超聲波潔牙機引發(fā)飛沫流動的可視化研究

張帆, 趙津*, 楊威, 舒海銀, 何俊杰, 余曉燕, 朱顯坤

(1. 貴州大學(xué)機械工程學(xué)院, 貴陽 550025; 2. 貴州大學(xué)醫(yī)學(xué)院, 貴陽 550025; 3. 貴陽市口腔醫(yī)院, 貴陽 550002)

近10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,許多研究證明氣溶膠和飛沫對疾病的傳播是一個潛在的途徑[1]。在口腔診療過程中,常用的治療器械超聲潔牙機的使用會產(chǎn)生大量飛沫[2],這些飛沫通常含有有機顆粒物(患者牙體組織和牙石、牙菌斑)、患者血液、唾液及其他鼻、喉分泌物、牙科材料碎片等[3]。當患者口腔內(nèi)隱藏、攜帶血液傳播病毒或呼吸道傳播病毒時,如結(jié)核桿菌病毒等[4],其產(chǎn)生的飛沫可構(gòu)成嚴重的潛在危險。其通過通風系統(tǒng)擴散到室內(nèi)環(huán)境引起多人感染肺結(jié)核[5]。在進行口腔潔牙時超聲波高頻振動治療產(chǎn)生的大量飛沫含有細菌、病毒等微生物性粒子,具有潛在傳染性和致敏性[6],但是這一問題常被忽略。

中外學(xué)者對室內(nèi)人體打噴嚏時產(chǎn)生的口腔飛沫進行了廣泛的研究,Harrel等[7]、Bennettd等[8]和De albuquer等[9]針對室內(nèi)空氣生物氣溶膠污染的種類、影響空氣微生物存活和衰亡的環(huán)境因素及普通顆粒物在室內(nèi)的傳播等問題展開了分析研究。魏方等[10]進行了咳嗽飛沫核攜帶病毒在空氣中傳播的人工模擬技術(shù),可用于評估呼吸道傳染病經(jīng)空氣傳播能力的現(xiàn)場試驗研究,研究的重點主要集中在利用數(shù)值模擬的方式對人體咳嗽時產(chǎn)生的口腔飛沫的傳播進行預(yù)測。邢超杰等[11]用粒子計數(shù)器對牙周科診療過程中使用超聲波刮治機所引發(fā)的氣溶膠濃度和數(shù)量隨時空的分布特性進行了現(xiàn)場測試,研究表明了牙科診療中氣溶膠的濃度分布情況。在Xie等[12]和Parienta等[13]的建模研究表明,精確測量口腔中排出的飛沫的速度對于更好地控制感染和阻斷病毒傳播至關(guān)重要。而針對口腔診療中超聲波高頻振動治療產(chǎn)生的飛沫的流動動態(tài)的可視化研究較少,如果可以將飛沫的流動動態(tài)可視化,直接觀察到飛沫的擴散范圍和飛濺高度并測算出飛沫的流動速度,對研制出更有效的飛沫吸附設(shè)備和指導(dǎo)牙科診療環(huán)境中感染控制政策和實踐具有關(guān)鍵性的作用。

在成功使用單一相機和單一光源拍攝到口腔飛沫在空氣中的流動的基礎(chǔ)上,現(xiàn)針對超聲波潔牙治療中的實際情況,使用高速相機記錄人體口腔模型內(nèi)不同區(qū)域的牙齒在接受超聲潔牙治療過程中引發(fā)的飛沫的流動情況,并結(jié)合圖像處理技術(shù)使得飛沫的流動情況可視化,然后使用粒子分析軟件對飛沫的流動速度、流動軌跡、Y軸方向的位移變化、初始擴散角進行分析,為牙科診室中飛沫吸附裝置的研制提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 拍攝主體的選擇

首先對貴州省貴陽市口腔醫(yī)院觀山湖院區(qū)牙周科真實的超聲潔牙過程進行了拍攝實驗,實驗時間為2022年1月11—13日,實驗拍攝到飛沫流動情況如圖1所示。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)高速攝像機記錄下的飛沫流動畫面,難以觀察到其流動軌跡。相比對人體模型的拍攝,拍攝真實患者的治療有以下幾個原因會影響飛沫流動的捕捉。

