吳 越 錢善華,2 陳汝斯 王志勇 趙 健 俞經(jīng)虎

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇無錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室 江蘇無錫 214122；3.福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 福建福州 350005；4.江南大學(xué)附屬醫(yī)院 江蘇無錫 214122)

隨著老齡化程度的加快及各種疾病的多發(fā)，特別是口腔、咽部、食管等部位的功能性病變所致的吞咽障礙發(fā)病率逐步升高，其病癥的診斷及輔助治療已成為當(dāng)前社會醫(yī)療的熱點問題之一。針對吞咽障礙病癥，大部分醫(yī)療機(jī)構(gòu)均通過口腔咽部和食管造影檢查開展其診斷治療，該方法能夠直觀地發(fā)現(xiàn)吞咽障礙患者各部位的結(jié)構(gòu)性病變及功能性異常等病因[1]。造影檢查所用的造影劑主要為鋇劑與碘劑，鋇劑價格便宜，無特殊氣味，但過量攝入會導(dǎo)致病人無法排出體外，對人體造成傷害；碘劑價格較貴，有氣味，難以下咽，但對人體無害。鑒于各類患者的吞咽能力，配比不同黏稠度及濃度的造影劑是極為重要的。但在實際檢查中，醫(yī)生往往依靠主觀判斷造影劑的黏稠度，缺乏客觀的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致病患在做檢查時可能出現(xiàn)誤吸和嗆咳等危險[2]。因此，明確不同病患的吞咽障礙等級，深入研究鋇餐造影劑濃度及增稠配比對吞咽的影響尤為重要，這也將為吞咽障礙造影診療手段提供技術(shù)參考。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對造影劑添加劑及增稠劑的研發(fā)、吞咽壓力及速度的檢測、吞咽仿真及仿生材料等問題開展一系列卓有成效的研究。如韓金花和王琦[3]研發(fā)了一種果味鋇餐，改善鋇餐口味的同時不影響鋇餐造影效果，可更容易被患者所接受。雀巢公司還專門為吞咽障礙患者開發(fā)了增稠劑，其原料為改性玉米淀粉[4]。與此同時，很多學(xué)者采用各種壓力傳感器及速度傳感器來對比正常人與吞咽障礙患者在吞咽時的速度及壓力變化[5-6]。此外，各種理論模型被用于研究舌/上顎間隙與黏度、密度、摩擦力間的變化關(guān)系[7]，其中兩圓平面擠壓是較為經(jīng)典的舌/上顎簡化模型[8]。在仿生材料方面，聚二甲基硅氧烷(PDMS)常常被用來制作仿生舌及上顎等材料[9-11]。然而，這些研究并不能完全反映造影劑在不同吞咽等級下吞咽的潤滑過程，尤其是造影劑含量及增稠劑配比對吞咽潤滑性能的影響。

口腔環(huán)境下，吞咽時舌與上顎其本質(zhì)為一對軟體摩擦副，且摩擦因數(shù)越低，越利于吞咽[12-13]。因此，本文作者對吞咽障礙患者進(jìn)行了分級(吞咽壓力與速度)，并以常用的鋇餐為原料，根據(jù)國際吞咽障礙食物標(biāo)準(zhǔn)行動委員會(IDDSI)的食物標(biāo)準(zhǔn)，配制不同濃度鋇餐溶液及不同增稠劑濃度的鋇餐溶液，采用PDMS軟材料制備用于模擬吞咽的摩擦副，在MT-5000磨損試驗機(jī)上開展不同吞咽等級下鋇餐溶液及增稠劑的潤滑性能研究，為吞咽障礙患者的造影檢查提供了技術(shù)參考。

1 試驗部分

1.1 仿生材料制備

口腔環(huán)境下，在食物吞咽時主要為舌與上顎之間的相互運動擠壓使食物進(jìn)入咽部及食道。目前研究發(fā)現(xiàn)，舌/上顎模型可簡化為微間隙下兩塊平板之間的擠壓[14]，因此，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)來制備舌與上顎材料，采用2個平面滑動模擬食物在口腔環(huán)境下吞咽過程。

