基于深紫外消毒的隔离层流床的研制

曾繁驰，杨恩慧，陶李，陆墨涵，宋伟伦，李艳，张渊源

1.西安交通大学 a.机械工程学院；b.基础医学院，陕西 西安 710049；2.西安交通大学第一附属医院 a.精准外科与再生医学国家地方联合工程研究中心；b.儿科，陕西 西安 710061

引言

随着近年来传染性疾病发病率逐年增加，层流隔离技术的需求与日俱增，该技术可为控制传染性疾病传播、降低免疫缺陷患者感染率等提供有效的手段[1-4]。医疗机构有条件为有指征的患者提供独立的隔离病房，但其成本高、占地广，不适合我国医疗资源紧缺、患者基数大的现状，医疗机构有时无法快速配备与之规模匹配的隔离病房，这与医院空间有限、传染病随流行季节变化而患者数量不可控以及短期高额的经济成本激增等有关，使得隔离病房更加稀缺。因此，推行花费少、占地小的无菌层流床势在必行。

目前临床上使用的隔离床或层流床有诸多不便：简陋塑料膜半封闭的床帘导致病原体有从床帘缝隙中进出的风险，容易造成院内交叉感染；排风系统通常采用物理过滤的方式，需经常更换滤网和窗帘，消耗大量人力物力，设计不够合理，净化效果欠佳；排风系统声音大，影响患者休息[5]；隔离和层流作用往往不能兼顾，无法满足多样的临床需求。本研究旨在设计一款更高效更合理的基于深紫外消毒的隔离层流床，为临床诊疗提供帮助。

1 原理与仿真

本款基于深紫外消毒的隔离层流床的研制需要深紫外消毒技术的支撑，以及床内空间气体流向、气压分布、温度分布和气体流速分布的仿真，确保该设计可以给患者提供舒适的隔离治疗空间。

1.1 深紫外消毒原理

紫外线消毒作为一种经过验证的技术已经被广泛应用于各种场景，其对物体表面、水体和空气中病原微生物的杀灭效果都十分显著[6-8]。根据不同的紫外光波长，深紫外消毒有3 类光源：A 波段紫外线（315～400 nm）、B 波段紫外线（280～315 nm）和 C波段紫外线 （200～280 nm，Ultraviolet C，UVC），本款隔离层流床采用UVC 作为消毒光源。在该紫外波长范围内，由于微生物内RNA、DNA 以及各种蛋白质更易吸收UVC 光子能量，实验观察到相较于其他波长更显著的消毒效果[9]。由于吸收了大量光子能量，微生物的遗传物质如核酸以及辅助微生物繁殖的蛋白质遭到破坏，进而达到灭活微生物、阻止其繁衍的目的。其机制主要包括腺嘌呤-胸腺嘧啶（A-T）间氢键断裂，以及嘧啶二聚体的形成等[10-11]。

Rattanakul 等[12]在波长为254、265、280、300 nm 的紫外光灭活铜绿假单胞菌等细菌的研究中，发现了280 nm 的紫外光在灭活能力与能量消耗上的综合表现最优。在病毒的灭活过程中，紫外光主要通过损伤病毒的核苷酸序列与蛋白质外壳来对其产生伤害[13]。Bui等[14]在波长为260、280、310、365 nm 的紫外光灭活疱疹病毒的研究中，结果显示260 nm 与280 nm 波长的紫外光在灭活该类病毒中的效果最好。综合已有研究对常见病原体的灭活表现和能耗比，本款隔离层流床选择280 nm的紫外光LED 作为主要消毒系统。

1.2 ANSYS流体仿真

为模拟隔离层流床在设定进风口和出风口边界条件时床内空间的各项指标变化，首先在ANSYS 仿真软件中选择Fluent 模块，在其中的DesignModeler 模块中建立并计算隔离层流床主体模型。模型由床体、通风管道、进风口组成，该模型为隔离层流床实体的简化形式，六面体形成封闭空间，3 个进风口建立在顶板上，4 个通风管道分布在床体四角，整体尺寸与隔离层流床实体相同。

