基于Octave軟件與鋁箔腐蝕法對超聲清洗時器械擺放位置的研究

鄭偉，秦英，江慶華

（電子科技大學醫(yī)學院附屬腫瘤醫(yī)院 四川省腫瘤醫(yī)院 a.消毒供應中心；b.護理部，四川 成都 610041）

消毒供應中心對可復用醫(yī)療器械的處理過程包括了從回收到發(fā)放10個步驟，其中清洗是去除醫(yī)療器械上污物的過程，可以減少器械上的有機物和微生物數(shù)量，是消毒和滅菌合格的重要前提。清洗過程中，器械的管腔、關節(jié)、齒牙和精密器械的復雜構(gòu)造加大了清洗的難度，手工清洗難以達到理想的效果，超聲清洗作為高效的機械清洗方式，在消毒供應中心得到了廣泛的使用[1]。超聲清洗的機理是“空化效應”，空化效應是指超聲波在液體中傳播時引起微小氣泡的生長、振蕩和潰滅的過程，氣泡潰滅時產(chǎn)生的高溫、高壓、微射流和沖擊波能夠有效去除器械上的污物[2-3]。關于超聲清洗時器械在液面下的擺放位置，世界衛(wèi)生組織 《衛(wèi)生機構(gòu)醫(yī)療器械的去污和再處理》（2016版）[4]、亞太感染控制學會《衛(wèi)生機構(gòu)醫(yī)療器械消毒和滅菌指南》（2017版）[5]和我國衛(wèi)生行業(yè)標準《醫(yī)院消毒供應中心 第2部分：清洗消毒及滅菌技術操作規(guī)范》（2016版）[6]中要求“完全浸沒在溶液中”，但并未推薦具體的擺放位置，國內(nèi)消毒供應中心在超聲清洗時器械的擺放按照上述標準執(zhí)行。同時，國內(nèi)有學者推薦在超聲清洗時器械應擺放在液面下3 cm以下位置[7]。鋁箔腐蝕法是利用空化效應會擊穿鋁箔的原理來記錄超聲清洗時空化效應強度分布的一種方法，因其成本低、操作簡便和結(jié)果可視化得到廣泛的運用[8-10]。鋁箔腐蝕法只能定性判斷空化效應的強度，結(jié)合Matlab[11-12]或Octave軟件對腐蝕后鋁箔的圖像進行處理可以實現(xiàn)空化效應的定量評價。針對多個文獻在超聲清洗時推薦的不同器械擺放位置，本研究結(jié)合Octave軟件和鋁箔腐蝕法定量評價了超聲清洗時液面下不同位置的空化效應強度，以期為超聲清洗時器械的擺放位置提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 本研究試驗材料主要包括超聲波清洗機、鋁箔和多酶清洗劑。德國艾爾瑪牌超聲波清洗機，型號S300H，換能器（7個）均勻分布 在水槽底部，超聲功率300 W，頻率37 kHz，水槽長50 cm，寬30 cm，高20 cm，配套的清洗籃筐距離水槽底3 cm。市售鋁箔，厚度15 μm。3M牌手工專用強效多酶清洗液，規(guī)格2 L/桶。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗準備 （1）超聲波清洗機水槽內(nèi)加水22 L，液面高度約16 cm，加熱至40℃，加入多酶清洗劑110 mL（比例為 1∶200），運行脫氣程序。 （2）將鋁箔裁剪成15 cm×15 cm規(guī)格30張。（3）制作固定鋁箔的支架：由1根橫桿和2個限位器組成，橫桿平行于水槽長邊固定在超聲清洗機頂部中間位置，通過反折部分鋁箔可以將鋁箔懸掛在橫桿上，2個限位器（每個限位器由2根豎桿組成，可以將鋁箔夾在2根豎桿之間）在兩側(cè)限制試驗中鋁箔在水中的飄動，固定支架可以確保試驗中鋁箔沿水槽中心長軸垂直放入液面。（4）進行預試驗確定鋁箔在超聲中的暴露時間，暴露時間90 s時鋁箔腐蝕面積便于觀察（腐蝕面積足夠大便于觀察，同時沒有大到使鋁箔發(fā)生帶狀斷裂而不利于后續(xù)操作），故暴露時間定為90 s。

