何为显微镜人体工程学

2021-12-15 09:34:16 admin 2

走进一个繁忙的实验室时,经常会看到显微镜坐在书本上,以奇怪的角度倾斜,或者以其他方式不稳定地支撑在各种位置以适应用户。显微镜自 1600 年代初发明以来经历了显着的发展,但大多数新的发展和改进都集中在对比度增强配件和显微镜光学系统领域。

尽管在过去 400 年中,可用性问题在光学性能方面处于次要地位,但显微镜学家并没有完全忽视它们。早在 1830 年代,大卫布鲁斯特爵士在他的《光学论》中指出,“显微镜观察的最佳位置是观察者水平仰卧……所有位置中最糟糕的是我们垂直向下看.” 不幸的是,布鲁斯特爵士的建议从未用于显微镜设计,而坐在或站在仪器旁成为现状。

虽然传统的显微镜设计对于短期使用来说不一定是一个问题,但长期使用这些仪器的科学家和技术人员历来都会产生问题,从字面上看,这使它们成为脖子上的痛。显微镜专家应该为科学的更大利益而受苦,多年来许多人因身体不适,有时甚至是永久性伤害而付出了代价。

美国劳工部的职业安全与健康管理局 ( OSHA ) 发现“显微镜工作对视觉系统和肌肉骨骼系统都造成了压力。操作员被迫进入一个不寻常的严格位置,几乎不可能移动头部或身体。他们经常被迫采取尴尬的工作姿势,例如头部弯曲超过眼管,身体上半部分向前弯曲,手高举控制对焦,或手腕弯曲一个不自然的位置。”

显微镜曾经是一种奇异而深奥的科学设备,在 20 世纪,显微镜在地质、生物和医学实验室以及为计算机和消费电子行业制造电子元件和集成电路的工厂中变得司空见惯。随着显微镜使用的增加,对可用性的担忧也在增加。在 1980 年代和 1990 年代,显微镜制造商开始在其仪器中引入符合人体工程学的功能,以使其在长时间使用(每天最多六到八小时)时更安全、更舒适。

图 1 所示为 1980 年代的奥林巴斯 SZ60 体视显微镜,配备了多个售后市场人体工程学配件。为了减轻操作者的姿势,显微镜配备了一组加长的目镜管(另请参见图 3 和图 4)、将观察管置于更接近水平角度的光学楔子以及允许个人用户调整的灵活适配器显微镜的高度。显微镜相邻的是一对倾斜的扶手,无需从实验室工作台上卸下扶手即可调整显微镜SZ60 是在立体显微镜对焦控制装置安装在机架高处的时期设计的,并且需要大量的前臂运动来持续调整对焦。此外,通过旋转显微镜主体中央部分的大滚花环来改变放大倍率。这个环包含几对可以增加或减少放大率的伽利略望远镜。长时间操作显微镜需要不断改变焦距和放大倍数,这两者的控制装置都位于离桌面很远的地方。数码摄像机系统通过售后适配器连接到显微镜使用相机操作显微镜使操作员能够在计算机显示器上而不是通过显微镜目镜构图和聚焦图像,从而潜在地减少眼睛疲劳。长时间操作显微镜需要不断改变焦距和放大倍数,这两者的控制装置都位于离桌面很远的地方。数码摄像机系统通过售后适配器连接到显微镜使用相机操作显微镜使操作员能够在计算机显示器上而不是通过显微镜目镜构图和聚焦图像,从而潜在地减少眼睛疲劳。长时间操作显微镜需要不断改变焦距和放大倍数,这两者的控制装置都位于离桌面很远的地方。数码摄像机系统通过售后适配器连接到显微镜。使用相机操作显微镜使操作员能够在计算机显示器上而不是通过显微镜目镜构图和聚焦图像,从而潜在地减少眼睛疲劳。

基本人体工程学

人体工程学关注的是在人与他们所做的事情、他们使用的物品以及他们生活、工作、旅行和娱乐的环境之间找到更好的契合点。

人体工程学是人体解剖学、生物力学和生物学在物体、系统和环境设计中的研究和应用。也称为人体工程学人为因素,它是一门相对较新的科学分支,成立于 1949 年,在第二次世界大战期间受到新技术发展的排斥。在此期间,很明显,为了安全有效地使用,新技术和新产品需要考虑到人类和环境因素。在过去的 50 年里,人体工程学已经得到广泛应用,从工厂工作和信息系统到家庭、运动和休闲,几乎生活的方方面面。

在工作场所,人体工程学的目标是通过使日常和重复性任务更舒适、更容易执行来提高效率、质量和工作满意度。这通过降低疲劳系数和减少人为错误来减轻生理和心理压力。在某些工作中,特别是在核工业和化学工业以及交通运输(例如,空中交通管制)中,人为错误的成本可能是灾难性的,造成数百人受伤或死亡或导致广泛的环境灾难。


报告医疗问题的显微镜操作员的百分比
解剖
位置
员工
百分比
脖子50-60
肩膀65-70
返回(总计)70-80
下背部65-70
下臂65-70
手腕40-60
手和手指40-50
腿脚20-35
眼睛疲劳20-50
头痛60-80
表格1

