口腔技师使用放大镜及显微镜的人体工程学效果评价研究

Abstract

Objective

This work aimed to study the effects of loupes and microscopes on a dental technician's working posture during practical operation from ergonomic aspects. The technician's working postures under the conditions of the naked eye, loupes, and microscopes were compared. The practical value of loupes and microscopes was assessed based on the evaluation index of working posture from ergonomic aspects.

Methods

Three dental technicians who were skilled in using loupes and microscopes from West China Stomatology Technology Department of Sichuan University were involved in this prospective randomized controlled trial. Before the operation, cameras were installed in the sagittal position, top-view position, and dorsal position of the operation. Each technician made five porcelain veneers of the right maxillary central incisor following the standard process. A chairside computer-aided design and computer-aided manufacturing (CAD/CAM) system was used to mill and layer the ceramic block under the naked eye (A: control group), 3.5× headwear loupes (B: loupe group), and 9× desktop microscopes (C: microscope group). The working posture was recorded by videos throughout the entire process. After each operation, the investigator used OpenPose to recognize the working posture. The joint angles of the arm, elbow, wrist, neck, and trunk, as well as their corresponding rapid upper limb assessment (RULA) scores, were calculated by MATLAB. The working posture was assessed from ergonomic aspects based on the joint angles, RULA scores, and operation time. Statistical analysis was performed using SPSS 26.0.

Results

The RULA score of upper limb joint angles showed that the angles of the arm, elbow, wrist, neck, and trunk under the naked eye were 14.93°±9.44°, 120.19°±2.99°, 23.97°±2.84°, 47.27°±5.72°, and 7.76°±2.30°, respectively. All of the joint angles were significantly different among the three groups (P<0.05). Compared with the control group, the angles of the neck and trunk in the loupe group were reduced by 29.09% and 42.53%, respectively, whereas those in the microscope group were significantly reduced by 43.99% and 87.11%, respectively. Multiple comparisons by LSD for the angles of neck and trunk revealed that the loupe group and the microscope group were significantly different from the control group (P<0.05), and they were also significantly different from each other (P<0.05). The mean RULA scores were 6.24±0.34 in the control group, 5.53±0.35 in the loupe group, and 3.31±0.19 in the microscope group. Compared with the control group, the mean RULA score in the loupe group was lower, and that in the microscope group was significantly lower. The differences between every two groups were statistically significant (P<0.05). The mean RULA score in the microscope group was significantly lower than that in the loupe group (P<0.05). The average operation times of the control group, loupe group, and microscope group were (50.69±36.78), (52.01±34.65), and (59.44±35.81) min, respectively. No significant difference was found among the three groups (P>0.05).

Conclusion

Use of loupes and microscopes showed an improvement in ergonomics and working posture of dental technicians. Microscopes had a better effect in the ergonomic convenience of the technician than loupes.

肌肉骨骼疾病（musculoskeletal disorder，MSD）是劳动密集型行业的高发职业病[1]，口腔专业人员也是MSD的易感人群，日常工作时需要进行重复性的胳膊手臂动作及维持不适的躯干和颈部位置[2]。许多研究[3]–[5]表明，口腔医生及口腔保健员的工作姿势使他们容易患上MSD。而口腔技师与前述口腔专业人员类似，在实操工作中也同样需要进行重复性的动作、静态姿势的维持等，但国内外缺乏对口腔技师行业MSD相关危险因素的研究报道。

人体工程学也称人类工程学，是研究“人—机—环境”系统中人、机和环境三大要素之间的关系，为系统中人的效能、健康问题提供理论与方法的学科[6]。美国职业安全和健康委员会将其定义的内涵延伸到包含人与环境之间如何互相影响，以“感觉、工作、体位、规避”4个因素为评估标准。口腔医生及相关专业人员的工作姿势已经被证实需要进行人体工程学方面的改进。尽管目前牙椅等口腔诊疗设备在可调节性及其他人体工程学特征方面已有显著改善，但牙医及助手等仍然经常需要弯曲及扭曲颈部和上背部以完成特定操作，而从站姿向坐姿的转变，可能会无意间将肌肉力量和生物力学负荷从下背部转移到上肢[7]，由此可见“上肢的工作姿势”是评估的重心。而口腔技师的工作姿势是否需要进行人体工程学方面的改善尚无研究报道。