1.2.2 試驗過程 將裁剪好的1張鋁箔固定在支架上，入水深度約為8.5 cm，啟動超聲運行90 s，取出鋁箔，編號后放入60℃的熱風干燥柜中干燥后取出保存。再更換裁剪好的鋁箔進行下一次試驗，累計進行30次試驗。試驗完成后清潔水槽，徹底清除脫落的鋁箔碎屑。

1.3 觀察指標

1.3.1 不同區(qū)域鋁箔腐蝕面積的百分比 把干燥后的鋁箔裁剪成8 cm×8.5 cm規(guī)格 （鋁箔底邊中點向兩側(cè)各取4 cm為寬度，底邊向上取8.5 cm為高度，因8 cm約為單個換能器空化區(qū)域的寬度，8.5 cm約為鋁箔入水的高度），在完全黑暗的環(huán)境中，把鋁箔平鋪在平整的白色光源上，用三腳架固定好手機進行照片采集（小米手機11，夜景模式），把照片中鋁箔以外的部分裁剪掉，再通過Photoshop軟件將裁剪后的照片鋪滿在尺寸為945像素×1004像素的畫布上（該畫布與鋁箔尺寸8∶8.5的比例相同，同時便于Octave軟件運算），接下來把30張圖片分別導入到Octave 6.4.0，使用mat2gray和rgb2gray命令進行預處理，最后閾值設定為0.5進行二值化處理[12]，每張經(jīng)過二值化處理后的圖片會生成一個大小為945×1004的表格，每個格子由0或1填充，其中0代表黑色，1代表白色。將圖片從上到下均分A、B、C、D為4個區(qū)域（每個區(qū)域包含1個條帶狀的腐蝕區(qū)域，見圖1），每個區(qū)域的尺寸為945像素×251像素，計算每個區(qū)域鋁箔腐蝕面積占該區(qū)域的百分比 （包含1的格子數(shù)占總格子數(shù)的比例）。

圖1 二值化后的圖片、分區(qū)和波腹位置示意圖

1.3.2 超聲波在溶液中的波長（λ） A、B、C、D 4個區(qū)域均對應著1個由0和1組成的945列×251行的表格，在這251行中，設定其中1最多的行處在空化效應駐波的波腹位置（波腹空化效應最強烈，鋁箔腐蝕最嚴重，相應的 1 會最多），用 a、b、c、d 表示，結(jié)合像素和實際距離的關系（1004像素=8.5 cm）分別計算ab、bc、cd之間的距離，根據(jù)駐波的特點，ab=bc=cd=λ/2[13]，ab、bc 和 cd 的均值乘以 2，即為 λ，見圖1、圖2。

圖2 液體中駐波示意圖

1.4 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 23.0分析數(shù)據(jù)。計量資料進行正態(tài)性檢驗，如果有1組計量資料不服從正態(tài)分布，則所有計量資料均采用中位數(shù)和四分位數(shù)M（P25，P75）描述，以便于比較不同組間的差異。多組間比較采用Kruskal-Wallis H檢驗，兩兩比較采用Bonferroni校正法調(diào)整顯著性值。檢驗水準 α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 不同區(qū)域鋁箔腐蝕面積的比較 鋁箔靠近水槽底部的區(qū)域其腐蝕面積更大。A、B、C、D區(qū)域鋁箔腐蝕面積不全相同，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），見表1。組間兩兩比較，A、B區(qū)域的鋁箔腐蝕面積小于C、D區(qū)域，差異均有統(tǒng)計學意義（均P＜0.05），見表2。

