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

近10年來(lái)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(duì)疾病的傳播是一個(gè)潛在的途徑[1]。在口腔診療過(guò)程中,常用的治療器械超聲潔牙機(jī)的使用會(huì)產(chǎn)生大量飛沫[2],這些飛沫通常含有有機(jī)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(dāng)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(shí),如結(jié)核桿菌病毒等[4],其產(chǎn)生的飛沫可構(gòu)成嚴(yán)重的潛在危險(xiǎn)。其通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)擴(kuò)散到室內(nèi)環(huán)境引起多人感染肺結(jié)核[5]。在進(jìn)行口腔潔牙時(shí)超聲波高頻振動(dòng)治療產(chǎn)生的大量飛沫含有細(xì)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(wèn)題常被忽略。

中外學(xué)者對(duì)室內(nèi)人體打噴嚏時(shí)產(chǎn)生的口腔飛沫進(jìn)行了廣泛的研究,Harrel等[7]、Bennettd等[8]和De albuquer等[9]針對(duì)室內(nèi)空氣生物氣溶膠污染的種類(lèi)、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(wèn)題展開(kāi)了分析研究。魏方等[10]進(jìn)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(píng)估呼吸道傳染病經(jīng)空氣傳播能力的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,研究的重點(diǎn)主要集中在利用數(shù)值模擬的方式對(duì)人體咳嗽時(shí)產(chǎn)生的口腔飛沫的傳播進(jìn)行預(yù)測(cè)。邢超杰等[11]用粒子計(jì)數(shù)器對(duì)牙周科診療過(guò)程中使用超聲波刮治機(jī)所引發(fā)的氣溶膠濃度和數(shù)量隨時(shí)空的分布特性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)量口腔中排出的飛沫的速度對(duì)于更好地控制感染和阻斷病毒傳播至關(guān)重要。而針對(duì)口腔診療中超聲波高頻振動(dòng)治療產(chǎn)生的飛沫的流動(dòng)動(dòng)態(tài)的可視化研究較少,如果可以將飛沫的流動(dòng)動(dòng)態(tài)可視化,直接觀察到飛沫的擴(kuò)散范圍和飛濺高度并測(cè)算出飛沫的流動(dòng)速度,對(duì)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(shí)踐具有關(guān)鍵性的作用。

在成功使用單一相機(jī)和單一光源拍攝到口腔飛沫在空氣中的流動(dòng)的基礎(chǔ)上,現(xiàn)針對(duì)超聲波潔牙治療中的實(shí)際情況,使用高速相機(jī)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(guò)程中引發(fā)的飛沫的流動(dòng)情況,并結(jié)合圖像處理技術(shù)使得飛沫的流動(dòng)情況可視化,然后使用粒子分析軟件對(duì)飛沫的流動(dòng)速度、流動(dòng)軌跡、Y軸方向的位移變化、初始擴(kuò)散角進(jìn)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(duì)貴州省貴陽(yáng)市口腔醫(yī)院觀山湖院區(qū)牙周科真實(shí)的超聲潔牙過(guò)程進(jìn)行了拍攝實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2022年1月11—13日,實(shí)驗(yàn)拍攝到飛沫流動(dòng)情況如圖1所示。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)高速攝像機(jī)記錄下的飛沫流動(dòng)畫(huà)面,難以觀察到其流動(dòng)軌跡。相比對(duì)人體模型的拍攝,拍攝真實(shí)患者的治療有以下幾個(gè)原因會(huì)影響飛沫流動(dòng)的捕捉。

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

(1)光照強(qiáng)度及光照時(shí)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(jī)的,所以需要強(qiáng)光持續(xù)照射預(yù)定拍攝區(qū)域,但這會(huì)使得醫(yī)生出現(xiàn)眼花等情況,嚴(yán)重干擾了正常治療。長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)光照射也會(huì)使患者的面部皮膚有灼燒感,只能間斷性打開(kāi)光源,所以總是錯(cuò)失拍攝時(shí)機(jī)。

