口腔技師使用放大鏡及顯微鏡的人體工程學效果評價研究

余嘉怡 樓雨欣 祝麗青 任薇 楊興強 于海洋

口腔疾病研究國家重點實驗室國家口腔疾病臨床醫學研究中心四川大學華西口腔醫院修復科，成都610041

肌肉骨骼疾病（musculoskeletal disorder，MSD）是勞動密集型行業的高發職業病[1]，口腔專業人員也是MSD 的易感人群，日常工作時需要進行重復性的胳膊手臂動作及維持不適的軀干和頸部位置[2]。許多研究[3-5]表明，口腔醫生及口腔保健員的工作姿勢使他們容易患上MSD。而口腔技師與前述口腔專業人員類似，在實操工作中也同樣需要進行重復性的動作、靜態姿勢的維持等，但國內外缺乏對口腔技師行業MSD 相關危險因素的研究報道。

人體工程學也稱人類工程學，是研究“人—機—環境”系統中人、機和環境三大要素之間的關系，為系統中人的效能、健康問題提供理論與方法的學科[6]。美國職業安全和健康委員會將其定義的內涵延伸到包含人與環境之間如何互相影響，以“感覺、工作、體位、規避”4個因素為評估標準。口腔醫生及相關專業人員的工作姿勢已經被證實需要進行人體工程學方面的改進。盡管目前牙椅等口腔診療設備在可調節性及其他人體工程學特征方面已有顯著改善，但牙醫及助手等仍然經常需要彎曲及扭曲頸部和上背部以完成特定操作，而從站姿向坐姿的轉變，可能會無意間將肌肉力量和生物力學負荷從下背部轉移到上肢[7]，由此可見“上肢的工作姿勢”是評估的重心。而口腔技師的工作姿勢是否需要進行人體工程學方面的改善尚無研究報道。

20 世紀70 年代起，放大鏡及顯微鏡開始逐漸被引入牙科行業[8-9]。目前，放大鏡及顯微鏡在口腔修復中的應用已經越來越廣泛。口腔放大鏡主要有頭戴式和眼鏡式2種，具有固定焦距。醫生在工作時將其固定于頭部，通過調整術區與頭部放大鏡之間的位置來確定最終的工作姿勢，放大鏡的使用也能有效改善醫生的工作姿勢[10-12]。隨著微創修復理念的普及，口腔顯微鏡逐漸成為修復操作中必備的工具，其擁有更廣的放大倍率，支持更精細的修復操作，在微創美學修復中應用廣泛。醫生在工作時可通過調整顯微鏡的支架高度及術區位置來匹配自身舒適的坐姿，工作過程中視野不會受到頭部的影響，研究證明顯微鏡可改善口腔修復醫生牙體預備時的體位[13]。

瓷貼面因具有能較大程度保留牙齒結構且修復效果優良等特點，已經成為微創美學修復的常用治療方法[14]。為了釉質保存和精細修復設計的落地，修復醫生已經使用醫用顯微鏡進行精準預備控制[15]。與此配合，口腔技師也需要更清晰的視野來制作瓷貼面，采用放大鏡或顯微鏡，在高放大倍率的條件下完成高精度的瓷貼面制作，來支撐高質量的修復效果[16-17]。

制作瓷貼面的傳統工作過程較為復雜，需要涉及到打磨、拋光、上瓷、染色、上釉等多個步驟，其中的工作過程可能會增加口腔修復技師的身體負擔，并可能引起身體不適，但目前暫無相關研究說明口腔技師領域的工作姿勢隱患問題，也無研究討論技師使用放大鏡及顯微鏡對其人體工程學的影響。

本研究的目的主要是對照裸眼實操MSD 的暴露風險，探討放大鏡及顯微鏡對口腔技師瓷貼面制作過程中上肢關節角度與實操時間等方面的影響，從人體工程學評價的角度對使用顯微或放大工具的正面應用價值進行分析評價。

