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【摘要】 分析了等离子灭菌的原理,并据此给出了过氧化氢低温等离子灭菌的过程及设备的工作流程图；提出了系统设计的要求,并据此架构了系统组成框图；根据对密封门运动过程的分析,提出了可编程逻辑器件控制其运动的状态图；微控制器是整个系统的主控制器,通过微控制器控制系统工作的程序流程图也给出.
【关键词】 过氧化氢；等离子灭菌设备；微控制器；可编程控制器；流程图
The Design of the Plasma Sterilization Equipment and Its Process Control Using H2O2 in low Temperature
LEI Jian-long
Department of Electronics of Wuhan Institute of Shipbuilding Technology 430050
Abstract The principle of plasma sterilization is analyzed, according which the process of the plasma sterilization using H2O2 in low temperature and its flow chart is given out. The system’s design demands is put out, by which the structure frame is build up. The station diagram of movement of the gates controlled by PLD is put out by analyzing the process of their moving. The MCU acts as the main controller of the whole system. The action flow chart of the MCU controlling the process of the system is also give out.
Key words H2O2; Plasma sterilization equipment; MCU; PLD; Flow chart
1引言
消毒灭菌是医院最重要的基础工作之一,随着医疗工作的需要和医疗器械产品的发展,医学界对消毒灭菌工作提出了更高的要求和期望,因此,企业界也在努力研究开发适于当今需要的新型灭菌设备.新型灭菌设备必需具备高效、低温、低湿、无毒的某些特点,各国科技人员正致力于更完善的医用灭菌设备研究[1,2].
过氧化氢等离子体灭菌最大特点是,低温无毒,灭菌完成后没有残留物,立即可以使用.由于它具有：①不使用有毒物质,对人及环境都十分安全；②灭菌时间短,且可不必进行通风,被灭菌物取出后立即可以使用；③灭菌温度只有45℃,湿度只有10%RH,是真正的低温、低湿；④仅需要电源,全部灭菌程序自动化,操作简单；⑤灭菌时间短,在减少器械的库存的情况下同样能够应付较多的手术需要,达到降低成本、提高效率、增加收入的目标[3].
2 等离子灭菌原理
等离子体是固态、液态和气态以外的一种新的物态体系,人们通常称之为第四态.它是一种高度的电离气体云,等离子体是由某些气体或气态物质在强电磁场作用下,形成气体电晕放电,气体电离而产生,如用过氧化氢作为产生离子云的活性主体.过氧化氢先处于初始态,当对其加一定强度的电场时,电子从某些原子中剥离出来,导致粒子加速运动.当剥离的电子与原子重新组合时,或者当激活原子中的电子从高能态转到低能态时,就产生了辉光.在等离子云中分子产生碰撞,过氧化氢转变成过氧化氢自由基和羟自由基、水和氧.而原子氧、自由基等活性物质,易与细菌体内蛋白质和核酸发生反应,扰乱微生物的生存功能.且在等离子体产生的过程中,由于辉光放电,可放出大量的紫外线,也能起到消毒作用.
其灭菌作用机理主要包括以下三方面[4]：
□ 活性基团的作用：
等离子体中含有的大量活性氧离子、高能自由基团等成分,极易与细菌、霉菌及芽孢、病毒中蛋白质和核酸物质发生氧化反应而变性,使各类微生物死亡.
□ 高速粒子击穿作用：
在灭菌实验后,通过电镜观察经等离子体作用后的细菌菌体与病毒颗粒图像,均呈现千疮百孔状,这是由具有高动能的电子和离子产生的击穿蚀刻效应所致.
□ 紫外线的作用：
在激发H2O2形成等离子体的过程中,伴随有部分紫外线产生,这种高能紫外光子（3.3～3.6eV）被微生物或病毒中蛋白质所吸收,致使其分子变性失活.
3 过氧化氢等离子灭菌系统的工作过程
过氧化氢等离子灭菌系统灭菌过程为双循环灭菌,分四个阶段[5]：准备期,第一灭菌期,第二灭菌期,以及最后通风期.
(1)真空期是灭菌过程的第一阶段(1托即1Torr(torr)=lmmHg=1．33322×lOZPa),腔内压力经过抽真空降到700毫托,进入等离子阶段,这时腔内压力被控制在500毫托,短循环10分钟,长短循环15分钟,水分蒸发并通过真空泵抽出腔外,有助于将物品表面或内部的残留湿气驱除干净.15分钟后通风阀打开,经过过滤的空气进入腔体,当压力达到大气压时,真空泵再次工作,将腔内压力降低到0．4托.然后进入第二阶段,也即第一灭菌期.
