硬式内镜清洗池纯水电导率测量装置的设计

刘艳芳，王成跃，毕欣雨

南京医科大学第一附属医院 临床医学工程处，江苏 南京 210029

引言

在三级医院，每天都将有大量的内镜器械需要清洗消毒灭菌处理，在对内镜器械消毒灭菌前，须将所有内镜器械进行规范化的清洗。在清洗这一环节中，水质是最重要的影响因素之一，水质的好坏直接关系到最终灭菌的效果[1-3]。有研究表明，未经过规范化清洗的内镜器械用于手术后造成患者术后感染的风险明显增加，可以通过加强对内镜清洗池纯水质量管理工作的规范，从而进一步控制医院感染[4-5]。各家医院针对手术器械清洗消毒研究了一系列的措施方法，并进行质量管理与监控[6-8]，这些方法主要是如何对器械灭菌消毒以及消毒效果的评价，并没有对如何检测水质情况进行研究。为了规范医疗消毒供应用水，2016年原国家卫生和计划生育委员会发布行业标准WS310.1-2016《医院消毒供应中心管理规范》（以下简称“规范”），规定了器械消毒供应中心需配备软化水及纯化水等供给设施，并在第10.1条明确规定清洗用水应有自来水、热水、经纯化的水供应，终末漂洗用水的电导率≤15 μs/cm（25℃）[9]。虽然出台了对终末漂洗用水的电导率值管理规范要求，但目前还没有医院专门设计应用针对硬式内镜清洗池终末漂洗用水电导率的测量装置。

我院在多年前购入专门用于硬式内镜器械清洗的内镜清洗池安装在医院手术室，该清洗池具有纯化水装置，生成符合“规范”要求的终末漂洗用水。医院感染管理科要求对内镜清洗池终末漂洗用水的水质情况每天按时检测并保存记录。前期我院手术室工作人员每天定时抽取终末漂洗水用电导率笔测量并手动记录电导率值及检测时间，大大增加了医务工作管理者的工作量。现设计一套硬式内镜清洗池纯水电导率测量装置，该测量装置可自动实时检测电导率值并定时打印出检测结果及检测时间，且可长期保存数据，为医务工作者节约大量时间，实时反馈检测结果可提前预防水污染，为临床使用安全无菌器械提供保障，同时对清洗池生产厂家改良产品以及同行医院感染管理也有一定借鉴意义。

1 硬式内镜清洗池纯水电导率测量装置硬件设计

本文设计的硬式内镜清洗池终末漂洗纯水电导率测量装置是以单片机Arduino Nano为主控模块，系统硬件部分主要包括12 V电源适配器、稳压模块、电导率传感器、Nano主控模块、实时时钟模块、SD卡存储模块、液晶显示模块、蓝牙打印模块等。系统框架如图1所示。

图1 系统框架图

1.1 主电源及稳压模块

本系统主电源采用12 V的电源适配器，主电源可直接给电导率传感器供电，为了使输出电压稳定、散热效果更好，选择三端稳压器L78M09CDT-TR给电路提供稳定的+9 V电压，该+9 V电压可为Nano单片机供电。图2为电源模块电路图。

图2 电源电路图

1.2 Nano单片机主控模块

本系统采用ATmega328P Arduino Nano单片机做主控模块，ATmega328P是一款RISC体系结构的高性能、低功耗的8位AVR微控制器[10-12]。Arduino Nano单片机尺寸小，可直接插在面包板上使用调试，5～12 V直接供电，程序烧录时不需烧录器，直接USB下载完成，开发环境简单易学。具有14个数字输入/输出端口（其中6路可作PWM端口），8路模拟输入，每一路具有10位的分辨率（即输入有1024个不同值），默认输入信号为0～+5 V，同时17引脚有+3.3 V电源输出，该电压可供实时时钟模块DS1302使用，27引脚有+5 V电源输出，该电压可供LCD1602液晶显示屏使用。本设计用稳压电路输出的+9 V电压给Nano单片机30引脚Vin供电。

