光纖布拉格光柵在醫用蒸汽滅菌器溫度監測的應用

饒春芳，吳 鍇，胡友德，陶 歡，董 珺，張聰睿，吳 超

(1.江西師范大學 物理與通信電子學院 江西省通信與光電子重點實驗室，江西 南昌 330000；2.江西省人民醫院口腔科，江西 南昌 330000)

1 引 言

2020年伊始，新型冠狀病毒施虐全球，公共衛生安全再次成為全世界的焦點。復用醫療器械的消毒滅菌是預防醫院交叉感染的重點[1]。常用的滅菌方法有物理滅菌法和化學滅菌法。蒸汽滅菌法是一種常用的醫用物理滅菌法，其原理是飽和蒸汽在一定的溫度和壓力下擁有大量的熱量，遇到冷的消毒物品時冷凝并釋放出大量的熱量，使被消毒物品受熱受潮，在熱與濕的作用下將細菌殺死，達到消毒目的[2]。 它適用于耐高溫、高濕的醫用器械和實驗室物品器材的滅菌。常用的蒸汽滅菌器包括下排式壓力蒸汽滅菌器、預真空壓力蒸汽滅菌器和脈動真空壓力滅菌器，其中預真空和脈動真空壓力滅菌器適用于多孔性物品的滅菌[3]。在我國2012年發布的《醫療技術消毒技術規范(WS/T367-2012)》中規定：“耐熱、耐濕手術器械、棉布類敷料和棉紗類敷料，應首選壓力蒸汽滅菌”[4]。為保障滅菌效果，我國衛生行業標準《醫用消毒供應中心：第三部分：清洗消毒及滅菌效果監測標準(WS310.3-2016)》(以下簡稱WS310.3-2016)則明確給出了醫用消毒供應中心清洗消毒及滅菌消毒效果監測標準的強制性條款，其中物理監測中包括日常對溫度、時間和壓力等的監測和每年必須的定期監測[5]。然而眾多調查顯示，一方面目前監測合格率低，如2018年對部分軍隊醫院使用中壓力蒸汽滅菌器物理參數現況的調查報告顯示總體合格率僅為25.00%[6]；另一方面監測執行率低，例如對廣東省2018年部分醫療機構監測執行現狀的調查結果表明，只有30.81%的醫療機構執行定期監測制度[7-8]。

從檢測技術方面分析以上情況產生的原因主要有兩個方面。首先，傳統實驗室條件下的物理監測需拆卸滅菌器儀表，影響醫務工作，給維護及維修帶來不便[9]。其次，雖然近年來無線溫度數據采集系統被應用于醫療蒸汽滅菌器的現場實時檢測，但在我國此類設備主要依賴進口，價格昂貴[10]。同時無線數據傳輸存在電磁兼容及可靠性等問題[11-12]，特別對于大型滅菌器，需要的測試點多，更增加了保障無線傳輸的有效性和可靠性的難度，因此其測試成本迅速上升。光纖布拉格光柵傳感器(Fiber Bragg Grating，FBG)是目前先進傳感器的代表，除靈敏度高、復用性和實時性好，易于與通信網絡復用等優勢外[16-17]，具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、體積小、徑細可彎曲、可實現準分布式、價格便宜等優點，能有效解決醫療蒸汽滅菌器的物理量實時測試需面對的溫度場復雜，高溫高濕及滅菌器附近可能有強電磁環境等問題。本研究在評估FBG傳感器運用到蒸汽滅菌器的溫度監測可行性的基礎上，探索傳感器設計和性能等問題，以期開拓新的蒸汽滅菌器的溫度實時在線監測手段。

2 FBG傳感器原理

FBG是在光纖纖芯中引入周期性折射率調制的一種光學無源器件，如圖1所示。普通通信用單模光纖主要成份為SiO2，由纖芯和包層組成，通常光纖表面有涂覆層以保護光纖，常規帶涂覆層光纖的直徑為250 μm左右。當寬帶光源入射到FBG中，波長滿足布拉格條件的部分會被反射，剩余波長的光則通過光纖繼續傳輸[13-15]。反射波的中心波長λ滿足：