在Fluent 的Setup 模块中设置计算模式为层流模式，根据新风机设计参数中的排风量和最大静压以及床体的进出风口孔径进行计算，可以设置3 个进风口的进风速度为4.17 m/s，表压为131 Pa，出风口质量流率为0.17 kg/s，壁面设置为PVC 材料的参数，内部流体为空气，同时受重力作用。隔离层流床模型壁面参数如表1所示。

表1 隔离层流床模型壁面参数

在Fluent 的PST 模块中，得到隔离层流床模型模拟的可视化结果。从图1 可以看出，空气从3 个进风口进入层流床内部，气体呈层流式分布。进口处风速较大，气体充分散开后，风速较为平缓。

图1 模型内部空气流速模拟体绘制图

患者在隔离层流床内部的活动区域大致在隔离层流床1.5 m 高度处。在PST 模块中得到模型内部1.5 m 高度处的压强、温度、风速云图。如图2所示，1.5 m 高度处没有压强为零的情况，即空气充满整个平面，压强分布与进口位置有关，压强分布数值较为合理，不会造成患者体感附近压强过大的情况。如图3所示，1.5 m高度处隔离层流床内部各个位点温度相等，即处于常温恒温状态，这与进口处的气体温度和壁面散热有关，内部气体流动较快，壁面散热程度远小于气体流动散热，从而内部气体温度主要受进口气体温度影响。1.5 m 高度处风速分布与进风口位置有关，见图4。风速数值不大，患者无快速空气击拍等不适。

图2 模型内部压强云图

图3 模型内部温度云图

图4 模型内部风速云图

从隔离层流床模型内部各项指标模拟结果来看，隔离层流床模型内部各个位点均充满气体，患者活动区域压强分布及数值合适，温度没有明显的变化，患者活动区域风速平缓，故隔离层流床进风口和出风口的风速、位置分布、壁面参数合理。

2 选材与实体制造

本款基于深紫外消毒的隔离层流床的研制重点在于深紫外消毒功能的增设、床体内部隔离功能的实现以及层流效果的保证。

2.1 深紫外消毒装置的增设

本款隔离层流床的顶部新风系统的进气通道和出气通道分别采用8 个深紫外杀菌灯珠，全覆盖多重叠对物理过滤后流通的空气进行深度的消毒杀菌。每4 个深紫外灯珠被焊接在一个铜基板上，采用2 串2 并的连通方式，电压为10～14 V，辐射功率为200～240 mW，发光角度为120°，两个深紫外铜基板错位放置即可实现全覆盖式的空气消杀（图5）。每两个铜基板采用一个恒流源驱动电源器，驱动电源为100 mA，输出直流电压范围是12～36 V，输入交流电压范围是85～220 V，可实现220 V家用电源与深紫外灯铜基板之间的电压转换，使深紫外装置与新风机共用一个电源装置，便于总线的排布与安装。

图5 深紫外灯珠

新风机的进出口分别布置18 个深紫外铜基板，左右两侧各9 个，实现该空间范围内的消毒（图6）。36 个深紫外铜基板并联接在100 mA 的恒流源驱动器两端，实现各自的独立工作（图7）。与此同时，新风机内的空气流动可以携带走铜基板由于深紫外灯工作而产生的热量，使其散热加快，减缓铜基板发热带来的影响。

图6 深紫外灯珠布置图

图7 深紫外灯珠电路图

2.2 床体内部隔离功能的实现

本款隔离层流床隔离功能的实验主要考虑床帘的密闭方式以及床帘与床顶、床底的连接材料的选择。

本款层流床门帘选择磁吸开关（包括开合面的床帘侧与床板的连接），用橡胶包裹磁条与门帘连接，实现层流床单侧门帘的开合。磁条的外层造型结构由改性无毒的软性PVC 构成，条体内部组合以永磁性材料，可以实现良好的密封效果，同时也便于开合，方便患者与医护人员的进出。本款隔离层流床门帘采用PVC 材料，厚度为0.5 mm，整体尺寸长6850 mm，宽1850 mm，总重为8.87 kg，四面一体式的门帘使得侧面连接处达到完全封闭。隔离层流床门帘与床体之间采用带有亚克力背胶的环保PVC 材质的连接条进行连接，可撕拉，密封性好，黏性大，实现了完全封闭（图8）。

