超声波刮治机所引发气溶胶的时空分布特性

邢超杰 ，艾正涛 †，沈炼 ，韩艳

（1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.湖南大学 国家建筑安全与环境国际联合研究中心（湖南大学），湖南 长沙 410082；3.长沙大学 土木工程学院，湖南 长沙 410003；4.长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114）

喷砂洁牙机和超声波刮治机是牙周科引发颗粒物喷溅的主要诊疗设备.超声波刮治机利用超声波振动的原理松动牙齿表面的牙垢和牙结石等.牙齿表面残存的茶垢、烟垢无法使用超声波刮治机去除，只能使用喷砂洁牙机清理.喷砂的原理是利用含有碳酸氢钠的粉末和水的高压混合物进一步清洗牙齿.有证据表明，诊疗过程中使用诊疗设备所引发的喷溅物中可能含有大量细菌［1］、病毒［2］，尤其是造成呼吸道传染病在人际传播的病原体.新冠病毒在有症状［3-4］和无症状［5-6］患者口腔唾液中大量存在，而且在体外实验条件下存活时间超过3 h［7］，即使少量病毒进入健康患者的呼吸道，也极可能造成感染［8-9］，对医护人员健康影响极大［10］.

医学和工程防护措施在保护就诊环境中人员健康方面发挥了重要作用.医学措施中，诊疗前使用氯己定（0.12%～0.20%）等漱口液漱口可降低60%以上的细菌数量［11-12］，诊疗过程中使用强吸设备可减少90%以上的气溶胶［13］，同时使用两种措施可有效降低诊室中的细菌污染，但仍高于限定值500 CFU/m3［14］.扩大前后两个患者的就诊间隔有利于诊室内可能含有病毒的颗粒物沉降到安全水平，但目前就诊间隔的设置仍缺乏统一性，原因是换气次数设置的不同对所需间隔时间影响较大.当室内每小时换气次数提高到6.5 次时，沉降时间降为30～40 min［15］，使用医疗机械通风系统时，沉降时间少于10 min［16］.新冠疫情后，改进型的工程措施陆续出现，比如改进型空气消毒机等［17-18］，但目前普遍认为没有一种措施能够完全控制喷溅污染，研发新的防控措施仍然十分必要.在提出新的防控措施之前，需要明确喷溅物在诊室环境中的分布特性.

荧光素标记法是研究喷溅在患者口腔周围分布特性最常用的手段之一.根据喷溅物在纸片或培养皿上的附着程度判断污染范围和污染水平［19］，但纸片和培养皿无法收集空气中悬浮的气溶胶，气溶胶反而对诊室内人员的健康影响最大［20］.过去对气溶胶的研究中，六级生物采样器［21］、粒子图像测试系统［22］和空气粒子分级器［23］是常用的三种设备，研究主要集中于诊室内少数采样点，缺乏气溶胶随时空分布的研究.不同诊疗设备所引发的气溶胶在诊室内的分布明显不同，差异性对比的缺失不利于提出针对性的防控措施.

本研究的目的是揭示使用超声波刮治机所引发（以下简称刮治所引发）的气溶胶随时空的分布特性，并与喷砂洁牙机对比.本研究以洁牙手术过程中使用的超声波刮治机为研究对象，在长沙市口腔医院牙周科现场监测患者口腔周围的气溶胶.研究结果可增加对诊疗过程中使用诊疗设备所引发的气溶胶的认识，而揭示不同设备所引发的气溶胶分布异同也可为新型防控措施的研发提供基础.

1 测试方法

1.1 测试地点与对象

本文针对湖南省长沙市口腔医院牙周科真实的口腔诊疗过程进行测试，测试时间为2021 年1 月24日至1 月31 日.测试包含63 位患者的洁牙过程.医护人员每天的工作时间为8：00—12：00，14：30—17：30，诊室内空气和表面消毒的时间为12：10—14：10和17：30—19：30，即非工作时间.如图1 所示，在工作期间，患者出入口的门完全打开，诊疗区的窗户略微打开，即工作期间利用自然通风，机械通风系统未使用.以上均为口腔诊室的常态，并未因为实验而特殊设置.

如图1 所示，牙周科诊室的尺寸为18.0 m×12.0 m，包含12 个半独立区域，每个区域均有1 台牙科椅，区域尺寸为4.8 m×3.0 m.牙周科主要的诊疗项目包括洁牙、牙周基础诊疗和各类牙周手术，其中洁牙包括龈上和龈下诊疗两部分.龈上诊疗时，超声波刮治机主要被用于去除牙齿表面的结石.刮治所引发的颗粒物（牙结石、血液、唾液等）中，一部分被强吸设备从患者口腔吸出，其余部分从患者口腔喷溅到空气中.

