口腔診療中噴濺物污染來源的可視化模擬研究

鄭思源 袁 超 孫翔宇 陳云濤 陳霄遲 鄭樹國

SARS-CoV-2病毒感染引起的新型冠狀病毒肺炎疫情（COVID-19）自發(fā)生以來對全球的經(jīng)濟和醫(yī)療造成了巨大負擔(dān)。2020年3月20日，COVID-19被世界衛(wèi)生組織認證為全球大流行[1]。COVID-19是一種呼吸道傳染病，目前被認為經(jīng)呼吸道飛沫和密切接觸傳播是其主要的傳播途徑，接觸病毒污染的物品也可造成感染。此外，在相對封閉的環(huán)境中可經(jīng)氣溶膠傳播[2]。在口腔診療過程中，醫(yī)務(wù)人員會直接接觸到患者的唾液、血液，并且在口腔治療操作過程中會產(chǎn)生的大量混合著唾液、血液或呼吸道分泌物的噴濺物，可經(jīng)呼吸道吸入或污染診室設(shè)備表面從而導(dǎo)致病原體的傳播[3，4]。因此，口腔相關(guān)從業(yè)者被認為是SARS-CoV-2暴露的高風(fēng)險人群[5]。既往的學(xué)者已在噴濺物擴散范圍方面[6，7]有一定的研究，但并未區(qū)分來自于醫(yī)院環(huán)境和來自患者口腔的病原體微生物。本實驗通過使用熒光素鈉溶液模擬唾液的方法進一步明確噴濺物的特性以及病原體的來源，以期為臨床工作中口腔治療防控措施的制訂提供依據(jù)。

材料和方法

1.場地與設(shè)備

選取北京大學(xué)口腔醫(yī)院一間獨立口腔治療診室作為實驗場地，平均室溫25℃。為了確保無外部風(fēng)力影響，診室的窗戶以及空調(diào)系統(tǒng)保持關(guān)閉。實驗在人體仿頭模型上進行，調(diào)整仿頭模型的角度使下頜平面與地面呈30°夾角以模擬口腔治療時的角度。在牙列模型上使用了一張打了28個孔的橡皮障覆蓋全牙列以模擬人正?？谇蝗萘浚?00 mL）。

實驗使用可更換設(shè)備水路的移動式治療儀（TC-169便攜式渦輪儀，上海通達）進行，配備高速渦輪手機（T3 SIROBoost,Sirona Dental Systems GmbH），并使用弱負壓吸引器（功率28.17 mL/秒，以下簡稱弱吸）以及強負壓吸引器（功率78.74 mL/秒，以下簡稱強吸）進行干預(yù)。以上下頜牙列中點連線的中點為中心，以仿頭模型的12點位為1號方向，順時針方向每隔45°設(shè)置一個方向，共7個方向，每個方向上每隔30 cm設(shè)置一個濾紙片放置點，共36個濾紙片放置點（圖1），并使用47 mm直徑圓形濾紙片（1級定性濾紙，Whatman）采集噴濺物。

圖1 濾紙片擺放位置及操作者座位

2.實驗分組

本實驗分組依設(shè)備水源不同設(shè)唾液模擬組和水路組兩組。在進行唾液模擬組實驗時，使用定速點滴裝置以2 mL/min的速度通過管路將1 g/L的熒光素鈉（C20H10Na2O5，Solarbio）飽和溶液作為噴濺物觀察指示劑傳導(dǎo)至牙列模型中，模擬口腔治療過程中口內(nèi)刺激性唾液的生成（圖2），并且將蒸餾水放入移動治療儀自供的清潔水瓶中作為冷卻水，水流量50 mL/min。在進行水路組實驗時，不設(shè)置口內(nèi)模擬唾液管道，將熒光素鈉溶液加入移動治療儀自供的清潔水瓶中作為高速渦輪手機的冷卻水，水流量50 mL/min。

