标题

34 卷 1 期 2015 年 2 月 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 Chinese Journal of Biomedical Engineering Vol. 34 No. 1 February 2015 基 于 人 体 测 量 的 腹 腔 镜 手 术 器 械 的 人 因 设 计 张 燕 群 王 殊 轶 王 秉 操 ( 上 海 理 工 大 学 医 疗 器 械 与 食 品 学 院 ꎬ 上 海 200093) 摘 要 : 本 研 究 提 出 一 种 基 于 人 体 测 量 的 腹 腔 镜 手 术 器 械 手 柄 设 计 的 方 法 ꎮ 对 12 名 志 愿 者 进 行 了 30 项 手 部 参 数 测 量 ꎬ 并 确 定 了 8 项 与 手 柄 参 数 化 设 计 相 关 的 手 部 参 数 ꎮ 通 过 分 层 聚 类 分 析 将 手 部 参 数 数 据 分 为 大 小 不 同 的 三 类 ꎬ 并 根 据 分 类 结 果 将 对 应 手 部 参 数 的 志 愿 者 分 为 相 应 的 A B 和 C 三 组 进 行 人 因 评 价 实 验 ꎮ 根 据 确 定 的 各 组 器 械 手 柄 设 计 中 的 8 项 关 键 尺 寸 ꎬ 通 过 对 手 部 三 维 曲 面 重 建 模 型 的 分 析 及 优 化 ꎬ 设 计 并 加 工 完 成 了 三 款 尺 寸 不 同 的 腹 腔 镜 器 械 手 柄 Ⅰ 号 Ⅱ 号 和 Ⅲ 号 原 型 ꎮ 通 过 对 比 志 愿 者 在 使 用 设 计 原 型 与 参 照 器 械 进 行 模 拟 腹 腔 镜 训 练 任 务 过 程 中 的 指 浅 屈 肌 电 的 MVE% 值 手 腕 和 食 指 近 指 关 节 活 动 T% 值 手 部 与 器 械 手 柄 各 接 触 点 压 力 平 均 值 F 1 ꎬ 完 成 手 柄 的 人 因 设 计 评 价 ꎮ 实 验 数 据 表 明 ꎬ 相 比 于 参 照 器 械 ꎬ 受 试 者 在 使 用 相 对 应 器 械 设 计 原 型 时 ꎬ 肌 电 MVE% 值 手 腕 关 节 活 动 T% 值 手 部 和 器 械 手 柄 接 触 各 点 压 力 平 均 值 均 有 不 同 程 度 的 减 小 ꎮ 设 计 原 型 在 整 体 上 略 优 于 参 照 器 械 ꎬ 可 能 更 加 符 合 中 国 医 生 的 手 部 需 求 ꎬ 基 本 达 到 设 计 的 目 标 ꎮ 关 键 词 : 腹 腔 镜 手 术 器 械 ꎻ 人 因 设 计 ꎻ 人 体 测 量 ꎻ 曲 面 重 建 中 图 分 类 号 TH38 文 献 标 志 码 D 文 章 编 号 0258 8021(2015) 01 0119 05 The Ergonomic Design for Laparoscopic Instrument Handle Based on Anthropometry Zhang Yanqun Wang Shuyi Wang Bingcao ( College of Medical Instrumentation and Food Engineeringꎬ University of Shanghai for Science and Technologyꎬ Shanghai 200093ꎬChina) Key words: laparoscopic instrumentsꎻ ergonomicsꎻ anthropometryꎻ surface reconstruction 引 言 调 查 发 现 ꎬ 长 时 间 的 腹 腔 镜 手 术 操 作 会 给 医 生 带 来 手 部 不 适 ꎬ 情 况 严 重 时 会 引 发 上 肢 末 端 损 伤 等 职 业 病 ꎬ 而 器 械 手 柄 是 造 成 医 生 手 部 不 适 的 主 要 因 素 ꎮ 美 国 内 窥 镜 外 科 医 生 