基于人体工程学的人工心肺机改造及其对灌注师工作负荷视觉模拟评分的影响

陈 星，林天晓，孟维朋，官 莉，郑少忆，彭勤宝

随着《中国体外循环专业技术标准（2021版）》的颁布，心肺转流（cardiopulmonary bypass，CPB）质量控制愈发受到业界重视［1－2］。人体工程学作为一门新兴学科，着重研究人的行为、系统设计及安全（人－环境－安全）之间的关系，强调人作为主体在通过系统（或环境）执行特定任务时的局限性，应通过改善系统或合理设计任务以符合人的生理、心理规律，保证人身心健康、降低不良事件发生率及提升工作效能［3］，在医疗卫生行业中针对患者安全或相关高新医疗设备的研发使用的报道日渐增多［4－6］。CPB过程中灌注师需要从各种监视屏幕接受讯息并与团队密切沟通从而根据手术情况及时调整转流策略，人工心肺机（heart lung machine，HLM）作为灌注师术中最主要的操控设备之一［7］，其更新换代多由生产商主导，且由于顾及临床普适性大多以“标配（满足基本需求）”供应至临床科室终端，缺乏根据各中心特点进行个体化定制供应，有学者认为灌注师与HLM之间的“人机交互设计”尚存在优化空间［8］，目前国内外对HLM人体工程学的应用研究较少且灌注师群体的职业健康较少受到关注，现报道本中心经验，供同行参考如下。

1 资料与方法

1.1 临床资料 回顾性分析在2021年1月至2022年7月期间南方医科大学南方医院心脏外科心脏手术资料，2022年1月1日本中心基于人体工程学对HLM按改造完成并投入临床使用，根据改造前后分为对照组（n＝531）和改造组（n＝368），两组患者人口学资料、手术类型、CPB时间、主动脉阻断时间等比较无统计学差异（均P＞0.05），见表1。于每台手术结束后使用视觉模拟评分量表［9］（visual analogue scale，VAS）评估并记录灌注师在身体负荷、精神负荷、信息获取负荷及沟通需求负荷水平（分值由0分至10分，分值越低表示负荷程度越低），比较两组4个维度的VAS评分。纳入标准：①单台手术均由两名灌注师完成（主机＋副机）；②手术结束后均有完整的转流评价记录；③均经历主动脉阻断及开放并使用心肌保护停搏液。排除同一台手术两名以上灌注师参与、1类或2类不良事件及转流评价记录不完整导致无法提取VAS评分资料案例，上述资料均由本院体外循环电子记录模块提取［10］。

表1 两组患者临床资料的比较

1.2 基于人体工学HLM改造 选用本中心4台Stockert V型心肺机（Sorin，Livanova，德国），根据中心转流习惯由左至右依次为主泵、左心吸引泵、右心吸引泵、第三吸引泵及停搏液灌注双头泵。根据术中对HLM和各种附属设备的操控频率及观测需求将工作区划分“动区”及“静区”，静区特点为操作频率高、精细调节为主、移动需求低、空间需求少，动区特点则为空间需求大、观测频率高、多用于装机或术中进行膜肺更换、泵管更换等“大型”操作，具体做法为将HLM调节3个立柱横梁高度至离地120 cm，主控面板固定于左侧立柱并维持顶部离地约140 cm，主控面板左侧由上至下分别为七氟烷挥发罐、空氧混合器及辅助静脉引流装置（vacuum－assist venous drainage，VAVD，勃林格，美国），中立柱中部为压力传感器固定面板，心脏停搏液降温系统位于压力传感器下方，其配套使用的气泡捕捉器使用自制夹持支架置于VAVD装置右侧，血样采集固定面板（AMH2014，美敦力，美国）安装在左扶手侧便于血样采集，中立柱顶部安装摄影横杆使用摄像机（HDR－AH450，索尼）实时监控术野画面，使用自制支架将两个超薄17英寸显示器上下摆放并用双关节自由悬停支架（GM112B，长臂猿，中国）固定于右侧立柱，术野信号使用HDMI有线传送，监护仪信号采用无线传送（QR－HD－12－0012，淇睿通，中国），可移动升降置物台（LDT23－C012P，北狐，中国）及电子记录平台固定于右立柱。手术准备阶段将所有可移动设备呈“外展”状态摆放，保持主泵前方、吸引泵正上方位置空旷，利于操作，手术时主灌注师（下称主机）位于主泵后方，所有屏幕以主灌注师为中心处于“内收”状态，以主机眼平面介于20°以内的活动范围为基准动态调节所有信息输入设备，使用移动可升降“马鞍凳”避免灌注师久坐或不良坐姿形成，每30 min使用站姿替换坐姿，同时根据眼平面变化调整输入端位置，改造前后心肺机详见图1～3。

