[論文レビュー] Build-at-home UV-C disinfection system for healthcare settings

Rosemary C. She, Dongyu Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2020

Infection Control and Ventilation参考文献 9被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、プラスチック製の箱、UV-Cランプ、クロムめっき仕上げの内装を用いた低コストで自作可能なUV-C消毒装置を提案する。この装置は低Qファブリ・ペロー共鳴器を形成し、UV-C線の投与量を向上させる。枯草菌の胞子を用いた検証により、入手可能な部品を用いて効果的な消毒が可能であることが示され、COVID-19パンデミック期におけるPPEの再利用需要に応えるスケーラブルで柔軟なソリューションを提供する。

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.

研究の動機と目的

• COVID-19パンデミック期における患者数の増加とPPEの再利用需要に伴い、迅速に展開可能なスケーラブルなUV-C消毒装置の緊急的必要性に対応する。
• 既存のUV-C装置の処理能力に限界があることを克服するため、入手可能な素材を用いた低コストでモジュラーなシステムを設計する。
• 専用部品の供給が不安定な状況下でも、効果的なUV-C線量の供給を維持できるシステムを構築する。
• 耐性の高い病原体を模倣する代表的な生物モデルとして枯草菌の胞子を用い、本装置の消毒効果を検証する。
• 部品の交換性を保ちつつUV-C性能に影響を及げないモジュラー設計基準を確立する。

提案手法

• 標準的なプラスチック収納用ボックスを筐体構造として用い、UV-C消毒チャンバーを構築した。
• ボックス内に標準的なUV-Cフラuoresentランプを設置し、安定性と安全性を確保するため、一般的な照明器具に取り付けた。
• ボックス内面にクロム系ペイントをスプレー塗装することで、低品質要因（Q）のファブリ・ペロー光学共鳴器を形成し、複数回の反射によってUV-C光の分布と強度を向上させた。
• UV-C線量の最大投与を実現するため、装置の幾何学的形状と表面反射率を最適化した。
• UV-Cランプや電源装置といった主要部品の交換が可能であり、消毒性能に劣化を来さないモジュラー設計基準を定義した。
• 環境に耐性のある病原体のモデルとして枯草菌の胞子を用い、装置の性能を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストで自作可能なUV-C消毒装置は、医療現場において効果的な病原体不活化に十分なUV-C線量を達成できるか？
• RQ2 標準的なプラスチック製ビンと比較して、クロムめっき内装を施すことで、UV-C線量の供与はどの程度向上するか？
• RQ3 装置設計における部品の交換性をどの程度維持できるか、性能に悪影響を及げない範囲はどの程度か？
• RQ4 本装置は、耐性の高い細菌胞子のモデルとしての枯草菌の胞子を効果的に不活化できるか？
• RQ5 どのようなモジュラー設計原則が、公衆衛生緊急事態時に迅速かつスケーラブルにこの種の装置を展開可能にするか？

主な発見

• クロムめっきされた内装により、低Qファブリ・ペロー共鳴器が形成され、UV-C線量の供与が著しく向上。有効照射時間と強度が増加した。
• 枯草菌の胞子に対する効果的な消毒が達成され、耐性の高い微生物形態の不活化能力が裏付けられた。
• モジュラー設計基準により、UV-Cランプや電源装置といった主要部品の交換が可能であり、性能の低下を来さない。
• 本装置の処理能力は、リソースが限られた環境下での標準的UV-C装置を上回り、より迅速な消毒サイクルが可能となった。
• 入手可能な材料を用いることで、パンデミック期における緊急の医療ニーズに迅速かつ低コストで対応可能となった。