(2)光源位置:如果光源的位置和高度一直處于固定位置時(shí),會(huì)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(fèi)大量的時(shí)間重新對(duì)被拍攝區(qū)域進(jìn)行對(duì)焦,以至于錯(cuò)失拍攝時(shí)機(jī)。

(3)畫(huà)面視場(chǎng):由于治療時(shí)光照強(qiáng)度不足,實(shí)驗(yàn)拍攝時(shí)使用100 mm定焦的微距鏡頭,可以捕捉到飛沫的流動(dòng)但是視場(chǎng)較小,無(wú)法記錄飛沫的流動(dòng)軌跡。使用24 mm的廣角鏡頭進(jìn)行拍攝,可以獲得較大的視場(chǎng),但由于光源位置的不固定、光源強(qiáng)度受限、醫(yī)生的操作手的位置隨時(shí)變化等因素,相機(jī)難以捕捉到飛沫的流動(dòng)。

(4)背景復(fù)雜:由于獲得的畫(huà)面視場(chǎng)較小,飛沫運(yùn)動(dòng)時(shí)的背景較為復(fù)雜,飛沫的粒徑較小且運(yùn)動(dòng)較為集中,無(wú)法突出飛沫的流動(dòng)情況,對(duì)飛沫的運(yùn)動(dòng)分析也將無(wú)法進(jìn)行。

相比于拍攝真實(shí)患者的治療過(guò)程,以人體模型為拍攝主體可以解決在真實(shí)患者拍攝時(shí)遇到的問(wèn)題,所以選用以人體模型為拍攝主體。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)環(huán)境

1.2.1 超聲波潔牙機(jī)

針對(duì)牙周診療中超聲潔牙機(jī)引發(fā)的飛沫流動(dòng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析,選用啄木鳥(niǎo)牌USD-E型超聲波潔牙機(jī)。超聲波潔牙機(jī)是由高頻振蕩電路產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)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(dòng),工作尖受到激勵(lì)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(xì)菌等清除,同時(shí)工作尖流出清洗液對(duì)工作尖進(jìn)行冷卻并牙齒表面進(jìn)行清洗[11]。由主機(jī)、手柄、工作尖、腳踏開(kāi)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(jī)

在牙周科診療過(guò)程中超聲潔牙儀引發(fā)的飛沫流動(dòng)速度非常快,因此,實(shí)驗(yàn)使用高速相機(jī)來(lái)記飛沫的流動(dòng)。為了保證拍攝到清晰的飛沫流動(dòng)用于數(shù)據(jù)分析,需要獲取高質(zhì)量的飛沫流動(dòng)圖像。

相機(jī)根據(jù)芯片類(lèi)型的不同工業(yè)相機(jī)可分為CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)。CMOS圖像傳感器具有成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn),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(shí)際需求與后續(xù)的使用需要,選用高速相機(jī)(IDT Y4-S2)。

1.2.3 工業(yè)鏡頭

工業(yè)鏡頭是搭配工業(yè)相機(jī)實(shí)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(jì)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(shí)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(gè)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(duì)于定焦鏡頭,可以多次調(diào)整焦段以獲得最佳的拍攝視場(chǎng)。

