累積損傷疾病與操作工具設(shè)計

1、第四章 累積損傷疾病與操作工具設(shè)計隨著越來越廣泛的計算機使用、生產(chǎn)的自動化的發(fā)展，人們越來越傾向于忽略大量的工作仍然涉及體力勞動和人工操作這樣一個事實。挖掘、建筑和制造等職業(yè)經(jīng)常要求工人以高的體力消耗去完成工作；由于過度伸展而導(dǎo)致的背部疾病在很多職業(yè)中都很普遍，占了所有職業(yè)損傷的25%（美國勞動統(tǒng)計部，1982）。甚至一些與重體力勞動沒有直接關(guān)系的職業(yè)，如專業(yè)技術(shù)人員、管理人員和行政人員、辦事員和服務(wù)人員也同樣會有職業(yè)損傷。調(diào)查結(jié)果表明，計算機操作人員比從事其他職業(yè)的人遭受更多的頸部和腕部損傷。本章將討論在完成工作時人的運動系統(tǒng)的活動，在此基礎(chǔ)上分析造成累積損傷疾病的原因，并給出操作工具設(shè)計的

2、一些原則，從而降低操作人員的累積損傷。第一節(jié)、累積損傷疾病及其原因操作者在進行作業(yè)時，為了達到操作的要求，必須付出一定量的力。這種力就是操縱力。人的操縱力有一定的數(shù)值范圍，可據(jù)此設(shè)計各種操縱系統(tǒng)。人發(fā)揮操縱力的大小，取決于人的操作姿勢、著力部位、力的作用方向和方式等。在長期從事某項作業(yè)時，不斷重復(fù)某一作用姿勢（施以相同的操縱力），往往會導(dǎo)致部分肌肉的損傷。一、 累積損傷疾病及其重要性：簡而言之，累積損傷疾病指由于不斷重復(fù)使用身體某部位而導(dǎo)致的肌肉骨骼的疾病。其癥狀可表現(xiàn)為手指、手腕、前臂、大臂和肩部的腱和神經(jīng)的軟組織損傷，也可表現(xiàn)為關(guān)節(jié)發(fā)炎或肌肉酸痛。通過分析名詞“累積損傷疾病”，我們也可以了

3、解其含義：累積指這種損傷是由于年復(fù)一年地不斷對身體某一部位施加壓力而逐漸造成的。并且這種累積是建立在每次的壓力都會對相關(guān)的軟組織或關(guān)節(jié)產(chǎn)生一定的損耗（即損傷）的基礎(chǔ)上。疾病表示這種損傷是不正常的狀態(tài)。在澳大利亞和英國，累積損傷疾病被稱作“重復(fù)性緊張損傷”。累積損傷疾病已越來越引起人們的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，僅在美國，每年與手部工具有關(guān)的損傷超過260,000，其相關(guān)的醫(yī)療費用高達4億美元。按照美國勞工部的統(tǒng)計，1986年在對10,000名肉類包裝工人的調(diào)查中有480人受到累積損傷疾病的困擾。同年，在所有的工業(yè)疾病和損傷中，累積損傷疾病占了.8%。更值得關(guān)注的是，很多累積損傷疾病沒有導(dǎo)致明顯的疾病或損傷

4、，而是表現(xiàn)為作業(yè)生產(chǎn)率的下降和質(zhì)量的降低。從1980年以來，澳大利亞的累積損傷疾病一直在增加，1985和1986年新南威爾士每年的事故率高達7，000件。其中辦公室工作人員的增長率最高特別是一些鍵盤操作人員，長期的伏案工作和敲擊鍵盤很容易造成脊椎損傷與手指關(guān)節(jié)的損傷。但與其他職業(yè)相比，辦公室工作人員的發(fā)病率仍然是比較低的：在1987年，每1000名辦公室工作人員中有6例累積損傷疾病，而對于從事鋼鐵和電子工業(yè)的生產(chǎn)工人，這一比例達到了78（美國，Pheasant,1991）。隨著分工的發(fā)展，累積損傷疾病在各國和各領(lǐng)域均呈現(xiàn)上升趨勢，Armstrong等在1982年指出，累積損傷疾病的發(fā)病率幾乎是

