德国斯图加特大学工程设计与工业设计研究所，工业设计工程研究与教学部
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德国图宾根大学医院妇产科
德国图宾根大学医院妇产科
德国图宾根大学医院泌尿外科
德国图宾根大学医院职业和社会医学和卫生服务研究所
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德国斯图加特大学系统动力学研究所
德国斯图加特大学系统动力学研究所
DOI: 10.15761 / GOS.1000126
本文的目的是分析一个多学科开发的用于腹腔镜手术的创新手臂支持装置(ASD)的首个原型。这个装置跟随外科医生倾斜的小臂的动作，并支持这个姿势，以减轻外科医生的压力。在多学科发展的过程中，编制了妇科和泌尿外科医生的重要要求。一些研究表明，在使用可比技术时，诸如物理浮雕和可用性增强等要求。本研究进一步分析了外科医生与ASD之间人机交互的重要要求，以及ASD对外科医生身体、手臂和手部姿势的影响。因此，12名外科医生在实验室环境下使用开发的ASD或不使用ASD，在所谓的骨盆训练器上执行模拟腹腔镜静态和动态任务。为了从两个角度(正面和矢状面)分析生命记录数据，使用了大声思考和访谈的方法。分析表明，在独立使用ASD的情况下，外科医生的身体、手臂和手的姿势基本相似。外科医生直观地使用ASD进行进、手术和出的操作，这是重要的要求。然而，熟悉是必要的。 It is expected that some deficits of the ASD‐prototype can be avoided in the possible next step of developing an end‐design‐product by using the results of this study. These deficits are skidding down of the arm of the surgeon from the support for some steeper arm‐postures and rarely appearing collision of the support with the fixed endoscope.
手臂支持装置，扶手，腹腔镜手术，身体，手臂和手的姿势，可用性，多学科发展
分析目前流行的腹腔镜手术，由于其对患者的重要优势，显示了人体工程学的缺陷，这为优化提供了机会。许多研究表明，外科医生/助手的颈部、背部和肩膀的身体紧张和疲劳是由于手臂和身体被迫静止、不舒服和疲惫等原因造成的[1‐9]。另一方面，由于适应了腹腔镜手术的人体工学条件，机体承受的压力较大，可能对手术质量产生负面影响。
这个多学科的“校园工业项目”旨在改善腹腔镜手术中的身体压力和张力。该团队由临床合作伙伴、工程师和职业健康医生以及工业合作伙伴组成。该联盟是使用VDI 2221工程方法系统开发手臂支持设备(ASD)原型的重要方面。该方法提出了技术产品开发的任务界定、构思、起草和编制方法。通过对泌尿科和妇科腹腔镜手术中外科医生和助手的人体工程学的初步分析和许多讨论，在没有真正的最终产品设计的情况下，获得了开发第一个ASD原型的重要要求。为了满足直接触觉反馈维持现有手术技术和器械的重要要求，将ASD制成可移动扶手，在采取[10]姿势时跟随并支持医生的手臂。外科医生提到的对已开发ASD的进一步重要要求除了减少身体紧张和提高性能(在[12]中分析，不在本文中)外，ASD的直观使用和在紧急情况下可能快速从系统中退出[10]。
本文对12名在实验室工作的外科医生进行了评估，分析了ASD使用过程中上述最后要求(直观使用和快速取出)的实现以及身体、手臂和手的姿势。因此，本研究的主要目的是分析外科医生在ASD依赖时的身体、手臂和手的姿势。本研究的第二个目标是分析外科医生与ASD之间的人机交互。在这种情况下，人机交互指的是外科医生和ASD之间的交互(界面识别、行为、使用)，包括使用和不使用腹腔镜手术器械。除了在一些类似的研究中显示的对身体压力和可用性的重要分析外[13‐15]，分析外科医生和ASD之间的人机交互也很重要，因为这一系统可以被接受，并为最终设计产品获得进一步的信息。
文章将展示评估的使用方法和结果，重点是姿势和使用，并以结论/讨论结尾。
整个研究的内容分析身体压力,许多错误和需要时间来执行提前定义任务[12]的定性分析以及身体,手臂所致,手的姿势和人类还是机器交互使用时应承担的自闭症,这是本文的重点和限制。在[12]中显示了关于身体压力、错误数量和执行预先定义任务所需时间的研究结果。