协 会 调 查 发 现 8% ~ 12% 的 腹 腔 镜 手 术 医 师 在 术 后 会 有 手 指 酸 痛 和 麻 木 等 症 状 ꎬ 研 究 表 明 ꎬ 这 种 症 状 通 常 是 由 于 手 术 过 程 中 手 指 部 位 承 受 过 大 的 压 力 所 致 [1] ꎮ Berguer 等 制 作 了 4 种 不 同 形 状 的 手 柄 ꎬ 通 过 实 验 发 现 这 四 种 设 计 会 不 同 程 度 的 造 成 手 指 局 部 压 力 过 大 [2] ꎮ 因 此 ꎬ 为 提 高 器 械 使 用 的 舒 适 性 ꎬ 减 少 医 生 的 手 部 不 适 ꎬ 提 高 工 作 效 率 ꎬ 对 腹 腔 镜 手 术 器 械 的 手 柄 进 行 人 因 工 程 学 设 计 和 评 价 是 很 有 必 要 的 ꎮ 目 前 腹 腔 镜 手 术 器 械 的 人 因 工 程 学 研 究 主 要 集 中 在 国 外 ꎬ 其 中 荷 兰 代 尔 夫 特 理 工 大 学 ( Delft University of Technology) 的 研 究 最 为 详 细 和 深 入 ꎬ van Veelen 等 通 过 对 原 有 腹 腔 镜 手 术 手 柄 评 价 标 准 进 行 总 结 分 析 ꎬ 在 2001 年 提 出 新 的 评 价 标 准 [3] ꎮ Berguer 等 通 过 调 查 研 究 提 出 腹 腔 镜 手 术 器 械 设 计 主 要 考 虑 两 个 方 面 : 手 术 器 械 的 机 械 效 率 和 手 柄 的 人 因 设 计 [4] ꎮ 国 内 研 究 机 构 和 企 业 尚 未 有 相 关 的 资 料 和 研 究 ꎬ 国 内 腹 腔 镜 手 术 中 使 用 的 器 械 多 为 进 口 产 品 ꎬ 其 手 柄 大 小 设 计 大 多 不 符 合 中 国 医 生 的 手 部 尺 寸 ꎮ 因 此 ꎬ 有 必 要 对 国 人 的 手 部 参 数 进 行 测 量 和 分 类 分 析 ꎬ 并 对 腹 腔 镜 手 术 器 械 的 手 柄 进 行 人 因 doi: 10 3969 / j. issn. 0258 8021 2015 01 017 收 稿 日 期 : 2014 05 16ꎬ 录 用 日 期 :2014 10 10 基 金 项 目 : 上 海 市 教 委 科 研 创 新 项 目 (12Y2098)ꎻ 上 海 理 工 大 学 国 家 级 项 目 培 育 课 题 (13XGQ02) 通 信 作 者 (Corresponding author)ꎬ E mail: wangshuyi2001@ sina. com

１２０ ３４ 卷 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 设计和评价研究ꎮ 中ꎬ虎口区域以及中指 无名指和小拇指的指关节 １ 手柄的人因设计 内侧在器械夹持组织的过程中用力最大ꎬ所以需重 １ １ 基于手部尺寸测量的手柄结构设计 率分析可知曲面的最小曲率半径为 ３ ８ ｍｍꎬ因此在 新设计手柄和手部对应区域的接触曲面ꎮ 通过曲 研究中选择最常见的指环型手柄为设计原型ꎮ 通过对指环型手柄操作过程的分析 国家标准手部 测量 [５] 和参考国外文献中常用手部参数ꎬ确定了 ３０ 项手部测量参数ꎬ主要包括手部各指骨的长度(１５ 设计手柄的曲面时应保证其与虎口接触曲面的曲 率半径大于 ３ ８ ｍｍꎮ １ ３ 手柄的参数化设计 手柄的 设 计 过 程 中 主 要 考 虑 的 参 数 有 ( 见 图 项) 宽度(１２ 项) 以及手部功能尺寸(３ 项) ꎮ 本实 １) :①手柄活动件转动角度 θ [９] ꎻ②手柄活动件初始 的在校大学生作为受试者来进行手部参数测量和 的距离 Ｌꎻ④手柄固定件与轴线的夹角 βꎻ⑤手柄固 验招募了 １２ 名(９ 男 ３ 女) 身体健康 均无手部残疾 与轴线夹角 α [１０] ꎻ③大拇指环到手柄转动拨盘中心 