口腔诊疗中喷溅物污染来源的可视化模拟研究

郑思源 袁 超 孙翔宇 陈云涛 陈霄迟 郑树国

SARS-CoV-2病毒感染引起的新型冠状病毒肺炎疫情（COVID-19）自发生以来对全球的经济和医疗造成了巨大负担。2020年3月20日，COVID-19被世界卫生组织认证为全球大流行[1]。COVID-19是一种呼吸道传染病，目前被认为经呼吸道飞沫和密切接触传播是其主要的传播途径，接触病毒污染的物品也可造成感染。此外，在相对封闭的环境中可经气溶胶传播[2]。在口腔诊疗过程中，医务人员会直接接触到患者的唾液、血液，并且在口腔治疗操作过程中会产生的大量混合着唾液、血液或呼吸道分泌物的喷溅物，可经呼吸道吸入或污染诊室设备表面从而导致病原体的传播[3，4]。因此，口腔相关从业者被认为是SARS-CoV-2暴露的高风险人群[5]。既往的学者已在喷溅物扩散范围方面[6，7]有一定的研究，但并未区分来自于医院环境和来自患者口腔的病原体微生物。本实验通过使用荧光素钠溶液模拟唾液的方法进一步明确喷溅物的特性以及病原体的来源，以期为临床工作中口腔治疗防控措施的制订提供依据。

材料和方法

1.场地与设备

选取北京大学口腔医院一间独立口腔治疗诊室作为实验场地，平均室温25℃。为了确保无外部风力影响，诊室的窗户以及空调系统保持关闭。实验在人体仿头模型上进行，调整仿头模型的角度使下颌平面与地面呈30°夹角以模拟口腔治疗时的角度。在牙列模型上使用了一张打了28个孔的橡皮障覆盖全牙列以模拟人正常口腔容量（100 mL）。

实验使用可更换设备水路的移动式治疗仪（TC-169便携式涡轮仪，上海通达）进行，配备高速涡轮手机（T3 SIROBoost,Sirona Dental Systems GmbH），并使用弱负压吸引器（功率28.17 mL/秒，以下简称弱吸）以及强负压吸引器（功率78.74 mL/秒，以下简称强吸）进行干预。以上下颌牙列中点连线的中点为中心，以仿头模型的12点位为1号方向，顺时针方向每隔45°设置一个方向，共7个方向，每个方向上每隔30 cm设置一个滤纸片放置点，共36个滤纸片放置点（图1），并使用47 mm直径圆形滤纸片（1级定性滤纸，Whatman）采集喷溅物。

图1 滤纸片摆放位置及操作者座位

2.实验分组

本实验分组依设备水源不同设唾液模拟组和水路组两组。在进行唾液模拟组实验时，使用定速点滴装置以2 mL/min的速度通过管路将1 g/L的荧光素钠（C20H10Na2O5，Solarbio）饱和溶液作为喷溅物观察指示剂传导至牙列模型中，模拟口腔治疗过程中口内刺激性唾液的生成（图2），并且将蒸馏水放入移动治疗仪自供的清洁水瓶中作为冷却水，水流量50 mL/min。在进行水路组实验时，不设置口内模拟唾液管道，将荧光素钠溶液加入移动治疗仪自供的清洁水瓶中作为高速涡轮手机的冷却水，水流量50 mL/min。

图2 唾液模拟组口内导管位置

3.实验流程

（1）唾液模拟组和水路组在不同高度的差异：滤纸片放置点设置2个高度平面，分别为距地面70 cm高度和100 cm高度。70 cm高度为仿头模型牙列口腔中心点的高度，模拟临床工作中患者在牙椅上口腔的高度，100 cm为身高170 cm医师在坐位时颈部的高度，模拟医师呼吸区高度。每次进行实验时，仅在一个高度平面收集滤纸片。实验者坐于仿头模型的10点位进行操作（图1），分别将钻针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，之后使钻针在牙齿轴面上匀速运动以模拟备牙过程，整个过程共计20秒。在进行唾液模拟组实验时，提前打开点滴装置5秒后，启动设备开关使高速涡轮手机运行20秒后同时关闭点滴装置和手机。在进行水路组实验时，将钻针放在相应位置后以同样的方式模拟备牙过程，启动设备开关使手机运行20秒钟后关闭。手机运行过程中不使用干预措施。待喷溅物沉降30分钟后，收集所有滤纸片并对诊室进行通风处理。每个不同条件下的实验重复3次。此部分共计进行36次实验。

（2）水路组在离地70 cm高度的分布情况及干预措施效果：实验在距地面70 cm高度平面进行，对水路组各个牙位产生的喷溅物在离地70 cm高度的分布情况和干预措施效果进行研究。分别在无干预措施、弱吸干预及强吸干预的情况下在三个牙位模拟备牙过程，在开启开关的同时开启吸引器，并在运行20秒后同时关闭。每个不同条件下的实验重复3次。此部分共计进行27次实验。

