基于Octave软件与铝箔腐蚀法对超声清洗时器械摆放位置的研究

2023-03-16郑伟秦英江庆华

护理学报 2023年3期

郑伟，秦英，江庆华

（电子科技大学医学院附属肿瘤医院四川省肿瘤医院 a.消毒供应中心；b.护理部，四川成都 610041）

消毒供应中心对可复用医疗器械的处理过程包括了从回收到发放10个步骤，其中清洗是去除医疗器械上污物的过程，可以减少器械上的有机物和微生物数量，是消毒和灭菌合格的重要前提。清洗过程中，器械的管腔、关节、齿牙和精密器械的复杂构造加大了清洗的难度，手工清洗难以达到理想的效果，超声清洗作为高效的机械清洗方式，在消毒供应中心得到了广泛的使用[1]。超声清洗的机理是“空化效应”，空化效应是指超声波在液体中传播时引起微小气泡的生长、振荡和溃灭的过程，气泡溃灭时产生的高温、高压、微射流和冲击波能够有效去除器械上的污物[2-3]。关于超声清洗时器械在液面下的摆放位置，世界卫生组织《卫生机构医疗器械的去污和再处理》（2016版）[4]、亚太感染控制学会《卫生机构医疗器械消毒和灭菌指南》（2017版）[5]和我国卫生行业标准《医院消毒供应中心第2部分：清洗消毒及灭菌技术操作规范》（2016版）[6]中要求“完全浸没在溶液中”，但并未推荐具体的摆放位置，国内消毒供应中心在超声清洗时器械的摆放按照上述标准执行。同时，国内有学者推荐在超声清洗时器械应摆放在液面下3 cm以下位置[7]。铝箔腐蚀法是利用空化效应会击穿铝箔的原理来记录超声清洗时空化效应强度分布的一种方法，因其成本低、操作简便和结果可视化得到广泛的运用[8-10]。铝箔腐蚀法只能定性判断空化效应的强度，结合Matlab[11-12]或Octave软件对腐蚀后铝箔的图像进行处理可以实现空化效应的定量评价。针对多个文献在超声清洗时推荐的不同器械摆放位置，本研究结合Octave软件和铝箔腐蚀法定量评价了超声清洗时液面下不同位置的空化效应强度，以期为超声清洗时器械的摆放位置提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料本研究试验材料主要包括超声波清洗机、铝箔和多酶清洗剂。德国艾尔玛牌超声波清洗机，型号S300H，换能器（7个）均匀分布在水槽底部，超声功率300 W，频率37 kHz，水槽长50 cm，宽30 cm，高20 cm，配套的清洗篮筐距离水槽底3 cm。市售铝箔，厚度15 μm。3M牌手工专用强效多酶清洗液，规格2 L/桶。

1.2 试验方法

1.2.1 试验准备（1）超声波清洗机水槽内加水22 L，液面高度约16 cm，加热至40℃，加入多酶清洗剂110 mL（比例为 1∶200），运行脱气程序。（2）将铝箔裁剪成15 cm×15 cm规格30张。（3）制作固定铝箔的支架：由1根横杆和2个限位器组成，横杆平行于水槽长边固定在超声清洗机顶部中间位置，通过反折部分铝箔可以将铝箔悬挂在横杆上，2个限位器（每个限位器由2根竖杆组成，可以将铝箔夹在2根竖杆之间）在两侧限制试验中铝箔在水中的飘动，固定支架可以确保试验中铝箔沿水槽中心长轴垂直放入液面。（4）进行预试验确定铝箔在超声中的暴露时间，暴露时间90 s时铝箔腐蚀面积便于观察（腐蚀面积足够大便于观察，同时没有大到使铝箔发生带状断裂而不利于后续操作），故暴露时间定为90 s。

1.2.2 试验过程将裁剪好的1张铝箔固定在支架上，入水深度约为8.5 cm，启动超声运行90 s，取出铝箔，编号后放入60℃的热风干燥柜中干燥后取出保存。再更换裁剪好的铝箔进行下一次试验，累计进行30次试验。试验完成后清洁水槽，彻底清除脱落的铝箔碎屑。

1.3 观察指标

1.3.1 不同区域铝箔腐蚀面积的百分比把干燥后的铝箔裁剪成8 cm×8.5 cm规格（铝箔底边中点向两侧各取4 cm为宽度，底边向上取8.5 cm为高度，因8 cm约为单个换能器空化区域的宽度，8.5 cm约为铝箔入水的高度），在完全黑暗的环境中，把铝箔平铺在平整的白色光源上，用三脚架固定好手机进行照片采集（小米手机11，夜景模式），把照片中铝箔以外的部分裁剪掉，再通过Photoshop软件将裁剪后的照片铺满在尺寸为945像素×1004像素的画布上（该画布与铝箔尺寸8∶8.5的比例相同，同时便于Octave软件运算），接下来把30张图片分别导入到Octave 6.4.0，使用mat2gray和rgb2gray命令进行预处理，最后阈值设定为0.5进行二值化处理[12]，每张经过二值化处理后的图片会生成一个大小为945×1004的表格，每个格子由0或1填充，其中0代表黑色，1代表白色。将图片从上到下均分A、B、C、D为4个区域（每个区域包含1个条带状的腐蚀区域，见图1），每个区域的尺寸为945像素×251像素，计算每个区域铝箔腐蚀面积占该区域的百分比（包含1的格子数占总格子数的比例）。

