一种结合体力负荷与认知负荷的手术任务分配方法

1.本发明属于医学技术领域，具体的说是一种结合体力负荷与认知负荷的手术任务分配方法。


背景技术：

2.近年来，外科医生“过劳死”现象频繁发生，受到越来越多的关注。过度疲劳是医生的无形杀手，外科医生由于工作时间长、作息时间不规律、缺乏休息和睡眠的同时还要处理复杂的医患关系，往往会不断地累积疲劳，无法及时得到缓解，最终导致过度疲劳的发生。过度疲劳会加速血栓反应，甚至导致心脏骤停，不仅影响医生的健康，还会增加医生倦怠的风险从而影响医生临床实践时的技术性能，最终导致治疗失败的风险增加。
3.医生在手术过程中产生的疲劳主要来源于两方面：体力负荷及认知负荷。体力负荷是指人体单位时间内承受的体力工作量的大小，工作量越大，人体承受的体力工作负荷强度越大，而工作量一旦超过限度，作业效率就会明显下降。由于患者情况不同，手术过程的时间及难度也不同，医生在完成大量手术任务后会出现血糖降低、氧债增大的情况，导致对特定信号反应速率、正确率、感受能力下降从而导致手术质量下降；认知负荷是表示处理具体任务时加在学习者认知系统上的负荷的多维结构,医生在手术过程中承受的认知负荷主要来自于两个阶段：信息接收阶段及信息处理阶段。医生在手术期间需要时刻保持高度注意力和敏捷的思维，对现有手术部位状态所提供的信息进行处理，做出决策，在此期间会不断产生认知负荷，负荷增长到一定程度会影响工作效率和工作安全同时也会引发倦怠情绪。在手术过程中，体力负荷和认知负荷是同时存在并相互影响的。
4.综上，无论是体力负荷还是认知负荷，一旦超出人体所能承受的负荷范围，就会影响医疗质量。因此，如何综合考虑待分配手术任务的体力负荷和认知负荷并结合医生实时的疲劳状态合理地分配手术任务是目前急需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种结合体力负荷与认知负荷的手术任务分配方法，主要从预测待分配手术任务的体力负荷与认知负荷程度和现有医生实时的疲劳状态两方面进行手术任务的分配，解决了无法合理安排手术任务导致部分医护人员进行手术任务过于频繁而存在慢性疲劳综合征并间接地在不同程度上影响手术质量等问题。
6.本发明为解决上述问题，采取如下的技术方案：
7.一种结合体力负荷与认知负荷的手术任务分配方法，包括以下步骤：
8.步骤1：计算待分配手术任务所产生的体力负荷等级；
9.步骤2：计算待分配手术任务所产生的认知负荷等级；
10.步骤3：计算各个医生的近期平均体力负荷强度级别；
11.步骤4：根据医生近期nasa-tlx主观综合任务负荷评价情况确定各个医生的认知负荷程度级别；
12.步骤5：根据待分配手术任务所产生的体力负荷等级、认知负荷等级以及各个医生的近期平均体力负荷强度级别、认知负荷程度级别分配手术任务。
13.本发明的有益效果为：本发明从体力负荷和认知负荷两个角度对待分配手术任务进行负荷预测，并结合负责该类手术的相关医生近期的平均体力负荷强度及认知负荷程度进行该手术的任务分配，解决了无法合理安排手术任务导致部分医护人员进行手术任务过于频繁而存在慢性疲劳综合征并间接地在不同程度上影响手术质量等问题。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
15.图1为本发明实施例所述的一种结合体力负荷与认知负荷的外科手术任务分配方法的流程图；
16.图2为泪囊鼻腔吻合术流程图。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.在其中一个实施例中，如图1所示，本实施例提供一种结合体力负荷与认知负荷的外科手术任务分配方法，该方法具体包括以下步骤：
19.步骤1：计算待分配手术任务所产生的体力负荷等级；
20.步骤2：计算待分配手术任务所产生的认知负荷等级；
21.步骤3：计算各个医生的近期平均体力负荷强度级别；
22.步骤4：根据医生近期nasa-tlx主观综合任务负荷评价情况确定各个医生的认知负荷程度级别；
23.步骤5：根据待分配手术任务所产生的体力负荷等级、认知负荷等级以及各个医生的近期平均体力负荷强度级别、认知负荷程度级别分配手术任务。
24.进一步的，所述步骤1的具体方法如下：
25.步骤1.1：判断待分配手术任务的相对代谢率(rmr)值；
