紫外線探測器、信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換、多路開關(guān)、微控制系統(tǒng)、通信總線等，現(xiàn)場探測也具有報警功能，以便現(xiàn)場人員及時匯報并調(diào)整。系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)可提供最多8路紫外線消毒燈的控制和檢測，并根據(jù)消毒環(huán)境情況調(diào)整紫外線燈的數(shù)量。為了滿足大型消毒環(huán)境的需求，本系統(tǒng)還可以通過現(xiàn)場總線互聯(lián)的方式進行擴展，使其消毒線路大于8路。

2.2 效果測試

為了驗證該系統(tǒng)的有效性和消毒效果，選取了某醫(yī)院的真實環(huán)境進行測試。消毒效果評估前，需要對紫外線探測器精度和電壓波動影響進行測試。方案如下：

通過對比測量法分析紫外線探測器與標(biāo)定的輻照計測量結(jié)果來確定探測器的精度。本文采用UB-T28型紫外線輻照計作為標(biāo)準(zhǔn)，將其與本文設(shè)計的探測器置于紫外線燈管法線0.8 m處，并讀取兩個設(shè)備的讀數(shù)。為了測量結(jié)果準(zhǔn)確，采用每組測量40次取平均值的方法，得到探測器精度結(jié)果，如表1所示。

表1 探測器精度測試結(jié)果

由表1可知，本文設(shè)計的探測器其相對偏差均小于2%，說明精度較高。

為了驗證本系統(tǒng)中抗干擾算法的有效性，采用每5分鐘隨機變換一次紫外線燈電源電壓的方式(變化幅度不超過±10%)。采用標(biāo)準(zhǔn)生物樣本來界定普通消毒、強消毒a和強消毒b的輻照度，如表2所示。

表2 電壓變化下不同消毒策略下的輻照度結(jié)果

通過實際消毒時間(生物樣本界定)和根據(jù)輻照度通過理論算式計算的消毒時間進行對比，如表3所示。

表3 實際消毒時間與理論消毒時間對比結(jié)果

每組采用40次數(shù)據(jù)取平均值的方法，來提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

由表2、表3可知，理論消毒時間和實際消毒時間存在微小偏差，但相對偏差不超過5%，符合Ⅱ類環(huán)境衛(wèi)生消毒要求，說明該系統(tǒng)建立的模型適合，提出的抗干擾措施有效。

3 總結(jié)

為了避免紫外線過度消毒或消毒不足的問題，本文設(shè)計了紫外線自動檢測消毒系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)消毒環(huán)境自動檢測紫外線輻照度來設(shè)定消毒時間，以此滿足現(xiàn)場對消毒劑量的要求。同時，為了消除市電電壓波動對輻照度的影響，本設(shè)計還引入了遞減算法抗干擾措施，提高了系統(tǒng)精度。由消毒效果測試可知，本系統(tǒng)探測精度高、時間設(shè)定準(zhǔn)確，可以滿足醫(yī)院普通手術(shù)室和治療室的消毒需求。