腹腔镜手术器械手柄的人因工程设计_毛市明 (1).pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言传统的开放式手术要打开人体的腹腔进行手术，在治疗后遗留下较大的创口，导致术后恢复慢以及其他后遗症。腹腔镜外科手术以其创伤小、痛苦少、恢复快、疗效好且具有美容作用等优势被全世界外科医生认可。目前腹腔镜手术已经占据了主导地位1。腹腔镜外科手术是一门不同于传统外科手术的全新技术，除了具有新的理念、设备和手术器械，还有技术操作的特殊性和复杂性手术器械的结构和操纵方式复杂，易导致失误、手术时间长、外科医生身体不适等问题。人体工程学已经应用于很多领域，例如贴近人们生活的汽车设计领域，并已取得巨大成效2。目前腹腔镜手术器械的设计不符合人体工学，因此改善腹腔镜手术器械的性能具有重要意义。腹腔镜手术较开放式手术创口小3，但是患者同时也承担了额外的风险。腹腔镜手术工具结构较传统手术工具复杂，因此手术操作误差风险增加；另外，腹腔镜手术是通过影像技术间接观察腹腔内部环境，容易产生视觉误差。从外科医生角度，一方面腹腔镜手术使得医生远离组织；另一方面，腹腔镜手术器械复杂，手术时间增加和需要的注意力增加等会消耗医生更多的体力，甚至造成肌肉酸痛。与开放式手术相比，完成腹腔镜手术对医生上肢肌肉有更大要求4，尤其是需要执行比较极端的腕部运动的手术会造成医生腕部酸痛5。McQuivey 等6指出，长期的肌肉骨骼疼痛对外科医生的执业态度、生活方式和整体健康有显著影响，希望通过改进人doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.025腹腔镜手术器械手柄的人因工程设计毛市明（200082 上海市 上海理工大学）摘要 基于人机工程学设计一款新型实用腹腔工具手柄。研究表明，圆柱型手柄较传统剪刀型手柄(带指环)在舒适度方面具有显著的提升，但其结构仍然需要改进。结合人体工程学对传统圆柱型腹腔工具手柄进行了优化，主要改进有以下 3 个方面：一是在传统圆柱型手柄上增加拇指操纵旋转尖端的功能，操作具有多样性、便捷性和舒适性；二是优化了传统圆柱型手柄的驱动方式，除去了其内部的弹性构件，使得获得更好力反馈，增加感觉的真实性；三是优化后的外壳具有一定密封性，目的在于满足医疗器械易于清理和消毒的要求。通过三维软件进行精确的建模和模拟仿真，并借助增材制造技术制作了模型，证明优化后的圆柱型手柄具有很大广泛应用的潜力。关键词 腹腔镜手术；工具手柄；人体工程学；优化改进 中图分类号 TH778 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0121-04引用格式：毛市明.腹腔镜手术器械手柄的人因工程设计 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):121-124.Ergonomic design of handles of laparoscopic surgical instrumentsMAO Shiming(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200082,China)Abstract A new type of practical abdominal tool handle is designed based on ergonomics.Studies have shown that the cylindrical handle has a significant improvement in comfort compared to the traditional scissors handle(with a ring),but its structure still needs to be improved.Combined with ergonomics,the traditional cylindrical abdominal cavity tool handle has been optimized and improved mainly in the following three aspects.The first point is to add the function of the thumb to manipulate the rotating tip to the traditional cylindrical handle,which makes the operation diversified,convenient and comfortable.The second point is to optimize the driving method of the traditional cylindrical handle,remove the internal elastic member,so as to obtain better force feedback and increase the authenticity of the feeling.The third point is that the optimized housing has a certain degree of sealing,which aims to meet the requirements of easy cleaning and sterilization of medical equipment.Accurate modeling and simulation are carried out through three-dimensional software,and the model is made with the aid of additive manufacturing technology.The optimized cylindrical handle has great potential for wide application.Key words laparoscopic surgery;tool handle;ergonomics;optimization and improvement收稿日期：2022-01-10 122农业装备与车辆工程 2023 年体工程学和降低风险的策略预防医生累积的慢性疾病、残疾和生产力丧失。