一種護目鏡快速粘貼除霧片的設(shè)計與應(yīng)用

施 駿，劉 華，丁 任

中國湖北武漢于2019 年12 月發(fā)生了多起非典型的肺炎病例，其癥狀主要表現(xiàn)為胸悶、氣喘、呼吸困難，部分有發(fā)熱表現(xiàn)，以干咳為主的咳嗽；部分患者表現(xiàn)出惡心、嘔吐的消化道癥狀；少部分會出現(xiàn)鼻塞、鼻癢、流涕現(xiàn)象。 2020 年1 月12 日世界衛(wèi)生組織將其命名為新型冠狀病毒（2019-nCoV）[1]。2020 年1 月20日起中國把新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）的預防和控制等級按最高類甲類實施。COVID-19 具有傳播迅速快、傳染性強、傳染渠道多樣化、人群普遍不具備抵抗此病毒的特點[2]。 根據(jù)國家衛(wèi)生健康委員會辦公廳所發(fā)布的《新型冠狀病毒肺炎防控方案（第五版）》，筆者所在醫(yī)院落實醫(yī)學發(fā)熱門診、 流調(diào)人員及有關(guān)病區(qū)工作人員采用三級防護[3]。 根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，COVID-19的感染可能先經(jīng)眼部結(jié)膜引起[4]，工作人員應(yīng)當盡量防止在危險環(huán)境，特別是存在氣溶膠傳播風險的環(huán)境下暴露雙眼[5]。個人防護中可以佩戴護目鏡或面屏等，但因面屏較輕，工作中容易觸碰掉落，故使用護目鏡較為安全。

佩戴護目鏡由于寒冷季節(jié)鏡內(nèi)外溫差的原因，鏡片內(nèi)起霧會給醫(yī)務(wù)人員的工作帶來很大的困難與阻礙，護目鏡防霧問題的解決也顯得尤為重要，大家都在嘗試各種方法對其進行除霧[6]。 目前一線多用的除霧方法有防霧噴劑法、碘酒涂抹法、洗手液涂抹法、洗潔精涂抹法[6～8]。 但上述各類溶劑在一定程度上對眼睛有刺激性，如使用不當可能會引起眼部不適。為此，筆者設(shè)計了一款可快速粘貼于醫(yī)用防護鏡的除霧片。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

貼片材料采用0.18 m（6 寸）的愛克發(fā)相片塑封膜[聚對苯二甲酸乙二醇酯 （polyethylene terephthalate，PET）底片材料]；加熱件采用0.2 mm 的交直流低壓電熱絲（直徑0.2 mm，4 Ω/m，材質(zhì)超細）；調(diào)壓件采用LM2596S DC-DC 可調(diào)降壓模塊（淘寶商家telesky旗艦店）[對通用串行總線 （universal serial bus，USB）輸入的5 V 電壓進行降壓調(diào)整使用]；USB 公頭（淘寶商家telesky 旗艦店）；導線（粗3 mm 線材1.5 A，黑色USB 充電數(shù)據(jù)線）（深圳昊然電子，中國）。

封裝加熱件為中國得力33939 過塑機。

1.2 方法

1.2.1 設(shè)計原理

護目鏡水霧的產(chǎn)生主要由護目鏡的鏡片內(nèi)外存在溫差和使用中人體呼吸及正常運動等所產(chǎn)生的水蒸氣所導致。 從以上兩方面來說，因人體活動產(chǎn)生水蒸氣無法改變，只能從內(nèi)外溫差上著手處理，所以采用了加熱原理，避免護目鏡內(nèi)霧氣產(chǎn)生。

前期計劃設(shè)計一款加熱部分集成于鏡片中，并能夠整體浸泡消毒的護目鏡，但是疫情期間，此類裝置的設(shè)計與制作耗時長、成本高，使用具有唯一性，對目前大量已采購使用的不同品種品牌的護目鏡，無法共通使用。 于是計劃設(shè)計一款護目鏡防霧貼膜，貼膜生產(chǎn)方式簡單，按通用尺寸制作后，不同護目鏡片只需簡單剪裁后即可使用。 供電根據(jù)功耗計算選擇USB供電，通過現(xiàn)有的可調(diào)降壓模塊實現(xiàn)功率的改變。 室外可使用充電寶，供電技術(shù)成熟；室內(nèi)可使用計算機、手機充電器等供電，適用范圍較廣。

1.2.2 系統(tǒng)設(shè)計

實驗設(shè)計是一種醫(yī)用護目鏡快速粘貼除霧片（圖1），包括目鏡貼片、加熱件、調(diào)壓模塊、USB 電源接頭與導線。 通過USB 電源接頭與導線連接供電部分，將電源送至調(diào)壓模塊，由于粘貼片內(nèi)加熱電阻絲阻值R固定，發(fā)熱量為功率值P，所以通過歐姆定理P=U2/R，根據(jù)需要調(diào)整調(diào)壓模塊來調(diào)整電壓值U，對目鏡貼片內(nèi)的加熱件進行加熱， 以達到合適的使用溫度。通過目鏡貼片加熱后的熱傳導與熱輻射，對護目鏡片進行加熱，縮小護目鏡內(nèi)與室外環(huán)境的溫差，起到除霧或防霧的作用。

