累积损伤疾病与操作工具设计

1、第四章 累积损伤疾病与操作工具设计随着越来越广泛的计算机使用、生产的自动化的发展，人们越来越倾向于忽略大量的工作仍然涉及体力劳动和人工操作这样一个事实。挖掘、建筑和制造等职业经常要求工人以高的体力消耗去完成工作；由于过度伸展而导致的背部疾病在很多职业中都很普遍，占了所有职业损伤的25%（美国劳动统计部，1982）。甚至一些与重体力劳动没有直接关系的职业，如专业技术人员、管理人员和行政人员、办事员和服务人员也同样会有职业损伤。调查结果表明，计算机操作人员比从事其他职业的人遭受更多的颈部和腕部损伤。本章将讨论在完成工作时人的运动系统的活动，在此基础上分析造成累积损伤疾病的原因，并给出操作工具设计的

2、一些原则，从而降低操作人员的累积损伤。第一节、累积损伤疾病及其原因操作者在进行作业时，为了达到操作的要求，必须付出一定量的力。这种力就是操纵力。人的操纵力有一定的数值范围，可据此设计各种操纵系统。人发挥操纵力的大小，取决于人的操作姿势、着力部位、力的作用方向和方式等。在长期从事某项作业时，不断重复某一作用姿势（施以相同的操纵力），往往会导致部分肌肉的损伤。一、 累积损伤疾病及其重要性：简而言之，累积损伤疾病指由于不断重复使用身体某部位而导致的肌肉骨骼的疾病。其症状可表现为手指、手腕、前臂、大臂和肩部的腱和神经的软组织损伤，也可表现为关节发炎或肌肉酸痛。通过分析名词“累积损伤疾病”，我们也可以了

3、解其含义：累积指这种损伤是由于年复一年地不断对身体某一部位施加压力而逐渐造成的。并且这种累积是建立在每次的压力都会对相关的软组织或关节产生一定的损耗（即损伤）的基础上。疾病表示这种损伤是不正常的状态。在澳大利亚和英国，累积损伤疾病被称作“重复性紧张损伤”。累积损伤疾病已越来越引起人们的关注。据统计，仅在美国，每年与手部工具有关的损伤超过260,000，其相关的医疗费用高达4亿美元。按照美国劳工部的统计，1986年在对10,000名肉类包装工人的调查中有480人受到累积损伤疾病的困扰。同年，在所有的工业疾病和损伤中，累积损伤疾病占了.8%。更值得关注的是，很多累积损伤疾病没有导致明显的疾病或损伤

4、，而是表现为作业生产率的下降和质量的降低。从1980年以来，澳大利亚的累积损伤疾病一直在增加，1985和1986年新南威尔士每年的事故率高达7，000件。其中办公室工作人员的增长率最高特别是一些键盘操作人员，长期的伏案工作和敲击键盘很容易造成脊椎损伤与手指关节的损伤。但与其他职业相比，办公室工作人员的发病率仍然是比较低的：在1987年，每1000名办公室工作人员中有6例累积损伤疾病，而对于从事钢铁和电子工业的生产工人，这一比例达到了78（美国，Pheasant,1991）。随着分工的发展，累积损伤疾病在各国和各领域均呈现上升趋势，Armstrong等在1982年指出，累积损伤疾病的发病率几乎是

5、130/200,000工作小时（200,000工作小时近似于200个工人工作半年），它降低了生产率，更对人体造成了损伤。所以各种职业病已越来越引起人们的广泛关注，有些国家还成立了专业的组织探讨如何预防累积损伤疾病，并通过互联网分享各种经验及如何使工具设计更合理。二、 产生累积损伤疾病的原因不同的作业会导致不同表现形式的累积损伤。比如，人体正常的腰部是松弛状态下侧卧的曲线形状。在这种状态下，各椎骨之间的间距正常，椎间盘上的压力轻微而均匀，椎间盘对韧带几乎没有推力作用，人最感舒适。人体作弯曲活动时，各椎骨之间的间距发生变化，椎间盘则受推挤和摩擦，并向韧带作用推力。韧带被拉伸，致使腰部感到不舒适。腰

