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基于人机工程学的牙科椅舒适度改善研究

来源:佛山总部格徕德医疗器械 时间:2018-11-23 点击:976

摘要: 为了提高牙科就诊患者在牙科椅上就诊的舒适度,本文以牙科椅为研究对象,以人机工程学为理论依据,建立数字人模型,对牙科椅进行建模与仿真。对牙科椅座面、靠背、头托、扶手等主要部件尺寸 及患者舒适度进行仿真分析,并在此基础上提出改善方案。结果表明:通过对牙科椅基本尺寸的重新设计,可以建 立更加适合我国就诊患者身材尺寸的牙科椅模型,提升患者就诊舒适度。 关键词: 牙科椅;数字人;舒适度;


牙科椅是口腔医疗的基础设施,在牙科医生为 患者进行诊疗时,用于承载患者,并调整患者到适 合医生完成治疗操作的合适位置和姿态。由于牙科 诊疗的特点,通常使患者在牙科椅上较长时间保持 相同姿势,大多数患者会在紧张焦虑的情绪下接受 医生治疗,而舒适的治疗座椅和合理的就诊姿势能 够有效帮助患者减轻心理压力,配合医生高效完成 治疗过程。随着技术提高和人们生活水平的改善, 牙科椅除了满足基本的治疗功能外,患者的舒适程 度和人性化的使用方式越来越成为人们追求的目 标。因此,在牙科椅的设计上,如何将“人”的因素 作为重要关注点,从人机工程学角度对牙科椅进行 分析与改进,使患者更加舒适、满意地完成牙科诊 疗过程,是一个迫切需要解决的问题。 在对座椅舒适度的研究上,国外较为领先。早 在20世纪初期国外学者就对座椅舒适度开始了相关 研究 我国在对如牙科椅等特殊座椅的研究上文献数量较 少,而在实际生活中,患者对就诊过程舒适度体验 的要求却越来越高。因此,本文从人机工程学角度 对牙科椅进行分析与改善具有非常重要的现实意义。



座面宽度 牙科椅的座面需要较为宽裕的空间,以使在牙 科椅上的患者能够灵活调整姿势。由于女性的臀部 宽度一般大于男性,故选择女性P99臀部宽度作为 座面宽度的设计依据[14]。数字人的人体尺寸可以通 过Jack中数字人的“精确尺寸”功能调用,如图3所 示,得到女性P99数字人的臀部宽度为367 mm。 图 3 数字人的精确尺寸 Fig.3 The exact size of digital human 由于在牙科椅的使用过程中一些患者习惯将双 手下垂放置于大腿两侧,并且在设计中使用的人体 数据并未考虑患者衣服的厚度,所以在得到座面宽 度数据的基础上需要增加一定修正量。在367 mm的 基础上身体两侧各增加20 mm修正量,对最终结果 取整,得到座面宽度为367+20×2≈410 mm。表1中 原牙科椅模型的座面宽度为496 mm,大于410 mm 较多,余量较大,一方面增加了牙科椅的占地面 积,给医生的活动空间增加障碍,另一方面较大的 座宽使患者双臂向躯干两侧屈伸,增加肩部的不适 感,影响患者舒适度。


当牙科椅座面是水平时,大腿和小腿支撑面的 倾角均为0°,不同身材的患者腿部均能与椅面贴 合,但是这时候患者的舒适度体验最差。如果对大 腿支撑面设置一个后倾的夹角,能够防止坐在牙科 椅上的患者在治疗过程中臀部向前滑动,而且能够 将身体的一部分压力分布在靠背下部,降低疲劳程 度。同时,小腿支撑面向下倾斜一定角度,使小腿 沿着座面自然弯曲。有研究表明,当大腿支撑面倾 角增加时,需要相应地增加小腿支撑面倾角,否则 会使乘坐者腿部的韧带产生不舒适感[15]。在两个角 度增大的过程中,座面中间的弯折角度越来越小, 座面满足不同尺寸身材的人的范围逐渐缩小,如图5 所示,会出现患者腿部与两个支撑面不能完全贴合 的情况。因此,在牙科椅座面的设计时,选择较 小的大小腿支撑面倾角,可以更大程度地满足使用 人群。 


原牙科椅模型座面的大腿支撑面倾角为10°, 小腿支撑面倾角为16°。为了确定使患者更舒适的 座面曲线,找到使患者最舒适状态下的两个支撑面 的倾角,选择男性P99数字人对不同倾斜角度的座面进行仿真,利用Jack中的座椅舒适度分析工具和 Krist舒适度数据源,找到最舒适的座面倾角。仿真 过程中牙科椅其他不相关部件保持原始状态不变, 仅将两个座面倾角作为变化量。 首先忽略牙科椅的小腿支撑部分,假设牙科椅 是只有一个大腿支撑面的普通座椅。小腿自然下垂 与地面呈90°,忽略牙科椅的高度假设数字人的双 脚能接触到地面,对不同倾斜角度的大腿支撑面进 行仿真。通过仿真分析大腿支撑面倾角为6°、8°、 10°、12°、14°时的患者舒适度情况,确定大腿支撑 面倾角变化对舒适度的影响。其中,男性P99数字 人在牙科椅模型初始状态即大腿支撑面倾角为 10°时的舒适度检验结果。


牙科椅的座面除了有支撑大腿和臀部的作用 外,还为小腿提供支撑。对大腿支撑面倾角为6°、8°、10°、12°、14°时 的舒适度情况分别进行仿真分析,将得到不同身体 部位的舒适度检验结果统计入表2中,如下所示。 舒适度数值越小表明舒适性越好。 为了更直观地显示出大腿支撑面倾角变化对不 同身体部位舒适度的影响,将不同大腿支撑面倾角 下的舒适度检验结果绘制成折线图,如图7所示。 其中纵轴代表舒适度,横轴代表大腿支撑面倾角。 从图7中可以看到,随着大腿支撑面倾角的增 加,臀部舒适度逐渐变差,臂部舒适度逐渐变好, 颈部、肩部、背部的舒适度没有明显变化。其中肩 部和背部的舒适度有轻微变差的趋势。该部分仿真 中由于未考虑小腿支撑面的情况,因此腿部舒适度 不作为该阶段的参考指标。数字人整体舒适度和疲 劳程度都呈现变差的趋势。通过对不同大腿支撑面 倾角的舒适度检验,可以发现当大腿支撑面倾角为 6°时,人体感觉最舒适,而且该姿势下的疲劳程度 最低。因此,确定大腿支撑面倾角为6°。 保持大腿支撑面的6°倾角和长度不变,小腿支 撑面倾角分别取4°、8°、12°、16°、20°,选择男性 P99数字人进行仿真分析。在调整数字人的姿势 时,仅改变数字人膝关节的弯曲程度使其适应不同 的小腿支撑面倾角,保证数字人上半躯体姿势不 变。将不同小腿支撑面倾角的舒适度检验结果统计 入表3中,如下所示。 将不同小腿支撑面倾角下的舒适度检验结果绘 制成折线图,如图8所示。其中纵轴代表舒适度, 横轴代表小腿支撑面倾角。 




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