UVC净化室的快速设计与实现

随着冠状病毒的指数级传播，COVID-19大流行已经影响了全球的医疗保健系统，卫生保健工作者和专业人员由于与受感染患者的密切互动而面临更大的风险。全球对个人防护装备(PPE)的即时需求导致个人防护装备短缺，特别是N95过滤式面罩呼吸器(ffr)短缺，这是减轻疾病传播的主要障碍。全球供应链无法满足对N95 (ffr)的高需求，既不能增加产量，也不能减少使用¹，可能使医护人员和专业人员面临更大的接触风险。

在特定的紧急情况下，在个人防护装备短缺期间，一种可能的策略是在有效的生物净化过程后重复使用ffr。疾病控制和预防中心²报道称，紫外- c杀菌辐照(UVGI)、蒸汽过氧化氢和湿热是最有希望的净化ffr的方法，以在容量危机期间保持ffr的可用性。

所有温度高于绝对零度的物质或物体，无论是有生命的还是无生命的，都以光子的形式不断地发射热辐射能量。这种辐射是由于原子、分子和电子的能量转变而产生的，随着身体温度的升高，辐射的量也会增加^3.。这种热能是在光谱上发射的，最明显和最重要的是光谱中构成可见光的部分，它来自太阳。然而，紫外线(UV)也可以由太阳发出，并且可以通过在足够高的温度下工作的荧光灯人工产生。紫外光和可见光的唯一区别是光子发射的频率更高，因此能量也更高。紫外光谱可以进一步分为A型、B型或C型，其中唯一的区别是光子的能量(C表示更高的能量)。正是这种高能量的紫外线辐射被用来杀死或使各种细菌和病毒变性，众所周知，只有几毫焦耳每平方厘米(约5焦耳/厘米)的照射²)，以达到预期的灭菌效果⁴。然而，由于所有病毒都是不同的，并且对SARS-CoV-2病毒(COVID-19)的独特易感性知之甚少，因此保守值为60 mJ/cm²被曝光的目标确保了很大的安全边际。其他的研究^5，6，7是否寻求过接近1000mj /cm的暴露值²但这种高暴露被认为是不必要的，因为在Tseng和Li检查的所有样本中，在最大暴露量约为17 mJ/cm时，病毒减少了99%²⁴。

此外，UVGI处理后FFR材料的结构完整性对FFR的再利用至关重要。如果结构完整性受损，则会降低ffr对呼吸道感染性颗粒的过滤能力，并可能在呼吸器表面释放有毒或刺激性残留物⁸使卫生保健工作者面临更大的接触风险。ffr的重复使用可由原医护人员进行完整性测试(包括密封(适合性检查))进行验证。我们在此报告了我们机构在当地实施的用于FFR去污的UVGI室，并努力确保整个灭菌室放置的每个口罩都能接受适当的暴露，60 mJ/cm²。此外，我们报告了质量保证措施，定性和定量，以确保UVGI治疗后ffr的结构完整性。

光子暴露的分析评估

虽然UVC辐射的波长范围约为0.01 - 0.40µm，但最容易获得的灯泡发射的波长为0.254µm。应该指出的是，还有其他已知的有效波长(即强吸收)，如0.222µm⁹因为DNA分子会吸收最大波长为260纳米的辐射¹⁰。因此，与0.254µm波长的光子相关的能量可以很容易地用马克斯·普朗克建立的关于光子能量与频率的简单关系来确定¹¹。

为了确定曝光量，我们最终需要从紫外线光源(在我们的例子中是一个荧光灯泡)每秒发射的光子数。由于所使用的每个灯泡额定发射48瓦(W)的UVC光，1w等于1j每秒，我们可以将其除以每个光子的能量，得到总光源强度，\ (\)。

虽然我们现在有了发射的光子总数，但我们必须考虑光源(灯泡)的几何形状以及光源和目标(掩模)之间的几何方向，以确定实际撞击掩模并被吸收(沉积能量)的光子数量。这在图1中示意性地显示。1。每个灯泡测量5英尺长，因此最好近似为有限线源。如果我们假设每个灯泡发出的紫外线在所有方向上都是各向同性或相等的，那么我们可以使用下面的公式来计算在一定距离上击中目标(掩模)的光子数量\ \ (x)了(¹¹[j]。

在上面的等式中，\ (S_ {l} \)只是力量的源泉，\ (\)，除以灯泡的总长度，\ (l \)。这个通量，φ\ (\ \)，然后假设待照射的口罩沿灯泡的中间平面放置，灯泡与口罩之间的距离为8英尺，这是灭菌室中大致的中点距离。将这个量除以之前确定的每个光子的能量将得到我们想要的曝光单位。

对于一个5英尺长，额定功率为48瓦的灯泡，大约需要16分钟才能达到60兆焦耳/厘米的预期曝光目标²如果面罩沿着灯泡中心线放置8英尺远。如果在距离面罩10英尺和12英尺的地方加上两个灯泡，照射时间将下降到约7.65分钟。