1 材料和方法

1.1 研究對象

本研究從四川大學華西口腔醫學技術教研室隨機選擇3 名口腔技師進行試驗。納入標準：1）裸眼視力或矯正視力達到1.0及以上；2）年齡30～35 歲；3）熟練運用顯微或放大工具3 年以上；4）獨立瓷貼面實操3年以上。本研究已獲得四川大學華西口腔醫院倫理委員會批準（WCHSIRB-D-2020-408），并且所有受試對象均簽署知情同意書。

1.2 研究方法

這項前瞻性隨機對照試驗目的為探討不同實操視覺水平對口腔技師制作瓷貼面過程的工作姿勢等的人體工程學上的潛在優勢對比研究。瓷貼面采用椅旁切削設備（秦皇島市愛迪特科技股份有限公司）切削底層+飾面的制作方案，3 名口腔技師依次在裸眼、3.5 倍頭戴式放大鏡（蘇州速邁醫療設備有限公司）和9倍技工顯微鏡（蘇州速邁醫療設備有限公司）下按照統一的標準流程分別完成5顆右上中切牙瓷貼面的制作。受試者在操作中的座椅位置、操作臺位置與相機設備的擺放位置均進行了統一的標準化固定。試驗前在操作位置的矢狀位、俯視位、背側位分別安裝相機設備，全程通過錄像完成姿勢記錄，完整記錄下具體的實操時間及椅旁瓷貼面的工作步驟：1）去除支撐桿；2）回切；3）初拋光；4）涂刷結合層；5）上瓷；6）打磨形態；7）終拋光；8）染色上釉。受試者知道自己的姿勢會在制作過程中被記錄下來，但是并未告知他們姿勢記錄的具體方式，操作中也未給予任何其他說明，以確保能記錄到自然的工作姿勢。

試驗設置成A、B、C 三組，分別為裸眼組（空白對照）、放大鏡組及顯微鏡組。每次瓷貼面操作完成后，首先根據視頻數據完成實操時間的記錄，后由同一研究員根據椅旁瓷貼面的工作步驟，將3 個不同視角的視頻數據進行8 個分類標注，并合成一份視頻文件，隨即采用人體姿態識別開放源碼OpenPose 對視頻文件進行自動識別并標記出上肢身體的特定部位（圖1）。以裸眼組為例，∠a 表示手腕角度，∠b 表示軀干角度，∠c 表示頸部角度，∠d 表示手臂角度，∠e 表示手肘角度。B、C兩組的標記方式與裸眼組一致。

圖1 不同視角下記錄的口腔技師上肢工作姿勢Fig 1 Working postures of upper limb of dental technicians recorded from different perspectives

OpenPose 是美國GitHub 公共平臺上的一款開源人體姿態識別項目，其使用了一種自下而上的方法，能將整個圖像作為卷積神經網絡的2個分支完成輸入。給定一個輸入圖像后，該網絡將提供一個檢測到的物體列表，每個物體都具有預先定義的關節骨架[18]。本研究使用了25 個骨骼身體關節及21 個手指關節的OpenPose 模型，根據導入的視頻文件，關節會按照特定順序一一列出（圖2），從而可得到試驗需要的上肢相關關節的笛卡爾坐標位置。隨后，使用Matlab 軟件（MathWorks 公司，美國）計算上肢工作姿勢的相關關節角度，并計算得出快速上肢評估（rapid upper limb assess‐ment，RULA）分值。

圖2 OpenPose中的骨骼身體關節與手指關節Fig 2 Skeleton body joints and finger joints in OpenPose

1.3 上肢關節角度及實操時間

每份視頻文件經過OpenPose 自動識別并完成上肢關節可視化后，將獲得的關節位置數據導入Matlab 軟件中行上肢工作姿勢的各關節角度分析。根據本試驗的研究目的，軟件腳本已完成自定義編碼。研究員使用自定義腳本通過自動化方式獲取貼面制作過程中每一工作步驟的手臂、手肘、手腕、頸部和軀干角度，關節角度越小說明人體上肢的工作姿勢越科學[19]。同時研究員根據記錄的視頻數據分別計算每次花費的具體實操時間，最后匯總得出不同實操視覺水平下各自需要的平均實操時間。有研究[20]證實，長時間的靜態工作姿勢也是MSD的常見危險因素之一。