圖1 潔牙手術(shù)時產(chǎn)生的飛沫Fig.1 Droplets generated during scaling surgery

(1)光照強度及光照時間:一次完整的超聲潔牙治療大約需要30 min,飛沫的飛濺是隨機的,所以需要強光持續(xù)照射預(yù)定拍攝區(qū)域,但這會使得醫(yī)生出現(xiàn)眼花等情況,嚴重干擾了正常治療。長時間的強光照射也會使患者的面部皮膚有灼燒感,只能間斷性打開光源,所以總是錯失拍攝時機。

(2)光源位置:如果光源的位置和高度一直處于固定位置時,會出現(xiàn)光源被醫(yī)生的身體所遮擋的情況。所以需要人工手持光源,視情況調(diào)整光照。但是每一次光源位置的調(diào)整都需要耗費大量的時間重新對被拍攝區(qū)域進行對焦,以至于錯失拍攝時機。

(3)畫面視場:由于治療時光照強度不足,實驗拍攝時使用100 mm定焦的微距鏡頭,可以捕捉到飛沫的流動但是視場較小,無法記錄飛沫的流動軌跡。使用24 mm的廣角鏡頭進行拍攝,可以獲得較大的視場,但由于光源位置的不固定、光源強度受限、醫(yī)生的操作手的位置隨時變化等因素,相機難以捕捉到飛沫的流動。

(4)背景復(fù)雜:由于獲得的畫面視場較小,飛沫運動時的背景較為復(fù)雜,飛沫的粒徑較小且運動較為集中,無法突出飛沫的流動情況,對飛沫的運動分析也將無法進行。

相比于拍攝真實患者的治療過程,以人體模型為拍攝主體可以解決在真實患者拍攝時遇到的問題,所以選用以人體模型為拍攝主體。

1.2 實驗儀器與實驗環(huán)境

1.2.1 超聲波潔牙機

針對牙周診療中超聲潔牙機引發(fā)的飛沫流動動態(tài)進行分析,選用啄木鳥牌USD-E型超聲波潔牙機。超聲波潔牙機是由高頻振蕩電路產(chǎn)生高頻振蕩信號并作用于超聲換能器上,利用逆壓電效應(yīng)(或磁致伸縮效應(yīng))產(chǎn)生超聲振動,工作尖受到激勵產(chǎn)生共振,利用超聲波產(chǎn)生的各種效應(yīng)將牙齒表面的菌斑、結(jié)石或牙周表面的細菌等清除,同時工作尖流出清洗液對工作尖進行冷卻并牙齒表面進行清洗[11]。由主機、手柄、工作尖、腳踏開關(guān)和電源適配器組成,是牙病防治工作的重要設(shè)備。

1.2.2 高速相機

在牙周科診療過程中超聲潔牙儀引發(fā)的飛沫流動速度非常快,因此,實驗使用高速相機來記飛沫的流動。為了保證拍攝到清晰的飛沫流動用于數(shù)據(jù)分析,需要獲取高質(zhì)量的飛沫流動圖像。

相機根據(jù)芯片類型的不同工業(yè)相機可分為CCD相機和CMOS相機。CMOS圖像傳感器具有成本低、功耗低等優(yōu)點,但CCD圖像傳感器在圖像質(zhì)量方面具有更好的性能,與CMOS相比,靈敏度更高[14]。綜合考慮實際需求與后續(xù)的使用需要,選用高速相機(IDT Y4-S2)。

1.2.3 工業(yè)鏡頭

工業(yè)鏡頭是搭配工業(yè)相機實現(xiàn)圖像信息獲取的重要組成硬件,選擇合適的鏡頭,是獲取良好圖像的前提。一般情況下,根據(jù)不同任務(wù)所要求的工作距離與視范圍,能夠選擇合適焦距的鏡頭與之相匹配,鏡頭焦距的計算公式為

(1)

(2)

式中:f為鏡頭的焦距;D為鏡頭的工作距離;v為像元的縱向尺寸;h為像元的橫向尺寸;V為鏡頭的縱向視野;H為鏡頭的橫向視野。

結(jié)合實際拍攝需求最終選擇的工業(yè)鏡頭為尼康24～85 mm變焦鏡頭,這個范圍的焦段更能滿足室內(nèi)環(huán)境的拍攝,固定拍攝距離,變焦鏡頭相對于定焦鏡頭,可以多次調(diào)整焦段以獲得最佳的拍攝視場。