房间布局和光子曝光的实验测量

灭菌室周围共放置了12个5英尺长的灯泡，如图所示。2。前门墙上有四个灯泡，后面墙上有四个灯泡，天花板上有两个灯泡，剩下的墙上各有一个灯泡。由于这种材料的高反射特性，所有的墙壁都覆盖着标准铝箔，并且掩模沿着x方向串起来，如图所示。3.。x方向约为22英尺，y方向为14英尺，地板到天花板的距离为10英尺。

y方向的中心线距离约为7英尺(分析计算中使用的保守值为8英尺)。这些线被串成这样，一些线/遮罩更靠近前面的墙，而另一些则默认更靠近后面的墙，但是遮罩是间隔的，以确保没有阴影。在任何面罩挂在线上并照射之前，光度计(型号PMA2100;使用Solar Light Company, LLC)测量灭菌室中九个不同位置(图中用星号表示)的曝光度。2)。光度计连接到杀菌UVC检测器(型号:PMA2122-WP;Solar Light Company, LLC)，其范围为0-2000 μ W/cm²对254纳米波长的灵敏度，两个设备都有校准证书¹²。这些地点包括放置口罩的限制位置，每个地点进行了两次测量。第一次测量时，光度计的窗口面向前墙，第二次测量时，光度计的窗口面向后墙。这将确保口罩的两面都得到必要的照射，因为紫外线辐射不会从口罩的一边穿透到另一边。

所有测量都是由穿着适当防护装备的个人进行的。个人将保持光度计的位置，直到读数稳定，并记录这些值。光度计的读数以微瓦每厘米为单位²，能量速率，但这可以很容易地转换成mJ/cm²，总能量。最小测量值为100µW/cm²，这是在图中紫色星号所指定的位置观察到的。2光度计的窗户正对着门。能量沉积速率为100µW/cm²，需要10分钟才能达到60 mJ/cm的曝光目标²。因为所有其他位置的读数都明显大于此值，最大值为300 μ W/cm²，确保所有面罩位置在10分钟的照射时间内接受适当的照射。事实上，上面计算的三球解析溶液7.65分钟对应的光度计读数约为130µW/cm²，这再次验证了选择的10分钟照射时间。

仿真结果

视觉照明2017由Acuity Brands¹³，用于模拟紫外线灭菌室内的光分布。Visual是商业照明设计行业中常用的一种软件仿真工具，可以在三维环境中模拟光的反射率和透射率。该工具计算各种表面上的照明功率密度和通过平面的照明透射率。为了进行计算，开发了一个模型来匹配物理环境，同时考虑了实际尺寸和由于墙壁上铝箔而增加的反射率。照明装置或灯具使用工业标准。ies文件进行模拟。这些文件模拟特定灯具的照明流明输出和光线分布。实际使用的灯是菲利普斯TUV 64T5 HO 4P SE UNP/32。由于这些是裸露的灯，而不是特定灯具的一部分，因此没有IES文件可用。因此，使用了单灯荧光灯的IES文件，并调整流明输出以匹配菲利普斯灯的输出。结果如图所示。4墙壁和天花板的反射率设置为50%。之所以选择这个保守值，是因为不透明固体的透过率通常为零[^3.， p. 769]，铝箔的吸收率约为0.15[^3.[p. 777]。因此，铝箔的实际反射率更接近85%。

该软件以英尺蜡烛(fc)或勒克斯(lx)进行计算，一个fc等于大约1.57 μ W/cm²。因此，光度计的最小读数为100µW/cm²对应63.7 fc。如图3所示。4(左图)，包括面具在内的整个房间的体积都要承受超过100度的温度，用黄色、橙色和红色来指定。右图中的红色证实了位于y方向背板的掩模接收到高于290兆焦耳的辐射，这再次证实了掩模接收到的辐射远高于60兆焦耳/厘米的最小目标²。

数据收集

在启动UVGI流程后，机构审查委员会批准收集两种类型的数据，电子UVGI员工数据日志和员工调查。电子UVGI相关数据日志包括每个周期的以下内容:收到用于清洁的n95数量，通过目视检查的n95数量，周期持续时间，消毒口罩数量和通过目视检查的口罩数量，UVGI包括口罩完整性(包括带弹性鼻泡沫完好)，以及UVC光频率和持续时间的数量。研究人员制作了一份包含25个项目的员工调查问卷，并对员工在UVGI过程中佩戴N95口罩进行了调查。调查问题包括职位、工作经验和目前工作的时间长短。其他问题包括培训、口罩完整性、明显的口罩气味以及与先前使用N95口罩相关的一般佩戴问题。在白班和夜班员工轮班结束时，他们会收到一份同意书和调查问卷。描述性统计使用Statistical Package for the Social Science, version 26.0软件(SPSS Inc.， Chicago, IL) (IBM, 2014)进行分析。

