李岳洪 胡恒瑩 黃凱杰

（威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

隨著消費(fèi)升級步伐的加快，越來越多的消費(fèi)者追求更高的生活質(zhì)量，其中對個(gè)人口腔衛(wèi)生健康護(hù)理的關(guān)注度直線上升。電動(dòng)牙刷作為個(gè)人護(hù)理類主要產(chǎn)品之一，受到廣大消費(fèi)者的青睞。近年來我國居民對口腔保護(hù)意識(shí)逐漸增強(qiáng)，口腔衛(wèi)生健康的關(guān)注度也越來也高，口腔護(hù)理需求日益增長。然而市面上產(chǎn)品的性能參差不齊，對于電動(dòng)牙刷的清潔效果如何，國內(nèi)外也是缺少相應(yīng)的直接考核指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)檢測方法。

因此，很有必要針對電動(dòng)牙刷振動(dòng)清潔性能測試的檢測與評價(jià)方法開展研究工作。為避免臨床醫(yī)學(xué)上電動(dòng)牙刷清潔美白和清除牙菌斑效果測試的復(fù)雜性和對活體實(shí)驗(yàn)的依賴性，本文基于一套用于模擬電動(dòng)牙刷使用時(shí)刷牙運(yùn)行的裝置，采用相關(guān)軟件算法從電動(dòng)牙刷的刷頭、振動(dòng)、刷毛等物理因素綜合評價(jià)其清潔效果[1]。

1 電動(dòng)牙刷產(chǎn)品主要分類

電動(dòng)牙刷是一種利用電能驅(qū)動(dòng)牙刷毛自動(dòng)往復(fù)、旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)運(yùn)動(dòng)來清潔口腔牙齒的牙刷。按照是否可充電，電動(dòng)牙刷分為充電式電動(dòng)牙刷和干電池式電動(dòng)牙刷，目前市場上主要以充電式電動(dòng)牙刷為主。按照牙刷運(yùn)動(dòng)方式，電動(dòng)牙刷分為旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)牙刷、往復(fù)式電動(dòng)牙刷，其中往復(fù)式電動(dòng)牙刷又可以分為線性往復(fù)式電動(dòng)牙刷和旋轉(zhuǎn)往復(fù)式電動(dòng)牙刷等，如表1所示。

表1 牙刷運(yùn)動(dòng)方式

如圖1所示，以可充電式電動(dòng)牙刷為例，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成主要分為電機(jī)、電池、電池盒、按鍵開關(guān)、線路板、發(fā)光二極管、感應(yīng)線圈等關(guān)鍵零部件構(gòu)成，作為電機(jī)電源的電池一般與電機(jī)一起安裝在電池盒中，電池盒上有控制電機(jī)電源通斷的按鍵開關(guān)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸伸出電池盒外，牙刷頭及金屬護(hù)板套裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，另外在牙刷頭及金屬護(hù)板外配有一套筒。電動(dòng)牙刷配以各種不同的牙刷頭可適用于各種使用者。

圖1 電動(dòng)牙刷內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成

2 電動(dòng)牙刷清潔能力評價(jià)方法

2.1 測試評價(jià)依據(jù)和方法

由于電動(dòng)牙刷使用時(shí)易受外界不可控因素的影響，為保證外界測試條件的一致性，本文基于Q/CVC 0033-2019 《電動(dòng)牙刷》標(biāo)準(zhǔn)[6]，研究一種電動(dòng)牙刷的清潔效率測量方法，包括測試前用的負(fù)載牙齒模板、測試中的清潔模擬測試裝置和測試后的清潔效果評價(jià)工具等。其中負(fù)載牙齒模板主要用于清潔測試前的污物的配制、處理；清潔模擬測試裝置用于測試中的清潔試驗(yàn)操作，包括對電動(dòng)牙刷受到的手握夾持力、刷頭刷毛在清潔表面產(chǎn)生的作用力、運(yùn)行速度和軌跡等參數(shù)調(diào)控；利用圖像處理軟件和分析計(jì)算軟件工具用于測試后的清潔效果評價(jià)。通過觀察電動(dòng)牙刷在一定時(shí)間（體現(xiàn)在對循環(huán)次數(shù)的控制上）和作用力（對牙刷的握持力和刷毛對牙齒模型板的作用力）條件下，去除牙齒模型板表面覆蓋的污染物的能力，評價(jià)電動(dòng)牙刷的清潔能力。