(2)第一灭菌期分注射阶段、扩散阶段、等离子阶段.首先注射针头刺穿含浓度为59％过氧化氢的胶囊,由于腔内已抽为高真空,过氧化氢迅速汽化并充分扩散,这一过程过氧化氢已有对生物组织的致死作用.胶囊位于卡盒中,每盒含十个胶囊,可以完成五个消毒灭菌周期,卡盒的位置和注射由软件控制和监测,注射过程持续6分钟.然后经过过滤的空气进入腔内(短循环2分钟,长循环10分钟),使得过氧化氢扩散到腔内各个角落以及被灭菌器械的表面.真空泵再次将腔内压力由760托降到0．5托,进入等离子阶段,腔内被载入持续两分钟的射频,发生辉光放电,过氧化氢衍生出等离子体,它能干预和破坏微生物的生成,一旦射频停止,等离子气就转换为无害的水汽和氧气.最后真空泵再次将压力从0．5托降低到0．4托,进入第三阶段,也即第二灭菌周期.
(3)第二灭菌周期和第一灭菌周期完全相同,等离子阶段结束后,进入第四阶段,通风阶段.
(4)在通风阶段,进气阀打开,经过过滤的空气进入腔内,压力回到大气压力,灭菌过程结束.整个灭菌过程持续55分钟,长循环72分钟.
设计的过氧化氢低温等离子灭菌设备的工作流程如图1所示.
4 系统设计及架构
根据对过氧化氢低温等离子灭菌设备工作过程的分析及医院实际工作环境的要求,提出了下面的设计要求：
※ 尺寸：752(宽度)×1675（高度）×835（深度）mm .灭菌室由前后两层密封门组成,其运动由四台电机控制,分别控制其上下运动和拉紧.
※ 重量：430Kg
※ 总容积：80公升
※ 可用容积：71公升
※ 电源：210V-240V/50-60HZ16A单相3KW
※ 操作环境：5℃－40℃,0－95％的相对湿度
※ 灭菌温度：35℃
※ 整个过程：30－70分钟
※ 过氧化氢用量：7m L
※ 显示和打印:前后各一块5.6英寸的液晶屏显示,实时显示工作过程及操作提示.并有报警装置（真空泵过热及灭菌结束报警）、自动存储打印功能.
※ 启动及过程控制方式:全部操作通过触摸屏一键启支操作完成,同时对每一步骤都也可通过触摸屏手动完成.
※ 工业手机模块:可以通过通用移动通信网传输灭菌过程中的信息和数据.
根据设备的技术要求,设计的系统组成框图如图2所示.
4.1 系统组成框图
4.2 门运动及拉紧控制的状态转移图
系统中两个门的运动通过可编程逻辑器件完成,以可编程逻辑控制器件（PLD）实现门运动及拉紧控制的状态转移（如图1所示）,可以实现高稳定性、实时控制.在状态控制转移图中,分初始、空闲、门1上升、门1拉紧、门2上升、门2拉紧以及手动态七种状态,其中手动态专门为手动控制设计,手动态时用户可以在（控制箱面板上）手控点动,也可以点击启动,重新进入自动门运动及拉紧控制状态.其运动状态转移图如图3所示.
4.3真空循环进水、放电灭菌过程的微处理器时序流程图
灭菌室的工作过程通过微控制器来实现,以微处理器控制真空循环进水、放电灭菌过程,在过程控制中同步打印和发送手机短信；在循环进水、放电灭菌过程进行真空控制,即在过程中真空度大于0.5托时抽真空,抽至0.4托时停止抽真空.如果一次循环中未进行抽真空,则进行一次抽真空,或在一次循环中抽真空未到0.4托时继续抽真空.其工作时序流程图如图4所示.
过氧化氢低温等离子灭菌设备的研制现已进入实施阶段,由于采用了上述设计的过程控制方案,其控制部分工作稳定可靠,且成本较低.
【参考文献】
[1] 魏静蓉,李斌.医用灭菌设备的使用进展[J].医疗卫生装备,2005,26（9）
[2] 沈逸君.医院消毒灭菌设备概论[J].中国医学装备,2005,2（l0）
[3] 黄靖雄．低温灭菌的研究[J].中华医院感染学杂志,2002(8)：601～60
[4] Laroussi M,Richardson J P．Dobbs F C．Effects of non—equilibrium atmospheric pressure plasma on their cell morphology pathways of bacteria and on their cell morphology[J]．Appl phys lett,2002．8l(2)：772-774
[5] 倪萍.过氧化氢低温等离子灭菌系统的工作原理及使用注意事项[J].医疗设备信息,2005,20（7）