5、130/200,000工作小時（200,000工作小時近似于200個工人工作半年），它降低了生產(chǎn)率，更對人體造成了損傷。所以各種職業(yè)病已越來越引起人們的廣泛關(guān)注，有些國家還成立了專業(yè)的組織探討如何預(yù)防累積損傷疾病，并通過互聯(lián)網(wǎng)分享各種經(jīng)驗及如何使工具設(shè)計更合理。二、 產(chǎn)生累積損傷疾病的原因不同的作業(yè)會導(dǎo)致不同表現(xiàn)形式的累積損傷。比如，人體正常的腰部是松弛狀態(tài)下側(cè)臥的曲線形狀。在這種狀態(tài)下，各椎骨之間的間距正常，椎間盤上的壓力輕微而均勻，椎間盤對韌帶幾乎沒有推力作用，人最感舒適。人體作彎曲活動時，各椎骨之間的間距發(fā)生變化，椎間盤則受推擠和摩擦，并向韌帶作用推力。韌帶被拉伸，致使腰部感到不舒適。腰

6、彎曲變形越大，不舒適感越嚴(yán)重。長期的這種彎曲活動就會導(dǎo)致腰部的勞損。同樣，在作業(yè)操縱時，都會造成手、手臂、腳及腿部的肌肉酸痛或關(guān)節(jié)損傷。雖然損傷的表現(xiàn)形式各不相同，但各種累積損傷都與受力、重復(fù)、姿勢與休息密切相關(guān)。受力：人體某部位的受力是造成累積損傷的必要條件之一，外力的不斷擠壓會使軟組織、肌肉或關(guān)節(jié)的運動無法保持在舒適的狀態(tài)。一般來說，重負(fù)荷的工作使肌肉很快產(chǎn)生疲勞而且需要較長的時間來恢復(fù)。骨骼肌需要重新恢復(fù)彈力，缺乏足夠的恢復(fù)休息時間會造成軟組織的損傷。如果對于肌肉骨骼結(jié)構(gòu)的壓力太大，很明顯骨骼、皮膚和肌肉將會被拉傷，但同時腱和神經(jīng)由于壓力受到的損傷就不是很容易引起注意了。另外，作業(yè)時手工

7、操縱工具的震動也會引起血管的收縮。2、重復(fù) 任務(wù)重復(fù)的越多，肌肉收縮的越快、越頻繁。這是因為高速收縮的肌肉比低速收縮的肌肉產(chǎn)生的力量要小，所以重復(fù)率高的工作要求更多的肌肉施力，因此也需要更多的休息恢復(fù)時間。在這種情況下，缺乏足夠的休息時間就會引起組織的緊張。人體的累積損傷都是由于重復(fù)施力于身體特定部位而造成的。3、姿勢 不正確的作業(yè)姿勢也是造成累積損傷的重要原因之一，作業(yè)姿勢決定了關(guān)節(jié)的位置是否舒適。使關(guān)節(jié)保持非正常位置的姿勢會延長對相關(guān)組織的機械壓力。作業(yè)姿勢應(yīng)滿足人的用力原則：所有動作應(yīng)該是有節(jié)律的，各個關(guān)節(jié)要保持協(xié)調(diào)，這可減輕疲勞；在操縱時，各關(guān)節(jié)的協(xié)同肌群與拮抗肌群的活動要保持平衡，才

8、能使動作獲得最大的準(zhǔn)確性；瞬時用力要充分利用人體的質(zhì)量作盡可能快的運動；大而穩(wěn)定的力量取決于肌體的穩(wěn)定性，而不是肌肉的收縮；任何動作必須符合解剖學(xué)、生理學(xué)和力學(xué)的原理。作業(yè)中應(yīng)避免的姿勢包括：使肌肉和肌腱超負(fù)荷；造成操縱關(guān)節(jié)不平穩(wěn)或不對稱的方式；涉及肌肉群的靜態(tài)負(fù)荷（會延長肌肉群的收縮）。4、休息 沒有足夠的休息時間意味著肌肉缺乏充足的恢復(fù)時間。結(jié)果會引起乳酸的積聚和產(chǎn)生能量的物質(zhì)的過渡消耗，從而使肌肉疲勞，力量變小，反應(yīng)變慢。疲勞肌肉的持續(xù)工作增加了軟組織損傷的可能性。充分的休息可以使肌肉恢復(fù)自然狀態(tài)。所以，要控制人體的累積損傷疾病，就要考慮作業(yè)姿勢的合理性、避免過度重復(fù)作業(yè)和提供充足的休息

