【感染科普笔记2022-9-14】袁超丨气溶胶与口腔感染防控
本帖最后由 禅静思语 于 2024-9-26 11:44 编辑袁超丨气溶胶与口腔感染防控https://mp.weixin.qq.com/s/Q68WBNmmscIAR6OKPcePNg
讲者丨袁超（北京大学口腔医院）
整理丨徐丽（宁波鄞州二院）/朱越燕（浙江省人民医院）责编丨蓝雪0816来源丨2021年全国感控与耐药感染大会
新冠疫情爆发以来，口腔诊疗活动因为有以下特点，所以在感染防控中被定义为高风险操作，一、口腔诊疗时使用的高速涡轮手机、超声波洁治器可以产生大量的气溶胶和飞沫；二、口腔中来源于唾液、血液、呼吸道分泌物中的致病微生物对周围环境造成污染；三、口腔诊疗过程中，医护与病人之间近距离操作，并且产生唾液喷溅；四、很多口腔医疗机构大诊室的布局，可能造成交叉传播。
在常态化的新冠疫情防控阶段，如何开展口腔医疗机构的感染控制是我们面临的重大课题。其中气溶胶的产生和逸散规律是研究的热点和难点。对气溶胶的深入认识有助于感染控制措施（例如诊疗间隔时间、诊室布局等）的制定。
以往的研究主要集中在呼吸道传播的研究，呼吸道液滴颗粒的大小对其在空气中的运动轨迹及其扩散范围有很大影响，大液滴在不到1秒的时间内沉降到地面没有明显的蒸发，从而污染周围的环境；小液滴的蒸发速度比沉降速度快。利用高速成像技术获取的数据已经证明打喷嚏不仅可包括大小液滴，更确切地说喷嚏是由湍流的热羽流，加快了周围的空气及不同直径的水滴的扩散。
对于口腔诊疗过程中产生的气溶胶研究，目前主要集中在口腔诊疗环境中致病微生物有什么和有多少这两个方面。研究的方法主要是对空气样本进行培养或者测序。但是新冠疫情对研究有了更深的要求，我们更加迫切想知晓口腔病原微生物是怎么产生的，运动规律怎么样，到底能到多远，如何有效控制。因此我们就提出利用以液滴作为研究载体的想法。
口腔诊疗过程中发生了什么？我们要先有理论再有证据，提出相应的假设。以高速涡轮手机为例，治疗中手机会喷出高压气体及冷却水，在设备出口处形成气雾，气雾通过口腔内壁的反射向四周逸散。逸散的运动模式，受到口腔内壁反射后形成的颗粒大小、速度和周围流场速度分布影响，呈现出三种运动轨迹。其中大于100um的颗粒呈现弹道沉降的传播特征，50-100um颗粒悬浮后沉降，＜50um的颗粒悬浮蒸发后以气溶胶形式悬浮随流场运动。
要做好口腔诊疗操作中的感染防控，需要了解并解决以下几个关键问题：
[*]喷溅物传播特征；
[*]颗粒分布、速度分布；
[*]污染范围及相关防控措施的效果。
我们通过文献调研和跨学科合作，和北京大学工学院和中国科技大学信息学院联合研究了相关方案，设计了本研究方式。通过学科交叉的方式，探索口腔诊疗中的气溶胶问题，同时本项目也获得了2021年首都卫生科研专项资助。
首先我们需要对口腔喷溅治疗有直观、定性的了解。这部分我们采用高速成像技术，对喷溅过程中做了图像记录，使其可视化，可直观、稳定地观察喷溅产生和逸散的过程，从而发现其运动规律，其中成像频率可达到6000帧/秒。
同时我们还搭建了实验模拟平台，以独立的诊所为基础。铺设环绕LED灯光和360°黑色背景，以获得最好的灯光液滴反射效果，并采用固定支架、固定的治疗设备位置和角度，相同功率下多次拍摄，模拟前牙区和后牙区的治疗情况，其中前牙区主要反应口腔开口处的喷溅情况，后牙区反应深部治疗的喷溅状态。对于图像数据做了多步骤的处理，包括减去背景、去除噪点、直方图均衡、Gamma转换用于后期数字化图像分析。这是其中一种运动状态下的视频输出效果，有助于我们观察大小液滴的运动规律。
