硬式內(nèi)鏡清洗池純水電導(dǎo)率測量裝置的設(shè)計(jì)

劉艷芳，王成躍，畢欣雨

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 臨床醫(yī)學(xué)工程處，江蘇 南京 210029

引言

在三級(jí)醫(yī)院，每天都將有大量的內(nèi)鏡器械需要清洗消毒滅菌處理，在對(duì)內(nèi)鏡器械消毒滅菌前，須將所有內(nèi)鏡器械進(jìn)行規(guī)范化的清洗。在清洗這一環(huán)節(jié)中，水質(zhì)是最重要的影響因素之一，水質(zhì)的好壞直接關(guān)系到最終滅菌的效果[1-3]。有研究表明，未經(jīng)過規(guī)范化清洗的內(nèi)鏡器械用于手術(shù)后造成患者術(shù)后感染的風(fēng)險(xiǎn)明顯增加，可以通過加強(qiáng)對(duì)內(nèi)鏡清洗池純水質(zhì)量管理工作的規(guī)范，從而進(jìn)一步控制醫(yī)院感染[4-5]。各家醫(yī)院針對(duì)手術(shù)器械清洗消毒研究了一系列的措施方法，并進(jìn)行質(zhì)量管理與監(jiān)控[6-8]，這些方法主要是如何對(duì)器械滅菌消毒以及消毒效果的評(píng)價(jià)，并沒有對(duì)如何檢測水質(zhì)情況進(jìn)行研究。為了規(guī)范醫(yī)療消毒供應(yīng)用水，2016年原國家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WS310.1-2016《醫(yī)院消毒供應(yīng)中心管理規(guī)范》（以下簡稱“規(guī)范”），規(guī)定了器械消毒供應(yīng)中心需配備軟化水及純化水等供給設(shè)施，并在第10.1條明確規(guī)定清洗用水應(yīng)有自來水、熱水、經(jīng)純化的水供應(yīng)，終末漂洗用水的電導(dǎo)率≤15 μs/cm（25℃）[9]。雖然出臺(tái)了對(duì)終末漂洗用水的電導(dǎo)率值管理規(guī)范要求，但目前還沒有醫(yī)院專門設(shè)計(jì)應(yīng)用針對(duì)硬式內(nèi)鏡清洗池終末漂洗用水電導(dǎo)率的測量裝置。

我院在多年前購入專門用于硬式內(nèi)鏡器械清洗的內(nèi)鏡清洗池安裝在醫(yī)院手術(shù)室，該清洗池具有純化水裝置，生成符合“規(guī)范”要求的終末漂洗用水。醫(yī)院感染管理科要求對(duì)內(nèi)鏡清洗池終末漂洗用水的水質(zhì)情況每天按時(shí)檢測并保存記錄。前期我院手術(shù)室工作人員每天定時(shí)抽取終末漂洗水用電導(dǎo)率筆測量并手動(dòng)記錄電導(dǎo)率值及檢測時(shí)間，大大增加了醫(yī)務(wù)工作管理者的工作量。現(xiàn)設(shè)計(jì)一套硬式內(nèi)鏡清洗池純水電導(dǎo)率測量裝置，該測量裝置可自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測電導(dǎo)率值并定時(shí)打印出檢測結(jié)果及檢測時(shí)間，且可長期保存數(shù)據(jù)，為醫(yī)務(wù)工作者節(jié)約大量時(shí)間，實(shí)時(shí)反饋檢測結(jié)果可提前預(yù)防水污染，為臨床使用安全無菌器械提供保障，同時(shí)對(duì)清洗池生產(chǎn)廠家改良產(chǎn)品以及同行醫(yī)院感染管理也有一定借鑒意義。

1 硬式內(nèi)鏡清洗池純水電導(dǎo)率測量裝置硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的硬式內(nèi)鏡清洗池終末漂洗純水電導(dǎo)率測量裝置是以單片機(jī)Arduino Nano為主控模塊，系統(tǒng)硬件部分主要包括12 V電源適配器、穩(wěn)壓模塊、電導(dǎo)率傳感器、Nano主控模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊、液晶顯示模塊、藍(lán)牙打印模塊等。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.1 主電源及穩(wěn)壓模塊

本系統(tǒng)主電源采用12 V的電源適配器，主電源可直接給電導(dǎo)率傳感器供電，為了使輸出電壓穩(wěn)定、散熱效果更好，選擇三端穩(wěn)壓器L78M09CDT-TR給電路提供穩(wěn)定的+9 V電壓，該+9 V電壓可為Nano單片機(jī)供電。圖2為電源模塊電路圖。