20世纪70年代起，放大镜及显微镜开始逐渐被引入牙科行业[8]–[9]。目前，放大镜及显微镜在口腔修复中的应用已经越来越广泛。口腔放大镜主要有头戴式和眼镜式2种，具有固定焦距。医生在工作时将其固定于头部，通过调整术区与头部放大镜之间的位置来确定最终的工作姿势，放大镜的使用也能有效改善医生的工作姿势[10]–[12]。随着微创修复理念的普及，口腔显微镜逐渐成为修复操作中必备的工具，其拥有更广的放大倍率，支持更精细的修复操作，在微创美学修复中应用广泛。医生在工作时可通过调整显微镜的支架高度及术区位置来匹配自身舒适的坐姿，工作过程中视野不会受到头部的影响，研究证明显微镜可改善口腔修复医生牙体预备时的体位[13]。

瓷贴面因具有能较大程度保留牙齿结构且修复效果优良等特点，已经成为微创美学修复的常用治疗方法[14]。为了釉质保存和精细修复设计的落地，修复医生已经使用医用显微镜进行精准预备控制[15]。与此配合，口腔技师也需要更清晰的视野来制作瓷贴面，采用放大镜或显微镜，在高放大倍率的条件下完成高精度的瓷贴面制作，来支撑高质量的修复效果[16]–[17]。

制作瓷贴面的传统工作过程较为复杂，需要涉及到打磨、抛光、上瓷、染色、上釉等多个步骤，其中的工作过程可能会增加口腔修复技师的身体负担，并可能引起身体不适，但目前暂无相关研究说明口腔技师领域的工作姿势隐患问题，也无研究讨论技师使用放大镜及显微镜对其人体工程学的影响。

本研究的目的主要是对照裸眼实操MSD的暴露风险，探讨放大镜及显微镜对口腔技师瓷贴面制作过程中上肢关节角度与实操时间等方面的影响，从人体工程学评价的角度对使用显微或放大工具的正面应用价值进行分析评价。

1. 材料和方法

1.1. 研究对象

本研究从四川大学华西口腔医学技术教研室随机选择3名口腔技师进行试验。纳入标准：1）裸眼视力或矫正视力达到1.0及以上；2）年龄30~35岁；3）熟练运用显微或放大工具3年以上；4）独立瓷贴面实操3年以上。本研究已获得四川大学华西口腔医院伦理委员会批准（WCHSIRB-D-2020-408），并且所有受试对象均签署知情同意书。

1.2. 研究方法

这项前瞻性随机对照试验目的为探讨不同实操视觉水平对口腔技师制作瓷贴面过程的工作姿势等的人体工程学上的潜在优势对比研究。瓷贴面采用椅旁切削设备（秦皇岛市爱迪特科技股份有限公司）切削底层+饰面的制作方案，3名口腔技师依次在裸眼、3.5倍头戴式放大镜（苏州速迈医疗设备有限公司）和9倍技工显微镜（苏州速迈医疗设备有限公司）下按照统一的标准流程分别完成5颗右上中切牙瓷贴面的制作。受试者在操作中的座椅位置、操作台位置与相机设备的摆放位置均进行了统一的标准化固定。试验前在操作位置的矢状位、俯视位、背侧位分别安装相机设备，全程通过录像完成姿势记录，完整记录下具体的实操时间及椅旁瓷贴面的工作步骤：1）去除支撑杆；2）回切；3）初抛光；4）涂刷结合层；5）上瓷；6）打磨形态；7）终抛光；8）染色上釉。受试者知道自己的姿势会在制作过程中被记录下来，但是并未告知他们姿势记录的具体方式，操作中也未给予任何其他说明，以确保能记录到自然的工作姿势。

