一、申请理由：
第一指导老师陈文华老师是一位年富力强的青年学者，在可视化实验、室内通风与污染物控制研究方面有丰富的知识与经验。同时陈老师学生时期曾主持过创新创业训练项目、挑战杯和全国节能减排大赛，相似比赛经验丰富。陈老师近4年内发表期刊论文12篇，其中SCI检索11篇；以第一作者发表SCI论文6篇，以第二作者兼通讯作者发表SCI论文1篇，6篇二区以上；获得授权专利13项，其中授权发明专利5项。陈老师前期丰富的比赛经验和研究基础完全能保障该项目的顺利实施。
第二指导老师郭兴国老师多年从事专业研究，是学院建筑环境与能源应用工程专业的骨干。已主持或参与国家自然科学基金项目7项、省部级项目3项、香港政府资助委员会(RGC)项目2项、厅级项目1项。作为指导老师指导学生获得大学生“创新创业训练计划”项目9项（3项省级，2项国家级）。郭老师丰富的科研、比赛指导经验有助于项目的顺利进行。
团队成员都来自于建筑环境与能源应用工程专业，具有钻研和探讨问题的精神和毅力,专业课成绩良好,具有一定的理论知识水平。以下是我们队员的介绍：
胡文荃，建筑工程学院，建筑环境与能源应用工程专业，专业排名1/31，绩点3.73.已修读的专业课程有工程热力学，流体力学，电工电子学等。作为项目负责人，愿意为项目的顺利实施开动脑筋，付出汗水，主动承担工作与责任。作为团队的一份子，愿意服从集体安排，积极完成任务。热爱思考，勇于探索。有一定的CAD与Proe机械建模基础。对于本项目的研究，具有一定的学科理论基础和浓厚的兴趣。
李博武，建筑工程学院，建筑环境与能源应用工程专业，专业排名17/31，绩点2.84。该专业致力于打造良好的室内环境，给人们提供安全，舒适的室内空间。已修读的课程有热质交换原理与设备，电工电子学，传热学，流体力学等与此次课题相关的课程。本人对牙科诊所室内环境的净化有较大兴趣，且自主动手能力强，有扎实的理论基础。团队方面本人团队荣誉感强，有一定的合作精神，善于对项目提出各种问题并解决，并服从分配，可按时完成各项实验任务。对利用个性化排风装置净化牙科诊所的室内环境的市场前景充满信心。
辛东岳，建筑工程学院，建筑环境与能源应用工程专业，专业排名6/31，绩点3.28。已修读与该专业专业课程有传热学，工程热力学，流体力学与热质交换原理与设备等。可以较为熟练地使用CAD，有一定团队工作经验，愿意服从安排，积极完成任务，能够为团队提出合理有效的建议和新奇可行的想法；在个人能力方面，善于发现问题，探索解决方法并深入钻研实践技巧。对于本项目的研究，具有一定的学科理论基础和浓厚的兴趣。
万凯雨，建筑工程学院，建筑环境与能源应用工程专业，专业排名4/31，绩点3.34。该专业的目标是为人们提供舒适、健康、高效的生产生活环境，实现“绿色建筑”的构想，已修读流体力学、电工电子学、工程热力学等专业课程，为本实验提供了坚实的理论基础，集体荣誉感强，在团体协作中愿意服从安排、积极完成任务，在个人能力方面，具有一定的专业素养，善于发现问题，具有一定的科研精神，对个性化通风系统在未来中的应用保持积极态度。
二、项目方案：
(一）研究背景
随着社会经济的快速发展，营造高质量的室内环境为代表的健康建筑已经成为健康中国战略目标之一。近年来，室内微生物气溶胶污染问题已经受到国内外学者广泛而高度的重视，尤其是在新冠肺炎疫情爆发后。其中，口腔诊室内，牙科治疗过程中的微生物气溶胶污染问题也逐渐引起人们的关注。
a） 
b) 
图1：a)单元型口腔诊室
b) 大型口腔手术室