圖2 唾液模擬組口內(nèi)導(dǎo)管位置

3.實驗流程

（1）唾液模擬組和水路組在不同高度的差異：濾紙片放置點設(shè)置2個高度平面，分別為距地面70 cm高度和100 cm高度。70 cm高度為仿頭模型牙列口腔中心點的高度，模擬臨床工作中患者在牙椅上口腔的高度，100 cm為身高170 cm醫(yī)師在坐位時頸部的高度，模擬醫(yī)師呼吸區(qū)高度。每次進行實驗時，僅在一個高度平面收集濾紙片。實驗者坐于仿頭模型的10點位進行操作（圖1），分別將鉆針放在右下第一恒磨牙（46）咬合面、右下第一前磨牙（44）咬合面以及右下恒中切牙（41）的唇面停留5秒，之后使鉆針在牙齒軸面上勻速運動以模擬備牙過程，整個過程共計20秒。在進行唾液模擬組實驗時，提前打開點滴裝置5秒后，啟動設(shè)備開關(guān)使高速渦輪手機運行20秒后同時關(guān)閉點滴裝置和手機。在進行水路組實驗時，將鉆針放在相應(yīng)位置后以同樣的方式模擬備牙過程，啟動設(shè)備開關(guān)使手機運行20秒鐘后關(guān)閉。手機運行過程中不使用干預(yù)措施。待噴濺物沉降30分鐘后，收集所有濾紙片并對診室進行通風(fēng)處理。每個不同條件下的實驗重復(fù)3次。此部分共計進行36次實驗。

（2）水路組在離地70 cm高度的分布情況及干預(yù)措施效果：實驗在距地面70 cm高度平面進行，對水路組各個牙位產(chǎn)生的噴濺物在離地70 cm高度的分布情況和干預(yù)措施效果進行研究。分別在無干預(yù)措施、弱吸干預(yù)及強吸干預(yù)的情況下在三個牙位模擬備牙過程，在開啟開關(guān)的同時開啟吸引器，并在運行20秒后同時關(guān)閉。每個不同條件下的實驗重復(fù)3次。此部分共計進行27次實驗。

4.統(tǒng)計分析

我們在每張濾紙片上均勻選取10個位點在熒光顯微鏡（OLYMPUS IX53倒置顯微鏡，OLYMPUS）下使用FITC檔位（激發(fā)光源波長為488 nm）進行觀察，并且用Olympus CellSens Standar軟件進行背景黑平衡處理后進行圖像拍攝，每張圖像對應(yīng)實際面積16.61 mm2。根據(jù)顯微鏡放大的固定倍率及圖像比例尺，我們將噴濺物顆粒的大小分為≤50 μm，＞50 μm且≤100 μm，＞100 μm且≤200 μm，＞200 μm四類。統(tǒng)計了每張圖像上不同粒徑顆粒的數(shù)量并進行匯總。使用IBM SPSS Statistics 21統(tǒng)計學(xué)軟件，采用多因素方差分析對各條件下熒光素點的數(shù)量進行分析，檢驗標準α＝0.05。

結(jié) 果

1.無干預(yù)措施時熒光素點數(shù)量分布情況

圖3展示了在無干預(yù)措施的情況下水路組和唾液模擬組在不同高度平面熒光素點的數(shù)量情況。水路組熒光素點數(shù)量顯著高于唾液模擬組（P＜0.01）。在水路組中，相較于70 cm高度平面，在100 cm高度平面上熒光素點的分布減少，而在唾液模擬組100 cm高度平面上未檢測到熒光素點的存在。

圖3 無干預(yù)措施的情況下熒光素點分布均值

AM為各條件下熒光素點數(shù)量的均值。圖3展示了各個條件下的均值+標準差,使用多因素方差分析，最終統(tǒng)計分析的結(jié)果顯示不同牙位（P＝0.019）、不同實驗組（P＝0.000）、不同高度（P＝0.001）之間均存在顯著差異。

2.熒光素點粒徑分布情況

由于顯微鏡固定的放大倍數(shù)以及拍攝軟件提供的500 μm比例尺，我們通過相應(yīng)比例分別確定50 μm，100 μm，200 μm比例尺，并與熒光素點大小進行比對，可以區(qū)分其粒徑大?。▓D4）。

圖4 粒徑劃分標準及比例尺

熒光素點粒徑的分布情況如圖5所示。在唾液模擬組中，顯微鏡下所檢測到的所有熒光素點粒徑均大于100 μm；而在水路組中的不同牙位，盡管熒光素點粒徑以大顆粒為主，但均有超過1/3的熒光素點粒徑小于等于100 μm。

圖5 70 cm高度水平無干預(yù)措施情況下熒光素點粒徑分布情況

不同干預(yù)措施對水路組70 cm高度水平各牙位的效果情況如圖6所示。在使用強吸干預(yù)時，噴濺物基本得到控制，少量逃逸的顆粒物粒徑均大于200 μm。在使用弱吸干預(yù)時，在不同牙位熒光素點數(shù)量均有減少，且粒徑小于等于100 μm的熒光素點占比呈下降趨勢，在46、44、41位置分別下降了47.15%、11.75%、15.38%。