采取了多个步骤来确保标准化的工作流程和过程在上线之前和上线后的质量得到监控。在UVGI流程投入使用之前，无菌处理人员经过培训并证明了能力，通过完成UVGI去污，定义护士获得新的或去污的N95 FFR的工作流程进行了多次试验。培训和能力验证在一周内完成。为护士、快递员1(取取单位/科室受污染的N95 FFR并将其放置在UVGI集结地)、快递员2(将受污染的口罩运送到UVGI集结地，将有标签的袋子放在集结地上，运输手推车和板条箱进行STERIS清洁循环)、快递员3(取走干净的手推车和板条箱并将其运送到去污染区域，以装载去污染的N95 FFR)、快递员4(从外科部门提取受污染的N95 ffr，并在消毒后返回外科部门)，UVGI助理(处理从接收到消毒N95 ffr到通知快递员提取并运输回单位/部门的步骤。创建了一个识别流程，包括由所有者标记N95的首字母、姓氏和员工识别码，并在当班期间取下FFR时将其放在纸袋中，并在当班结束时将其放入纸袋中，并在袋子的外部显示相同的信息。

此外，质量保证(QA)步骤在上线之前进行，以确保没有发生定性和定量的退化。对一组N95 FFR进行去污处理，并进行标准化定量拟合测试，以确保N95 FFR在5个去污周期内保持完整性。每个周期(通过UVC传感器)测量UVC光强进行UVC质量控制测试。记录UVC光的频率和持续时间，以确保所需的消毒光度计读数为70(或更高)70µW/cm²到达了10分钟。这些数据是在实施UVGI净化过程之前和之后的每个N95 FFR中收集的。

定性嗅觉测试由两个人完成，以确定是否有任何明显的气味。没有检测到。曝气循环后，N95 ffr进行了QA过程，以确保没有物理或性能下降。净化后的N95贴合测试过程确保了最佳性能，并在两个面部结构矛盾的人身上进行了测试，以确保不损失贴合或密封。

测试结果

最终样本包括78名参与者。大多数是黑人/非裔美国人(45%)，女性(82%)和注册护士(46%)，目前的工作平均经验为10年。人口统计数据列于表中1同时使用数字和百分比值。

去年，所有参与者都报告接受了正确佩戴/脱下各种N95口罩的培训，这些数字见表2。除污的N95口罩大部分为19世纪60年代的3m口罩。大多数(80%)参与者报告熟悉UVGI净化，72%的人认为实施UVGI缓解了短缺。

口罩平均消毒3.5次，消毒后平均丢弃1次。据报道，在UVGI之后，N95口罩最常见的问题包括鼻子泡沫，包括扁平，更难形成面部，宽松;口罩经久耐用，表带完整，外形柔软不像表带那样牢固;气味包括燃烧和化学气味。表格3.总结调查结果。

在2020年4月27日至2020年11月17日期间，该医院共进行了434次去污循环，零失败负载/运行。这相当于总共8983个消毒口罩。

在新型冠状病毒感染前，人们佩戴N95口罩，日常使用后丢弃。在COVID-19爆发时，随着住院人数迅速增加，N95口罩的供应商面临着制造商生产以满足全国需求的滞后，供需变化变得难以预测。在大流行早期，显然需要制定和实施战略和创新流程，以确保有足够数量的N95口罩，以支持所有护理人员的安全。

使用UVGI对N95口罩进行消毒是保证口罩重复使用安全的有效、高效的方法。确保辐照过程和测量标准化的工作流程对确保可持续性至关重要。工作流程包括收集受污染的n95, UVGI辐照过程，以及按单位或部门交付辐照后的n95供白班和夜班使用。护理人员根据唯一标识符收回了辐照过的N95口罩。

使用UVGI对N95口罩进行消毒，成功地支持了护理人员在维护个人安全的同时为患者提供护理的能力。工作人员对UVGI照射和N95重复使用的有效性的看法是积极的。护理人员的反馈表明，超过60%的人表示不担心消毒口罩的耐用性。质量检查确保所有损坏的口罩都被处理掉，再也没有还给护理人员。超过70%的护理人员不担心鼻泡沫，超过85%的护理人员不担心每次使用的耳带会影响适合性测试。处置N95口罩的最大原因是耳带。一半的护理人员受访者注意到与UVGI辐射相关的气味。N95口罩UVGI辐照连续205天每天运行多个负荷，整个过程中零负荷失效。

确保UVGI辐照过程的成功需要与学术界和医疗保健领域的内容专家建立合作伙伴关系。基于工程、护理、医学和质量实践的证据为UVGI过程的实施和持续提供了基础。随着N95口罩的供需演变为更可预测的模式，UVGI照射过程减少，于第205天结束。在UVGI项目期间获得的学术和经验知识是无价的，将支持该组织在未来需要时迅速恢复活力。

道德的声明

所有方法均按照相关指南和规定进行。同样，实验方案也得到了Wellstar机构审查委员会的批准。所有参与者都获得了知情同意，如果参与者未满18岁，则获得了父母和/或法定监护人的知情同意。这在附上的Wellstar机构审查委员会的信中有所说明。