图1 牙周科诊室诊疗单元平面分布Fig.1 Distribution of the dental treatment units in the periodontal department

1.2 测试条件及过程

测试过程中，仅有一名医护人员为患者洁牙，见图2（a）.洁牙过程中，强吸设备被用于去除口腔内遗留的颗粒物，其管内径为6 mm.研究表明，粒径小于10 µm 的气溶胶可能进入人体肺部的细支气管和肺泡［24］，对人体健康造成极大危害.为揭示这一粒径范围的气溶胶随时空的分布特性，本研究选用手持式3016 IAQ 微粒计数器，如图2（b）所示.该仪器的详细信息见表 1.该仪器可测量粒径为0.3～10.0 µm 的气溶胶，输出的参数包括PM1.0、PM2.5、PM5.0 和PM10.0 的浓度和数量.PM1.0、PM2.5、PM5.0 和PM10.0 分别定义为空气动力学直径在0.3～0.99 µm、0.3～2.49 µm、0.3～4.99 µm 和0.3～9.99 µm 范围内的气溶胶.为了研究患者口腔周围的气溶胶随时空的分布特性，围绕患者口腔设置了几十个采样点（见图3）.采样点分布在3 个不同的高度，分别是患者的口腔高度（0.8 m）、医务人员坐姿下的口腔高度（1.1 m）以及介于两者之间的高度（0.9 m），如图3所示.1.1 m高采样点是针对医护人员呼吸区的测试，医护人员口鼻距地板大约1.1 m，距患者口腔水平距离大约0.2 m.医护人员在诊疗过程中环绕病人口腔移动，移动的主要区域在45°线和270°线之间.

图2 现场测试照片Fig.2 Photos of the one-site measurement

图3 采样点分布Fig.3 Distribution of sampling points

表1 手持式3016 IAQ 微粒计数器参数Tab.1 Parameters of handheld 3016 IAQ particle counter

根据预实验结果，一个完整的洁牙手术过程中刮治所引发的气溶胶浓度变化较小，因此，超声波刮治过程（以下简称刮治过程）中每个采样点的采样时间设为5 min.背景浓度的采样位置位于5 号就诊区域的中心，距地板0.9 m 处.背景浓度的测量是在早上第一个患者进入诊室前进行的.2021 年1 月24 日至27 日的平均背景浓度见表2.从表2 可看出，气溶胶浓度高于室内空气标准中规定的限值（150 µg/m3）［25］.由于医院的严格规定，在患者入诊室前10 min，实验测试人员才被允许进入诊室.因此，背景浓度是在这样非常有限的时间内测量的.在开始测量背景浓度前，仪器安装和实验人员活动所释放的气溶胶没有足够的时间完全稀释.这是背景浓度相对较高的原因之一，也是本研究的局限性.因此，此背景浓度仅可做参考，并不能代表实测期间真实的背景值，并且口腔诊疗期间医护人员的开窗行为（不受实验干预）使得室外气象条件（尤其是风速）也影响了诊室内气溶胶的背景浓度.

表2 2021年1月24日至27日测试期间牙周科诊室背景气溶胶浓度Tab.2 Background aerosol concentrations in the periodontal department during the test period from Jan 24 to 27，2021 μg/m³

2 结果分析

为说明气象条件，室内外的温度、湿度以及室内的CO2体积分数分布如图4 所示.测试期间，室内外温度的变化区间分别为14～25 ℃、5～20 ℃，室内外相对湿度分别为30%～60%、50%～95%.工作期间的CO2体积分数在（400～800）×10-6范围内变化，而在休息期间，即12：00—14：30，CO2体积分数降低到400×10-6附近，表明诊室内自然通风状况良好.

图4 测试期间3天典型的空气温度、相对湿度和CO2体积分数分布Fig.4 Air temperature，relative humidity and CO2 during the measurements made on three typical days

2.1 气溶胶沿高度方向的分布

为了评价气溶胶沿高度方向的衰减特性，距地板0.8 m、0.9 m、1.1 m 且距患者口腔水平距离0.2 m处的气溶胶质量浓度分布如图5所示.首先，0.8 m 和0.9 m 高处的气溶胶浓度整体相近，略高于1.1 m 高处的浓度；第二，0.8 m 高处的气溶胶浓度环绕患者口腔分布均匀，随着粒径的增加，气溶胶浓度均值中的最大值出现在患者口腔左前方，以PM10.0 为例，浓度均值中的最大值为282.6 µg/m³；第三，0.9 m 高处的气溶胶主要分布在医护人员活动区域的一侧（45°）及对面区域（135°、180°等）.PM10.0 浓度均值中的最大值出现在135°方向，为327.7 µg/m³.总之，刮治过程中引发的气溶胶主要分布在患者口腔附近，对医护人员呼吸区浓度的影响较小.

