口腔卫生器具电动牙刷清洁能力评价方法研究

李岳洪 胡恒莹 黄凯杰

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

随着消费升级步伐的加快，越来越多的消费者追求更高的生活质量，其中对个人口腔卫生健康护理的关注度直线上升。电动牙刷作为个人护理类主要产品之一，受到广大消费者的青睐。近年来我国居民对口腔保护意识逐渐增强，口腔卫生健康的关注度也越来也高，口腔护理需求日益增长。然而市面上产品的性能参差不齐，对于电动牙刷的清洁效果如何，国内外也是缺少相应的直接考核指标和标准检测方法。

因此，很有必要针对电动牙刷振动清洁性能测试的检测与评价方法开展研究工作。为避免临床医学上电动牙刷清洁美白和清除牙菌斑效果测试的复杂性和对活体实验的依赖性，本文基于一套用于模拟电动牙刷使用时刷牙运行的装置，采用相关软件算法从电动牙刷的刷头、振动、刷毛等物理因素综合评价其清洁效果[1]。

1 电动牙刷产品主要分类

电动牙刷是一种利用电能驱动牙刷毛自动往复、旋转或振动运动来清洁口腔牙齿的牙刷。按照是否可充电，电动牙刷分为充电式电动牙刷和干电池式电动牙刷，目前市场上主要以充电式电动牙刷为主。按照牙刷运动方式，电动牙刷分为旋转式电动牙刷、往复式电动牙刷，其中往复式电动牙刷又可以分为线性往复式电动牙刷和旋转往复式电动牙刷等，如表1所示。

表1 牙刷运动方式

如图1所示，以可充电式电动牙刷为例，其内部结构组成主要分为电机、电池、电池盒、按键开关、线路板、发光二极管、感应线圈等关键零部件构成，作为电机电源的电池一般与电机一起安装在电池盒中，电池盒上有控制电机电源通断的按键开关，电机转轴伸出电池盒外，牙刷头及金属护板套装在电机转轴上，另外在牙刷头及金属护板外配有一套筒。电动牙刷配以各种不同的牙刷头可适用于各种使用者。

图1 电动牙刷内部结构组成

2 电动牙刷清洁能力评价方法

2.1 测试评价依据和方法

由于电动牙刷使用时易受外界不可控因素的影响，为保证外界测试条件的一致性，本文基于Q/CVC 0033-2019 《电动牙刷》标准[6]，研究一种电动牙刷的清洁效率测量方法，包括测试前用的负载牙齿模板、测试中的清洁模拟测试装置和测试后的清洁效果评价工具等。其中负载牙齿模板主要用于清洁测试前的污物的配制、处理；清洁模拟测试装置用于测试中的清洁试验操作，包括对电动牙刷受到的手握夹持力、刷头刷毛在清洁表面产生的作用力、运行速度和轨迹等参数调控；利用图像处理软件和分析计算软件工具用于测试后的清洁效果评价。通过观察电动牙刷在一定时间（体现在对循环次数的控制上）和作用力（对牙刷的握持力和刷毛对牙齿模型板的作用力）条件下，去除牙齿模型板表面覆盖的污染物的能力，评价电动牙刷的清洁能力。

2.2 测试评价测试用负载

测试前用的负载牙齿模板采用具有一定表面粗糙度的不锈钢材质制成，利用一定比例的水性涂料和彩色颜料，配制成实验用的彩色水性涂料，通过喷枪在牙齿模板形成一定厚度的均匀连续的涂膜，然后马上在 60 ℃的烘箱中进行烘干，一定时间后取出，即可以完成牙齿模板的准备。然后使用像素千万以上的扫描仪或摄像机在30 W白炽灯光照条件下进行拍摄，形成清洁试验前的图像A1。如图2所示。

图2 测试用负载牙齿模板

2.3 电动牙刷清洁模拟测试装置

本文设计的模拟电动牙刷使用时刷牙运行的测试装置主要由电控箱、电机传动装置、水槽、负载牙齿模板、含压力传感器的牙刷夹具、定滑轮组及砝码等组成，如图3所示。其中电控箱作为整个装置的核心控制单元，主要由电源模块、主控机、电机驱动模块、触控屏、电源开关等组成。电源模块用于主控机、电机驱动模块、触控屏以及微型压力传感器等的供电，主控机通过电机驱动模块控制步进电机的运行，触控屏与主控机相连，用于人机交互操作，触控屏参数界面设有“力度值”“速度设定”“行程设定”“循环次数”“当前运行次数”“当前位置”等控制参数，其中速度、行程、循环次数可根据测试需求手动设置，触控屏运行控制界面设有“左移”“右移”“启动测试”“停止测试”“清零”“回原”“复位”“设备状态”以及“报警列表”信息显示等功能。

