紫外線自動(dòng)檢測(cè)及消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王穎

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

0 引言

紫外線消毒常用在治療室、實(shí)驗(yàn)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(shí)消毒制度不能達(dá)到滿意效果，只有合適的消毒劑量才能達(dá)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(shí)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(gè)，即消毒時(shí)間和輻照度。因此，消毒時(shí)間的準(zhǔn)確判斷和輻照度的精準(zhǔn)測(cè)量是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 關(guān)鍵因素研究

1.1 輻照度的測(cè)量

醫(yī)用消毒領(lǐng)域，紫外線輻照度的測(cè)量常常使用探測(cè)器法，此外還要確定不同波長(zhǎng)紫外線的消毒效果，根據(jù)消毒效果來(lái)選擇不同紫外線波段的探測(cè)器。文獻(xiàn)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(guò)反復(fù)試驗(yàn)，現(xiàn)將最佳消毒波長(zhǎng)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(jì)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(duì)光譜輻照度、光譜靈敏度和光譜透過(guò)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(cè)器軸線會(huì)與紫外線入射具有一定夾角，而發(fā)射光源也并非是點(diǎn)光源，這樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，本文的紫外線自動(dòng)檢測(cè)消毒系統(tǒng)利用余弦修正原理，設(shè)計(jì)了探測(cè)器，如圖1所示。

圖1 紫外線探測(cè)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(guò)濾光片中心的紫外線波長(zhǎng)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(cè)器的輸出信號(hào)是微安級(jí)別的，因此難以直接將其處理成數(shù)字信號(hào)。因此，本設(shè)計(jì)首先將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為可放大的電壓信號(hào)，并通過(guò)A/D將電壓信號(hào)處理為數(shù)字信號(hào)，紫外線探測(cè)器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯箅妷盒盘?hào)的電路原理圖，如圖2所示。

圖2 電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯箅妷盒盘?hào)的電路原理圖

其中，采用AD8504作為運(yùn)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(shí)間的確定

按照醫(yī)用消毒規(guī)定，通常情況下對(duì)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(shí)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(guò)量和劑量不足兩個(gè)問(wèn)題。因此，本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要考慮安全、有效的消毒劑量與消毒時(shí)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(shí)醫(yī)院環(huán)境，本實(shí)驗(yàn)將相對(duì)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(chǎng)所消毒要求，本實(shí)驗(yàn)將消毒等級(jí)分為普通消毒、強(qiáng)消毒1、強(qiáng)消毒2和強(qiáng)消毒3，強(qiáng)消毒1是在普通消毒基礎(chǔ)上增加40%消毒時(shí)間，以此類推，以增加消毒劑量，輻照度分為8個(gè)等級(jí)，最后得到消毒時(shí)間與測(cè)量的輻照度的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 消毒時(shí)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(guò)線性變換得到為式(2)。

lny=lna-blnx

(2)

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可得到普通消毒和強(qiáng)消毒相關(guān)系數(shù)均大于8時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)值為0.704，所以可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性關(guān)系擬合，并計(jì)算參數(shù)a(普通消毒)和b(強(qiáng)消毒)，最終得到消毒時(shí)間與輻照度關(guān)系[4]為式(3)。

T=aEb

(3)

其中，T表示消毒時(shí)間；E表示輻照度。

將參數(shù)a和b代入式(3)中，結(jié)合探測(cè)器測(cè)量的紫外線輻照度，即可得到相應(yīng)的消毒時(shí)間。例如，通過(guò)計(jì)算得到的普通消毒時(shí)間T1和強(qiáng)消毒時(shí)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(gè)數(shù)不同(即輻照度大小)，同時(shí)也需要增加相應(yīng)的探測(cè)器來(lái)監(jiān)控消毒是否有效。因此，輻照度E可通過(guò)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(gè)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(jì)算出不同輻照度下的消毒時(shí)間。由此可建立輻射劑量M的計(jì)算式，如式(8)。

M=T×E

(8)

1.3 干擾因素的消除

醫(yī)院實(shí)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(dòng)會(huì)對(duì)輻照度產(chǎn)生一定的影響，此外實(shí)際消毒環(huán)境的濕度和溫度也具有波動(dòng)性，對(duì)輻照度存在難以消除的微小影響。按照上述理論式計(jì)算的輻射劑量，與真實(shí)需要的輻射劑量會(huì)存在一定的偏差。為了消除干擾因素的影響，本文自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中引入了遞減算法來(lái)達(dá)到抗干擾的目的。即每分鐘測(cè)量一次輻照度E，總輻射劑量M減去該次測(cè)量結(jié)果E，然后消毒時(shí)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(dòng)因素對(duì)消毒效果的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及效果測(cè)試

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)紫外線自動(dòng)檢測(cè)，本文設(shè)計(jì)了消毒系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)8路紫外線燈的監(jiān)控和輻射量檢測(cè)，基于嵌入式微控制系統(tǒng)，分為遠(yuǎn)程監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)兩個(gè)單元。其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控是通過(guò)總線與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)?，上位機(jī)主要提供顯示(如消毒時(shí)間、輻照度)、報(bào)警、消毒方式設(shè)定、自動(dòng)控制紫外線燈開(kāi)關(guān)等功能；現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)包含紫外線燈、紫外線探測(cè)器、信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換、多路開(kāi)關(guān)、微控制系統(tǒng)、通信總線等，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)也具有報(bào)警功能，以便現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)匯報(bào)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(cè)，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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線互聯(lián)的方式進(jìn)行擴(kuò)展，使其消毒線路大于8路。

2.2 效果測(cè)試

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性和消毒效果，選取了某醫(yī)院的真實(shí)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。消毒效果評(píng)估前，需要對(duì)紫外線探測(cè)器精度和電壓波動(dòng)影響進(jìn)行測(cè)試。方案如下：

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

表1 探測(cè)器精度測(cè)試結(jié)果

由表1可知，本文設(shè)計(jì)的探測(cè)器其相對(duì)偏差均小于2%，說(shuō)明精度較高。

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)中抗干擾算法的有效性，采用每5分鐘隨機(jī)變換一次紫外線燈電源電壓的方式(變化幅度不超過(guò)±10%)。采用標(biāo)準(zhǔn)生物樣本來(lái)界定普通消毒、強(qiáng)消毒a和強(qiáng)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(guò)實(shí)際消毒時(shí)間(生物樣本界定)和根據(jù)輻照度通過(guò)理論算式計(jì)算的消毒時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 實(shí)際消毒時(shí)間與理論消毒時(shí)間對(duì)比結(jié)果

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

由表2、表3可知，理論消毒時(shí)間和實(shí)際消毒時(shí)間存在微小偏差，但相對(duì)偏差不超過(guò)5%，符合Ⅱ類環(huán)境衛(wèi)生消毒要求，說(shuō)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(guò)度消毒或消毒不足的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了紫外線自動(dòng)檢測(cè)消毒系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)消毒環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)紫外線輻照度來(lái)設(shè)定消毒時(shí)間，以此滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)消毒劑量的要求。同時(shí)，為了消除市電電壓波動(dòng)對(duì)輻照度的影響，本設(shè)計(jì)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(cè)試可知，本系統(tǒng)探測(cè)精度高、時(shí)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。