2.2 測試評價(jià)測試用負(fù)載

測試前用的負(fù)載牙齒模板采用具有一定表面粗糙度的不銹鋼材質(zhì)制成，利用一定比例的水性涂料和彩色顏料，配制成實(shí)驗(yàn)用的彩色水性涂料，通過噴槍在牙齒模板形成一定厚度的均勻連續(xù)的涂膜，然后馬上在 60 ℃的烘箱中進(jìn)行烘干，一定時(shí)間后取出，即可以完成牙齒模板的準(zhǔn)備。然后使用像素千萬以上的掃描儀或攝像機(jī)在30 W白熾燈光照條件下進(jìn)行拍攝，形成清潔試驗(yàn)前的圖像A1。如圖2所示。

圖2 測試用負(fù)載牙齒模板

2.3 電動(dòng)牙刷清潔模擬測試裝置

本文設(shè)計(jì)的模擬電動(dòng)牙刷使用時(shí)刷牙運(yùn)行的測試裝置主要由電控箱、電機(jī)傳動(dòng)裝置、水槽、負(fù)載牙齒模板、含壓力傳感器的牙刷夾具、定滑輪組及砝碼等組成，如圖3所示。其中電控箱作為整個(gè)裝置的核心控制單元，主要由電源模塊、主控機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、觸控屏、電源開關(guān)等組成。電源模塊用于主控機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、觸控屏以及微型壓力傳感器等的供電，主控機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，觸控屏與主控機(jī)相連，用于人機(jī)交互操作，觸控屏參數(shù)界面設(shè)有“力度值”“速度設(shè)定”“行程設(shè)定”“循環(huán)次數(shù)”“當(dāng)前運(yùn)行次數(shù)”“當(dāng)前位置”等控制參數(shù)，其中速度、行程、循環(huán)次數(shù)可根據(jù)測試需求手動(dòng)設(shè)置，觸控屏運(yùn)行控制界面設(shè)有“左移”“右移”“啟動(dòng)測試”“停止測試”“清零”“回原”“復(fù)位”“設(shè)備狀態(tài)”以及“報(bào)警列表”信息顯示等功能。

圖3 清潔模擬測試裝置

將被試的電動(dòng)牙刷和牙齒模板按圖4所示安裝，電動(dòng)牙刷刷頭的起始位置和終點(diǎn)位置如圖4所示。通過調(diào)節(jié)牙刷柄的夾緊力和砝碼，使得刷頭作用到牙齒模板上產(chǎn)生一定的壓力，試驗(yàn)開始時(shí)，刷頭處于圖4的起點(diǎn)位置，電動(dòng)牙刷以最強(qiáng)工作模式檔位啟動(dòng)工作，啟動(dòng)導(dǎo)軌使電動(dòng)牙刷以一定的速率勻速移動(dòng)，開始清潔牙齒模板，當(dāng)刷頭到達(dá)圖4的終點(diǎn)位置時(shí)，移動(dòng)停止，然后刷頭向反方向以相同的速率勻速移動(dòng)，到達(dá)起點(diǎn)位置時(shí)，移動(dòng)停止,再向反方向以相同的的速率勻速移動(dòng)，再次到達(dá)終點(diǎn)位置時(shí)，移動(dòng)停止，并且電動(dòng)牙刷停止工作。對于連續(xù)工作時(shí)間較短的電動(dòng)牙刷，如果在移動(dòng)行程過程中，電動(dòng)牙刷自動(dòng)停止工作，則需要立即再次開機(jī)。

圖4 電動(dòng)牙刷刷頭運(yùn)行初始和結(jié)束位置

2.4 清潔效果評價(jià)

按照上述的電動(dòng)牙刷清潔模擬測試裝置和刷牙運(yùn)行方式，將將清潔試驗(yàn)后的牙齒模型板放入烘箱中進(jìn)行烘干后，再使用像素在千萬以上的掃描儀或攝像機(jī)同樣在30 W白熾燈光照條件下進(jìn)行拍攝，形成清潔試驗(yàn)后的牙齒模型板的圖像A2。

使用圖像處理軟件（如Photoshop、MATLAB軟件）并設(shè)定一定的顏色容差參數(shù)，分析清潔試驗(yàn)前、后的牙齒模板圖像A1和A2，再通過軟件計(jì)算圖像A1和A2的RGB像素面積S1和S2，分別對應(yīng)清潔試驗(yàn)前涂漆面積和清潔試驗(yàn)后涂漆面積，通過對比差異實(shí)現(xiàn)清潔效果的評價(jià)。即通過下式（1）計(jì)算電動(dòng)牙刷的清潔效果（清潔效率）：

