基于FMEA与Jack的医用转移床虚拟仿真设计与研究

李晓英，谢逸飞

（湖北工业大学 工业设计学院，武汉 430068）

0 引言

患者转移是医院工作中最需要体力和最常见的任务，这一过程使用的医用转移床是医院的必备设备[1]。因医护人员需要长时间运输患者，暴露在高负荷环境下，造成腰脊损伤，所以患者转移任务是引起医护人员肌肉骨骼疾病（MSD）的高风险任务[2]。现有研究表明，医院通过制定患者转运制度和患者处理课程，来降低医护人员的肌肉骨骼疾病发生概率[3]；医用转移床的设计开发重心主要在造型和功能层面上，医护人员属于被动设计方[4]；医疗设备的设计环境复杂，包括医院环境、产品、患者与医护人员等设计对象，问题辨识度低，单一针对某一个对象，易造成设计上的人机缺陷[5]。

FMEA是一种具有前瞻性的系统化方法，具有易辨识问题关键点的优点[6]。Jack为用户提供客观合理的解决方案，分析并发现产品的人机设计缺陷，及时修改以提高产品研发效率，节约开发成本[7]。基于此，采用FMEA和Jack人机虚拟仿真结合的方法，得出影响医用转移床人机匹配性的关键因素，在医用转移床研发早期发现设计缺陷并做出修改，提高操作舒适性，具体研究思路流程如图1所示。

图1 研究思路流程

1 医用转运床FMEA分析

对于医用转移床这一多功能的医疗产品，FMEA可以透过分析系统或子系统内潜在失效的原因或失效对系统造成的影响，将其失效原因进行记录与评价后，拟定对策，制定解决方案，以确保在整个产品制造设计和开发过程中考虑和解决潜在的问题，减少故障的发生，以提高产品的质量和可靠性[8]。

FMEA由研究人员通过确定故障模式、原因和预防措施进行。使用以下等级评估严重度（S），发生度（O）和探测度（D），通过将严重度，发生度和探测度相乘来确定风险优先级数（RPN），计算方式如式(1)所示：

医疗行业认为，当RPN≥125时，必须通过改善措施以降低失效模式。RPN较高的产品会给使用者带来更高的风险，因此在设计审查中应给予更高的优先级，这些故障模式需要设计者更多的关注并采取行动进行改进设计[9]。

本研究成立7人专家小组（4名护士，2名产品设计师，1名结构工程师），对医用转运床使用场景及功能任务流程进行讨论。在医院的医疗系统中，患者的转移任务最常见的使用场景是患者在医用转移床与病床间的横向转移以及医护人员在各部门之间的推床转移。因此，针对两个主要使用场景进行转移任务流程分析如图2所示。

图2 转移任务流程分析

以医院常用的半自动型医用转移床SHD-602为FMEA的分析主题，结合医用转移床的功能和转移任务流程，分析出医用转移床的潜在故障模式，故障潜在的影响和潜在的故障原因，得出医用转移床FMEA分析表如表1所示。

表1 医用转移床FMEA分析表

针对医用转移床的FMEA分析表，可看出高风险任务集中在护栏、床头和床尾的使用以及患者处理上，RPN皆大于125，并且是医用转移床高频使用区域，必须进行改良设计。由于FMEA的主观性特点，并未对其故障产生的原因和造成的影响有客观性的验证，可以在下一步Jack中进行人机系统分析，得出影响医用转移床人机匹配的关键因素。

2 转运床人机系统分析

2.1 建立仿真系统

Jack是一个实时可视化仿真系统，集三维仿真、数字人体建模、人因功效分析等主要功能于一体，可导入用户自行创建的三维模型、具有生物力学特性的三维人体模型并且分派数字人任务，构建仿真环境[10]。在Jack软件中创立“人-产品-环境”仿真系统，对医用转移床进行人机功效分析，具体流程如图3所示。