研究表明，腹腔镜器械需要比开放性手术器械多 46 倍的力量才能完成同样的任务7。美国胃肠内镜外科医生协会（SAGES）一份问卷显示，在完成腹腔镜手术之后，149 名外科医生中有 8%12%出现手臂、手腕疼痛或麻木。虽然腹腔镜手术近些年来得到了广泛的应用，但目前医院主要应用的还是传统的剪刀型手柄。随着社会的发展，人体工程学在许多领域得到了广泛应用，结合人体工学对腹腔镜手术器械手柄进行改进具有现实意义。1 研究方法与流程1.1 增加拇指操纵尖端的装置首先，研究表明，手枪型手柄是目前研究中最有利于腹腔手术的一种手柄。目前，市场上广泛应用的是剪刀手枪型手柄（如图 1（a）所示，以下简称剪刀型手柄），研究也表明，圆柱型手枪型手柄(如图 1（b）所示，以下简称圆柱型手柄)具有巨大应用潜力。因为功能的需要，手柄部位必须设置一个操纵装置用于控制远离手柄的尖端头部的旋转，目前医院广泛使用的剪刀型腹腔钳将此操纵装置设置在连接杆与手柄连接安装的位置（如图 1（b）所示），此位置更有利于双手操作。当单手操纵剪刀型手柄时，只能使用食指操纵尖端的旋转，并且握持姿势的不同对于控制尖端的运动的难度是不同的。当需要食指参与夹持动作时，只能使用另一只手控制尖端的旋转运动。本文设计的手柄包括 2 个旋转装置，如图 2 所示，这 2 个装置都可以操纵尖端的旋转，一个适用于食指驱动，另一个用于拇指驱动。图 3 为控制尖端转动的传动示意图。通过 2 个锥齿的啮合，使得水平方向上的力矩转换成垂直面上的力矩带动尖端转动。传动杆（图 3 构件 2）要传动夹持力而做往复的移动，因此齿轮（图 3 构件 1）与传动杆的配合需要使得齿轮带动传动杆转动的同时并不影响传动杆的往复移动。基于功能的要求，本文采用 2 种连接配合的方式完成此功能。图 3 所示轴与齿轮配合，这种槽与槽孔的配合使得齿轮与传动杆沿着自身轴线同步转动，而互不影响相对移动。另一种结构配合是如图 3 所示的特殊铰链，其功能是传动杆的转动和移动互相独立，即由齿轮驱动的旋转和由连杆机构（图 3 构件 3）驱动的往复移动相互独立，互不干涉。1.2 无弹性构件的驱动设计因为手背的脂肪较少，剪刀型手柄因带有指环（如图 1（b）所示）一直受研究者和外科医生所诟病，尤其是较长时间使用指环会使得手部局部疼痛。Horgan 等指出传统剪刀型腹腔镜器械的笨拙拇指环会引起大鱼际神经病变8。Van Leelen 等通过评价当时市场上 3 种主流的腹腔镜手术工具手柄，给出了新的人因工程标准。新的人因工程标准对手柄直径、手柄宽度、手柄端开闭最大角度和手柄与杆的夹角等都给出参考值。根据新的腹腔镜工具手柄人因工程，圆柱型手柄在舒适度和控制精确度等方面具有很大优势，但是圆柱型手柄因为其内部需要使用弹簧类元件会影响到医生的手部组织对 （a）（b）图 1 传统剪刀型手柄和传统圆柱型手柄Fig.1 Traditional scissors handle and cylindrical pistol handle（a）传统剪刀型手柄 （b）传统圆柱型手柄旋转装置指环弹簧图 2 圆柱型手枪手柄Fig.2 Cylindrical pistol handle拇指滚轮35 cm30 cm食指滚轮图 3 传动示意图Fig.3 Transmission diagram支点轴与齿轮的配合轴与齿轮的配合弹簧铰链连杆传动连杆传动1322233123第 61 卷第 3 期力的反馈9。Gonzalez 等以圆柱型手柄为例，研究指出手的大小对舒适度的影响很大10，手的大小应该与手柄的尺寸相匹配，尤其是手柄的直径对舒适度影响很大；手柄设计应该根据性别的不同分别设计。张燕群等11研究了传统的剪刀型手柄的设计参数与手的大小的关系，并且提出手柄的设计应该参照中国医生手部参数。数据显示，手部参数与手柄参数的匹配度对于舒适度有影响。Tung 等12对比圆柱型手柄和剪刀型手柄发现，圆柱型手柄无论在舒适度还是在效率方面都具有显著的优势。剪刀型手柄和圆柱型手柄的结构有一点显著不同，一种带有指环，另一种没有。很显然，手部局部疼痛是因为局部组织受到的应力较大而刺激到手部神经。根据应力的求解公式可以得知应力由2 个因素决定：接触面法向力和接触面积。因为施加力是主动行为，即力的大小不是设计者考虑的主要矛盾；接触面积是被动行为，当施加一定的力，接触面积随表面形状不同而变化，因此表面形状是主要矛盾。指环曲率较小易导致应力集中，因此剪刀型手柄易造成手部局部酸痛。圆柱型手柄曲率大，与手部接触面积大，受力均匀，因此对应的应力较小。设计手柄涉及到人体部位，因此生物因素不能忽视。从解剖学角度，人的手面脂肪组织较手背脂肪组织多而能起到很好的缓冲作用，即当同样的应力分别施加到手面和手背皮肤上时，手面侧的疼痛体感刺激较小，对血管组织的影响较小，因此手面更适合作为受力部位。剪刀型手柄在夹持动作时手面受力，撑开动作时手背受力。圆柱型手柄表面曲率大，而且只有手面部位接触手柄，在舒适度方面好于剪刀型。因此圆柱型手柄在未来有广泛的应用潜力。目前研发的圆柱型手柄通常含有弹性元件，例如弹簧，原因在于圆柱型手柄没有指环，不能给手柄提供复位的动力，所以要依靠弹力复位。因为有弹性机构力的影响，医生会难以把握施加力量的准确性以及夹持物对手的反推力，因此去除圆柱型手柄内部的弹性力，还原真实的力具有重要意义。为了解决这个问题，采用了一种杠杆模型的驱动结构，如图 4 所示。夹持和撑开 2 个动作所需的作用力都由手指提供。这样的驱动方式完