6、弯曲变形越大，不舒适感越严重。长期的这种弯曲活动就会导致腰部的劳损。同样，在作业操纵时，都会造成手、手臂、脚及腿部的肌肉酸痛或关节损伤。虽然损伤的表现形式各不相同，但各种累积损伤都与受力、重复、姿势与休息密切相关。受力：人体某部位的受力是造成累积损伤的必要条件之一，外力的不断挤压会使软组织、肌肉或关节的运动无法保持在舒适的状态。一般来说，重负荷的工作使肌肉很快产生疲劳而且需要较长的时间来恢复。骨骼肌需要重新恢复弹力，缺乏足够的恢复休息时间会造成软组织的损伤。如果对于肌肉骨骼结构的压力太大，很明显骨骼、皮肤和肌肉将会被拉伤，但同时腱和神经由于压力受到的损伤就不是很容易引起注意了。另外，作业时手工

7、操纵工具的震动也会引起血管的收缩。2、重复 任务重复的越多，肌肉收缩的越快、越频繁。这是因为高速收缩的肌肉比低速收缩的肌肉产生的力量要小，所以重复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复时间。在这种情况下，缺乏足够的休息时间就会引起组织的紧张。人体的累积损伤都是由于重复施力于身体特定部位而造成的。3、姿势 不正确的作业姿势也是造成累积损伤的重要原因之一，作业姿势决定了关节的位置是否舒适。使关节保持非正常位置的姿势会延长对相关组织的机械压力。作业姿势应满足人的用力原则：所有动作应该是有节律的，各个关节要保持协调，这可减轻疲劳；在操纵时，各关节的协同肌群与拮抗肌群的活动要保持平衡，才

8、能使动作获得最大的准确性；瞬时用力要充分利用人体的质量作尽可能快的运动；大而稳定的力量取决于肌体的稳定性，而不是肌肉的收缩；任何动作必须符合解剖学、生理学和力学的原理。作业中应避免的姿势包括：使肌肉和肌腱超负荷；造成操纵关节不平稳或不对称的方式；涉及肌肉群的静态负荷（会延长肌肉群的收缩）。4、休息 没有足够的休息时间意味着肌肉缺乏充足的恢复时间。结果会引起乳酸的积聚和产生能量的物质的过渡消耗，从而使肌肉疲劳，力量变小，反应变慢。疲劳肌肉的持续工作增加了软组织损伤的可能性。充分的休息可以使肌肉恢复自然状态。所以，要控制人体的累积损伤疾病，就要考虑作业姿势的合理性、避免过度重复作业和提供充足的休息

9、时间。第二节 与手有关的累积损伤疾病手工操纵一般要涉及手、腕、臂等部位，只有了解各部位用力的特点和规律，保证所设计的控制器的操纵力在人的用力限度范围之内，才能避免操纵困难或给人体带来损伤。一、 上肢的操纵力：人体的上肢包括：肩、大臂、小臂、手腕和手，各部位的协调配合完成各种手工作业。人在用力的时候，肘关节肌肉群屈曲时所产生的力大小，依赖于手的方向，实验表明当手掌面向肩部时，产生的力最大。提取重物的时候，必须用体重与负荷作对抗性的平衡。对于人体的上肢，指、腕、肘、肩关节作依次活动时，指关节力量最小，但精确性最高；肩关节力量最大，但准确性最低。（一）手臂的坐姿操纵力：如图4.1通过在不同角度对健康

10、男子的臂力进行测量，可以得出手臂在各种不同角度上的操作力（表4.1）。 表4.1 坐姿时手臂在不同角度和方向上的操纵力 单位：牛顿手臂的角度（度）拉力推力左手右手左手右手1801501209060向 后向前5205004203602705405504703902805405004403703606205504603904101801501209060向上向下1272102202202101902202702402401902202402402202202402802802401801501209060向内侧向外侧19021020021022022024024022023013013013015

