医用紫外线强度无损伤动态实时监测系统的设计与实现

王恒桓，于良军

1.泰安市中医医院 设备科，山东 泰安271000；2.泰安市医疗器械维修管理站，山东 泰安 271000

0 前言

目前，人们对紫外线(Ultra Violet Ray，UVR)的危害已形成共识，人类长期暴露于紫外线辐射之中，可能对皮肤、眼睛和免疫系统造成实际的和持续的影响[1]。通过“中国知网”跨库检索1979～2010年“紫外线”数据库，共有文章2973篇，其中1994～2010年涉及紫外线辐射损伤的文章有99篇。紫外线对眼睛的伤害主要是引起急性角膜炎和结膜炎、慢性白内障等眼疾，而对皮肤的影响则会引起肌肤提前衰老,如角质过厚、表皮粗糙、有皱纹和斑点、肌肉松弛或下垂；射线照射过量,可能会引起细胞DNA突变,导致皮肤癌，国际癌症研究署已经确认UVR是一个完全的致癌因子[2]。为此，世界各国的科学家都提醒人们，应该十分注意紫外线辐射对人体的危害并采取必要的预防措施。

UVR的波长范围为100～400 nm，一般分为3个波段，即UVA（315～400 nm）、UVB（280～315 nm）和UVC（100～280 nm）[3],3个波段的紫外线均有各自特点。根据紫外线的特性，人们充分利用紫外线的生物效应，在医疗机构、宾馆、饭店、学校、幼儿园将紫外线用于室内空气和物体表面消毒，紫外线辐射消毒有良好的作用，且具有使用方便、作用快速、经济实用、无残留污染、无毒副作用等优点[4]。

2002年版中华人民共和国卫生部《消毒技术规范》[5]明确指出了“紫外线灭菌法”的定义、消毒原理及效果验证。紫外线灭菌法是指用紫外线（能量）照射杀灭微生物的方法，紫外线不仅能使核酸蛋白变性，而且能使空气中氧气产生微量臭氧，从而达到共同杀菌作用。用于紫外线灭菌的波长一般为200～300 nm，灭菌用最强的为254 nm。该方法适于照射物体表面灭菌、无菌室空气及蒸馏水的灭菌。

消毒效果验证则采用了细菌培养的方法，虽然准确，但属于事后评价，且时间长，使用较少。《消毒技术规范》要求主要采用检测紫外线强度的方法，以保证消毒效果。紫外线灯管辐射强度检测，是保证医院消毒效果的重要工作环节，关系到医院隐性质量[6]。

目前，医院对紫外线强度的检测方法主要有两类：物理学检测方法，即使用紫外线强度测定仪；生物学检测方法，即采用载体（试纸）检测。但两类方法均存在以下缺陷：① 检测的同时，检测人员即受到辐射危害，无良好的防护措施致使监测人员的眼睛、皮肤受到不同程度损伤[7]；② 检测数据的重复性差，生物学检测方法还只是停留在定性的水平；③ 检测具有局限性，还没有做到对所有消毒房间的紫外线进行全面实时监测；④ 紫外线光源通常用紫外辐照计测量某一表面的辐射照度（W/m2）来表示紫外线光源的紫外线强度大小，而在空气杀菌方面的应用，更重要的是要知道紫外线光源外空间一定范围，甚至整个空间紫外线辐射的强度大小。

虽然有很多业内外人士对上述缺陷也进行了各种研究和改进，但均没有彻底解决上述问题。

本课题对消毒过程中存在的问题，在当前缺乏理想的测量紫外线消毒灯的杀菌紫外线输出能量的情况下[8]，设计了医用紫外线消毒无损伤实时监测和动态管理系统。该系统可确保空气消毒质量，减少交叉感染，又可节约大量资金。对确保广大医务人员和病患免受辐射伤害和整个医院的紫外线消毒的有效实行和管理具有重要意义。

1 方案设计依据

本系统依据中华人民共和国卫生部《消毒技术规范》，2002年版第3.1.4 紫外线消毒规范设计。

1.1 照射剂量和时间

不同种类的微生物对紫外线的敏感性不同，用紫外线消毒时必须使用照射剂量达到杀灭目标微生物所需的照射剂量。杀灭一般细菌繁殖体时，应使照射剂量达到10000 μW·s/cm2；杀灭细菌芽孢时应达到100000 μW·s/cm2。病毒对紫外线的抵抗力介于细菌繁殖体和芽胞之间，真菌孢子的抵抗力比细菌芽孢更强，有时需要照射到600000 μW·s/cm2。但一般致病性真菌对紫外线的抵抗力比细菌芽胞弱，在消毒的目标微生物不详时，照射剂量应≥100000 μW·s/cm2。辐照剂量是所用紫外线灯在照射物品表面处的辐照强度和照射时间的乘积。