图1 改造前仪器设备分布

1.3 统计学方法 本研究数据使用SPSS 26.0软件进行分析，符合正态分布的连续型变量采用均数±标准差（±s）表示，组间比较采用独立样本t检验，偏态分布资料采用中位数（四分位间距）［Q（Q1，Q3）］表示，组间比较采用秩和检验，计数资料采用频数（百分比）表示，组间比较采用卡方检验，P＜0.05认为有统计学意义。4个维度VAS评分重要度排序分析使用Python软件（Python－3.10.7版本：https：／／www.python.org／）的xgboost 1.2.1，模型参数为：优化目标函数∶学习速率＝0.1，最大树深度＝8，最小分叉权重和＝4，L2正则化系数＝1。将全组CPB时间等分为10个区间，使用分层趋势回归，分别比较两组在4个维度VAS不同CPB时间的趋势变化。

图2 改造后的外展状态

图3 改造后的内收状态

2 结 果

两组患者一般资料无统计学差异（均P＞0.05），见表1。与对照组相比，改良组术中采用del Nido停搏液比例更高，CPB相关轻微不良事件（Ⅲ级／Ⅳ级不良事件）发生率更低。对4个维度的VAS发现灌注师在术中的各个压力负荷处于中等水平，基于人体工学改造HLM的使用使得改良组在身体负荷、精神负荷、信息获取负荷、沟通需求负荷、均显著低于对照组（均P＜0.05），见表2。XGBoost法分析重要度排序依次为沟通需求负荷、信息获取负荷、精神负荷、身体负荷，见图4。全组中位CPB时间为156（92～601）min，根据CPB时间做分层趋势回归结果见图5；发现4个维度的VAS评分均随着CPB时间的推移增大，且每个区间改良组评分均低于对照组（均P＜0.001），见表3。

图4 基于人体工程学HLM改造后对灌注师4个维度影响程度重要度排序

图5 HLM改造前后灌注师在4个不同维度VAS评分伴随CPB时间变化趋势

表2 视觉模拟评分量表对改造前后灌注师术中4个维度负荷的比较（分）

表3 两组基于心肺转流时间分层在4个维度视觉模拟评分的趋势回归比较［β＆（95%CI）］

3 讨 论

有研究表明，长时间重复性动作或者静态姿势的维持都有可能造成临床医务工作者的肌肉骨骼疾病（musculoskeletal disorder，MSD）形成［5，11－12］，受限于HLM平台高度，灌注师在组装体外循环管路时常常需要重复“下蹲－站立－弯腰”等重复动作，而转流阶段需连续实时监测各种仪表面板及氧合器储血罐等装置或完成术中记录从而维持“非生理”的强迫体位，文献表明长此以往会造成生理不适引发职业病［11，13－14］。本研究 利 用各种可移 动 升 降支 架，以HLM及主灌注师为中心，将工作区分为“动区”和“静区”，根据设备属性及中心习惯，将操控频率高、移动需求低的设备如HLM主控面板、空氧混合器、气体挥发罐［15］等精细调节为主设备放置于静区并统一固定方位，标准化灌注师对HLM的相关操控，减少操作相关轻微不良事件的发生；动区则设定为主泵前方氧合器区域及其他滚压吸引泵及其上空（装卸管路），该区域在准备阶段或者应急过程中空间需求大、在常规转流阶段观测需求高，因此改良组运用各种可移动升降支架使得HLM有“外展”和“内收”两种状态以满足不同阶段的需求，Gierig和Tomizawa等［16－17］运用眼球追踪技术分析术中灌注师目标兴趣区域（area of interest，AOI）发现氧合器储血罐、空氧混合器、连续血气监测系统等均为观测高频区，与本研究动静区设定理念相符。Edwardson［18］等人在《英国医学杂志》发表的随机对照研究表明使用可调节办公桌较传统组可减少白领久坐时间63.7 min，显著提升了人群健康水平，本研究发现虽然随着CPB时间延长，灌注师在身体负荷VAS持续上升，超过200 min后处于高位水平维持，但改良组通过使用“马鞍凳”结合可调节支架有效避免灌注师久坐和肌肉疲劳，使得在各个时长的转流时间内VAS均低于对照组，表明针对性改造有利于科学化灌注师工作姿势，减少肢体关节角度过大造成生理力学负荷偏移引发相关MSD症候。