然而,对于绝大多数工作而言,主要受到影响、遭受不适、受伤或完全残疾的个体工人被归类为与工作相关的肌肉骨骼疾病(MSD或 WMSD)。MSD 是影响肌肉、神经、肌腱、韧带、关节、软骨和/或椎间盘的医学病症。MSD 有多种名称(和首字母缩写词)。该术语包括重复性劳损和重复性压力损伤 ( RSI )、累积性创伤障碍 ( CTD)) 和过度使用综合症,尽管这些是总称,并不特别指任何 MSD。特定 MSD 的一些例子是腕管综合征、肌腱炎、神经节囊肿和腰痛。MSD 的一般警告信号是疲劳、僵硬、持续灼痛或疼痛、协调性降低以及手握力丧失。

许多研究已经确定以下人体工程学风险因素最有可能导致或促成 MSD:力、重复、尴尬的姿势、静态姿势、振动、接触压力和低温。在这些风险因素中,用力(特别是用力的用力)、重复和笨拙的姿势最常与严重 MSD 的发生有关。

暴露于一种符合人体工程学的风险因素可能足以导致或促成 MSD。大多数情况下,符合人体工程学的风险因素共同作用会造成危险。具有多个风险因素的工作更有可能导致 MSD,具体取决于暴露于每个因素的持续时间、频率和/或程度。考虑人体工程学风险因素对导致或促成 MSD 的综合影响,以及它们各自的影响,这一点很重要。

在过去的几十年中,人体工程学已成为工作场所中越来越重要的话题。工人的体能与其工作的体力需求之间的不匹配会导致 MSD。在美国,每年有 180 万工人报告与工作相关的 MSD,例如腕管综合征、肌腱炎和背部受伤。大约 600,000 例 MSD 严重到需要请假来恢复,有时甚至需要手术干预。有证据表明,每年还有 180 万个 MSD 未被报告。

据估计,MSD 每年的成本高达 500 亿美元。雇主仅支付工人赔偿费用就达 15 至 180 亿美元;每三美元花在工人赔偿上的一美元用于与 MSD 相关的索赔。这不包括数十亿美元的医疗费用和与工伤相关的隐性费用。最近报告的 MSD 增加表明雇主应该警惕创造有利于健康和高生产力的工作环境。

显微镜人机工程学

人体是一种生物力学奇迹,可以适应和适应各种姿势和活动。保持健康、保养良好的身体的关键词是“活动”。当人体不断移动或改变位置时,它才能发挥最佳功能。

连续坐或站几个小时,弯腰看显微镜目镜并不是身体非常适合的活动。显微镜工作需要将头部和手臂保持在向前的位置,并以圆肩朝向显微镜倾斜,这种姿势会刺激软组织,如肌肉、韧带和椎间盘。如果把脚放在很多实验室凳子常见的环形搁脚板上,位置就更夸张了。

不良姿势和笨拙的姿势是 MSD 的主要风险因素,会影响全职显微镜工作者,他们经常会感到颈部、手腕、背部、肩部和手臂疼痛或受伤。长期使用显微镜也记录了眼睛疲劳、腿部和足部不适。在半导体行业,显微镜技术人员是导致与工作相关的医疗问题的第二大原因,其次是维修工人,传统上他们的工伤率很高。一项针对细胞技术专家的区域调查发现,70% 以上的人报告有颈部、肩部或上背部症状,而 56% 的人手部和手腕症状的发生率增加。

其他研究表明,所有领域中大约 80% 的显微镜师都经历过与工作相关的肌肉骨骼疼痛,20% 的人因为与显微镜使用相关的医疗问题而错过了工作。细胞技术人员 5 到 10 年的辍学率相当高,部分原因是长时间通过显微镜检查标本导致身体不适。表 1 列出了文献中报告的与长期使用显微镜相关的医疗投诉的百分比范围。大多数报告的问题发生在颈部、背部、肩部和手臂,少数显微镜专家报告手腕、手、腿、脚和眼睛不适或受伤。

许多这些情况可以避免或至少减轻。1990 年代杜克大学医学中心的两项研究表明,在使用新的符合人体工程学设计的显微镜或什至经过改进以更好地适应用户的传统显微镜时,人们的不适感会减少。无论哪种情况,适应性都是提高舒适度的关键。可以适应个人用户的显微镜,而不是强迫用户适应显微镜,更舒适,引起的问题更少。

被认为是造成这些问题的因素是头部倾斜度高达 45 度,上背部倾斜度高达 30 度,手臂和手的姿势笨拙,以及重复运动。需要显微镜师长时间坐在尴尬位置的不适应工作站也会导致疲劳和 MSD。

正确的显微镜姿势

探索新的符合人体工程学的显微镜设计如何帮助操作员根据身高采取更正确的坐姿观察姿势。

入门教程

使用传统显微镜的主要人体工程学因素是观察标本需要用户保持颈部弯曲的姿势,而手必须保持在相对固定的位置。从生物力学的角度来看,即使是与垂直方向保持 30 度的轻微倾斜也会产生明显的肌肉收缩、肌肉疲劳和疼痛。此外,据记载,当颈部过度伸展这个量时,可能会发生神经紧张。手的重复运动和手臂放在坚硬表面上的接触压力会导致疼痛和神经压迫,导致重复性压力损伤和/或腕管综合征。

最近的研究表明,为了允许更中性的直立工作姿势,光路(从目镜到被观察标本的距离)应该在 45 到 55 厘米(18 到 21.5 英寸)之间的范围内。目镜与桌面水平面的夹角不应超过 30 度(图 2)。然而,大多数较旧的显微镜的光路长度要短得多(25 到 30 厘米或 10 到 12 英寸),目镜与水平面成 60 度角。

