賴?yán)罾?/p>

（臺(tái)州學(xué)院　機(jī)械工程學(xué)院,浙江　臺(tái)州　318000）

基于Jack的基本護(hù)理人因仿真及分析

賴?yán)罾?/p>

（臺(tái)州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,浙江臺(tái)州318000）

將Proe中建立好的護(hù)理床三維模型導(dǎo)入到Jack人因分析軟件中;在仿真環(huán)境中創(chuàng)建第95百分位和等50百分位的女性分別作為病人與護(hù)理人員,完成靜態(tài)仿真模型的建立;將基本護(hù)理過程分為抓取病人右手、抬起雙腿和翻轉(zhuǎn)身體三個(gè)主要?jiǎng)幼?完成動(dòng)態(tài)仿真模型的建立;并對(duì)護(hù)理人員進(jìn)行下背部受力分析和靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè),提出改進(jìn)建議。

基本護(hù)理；人因仿真；Jack

在基礎(chǔ)護(hù)理中，由于大多數(shù)病人患有重大疾病，需要長期臥床休養(yǎng)，生活不能自理，如翻身、床單更換等需要在護(hù)理人員的幫助下完成。在進(jìn)行以上動(dòng)作時(shí)，護(hù)理人員需要長期彎腰、低頭，甚至需要越過欄桿的阻礙觸及遠(yuǎn)處的物體，這些動(dòng)作都將導(dǎo)致脊柱、脖子、肩部等位置肌肉骨骼的損傷［1］。對(duì)于基本護(hù)理的研究，國外研究集中在對(duì)護(hù)理人員職業(yè)病的研究及改善上。文獻(xiàn)［2-3］指出護(hù)士是患腰痛病的高危人群，護(hù)士患腰背痛的危險(xiǎn)性是其他職業(yè)女性的2.5倍。國外對(duì)人因工程作了較多的研究［4-6］，但是大多集中在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，而對(duì)于職業(yè)病的研究則少之又少。而國內(nèi)則注重護(hù)理分級(jí)、護(hù)理質(zhì)量、護(hù)理與患者的關(guān)系等的研究［7］?？傮w來說,國內(nèi)外對(duì)護(hù)理人員的人因方面的研究較少，且大部分停留在職業(yè)病腰痛的調(diào)查研究上。

1　基本護(hù)理人因仿真建模

1.1基本護(hù)理仿真靜態(tài)模型的建立

Jack是西門子工業(yè)軟件有限公司旗下的一款人因工程分析軟件，最初由賓夕法尼亞大學(xué)的人體建模和仿真中心研制開發(fā)的。該軟件是一款高端仿真軟件，它包括三維仿真、數(shù)字人體建模、人因工效分析等主要功能。能夠?qū)隝CES、stl、w rl等格式的CAD三維模型，構(gòu)建實(shí)時(shí)可視化的仿真環(huán)境；引入符合生物力學(xué)特性的數(shù)字人模型；通過分析數(shù)字人在完成任務(wù)過程中的行為特點(diǎn)獲取有價(jià)值的信息［1］。

對(duì)于基本護(hù)理的仿真，首先需要分析基本護(hù)理的工作特點(diǎn)?；咀o(hù)理一般包括給病人翻身、更換床單等動(dòng)作。其中翻身是基本護(hù)理中的常見工作，且在該過程中，護(hù)士需要經(jīng)常彎腰,容易引起損傷，所以本文主要對(duì)該過程進(jìn)行建模。翻身的動(dòng)作包括移動(dòng)病人的手臂和腿，使病人保持合適的姿勢(shì)，然后才翻轉(zhuǎn)病人。

由于護(hù)理床三維實(shí)體較復(fù)雜，如果在Jack軟件中直接建模效率較低，所以利用三維軟件Proe進(jìn)行建模，將建好的三維模型導(dǎo)入到Jack軟件中,如圖1所示。

圖1　護(hù)理床模型Fig.1 Nursing bed model

由于仿真的是整個(gè)護(hù)士人群，再者，目前國內(nèi)的護(hù)理人員一般為女性，故將第50百分位的中國女性作為研究對(duì)象，因?yàn)?0百分位代表“中”身材人群，是指大于或小于此人群身材尺寸的各為50%?？紤]到病人的情況，高矮胖瘦都有可能，所以選用第95百分位的中國女性作為病人。由GB10000-1988［8］可知，第50百分位的女性的身高和體重分別為157cm和52kg，第95百分位的則為165.9cm和66kg。在Jack軟件中創(chuàng)建病人與護(hù)理人員，為了區(qū)分護(hù)理人員與病人，給數(shù)字人賦予不同的外觀色彩，如圖2所示。