1.2.4 光源

對單一飛沫流動的捕捉,光源的選擇通常需要根據(jù)拍攝視場的具體要求、現(xiàn)場環(huán)境與項目預(yù)算等情況進行綜合考慮。由于飛沫的流動速度快,相機設(shè)定的曝光時間短,因此需要選擇特定類型的光源使得拍攝視場獲得足夠的光照,最終選用高亮度白光120WLED光源。

1.3 高速相機和光源的參數(shù)設(shè)置

實驗拍攝時相機的分辨率為1 016 × 1 016像素,幀率設(shè)置為1 000幀/s、曝光時間為575 μs、單次拍攝時間為3 s,記錄飛沫離開口腔后的高速視頻。但是,在1 000幀/s的理想曝光時間下,如果相機垂直于光源,由于飛沫的米氏散射特性,單個光源的強度不足以捕捉到飛沫的流動[15]。為了克服這個問題,相機被放置在一個與光源照射方向不同的角度。另外,由于飛沫的高速運動,相機以一個固定的角度錄制視頻會導(dǎo)致透視失真。因此實驗拍攝時相機固定在頭模左側(cè),與頭模中軸線成75°,處于光散射和透視失真水平之間的平衡。鏡頭中心離地高度為950 mm,鏡頭中心距離頭模口腔中心點為1 450 mm,經(jīng)過多次試驗此布置為最佳拍攝角度,如圖2所示。為獲得較大的視場范圍,記錄飛沫較完整的流動軌跡,相機搭載尼康24～85 mm,最大光圈為F2.8的變焦鏡頭,拍攝時的鏡頭參數(shù)為:焦段35 mm。由于單一光源的能量有限,為保證充足的進光量來清晰地捕捉到飛沫,所以本文使用了鏡頭的最大光圈F2.8。LED燈固定在頭模左側(cè)方,與頭模中軸線成90°,三腳架中心距離頭模口腔中心點為770 mm,從高往下照射頭模的口腔位置。

圖2 拍攝角度示意圖Fig.2 Diagram of shooting angle

1.4 實驗條件及過程

根據(jù)預(yù)實驗獲得的數(shù)據(jù)顯示,一次完整的超聲潔牙治療中,由于超聲潔牙機引發(fā)且離開口腔的飛沫,其數(shù)量、流動速度、流動位移等均與超聲潔牙儀的工作尖與牙齒的接觸角度、超聲潔牙儀的工作功率、水流量的設(shè)置密切相關(guān)。在同一牙齒上,工作尖與牙齒的接觸角度也相同的條件下,當超聲潔牙機的工作功率及流水量調(diào)至最高時引發(fā)的飛沫數(shù)量最多,飛沫的流動位移也最大。本文研究旨獲取在超聲潔牙治療過程中產(chǎn)生的飛沫的流動軌跡、最大流動速度及最大位移變化等數(shù)據(jù),為相關(guān)醫(yī)用防護設(shè)備的研制提供參考。所以在實驗過程中,醫(yī)生手持超聲潔牙儀對頭模的口腔進行潔牙時超聲潔牙儀的工作功率及流水量調(diào)至最高。實驗將口腔內(nèi)的牙齒分為6個大區(qū),如圖3(a)所示。將其腭側(cè)、頰側(cè)、咬合側(cè)單獨劃分,其中一區(qū)和五區(qū)的咬合面過小所以不針對咬合側(cè),共計16個區(qū)域,如圖3(b)所示。在預(yù)實驗中,經(jīng)過多次的試驗獲得了工作尖與各區(qū)域牙齒接觸時,引發(fā)的飛沫飛濺距離最遠的接觸角度。接通水路,啟動超聲潔牙儀,操作員按照預(yù)實驗中的操作方法對頭模的口腔進行潔牙治療,打開高速攝像機,依次捕捉這16個區(qū)域中的牙齒在接受超聲潔牙治療時產(chǎn)生的飛沫的流動。

圖3 牙齒分區(qū)圖Fig.3 Tooth partition

實驗環(huán)境為標準的牙科獨立診室,室內(nèi)為自然通風,診療區(qū)窗戶微開,診療區(qū)與休息區(qū)相連接的門完全打開,工作期間未使用機械通風,室內(nèi)溫度變化區(qū)間為25～27 ℃,室內(nèi)外相對濕度為40%～60%。