1.3 电导率传感器

本设计系统采用管道插入式电导率铂黑电极，量程为0～220 μS/cm，精度为±2%，自带信号放大电路，根据被测液体电导率值，可以输出0～5 V的电压信号。电导率传感器如图3所示。

图3 电导率传感器

工作温度为0～50℃，同时具有自动温度补偿、就压保护、测量灵敏度高、稳定性强、响应快、使用寿命长等特点[13]。电导率传感器工作电压为+12 V，由+12 V电源适配器直接供电，输出口S1接Nano单片机模拟输入口A3，经Nano单片机内部A/D转换后，经过程序计算得出电导率值，其程序计算公式如式(1)所示。

其中，σ为实测电导率值（单位为μS/cm），VS1为电导率传感器输出口S1电压，5为电导率传感器输出口S1电压量程，220为电导率传感器量程。当对某种水进行测量时，电导率传感器输出口S1电压VS1为0.5 V时，则可计算出该水电导率σ为22 μS/cm。

1.4 实时时钟及输出模块

实时时钟采用DS1302时钟模块，与单片机之间采用同步串行的方式进行通信。实时时钟具有计算2100年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的能力，具有宽范围工作电压[14]。本设计采用Nano自带的+3.3 V供电，断电时采用CR1220电压为+3 V纽扣电池供电，工作时功耗很低，小于1 mW，当程序输入当前时间，则输出为实时时间。

显示模块采用LCD1602液晶显示屏[15]，是专门用于显示字母、数字、符号等点阵型液晶显示模块，可自动对模块进行初始化操作，模块设置在默认的显示工作状态，工作电压为+5 V，由Nano单片机对其供电。显示屏分两行显示，第一行显示电导率实测值，如“Con=22 μS/cm”；第二行显示实时时间，如“2019-12-12 08:00”。

考虑到此装置安装于清洗池下方柜体内，选择用蓝牙打印机可方便取纸。选用的58 mm蓝牙打印机，支持RS232和TTL两种通讯方式，直接接收字符串的形式打印。蓝牙模块选择串行通信HC05，与Nano单片机RX和TX连接，VCC接Nano单片机的5 V，具有内部3.3 V稳压器，通过代码发送连接装置与打印机。每次检测结果分两行打印，第一行打印电导率实测值，如“Con=22 μS/cm”；第二行打印设定的检测时间，如“2019-12-12 08:00”。

为了数据的长久保存，在本装置上加入了SD卡模块，该模块带有稳压器和电平转换器，可与5 V引脚配合使用，有4个SPI通信引脚与单片机连接。该模块可以与Arduino IDE随附的SD库一起使用，SD库可以使卡的初始化、读取和写入操作变得非常容易。

1.5 硬式内镜清洗池纯水电导率测量装置硬件原理图

电导率输出的模拟电压被Nano单片机采集并通过模数转换计算出电导率值，实现显示和打印功能，具体实现的电路如图4所示。其中J2接电导率传感器，J3接DS1302时钟模块，J4、J5分别为LCD1602液晶显示屏和蓝牙模块接口。

图4 系统硬件原理图

2 硬式内镜清洗池纯水电导率测量装置软件设计

该硬式内镜清洗池纯水电导率测量装置软件部分采用模块化设计，系统程序主要包括主程序、电导率传感器采样程序、数据存储程序、液晶显示程序、打印程序。使用的是Arduino IDE开发环境进行编程设计，首先定义单片机Nano输入输出端口，将电导率传感器、时钟、液晶显示器、打印机、SD卡初始化。预先设置串口通信波特率，设置时钟当前时间，对电导率传感器采样，读取的是电压值，将电压值换算成电导率值、SD存储数据。设置显示器第一行显示电导率值，第二行显示当前时间，定时打印时间间隔、打印电导率值、打印当前时间。系统流程如图5所示。

