基于Jack的基本护理人因仿真及分析

赖李李

（台州学院　机械工程学院,浙江　台州　318000）

基于Jack的基本护理人因仿真及分析

赖李李

（台州学院机械工程学院,浙江台州318000）

将Proe中建立好的护理床三维模型导入到Jack人因分析软件中;在仿真环境中创建第95百分位和等50百分位的女性分别作为病人与护理人员,完成静态仿真模型的建立;将基本护理过程分为抓取病人右手、抬起双腿和翻转身体三个主要动作,完成动态仿真模型的建立;并对护理人员进行下背部受力分析和静态强度预测,提出改进建议。

基本护理；人因仿真；Jack

在基础护理中，由于大多数病人患有重大疾病，需要长期卧床休养，生活不能自理，如翻身、床单更换等需要在护理人员的帮助下完成。在进行以上动作时，护理人员需要长期弯腰、低头，甚至需要越过栏杆的阻碍触及远处的物体，这些动作都将导致脊柱、脖子、肩部等位置肌肉骨骼的损伤［1］。对于基本护理的研究，国外研究集中在对护理人员职业病的研究及改善上。文献［2-3］指出护士是患腰痛病的高危人群，护士患腰背痛的危险性是其他职业女性的2.5倍。国外对人因工程作了较多的研究［4-6］，但是大多集中在产品设计方面，而对于职业病的研究则少之又少。而国内则注重护理分级、护理质量、护理与患者的关系等的研究［7］。总体来说,国内外对护理人员的人因方面的研究较少，且大部分停留在职业病腰痛的调查研究上。

1　基本护理人因仿真建模

1.1基本护理仿真静态模型的建立

Jack是西门子工业软件有限公司旗下的一款人因工程分析软件，最初由宾夕法尼亚大学的人体建模和仿真中心研制开发的。该软件是一款高端仿真软件，它包括三维仿真、数字人体建模、人因工效分析等主要功能。能够导入ICES、stl、w rl等格式的CAD三维模型，构建实时可视化的仿真环境；引入符合生物力学特性的数字人模型；通过分析数字人在完成任务过程中的行为特点获取有价值的信息［1］。

对于基本护理的仿真，首先需要分析基本护理的工作特点。基本护理一般包括给病人翻身、更换床单等动作。其中翻身是基本护理中的常见工作，且在该过程中，护士需要经常弯腰,容易引起损伤，所以本文主要对该过程进行建模。翻身的动作包括移动病人的手臂和腿，使病人保持合适的姿势，然后才翻转病人。

由于护理床三维实体较复杂，如果在Jack软件中直接建模效率较低，所以利用三维软件Proe进行建模，将建好的三维模型导入到Jack软件中,如图1所示。

图1　护理床模型Fig.1 Nursing bed model

由于仿真的是整个护士人群，再者，目前国内的护理人员一般为女性，故将第50百分位的中国女性作为研究对象，因为50百分位代表“中”身材人群，是指大于或小于此人群身材尺寸的各为50%。考虑到病人的情况，高矮胖瘦都有可能，所以选用第95百分位的中国女性作为病人。由GB10000-1988［8］可知，第50百分位的女性的身高和体重分别为157cm和52kg，第95百分位的则为165.9cm和66kg。在Jack软件中创建病人与护理人员，为了区分护理人员与病人，给数字人赋予不同的外观色彩，如图2所示。

图2　病人与护理人员的创建Fig.2 Establishment of nurse and patient

分别调整病人与护理人员的姿势，将病人放置在护理床上，护理人员则面向病人，站立在床边。基本护理环境如图3所示。

图3　基本护理环境的创建Fig.3 Establishment of Basic Nursing environment

1.1基本护理仿真动态模型的建立

动画仿真是Jack的另一个重要仿真模块，可以快速地建立仿真和动画系统，并可编辑系统的环境、数字人的姿势等。动画仿真通过定义每个任务的合理时间，来达到控制仿真过程的耗时。基本护理环境创建完成之后，指定护理人员去完成翻身的任务。动态仿真的内容包括护理人员移动病人的双手和双腿形成翻身姿势，然后护理人员翻转病人。由于护理人员操作的并非是一个实体，不能直接运用仿真任务编辑器中的相关命令来操作数字人。由于移动的仅仅是病人的四肢，是身体的一部分，需要通过对护理人员和病人的动作进行并行模拟来实现这个过程。