2 飛沫流動圖像預(yù)處理與圖像堆疊

2.1 飛沫流動圖像預(yù)處理

在對飛沫流動的數(shù)據(jù)分析中,能夠準確分割出無序流動的飛沫是研究的關(guān)鍵點之一。高速相機所采集到的圖片,由于光線等環(huán)境因素的干擾,飛沫與背景的對比度不強且飛沫的粒徑比較小,所以采集的原始圖片不能直接地觀察到飛沫的流動情況,如圖4(a)所示。因此,為了較直觀地觀察到不同粒徑的飛沫的流動情況需要對圖像的視覺信息進行圖像預(yù)處理為,目的是為了消除多余信息,增強圖像信息的可檢測性[16],突出飛沫的流動。

圖4 高速相機記錄下的飛沫流動Fig.4 Droplet flow recorded by high-speed camera

2.1.1 圖像灰度化

相機拍攝的圖片一般為 RGB 彩色圖像,用RGB 3個分量,即紅(red, R)、綠(green, G)、藍(blue, B)三原色來表示真彩色,R分量、G分量、B分量的取值范圍均為0～255。由于各種信息過于復(fù)雜,如果直接對彩色圖像進行處理干擾信息太多,誤差較大。圖像灰度化處理可以作為圖像處理的預(yù)處理步驟,為之后的圖像邊緣提取和圖像分析等操作做準備,而灰度圖像是R、G、B3個分量相同的一種特殊的彩色圖像。圖像灰度化處理有以下幾種方式。

(1)分量法。將彩色圖像中的3個分量R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)的亮度作為3個灰度圖像的灰度值,分別為Gray1(i,j)、Gray2(i,j)、Gray3(i,j),其中(i,j)為圖像中像素點的橫縱坐標,可根據(jù)應(yīng)用需要選取一種灰度圖像。

(3)

(2) 最大值法。將彩色圖像中的3個分量R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)的亮度的最大值作為灰度圖的灰度值Graymax(i,j)。

Graymax(i,j)=max{R(i,j),G(i,j),B(i,j)}

(4)

(3) 平均值法。將彩色圖像中的3個分量R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)的亮度求平均得到一個灰度值Graymean(i,j)。

(5)

(4) 加權(quán)平均法。根據(jù)重要性及其他指標,如式(6)將3個分量R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)以不同的權(quán)值進行加權(quán)平均。由于人眼對綠色的敏感最高,對藍色敏感最低,因此,按式(6)對RGB 3個分量R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)進行加權(quán)平均能得到較合理的灰度值Graywa(i,j)[17]。采用加權(quán)平均法并使用cvtColor函數(shù)對圖像進行灰度化,獲取灰度化圖像,灰度圖如圖4(b)所示。

Graywa(i,j)=0.299R(i,j)+0.578G(i,j)+

0.114B(i,j)

(6)

2.1.2 二值化處理

圖像的二值化處理就是將圖像上的點的灰度置為0或255,也就是將整個圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。當把灰度值從0～255進行平均量化時,量化的份數(shù)就被稱為灰度級數(shù)。若灰度級數(shù)為兩級,即將256個亮度等級的灰度圖像通過適當?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像,此時像素的色彩僅表現(xiàn)為最黑或最白。圖像二值化是數(shù)字圖像處理中的重要環(huán)節(jié),經(jīng)典的圖像二值化方法包括全局閾值法、局部閾值法和動態(tài)閾值法等[18]。采用 Threshold函數(shù)對灰度圖像進行全局閾值二值化后,得到二值化圖像。

2.1.3 邊緣檢測

在圖像處理中,圖像中局部灰度值變化較大區(qū)域的像素集合被稱為邊緣,邊緣檢測的目的正是通過標識出該區(qū)域提取邊緣信息。邊緣信息提供了圖像數(shù)據(jù)的合適概括,通過邊緣提取,能夠在保留圖像中可用信息的同時去除大量的冗余信息。在本文中,對圖像進行邊緣檢測是為了得到飛沫擴散的輪廓,以便于后續(xù)通過輪廓信息對飛沫的擴散范圍進行測量。常用的邊緣檢測算子有,Roberts算子[19]、Canny子、Sobel算子[20]、Laplace算子[21]以及經(jīng)典的Canny算子[22]。其中Sobel算子對噪聲具有平滑作用,提供較為精確的邊緣方向信息,是一種較為常用的邊緣檢測方法。Sobel算子結(jié)合了高斯平滑和微分求導(dǎo),該算子包含兩組3×3的矩陣,分別為橫向及縱向,將之與圖像作平面卷積,即可分別得出橫向及縱向的亮度差分近似值,即

(7)

(8)