试验设置成A、B、C三组，分别为裸眼组（空白对照）、放大镜组及显微镜组。每次瓷贴面操作完成后，首先根据视频数据完成实操时间的记录，后由同一研究员根据椅旁瓷贴面的工作步骤，将3个不同视角的视频数据进行8个分类标注，并合成一份视频文件，随即采用人体姿态识别开放源码OpenPose对视频文件进行自动识别并标记出上肢身体的特定部位（图1）。以裸眼组为例，∠a表示手腕角度，∠b表示躯干角度，∠c表示颈部角度，∠d表示手臂角度，∠e表示手肘角度。B、C两组的标记方式与裸眼组一致。

图 1. 不同视角下记录的口腔技师上肢工作姿势.

Fig 1 Working postures of upper limb of dental technicians recorded from different perspectives

A：裸眼组（空白对照）；B：放大镜组；C：显微镜组。下标1表示俯视位；下标2表示矢状位；下标3表示背侧位。

OpenPose是美国GitHub公共平台上的一款开源人体姿态识别项目，其使用了一种自下而上的方法，能将整个图像作为卷积神经网络的2个分支完成输入。给定一个输入图像后，该网络将提供一个检测到的物体列表，每个物体都具有预先定义的关节骨架[18]。本研究使用了25个骨骼身体关节及21个手指关节的OpenPose模型，根据导入的视频文件，关节会按照特定顺序一一列出（图2），从而可得到试验需要的上肢相关关节的笛卡尔坐标位置。随后，使用Matlab软件（MathWorks公司，美国）计算上肢工作姿势的相关关节角度，并计算得出快速上肢评估（rapid upper limb assessment，RULA）分值。

图 2. OpenPose中的骨骼身体关节与手指关节.

Fig 2 Skeleton body joints and finger joints in OpenPose

坐标2—3间表示右手臂；坐标3—4间表示右手肘；坐标1—17间表示颈部；坐标1—8间表示躯干；坐标0—9间表示手腕。

1.3. 上肢关节角度及实操时间

每份视频文件经过OpenPose自动识别并完成上肢关节可视化后，将获得的关节位置数据导入Matlab软件中行上肢工作姿势的各关节角度分析。根据本试验的研究目的，软件脚本已完成自定义编码。研究员使用自定义脚本通过自动化方式获取贴面制作过程中每一工作步骤的手臂、手肘、手腕、颈部和躯干角度，关节角度越小说明人体上肢的工作姿势越科学[19]。同时研究员根据记录的视频数据分别计算每次花费的具体实操时间，最后汇总得出不同实操视觉水平下各自需要的平均实操时间。有研究[20]证实，长时间的静态工作姿势也是MSD的常见危险因素之一。

1.4. RULA分值

利用每次所获得的上肢各个关节角度数据，同一研究员再分别完成RULA分值的计算，最终A、B、C各组分别得到15组分值。RULA是一种评估上肢身体姿势、力量和重复性的调查方法，用于调查研究由于工作而导致上肢疾病的相关场所的人体工程学，其值可以反映与工作相关的未来上肢疾病的暴露危险程度，以确定工作是否存在MSD暴露的可能风险，以及是否需要对现有的工作姿势或周围环境进行及时调整干预[21]。RULA通过使用人体姿势图及3个评分表来得到姿势相对应的分值，以完成危险因素暴露程度的评估（图3）。3名技师制作瓷贴面时工作侧集中在上肢的右侧方，因此选择右手臂来进行评估。不同的RULA分值分别定义了姿势评估后的四类动作等级：等级①（1~2分，属于可接受的姿势）、等级②（3~4分，属于需要进一步调查，可能需要更改的姿势）、等级③（5~6分，属于需要进一步调查，并进行短期内更改的姿势）和等级④（7分，属于需要马上调查及立刻更改的姿势）[22]。分值越低，说明工作姿势越符合人体工程学要求，MSD的暴露风险越小。

图 3. 用于RULA评分的快速上肢评估工作表.