器械手柄人因评价实验ꎬ并对受试者的基本身体参 定件指环到转动中心点距离 Ｒ ｆ ꎻ⑥手柄活动件转动 Ｓ１２ꎮ 其中 １２ 名在校大学生为自愿参与实验ꎬ对实 大小ꎮ 数和手部 参 数 进 行 测 量 后 进 行 随 机 编 号 为 Ｓ１ ~ 半径 Ｒ ｔ ꎻ⑦操作过程中各个手指的作用位置及区间 验内容和任务了解ꎮ 由于测量参数项目较多ꎬ先采 用 ＳＰＳＳ 对 １２ 名志愿者手部参数数据进行因子提取 后进行聚类分析ꎮ 根据分类结果将手部参数分为 三组ꎬ其中编号 Ｓ１ 和 Ｓ１１ 受试者分为 Ａ 组ꎬ属于手 部尺寸较小的一组ꎻ编号 Ｓ２ 和 Ｓ７ 受试者归为 Ｃ 组ꎬ 属于手部尺寸较大的一组ꎻ剩余志愿者归为 Ｂ 组ꎬ 属于手部尺寸中等的一组ꎮ 根据本设计手柄各项 参数的需要ꎬ最终采用的手部功能尺寸参数包括: 图 １ 手柄参数示意图 手长 手宽 食指长 中指长 无名指长 虎口中点到 食指指尖距离 食指最大外展角度和手部握距共 ８ Ｆｉｇ. １ Ｔｈｅ ｈａｎｄｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ 项手部测量项目参数分别求平均值ꎬ得到与手柄参 据ꎬ确定了各手柄设计原型的关键设计参数( 如表 ２ 项ꎮ 通过分析 Ａ Ｂ Ｃ 三组数据ꎬ对每组受试者的 ８ 数化设计的相关手部测量项目数据的平均值如表 １ 所示ꎮ 根据上述内容的手部分类结果及各组测量数 所示) ꎬ并完成了相应三款器械手柄模型的建立和 实物加工ꎮ 其中Ⅰ号原型 Ⅱ号原型和Ⅲ号原型手 柄的关键参数值分别对应于 Ａ Ｂ 和 Ｃ 组志愿者手 表 １ 相关手部测量数据平均值 Ｔａｂ. １ Ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ｒｅｌａｔｅｄ ｈａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅ ｄａｔａ 手部参数 手长 / ｍｍ 手宽 / ｍｍ 食指长 / ｍｍ 中指长 / ｍｍ 无名指长 / ｍｍ 虎口 到 食 指 指 尖 距 离 / ｍｍ 食指外展角度 / ( ) 握距 / ｍｍ Ａ组 １５９ ０ ５９ ２ ８０ ３ ８７ ５ ８６ ２ ８７ ０ ３１ ６ Ｂ组 Ｃ组 １８７ ６ ２０１ ０ ９７ ２ １０２ ３ １０２ ０ １０８ １ ７４ ７ １０８ ３ ９８ ０ ２９ ５ ６３ ０ 部参数ꎮ ８２ ６ １１２ ４ １０９ ０ ２８ ７ ７０ ０ １ ２ 手柄接触曲面的设计 使用三维激光扫描手部石膏模型的方式获取 手部三维数据重建手部模型 [６ ８] ꎮ 通过对手柄部分 上色ꎬ使用 者 操 作 手 柄 后 确 定 手 柄 和 手 部 接 触 区 域ꎬ提取 手 柄 使 用 接 触 曲 面ꎮ 在 手 柄 的 使 用 过 程 表 ２ 三款型号手柄的关键参数值 Ｔａｂ. ２ Ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｈａｎｄｌｅｓ 关键参数 θ / ( ) α / ( ) Ｌ / ｍｍ β / ( ) Ｒ ｆ / ｍｍ Ｒ ｔ / ｍｍ 最大握距 / ｍｍ 最小握距 / ｍｍ Ⅰ号原型 Ⅱ号原型 Ⅲ号原型 ７８ ３ ４８ ０ ４６ ０ ３６ ０ ８８ ２ ５４ ０ ６３ ０ ５８ ０ ５５ ０ ４１ ０ ９８ １ ５５ ０ ６８ ０ ６２ ０ ６２ ０ ４５ ０ １ ４ 手柄的人因评价实验设计 实验研究目的在于对设计的三款腹腔镜手术 器械手柄原型( Ⅰ号原型 Ⅱ号原型和Ⅲ号原型) 与