这种配置给用户带来了两难境地。如果将显微镜升高到足以防止颈部弯曲的高度,则用户将被迫将手腕弯曲到不自然的位置。如果降低显微镜以使载物台处于更中立的位置,前臂与地板平行,则颈部被迫弯曲。大多数工人通过在两种极端姿势之间找到一些“快乐的媒介”来弥补这一点,从而导致颈部、肩部、前臂、手腕和手部的不适。

眼睛疲劳可能是显微镜操作员的另一个主要问题,尤其是当他们因近视或远视或散光而导致视力不佳时。大多数显微镜目镜上提供的屈光度调整可用于补偿轻微的聚焦问题(近视和远视),但有中度至重度散光的显微镜工作者在通过目镜观察标本时应戴眼镜。为了适应眼镜观察所需的较长眼点,制造商提供专门的高眼点目镜。通过使用在计算机监视器或电视屏幕上显示标本的摄像机系统,可以缓解在长时间使用显微镜期间出现的许多眼睛疲劳问题。事实上,许多未来的显微镜设计可能会完全取消目镜,用 CCD 或 CMOS 图像传感器代替经典的观察管。数字成像芯片将与一个复杂的软件分析包相结合,控制图像捕获和存储、数字处理以及其他功能,如延时电影显微摄影和实时视频电影。

确保显微镜图像尽可能明亮、清晰和清晰也有助于减少眼睛疲劳和相关的头痛。培训操作员正确对准显微镜灯和光路以优化图像质量非常重要。无论是通过目镜还是在计算机显示器上观察图像,都是如此。许多较新的显微镜通过使用具有更大视场光阑的目镜来扩展视场。结合具有更高数值孔径值、更好的像差校正和更长的工作距离的物镜,所产生的图像显示出大量的标本细节,清晰且具有从边缘到边缘的平坦视野。这些因素减轻了视觉搜索微小样本细节的负担,

一些公司现在生产允许修改传统显微镜以更好地适应个人用户的适配器(图 1 到 4)。镜筒延长件可以增加目镜和舞台控制器之间的距离,而光楔可以提供更大的可调角度范围,介于 30 到 80 度之间。售后显微镜支架允许升高和旋转仪器以增加舒适度。

显微镜可用性问题的最新解决方案是显微镜制造商将人体工程学特征结合到现代设计中。尽管这些型号在最初开发时对于绝大多数实验室来说价格高得令人望而却步,但人体工程学功能正日益成为所有价格范围内新显微镜型号的标准配置。

在杜克大学进行的另一项研究与一组在工作中使用传统显微镜的细胞技术专家一起检查了新的人体工程学设计,他们对使用该设备有各种抱怨。该研究取代了工作人员使用的传统蔡司模型显微镜,采用符合人体工程学设计的现代实验室显微镜,具有倾斜和伸缩头、可选的眼平提升管、单手对焦控制和在线对焦。切换到符合人体工程学的设计后,用户的颈部和肩部区域明显更加舒适,这表明重新设计显微镜时考虑到姿势和易于操作将有助于减少长时间使用带来的不适。该研究还表明,眼睛疲劳和中背部不适的症状有所减轻,虽然没有达到统计显着的程度。消除或减少眼睛疲劳最容易通过为显微镜配备数字摄像机来实现,该摄像机在电视屏幕或计算机显示器上显示样本图像。如前所述,这允许有近视和散光等眼部问题的操作员在检查标本时舒适地佩戴眼镜。

新的显微镜设计

显微镜制造商在加快人体工程学发展步伐方面发挥了重要作用,其新设计采用了最新技术,可缓解操作员疲劳并减少压力水平和相关的健康问题。显微镜大致可分为四类:体视显微镜、正置复合显微镜、反射光显微镜和倒置显微镜每个班级都是为特定类型的观察而设计的,每个班级都有自己独特的人体工程学要求,尽管有许多共同的属性。最重要的功能是操作员控制、姿势边界、眼睛水平调整、载物台放置、仪器主体和支架刚度以及样品处理。以下各节将针对每个显微镜类别详细讨论所有这些规格。

立体显微镜

体视显微镜是显微镜市场的最大部分,占显微镜总销售额的 50% 左右,是许多符合人体工程学的新功能的重点。每年有超过 20,000 台这些无处不在的流行仪器出售给教育工作者、研究人员和工业制造商。传统上,立体显微镜的主体和眼管安装在一根长柱上,可以检查和操作具有广泛尺寸的标本。体视显微镜中的目镜固定到位,通常与水平工作台成 45 到 60 度角,聚焦旋钮安装在靠近立柱架的机身高处。这种设计有许多显着的人体工程学缺陷,多年来对操作员的创伤造成了严重的损失。

体视显微镜设计的最新进展已经解决了制造商面临的许多人体工程学问题,这些制造商雇用了大量技术人员,这些技术人员花费很长时间用这些流行的显微镜检查和操作标本。主要集中在目镜管倾角和管子相对于实验室台面的高度。当前显微镜设计中的倾角已被修改,包括低眼平管和倾斜管,它们提供了广泛的调整,以满足跨越大范围身体尺寸和高度的操作员的需求(图 2 到 4)。这些重新设计的眼管可以让显微镜观察者无论是坐着还是站着都可以舒适地观察,并且可以使用眼平提升器、中间管、和摄影端口,而不会影响操作员的舒适度。结合具有高视点、屈光度调节和大视场数的先进目镜,现代立体显微镜观察端口在人体工程学设计方面取得了重大进展,并在减少医疗事故的情况下提高了效率。