圖1 快速粘貼除霧片總結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of general structure of rapidly adhesive demister

加熱不僅起防霧作用，同時也作為防護中的重要部分。病毒的粒徑約為納米級，同時也是生命體，環(huán)境的溫度和濕度不僅影響病毒的存活，也影響病毒的傳播[9]。研究[10～15]表明，病毒的生存時間及傳播與環(huán)境條件和病毒種類密切相關(guān)。呼吸道合胞病毒（respiratory syncytial virus，RSV） 和副流感病毒分別在干燥的環(huán)境下存活6 h 和2 h[10，11]。 對甲型流感病毒而言，涼爽干燥的環(huán)境比溫暖或潮濕的環(huán)境更有利于傳播。溫度為20 ℃、 濕度為40%的條件下，2019-nCoV 能夠存活5 d。 Wang M 等[14]統(tǒng)計了27 個國家2.4×104例COVID-19 確診病例發(fā)生的氣溫背景， 發(fā)現(xiàn)日確診數(shù)與溫度密切相關(guān)， 低溫環(huán)境——平均氣溫8.72 ℃可能是2019-nCoV 最適合的傳播溫度。 由此可見，溫濕度的變化對病毒存活能力產(chǎn)生了明顯的影響[12]。人冠狀病毒能在-60℃條件下存活數(shù)年，并且在4 ℃條件下，只要是在合適的維持液中便能穩(wěn)定存活；而當溫度為56 ℃、時間為30 min 或溫度為37 ℃、時間為數(shù)小時，可使人2019-nCoV 喪失感染能力；當溫度為60 ℃，時間為30 min 時則能有效地殺滅人2019-nCoV[14]。

1.2.2.1 目鏡貼片 采用高透光度且耐熱的軟性塑料，軟度適宜可彎折，方便貼裝于護目鏡外；貼片大小需小于目鏡鏡片，以保證貼合的完全度；采用透明貼紙粘貼固定，以保證視線的良好。 貼片膜可以采用塑封工藝的雙層聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）膜或者雙層PET 膜貼合而成， 其一面沿著貼片膜邊緣設(shè)有雙面膠，能貼合于護目鏡視窗面上，雙面膠可以選用3M 無痕雙面膠，或采用靜電吸附材料。 電阻絲采用單根加熱絲，繞行布設(shè)于塑封的雙層膜之間，在雙層貼膜塑封時一體壓制成型。

1.2.2.2 加熱件 采用超細電阻絲。經(jīng)試驗得出，該電阻絲耗電量低，產(chǎn)熱效能高。 電阻絲較為纖細的直徑在使用中對視線的影響很小， 不會影響醫(yī)護人員的正常工作。 熱絲繞行布設(shè)時，避開眼睛主要觀察區(qū)域，兩端分別作為電極，從貼片膜一側(cè)邊緣伸出；加熱電阻絲采用0.2 mm 直徑阻絲，此種電熱絲在使用中對視線的影響很小，采用折返排列，以一般成年人約60 mm的瞳距將眼部位置留空，以提高佩戴者的視野清晰度。

1.2.2.3 調(diào)壓模塊 該設(shè)計使用了電壓調(diào)節(jié)電路，能夠通過調(diào)節(jié)旋鈕來對電壓進行調(diào)整控制。溫度調(diào)節(jié)器實際為電壓調(diào)節(jié)器， 如基于LM2596S 調(diào)壓芯片的可調(diào)降壓模塊，加熱電阻絲的正、負極通過軟質(zhì)電線同溫度調(diào)節(jié)器的一端連接，該軟質(zhì)電線同溫度調(diào)節(jié)器相連一端采用可插拔接口， 例如2pin 插接端子或USB插接口；由于熱電阻絲固定阻值，根據(jù)歐姆定理P=U2/R，在定阻值的情況下通過調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器對電壓進行調(diào)節(jié)即可得到溫度調(diào)節(jié)的效果；因為貼片膜一面接觸護目鏡而另一面接觸外環(huán)境，護目鏡霧氣的出現(xiàn)是由于溫差造成鏡內(nèi)壁冷凝水，雖然加熱能起到除霧的效果，但是由于室外環(huán)境溫度變化較大，加熱貼片的熱量流失也不盡相同，因此通過歐姆定律中的負載功率公式P = U2/R，即改變電壓進行功率調(diào)整來調(diào)溫，既能夠在嚴冬調(diào)高溫度，起到良好的除霧效果，又能夠在初春回暖時避免了高溫熱輻射造成眼部不適。