1 期 张 燕 群 ꎬ 等 : 基 于 人 体 测 量 的 腹 腔 镜 手 术 器 械 的 人 因 设 计 121 参 照 器 械 进 行 人 因 工 程 学 对 比 评 价 ꎮ 实 验 腹 腔 镜 模 拟 训 练 箱 选 用 的 是 由 瑞 红 实 验 室 设 备 有 限 公 司 的 200E 型 腔 镜 模 拟 训 练 箱 ꎬ 其 中 参 照 器 械 为 Sanhe 的 一 款 腹 腔 镜 手 术 抓 钳 ꎮ 实 验 的 受 试 者 为 前 期 手 部 参 数 测 量 的 12 名 志 愿 者 ꎬ 根 据 前 期 测 量 数 据 分 组 情 况 ꎬ 实 验 按 照 手 部 尺 寸 大 小 不 同 ꎬ 安 排 A 组 受 试 者 使 用 Ⅰ 号 原 型 和 参 照 器 械 B 组 受 试 者 使 用 Ⅱ 号 原 型 和 参 照 器 械 C 组 受 试 者 使 用 Ⅲ 号 原 型 和 参 照 器 械 完 成 模 拟 腹 腔 镜 手 术 训 练 任 务 ꎮ 每 次 实 验 分 3 组 进 行 ꎬ 每 组 10 minꎬ 即 完 成 一 次 实 验 30 minꎮ 在 模 拟 训 练 任 务 的 过 程 中 ꎬ 使 用 美 国 BIOPAC 公 司 的 EMG100C (MP150) 作 为 表 面 肌 电 信 号 放 大 装 置 ꎻ TSD130A TSD130E 两 种 关 节 角 度 传 感 器 采 关 节 活 动 角 度 信 号 ꎻFSR400 压 力 传 感 器 测 量 手 部 接 触 压 力 ꎮ 通 过 对 采 集 数 据 的 分 析 和 对 比 ꎬ 确 定 课 题 设 计 的 三 款 原 型 和 参 照 器 械 手 柄 对 人 体 手 部 肌 肉 的 负 荷 关 节 活 动 范 围 手 部 接 触 压 力 分 布 是 否 存 在 差 异 ꎬ 综 合 分 析 数 据 对 手 柄 的 人 因 工 程 学 设 计 进 行 评 价 ꎮ 2 结 果 2 1 表 面 肌 电 数 据 肌 电 信 号 作 为 判 定 施 力 大 小 与 疲 劳 程 度 的 因 子 [11] ꎮ 肌 电 信 号 的 强 度 MVE% ( 肌 电 信 号 EEG 占 最 大 肌 力 信 号 的 百 分 比 ) 及 肌 电 信 号 的 频 率 分 布 MFꎬ 可 用 来 评 估 肌 肉 负 荷 的 大 小 和 疲 劳 程 度 [12] ꎮ 本 研 究 主 要 从 受 试 者 使 用 不 同 器 械 时 手 部 肌 电 信 号 的 强 度 MVE% 值 的 变 化 进 行 分 析 ꎬMVE% 值 越 大 表 明 肌 肉 越 疲 劳 ꎮ A B 和 C 组 受 试 者 在 使 用 对 应 器 械 原 型 和 参 照 器 械 的 实 验 过 程 中 指 浅 屈 肌 的 肌 电 信 号 MVE% 值 如 表 3 所 示 ꎮ Tab. 3 表 3 受 试 者 肌 电 MVE% 值 The EEG MVE% data of participants 实 验 组 受 试 者 对 应 原 型 参 照 器 械 A 组 S1 3 89 4 09 S11 4 20 7 69 B 组 S3 1 92 2 60 S4 10 80 6 16 S5 5 32 7 02 S6 2 40 2 64 S8 3 46 1 88 S9 1 54 1 88 S10 1 09 0 68 S12 4 08 3 96 C 组 S2 4 03 3 34 S7 3 42 4 34 由 表 3 数 据 知 ꎬ 相 比 于 参 照 器 械 ꎬA 组 受 试 者 使 用 Ⅰ 号 原 型 时 MVE% 值 均 减 小 ꎻB 组 受 试 者 使 用 Ⅱ 号 原 型 时 ꎬMVE% 值 呈 减 小 趋 势 ꎬ 除 受 试 者 S4 S8 S10 有 明 显 的 增 大 外 ꎻC 组 受 试 者 使 用 Ⅲ 号 原 型 时 ꎬ MVE% 值 变 化 无 明 显 的 规 律 ꎮ 由 数 据 分 析 可 知 ꎬ 大 多 数 受 试 者 在 使 用 器 械 设 计 原 型 时 肌 电 信 号 的 MVE% 值 较 小 ꎬ 设 计 上 略 优 于 参 照 器 械 ꎮ 2 2 关 节 角 度 信 号 数 据 测 量 结 果 在 腹 腔 镜 手 术 过 程 中 ꎬ 需 要 通 过 手 腕 和 手 指 关 节 频 繁 的 活 