λ=2neffΛ，

(1)

其中：λ為FBG的中心波長，neff為光纖纖芯的有效折射率，Λ為光柵周期。當所測環境參量(應變與溫度)發生一定改變時，會引起其有效折射率和光柵周期發生相應的改變，從而引起反射光中心波長的漂移，通過相應的解調儀解調出的中心波長漂移量可反推出外界環境的改變量，達到測試的目的。相應的傳感表達式為：

(2)

其中：Δλ為FBG中心波長的漂移量，λ為一定溫度下處于自由狀態時FBG的中心波長值，Pe為光纖的有效彈光系數，ε是應變量，α是光纖的熱膨脹系數，ξ是光纖的熱光系數，ΔT溫度變化量。

圖1 光纖布拉格光柵原理Fig.1 Schematic diagram of fiber Bragg grating

由式(2)可知，應變和溫度會改變FBG的中心波長，該表達式也是通過FBG檢測應變與溫度的基本原理。但在實際測量過程中，往往需要的是溫度與應變中一個參量，所以當所測環境溫度不變，只考慮應變引起的中心波長偏移時，式(2)可簡化為[18-19]：

(3)

當所測環境應變不變，只考慮溫度引起的中心波長偏移時，式(2)可簡化為[18-19]：

(4)

當需要進行多點測試時，可在一根光纖上刻寫多個光柵，形成光柵串，通過合理設計光柵串的中心波長，使它在工作中有效光譜不重疊，即可形成準分布式多點傳感器，其傳感原理如圖2所示。寬帶光源(其功率為P(λ))，通過環形器入射到光纖光柵串，光纖光柵串上的每個光柵都反射回特定波長的峰，每個FBG對應于一個反射峰。當每個FBG所處環境的溫度或應力發生變化時，相對應的反射峰的中心波長將發生變化，光纖光柵解調儀實時記錄這些中心波長的變化，利用式(3)或(4)即可求出相應的溫度或應力的變化。

圖2 FBG串傳感原理Fig.2 Schematic diagram of FBG arrays sensor

3 實 驗

3.1 可行性分析

蒸汽滅菌器的滅菌在一個密閉腔體中進行，光纖傳感器為有線傳感器，因此傳感器必須能安全接出密閉腔的同時蒸汽滅菌器的正常工作。由于密閉腔使用的是硅膠圈密封門，硅膠圈有一定彈性，這里嘗試將FBG尾纖通過腔體密閉門引出。在測試溫度時，為了排除壓力的影響，首先使用毛細不銹鋼管鎧裝尾纖(直徑為900 μm)，實驗證明這一直徑尾纖從密閉門引出會導致腔體發生水蒸汽泄露。隨后使用僅帶涂覆層的尾纖通過密閉門(直徑為250 μm)，并將帶這種尾纖的傳感器分別放置進入3種小型蒸汽滅菌器(Runyes?SEA蒸汽滅菌器(23 L)，海鷗?BES (18 L，B級-LED)，新華?MOST-T-45(45 L))，在兩周內反復進行實時測試，實驗證實傳感裝置及滅菌器均正常工作，腔體在滅菌工作中沒有出現泄露的現象；并且在隨后的半年時間內，滅菌器均正常工作。因此，使用帶這一直徑尾纖的傳感器進行測試是可行的。在此后的研究中，傳感器選用尾纖直徑為250 μm 的僅帶涂覆層的FBG。

在刻寫過程中根據折射率調制的強弱，光纖光柵分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。其中，Ⅰ型折射率調制弱，溫度穩定性不高；Ⅱ型折射率調制強，熱穩定性強；Ⅲ型的熱穩定性介于其它兩種之間[20]。目前市售Ⅰ型FBG價格低，制作工藝成熟，一般廠家標稱長期使用溫度極限在120 ℃。按衛生行業標準WS310.3-2016規定，蒸汽滅菌器溫度測試上限為150 ℃，但在一個滅菌周期中超過120 ℃的時間不超過30 min。經過長期測試，Ⅰ型FBG不會在測試過程中發生熱退化。因此，本研究中采用Ⅰ型FBG作為傳感器，所用溫度監測系統符合中華人民共和國國家計量技術規范《醫用熱力滅菌設備溫度計校準規范(JJF-1308-2011)》(以下簡稱JJF-1308-2011)中5.3條對校準參考溫度計的要求，即：所使用參考溫度計，應該滿足不破壞滅菌設備及其正常運行條件的要求。工作溫度范圍滿足校準所需溫度范圍。