4.统计分析

我们在每张滤纸片上均匀选取10个位点在荧光显微镜（OLYMPUS IX53倒置显微镜，OLYMPUS）下使用FITC档位（激发光源波长为488 nm）进行观察，并且用Olympus CellSens Standar软件进行背景黑平衡处理后进行图像拍摄，每张图像对应实际面积16.61 mm2。根据显微镜放大的固定倍率及图像比例尺，我们将喷溅物颗粒的大小分为≤50 μm，＞50 μm且≤100 μm，＞100 μm且≤200 μm，＞200 μm四类。统计了每张图像上不同粒径颗粒的数量并进行汇总。使用IBM SPSS Statistics 21统计学软件，采用多因素方差分析对各条件下荧光素点的数量进行分析，检验标准α＝0.05。

结 果

1.无干预措施时荧光素点数量分布情况

图3展示了在无干预措施的情况下水路组和唾液模拟组在不同高度平面荧光素点的数量情况。水路组荧光素点数量显著高于唾液模拟组（P＜0.01）。在水路组中，相较于70 cm高度平面，在100 cm高度平面上荧光素点的分布减少，而在唾液模拟组100 cm高度平面上未检测到荧光素点的存在。

图3 无干预措施的情况下荧光素点分布均值

AM为各条件下荧光素点数量的均值。图3展示了各个条件下的均值+标准差,使用多因素方差分析，最终统计分析的结果显示不同牙位（P＝0.019）、不同实验组（P＝0.000）、不同高度（P＝0.001）之间均存在显著差异。

2.荧光素点粒径分布情况

由于显微镜固定的放大倍数以及拍摄软件提供的500 μm比例尺，我们通过相应比例分别确定50 μm，100 μm，200 μm比例尺，并与荧光素点大小进行比对，可以区分其粒径大小（图4）。

图4 粒径划分标准及比例尺

荧光素点粒径的分布情况如图5所示。在唾液模拟组中，显微镜下所检测到的所有荧光素点粒径均大于100 μm；而在水路组中的不同牙位，尽管荧光素点粒径以大颗粒为主，但均有超过1/3的荧光素点粒径小于等于100 μm。

图5 70 cm高度水平无干预措施情况下荧光素点粒径分布情况

不同干预措施对水路组70 cm高度水平各牙位的效果情况如图6所示。在使用强吸干预时，喷溅物基本得到控制，少量逃逸的颗粒物粒径均大于200 μm。在使用弱吸干预时，在不同牙位荧光素点数量均有减少，且粒径小于等于100 μm的荧光素点占比呈下降趋势，在46、44、41位置分别下降了47.15%、11.75%、15.38%。

图6 干预措施作用下荧光素点分布

AM为各条件下荧光素点数量的均值。

3.70 cm高度水平水路组荧光素点不同位点的分布情况

在水路组70 cm高度水平，我们将各条件下的荧光素点平均数量取自然对数，其在各个方向的分布情况如图7所示。荧光素点主要分布在仿头模型的3-9点位，具体根据牙位不同有一定差异。大多数荧光素点的范围局限在60 cm以内，少部分能够到达60 cm以上且90 cm以内。相较于前磨牙区和磨牙区，在前牙区操作时产生的喷溅物扩散范围更广，且数量更多。通过使用干预措施后的分布情况可以看出，在前磨牙区和前牙区，弱吸能够一定程度上降低喷溅物的数量并减小其扩散范围，但在前牙区域喷溅物数量没有明显降低；强吸在不同牙位普遍能够降低喷溅物的数量并减小其扩散范围。

图7 水路组70 cm高度水平在不同措施干预下各方向分布情况

我们将每个位点荧光素点平均数量取自然对数，以不同颜色显示。若荧光素点数量为0则不显示。图中最远距离为60 cm。

讨 论

口腔治疗喷溅物中的病原体微生物来源主要分两类，一类是医院环境，包括管路，冷却水，以及诊室物体表面等，另一类是人体，包括患者的唾液、血液、呼吸道分泌物等[8]。既往针对口腔治疗喷溅物病原微生物的研究方法主要是微生物检测法，通过空气采样器、培养皿等主动或被动方式采集不同空间位置空气中的微生物后进行培养，通过证明口腔治疗操作期间患者口腔周围空气中微生物含量较未操作时增加，间接证明喷溅治疗导致了污染的扩散[9，10]。但这些研究未对喷溅物中病原体微生物的来源进行分析，同时受培养方法的限制培养出的微生物种类有限[11]，一些真菌、病毒和细菌无法被培养，最终可能会导致结果的偏差。Meethil的一项研究[12]对唾液、冷却水以及治疗过程中产生的喷溅物中的微生物进行了16S rRNA基因测序和分析，结果显示在28名受试者中，只有8名在其治疗后沉降的喷溅物中检测到唾液来源的微生物。本研究为明确唾液和冷却水对喷溅物构成的影响，分别将荧光素溶液加入水路和模拟唾液，在模拟喷溅治疗后沉降30分钟[7,13]并进行通风处理[14]以确保沉降物基本完全沉降且空气中无残余。在收集到的滤纸片中，两组最终检测到的荧光素点数量存在较大差异，水路组的荧光素点数量明显多于唾液模拟组（P＜0.01）。这意味着喷溅治疗释放的所有颗粒物中大部分仅包含冷却水成分，仅有小部分曾接触了模拟唾液。