1.2.4 光源

對(duì)單一飛沫流動(dòng)的捕捉,光源的選擇通常需要根據(jù)拍攝視場(chǎng)的具體要求、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與項(xiàng)目預(yù)算等情況進(jìn)行綜合考慮。由于飛沫的流動(dòng)速度快,相機(jī)設(shè)定的曝光時(shí)間短,因此需要選擇特定類(lèi)型的光源使得拍攝視場(chǎng)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(jī)和光源的參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)拍攝時(shí)相機(jī)的分辨率為1 016 × 1 016像素,幀率設(shè)置為1 000幀/s、曝光時(shí)間為575 μs、單次拍攝時(shí)間為3 s,記錄飛沫離開(kāi)口腔后的高速視頻。但是,在1 000幀/s的理想曝光時(shí)間下,如果相機(jī)垂直于光源,由于飛沫的米氏散射特性,單個(gè)光源的強(qiáng)度不足以捕捉到飛沫的流動(dòng)[15]。為了克服這個(gè)問(wèn)題,相機(jī)被放置在一個(gè)與光源照射方向不同的角度。另外,由于飛沫的高速運(yùn)動(dòng),相機(jī)以一個(gè)固定的角度錄制視頻會(huì)導(dǎo)致透視失真。因此實(shí)驗(yàn)拍攝時(shí)相機(jī)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?？谇恢行狞c(diǎn)為1 450 mm,經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)此布置為最佳拍攝角度,如圖2所示。為獲得較大的視場(chǎng)范圍,記錄飛沫較完整的流動(dòng)軌跡,相機(jī)搭載尼康24～85 mm,最大光圈為F2.8的變焦鏡頭,拍攝時(shí)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(jìn)光量來(lái)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?？谇恢行狞c(diǎn)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(shí)驗(yàn)條件及過(guò)程

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)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(jī)引發(fā)且離開(kāi)口腔的飛沫,其數(shù)量、流動(dòng)速度、流動(dòng)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(dāng)超聲潔牙機(jī)的工作功率及流水量調(diào)至最高時(shí)引發(fā)的飛沫數(shù)量最多,飛沫的流動(dòng)位移也最大。本文研究旨獲取在超聲潔牙治療過(guò)程中產(chǎn)生的飛沫的流動(dòng)軌跡、最大流動(dòng)速度及最大位移變化等數(shù)據(jù),為相關(guān)醫(yī)用防護(hù)設(shè)備的研制提供參考。所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,醫(yī)生手持超聲潔牙儀對(duì)頭模的口腔進(jìn)行潔牙時(shí)超聲潔牙儀的工作功率及流水量調(diào)至最高。實(shí)驗(yàn)將口腔內(nèi)的牙齒分為6個(gè)大區(qū),如圖3(a)所示。將其腭側(cè)、頰側(cè)、咬合側(cè)單獨(dú)劃分,其中一區(qū)和五區(qū)的咬合面過(guò)小所以不針對(duì)咬合側(cè),共計(jì)16個(gè)區(qū)域,如圖3(b)所示。在預(yù)實(shí)驗(yàn)中,經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)獲得了工作尖與各區(qū)域牙齒接觸時(shí),引發(fā)的飛沫飛濺距離最遠(yuǎn)的接觸角度。接通水路,啟動(dòng)超聲潔牙儀,操作員按照預(yù)實(shí)驗(yàn)中的操作方法對(duì)頭模的口腔進(jìn)行潔牙治療,打開(kāi)高速攝像機(jī),依次捕捉這16個(gè)區(qū)域中的牙齒在接受超聲潔牙治療時(shí)產(chǎn)生的飛沫的流動(dòng)。

圖3 牙齒分區(qū)圖Fig.3 Tooth partition

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)的牙科獨(dú)立診室,室內(nèi)為自然通風(fēng),診療區(qū)窗戶微開(kāi),診療區(qū)與休息區(qū)相連接的門(mén)完全打開(kāi),工作期間未使用機(jī)械通風(fēng),室內(nèi)溫度變化區(qū)間為25～27 ℃,室內(nèi)外相對(duì)濕度為40%～60%。

2 飛沫流動(dòng)圖像預(yù)處理與圖像堆疊

2.1 飛沫流動(dòng)圖像預(yù)處理

在對(duì)飛沫流動(dòng)的數(shù)據(jù)分析中,能夠準(zhǔn)確分割出無(wú)序流動(dòng)的飛沫是研究的關(guān)鍵點(diǎn)之一。高速相機(jī)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(duì)比度不強(qiáng)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(dòng)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(dòng)情況需要對(duì)圖像的視覺(jué)信息進(jìn)行圖像預(yù)處理為,目的是為了消除多余信息,增強(qiáng)圖像信息的可檢測(cè)性[16],突出飛沫的流動(dòng)。

