空气净化器在牙科诊室内环境中控制从患者口腔中散发的液滴/气溶胶颗粒扩散的有效性
编译 浙江省人民医院 朱越燕
摘要
牙科保健工作者 (DHCWs) 在治疗过程中职业性接触患者口腔中散发的飞沫和气溶胶颗粒的风险很高。
通过将空气净化设备放置在牙科诊室内的四个不同位置来评估空气净化器在减少液滴和气溶胶污染方面的有效性。应用计算流体动力学 (CFD) 方法来求解不同大小的气载液滴/气溶胶颗粒的气流、能量和分散的控制方程。
在牙科诊所，测量了通风系统的送风速度和温度、空气净化器的空气流速和颗粒去除效率，以确定 CFD 模拟的边界条件。
研究结果表明，在牙科诊所使用空气净化器可能是减少 DHCW 接触空气中飞沫和气溶胶颗粒的有效方法。
此外，发现液滴/气溶胶颗粒去除的概率和来自清洁器的气流方向都是牙科诊所中液滴和气溶胶污染的重要控制措施。
因此，空气滤清器与飞沫/气溶胶颗粒源之间的距离以及空气滤清器与飞沫源和 DHCW 的相对位置是减少 DHCW 接触患者散发的飞沫/气溶胶颗粒的重要考虑因素
PART
01简介：
由于经常接触患者血液、唾液飞沫和被血液、唾液和组织碎片污染的器械中的微生物，牙科保健工作者（DHCWs）面临着很高的交叉感染风险。这些微生物包括致病细菌、病毒和真菌。
在某些情况下，可能导致高度传染性疾病的直接传播，包括结核分枝杆菌 (TB)、乙型和丙型肝炎、葡萄球菌、单纯疱疹病毒 1 和 2 型以及人类免疫缺陷病毒。此外，暴露于引起上呼吸道感染的病毒，如腮腺炎、流感和风疹病毒，也会对牙科保健工作者（DHCWs）造成相当大的健康风险。
牙科治疗或手术期间的感染传播可通过多种途径发生：直接接触血液、唾液或组织碎片；间接接触受污染的器械或消毒不当的表面；或接触唾液和呼吸道液体中的飞沫或气溶胶颗粒中存在的感染因子。在牙科治疗期间，唾液可能会雾化，口腔中的微生物会导致感染传播。牙钻和超声波洁牙机都与喷水相结合，产生大量包含体液（例如唾液、血液和牙菌斑）和微生物（中心）的液滴/气溶胶颗粒。
这些被污染的飞沫/气溶胶颗粒可能会从患者的口腔转移到 DHCWs 的呼吸区或体表，从而促进病毒的传播。因此，控制从患者口腔排出的飞沫和气溶胶颗粒扩散的措施可以将牙科诊所的交叉感染风险降至最低。
通风系统可能是控制室内环境中空气传播传染病传播的一种有效方法。先前的研究表明，气流模式在预防和控制医院空气传播传染病暴发方面发挥着重要作用。由于房间的空气流动模式在很大程度上取决于通风策略，因此有理由认为使用适当的通风系统是控制医院交叉感染风险的有效方法。向下通风系统广泛用于空气传播感染隔离室，并已被美国采暖、制冷和空调工程师协会 (ASHRAE) 推荐。
尽管牙科诊所给患者和 DHCW 带来类似的交叉感染风险，但缺乏在这些环境中设计通风系统的指南。由于中央空调系统是牙科诊所使用的主要系统，不同房间的住户之间可能会通过回风混合而发生交叉感染。使用空气净化器可能是牙科诊所中控制液滴/气溶胶颗粒分散的一种方法。
空气净化器的具体位置是影响其对液滴/气溶胶颗粒扩散的控制效果的重要因素。奥弗曼发现空气净化器在房间中的位置以及空气混合水平会导致空气净化器的性能发生统计学上的显着变化。诺维沙克和西格尔调查了便携式空气净化器在多区住宅区放置的影响。然而，据我们所知，这是第一项研究空气净化器在控制牙科诊所内患者口腔排放的液滴/气溶胶颗粒扩散方面的有效性的研究。具体而言，我们评估了空气净化器在牙科诊所的放置对飞沫/气溶胶颗粒扩散的影响。
确定从患者口腔排出的颗粒物接触 DHCW 的概率是了解牙科诊所 DHCW 潜在交叉感染风险的重要一步。因此，我们的研究旨在量化从患者口腔排出的空气中颗粒的数量，这些颗粒将进入真正的牙科诊所的呼吸区或到达 DHCW 的体表。我们进一步的目标是确定牙科诊所内空气净化器的最有效位置，以减少 DHCW 接触空气污染物。
