人因学在骨科的应用与研究进展*

王丽 高国强 侯雨潇 赵宇

（1.北京富乐科技开发有限公司院士专家工作站，北京101204 2.中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院骨科，北京 100730；3.西安交通大学机械工程学院，西安 710049）

人因学（human factors and ergonomics,HFE），又被称为人的因素（human factors）、工效学（ergonomics）、人因工程（human factors engineering）、人机工程（man-machine engineering）等，是一门典型的交叉学科。国际工效学联合会（international ergonomics association,IEA）将人因学定义为研究人与系统其他要素之间如何交互作用的学科，是应用理论、原理、数据和方法设计，使人和系统总的能力达到最优的学科[1]。目前，人因学已在载人航天、航空、舰船、交通运输、武器装备、建筑、医疗、工业设计等很多领域广泛应用，经过不断研究，无论是对于机器的研制、环境的设计，均可提高人的安全性、舒适性和工作效率。

1 医疗人因学概述

自弗雷德里克·温斯洛·泰勒（Frederick Winslow Taylor）的铁锹实验提出动作-时间研究的时期[2]，人因学在医疗领域的应用就已开始。法兰克·吉尔布雷斯（Frank Gilbreth）研究了手术过程中工具的放置位置和顺序以及手术工具本身的设计，提出了手术过程中医师和护士的协同。但是医疗人因学发展缓慢，直到1999 年美国医学研究所出版《孰能无过：构建一个更安全的医疗系统》，才标志着医疗人因学的发展。该报告指出人的因素导致每年大量病患死亡，因此医疗系统的研究应更重视人的因素发生原因并设计更安全的医疗系统[3]。2012 年，人因学学会开始举办年度国际医疗人因学专题研讨会，作为医疗人因学的最新研究和应用进展的产学研交流平台[4]。2021 年4 月，我国医疗器械监督管理局成立了人因设计与可用性分会。

医疗人因学主要研究人与医疗系统中各元素的交互，并研究医疗系统的设计。主要研究集中在以下四个主题。①数字医疗：研究如医院信息系统、网上挂号系统、门诊系统、手术系统、医疗决策支持系统、报警系统、远程医疗等，以及影响医护人员、患者和护理人员工作和生活的医疗信息技术的设计与应用。多采用用户需求调查及分析方法、用户界面设计方法、可用性测试方法等人因学方法进行研究。②医疗设备：针对不同功能、性质和使用等级的医疗设备，采用人因学方法开展医疗设备的设计，以及在不同使用环境下的测评。如采用医疗设备设计中的用户需求分析方法，纸面原型及使用流程分析方法，可用性测评方法等。③医疗环境：研究人因学在不同医疗环境中（如门诊环境、病房环境、手术室环境等）的应用。如不同环境下的空间布局、信息流及信息显示、照明和警报系统、患者转运等设计中的人因问题。④病患安全及医师负荷：从病患和医师相互结合的角度出发，研究提升医疗质量和安全的方法。如针对不同病患特性的研究新方法，不同医疗场景中的医师生理和心理工作负荷研究，以及工作团队协同合作等的研究等。

近年来，国外医疗人因学的研究越来越多，但在我国还比较少见，尤其骨科的人因学研究更是罕见。骨科作为手术科室，是一个典型的“以人为中心”的人-机-环境系统。医疗领域与其他行业最大的不同就是“人”，尤其在骨科这种手术科室，医疗器械的使用者是医师（医师是直接用户），但是医疗器械是作用到患者身上（患者是间接用户）。因此在开展研究时需要考虑这两类用户的特性，才能做到真正以“人为中心”。手术器械和工具、手术机器人、手术的辅助工具等是“机”。手术室布局、手术台设计、报警照明等是“环境”。

患者的安全受到上述多因素的影响，亟待人因学的研究，这样可以更大幅度地提升患者的手术安全性、医师的手术舒适性，进而提高工作效率，以确保患者的术后康复。

2 人因学在骨科应用研究的现状及不足

骨科人因学的研究应集中在“人”、“机”、“环境”三大方面开展。“人”的研究包括医师能力、患者特性、手术流程及医师工作负荷等方面；“机”的研究包括手术工具与器械的人因设计与测评，手术机器人机器及其显示信息的人因设计与测评，内镜手术操作的人因学研究，手术培训系统的人因学研究等；“环境”的研究包括手术室布局设计、手术台的人因设计、照明和报警的人因设计等方面。