圖2　病人與護(hù)理人員的創(chuàng)建Fig.2 Establishment of nurse and patient

分別調(diào)整病人與護(hù)理人員的姿勢(shì)，將病人放置在護(hù)理床上，護(hù)理人員則面向病人，站立在床邊?；咀o(hù)理環(huán)境如圖3所示。

圖3　基本護(hù)理環(huán)境的創(chuàng)建Fig.3 Establishment of Basic Nursing environment

1.1基本護(hù)理仿真動(dòng)態(tài)模型的建立

動(dòng)畫仿真是Jack的另一個(gè)重要仿真模塊，可以快速地建立仿真和動(dòng)畫系統(tǒng)，并可編輯系統(tǒng)的環(huán)境、數(shù)字人的姿勢(shì)等。動(dòng)畫仿真通過定義每個(gè)任務(wù)的合理時(shí)間，來達(dá)到控制仿真過程的耗時(shí)?；咀o(hù)理環(huán)境創(chuàng)建完成之后，指定護(hù)理人員去完成翻身的任務(wù)。動(dòng)態(tài)仿真的內(nèi)容包括護(hù)理人員移動(dòng)病人的雙手和雙腿形成翻身姿勢(shì)，然后護(hù)理人員翻轉(zhuǎn)病人。由于護(hù)理人員操作的并非是一個(gè)實(shí)體，不能直接運(yùn)用仿真任務(wù)編輯器中的相關(guān)命令來操作數(shù)字人。由于移動(dòng)的僅僅是病人的四肢，是身體的一部分，需要通過對(duì)護(hù)理人員和病人的動(dòng)作進(jìn)行并行模擬來實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程。

利用Jack軟件的動(dòng)畫功能制作動(dòng)畫。首先，將護(hù)理人員翻身的動(dòng)作進(jìn)行拆分，護(hù)理人員首先彎腰，然后伸手抓取病人的手，將病人的手移動(dòng)至腹部，接著移動(dòng)病人的下肢，最后翻轉(zhuǎn)病人的身體。創(chuàng)建護(hù)理人員的彎腰動(dòng)作，通過編輯護(hù)理人員的脊柱和骨盆的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)該姿勢(shì)；然后，編輯護(hù)理人員的姿勢(shì)，使其越過病人的身體抓住另一側(cè)的手（在文中即為病人的右手），如圖4所示。編輯病人的膝部及腿部姿勢(shì)，使得病人呈現(xiàn)屈膝的姿勢(shì)；然后，編輯護(hù)理人員身體與上肢的姿勢(shì)，使其抬起病人的雙腿,實(shí)現(xiàn)屈膝的動(dòng)作，如圖5所示。編輯病人的背部、臀部、頭部和手部的姿勢(shì)，使得病人呈現(xiàn)側(cè)身的姿勢(shì)；然后，編輯護(hù)理人員手部、背部和頭部的姿勢(shì)，使其右手托住病人的背部，左手托住病人的臀部，實(shí)現(xiàn)翻身的動(dòng)作，如圖6所示。

圖4　護(hù)理人員抓取病人的右手　Fig.4 Nursing staff grab patient’s right hand　

圖5　護(hù)理人員抬起病人雙腿Fig.5 Nursing staff lift patient’s legs

圖6　護(hù)理人員翻轉(zhuǎn)病人身體Fig.6 Nursing staff turnover patient’s body

2　基本護(hù)理人因仿真分析

2.1下背部受力分析

Jack軟件包括十大人因分析工具，包括下背部分析、靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)、搬運(yùn)受力分析、新陳代謝分析、疲勞恢復(fù)分析、工作姿勢(shì)分析、快速上肢動(dòng)作分析、手工操作極限分析等。這些人因分析工具可以分析特定工作環(huán)境下數(shù)字人的人因狀況，從而得到對(duì)工作的改進(jìn)方案。