最近的立体显微镜设计中融入了另一个符合人体工程学的功能,包括降低聚焦旋钮的位置,以确保快速、准确和轻松地聚焦标本。位于操作员容易够到的地方,降低的调焦旋钮无需在调整显微镜焦距时扭动肩部。仅此一项功能就显着改善了立体显微镜的操作,特别是对于必须检查需要不断调整焦点的大型复杂物体的技术人员。

图 5 展示了由奥林巴斯设计的最新型号、最先进的立体显微镜 SZX。该仪器具有降低的聚焦旋钮、眼睛水平升高中间件和符合人体工程学的倾斜目镜管,以提高用户舒适度并减少与显微镜操作相关的疲劳和压力。该显微镜还提供许多附件,包括符合人体工程学的 1x 物镜,可让操作员控制眼睛水平位置,以及可进一步修改视角的加长目镜筒。目镜具有可调节的屈光度范围,并采用高视点制成,以减轻在显微镜下观察标本时戴眼镜的负担。

专为体视显微镜设计的全新符合人体工程学的辅助物镜允许操作员自由调整焦距以满足座位要求,从而有助于建立正确的眼睛水平位置。具有多种照明功能的流线型显微镜底座还使操作员能够在将手臂放在自然位置的同时操作标本。更长的工作距离物镜提供出色的像差校正、高数值孔径和改进的光传输,进一步增加了操作员的舒适度并减少了疲劳。

传统的正置复合显微镜

继体视显微镜之后,正置复合显微镜占据了最大的市场份额,每年销售量达数千台。这些显微镜的设计在人体工程学因素方面也受到了制造商的极大关注。新功能列表中包括单手载物台和焦点控制、最佳眼睛水平定位(图 2)、低调载物台和刚性仪器主体标准,所有这些都有助于操作员在检查标本时保持无应变的姿势。

或许新型复合显微镜设计的最重要特征是将载物台平移和聚焦控制旋钮定位在与操作员等距的配置中(图 6)。这允许双手舒适地放在桌面上,从而获得更放松的姿势。此外,操作员不再需要扭动肩膀来同时操作载物台和聚焦控制,从而大大减少了与长期观察相关的压力。其他常用的显微镜控制装置,如视场光阑、光强度电位计和自动照明显微摄影预设开关,位于显微镜底座的前面,桌面高度,操作员容易够到(详见图 6) . 按钮式过滤器接合杆也位于主控件附近,以进一步提高操作便利性。许多显微镜都配备了重新聚焦挡块,允许快速更换样品并立即返回焦点。此外,粗调焦张力控制允许操作员自定义 z 方向平台平移的动作,以满足个人喜好。一些显微镜还提供可拆卸的精细聚焦旋钮,可以安装在仪器的任一侧以满足操作员的喜好,有些旋钮带有涂层以增强牵引力,只需一个手指即可轻松操作。粗调焦张力控制允许操作员自定义 z 方向平台平移的动作以适应个人喜好。一些显微镜还提供可拆卸的精细聚焦旋钮,可以安装在仪器的任一侧以满足操作员的喜好,有些旋钮带有涂层以增强牵引力,只需一个手指即可轻松操作。粗调焦张力控制允许操作员自定义 z 方向平台平移的动作以适应个人喜好。一些显微镜还提供可拆卸的精细聚焦旋钮,可以安装在仪器的任一侧以满足操作员的喜好,有些旋钮带有涂层以增强牵引力,只需一个手指即可轻松操作。

在最近的仪器设计中,降低的载物台组件的高度范围约为 5 到 8 英寸,远低于以前显微镜上的高度。许多还包含节省空间的双滑轮或滑轮和导杆系统,取代旧的齿条和小齿轮机构以控制平台运动。某些型号具有聚焦调整功能,可平移物镜转换器而不是整个载物台,以保持载物台高度恒定,从而减少移动载物台或更换标本所需的前臂运动量。更先进的设计消除了从载物台侧面伸出的 x 向导轨,从而减少了对聚焦动作的干扰。现代载物台的旋转运动通常超过 200 度,有些甚至可以绕显微镜光轴旋转 250 度以上。任何花时间为在胶片上或通过数字成像捕获图像的显微镜师都会欣赏这种先进的功能,它不仅可以节省时间,而且可以消除相当多的挫败感。

在一些最新的显微镜设计中,目镜筒角度几乎可以无限调节(图 2 和图 4)。除了 25 到 40 度之间的倾斜范围外,一些双筒望远镜还具有伸缩调节功能,使目镜能够在 30-50 毫米的范围内前后移动,以适应操作员的需要。显微镜可以安装眼平提升块以增加目镜管的高度,有些还带有眼点调节器,它使用旋转关节来增加或减少相对于桌面的视点位置的高度(图 4)。结果是几乎每个显微镜师,无论大小和高度,都可以直视目镜而无需倾斜头部,设计上的显着改进可确保舒适的工作位置。即使在几个小时的观察后姿势不可避免地发生变化时,也可以调整眼点以匹配新的位置并减少疲劳。现代目镜中的简单屈光度和瞳距调节也有助于减少操作者的不适感,某些型号中直径减小的目镜镜片有助于眼窝较深的操作者进行观察。