26.依据手术类型判断术中医生操作动作、负荷和疲劳等方面特征，并与现有资料加以对照比较，即可判断该项待分配手术任务的rmr值，为了消除作业者之间的差异因素，本方法采用相对代谢率衡量劳动强度；
27.步骤1.2：确定待分配手术任务的手术医生平均人体表面积s；
28.依据相关手术医生的性别、年龄、身高及体重分布，并结合现有资料即可确定该种类手术的手术医生平均人体表面积；
29.步骤1.3：确定待分配手术任务的手术医生平均基础代谢率b；
30.依据相关手术医生的性别及年龄分布，并结合现有资料即可确定该种类手术的手术医生平均基础代谢率b数值；
31.步骤1.4：确定执行待分配手术任务的平均时间t；
32.依据以往手术时间即可得到该项待分配手术任务的平均时间；
33.步骤1.5：计算能量消耗量e作为体力负荷值，单位为kj，计算公式如下：
34.e＝(rmr+1.2)
×b×s×
t
35.步骤1.6：确定该项待分配手术任务的体力负荷等级；
36.根据步骤1.5计算得到的体力负荷值在体力负荷等级表(表1)中查找，确定该项待分配手术任务的体力负荷等级，等级a～e代表体力负荷依次加重。
37.表1体力负荷等级表
[0038][0039]
进一步的，所述步骤2的具体方法如下：
[0040]
步骤2.1：确定手术中出现的信息源及其状态数量；
[0041]
根据待分配手术任务的步骤，将手术任务的每一个步骤中所需处理的每一类器官部位所呈现的信息即每个动态信息单元视为一个信息源，并判断信息源状态数量；
[0042]
步骤2.2：确定手术中出现的信息种类及其数量及显示时间(操作时间)；
[0043]
将信息源状态数量及显示时间相同的信息源看作一类信息，依次对信息源进行判断，判断每类信息的显示时间(操作时间)ti,计算信息种类数量(α)，同时计算同种信息中包含的信息源数量(m)；
[0044]
步骤2.3：利用信息熵计算信息处理阶段单个信息源的信息量；
[0045]
使用信息熵来量化单个信息源的信息量，计算方式如公式(1)所示，基于信息熵的可加性原理，通过单个信息源的信息量求和，可以获得整个手术过程信息处理过程的信息量。
[0046]
[0047]
其中，h是手术过程信息处理过程的信息量，n是信息源状态的数量，pi是不同状态下信息源的概率，根据pome，选择信息源的最大不确定性的概率分布作为信息源的每个状态的发生概率，使得信息源的信息量具有最大的客观性。当信息源的每个状态的发生概率相同时，信息源具有最大的不确定性。因此，可以假设如果信息源具有n个状态类型，那么信息源的每个状态的发生概率为p＝1/n，则信息处理阶段单个信息源信息量可进一步表示为公式(2)所示，
[0048]
h＝log2n
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0049]
步骤2.4：确定信息输入阶段视觉行为加权值ω；
[0050]
获取信息时不同的接受方式会产生不同的认知负荷，而采用vacp模型中为28种信息处理行为分配的尺度值作为由视觉、听觉、认知和精神运动行为带来的加权值ω，从vacp模型中得出获取步骤2.2中确定的不同种类信息的每个视觉行为的相应尺度值，从而获得α种信息的ω值；
[0051]
步骤2.5：计算单个信息源综合加权信息熵(信息量)；
[0052]
计算公式如公式(3)所示：
[0053]
h＝ωlog2n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0054]
步骤2.6：计算待分配手术任务所产生的认知负荷值mw，单位为bit/s，计算公式如下：
[0055][0056]
其中，h表示手术过程中综合信息量，t表示信息显示持续时间，ti表示第i类信息的显示时间(操作时间)，ni表示第i类信息中信息源的状态类型数量，ωi表示第i类信息的加权值，mi表示第i类信息中包含的信息源数量，α表示信息种类数量；
[0057]
步骤2.7：根据认知负荷值在认知负荷等级表中查找，确定待分配手术任务的认知负荷等级；
[0058]
依据表2并结合计算得到的认知负荷值判断该项待分配手术任务的认知负荷等级，等级a～e代表认知负荷依次加重。
[0059]
表2认知负荷等级表
[0060]
等级认知负荷值(bit/s)a0.0～0.1b0.1～0.3c0.3～0.6d0.6～1.0e≥1.0
[0061]