選取聚二甲基硅氧烷(簡稱PDMS，Sylgard 184 Dow Coring，USA)為基礎(chǔ)材料，按基礎(chǔ)液與固化劑的質(zhì)量配比19∶1即PDMS的基礎(chǔ)液和固化劑均勻混合后，倒入圓形培養(yǎng)皿，并在超聲波下均勻攪拌30 min；將培養(yǎng)皿置于70 ℃的高溫干燥箱內(nèi)靜置12 h，取出后冷卻至室溫。

1.2 黏稠度測試方法

文中試驗采用硫酸鋇造影劑Ⅱ型口服鋇餐(青島紅蝶新材料有限公司生產(chǎn))。針對不同人群的吞咽能力，需要配制不同黏稠度鋇餐且需滿足一定的硫酸鋇含量，鋇餐溶液過稀會使患者發(fā)生誤吸及嗆咳，過稠會使患者花費更多的力氣去完成吞咽，從而影響檢查效果[15]。為快速判斷鋇餐黏稠度，國際吞咽障礙食物標(biāo)準(zhǔn)行動委員會(IDDSI)提出了吞咽障礙食物譜框架[2]，其標(biāo)準(zhǔn)可在臨床上快速檢測鋇餐的黏稠度，即根據(jù)測試液體流經(jīng)10 mL注射器10 s后剩余量區(qū)分等級，如表1所示。

表1 食品等級測試方法[2]

在口腔食道造影檢查中，常用鋇餐濃度為600～2 500 g/L，其濃度的確定與病人的吞咽障礙等級密切相關(guān)，醫(yī)護(hù)人員通常根據(jù)病人的患病情況選擇大致的鋇餐濃度以滿足檢查要求。因此，將該范圍劃分為600、1 050、1 500、1 950、2 400 g/L五個濃度等級，并在不影響檢查的情況下，以最低的600 g/L濃度為基礎(chǔ)，在40 mL的鋇餐溶液中添加0.1、0.2、0.3、......、0.8 、0.9、1 g的食品增稠劑(日本和光堂)，即增稠劑濃度為2.5、5、7.5、......、20、22.5、25 g/L，并利用IDDSI標(biāo)準(zhǔn)對鋇餐溶液開展性能檢測。

1.3 潤滑性能測試方法

不同人群以及不同病癥所導(dǎo)致的吞咽障礙程度是不同的，故對于不同的吞咽障礙等級的病患給予適當(dāng)黏稠度的鋇餐。藤島一郎將吞咽功能等級從重度吞咽困難到正常吞咽分為了10級，分值為1～10分，分?jǐn)?shù)越高表明吞咽困難程度越低，其中在評分為6～10分的患者中，可進(jìn)行攝食；在1～5分的患者，均需要靜脈營養(yǎng)。因此，6～10分的患者方可進(jìn)行鋇餐造影檢查[2]。在口腔環(huán)境下，正常人吞咽的壓力為(23±6.82) kPa[16]，速度為(25.98±12.64) mm/s[17]，而吞咽障礙患者的平均吞咽壓力(18.23±8.93) kPa，速度為(18.07±15.39) mm/s。基于現(xiàn)有的壓力與速度，結(jié)合藤島一郎攝食-吞咽功能等級的評定標(biāo)準(zhǔn)，大致將可以進(jìn)行鋇餐造影檢查的患者劃分五大類，如表2所示，等級越高，吞咽能力越強(qiáng)。

表2 吞咽障礙等級評定標(biāo)準(zhǔn)

基于吞咽障礙等級，對其進(jìn)行不同濃度及不同增稠劑配比鋇餐的潤滑性能測試，其示意圖如圖1所示。上試樣和下試樣分別模擬人體的上顎和舌，均采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的PDMS軟材料以實現(xiàn)軟體摩擦副。上試樣利用膠水固定于金屬夾具上并用小刀切至1 cm2以滿足壓力要求(即加載1 N的力以相對于10 kPa的壓力)，且試樣與夾具的中心在同一直線上，下試樣固定于底座上，鋇餐溶液則均勻地涂在下試樣表面。試驗選用載荷為2、2.25、2.5、2.75、3 N并分別以18、20、22、24、26 mm/s的速度滿足吞咽等級的壓力與速度要求。在滑行過程中，上試樣固定不動，下試樣底座采用高頻往復(fù)模塊進(jìn)行往復(fù)滑動，往復(fù)行程為5 mm，試驗時間為30 s。當(dāng)上下試樣在外載荷作用下進(jìn)行接觸和滑動時，試驗機(jī)傳感器能夠測定X方向力Fx及X、Z方向位移，同時可監(jiān)測Z方向力Fz的變化，摩擦因數(shù)即為Fx/Fz，外載荷和滑動速率均由預(yù)先編好的程序控制。此外，每組試驗重復(fù)進(jìn)行3次，且每組試驗結(jié)束后均更換新的試驗材料開展下一組測試。