式中:dx為水平方向;dy為垂直方向。

邊緣檢測后的圖像如圖5所示。

圖5 邊緣檢測Fig.5 Edge detection

2.1.4 圖像銳化

圖像銳化是圖像處理的一個重要環(huán)節(jié),是對質(zhì)量低的圖像進行處理為后續(xù)的圖像信息提取、圖像識別等,提供更高識別度的圖像。在圖像的預(yù)處理過程中,圖像的攝取、編碼、傳輸?shù)冗^程中有許多因素會使圖像變模糊。如攝取過程中的聚焦不良,編碼中的量化步驟使得圖像的高頻分量損失,處理過程中對圖像進行放大時由于縮放算法具有低通濾波性質(zhì)而導(dǎo)致圖像變得柔和等。圖像銳化正是針對這個問題對圖像的邊緣進行增強和高頻分量進行補償,圖像銳化的目的是凸顯物體的細節(jié)輪廓,視覺感受良好,為后續(xù)的處理提供具有更高辨析度的圖像,常用的圖像銳化方法有梯度法、Laplace算子和高通濾波,綜合考慮后,采用梯度法對圖像進行銳化。

2.2 圖像堆疊

高速相機捕捉到飛沫流動后,所拍攝的每一張圖片只能記錄下飛沫的瞬時位置,以多張tif格式的圖片進行保存,連續(xù)播放圖片才可以觀察到飛沫的流動軌跡。為了更加直觀地觀察到飛沫的運動軌跡,數(shù)據(jù)采用image j圖像處理軟件的KymographClear2.0模塊對記錄下的飛沫的連續(xù)流動進行堆疊合成出飛沫的運動軌跡圖,調(diào)整圖片的銳化和結(jié)構(gòu)后使飛沫流動軌跡更加清晰。如圖6所示分別為超聲潔牙儀在口腔內(nèi)對牙齒的16個不同區(qū)域進行治療時所引發(fā)的飛沫的流動軌跡。數(shù)據(jù)表明超聲潔牙機在不同牙齒區(qū)域內(nèi)所引發(fā)的飛沫的流動軌跡大多為拋物線,在1區(qū)咬合側(cè)、2區(qū)頰側(cè)和2區(qū)咬合側(cè)區(qū)域內(nèi)引發(fā)的飛沫較其他區(qū)域而言,飛濺高度較高,飛沫的數(shù)量較多,飛沫的擴散面積較大。

1～6區(qū)的腭側(cè)、頰側(cè)和咬合側(cè),其中2區(qū)和5區(qū)不記錄咬合側(cè)圖6 超聲潔牙機針對不同牙齒區(qū)域治療時產(chǎn)生的飛沫的運動軌跡Fig.6 Trajectory of droplets produced during ultrasonic scaling of different tooth areas

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 飛沫測速及軌跡分析

相關(guān)飛沫吸附設(shè)備在吸附功率的設(shè)計上需要獲得飛沫的流動速度進行匹配,合理選擇吸附功率可以利用最低耗能使吸附效果最大化。采用image j圖像處理軟件對單一飛沫的流動進行追蹤,首先對相機采集到的圖像進行銳化、結(jié)構(gòu)和去除噪聲等預(yù)處理,單一粒子的流動更加清晰便于軟件進行跟蹤測速。然后將預(yù)處理后的飛沫流動的連續(xù)圖片導(dǎo)入image j軟件中,使用Manual Tracking功能,標定飛沫的初始位置(飛沫飛濺出口腔后的第一個位置),播放連續(xù)圖片,依次捕捉同一飛沫在下一幀中所出現(xiàn)的位置,直到飛沫飛濺出畫面后停止追蹤。停止追蹤后,軟件系統(tǒng)通過飛沫每一瞬時的X、Y坐標參數(shù)以及相、每一幀的間隔時間,測算出超聲潔牙機在牙齒各區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生飛沫的最大流動速度如圖7所示。第一,具有較明顯運動軌跡的飛沫的粒徑范圍為0.5～5 mm,其中粒徑較大的飛沫的初始流動速度較快。第二,如圖6所示飛沫的流動軌跡多為拋物線形式,飛沫從初始位置流動至拋物線頂點的過程中流動速度逐步衰減。

圖7 超聲潔牙機在牙齒各區(qū)域產(chǎn)生的飛沫的最大流動速度Fig.7 Maximum flow velocity of droplets produced by ultrasonic dental cleaner in various areas of teeth