12名经验丰富的外科医生在实验室对ASD原型进行了评估。妇科7名，泌尿科5名，其中女2名，男10名。
评估包括两项任命。第一次预约的目的是获得第一次使用ASD和执行任务的经验。这大约花了1到2个小时。这应避免学习效果对评价的影响，并在第二次约见时为主要分析提供更现实的结果。这个约会是另一天定的。
为了模拟腹腔镜干预，外科医生在一个有盖的骨盆训练器上进行了两项不同的腹腔镜手术。这些任务是随机进行的，有ASD和没有ASD。每个外科医生在任务前调整内镜在骨盆训练器中的位置，并在任务[12]期间进行固定。在任务过程中，如果外科医生需要，内窥镜的位置会再次调整。任务开始前，将夹持器放置在骨盆训练器中，并在骨盆训练器的适当橡胶接收处自由移动(图1)。
图1所示。由UKT准备的盆腔训练器和模拟腹腔镜干预的两个不同任务。
任务1只进行右臂/手手持夹持器，模拟静态情况，重点关注精度，其中一个直径为4mm的金属套管通过一个直径为20mm的环套在相应的销上。销固定在一个储存的弹簧上，任务的目的是不接触环。这种结构包括4种不同的体位，以允许不同的(极端的)身体和手臂姿势，类似于真正的腹腔镜干预(图1)[12]。
任务2是用双臂/双手握住两个夹持器进行的，目的是模拟动态情况，重点是快速性能。受试者应该从装有一个仪器的小碗中取出一个预先定义好的针，并将它交给另一个仪器。然后引脚应该放在适当的预先定义的孔。这是为6个大头针做的，然后用一个仪器从孔中取出大头针，给第二个仪器，然后放回小碗中(图1)[12]。
为了分析身体、手臂和手的姿势以及ASD的使用(互动的一部分)，研究人员使用了来自两个角度的生命记录数据。一个摄像机放置在外科医生面前，以记录外科医生的前平面，特别是手臂系统(左右)和身体。第二台摄像机放置在外科医生的右侧，以便分析外科医生矢状面上的右手-手臂-系统(图2)。
2021年版权燕麦。所有权利reserv图2。使用Arm-Support-Device时进行设置。
为了进一步了解外科医生与ASD之间的人机互动，研究人员在完成任务时采用了大声思考的方法，以及之后的专家访谈。
外科医生的近端小臂将[16]靠在ASD的支撑上，就像靠在扶手上一样，进入ASD。通过这样做，ASD被激活并跟随小臂的5自由度(自由度)运动，如图2所示。然后他用手拿起乐器，完成任务。为了摆脱ASD，外科医生迅速举起手臂，ASD一动不动地站着。有关ASD的更多信息，请参阅[10]。图2显示了ASD支持外科医生的情况。
这段显示的结果参考了主要的实验。
身体、手臂和手姿势的结果是基于对执行实验任务的外科医生的正面和矢状面生命记录数据的分析。四个类似情况任务1(四个位置,图1)和六个类似情况的任务2(放下蓝色销/前拿起红销/放下红销/接蓝色销/接红色销孔/把红销小碗)比较有和没有使用ASD每一个外科医生。在分析这些情况的基础上，得出了身体姿势、手臂姿势和手姿势的结果。
图3显示了一名外科医生分析三种情况下使用ASD和不使用ASD的额面和矢状面视图的示例结果，因为这一结果类似于其他外科医生和情况。情形一是放下蓝色大头针，情形二是在取出红色大头针之前情形三是放下红色大头针。在正面视图中，身体和手臂的姿势可以被分析。在这个视图中，手臂姿势由手臂外展角定义(α不使用ASD， β使用ASD)。在矢状位视图中，可以分析上臂和小臂之间的屈曲角(γ未使用ASD， δ使用ASD)和手的尺侧/桡侧外展角(ε未使用ASD， η使用ASD)。
图3。使用或不使用手臂支持设备时的身体、手臂和手的姿势-三种不同情况下的典型外科医生的正面和矢状面视图。
在使用ASD和不使用ASD时，在执行两项任务(静态和动态)时，外科医生的身体、手臂和手的姿势主要相似(图3)。在执行两项任务时，左臂外展角β(使用ASD)有时略高于右臂外展角α(未使用ASD)。正面视图分析显示，12名外科医生中有9名在使用ASD时，在执行任务1(单臂静态任务)时，身体向支撑体的倾斜度略高于无支撑的情况。在10名不使用ASD的矢状面分析外科医生中，有9人的屈曲角(γ不使用ASD， δ使用ASD)基本相似(2名外科医生的矢状面生命记录数据无法分析)。因此，矢状位的臂位基本相似。12位外科医生的手尺侧/桡侧外展角(ε未使用ASD， η使用ASD)和手部姿势基本相似，且两者均不使用ASD。
观察和访谈显示，系统的进入和退出(ASD的使用)都是由研究人员在第一次预约时介绍后由外科医生凭直觉做出的。尽管ASD只是一个原型，并不是一个最终产品设计，但它的人机界面能够被外科医生识别，其动作(ASD的使用)也能凭直觉做出来。他们直观地将下臂的中间部分或下臂的近端靠在支架上。