通过不同时间点图像数据，我们发现高速涡轮手机喷溅以气溶胶为主，前牙区和后牙区气溶胶运动方向差异比较大，前牙区运动较分散，后牙区运动方向较集中且运动速度快。而超声洁治器以大液滴较多，气溶胶云团面积小且逸散较缓慢。通过图像拼接，在同样的比例尺下对比涡轮手机和超声洁治器，可以发现涡轮手机传播范围较大、速度快，超声手机范围较局限、溢散慢。分析其原因，涡轮手机由于高压气流推动，持续流场，流场的反作用力推动了气溶胶云场的扩散，因此应该根据不同工具的差异，设计个性化的感染防控措施。接着进一步研究了喷溅物的粒径分布情况，发现粒径大小决定了其运动规律，通过文献调研，激光衍射的方法可以测量粒径的分布。一篇发表在《柳叶刀》的文章中提出口腔飞沫的粒径分布呈现出大液滴、小液滴两相分布的趋势。激光衍射和静态散射的原理是颗粒越大，散射光的分布范围越广。颗粒为理想的圆球形，散射的光斑由中心的亮斑和外围一系列明暗相间的同心圆组成。这种光斑叫做艾里斑。中心亮斑包括衍射斑，因此把中心亮斑的角半径作为艾里斑的半径。颗粒大小和艾里斑的大小有一一对应的关系。测量结果显示涡轮手机的喷雾体积成正态分布，通过反射之后大颗粒减少，以＜50m的小颗粒为主。其中＜5um的颗粒占总数量一半。可见涡轮手机可产生大量的小颗粒液滴而形成气溶胶。超声洁治器的颗粒分布可显示出其大粒径颗粒分布较多，呈现双峰分布形式，可形成气溶胶的颗粒物远远小于涡轮手机产生的。总结：口腔的喷溅物颗粒物以＜50um的液滴为主，形成悬浮云团，沉降比较慢。其中涡轮喷溅半数形成＜5um的液滴，快速蒸发形成液滴核，其数量密度远大于打喷嚏、咳嗽等呼吸事件，涡轮手机的喷溅尤其密集。那么喷溅物扩散的速度有多快呢？这里我们应用了光流估计的计算机视觉技术。对速度进行估计，对拍摄视频进行分析，计算其速度。视频中一帧中代表同一对象（物体）像素点移动到下一帧的移动量、速度、距离、方向，用二维向矢量进行计算。研究发现跟踪大液滴运动轨迹的时候使用稀疏光流的效果较好，左图中可很好跟踪大液滴的运动轨迹，而小颗粒气溶胶运动轨迹我们更多地使用稠密光流的方法对速度进行估计。计算结果也初步证实了大液滴、小液滴的假设和分析结果。估计大液滴气溶胶云团的运动速度，有气流云场推动的涡轮的气溶胶速度几乎等同于大液滴的运动速度＞2m/s以上，而超声产生的气溶胶的速度由于没有气流的推动速度相对较慢。通过计算，大液滴以弹道形式（抛物线落体）运动，根据自由落体运动方式，通过初速度计算出其污染范围大约1m左右。气溶胶云的扩散速度差异较显著，受到气流大小、方向、运动过程中发生的蒸发、破碎、凝并等复杂物理过程的影响，速度的变化复杂。通过上述对喷溅物颗粒物运动规律、粒径分布及速度测量等我们最终目的是预测其污染范围。但是由于口腔不同反射界面导致气溶胶的产生和扩散的随机性和不确定性，我们应该利用计算流体力学技术来模拟污染物扩散的情况。计算流体力学技术是流体力学的分支，21世纪流体力学主要研究领域技术之一，它是利用数值方法求解流体力学的控制方程的近似解，进而模拟并预测流体在时空中的运动。