图3 人机功效分析流程

医用转移床是一般医用产品，根据GB/T12985-1991标准，可以参考Ⅲ型产品尺寸设计，可采用第50百分位数（P50）作为产品尺寸设计的依据[11]。如图4所示，根据GB 10000-1988[12]，在Jack软件中选择第50百分位的我国成年女性人体数字模型作为虚拟护士模型。使用三维建模软件Rhino对SHD-602型号医用转移床建立3D模型（质量约100 kg）。患者采用第95百分位的我国成年男性人体数字模型作为虚拟患者模型。将患者转移全过程作为仿真流程，进行医用转移床的“人-产品-环境”虚拟仿真。

图4 虚拟仿真环境搭建

2.2 横向转移人机仿真分析

如图5所示，患者的横向转移包括辅助患者的翻身、转向和平移等过程。通常由两名及以上护士执行，常用的患者转移辅助设备为转移板。在转移过程中，护士需频繁大幅度弯腰挪动患者，其下背部一直处于高负荷状态，使用Jack任务分析工具（Task Analysis Task简称TAT）中的下背部分析（Lower Back Analysis）工具，分析护士L4/L5脊椎处的受力值。如图6所示，护士在弯腰推动患者在两床之间移动时，其L4/L5脊椎处受力值超过NIOSH推荐的3400N压力极限，其余过程因需频繁弯腰挪动患者，L4/L5脊椎处受力值处于1600～2800N区间，长期进行此操作，易造成下背部骨骼肌肉损伤。

图5 横向转移过程

图6 L4/L5受力分析

2.3 推床转移人机仿真分析

如图7所示，在推床转移中，最多的工作场景就是在出入病房、电梯时的转弯推移和在走廊中的直线推移。在推床转移时，护士需要持续保持某一姿势进行工作，用Jack TAT中的静态强度预测（Static Strength Prediction）工具对推床姿势进行静态强度预测，从动力学角度评估多少比例的人能保持任务中某一姿势进行工作。

图7 推床转移

分析结果如图8所示，在推床过程中，手腕，肘部，肩部，脚踝及躯干部分出现黄色和红色，表示以当前姿势进行工作时，这几个部位有较大的受伤风险。

图8 静态强度预测

对护士易受伤区域进行受力分析（ForceSolver）如表2所示。在转弯推移时，护士需在狭窄的病房之间进行转移，狭窄的空间、医用转移床两侧扁平的扶手造型和较低的扶手高度易使护士形成扭曲的姿势，造成肘部、肩膀和躯干旋转角度过大，扭矩偏高，同时拉的姿势比推的姿势易对躯干造成更高的负荷。在直线推移时，在护栏侧的护士，因护栏高度与护士立姿肘高不匹配，对肩膀及手腕造成过高负荷，同时护士需靠躯干和下半身关节施力维持医用转移床直线前行，对护士的躯干、膝盖和脚踝损伤过高。

表2 虚拟护士易受伤区域受力分析

受调查的护士中，有80%的人没有接受任何治疗以解决肌肉骨骼疾病，护士经常忽略工作中不适的姿势带来的疲劳，长期暴露在高负荷环境下引起肌肉骨骼疾病。医用转移床不合理的人机工程设计是造成护士不适姿势的主要原因。

综合医用转移床的功能与转移任务的FMEA分析和Jack人机仿真分析，横向转移对护士下背部造成的损伤较大，应降低护士的弯腰幅度以及改进转移辅助设备来缓解护士的下背部压力；推床转移中，医用转移床的扶手和护栏不合理的人机工程设计易使护士形成扭曲的姿势，应对扶手和护栏造型和位置进行改进，使护士在转弯和直行时能保持合理舒适的姿势进行推拉。

3 改进设计

3.1 护栏与扶手的改进设计

在推拉过程中，手臂以最佳高度进行推拉可以将更大比例的力沿水平方向引导来降低所需的肌肉力量，降低脊柱负荷，从而提高推拉效率。在设计医用转移床时，最大推拉力并不是其设计的唯一标准，应最大程度地考虑操作的舒适性[13]。

根据推拉工作类型，扶手与护栏高度应与医护人员的肘部高度保持确定的关系，其高度设置在人体肘部高度以下5厘米处时，可达到推拉姿势最舒适高度[14]。为满足不同人群的使用要求，基于动态设计原则，其位置应同时满足第5百分位女性和第95百分位男性，参照中国成年人主要人体尺寸如表3所示，设置扶手和护栏的高度调节范围为84.9～104.6cm。床头床尾处设计为可升降扶手，其造型包含推和拉两种功能；护栏为大小护栏并采用流线型设计，缓解单侧上肢负荷，满足不同人群的舒适工作姿势。护栏与扶手改进如图3所示。