2.1 “人”的研究

2.1.1 医师能力的研究：在骨科手术中，医师是手术的主体，是手术安全的主要因素。在我国，骨科医师并非通过专门选拔，其操作能力、认知能力差异较大，因此对医师能力的研究非常重要。查询2010年以来的文献发现，国内只有个别对于手术室护士骨骼肌肉损伤的研究[5]，有研究提及应该对医师能力进行研究。

国外对于外科手术医师能力的研究相对多一些，其中专门针对骨科医师的很少。比如对于皮肤外科医师骨骼肌肉系统的的调查研究；对于泌尿外科、胸外科、妇产科等手术医师手部、手腕、上肢肌肉力量和活动性的研究[6]；对于专家级外科医师和外科实习医师能力的研究[7-9]；对于医师在手术过程中出现的不适进行研究[10-12]；对于同一医师同一天第一台手术和第二台手术能力变化的研究[13]；对于医师手术时的瞳孔变化、眼球追踪、脑电波变化、手术姿势、认知能力等进行研究[14-19]；对于医师立体视觉缺失对手术影响的研究[20]；对手术第一助手能力的研究[21]。

上述研究都是为了更好地获取外科手术医师的能力特性，尤其是手术过程中能力的变化，可以为医疗器械的设计、手术难易程度设计、手术培训体系建设等提供支撑。但遗憾的是，目前对于骨科医师的研究少之又少，只能借鉴外科医师能力的研究数据。

2.1.2 患者特性的研究：患者作为手术的承受者，其自身特性对于手术方案的选择、手术安全性的提高、术后效果的预测、术后康复等至关重要。骨科患者多为年纪较大者，多存在骨质疏松，对手术的要求不同，因此有学者对患者特性开展研究。

国内对于骨科患者特性的研究较少，有关于偏瘫患者的特点的研究，提出康复治疗模式[22]；有对于不同疾病患者脊柱生物力学的研究；有研究提出应对骨科患者的骨肌系统特性进行研究[23]；有对于患者后跟部形态学测量及解剖型的研究，提出跟骨外固定器的设计[24]。

国外对于骨科患者特性的研究相对较多，并且对患者术前术后均有研究。患者术前特性的研究包括：有对于肥胖患者对机器人和直杆腹腔镜手术中外科医师工效学的影响，患者体重指数对腹腔镜手术人机工程学的影响[25,26]；有对于进行胸腔镜手术患者开展的调查；有对于外科手术患者安全性的人因学研究[27]。患者术后特性的研究包括：各种关节置换术后患者的特性对驾驶的影响[28]；骨科术后患者能力恢复的研究[29]；与健康人群的对比研究[30]。可见，目前对患者术前术后特性的研究还不成体系、不全面。

2.1.3 手术流程及医师工作负荷的研究：手术流程对患者的手术安全性和医师的手术舒适性有较大影响，因此开始对外科手术流程进行研究。通过人因学的研究发现外科手术流程时间和工作流对医师工作负荷的影响[31-34]。

医师手术时的工作负荷对手术安全性同样非常重要。目前开展了外科医师的手术疲劳和工作负荷方面的研究，如通过人因学操作姿势，减少显微手术中医师的疲劳[35]；通过主观和客观的人因学方法，分析外科医师的疲劳对技能的影响[36,37]；利用作业绩效分析医师的工作负荷[38]；利用肌肉力量开展疲劳研究[39,40]；对于手术过程中医师的体力负荷、脑力负荷和心理负荷进行研究[41-43]。但遗憾的是，国内尚无手术流程和外科医师手术中工作负荷的相关研究。

2.2 “机”的研究

2.2.1 手术工具和器械的研究：传统骨科手术中，医师需要使用手术工具和器械完成手术，因此手术工具和器械的人因设计非常重要。国内已开展手术器械的手柄研究[44]；有研究提出需要对医疗设备、工具、器械开展人因工程设计和评价。国外的研究多集中在对于各种手术工具手柄的人因学研究，包括神经外科手术、妇产科手术、腹腔镜手术、微创手术器械等[45-49]；对于吻合器、儿童微创手术器械、腹腔镜持针器等的人因学设计[50,51]；针对外科器械手柄人因学设计进行综述。