1.4 RULA分值

利用每次所獲得的上肢各個關節角度數據，同一研究員再分別完成RULA 分值的計算，最終A、B、C 各組分別得到15 組分值。RULA 是一種評估上肢身體姿勢、力量和重復性的調查方法，用于調查研究由于工作而導致上肢疾病的相關場所的人體工程學，其值可以反映與工作相關的未來上肢疾病的暴露危險程度，以確定工作是否存在MSD 暴露的可能風險，以及是否需要對現有的工作姿勢或周圍環境進行及時調整干預[21]。RULA通過使用人體姿勢圖及3個評分表來得到姿勢相對應的分值，以完成危險因素暴露程度的評估（圖3）。3名技師制作瓷貼面時工作側集中在上肢的右側方，因此選擇右手臂來進行評估。不同的RULA分值分別定義了姿勢評估后的四類動作等級：等級①（1～2分，屬于可接受的姿勢）、等級②（3～4分，屬于需要進一步調查，可能需要更改的姿勢）、等級③（5～6 分，屬于需要進一步調查，并進行短期內更改的姿勢）和等級④（7 分，屬于需要馬上調查及立刻更改的姿勢）[22]。分值越低，說明工作姿勢越符合人體工程學要求，MSD 的暴露風險越小。

圖3 用于RULA評分的快速上肢評估工作表Fig 3 Rapid Upper Limb Assessment score worksheet used to assess the RULA score

1.5 統計分析

采用SPSS 26.0 軟件對數據進行分析，數值用均值±標準差表示。首先對實驗數據進行Kolmogo‐rov-Smirnov 正態性檢驗及Levene 方差齊性檢驗，隨后對不同組下的上肢各個關節角度、實操時間及不同組的RULA 平均值分別進行ANOVA 單因素方差分析并采用LSD 方法進行多重比較。P<0.05為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 基本情況

參與試驗的技師年齡范圍在30～35歲之間，視力范圍在1.0～1.5 之間。3 名技師在瓷貼面制作過程及后續調查中配合良好，均完成了研究。

2.2 上肢各個關節角度及實操時間的分析結果

3 組間上肢的各部位平均關節角度見圖4，圖4顯示，與裸眼組相比，放大鏡組和顯微鏡組的手臂、手肘及手腕角度沒有明顯降低趨勢，而頸部及軀干角度在放大鏡組及顯微鏡組下明顯降低，尤其是在顯微鏡組。

圖4 3組間的上肢平均關節角度Fig 4 Average joint angle of upper limbs in 3 groups

3 組上肢各關節角度的比較見表1。手臂、手肘、手腕、頸部及軀干角度在3組間的差異均具有統計學意義（P<0.05）。其中，裸眼組、放大鏡組和顯微鏡組的頸部角度分別為47.27°±5.72°、33.52°±7.67°、17.02°±2.55°，軀干角度分別為7.76°±2.30°、4.46°±0.82°、1.00°±0.75°。通過LSD方法進行多重比較，結果發現在頸部角度與軀干角度中，裸眼組和放大鏡組間的差異有統計學意義（P<0.05），裸眼組和顯微鏡組間的差異有統計學意義（P<0.05），放大鏡組和顯微鏡組間的差異也具有統計學意義（P<0.05）。

表1 3組間上肢關節角度的比較Tab 1 Comparison of different joint angles of upper limb in 3 groups

