一、研究背景
近十年來世界范圍內(nèi)接連遭受到多次新發(fā)、再發(fā)重大傳染病的威脅。牙科診所是特別容易受到呼吸道傳染疾病影響的醫(yī)療機構(gòu)之一，牙科診療過程中使用超聲波潔牙機因噴濺可產(chǎn)生大量飛沫，進而轉(zhuǎn)化為飛沫核以氣溶膠的形式懸浮留存于診室空氣中，如果患者口腔內(nèi)攜帶血液傳播病毒或呼吸道傳播病毒，這些病毒會以飛沫作為載體在空氣中進行傳播。貴州大學(xué)機械學(xué)院趙津教授、醫(yī)學(xué)院楊威教授和貴陽市口腔醫(yī)院余曉燕主任組成的聯(lián)合課題組，針對現(xiàn)階段潔牙手術(shù)過程中引發(fā)的飛沫流動機理尚不清楚，造成口腔診療飛沫吸附消殺設(shè)備的研制尚未完善，出現(xiàn)飛沫吸附不完全、噪音大、結(jié)構(gòu)設(shè)計不符合人機工程學(xué)影響醫(yī)生手術(shù)和患者感受等問題，開展研究。
二、研究內(nèi)容
為解決上述關(guān)鍵科學(xué)問題，本課題組以某口腔診室為研究對象，采用PIV實驗結(jié)合CFD數(shù)值模擬方法對超聲潔牙手術(shù)中噴濺的飛沫流動進行研究。初步揭示了超聲潔牙過程中不同操作模式下所引發(fā)的飛沫流動特性，所獲得結(jié)果對研究其它類型的牙科手術(shù)引發(fā)的飛沫流動同樣具有借鑒意義，相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表在國際知名期刊《Physics of Fluids》上。
三、研究結(jié)果
本研究以某口腔診室為研究對象，采用實驗和數(shù)值模擬方法對超聲潔牙手術(shù)中噴濺的飛沫流動進行研究。研究了超聲潔牙過程中不同操作模式下所引發(fā)的飛沫空間流動特性異同，結(jié)果表明超聲波潔牙機引發(fā)的大飛沫（粒徑＞100μm）傳播的危險范圍可至患者周圍2.5m處，飛沫可噴濺可至到患者口腔上方1.5m，診室受污染空間達17.5m3。飛沫噴濺后在患者口腔0.75m內(nèi)飛沫較集中，小飛沫顆粒（粒徑1-100μm）的飛濺高度可至診室天花板，在空氣中停留時間長污染范圍可擴大至整個診室。飛沫噴濺后到離開患者口腔正前方0.75m處，這一距離內(nèi)飛沫濃度較為集中。考慮到吸附裝置不能影響醫(yī)生在手術(shù)中的操作，建議吸附口可以設(shè)置在患者口腔正前方0.25-0.75m的區(qū)域內(nèi)。隨著超聲波潔牙機的功率和初始擴散角度的增加，飛沫顆粒造成的的污染區(qū)域也會隨著增加，表明潔牙機不同的操作模式對飛沫的空間流動特性有較大的影響。
圖 1. (a) 實驗場景示意圖，包括粒子測速設(shè)備、人體模型和超聲波潔牙機；(b) 口腔牙齒分區(qū)示意圖，其中口腔內(nèi)的牙齒被分為六個主要區(qū)域；(c) 單顆牙齒分區(qū)示意圖，其中每顆牙齒被分為三個表面。(c) 單顆牙齒的分區(qū)圖，其中每顆牙齒分為三個表面、腭面、頰面和咬合面；
圖 2 (a) 液滴流動；(b) 液滴流動軌跡圖；(c) 液滴流場計算；
圖 3. 案例 7-9 分別模擬了在大初始噴射角下使用低、中、高功率引發(fā)的液滴流動。(a)-(c) 液滴顆粒在空氣中的停留時間；(d)-(f) 不同粒徑的液滴顆粒在空氣中的停留時間；(d)-(f) 不同粒徑液滴顆粒的速度分布；(g)-(i) 液滴顆粒的粒徑分布；
圖 4. 案例 7-9 分別模擬了在大初始噴射角下使用低、中、高功率引發(fā)的液滴流動。(a) 液滴的初始噴射速度為 2 米/秒、液滴的初始噴射角為 90；（b）液滴的初始噴射速度為 5m/s，液滴的初始噴射角為 90；以及（c）液滴的初始噴射速度為 8m/s，液滴的初始噴射角為 90。液滴的初始噴射角為 90；
圖 15. 超聲波除垢儀的三種工作條件和三種初始擴散角的不同組合對手術(shù)過程中大液滴顆粒的空間流動特性的影響粒子的空間流動特性的影響。(a) 飛濺距離的變化 (b) 污染空間的變化 (c) 飛濺沉積面積的變化 (d) 飛濺高度的變化。
四、創(chuàng)新點與意義
目前針對口腔診療中由動力機械引發(fā)的飛沫流動研究還不足，不能為針對口腔診療的飛沫吸附消殺設(shè)備的研制提供有力的數(shù)據(jù)支撐。相比于現(xiàn)有的研究，本研究具有以下的創(chuàng)新：(1)本研究分析了超聲潔牙機不同操作模式對飛沫流動特性的影響。(2)本研究探究了對人體口腔模型內(nèi)不同牙齒區(qū)域進行治療時引發(fā)的飛沫流動特性。(3)牙科手術(shù)中引發(fā)的大飛沫顆粒(粒徑＞100μm)產(chǎn)生后會快速沉降，是給周圍醫(yī)護人員造成巨大感染風(fēng)險的重要因素之一，但是現(xiàn)有的研究忽略了這個粒徑范圍的飛沫顆粒。本研究對大顆粒飛沫(粒徑＞100μm)的空間流動特性也進行了分析。因此相關(guān)研究結(jié)果將為口腔診療微生物吸附與消殺裝備研制和針對牙科診室的新型防控意見的制定提供較強的指導(dǎo)意義。
五、作者介紹
| 第一作者： 張帆，碩士研究生，貴州大學(xué)機械工程專業(yè)。研究方向：流體動力學(xué)，醫(yī)工結(jié)合。 通訊作者： 趙津，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任貴州大學(xué)機械工程學(xué)院院長、貴州省省管專家、貴州省優(yōu)秀教師、貴州省普通高?！敖饚煛保F州省百層次人才等。主要研究領(lǐng)域:智能汽車、新能源汽車、無人裝備、機械系統(tǒng)動力學(xué)與控制。主持多項國家自然科學(xué)基金、貴州省重大科技專項等項目。獲省教學(xué)成果一等獎、省級科技進步二等獎、中國機械行業(yè)科技進步三等獎等。 |
| 楊威，教授、主任醫(yī)師，現(xiàn)任貴州大學(xué)醫(yī)學(xué)院副院長。長期從事口腔頜面外科工作，研究領(lǐng)域：口腔醫(yī)學(xué)新材料及新技術(shù)。 |
| 余曉燕，主任醫(yī)師，從事口腔內(nèi)科臨床、教學(xué)、科研工作。近5年來主持、參與及合作科研項目5項、發(fā)表論文6篇、主編專著1部、主持新技術(shù)新項目2項。 |
