超聲波刮治機所引發氣溶膠的時空分布特性

邢超杰 ，艾正濤 ?，沈煉 ，韓艷

（1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082；2.湖南大學 國家建筑安全與環境國際聯合研究中心（湖南大學），湖南 長沙 410082；3.長沙大學 土木工程學院，湖南 長沙 410003；4.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114）

噴砂潔牙機和超聲波刮治機是牙周科引發顆粒物噴濺的主要診療設備.超聲波刮治機利用超聲波振動的原理松動牙齒表面的牙垢和牙結石等.牙齒表面殘存的茶垢、煙垢無法使用超聲波刮治機去除，只能使用噴砂潔牙機清理.噴砂的原理是利用含有碳酸氫鈉的粉末和水的高壓混合物進一步清洗牙齒.有證據表明，診療過程中使用診療設備所引發的噴濺物中可能含有大量細菌［1］、病毒［2］，尤其是造成呼吸道傳染病在人際傳播的病原體.新冠病毒在有癥狀［3-4］和無癥狀［5-6］患者口腔唾液中大量存在，而且在體外實驗條件下存活時間超過3 h［7］，即使少量病毒進入健康患者的呼吸道，也極可能造成感染［8-9］，對醫護人員健康影響極大［10］.

醫學和工程防護措施在保護就診環境中人員健康方面發揮了重要作用.醫學措施中，診療前使用氯己定（0.12%～0.20%）等漱口液漱口可降低60%以上的細菌數量［11-12］，診療過程中使用強吸設備可減少90%以上的氣溶膠［13］，同時使用兩種措施可有效降低診室中的細菌污染，但仍高于限定值500 CFU/m3［14］.擴大前后兩個患者的就診間隔有利于診室內可能含有病毒的顆粒物沉降到安全水平，但目前就診間隔的設置仍缺乏統一性，原因是換氣次數設置的不同對所需間隔時間影響較大.當室內每小時換氣次數提高到6.5 次時，沉降時間降為30～40 min［15］，使用醫療機械通風系統時，沉降時間少于10 min［16］.新冠疫情后，改進型的工程措施陸續出現，比如改進型空氣消毒機等［17-18］，但目前普遍認為沒有一種措施能夠完全控制噴濺污染，研發新的防控措施仍然十分必要.在提出新的防控措施之前，需要明確噴濺物在診室環境中的分布特性.

熒光素標記法是研究噴濺在患者口腔周圍分布特性最常用的手段之一.根據噴濺物在紙片或培養皿上的附著程度判斷污染范圍和污染水平［19］，但紙片和培養皿無法收集空氣中懸浮的氣溶膠，氣溶膠反而對診室內人員的健康影響最大［20］.過去對氣溶膠的研究中，六級生物采樣器［21］、粒子圖像測試系統［22］和空氣粒子分級器［23］是常用的三種設備，研究主要集中于診室內少數采樣點，缺乏氣溶膠隨時空分布的研究.不同診療設備所引發的氣溶膠在診室內的分布明顯不同，差異性對比的缺失不利于提出針對性的防控措施.

本研究的目的是揭示使用超聲波刮治機所引發（以下簡稱刮治所引發）的氣溶膠隨時空的分布特性，并與噴砂潔牙機對比.本研究以潔牙手術過程中使用的超聲波刮治機為研究對象，在長沙市口腔醫院牙周科現場監測患者口腔周圍的氣溶膠.研究結果可增加對診療過程中使用診療設備所引發的氣溶膠的認識，而揭示不同設備所引發的氣溶膠分布異同也可為新型防控措施的研發提供基礎.

1 測試方法

1.1 測試地點與對象

本文針對湖南省長沙市口腔醫院牙周科真實的口腔診療過程進行測試，測試時間為2021 年1 月24日至1 月31 日.測試包含63 位患者的潔牙過程.醫護人員每天的工作時間為8：00—12：00，14：30—17：30，診室內空氣和表面消毒的時間為12：10—14：10和17：30—19：30，即非工作時間.如圖1 所示，在工作期間，患者出入口的門完全打開，診療區的窗戶略微打開，即工作期間利用自然通風，機械通風系統未使用.以上均為口腔診室的常態，并未因為實驗而特殊設置.