2.2 超聲在溶液中的λ 每張圖片包含ab、bc、cd 3 個數(shù)據(jù)，ab、bc、cd 均為波腹間的距離，30 張圖片共收集90個數(shù)據(jù)，其均值為2.13 cm，因為波腹之間距離為λ/2，故λ=2×2.13=4.26 cm。計算超聲在清洗溶液中的波長，為超聲清洗時器械的擺放提供具體的位置。

表1 不同區(qū)域鋁箔腐蝕面積的比較[M（P25，P75），%]

表2 不同區(qū)域鋁箔腐蝕面積的兩兩比較

3 討論

3.1 超聲清洗時液面下空化效應強度與深度呈正相關 本試驗中超聲清洗機的換能器位于水槽底部，A、B、C、D區(qū)域與換能器的距離不斷縮短，結(jié)果中A、B區(qū)域的空化效應強度低于C、D區(qū)域，說明超聲清洗時空化效應的強度隨著與換能器的距離增加而減弱，與多項研究的結(jié)果相同[14-15]。消毒供應中心使用的大多數(shù)超聲清洗機的換能器位于清洗水槽底部，超聲清洗時液面下空化效應強度與深度呈正相關，故在超聲清洗時，器械應盡量放在更低的位置，以獲得更好的清洗效果。盡管推薦器械擺放的位置越低越好，但不能接觸水槽底部[16]，最低應擺放在超聲清洗機自帶的清洗籃筐上，這是因為（1）器械直接與水槽底面接觸產(chǎn)生的摩擦會引起水槽材質(zhì)的損壞。（2）距離換能器λ/2以內(nèi)區(qū)域的空化效應均勻性差，換能器正上方空化效應強度過大，而周圍強度驟減[17]，會導致器械的損壞和局部清洗失敗。

3.2 器械擺放的最高位置應為液面下λ/8處 超聲波在媒質(zhì)中傳播存在反射、折射和散射等物理現(xiàn)象，對于功率超聲而言，液體和空氣的分界面是絕對“軟”界面，換能器從水槽底部向液面發(fā)出聲波，聲波在液面處會發(fā)生全反射，入射波和反射波頻率和振幅相同，方向相反，兩列波疊加形成駐波[11，14]，空化效應最強的位置稱為波腹（振幅最大），沒有空化效應的位置稱為波節(jié)（振幅為0）[13]，液面高度不變的情況下波腹和波節(jié)的位置不會改變，波節(jié)處為超聲清洗的盲區(qū)[14]。相鄰的波腹和相鄰的波節(jié)距離相等，均為λ/2[13]，液面處恒定為波節(jié)，與最近的波腹距離為λ/4，波節(jié)處（液面）無空化效應，波腹處空化效應強度最大（液面下λ/4），故超聲清洗時器械最高可以放在距液面λ/8處，此處避開了第一個波節(jié)，同時處于空化效應區(qū)域內(nèi)，見圖2。本研究的超聲換能器頻率為37 kHz，根據(jù)波長=波速/頻率公式，波速取1 530 m/s[17]，求得波長為4.14 cm，略小于本研究計算出的4.26 cm，可能與換能器性能、頻帶寬度、溶液溫度、成分和試驗誤差有關，都取1/8，差異僅為0.015 cm，該差異對試驗結(jié)論無影響。消毒供應中心常用的超聲清洗機頻率為35～45 kHz，根據(jù)波長計算公式可得波長為3.33～4.29 cm，其1/8為0.42～0.54 cm，便于實際操作，推薦超聲清洗時器械擺放的最高位置為液面下0.5 cm處。

4 結(jié)論及本研究的不足

綜上所述，消毒供應中心在進行超聲清洗時應將器械擺放在較低位置，盡量靠近清洗籃筐擺放，最高不應高于液面下0.5 cm位置，從而提高清洗效果，確保清洗質(zhì)量。本研究的不足之處在于僅為試驗研究，今后還需進行醫(yī)療器械的清洗實踐，以確定本研究的實際應用效果。