基于深紫外消毒的隔離層流床的研制

曾繁馳，楊恩慧，陶李，陸墨涵，宋偉倫，李艷，張淵源

1.西安交通大學 a.機械工程學院；b.基礎醫(yī)學院，陜西 西安 710049；2.西安交通大學第一附屬醫(yī)院 a.精準外科與再生醫(yī)學國家地方聯(lián)合工程研究中心；b.兒科，陜西 西安 710061

引言

隨著近年來傳染性疾病發(fā)病率逐年增加，層流隔離技術的需求與日俱增，該技術可為控制傳染性疾病傳播、降低免疫缺陷患者感染率等提供有效的手段[1-4]。醫(yī)療機構有條件為有指征的患者提供獨立的隔離病房，但其成本高、占地廣，不適合我國醫(yī)療資源緊缺、患者基數(shù)大的現(xiàn)狀，醫(yī)療機構有時無法快速配備與之規(guī)模匹配的隔離病房，這與醫(yī)院空間有限、傳染病隨流行季節(jié)變化而患者數(shù)量不可控以及短期高額的經濟成本激增等有關，使得隔離病房更加稀缺。因此，推行花費少、占地小的無菌層流床勢在必行。

目前臨床上使用的隔離床或層流床有諸多不便：簡陋塑料膜半封閉的床簾導致病原體有從床簾縫隙中進出的風險，容易造成院內交叉感染；排風系統(tǒng)通常采用物理過濾的方式，需經常更換濾網(wǎng)和窗簾，消耗大量人力物力，設計不夠合理，凈化效果欠佳；排風系統(tǒng)聲音大，影響患者休息[5]；隔離和層流作用往往不能兼顧，無法滿足多樣的臨床需求。本研究旨在設計一款更高效更合理的基于深紫外消毒的隔離層流床，為臨床診療提供幫助。

1 原理與仿真

本款基于深紫外消毒的隔離層流床的研制需要深紫外消毒技術的支撐，以及床內空間氣體流向、氣壓分布、溫度分布和氣體流速分布的仿真，確保該設計可以給患者提供舒適的隔離治療空間。

1.1 深紫外消毒原理

紫外線消毒作為一種經過驗證的技術已經被廣泛應用于各種場景，其對物體表面、水體和空氣中病原微生物的殺滅效果都十分顯著[6-8]。根據(jù)不同的紫外光波長，深紫外消毒有3 類光源：A 波段紫外線（315～400 nm）、B 波段紫外線（280～315 nm）和 C波段紫外線 （200～280 nm，Ultraviolet C，UVC），本款隔離層流床采用UVC 作為消毒光源。在該紫外波長范圍內，由于微生物內RNA、DNA 以及各種蛋白質更易吸收UVC 光子能量，實驗觀察到相較于其他波長更顯著的消毒效果[9]。由于吸收了大量光子能量，微生物的遺傳物質如核酸以及輔助微生物繁殖的蛋白質遭到破壞，進而達到滅活微生物、阻止其繁衍的目的。其機制主要包括腺嘌呤-胸腺嘧啶（A-T）間氫鍵斷裂，以及嘧啶二聚體的形成等[10-11]。

Rattanakul 等[12]在波長為254、265、280、300 nm 的紫外光滅活銅綠假單胞菌等細菌的研究中，發(fā)現(xiàn)了280 nm 的紫外光在滅活能力與能量消耗上的綜合表現(xiàn)最優(yōu)。在病毒的滅活過程中，紫外光主要通過損傷病毒的核苷酸序列與蛋白質外殼來對其產生傷害[13]。Bui等[14]在波長為260、280、310、365 nm 的紫外光滅活皰疹病毒的研究中，結果顯示260 nm 與280 nm 波長的紫外光在滅活該類病毒中的效果最好。綜合已有研究對常見病原體的滅活表現(xiàn)和能耗比，本款隔離層流床選擇280 nm的紫外光LED 作為主要消毒系統(tǒng)。

1.2 ANSYS流體仿真

為模擬隔離層流床在設定進風口和出風口邊界條件時床內空間的各項指標變化，首先在ANSYS 仿真軟件中選擇Fluent 模塊，在其中的DesignModeler 模塊中建立并計算隔離層流床主體模型。模型由床體、通風管道、進風口組成，該模型為隔離層流床實體的簡化形式，六面體形成封閉空間，3 個進風口建立在頂板上，4 個通風管道分布在床體四角，整體尺寸與隔離層流床實體相同。

在Fluent 的Setup 模塊中設置計算模式為層流模式，根據(jù)新風機設計參數(shù)中的排風量和最大靜壓以及床體的進出風口孔徑進行計算，可以設置3 個進風口的進風速度為4.17 m/s，表壓為131 Pa，出風口質量流率為0.17 kg/s，壁面設置為PVC 材料的參數(shù)，內部流體為空氣，同時受重力作用。隔離層流床模型壁面參數(shù)如表1所示。