Zenati等［19］研究认为手术团队整体及不同团队角色个体在术中不同阶段其认知压力负荷是不同的，且高压力负荷水平的存在往往会直接影响手术结果，Kennedy－Metz［20］等使用手术任务负荷指数评估外科医师、麻醉医师及灌注师的压力负荷发现在转流全程中灌注师处于相对高压力负荷状态，Dias等［21］将冠状动脉旁路移植术中不同阶段（从麻醉诱导开始直至关胸结束）划分为14部分并对外科医师、麻醉医师及灌注师进行认知负荷评价，发现灌注师在CPB开启以及主动脉阻断、灌注心肌保护停搏液这两个阶段压力负荷为团队最高水平，同时该团队围绕术中决策水平、场景识别能力、任务管理及领导力表现、团队合作及沟通能力等4个方面的“非技术性技能”开发了一种评价工具判断灌注师术中“表现好与坏”并强调非技术技能的重要性［22］。本研究发现灌注师使用基于人体工程学改造的HLM后4个维度的VAS重要性排序发现“沟通需求负荷”及“信息获取负荷”改善最为明显，从而减少了“精神负荷”，其“非技术技能”表现更佳，与Dias等结果相似。目前国内大多手术中心的手术间内并未普及术野同步直播，部分大型中心手术室即便有完善的术野直播及监护仪副屏设计，但基本分散分布在吊塔或墙壁，在高压力快节奏的心脏手术过程中不利于灌注师快速接收、整合讯息并迅速做出应对，本研究改良组在HLM上简单架设摄像头实时观测术中手术进程，增强了灌注师的场景识别能力，并通过加强与团队主动沟通进一步提升术中任务管理能力，从而降低精神负荷，而术野屏幕及监护仪副屏呈上下分布设计使得信息输入端更为简洁，尽可能缩小信息分布面积可让灌注师在更短时间及更少的躯体动作即可完成信息获取，同时通过可升降移动的支架让连续动静脉血气仪（BMU40，迈柯维，德国）等设备根据灌注师不同生理条件进行调整，进一步优化其工作姿态，减轻其身体负荷。

Lawson等［23］调查发现良好的机构安全文化氛围可以促进灌注师在团队中的有效沟通从而减少不良事件的发生，而人体工程学的最终目标是消除系统、组织、技术、工具等与人体特性不相符而产生的差错事件，本研究结果表明基于人体工程学对HLM进行简单改造，营造良好的手术工作氛围，对术中问题以“简述－质询－建议”等非暴力沟通形式进行沟通，CPB轻微不良事件发生率显著降低。随着外科技术的进步，近年来对灌注师的行业水准要求也越来越高［7，24－25］，从各个厂商心肺机的更新换代不难看出“人体工程学”与“灌注师职业健康”、以及它们与临床质量控制的关系已开始受到关注，如Stockert－mini系列的轻量化、悬挂泵的设计使动区空间更大，而Getinge公司推出Maquet－HL40机型更是直接强调了其人体工程学概念，用户可根据机构习惯通过预留轨道个性化滑动机器各个附件，一来使得信息终端集成化和数据分布集中化，二来最大程度释放动区空间方便灌注师术中观察及操作，而日本泉工医科工业株式会社推出的HAS－III型心肺机更是增加动静脉血流量匹配报警，当静脉回流流量与动脉回输流量不匹配时发出警报，相当于“前置版本”的液平面警报，进一步提升灌注师场景识别能力，以上种种心肺机的改良其实均基于人体工程学，基于对灌注师生理、心理状态的改善从而提升其手术表现，但均缺乏术野监控模块及监护数据同屏模块这两个高频AOI设备，而本研究简单的改造，理论成本更低，对改善灌注师临床表现也有一定效果，具有一定的可推广性。但本研究仍存在一定局限性：①为单中心小样本研究；②使用VAS对灌注师4个维度评价仅反映其主观感受，对身体负荷未使用肌电图［26］或Openpose－人体姿态［5］识别系统等客观指标进行评价，对精神负荷等未采用心率变异性［27］或闪光融合临界频率［28］等客观指标评价；③未纳入严重不良事件进行统计。在未来的研究中需通过多中心联合、扩大灌注师调查范围及运用更多客观指标或使用随机对照试验研究以证明结果的有效性。

4 结 论

基于人体工程学改造人工心肺机有利于改善灌注师术中沟通、提升信息获取能力，减轻精神及身体负荷，从而减少CPB相关轻微不良事件的发生。关注并重视灌注师职业健康与CPB质量安全息息相关，而基于人体工程学设计是未来人工心肺机的发展方向。