图1 二值化后的图片、分区和波腹位置示意图

1.3.2 超声波在溶液中的波长（λ） A、B、C、D 4个区域均对应着1个由0和1组成的945列×251行的表格，在这251行中，设定其中1最多的行处在空化效应驻波的波腹位置（波腹空化效应最强烈，铝箔腐蚀最严重，相应的 1 会最多），用 a、b、c、d 表示，结合像素和实际距离的关系（1004像素=8.5 cm）分别计算ab、bc、cd之间的距离，根据驻波的特点，ab=bc=cd=λ/2[13]，ab、bc 和 cd 的均值乘以 2，即为 λ，见图1、图2。

图2 液体中驻波示意图

1.4 统计学方法采用SPSS 23.0分析数据。计量资料进行正态性检验，如果有1组计量资料不服从正态分布，则所有计量资料均采用中位数和四分位数M（P25，P75）描述，以便于比较不同组间的差异。多组间比较采用Kruskal-Wallis H检验，两两比较采用Bonferroni校正法调整显著性值。检验水准 α=0.05。

2 结果

2.1 不同区域铝箔腐蚀面积的比较铝箔靠近水槽底部的区域其腐蚀面积更大。A、B、C、D区域铝箔腐蚀面积不全相同，差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。组间两两比较，A、B区域的铝箔腐蚀面积小于C、D区域，差异均有统计学意义（均P＜0.05），见表2。

2.2 超声在溶液中的λ 每张图片包含ab、bc、cd 3 个数据，ab、bc、cd 均为波腹间的距离，30 张图片共收集90个数据，其均值为2.13 cm，因为波腹之间距离为λ/2，故λ=2×2.13=4.26 cm。计算超声在清洗溶液中的波长，为超声清洗时器械的摆放提供具体的位置。

表1 不同区域铝箔腐蚀面积的比较[M（P25，P75），%]

表2 不同区域铝箔腐蚀面积的两两比较

3 讨论

3.1 超声清洗时液面下空化效应强度与深度呈正相关本试验中超声清洗机的换能器位于水槽底部，A、B、C、D区域与换能器的距离不断缩短，结果中A、B区域的空化效应强度低于C、D区域，说明超声清洗时空化效应的强度随着与换能器的距离增加而减弱，与多项研究的结果相同[14-15]。消毒供应中心使用的大多数超声清洗机的换能器位于清洗水槽底部，超声清洗时液面下空化效应强度与深度呈正相关，故在超声清洗时，器械应尽量放在更低的位置，以获得更好的清洗效果。尽管推荐器械摆放的位置越低越好，但不能接触水槽底部[16]，最低应摆放在超声清洗机自带的清洗篮筐上，这是因为（1）器械直接与水槽底面接触产生的摩擦会引起水槽材质的损坏。（2）距离换能器λ/2以内区域的空化效应均匀性差，换能器正上方空化效应强度过大，而周围强度骤减[17]，会导致器械的损坏和局部清洗失败。

3.2 器械摆放的最高位置应为液面下λ/8处超声波在媒质中传播存在反射、折射和散射等物理现象，对于功率超声而言，液体和空气的分界面是绝对“软”界面，换能器从水槽底部向液面发出声波，声波在液面处会发生全反射，入射波和反射波频率和振幅相同，方向相反，两列波叠加形成驻波[11，14]，空化效应最强的位置称为波腹（振幅最大），没有空化效应的位置称为波节（振幅为0）[13]，液面高度不变的情况下波腹和波节的位置不会改变，波节处为超声清洗的盲区[14]。相邻的波腹和相邻的波节距离相等，均为λ/2[13]，液面处恒定为波节，与最近的波腹距离为λ/4，波节处（液面）无空化效应，波腹处空化效应强度最大（液面下λ/4），故超声清洗时器械最高可以放在距液面λ/8处，此处避开了第一个波节，同时处于空化效应区域内，见图2。本研究的超声换能器频率为37 kHz，根据波长=波速/频率公式，波速取1 530 m/s[17]，求得波长为4.14 cm，略小于本研究计算出的4.26 cm，可能与换能器性能、频带宽度、溶液温度、成分和试验误差有关，都取1/8，差异仅为0.015 cm，该差异对试验结论无影响。消毒供应中心常用的超声清洗机频率为35～45 kHz，根据波长计算公式可得波长为3.33～4.29 cm，其1/8为0.42～0.54 cm，便于实际操作，推荐超声清洗时器械摆放的最高位置为液面下0.5 cm处。