湯慶國，劉國永，劉 迪

（蚌埠學院，安徽 蚌埠233030）

0 引言

環(huán)氧乙烷可用于不耐高溫、不耐濕的醫(yī)療器械的滅菌，在各大醫(yī)療機構(gòu)和一次性醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛應用［1］。為保證滅菌效果，需要對每一次滅菌過程進行監(jiān)測和評價。目前對環(huán)氧乙烷滅菌效果的監(jiān)測主要采用化學監(jiān)測法和生物監(jiān)測法?；瘜W監(jiān)測法在每個滅菌包外粘貼指示膠帶，作為滅菌過程的標志；包內(nèi)放置化學指示卡，作為滅菌效果的參考。根據(jù)包外指示膠帶和包內(nèi)指示卡的顏色變化來識別其是否滅菌過并判斷滅菌效果。這種方法操作步驟多、消耗化學指示卡和指示膠帶，監(jiān)測成本高。生物監(jiān)測法要在滅菌包中放置枯草桿菌黑色變種芽孢菌管，滅菌結(jié)束后要培養(yǎng)24～48小時，耗時長，成本更高［2］。本文采用物理監(jiān)測法，通過傳感器對滅菌柜內(nèi)的溫度、濕度和環(huán)氧乙烷濃度進行實時監(jiān)測，對滅菌效果進行評價。不需消耗化學指示卡和指示菌，監(jiān)測成本低，并能實現(xiàn)滅菌過程實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)設計

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

該監(jiān)測系統(tǒng)包括設置于密閉滅菌柜內(nèi)的溫度傳感器、濕度傳感器和環(huán)氧乙烷濃度傳感器，以及與之相連的采集數(shù)據(jù)的單片機（MCU），向外傳輸數(shù)據(jù)的藍牙模塊，接收數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)的計算機。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

1.2 溫度傳感器模塊設計

由于系統(tǒng)要求測量精度較高，所以選用鉑熱電阻PT100 作為溫度傳感器，鉑熱電阻PT100 具有復現(xiàn)性好，物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定以及線性度好等優(yōu)點。PT100傳感器測溫范圍在-200～850℃之間，允許通過不高于5mA 的電流，它的非線性偏差不超過0.5℃，其分辨率可達0.01℃［3-4］。其電路設計如圖2所示。PT100與高精度電阻組成電橋，采用兩片高精度運放OPA2350 組成電阻-電壓變換電路，其輸出OUTT 送至A/D 轉(zhuǎn)換，單片機通過程序完成電阻值計算，并根據(jù)PT100分度表換算出溫度值，借助于算法補償其溫度測量精度可達0.05℃。

圖2 溫度傳感器電路設計

1.3 濕度傳感器模塊設計

滅菌過程要對濕度進行監(jiān)測，本系統(tǒng)采用的濕度傳感器是HS1101。該傳感器是一種電容式傳感器，如果在一個濕度不變的環(huán)境中，它就相當于一個值為恒定的電容；環(huán)境濕度值不同，它的電容值就不同。該傳感器具有運行可靠、響應速度快、穩(wěn)定性高等特性［5］。其電路設計如圖3 所示，采用HS1101 與555定時器組成振蕩電路，產(chǎn)生頻率信號Fout送至單片機。頻率輸出典型參數(shù)如表1所示，根據(jù)測量頻率值，利用數(shù)據(jù)擬合方法求出濕度值。

1.4 環(huán)氧乙烷濃度傳感器模塊設計

本系統(tǒng)采用ETO-500環(huán)氧乙烷濃度傳感器，該傳感器為電化學傳感器，當其置于一定濃度的環(huán)氧乙烷濃度氣體中，就會產(chǎn)生一定的化學電動勢［6］。運用圖4所示電路實現(xiàn)濃度-電壓變換，產(chǎn)生與濃度對應的電壓值送A/D 轉(zhuǎn)換，由單片機通過算法計算出濃度，其測量精度可達1%［7-8］。

圖3 濕度傳感器電路設計

表1 頻率輸出典型參數(shù)

1.5 主控模塊設計

本系統(tǒng)需用多個傳感器實時采集滅菌過程的溫度、濕度和環(huán)氧乙烷濃度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都要傳送到主控芯片，并通過藍牙模塊上傳到滅菌柜外的計算機，因此對主控芯片的數(shù)據(jù)處理能力要求較高。本系統(tǒng)的主控采用宏晶單片機STC8A4K16S2A12，該單片機為1T 工作周期、多達16 通道12 位A/D 轉(zhuǎn)換，可以節(jié)省A/D 轉(zhuǎn)換電路，使電路設計更簡單、可靠，如圖5所示。

圖4 環(huán)氧乙烷濃度傳感器電路設計

圖5 主控芯片設計

1.6 藍牙模塊

本系統(tǒng)采用HC-08 藍牙模塊用于各傳感器節(jié)點與計算機通信，把測量的溫度、濕度及環(huán)氧乙烷濃度數(shù)據(jù)送達計算機，由計算機完成對滅菌性能及效果的評價。

2 軟件流程設計

計算機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理并與環(huán)氧乙烷滅菌過程要求的參數(shù)進行比較。當滅菌柜各處的傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)落在下列范圍內(nèi)時，稱為有效滅菌時間。

溫度數(shù)值范圍：40～50℃；

相對濕度數(shù)值范圍：45～55%；

環(huán)氧乙烷濃度數(shù)值范圍：800～1000mg/L；

有效滅菌時間達到4 小時以上時，判斷滅菌有效，否則為無效。

根據(jù)以上監(jiān)測數(shù)據(jù)要求，其程序設計流程如圖6和圖7所示。

圖6 節(jié)點數(shù)據(jù)流程圖

圖7 上位機流程圖

3 結(jié)語

本文設計了一種基于多種傳感器的環(huán)氧乙烷滅菌監(jiān)測系統(tǒng)，采用物理監(jiān)測法，實時監(jiān)測滅菌過程的溫度、濕度和環(huán)氧乙烷濃度。監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后傳送至上位機，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對滅菌效果進行評價。與采用化學監(jiān)測法和生物監(jiān)測法相比，本監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測成本低，是一種無接觸式監(jiān)測，避免了有毒化學氣體對測試人員的傷害，有一定的實用價值。