11、0140150150150160190从实验结果可以得出手臂操纵力的一般规律为：（1） 左手力量小于右手；（2） 手臂处于侧面下方时，推拉力都较弱，但其向上和向下的力较大；（3） 拉力略大于推力；（4） 向下的力略大于向上的力；图4.1 手臂的坐姿操纵力（侧视图，俯视图）（5） 向内的力大于向外的力。（二）手臂的立姿操纵力图4-2为立姿操作时手臂在不同方向、不同角度上的拉力和推力。由图可知，手臂在肩的下方180度和肩的上方零度位置上产生最大拉力；在肩的上方零度位置产生最大推力。因此，推拉形式的操纵装置应尽量安装在上述能产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。实验测得一般

12、青年男子右手平均瞬间最大握力约为550牛顿；左手为421牛顿。保持1分钟后，右手平均握力降至274牛顿。左手降至244牛顿。由此可见，握力与手的姿势与持续时间有关。当操作者紧握操纵机构时，还要考虑握紧强度。握紧强度是人能够施加在手柄上的最大握紧力（可用测力计量器）。在设计手工工具、夹具和操纵机构时都需要考虑握紧强度的数值。年龄在30岁以上时，可用下式（经验公式）近似计算手操纵的握紧强度：GS=6082.94A（牛顿）式中 GS 手操纵的握紧强度A年龄（单位：年）图4.2 立姿时手的操纵力利用手柄操作时，最适合的操纵力大小与手柄距地面的高度、操纵方向、左右手等因素有关。2、拉力与推力 在立姿手臂

13、水平向前自然伸直的情况下，男子平均瞬时拉力可达689牛顿，女子平均瞬时拉力为378牛顿。若手作前后运动时，拉力要比推力大。瞬时最大拉力可达1078牛顿，连续操作的拉力约294牛顿。当手作左右方向运动时，则推力大于拉力，最大推力约为392牛顿。而最大操纵力产生在控制手柄离座位靠背为570660毫米的范围内。图4.3扭力3、扭力 双臂作扭转用力时，一般有三种不同的姿势（图4-3）：（1） 身体直力，双手扭转。扭转长的把手时，男子的扭力为381±127牛顿；女子的扭力为200±78牛顿；（2） 身体屈曲，双手扭转。男子的扭力为544±244牛顿；女子的扭力为267

14、77;138牛顿；（3） 有些把手很短，需要弯腰操作。男子的扭力为943±335牛顿；女子的扭力为416±196牛顿。4、提力 前臂水平前伸，手掌向下，然后往上提物料，平均提力为214牛顿。5、肘弯曲时的操纵力 弯肘操纵是常用的手臂姿势，其操纵力随手的位置变化而异。（三）上肢系统及其姿势上肢系统包括：肩、大臂、小臂、腕、手和骨、肌肉、腱、韧带、神经。（见图4-4，4-5）图4-4 上肢骨的分布图图4-5 手背的组织图4-6 手的三个状态图4-7 腕关节的运动在从人因的角度考虑操作者的作业姿势时，仅仅说工人弯曲手腕是不够的，我们必须知道弯曲的方向、弯曲的程度以及手掌是向上还是

15、向下，等等。因此也就需要一些描绘关节运动的准确术语，1988年Putz-Anderson提出了一系列的术语，例如：1、曲腕（图4-6）：桡向偏差（Radial deviation）：手沿大拇指方向腕部弯曲；尺骨偏差（Ulnar deviation）： 手沿小指方向腕部弯曲。2、关节弯曲、伸展（图4-7）：弯曲：减小相邻骨之间角度的运动；伸展：增大相邻骨之间角度的运动。二、 与手有关的累积损伤疾病骨关节骨肌肉 韧带 腱骨、肌肉、关节、肌腱和韧带构成了上肢的机体，它们的互相配合可以完成特定的作业。其关系见图4-8：图4-8通常在作业时，肌肉、皮肤和骨骼的损伤是很明显的，同时我们也应该注意到腱与神经

16、的损伤。在腱与附近的韧带和骨头发生摩擦处，在关节处或相邻处的腱就很容易受伤。通常的一些症状表现为受影响的部位会隐隐作痛。常见的腱损伤一般有两种：肌腱炎和腱鞘炎。肌腱炎是由于重复紧张而导致的一种腱的炎症，受损伤的腱内的个别纤维可能被拉伤，而且被感染的腱会肿大。此时，如果没有足够的休息，发炎的腱可能会持续虚弱。如果腱的损伤涉及到手的滑液（由关节滑囊和腱鞘的滑液膜分泌的，含有类似粘蛋白物质的透明粘质润滑液）鞘（动植物的鞘状包裹物），则会导致腱鞘炎。这是因为腱的重复运动刺激产生更多的滑液（起润滑关节作用），这些滑液的积聚使腱鞘肿大、发炎。研究表明，腱的滑液鞘如果一个小时运动1500至2000次，则会产

