基于FMEA與Jack的醫(yī)用轉(zhuǎn)移床虛擬仿真設(shè)計與研究

李曉英，謝逸飛

（湖北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計學(xué)院，武漢 430068）

0 引言

患者轉(zhuǎn)移是醫(yī)院工作中最需要體力和最常見的任務(wù)，這一過程使用的醫(yī)用轉(zhuǎn)移床是醫(yī)院的必備設(shè)備[1]。因醫(yī)護(hù)人員需要長時間運輸患者，暴露在高負(fù)荷環(huán)境下，造成腰脊損傷，所以患者轉(zhuǎn)移任務(wù)是引起醫(yī)護(hù)人員肌肉骨骼疾病（MSD）的高風(fēng)險任務(wù)[2]?，F(xiàn)有研究表明，醫(yī)院通過制定患者轉(zhuǎn)運制度和患者處理課程，來降低醫(yī)護(hù)人員的肌肉骨骼疾病發(fā)生概率[3]；醫(yī)用轉(zhuǎn)移床的設(shè)計開發(fā)重心主要在造型和功能層面上，醫(yī)護(hù)人員屬于被動設(shè)計方[4]；醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計環(huán)境復(fù)雜，包括醫(yī)院環(huán)境、產(chǎn)品、患者與醫(yī)護(hù)人員等設(shè)計對象，問題辨識度低，單一針對某一個對象，易造成設(shè)計上的人機(jī)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(guān)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(jī)設(shè)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]?；诖耍捎肍MEA和Jack人機(jī)虛擬仿真結(jié)合的方法，得出影響醫(yī)用轉(zhuǎn)移床人機(jī)匹配性的關(guān)鍵因素，在醫(yī)用轉(zhuǎn)移床研發(fā)早期發(fā)現(xiàn)設(shè)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(zhuǎn)運床FMEA分析

對于醫(yī)用轉(zhuǎn)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(nèi)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(jìn)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(shè)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(zhì)量和可靠性[8]。

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

醫(yī)療行業(yè)認(rèn)為，當(dāng)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(fēng)險，因此在設(shè)計審查中應(yīng)給予更高的優(yōu)先級，這些故障模式需要設(shè)計者更多的關(guān)注并采取行動進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計[9]。

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

圖2 轉(zhuǎn)移任務(wù)流程分析

以醫(yī)院常用的半自動型醫(yī)用轉(zhuǎn)移床SHD-602為FMEA的分析主題，結(jié)合醫(yī)用轉(zhuǎn)移床的功能和轉(zhuǎn)移任務(wù)流程，分析出醫(yī)用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移床FMEA分析表如表1所示。

表1 醫(yī)用轉(zhuǎn)移床FMEA分析表

針對醫(yī)用轉(zhuǎn)移床的FMEA分析表，可看出高風(fēng)險任務(wù)集中在護(hù)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(zhuǎn)移床高頻使用區(qū)域，必須進(jìn)行改良設(shè)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(jìn)行人機(jī)系統(tǒng)分析，得出影響醫(yī)用轉(zhuǎn)移床人機(jī)匹配的關(guān)鍵因素。

2 轉(zhuǎn)運床人機(jī)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(dǎo)入用戶自行創(chuàng)建的三維模型、具有生物力學(xué)特性的三維人體模型并且分派數(shù)字人任務(wù)，構(gòu)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(zhuǎn)移床進(jìn)行人機(jī)功效分析，具體流程如圖3所示。

圖3 人機(jī)功效分析流程

醫(yī)用轉(zhuǎn)移床是一般醫(yī)用產(chǎn)品，根據(jù)GB/T12985-1991標(biāo)準(zhǔn)，可以參考Ⅲ型產(chǎn)品尺寸設(shè)計，可采用第50百分位數(shù)（P50）作為產(chǎn)品尺寸設(shè)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(hù)士模型。使用三維建模軟件Rhino對SHD-602型號醫(yī)用轉(zhuǎn)移床建立3D模型（質(zhì)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(zhuǎn)移全過程作為仿真流程，進(jìn)行醫(yī)用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移人機(jī)仿真分析

如圖5所示，患者的橫向轉(zhuǎn)移包括輔助患者的翻身、轉(zhuǎn)向和平移等過程。通常由兩名及以上護(hù)士執(zhí)行，常用的患者轉(zhuǎn)移輔助設(shè)備為轉(zhuǎn)移板。在轉(zhuǎn)移過程中，護(hù)士需頻繁大幅度彎腰挪動患者，其下背部一直處于高負(fù)荷狀態(tài)，使用Jack任務(wù)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(hù)士L4/L5脊椎處的受力值。如圖6所示，護(hù)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(jìn)行此操作，易造成下背部骨骼肌肉損傷。

圖5 橫向轉(zhuǎn)移過程

圖6 L4/L5受力分析

2.3 推床轉(zhuǎn)移人機(jī)仿真分析

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

圖7 推床轉(zhuǎn)移

分析結(jié)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(dāng)前姿勢進(jìn)行工作時，這幾個部位有較大的受傷風(fēng)險。