动 来 实 现 对 手 术 器 械 操 作 ꎬ 手 腕 的 舒 适 与 否 直 接 关 系 到 整 个 手 术 过 程 的 肌 肉 负 荷 大 小 ꎮ 研 究 表 明 ꎬ 手 腕 在 横 向 平 面 的 舒 适 活 动 范 围 为 0 ~ 10 ꎬ 在 纵 向 平 面 的 活 动 范 围 是 - 45 ~ 25 ꎬ 指 关 节 的 活 动 范 围 为 0 ~ 45 [13] ꎮ 因 此 ꎬ 本 实 验 采 集 了 手 腕 关 节 在 横 向 纵 向 以 及 食 指 近 指 关 节 在 模 拟 内 窥 镜 手 术 训 练 中 的 关 节 角 度 的 活 动 数 据 ꎮ 通 过 分 析 实 验 过 程 中 受 试 者 关 节 角 度 处 于 不 舒 适 角 度 的 时 间 占 总 操 作 时 间 比 重 T% 值 来 评 判 器 械 的 设 计 优 劣 ꎮ A B C 组 实 验 数 据 如 表 4 所 示 ꎬ 表 中 WCꎬWFꎬ FJ 分 别 表 示 腕 部 横 向 腕 部 纵 向 和 食 指 关 节 的 关 节 活 动 T% 值 ꎮ 表 4 受 试 者 手 部 关 节 活 动 T% 值 Tab. 4 The hand joint activities T% data of participants 对 应 原 型 参 照 器 械 实 验 组 受 试 者 WC WL FJ WC WL FJ A 组 S1 77 3 35 2 45 5 82 9 46 6 43 1 S11 50 8 48 2 40 6 58 3 52 9 43 5 B 组 S3 50 6 18 9 50 6 66 7 27 5 48 5 S4 60 3 27 4 53 4 59 4 22 4 50 4 S5 64 2 22 1 50 3 69 8 33 7 46 5 S6 43 6 39 0 50 8 55 9 44 3 51 7 S8 52 8 43 2 47 5 61 9 51 4 44 6 S9 65 3 27 9 46 4 72 3 37 2 45 3 S10 73 5 16 3 44 8 66 7 33 5 41 9 S12 43 9 35 4 52 1 52 1 40 8 49 8 C 组 S2 63 8 26 7 44 3 76 5 37 1 45 6 S7 48 7 28 5 26 8 53 9 29 6 27 9 由 表 4 数 据 知 ꎬ 相 比 于 参 照 器 械 ꎬA 组 受 试 者 在 使 用 Ⅰ 号 原 型 时 ꎬ 腕 部 横 向 和 腕 部 纵 向 关 节 活 动 T% 值 均 减 小 ꎻB 组 受 试 者 使 用 Ⅱ 号 原 型 时 ꎬ 腕 部 横 向 腕 部 纵 向 关 节 活 动 T% 值 均 减 小 ( S10 的 腕 部 横 向 关 节 活 动 T% 增 大 )ꎻC 组 受 试 者 使 用 Ⅲ 号 原 型 时 ꎬ 腕 部 横 向 腕 部 纵 向 和 食 指 关 节 活 动 角 度 T% 值 均 减 小 ꎮ 由 数 据 分 析 可 知 ꎬ 受 试 者 在 模 拟 腹 腔 镜 手 术 训 练 中 ꎬ 使 用 器 械 设 计 原 型 腕 部 横 向 和 腕 部 纵 向 的 关 节 活 动 T% 值 减 少 ꎬ 舒 适 性 略 优 于 参 照 器 械 ꎮ

122 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 34 卷 2 3 表 面 接 触 压 力 信 号 测 量 结 果 医 生 通 过 手 部 的 运 动 来 操 控 器 械 ꎬ 手 部 和 器 械 之 间 的 表 面 接 触 压 力 可 以 直 观 地 反 映 手 部 的 作 用 情 况 ꎮ 根 据 实 验 过 程 中 受 试 者 在 操 作 器 械 开 合 时 对 应 的 器 械 接 触 部 位 ꎬ 确 定 了 4 个 受 试 者 手 部 的 压 力 测 试 点 ꎮ 压 力 测 试 