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，上海 200093)



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，上海 200093)

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。对12名志愿者进行了30项手部参数测量，并确定了8项与手柄参数化设计相关的手部参数。通过分层聚类分析将手部参数数据分为大小不同的三类，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。根据确定的各组器械手柄设计中的8项关键尺寸，通过对手部三维曲面重建模型的分析及优化，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。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F1、F2、F3，完成手柄的人因设计评价。实验数据表明，相比于参照器械，受试者在使用相对应器械设计原型时， 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。设计原型在整体上略优于参照器械，可能更加符合中国医生的手部需求，基本达到设计的目标。

腹腔镜手术器械；人因设计；人体测量；曲面重建

引言

调查发现，长时间的腹腔镜手术操作会给医生带来手部不适，情况严重时会引发上肢末端损伤等职业病，而器械手柄是造成医生手部不适的主要因素。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，研究表明，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]。Berguer等制作了4种不同形状的手柄，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]。因此，为提高器械使用的舒适性，减少医生的手部不适，提高工作效率，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。

目前腹腔镜手术器械的人因工程学研究主要集中在国外，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，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，在2001年提出新的评价标准[3]。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]。国内研究机构和企业尚未有相关的资料和研究，国内腹腔镜手术中使用的器械多为进口产品，其手柄大小设计大多不符合中国医生的手部尺寸。因此，有必要对国人的手部参数进行测量和分类分析，并对腹腔镜手术器械的手柄进行人因设计和评价研究。

1 手柄的人因设计

1.1 基于手部尺寸测量的手柄结构设计

研究中选择最常见的指环型手柄为设计原型。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，确定了30项手部测量参数，主要包括手部各指骨的长度(15项)、宽度(12项)以及手部功能尺寸(3项)。本实验招募了12名(9男3女)身体健康、均无手部残疾的在校大学生作为受试者来进行手部参数测量和器械手柄人因评价实验，并对受试者的基本身体参数和手部参数进行测量后进行随机编号为S1～S12。其中12名在校大学生为自愿参与实验，对实验内容和任务了解。由于测量参数项目较多，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。根据分类结果将手部参数分为三组，其中编号S1和S11受试者分为A组，属于手部尺寸较小的一组；编号S2和S7受试者归为C组，属于手部尺寸较大的一组；剩余志愿者归为B组，属于手部尺寸中等的一组。根据本设计手柄各项参数的需要，最终采用的手部功能尺寸参数包括：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项。通过分析A、B、C三组数据，对每组受试者的8项手部测量项目参数分别求平均值，得到与手柄参数化设计的相关手部测量项目数据的平均值如表1所示。

表1 相关手部测量数据平均值

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]。通过对手柄部分上色，使用者操作手柄后确定手柄和手部接触区域，提取手柄使用接触曲面。在手柄的使用过程中，虎口区域以及中指、无名指和小拇指的指关节内侧在器械夹持组织的过程中用力最大，所以需重新设计手柄和手部对应区域的接触曲面。通过曲率分析可知曲面的最小曲率半径为3.8 mm，因此在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 mm。

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1)：①手柄活动件转动角度θ[9]；②手柄活动件初始与轴线夹角α[10]；③大拇指环到手柄转动拨盘中心的距离L；④手柄固定件与轴线的夹角β；⑤手柄固定件指环到转动中心点距离Rf；⑥手柄活动件转动半径Rt；⑦操作过程中各个手指的作用位置及区间大小。

图1 手柄参数示意图Fig.1 The handle parameter schematic diagram

根据上述内容的手部分类结果及各组测量数据，确定了各手柄设计原型的关键设计参数(如表2所示)，并完成了相应三款器械手柄模型的建立和实物加工。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组志愿者手部参数。

表2 三款型号手柄的关键参数值

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)与参照器械进行人因工程学对比评价。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,其中参照器械为Sanhe的一款腹腔镜手术抓钳。实验的受试者为前期手部参数测量的12名志愿者，根据前期测量数据分组情况，实验按照手部尺寸大小不同，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。每次实验分3组进行，每组10 min，即完成一次实验30 min。在模拟训练任务的过程中，使用美国BIOPAC公司的EMG100C (MP150)作为表面肌电信号放大装置；TSD130A、TSD130E两种关节角度传感器采关节活动角度信号；FSR400压力传感器测量手部接触压力。通过对采集数据的分析和对比，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，综合分析数据对手柄的人因工程学设计进行评价。