圖1 基于PDMS軟摩擦副的潤滑性能測試示意

2 結(jié)果與討論

2.1 鋇餐溶液黏稠度的影響因素

基于IDDSI對流體食品的檢測標(biāo)準(zhǔn)，不同濃度的鋇餐溶液呈現(xiàn)出不同的黏稠度變化，如圖2所示。如圖2(a)所示，發(fā)現(xiàn)不添加增稠劑鋇餐溶液的黏稠度隨其濃度的增加而變大，對應(yīng)IDDSI食品標(biāo)準(zhǔn)，600、1 050 g/L鋇餐溶液為0級食品，1 500、1 950、2 400 g/L鋇餐溶液分別對應(yīng)于1、2與3級食品，未出現(xiàn)4級食品，且鋇餐溶液濃度低于1 500 g/L時，黏稠度變化較?。辉谄錆舛雀哂? 500 g/L時，黏稠度變化上升趨勢變快。而如圖2(b)所示，添加增稠劑的600 g/L鋇餐溶液的黏稠度隨增稠劑濃度的增加而增大，且在增稠劑濃度大于15 g/L時，發(fā)現(xiàn)其上升趨勢逐漸變緩；同時，增稠劑濃度為2.5 g/L時為0級食品，5 g/L與7.5 g/L濃度時為1級食品，10 g/L與12.5 g/L濃度時為2級食品，15～20 g/L濃度為3級，超過22.5 g/L濃度后，已達(dá)到4級食品的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 不同濃度鋇餐溶液及不同增稠劑濃度的600 g/L鋇餐溶液的黏稠度變化

因此，未添加增稠劑的鋇餐溶液黏稠度變化與添加增稠劑的600 g/L鋇餐溶液近似相同。因此，在造影檢查時，600～2 500 g/L濃度標(biāo)準(zhǔn)下，為使患者少量攝入鋇餐含量，且不影響溶液黏稠劑情況下，可在最低標(biāo)準(zhǔn)的600 g/L鋇餐溶液中添加增稠劑，以使其溶液黏稠度達(dá)到要求。故根據(jù)各自的黏稠度變化，選擇增稠劑濃度為0(0級)、5 g/L(1級)、12.5 g/L(2級)、17.5 g/L(3級)及22.5 g/L(4級)的600 g/L鋇餐溶液與開展吞咽潤滑性能測試。

2.2 鋇餐濃度對其潤滑性能的影響

基于表2的吞咽能力等級，在不同的載荷與速度工況下開展不同濃度下未添加增稠劑的鋇餐溶液潤滑性能測試。圖3所示為在吞咽等級為3級(載荷2.5 N、速度22 mm/s)下摩擦因數(shù)隨鋇餐濃度的變化關(guān)系。發(fā)現(xiàn)各濃度的鋇餐溶液在同一載荷和速度工況下，摩擦因數(shù)與時間呈類周期性波動變化。濃度2 400 g/L鋇餐溶液的摩擦因數(shù)明顯高于其他4組溶液，且摩擦因數(shù)的波動區(qū)域為0.6～1.8，其余4組的摩擦因數(shù)區(qū)域為0.4～1.5；而濃度1 500 g/L鋇餐溶液對應(yīng)的摩擦因數(shù)的波動幅值略小于另4組溶液。因摩擦副的表面及基體表面的平整性較低，致使摩擦因數(shù)呈波動性變化。結(jié)合滑動過程中正壓力的變化趨勢，從總滑動時間30 s中選取中間20個往復(fù)行程，并將指定工況下選取某區(qū)域載荷的測試數(shù)據(jù)，如表3所示，并求其平均摩擦因數(shù)，以此對比不同濃度鋇餐下摩擦因數(shù)的變化趨勢。此外，后續(xù)的結(jié)果均按該方法進(jìn)行處理。