图5 不同粒径的气溶胶在距口腔水平距离0.2 m且距地板0.8 m，0.9 m和1.1 m的质量浓度均值分布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

图6选取了刮治过程中近5 min的实测数据进行分析.从图6 可知，PM1.0 浓度均值随时间的变化不明显，随着粒径的增加，粒径越大的气溶胶浓度均值随时间的变化越明显.PM10.0 的峰值为315.2 µg/m³，出现在距地板0.8 m 高处，说明患者口腔高度的气溶胶浓度值较大.

图6 距口腔0.2 m，距地板0.8 m，0.9 m和1.1 m的所有采样点质量浓度均值分布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 气溶胶沿水平方向的分布

图7表示距地板0.9 m高不同粒径气溶胶的质量浓度均值沿水平方向的分布.首先，粒径越大的气溶胶环绕患者口腔周围分布越均匀，但气溶胶浓度沿水平方向衰减不明显；第二，在距患者口腔水平距离最远处（0.8 m），不同方位的PM10.0 浓度均值在300µg/m³附近变化（90°除外），表明环绕患者口腔水平距离的0.8 m 半径范围内，医护人员的暴露风险很高，即使在气溶胶动量很小的情况下也是如此；第三，距患者口腔0.2 m 处，0°、270°和315°方向（医护人员活动区域内或边界处）的气溶胶浓度均值明显低于其他采样区，因此诊疗过程中医护人员身体的存在对气溶胶的影响不可忽略.

图7 不同粒径的气溶胶在距口腔水平距离0.1 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m和0.8 m且距地板0.9 m高处的质量浓度均值分布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

图8表示刮治过程中0.9 m高处气溶胶浓度随时间的分布.从图8 可得以下重要结论：第一，在采样过程中，不同方位处所有粒径的气溶胶浓度均值随时间的变化较小，说明在患者口腔不同部位刮治所引发的气溶胶浓度分布和扩散整体比较均匀；第二，PM10.0的峰值浓度出现在距口腔0.4 m处，但不超过400 µg/m³；第三，不同粒径的气溶胶浓度均值随时间变化的趋势相似，再次说明超声波刮治机所引发的气溶胶动量较小，沿水平方向扩散不明显。

图8 距地板0.9 m且距口腔水平距离0.1 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m 和0.8 m的所有采样点质量浓度均值分布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 超声波刮治机与喷砂洁牙机对比

2.3.1 平均质量浓度

在洁牙手术过程中，医护人员常接连使用超声波刮治机和喷砂洁牙机，使用二者设备所引发气溶胶喷溅特性（有关喷砂洁牙机的详细研究可参考文献［26］）的不同点主要有以下几个方面.

空间方面，第一，对于粒径在2.5～10.0 µm 之间的气溶胶浓度，喷砂过程明显大于刮治过程.对比不同方位处PM10.0 浓度的均值可知，喷砂过程中的峰值相比刮治过程高两个数量级；第二，使用喷砂洁牙机对医护人员呼吸区（1.1 m 高）高度处的浓度影响较大，而使用超声波刮治机对其影响较小.以PM10.0 为例，喷砂过程中的浓度均值大于1 000 µg/m3，而刮治过程中的浓度均值约为400 µg/m3；第三，距患者口腔水平距离0.1 m 且距地板0.9 m 高处，喷砂过程中气溶胶（粒径＜0.5 µm）在不同方位的分布比较均匀，随着粒径的增加，0°（患者头顶方向）、180°（患者正前方）和270°（医护人员移动区域的一侧）的浓度均值逐渐远超其他方位.然而，刮治过程中粒径小于10 µm 的所有气溶胶在不同方位的浓度整体相近；第四，随着采样点水平距离的增加，喷砂过程中的气溶胶浓度从0.1 m 到0.3 m 和0.6 m 到1.0 m 出现了明显的衰减，但刮治过程中气溶胶浓度沿水平方向的衰减不明显.

时间方面，诊疗设备使用过程中，喷砂所引发的气溶胶浓度随时间变化明显，粒径越大，浓度变化越明显.而刮治所引发的气溶胶浓度随时间的变化相对较小.以PM10.0 为例，浓度波峰均出现在距地板0.8 m 高，但与刮治过程相比，喷砂过程中的峰值（＞1 000 µg/m3）提高了两个数量级.