圖8 靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測

對護(hù)士易受傷區(qū)域進(jìn)行受力分析（ForceSolver）如表2所示。在轉(zhuǎn)彎推移時，護(hù)士需在狹窄的病房之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，狹窄的空間、醫(yī)用轉(zhuǎn)移床兩側(cè)扁平的扶手造型和較低的扶手高度易使護(hù)士形成扭曲的姿勢，造成肘部、肩膀和軀干旋轉(zhuǎn)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(fù)荷。在直線推移時，在護(hù)欄側(cè)的護(hù)士，因護(hù)欄高度與護(hù)士立姿肘高不匹配，對肩膀及手腕造成過高負(fù)荷，同時護(hù)士需靠軀干和下半身關(guān)節(jié)施力維持醫(yī)用轉(zhuǎn)移床直線前行，對護(hù)士的軀干、膝蓋和腳踝損傷過高。

表2 虛擬護(hù)士易受傷區(qū)域受力分析

受調(diào)查的護(hù)士中，有80%的人沒有接受任何治療以解決肌肉骨骼疾病，護(hù)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(fù)荷環(huán)境下引起肌肉骨骼疾病。醫(yī)用轉(zhuǎn)移床不合理的人機(jī)工程設(shè)計是造成護(hù)士不適姿勢的主要原因。

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

3 改進(jìn)設(shè)計

3.1 護(hù)欄與扶手的改進(jìn)設(shè)計

在推拉過程中，手臂以最佳高度進(jìn)行推拉可以將更大比例的力沿水平方向引導(dǎo)來降低所需的肌肉力量，降低脊柱負(fù)荷，從而提高推拉效率。在設(shè)計醫(yī)用轉(zhuǎn)移床時，最大推拉力并不是其設(shè)計的唯一標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)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(hù)欄高度應(yīng)與醫(yī)護(hù)人員的肘部高度保持確定的關(guān)系，其高度設(shè)置在人體肘部高度以下5厘米處時，可達(dá)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(shè)計原則，其位置應(yīng)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(shè)置扶手和護(hù)欄的高度調(diào)節(jié)范圍為84.9～104.6cm。床頭床尾處設(shè)計為可升降扶手，其造型包含推和拉兩種功能；護(hù)欄為大小護(hù)欄并采用流線型設(shè)計，緩解單側(cè)上肢負(fù)荷，滿足不同人群的舒適工作姿勢。護(hù)欄與扶手改進(jìn)如圖3所示。

表3 中國成年人主要人體尺寸

圖9 護(hù)欄與扶手改進(jìn)設(shè)計

3.2 轉(zhuǎn)移板改進(jìn)設(shè)計

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

圖10 轉(zhuǎn)移板改進(jìn)設(shè)計及操作說明

圖11 醫(yī)用轉(zhuǎn)移床改進(jìn)前后方案對比

4 醫(yī)用轉(zhuǎn)移床改進(jìn)方案的可靠性與可行性驗證

4.1 醫(yī)用轉(zhuǎn)移床改進(jìn)方案Jack可行性驗證

4.1.1 護(hù)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(fù)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(jìn)后的醫(yī)用轉(zhuǎn)移床進(jìn)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(xué)。

圖12 工作姿勢分析

4.1.2 護(hù)士舒適度分析

舒適度分析（Comfort Assessment）用于評價護(hù)士某個姿勢下關(guān)節(jié)及整體姿勢的舒適度，結(jié)合舒適度關(guān)鍵指標(biāo)[15]，得出在不同場景下，改進(jìn)前后護(hù)士Porter舒適度分析參數(shù)對比如表4所示。改進(jìn)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(jìn)后的舒適度得到改善。

表4 改進(jìn)前后護(hù)士Porter舒適度分析對比

4.1.3 護(hù)士受力分析

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

表5 改進(jìn)前后護(hù)士關(guān)節(jié)受力分析對比

表6 改進(jìn)前后護(hù)士軀干及下背部受力分析對比

通過以上結(jié)果可知，改進(jìn)后的護(hù)欄、扶手和轉(zhuǎn)移板，人機(jī)匹配性增強(qiáng)，可以有效降低護(hù)士彎腰幅度，降低下背部負(fù)荷，改善護(hù)士的工作姿勢，提高醫(yī)用轉(zhuǎn)移床操作的舒適性。

4.2 醫(yī)用轉(zhuǎn)移床改進(jìn)方案FMEA可靠性驗證

改進(jìn)后的設(shè)計方案，再次邀請7人專家小組進(jìn)行實驗，對S、O、D數(shù)值重新進(jìn)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(jìn)方案的有效性。改進(jìn)后醫(yī)用轉(zhuǎn)移床FMEA表單如表7所示。

表7 改進(jìn)后醫(yī)用轉(zhuǎn)移床FMEA表單

5 結(jié)語

本文運用FMEA和Jack相結(jié)合的方法對醫(yī)用轉(zhuǎn)移床進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計與研究，在醫(yī)用轉(zhuǎn)移床的設(shè)計制造階段發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)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(qiáng)度預(yù)測、下背部分析和舒適度分析等工具，系統(tǒng)、綜合地進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)仿真分析。研究發(fā)現(xiàn)影響醫(yī)用轉(zhuǎn)移床人機(jī)匹配的關(guān)鍵因素為護(hù)欄、扶手和轉(zhuǎn)移板，并給出相應(yīng)的人機(jī)改進(jìn)建議，改進(jìn)后醫(yī)用轉(zhuǎn)移床的可行性與可靠性得到改善，更加符合人機(jī)工程學(xué)?？捎行Эs短醫(yī)用轉(zhuǎn)移床的設(shè)計制造流程，提高研發(fā)和制造效率。同時，F(xiàn)MEA與Jack相結(jié)合的方法為醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計開發(fā)提供一種新的思路。