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]。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MF，可用来评估肌肉负荷的大小和疲劳程度[12]。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，MVE%值越大表明肌肉越疲劳。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。

表3 受试者肌电MVE%值

由表3数据知，相比于参照器械，A组受试者使用Ⅰ号原型时MVE%值均减小；B组受试者使用Ⅱ号原型时，MVE%值呈减小趋势，除受试者S4、S8、S10有明显的增大外；C组受试者使用Ⅲ号原型时，MVE%值变化无明显的规律。由数据分析可知，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，设计上略优于参照器械。

2.2 关节角度信号数据测量结果

在腹腔镜手术过程中，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，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。研究表明，手腕在横向平面的舒适活动范围为0°～10°，在纵向平面的活动范围是-45°～25°，指关节的活动范围为0°～45°[13]。因此，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。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。A、B、C组实验数据如表4所示，表中WC，WF，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。

表4 受试者手部关节活动T%值

由表4数据知，相比于参照器械，A组受试者在使用Ⅰ号原型时，腕部横向和腕部纵向关节活动T%值均减小；B组受试者使用Ⅱ号原型时，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)；C组受试者使用Ⅲ号原型时，腕部横向、腕部纵向和食指关节活动角度T%值均减小。由数据分析可知，受试者在模拟腹腔镜手术训练中，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，舒适性略优于参照器械。

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，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。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，确定了4个受试者手部的压力测试点。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，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。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，并计算出各接触点的压力平均值F1、F2、F3和F4。在数据预处理时发现压力测试点4的平均压力值F4几乎全部为零，因此将压力测试点4数据F4不作处理。实验数据如下表5所示，表中F1、F2、F3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,单位均为N。

表5 受试者各测试点压力平均值

由表5数据知，相比于参照器械，A组受试者在使用Ⅰ号原型时，各测试点的压力平均值F1、F2、F3均减小；B组受试者使用Ⅱ号原型时，各测试点的压力平均值F1、F2、F3均减小，但受试者S3、S10在测试点1的压力平均值F1增大；C组受试者使用Ⅲ号原型时各测试点平均压力值F1、F2均减小，F3稍增大，但不明显。由数据分析可知，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，舒适性优于参照器械。

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。根据测量参数设计并加工完成了三款器械手柄原型，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。通过器械人因评价实验对设计原型进行客观评价。理论上，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，在使用时比参照器械更加舒适。

实验数据结果表明，相比于参照器械，大多数受试者在使用器械设计原型时，肌电信号MVE%参数值减少，与预期结果一致，只有S4号、S10号的肌电MVE%值偏离较大，这可能是在实验过程中与受试者的实验操作不当有关。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，与预期结果一致，但大多数受试者的食指近指关节角度T%参数值反而增大。这可能与器械手柄原型参数化设计有关，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，而没有去考虑食指在使用操作过程中的作用形式，使得志愿者在使用过程中，食指活动范围过大，超出了舒适范围。在接触压力方面，大多数受试者的压力平均值均减小，但S3、S10受试者的F1增大，S2、S7受试者的F3均稍增大。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，由于数据样本量较少，得到的结果可能不具有统计学意义，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。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。

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，从实验数据结果看，设计原型在整体上略优于参照器械，基本达到模型设计的目标，这可能更加符合中国医生的手部需求。但本研究设计仍有一些不足处，接下来需要加大样本量，进一步改善手柄参数化设计和器械人因评价实验。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，为以后的手术器械手柄设计带来数据依据，同时可以对手部进行大量的三维数据采集，为手工工具曲面设计提供有利参考。

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The Ergonomic Design for Laparoscopic Instrument Handle Based on Anthropometry

Zhang Yanqun Wang Shuyi*Wang Bingcao

(CollegeofMedicalInstrumentationandFoodEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093，China)

laparoscopic instruments; ergonomics; anthropometry; surface reconstruction

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 01.017

2014-05-16， 录用日期:2014-10-10

上海市教委科研创新项目(12Y2098)；上海理工大学国家级项目培育课题(13XGQ02)

TH38

D

0258-8021(2015) 01-0119-05

*通信作者 (Corresponding author)， E-mail: wangshuyi2001@sina.com