图5 系统流程图

3 硬式内镜清洗池纯水电导率测量装置安装方案

本文设计一款自动检测水质电导率的装置，将其安装于手术室，专门测量硬式内镜清洗池终末漂洗纯水的电导率值。图6为电导率传感器接入手术室纯水装置净水管之后的结构示意图，并对净水管进行改造。原净水管为一根直通水管与水池用水管路和漂洗管路相通，现将净水管改成三通道结构。原直通净水管用法兰螺母分开，然后用不锈钢三通管件连接。将电导率传感器与三通的一端拧紧并用防漏水生胶带固定，传感器一端感应部位暴露在净水管内随水流冲入采集数据。图7是电导率传感器接入三通的净水管后与纯水接触的俯视图。图8为硬式内镜清洗池纯水电导率测量装置的实物安装图。

图6 电导率传感器接入净水管结构示意图

图7 净水管俯视图

图8 硬式内镜清洗池纯水电导率测量装置实物安装图

4 结果

本文设计的硬式内镜清洗池纯水电导率测量装置已安装于手术室内镜清洗池下方柜体内。按照本文提出的安装方案，电导率传感器接入纯水装置的净水管，实现了对手术室硬式内镜清洗池终末漂洗用水的自动化监测功能，可以定时打印和实时显示纯水电导率的数值以及监测时间并保存数据。在未设计此装置之前，手术室工作人员通过把清洗池的终末漂洗用水接入干净100 mL烧杯中，用购置的品牌为Apure水质分析，型号为EC-860的电导率笔人工测量，并记录检测数值及时间。为了说明此装置安装前后的效果，同时用原有方法和现有创新方法测量电导率值以及每测量一次所耗时间，并随机10次抽样测量，对所有数据用统计学软件SPSS 19.0处理，采用t检验方法分析，P＜0.05说明有显著性差异。结果如表1所示，电导率笔人工测量和电导率装置自动测量电导率值比较没有显著差异（P＞0.05），所耗时间比较有明显差异（P＜0.05），说明此装置安装后电导率值准确度高，耗时短。

表1 原有电导率笔测量与本设计电导率测量装置效果比较

5 讨论

在医院医疗实践工作中，医院所用的医疗器械清洁度与医院感染病例的发生有重要关系。现代医疗器械尤其是内镜器械种类繁多且复杂，对消毒的要求更加严格，加强消毒灭菌的质量检测管理工作尤为重要[16]。医疗部门应严格遵守《医院消毒供应中心管理规范》《医院感染管理办法》等规章制度[17]，加强对工作人员培训，提高感染控制意识。内镜器械清洗后的清洁度不仅依赖于硬件设施，更加与水质有关，医疗机构不重视终末漂洗水质情况，降低了器械清洁度可能直接导致医院感染事故[18]。

本文基于Arduino Nano主控单片机设计的一款专门应用于手术室硬式内镜清洗池终末漂洗纯水电导率测量装置，可以实时显示电导率值及测量时间，并定时打印出结果进行数据记录留存，减少了管理工作人员的工作量，实现了自动化，给予工作人员及时反馈，保证医疗器械的清洗效果，提前预防污染，为医院的感染控制管理工作做出贡献。同时，本文设计的纯水电导率测量装置也存在不足，内镜包括硬式内镜和软式内镜，本文主要是针对手术室硬式内镜清洗池纯水电导率规范要求设计的装置，未考虑到应用于供应中心包括软式内镜的清洗池纯水规范要求的测量方案。从《软式内镜清洗消毒技术规范》[19]中可以得知，软式内镜不仅对电导率有要求，且要求细菌总数≤10 CFU/100 mL。要想控制终末用水水质中的含菌量，应从原水的前处理、软化、过滤、一二级反渗透水处理上严格按照规范要求，并对管理人员进行培训，对水处理的每个环节把控，定期测量检测水质中的含菌量是否满足规范要求。

目前，市面上还没有针对手术室硬式内镜清洗池终末漂洗纯水的电导率测量装置，本文设计的装置实现了自动化检测，对比原有人工检测方法更加高效省时，且方便数据留存，同时体现了我院高度重视水质情况对器械清洗效果的影响，减少安全隐患，为临床使用安全无菌器械提供保障，具有较高的实际应用价值，值得在同行医院进行广泛推广。