大多数新的显微镜设计都采用了预居中的照明器,可以快速更换灯泡,有些甚至具有预居中的聚光镜。这些元件使操作员能够专注于样品观察,同时最大限度地减少灯泡故障后重新配置显微镜的干扰。此外,一些物镜是强度均衡的,以减少更换物镜时调整照明强度的必要性,从而消除旋转物镜时因光强度突然变化而引起的不适。降低物镜转盘的设计还可以在更换目标时让手臂靠在桌面上,从而减少操作员的疲劳。

现代显微镜在计算机辅助工程 ( CAE )的帮助下设计,以实现高抗振性和结构刚度,以确保这些仪器在峰值光学水平下运行。振动和底座变形会导致图像质量下降,这表现为显微照片和/或数字图像质量不佳。这也是显微镜专家想要尽可能捕捉最佳图像而导致疲劳和沮丧的主要原因。总体而言,当今立式复合显微镜的新人体工程学特征能够在长时间观察的情况下将压力和疲劳降至最低,从而提高显微镜师的性能和效率。

反射光显微镜

在蓬勃发展的半导体行业中,工业反射光宽场和共焦显微镜作为过程监控和质量控制工具正变得越来越流行。参加晶圆组装厂工作站监视器的操作员通常每天要花费多达八个小时来检查集成电路是否存在缺陷、掩模对准不当和工艺错误。开发这些显微镜最重要的是先进的光学系统,可提供卓越的照明、更大的焦深、高度校正的物镜和对比度增强的光调节器。这些仪器通常配备专门为快速操作不同尺寸的晶片而设计的专用载物台(图 7)。为了增加稳定性,

半导体行业已采用多项标准(SEMI S2-93A 和 S8-95) 为设计用于晶圆制造厂的显微镜提供安全和符合人体工程学的功能。对这些仪器的要求包括位于低且靠近操作员的控制和旋钮,同时将眼点设置在适当的高度以实现舒适的操作。制造商设计的显微镜具有位于底座、载物台下方和操作员正前方的聚焦、照明和物镜控制装置,或位于可方便定位的单独键盘中。这些功能最大限度地减少了手部移动并实现了“盲”操作,从而减少了寻找调整旋钮或手动旋转物镜的干扰。此外,大多数型号都将目镜移到显微镜的前部位置,在那里它们更靠近操作员,允许更直立的坐姿。最新的显微镜配备倾斜目镜筒,可在 0(水平)到 45 度的范围内连续调整倾斜角,以便在最佳视点水平进行观察。一些型号还具有伸缩管,使操作员能够将观察位置移近或远离显微镜主体,有些甚至包含成像棱镜。在操作员必须以站立姿势检查晶圆的情况下,这些特征很重要,因此会更容易疲劳。一些型号还具有伸缩管,使操作员能够将观察位置移近或远离显微镜主体,有些甚至包含成像棱镜。在操作员必须以站立姿势检查晶圆的情况下,这些特征很重要,因此会更容易疲劳。一些型号还具有伸缩管,使操作员能够将观察位置移近或远离显微镜主体,有些甚至包含成像棱镜。在操作员必须以站立姿势检查晶圆的情况下,这些特征很重要,因此会更容易疲劳。

现代工业显微镜的设计也发生了阶段演变。许多具有定制晶圆和掩模支架,可直接连接到手动操作或电动载物台,或允许显微镜与晶圆装载器连接。载物台控制也一直是人体工程学考虑的重点,许多半导体显微镜中的 xy 精细移动转换器不随载物台移动。取而代之的是,它们以较低的位置靠近显微镜的前部放置,这样操作员就可以在不抬起手臂的情况下控制运动。这些控件也位于对焦、照明和物镜旋转按钮附近,使显微镜可以用一只手操作。此外,

其他功能,如电动物镜转换器、倾斜呼吸罩、远程对焦手柄和慢速拨盘,简化了工业显微镜的操作。高端型号在物镜旋转时具有照明消隐功能,以保护操作员的眼睛免受强光闪烁。反射光共焦显微镜和宽场显微镜上的远程键盘现在可以控制落射偏振器旋转、孔径光阑开口尺寸、落射/透射照明选择、焦点、载物台位置和观察模式选择。总之,这些符合人体工程学的考虑极大地提高了半导体检测操作的效率,同时降低了长时间在显微镜下工作所带来的健康风险。

倒置显微镜

在过去的十年中,荧光显微镜和电生理学向生物医学研究的前沿发生了戏剧性的转变。在这方面,用于检查和操作培养细胞和组织的倒置显微镜同时获得了符合人体工程学的功能,以提高操作员的舒适度并减少疲劳。常用的控制元件,例如焦点、照明强度、光路方向和载物台平移,已移至这些仪器的前端,以提高操作效率并最大限度地减少操作员的压力和应变。

像其他现代设计一样,倒置显微镜配备了可调节的目镜筒,允许操作员相对于桌面在很宽的范围内改变视点高度。在许多显微镜上,管子还可以在 90 度以上的范围内旋转,以增加标本检查和操作的灵活性。额外的观察镜筒配件包括辅助放大镜和伯特兰镜头(用于相位环对齐),部分型号配备了限光快门和内置照片标线。