口腔诊室室内存在着大量因射流产生的气溶胶（包括飞沫等其他微米级颗粒），在相对封闭的环境中，长时间暴露于高浓度气溶胶环境中，许多微生物存在经气溶胶传播的可能性。目前已知可能借气溶胶传播的病原微生物囊括了各类病毒和细菌，其中病毒包括SARS冠状病毒、流感病毒、鼻病毒、水痘带状疱疹病毒、乙型肝炎病毒（HBV）、丙型肝炎病毒（HCV）等[1,2]；细菌常见有结核分枝杆菌、金黄色葡萄球菌、链球菌属、曲霉菌属、军团菌属等。口腔诊室的生物气溶胶中已发现众多病原微生物，包括革兰阴性菌（假单胞菌属、军团菌属、鲁氏不动杆菌等）、革兰阳性菌（金黄色葡萄球菌、溶血性葡萄球菌、藤黄微球菌、短小芽孢杆菌、白喉杆菌、放线菌等）和真菌（链格孢菌、黄曲霉、烟曲霉、枝状枝孢等）[3,4]。气溶胶可以在空气中悬浮数小时，并随气流运动作长距离传播，最终下落并污染物体表面。根据粒径的大小，气溶胶可渗透入呼吸道的不同部位，甚至可到达肺泡，从而构成潜在的感染途径。
气溶胶颗粒传播的距离与粒子的直径呈负相关性。气溶胶颗粒直径越大,粒子沉降速度越快,能在较短时间内沉降于物体表面;反之,颗粒直径越小,其沉降速度越慢,能悬浮于空气中长达数小时，并蒸发形成粒径更小、以微生物颗粒为主要成分的气溶胶（飞沫）核,进而随气流运动扩散。研究显示,耐干燥的病原体能随气溶胶（飞沫）核传播很远且存活很长时间[5]。
口腔诊室生物气溶胶有多种产生途径。常用手术治疗器械如涡轮手机、三用气枪的使用会产生大量气溶胶，超声洁牙、超声骨刀、种植手术等也可产生气溶胶，这些气溶胶通常含有有机颗粒物（患者牙体组织和牙石、牙菌斑等）、患者血液、唾液及其他鼻、喉分泌物、牙科材料碎片等。当气溶胶从患者口腔中溅出时，可能被医务人员和患者吸入，从而威胁其健康。此外，在交谈、呼吸、打喷嚏、咳嗽、漱口过程中均可产生气溶胶，若是口腔诊室内的通风或空调系统不力，也可成为病原微生物的潜在来源，发生更远距离的传播[6] 。
a）
b）
c）
图2：a）超声波洁牙器产生的可见气溶胶云
b）牙科喷砂枪产生的、主要成分为水与磨料的可见气溶胶云
c）牙科治疗中气溶胶的两大来源：医疗器械产生的冷却水、患者呼吸
王智等[7]测定了不同功能的建筑物房间中的微生物气溶胶的浓度与粒径分布，其中口腔诊室内的细菌气溶胶浓度为(248±166)cfu/m3，粒径主要分布在 1.1~4.7μm；口腔诊室空气中的真菌气溶胶平均浓度为(129±69)cfu/m3，粒径主要分布在 1.1~4.7μm，粒径百分比最高值分布在1.1~2.1μm。
a）
b）
图3：a）不同功能房间内细菌气溶胶粒径分布
b）不同功能房间内真菌气溶胶粒径分布
Grenie[4]的研究显示牙科诊所内空气中气溶胶（飞沫）传播速度较快,在封闭诊室中,气溶胶的污染范围几乎可以波及整个诊室,包括无操作区域。刘凤芝等[8]的研究以大肠杆菌为模式，生物的感染性气溶胶在无风情况下的扩散模式主要依靠浓度差进行单纯扩散，且气溶胶产生迅速、传播距离长，研究也证实了微生物在空气中单纯扩散的事实。形成的感染性气溶胶除了悬浮在空中以外，也会直接喷射并接触到医务人员。有研究发现，医生口罩及临近物体表面的细菌菌落数分别为（891.17±116.75)cfu/m2、（6 065.5±1 942.22)cfu/m2[9]。以上研究均是针对室内气溶胶稳态传播的情况，目前鲜有针对非稳态短期传播及传播过程中医护人员的具体暴露状况（如受污染的主要身体部位）的研究。同时，许多研究针对的是普通呼吸状态下的传播，而口腔诊室室内存在着大量因射流产生的气溶胶，气溶胶产生量与传播特征有其特殊性，故关于普通呼吸状态下气溶胶传播的研究结论不适用于口腔诊室内的传播。
医疗卫生建筑因其功能特殊性对于室内环境质量的要求往往比一般公共建筑更为严格。传染病房重症病房手术室等关键区域对于室内空气品质有着尤为严格的要求[10]。通风系统被认为是一种控制室内空气传播病菌的有效方法。特别是气流组织形式，其在医院环境中对于空气传播病菌的控制是十分重要的。因为气流组织形式极大的取决于通风策略，所以合理的运动通风系统是在医院环境内控制交叉感染的有效的方法。
