口腔衛生器具電動牙刷清潔能力評價方法研究

李岳洪 胡恒瑩 黃凱杰

（威凱檢測技術有限公司 廣州 510663）

引言

隨著消費升級步伐的加快，越來越多的消費者追求更高的生活質量，其中對個人口腔衛生健康護理的關注度直線上升。電動牙刷作為個人護理類主要產品之一，受到廣大消費者的青睞。近年來我國居民對口腔保護意識逐漸增強，口腔衛生健康的關注度也越來也高，口腔護理需求日益增長。然而市面上產品的性能參差不齊，對于電動牙刷的清潔效果如何，國內外也是缺少相應的直接考核指標和標準檢測方法。

因此，很有必要針對電動牙刷振動清潔性能測試的檢測與評價方法開展研究工作。為避免臨床醫學上電動牙刷清潔美白和清除牙菌斑效果測試的復雜性和對活體實驗的依賴性，本文基于一套用于模擬電動牙刷使用時刷牙運行的裝置，采用相關軟件算法從電動牙刷的刷頭、振動、刷毛等物理因素綜合評價其清潔效果[1]。

1 電動牙刷產品主要分類

電動牙刷是一種利用電能驅動牙刷毛自動往復、旋轉或振動運動來清潔口腔牙齒的牙刷。按照是否可充電，電動牙刷分為充電式電動牙刷和干電池式電動牙刷，目前市場上主要以充電式電動牙刷為主。按照牙刷運動方式，電動牙刷分為旋轉式電動牙刷、往復式電動牙刷，其中往復式電動牙刷又可以分為線性往復式電動牙刷和旋轉往復式電動牙刷等，如表1所示。

表1 牙刷運動方式

如圖1所示，以可充電式電動牙刷為例，其內部結構組成主要分為電機、電池、電池盒、按鍵開關、線路板、發光二極管、感應線圈等關鍵零部件構成，作為電機電源的電池一般與電機一起安裝在電池盒中，電池盒上有控制電機電源通斷的按鍵開關，電機轉軸伸出電池盒外，牙刷頭及金屬護板套裝在電機轉軸上，另外在牙刷頭及金屬護板外配有一套筒。電動牙刷配以各種不同的牙刷頭可適用于各種使用者。

圖1 電動牙刷內部結構組成

2 電動牙刷清潔能力評價方法

2.1 測試評價依據和方法

由于電動牙刷使用時易受外界不可控因素的影響，為保證外界測試條件的一致性，本文基于Q/CVC 0033-2019 《電動牙刷》標準[6]，研究一種電動牙刷的清潔效率測量方法，包括測試前用的負載牙齒模板、測試中的清潔模擬測試裝置和測試后的清潔效果評價工具等。其中負載牙齒模板主要用于清潔測試前的污物的配制、處理；清潔模擬測試裝置用于測試中的清潔試驗操作，包括對電動牙刷受到的手握夾持力、刷頭刷毛在清潔表面產生的作用力、運行速度和軌跡等參數調控；利用圖像處理軟件和分析計算軟件工具用于測試后的清潔效果評價。通過觀察電動牙刷在一定時間（體現在對循環次數的控制上）和作用力（對牙刷的握持力和刷毛對牙齒模型板的作用力）條件下，去除牙齒模型板表面覆蓋的污染物的能力，評價電動牙刷的清潔能力。

2.2 測試評價測試用負載

測試前用的負載牙齒模板采用具有一定表面粗糙度的不銹鋼材質制成，利用一定比例的水性涂料和彩色顏料，配制成實驗用的彩色水性涂料，通過噴槍在牙齒模板形成一定厚度的均勻連續的涂膜，然后馬上在 60 ℃的烘箱中進行烘干，一定時間后取出，即可以完成牙齒模板的準備。然后使用像素千萬以上的掃描儀或攝像機在30 W白熾燈光照條件下進行拍攝，形成清潔試驗前的圖像A1。如圖2所示。

圖2 測試用負載牙齒模板

2.3 電動牙刷清潔模擬測試裝置

本文設計的模擬電動牙刷使用時刷牙運行的測試裝置主要由電控箱、電機傳動裝置、水槽、負載牙齒模板、含壓力傳感器的牙刷夾具、定滑輪組及砝碼等組成，如圖3所示。其中電控箱作為整個裝置的核心控制單元，主要由電源模塊、主控機、電機驅動模塊、觸控屏、電源開關等組成。電源模塊用于主控機、電機驅動模塊、觸控屏以及微型壓力傳感器等的供電，主控機通過電機驅動模塊控制步進電機的運行，觸控屏與主控機相連，用于人機交互操作，觸控屏參數界面設有“力度值”“速度設定”“行程設定”“循環次數”“當前運行次數”“當前位置”等控制參數，其中速度、行程、循環次數可根據測試需求手動設置，觸控屏運行控制界面設有“左移”“右移”“啟動測試”“停止測試”“清零”“回原”“復位”“設備狀態”以及“報警列表”信息顯示等功能。