倒置显微镜上的载物台经过重新设计,可提供较低的高度,并为孵化器、大型培养容器、体外受精显微系统、电生理学附件和膜片钳配件提供充足的空间平移手柄通常安装有万向节,以允许在扫描样品的同时进行聚焦操作。在载物台下方,更大的物镜转盘间隙和旋转把手使操作员能够更快速有效地识别和旋转物镜。这些功能的组合有助于减少操作员因延长观察期而导致的 MSD 投诉。

高端研究倒置显微镜的其他常见功能包括倾斜照明柱、附件的螺纹安装孔以及聚光镜/载物台重新聚焦挡块组合。在倒置显微镜上,支柱支撑着一个长工作距离的聚光镜,通常还有一个用于明场、暗场、相衬和微分干涉对比照明的卤钨灯箱。一些显微镜配备了一个可拆卸的支柱,该支柱也可以向后倾斜 45 度,以便安装显微操作设备或在不升高聚光镜的情况下更换样品。这些功能减轻了复杂和重复的显微镜重新配置的负担,并且是比以前型号大大改进的人体工程学设计。重新聚焦挡块允许操作员快速降低粗略运动以更换样品并返回到准确的焦点。同样,聚光镜重新聚焦挡块消除了操作员手动将聚光镜更换到正确焦点位置的需要。设置好后,挡块可以快速更换样品,并快速返回到预设的聚光镜焦点。

当前的倒置显微镜机身现在比以前的同类产品更坚固、更重。这极大地减少了振动,并为标本的检查和操作以及延时电影显微摄影、数字成像和显微摄影技术的利用提供了长期稳定性。总的来说,倒置显微镜上的新人体工程学特征在缓解长时间在显微镜下引起的疲劳方面取得了长足的进步,同时提高了花费无数小时研究生命奥秘的显微镜工作者的效率和健康。

适用于旧款显微镜的售后人体工学产品

许多旨在提高显微镜可用性的售后产品现在可从各种制造商处获得。这一符合人体工程学设计的新附件包括用于双目观察头的加长眼管(图 3)、扶手、眼睛水平高度扩展器、便于观察标本的透镜微阵列(图 9 和 10)、数字显示屏、波纹管型机身扩展(图 8)、光楔和无目镜数字成像视频系统。

加长的眼管(图 1 和图 3)比传统型号长得多,使操作员能够离开工作台,同时在延长的观察期间保持更有支撑的中立姿势。观察管的长度可达 90 毫米,非常适合放置在机器附近、加热台、焊台或通风橱中的显微镜。此外,加长的管子提供了近 2 倍的额外放大倍数,以补偿伴随长工作距离物镜而导致的放大倍数下降。一些型号还提供更大的瞳孔间调整(高达 90 毫米以适应所有用户),并且旨在在整个观察管的工作角度范围内保持齐焦性和真正的光学对准。

一种有用且易于调整的产品是光楔,它增加了眼睛水平高度配置的灵活性。该附件位于双目镜头和显微镜主体之间,以提供更大的视角调整和增加操作员的舒适度。光楔可以耦合到灵活的身体延伸适配器(图 1 和 3),以提供更广泛的目镜高度调节,从而允许显微镜师采取更中性的姿势。锁定旋钮用于改变适配器高度,大多数此类装置允许观察管从一侧旋转到另一侧,以增加显微镜配置的灵活性。

显微镜定位板也可用于将显微镜升高、降低或倾斜到符合操作员身体尺寸的人体工程学要求的位置。这些设备包括一个可调节的底板,使显微镜师能够将仪器高度提高 1.5 到 4 英寸,并且可以添加堆叠板以达到更高的高度。定位板上的单个支腿可调节,以允许显微镜倾斜,并在仪器高度和视角方面提供高精度。

增加视野和观察者眼睛到显微镜的距离已成为越来越多售后产品的目标。利用透镜阵列技术,Vision Engineering 推出了一种名为Isis的新型符合人体工程学的附件,可通过插入标准观察管对现有显微镜进行改装(图 9)。该产品将眼睛与目镜的有效距离增加到约38-40毫米,扩大瞳孔图像,为操作者提供更大的头部运动自由度和更好的姿势。制造商还声称,Isis 减少了飞蚊症的干扰,飞蚊症会在视野内移动,并通过在明亮的照明下观察标本而变得更加突出。

透镜阵列技术基于旋转光盘,该光盘包含数百万个微小的单独微透镜(称为透镜),当磁盘以高速旋转时,这些微透镜协同作用以扩大焦深和视野(图 10)。透明圆盘的直径约为 15 毫米,以透射或反射模式使用以增强观察效果。每个单独的微透镜大小约为 70 微米,但当磁盘以高达 3,500 转/分钟的速度旋转时,它们会合并以提供平滑的图像。

透镜阵列技术更先进的应用体现在显微镜设计中,使用观察头代替目镜(图 11)。这种方法首先应用于体视显微镜,它取代了位于显微镜主体顶部的透镜阵列驱动屏幕,以允许操作员在视角和距离上拥有更大的自由度。戴眼镜的操作者可以很容易地长时间查看标本,而不会因摘下眼镜时反复重新聚焦而感到不适。这些显微镜的设计还考虑到了人体工程学标准,并在底座较低的位置进行了聚焦、变焦和照明调整,以便于操作。