如圖8所示,16個區(qū)域中飛濺高度最高的粒子,飛濺至最高點所耗費的時間均不超過0.275 s,速度均衰減至0.9～1.2 m/s。第三,如圖7所示超聲潔牙機在牙齒的16個區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫離開口腔時的最大瞬時流動速度不大于9 m/s,其中81%的區(qū)域所引發(fā)的飛沫的最大瞬時流動速度不超過8 m/s,88%的區(qū)域所引發(fā)的飛沫的最大瞬時流動速度超過5 m/s。第四,超聲潔牙機在3區(qū)內(nèi)側(cè)、3區(qū)外側(cè)和4區(qū)咬合側(cè)所引發(fā)的飛沫的最大瞬時流動速度較大,在8～9 m/s的范圍內(nèi)。

圖8 飛沫流動至最高點所需時間Fig.8 Time required for droplets to flow to the highest point

3.2 飛沫在X、Y方向的位移測量

超聲潔牙機所產(chǎn)生的飛沫在Y方向上的最大飛濺高度和飛沫流動至最高點時的水平位移對吸附裝置的安裝位置的設(shè)計具有十分重要的意義。通過飛沫流動軌跡圖,可以清晰地觀察到飛沫的最大飛濺高度的位置。利用image j圖像處理軟件,依次導(dǎo)入流動軌跡圖,設(shè)置標尺,使用Measure功能設(shè)定上嘴唇為原點,以流動軌跡的最高點為終點,即可測量出超聲潔牙機在牙齒各區(qū)域所產(chǎn)生的飛沫在Y方向上的最大飛濺高度如圖9所示,流動至最高點時的水平位移如圖10所示。

圖9 飛沫流動至最高點時X方向上的位移Fig.9 The displacement in X direction when the droplets flow to the highest point

圖10 飛沫流動至最高點時Y方向上的位移Fig.10 Displacement in Y direction when droplets flow to the highest point

第一,粒徑越大的飛沫在Y方向上的飛濺高度越高,流動軌跡越明顯;第二,超聲潔牙治療過程中,牙齒的16個區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫,飛沫在Y方向距口腔上嘴唇的最大位移不高于450 mm;第三,其中63%的區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫,飛沫在Y方向距口腔上嘴唇的最大位移不高于300 mm,38%的區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫,飛沫在Y方向距口腔上嘴唇的最大位移不高于200 mm;第四,飛沫流動至軌跡最高點時,距離口腔上嘴唇的最大水平位移不高于700 mm;第五,超60%的區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫在最高點時的水平位移為50～450 mm。

3.3 飛沫初始擴散角測量

超聲潔牙機所產(chǎn)生的飛沫其初始擴散角度的數(shù)據(jù),對吸附裝置的吸附口的大小及形狀等參數(shù)的設(shè)計具有十分重要的價值。將各區(qū)域的飛沫流動圖片經(jīng)過2.1節(jié)中的圖像預(yù)處理后,可以較直觀地觀察到飛沫的流動情況和初始擴散角。利用image j圖像處理軟件,依次導(dǎo)入預(yù)處理后的各區(qū)域飛沫的流動圖片,使用Angle tool功能如圖11所示繪制出飛沫的初始擴散角后即可進行測量,測量數(shù)值如圖12所示。第一,超聲潔牙機在牙齒的16個區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫,其初始最大擴散角不大于170°;第二,75%的區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫的初始最大擴散角不大于140°,25%的區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫的初始最大擴散角不大于80°;第三,超聲潔牙機所產(chǎn)生的飛沫其初始擴散角集中在90°～170°。

圖11 飛沫的初始擴散角測量Fig.11 Measurement of maximum velocity diffusion angle of droplets

圖12 超聲潔牙機在牙齒各區(qū)域產(chǎn)生的飛沫的最大擴散角Fig.12 Ultrasonic tooth instrument produced in each area of the tooth maximum diffusion angle of droplets