圖3 清潔模擬測試裝置

將被試的電動牙刷和牙齒模板按圖4所示安裝，電動牙刷刷頭的起始位置和終點位置如圖4所示。通過調節牙刷柄的夾緊力和砝碼，使得刷頭作用到牙齒模板上產生一定的壓力，試驗開始時，刷頭處于圖4的起點位置，電動牙刷以最強工作模式檔位啟動工作，啟動導軌使電動牙刷以一定的速率勻速移動，開始清潔牙齒模板，當刷頭到達圖4的終點位置時，移動停止，然后刷頭向反方向以相同的速率勻速移動，到達起點位置時，移動停止,再向反方向以相同的的速率勻速移動，再次到達終點位置時，移動停止，并且電動牙刷停止工作。對于連續工作時間較短的電動牙刷，如果在移動行程過程中，電動牙刷自動停止工作，則需要立即再次開機。

圖4 電動牙刷刷頭運行初始和結束位置

2.4 清潔效果評價

按照上述的電動牙刷清潔模擬測試裝置和刷牙運行方式，將將清潔試驗后的牙齒模型板放入烘箱中進行烘干后，再使用像素在千萬以上的掃描儀或攝像機同樣在30 W白熾燈光照條件下進行拍攝，形成清潔試驗后的牙齒模型板的圖像A2。

使用圖像處理軟件（如Photoshop、MATLAB軟件）并設定一定的顏色容差參數，分析清潔試驗前、后的牙齒模板圖像A1和A2，再通過軟件計算圖像A1和A2的RGB像素面積S1和S2，分別對應清潔試驗前涂漆面積和清潔試驗后涂漆面積，通過對比差異實現清潔效果的評價。即通過下式（1）計算電動牙刷的清潔效果（清潔效率）：

式中：

η—清潔效率，%；

S1—清潔前的牙齒模板圖像RGB像素；

S2—清潔后的牙齒模板圖像RGB像素。

3 測試與評價結果分析

3.1 測試與評價試驗流程

基于電動牙刷清潔模擬運行裝置的清潔能力測試與評價方法基本流程，如圖5所示。

圖5 清潔能力測試與評價基本流程

3.2 測試結果與數據分析

3.2.1 方法可實現性驗證

為驗證本文方法具有可操作性，從市場上選取一款電動牙刷進行試驗。如表2所示，為某款電動牙刷清潔試驗前和試驗后用負載牙齒模板照片比對圖。由表2對比圖可以看出，該款電動牙刷通過3組獨立試驗后，負載牙齒模板上的水性涂料污物大部分都被清潔干凈，但對于縫隙和邊角之間的污物比較難清潔，這表明了比較符合人體口腔牙齒縫隙間難以清潔的實際情況。

表2 電動牙刷清潔前和試驗后用負載牙齒模板照片對比

使用圖像處理軟件并設定一定的顏色容差后的清潔試驗前、清潔試驗后標準污染牙齒模板 RGB像素直方圖比對圖。如圖6所示，由圖可知，清潔前的牙齒模板的像素值由552 958降低到了99 839。

圖6 清潔前和清潔后的標準污染牙齒模板 RGB像素直方圖

表3給出了該款電動牙刷3次獨立重復試驗后的清潔效率值分別為81.9 %、84.4 %和83.5 %，其平均值為83.3 %。

表3 20款吸油煙機測試結果匯總表

3.2.2 方法可重復性驗證

標準檢測方法的可重復性是指在相同測量條件下，測試方法對重復使用測試提供非常相近數值的能力。通過式（2）計算實驗數據標準偏差來體現，用s(x)表示。

式中：

n—獨立重復實驗次數，j=1，2，…，n；

xj—第j次試驗的數據結果；

x—n次實驗數據的平均值。

本文選擇其中一款電動牙刷樣機在一定時間內，采用相同的測量條件下獨立重復測量9次，測得9組數據如表4所示。由表4的測試數據，求得清潔效率的平均值為84.6 %，其對應的標準偏差為0.017 4，方法相對較穩定。

表4 清潔效率測試結果

3.3.3 方法適用性分析

結合目前電動牙刷品牌及機型市場占有和分布情況，本次試驗共選取15款樣機， 基于本文方法進行摸底測試，每臺樣機獨立測試三次，求取平均值。測試數據結果如表4所示。

圖7給出了本次試驗的15款樣機的不同清潔效率對比圖。

從表5測試結果和圖7結果對比圖可以看出，本次選取的15款樣機中，清潔效率最差為42.5 %，最好的達到了90.4 %，總體平均水平為67.1 %，這說明不同電動牙刷清潔能力具有較大的差異。此外，超過50 %的有12款，大部分集中在60～80 %之間。如果要進一步改善清潔性能，需要從電動牙刷本身屬性如刷頭結構、振動強度、刷毛類型和物理強度等綜合因素優化。

表5 15款電動牙刷清潔效率測試結果匯總表

4 結論

本文提供了一種量化的電動牙刷清潔能力評價方法，通過模擬牙刷運行的裝置實現了電動牙刷清潔過程的自動控制，觀察電動牙刷在一定時間和作用力條件下，評價去除牙齒模型板表面覆蓋的污染物的能力，操作方便，人為干預少，有利于更加合理地開展電動牙刷本身屬性如刷頭、振動、刷毛等綜合因素的清潔效果研究。

本文方法不僅避免了人為手動使用電動牙刷進行清潔試驗過程中帶來的不可控因素的干擾，如手握夾持力、刷頭刷毛在清潔表面產生的作用力、運行速度和軌跡等等，也避免了臨床醫學上電動牙刷清潔美白和清除牙菌斑效果測試的復雜性和對活體實驗的依賴性。同時也為開展個人口腔衛生健康護理產品的清潔能力評價提供了思路。