式中：

η—清潔效率，%；

S1—清潔前的牙齒模板圖像RGB像素；

S2—清潔后的牙齒模板圖像RGB像素。

3 測試與評價(jià)結(jié)果分析

3.1 測試與評價(jià)試驗(yàn)流程

基于電動(dòng)牙刷清潔模擬運(yùn)行裝置的清潔能力測試與評價(jià)方法基本流程，如圖5所示。

圖5 清潔能力測試與評價(jià)基本流程

3.2 測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.2.1 方法可實(shí)現(xiàn)性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文方法具有可操作性，從市場上選取一款電動(dòng)牙刷進(jìn)行試驗(yàn)。如表2所示，為某款電動(dòng)牙刷清潔試驗(yàn)前和試驗(yàn)后用負(fù)載牙齒模板照片比對圖。由表2對比圖可以看出，該款電動(dòng)牙刷通過3組獨(dú)立試驗(yàn)后，負(fù)載牙齒模板上的水性涂料污物大部分都被清潔干凈，但對于縫隙和邊角之間的污物比較難清潔，這表明了比較符合人體口腔牙齒縫隙間難以清潔的實(shí)際情況。

表2 電動(dòng)牙刷清潔前和試驗(yàn)后用負(fù)載牙齒模板照片對比

使用圖像處理軟件并設(shè)定一定的顏色容差后的清潔試驗(yàn)前、清潔試驗(yàn)后標(biāo)準(zhǔn)污染牙齒模板 RGB像素直方圖比對圖。如圖6所示，由圖可知，清潔前的牙齒模板的像素值由552 958降低到了99 839。

圖6 清潔前和清潔后的標(biāo)準(zhǔn)污染牙齒模板 RGB像素直方圖

表3給出了該款電動(dòng)牙刷3次獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn)后的清潔效率值分別為81.9 %、84.4 %和83.5 %，其平均值為83.3 %。

表3 20款吸油煙機(jī)測試結(jié)果匯總表

3.2.2 方法可重復(fù)性驗(yàn)證

標(biāo)準(zhǔn)檢測方法的可重復(fù)性是指在相同測量條件下，測試方法對重復(fù)使用測試提供非常相近數(shù)值的能力。通過式（2）計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差來體現(xiàn)，用s(x)表示。

式中：

n—獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)，j=1，2，…，n；

xj—第j次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果；

x—n次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

本文選擇其中一款電動(dòng)牙刷樣機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)，采用相同的測量條件下獨(dú)立重復(fù)測量9次，測得9組數(shù)據(jù)如表4所示。由表4的測試數(shù)據(jù)，求得清潔效率的平均值為84.6 %，其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.017 4，方法相對較穩(wěn)定。

表4 清潔效率測試結(jié)果

3.3.3 方法適用性分析

結(jié)合目前電動(dòng)牙刷品牌及機(jī)型市場占有和分布情況，本次試驗(yàn)共選取15款樣機(jī)， 基于本文方法進(jìn)行摸底測試，每臺(tái)樣機(jī)獨(dú)立測試三次，求取平均值。測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。

圖7給出了本次試驗(yàn)的15款樣機(jī)的不同清潔效率對比圖。

從表5測試結(jié)果和圖7結(jié)果對比圖可以看出，本次選取的15款樣機(jī)中，清潔效率最差為42.5 %，最好的達(dá)到了90.4 %，總體平均水平為67.1 %，這說明不同電動(dòng)牙刷清潔能力具有較大的差異。此外，超過50 %的有12款，大部分集中在60～80 %之間。如果要進(jìn)一步改善清潔性能，需要從電動(dòng)牙刷本身屬性如刷頭結(jié)構(gòu)、振動(dòng)強(qiáng)度、刷毛類型和物理強(qiáng)度等綜合因素優(yōu)化。

表5 15款電動(dòng)牙刷清潔效率測試結(jié)果匯總表

4 結(jié)論

本文提供了一種量化的電動(dòng)牙刷清潔能力評價(jià)方法，通過模擬牙刷運(yùn)行的裝置實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)牙刷清潔過程的自動(dòng)控制，觀察電動(dòng)牙刷在一定時(shí)間和作用力條件下，評價(jià)去除牙齒模型板表面覆蓋的污染物的能力，操作方便，人為干預(yù)少，有利于更加合理地開展電動(dòng)牙刷本身屬性如刷頭、振動(dòng)、刷毛等綜合因素的清潔效果研究。

本文方法不僅避免了人為手動(dòng)使用電動(dòng)牙刷進(jìn)行清潔試驗(yàn)過程中帶來的不可控因素的干擾，如手握夾持力、刷頭刷毛在清潔表面產(chǎn)生的作用力、運(yùn)行速度和軌跡等等，也避免了臨床醫(yī)學(xué)上電動(dòng)牙刷清潔美白和清除牙菌斑效果測試的復(fù)雜性和對活體實(shí)驗(yàn)的依賴性。同時(shí)也為開展個(gè)人口腔衛(wèi)生健康護(hù)理產(chǎn)品的清潔能力評價(jià)提供了思路。