图8 隔离层流床整体实物图

2.3 床体内部层流效果的实现

本款隔离层流床对送风系统进行了创新设计。本款隔离层流床新风机工作时，环境中的空气从进风口进入新风机内部，经过物理过滤和深紫外消毒后进入管道中，洁净的气体定向流动至隔离层流床顶部的3 个开口进入隔离层流床内部（图9）。为实现封闭的隔离层流床中气体的层流和循环，在层流床的侧面床杆上布置4 根管道，床体内部空气通过床腿底部4个管道回流进入送风系统，汇集到一根粗管道之后进入新风机中进行深紫外消毒，排出洁净气体，确保环境不被污染（图10）。同时，为满足患者多样的需求，设置两档风速，可以在白天和夜晚交替使用。

图9 隔离层流床顶部气体流向图

由于新风机的作用，隔离层流床顶部气体在布置的管道内定向流动，实现床体内与外部的气体流通。由第一部分的仿真结果可知，按照图9 和图10 中的3 个进气口和4 个回流管道的布置，在新风机的工作参数下，整个隔离层流床内部的空气流速、温度和压强均合理（图 1～3 ）。这种3 个进气口和4 个回流管道的布置可以形成床内上部空间气体的层流以及床内的空气循环。相比于现有层流床的敞开式设计，本款隔离层流床有效实现了密闭空间内的气体层流和循环效果。

3 讨论

随着近年来传染性疾病发病率逐年上升，轮状病毒肠炎、诺如病毒性肠炎、手足口、麻疹、禽流感等常见传染病频发[15]，医院对隔离病房的需求与日俱增。同时诸如肿瘤、自身免疫性疾病等的发病率激增[16]，化疗后免疫抑制剂或其他各种应用免疫抑制剂的患者均需进入层流室渡过免疫缺陷期的难关。因此与隔离病房相比成本更低、占地更少且具有更高普及性的无菌隔离层流床更加切实有效。但目前临床使用的隔离床或层流床较为简陋，在临床过程中发现诸多不便，属于敞开式设计，仅具备隔离或层流单一功能，消毒效果普通，部分甚至只采用物理过滤的方式进行消杀[17-19]。一种兼具隔离层流功能、消杀效果好、封闭性能强的无菌隔离层流床亟待研发。

本款隔离层流床新风机内布置的深紫外灯珠照射消毒面积约为200 cm2，照射时间约为2 s，每个深紫外铜基板的辐射功率为200～240 mW，按照平均辐射功率220 mW 进行计算，所需深紫外铜基板数量约为17 个。本款隔离层流床新风机的进出口各布置了18 个深紫外铜基板，可以达到预期的消毒效果。

本款隔离层流床相较于现有层流床有两大创新点。首先本研究中的隔离层流床以高效消杀为特点，采用深紫外线消毒的方式，除了传统的3 层滤网过滤之外，还在新风机中布置深紫外灯珠，为隔离层流床内部提供无菌洁净的气体。其中本设计采用的深紫外灯珠的消毒效果将在结论中进行分析阐述。本设计的第二大创新点在于打破了现有层流床的敞开式设计，利用磁吸的方式实现了床体内部空间的全隔离，同时借助进气口和回流管道的布置实现了床体密闭空间内的气体层流和循环效果。床内上部的气体层流区使得患者的活动范围和医护人员的工作区域始终保持正压，使得下方被污染的气体无法向上流动，确保了该区域内气体的洁净。在气体离开层流区之后，被污染的气体又通过回流管道重新进入新风系统进行消毒再排出到外界空气中，保证了排出气体的洁净，实现了隔离层流床内部气体与外界空气的循环。

但是本研究也有一定的局限性，目前本款隔离层流床已制作出原型机，但并未进行临床试验，使用过程中可能出现的问题以及患者的体验感尚待临床进一步的验证。

4 结论

本研究研发了一款基于深紫外线消毒的磁控隔离层流床，该病床可以为传染性疾病和肿瘤化疗后、自身免疫力缺陷类疾病的患者提供隔离、层流的空间，同时改善患者体验、提高住院舒适度。这种可移动的隔离层流床降低了临床治疗的成本，并为更多的患者提供隔离层流治疗的空间和条件，为临床提供极大的帮助。