李曉英，謝逸飛

（湖北工業(yè)大學 工業(yè)設計學院，武漢 430068）

0 引言

患者轉移是醫(yī)院工作中最需要體力和最常見的任務，這一過程使用的醫(yī)用轉移床是醫(yī)院的必備設備[1]。因醫(yī)護人員需要長時間運輸患者，暴露在高負荷環(huán)境下，造成腰脊損傷，所以患者轉移任務是引起醫(yī)護人員肌肉骨骼疾?。∕SD）的高風險任務[2]?，F(xiàn)有研究表明，醫(yī)院通過制定患者轉運制度和患者處理課程，來降低醫(yī)護人員的肌肉骨骼疾病發(fā)生概率[3]；醫(yī)用轉移床的設計開發(fā)重心主要在造型和功能層面上，醫(yī)護人員屬于被動設計方[4]；醫(yī)療設備的設計環(huán)境復雜，包括醫(yī)院環(huán)境、產(chǎn)品、患者與醫(yī)護人員等設計對象，問題辨識度低，單一針對某一個對象，易造成設計上的人機缺陷[5]。

FMEA是一種具有前瞻性的系統(tǒng)化方法，具有易辨識問題關鍵點的優(yōu)點[6]。Jack為用戶提供客觀合理的解決方案，分析并發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的人機設計缺陷，及時修改以提高產(chǎn)品研發(fā)效率，節(jié)約開發(fā)成本[7]。基于此，采用FMEA和Jack人機虛擬仿真結合的方法，得出影響醫(yī)用轉移床人機匹配性的關鍵因素，在醫(yī)用轉移床研發(fā)早期發(fā)現(xiàn)設計缺陷并做出修改，提高操作舒適性，具體研究思路流程如圖1所示。

圖1 研究思路流程

1 醫(yī)用轉運床FMEA分析

對于醫(yī)用轉移床這一多功能的醫(yī)療產(chǎn)品，F(xiàn)MEA可以透過分析系統(tǒng)或子系統(tǒng)內潛在失效的原因或失效對系統(tǒng)造成的影響，將其失效原因進行記錄與評價后，擬定對策，制定解決方案，以確保在整個產(chǎn)品制造設計和開發(fā)過程中考慮和解決潛在的問題，減少故障的發(fā)生，以提高產(chǎn)品的質量和可靠性[8]。

FMEA由研究人員通過確定故障模式、原因和預防措施進行。使用以下等級評估嚴重度（S），發(fā)生度（O）和探測度（D），通過將嚴重度，發(fā)生度和探測度相乘來確定風險優(yōu)先級數(shù)（RPN），計算方式如式(1)所示：

醫(yī)療行業(yè)認為，當RPN≥125時，必須通過改善措施以降低失效模式。RPN較高的產(chǎn)品會給使用者帶來更高的風險，因此在設計審查中應給予更高的優(yōu)先級，這些故障模式需要設計者更多的關注并采取行動進行改進設計[9]。

本研究成立7人專家小組（4名護士，2名產(chǎn)品設計師，1名結構工程師），對醫(yī)用轉運床使用場景及功能任務流程進行討論。在醫(yī)院的醫(yī)療系統(tǒng)中，患者的轉移任務最常見的使用場景是患者在醫(yī)用轉移床與病床間的橫向轉移以及醫(yī)護人員在各部門之間的推床轉移。因此，針對兩個主要使用場景進行轉移任務流程分析如圖2所示。

圖2 轉移任務流程分析

以醫(yī)院常用的半自動型醫(yī)用轉移床SHD-602為FMEA的分析主題，結合醫(yī)用轉移床的功能和轉移任務流程，分析出醫(yī)用轉移床的潛在故障模式，故障潛在的影響和潛在的故障原因，得出醫(yī)用轉移床FMEA分析表如表1所示。

表1 醫(yī)用轉移床FMEA分析表

針對醫(yī)用轉移床的FMEA分析表，可看出高風險任務集中在護欄、床頭和床尾的使用以及患者處理上，RPN皆大于125，并且是醫(yī)用轉移床高頻使用區(qū)域，必須進行改良設計。由于FMEA的主觀性特點，并未對其故障產(chǎn)生的原因和造成的影響有客觀性的驗證，可以在下一步Jack中進行人機系統(tǒng)分析，得出影響醫(yī)用轉移床人機匹配的關鍵因素。

2 轉運床人機系統(tǒng)分析

2.1 建立仿真系統(tǒng)

Jack是一個實時可視化仿真系統(tǒng)，集三維仿真、數(shù)字人體建模、人因功效分析等主要功能于一體，可導入用戶自行創(chuàng)建的三維模型、具有生物力學特性的三維人體模型并且分派數(shù)字人任務，構建仿真環(huán)境[10]。在Jack軟件中創(chuàng)立“人-產(chǎn)品-環(huán)境”仿真系統(tǒng)，對醫(yī)用轉移床進行人機功效分析，具體流程如圖3所示。