2.2.2 手术机器人的研究：随着手术机器人的临床应用，其人因学的研究越来越多。手术机器人是一套复杂系统，包括显示、导航及手术，所涉及的人因问题很多。国内对于手术机器人性能的研究较多，但尚无针对手术机器人的人因学研究。国外对于手术机器人的人因学研究很多，包括机器人辅助手术中运动学分析、增强反馈研究、触觉控制器的人因学研究、主控器的握力研究、认知工效学的研究、手术机器人安全性的人因学研究等[52-55]，有对于手术机器人辅助手术时存在的人因学研究，如妇科手术机器人[56]，但尚无专门对骨科手术机器人的人因学研究。

2.2.3 内镜手术操作的研究：目前，越来越多的手术采用微创手术或者镜下手术，与传统开放手术最大的不同是手术开口小，术者无法直接目视手术区域，需要借助内镜开展手术。因此，对于内镜手术的人因学研究也越来越多。目前，对于骨科内镜手术的人因学研究尚未见报道，多集中在腹腔镜手术，如腹腔镜手术的工效学研究、单孔镜手术的工效学研究和工效学评价，对二维和三维泌尿外科腹腔镜手术对医师手术性能的人因学研究[57]，对于腹腔镜手术和开腹手术哪个更符合人因学的研究[58]。

2.2.4 手术培训系统的研究：外科医师必须培训合格后才可以独立实施手术，因此手术培训系统非常关键。随着科技的发展，虚拟仿真技术越来越普及，虚拟仿真的手术培训系统越来越得到实习医师和医学研究生的喜爱。国内也有相关研究，如使用HoloLens的增强现实手术培训，腹腔镜手术训练系统的人因学研究等[59,60]。国外研究主要集中在混合现实的仿真系统，如膝关节置换手术的混合现实培训课程、混合现实手术导航系统的人因学评估[61]、腹腔镜技能的虚拟现实培训考核住院医师的能力[62-64]、椎体成形术的仿真系统[65]等，从人因学角度研发界面友好、操作可视的培训系统。

2.3 “环境”的研究

手术环境对手术安全也很重要。有关于手术台高度和手术视野对脊柱外科医师在椎间盘切除术中能力的研究，有关于手术椅人因学设计对手术影响的研究[66,67]，有关于腹腔镜手术中基于人因学设计的手臂支撑系统对手术影响的研究[68]，有关于手术服对手术影响的研究[69]，有关于手术室布局提升手术安全性的研究，有关于暴露于轻度低氧血症时医师工作记忆能力和手术表现的研究[70]。

3 人因学在骨科应用研究的发展趋势

随着现代科技的进步，骨科的手术方式也在推陈出新，除了传统的开放性手术，手术机器人、内镜系统等先进技术越来越多地在临床开展应用。正如本文前节所述，人因学在骨科的应用将越来越重要，尤其在以下几个方面。

3.1 “人”的研究方面

“人”的研究方面主要针对医师和患者两类人群开展研究。我国骨科医师平均每天的手术量为3～5台，有的甚至7～9 台，因此需要开展医师工作负荷的相关研究，从不同的手术方式入手，开展医师疲劳和作业负荷的相关研究。

老年人是骨科疾病的高危人群，我国老龄人口已达4 个多亿，因此应加大对不同性别、不同年龄段老年人群骨质等特性的研究，以预测手术风险及术后康复程度。

3.2 “机”的研究方面

无论是针对传统的手术器械，还是针对骨科手术机器人和内镜手术系统，开展相关的导航和显示的人因学研究，均会降低医师的疲劳和工作负荷、提升医师手术操作的方便性和舒适性，提升医师的工作效率，提升患者的手术安全性。

对手术培训体系来说，增强其真实性、提升其交互性和感知反馈性能，研究培训系统中的人因问题，可以很大程度上缩短年轻医师独立开展手术前的学习时间，提升年轻医师开展手术的质量和可靠性。

3.3 “环境”的研究方面

“环境”的研究方面针对手术室、病房的布局、照明、报警等环境的人因研究方面，目前在国内还没有引起大家的重视，后续应开展和加大这方面的研究，从而提升手术的安全性。

总之，应引入人因学传统的可用性测试技术和信效度高的量表，以及定量的生理、心理指标的测量方法，如脑电、肌电、眼动、认知能力测量等，采用定性和定量相结合的方法，开展骨科手术中涉及人-机-环境系统的多指标、多层级、多现场的人因综合研究，提升骨科手术的安全性、舒适性、高效性。

4 小结

目前，越来越多的研究关注外科手术中的人因学，但针对骨科中的人因学研究还很少。随着我国老龄化进程的加快，骨科疾病的患病人数将加速增长，骨科医师的工作量必将大幅增加，因此，人因学在骨科的应用研究前景广阔。