如圖1 所示，牙周科診室的尺寸為18.0 m×12.0 m，包含12 個半獨立區域，每個區域均有1 臺牙科椅，區域尺寸為4.8 m×3.0 m.牙周科主要的診療項目包括潔牙、牙周基礎診療和各類牙周手術，其中潔牙包括齦上和齦下診療兩部分.齦上診療時，超聲波刮治機主要被用于去除牙齒表面的結石.刮治所引發的顆粒物（牙結石、血液、唾液等）中，一部分被強吸設備從患者口腔吸出，其余部分從患者口腔噴濺到空氣中.

圖1 牙周科診室診療單元平面分布Fig.1 Distribution of the dental treatment units in the periodontal department

1.2 測試條件及過程

測試過程中，僅有一名醫護人員為患者潔牙，見圖2（a）.潔牙過程中，強吸設備被用于去除口腔內遺留的顆粒物，其管內徑為6 mm.研究表明，粒徑小于10 μm 的氣溶膠可能進入人體肺部的細支氣管和肺泡［24］，對人體健康造成極大危害.為揭示這一粒徑范圍的氣溶膠隨時空的分布特性，本研究選用手持式3016 IAQ 微粒計數器，如圖2（b）所示.該儀器的詳細信息見表 1.該儀器可測量粒徑為0.3～10.0 μm 的氣溶膠，輸出的參數包括PM1.0、PM2.5、PM5.0 和PM10.0 的濃度和數量.PM1.0、PM2.5、PM5.0 和PM10.0 分別定義為空氣動力學直徑在0.3～0.99 μm、0.3～2.49 μm、0.3～4.99 μm 和0.3～9.99 μm 范圍內的氣溶膠.為了研究患者口腔周圍的氣溶膠隨時空的分布特性，圍繞患者口腔設置了幾十個采樣點（見圖3）.采樣點分布在3 個不同的高度，分別是患者的口腔高度（0.8 m）、醫務人員坐姿下的口腔高度（1.1 m）以及介于兩者之間的高度（0.9 m），如圖3所示.1.1 m高采樣點是針對醫護人員呼吸區的測試，醫護人員口鼻距地板大約1.1 m，距患者口腔水平距離大約0.2 m.醫護人員在診療過程中環繞病人口腔移動，移動的主要區域在45°線和270°線之間.

圖2 現場測試照片Fig.2 Photos of the one-site measurement

圖3 采樣點分布Fig.3 Distribution of sampling points

表1 手持式3016 IAQ 微粒計數器參數Tab.1 Parameters of handheld 3016 IAQ particle counter

根據預實驗結果，一個完整的潔牙手術過程中刮治所引發的氣溶膠濃度變化較小，因此，超聲波刮治過程（以下簡稱刮治過程）中每個采樣點的采樣時間設為5 min.背景濃度的采樣位置位于5 號就診區域的中心，距地板0.9 m 處.背景濃度的測量是在早上第一個患者進入診室前進行的.2021 年1 月24 日至27 日的平均背景濃度見表2.從表2 可看出，氣溶膠濃度高于室內空氣標準中規定的限值（150 μg/m3）［25］.由于醫院的嚴格規定，在患者入診室前10 min，實驗測試人員才被允許進入診室.因此，背景濃度是在這樣非常有限的時間內測量的.在開始測量背景濃度前，儀器安裝和實驗人員活動所釋放的氣溶膠沒有足夠的時間完全稀釋.這是背景濃度相對較高的原因之一，也是本研究的局限性.因此，此背景濃度僅可做參考，并不能代表實測期間真實的背景值，并且口腔診療期間醫護人員的開窗行為（不受實驗干預）使得室外氣象條件（尤其是風速）也影響了診室內氣溶膠的背景濃度.