圖3 人機功效分析流程

醫(yī)用轉移床是一般醫(yī)用產(chǎn)品，根據(jù)GB/T12985-1991標準，可以參考Ⅲ型產(chǎn)品尺寸設計，可采用第50百分位數(shù)（P50）作為產(chǎn)品尺寸設計的依據(jù)[11]。如圖4所示，根據(jù)GB 10000-1988[12]，在Jack軟件中選擇第50百分位的我國成年女性人體數(shù)字模型作為虛擬護士模型。使用三維建模軟件Rhino對SHD-602型號醫(yī)用轉移床建立3D模型（質量約100 kg）?；颊卟捎玫?5百分位的我國成年男性人體數(shù)字模型作為虛擬患者模型。將患者轉移全過程作為仿真流程，進行醫(yī)用轉移床的“人-產(chǎn)品-環(huán)境”虛擬仿真。

圖4 虛擬仿真環(huán)境搭建

2.2 橫向轉移人機仿真分析

如圖5所示，患者的橫向轉移包括輔助患者的翻身、轉向和平移等過程。通常由兩名及以上護士執(zhí)行，常用的患者轉移輔助設備為轉移板。在轉移過程中，護士需頻繁大幅度彎腰挪動患者，其下背部一直處于高負荷狀態(tài)，使用Jack任務分析工具（Task Analysis Task簡稱TAT）中的下背部分析（Lower Back Analysis）工具，分析護士L4/L5脊椎處的受力值。如圖6所示，護士在彎腰推動患者在兩床之間移動時，其L4/L5脊椎處受力值超過NIOSH推薦的3400N壓力極限，其余過程因需頻繁彎腰挪動患者，L4/L5脊椎處受力值處于1600～2800N區(qū)間，長期進行此操作，易造成下背部骨骼肌肉損傷。

圖5 橫向轉移過程

圖6 L4/L5受力分析

2.3 推床轉移人機仿真分析

如圖7所示，在推床轉移中，最多的工作場景就是在出入病房、電梯時的轉彎推移和在走廊中的直線推移。在推床轉移時，護士需要持續(xù)保持某一姿勢進行工作，用Jack TAT中的靜態(tài)強度預測（Static Strength Prediction）工具對推床姿勢進行靜態(tài)強度預測，從動力學角度評估多少比例的人能保持任務中某一姿勢進行工作。

圖7 推床轉移

分析結果如圖8所示，在推床過程中，手腕，肘部，肩部，腳踝及軀干部分出現(xiàn)黃色和紅色，表示以當前姿勢進行工作時，這幾個部位有較大的受傷風險。

圖8 靜態(tài)強度預測

對護士易受傷區(qū)域進行受力分析（ForceSolver）如表2所示。在轉彎推移時，護士需在狹窄的病房之間進行轉移，狹窄的空間、醫(yī)用轉移床兩側扁平的扶手造型和較低的扶手高度易使護士形成扭曲的姿勢，造成肘部、肩膀和軀干旋轉角度過大，扭矩偏高，同時拉的姿勢比推的姿勢易對軀干造成更高的負荷。在直線推移時，在護欄側的護士，因護欄高度與護士立姿肘高不匹配，對肩膀及手腕造成過高負荷，同時護士需靠軀干和下半身關節(jié)施力維持醫(yī)用轉移床直線前行，對護士的軀干、膝蓋和腳踝損傷過高。

表2 虛擬護士易受傷區(qū)域受力分析

受調查的護士中，有80%的人沒有接受任何治療以解決肌肉骨骼疾病，護士經(jīng)常忽略工作中不適的姿勢帶來的疲勞，長期暴露在高負荷環(huán)境下引起肌肉骨骼疾病。醫(yī)用轉移床不合理的人機工程設計是造成護士不適姿勢的主要原因。

綜合醫(yī)用轉移床的功能與轉移任務的FMEA分析和Jack人機仿真分析，橫向轉移對護士下背部造成的損傷較大，應降低護士的彎腰幅度以及改進轉移輔助設備來緩解護士的下背部壓力；推床轉移中，醫(yī)用轉移床的扶手和護欄不合理的人機工程設計易使護士形成扭曲的姿勢，應對扶手和護欄造型和位置進行改進，使護士在轉彎和直行時能保持合理舒適的姿勢進行推拉。

3 改進設計

3.1 護欄與扶手的改進設計

在推拉過程中，手臂以最佳高度進行推拉可以將更大比例的力沿水平方向引導來降低所需的肌肉力量，降低脊柱負荷，從而提高推拉效率。在設計醫(yī)用轉移床時，最大推拉力并不是其設計的唯一標準，應最大程度地考慮操作的舒適性[13]。