图3 清洁模拟测试装置

将被试的电动牙刷和牙齿模板按图4所示安装，电动牙刷刷头的起始位置和终点位置如图4所示。通过调节牙刷柄的夹紧力和砝码，使得刷头作用到牙齿模板上产生一定的压力，试验开始时，刷头处于图4的起点位置，电动牙刷以最强工作模式档位启动工作，启动导轨使电动牙刷以一定的速率匀速移动，开始清洁牙齿模板，当刷头到达图4的终点位置时，移动停止，然后刷头向反方向以相同的速率匀速移动，到达起点位置时，移动停止,再向反方向以相同的的速率匀速移动，再次到达终点位置时，移动停止，并且电动牙刷停止工作。对于连续工作时间较短的电动牙刷，如果在移动行程过程中，电动牙刷自动停止工作，则需要立即再次开机。

图4 电动牙刷刷头运行初始和结束位置

2.4 清洁效果评价

按照上述的电动牙刷清洁模拟测试装置和刷牙运行方式，将将清洁试验后的牙齿模型板放入烘箱中进行烘干后，再使用像素在千万以上的扫描仪或摄像机同样在30 W白炽灯光照条件下进行拍摄，形成清洁试验后的牙齿模型板的图像A2。

使用图像处理软件（如Photoshop、MATLAB软件）并设定一定的颜色容差参数，分析清洁试验前、后的牙齿模板图像A1和A2，再通过软件计算图像A1和A2的RGB像素面积S1和S2，分别对应清洁试验前涂漆面积和清洁试验后涂漆面积，通过对比差异实现清洁效果的评价。即通过下式（1）计算电动牙刷的清洁效果（清洁效率）：

式中：

η—清洁效率，%；

S1—清洁前的牙齿模板图像RGB像素；

S2—清洁后的牙齿模板图像RGB像素。

3 测试与评价结果分析

3.1 测试与评价试验流程

基于电动牙刷清洁模拟运行装置的清洁能力测试与评价方法基本流程，如图5所示。

图5 清洁能力测试与评价基本流程

3.2 测试结果与数据分析

3.2.1 方法可实现性验证

为验证本文方法具有可操作性，从市场上选取一款电动牙刷进行试验。如表2所示，为某款电动牙刷清洁试验前和试验后用负载牙齿模板照片比对图。由表2对比图可以看出，该款电动牙刷通过3组独立试验后，负载牙齿模板上的水性涂料污物大部分都被清洁干净，但对于缝隙和边角之间的污物比较难清洁，这表明了比较符合人体口腔牙齿缝隙间难以清洁的实际情况。

表2 电动牙刷清洁前和试验后用负载牙齿模板照片对比

使用图像处理软件并设定一定的颜色容差后的清洁试验前、清洁试验后标准污染牙齿模板 RGB像素直方图比对图。如图6所示，由图可知，清洁前的牙齿模板的像素值由552 958降低到了99 839。

图6 清洁前和清洁后的标准污染牙齿模板 RGB像素直方图

表3给出了该款电动牙刷3次独立重复试验后的清洁效率值分别为81.9 %、84.4 %和83.5 %，其平均值为83.3 %。

表3 20款吸油烟机测试结果汇总表

3.2.2 方法可重复性验证

标准检测方法的可重复性是指在相同测量条件下，测试方法对重复使用测试提供非常相近数值的能力。通过式（2）计算实验数据标准偏差来体现，用s(x)表示。

式中：

n—独立重复实验次数，j=1，2，…，n；

xj—第j次试验的数据结果；

x—n次实验数据的平均值。

本文选择其中一款电动牙刷样机在一定时间内，采用相同的测量条件下独立重复测量9次，测得9组数据如表4所示。由表4的测试数据，求得清洁效率的平均值为84.6 %，其对应的标准偏差为0.017 4，方法相对较稳定。

表4 清洁效率测试结果

3.3.3 方法适用性分析

结合目前电动牙刷品牌及机型市场占有和分布情况，本次试验共选取15款样机， 基于本文方法进行摸底测试，每台样机独立测试三次，求取平均值。测试数据结果如表4所示。

图7给出了本次试验的15款样机的不同清洁效率对比图。

从表5测试结果和图7结果对比图可以看出，本次选取的15款样机中，清洁效率最差为42.5 %，最好的达到了90.4 %，总体平均水平为67.1 %，这说明不同电动牙刷清洁能力具有较大的差异。此外，超过50 %的有12款，大部分集中在60～80 %之间。如果要进一步改善清洁性能，需要从电动牙刷本身属性如刷头结构、振动强度、刷毛类型和物理强度等综合因素优化。

表5 15款电动牙刷清洁效率测试结果汇总表

4 结论

本文提供了一种量化的电动牙刷清洁能力评价方法，通过模拟牙刷运行的装置实现了电动牙刷清洁过程的自动控制，观察电动牙刷在一定时间和作用力条件下，评价去除牙齿模型板表面覆盖的污染物的能力，操作方便，人为干预少，有利于更加合理地开展电动牙刷本身属性如刷头、振动、刷毛等综合因素的清洁效果研究。

本文方法不仅避免了人为手动使用电动牙刷进行清洁试验过程中带来的不可控因素的干扰，如手握夹持力、刷头刷毛在清洁表面产生的作用力、运行速度和轨迹等等，也避免了临床医学上电动牙刷清洁美白和清除牙菌斑效果测试的复杂性和对活体实验的依赖性。同时也为开展个人口腔卫生健康护理产品的清洁能力评价提供了思路。