得益于目前计算机技术的高速发现，许多原先束手无策的复杂流体流动问题现在都可以利用CFD方式求解。包括很多无法多次重复试验的高成本实验。目前与本研究相关的领域也有不是很成熟的工作，例如多项流动混合模拟大气环境监测等。这为我们工作的开展提供理论和算法的支持。以下就是两个经典的算例，一个是求解气液边界的变化，另一个是研究颗粒蒸发的情况。本研究由于喷溅物复杂特征，其流动呈湍流的特性，因此流场求解使用大涡模拟形式进行求解。气溶胶应用粒子追踪耦合模型，直接分析粒子所有受力，分析粒子运动速度，根据单位时间的单位位移，可以完全模拟气流的运动。模拟成千上万粒子的运动速度，计算消耗较大，寻求新的满足计算精度及缩短计算消耗的方式。现在使用的计算模型是基于MPPIC方法开发，兼具计算精度和计算效率。模拟高速涡轮手机治疗时的喷溅状况，喷溅物以气雾为主，颗粒较小，速度较快。出口处为1.2m/s到距离牙面1m处衰竭至0.2m/s。从轮廓中可发现，在1m处气雾出现了断层，分为上下两段。这个计算结果与实验结果、方向、速度、趋势方面都有很高的拟合度。如果我们继续修改建模，把头端位置抬高，与地面拉开一定距离，模拟人在枕椅上的治疗位置，这次模拟我们测量出污染物的高度可以达到距离牙面1m的位置，红色方块标记出周围大液滴的污染范围，表明其对周围附着的区域对牙台出口周围的区域造成的污染。目前的数值模拟并没有增加合适的蒸发模型，我们假设所有的液滴自始至终保持一样的大小。而实际中伴随表面蒸发现象存在，液滴在上升的过程中很快由大变小蒸发成液滴核，最终不见了。所以蒸发模型非常必要，我们以研究喷雾的过程中产生蒸发模型的情况，喷雾从喷嘴处喷出来后数量多且密集，发生聚集性的碰撞而产生二次破碎，二次破碎后，更细小的液滴进入了更宽阔的区域。研究中通过治疗设备中喷出的气雾，进过口腔、牙齿反射后二次破碎产生了更多的小液滴，导致更多气溶胶的产生。研究的最后一部分我们利用高速成像和激光衍射的技术对于不同口腔诊疗过程中控制气溶胶措施进行评价，如强吸引器、弱吸引器，以及新冠疫情暴发以来医院引进的空气抽吸器，可以很高的频率对空气中喷溅的气溶胶进行清洁和消毒，控制诊室空气清洁度。高速成像的视频效果，左边第一幅是无干预措施的喷溅效果；使用强吸后可以发现几乎没有气溶胶溢出，偶尔大液滴会出现；使用弱吸时大液滴和气溶胶有虽一部分减少但无法进行良好的控制。大面积的抽吸器可以很好控制气溶胶逸散的扩散，将扩散出的气溶胶控制在抽吸器的范围内。为了更好评价3000张连续拍摄的视频图像，进行概率密度的分析，以热图形式进行展示，从红色到蓝色表示像素点出现喷溅物概率从高到低的过程，可以发现强吸的效果最好，但仍有气溶胶的逸散，抽吸器可以有效控制气溶胶的逸散。因此我们推荐从“面”到“点”的全方位防控，即点吸引器，推荐强烈吸引器结合使用大面积抽吸器，控制气溶胶的逸散。但是由于医务人员的近距离接触，即使使用点面结合的防控措施。医护人员仍需要按规范做好防护。点面结合分防护措施有助于气溶胶的远距离传播，对于大诊室，病人间的感染控制非常必要。新冠疫情爆发发以来，我院并没有停诊，我们联合各项感染防控措施，没有发生一例医务人员感染的情况，尤其经受住了新冠确诊患者就诊的考验。以上研究也为疫情常态化的精准防控提供了依据。图文：王小虾
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