基于Jack仿真的人机工程学优化：提升牙科治疗椅舒适性与效率的系统研究

本研究针对牙科治疗椅长期存在的患者舒适度不足、腰椎压力大等问题，采用Jack仿真软件构建虚拟患者模型与治疗环境，通过视觉域分析、Dreyfuss/Krist舒适度模块及静态强度测试，优化了头枕、靠背、吐盂等关键部件设计。改进后患者疲劳值降低53%，L4/L5腰椎压力减少40%，为牙科器械人机交互设计提供了实证支持。

　　

随着饮食结构变化带来的口腔问题增多，牙科治疗过程中患者常因长时间保持固定姿势产生疲劳与焦虑。传统牙科治疗椅在设计上缺乏对患者动态姿势的适应性，导致腰椎压力集中、操作便利性不足等问题。华北理工大学安全工程学院联合人工智能学院的研究团队，通过虚拟仿真技术对牙科治疗椅进行系统性优化，相关成果发表于《Scientific Reports》。

研究采用Jack软件构建符合中国成人尺寸标准（GB/T 10000-2023）的50百分位人体模型，结合三维牙椅模型建立仿真系统。通过视觉锥分析(View Cones)、Dreyfuss舒适度评估、Krist疲劳值测算及腰椎生物力学分析(L4/L5压力测试)四大技术模块，对患者躺卧、吐水等关键动作进行量化评估。样本模拟基于标准治疗流程，重点优化头枕曲面记忆棉、可旋转吐盂等组件的人机适配性。

视觉域分析
通过40°视锥角模拟发现，改进后的旋转吐盂使患者吐水动作的视线偏移角从35°降至15°。如图4与图9对比显示，吐盂位置调整后患者无需侧身即可完成操作，视觉覆盖率达100%。

舒适度分析
Dreyfuss模块数据显示：改进后患者肘关节屈曲角从145°降至125°（安全阈值165°），上臂负荷减少20%。Krist分析表明躺卧姿势疲劳值从56降至32，吐水时腰椎扭矩Y/Z向分别降低53%和47%。

腰椎力学改善
腰椎压力测试显示：改进设计使躺卧时L4/L5压力从900N降至540N，吐水动作中因手部环形扶手辅助，腰椎剪切力减少81%。如图6与图11对比证实，旋转吐盂设计有效分散了躯干扭转应力。

静态强度验证
百分位能力测试(Percent Capables)显示：改进后患者完成髋、膝关节动作的能力从85%提升至98%，吐水动作的关节扭矩峰值降低40%。如图7与图12对比表明，新设计使90%以上人群可无负荷完成治疗动作。

该研究首次将工业级人机仿真技术系统应用于牙科器械优化，证实通过头枕曲面适配、腰椎支撑强化及动态吐盂设计可显著提升患者体验。改进方案使治疗效率提升30%，为医疗人机工程学提供了可量化的设计范式。未来研究需进一步整合医生操作界面动态模拟，实现医患双视角的协同优化。

（注：所有数据与结论均源自Xiaoxiao Xie等作者原文，仿真结果图表引用自原文Fig.1-13，技术术语保留原文表述如L4/L5、Dreyfuss模型等）