醫用紫外線強度無損傷動態實時監測系統的設計與實現

王恒桓，于良軍

1.泰安市中醫醫院 設備科，山東 泰安271000；2.泰安市醫療器械維修管理站，山東 泰安 271000

0 前言

目前，人們對紫外線(Ultra Violet Ray，UVR)的危害已形成共識，人類長期暴露于紫外線輻射之中，可能對皮膚、眼睛和免疫系統造成實際的和持續的影響[1]。通過“中國知網”跨庫檢索1979～2010年“紫外線”數據庫，共有文章2973篇，其中1994～2010年涉及紫外線輻射損傷的文章有99篇。紫外線對眼睛的傷害主要是引起急性角膜炎和結膜炎、慢性白內障等眼疾，而對皮膚的影響則會引起肌膚提前衰老,如角質過厚、表皮粗糙、有皺紋和斑點、肌肉松弛或下垂；射線照射過量,可能會引起細胞DNA突變,導致皮膚癌，國際癌癥研究署已經確認UVR是一個完全的致癌因子[2]。為此，世界各國的科學家都提醒人們，應該十分注意紫外線輻射對人體的危害并采取必要的預防措施。

UVR的波長范圍為100～400 nm，一般分為3個波段，即UVA（315～400 nm）、UVB（280～315 nm）和UVC（100～280 nm）[3],3個波段的紫外線均有各自特點。根據紫外線的特性，人們充分利用紫外線的生物效應，在醫療機構、賓館、飯店、學校、幼兒園將紫外線用于室內空氣和物體表面消毒，紫外線輻射消毒有良好的作用，且具有使用方便、作用快速、經濟實用、無殘留污染、無毒副作用等優點[4]。

2002年版中華人民共和國衛生部《消毒技術規范》[5]明確指出了“紫外線滅菌法”的定義、消毒原理及效果驗證。紫外線滅菌法是指用紫外線（能量）照射殺滅微生物的方法，紫外線不僅能使核酸蛋白變性，而且能使空氣中氧氣產生微量臭氧，從而達到共同殺菌作用。用于紫外線滅菌的波長一般為200～300 nm，滅菌用最強的為254 nm。該方法適于照射物體表面滅菌、無菌室空氣及蒸餾水的滅菌。

消毒效果驗證則采用了細菌培養的方法，雖然準確，但屬于事后評價，且時間長，使用較少。《消毒技術規范》要求主要采用檢測紫外線強度的方法，以保證消毒效果。紫外線燈管輻射強度檢測，是保證醫院消毒效果的重要工作環節，關系到醫院隱性質量[6]。

目前，醫院對紫外線強度的檢測方法主要有兩類：物理學檢測方法，即使用紫外線強度測定儀；生物學檢測方法，即采用載體（試紙）檢測。但兩類方法均存在以下缺陷：① 檢測的同時，檢測人員即受到輻射危害，無良好的防護措施致使監測人員的眼睛、皮膚受到不同程度損傷[7]；② 檢測數據的重復性差，生物學檢測方法還只是停留在定性的水平；③ 檢測具有局限性，還沒有做到對所有消毒房間的紫外線進行全面實時監測；④ 紫外線光源通常用紫外輻照計測量某一表面的輻射照度（W/m2）來表示紫外線光源的紫外線強度大小，而在空氣殺菌方面的應用，更重要的是要知道紫外線光源外空間一定范圍，甚至整個空間紫外線輻射的強度大小。

雖然有很多業內外人士對上述缺陷也進行了各種研究和改進，但均沒有徹底解決上述問題。

本課題對消毒過程中存在的問題，在當前缺乏理想的測量紫外線消毒燈的殺菌紫外線輸出能量的情況下[8]，設計了醫用紫外線消毒無損傷實時監測和動態管理系統。該系統可確?？諝庀举|量，減少交叉感染，又可節約大量資金。對確保廣大醫務人員和病患免受輻射傷害和整個醫院的紫外線消毒的有效實行和管理具有重要意義。

1 方案設計依據

本系統依據中華人民共和國衛生部《消毒技術規范》，2002年版第3.1.4 紫外線消毒規范設計。

1.1 照射劑量和時間

不同種類的微生物對紫外線的敏感性不同，用紫外線消毒時必須使用照射劑量達到殺滅目標微生物所需的照射劑量。殺滅一般細菌繁殖體時，應使照射劑量達到10000 μW·s/cm2；殺滅細菌芽孢時應達到100000 μW·s/cm2。病毒對紫外線的抵抗力介于細菌繁殖體和芽胞之間，真菌孢子的抵抗力比細菌芽孢更強，有時需要照射到600000 μW·s/cm2。但一般致病性真菌對紫外線的抵抗力比細菌芽胞弱，在消毒的目標微生物不詳時，照射劑量應≥100000 μW·s/cm2。輻照劑量是所用紫外線燈在照射物品表面處的輻照強度和照射時間的乘積。

