超声探头人因工程学设计的评价方法

摘要

本发明涉及一种超声探头人因工程学设计的评价方法，该方法要求操作者依据超声医生进行超声检测时的姿势和动作进行模拟超声检测操作，操作者使用在外型设计尺寸或重量存在差异的超声探头进行特定的操作试验任务，并使用肌电信号记录仪记录操作者手臂特定肌肉的表面肌电信号，对采集到的表面肌电信号进行预处理后，再对肌电信号幅值进行两两对比统计学分析，分析超声探头的外型尺寸或者重量等因素对志愿者试验操作时手部特定肌肉负荷是否存在显著性差异，以此作为超声探头人因工程学设计的客观评价指标，并结合与不同对比实验相应的Borg量表主观舒适度分值，对超声探头的人因工程学设计进行评价，此方法克服了单一评价指标的缺陷性，能够对超声探头进行全面的评价。

说明书

技术领域

本发明涉及一种人因工程学设计的评价方法，尤其是一种使用表面肌电信号和主观舒适度主客观数据指标相结合的超声探头的人因工程学设计的评价方法。

背景技术

与职业有关骨骼肌肉疾病常被用来泛指由于从事具有重复性的动作、作业时间较长或者强制体位等特征的诸多职业活动所引起的一系列疾病，如腰背痛、手臂震颤症状、肩部肌肉损伤等。一般认为局部肌肉的静力负荷、反复活动、工作时使用设计粗劣的劳动工具是造成骨骼肌肉损伤的基本原因。随着技术日益发展，促进更为先进的超声检测仪器的产生，使得接受超声检查的病例数量的陡增。然而仪器设备的人因工程学设计并没有随着超声检测仪器质量的提高而提高，其结果是一些设计低劣的设备导致在超声医生当中与职业有关骨骼肌肉疾病的普遍存在。因此，需要在超声仪器的设计中最大可能的引入人因工程学设计的理念，并且创造有效人因工程学设计评价的方法。表面肌电检测是肌肉功能评价的一种特异性良好的非损伤性检测手段，其在临床医学、康复医学、人因工程学和体育科学基础和应用研究中有重要的实用价值。研究发现肌电信号指标与相关肌肉的疲劳之间存在较高的相关性，即随着人体肌肉疲劳发生时，相应的肌肉电信号的频谱曲线将发生不同程度的左移，验证了二者的一致性，说明通过分析肌电信号的变化能够反映出人体的肌肉疲劳感。还有研究表明肌电信号幅度与肌肉负荷(肌肉活动力)的大小存在正相关的关系，因此利用肌电信号的这一特性可以很好的对超声探头的人因工程学设计进行评价。

发明内容

本发明是要提供一种基于表面肌电信号的超声探头人因工程学设计的评价方法，该方法依据肌电信号指标与相关肌肉的疲劳之间存在较高的相关性，且肌电信号幅度与肌肉负荷(肌肉活动力)的大小存在正相关的关系的研究结论，并且结合Borg量表的主观反馈数据对超声探头人因工程学设计进行系统的评价。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术员方案：一种超声探头人因工程学设计的评价方法，包括下述具体步骤：

(2)测量操作者的人体测量数据

在每次评价操作之前，测量记录操作者的年龄、身高、体重、坐高、坐姿肘高、臂长；

(2)测定操作者各待测肌肉的最大收缩肌电值

选取手臂上与超声检测操作息息相关的浅屈肌、桡侧腕长伸肌、肱二头肌、三角肌的四块肌肉进行肌电分析，针对不同的四块肌肉产生最大收缩力的动作，测定不同肌肉的最大收缩肌电值；

(3)操作者随机选取超声探头进行模拟超声检测操作

操作者随机选取待评价探头进行评价操作，每次都进行相同的操作任务，包括：操作姿势、手持探头的方式、手部的动作方式、移动距离和动作频率都保持一致，每次操作持续5分钟，在每两次评价期间操作者休息5～10分钟，避免由于肌肉疲劳对下次试验的影响；