1.2.2.4 USB 電源接頭與導線 采用通用型USB 電源接頭，使用方便。連接導線采用軟性導線相連，使用方便可塑性好。 其中溫度調(diào)節(jié)器設(shè)有一供電端，該供電端為一段帶有USB 供電接口的軟質(zhì)電線； 軟質(zhì)電線的長度保證滿足正常人體頭部到腰部的距離，軟質(zhì)電線上可以設(shè)置一個夾子，夾子能夾在防護服背面或側(cè)面，即將軟質(zhì)電線走線經(jīng)護目鏡繞至醫(yī)護人員后面或側(cè)面，再延伸至供電裝置處，避開正面，不影響醫(yī)護人員操作。 供電裝置可以設(shè)計為專門可充電鋰電池，也可直接使用移動電源（充電寶）替換，通過掛靠在腰部綁帶上固定，或者放在防護服自帶口袋中。

1.2.3 使用方法

可將目鏡貼片外的其他部分放置于污染區(qū)，在清潔區(qū)將目鏡貼片貼于護目鏡上即可。 使用時，將雙面膠的保護紙撕掉，然后貼合在護目鏡上，再將軟質(zhì)電線利用夾子固定到位不影響工作操作的位置，將溫度調(diào)節(jié)器的USB 供電輸入接口插在移動電源USB 輸出口上，讓移動電源為加熱電阻絲供電；通過調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)器，調(diào)整加熱電阻絲供電電壓，以此來改變加熱電阻絲發(fā)熱量，這樣可以根據(jù)工作環(huán)境溫度來調(diào)整除霧溫度；如果供電裝置電量用完，可以直接更換移動電源，保持連續(xù)使用。當使用完畢后，可以直接將目鏡貼片從護目鏡上撕下， 進行單獨消毒和再利用；無法利用、污染嚴重或已損壞，可直接單獨丟棄更換新的目鏡貼片。

2 結(jié)果

2.1 系統(tǒng)測試效果

使用該裝置2 個月，效果明顯，圖2 為筆者所在醫(yī)院室外工作的流調(diào)人員使用該裝置前后對比。經(jīng)測試該裝置能夠達到使用需求，在室外冰點以下溫度護目鏡鏡片起霧后， 開機10 min 后即能夠表現(xiàn)出良好的除霧效果，能夠保障流調(diào)人員正常進行工作。

圖2 使用除霧貼片效果圖（2 個月流調(diào)人員使用）Fig.2 Images of adhesive demister effect(used by epidemiological investigation personnel for 2-month)

2.2 性能測試結(jié)果

通過使用WANPTEK 固測NPS3010 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源調(diào)整額定輸出電壓0 ～5 V 至發(fā)熱件， 模擬充電寶等供電設(shè)備通過調(diào)壓模塊輸出，以整數(shù)電壓值為記錄點， 測試目鏡貼片性能。 穩(wěn)壓電源顯示電壓、電流， 通過紅外熱像裝置FOTRIC 322PRO 觀察并記錄目鏡貼片溫度。 當室溫17 ℃， 給最高5 V 供電電壓時，目鏡貼片的最高溫度可達91.1 ℃，能夠同時滿足低溫環(huán)境下的使用需求。

表1 室溫17 ℃除霧貼片的電壓、電流與貼片溫度關(guān)系表Tab. 1 Relationship between voltage, current and chip temperature of adhesive demister at room temperature of 17 ℃

2.3 安全性測試

該裝置使用USB 接口，可采用個人計算機、充電寶等裝置供電。USB 接口供電電壓無特殊通信協(xié)議的情況下，輸出電壓均為5 V，遠低于人體安全電壓36 V與持續(xù)接觸安全電壓24 V，當輸出最大功率時僅為5 V 1 A，相當于手機慢速充電，USB 供電技術(shù)成熟，電源管理芯片有良好的短路保護機制， 所以采用USB 供電有良好的安全性。

3 討論

通過筆者所在醫(yī)院流調(diào)人員2 個月除霧貼片的使用與測試，該裝置起到了防止或消除佩戴護目鏡過程中起霧的效果，軟性材質(zhì)能夠應(yīng)對各規(guī)格、型號的護目鏡，適用性較廣，供電5 V 既能滿足低溫環(huán)境下的使用，又遠低于人體安全電壓，有良好的安全性。防護過程中， 護目鏡起霧的問題也時常困擾佩戴者，加之人感染病毒對溫度的敏感性，因此筆者認為該裝置作為一款快速粘貼除霧貼片應(yīng)當能夠被普及。

4 結(jié)論

該設(shè)計所要解決的問題是對護目鏡內(nèi)壁起到一定的除霧作用，使醫(yī)務(wù)人員佩戴護目鏡在工作中更加舒適，提高臨床工作效率。

該設(shè)計通過可調(diào)的輸入電壓，根據(jù)固定的電阻值而獲得所需要的加熱功率。 該除霧貼片制做簡單，使用成本低，防霧效果好，在筆者所在醫(yī)院防控中已作應(yīng)用，實用效果佳。