进一步的，所述步骤3的具体方法如下：
[0062]
步骤3.1：计算待分配手术任务相关的各个医生近期体力劳动强度指数；
[0063]
各个医生的近期体力劳动强度指数的计算公式如下；
[0064]
i＝t'
×w×r×w×
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0065]
其中，i为体力劳动强度指数；t'为劳动时间率(％)，其为工作日内纯劳动时间与工作日总时间的比；m为8h工作日平均能量代谢率(kj/min
·
m2)，其为某工作劳动日内各类
活动和休息的能量消耗的平均值；r为性别系数，对于男性，r＝1，对于女性，r＝1.3；w为体力劳动方式系数，搬w＝1，扛w＝0.4，推/拉w＝0.05；10为计算常数；
[0066]
步骤3.2：根据体力劳动强度指数在体力劳动强度分级表中查找，确定对应医生的近期平均体力负荷强度级别，其中体力劳动强度分级表如表3所示。
[0067]
表3体力劳动强度分级
[0068]
平均体力负荷强度级别对应劳动体力劳动强度指数ⅰ轻劳动≤15ⅱ中劳动＞15～20ⅲ重劳动＞20～25ⅳ极重劳动＞25
[0069]
进一步的，所述步骤4统计负责该项待分配手术任务的相关医生近期认知负荷程度的具体方法如下：
[0070]
步骤4.1：待分配手术任务的相关医生填写中文版nasa-tlx量表，nasa-tlx量表由心智需求(mental demand)、体力需求(physical demand)、时间需求(temporal demand)、自我绩效(performance)、努力程度(effort)、受挫程度(frustration)6个条目组成，每个条目记0～20分，以1条分为20等分的直线表示，直线的两端分别标示低、高等字样；调查对象即待分配手术任务的相关医生根据各条目的详细解释，得出自己的脑力负荷相对应的水平；
[0071]
步骤4.2：将nasa-tlx量表中的6个条目两两比较，15种排列组合，调查对象选出自己认为与脑力负荷关系更大的一个条目；
[0072]
步骤4.3：计算所得分数的算术平均数，判断医生认知负荷程度级别。
[0073]
进一步的，所述步骤5分配手术任务的具体方法如下：
[0074]
步骤5.1：比较步骤1计算得到的待分配手术任务的体力负荷等级和步骤2计算得到的待分配手术任务的认知负荷等级，选择出要求更为严格的负荷类别；若体力负荷等级相对较高，表示体力负荷要求更为严格，则本步骤选择的负荷类别为体力负荷，若认知负荷等级相对较高，表示认知负荷要求更为严格，则本步骤选择的负荷类别为认知负荷；
[0075]
步骤5.2：在步骤5.1所选择的负荷类别下，对相关医生对应该负荷类别的等级进行由低到高的排序，并按照排序选择出若干名医生，例如按照排序选择出排名前60％的医生；
[0076]
步骤5.3：在步骤5.2选择出的若干名医生中，对各个医生的另一个负荷类别等级进行排序，将待分配手术任务分配给此次排序中等级最低的医生。
[0077]
下面结合泪囊鼻腔吻合术具体实例对本发明的技术方案进行详细说明。
[0078]
慢性泪囊炎是眼科常见多发病，泪囊鼻腔吻合术是其常见的治疗术式。手术前常需对人员、检查和药物进行准备。手术需要一名主刀医生和一名助理医生；需提前了解病人情况对其鼻及鼻窦情况进行检查；手术需要准备抗生素眼液、生理盐水等药物。患者取仰卧位，实行全麻。患者被从术前区域使用推车带到了医院手术室，病人最初以仰卧的姿势接受麻醉诱导和插管，而后再以仰卧位转移到手术台。而后依据手术位置对患者重新进行调整，头部下方垫头圈,头高脚低使头部抬高10至20度并偏向手术侧以利于手术进行，手术的切割表面与医生肘关节水平大体相一致。手术准备工作完成后正式进行手术，如图2所示为泪
囊鼻腔吻合术的手术步骤，分别为：鼻黏膜瓣制作、骨窗制作、泪囊瓣制作。
[0079]
在本具体实施方式中，一种结合体力负荷与认知负荷的外科手术任务分配方法，包括以下步骤：
[0080]
步骤1：计算待分配手术任务所产生的体力负荷等级，该步骤具体包括：
[0081]
步骤1.1：判断待分配手术任务的相对代谢率(rmr)值；
[0082]
