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(jī)構(gòu)之一，牙科診療過程中使用超聲波潔牙機(jī)因噴濺可產(chǎn)生大量飛沫，進(jìn)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(huì)以飛沫作為載體在空氣中進(jìn)行傳播。貴州大學(xué)機(jī)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(duì)現(xiàn)階段潔牙手術(shù)過程中引發(fā)的飛沫流動(dòng)機(jī)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(jì)不符合人機(jī)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(duì)象，采用PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)合CFD數(shù)值模擬方法對(duì)超聲潔牙手術(shù)中噴濺的飛沫流動(dòng)進(jìn)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(dòng)特性，所獲得結(jié)果對(duì)研究其它類型的牙科手術(shù)引發(fā)的飛沫流動(dòng)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(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)超聲潔牙手術(shù)中噴濺的飛沫流動(dòng)進(jìn)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(dòng)特性異同，結(jié)果表明超聲波潔牙機(jī)引發(fā)的大飛沫（粒徑＞100μm）傳播的危險(xiǎn)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(dá)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(shí)間長污染范圍可擴(kuò)大至整個(gè)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?？紤]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(jī)的功率和初始擴(kuò)散角度的增加，飛沫顆粒造成的的污染區(qū)域也會(huì)隨著增加，表明潔牙機(jī)不同的操作模式對(duì)飛沫的空間流動(dòng)特性有較大的影響。
圖 1. (a) 實(shí)驗(yàn)場景示意圖，包括粒子測(cè)速設(shè)備、人體模型和超聲波潔牙機(jī)；(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(gè)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(gè)表面。(c) 單顆牙齒的分區(qū)圖，其中每顆牙齒分為三個(gè)表面、腭面、頰面和咬合面；
圖 2 (a) 液滴流動(dòng)；(b) 液滴流動(dòng)軌跡圖；(c) 液滴流場計(jì)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(dòng)。(a)-(c) 液滴顆粒在空氣中的停留時(shí)間；(d)-(f) 不同粒徑的液滴顆粒在空氣中的停留時(shí)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(dòng)。(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(kuò)散角的不同組合對(duì)手術(shù)過程中大液滴顆粒的空間流動(dòng)特性的影響粒子的空間流動(dòng)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(diǎn)與意義
目前針對(duì)口腔診療中由動(dòng)力機(jī)械引發(fā)的飛沫流動(dòng)研究還不足，不能為針對(duì)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(jī)不同操作模式對(duì)飛沫流動(dòng)特性的影響。(2)本研究探究了對(duì)人體口腔模型內(nèi)不同牙齒區(qū)域進(jìn)行治療時(shí)引發(fā)的飛沫流動(dòng)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(huì)快速沉降，是給周圍醫(yī)護(hù)人員造成巨大感染風(fēng)險(xiǎn)的重要因素之一，但是現(xiàn)有的研究忽略了這個(gè)粒徑范圍的飛沫顆粒。本研究對(duì)大顆粒飛沫(粒徑＞100μm)的空間流動(dòng)特性也進(jìn)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(duì)牙科診室的新型防控意見的制定提供較強(qiáng)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(jī)械工程專業(yè)。研究方向：流體動(dòng)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(jī)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?，貴州省百層次人才等。主要研究領(lǐng)域:智能汽車、新能源汽車、無人裝備、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制。主持多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金、貴州省重大科技專項(xiàng)等項(xiàng)目。獲省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)、省級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國機(jī)械行業(yè)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)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(xiàng)目5項(xiàng)、發(fā)表論文6篇、主編專著1部、主持新技術(shù)新項(xiàng)目2項(xiàng)。 |