3 組的平均實操時間見表2。裸眼組、放大鏡組和顯微鏡組的平均實操時間分別為（50.69±36.78）、（52.01±34.65）、（59.44±35.81）min，3 組間實操時間的差異無統計學意義（P>0.05）。通過LSD 方法進行組間兩兩比較，結果發現任意兩組間實操時間的差異均無統計學意義（P>0.05）。

表2 3組間實操時間的比較Tab 2 Comparison of operation time in 3 groups

2.3 RULA分值分析結果

3 組的RULA 平均值之間的比較見表3。裸眼組、放大鏡組和顯微鏡組的RULA 平均值分別為6.24、5.53、3.31 分，3 組間的差異具有統計學意義（P<0.05）。裸眼組的RULA 平均值>6，屬于等級④（需要馬上調查及立刻更改的姿勢）；放大鏡組的RULA平均值在5～6分之間，屬于等級③（需要進一步調查，并進行短期內更改的姿勢）；顯微鏡組的RULA 平均值在3～4 分之間，屬于等級②（需要進一步調查，可能需要更改的姿勢）。與裸眼組（空白對照）相比，放大鏡組的RULA 平均值降低（P<0.05），顯微鏡組的RULA 平均值顯著降低（P<0.05）；放大鏡組與顯微鏡組之間相比，顯微鏡組的RULA 平均值顯著降低，兩組間的差異具有統計學意義（P<0.05）。

表3 3組間口腔技師RULA平均值的比較Tab 3 Comparison of mean RULA scores for dental technicians in 3 groups

3 討論

本研究結果表明，使用放大鏡和顯微鏡可以改善技師制作過程中的一些上肢關節角度，從而降低了與工作姿勢相關的MSD 危險因素，技師的人體工程學得到了改善，其中顯微鏡的效果更顯著，說明了放大鏡及顯微鏡在技師端的應用具有人機工程學優勢。

口腔專業人員中MSD 的患病率高達83%，其中牙醫最常感到疼痛的區域是背部（36.3%～60.1%）和頸部（19.8%～85%），而手部和腕部是口腔保健師出現不適的最普遍區域（60%～69.5%）[23]。長期的不良體位是導致上述MSD 高發生率的主要原因。以往的研究表明，牙醫使用放大鏡及顯微鏡會減少甚至在某些情況下能消除慢性頸背疼痛[24]，適當的選擇、調整和使用放大倍數系統可使得醫生獲取更直立的姿勢。本研究的結果也表明，口腔技師裸眼條件下制作瓷貼面時的RULA 分值屬于最高等級，同時分析得出頸部角度及軀干角度均偏高，初步判斷出技師在工作中同樣具有較高的MSD 暴露風險。根據上述RULA 的計算方法，可以看到肌肉評分這一板塊涉及到了時間，但僅僅是通過判斷靜止姿勢的持續時間來進一步確定肌肉的使用情況，確定分值。從肌肉評分及力/負荷評分中可以看出，長時間的靜態姿勢及重復性的動作均是MSD 的風險因素，屬于生物力學危險因素。RULA的評分系統考慮并包含了時間因素可能帶來的肌肉及力/負荷的影響，但其分值為對姿勢的一個整體分析評估，且每一個RULA 分值是對某一瞬間圖像的評估，即使是視頻分析，也是每一幀圖像分析結果的平均值，最后的結果中不包含具體實操時間這一維度的分析。口腔技師的實操特點是具有高重復性操作動作，并且具有長時間維持靜態姿勢的表現。在進行RULA 分析計算時，肌肉評分可以得以體現，并會體現在最終的RULA 分值中，然而這些生物力學危險因素的程度大小則缺乏體現，因此需要通過具體的實操時間來進行補充分析判斷。從實操時間的結果上看，放大鏡與顯微鏡的使用沒有增加口腔技師瓷貼面制作中的工作時間。與此同時，上肢關節角度和RULA 分值結果顯示，口腔技師使用放大鏡與顯微鏡設備可以顯著改善上肢的工作姿勢，并且可以改善頭頸前后向位置和軀干前后向位置，使之更符合人體工程學的要求，其中顯微鏡的改善程度更高。因此，與牙醫一樣，將放大鏡及顯微鏡工具應用于口腔技師領域時也可減少MSD 的相關危險因素，從人體工程學的角度上證實了2種工具均具有較高的應用價值，而較放大鏡而言，顯微鏡在這方面具有更大的優越性。