4 討論

相比于其他的牙科治療,超聲波洗牙產(chǎn)生的氣溶膠和飛濺物最多,可以傳播到離手術(shù)部位相當遠的地方[23]。研究表明,不使用冷卻劑的超聲潔牙機仍然可以產(chǎn)生大量的氣溶膠和飛濺物,大部分的牙科手術(shù)都會造成一定程度的黏膜損傷,這是較難避免的[24],因此應(yīng)該把每個病人都當作潛在的傳染源。本文研究使用單一相機拍攝結(jié)合圖像處理的方法成功記錄到超聲波潔牙過程中產(chǎn)生的飛沫在空氣中的流動,為研究超聲波潔牙過程中引發(fā)的飛沫在空氣中的流動動態(tài)提供了一種可視化方法。在實驗過程中選用人體模型為拍攝對象,操作員手持超聲潔牙儀對頭模的口腔進行潔牙時超聲潔牙儀的工作功率及流水量可以調(diào)至最高,并且可以經(jīng)過多次的試驗記錄到飛沫的最大流動速度、飛沫的初始擴散角度和飛沫的最大飛濺高度的極大值,這為針對牙科診室傳染病的防護及相關(guān)吸附消殺設(shè)備的研制提供了強有力的數(shù)據(jù)支持。

盡管不同診室的空間高度、建筑面積以及診室內(nèi)的設(shè)備擺放[25]、空調(diào)的安裝位置、送回風口的大小、風速、人員的流動等因素均會對空氣的流場有所影響[26]。但是本文研究中所展示的試驗結(jié)果為在自然通風條件下超聲潔牙機產(chǎn)生的飛沫在空氣中的流動數(shù)據(jù)的極大值。隨著技術(shù)的發(fā)展,大量的仿真與數(shù)學(xué)計算為傳染病的模擬仿真提供了有利條件[27]。使用該數(shù)據(jù)設(shè)置為飛濺物的初始流動值,利用CFD數(shù)值模擬軟件在計算機中建立不同的診室環(huán)境并添加不同粒徑的飛濺物,可以對超聲波潔牙過程中產(chǎn)生的飛沫在不同環(huán)境條件診室中的傳播能力進行深一步的研究。此外,本文研究中提出的飛沫傳播可視化方法,也可用于研究牙科手術(shù)中其他醫(yī)療器械所產(chǎn)生的飛沫流動。目前對于牙科手術(shù)中產(chǎn)生的飛沫的吸附消殺設(shè)備的研制還處于起步階段,吸附及消殺的效果、醫(yī)生的可操作性、患者的感受等因素都需要仔細分析,研制出吸附消殺能力強并符合人機工程學(xué)的醫(yī)療防護設(shè)備對防止疫情和流行疾病的蔓延、保障口腔疾病患者和醫(yī)務(wù)人員的診療安全具有重要的意義。

5 結(jié)論

提出了一種使用單一相機拍攝結(jié)合圖像處理使得口腔飛沫的傳播可視化的方法,分析了超聲波潔牙治療過程中引發(fā)的飛沫在空氣中的流動動態(tài),得出以下結(jié)論。

(1)飛沫離開口腔后粒徑不同飛沫混合成團狀向外飛濺,在一定距離內(nèi)飛沫濃度較高,隨后粒徑較小的飛沫被空氣稀釋濃度降低有上升趨勢,而粒徑較大粒子的在X軸方向飛濺距離較遠一些且呈下降趨勢。

(2)超聲潔牙機在不同牙齒區(qū)域內(nèi)所引發(fā)的飛沫的流動軌跡大多為拋物線,在一區(qū)咬合側(cè)、二區(qū)頰側(cè)和二區(qū)咬合側(cè)區(qū)域內(nèi)引發(fā)的飛沫較其他區(qū)域而言,飛濺高度較高,飛沫的數(shù)量較多,飛沫的擴散面積較大。

(3)超聲潔機在牙齒的16個區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫在離開口腔時的最大瞬時流動速度不超過9 m/s,在3 s內(nèi)均衰減至0.9 ～1.2 m/s。吸附裝置的最大功率設(shè)計可以參考粒徑為5 mm,流動速度為9 ～10 m/s的球形水滴的動能進行匹配。

(4)超聲潔機在牙齒的16個區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫,飛沫在Y方向距口腔上嘴唇的最大位移不大于450 mm,飛沫流動至軌跡最高點時,距離口腔上嘴唇的最大水平位移不高于700 mm。

(5)超聲潔牙機在牙齒的16個區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫,其初始最大擴散角不大于170°,75%的區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫的初始最大擴散角不大于140°。

本文中提出的飛沫傳播可視化方法,也可用于研究牙科手術(shù)中其他醫(yī)療器械所產(chǎn)生的飛沫流動,研究結(jié)果可為牙科診室中飛沫吸附裝置的研制提供數(shù)據(jù)參考。