硬式內鏡清洗池純水電導率測量裝置的設計

劉艷芳，王成躍，畢欣雨

南京醫科大學第一附屬醫院 臨床醫學工程處，江蘇 南京 210029

引言

在三級醫院，每天都將有大量的內鏡器械需要清洗消毒滅菌處理，在對內鏡器械消毒滅菌前，須將所有內鏡器械進行規范化的清洗。在清洗這一環節中，水質是最重要的影響因素之一，水質的好壞直接關系到最終滅菌的效果[1-3]。有研究表明，未經過規范化清洗的內鏡器械用于手術后造成患者術后感染的風險明顯增加，可以通過加強對內鏡清洗池純水質量管理工作的規范，從而進一步控制醫院感染[4-5]。各家醫院針對手術器械清洗消毒研究了一系列的措施方法，并進行質量管理與監控[6-8]，這些方法主要是如何對器械滅菌消毒以及消毒效果的評價，并沒有對如何檢測水質情況進行研究。為了規范醫療消毒供應用水，2016年原國家衛生和計劃生育委員會發布行業標準WS310.1-2016《醫院消毒供應中心管理規范》（以下簡稱“規范”），規定了器械消毒供應中心需配備軟化水及純化水等供給設施，并在第10.1條明確規定清洗用水應有自來水、熱水、經純化的水供應，終末漂洗用水的電導率≤15 μs/cm（25℃）[9]。雖然出臺了對終末漂洗用水的電導率值管理規范要求，但目前還沒有醫院專門設計應用針對硬式內鏡清洗池終末漂洗用水電導率的測量裝置。

我院在多年前購入專門用于硬式內鏡器械清洗的內鏡清洗池安裝在醫院手術室，該清洗池具有純化水裝置，生成符合“規范”要求的終末漂洗用水。醫院感染管理科要求對內鏡清洗池終末漂洗用水的水質情況每天按時檢測并保存記錄。前期我院手術室工作人員每天定時抽取終末漂洗水用電導率筆測量并手動記錄電導率值及檢測時間，大大增加了醫務工作管理者的工作量。現設計一套硬式內鏡清洗池純水電導率測量裝置，該測量裝置可自動實時檢測電導率值并定時打印出檢測結果及檢測時間，且可長期保存數據，為醫務工作者節約大量時間，實時反饋檢測結果可提前預防水污染，為臨床使用安全無菌器械提供保障，同時對清洗池生產廠家改良產品以及同行醫院感染管理也有一定借鑒意義。

1 硬式內鏡清洗池純水電導率測量裝置硬件設計

本文設計的硬式內鏡清洗池終末漂洗純水電導率測量裝置是以單片機Arduino Nano為主控模塊，系統硬件部分主要包括12 V電源適配器、穩壓模塊、電導率傳感器、Nano主控模塊、實時時鐘模塊、SD卡存儲模塊、液晶顯示模塊、藍牙打印模塊等。系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架圖

1.1 主電源及穩壓模塊

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

圖2 電源電路圖

1.2 Nano單片機主控模塊

本系統采用ATmega328P Arduino Nano單片機做主控模塊，ATmega328P是一款RISC體系結構的高性能、低功耗的8位AVR微控制器[10-12]。Arduino Nano單片機尺寸小，可直接插在面包板上使用調試，5～12 V直接供電，程序燒錄時不需燒錄器，直接USB下載完成，開發環境簡單易學。具有14個數字輸入/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個不同值），默認輸入信號為0～+5 V，同時17引腳有+3.3 V電源輸出，該電壓可供實時時鐘模塊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。本設計用穩壓電路輸出的+9 V電壓給Nano單片機30引腳Vin供電。

1.3 電導率傳感器

本設計系統采用管道插入式電導率鉑黑電極，量程為0～220 μS/cm，精度為±2%，自帶信號放大電路，根據被測液體電導率值，可以輸出0～5 V的電壓信號。電導率傳感器如圖3所示。

圖3 電導率傳感器

工作溫度為0～50℃，同時具有自動溫度補償、就壓保護、測量靈敏度高、穩定性強、響應快、使用壽命長等特點[13]。電導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單片機模擬輸入口A3，經Nano單片機內部A/D轉換后，經過程序計算得出電導率值，其程序計算公式如式(1)所示。

其中，σ為實測電導率值（單位為μS/cm），VS1為電導率傳感器輸出口S1電壓，5為電導率傳感器輸出口S1電壓量程，220為電導率傳感器量程。當對某種水進行測量時，電導率傳感器輸出口S1電壓VS1為0.5 V時，則可計算出該水電導率σ為22 μS/cm。

1.4 實時時鐘及輸出模塊

實時時鐘采用DS1302時鐘模塊，與單片機之間采用同步串行的方式進行通信。實時時鐘具有計算2100年之前的秒、分、時、日、星期、月、年的能力，具有寬范圍工作電壓[14]。本設計采用Nano自帶的+3.3 V供電，斷電時采用CR1220電壓為+3 V紐扣電池供電，工作時功耗很低，小于1 mW，當程序輸入當前時間，則輸出為實時時間。

顯示模塊采用LCD1602液晶顯示屏[15]，是專門用于顯示字母、數字、符號等點陣型液晶顯示模塊，可自動對模塊進行初始化操作，模塊設置在默認的顯示工作狀態，工作電壓為+5 V，由Nano單片機對其供電。顯示屏分兩行顯示，第一行顯示電導率實測值，如“Con=22 μS/cm”；第二行顯示實時時間，如“2019-12-12 08:00”。