目前尚缺乏对口腔诊室内通风系统设计的指导原则，我们以一般标准化手术室通风系统为例。手术室的送风形式主要有2种：常规湍流系统和层流气流（LAF）系统［11］。在采用常规湍流系统的手术室中，通过调节安装在天花板上的送风口，使进入的气流与室内气流相互混合，从而稀释室内污染的空气。LAF系统是通过均匀的气流和高效空气（HEPA）过滤组合系统，直接在手术操作区上方向下输送低湍流度的气流，以减少带菌颗粒对手术部位的感染[12]。另外，2016年世界卫生组织（WHO）提出的《预防外科手术部位感染的全球指南》明确了手术室通风应采用机械通风，自然通风基本不适用于手术室（特殊情况如战时除外）[13]。另外就目前的实践分析来看，在一些手术室的净化空调系统设计中，机械通风的回风过滤问题没有得到有效重视，所以回风往往在不经过独立过滤的情况会引起二次污染。
还有研究证明加大通风量能够有效降低交叉感染率[14]。当中央空调及相应的通风系统应用于具有空气或气溶胶（飞沫）传染病的病房时，由于传染性病毒是以点源形式分布，以病人呼出的带病菌气溶胶为污染源，在常规空调系统的气流推动下，传染性病毒在室内大面积扩散，易引起医护人员的交叉感染[15-17]。尤其是新风量偏低的常规空调系统，不仅不能起到空气净化作用，相反还加快了病毒的对流和扩散传播。而若大幅提高新风量，虽然可以有效降低空气传染病的概率，但需要加大能耗，增加空气处理成本，增大室内噪音，而且也不能达到完全降低空气传染病感染概率的效果。若在病房的空调系统中安装普通的空气净化系统，病毒在进入杀菌系统前，实际上已经在病房中对流和扩散传播，故即使在回风口或空调箱中加装了空气净化系统，也起不到彻底清除污染源、彻底杀菌和空气净化的作用。
而将送风口和调控器布置在人员附近的个性化送风通风系统，由于其可单独和灵活地控制，有助于提高呼吸区的空气质量，并具有相当的节能潜力，近年来得到大量研究，并应用于歌剧院、影城和大型办公室等场所[18-22]。郑晓红[14]等研发了一种可预防空气途径传染病的发散源可控的局部空调个性化通风系统，将个性化送风和个性化排风结合起来，既可以给易感者提供新风，又能够将传染病人呼出的带有病毒的气体及时排除。相对于传统的混合通风系统，个性化通风系统能够有效供给纯新风到每个病人的呼吸区，保证易感病人所吸入的为纯新风。但目前尚无个性化排风系统在口腔诊室的应用研究，预计该系统会为医患双方提供有效的病菌污染物保护措施。
图4：病房内个性化排风装置示意图
参考文献
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（二）研究目标
1、调查当前口腔诊室的通风净化情况。
2、定性评价牙科治疗中气溶胶（飞沫）非稳态短期传播模式，定性评估医护人员在气溶胶（飞沫）中的暴露特征
3、设计一款适用于口腔诊室室内污染净化的个性化通风系统。
（三）研究内容
1、口腔诊室通风净化现状调研
对部分南昌市的医院口腔诊室、诊所进行实地调研，了解当前口腔诊所的温湿度、二氧化碳浓度、通风方式和系统或空调过滤设备等情况，分析这些因素对气溶胶（飞沫）传播与防护的影响。
2、牙科治疗气溶胶（飞沫）暴露特征定性评价实验
进行模拟实验，模拟牙科治疗过程，以载玻片附着气溶胶的可视化手段，测定一段较短的时间内口腔诊室中气溶胶（飞沫）的分布，追踪气溶胶（飞沫）的非稳态短期传播路径，从而定性评价口腔诊室中气溶胶（飞沫）非稳态短期传播规律与医护人员在气溶胶（飞沫）中的暴露情况。
3、牙科治疗个性化通风系统设计与优化