圖3 2.5 N、22 mm/s工況下摩擦因數(shù)隨鋇餐濃度的變化曲線

表3 載荷的選取區(qū)域

基于數(shù)據(jù)選取標(biāo)準(zhǔn)及“摩擦因數(shù)越小，越利于吞咽”的原則，對篩選后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖4所示為不同吞咽等級下平均摩擦因數(shù)隨鋇餐濃度的變化曲線。發(fā)現(xiàn)平均摩擦因數(shù)隨鋇餐濃度的增加呈現(xiàn)波折的變化趨勢。吞咽等級為1級(2 N、18 mm/s)時，1 050 g/L與2 400 g/L濃度時對應(yīng)平均摩擦因數(shù)較小，分別為0.65、0.61，1 500 g/L濃度時其值達(dá)到最大值0.77；吞咽等級為2級(2.25 N、20 mm/s)與4級(2.75 N、24 mm/s)時，平均摩擦因數(shù)隨鋇餐濃度的變化大致呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，2級在1 500、1 950 g/L濃度存在最小值0.74，而在600 g/L濃度達(dá)到最大值0.87，4級在1 050 g/L濃度時摩擦因數(shù)達(dá)到最小值0.59，而在2 400 g/L濃度達(dá)到最大值0.77；吞咽等級為3級(2.5 N、22 mm/s)時，在2 400 g/L濃度存在較小的平均摩擦因數(shù)0.63，在600 g/L濃度時達(dá)到最大值0.90，且在1 500、1 950 g/L濃度分別達(dá)到0.74、0.71；而吞咽能力5級(3 N、26 mm/s)時即為正常人，在1 050 g/L濃度時發(fā)現(xiàn)其摩擦因數(shù)最小值0.73，最大值為1 050 g/L濃度時的0.84。

圖4 不同吞咽等級下平均摩擦因數(shù)隨鋇餐濃度的變化曲線

基于各等級的吞咽能力及避免攝入過多的硫酸鋇，且利于患者的吞咽，按食品分級標(biāo)準(zhǔn)，1級吞咽能力選取1 050 g/L濃度(摩擦因數(shù)f=0.65)，2級選取1 050 g/L濃度(f=0.74)，3級選取1 950 g/L濃度(f=0.71)，4級選取600～1 500 g/L濃度(f=0.59～0.72)，5級選取600～1 950 g/L(f=0.73～0.84)為檢查濃度較為合適。

2.3 增稠劑濃度對其潤滑性能的影響

基于吞咽能力等級，在不同的載荷和速度工況下對不同增稠劑濃度的600 g/L鋇餐溶液開展?jié)櫥阅軠y試。圖5所示為不同吞咽等級下摩擦因數(shù)隨增稠劑濃度的變化曲線。發(fā)現(xiàn)在不同吞咽等級下，平均摩擦因數(shù)隨增稠劑濃度增加均呈先下降后上升的趨勢，且發(fā)現(xiàn)與添加增稠劑的鋇餐溶液相比，不添加增稠劑的鋇餐溶液的平均摩擦因數(shù)最大。吞咽等級為1級(2 N、18 mm/s)時,增稠劑濃度12.5、17.5 g/L對應(yīng)的平均摩擦因數(shù)較小，分別為0.56、0.55；吞咽等級為2級(2.25 N、20 mm/s)時，濃度12.5 g/L對應(yīng)的平均摩擦因數(shù)最小,為0.39；吞咽等級為3級(2.5 N、22 mm/s)時，濃度17.5 g/L對應(yīng)的平均摩擦因數(shù)最小，為0.47；吞咽等級為4級(2.75 N、24 mm/s)時，濃度5 g/L對應(yīng)的平均摩擦因數(shù)最小，為0.55；吞咽等級為5級(3 N、26 mm/s)時，濃度12.5 g/L對應(yīng)的平均摩擦因數(shù)最小,為0.50。