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

為了數據的長久保存，在本裝置上加入了SD卡模塊，該模塊帶有穩壓器和電平轉換器，可與5 V引腳配合使用，有4個SPI通信引腳與單片機連接。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 硬式內鏡清洗池純水電導率測量裝置硬件原理圖

電導率輸出的模擬電壓被Nano單片機采集并通過模數轉換計算出電導率值，實現顯示和打印功能，具體實現的電路如圖4所示。其中J2接電導率傳感器，J3接DS1302時鐘模塊，J4、J5分別為LCD1602液晶顯示屏和藍牙模塊接口。

圖4 系統硬件原理圖

2 硬式內鏡清洗池純水電導率測量裝置軟件設計

該硬式內鏡清洗池純水電導率測量裝置軟件部分采用模塊化設計，系統程序主要包括主程序、電導率傳感器采樣程序、數據存儲程序、液晶顯示程序、打印程序。使用的是Arduino IDE開發環境進行編程設計，首先定義單片機Nano輸入輸出端口，將電導率傳感器、時鐘、液晶顯示器、打印機、SD卡初始化。預先設置串口通信波特率，設置時鐘當前時間，對電導率傳感器采樣，讀取的是電壓值，將電壓值換算成電導率值、SD存儲數據。設置顯示器第一行顯示電導率值，第二行顯示當前時間，定時打印時間間隔、打印電導率值、打印當前時間。系統流程如圖5所示。

圖5 系統流程圖

3 硬式內鏡清洗池純水電導率測量裝置安裝方案

本文設計一款自動檢測水質電導率的裝置，將其安裝于手術室，專門測量硬式內鏡清洗池終末漂洗純水的電導率值。圖6為電導率傳感器接入手術室純水裝置凈水管之后的結構示意圖，并對凈水管進行改造。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，現將凈水管改成三通道結構。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，傳感器一端感應部位暴露在凈水管內隨水流沖入采集數據。圖7是電導率傳感器接入三通的凈水管后與純水接觸的俯視圖。圖8為硬式內鏡清洗池純水電導率測量裝置的實物安裝圖。

圖6 電導率傳感器接入凈水管結構示意圖

圖7 凈水管俯視圖

圖8 硬式內鏡清洗池純水電導率測量裝置實物安裝圖

4 結果

本文設計的硬式內鏡清洗池純水電導率測量裝置已安裝于手術室內鏡清洗池下方柜體內。按照本文提出的安裝方案，電導率傳感器接入純水裝置的凈水管，實現了對手術室硬式內鏡清洗池終末漂洗用水的自動化監測功能，可以定時打印和實時顯示純水電導率的數值以及監測時間并保存數據。在未設計此裝置之前，手術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水質分析，型號為EC-860的電導率筆人工測量，并記錄檢測數值及時間。為了說明此裝置安裝前后的效果，同時用原有方法和現有創新方法測量電導率值以及每測量一次所耗時間，并隨機10次抽樣測量，對所有數據用統計學軟件SPSS 19.0處理，采用t檢驗方法分析，P＜0.05說明有顯著性差異。結果如表1所示，電導率筆人工測量和電導率裝置自動測量電導率值比較沒有顯著差異（P＞0.05），所耗時間比較有明顯差異（P＜0.05），說明此裝置安裝后電導率值準確度高，耗時短。

表1 原有電導率筆測量與本設計電導率測量裝置效果比較

5 討論

在醫院醫療實踐工作中，醫院所用的醫療器械清潔度與醫院感染病例的發生有重要關系。現代醫療器械尤其是內鏡器械種類繁多且復雜，對消毒的要求更加嚴格，加強消毒滅菌的質量檢測管理工作尤為重要[16]。醫療部門應嚴格遵守《醫院消毒供應中心管理規范》《醫院感染管理辦法》等規章制度[17]，加強對工作人員培訓，提高感染控制意識。內鏡器械清洗后的清潔度不僅依賴于硬件設施，更加與水質有關，醫療機構不重視終末漂洗水質情況，降低了器械清潔度可能直接導致醫院感染事故[18]。

本文基于Arduino Nano主控單片機設計的一款專門應用于手術室硬式內鏡清洗池終末漂洗純水電導率測量裝置，可以實時顯示電導率值及測量時間，并定時打印出結果進行數據記錄留存，減少了管理工作人員的工作量，實現了自動化，給予工作人員及時反饋，保證醫療器械的清洗效果，提前預防污染，為醫院的感染控制管理工作做出貢獻。同時，本文設計的純水電導率測量裝置也存在不足，內鏡包括硬式內鏡和軟式內鏡，本文主要是針對手術室硬式內鏡清洗池純水電導率規范要求設計的裝置，未考慮到應用于供應中心包括軟式內鏡的清洗池純水規范要求的測量方案。從《軟式內鏡清洗消毒技術規范》[19]中可以得知，軟式內鏡不僅對電導率有要求，且要求細菌總數≤10 CFU/100 mL。要想控制終末用水水質中的含菌量，應從原水的前處理、軟化、過濾、一二級反滲透水處理上嚴格按照規范要求，并對管理人員進行培訓，對水處理的每個環節把控，定期測量檢測水質中的含菌量是否滿足規范要求。

目前，市面上還沒有針對手術室硬式內鏡清洗池終末漂洗純水的電導率測量裝置，本文設計的裝置實現了自動化檢測，對比原有人工檢測方法更加高效省時，且方便數據留存，同時體現了我院高度重視水質情況對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，具有較高的實際應用價值，值得在同行醫院進行廣泛推廣。