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

2.1.1 圖像灰度化

相機(jī)拍攝的圖片一般為 RGB 彩色圖像,用RGB 3個(gè)分量,即紅(red, R)、綠(green, G)、藍(lán)(blue, B)三原色來(lái)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(guò)于復(fù)雜,如果直接對(duì)彩色圖像進(jìn)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(zhǔn)備,而灰度圖像是R、G、B3個(gè)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(gè)分量R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)的亮度作為3個(gè)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(diǎn)的橫縱坐標(biāo),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(gè)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(gè)分量R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)的亮度求平均得到一個(gè)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(biāo),如式(6)將3個(gè)分量R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)以不同的權(quán)值進(jìn)行加權(quán)平均。由于人眼對(duì)綠色的敏感最高,對(duì)藍(lán)色敏感最低,因此,按式(6)對(duì)RGB 3個(gè)分量R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)進(jìn)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(duì)圖像進(jìn)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(diǎn)的灰度置為0或255,也就是將整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。當(dāng)把灰度值從0～255進(jìn)行平均量化時(shí),量化的份數(shù)就被稱(chēng)為灰度級(jí)數(shù)。若灰度級(jí)數(shù)為兩級(jí),即將256個(gè)亮度等級(jí)的灰度圖像通過(guò)適當(dāng)?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(shí)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(dòng)態(tài)閾值法等[18]。采用 Threshold函數(shù)對(duì)灰度圖像進(jìn)行全局閾值二值化后,得到二值化圖像。

2.1.3 邊緣檢測(cè)

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(chēng)為邊緣,邊緣檢測(cè)的目的正是通過(guò)標(biāo)識(shí)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(guò)邊緣提取,能夠在保留圖像中可用信息的同時(shí)去除大量的冗余信息。在本文中,對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)是為了得到飛沫擴(kuò)散的輪廓,以便于后續(xù)通過(guò)輪廓信息對(duì)飛沫的擴(kuò)散范圍進(jìn)行測(cè)量。常用的邊緣檢測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)后的圖像如圖5所示。

圖5 邊緣檢測(cè)Fig.5 Edge detection

2.1.4 圖像銳化

圖像銳化是圖像處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié),是對(duì)質(zhì)量低的圖像進(jìn)行處理為后續(xù)的圖像信息提取、圖像識(shí)別等,提供更高識(shí)別度的圖像。在圖像的預(yù)處理過(guò)程中,圖像的攝取、編碼、傳輸?shù)冗^(guò)程中有許多因素會(huì)使圖像變模糊。如攝取過(guò)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(guò)程中對(duì)圖像進(jìn)行放大時(shí)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(duì)這個(gè)問(wèn)題對(duì)圖像的邊緣進(jìn)行增強(qiáng)和高頻分量進(jìn)行補(bǔ)償,圖像銳化的目的是凸顯物體的細(xì)節(jié)輪廓,視覺(jué)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(duì)圖像進(jìn)行銳化。