17、生腱鞘炎。所以，避免过多的重复作业可以减少腱的损伤。当神经受到来自外部物体（如锋利的边缘）或附近骨头的较大压力时，就会产生麻木、刺痛或疼痛之感。腕部通道症侯群（Carpal Tunnel Syndrome）是一种常见的手部神经损伤。在腕部的23厘米长的坚硬通道称作腕部通道，通道壁是由弯曲的腕骨（8块小骨头）组成的，而上部由坚韧的韧带包裹着腕骨。正中神经（起自臂丛的一条神经，下行至臂前面的中部）、血管和肌腱（带有滑液鞘）都要从此通道穿过。如果通道内的腱鞘（手指屈肌腱）肿大，通道内的正中神经就会受到挤压；极端的手姿和不断的重复运动也会引起腕部通道病症。这些症状包括手的刺痛、麻木和疼痛，如果这些症状

18、进一步加剧，手可能有丧失感觉和握力的危险。（图4-9、图4-10）图4.9 腕部通道的图示4.10 腕部活动造成的手部损伤第三节累积损伤疾病的预防与合理的工具设计图4-10 两种钳子的比较 合理的工具设计有助于预防人体的累积损伤，事实上，不合理的工具往往使操作姿势不符合人因工程的原理或使用力不恰当。而适当的用力、正确的姿势及充足的睡眠都可以帮助预防累积损伤疾病。这里，我们以手工操作工具为例，探讨在设计工具时应遵循的原则：1、保持手腕伸直： 一般来说，手腕的中立位置是最佳的，而且在保持手腕的伸直状态时，手心的力量也要大一些。所以在设计工具时，如果要用到手腕的力量时，尽量使工具弯曲而不要使手腕弯曲

19、，避免手腕的偏差（径向偏差和尺骨偏差）。图4.11 带弯柄的锤子图4.12 工具的两种设计比如，在设计钳子时，有两种方法（见图4-10）：第一种钳子的手柄是直的，第二中钳子的手柄有一定弧度的弯曲。在使用第一种钳子时，手在用力的时候需要手腕的弯曲来配合；而第二种钳子，借助手柄的弧度，在操作时就可以保持手腕的水平。结果，使用第一种钳子的工人比起第二组工人，其腱鞘炎的比例要大的多。同样，带弯柄的锤子可以降低尺骨的偏差（图4-11）。实验表明，用弯柄的锤子钉20个钉子，用直柄的锤子同样钉20个钉子，在第一种情况下，手的握力受到的影响要小一些。2、使组织压迫最小： 手在操作工具时，可能用到相当的力量。所

20、以，在工作时要尽量分散力量，使对血管和神经（如手掌）的压力降到最低，增大手和工具的接触面积也是分散压力的一种方法。例如，传统涂料刮具的手柄是直的，所以在手握紧工具工作时，对尺骨动脉造成了一定的压力，如果对其手柄稍作改进，增加一个垂直的短柄，就可以依靠拇指和食指之间的坚硬组织来操作，工人就会舒服很多（图4-12）。 3、减小手指的重复活动： 由于在生理上，拇指的活动是由局部的肌肉控制的，所以重复拇指的动作，其危害性比重复食指的动作要小一些，过多重复的食指触发动作能引起手指的腱鞘炎。所以，在设计工具时要尽可能降低食指的重复作业。对于拇指，要尽可能避免过度伸展，因此多个手指操作的控制器显然比只用拇指操作的控制器要好一些。因为用拇指操作会产生拇指的过度伸展，而多个手指操作的控制器分散了用力，同时可利用拇指握紧并引导工具（如图4-13）。为了便于发挥手指的握力，工具的直径应该设计为符合人的手掌。此外，工具的设计