圖2 電源電路圖

1.2 Nano單片機(jī)主控模塊

本系統(tǒng)采用ATmega328P Arduino Nano單片機(jī)做主控模塊，ATmega328P是一款RISC體系結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗的8位AVR微控制器[10-12]。Arduino Nano單片機(jī)尺寸小，可直接插在面包板上使用調(diào)試，5～12 V直接供電，程序燒錄時(shí)不需燒錄器，直接USB下載完成，開發(fā)環(huán)境簡單易學(xué)。具有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口（其中6路可作PWM端口），8路模擬輸入，每一路具有10位的分辨率（即輸入有1024個(gè)不同值），默認(rèn)輸入信號(hào)為0～+5 V，同時(shí)17引腳有+3.3 V電源輸出，該電壓可供實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊DS1302使用，27引腳有+5 V電源輸出，該電壓可供LCD1602液晶顯示屏使用。本設(shè)計(jì)用穩(wěn)壓電路輸出的+9 V電壓給Nano單片機(jī)30引腳Vin供電。

1.3 電導(dǎo)率傳感器

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用管道插入式電導(dǎo)率鉑黑電極，量程為0～220 μS/cm，精度為±2%，自帶信號(hào)放大電路，根據(jù)被測液體電導(dǎo)率值，可以輸出0～5 V的電壓信號(hào)。電導(dǎo)率傳感器如圖3所示。

圖3 電導(dǎo)率傳感器

工作溫度為0～50℃，同時(shí)具有自動(dòng)溫度補(bǔ)償、就壓保護(hù)、測量靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、響應(yīng)快、使用壽命長等特點(diǎn)[13]。電導(dǎo)率傳感器工作電壓為+12 V，由+12 V電源適配器直接供電，輸出口S1接Nano單片機(jī)模擬輸入口A3，經(jīng)Nano單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過程序計(jì)算得出電導(dǎo)率值，其程序計(jì)算公式如式(1)所示。

其中，σ為實(shí)測電導(dǎo)率值（單位為μS/cm），VS1為電導(dǎo)率傳感器輸出口S1電壓，5為電導(dǎo)率傳感器輸出口S1電壓量程，220為電導(dǎo)率傳感器量程。當(dāng)對(duì)某種水進(jìn)行測量時(shí)，電導(dǎo)率傳感器輸出口S1電壓VS1為0.5 V時(shí)，則可計(jì)算出該水電導(dǎo)率σ為22 μS/cm。

1.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘及輸出模塊

實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用DS1302時(shí)鐘模塊，與單片機(jī)之間采用同步串行的方式進(jìn)行通信。實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有計(jì)算2100年之前的秒、分、時(shí)、日、星期、月、年的能力，具有寬范圍工作電壓[14]。本設(shè)計(jì)采用Nano自帶的+3.3 V供電，斷電時(shí)采用CR1220電壓為+3 V紐扣電池供電，工作時(shí)功耗很低，小于1 mW，當(dāng)程序輸入當(dāng)前時(shí)間，則輸出為實(shí)時(shí)時(shí)間。

顯示模塊采用LCD1602液晶顯示屏[15]，是專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，可自動(dòng)對(duì)模塊進(jìn)行初始化操作，模塊設(shè)置在默認(rèn)的顯示工作狀態(tài)，工作電壓為+5 V，由Nano單片機(jī)對(duì)其供電。顯示屏分兩行顯示，第一行顯示電導(dǎo)率實(shí)測值，如“Con=22 μS/cm”；第二行顯示實(shí)時(shí)時(shí)間，如“2019-12-12 08:00”。

考慮到此裝置安裝于清洗池下方柜體內(nèi)，選擇用藍(lán)牙打印機(jī)可方便取紙。選用的58 mm藍(lán)牙打印機(jī)，支持RS232和TTL兩種通訊方式，直接接收字符串的形式打印。藍(lán)牙模塊選擇串行通信HC05，與Nano單片機(jī)RX和TX連接，VCC接Nano單片機(jī)的5 V，具有內(nèi)部3.3 V穩(wěn)壓器，通過代碼發(fā)送連接裝置與打印機(jī)。每次檢測結(jié)果分兩行打印，第一行打印電導(dǎo)率實(shí)測值，如“Con=22 μS/cm”；第二行打印設(shè)定的檢測時(shí)間，如“2019-12-12 08:00”。