点 1 和 4 分 别 为 器 械 前 端 张 开 时 大 拇 指 和 中 指 与 器 械 的 接 触 测 试 点 ꎬ 压 力 测 试 点 2 和 3 分 别 为 器 械 前 端 闭 合 时 大 拇 指 和 中 指 与 器 械 的 接 触 点 ꎮ 利 用 压 力 传 感 器 测 量 实 验 过 程 中 受 试 者 与 器 械 手 柄 的 4 个 接 触 点 的 压 力 值 ꎬ 并 计 算 出 各 接 触 点 的 压 力 平 均 值 F 1 和 F 4 ꎮ 在 数 据 预 处 理 时 发 现 压 力 测 试 点 4 的 平 均 压 力 值 F 4 几 乎 全 部 为 零 ꎬ 因 此 将 压 力 测 试 点 4 数 据 F 4 不 作 处 理 ꎮ 实 验 数 据 如 下 表 5 所 示 ꎬ 表 中 F 1 分 别 表 示 在 压 力 测 试 点 1 压 力 测 试 点 2 压 力 测 试 点 3 所 受 的 平 均 压 力 ꎬ 单 位 均 为 Nꎮ Tab. 5 实 验 组 表 5 受 试 者 各 测 试 点 压 力 平 均 值 The average pressure of test points of participants 受 试 者 对 应 原 型 / N 参 照 器 械 / N F 1 F 2 F 3 F 1 F 2 F 3 A 组 S1 4 52 8 63 6 72 4 97 9 45 6 73 S11 2 88 5 30 8 63 3 52 8 61 9 53 B 组 S3 10 37 11 20 6 33 8 96 13 72 6 33 S4 2 80 7 95 7 52 2 90 9 57 7 52 S5 5 64 13 47 5 33 6 75 14 64 5 36 S6 3 98 11 50 4 75 5 02 15 72 4 78 S8 7 30 10 31 4 35 8 93 12 70 4 31 S9 3 72 6 83 3 16 6 30 9 47 3 10 S10 9 53 12 47 6 74 8 79 13 50 6 70 S12 5 40 10 02 2 17 6 63 14 20 4 85 C 组 S2 3 18 9 26 5 57 4 43 10 08 5 50 S7 5 82 9 62 3 86 6 71 10 80 3 82 由 表 5 数 据 知 ꎬ 相 比 于 参 照 器 械 ꎬA 组 受 试 者 在 使 用 Ⅰ 号 原 型 时 ꎬ 各 测 试 点 的 压 力 平 均 值 F 1 均 减 小 ꎻB 组 受 试 者 使 用 Ⅱ 号 原 型 时 ꎬ 各 测 试 点 的 压 力 平 均 值 F 1 均 减 小 ꎬ 但 受 试 者 S3 S10 在 测 试 点 1 的 压 力 平 均 值 F 1 增 大 ꎻC 组 受 试 者 使 用 Ⅲ 号 原 型 时 各 测 试 点 平 均 压 力 值 F 1 均 减 小 ꎬF 3 稍 增 大 ꎬ 但 不 明 显 ꎮ 由 数 据 分 析 可 知 ꎬ 整 体 上 器 械 原 型 在 模 拟 腹 腔 镜 手 术 训 练 过 程 中 接 触 点 压 力 值 有 减 小 ꎬ 舒 适 性 优 于 参 照 器 械 ꎮ 3 讨 论 和 结 论 本 研 究 是 基 于 人 体 手 部 参 数 测 量 的 腹 腔 镜 手 术 器 械 手 柄 的 人 因 设 计 ꎮ 根 据 测 量 参 数 设 计 并 加 工 完 成 了 三 款 器 械 手 柄 原 型 ꎬ 分 别 符 合 根 据 分 层 聚 类 分 析 分 组 后 的 A B C 三 组 受 试 者 手 部 参 数 ꎮ 通 过 器 械 人 因 评 价 实 验 对 设 计 原 型 进 行 客 观 评 价 ꎮ 理 论 上 ꎬ 设 计 原 型 在 手 柄 尺 寸 上 更 符 合 对 应 受 试 者 的 手 部 各 项 参 数 大 小 ꎬ 在 使 用 时 比 参 照 器 械 更 加 舒 适 ꎮ 实 