利用Jack软件的动画功能制作动画。首先，将护理人员翻身的动作进行拆分，护理人员首先弯腰，然后伸手抓取病人的手，将病人的手移动至腹部，接着移动病人的下肢，最后翻转病人的身体。创建护理人员的弯腰动作，通过编辑护理人员的脊柱和骨盆的移动实现该姿势；然后，编辑护理人员的姿势，使其越过病人的身体抓住另一侧的手（在文中即为病人的右手），如图4所示。编辑病人的膝部及腿部姿势，使得病人呈现屈膝的姿势；然后，编辑护理人员身体与上肢的姿势，使其抬起病人的双腿,实现屈膝的动作，如图5所示。编辑病人的背部、臀部、头部和手部的姿势，使得病人呈现侧身的姿势；然后，编辑护理人员手部、背部和头部的姿势，使其右手托住病人的背部，左手托住病人的臀部，实现翻身的动作，如图6所示。

图4　护理人员抓取病人的右手　Fig.4 Nursing staff grab patient’s right hand　

图5　护理人员抬起病人双腿Fig.5 Nursing staff lift patient’s legs

图6　护理人员翻转病人身体Fig.6 Nursing staff turnover patient’s body

2　基本护理人因仿真分析

2.1下背部受力分析

Jack软件包括十大人因分析工具，包括下背部分析、静态强度预测、搬运受力分析、新陈代谢分析、疲劳恢复分析、工作姿势分析、快速上肢动作分析、手工操作极限分析等。这些人因分析工具可以分析特定工作环境下数字人的人因状况，从而得到对工作的改进方案。

下背部分析是Jack软件中重要的人因分析工具，它主要依据［National Institute for Occupational Safety and Health］（美国国家安全与健康协会）简称［NIOSH］是1981年发布的手工提升工作实际指导开发的分析程序［1］。研究表明，如果第四腰椎（L4）受伤，容易引起两侧腰痛，腹痛，腹胀便秘，下肢外侧麻痛。若第五腰椎（L5）受损，则会造成下肢后侧麻痛，下肢痛，月经不调等疾病。因此，很有必要计算出L4/ L5处受的压力。下背部分析利用先进复杂的生理学下背部模型，计算L4/L5（第四腰椎、第五腰椎）脊椎处的压力，并将这个压力和［NIOSH］的推荐压力及极限压力进行比较。此外，下背部分析还可以计算L4/L5扭矩、肌肉受力，并可以显示扭矩分布。

护理人员抓取病人右手的过程中，由于病人的一条手臂占体重的1/9左右［9］，故在护理人员的手心施加约75N的力，左右手各为37.5N，得到如图7所示的下背部受力分析图。从图中可知，下背部受到的压力为2086N，NIOSH给出的压力极限为3400N（如图中的a线所示）。此时，下背部所受的力小于背部的承受极限，表明大部分护理人员完成该动作时背部不会受到损伤。相应的扭矩、肌肉受力和扭矩的分布如图8所示。从图中可知，在抓取病人右手的过程中，护理人员的背脊肌、斜外肌、腰直肌、背阔肌和内斜肌的受力情况及其的扭矩，其中，背脊肌的受力较大，达到了750N。L4/L5扭矩在100Nm左右。

图7　护理人员抓取病人右手时下背部受力分析Fig.7 The low er back force analysis when nursing staff grabbing patient’s right hand

图8　护理人员抓取病人右手时下背部的扭矩分布、肌肉受力和扭矩Fig.8　Muscle tensions,moment and it’s distribution of lower back when nursing staff grabbing patient’s right hand

护理人员抬起病人双腿的过程中，由于病人的一条腿占体重的2/9左右［9］，故在护理人员的左右手手心施加约150N的力，得到如图9所示的下背部受力分析图，从图中可知，此时的下背部受的压力约为3632N，超过了背部的承受极限。护理人员在抬起病人双脚的过程中，背部容易受到损伤。相应的扭矩、肌肉受力和扭矩的分布如图10所示。从图10中可知，在抬起病人双腿的过程中，护理人员的背脊肌仍是受力最大，达到了1250N。L4/L5最大扭矩在140Nm左右。

图9　护理人员抬起病人双腿时下背部受力分析Fig.9 The lower back force analysis when nursing staff lifting patient's legs

图10　护理人员抬起病人双腿时下背部受力分析Fig.10 Muscle tensions,moment and it’s distribution of low er back w hen nursing staff lifting patient's legs