1.2 对室内空气的消毒

1.2.1 间接照射法

首选高强度紫外线空气消毒器，不仅消毒效果可靠，而且可在室内有人活动时使用，一般开机消毒 30 min 即可达到消毒合格。

1.2.2 直接照射法

在室内无人条件下，可采取紫外线灯悬吊式或移动式直接照射。采用室内悬吊式紫外线消毒装置时，室内安装紫外线消毒灯（30W紫外灯，在1.0 m 处的强度>70μW/cm2）的数量为平均每m3≥1.5 W，照射时间≥30 min。

紫外线对细菌和病毒的杀灭与紫外线照射剂量有关，照射剂量=照射时间（s）×照射强度（μW/cm2）。照射剂量理论上一般设计要求>30000μW·/cm2， 如果紫外线强度低，只要时间长，可与强度稍高时达到同样的效果，如果在时间不允许的情况下，需选择高强度大功率的紫外线灯。一般情况各种细菌和病毒所需杀灭的照射剂量不同，在被杀灭点测出照射强度就可计算出照射时间，对被消毒的对象不了解的情况下，一般需延长照射时间来确保杀菌效率。 由于紫外线会杀死细胞，因此紫外线消毒时要注意不能直接照射到人的皮肤，尤其是人的眼睛，紫外线杀菌灯点亮时不要直视灯管，由于短波紫外线不透过普通玻璃，戴眼镜可避免眼睛受伤害。

两种消毒方法的消毒效果评价仅限于医院感染人员在消毒后做细菌培养。虽然方法可靠，但医院空气消毒的房间极多，且都属事后评价，难以做到对每一个消毒房间进行实时的检测。本研究可对紫外线消毒房间进行无损伤动态实时监测，按照紫外线剂量监测要求，及时更换紫外线灯管，保证消毒效果。

2 系统总体方案设计

2.1 系统总体功能设计

通过对紫外线强度的采集，利用先进的网络传输技术、先进的计算机控制技术可有效地实现对医院中紫外线消毒过程进行监控。该系统总体功能设计包括紫外线强度实时监测、照射剂量实时监测、动态管理、定时开关、人员无损伤监测、人员误入和消毒失效报警及功能。系统总体功能框图，见图1。

（1）紫外线强度实时监测。可对各消毒房间及物品接受的紫外线强度进行实时采集并显示，供操作人员观察。

（2）照射剂量实时监测。通过照射强度和照射时间来统计房间或物品接受的照射剂量。

（3）动态管理。可实现多消毒地点同时监控。

（4）定时开关。根据消毒照射剂量自动关断紫外线消毒灯。

（5）人员无损伤监测。紫外线强度检测人员，不用在紫外线照射下进行检测，免受了紫外线伤害。

（6）人员误入报警。非检测人员一旦误入消毒房间，可报警提示，使周围人群免受紫外线伤害。

（7）失效报警。如果消毒灯老化，达不到一定的强度，即使增加照射时间也不能达到消毒效果时，根据需要可设置100000 μW·s/cm2、300000 μW·s/cm2，甚至 600000 μW·s/cm2的报警剂量。

2.2 系统总体结构

该系统由紫外线强度检测单元、中心监控工作站及网络传输系统组成，系统总体结构框图，见图2。

2.2.1 紫外线强度检测单元

由紫外线传感器、A/D转换电路、单片机主控单元和数据通讯电路组成，完成紫外线强度的采集、发送和显示功能。

2.2.2 网络传输系统

系统由星形网络、交换机、网线组成，完成紫外线强度实时值、定时开关机信号、报警信号的传输。

2.2.3 中心监控工作站

由计算机、系统监控软件、网络适配卡等组成，完成紫外线强度、时间、剂量及报警功能。

3 系统各单元设计与实现

3.1 紫外线强度检测单元

3.1.1 紫外线传感器单元

主要由紫外线传感器和放大电路组成。传感器采用紫外探测器UV10T2E10F，能很好地探测200～400 nm光谱范围的紫外线辐射，并产生光电流。它的高灵敏度、宽响应光谱范围、密封封装、小尺寸、低价格、宽工作温度范围以及能长期暴露在紫外光辐射的环境，很适合工业和消费类紫外线探测应用。其主要参数如下：