根據(jù)推拉工作類型，扶手與護欄高度應與醫(yī)護人員的肘部高度保持確定的關系，其高度設置在人體肘部高度以下5厘米處時，可達到推拉姿勢最舒適高度[14]。為滿足不同人群的使用要求，基于動態(tài)設計原則，其位置應同時滿足第5百分位女性和第95百分位男性，參照中國成年人主要人體尺寸如表3所示，設置扶手和護欄的高度調節(jié)范圍為84.9～104.6cm。床頭床尾處設計為可升降扶手，其造型包含推和拉兩種功能；護欄為大小護欄并采用流線型設計，緩解單側上肢負荷，滿足不同人群的舒適工作姿勢。護欄與扶手改進如圖3所示。

表3 中國成年人主要人體尺寸

圖9 護欄與扶手改進設計

3.2 轉移板改進設計

將轉移板與醫(yī)用轉移床設計為一體化，配備滑軌在病床與醫(yī)用轉移床間進行橫向移動，轉移板為可拆卸的兩部分，中間以卡扣方式連接，完成轉移后分離轉移板將患者安置在病床。轉移板增加手柄，減少搬運時對患者造成的傷害；轉移板可分離設計，減少患者翻身次數(shù)，降低護士彎腰幅度，緩解護士下背部壓力。具體操作如圖10所示，醫(yī)用轉移床改進前后方案對比如圖11所示。

圖10 轉移板改進設計及操作說明

圖11 醫(yī)用轉移床改進前后方案對比

4 醫(yī)用轉移床改進方案的可靠性與可行性驗證

4.1 醫(yī)用轉移床改進方案Jack可行性驗證

4.1.1 護士工作姿勢分析

工作姿勢分析工具（Ovako Working Posture Analysis，簡稱OWAS）基于背部、手臂和腿負載三部分的綜合評價以快速檢查工作姿勢。如圖12所示，對改進后的醫(yī)用轉移床進行工作姿勢分析，得出工作姿勢不適度為級別1，表示工作姿勢正常，符合人體工程學。

圖12 工作姿勢分析

4.1.2 護士舒適度分析

舒適度分析（Comfort Assessment）用于評價護士某個姿勢下關節(jié)及整體姿勢的舒適度，結合舒適度關鍵指標[15]，得出在不同場景下，改進前后護士Porter舒適度分析參數(shù)對比如表4所示。改進后頭部彎曲、上臂彎曲和肘部彎曲的更多數(shù)值在舒適度限定范圍區(qū)間，數(shù)值有一定程度的減小且向典型值趨近，表明改進后的舒適度得到改善。

表4 改進前后護士Porter舒適度分析對比

4.1.3 護士受力分析

在不同場景下，對護士進行關節(jié)受力分析，改進前后參數(shù)對比如表5所示。護士上肢部分的肩部關節(jié)平均強度降低，護欄流線型設計，使護士單側肘部關節(jié)平均強度顯著降低，其余關節(jié)參數(shù)均在安全范圍內。進一步對護士軀干及下背部進行受力分析，改進前后參數(shù)對比如表6所示。推床轉移時，護欄側護士L4/L5脊椎處壓縮力降低33%，軀干彎曲平均強度顯著降低，床頭側護士L4/L5脊椎處壓縮力降低54%，軀干剪力平均強度顯著降低，床尾側護士L4/L5脊椎處壓縮力降低31%；橫向轉移時，護欄側護士L4/L5脊椎處壓縮力降低66%，病床側護士L4/L5脊椎處壓縮力降低26%。

表5 改進前后護士關節(jié)受力分析對比

表6 改進前后護士軀干及下背部受力分析對比

通過以上結果可知，改進后的護欄、扶手和轉移板，人機匹配性增強，可以有效降低護士彎腰幅度，降低下背部負荷，改善護士的工作姿勢，提高醫(yī)用轉移床操作的舒適性。

4.2 醫(yī)用轉移床改進方案FMEA可靠性驗證

改進后的設計方案，再次邀請7人專家小組進行實驗，對S、O、D數(shù)值重新進行評分，并計算RPN值，發(fā)現(xiàn)所有潛在失效模式的RPN值均小于125，證明改進方案的有效性。改進后醫(yī)用轉移床FMEA表單如表7所示。

表7 改進后醫(yī)用轉移床FMEA表單

5 結語

本文運用FMEA和Jack相結合的方法對醫(yī)用轉移床進行虛擬仿真設計與研究，在醫(yī)用轉移床的設計制造階段發(fā)現(xiàn)潛在的風險，并建立“人-產(chǎn)品-環(huán)境”仿真系統(tǒng)，使用工作姿勢分析、受力分析、靜態(tài)強度預測、下背部分析和舒適度分析等工具，系統(tǒng)、綜合地進行人機工程學仿真分析。研究發(fā)現(xiàn)影響醫(yī)用轉移床人機匹配的關鍵因素為護欄、扶手和轉移板，并給出相應的人機改進建議，改進后醫(yī)用轉移床的可行性與可靠性得到改善，更加符合人機工程學?？捎行Эs短醫(yī)用轉移床的設計制造流程，提高研發(fā)和制造效率。同時，F(xiàn)MEA與Jack相結合的方法為醫(yī)療設備的設計開發(fā)提供一種新的思路。