表2 2021年1月24日至27日測試期間牙周科診室背景氣溶膠濃度Tab.2 Background aerosol concentrations in the periodontal department during the test period from Jan 24 to 27，2021 μg/m3

2 結果分析

為說明氣象條件，室內外的溫度、濕度以及室內的CO2體積分數分布如圖4 所示.測試期間，室內外溫度的變化區間分別為14～25 ℃、5～20 ℃，室內外相對濕度分別為30%～60%、50%～95%.工作期間的CO2體積分數在（400～800）×10-6范圍內變化，而在休息期間，即12：00—14：30，CO2體積分數降低到400×10-6附近，表明診室內自然通風狀況良好.

圖4 測試期間3天典型的空氣溫度、相對濕度和CO2體積分數分布Fig.4 Air temperature，relative humidity and CO2 during the measurements made on three typical days

2.1 氣溶膠沿高度方向的分布

為了評價氣溶膠沿高度方向的衰減特性，距地板0.8 m、0.9 m、1.1 m 且距患者口腔水平距離0.2 m處的氣溶膠質量濃度分布如圖5所示.首先，0.8 m 和0.9 m 高處的氣溶膠濃度整體相近，略高于1.1 m 高處的濃度；第二，0.8 m 高處的氣溶膠濃度環繞患者口腔分布均勻，隨著粒徑的增加，氣溶膠濃度均值中的最大值出現在患者口腔左前方，以PM10.0 為例，濃度均值中的最大值為282.6 μg/m3；第三，0.9 m 高處的氣溶膠主要分布在醫護人員活動區域的一側（45°）及對面區域（135°、180°等）.PM10.0 濃度均值中的最大值出現在135°方向，為327.7 μg/m3.總之，刮治過程中引發的氣溶膠主要分布在患者口腔附近，對醫護人員呼吸區濃度的影響較小.

圖5 不同粒徑的氣溶膠在距口腔水平距離0.2 m且距地板0.8 m，0.9 m和1.1 m的質量濃度均值分布Fig.5 Mass concentrations distribution of aerosols with different particle sizes at the heights of 0.8 m，0.9 m，and 1.1 m from the floor and 0.2 m from the mouth

圖6選取了刮治過程中近5 min的實測數據進行分析.從圖6 可知，PM1.0 濃度均值隨時間的變化不明顯，隨著粒徑的增加，粒徑越大的氣溶膠濃度均值隨時間的變化越明顯.PM10.0 的峰值為315.2 μg/m3，出現在距地板0.8 m 高處，說明患者口腔高度的氣溶膠濃度值較大.

圖6 距口腔0.2 m，距地板0.8 m，0.9 m和1.1 m的所有采樣點質量濃度均值分布Fig.6 Distribution of mean mass concentrations of all sampling points at the distance of 0.2 m away from the mouth and t the heights of 0.8 m，0.9 m，and 1.1 m

2.2 氣溶膠沿水平方向的分布

圖7表示距地板0.9 m高不同粒徑氣溶膠的質量濃度均值沿水平方向的分布.首先，粒徑越大的氣溶膠環繞患者口腔周圍分布越均勻，但氣溶膠濃度沿水平方向衰減不明顯；第二，在距患者口腔水平距離最遠處（0.8 m），不同方位的PM10.0 濃度均值在300μg/m3附近變化（90°除外），表明環繞患者口腔水平距離的0.8 m 半徑范圍內，醫護人員的暴露風險很高，即使在氣溶膠動量很小的情況下也是如此；第三，距患者口腔0.2 m 處，0°、270°和315°方向（醫護人員活動區域內或邊界處）的氣溶膠濃度均值明顯低于其他采樣區，因此診療過程中醫護人員身體的存在對氣溶膠的影響不可忽略.