Fig 3 Rapid Upper Limb Assessment score worksheet used to assess the RULA score

1.5. 统计分析

采用SPSS 26.0软件对数据进行分析，数值用均值±标准差表示。首先对实验数据进行Kolmogorov-Smirnov正态性检验及Levene方差齐性检验，随后对不同组下的上肢各个关节角度、实操时间及不同组的RULA平均值分别进行ANOVA单因素方差分析并采用LSD方法进行多重比较。P<0.05为差异具有统计学意义。

2. 结果

2.1. 基本情况

参与试验的技师年龄范围在30~35岁之间，视力范围在1.0~1.5之间。3名技师在瓷贴面制作过程及后续调查中配合良好，均完成了研究。

2.2. 上肢各个关节角度及实操时间的分析结果

3组间上肢的各部位平均关节角度见图4，图4显示，与裸眼组相比，放大镜组和显微镜组的手臂、手肘及手腕角度没有明显降低趋势，而颈部及躯干角度在放大镜组及显微镜组下明显降低，尤其是在显微镜组。

图 4. 3组间的上肢平均关节角度.

Fig 4 Average joint angle of upper limbs in 3 groups

3组上肢各关节角度的比较见表1。手臂、手肘、手腕、颈部及躯干角度在3组间的差异均具有统计学意义（P<0.05）。其中，裸眼组、放大镜组和显微镜组的颈部角度分别为47.27°±5.72°、33.52°±7.67°、17.02°±2.55°，躯干角度分别为7.76°±2.30°、4.46°±0.82°、1.00°±0.75°。通过LSD方法进行多重比较，结果发现在颈部角度与躯干角度中，裸眼组和放大镜组间的差异有统计学意义（P<0.05），裸眼组和显微镜组间的差异有统计学意义（P<0.05），放大镜组和显微镜组间的差异也具有统计学意义（P<0.05）。

表 1. 3组间上肢关节角度的比较.

Tab 1 Comparison of different joint angles of upper limb in 3 groups

组别	上肢关节角度/°
	手臂角度	手肘角度	手腕角度	颈部角度	躯干角度
A组	14.93±9.44b	120.19±2.99b,c	23.97±2.84b	47.27±5.72b,c	7.76±2.30b,c
B组	22.66±12.43a,c	112.98±5.50a	30.50±2.68a,c	33.52±7.67a,c	4.46±0.82a,c
C组	13.67±5.99b	113.99±0.99a	25.48±3.65b	17.02±2.55a,b	1.00±0.75a,b
P值	0.000	0.001	0.000	0.000	0.000

注：3组之间相比，P<0.05；LSD多重比较后，在各列角度中以组别的小写上标字母表示两组间差异显著（P<0.05）。

3组的平均实操时间见表2。裸眼组、放大镜组和显微镜组的平均实操时间分别为（50.69±36.78）、（52.01±34.65）、（59.44±35.81） min，3组间实操时间的差异无统计学意义（P>0.05）。通过LSD方法进行组间两两比较，结果发现任意两组间实操时间的差异均无统计学意义（P>0.05）。

表 2. 3组间实操时间的比较.