表3 中国成年人主要人体尺寸

图9 护栏与扶手改进设计

3.2 转移板改进设计

将转移板与医用转移床设计为一体化，配备滑轨在病床与医用转移床间进行横向移动，转移板为可拆卸的两部分，中间以卡扣方式连接，完成转移后分离转移板将患者安置在病床。转移板增加手柄，减少搬运时对患者造成的伤害；转移板可分离设计，减少患者翻身次数，降低护士弯腰幅度，缓解护士下背部压力。具体操作如图10所示，医用转移床改进前后方案对比如图11所示。

图10 转移板改进设计及操作说明

图11 医用转移床改进前后方案对比

4 医用转移床改进方案的可靠性与可行性验证

4.1 医用转移床改进方案Jack可行性验证

4.1.1 护士工作姿势分析

工作姿势分析工具（Ovako Working Posture Analysis，简称OWAS）基于背部、手臂和腿负载三部分的综合评价以快速检查工作姿势。如图12所示，对改进后的医用转移床进行工作姿势分析，得出工作姿势不适度为级别1，表示工作姿势正常，符合人体工程学。

图12 工作姿势分析

4.1.2 护士舒适度分析

舒适度分析（Comfort Assessment）用于评价护士某个姿势下关节及整体姿势的舒适度，结合舒适度关键指标[15]，得出在不同场景下，改进前后护士Porter舒适度分析参数对比如表4所示。改进后头部弯曲、上臂弯曲和肘部弯曲的更多数值在舒适度限定范围区间，数值有一定程度的减小且向典型值趋近，表明改进后的舒适度得到改善。

表4 改进前后护士Porter舒适度分析对比

4.1.3 护士受力分析

在不同场景下，对护士进行关节受力分析，改进前后参数对比如表5所示。护士上肢部分的肩部关节平均强度降低，护栏流线型设计，使护士单侧肘部关节平均强度显著降低，其余关节参数均在安全范围内。进一步对护士躯干及下背部进行受力分析，改进前后参数对比如表6所示。推床转移时，护栏侧护士L4/L5脊椎处压缩力降低33%，躯干弯曲平均强度显著降低，床头侧护士L4/L5脊椎处压缩力降低54%，躯干剪力平均强度显著降低，床尾侧护士L4/L5脊椎处压缩力降低31%；横向转移时，护栏侧护士L4/L5脊椎处压缩力降低66%，病床侧护士L4/L5脊椎处压缩力降低26%。

表5 改进前后护士关节受力分析对比

表6 改进前后护士躯干及下背部受力分析对比

通过以上结果可知，改进后的护栏、扶手和转移板，人机匹配性增强，可以有效降低护士弯腰幅度，降低下背部负荷，改善护士的工作姿势，提高医用转移床操作的舒适性。

4.2 医用转移床改进方案FMEA可靠性验证

改进后的设计方案，再次邀请7人专家小组进行实验，对S、O、D数值重新进行评分，并计算RPN值，发现所有潜在失效模式的RPN值均小于125，证明改进方案的有效性。改进后医用转移床FMEA表单如表7所示。

表7 改进后医用转移床FMEA表单

5 结语

本文运用FMEA和Jack相结合的方法对医用转移床进行虚拟仿真设计与研究，在医用转移床的设计制造阶段发现潜在的风险，并建立“人-产品-环境”仿真系统，使用工作姿势分析、受力分析、静态强度预测、下背部分析和舒适度分析等工具，系统、综合地进行人机工程学仿真分析。研究发现影响医用转移床人机匹配的关键因素为护栏、扶手和转移板，并给出相应的人机改进建议，改进后医用转移床的可行性与可靠性得到改善，更加符合人机工程学。可有效缩短医用转移床的设计制造流程，提高研发和制造效率。同时，FMEA与Jack相结合的方法为医疗设备的设计开发提供一种新的思路。