2.2 圖像堆疊

高速相機(jī)捕捉到飛沫流動(dòng)后,所拍攝的每一張圖片只能記錄下飛沫的瞬時(shí)位置,以多張tif格式的圖片進(jìn)行保存,連續(xù)播放圖片才可以觀察到飛沫的流動(dòng)軌跡。為了更加直觀地觀察到飛沫的運(yùn)動(dòng)軌跡,數(shù)據(jù)采用image j圖像處理軟件的KymographClear2.0模塊對(duì)記錄下的飛沫的連續(xù)流動(dòng)進(jìn)行堆疊合成出飛沫的運(yùn)動(dòng)軌跡圖,調(diào)整圖片的銳化和結(jié)構(gòu)后使飛沫流動(dòng)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(duì)牙齒的16個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行治療時(shí)所引發(fā)的飛沫的流動(dòng)軌跡。數(shù)據(jù)表明超聲潔牙機(jī)在不同牙齒區(qū)域內(nèi)所引發(fā)的飛沫的流動(dòng)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(kuò)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(jī)針對(duì)不同牙齒區(qū)域治療時(shí)產(chǎn)生的飛沫的運(yùn)動(dòng)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(cè)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(jì)上需要獲得飛沫的流動(dòng)速度進(jìn)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(duì)單一飛沫的流動(dòng)進(jìn)行追蹤,首先對(duì)相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行銳化、結(jié)構(gòu)和去除噪聲等預(yù)處理,單一粒子的流動(dòng)更加清晰便于軟件進(jìn)行跟蹤測(cè)速。然后將預(yù)處理后的飛沫流動(dòng)的連續(xù)圖片導(dǎo)入image j軟件中,使用Manual Tracking功能,標(biāo)定飛沫的初始位置(飛沫飛濺出口腔后的第一個(gè)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(huà)面后停止追蹤。停止追蹤后,軟件系統(tǒng)通過(guò)飛沫每一瞬時(shí)的X、Y坐標(biāo)參數(shù)以及相、每一幀的間隔時(shí)間,測(cè)算出超聲潔牙機(jī)在牙齒各區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生飛沫的最大流動(dòng)速度如圖7所示。第一,具有較明顯運(yùn)動(dòng)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(dòng)速度較快。第二,如圖6所示飛沫的流動(dòng)軌跡多為拋物線形式,飛沫從初始位置流動(dòng)至拋物線頂點(diǎn)的過(guò)程中流動(dòng)速度逐步衰減。

圖7 超聲潔牙機(jī)在牙齒各區(qū)域產(chǎn)生的飛沫的最大流動(dòng)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(gè)區(qū)域中飛濺高度最高的粒子,飛濺至最高點(diǎn)所耗費(fèi)的時(shí)間均不超過(guò)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(jī)在牙齒的16個(gè)區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫離開(kāi)口腔時(shí)的最大瞬時(shí)流動(dòng)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(shí)流動(dòng)速度不超過(guò)8 m/s,88%的區(qū)域所引發(fā)的飛沫的最大瞬時(shí)流動(dòng)速度超過(guò)5 m/s。第四,超聲潔牙機(jī)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(shí)流動(dòng)速度較大,在8～9 m/s的范圍內(nèi)。

圖8 飛沫流動(dòng)至最高點(diǎn)所需時(shí)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(cè)量

超聲潔牙機(jī)所產(chǎn)生的飛沫在Y方向上的最大飛濺高度和飛沫流動(dòng)至最高點(diǎn)時(shí)的水平位移對(duì)吸附裝置的安裝位置的設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。通過(guò)飛沫流動(dòng)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(dòng)軌跡圖,設(shè)置標(biāo)尺,使用Measure功能設(shè)定上嘴唇為原點(diǎn),以流動(dòng)軌跡的最高點(diǎn)為終點(diǎn),即可測(cè)量出超聲潔牙機(jī)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(dòng)至最高點(diǎn)時(shí)的水平位移如圖10所示。

圖9 飛沫流動(dòng)至最高點(diǎn)時(shí)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(dòng)至最高點(diǎn)時(shí)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(dòng)軌跡越明顯;第二,超聲潔牙治療過(guò)程中,牙齒的16個(gè)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(dòng)至軌跡最高點(diǎn)時(shí),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(diǎn)時(shí)的水平位移為50～450 mm。