Tab 2 Comparison of operation time in 3 groups

组别	数量	实操时间/min	P值
A组	15	50.69±36.78	0.938*
B组	15	52.01±34.65	0.663△
C组	15	59.44±35.81	0.609▽
总数	45		0.856#

注：A组与B组相比，*P>0.05；B组与C组相比，^△P>0.05；A组与C组相比，^▽P>0.05；3组之间相比，^#P>0.05。

2.3. RULA分值分析结果

3组的RULA平均值之间的比较见表3。裸眼组、放大镜组和显微镜组的RULA平均值分别为6.24、5.53、3.31分，3组间的差异具有统计学意义（P<0.05）。裸眼组的RULA平均值>6，属于等级④（需要马上调查及立刻更改的姿势）；放大镜组的RULA平均值在5~6分之间，属于等级③（需要进一步调查，并进行短期内更改的姿势）；显微镜组的RULA平均值在3~4分之间，属于等级②（需要进一步调查，可能需要更改的姿势）。与裸眼组（空白对照）相比，放大镜组的RULA平均值降低（P<0.05），显微镜组的RULA平均值显著降低（P<0.05）；放大镜组与显微镜组之间相比，显微镜组的RULA平均值显著降低，两组间的差异具有统计学意义（P<0.05）。

表 3. 3组间口腔技师RULA平均值的比较.

Tab 3 Comparison of mean RULA scores for dental technicians in 3 groups

组别	数量	RULA平均值/分	P值	RULA分值的95%置信区间
				下界	上界
A组	15	6.24±0.34		5.97	6.50
B组	15	5.53±0.35	0.001*	5.26	5.80
C组	15	3.31±0.19	0.000△*	3.16	3.45
总数	45		0.000#

注：B、C两组分别与A组相比，*P<0.05；B组与C组相比，^△P<0.05；3组之间相比，^#P<0.05。

3. 讨论

本研究结果表明，使用放大镜和显微镜可以改善技师制作过程中的一些上肢关节角度，从而降低了与工作姿势相关的MSD危险因素，技师的人体工程学得到了改善，其中显微镜的效果更显著，说明了放大镜及显微镜在技师端的应用具有人机工程学优势。

口腔专业人员中MSD的患病率高达83%，其中牙医最常感到疼痛的区域是背部（36.3%~60.1%）和颈部（19.8%~85%），而手部和腕部是口腔保健师出现不适的最普遍区域（60%~69.5%）[23]。长期的不良体位是导致上述MSD高发生率的主要原因。以往的研究表明，牙医使用放大镜及显微镜会减少甚至在某些情况下能消除慢性颈背疼痛[24]，适当的选择、调整和使用放大倍数系统可使得医生获取更直立的姿势。本研究的结果也表明，口腔技师裸眼条件下制作瓷贴面时的RULA分值属于最高等级，同时分析得出颈部角度及躯干角度均偏高，初步判断出技师在工作中同样具有较高的MSD暴露风险。根据上述RULA的计算方法，可以看到肌肉评分这一板块涉及到了时间，但仅仅是通过判断静止姿势的持续时间来进一步确定肌肉的使用情况，确定分值。从肌肉评分及力/负荷评分中可以看出，长时间的静态姿势及重复性的动作均是MSD的风险因素，属于生物力学危险因素。RULA的评分系统考虑并包含了时间因素可能带来的肌肉及力/负荷的影响，但其分值为对姿势的一个整体分析评估，且每一个RULA分值是对某一瞬间图像的评估，即使是视频分析，也是每一帧图像分析结果的平均值，最后的结果中不包含具体实操时间这一维度的分析。口腔技师的实操特点是具有高重复性操作动作，并且具有长时间维持静态姿势的表现。在进行RULA分析计算时，肌肉评分可以得以体现，并会体现在最终的RULA分值中，然而这些生物力学危险因素的程度大小则缺乏体现，因此需要通过具体的实操时间来进行补充分析判断。从实操时间的结果上看，放大镜与显微镜的使用没有增加口腔技师瓷贴面制作中的工作时间。与此同时，上肢关节角度和RULA分值结果显示，口腔技师使用放大镜与显微镜设备可以显著改善上肢的工作姿势，并且可以改善头颈前后向位置和躯干前后向位置，使之更符合人体工程学的要求，其中显微镜的改善程度更高。因此，与牙医一样，将放大镜及显微镜工具应用于口腔技师领域时也可减少MSD的相关危险因素，从人体工程学的角度上证实了2种工具均具有较高的应用价值，而较放大镜而言，显微镜在这方面具有更大的优越性。

