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口腔医学类论文 人机工程理念在口腔CT中的设计及应用

2018-12-19 13:57:22来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要:随着社会经济的发展,生活水平的提高,人们开始越来越关注那些与我们生活密切相关的产品对人的健康和安全的影响。本文指出了在设计医疗器械过程中要注重人机工程理念的运用,并说明了人机工程学理念融入到医疗器械设计中的基本过程,同时介绍了对医疗器械进行人机工程设计的实例—口腔CT机,指出在机械工程设计过程中要重视人机工程学理念的运用,体现出了医疗器械产品的“人性化”,能够提高产品的用户满意度与核心竟争力。

  关键词:人机工程学 医疗器械 机械工程 口腔CT机

  医疗器械行业涉及的范围很广,主要有机械、医药、塑料、电子等多个行业,是典型的高新技术产品,具有高新技术应用密集“学科交叉广泛”技术集成融合等显著特点,生产工艺结构相对复杂,门槛高,干预门槛较高,是带动和引领多个行业技术发展的重要引擎,所以拥有自主知识产权对医疗器械企业尤为重要。

  口腔健康是反映人类身体健康的一面镜子,世界卫生组织把其列为人体健康的十大标准之一。当前我国公众越来越注重口腔的卫生与健康。在口腔疾病的预防中,口腔诊断是必经手段。随着现代医疗设备技术的发展,一种新的诊断技术应运而生,为口腔疾病的诊断提供了强有力的工具。最常用的传统的螺旋型计算机断层扫描技术,是一系列的轴向断层扫描获得的图像通过多层扫描获得的三维重建图像,相对而言,得到的图像的垂直分辨率较低,图像质量不够精致,产生阶梯状的伪影。因此,传统的螺旋CT在集中在头颅中下部的病变、组织结构测量标准多以毫米单位计量的口腔正畸、种植和牙体学领域的应用受到限制。新型口腔CT可以解决传统的牙科X射线投影机的拍摄角度的选择所造成的变形的图像,“伪影”等常见问题,从而提高医生的检查结果,以确定准确度。尽管口腔CT机相比较于传统牙科X光投影机有明显的优点,但对于口腔CT机还存在不足之处。机械工程设计是一项极其复杂的工程,不但要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程,还需要充分考虑人—机—环境之间的密切关系,因此人机工程学在机械工程领域,扮演着十分重要的角色,因而必须将人机工程学理念运用于机械设计中可以创造出最“人性化”的机械产品,使人、机、环境实现高度协调统一,形成高效、经济、安全的有机统一系统。

  1人机工程设计理念在医疗器械设计过程中的应用

  国际人机工程学会(International Ergonomics Assoeiation)对人机工程学定义为:人机工程学是研究人机系统中人与其他要素之间的相互作用,并应用相关理论、原理、数据和方法,实现了对人的优化和系统效率的研究。人机工程学的主要目的是揭示人机与环境的关系,以优化人机环境系统。这三个方面密不可分。人体工效学研究的内容包括:人为因素、机械因素、环境因素。人机工程学强调:将人、机、环境三大要素整合为一体,不单纯注重个体要素的优良与否,而是将使用产品的人和所设计的产品以及人与产品所共处的环境作为一个统一的系统来研究。在人机工程学中将这个系统称为‘人一机一环境’系统。在这个系统中,人、机、环境三要素之间的相互作用和相互依赖关系决定了系统的整体性能。

  医疗器械产品设计需要策划阶段、方案设计阶段、技术设计阶段、总体设计阶段和工艺设计阶段,人机工程学的设计理念也应融入到每一个医疗产品的设计过程中,具体体现在以下几个方面:

  (1)在规划设计阶段的产品,考虑到产品-人-环境的全面接触,人与产品之间的明确关系,根据人机工程学的要求,确定人和产品的功效分配。

  (2)在产品设计阶段,从产品与人、产品与环境、人与环境的角度分析,根据人机工程学原理的可靠性对比和产品效率,规划参数的限制,人的能力极限,操作条件,和环境适应性的因素、与环境的适应性等因素,对产品的功能效率进行预测,选出最佳设计方案。根据选定的方案对产品进行虚拟模型制造,使用人体模型数据库,对人体模型进行改良,进一步制作简单的模型,然后进行简单的模型模拟实验,将实验结果与人机工程学中的人-机-环境要求进行对比,进一步完善设计方案。

  (3)在产品的技术设计阶段,根据人们的生理和心理特点来考虑产品的工业设计,从人体的尺寸参数、人视野和肢体所及的空间限度等能力角度考虑产品的零部件具体尺寸参数,从人的信息传递能力方面考虑信息的显示与信息处理的效率。按照设计的要求,确定产品的各种尺寸和性能参数,再次生产产品模型,测试,从使用的产品环境,用户的活动范围,使用方便性,操作的舒适性,最小的疲劳损伤和其他方面的产品进行评估,并在使用过程中可能出现的各种问题的预测,然后进一步确定人-机-环境的可靠性和可行性,提出修订,并反复校正分析。