下背部分析是Jack軟件中重要的人因分析工具，它主要依據(jù)［National Institute for Occupational Safety and Health］（美國國家安全與健康協(xié)會(huì)）簡稱［NIOSH］是1981年發(fā)布的手工提升工作實(shí)際指導(dǎo)開發(fā)的分析程序［1］。研究表明，如果第四腰椎（L4）受傷，容易引起兩側(cè)腰痛，腹痛，腹脹便秘，下肢外側(cè)麻痛。若第五腰椎（L5）受損，則會(huì)造成下肢后側(cè)麻痛，下肢痛，月經(jīng)不調(diào)等疾病。因此，很有必要計(jì)算出L4/ L5處受的壓力。下背部分析利用先進(jìn)復(fù)雜的生理學(xué)下背部模型，計(jì)算L4/L5（第四腰椎、第五腰椎）脊椎處的壓力，并將這個(gè)壓力和［NIOSH］的推薦壓力及極限壓力進(jìn)行比較。此外，下背部分析還可以計(jì)算L4/L5扭矩、肌肉受力，并可以顯示扭矩分布。

護(hù)理人員抓取病人右手的過程中，由于病人的一條手臂占體重的1/9左右［9］，故在護(hù)理人員的手心施加約75N的力，左右手各為37.5N，得到如圖7所示的下背部受力分析圖。從圖中可知，下背部受到的壓力為2086N，NIOSH給出的壓力極限為3400N（如圖中的a線所示）。此時(shí)，下背部所受的力小于背部的承受極限，表明大部分護(hù)理人員完成該動(dòng)作時(shí)背部不會(huì)受到損傷。相應(yīng)的扭矩、肌肉受力和扭矩的分布如圖8所示。從圖中可知，在抓取病人右手的過程中，護(hù)理人員的背脊肌、斜外肌、腰直肌、背闊肌和內(nèi)斜肌的受力情況及其的扭矩，其中，背脊肌的受力較大，達(dá)到了750N。L4/L5扭矩在100Nm左右。

圖7　護(hù)理人員抓取病人右手時(shí)下背部受力分析Fig.7 The low er back force analysis when nursing staff grabbing patient’s right hand

圖8　護(hù)理人員抓取病人右手時(shí)下背部的扭矩分布、肌肉受力和扭矩Fig.8　Muscle tensions,moment and it’s distribution of lower back when nursing staff grabbing patient’s right hand

護(hù)理人員抬起病人雙腿的過程中，由于病人的一條腿占體重的2/9左右［9］，故在護(hù)理人員的左右手手心施加約150N的力，得到如圖9所示的下背部受力分析圖，從圖中可知，此時(shí)的下背部受的壓力約為3632N，超過了背部的承受極限。護(hù)理人員在抬起病人雙腳的過程中，背部容易受到損傷。相應(yīng)的扭矩、肌肉受力和扭矩的分布如圖10所示。從圖10中可知，在抬起病人雙腿的過程中，護(hù)理人員的背脊肌仍是受力最大，達(dá)到了1250N。L4/L5最大扭矩在140Nm左右。

圖9　護(hù)理人員抬起病人雙腿時(shí)下背部受力分析Fig.9 The lower back force analysis when nursing staff lifting patient's legs

圖10　護(hù)理人員抬起病人雙腿時(shí)下背部受力分析Fig.10 Muscle tensions,moment and it’s distribution of low er back w hen nursing staff lifting patient's legs

護(hù)理人員翻轉(zhuǎn)病人身體時(shí)，需要考慮到病人的總體重量，因?yàn)榇藭r(shí)病人的重量由護(hù)理人員的雙手來承受。已知病人的體重為66kg，為方便計(jì)算，此處取病人體重為70kg，左右手分別承受35kg。此時(shí)，護(hù)理人員的下背部受力分析如圖11所示，從圖中可以看出，此時(shí)的下背部受的壓力為5010N，大大超出背部承受極限3400N。護(hù)理人員在翻轉(zhuǎn)病人的時(shí)候，背部很容易受到損傷，應(yīng)該盡量減少翻轉(zhuǎn)病人的次數(shù)，每次翻轉(zhuǎn)病人后，應(yīng)注意休息。相應(yīng)的扭矩、肌肉受力和扭矩的分布如圖12所示。從圖12中可知，在翻轉(zhuǎn)病人身體的過程中，護(hù)理人員的背脊肌仍是受力最大，達(dá)到了1750N。L4/L5最大扭矩在210Nm左右。