9、時間。第二節(jié) 與手有關(guān)的累積損傷疾病手工操縱一般要涉及手、腕、臂等部位，只有了解各部位用力的特點和規(guī)律，保證所設(shè)計的控制器的操縱力在人的用力限度范圍之內(nèi)，才能避免操縱困難或給人體帶來損傷。一、 上肢的操縱力：人體的上肢包括：肩、大臂、小臂、手腕和手，各部位的協(xié)調(diào)配合完成各種手工作業(yè)。人在用力的時候，肘關(guān)節(jié)肌肉群屈曲時所產(chǎn)生的力大小，依賴于手的方向，實驗表明當(dāng)手掌面向肩部時，產(chǎn)生的力最大。提取重物的時候，必須用體重與負(fù)荷作對抗性的平衡。對于人體的上肢，指、腕、肘、肩關(guān)節(jié)作依次活動時，指關(guān)節(jié)力量最小，但精確性最高；肩關(guān)節(jié)力量最大，但準(zhǔn)確性最低。（一）手臂的坐姿操縱力：如圖4.1通過在不同角度對健康

10、男子的臂力進行測量，可以得出手臂在各種不同角度上的操作力（表4.1）。 表4.1 坐姿時手臂在不同角度和方向上的操縱力 單位：牛頓手臂的角度（度）拉力推力左手右手左手右手1801501209060向 后向前5205004203602705405504703902805405004403703606205504603904101801501209060向上向下1272102202202101902202702402401902202402402202202402802802401801501209060向內(nèi)側(cè)向外側(cè)19021020021022022024024022023013013013015

11、0140150150150160190從實驗結(jié)果可以得出手臂操縱力的一般規(guī)律為：（1） 左手力量小于右手；（2） 手臂處于側(cè)面下方時，推拉力都較弱，但其向上和向下的力較大；（3） 拉力略大于推力；（4） 向下的力略大于向上的力；圖4.1 手臂的坐姿操縱力（側(cè)視圖，俯視圖）（5） 向內(nèi)的力大于向外的力。（二）手臂的立姿操縱力圖4-2為立姿操作時手臂在不同方向、不同角度上的拉力和推力。由圖可知，手臂在肩的下方180度和肩的上方零度位置上產(chǎn)生最大拉力；在肩的上方零度位置產(chǎn)生最大推力。因此，推拉形式的操縱裝置應(yīng)盡量安裝在上述能產(chǎn)生最大推拉力的位置上。1、手的握力 一般人右手的握力大于左手。實驗測得一般

12、青年男子右手平均瞬間最大握力約為550牛頓；左手為421牛頓。保持1分鐘后，右手平均握力降至274牛頓。左手降至244牛頓。由此可見，握力與手的姿勢與持續(xù)時間有關(guān)。當(dāng)操作者緊握操縱機構(gòu)時，還要考慮握緊強度。握緊強度是人能夠施加在手柄上的最大握緊力（可用測力計量器）。在設(shè)計手工工具、夾具和操縱機構(gòu)時都需要考慮握緊強度的數(shù)值。年齡在30歲以上時，可用下式（經(jīng)驗公式）近似計算手操縱的握緊強度：GS=6082.94A（牛頓）式中 GS 手操縱的握緊強度A年齡（單位：年）圖4.2 立姿時手的操縱力利用手柄操作時，最適合的操縱力大小與手柄距地面的高度、操縱方向、左右手等因素有關(guān)。2、拉力與推力 在立姿手臂