3.2 測試方案

以下實驗數據使用Runyes?SEA蒸汽滅菌器(23 L)作為待測儀器，設定滅菌溫度為134 ℃。 由于其容積小于60 L，屬于小型壓力蒸汽滅菌器，根據國標《小型壓力蒸汽滅菌器滅菌效果監測方法和評價(GB/T30690-2014)》(以下簡稱GB/T30690-2014)中4.2.1條“將溫度測定儀放入滅菌器，每層設定3個點，各層間按對角線分布點”的要求[21]。測試傳感器分布設計如下：首先，由于FBG傳感器可方便利用波分復用技術，使用一FBG串作為傳感器，可在一支傳感器上測試多點溫度。鑒于儀器隔層對角線長度為41.5 cm，本文設計了如圖3所示的FBG串(山東重海信息技術有限公司生產)。由于FBG同時對溫度和壓力敏感，為此對于只測溫度的FBG需要隔絕壓力，所以FBG1，FBG2和FBG3均用直徑為900 μm，長度為15 mm的毛細不銹鋼管做封裝，兩端用自凝樹脂封口，以保證氣壓不會對3個FBG產生影響。

圖3 光纖光柵串分布Fig.3 Distribution of FBG arrays

3個FBG的設計中心波長(20 ℃)分別為1 549.83，1 554.96和1 539.91 nm。在FBG2間隔5 mm的地方有一個FBG不做封裝處理，以對比FBG對溫度和氣壓同時響應的情況，該FBG的原始中心波長為1 544.94 nm。各光柵中心波長間隔大于4 nm，以保證測試過程中各反射譜不發生重疊。FBG串分布與光譜分別如圖3和圖4所示。

FBG串放置在滅菌室中層托盤上，各光柵按圖5所示，呈斜對角方置。FBG滅菌器測溫系統如圖6所示。

圖4 光纖光柵串光譜Fig.4 Spectrogram for FBG arrays

整個傳感裝置由解調儀與傳感器組成，解調儀中的寬帶光源經環形器入射到FBG串，由FBG串返回的光經解調儀中的波長檢測單元實時讀出，其結果由電腦顯示并記錄。放置好傳感器后，使用精度為0.1 ℃的二等標準溫度計實測滅菌腔內起始溫度，并記錄各FBG此時的中心波長，以備后期計算絕對溫度使用。

圖5 FBG沿斜對角線放置在托盤上Fig.5 FBGs placed on pallet of sterilizing cavity

圖6 溫度監測系統示意圖Fig.6 Schematic diagram of temperature monitoring system

3.3 實驗結果與分析

本研究使用上海拜安傳感有限公司的FT810-04E型高精度解調儀讀取FBG中心波長變化，其波長檢測范圍為1 527～1 566 nm，動態解調速率為同步2 500 Hz，波長分辨率為0.1 pm，波長測量精度為±1 pm，時間讀取精度為1 μs。測試前所有傳感器均進行溫度靈敏度的標定。實驗使用精度為0.1 ℃的二等標準水銀溫度計作為參考溫度計，并使用恒溫水浴箱進行室溫0～90 ℃的溫度靈敏度標定，使用恒溫干燥箱進行90～150 ℃的溫度靈敏度標定。實測毛細不銹鋼封裝光柵的溫度靈敏度為0.013 6 nm/℃，裸光柵的溫度靈敏度為0.012 3 nm/℃，由解調儀波長精度為±1 pm，計算可得兩種傳感器的溫度測試精度分別為0.073 5 ℃與0.081 6 ℃，符合JJF-1308-2011中“參考溫度計分辨力優于0.1 ℃”的要求。