鼻黏膜瓣制作步骤包括：定位泪囊、弧形切开鼻黏膜及止血处理三部分，其rmr值分别为：1.5、1.5、1.5，平均rmr值为1.5；骨窗制作步骤包括：磨薄鼻骨、咬骨钳咬开骨头及骨窗处理，其rmr值分别为：0.75、1.5、0.75，平均rmr值为1.0；泪囊瓣制作步骤包括：切开泪囊、冲洗泪道及对位吻合敷胶，其rmr值分别为：1.5、0.75、0.75，平均rmr值为1.0。因此各个步骤的rmr均值即综合rmr值为1.17；
[0083]
步骤1.2：确定待分配手术任务的手术医生平均人体表面积s，依据统计数据得到s＝1.6m2；
[0084]
步骤1.3：确定待分配手术任务的手术医生平均基础代谢率b，依据相关资料得到b＝152.8kj/(m2·
h)；
[0085]
步骤1.4：确定执行待分配手术任务的平均时间t，依据统计调查得到t＝1h；
[0086]
步骤1.5：计算能量消耗量e作为体力负荷值，单位为kj，计算公式如下：
[0087]
e＝(rmr+1.2)
×b×s×
t＝[(1.17+1.2)
×
152.8
×
1.6
×
1]kj＝579.42kj；
[0088]
步骤1.6：确定该项待分配手术任务的体力负荷等级；
[0089]
对于男性医生，该手术产生的体力负荷等级为b级；对于女性医生，该手术产生的体力负荷等级为c级；
[0090]
步骤2：计算待分配手术任务所产生的认知负荷等级，该步骤具体包括：
[0091]
步骤2.1：确定手术中出现的信息源及其数量；
[0092]
手术步骤制作鼻黏膜瓣包括：定位泪囊、弧形切开鼻黏膜及止血处理三部分，共有6个信息源，详情见表4；手术步骤骨窗制作包括：磨薄鼻骨、咬骨钳咬开骨头及骨窗处理三部分，共有3个信息源，详情见表4；手术步骤泪囊瓣制作包括：切开泪囊、冲洗泪道及对位吻合敷胶，共有4个信息源，详情见表4；
[0093]
表4信息源及其状态统计
[0094]
[0095][0096]
步骤2.2：确定手术中出现的信息种类及其数量及显示时间(操作时间)，统计结果如表5所示；
[0097]
表5信息种类及操作时间统计
[0098][0099]
23)利用信息熵计算信息处理阶段单个信息源的信息量，依据公式(2)可得下表6；
[0100]
表6单个信息源信息量计算统计
[0101]
[0102][0103]
步骤2.4：确定信息输入阶段视觉行为加权值ω；
[0104]
依据vacp模型计算得到此手术中各信息种类权值，如表7所示：
[0105]
表7视觉行为加权值ω
[0106][0107][0108]
步骤2.5：计算单个信息源综合加权信息熵(信息量)；
[0109]
依据公式(3)计算所得结果如表8所示：
[0110]
表8单个信息源加权信息量
420.2ⅲ525.7ⅲ[0122]
步骤3.2：依据各个医生的近期体力劳动强度指数确定对应医生的近期平均体力负荷强度级别，如表9所示。
[0123]
步骤4：根据医生近期nasa-tlx主观综合任务负荷评价情况确定各个医生的认知负荷程度级别，该步骤具体包括：
[0124]
令测试医生分别填写nasa-tlx量表，并计算测试结果，统计负责该手术的相关医生近期认知负荷程度，统计的测试结果如表10所示：
[0125]
表10医生近期认知负荷程度统计表
[0126]
医生序号得分116.7215.9311.7416.5513.7
[0127]
步骤5.1：依据预测得到的待分配手术任务的体力负荷等级及认知负荷等级，选择要求更为严格的负荷类别，在本例中，待分配手术任务的体力负荷等级为b级或c级，认知负荷等级为b级，两类负荷的负荷要求基本相同，可任意选取选择医生的顺序；
[0128]
步骤5.2：在要求更为严格的负荷类别中选取对应负荷等级较低的排名前60％的医生；本例中假设首先选择的负荷类别为体力负荷，然后将各个医生的近期平均体力负荷强度级别按照由低到高的顺序进行排序，按照排序选择出排名靠前的60％的医生，医生序号分别为：2、1、4；
[0129]
步骤5.3：在选择出的序号分别为2、1、4的三位医生中，再对比三位医生的认知负荷程度级别，根据对比结果，将手术任务分配给最低认知负荷程度级别的医生2，由医生2完成该手术。
[0130]
综上，本发明从体力负荷和认知负荷两个角度对待分配手术任务进行负荷预测，并结合负责该类手术的相关医生近期的平均体力负荷强度及认知负荷程度进行该手术的任务合理分配，解决了无法合理安排手术任务导致部分医护人员进行手术任务过于频繁而存在慢性疲劳综合征并间接地在不同程度上影响手术质量等问题。