圖7 不同粒徑的氣溶膠在距口腔水平距離0.1 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m和0.8 m且距地板0.9 m高處的質量濃度均值分布Fig.7 Distribution of mass concentrations of aerosols with different particle sizes at the distances of 0.1 m，0.2 m，0.4m，0.6 m，and 0.8 m away from the mouth and at the height of 0.9 m from the floor

圖8表示刮治過程中0.9 m高處氣溶膠濃度隨時間的分布.從圖8 可得以下重要結論：第一，在采樣過程中，不同方位處所有粒徑的氣溶膠濃度均值隨時間的變化較小，說明在患者口腔不同部位刮治所引發的氣溶膠濃度分布和擴散整體比較均勻；第二，PM10.0的峰值濃度出現在距口腔0.4 m處，但不超過400 μg/m3；第三，不同粒徑的氣溶膠濃度均值隨時間變化的趨勢相似，再次說明超聲波刮治機所引發的氣溶膠動量較小，沿水平方向擴散不明顯。

圖8 距地板0.9 m且距口腔水平距離0.1 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m 和0.8 m的所有采樣點質量濃度均值分布Fig.8 Distribution of the mean mass concentration of aerosols of all sampling points at the distances of 0.1 m，0.2 m，0.4 m，0.6 m，and 1.0 m away from the mouth andat the height of 0.9 m from the floor and 0.8 m away from the mouth and at the height of 0.9 m from the floor

2.3 超聲波刮治機與噴砂潔牙機對比

2.3.1 平均質量濃度

在潔牙手術過程中，醫護人員常接連使用超聲波刮治機和噴砂潔牙機，使用二者設備所引發氣溶膠噴濺特性（有關噴砂潔牙機的詳細研究可參考文獻［26］）的不同點主要有以下幾個方面.

空間方面，第一，對于粒徑在2.5～10.0 μm 之間的氣溶膠濃度，噴砂過程明顯大于刮治過程.對比不同方位處PM10.0 濃度的均值可知，噴砂過程中的峰值相比刮治過程高兩個數量級；第二，使用噴砂潔牙機對醫護人員呼吸區（1.1 m 高）高度處的濃度影響較大，而使用超聲波刮治機對其影響較小.以PM10.0 為例，噴砂過程中的濃度均值大于1 000 μg/m3，而刮治過程中的濃度均值約為400 μg/m3；第三，距患者口腔水平距離0.1 m 且距地板0.9 m 高處，噴砂過程中氣溶膠（粒徑＜0.5 μm）在不同方位的分布比較均勻，隨著粒徑的增加，0°（患者頭頂方向）、180°（患者正前方）和270°（醫護人員移動區域的一側）的濃度均值逐漸遠超其他方位.然而，刮治過程中粒徑小于10 μm 的所有氣溶膠在不同方位的濃度整體相近；第四，隨著采樣點水平距離的增加，噴砂過程中的氣溶膠濃度從0.1 m 到0.3 m 和0.6 m 到1.0 m 出現了明顯的衰減，但刮治過程中氣溶膠濃度沿水平方向的衰減不明顯.

時間方面，診療設備使用過程中，噴砂所引發的氣溶膠濃度隨時間變化明顯，粒徑越大，濃度變化越明顯.而刮治所引發的氣溶膠濃度隨時間的變化相對較小.以PM10.0 為例，濃度波峰均出現在距地板0.8 m 高，但與刮治過程相比，噴砂過程中的峰值（＞1 000 μg/m3）提高了兩個數量級.

2.3.2 平均數量

圖9 表示診療設備所引發氣溶膠的平均數量隨空間的分布.第一，背景中以粒徑在0.3～1.0 μm 范圍內的氣溶膠為主，噴砂過程中此粒徑范圍的氣溶膠在不同方位處有很大的差異，而在刮治過程中整體相近，說明了使用不同診療設備所引發氣溶膠的散射特性不同.第二，噴砂過程中粒徑在1.0～10.0 μm之間的氣溶膠平均數量沿高度方向分布（0.8 m和1.1

圖9 口腔診療過程中使用診療設備所引發的氣溶膠數量均值分布Fig.9 The distribution of the average number of different sizes of aerosols during the use of dental instruments

m）相近，并且明顯高于背景值，沿水平方向，從距患者口腔0.1～0.3 m 和0.6～1.0 m 的平均數量出現了明顯衰減.第三，刮治過程中粒徑在1.0～10.0 μm 之間的氣溶膠平均數量沿高度和水平方向均無明顯變化，驗證了上述刮治過程中粒徑小于1.0 μm 的氣溶膠是主要成分的結論.