我们在北京一家牙科诊所进行了颗粒测量。以前的研究表明，使用计算流体动力学 (CFD) 的工程模拟是研究使用不同通风系统的医院房间内的气流行为、温度分布和污染物扩散的有效方法 。因此，我们使用 CFD 方法分析了在牙科治疗过程中从患者口腔排出的不同大小的空气中飞沫/气溶胶颗粒的分散情况。
我们研究了使用不同通风系统的两床医院病房中呼出的飞沫核的分散情况，以确定最能降低交叉感染风险的通风方法。
Chow 和 Yang（2005）研究了超洁净通风系统「层流」在保护医院手术室的外科医生和患者方面的有效性。为了在患者护理期间更好地保护医护人员，Cheong 和 Phua（2006）采用三种不同的通风策略分析了「负压」隔离室的气流和污染物分布模式。
然而，尽管牙科治疗过程中产生了大量的液滴/气溶胶颗粒，但很少有研究调查牙科诊所特定室内环境中的污染物扩散。空气净化器可能是一种替代且易于实施的方法，用于控制牙科诊所中的液滴/气溶胶颗粒分散。本研究使用在实际牙科诊所进行的测量以及 CFD 的数值模拟来检查空气净化器对液滴/气溶胶颗粒分散的控制。
为了确定 CFD 模拟的边界条件，我们测量了通风系统的送风速度和温度、空气流速，最后测量了牙科诊所内空气净化器的颗粒去除效率。我们比较了 5 个案例案例（一 个关闭空气净化器关闭，四个空气净化器放置在诊所的不同位置）的计算结果，以确定空气净化器的最有效位置，以最大限度地减少 DHCWs 对空气污染物的职业暴露。
PART
02案例分析
2.1 案例说明
根据对 DHCW 的采访和牙科诊所的观察，我们确定 DHCW 在牙科治疗期间通常坐在斜倚患者旁边。牙科诊所的基础 DHCW-患者互动案例（案例 0）是空气净化器关闭的地方（见图 1）
图 1：案例 0 中的牙科诊所示意图
图 a：空气净化器关闭
2、我们将空气净化器放置在诊所的四个不同位置。
案例 1：诊所角落的墙上。这种情况与在牙科诊所进行的测量相对应。我们从与 DHCW 的讨论中了解到，在这个位置放置空气净化器通常是为了方便和节省空间，而不是为了降低空气传播感染的风险。
图 b：空气净化器在诊疗角落墙上
案例 2：靠近患者脚部。空气滤清器供应的空气流量在 X 方向流动。
图 c：空气净化器靠近患者脚部
案例 3：靠近患者头部。在这种情况下，空气净化器最靠近飞沫/气溶胶颗粒源（即患者的嘴）。
图 d：空气净化器靠近患者头部
案例 4：DHCW 背后。与其他情况不同，空气滤清器排出的空气沿 Z 方向流动
图 e：空气净化器在 DHCW 背后
牙科诊所有两种主要的空气传播途径。一是通过飞沫/气溶胶颗粒吸入引起的呼吸道感染，二是通过附着在 DHCW 身体上的飞沫/气溶胶颗粒进行接触感染。我们根据液滴/气溶胶粒子的扩散轨迹，使用拉格朗日模型计算了液滴/气溶胶粒子进入呼吸区或到达 DHCW 体表的概率。
本研究中的呼吸区是指 DHCW 面部周围大约 10 厘米的区域。里士满-布莱恩特 (2009) 发现该区域内的粒子速度降低到吸入速度的 5%。我们假设空气中的飞沫/气溶胶颗粒不断地从患者的嘴里喷出。我们还假设液滴/气溶胶颗粒是球形的。
2.2 分析和结果
由于液滴/气溶胶粒子的运动主要由气流决定，我们首先分析了牙科诊所的气流速度分布。情况 0（空气滤清器关闭）的速度远小于其他情况。空气净化器的运行导致更快的室内空气气流速度，并增强了诊所的空气混合和对流。此外，我们发现空气净化器的位置会影响速度分布，并且空气净化器放置在不同位置可能会导致室内环境中不同的液滴/气溶胶颗粒分散。
图 5 显示了飞沫/气溶胶从患者口中喷出后，DHCW 呼吸区附近的模拟液滴/气溶胶颗粒分布。由于小于 2 毫米的不同粒径的结果之间几乎没有差异，因此我们仅提供每种情况下一种粒径（0.3 毫米）的结果。
图 5：DHCW 呼吸区附近的液滴/气溶胶颗粒分散（0.3 毫米）。（a）案例 0，
（b）案例 1，（c）案例 2，（d）案例 3 和（e）案例 4
