歯科用エアロゾルの液滴サイズ分布、霧化機構およびダイナミクス

Droplet size distribution, atomization mechanism and dynamics of dental aerosols.

抄録

COVID-19パンデミックの発生以来，歯科診療における安全性の維持が医療従事者や政策立案者の課題となっている．歯科用エアロゾルに関する研究は、歯科治療中や治療後の歯科医院内での細菌の生存率や粒子径の測定に焦点を当てたものが多く、その結論は特定のケースに限定されています。歯科用エアロゾルのリスクを評価するためには、エアロゾルの霧化機構とダイナミクスに関する基礎的な理解が必要です。ほとんどの歯科用器具にはアトマイザーが内蔵されています。歯科用エアロゾルは、超音波霧化や回転霧化によって生成され、最も高いリスクをもたらすと考えられている。本研究では、Mectron PIEZOSURGERY®とKaVo EXPERTORQUE™という2つの方法によって生成された歯科用エアロゾルを特性評価することを目的としました。液滴のサイズ分布と速度は、高速度カメラとレールシステムを用いて測定しました。データを確率密度分布に当てはめ、経験式で液滴サイズを予測することで、液滴サイズを決定する主な要因を推定することができました。いずれの歯科用機器も，微小液滴を含む広い粒径分布を有していた．液滴サイズ分布は，液流速や空気圧などの操作パラメータによって変化した．小液滴の割合が大きいと，回転霧化法はリスクが高くなる．測定された速度は最大 5ms であり，液滴は数秒以内に歯科医に容易に到達することができる．小さな液滴は地面に到達する前に完全に蒸発し，長い時間空気中に浮遊する可能性がある．歯科医院の相対湿度を50％に調整し、速やかな蒸発を防ぎつつ、院内の快適性を維持することを提案します。これにより、患者さん間の病気感染のリスクを軽減することができます。歯科医師はサージカルマスクではなく、フェイスシールドやN95/FFP2/KN95マスクの着用を推奨しています。この研究は、医療従事者、政策立案者、歯科医療機器を設計する技術者に、より安全な歯科医療を実現するためのヒントを与えるものであると信じています。

Since the outbreak of COVID-19 pandemic, maintaining safety in dental operations has challenged health care providers and policy makers. Studies on dental aerosols often focus on bacterial viability or particle size measurements inside dental offices during and after dental procedures, which limits their conclusions to specific cases. Fundamental understanding on atomization mechanism and dynamics of dental aerosols are needed while assessing the risks. Most dental instruments feature a build-in atomizer. Dental aerosols that are produced by ultrasonic or rotary atomization are considered to pose the highest risks. In this work, we aimed to characterize dental aerosols produced by both methods, namely by Mectron PIEZOSURGERY® and KaVo EXPERTtorque™. Droplet size distributions and velocities were measured with a high-speed camera and a rail system. By fitting the data to probability density distributions and using empirical equations to predict droplet sizes, we were able to postulate the main factors that determine droplet sizes. Both dental instruments had wide size distributions including small droplets. Droplet size distribution changed based on operational parameters such as liquid flow rate or air pressure. With a larger fraction of small droplets, rotary atomization poses a higher risk. With the measured velocities reaching up to 5 m s, droplets can easily reach the dentist in a few seconds. Small droplets can evaporate completely before reaching the ground and can be suspended in the air for a long time. We suggest that relative humidity in dental offices are adjusted to 50% to prevent fast evaporation while maintaining comfort in the office. This can reduce the risk of disease transmission among patients. We recommend that dentists wear a face shield and N95/FFP2/KN95 masks instead of surgical masks. We believe that this work gives health-care professionals, policy makers and engineers who design dental instruments insights into a safer dental practice.