為了數(shù)據(jù)的長久保存，在本裝置上加入了SD卡模塊，該模塊帶有穩(wěn)壓器和電平轉(zhuǎn)換器，可與5 V引腳配合使用，有4個(gè)SPI通信引腳與單片機(jī)連接。該模塊可以與Arduino IDE隨附的SD庫一起使用，SD庫可以使卡的初始化、讀取和寫入操作變得非常容易。

1.5 硬式內(nèi)鏡清洗池純水電導(dǎo)率測量裝置硬件原理圖

電導(dǎo)率輸出的模擬電壓被Nano單片機(jī)采集并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算出電導(dǎo)率值，實(shí)現(xiàn)顯示和打印功能，具體實(shí)現(xiàn)的電路如圖4所示。其中J2接電導(dǎo)率傳感器，J3接DS1302時(shí)鐘模塊，J4、J5分別為LCD1602液晶顯示屏和藍(lán)牙模塊接口。

圖4 系統(tǒng)硬件原理圖

2 硬式內(nèi)鏡清洗池純水電導(dǎo)率測量裝置軟件設(shè)計(jì)

該硬式內(nèi)鏡清洗池純水電導(dǎo)率測量裝置軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)程序主要包括主程序、電導(dǎo)率傳感器采樣程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、液晶顯示程序、打印程序。使用的是Arduino IDE開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，首先定義單片機(jī)Nano輸入輸出端口，將電導(dǎo)率傳感器、時(shí)鐘、液晶顯示器、打印機(jī)、SD卡初始化。預(yù)先設(shè)置串口通信波特率，設(shè)置時(shí)鐘當(dāng)前時(shí)間，對(duì)電導(dǎo)率傳感器采樣，讀取的是電壓值，將電壓值換算成電導(dǎo)率值、SD存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。設(shè)置顯示器第一行顯示電導(dǎo)率值，第二行顯示當(dāng)前時(shí)間，定時(shí)打印時(shí)間間隔、打印電導(dǎo)率值、打印當(dāng)前時(shí)間。系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

3 硬式內(nèi)鏡清洗池純水電導(dǎo)率測量裝置安裝方案

本文設(shè)計(jì)一款自動(dòng)檢測水質(zhì)電導(dǎo)率的裝置，將其安裝于手術(shù)室，專門測量硬式內(nèi)鏡清洗池終末漂洗純水的電導(dǎo)率值。圖6為電導(dǎo)率傳感器接入手術(shù)室純水裝置凈水管之后的結(jié)構(gòu)示意圖，并對(duì)凈水管進(jìn)行改造。原凈水管為一根直通水管與水池用水管路和漂洗管路相通，現(xiàn)將凈水管改成三通道結(jié)構(gòu)。原直通凈水管用法蘭螺母分開，然后用不銹鋼三通管件連接。將電導(dǎo)率傳感器與三通的一端擰緊并用防漏水生膠帶固定，傳感器一端感應(yīng)部位暴露在凈水管內(nèi)隨水流沖入采集數(shù)據(jù)。圖7是電導(dǎo)率傳感器接入三通的凈水管后與純水接觸的俯視圖。圖8為硬式內(nèi)鏡清洗池純水電導(dǎo)率測量裝置的實(shí)物安裝圖。