(4)操作者试验结束后完成Borg量值调查表

操作者在结束评价实验操作后完成一份针对使用不同超声探头的Borg量值舒适度调查表；

(5)对操作者的实验肌电数据进行归一化处理；

(6)结合客观数据和主观数据统计分析结果得出评价结论

对单一影响因素下的客观肌电数据和主观Borg量表舒适度值进行统计学分析，结合主、客观数据对超声探头的人因工程学设计进行评价。

各肌肉最大收缩肌电测定动作如下：

(1)指浅屈肌：操作者手臂伸直，使出力气握拳；

(2)桡侧腕长伸肌：操作者手臂伸直，手指伸直，手掌用力外翻；

(3)肱二头肌：上臂紧贴躯干，使出最大力气握拳，肘部弯曲使前臂以最小角度与上臂相靠拢；

(4)三角肌：双臂外展约90°，上臂中部放一挡板，操作者用力向上抬臂。

测试时，操作者自然正坐于检测床旁边，上臂与躯干的角度为30°，前臂与上臂之间的角度为120°，手捏超声探头柄部，沿模拟人腹部来回平行移动，动作频率为2s来回移动一次。

本发明的有益效果在于：本发明所述的评价试验方案中，评价试验时严格仿照超声医生实际操作时的姿势和动作方式。测试时，操作者自然正坐于检测床旁边，上臂与躯干的角度为30°，前臂与上臂之间的角度为120°，手捏超声探头柄部，来回沿模拟人腹部平行移动，动作频率为2s来回移动一次，使评价试验环境与超声医生的工作环境更为贴切。

本发明所述的评价试验方案中，在评价操作时同时采集、记录手臂四块肌肉：指浅屈肌、桡侧腕长伸肌、肱二头肌、三角肌的表面肌电信号，以便分析比较超声探头的人因工程学设计对不同肌肉所产生的负荷的差异。

本发明所述的评价试验方案中，应用表面肌电信号作为客观数据和操作者主观舒适度Borg量表相结合的方法来对超声探头的人因工程学设计进行评价。应用表面肌电信号这一客观生理数据和主观舒适度数据比通常单独使用主观舒适度的评价方法更具真实性、可信性。

本发明依据肌肉所产生的电信号与人体舒适度存在较高的关联性，肌电信号的幅度与肌肉负荷存在正相关的关系。再根据器械的设计必须使器械的操作者在操作时肌肉所承担的负荷最小，且能够在一种较为舒适的状态下进行劳动操作。应用表面肌电信号作为客观数据和仪器操作者主观舒适度Borg量表相结合的方法来对超声探头的人因工程学设计进行评价。

附图说明

图1是本发明所述一种超声探头人因工程学设计的评价方法流程图；

图2是本发明所述的评价试验方案示意图；

图3是肌电电极贴附方法示意图。

具体实施方式

如图1所示超声探头人因工程学设计的评价方法流程图，评价方法是按照如下步骤具体实施的：

(1)在每次评价操作之前测量记录操作者的人体测量数据，包括：年龄、身高、体重、坐姿肩高、坐姿肘高、臂长等。其中人体测量位点的参考位置如表1。

表1人体测量位点的参考位置

  身高  头部最高点至水平坐平面的距离  坐姿肩高  右肩峰点至水平坐平面之间的垂直距离  坐姿肘高  曲臂时肘部最低点至水平坐平面的垂直距离  臂长  手臂前伸，肩胛至掌心的水平距离

(2)评价操作中选取手臂上四块与超声检测操作息息相关的四块肌肉进行肌电分析，分别为：指浅屈肌、桡侧腕长伸肌、肱二头肌、三角肌。操作者在进行评价操作之前需设计针对不同肌肉产生最大收缩力的动作，以测定不同肌肉的最大收缩肌电值，以便后续数据处理时对操作者肌电信号值的归一化处理。根据各块肌肉的解剖结构和生理功能，分别设计了不同动作，操作要求者使出其最大肌力。各肌肉最大收缩肌电测定动作如表2所示。操作者各块肌肉进行最大收缩肌电值测定的时候，每个动作持续5秒，尽量避免使用爆发力，每个动作重复5～6次，取其中的最大值的均值为结果。