圖5 不同吞咽等級下平均摩擦因數(shù)隨增稠劑濃度的變化曲線

基于各等級的吞咽能力及不同增稠劑濃度的600 g/L鋇餐溶液的食品分級，1級吞咽能力選取12.5 g/L(f=0.56)，2級選取5～12.5 g/L(f=0.39～0.58)，3級選取5～17.5 g/L(f=0.47～0.58)，4級選取5～22.5 g/L(f=0.55～0.63)，5級選取0～22.5 g/L(f=0.50～0.73)為檢查濃度較為合適。

2.4 討論

基于不同濃度鋇餐及不同增稠劑濃度的平均摩擦因數(shù)隨吞咽等級變化的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在不同濃度鋇餐溶液中，不同吞咽等級下，平均摩擦因數(shù)呈現(xiàn)波折的變化，無特征性的變化趨勢。而對于不同增稠劑濃度的600 g/L鋇餐溶液中，不同吞咽等級下，平均摩擦因數(shù)隨增稠劑濃度的增大均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且在相同吞咽等級下，未添加增稠劑鋇餐溶液均比含有增稠劑鋇餐溶液的平均摩擦因數(shù)大。結(jié)合圖4、5可發(fā)現(xiàn)，未添加增稠劑鋇餐溶液的平均摩擦因數(shù)大致范圍在0.6～0.9，而添加增稠劑鋇餐溶液的平均摩擦因數(shù)則處于0.4～0.75。此外，在不同吞咽等級及食品分級標(biāo)準(zhǔn)下，添加增稠劑鋇餐溶液的平均摩擦因數(shù)低于未添加增稠劑鋇餐溶液15%～35%。如3級吞咽等級下，所選取的相同食品等級溶液時，未添加增稠劑溶液的平均摩擦因數(shù)(f=0.71)比添加增稠劑溶液平均摩擦因數(shù)(f=0.58)高22.4%，而兩者均處于2級食品標(biāo)準(zhǔn)，故兩者相比，添加增稠劑的鋇餐溶液更利于患者的吞咽，且區(qū)分度較好。因此，為防止病患在造影檢查時發(fā)生嗆咳、誤吸、哽咽及鋇餐攝入量過多等危險，檢查者應(yīng)當(dāng)減少為提高黏稠度而提高鋇餐濃度的操作方法，而是在不影響檢查效果的情況下，采用在低濃度鋇餐中添加增稠劑并按照不同吞咽等級選取不同的增稠劑濃度來提高鋇餐黏稠度以滿足檢查需求，改善患者的吞咽潤滑性能。

此外，各試驗工況下，平均摩擦因數(shù)在0.4～0.9之間，數(shù)值略高。主要原因可能為上試樣與下試樣均為PDMS軟材料，且上試樣與下試樣的接觸面積僅為1 cm2，在往復(fù)滑動過程中，由于該材料較軟，故上試樣會產(chǎn)生很小角度的傾斜以及擠壓變形并使得載荷處于一個波動的狀態(tài)下。此外，載荷的選取范圍對平均摩擦因數(shù)計算有一定的影響，但在同一范圍下選取的平均摩擦因數(shù)有較大的可比性。因此，文中的測試結(jié)果能比較不同濃度的鋇餐溶液及不同增稠劑濃度的鋇餐溶液的潤滑性能，為不同吞咽等級下的鋇餐溶液及增稠劑配比提供了參考。

3 結(jié)論

(1)未添加增稠劑與添加增稠劑的鋇餐溶液的黏稠度均隨其濃度的增加而增大，且添加增稠劑鋇餐溶液的食品等級更均勻，表明添加增稠劑有助于區(qū)分鋇餐溶液的黏稠度。

(2)在不同吞咽等級下，未添加增稠劑鋇餐溶液的平均摩擦因數(shù)隨其濃度的增大呈無明顯的變化趨勢，但添加增稠劑的600 g/L鋇餐溶液的平均摩擦因數(shù)隨增稠劑濃度的增大呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，且添加增稠劑鋇餐溶液的平均摩擦因數(shù)低于未添加增稠劑鋇餐溶液15%～35%。

(3)依據(jù)不同吞咽等級的患者，選擇不同增稠劑濃度的600 g/L鋇餐溶液，可改善患者的吞咽潤滑性能，提高患者在檢查時吞咽的舒適度。