护理人员翻转病人身体时，需要考虑到病人的总体重量，因为此时病人的重量由护理人员的双手来承受。已知病人的体重为66kg，为方便计算，此处取病人体重为70kg，左右手分别承受35kg。此时，护理人员的下背部受力分析如图11所示，从图中可以看出，此时的下背部受的压力为5010N，大大超出背部承受极限3400N。护理人员在翻转病人的时候，背部很容易受到损伤，应该尽量减少翻转病人的次数，每次翻转病人后，应注意休息。相应的扭矩、肌肉受力和扭矩的分布如图12所示。从图12中可知，在翻转病人身体的过程中，护理人员的背脊肌仍是受力最大，达到了1750N。L4/L5最大扭矩在210Nm左右。

图11　护理人员翻转病人时身体下背部受力分析Fig.11 The lower back force analysis when nursing staff turnovering the patient’s body

图12　护理人员翻转病人时身体下背部受力分析Fig.12 Muscle tensions,moment and it’s distribution of lower back w hen nursing staff turnovering the patient’s body

2.2静态强度预测

静态强度预测可以从动力学的角度评估有多少百分比的人能够保持任务中的某一姿势进行工作，还可以利用Jack中特定姿势、人体测量学工具、对手施加压力来计算特定姿势下受到的转矩及转矩对肌肉的影响。通过复杂的手部受力分析和躯干扭转分析，评估姿势的强度是否符合［NIOSH］定义的强度标准。通过静态强度预测

可以得出：

（1）能够在这个姿势强度下完成对病人翻身的护理人员的百分数。

（2）可以得护理人员肘部、肩部、肱骨、臀部、脚踝等部位弯曲的角度，以及躯干前后及侧向的弯曲角度。

（3）护理人员上肢和躯干所受到的转矩和转矩对肌肉的影响，可直观显示平均强度数值。

现分别对基本护理过程中的抓取病人右手、抬起双腿和翻转身体三个动作进行静态强度预测分析，得到如图13、图14、图15所示的结果。

图13　护理人员抓取病人右手时静态强度预测Fig.13 The static strength forcasts w hen nursing staff grabbing patient’s right hand

图14　护理人员抬起病人双腿时的静态强度预测Fig.14 The static strength forcasts w hen nursing staff lifting patient's legs

图15　护理人员翻转病人身体时的静态强度预测Fig.15 The static strength forcasts w hen nursing staff turnovering the patient’s body

3　结语

通过对基本护理过程进行下背部分析，可以看出脊柱上的受力因为手上增加的外力而改变，所受的外力越大，脊柱承受的压力越大。通过下背部分析可以判断工作任务是否符合［NIOSH］的标准，,以及是否会令护理人员下背部的受伤概率增加。通过对基本护理过程的静态强度预测，可知，随着外力的增大，分别仅有3%和5%左右的护理人员在该姿势强度下完成抬起病人双腿和翻转身体的动作。从人因分析中可以看出，哪些动作需要进行改进，从而减少该动作的次数，增加休息时间，或者通过改进产品设计，如文中可以设计能实现侧翻功能的护理床，降低护理人员的下背部受损的风险。

［1］钮建伟，张乐.Jack人因工程基础及应用实例［M］.北京:电子工业出版社，2012:112-230.

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［5］Harald Rüther,Christian Wagner.Optim ised car seats［J］.AutoTechnology,2006:36-37

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［8］GB/T10000-1988，中国成年人人体尺寸［S］.北京：中国标准出版社，1988.

［9］psyche_jjh.身体各部分所占重量.2015［2015-08-03］.http://wenku.baidu.com/link?url=0ozGtgTBALs5vVaIGZ pWynYZyVDBk9BJ50Yu24qz4W9_9DTlCm L0lUM1Iw y4Mmxxo98FvX_5uAhAC7i21cSwReZHc2cb4-xPAZM3M0DhPem.

Ergonom ics Simulation and Analysis of Basic Nursing Based on Jack

LAI Lili
（School of Mechanical Engineering,Taizhou University,Taizhou 318000，China）

The nursing bed model established by Proe was imported into a human factor analysis software named Jack.In simulation environment,the 95th and 50th female were used as patient and nursing staff respectively, and the establishment of static simulation model was completed.The basic nursing process was divided into three main actions of grabbing patient’s right hand,lifting patient’s legs and overturning patient’s body,and the establishment of dynam ic simulation model was comp leted as such.The low er back stress analysis and the static strength forecasts of nursing staff were finished,and the improvement suggestions were put forward as well.

basic nursing;human;simulation;Jack

10.13853/j.cnki.issn.1672-3708.2016.03.007

（责任编辑：耿继祥）

2015-11-18；

2016-04-25

台州学院2015年校立项目基于人机工程学的电动搬运床研究（2015QN014）。

赖李李（1984-），女，浙江临海人，讲师，硕士，主要研究人因工程、供应链管理等。