表1 隔離層流床模型壁面參數(shù)

在Fluent 的PST 模塊中，得到隔離層流床模型模擬的可視化結果。從圖1 可以看出，空氣從3 個進風口進入層流床內部，氣體呈層流式分布。進口處風速較大，氣體充分散開后，風速較為平緩。

圖1 模型內部空氣流速模擬體繪制圖

患者在隔離層流床內部的活動區(qū)域大致在隔離層流床1.5 m 高度處。在PST 模塊中得到模型內部1.5 m 高度處的壓強、溫度、風速云圖。如圖2所示，1.5 m 高度處沒有壓強為零的情況，即空氣充滿整個平面，壓強分布與進口位置有關，壓強分布數(shù)值較為合理，不會造成患者體感附近壓強過大的情況。如圖3所示，1.5 m高度處隔離層流床內部各個位點溫度相等，即處于常溫恒溫狀態(tài)，這與進口處的氣體溫度和壁面散熱有關，內部氣體流動較快，壁面散熱程度遠小于氣體流動散熱，從而內部氣體溫度主要受進口氣體溫度影響。1.5 m 高度處風速分布與進風口位置有關，見圖4。風速數(shù)值不大，患者無快速空氣擊拍等不適。

圖2 模型內部壓強云圖

圖3 模型內部溫度云圖

圖4 模型內部風速云圖

從隔離層流床模型內部各項指標模擬結果來看，隔離層流床模型內部各個位點均充滿氣體，患者活動區(qū)域壓強分布及數(shù)值合適，溫度沒有明顯的變化，患者活動區(qū)域風速平緩，故隔離層流床進風口和出風口的風速、位置分布、壁面參數(shù)合理。

2 選材與實體制造

本款基于深紫外消毒的隔離層流床的研制重點在于深紫外消毒功能的增設、床體內部隔離功能的實現(xiàn)以及層流效果的保證。

2.1 深紫外消毒裝置的增設

本款隔離層流床的頂部新風系統(tǒng)的進氣通道和出氣通道分別采用8 個深紫外殺菌燈珠，全覆蓋多重疊對物理過濾后流通的空氣進行深度的消毒殺菌。每4 個深紫外燈珠被焊接在一個銅基板上，采用2 串2 并的連通方式，電壓為10～14 V，輻射功率為200～240 mW，發(fā)光角度為120°，兩個深紫外銅基板錯位放置即可實現(xiàn)全覆蓋式的空氣消殺（圖5）。每兩個銅基板采用一個恒流源驅動電源器，驅動電源為100 mA，輸出直流電壓范圍是12～36 V，輸入交流電壓范圍是85～220 V，可實現(xiàn)220 V家用電源與深紫外燈銅基板之間的電壓轉換，使深紫外裝置與新風機共用一個電源裝置，便于總線的排布與安裝。

圖5 深紫外燈珠

新風機的進出口分別布置18 個深紫外銅基板，左右兩側各9 個，實現(xiàn)該空間范圍內的消毒（圖6）。36 個深紫外銅基板并聯(lián)接在100 mA 的恒流源驅動器兩端，實現(xiàn)各自的獨立工作（圖7）。與此同時，新風機內的空氣流動可以攜帶走銅基板由于深紫外燈工作而產生的熱量，使其散熱加快，減緩銅基板發(fā)熱帶來的影響。

圖6 深紫外燈珠布置圖

圖7 深紫外燈珠電路圖

2.2 床體內部隔離功能的實現(xiàn)

本款隔離層流床隔離功能的實驗主要考慮床簾的密閉方式以及床簾與床頂、床底的連接材料的選擇。

本款層流床門簾選擇磁吸開關（包括開合面的床簾側與床板的連接），用橡膠包裹磁條與門簾連接，實現(xiàn)層流床單側門簾的開合。磁條的外層造型結構由改性無毒的軟性PVC 構成，條體內部組合以永磁性材料，可以實現(xiàn)良好的密封效果，同時也便于開合，方便患者與醫(yī)護人員的進出。本款隔離層流床門簾采用PVC 材料，厚度為0.5 mm，整體尺寸長6850 mm，寬1850 mm，總重為8.87 kg，四面一體式的門簾使得側面連接處達到完全封閉。隔離層流床門簾與床體之間采用帶有亞克力背膠的環(huán)保PVC 材質的連接條進行連接，可撕拉，密封性好，黏性大，實現(xiàn)了完全封閉（圖8）。

圖8 隔離層流床整體實物圖

2.3 床體內部層流效果的實現(xiàn)