图 6 和图 7 显示了液滴在每种情况下进入呼吸区并到达 DHCW 体表的液滴/气溶胶颗粒的百分比。我们对液滴/气溶胶粒子轨迹进行了 DRW 模拟，其中结合了湍流波动速度对液滴/气溶胶粒子分散的影响。因此，这些百分比可以被认为是液滴/气溶胶颗粒进入呼吸区或到达 DHCW 体表的概率。
结果表明，从患者口腔中产生的飞沫/气溶胶颗粒的分布取决于大小。当粒径小于 2 mm 时，不同大小的液滴/气溶胶颗粒的结果相似。然而，对于直径为 10 和 20 mm 的颗粒，结果与细微颗粒完全不同，超过 90% 都被患者的体表或面部捕获（图 9)。因此，在所有情况下，直径为 20 毫米的粒子进入 DHCW 的呼吸区或到达身体表面的概率相对较小。对于直径为 10 mm 的颗粒，空气清洁剂去除的概率高于其他尺寸的颗粒（图 8）。
图 6：进入 DHCW 呼吸区的液滴/气溶胶的百分比
白条：0.3毫米，浅灰：0.5毫米，深灰：1毫米，黑色：2毫米；条纹：10毫米；格子条：20毫米
图 7：到达 DHCW 体表的液滴/气溶胶颗粒百分比
图 8：空气净化器去除液滴/气溶胶颗粒百分比
图 9：被患者（体表或面部）捕获的液滴/
结果表明当空气净化器关闭时液滴/气溶胶颗粒进入 DHCW 呼吸区或到达 DHCW 的身体表面百分比要高得多 (图 5-7）。因此，在牙科诊所的室内环境中，使用空气净化器可能是减少职业病的有效方法。此外，空气净化器放置的位置也会影响液滴/气溶胶颗粒的分散。
案例 3 在控制液滴/气溶胶颗粒分散方面最为有效。可能是因为空气净化器离患者液滴/气溶胶源很近，在这种情况下气流模式更有效去除液滴/气溶胶颗粒，防止它们进入 DHCW 的呼吸区。
案例 4 在控制液滴/气溶胶颗粒方面效果较差，与案例 1-3 不同，案例 4 液滴/气溶胶进入 DHCW 呼吸区域和身体表面的百分比要高得多。与其他情况不同，案例 4 中的空气净化器排出的空气沿 Z 方向流动，将气流引向 DHCW 的身体。所以，液滴/气溶胶颗粒具有更大的进入 DHCW 呼吸区的概率。
应该注意的是，将空气消毒器放置在更靠近污染源的位置并不总是会降低交叉污染的风险。例如，在本研究中，案例 2（靠近患者脚部）的空气净化器比案例 1（诊所墙角）更靠近污染源（患者嘴巴）。
然而，可以看出，案例 2 的飞沫/气溶胶颗粒进入 DHCW 呼吸区的概率比案例 1 大。这是因为案例 1 的空气净化器出口距离 DHCW 最远，导致空气流离 DHCW。因此，空气净化器、污染源和 DHCW 的相对位置是该问题的另一个关键考虑因素。飞沫扩散到 DHCW 的风险不仅取决于空气净化器与污染源之间的距离，还取决于空气净化器、污染源和 DHCW 的相对位置。
另一方面，如果气流被引导朝向牙科手术区，将空气滤清器放置得离患者或 DHCW 太近可能会产生负面影响。例如，案例 3 中空气净化器距离污染源最近，并且最有效控制液滴/气溶胶颗粒分散。然而，在牙科手术区空气流速大约为 0.7ms-1，这也可能会干扰牙科手术，降低人体舒适度。因此，放置空气净化器离牙科手术区太近，在这种情况下并不是一个实际的解决方案。但是，案例 3 是减少液滴/气溶胶空气传播的最有效的方法，案例 3 是降低 DHCW 职业健康风险最有效的。我们研究结果表明，为减少牙科诊所空气污染物暴露的风险，应分析空气净化器液滴/气溶胶的去除概率和气流模式。
图 8 显示在案例 2 中液滴/气溶胶去除率最高，尽管案例 3 最有效防止液滴/气溶胶颗粒到达 DHCW 的呼吸区或体表。这意味着空气净化器去除液滴/气溶胶的效率并不是完全表征了减少空气液滴/气溶胶暴露的有效性。图 9 说明被患者（身体表面和面部）捕获的飞沫/气溶胶颗粒。案例 3 当空气净化器出口位于患者下方时，被患者捕获的飞沫/气溶胶颗粒是最高的。气流将大部分液滴/气溶胶向下推，它们围绕在病人头部。结果，案例 3 液滴/气溶胶清除概率较案例 2 小，但是，案例 3 飞沫/气溶胶控制效果较好是因为这些颗粒被患者捕获了。而控制液滴/气溶胶颗粒分散的主要目的是减少职业暴露、交叉感染。在案例 3 中，空气净化器去除液滴/气溶胶的概率小于案例 2。