根据访谈，支架通常被认为是舒适的，但对于小臂的陡峭角度(较高的屈曲角δ)，医生建议支架和手臂之间有较高的摩擦。在生命记录数据中观察到，在更陡的角度下，一些外科医生的手臂会从支撑物上滑下来。在这项研究中，外科医生裸露的前臂靠在支架上。在真正的手术室里，他们会穿手术服，因此会有另一个摩擦系数。一位外科医生提到，他希望有一个更紧的U形支撑。
观察显示，12名使用或不使用ASD的外科医生中有6人的小臂/手与静态内窥镜发生短暂碰撞。因此，这些碰撞不能通过ASD的使用得到证明。12例中有4例支架与固定内窥镜发生碰撞。骨盆训练器与支架未发生碰撞。
在执行任务的过程中，外科医生在看到内窥镜发送到显示器上的图像时遇到了部分问题。外科医生自己部分地调整了内窥镜，并使用了ASD。因此，在这种不可预测的情况下，我们直观地使用ASD。在这个病例中，外科医生并没有离开ASD。
结果表明，在有ASD或没有ASD的情况下，执行任务时的姿势是相似的。根据DIN EN 1005‐4，就健康风险而言，所支持的姿势是可以接受的，因为所支持的最大静态手臂外展角不大于60°。无支撑的静态姿势不适合于手臂外展角度大于20°[17]。与ASD的使用无关的类似的身体、手臂和手的姿势可以解释为使用具有五个自由度的系统时的直观性。
实际上，内窥镜是由助手(或辅助系统)移动的，这样就可以避免上面提到的碰撞。这是一位外科医生说的。在末端设计产品中，支架结构更加紧凑，避免支架与内窥镜的碰撞。在OR中放置ASD已在[10]中进行了讨论，并可在紧凑和优化的终端设计产品的下一步可能的建设中进行调整。
能够满足快速退出系统(如紧急情况)的重要要求，因为外科医生进入系统后，可以直观地离开系统。对支持和使用的直观认识是ASD高自我解释性和低操作复杂性的标志。事实是，外科医生在不可预测的情况下直观地使用ASD，而没有走出系统，这表明ASD有舒适和信任的意图。每一个辅助设备都需要用户的信任。熟悉是必要的，但观察到ASD的直观使用可能是对优化的未来系统快速熟悉的指示。这应该通过在可能的下一步中使用该系统更长的时间来进行测试。执行任务的时间短是一个限制。
很少有研究评估在实验室设置的腹腔镜任务的扶手。Galleanoet al。[14]使用水平活动扶手，对显著减少斜方肌、减少任务错误率和不适有积极效果。Jafriet al。[13]采用了可在水平面上移动的扶手，对错误率和降低能耗也有积极的效果。因此，在腹腔镜手术中，扶手可以减少身体劳损，提高手术质量。但在使用ASD进行腹腔镜手术时，还没有发现关注体位的研究，这种体位跟随并支持外科医生小臂的空间运动，从而增强了手术的灵活性。Odellet al。[15]提到了使用活动扶手进行鼠标操作(不是腹腔镜操作)时手腕姿势与无支撑情况下的行为差异。此外，还没有关于使用和识别自闭症谱系障碍的上述直观性的研究。Galleanoet al。[14]显示受试者前臂在水平活动扶手上的不同部位倾斜，部分受试者并没有一直保持前臂在扶手上。根据Jafriet al。16名外科医生中有12人赞成在评估时使用水平移动扶手。
分析外科医生的需求，提高外科辅助设备的使用经验是很重要的。一些不同的经验已经存在，比如奥德尔et al。[15]对前臂支撑装置的设计给出了一些重要的反馈，一般不需要特别注意手术或来自Galleanoet al。[14]和Jafriet al。[13]专注于外科手术。
这项研究是一个组件的“校园”项目国际奥委会还是103 (MinisteriumfuerWissenschaft,大幅减退和Kunst巴登Wuerttemberg,诱导,InteruniversitaeresZentrumfuermedizinischeTechnologien斯图加特Tuebingen)的标题“InteraktionsbasiertemanipulatorgestutzteAssistenz”与费斯托和TRUMPF医疗合作。
j·迈克尔·米尔斯
芝加哥大学
研究文章
收稿日期:2016年1月2日
接受日期:2016年1月25日
出版日期:2016年1月28日
©2016Karlovic K.这是一篇开放获取的文章，在知识共享署名许可协议的条款下发布，该协议允许在任何媒体上无限制地使用、发布和复制，前提是注明原作者和来源。
Kristian Karlovic, Stefan Pfeffer, Thomas Maier, Sascha Hoffmann, Ralf Rothmund(2016)腹腔镜手术中使用手臂支持设备时的身体、手臂和手的姿势和人机交互分析——实验室环境评估结果。Glob Surg 2: doi: 10.15761/GOS.1000126
德国斯图加特大学工业设计工程研究与教学系工程设计与工业设计研究所，电话:0049-711-685-66601，传真:0049-711-685-66219
