[논문 리뷰] Build-at-home UV-C disinfection system for healthcare settings

Rosemary C. She, Dongyu Chen외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 29.

Infection Control and Ventilation참고 문헌 9인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 플라스틱 상자, UV-C 램프, 크롬 도금된 내부 표면을 사용하여 저비용으로 직접 제작할 수 있는 UV-C 소독 시스템을 제시한다. 이는 낮은 Q 값의 파브리-페로 캐비티를 형성하여 UV-C 선량 전달을 향상시킨다. Bacillus cereus 내분비세포를 이용한 검증을 통해, 쉽게 확보할 수 있는 구성 요소를 사용하여 효과적인 소독을 달성하며, 코로나19 팬데믹 기간 동안 PPE 재사용 수요가 높아진 의료 현장에서 확장 가능하고 유연한 솔루션을 제공한다.

ABSTRACT

Significant research has shown that UV-C exposure is an effective disinfectant for a range of bacteria and viruses, including coronaviruses. As such, a UV-C treatment in combination with a chemical wipe, such as EPA hydrogen peroxide, is a common cleaning protocol in a medical setting, and such disinfection protocols have gained in importance during the current COVID-19 pandemic due to the need to reuse PPE. However, given the substantial increase in patient volume, the quantity of materials requiring disinfection exceeds the UV-C equipment throughput capabilities at many medical facilities. Therefore, there is a need for a UV-C disinfection system that can be rapidly deployed. In response to this demand, we designed, constructed, and validated a UV-C disinfection system from readily accessible components; specifically, a plastic bin, UV-C light bulb and conventional light housing. To further improve the performance, the interior of the tub was spray-painted with chrome paint, forming a low quality-factor (Q) Fabry-Perot optical cavity. As part of this work, a set of modular design criteria which allows for flexibility in component selection without degradation of UV-C dose performance is established. This flexibility is critical given the current fluctuating availability of source materials. The disinfection capabilities of the system are validated using Bacillus cereus, a gram-positive endospore-forming bacteria.

연구 동기 및 목표

• 코로나19 팬데믹 기간 동안 환자 수가 급증하고 PPE 재사용 수요가 높아지는 상황에서, 확장 가능하고 신속하게 구현 가능한 UV-C 소독 시스템의 급박한 필요를 해결한다.
• 기존 UV-C 장비의 처리 능력에 한계가 있음을 고려하여, 접근 가능한 자재를 사용한 저비용이고 모듈러한 시스템을 설계한다.
• 특수 구성 요소의 가용성이 변동하는 상황에서도 효과적인 UV-C 선량 전달을 유지할 수 있는 시스템을 개발한다.
• 내구성이 높은 병원성 미생지를 대표하는 Bacillus cereus 내분비세포를 대상으로 시스템의 소독 효과를 검증한다.
• 성능 저하 없이 구성 요소의 유연성과 교체 가능성을 확보할 수 있는 모듈러 설계 기준을 수립한다.

제안 방법

• 표준 플라스틱 보관 상자를 케이지 기구로 사용하여 UV-C 소독 캐비닛을 제작하였다.
• 상자 내부에 표준 UV-C 형광 램프를 설치하고, 안정성과 안전성을 확보하기 위해 일반 조명 장치에 장착하였다.
• 내부 표면에 크롬 페인트를 도포하여 낮은 품질 인자(Q)를 가진 파브리-페로 광학 캐비티를 형성함으로써, 다중 반사에 의한 UV-C 빛 분포 및 강도를 향상시켰다.
• 시스템의 기하학적 구조와 표면 반사율을 최적화하여, 놓인 물체에 대한 UV-C 선량 전달을 극대화하였다.
• 핵심 구성 요소인 UV-C 램프 및 전원 공급 장치 등의 교체가 가능하면서도 소독 성능 저하 없이 유지될 수 있도록 모듈러 설계 기준을 정의하였다.
• 환경적으로 내성적인 병원성 미생지를 대표하는 Bacillus cereus 내분비세포를 사용하여 시스템 성능을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용으로 직접 제작할 수 있는 UV-C 소독 시스템이 의료 현장에서 효과적인 병원성 미생물 비활성화를 위해 충분한 UV-C 선량을 제공할 수 있는가?
• RQ2 기본적인 플라스틱 상자에 비해 크롬 도금된 내부 표면을 추가함으로써 UV-C 선량 전달이 얼마나 향상되는가?
• RQ3 소독 성능 저하 없이 시스템 설계에서 구성 요소의 교체 가능성을 얼마나 유지할 수 있는가?
• RQ4 이 시스템은 내구성이 높은 박테리아 내분비세포를 대표하는 Bacillus cereus 내분비세포를 효과적으로 비활성화할 수 있는가?
• RQ5 공중보건 긴급 상황에서 이러한 시스템을 신속하고 확장 가능하게 구현하기 위한 모듈러 설계 원칙은 무엇인가?

주요 결과

• 크롬 도금된 내부 표면은 낮은 Q 값의 파브리-페로 캐비티를 형성하여 UV-C 선량 전달을 크게 향상시켰으며, 효과적인 조사 시간과 강도를 증가시켰다.
• 시스템은 Bacillus cereus 내분비세포의 효과적인 소독을 달성하여, 매우 내성적인 미생물 형태의 비활성화 능력을 입증하였다.
• 모듈러 설계 기준 덕분에 UV-C 램프나 전원 공급 장치 등의 주요 구성 요소를 교체해도 성능 저하 없이 사용할 수 있다.
• 자원이 제한된 환경에서 기존의 표준 UV-C 장치보다 높은 처리 능력을 보이며, 더 빠른 소독 사이클을 가능하게 하였다.
• 일상적으로 확보할 수 있는 자재를 사용함으로써, 팬데믹 기간 동안 급격히 발생하는 의료 수요에 신속하고 저비용으로 대응할 수 있었다.