3 討論

本文實測過程中的一些邊界條件很難控制，比如，診療過程中醫護人員的操作習慣、身體的移動和阻擋，以及其他人員在診療區的走動等都會影響實驗結果.為了減少上述因素對結果的影響，在對均值進行分析的基礎上，還對濃度隨時間的變化特性進行了分析，發現不同采樣點位置的濃度均值隨時間的變化特性相似，進而證明了上述分析的可靠性.

此前，刮治所引發的氣溶膠隨空間的分布特性已有相關研究.Veena［20］等人使用口腔模型模擬刮治過程，根據熒光素在紙片上的附著情況判斷顆粒污染范圍和污染水平，發現主要污染區域在圍繞患者口腔0.6 m 半徑的范圍內，最嚴重的污染區域位于患者口腔左側，其次處于患者口腔前方0.3 m，而后在頭頂0.3 m 處.Allison等［15］利用假人口腔模擬超聲波刮治機、高速渦輪機、水汽三用槍使用過程，采用熒光素標記法研究假人口腔周圍的噴濺情況.結果表明，在距假人口腔水平距離最近的采樣區污染強度最大，而且污染沿不同方位分布不均，診療執行者對面區域的污染強度高于其他區域.本測試中的氣溶膠與上述模擬診療過程中使用診療設備所引發的大顆粒物相比，兩個方面存在明顯差異.一方面，超聲波刮治機所引發的氣溶膠沿水平方向衰減不明顯，距口腔水平距離0.1 m 和0.8 m 處不同方位的氣溶膠濃度均值相近，但明顯高于室內空氣質量標準中的限定值（150 μg/m3）；另一方面，超聲波刮治機所引發的氣溶膠沿水平方向不同方位的擴散較均勻.診療過程中多個采樣點的濃度均值高于室內空氣質量標準中的限定值，說明診療過程中使用內徑為6 mm 的強吸設備無法有效控制氣溶膠噴濺，仍需研發新的防控措施進一步降低診室環境中的污染.

4 結論

本文實測了潔牙手術中使用超聲波刮治機所引發的氣溶膠隨時空的分布特性，并與潔牙手術中常用的噴砂潔牙機進行對比，可得以下結論：

1）采樣區內刮治所引發的氣溶膠濃度整體高于室內空氣質量標準中的限定值.以距患者口腔水平距離0.8 m 為例，不同方位的PM10.0 濃度均值接近300 μg/m3（90°方向除外）.沿高度方向，氣溶膠擴散不明顯，主要分布在患者口腔高度附近，對醫護人員呼吸區的高度影響較小.沿水平方向，氣溶膠濃度隨著距離的增加衰減不明顯，粒徑越大的氣溶膠在患者口腔周圍分布越均勻.時間方面，所有采樣點處不同粒徑氣溶膠的濃度均值隨時間的變化均較小.以PM10.0 為例，距地板0.8 m 高的氣溶膠濃度變化在0～150 μg/m3范圍內.

2）氣溶膠粒徑方面，刮治所引發的氣溶膠粒徑一般小于1.0 μm，粒徑大于1.0 μm 但小于10.0 μm的氣溶膠平均數量與噴砂所引發的氣溶膠相比明顯較少，并且刮治所引發的氣溶膠動量與噴砂相比明顯較小.空間分布方面，刮治過程中的氣溶膠濃度或數量遠低于噴砂過程.時間分布方面，噴砂過程中的氣溶膠濃度隨時間的變化范圍遠大于刮治過程.

本文研究結果可為診療過程中使用不同設備所引發的噴濺氣溶膠的去除以及新措施和新方法的研發提供理論依據.