圖6 干預(yù)措施作用下熒光素點分布

AM為各條件下熒光素點數(shù)量的均值。

3.70 cm高度水平水路組熒光素點不同位點的分布情況

在水路組70 cm高度水平，我們將各條件下的熒光素點平均數(shù)量取自然對數(shù)，其在各個方向的分布情況如圖7所示。熒光素點主要分布在仿頭模型的3-9點位，具體根據(jù)牙位不同有一定差異。大多數(shù)熒光素點的范圍局限在60 cm以內(nèi)，少部分能夠到達60 cm以上且90 cm以內(nèi)。相較于前磨牙區(qū)和磨牙區(qū)，在前牙區(qū)操作時產(chǎn)生的噴濺物擴散范圍更廣，且數(shù)量更多。通過使用干預(yù)措施后的分布情況可以看出，在前磨牙區(qū)和前牙區(qū)，弱吸能夠一定程度上降低噴濺物的數(shù)量并減小其擴散范圍，但在前牙區(qū)域噴濺物數(shù)量沒有明顯降低；強吸在不同牙位普遍能夠降低噴濺物的數(shù)量并減小其擴散范圍。

圖7 水路組70 cm高度水平在不同措施干預(yù)下各方向分布情況

我們將每個位點熒光素點平均數(shù)量取自然對數(shù)，以不同顏色顯示。若熒光素點數(shù)量為0則不顯示。圖中最遠距離為60 cm。

討 論

口腔治療噴濺物中的病原體微生物來源主要分兩類，一類是醫(yī)院環(huán)境，包括管路，冷卻水，以及診室物體表面等，另一類是人體，包括患者的唾液、血液、呼吸道分泌物等[8]。既往針對口腔治療噴濺物病原微生物的研究方法主要是微生物檢測法，通過空氣采樣器、培養(yǎng)皿等主動或被動方式采集不同空間位置空氣中的微生物后進行培養(yǎng)，通過證明口腔治療操作期間患者口腔周圍空氣中微生物含量較未操作時增加，間接證明噴濺治療導(dǎo)致了污染的擴散[9，10]。但這些研究未對噴濺物中病原體微生物的來源進行分析，同時受培養(yǎng)方法的限制培養(yǎng)出的微生物種類有限[11]，一些真菌、病毒和細菌無法被培養(yǎng)，最終可能會導(dǎo)致結(jié)果的偏差。Meethil的一項研究[12]對唾液、冷卻水以及治療過程中產(chǎn)生的噴濺物中的微生物進行了16S rRNA基因測序和分析，結(jié)果顯示在28名受試者中，只有8名在其治療后沉降的噴濺物中檢測到唾液來源的微生物。本研究為明確唾液和冷卻水對噴濺物構(gòu)成的影響，分別將熒光素溶液加入水路和模擬唾液，在模擬噴濺治療后沉降30分鐘[7,13]并進行通風(fēng)處理[14]以確保沉降物基本完全沉降且空氣中無殘余。在收集到的濾紙片中，兩組最終檢測到的熒光素點數(shù)量存在較大差異，水路組的熒光素點數(shù)量明顯多于唾液模擬組（P＜0.01）。這意味著噴濺治療釋放的所有顆粒物中大部分僅包含冷卻水成分，僅有小部分曾接觸了模擬唾液。

一項流體力學(xué)研究[15]顯示直徑＞100 μm的液滴在不到1 s的時間內(nèi)沉降到地面，無明顯蒸發(fā)；當(dāng)液滴直徑＜100 μm時，通常會在沉降前蒸發(fā)形成液滴核。液滴核能夠在空氣中長時間懸浮，并隨著環(huán)境氣流運動，可能達到污染通風(fēng)系統(tǒng)的高度（4～6米）。由于不同粒徑的顆粒物導(dǎo)致感染擴散的風(fēng)險不同[16]，因而掌握口腔噴濺治療顆粒物的粒徑分布特點和傳播特性對于抑制呼吸道傳染病的傳播及進行醫(yī)患防護都至關(guān)重要。熒光素示蹤實驗中發(fā)現(xiàn)唾液模擬組中檢測到的熒光素點粒徑普遍大于100 μm，這意味著小粒徑噴濺物與口內(nèi)模擬唾液界面接觸后，難以再以小粒徑顆粒物的形式攜帶口內(nèi)的熒光素指示劑擴散到口外?；旌狭四M唾液的噴濺物質(zhì)量大且速度較低，根據(jù)運動規(guī)律，這些大液滴會快速降落到地面，在空氣中停留時間短，最終擴散的范圍局限。