  (4)在产品的总体设计阶段,应采用人机工程学原理,对产品进行综合、全面的分析,以保证产品的操作和保养,产品安全可靠,产品满足用户的身体和心理需求,使产品满足最佳的功能和效率方面的要求。

  (5)在产品装配和加工阶段,特别注意产品的相关部分,是否符合人机工程学的需要,如人机的交互设计、产品的人机界面设计的显示屏与控制部分是否合理,它是否会产生不正确的操作,操作是否方便简单,对人体的产品功能可以满足生理要求等方面的要求等。运用人机工程学理念对制成的样机实验并进行全面的工效学评价,并提出了改进的计划,最后正式投入运营制造。

  总之,在医疗器械产品的机械设计过程的各阶段,必须要充分考虑到人的生理因素,满足人机工程学理念中的各种需要,这样才能真正实现人机工程学在机械工程中的融合应用[8]。

  2人机工程学在机械设计中的实例应用

  2.1产品设计的背景

  医疗器械的使用者既包括操作者(通常为医护人员),也包括诊疗对象(患者)。医护人员对产品操作的效率和准确性、患者对产品的生理和心理反应是对治疗效果产生直接或间接影响的因素。因此医疗器械研发工作也应加强对产品使用者需求的关注和考虑,需要有更便于医护人员操作和更易为患者接受的人机配合界面设计。

  因此,将使用者与设备人机关系的研究作为口腔CT机设计的主要切入点,即在保证检测效果的前提下,让口腔CT机具有更便于医护人员操作和更易为患者接受的人机配合界面。

  2.2现有产品人机关系面临的主要问题

  通过对现有口腔CT机产品的使用过程分析及对使用者(包括操作者和被检测者)的调查研究,归纳出口腔CT机的人机关系主要存在如下几方面问题,并将解决这些问题作为新型口腔CT机设计的重点任务:

  (1)现有设备外形的技术感过强,且机器运转时有震动和噪声,这些都会加重患者的紧张的情绪,甚至可能使其产生焦虑、恐惧、压抑等心理感受,影响诊断和治疗效果;

  (2)现有设备的人机交互界面易用性较差,操作步骤繁琐,甚至需要操作者绕过检测床来回走动才能完成检测全程的界面操作。

  (3)现有设备体积较大,不便于移动,无论患者行动是否方便,进行口腔CT检查都必须到专门的CT检测室进行;

  2.3新型口腔CT的介绍

  根据上述的人机关系问题,对新型口腔CT机进行设计。产品的尺寸设计在保证元器件能够正常排布的基础上,以人体测量数据为依据,长1 350mm,宽750 mm,高1 800 mm。整体外观如图1所示。

  “C”型装置设计

  口腔CT机只需要环绕人的头部与口腔相关的部分进行旋转扫描,这样你就可以将扫描信号的发射器和接收器从主体上分离出来,并将屏幕连成一体,形成能在机身主体侧面沿圆弧形轨道旋转的“C”型装置。机器开启状态下,医护人员帮助患者把头部调节到适合的检测位置,按下“扫描”键后,系统可在预设状态下进行扫描。由于投射的范围缩小,所以人体接触辐射也明显比全身CT减少很多。并且“C”型的开口部位能让患者有足够的视野,避免让其产生把头部伸入传统CT设备的检测圆洞时所产生的视觉上和心理上的压迫感,让被检查者能够以较好的放松状态接受检测。

  双屏设计

  CT显示屏幕和控制键的位置对于检测机的操作者很重要,决定了操作者在检测过程中的操作是否准确、舒适、便捷。把CT显示屏幕设计成为分别置于“C”型装置两端的对称双屏,显示屏可伴随“C”型装置旋转到检测机左侧或右侧,因此,操作者无论站在检测机的哪一侧,都能够在原地通过适当调节“C”型装置的旋转角度即可操作并观看屏幕显示,不必为此而绕着检测机来回走动。此外,将显示屏设置在“C”型装置端面降低了控制键被意外碰触导致误操作的可能,并且使整体造型协调统一。

  脚轮设计

  为解决现有设备存在的移动不方便等问题,新型口腔CT机底端设置了医用360°旋转脚轮,可以保证检测机在平整地面上无死角运动,脚轮的锁止系统可随时用脚急停,保证设备在工作状态中的固定。

  3结束语

  科学技术日新月异的发展,使人类驾驭、控制和改造自然的能力有了巨大的提高。医疗器械的品种繁多,从医疗器械的人机工程学角度来看,需要考虑的因素又是多方面的。企业在机械工程的设计阶段也越来越充分的考虑到运用人机工程学理念,给生产者或用户构建一个舒适、健康、安全工作环境,同时又保证了较高的工作效率,寻求更优更高效的方法,增强产品的市场竞争力,进而实现人与产品的完美和谐统一。

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