圖6 電導(dǎo)率傳感器接入凈水管結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 凈水管俯視圖

圖8 硬式內(nèi)鏡清洗池純水電導(dǎo)率測量裝置實(shí)物安裝圖

4 結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的硬式內(nèi)鏡清洗池純水電導(dǎo)率測量裝置已安裝于手術(shù)室內(nèi)鏡清洗池下方柜體內(nèi)。按照本文提出的安裝方案，電導(dǎo)率傳感器接入純水裝置的凈水管，實(shí)現(xiàn)了對(duì)手術(shù)室硬式內(nèi)鏡清洗池終末漂洗用水的自動(dòng)化監(jiān)測功能，可以定時(shí)打印和實(shí)時(shí)顯示純水電導(dǎo)率的數(shù)值以及監(jiān)測時(shí)間并保存數(shù)據(jù)。在未設(shè)計(jì)此裝置之前，手術(shù)室工作人員通過把清洗池的終末漂洗用水接入干凈100 mL燒杯中，用購置的品牌為Apure水質(zhì)分析，型號(hào)為EC-860的電導(dǎo)率筆人工測量，并記錄檢測數(shù)值及時(shí)間。為了說明此裝置安裝前后的效果，同時(shí)用原有方法和現(xiàn)有創(chuàng)新方法測量電導(dǎo)率值以及每測量一次所耗時(shí)間，并隨機(jī)10次抽樣測量，對(duì)所有數(shù)據(jù)用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 19.0處理，采用t檢驗(yàn)方法分析，P＜0.05說明有顯著性差異。結(jié)果如表1所示，電導(dǎo)率筆人工測量和電導(dǎo)率裝置自動(dòng)測量電導(dǎo)率值比較沒有顯著差異（P＞0.05），所耗時(shí)間比較有明顯差異（P＜0.05），說明此裝置安裝后電導(dǎo)率值準(zhǔn)確度高，耗時(shí)短。

表1 原有電導(dǎo)率筆測量與本設(shè)計(jì)電導(dǎo)率測量裝置效果比較

5 討論

在醫(yī)院醫(yī)療實(shí)踐工作中，醫(yī)院所用的醫(yī)療器械清潔度與醫(yī)院感染病例的發(fā)生有重要關(guān)系。現(xiàn)代醫(yī)療器械尤其是內(nèi)鏡器械種類繁多且復(fù)雜，對(duì)消毒的要求更加嚴(yán)格，加強(qiáng)消毒滅菌的質(zhì)量檢測管理工作尤為重要[16]。醫(yī)療部門應(yīng)嚴(yán)格遵守《醫(yī)院消毒供應(yīng)中心管理規(guī)范》《醫(yī)院感染管理辦法》等規(guī)章制度[17]，加強(qiáng)對(duì)工作人員培訓(xùn)，提高感染控制意識(shí)。內(nèi)鏡器械清洗后的清潔度不僅依賴于硬件設(shè)施，更加與水質(zhì)有關(guān)，醫(yī)療機(jī)構(gòu)不重視終末漂洗水質(zhì)情況，降低了器械清潔度可能直接導(dǎo)致醫(yī)院感染事故[18]。

本文基于Arduino Nano主控單片機(jī)設(shè)計(jì)的一款專門應(yīng)用于手術(shù)室硬式內(nèi)鏡清洗池終末漂洗純水電導(dǎo)率測量裝置，可以實(shí)時(shí)顯示電導(dǎo)率值及測量時(shí)間，并定時(shí)打印出結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄留存，減少了管理工作人員的工作量，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，給予工作人員及時(shí)反饋，保證醫(yī)療器械的清洗效果，提前預(yù)防污染，為醫(yī)院的感染控制管理工作做出貢獻(xiàn)。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的純水電導(dǎo)率測量裝置也存在不足，內(nèi)鏡包括硬式內(nèi)鏡和軟式內(nèi)鏡，本文主要是針對(duì)手術(shù)室硬式內(nèi)鏡清洗池純水電導(dǎo)率規(guī)范要求設(shè)計(jì)的裝置，未考慮到應(yīng)用于供應(yīng)中心包括軟式內(nèi)鏡的清洗池純水規(guī)范要求的測量方案。從《軟式內(nèi)鏡清洗消毒技術(shù)規(guī)范》[19]中可以得知，軟式內(nèi)鏡不僅對(duì)電導(dǎo)率有要求，且要求細(xì)菌總數(shù)≤10 CFU/100 mL。要想控制終末用水水質(zhì)中的含菌量，應(yīng)從原水的前處理、軟化、過濾、一二級(jí)反滲透水處理上嚴(yán)格按照規(guī)范要求，并對(duì)管理人員進(jìn)行培訓(xùn)，對(duì)水處理的每個(gè)環(huán)節(jié)把控，定期測量檢測水質(zhì)中的含菌量是否滿足規(guī)范要求。

目前，市面上還沒有針對(duì)手術(shù)室硬式內(nèi)鏡清洗池終末漂洗純水的電導(dǎo)率測量裝置，本文設(shè)計(jì)的裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化檢測，對(duì)比原有人工檢測方法更加高效省時(shí)，且方便數(shù)據(jù)留存，同時(shí)體現(xiàn)了我院高度重視水質(zhì)情況對(duì)器械清洗效果的影響，減少安全隱患，為臨床使用安全無菌器械提供保障，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得在同行醫(yī)院進(jìn)行廣泛推廣。