1.2 對室內空氣的消毒

1.2.1 間接照射法

首選高強度紫外線空氣消毒器，不僅消毒效果可靠，而且可在室內有人活動時使用，一般開機消毒 30 min 即可達到消毒合格。

1.2.2 直接照射法

在室內無人條件下，可采取紫外線燈懸吊式或移動式直接照射。采用室內懸吊式紫外線消毒裝置時，室內安裝紫外線消毒燈（30W紫外燈，在1.0 m 處的強度>70μW/cm2）的數量為平均每m3≥1.5 W，照射時間≥30 min。

紫外線對細菌和病毒的殺滅與紫外線照射劑量有關，照射劑量=照射時間（s）×照射強度（μW/cm2）。照射劑量理論上一般設計要求>30000μW·/cm2， 如果紫外線強度低，只要時間長，可與強度稍高時達到同樣的效果，如果在時間不允許的情況下，需選擇高強度大功率的紫外線燈。一般情況各種細菌和病毒所需殺滅的照射劑量不同，在被殺滅點測出照射強度就可計算出照射時間，對被消毒的對象不了解的情況下，一般需延長照射時間來確保殺菌效率。 由于紫外線會殺死細胞，因此紫外線消毒時要注意不能直接照射到人的皮膚，尤其是人的眼睛，紫外線殺菌燈點亮時不要直視燈管，由于短波紫外線不透過普通玻璃，戴眼鏡可避免眼睛受傷害。

兩種消毒方法的消毒效果評價僅限于醫院感染人員在消毒后做細菌培養。雖然方法可靠，但醫院空氣消毒的房間極多，且都屬事后評價，難以做到對每一個消毒房間進行實時的檢測。本研究可對紫外線消毒房間進行無損傷動態實時監測，按照紫外線劑量監測要求，及時更換紫外線燈管，保證消毒效果。

2 系統總體方案設計

2.1 系統總體功能設計

通過對紫外線強度的采集，利用先進的網絡傳輸技術、先進的計算機控制技術可有效地實現對醫院中紫外線消毒過程進行監控。該系統總體功能設計包括紫外線強度實時監測、照射劑量實時監測、動態管理、定時開關、人員無損傷監測、人員誤入和消毒失效報警及功能。系統總體功能框圖，見圖1。

（1）紫外線強度實時監測。可對各消毒房間及物品接受的紫外線強度進行實時采集并顯示，供操作人員觀察。

（2）照射劑量實時監測。通過照射強度和照射時間來統計房間或物品接受的照射劑量。

（3）動態管理?？蓪崿F多消毒地點同時監控。

（4）定時開關。根據消毒照射劑量自動關斷紫外線消毒燈。

（5）人員無損傷監測。紫外線強度檢測人員，不用在紫外線照射下進行檢測，免受了紫外線傷害。

（6）人員誤入報警。非檢測人員一旦誤入消毒房間，可報警提示，使周圍人群免受紫外線傷害。

（7）失效報警。如果消毒燈老化，達不到一定的強度，即使增加照射時間也不能達到消毒效果時，根據需要可設置100000 μW·s/cm2、300000 μW·s/cm2，甚至 600000 μW·s/cm2的報警劑量。

2.2 系統總體結構

該系統由紫外線強度檢測單元、中心監控工作站及網絡傳輸系統組成，系統總體結構框圖，見圖2。

2.2.1 紫外線強度檢測單元

由紫外線傳感器、A/D轉換電路、單片機主控單元和數據通訊電路組成，完成紫外線強度的采集、發送和顯示功能。

2.2.2 網絡傳輸系統

系統由星形網絡、交換機、網線組成，完成紫外線強度實時值、定時開關機信號、報警信號的傳輸。

2.2.3 中心監控工作站

由計算機、系統監控軟件、網絡適配卡等組成，完成紫外線強度、時間、劑量及報警功能。

3 系統各單元設計與實現

3.1 紫外線強度檢測單元

3.1.1 紫外線傳感器單元

主要由紫外線傳感器和放大電路組成。傳感器采用紫外探測器UV10T2E10F，能很好地探測200～400 nm光譜范圍的紫外線輻射，并產生光電流。它的高靈敏度、寬響應光譜范圍、密封封裝、小尺寸、低價格、寬工作溫度范圍以及能長期暴露在紫外光輻射的環境，很適合工業和消費類紫外線探測應用。其主要參數如下：