13、水平向前自然伸直的情況下，男子平均瞬時拉力可達689牛頓，女子平均瞬時拉力為378牛頓。若手作前后運動時，拉力要比推力大。瞬時最大拉力可達1078牛頓，連續(xù)操作的拉力約294牛頓。當(dāng)手作左右方向運動時，則推力大于拉力，最大推力約為392牛頓。而最大操縱力產(chǎn)生在控制手柄離座位靠背為570660毫米的范圍內(nèi)。圖4.3扭力3、扭力 雙臂作扭轉(zhuǎn)用力時，一般有三種不同的姿勢（圖4-3）：（1） 身體直力，雙手扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)長的把手時，男子的扭力為381±127牛頓；女子的扭力為200±78牛頓；（2） 身體屈曲，雙手扭轉(zhuǎn)。男子的扭力為544±244牛頓；女子的扭力為267

14、77;138牛頓；（3） 有些把手很短，需要彎腰操作。男子的扭力為943±335牛頓；女子的扭力為416±196牛頓。4、提力 前臂水平前伸，手掌向下，然后往上提物料，平均提力為214牛頓。5、肘彎曲時的操縱力 彎肘操縱是常用的手臂姿勢，其操縱力隨手的位置變化而異。（三）上肢系統(tǒng)及其姿勢上肢系統(tǒng)包括：肩、大臂、小臂、腕、手和骨、肌肉、腱、韌帶、神經(jīng)。（見圖4-4，4-5）圖4-4 上肢骨的分布圖圖4-5 手背的組織圖4-6 手的三個狀態(tài)圖4-7 腕關(guān)節(jié)的運動在從人因的角度考慮操作者的作業(yè)姿勢時，僅僅說工人彎曲手腕是不夠的，我們必須知道彎曲的方向、彎曲的程度以及手掌是向上還是

15、向下，等等。因此也就需要一些描繪關(guān)節(jié)運動的準(zhǔn)確術(shù)語，1988年P(guān)utz-Anderson提出了一系列的術(shù)語，例如：1、曲腕（圖4-6）：橈向偏差（Radial deviation）：手沿大拇指方向腕部彎曲；尺骨偏差（Ulnar deviation）： 手沿小指方向腕部彎曲。2、關(guān)節(jié)彎曲、伸展（圖4-7）：彎曲：減小相鄰骨之間角度的運動；伸展：增大相鄰骨之間角度的運動。二、 與手有關(guān)的累積損傷疾病骨關(guān)節(jié)骨肌肉 韌帶 腱骨、肌肉、關(guān)節(jié)、肌腱和韌帶構(gòu)成了上肢的機體，它們的互相配合可以完成特定的作業(yè)。其關(guān)系見圖4-8：圖4-8通常在作業(yè)時，肌肉、皮膚和骨骼的損傷是很明顯的，同時我們也應(yīng)該注意到腱與神經(jīng)

16、的損傷。在腱與附近的韌帶和骨頭發(fā)生摩擦處，在關(guān)節(jié)處或相鄰處的腱就很容易受傷。通常的一些癥狀表現(xiàn)為受影響的部位會隱隱作痛。常見的腱損傷一般有兩種：肌腱炎和腱鞘炎。肌腱炎是由于重復(fù)緊張而導(dǎo)致的一種腱的炎癥，受損傷的腱內(nèi)的個別纖維可能被拉傷，而且被感染的腱會腫大。此時，如果沒有足夠的休息，發(fā)炎的腱可能會持續(xù)虛弱。如果腱的損傷涉及到手的滑液（由關(guān)節(jié)滑囊和腱鞘的滑液膜分泌的，含有類似粘蛋白物質(zhì)的透明粘質(zhì)潤滑液）鞘（動植物的鞘狀包裹物），則會導(dǎo)致腱鞘炎。這是因為腱的重復(fù)運動刺激產(chǎn)生更多的滑液（起潤滑關(guān)節(jié)作用），這些滑液的積聚使腱鞘腫大、發(fā)炎。研究表明，腱的滑液鞘如果一個小時運動1500至2000次，則會產(chǎn)