基于以上研究内容，参考已有的个性化通风系统案例与其他相关资料设计一款适用于口腔诊室室内污染净化的个性化通风系统。制作出样机并进行示踪气体法试验，检验个性化通风系统对气溶胶（飞沫）的收集能力。
（四）项目特色与创新
当前对室内气溶胶传播的研究多是针对稳态传播，鲜有针对非稳态短期传播及传播过程中医护人员的具体暴露状况（如受污染的主要身体部位）的研究。同时，许多研究针对普通呼吸状态下的情形，而口腔诊室内存在着大量因射流产生的气溶胶，其气溶胶（飞沫）产生量与呼吸传播特征有其特殊性，关于普通呼吸状态下气溶胶传播的研究结论不适用于口腔诊室内的传播。本项目聚集于定性评价牙科治疗中气溶胶（飞沫）非稳态短期传播模式与医护人员在气溶胶（飞沫）中的暴露特征，并为之后设计过程中的控制措施的制定提供基础。
当前针对控制口腔诊室污染状况的研究多聚集于消毒措施，很少关注通风问题，即使关注，一般也停留在自然通风上，缺乏更深入的研究。另外对一般建筑中通风系统对的室内微生物污染物传播的控制的相关研究表明，自然通风与机械通风往往达不到理想的控制效果，而个性化通风系统在室内污染控制中展现出特别的优势。因而本项目试图探索个性化通风系统在牙科治疗微生物污染中控制的应用潜力，尝试设计一款能有效控制口腔诊室室内污染的个性化通风系统。
（五）技术路线
图5：项目技术路线图
研究方案：
1. 口腔诊室通风净化现状调研
走访部分南昌市的牙科诊所和医院，调查口腔诊室的通风系统类型与过滤设备等，并用温湿度和二氧化碳传感器测量温湿度和二氧化碳等室内环境参数。
2. 牙科治疗气溶胶（飞沫）暴露特征定性评价
采用模拟实验。用内附热源的假人模拟医患，将水溶性荧光剂滴入加湿器、通过加湿器和小型气泵模拟“患者”假人在牙科治疗过程中气溶胶（飞沫）的产生过程。在“医护”假人身上多个部位及诊室环境内布置载玻片，通过图像采集、图像处理和人工复核的方法统计短时间内各载玻片上溶胶颗粒的表面积，以这种可视化手段追踪气溶胶（飞沫）的非稳态短期传播路径，从而获得口腔诊室中气溶胶（飞沫）非稳态短期传播的定性规律。统计“医护”假人身上各部位载玻片上溶胶颗粒的数量，可定性评价医护人员在气溶胶（飞沫）中的暴露情况。
图6：载玻片图像处理
3. 牙科治疗个性化排风系统设计与优化
基于以上研究内容，参考已有的个性化通风系统设计案例与其他相关资料、行业规范，根据通风系统设计的原理、规范进行零配件选取、组配与参数计算，最终用AutoCAD、机械建模软件Proe（或Solidworks）设计一款适用于口腔诊室室内污染净化的个性化通风系统，并用CFD软件Fluent进行计算机仿真实验，初步评估其通风系统性能并作初步优化。制作出样机并进行验证试验，检验其净化能力。验证试验中，以CO2作为示踪气体近似表征微生物气溶胶。用流量计测出的CO2模拟从患者口中逸出的含气溶胶（飞沫）的混合物，分别在有无个性化通风系统的情况下，测定“医护”假人口鼻处及诊室环境内的CO2浓度（扣除背景浓度），比较分析两种情况下CO2浓度测定值，以检验个性化通风系统对气溶胶（飞沫）的收集能力，基于测量结果和理论分析进一步优化个性化排风系统的排风口结构、排风口位置和排风量等参数。
鉴于经费有限，预计将移除样机的部分功能，如净化、杀毒。但不影响检验结果。
（六）进度安排
2020.7 口腔诊室实地调研
2020.8 购置相关资料、设备、材料等
2020.9 口腔诊室牙科治疗气溶胶（飞沫）暴露特征定性评价
2020.10-12 个性化通风系统设计与样机制备
2021.1-2 牙科治疗个性化通风净化效果实验、系统优化与专利申请
2021.3-4 论文撰写
2021.5 报告总结
预计各阶段任务需要全员参与，故暂不作明确分工。