长窄通道蒸汽灭菌中蒸汽渗透特性的WMS与CFD联合研究及其优化策略

推荐：针对医疗设备长窄通道内非冷凝气体(NCGs)难以彻底清除的问题，研究人员采用波长调制光谱(WMS)和计算流体力学(CFD)技术，揭示了高压下水蒸气谱线形状的异常现象，通过修正自展宽系数和碰撞线混合模型提升测量精度，并提出低压保持阶段优化方案，使管道末端蒸汽摩尔分数提升0.3。该研究为医疗设备安全复用提供了创新监测方法。

　　

在医疗设备重复使用的关键环节中，蒸汽灭菌的彻底性直接关系到患者安全。然而，长达1.5米、直径不足1毫米的复杂内腔结构（如内窥镜和牙科手机）成为灭菌难点——非冷凝气体(NCGs)的残留会形成扩散阻力层，使热传导率降低50%，同时降低蒸汽分压和饱和温度。更棘手的是，现行化学指示剂(CI)检测法受制造商差异和主观判读影响，而基于LED的光学测量又面临校准困难、信号微弱等问题。如何精准监测并优化长窄通道内的蒸汽渗透，成为提升医疗设备灭菌安全性的核心挑战。

奥地利格拉茨技术大学（Graz University of Technology）热工程研究所的Simon Pletzer团队在《Results in Engineering》发表的研究，创新性地将波长调制光谱(WMS)与计算流体力学(CFD)相结合，不仅破解了高压环境下水蒸气吸收谱线的测量难题，更通过优化灭菌程序显著提升了蒸汽渗透效率。

研究团队采用三大关键技术：首先搭建基于1364 nm分布式反馈激光器的WMS系统，通过50 kHz调制频率和7.7 mm吸收路径实现微小信号检测；其次基于PLDL/JPL25光谱数据库，采用二次速度依赖Voigt线型(qSDV)模拟吸收系数，并通过纯水蒸气校准修正自展宽系数的非线性压力依赖性；最后建立二维轴对称CFD模型，结合Fuller公式计算H₂O-air混合物的扩散系数，以1 mm网格分辨率模拟1米长金属管内的质量传递过程。

蒸汽渗透动态监测突破
通过分析(1,0,1)4_0,4←(0,0,0)3_0,3跃迁谱线，发现PLDL/JPL25数据库在90 kPa以上压力时预测失效。引入首阶碰撞线混合模型后，3 bar压力下的模拟吸收率误差从7%降至3%。CFD模拟显示，直径从5mm突降至4mm会使管道末端蒸汽摩尔分数降低0.09，这与实验测量值0.43（CFD预测0.33）的差异揭示了制造公差的影响。

灭菌周期创新优化
在传统脉冲真空(PP/PV)循环后增加400秒、0.13 bar的"PV保持阶段"，使末端蒸汽摩尔分数从0.33跃升至0.66。CFD可视化显示，该策略通过增强质量扩散系数，使200mm深度处的蒸汽浓度从0.2提升至0.8，且不增加能耗。

这项研究的意义在于：首次实现高压(3.2 bar)环境下水蒸气浓度的精准监测，修正了现有光谱数据库在混合气体中的适用性；通过CFD与实验的相互验证，证实几何尺寸变化对蒸汽渗透的显著影响；提出的低压保持策略为ISO标准灭菌程序的优化提供了新思路。未来通过结合生物指示剂验证，有望建立NCGs残留阈值与灭菌失败率的定量关系，为医疗设备安全复用树立新标准。