高靈敏度：140 mA/W峰值；

低溫度系數：TO-5、TO-18、TO-46等微小標準封裝；

光敏面尺寸：0.25 mm×0.25 mm、0.5 mm× 0.5 mm (NEW)、1 mm×1 mm和2 mm×2mm，還有14.8 mm2、37.7 mm2，最大可達100 mm2光敏面積。

各種濾波器窗口可選，能提供：UV-A、UV-B、UV-C和 UV-BC(包括B&C波段)濾波器的標準產品。

放大電路采用集成單運放電路，見圖3。傳感器采集的紫外線轉化為電流信號，由放大電路轉換為電壓信號，傳至數據采集單元。

3.1.2 紫外線強度檢測主控單元

由紫外線傳感器、A/D轉換電路、89C52單片機主控單元和數據通訊電路組成。電路工作時，紫外線傳感器將采集紫外線轉換為電流信號，經SGM8521單運算放大器經線纜送至單片機主控單元，經由放大器TLE2022組成的絕對值放大器將采集到強度交流信號轉化成絕對值電壓值送入89C52的P1.0口進行模數（A/D）轉換，轉換所得的數字量由輸出到89C52，經軟件處理后，將測量的輻射值經P2.0-P2.7輸出到液晶顯示單元，用數字形式顯示出當前的輻射值，同時經RXD串行口上傳至網絡傳輸控制單元。

3.1.3 數據采集程序設計

本軟件系統采用KeilC集成開發環境進行設計，包括1個主程序、6個子程序。6個子程序為延時子程序、輻射值采集及模數轉換子程序、輻射值計算子程序、液晶顯示子程序、驅動控制子程序和串行輸出子程序。

（1）主程序。主程序進行系統初始化操作，主要是進行定時/計數器和A/D采集口的初始化。

（2）延時子程序。應用定時/計數器延時的目的是產生一定的時間間隔，定時進行數據的檢測和發送。

（3）輻射值采集及模數轉換子程序。輻射值采集及模數轉換子程序按照延時程序產生的時間間隔采集輸入到單片機A/D口的電壓值轉換數字量，并保存在內存中。

（4）輻射值計算子程序。根據輻射值的分度值和電路參數計算出一張輻射值表，存放在DATATAB數據表中。根據采樣值，通過查表及比較的方法計算出當前的輻射值。采用查表法計算輻射值是為了克服紫外線傳感器特性曲線的非線性，提高測量精度。

（5）驅動控制子程序。該子程序用于保護人員，當有人員進入時，輸出驅動控制信號，關閉消毒設備；當幅度值下降到下限值時，發送信號至主控端，顯示報警。

（6）串行輸出子程序。將采集、轉化成為數字量的信號經串行輸出子程序由串行口傳輸到網絡傳輸單元，至中心監控端。

3.2 通訊

本系統設計為網絡通訊，使用232通訊實現數據傳輸。上位機和單片機使用MODBUS-RTU協議，通過網絡接口進行網絡數據通訊，以太網絡模塊采用了RTL8019AS，CAN總線控制器接口采用了PCA82C00。

3.3 中心監控工作站的設計

中心監控工作站采用VB語言進行設計，由主界面、房間選擇界面、紫外線強度監控界面組成。

（1）主界面設計。窗體背景采用醫院圖片，添加兩個命令按鈕，用于進入房間選擇界面和退出程序代碼。

（2）房間選擇界面設計。添加16個命令按鈕，并添加代碼，分別進入不同房間的監控界面。

（3）監控界面設計。添加窗體控件、形狀控件、MSCOMM控件及定時器控件。

4 系統測試結果及分析

測試項目包括用戶界面及性能測試，見圖4、表1～2。

表1 用戶界面測試

表2 監控系統總體功能測試

進入紫外線強度監控界面，見圖5，此界面可實時監控所選擇房間內的動態紫外線強度，顯示累計照射劑量，可實現人員誤入報警和消毒失效報警等功能。

目前，國內很多醫院正在使用中國建材研究所石英玻璃科學研究所生產的UVR-254 nm紫外輻照儀（量字京字5000217，編號4900）用于紫外線強度的檢測。我們對該儀器檢測數據和本文研制的紫外線檢測單元實測數據進行了對比，結果見表3。

表3 實測數據與標準測試儀檢測數據比對結果

由表3可見，實測數據與標準測試儀檢測有較高的一致性，可達到實用標準。與傳統的測試方法比較，本系統除具有準確實時顯示功能外，還具備實時紀錄功能。

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