整個測溫過程中，蒸汽滅菌器的工作流程相關的溫度與壓力變化分以下幾個階段：(1)升溫抽負壓。預熱滅菌室后，真空泵抽真空，到達預定壓力(-80 kPa)后，真空泵停止；(2)加壓升溫。蒸餾水通過蒸發器產生蒸汽進入滅菌室，脈動進汽，使滅菌室內壓力上升；(3)脈動。到達預定壓力(50 kPa)后，排除水汽和水，進行抽真空，如此往復3次，即3次真空，排空滅菌室內的空氣；(4)升壓升溫。蒸餾水通過蒸發器產生蒸汽進入滅菌室，脈動進汽，使滅菌室壓力到達設定壓力(110 kPa或210 kPa)和溫度；(5)在設定時間內，保壓保溫滅菌(110 kPa/20 min，210 kPa/6 min)；(6)抽負壓干燥并降溫；(7)滅菌完成后，排除水汽；釋放壓力當滅菌室內的壓力降低至大氣壓力時，啟動真空泵進行抽真空(-80 kPa)，在預定的時間抽真空后，真空干燥結束，輸入空氣降溫，使滅菌腔內壓力逐漸上升至大氣壓力，滅菌結束[22]。整個溫度測量過程各個FBG中心波長與時間的關系如圖7所示，為了使不同中心波長FBG的溫度關系圖能在同一張圖上顯示出來，這里面對不同起始中心波長的FBG進行了波長補償，不改變圖像特性。再根據先期二等標準溫度計記錄的起始溫度與各FBG起始波長值，通過傳感器的靈敏度換算，得到溫度隨時間的變化關系，如圖8所示。

圖7 空載時3個FBG中心波長與所測時間的關系曲線

圖8 空載時FBG中心波長所對應溫度與時間的關系曲線

由圖7可知，光纖光柵傳感器能夠很好地反映出蒸汽滅菌器內的溫度變化，具有實時性且非常直觀。分析此圖像可得各點不銹鋼毛細管封裝的FBG中心波長圖像曲線變化的一致性很好，在相同時間段內FBG中心波長的變化基本相同。從圖8溫度與時間的對應關系更加直觀地發現在初始加溫階段和高溫滅菌階段，各點的溫度值基本一致，只有中間脈動階段溫度差異較大。結合滅菌器工作原理，該階段腔內不斷地進行抽氣與加壓，溫度變化較劇烈，所以各點的溫差較大。圖8中的小圖為高溫高壓滅菌部分，它最能反映FBG監測的可靠性，從圖像可得各點的FBG在高溫高壓滅菌階段溫度維持在136.47 ℃。符合GBT30690-2014中“滅菌溫度范圍的實測值不低于設定溫度值，且不高于設定值3 ℃，滅菌室內任意兩點差值不超過2 ℃”的要求。但是，由于維持在設定溫度134 ℃以上的時間為468 s(7.8 min)，超出了標準時間6 min的30%，因此，不符合同一條款中“滅菌時間不低于設定值，且不高于設定值10%”的要求。

圖9給出了FBG2與裸FBG的響應曲線。由圖發現裸FBG與不銹鋼鎧裝的FBG2之間的中心波長對應時間的變化趨勢基本一致，兩支光柵所測得溫度也基本一致。只是在滅菌平臺后期開始兩支FBG指示的溫度存在差異，這可能是由于氣流的作用使祼FBG與拖盤有壓力的作用，因此測試過程中對FBG進行鎧裝以隔絕應力的影響是很有必要的。由圖9可知，裸FBG對腔內的氣壓并不敏感，無法反映出腔內氣壓的變化。