如前所述,另一种不需要目镜或透镜阵列的新技术替代 CCD 或 CMOS 图像传感器来捕获图像并将其显示在计算机显示器上。尽管使用当前的仪器只需添加一个数码相机系统即可轻松实现这种配置,但无目镜显微镜配有有助于图像捕获的软件包,并具有多种应用程序,例如多种文件存储格式、数字图像处理软件和延时摄影。这些系统的多功能性应该可以缓解与长期使用显微镜相关的疲劳和压力,并通过增强的软件功能提高操作员的效率。

显微镜光学元件正确对准的重要性怎么强调都不为过。照明不足、镜头伪影导致的图像劣化、滤镜使用不当和其他错误不仅会导致图像质量下降,还会增加成像标本的应变。每个操作员都应接受正确使用显微镜的全面培训,包括灯的转换和对中、光学对准、正确的过滤技术和图像捕获。

预防

一方面,大卫布鲁斯特爵士是绝对正确的。通过显微镜垂直向下观察是进行观察的“所有位置中最糟糕的位置”。他提出的显微镜学家应该仰卧的建议可能并不完全可行,但它确实抓住了一个基本事实。如果身体处于中立姿势,它可以长时间保持静止姿势——这种姿势无需协同努力或扭曲即可保持。中性的身体姿势对于长时间在显微镜下高效工作至关重要。

并非每个人都能够购买符合人体工程学设计的新显微镜或工作站。对于传统的显微镜工作站,改进人体工程学的关键是找到修改它们以适应用户的方法,而不是强迫用户进入尴尬的位置。

以下是在使用显微镜时实现和保持中立身体姿势的一些基本指南:

  • 眼睛——目镜应该放在眼睛正下方,眼睛向下看,与水平面成 30 到 45 度角;应调整双目目镜的两眼间距,以保证双眼对焦舒适。

  • 颈部——颈部和头部应尽量少弯曲,最好在水平线以下不超过 10-15 度。

  • 背部 - 个人应坐直,整个身体略微前倾,下背部和肩胛骨由椅子和/或腰部支撑垫支撑。长时间坐着会给下背部带来过度的压力,这可以通过适当的支撑来缓解。

  • 手臂/手腕 - 上臂应垂直于地板,肘部靠近身体(不要张开或伸出),前臂平行于地板;手腕应该是直的。

  • 腿——双脚应牢固地放在地板或脚凳上,椅子应均匀地对大腿后部施加压力。

为了进一步降低人体工程学风险因素:

  • 培养姿势意识。坐着时尽量保持下背部的自然曲线。如有必要,使用额外的腰部支撑。

  • 如果实验室凳子上的脚环太低,请将其升高以保持椅背支撑下背部。通常,实验室工作台腿井被用作很少使用的设备和额外用品的存储设施。清理这个区域,这样坐在长凳上时腿和脚就不会受到阻碍。

  • 不要前倾通过显微镜观察。相反,调整椅子、工作站或显微镜的位置,以保持背部挺直和头部直立。目镜应与工作台边缘对齐,甚至延伸到工作台边缘。

  • 如果显微镜太低,请在其下方放置一本书将其抬高,或者使用原始设备制造商 ( OEM ) 或售后配件修改配置以保持头部直立。如果显微镜的眼睛水平升降器不容易获得,请使用三环活页夹来倾斜显微镜,以便将目镜放置在更合适的角度。对于长期解决方案,请购买合适的 OEM 或售后支架,或者在当地建造一个足以满足此目的的支架。

  • 调整显微镜、长凳或椅子的高度,以避免弯曲或伸展颈部,或将下巴向前突出。如果站立,操作员应在显微镜工作站安装抗疲劳垫,以减轻脚、腿和腰部的负担。

  • 检查座椅平台的倾斜度和高度,以沿大腿后部保持均匀的压力。在可能的情况下,使用工业高度的脚凳以获得更好的姿势和位置。这允许操作者在臀部而不是颈部、背部和肩部向前弯曲。

  • 通过添加带衬垫的边缘保护装置,避免前臂搁在锋利的长凳或反边缘上产生接触应力。在手臂与工作台分开(抬起)的情况下长时间操作聚焦和舞台控制会导致静载荷疲劳,这可以通过适当的支撑来减少,例如带衬垫和倾斜的扶手。此外,如果实验室布局允许,使用切出的工作台或带有凹顶的实验室工作台可以让操作员展开并更有效地使用显微镜观察和操作所需的辅助设备。

  • 确保显微镜光学系统配置正确,照明源对齐并以最佳方式运行。调整目镜瞳距、屈光度设置,并检查齐焦度。目镜与观察者眼睛的距离应大致相同,而不是一个比另一个更近。眼点应足够低以完全填满视野,但要足够远以避免目镜与睫毛接触。如果目镜没有正确聚焦,眼睛往往会进行补偿,从而导致头痛和眼睛疲劳加剧。购买可产生平面视场的平面校正物镜。具有显着场曲的显微镜难以使用,尤其是长时间使用时,在此期间,操作员必须不断地重新聚焦标本以检查整个视野。过度的显微镜照明会导致令人不舒服的高亮度和对比度,通过适当调整灯电压和聚光器孔径可以轻松降低这种情况。这些因素中的任何一个都可能是导致眼睛疲劳的原因。