为了使 DHCW 对空气净化器放置合适位置有一个了解，我们做了一个简单的用于指导牙科诊所空气净化器放置位置的分区图（见图 10）。根据 DHCW 的经验，
图 10：用于指导也可诊所空气净化器位置的分区图，灰色方块代表牙科操作区，箭头表示来自空气净化消毒器气流方向，五角星代表在此案例中空气净化器的最佳位置，1、影响牙科手术过程，液滴/气溶胶控制效果差；2、影响牙科手术过程，液滴/气溶胶控制效果良好；3、不影响牙科手术过程，液滴/气溶胶控制效果差；4、不影响牙科手术过程，液滴/气溶胶控制效果良好；5、不影响牙科手术过程，液滴/气溶胶控制效果良好
牙科手术区域距离空气净化器的距离应大于 1 米，防止空气净化器气流影响牙科手术操作过程，基于以上分析，牙科手术操作区域是空气净化器气流影响手术的区域。合适的空气净化器的位置将使气流先经过 DHCW，再经过污染源，最后回到空气净化器。它会更好地防止飞沫/气溶胶到达 DHCW 的呼吸区或体表。结合这两个建议，在这个案例中，五角星代表空气净化器的最佳位置，这个牙科诊所空气净化器放置指导图提供安全程序的一般建议。更复杂的场景可借助类似的数值建模方法进行分析。然而，作为研究 DHCW-患者交互场景代表了在真正的牙科诊所中常见的病例，该指南可针对实际应用进行扩展。
PART
03讨论
我们选择根据对 DHCW 的调查结果以及治疗期间在牙科诊所进行的观察性研究，对坐在斜倚患者旁边的 DHCW 案例进行建模。本研究中获得的结果以及指导图可以扩展到大多数牙科诊所的室内环境。
但是，我们借助此处描述的方法扩展应用到其他类型的 DHCW - 患者互动场景中去分析空气净化器在控制液滴/气溶胶颗粒扩散的有效性。由于 DHCW 是本研究中关注的目标，对于气溶胶/颗粒的空间分散，DHCW 位置的变化将影响结论。如果没有更多的案例研究，很难说位置的变化会对结论产生多大的影响。值得进一步调查。尽管如此，在本研究中以类似的方法可执行更多的案例。
在这些情况下，人体的形状并不是真实人体的精确复制品。根据 Nielsen（2004 年）的研究，人体形状的影响对室内气流的影响可以忽略不计。尽管如此，人体身体形状对周围液滴/气溶胶分散的影响可能是进一步研究的主题。在牙科治疗期间，液滴/气溶胶粒子大小很难测量。这个研究旨在量化液滴/气溶胶的分布，通过它我们可以更好地了解不同大小颗粒的分散特性和控制效果。我们选择的尺寸范围为 0.3-20 mm。基于之前的牙科治疗研究，液滴/气溶胶颗粒大小的分布以及不同大小颗粒进入 DHCW 呼吸区域数量可以确定。
在牙科诊所，测量了不同大小的液滴/气溶胶颗粒的清除效率和空气净化器的气流速度。CADR 是空气净化器的颗粒物去除效率与空气流量的乘积，实测 CADR 用于数值模拟。然而，CADR 对液滴/气溶胶颗粒分散控制的影响也是一个重要问题，需要在未来进一步研究。
此外，沉积在患者面部或体表的飞沫/气溶胶颗粒可能会重新悬浮在空气中，然后进入 DHCW 的呼吸区。这意味着重新悬浮的污染的液滴/气溶胶颗粒可能会增加牙科诊所 DHCW 交叉感染的风险。因此，粒子再悬浮的效果是一个有趣的话题，需要进一步研究。
这项研究是了解使用空气净化器如何防止空气中的飞沫/颗粒在职业环境中接触 DHCW 的重要第一步。特别是，这项研究从根本上理解了牙科诊所中空气净化器在减少 DHCW 接触患者口腔中排放的飞沫/气溶胶颗粒方面的作用。将这些信息与有关飞沫/气溶胶颗粒进入 DHCWs* 呼吸区或接触其体表的感染概率的健康研究相结合，将能够分析空气净化器对 DHCWs 健康的影响。
PART
04结论
本研究采用数值方法分析了使用空气净化器在牙科诊所中对液滴/气溶胶颗粒扩散的控制。从这项研究中可以得出以下结论：
文献出处J. R. Soc. Interface (2010) 7, 1105–1118 doi:10.1098/rsif.2009.0516
/1 
发表于 2022-9-27 08:04