圖11　護(hù)理人員翻轉(zhuǎn)病人時(shí)身體下背部受力分析Fig.11 The lower back force analysis when nursing staff turnovering the patient’s body

圖12　護(hù)理人員翻轉(zhuǎn)病人時(shí)身體下背部受力分析Fig.12 Muscle tensions,moment and it’s distribution of lower back w hen nursing staff turnovering the patient’s body

2.2靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)

靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)可以從動(dòng)力學(xué)的角度評(píng)估有多少百分比的人能夠保持任務(wù)中的某一姿勢(shì)進(jìn)行工作，還可以利用Jack中特定姿勢(shì)、人體測(cè)量學(xué)工具、對(duì)手施加壓力來計(jì)算特定姿勢(shì)下受到的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩對(duì)肌肉的影響。通過復(fù)雜的手部受力分析和軀干扭轉(zhuǎn)分析，評(píng)估姿勢(shì)的強(qiáng)度是否符合［NIOSH］定義的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。通過靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)

可以得出：

（1）能夠在這個(gè)姿勢(shì)強(qiáng)度下完成對(duì)病人翻身的護(hù)理人員的百分?jǐn)?shù)。

（2）可以得護(hù)理人員肘部、肩部、肱骨、臀部、腳踝等部位彎曲的角度，以及軀干前后及側(cè)向的彎曲角度。

（3）護(hù)理人員上肢和軀干所受到的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩對(duì)肌肉的影響，可直觀顯示平均強(qiáng)度數(shù)值。

現(xiàn)分別對(duì)基本護(hù)理過程中的抓取病人右手、抬起雙腿和翻轉(zhuǎn)身體三個(gè)動(dòng)作進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)分析，得到如圖13、圖14、圖15所示的結(jié)果。

圖13　護(hù)理人員抓取病人右手時(shí)靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)Fig.13 The static strength forcasts w hen nursing staff grabbing patient’s right hand

圖14　護(hù)理人員抬起病人雙腿時(shí)的靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)Fig.14 The static strength forcasts w hen nursing staff lifting patient's legs

圖15　護(hù)理人員翻轉(zhuǎn)病人身體時(shí)的靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)Fig.15 The static strength forcasts w hen nursing staff turnovering the patient’s body

3　結(jié)語

通過對(duì)基本護(hù)理過程進(jìn)行下背部分析，可以看出脊柱上的受力因?yàn)槭稚显黾拥耐饬Χ淖?，所受的外力越大，脊柱承受的壓力越大。通過下背部分析可以判斷工作任務(wù)是否符合［NIOSH］的標(biāo)準(zhǔn)，,以及是否會(huì)令護(hù)理人員下背部的受傷概率增加。通過對(duì)基本護(hù)理過程的靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)，可知，隨著外力的增大，分別僅有3%和5%左右的護(hù)理人員在該姿勢(shì)強(qiáng)度下完成抬起病人雙腿和翻轉(zhuǎn)身體的動(dòng)作。從人因分析中可以看出，哪些動(dòng)作需要進(jìn)行改進(jìn)，從而減少該動(dòng)作的次數(shù)，增加休息時(shí)間，或者通過改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如文中可以設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)側(cè)翻功能的護(hù)理床，降低護(hù)理人員的下背部受損的風(fēng)險(xiǎn)。

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Ergonom ics Simulation and Analysis of Basic Nursing Based on Jack

LAI Lili
（School of Mechanical Engineering,Taizhou University,Taizhou 318000，China）

The nursing bed model established by Proe was imported into a human factor analysis software named Jack.In simulation environment,the 95th and 50th female were used as patient and nursing staff respectively, and the establishment of static simulation model was completed.The basic nursing process was divided into three main actions of grabbing patient’s right hand,lifting patient’s legs and overturning patient’s body,and the establishment of dynam ic simulation model was comp leted as such.The low er back stress analysis and the static strength forecasts of nursing staff were finished,and the improvement suggestions were put forward as well.

basic nursing;human;simulation;Jack

10.13853/j.cnki.issn.1672-3708.2016.03.007

（責(zé)任編輯：耿繼祥）

2015-11-18；

2016-04-25

臺(tái)州學(xué)院2015年校立項(xiàng)目基于人機(jī)工程學(xué)的電動(dòng)搬運(yùn)床研究（2015QN014）。

賴?yán)罾睿?984-），女，浙江臨海人，講師，碩士，主要研究人因工程、供應(yīng)鏈管理等。