  • 戴眼镜的操作者可以调整目镜以适应近视和远视,但条件更严重的操作者应该去看配镜师,以确定他们是否适合使用显微镜进行长时间的观察。目镜屈光度的简单调整不能纠正散光和其他一些更严重的视觉困难。在极端散光和融合不足(眼睛协调性差)的情况下,操作员可能需要数字视频设备和计算机显示器或电视屏幕的帮助来增强或更换目镜。

  • 检查实验室环境是否有来自头顶荧光灯的过度眩光和反射,并调整外部和内部显微镜光以补偿这种伪影。

  • 温度、湿度、气流、通风、过度噪音和环境照明水平等其他环境因素也会影响操作员的舒适度和疲劳度,尤其是在长时间内。尽可能调整这些变量,使实验室环境尽可能舒适。标称温度范围在 19 到 23 摄氏度(66 到 73 华氏度)之间,理想的相对湿度平均在 40% 到 60% 之间。低湿度条件会导致眼睛干燥,从而进一步加剧眼睛疲劳。

  • 显微镜下的定期休息(每小时 5 到 10 分钟不等)对于减轻疲劳至关重要,尤其是对于在显微镜工作站工作 6 到 8 小时轮班的操作员而言。眼睛、颈部和肩部的定期休息使操作员可以长时间工作而不会受到与压力相关的伤害。在这些休息期间进行弯曲、弯曲、旋转、伸展和伸展运动通常有助于减轻压力,并且从长远来看将极大地有益于操作员的健康。事实上,一些公司已经在短暂的休息期间实施了例行锻炼计划。另一种缓解疲劳的机制是定期混合其他职责,以减少显微镜检查的时间。

在评估工作站修改时,应考虑显微镜师在工作站上花费的时间。所有就座工作站的最低要求是良好的座位,如有必要,配有可调节的椅子和脚凳;需要显微镜师站立的工作站应使用抗疲劳垫。椅子应该有一个带有倾斜“落水”边缘的气动可调节座板,一个高度和角度都可调节的靠背,高度可调节的扶手,以及一个带脚轮的五角星形底座。

对于一些坐着的工作站,脚凳可能是合适的。它应该提供稳定性和与地板的牢固接触以及防止脚滑落的表面纹理。它应该很容易调节以适应不同的用户高度,并具有大约 10 度的角度。脚趾应该在脚后跟上方,让小腿肌肉伸展。

基于每天在显微镜上花费的时间的其他建议:

1-2 小时/天

  • 大腿和桌子或柜台之间有足够的间隙(至少 2 英寸),腿部空间没有障碍物。

2-4 小时/天

  • 显微镜稍微向前倾斜或使用楔子、扩展器和/或眼睛水平调整。

  • 适当的手臂支撑,保持四肢靠近身体,前臂平行于地板并靠在工作台上。对于控件位于较高位置的旧显微镜,请使用扶手。

  • 用于工作站或台面的带衬垫边缘可避免手臂上的接触应力。

4-6 小时/天

  • 如果可能,应安装可调显微镜目镜。

  • 如果显微镜总时间的一半以上用于在改变放大倍数(旋转物镜)的同时扭动粗调和细调旋钮,则电动调焦和物镜旋转。

6 小时(或更多)/天

  • 可调显微镜目镜和符合人体工程学的显微镜控制装置。

  • 电动聚焦和物镜旋转。如果配置允许,对聚光镜孔径光阑、照明强度和分束器进行动力控制。

  • 用于检查重复样本的视频监视器或电视屏幕(监视器应放置在操作员的主要视野中)。

  • 可轻松调节的工作台面变量,例如工作台高度、扶手底座角度、观察视线高度和显微镜高度(在多用户工作站环境中必不可少)。

显微镜师还可以从一般的工作场所人体工程学中受益。通过减少或消除高度重复的任务来减轻疲劳,并以 10 到 15 分钟的工作间隔进行 20 到 180 秒的微休息。利用这段时间站立和/或伸展,让眼睛聚焦在远处。必须经常接触的物体应保持足够近,以避免拉伸和拉伤,通常保持在 9-19 英寸的距离内。使用频率较低的物体可以保持 9-25 英寸的距离。

结论

OSHA 正在继续制定新的人体工程学标准,要求雇主评估员工在一般行业工作中面临的人体工程学风险因素。该政府组织估计,如果实施新标准,未来 10 年每年将为雇主节省 91 亿美元,并每年防止 460,000 起报告的 MSD(如果包括未报告的病例,可能会更多)。

OSHA 官员的担忧之一是关于常见 MSD、风险因素和报告症状的重要性的基本信息给必须在显微镜下度过大部分工作日的员工留下了深刻的印象。尽管显微镜制造商现在正在解决许多符合人体工程学的要求,但仍有相当数量的显微镜“在现场”配备很差,无法为工人提供舒适度并减少受伤的发生率。随着时间的推移,这些显微镜将被现代的、符合人体工程学设计的版本所取代,但与此同时,雇主应该关注长期使用显微镜可能引起的潜在医疗问题。如果工人的工作经常涉及暴露于五个已知的人体工程学风险因素中的一个或多个:重复、用力、笨拙的姿势、接触应力和振动,则需要对工作环境进行一些调整。售后配件可用于广泛的显微镜,在此期间可能是大多数旧仪器的答案。但是,最终结果应该是迁移到旨在优化操作员安全性和舒适度的显微镜,同时提供有关光学质量和性能的最新功能。