表2各肌肉最大收缩肌电测定动作

(3)对待评价超声探头进行编号，如A、B、C、D。所选取的超声探头应分别在外形尺寸或者重量上存在差异，设置好肌电记录仪的信号采样频率，准备记录试验数据。其中操作者在进行评价试验时的姿势和肌电数据采集方案如图2所示，操作者4自然正坐于椅子3上，与超声检测床9紧靠，操作者的右手上臂与躯干成30°角度，前臂与上臂的角度为120°，操作者4手捏超声探头10，其通过电缆7连接于超声仪器1上，沿模拟人8的腹部以2s的频率来回平行移动，同时稍微用力下压模拟人腹部。同时使用肌电记录仪2其有功能完全相同的四个采集通道6采集操作者手臂的四块肌肉：指浅屈肌、桡侧腕长伸肌、肱二头肌、三角肌的肌电信号，每块肌肉的肌电信号通过三个电极11采集，5为信号采集屏蔽线。肌电电极的贴附方法如图3所示，图中三个电极分别为：正极12、负极14、参考电极13，参考电极13位于正极12和负极14，它们之间的距离L1和L2相等，约为2cm，且三个电极的方向与所测肌肉纤维方向一致，操作者每次换探头进行操作时都执行相同的实验任务，包括上述相同的姿势和重复性操作任务，选取每一个探头时的实验时间为5分钟，在每两次试验之间，操作者需休息5～10分钟，以免肌肉疲劳对下次试验结果造成影响。

(4)操作者在评价操作结束后需完成一份针对操作任务的Borg量表舒适度调查表，操作者根据在所选取的超声探头进行操作任务是的真实感受进行打分，表3为评价试验设计的一份样表。

表3Borg舒适度调查表样表

其中，其中分数栏填写1-7之间的分数值，1-非常不舒适，7-非常舒适。

(5)由于肌电信号的个体差异性较大，为了能在不同肌肉之间、不同操作者之间作比较和分析，需要对数据作归一化处理时域肌电信号幅度以最大自主收缩肌电百分比(the percent of maximal voluntary electrical activation，MVE％)表示，其计算方法如式(1)所示。

错误！未找到引用源。                (1)

其中错误！未找到引用源。为实测肌电信号的均方根值，错误！未找到引用源。为相应肌肉的最大收缩肌电的均方根值。对同一操作者的某块肌肉，MVE％随时间的变化可反映肌肉负荷的变化情况；对同一操作者的不同肌肉，可比较它们在同一测试过程中负荷程度的差异，在不同的操作者之间可以进行类似的比较并作统计分析。

(6)使用统计软件对经软件处理后的数据进行分析，对MVE％的分

采用配对样本t检验的方法来分析在相同外部环境和操作任务时，使用不同探头时的个肌肉的肌电信号是否存在显著性差异，如要分析探头的重量对肌肉负荷的影响，可选用使用外形尺寸相同，但是重量存在很大差异的探头的测试数据进行统计分析比较，其他参数比较应用相同的方法进行统计学分析。若p＜0.05则两者存在显著性差异，p错误！未找到引用源。则两者不存在显著性差异。采用Wilcoxon非参数检验(p＜0.05)来分析操作者使用不同超声探头的主观舒适度分值的差异性。

(7)根据步骤6所得出的客观肌电数据统计分析结果和主观舒适度分值统计结果对所选用的超声探头的人因工程学设计进行评价，包括探头的外形尺寸和重量等设计参数对操作者肌肉负荷的影响，以便能够得到更好的改进设计，更加符合人因工程学设计的原则。