3.3 飛沫初始擴(kuò)散角測(cè)量

超聲潔牙機(jī)所產(chǎn)生的飛沫其初始擴(kuò)散角度的數(shù)據(jù),對(duì)吸附裝置的吸附口的大小及形狀等參數(shù)的設(shè)計(jì)具有十分重要的價(jià)值。將各區(qū)域的飛沫流動(dòng)圖片經(jīng)過(guò)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(dòng)情況和初始擴(kuò)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(dòng)圖片,使用Angle tool功能如圖11所示繪制出飛沫的初始擴(kuò)散角后即可進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量數(shù)值如圖12所示。第一,超聲潔牙機(jī)在牙齒的16個(gè)區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫,其初始最大擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散角不大于80°;第三,超聲潔牙機(jī)所產(chǎn)生的飛沫其初始擴(kuò)散角集中在90°～170°。

圖11 飛沫的初始擴(kuò)散角測(cè)量Fig.11 Measurement of maximum velocity diffusion angle of droplets

圖12 超聲潔牙機(jī)在牙齒各區(qū)域產(chǎn)生的飛沫的最大擴(kuò)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(dāng)遠(yuǎn)的地方[23]。研究表明,不使用冷卻劑的超聲潔牙機(jī)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(huì)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(gè)病人都當(dāng)作潛在的傳染源。本文研究使用單一相機(jī)拍攝結(jié)合圖像處理的方法成功記錄到超聲波潔牙過(guò)程中產(chǎn)生的飛沫在空氣中的流動(dòng),為研究超聲波潔牙過(guò)程中引發(fā)的飛沫在空氣中的流動(dòng)動(dòng)態(tài)提供了一種可視化方法。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選用人體模型為拍攝對(duì)象,操作員手持超聲潔牙儀對(duì)頭模的口腔進(jìn)行潔牙時(shí)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(guò)多次的試驗(yàn)記錄到飛沫的最大流動(dòng)速度、飛沫的初始擴(kuò)散角度和飛沫的最大飛濺高度的極大值,這為針對(duì)牙科診室傳染病的防護(hù)及相關(guān)吸附消殺設(shè)備的研制提供了強(qiáng)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(fēng)口的大小、風(fēng)速、人員的流動(dòng)等因素均會(huì)對(duì)空氣的流場(chǎng)有所影響[26]。但是本文研究中所展示的試驗(yàn)結(jié)果為在自然通風(fēng)條件下超聲潔牙機(jī)產(chǎn)生的飛沫在空氣中的流動(dòng)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(jì)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(dòng)值,利用CFD數(shù)值模擬軟件在計(jì)算機(jī)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(duì)超聲波潔牙過(guò)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(jìn)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(dòng)。目前對(duì)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(xì)分析,研制出吸附消殺能力強(qiáng)并符合人機(jī)工程學(xué)的醫(yī)療防護(hù)設(shè)備對(duì)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(jī)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(guò)程中引發(fā)的飛沫在空氣中的流動(dòng)動(dòng)態(tài),得出以下結(jié)論。

(1)飛沫離開(kāi)口腔后粒徑不同飛沫混合成團(tuán)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(shì),而粒徑較大粒子的在X軸方向飛濺距離較遠(yuǎn)一些且呈下降趨勢(shì)。

(2)超聲潔牙機(jī)在不同牙齒區(qū)域內(nèi)所引發(fā)的飛沫的流動(dòng)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(kuò)散面積較大。

(3)超聲潔機(jī)在牙齒的16個(gè)區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫在離開(kāi)口腔時(shí)的最大瞬時(shí)流動(dòng)速度不超過(guò)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(jì)可以參考粒徑為5 mm,流動(dòng)速度為9 ～10 m/s的球形水滴的動(dòng)能進(jìn)行匹配。

(4)超聲潔機(jī)在牙齒的16個(gè)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(dòng)至軌跡最高點(diǎn)時(shí),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(jī)在牙齒的16個(gè)區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的飛沫,其初始最大擴(kuò)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(kuò)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(dòng),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。