本款隔離層流床對送風系統(tǒng)進行了創(chuàng)新設計。本款隔離層流床新風機工作時，環(huán)境中的空氣從進風口進入新風機內部，經過物理過濾和深紫外消毒后進入管道中，潔凈的氣體定向流動至隔離層流床頂部的3 個開口進入隔離層流床內部（圖9）。為實現(xiàn)封閉的隔離層流床中氣體的層流和循環(huán)，在層流床的側面床桿上布置4 根管道，床體內部空氣通過床腿底部4個管道回流進入送風系統(tǒng)，匯集到一根粗管道之后進入新風機中進行深紫外消毒，排出潔凈氣體，確保環(huán)境不被污染（圖10）。同時，為滿足患者多樣的需求，設置兩檔風速，可以在白天和夜晚交替使用。

圖9 隔離層流床頂部氣體流向圖

由于新風機的作用，隔離層流床頂部氣體在布置的管道內定向流動，實現(xiàn)床體內與外部的氣體流通。由第一部分的仿真結果可知，按照圖9 和圖10 中的3 個進氣口和4 個回流管道的布置，在新風機的工作參數(shù)下，整個隔離層流床內部的空氣流速、溫度和壓強均合理（圖 1～3 ）。這種3 個進氣口和4 個回流管道的布置可以形成床內上部空間氣體的層流以及床內的空氣循環(huán)。相比于現(xiàn)有層流床的敞開式設計，本款隔離層流床有效實現(xiàn)了密閉空間內的氣體層流和循環(huán)效果。

3 討論

隨著近年來傳染性疾病發(fā)病率逐年上升，輪狀病毒腸炎、諾如病毒性腸炎、手足口、麻疹、禽流感等常見傳染病頻發(fā)[15]，醫(yī)院對隔離病房的需求與日俱增。同時諸如腫瘤、自身免疫性疾病等的發(fā)病率激增[16]，化療后免疫抑制劑或其他各種應用免疫抑制劑的患者均需進入層流室渡過免疫缺陷期的難關。因此與隔離病房相比成本更低、占地更少且具有更高普及性的無菌隔離層流床更加切實有效。但目前臨床使用的隔離床或層流床較為簡陋，在臨床過程中發(fā)現(xiàn)諸多不便，屬于敞開式設計，僅具備隔離或層流單一功能，消毒效果普通，部分甚至只采用物理過濾的方式進行消殺[17-19]。一種兼具隔離層流功能、消殺效果好、封閉性能強的無菌隔離層流床亟待研發(fā)。

本款隔離層流床新風機內布置的深紫外燈珠照射消毒面積約為200 cm2，照射時間約為2 s，每個深紫外銅基板的輻射功率為200～240 mW，按照平均輻射功率220 mW 進行計算，所需深紫外銅基板數(shù)量約為17 個。本款隔離層流床新風機的進出口各布置了18 個深紫外銅基板，可以達到預期的消毒效果。

本款隔離層流床相較于現(xiàn)有層流床有兩大創(chuàng)新點。首先本研究中的隔離層流床以高效消殺為特點，采用深紫外線消毒的方式，除了傳統(tǒng)的3 層濾網(wǎng)過濾之外，還在新風機中布置深紫外燈珠，為隔離層流床內部提供無菌潔凈的氣體。其中本設計采用的深紫外燈珠的消毒效果將在結論中進行分析闡述。本設計的第二大創(chuàng)新點在于打破了現(xiàn)有層流床的敞開式設計，利用磁吸的方式實現(xiàn)了床體內部空間的全隔離，同時借助進氣口和回流管道的布置實現(xiàn)了床體密閉空間內的氣體層流和循環(huán)效果。床內上部的氣體層流區(qū)使得患者的活動范圍和醫(yī)護人員的工作區(qū)域始終保持正壓，使得下方被污染的氣體無法向上流動，確保了該區(qū)域內氣體的潔凈。在氣體離開層流區(qū)之后，被污染的氣體又通過回流管道重新進入新風系統(tǒng)進行消毒再排出到外界空氣中，保證了排出氣體的潔凈，實現(xiàn)了隔離層流床內部氣體與外界空氣的循環(huán)。

但是本研究也有一定的局限性，目前本款隔離層流床已制作出原型機，但并未進行臨床試驗，使用過程中可能出現(xiàn)的問題以及患者的體驗感尚待臨床進一步的驗證。

4 結論

本研究研發(fā)了一款基于深紫外線消毒的磁控隔離層流床，該病床可以為傳染性疾病和腫瘤化療后、自身免疫力缺陷類疾病的患者提供隔離、層流的空間，同時改善患者體驗、提高住院舒適度。這種可移動的隔離層流床降低了臨床治療的成本，并為更多的患者提供隔離層流治療的空間和條件，為臨床提供極大的幫助。