高灵敏度：140 mA/W峰值；

低温度系数：TO-5、TO-18、TO-46等微小标准封装；

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，还有14.8 mm2、37.7 mm2，最大可达100 mm2光敏面积。

各种滤波器窗口可选，能提供：UV-A、UV-B、UV-C和 UV-BC(包括B&C波段)滤波器的标准产品。

放大电路采用集成单运放电路，见图3。传感器采集的紫外线转化为电流信号，由放大电路转换为电压信号，传至数据采集单元。

3.1.2 紫外线强度检测主控单元

由紫外线传感器、A/D转换电路、89C52单片机主控单元和数据通讯电路组成。电路工作时，紫外线传感器将采集紫外线转换为电流信号，经SGM8521单运算放大器经线缆送至单片机主控单元，经由放大器TLE2022组成的绝对值放大器将采集到强度交流信号转化成绝对值电压值送入89C52的P1.0口进行模数（A/D）转换，转换所得的数字量由输出到89C52，经软件处理后，将测量的辐射值经P2.0-P2.7输出到液晶显示单元，用数字形式显示出当前的辐射值，同时经RXD串行口上传至网络传输控制单元。

3.1.3 数据采集程序设计

本软件系统采用KeilC集成开发环境进行设计，包括1个主程序、6个子程序。6个子程序为延时子程序、辐射值采集及模数转换子程序、辐射值计算子程序、液晶显示子程序、驱动控制子程序和串行输出子程序。

（1）主程序。主程序进行系统初始化操作，主要是进行定时/计数器和A/D采集口的初始化。

（2）延时子程序。应用定时/计数器延时的目的是产生一定的时间间隔，定时进行数据的检测和发送。

（3）辐射值采集及模数转换子程序。辐射值采集及模数转换子程序按照延时程序产生的时间间隔采集输入到单片机A/D口的电压值转换数字量，并保存在内存中。

（4）辐射值计算子程序。根据辐射值的分度值和电路参数计算出一张辐射值表，存放在DATATAB数据表中。根据采样值，通过查表及比较的方法计算出当前的辐射值。采用查表法计算辐射值是为了克服紫外线传感器特性曲线的非线性，提高测量精度。

（5）驱动控制子程序。该子程序用于保护人员，当有人员进入时，输出驱动控制信号，关闭消毒设备；当幅度值下降到下限值时，发送信号至主控端，显示报警。

（6）串行输出子程序。将采集、转化成为数字量的信号经串行输出子程序由串行口传输到网络传输单元，至中心监控端。

3.2 通讯

本系统设计为网络通讯，使用232通讯实现数据传输。上位机和单片机使用MODBUS-RTU协议，通过网络接口进行网络数据通讯，以太网络模块采用了RTL8019AS，CAN总线控制器接口采用了PCA82C00。

3.3 中心监控工作站的设计

中心监控工作站采用VB语言进行设计，由主界面、房间选择界面、紫外线强度监控界面组成。

（1）主界面设计。窗体背景采用医院图片，添加两个命令按钮，用于进入房间选择界面和退出程序代码。

（2）房间选择界面设计。添加16个命令按钮，并添加代码，分别进入不同房间的监控界面。

（3）监控界面设计。添加窗体控件、形状控件、MSCOMM控件及定时器控件。

4 系统测试结果及分析

测试项目包括用户界面及性能测试，见图4、表1～2。

表1 用户界面测试

表2 监控系统总体功能测试

进入紫外线强度监控界面，见图5，此界面可实时监控所选择房间内的动态紫外线强度，显示累计照射剂量，可实现人员误入报警和消毒失效报警等功能。

目前，国内很多医院正在使用中国建材研究所石英玻璃科学研究所生产的UVR-254 nm紫外辐照仪（量字京字5000217，编号4900）用于紫外线强度的检测。我们对该仪器检测数据和本文研制的紫外线检测单元实测数据进行了对比，结果见表3。

表3 实测数据与标准测试仪检测数据比对结果

由表3可见，实测数据与标准测试仪检测有较高的一致性，可达到实用标准。与传统的测试方法比较，本系统除具有准确实时显示功能外，还具备实时纪录功能。

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