2.3.2 平均数量

图9 表示诊疗设备所引发气溶胶的平均数量随空间的分布.第一，背景中以粒径在0.3～1.0 µm 范围内的气溶胶为主，喷砂过程中此粒径范围的气溶胶在不同方位处有很大的差异，而在刮治过程中整体相近，说明了使用不同诊疗设备所引发气溶胶的散射特性不同.第二，喷砂过程中粒径在1.0～10.0 µm之间的气溶胶平均数量沿高度方向分布（0.8 m和1.1

图9 口腔诊疗过程中使用诊疗设备所引发的气溶胶数量均值分布Fig.9 The distribution of the average number of different sizes of aerosols during the use of dental instruments

m）相近，并且明显高于背景值，沿水平方向，从距患者口腔0.1～0.3 m 和0.6～1.0 m 的平均数量出现了明显衰减.第三，刮治过程中粒径在1.0～10.0 µm 之间的气溶胶平均数量沿高度和水平方向均无明显变化，验证了上述刮治过程中粒径小于1.0 µm 的气溶胶是主要成分的结论.

3 讨论

本文实测过程中的一些边界条件很难控制，比如，诊疗过程中医护人员的操作习惯、身体的移动和阻挡，以及其他人员在诊疗区的走动等都会影响实验结果.为了减少上述因素对结果的影响，在对均值进行分析的基础上，还对浓度随时间的变化特性进行了分析，发现不同采样点位置的浓度均值随时间的变化特性相似，进而证明了上述分析的可靠性.

此前，刮治所引发的气溶胶随空间的分布特性已有相关研究.Veena［20］等人使用口腔模型模拟刮治过程，根据荧光素在纸片上的附着情况判断颗粒污染范围和污染水平，发现主要污染区域在围绕患者口腔0.6 m 半径的范围内，最严重的污染区域位于患者口腔左侧，其次处于患者口腔前方0.3 m，而后在头顶0.3 m 处.Allison等［15］利用假人口腔模拟超声波刮治机、高速涡轮机、水汽三用枪使用过程，采用荧光素标记法研究假人口腔周围的喷溅情况.结果表明，在距假人口腔水平距离最近的采样区污染强度最大，而且污染沿不同方位分布不均，诊疗执行者对面区域的污染强度高于其他区域.本测试中的气溶胶与上述模拟诊疗过程中使用诊疗设备所引发的大颗粒物相比，两个方面存在明显差异.一方面，超声波刮治机所引发的气溶胶沿水平方向衰减不明显，距口腔水平距离0.1 m 和0.8 m 处不同方位的气溶胶浓度均值相近，但明显高于室内空气质量标准中的限定值（150 µg/m3）；另一方面，超声波刮治机所引发的气溶胶沿水平方向不同方位的扩散较均匀.诊疗过程中多个采样点的浓度均值高于室内空气质量标准中的限定值，说明诊疗过程中使用内径为6 mm 的强吸设备无法有效控制气溶胶喷溅，仍需研发新的防控措施进一步降低诊室环境中的污染.

4 结论

本文实测了洁牙手术中使用超声波刮治机所引发的气溶胶随时空的分布特性，并与洁牙手术中常用的喷砂洁牙机进行对比，可得以下结论：

1）采样区内刮治所引发的气溶胶浓度整体高于室内空气质量标准中的限定值.以距患者口腔水平距离0.8 m 为例，不同方位的PM10.0 浓度均值接近300 µg/m³（90°方向除外）.沿高度方向，气溶胶扩散不明显，主要分布在患者口腔高度附近，对医护人员呼吸区的高度影响较小.沿水平方向，气溶胶浓度随着距离的增加衰减不明显，粒径越大的气溶胶在患者口腔周围分布越均匀.时间方面，所有采样点处不同粒径气溶胶的浓度均值随时间的变化均较小.以PM10.0 为例，距地板0.8 m 高的气溶胶浓度变化在0～150 µg/m3范围内.

2）气溶胶粒径方面，刮治所引发的气溶胶粒径一般小于1.0 µm，粒径大于1.0 µm 但小于10.0 µm的气溶胶平均数量与喷砂所引发的气溶胶相比明显较少，并且刮治所引发的气溶胶动量与喷砂相比明显较小.空间分布方面，刮治过程中的气溶胶浓度或数量远低于喷砂过程.时间分布方面，喷砂过程中的气溶胶浓度随时间的变化范围远大于刮治过程.

本文研究结果可为诊疗过程中使用不同设备所引发的喷溅气溶胶的去除以及新措施和新方法的研发提供理论依据.