技術(shù)實(shí)踐 | Ansys Speos在紫外光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用

安世亞太

2021年3月3日 15:45

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技術(shù)實(shí)踐 | Ansys Speos在紫外光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用的圖1

在新冠肺炎（COVID-19）危機(jī)期間公眾最大的擔(dān)憂(yōu)之一就是醫(yī)護(hù)人員個(gè)人防護(hù)裝備（PPE）的短缺。在特殊時(shí)期，PPE供應(yīng)鏈體系壓力重重，因?yàn)檫@些裝備都是一次性的，使用過(guò)后就會(huì)被丟棄。由于對(duì)PPE的需求量極大，因此工程師和醫(yī)療從業(yè)人員正在尋找對(duì)裝備進(jìn)行消毒從而重復(fù)使用的方法。

一種可能的解決方案是使用與無(wú)數(shù)醫(yī)療設(shè)備相同的紫外線(xiàn)消毒技術(shù)。借助仿真，工程師們可以設(shè)計(jì)新的裝備，或優(yōu)化現(xiàn)有裝備的效率，以降低PPE的一次性消耗。

紫外消毒的工作原理

根據(jù)美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心（CDC）的說(shuō)法，紫外線(xiàn)殺菌照射是一種使用短波長(zhǎng)光消除或滅活微生物的消毒方法：紫外消毒燈可以通過(guò)與細(xì)菌和病毒的核酸反應(yīng)，使之失去繁殖和自我復(fù)制的功能從而達(dá)到殺菌消毒的目的。可惜的是，該技術(shù)對(duì)付細(xì)菌孢子不是很有效。

許多行業(yè)利用波長(zhǎng)在240到280納米之間強(qiáng)光源完成對(duì)水、空氣、植入物、隱形眼鏡以及表面等的消毒滅菌。無(wú)論在空氣還是水循環(huán)系統(tǒng)中，都能對(duì)微生物做到有效的控制。

CDC指出，消毒燈的有效性取決于諸多變量：

■ 有機(jī)物/微生物的體量

■ 光的波長(zhǎng)與強(qiáng)度

■ 懸浮材料

■ 溫度

■ 光源與微生物之間的距離

■ 系統(tǒng)清潔度

這項(xiàng)技術(shù)目前僅限于對(duì)表面和物體進(jìn)行滅菌。例如CDC指出，對(duì)近15,000名患者進(jìn)行的雙盲研究表明， 紫外線(xiàn)不能有效降低術(shù)后傷口的感染率 。此外，疾病預(yù)防控制中心和世界衛(wèi)生組織（WHO）警告， 用紫外線(xiàn)照射人體可能會(huì)造成傷害。

仿真可以幫助工程師設(shè)計(jì)紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)

最近的紫外線(xiàn)殺菌照射技術(shù)的發(fā)展表明， LED可以替代傳統(tǒng)上使用的汞燈 。這些半導(dǎo)體發(fā)出的光在255至280納米之間，同時(shí)減小了消毒系統(tǒng)的尺寸，這使得工程師能夠更好地將它們集成到醫(yī)療設(shè)備之中。

技術(shù)實(shí)踐 | Ansys Speos在紫外光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用的圖2

Ansys SPEOS輻照度分析結(jié)果提供最低照度值，

計(jì)算得出完成消毒過(guò)程僅需4秒。

紫外LED同時(shí)具備更好的短期操作耐受性。因此當(dāng)它們間歇使用時(shí)，可以比汞燈獲得更長(zhǎng)的使用壽命，這使得LED成為在短期內(nèi)消毒大量PPE口罩的理想選擇。

紫外線(xiàn)對(duì)口罩消毒的仿真

但是工程師需要證明：這項(xiàng)技術(shù)可適用于對(duì)像個(gè)人防護(hù)面罩一樣的多孔表面進(jìn)行消毒。為了完成這項(xiàng)任務(wù)，他們可以使用光學(xué)仿真工具（如Ansys SPEOS）來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)：

通過(guò)改變以下變量從而最大限度的進(jìn)行消毒：

■ 輻射通量

■ LED的數(shù)量

■ LED的位置

■ 與光進(jìn)行相互作用的材料

仿真結(jié)果還可以確定：

■ 消毒所需的曝光時(shí)間

■ 整個(gè)表面的輻射功率

■ 設(shè)備效率

■ 最佳設(shè)備配置

由于這些模擬可以幫助工程師比使用物理原型更快地進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代，因此他們可以迅速地設(shè)計(jì)，優(yōu)化并驗(yàn)證可以對(duì)PPE或其他醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行消毒的紫外線(xiàn)消毒系統(tǒng)，這或許是一種可以幫助人類(lèi)戰(zhàn)勝新冠病毒（COVID-19）以及未來(lái)可能存在的傳染類(lèi)疾病。

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