17、生腱鞘炎。所以，避免過多的重復(fù)作業(yè)可以減少腱的損傷。當(dāng)神經(jīng)受到來自外部物體（如鋒利的邊緣）或附近骨頭的較大壓力時，就會產(chǎn)生麻木、刺痛或疼痛之感。腕部通道癥侯群（Carpal Tunnel Syndrome）是一種常見的手部神經(jīng)損傷。在腕部的23厘米長的堅硬通道稱作腕部通道，通道壁是由彎曲的腕骨（8塊小骨頭）組成的，而上部由堅韌的韌帶包裹著腕骨。正中神經(jīng)（起自臂叢的一條神經(jīng)，下行至臂前面的中部）、血管和肌腱（帶有滑液鞘）都要從此通道穿過。如果通道內(nèi)的腱鞘（手指屈肌腱）腫大，通道內(nèi)的正中神經(jīng)就會受到擠壓；極端的手姿和不斷的重復(fù)運動也會引起腕部通道病癥。這些癥狀包括手的刺痛、麻木和疼痛，如果這些癥狀

18、進一步加劇，手可能有喪失感覺和握力的危險。（圖4-9、圖4-10）圖4.9 腕部通道的圖示4.10 腕部活動造成的手部損傷第三節(jié)累積損傷疾病的預(yù)防與合理的工具設(shè)計圖4-10 兩種鉗子的比較 合理的工具設(shè)計有助于預(yù)防人體的累積損傷，事實上，不合理的工具往往使操作姿勢不符合人因工程的原理或使用力不恰當(dāng)。而適當(dāng)?shù)挠昧?、正確的姿勢及充足的睡眠都可以幫助預(yù)防累積損傷疾病。這里，我們以手工操作工具為例，探討在設(shè)計工具時應(yīng)遵循的原則：1、保持手腕伸直： 一般來說，手腕的中立位置是最佳的，而且在保持手腕的伸直狀態(tài)時，手心的力量也要大一些。所以在設(shè)計工具時，如果要用到手腕的力量時，盡量使工具彎曲而不要使手腕彎曲

19、，避免手腕的偏差（徑向偏差和尺骨偏差）。圖4.11 帶彎柄的錘子圖4.12 工具的兩種設(shè)計比如，在設(shè)計鉗子時，有兩種方法（見圖4-10）：第一種鉗子的手柄是直的，第二中鉗子的手柄有一定弧度的彎曲。在使用第一種鉗子時，手在用力的時候需要手腕的彎曲來配合；而第二種鉗子，借助手柄的弧度，在操作時就可以保持手腕的水平。結(jié)果，使用第一種鉗子的工人比起第二組工人，其腱鞘炎的比例要大的多。同樣，帶彎柄的錘子可以降低尺骨的偏差（圖4-11）。實驗表明，用彎柄的錘子釘20個釘子，用直柄的錘子同樣釘20個釘子，在第一種情況下，手的握力受到的影響要小一些。2、使組織壓迫最?。?手在操作工具時，可能用到相當(dāng)?shù)牧α俊Ｋ?/p>

20、以，在工作時要盡量分散力量，使對血管和神經(jīng)（如手掌）的壓力降到最低，增大手和工具的接觸面積也是分散壓力的一種方法。例如，傳統(tǒng)涂料刮具的手柄是直的，所以在手握緊工具工作時，對尺骨動脈造成了一定的壓力，如果對其手柄稍作改進，增加一個垂直的短柄，就可以依靠拇指和食指之間的堅硬組織來操作，工人就會舒服很多（圖4-12）。 3、減小手指的重復(fù)活動： 由于在生理上，拇指的活動是由局部的肌肉控制的，所以重復(fù)拇指的動作，其危害性比重復(fù)食指的動作要小一些，過多重復(fù)的食指觸發(fā)動作能引起手指的腱鞘炎。所以，在設(shè)計工具時要盡可能降低食指的重復(fù)作業(yè)。對于拇指，要盡可能避免過度伸展，因此多個手指操作的控制器顯然比只用拇指操作的控制器要好一些。因為用拇指操作會產(chǎn)生拇指的過度伸展，而多個手指操作的控制器分散了用力，同時可利用拇指握緊并引導(dǎo)工具（如圖4-13）。為了便于發(fā)揮手指的握力，工具的直徑應(yīng)該設(shè)計為符合人的手掌。此外，工具的設(shè)計