一项流体力学研究[15]显示直径＞100 μm的液滴在不到1 s的时间内沉降到地面，无明显蒸发；当液滴直径＜100 μm时，通常会在沉降前蒸发形成液滴核。液滴核能够在空气中长时间悬浮，并随着环境气流运动，可能达到污染通风系统的高度（4～6米）。由于不同粒径的颗粒物导致感染扩散的风险不同[16]，因而掌握口腔喷溅治疗颗粒物的粒径分布特点和传播特性对于抑制呼吸道传染病的传播及进行医患防护都至关重要。荧光素示踪实验中发现唾液模拟组中检测到的荧光素点粒径普遍大于100 μm，这意味着小粒径喷溅物与口内模拟唾液界面接触后，难以再以小粒径颗粒物的形式携带口内的荧光素指示剂扩散到口外。混合了模拟唾液的喷溅物质量大且速度较低，根据运动规律，这些大液滴会快速降落到地面，在空气中停留时间短，最终扩散的范围局限。

在不同干预条件的对比中可以发现强吸的作用显著，基本能够完全控制喷溅物，少量逃逸干预的颗粒物粒径均大于200 μm，在空气中停留时间短。既往的一些研究也证实了强吸的作用[13，17]，将强吸列为口腔治疗过程中的推荐防护措施[18]。而弱吸尽管无法完全控制喷溅物，但使用弱吸后小颗粒物占比有所下降，这提示我们当喷溅物数量较大而吸引器吸力有限时，小颗粒物可能更容易被吸引器吸入而大颗粒物更容易逃逸到外界环境中。对于呼吸道疾病来说，小颗粒物较大颗粒物携带的病原体相对载量更大[19]，且小颗粒物能深入呼吸道，致病力相对更强[20]。在没有使用强吸的条件时，使用弱吸也在一定程度上能够减少喷溅物扩散的风险。70 cm高度水平水路组分布情况的结果也同样支持这个观点。当牙位逐渐向前牙靠近时，由于口腔软硬组织等的遮挡作用减小，喷溅物越发分散，且数量增加。在加入弱吸进行干预后，虽然能起到一定的效果，但在前牙区域由于喷溅范围较广而弱吸吸力较弱且开口处口径较小，控制效果稍差。而强吸在前牙区、前磨牙区、磨牙区普遍控制效果更好。因此我们推测在临床工作中，使用强吸能够较好地控制喷溅物；而在使用涡轮手机进行后牙区的治疗时，弱吸也能起到不错的控制效果。

新冠疫情的爆发对全球口腔医疗界及口腔医生都带来巨大影响。一项针对口腔医生问卷调查[21]显示由于害怕口腔治疗过程导致病原体传播，口腔医生承受的心理压力显著增加。实际上，一项队列研究[22]显示与普通人群相比，牙科诊所的SARS-CoV-2传播概率更低，流行病学研究[23]结果显示COVID-19在牙医和普通人群之间的流行率没有显著差异。在本实验的唾液模拟组中，100 cm高度并没有检测到荧光素点，这说明高速涡轮手机释放的冷却水在接触口内模拟唾液后可能无法再传播到较高的位置。本研究的结果提示，喷溅物中患者唾液来源的病原体含量可能十分有限。我们应进一步结合临床试验，定量分析喷溅物中病原体的含量和来源占比。在疫情防控常态化期间，具备有效防护措施的情况下，不应简单化地暂停口腔喷溅治疗，从而提高医疗服务利用率。

在口腔诊疗过程中除了高速涡轮手机，超声洁治器、三用枪等设备在使用过程中也能够产生喷溅物[24]，且不同的牙科设备产生的喷溅物性质和运动特点大相径庭[25]。本实验使用了高速涡轮手机，在未来的实验中可能会进一步完善其他设备的相关实验。另外，本实验采用被动采集的方法，虽然避免了气流对喷溅物的影响，但部分气溶胶可能在空气中悬浮，无法完全采集到而导致遗漏。数值模拟是研究流体运动的一个常用方法。Chen[26]的研究中通过使用计算流体力学建模模拟了诊室内的气溶胶流动以及空气净化器的影响。在明确了喷溅物的速度、粒径分布等特性之后，未来可以采用数值模拟的方式进一步研究口腔治疗喷溅物的时空动态分布。