學者們為人體工程學評價設計了多種方法和工具，其中包括自我評估（操作者使用專門設計的形式進行自我評估）與人工觀察（合格的人員通過現場觀察和/或離線視頻分析收集主觀估計的操作者身體關節角度），而這一評價方法不可避免地會受到主觀偏見的影響，并存在觀察員之間的變異性問題。由此，人體工程學研究人員開始關注自動化計算人體關節角度及進行RULA 分值的評估，從而克服上述的問題。本研究中，技師制作瓷貼面過程中的每個特定步驟都被全程完整記錄，而后采取自動化的方式分別獲取到各個步驟的上肢關節角度，最終獲得完整制作過程的平均關節角度。此試驗方法獲得的角度數據完整性高，并且可以保證獲取到技師最自然的工作姿勢，同時自動化的方式克服了研究員內部及研究員之間的變異性問題，評價結果的方法一致性好。為了保證每次錄像的角度一致，在研究開始前分別對技師的操作位置及3個方位的相機位置進行了三維標記，4個位置均完成了統一的標準化定位。

RULA工具因其簡單、易于計算等特點，是最常用的人體工學評估工具之一，其分值量化了采用的姿勢暴露于MSD 危險因素中的風險，重點更多地放在上肢。而RULA 工具一開始屬于人工觀察法，其分值存在觀察者之間的變異性，即使是專家也常受到視覺條件欠佳等原因而在主觀類別決策上犯錯誤，影響人體工程學評估結果。而在近些年，隨著硬件傳感器、機器學習及深度學習等技術的快速發展，有研究者發明了基于計算機視覺和機器學習技術的自動化RULA 人體工程學評估方法，特別是Kinect SDK 開發工具包（微軟公司，美國），其開始被廣泛用于分析工作姿勢及評估RULA 分值。Kinect SDK 通過跟蹤人體并估計20 個關節位置的三維笛卡爾坐標，利用定位算法推斷關節位置，隨后得出RULA 分值，然而該方法依賴于局部身體部位探測器，因此可能在由于環境混亂造成的遮擋情況下產生錯誤的骨架，并可能會影響甚至限制工作中姿勢的自由活動。本研究使用了開源卷積神經網絡架構形成的人體姿態識別項目OpenPose，利用低成本現成的圖像設備來完成技師瓷貼面制作時的自動化姿態跟蹤與識別，這種方式既能不在技師身體上增添傳感器阻礙，又能低成本地完成技師制作過程的姿勢記錄。Cao 等[25]作為OpenPose 項目的開發者，對該項目進行了精度檢驗，檢驗的培訓集包括超過10 萬個人的實例，并標有超過100 萬個關鍵點，將平均精度作為主要對比指標，分析結果說明OpenPose 新架構比原始自動化方法的精度提高了約7%。綜上，OpenPose 項目不僅保證了識別過程中的客觀性，也保證了準確性。

此外，研究結果可初步表明口腔技師在裸眼下制作瓷貼面的工作過程中具有較高的MSD 暴露風險。雖然本試驗在一定程度上填補了技師相關的人體工程學方面的研究空白，但該結論仍然具有一定的限制性，后續還需更大樣本量的干預實驗對技師的人體工程學進行更全面的探討，同時也需要廣泛的流行病學調查來對其中的MSD 危險因素進行分析。此外，針對技師MSD 暴露風險的其他人體工程學改善方法還需要進一步的研究與落實。

綜上，放大鏡和顯微鏡均能改善口腔技師實操時的工作姿勢，技師的人體工程學得到了改善，其中顯微鏡有更好的效果。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。