在不同干預(yù)條件的對比中可以發(fā)現(xiàn)強吸的作用顯著，基本能夠完全控制噴濺物，少量逃逸干預(yù)的顆粒物粒徑均大于200 μm，在空氣中停留時間短。既往的一些研究也證實了強吸的作用[13，17]，將強吸列為口腔治療過程中的推薦防護措施[18]。而弱吸盡管無法完全控制噴濺物，但使用弱吸后小顆粒物占比有所下降，這提示我們當(dāng)噴濺物數(shù)量較大而吸引器吸力有限時，小顆粒物可能更容易被吸引器吸入而大顆粒物更容易逃逸到外界環(huán)境中。對于呼吸道疾病來說，小顆粒物較大顆粒物攜帶的病原體相對載量更大[19]，且小顆粒物能深入呼吸道，致病力相對更強[20]。在沒有使用強吸的條件時，使用弱吸也在一定程度上能夠減少噴濺物擴散的風(fēng)險。70 cm高度水平水路組分布情況的結(jié)果也同樣支持這個觀點。當(dāng)牙位逐漸向前牙靠近時，由于口腔軟硬組織等的遮擋作用減小，噴濺物越發(fā)分散，且數(shù)量增加。在加入弱吸進行干預(yù)后，雖然能起到一定的效果，但在前牙區(qū)域由于噴濺范圍較廣而弱吸吸力較弱且開口處口徑較小，控制效果稍差。而強吸在前牙區(qū)、前磨牙區(qū)、磨牙區(qū)普遍控制效果更好。因此我們推測在臨床工作中，使用強吸能夠較好地控制噴濺物；而在使用渦輪手機進行后牙區(qū)的治療時，弱吸也能起到不錯的控制效果。

新冠疫情的爆發(fā)對全球口腔醫(yī)療界及口腔醫(yī)生都帶來巨大影響。一項針對口腔醫(yī)生問卷調(diào)查[21]顯示由于害怕口腔治療過程導(dǎo)致病原體傳播，口腔醫(yī)生承受的心理壓力顯著增加。實際上，一項隊列研究[22]顯示與普通人群相比，牙科診所的SARS-CoV-2傳播概率更低，流行病學(xué)研究[23]結(jié)果顯示COVID-19在牙醫(yī)和普通人群之間的流行率沒有顯著差異。在本實驗的唾液模擬組中，100 cm高度并沒有檢測到熒光素點，這說明高速渦輪手機釋放的冷卻水在接觸口內(nèi)模擬唾液后可能無法再傳播到較高的位置。本研究的結(jié)果提示，噴濺物中患者唾液來源的病原體含量可能十分有限。我們應(yīng)進一步結(jié)合臨床試驗，定量分析噴濺物中病原體的含量和來源占比。在疫情防控常態(tài)化期間，具備有效防護措施的情況下，不應(yīng)簡單化地暫?？谇粐姙R治療，從而提高醫(yī)療服務(wù)利用率。

在口腔診療過程中除了高速渦輪手機，超聲潔治器、三用槍等設(shè)備在使用過程中也能夠產(chǎn)生噴濺物[24]，且不同的牙科設(shè)備產(chǎn)生的噴濺物性質(zhì)和運動特點大相徑庭[25]。本實驗使用了高速渦輪手機，在未來的實驗中可能會進一步完善其他設(shè)備的相關(guān)實驗。另外，本實驗采用被動采集的方法，雖然避免了氣流對噴濺物的影響，但部分氣溶膠可能在空氣中懸浮，無法完全采集到而導(dǎo)致遺漏。數(shù)值模擬是研究流體運動的一個常用方法。Chen[26]的研究中通過使用計算流體力學(xué)建模模擬了診室內(nèi)的氣溶膠流動以及空氣凈化器的影響。在明確了噴濺物的速度、粒徑分布等特性之后，未來可以采用數(shù)值模擬的方式進一步研究口腔治療噴濺物的時空動態(tài)分布。