圖9 裸光柵與不銹鋼鎧裝的FBG實時溫度比較

根據JJF-1303-2011中“在空裝載條件下，設置不低于都15 s記錄一個讀數”，以及附錄B的建議：“測試在空裝載、小裝載和最有挑戰性滿裝載下進行”。表1分別給出了空載、半載及滿載狀態下滅菌時FBG的中心波長與具體溫度，數據取樣間隔為15 s。由表1分析可得各種載荷條件下，滅菌時溫度均超過設定溫度，最高溫度在136.47 ℃，符合WS310.3-2016中“溫度波動在+3 ℃以內”的要求。此外還可發現，該滅菌器在空載與半載時箱內各點的溫度相差值在2 ℃以內，符合GBT30690-2014中“任意兩點差值不得大于2 ℃”的要求。而在滿載情況下箱內各點的溫差較為明顯，最大溫差可達4.5 ℃，因此滿載時不合符國標要求。經分析，造成該現象的原因在于：FBG2位于滅菌器內部的中心位置，所堆放的物品較多，熱量不易進入到里面；而FBG1和FBG3位于滅菌器內部的邊緣位置，物品較少，熱量較易擴散。這些數據與現象進一步體現了FBG傳感器在蒸汽滅菌器測溫方面的實用性和可靠性。

表1 空載、半載及滿載狀態下滅菌時FBG的中心波長與具體溫度

對照GBT30690-2014中對傳感器的要求，基于FBG的蒸汽滅菌器檢測方法操作簡單，便于攜帶，具備大量數據記錄的能力；傳感器具備耐高溫、耐壓、耐濕、耐化學品腐蝕的特點，FBG為無源器件，在滅菌器內部無需電源；溫度測量范圍、顯示分辨率及精度達到要求，時間記錄間隔可任意調整，最小記錄間隔達微秒級，最長記錄時間不限。對照WS310.3-2016中“溫度探測器的探頭需放置在最難探測的地方”的要求，本研究使用的毛細不銹鋼管鎧裝FBG直徑為0.9 mm，可以滿足諸如牙科手機等帶管腔，且形狀不規則的手術器械內部溫度場的測試。另一方面，對于大型蒸汽滅菌器，JJF-1303-2011中附錄B3.4條建議“一般按10到12個測量點/m3選取參考溫度計”。因此，需要對滅菌腔內多點進行實時監測，投入使用的無線溫度傳感器的成本會隨著監測點數量的增加大幅度增加，而對于FBG傳感器，目前國產商用解調儀可以輕易做到64條光通道，每個通道可分布50個監測點，完全可以滿足大型蒸汽滅菌器多點實時監測的需求，且成本沒有顯著上升。另一方面，蒸汽滅菌器滅菌的3個重要參量為溫度、時間和氣壓。相對于溫度和時間，氣壓為次要指標，因為對于蒸汽滅菌腔中的飽和蒸汽壓，溫度與氣壓是對應的，氣壓測試的目的在于保證滅菌階段滅菌腔體內為飽和蒸汽壓。由圖9可知，在腔體內直接放于托盤上的裸FBG對氣壓不敏感，后續工作將研究基于FBG用間接法測試受體內氣壓的方法。

4 結 論

為了提高醫用蒸汽滅菌器溫度監測系統的合格率與系統后期維修的便捷性，本文設計了基于毛細不銹鋼管鎧裝的光纖光柵串的溫度監測系統，并對整個滅菌過程中溫度監測的精準性和穩定性進行檢驗。實驗結果證明：該溫度監測系統的測量精度可達±0.1 ℃，可實時反映滅菌器工作過程中各個階段(諸如升溫抽負壓、加壓升溫、脈動、高溫高壓滅菌、抽負壓降溫干燥)的溫度變化及不同工作狀態下各點的溫度差。所測小型醫用蒸氣滅菌器空載時的最大溫差在2 ℃以內，滿載時最大溫差達到4.5 ℃。本溫度監測系統的溫度測量范圍、分辨率及精度，時間記錄精度及數據存貯能力均達到國家及行業標準要求。此外，光纖光柵傳感器具有耐高溫、耐壓、耐濕的優勢，并且由于光纖光柵本身為無源器件，抗電磁干擾，因此信號穩定可靠；對于諸如具有不規則管狀的牙科手機內部等其它測試手段到達不了的狹小區域，FBG傳感器的直徑纖細、易于彎曲，可彌補這一短板。同時，由于FBG傳感器易于形成多點準分布式測試，完全可以滿足大型滅菌器多點實時監測的需求且測試成本增加不明顯。本研究所提出的測試系統為醫用滅菌器的溫度監測方面提供了全新的手段，具有很好的應用前景。