验 数 据 结 果 表 明 ꎬ 相 比 于 参 照 器 械 ꎬ 大 多 数 受 试 者 在 使 用 器 械 设 计 原 型 时 ꎬ 肌 电 信 号 MVE% 参 数 值 减 少 ꎬ 与 预 期 结 果 一 致 ꎬ 只 有 S4 号 S10 号 的 肌 电 MVE% 值 偏 离 较 大 ꎬ 这 可 能 是 在 实 验 过 程 中 与 受 试 者 的 实 验 操 作 不 当 有 关 ꎮ 腕 关 节 横 向 和 腕 部 纵 向 角 度 超 出 舒 适 范 围 时 间 比 重 T% 值 减 少 较 大 ꎬ 与 预 期 结 果 一 致 ꎬ 但 大 多 数 受 试 者 的 食 指 近 指 关 节 角 度 T% 参 数 值 反 而 增 大 ꎮ 这 可 能 与 器 械 手 柄 原 型 参 数 化 设 计 有 关 ꎬ 如 设 计 时 只 根 据 各 组 志 愿 者 食 指 长 度 考 虑 到 符 合 手 柄 结 构 化 设 计 ꎬ 而 没 有 去 考 虑 食 指 在 使 用 操 作 过 程 中 的 作 用 形 式 ꎬ 使 得 志 愿 者 在 使 用 过 程 中 ꎬ 食 指 活 动 范 围 过 大 ꎬ 超 出 了 舒 适 范 围 ꎮ 在 接 触 压 力 方 面 ꎬ 大 多 数 受 试 者 的 压 力 平 均 值 均 减 小 ꎬ 但 S3 S10 受 试 者 的 F 1 增 大 ꎬS2 S7 受 试 者 的 F 3 均 稍 增 大 ꎮ 本 研 究 设 计 的 三 款 器 械 原 型 是 根 据 12 名 受 试 者 手 部 的 8 项 关 键 参 数 设 计 而 成 ꎬ 由 于 数 据 样 本 量 较 少 ꎬ 得 到 的 结 果 可 能 不 具 有 统 计 学 意 义 ꎬ 在 进 行 手 柄 参 数 设 计 时 也 会 对 各 项 具 体 的 参 数 设 计 有 一 定 的 影 响 ꎮ 器 械 人 因 评 价 实 验 的 数 据 结 果 也 会 由 于 样 本 量 的 限 制 而 不 能 带 来 明 显 的 有 规 律 的 变 化 ꎮ 本 研 究 设 计 所 提 出 的 基 于 中 国 人 人 体 参 数 测 量 的 腹 腔 镜 手 术 器 械 手 柄 的 人 因 设 计 ꎬ 从 实 验 数 据 结 果 看 ꎬ 设 计 原 型 在 整 体 上 略 优 于 参 照 器 械 ꎬ 基 本 达 到 模 型 设 计 的 目 标 ꎬ 这 可 能 更 加 符 合 中 国 医 生 的 手 部 需 求 ꎮ 但 本 研 究 设 计 仍 有 一 些 不 足 处 ꎬ 接 下 来 需 要 加 大 样 本 量 ꎬ 进 一 步 改 善 手 柄 参 数 化 设 计 和 器 械 人 因 评 价 实 验 ꎮ 在 后 续 的 工 作 中 还 可 以 通 过 对 腹 腔 镜 医 生 手 部 数 据 进 行 测 量 按 照 国 家 标 准 建 立 数 据 库 ꎬ 为 以 后 的 手 术 器 械 手 柄 设 计 带 来 数 据 依 据 ꎬ 同 时 可 以 对 手 部 进 行 大 量 的 三 维 数 据 采 集 ꎬ 为 手 工 工 具 曲 面 设 计 提 供 有 利 参 考 ꎮ 参 考 文 献 [ 1 ] Berguer Rꎬ Hreljac A. The relationship between hand size and difficulty using surgical instruments: A survey of 726 laparoscopic surgeons [ J ]. Surgical Endoscopy and Other Interventional Techniquesꎬ 2004ꎬ 18(3): 508-512. [ 2 ] Berguer Rꎬ Forkey DLꎬ Smith WD. Ergonomic problems

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