学者们为人体工程学评价设计了多种方法和工具，其中包括自我评估（操作者使用专门设计的形式进行自我评估）与人工观察（合格的人员通过现场观察和/或离线视频分析收集主观估计的操作者身体关节角度），而这一评价方法不可避免地会受到主观偏见的影响，并存在观察员之间的变异性问题。由此，人体工程学研究人员开始关注自动化计算人体关节角度及进行RULA分值的评估，从而克服上述的问题。本研究中，技师制作瓷贴面过程中的每个特定步骤都被全程完整记录，而后采取自动化的方式分别获取到各个步骤的上肢关节角度，最终获得完整制作过程的平均关节角度。此试验方法获得的角度数据完整性高，并且可以保证获取到技师最自然的工作姿势，同时自动化的方式克服了研究员内部及研究员之间的变异性问题，评价结果的方法一致性好。为了保证每次录像的角度一致，在研究开始前分别对技师的操作位置及3个方位的相机位置进行了三维标记，4个位置均完成了统一的标准化定位。

RULA工具因其简单、易于计算等特点，是最常用的人体工学评估工具之一，其分值量化了采用的姿势暴露于MSD危险因素中的风险，重点更多地放在上肢。而RULA工具一开始属于人工观察法，其分值存在观察者之间的变异性，即使是专家也常受到视觉条件欠佳等原因而在主观类别决策上犯错误，影响人体工程学评估结果。而在近些年，随着硬件传感器、机器学习及深度学习等技术的快速发展，有研究者发明了基于计算机视觉和机器学习技术的自动化RULA人体工程学评估方法，特别是Kinect SDK开发工具包（微软公司，美国），其开始被广泛用于分析工作姿势及评估RULA分值。Kinect SDK通过跟踪人体并估计20个关节位置的三维笛卡尔坐标，利用定位算法推断关节位置，随后得出RULA分值，然而该方法依赖于局部身体部位探测器，因此可能在由于环境混乱造成的遮挡情况下产生错误的骨架，并可能会影响甚至限制工作中姿势的自由活动。本研究使用了开源卷积神经网络架构形成的人体姿态识别项目OpenPose，利用低成本现成的图像设备来完成技师瓷贴面制作时的自动化姿态跟踪与识别，这种方式既能不在技师身体上增添传感器阻碍，又能低成本地完成技师制作过程的姿势记录。Cao等[25]作为OpenPose项目的开发者，对该项目进行了精度检验，检验的培训集包括超过10万个人的实例，并标有超过100万个关键点，将平均精度作为主要对比指标，分析结果说明OpenPose新架构比原始自动化方法的精度提高了约7%。综上，OpenPose项目不仅保证了识别过程中的客观性，也保证了准确性。

此外，研究结果可初步表明口腔技师在裸眼下制作瓷贴面的工作过程中具有较高的MSD暴露风险。虽然本试验在一定程度上填补了技师相关的人体工程学方面的研究空白，但该结论仍然具有一定的限制性，后续还需更大样本量的干预实验对技师的人体工程学进行更全面的探讨，同时也需要广泛的流行病学调查来对其中的MSD危险因素进行分析。此外，针对技师MSD暴露风险的其他人体工程学改善方法还需要进一步的研究与落实。

综上，放大镜和显微镜均能改善口腔技师实操时的工作姿势，技师的人体工程学得到了改善，其中显微镜有更好的效果。

Funding Statement

[基金项目] 四川省科技计划重点研发项目（2020YFS0040）

Supported by: Sichuan Science and Technology Program (2020YFS0040).