金沙威尼斯欢乐娱人城机械学院赵津教授、医学院杨威教授贵阳市口腔医院余晓燕主任共同组成课题组在口腔超声洁牙手术中喷溅飞沫流动特性研究方面取得进展

一、研究背景

近十年来世界范围内接连遭受到多次新发、再发重大传染病的威胁。牙科诊所是特别容易受到呼吸道传染疾病影响的医疗机构之一，牙科诊疗过程中使用超声波洁牙机因喷溅可产生大量飞沫，进而转化为飞沫核以气溶胶的形式悬浮留存于诊室空气中，如果患者口腔内携带血液传播病毒或呼吸道传播病毒，这些病毒会以飞沫作为载体在空气中进行传播。金沙威尼斯欢乐娱人城机械学院赵津教授、医学院杨威教授和贵阳市口腔医院余晓燕主任组成的联合课题组，针对现阶段洁牙手术过程中引发的飞沫流动机理尚不清楚，造成口腔诊疗飞沫吸附消杀设备的研制尚未完善，出现飞沫吸附不完全、噪音大、结构设计不符合人机工程学影响医生手术和患者感受等问题，开展研究。

二、研究内容

为解决上述关键科学问题，本课题组以某口腔诊室为研究对象，采用PIV实验结合CFD数值模拟方法对超声洁牙手术中喷溅的飞沫流动进行研究。初步揭示了超声洁牙过程中不同操作模式下所引发的飞沫流动特性，所获得结果对研究其它类型的牙科手术引发的飞沫流动同样具有借鉴意义，相关研究结果已发表在国际知名期刊《Physics of Fluids》上。

三、研究结果

本研究以某口腔诊室为研究对象，采用实验和数值模拟方法对超声洁牙手术中喷溅的飞沫流动进行研究。研究了超声洁牙过程中不同操作模式下所引发的飞沫空间流动特性异同，结果表明超声波洁牙机引发的大飞沫（粒径＞100μm）传播的危险范围可至患者周围2.5m处，飞沫可喷溅可至到患者口腔上方1.5m，诊室受污染空间达17.5m³。飞沫喷溅后在患者口腔0.75m内飞沫较集中，小飞沫颗粒（粒径1-100μm）的飞溅高度可至诊室天花板，在空气中停留时间长污染范围可扩大至整个诊室。飞沫喷溅后到离开患者口腔正前方0.75m处，这一距离内飞沫浓度较为集中。考虑到吸附装置不能影响医生在手术中的操作，建议吸附口可以设置在患者口腔正前方0.25-0.75m的区域内。随着超声波洁牙机的功率和初始扩散角度的增加，飞沫颗粒造成的的污染区域也会随着增加，表明洁牙机不同的操作模式对飞沫的空间流动特性有较大的影响。

图 1. (a) 实验场景示意图，包括粒子测速设备、人体模型和超声波洁牙机；(b) 口腔牙齿分区示意图，其中口腔内的牙齿被分为六个主要区域；(c) 单颗牙齿分区示意图，其中每颗牙齿被分为三个表面。(c) 单颗牙齿的分区图，其中每颗牙齿分为三个表面、腭面、颊面和咬合面；

图 2 (a) 液滴流动；(b) 液滴流动轨迹图；(c) 液滴流场计算；

图 3. 案例 7-9 分别模拟了在大初始喷射角下使用低、中、高功率引发的液滴流动。(a)-(c) 液滴颗粒在空气中的停留时间；(d)-(f) 不同粒径的液滴颗粒在空气中的停留时间；(d)-(f) 不同粒径液滴颗粒的速度分布；(g)-(i) 液滴颗粒的粒径分布；

图 4. 案例 7-9 分别模拟了在大初始喷射角下使用低、中、高功率引发的液滴流动。(a) 液滴的初始喷射速度为 2 米/秒、液滴的初始喷射角为 90；（b）液滴的初始喷射速度为 5m/s，液滴的初始喷射角为 90；以及（c）液滴的初始喷射速度为 8m/s，液滴的初始喷射角为 90。液滴的初始喷射角为 90；

图 15. 超声波除垢仪的三种工作条件和三种初始扩散角的不同组合对手术过程中大液滴颗粒的空间流动特性的影响粒子的空间流动特性的影响。(a) 飞溅距离的变化 (b) 污染空间的变化 (c) 飞溅沉积面积的变化 (d) 飞溅高度的变化。

四、创新点与意义

目前针对口腔诊疗中由动力机械引发的飞沫流动研究还不足，不能为针对口腔诊疗的飞沫吸附消杀设备的研制提供有力的数据支撑。相比于现有的研究，本研究具有以下的创新：(1)本研究分析了超声洁牙机不同操作模式对飞沫流动特性的影响。(2)本研究探究了对人体口腔模型内不同牙齿区域进行治疗时引发的飞沫流动特性。(3)牙科手术中引发的大飞沫颗粒(粒径＞100μm)产生后会快速沉降，是给周围医护人员造成巨大感染风险的重要因素之一，但是现有的研究忽略了这个粒径范围的飞沫颗粒。本研究对大颗粒飞沫(粒径＞100μm)的空间流动特性也进行了分析。因此相关研究结果将为口腔诊疗微生物吸附与消杀装备研制和针对牙科诊室的新型防控意见的制定提供较强的指导意义。

五、作者介绍