[0131]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明的保护范围并不局限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0132]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0133]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

技术特征：
1.一种结合体力负荷与认知负荷的手术任务分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：计算待分配手术任务所产生的体力负荷等级；步骤2：计算待分配手术任务所产生的认知负荷等级；步骤3：计算各个医生的近期平均体力负荷强度级别；步骤4：根据医生近期nasa-tlx主观综合任务负荷评价情况确定各个医生的认知负荷程度级别；步骤5：根据待分配手术任务所产生的体力负荷等级、认知负荷等级以及各个医生的近期平均体力负荷强度级别、认知负荷程度级别分配手术任务。2.根据权利要求1所述的一种结合体力负荷与认知负荷的手术任务分配方法，其特征在于，步骤1包括：步骤1.1：判断待分配手术任务的相对代谢率值rmr；步骤1.2：确定待分配手术任务的手术医生平均人体表面积s；步骤1.3：确定待分配手术任务的手术医生平均基础代谢率b；步骤1.4：确定执行待分配手术任务的平均时间t；步骤1.5：计算能量消耗量e作为体力负荷值，计算公式如下：e＝(rmr+1.2)
×
b
×
s
×
t；步骤1.6：根据体力负荷值在体力负荷等级表中查找，确定待分配手术任务的体力负荷等级。3.根据权利要求1所述的一种结合体力负荷与认知负荷的手术任务分配方法，其特征在于，步骤2包括：步骤2.1：根据待分配手术任务的步骤，将每一个步骤中所需处理的每一类器官部位所呈现的信息视为一个信息源，并判断信息源状态数量；步骤2.2：将信息源状态数量及显示时间相同的信息源看作一类信息，依次对信息源进行判断，判断每类信息的显示时间,计算信息种类数量，同时计算同种信息中包含的信息源数量；步骤2.3：使用信息熵来量化单个信息源的信息量，计算公式如下：其中，h是手术过程信息处理过程的信息量，n是信息源状态的数量，p
i
是不同状态下信息源的概率；当信息源的每个状态的发生概率相同时，单个信息源的信息量可由公式(1)简化为公式(2)：h＝log2n
ꢀꢀꢀꢀ
(2)步骤2.4：根据vacp模型确定各信息种类的加权值ω；步骤2.5：计算单个信息源综合加权信息熵，计算公式如下：h＝ωlog2n
ꢀꢀꢀꢀ
(3)步骤2.6：计算待分配手术任务所产生的认知负荷值mw，计算公式如下：其中，h表示手术过程中综合信息量，t表示信息显示持续时间；
步骤2.7：根据认知负荷值在认知负荷等级表中查找，确定待分配手术任务的认知负荷等级。4.根据权利要求1所述的一种结合体力负荷与认知负荷的手术任务分配方法，其特征在于，步骤3包括：步骤3.1：计算待分配手术任务相关的各个医生的近期体力劳动强度指数，计算公式如下：i＝t'
×
m
×
r
×
w
×
10
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，i为体力劳动强度指数；t'为劳动时间率，其为工作日内纯劳动时间与工作日总时间的比；m为8h工作日平均能量代谢率，其为某工作劳动日内各类活动和休息的能量消耗的平均值；r为性别系数；w为体力劳动方式系数；步骤3.2：根据体力劳动强度指数在体力劳动强度分级表中查找，确定对应医生的近期平均体力负荷强度级别。5.根据权利要求1所述的一种结合体力负荷与认知负荷的手术任务分配方法，其特征在于，步骤4包括：步骤4.1：待分配手术任务的相关医生填写中文版nasa-tlx量表，根据表中各条目的详细解释，得出自己的脑力负荷相对应的水平；步骤4.2：将nasa-tlx量表中的6个条目两两比较，15种排列组合，选出自己认为与脑力负荷关系更大的一个条目；步骤4.3：计算所得分数的算术平均数，判断医生认知负荷程度级别。6.根据权利要求1所述的一种结合体力负荷与认知负荷的手术任务分配方法，其特征在于，步骤5包括：步骤5.1：比较待分配手术任务的体力负荷等级和认知负荷等级，选择出要求更为严格的负荷类别；步骤5.2：在步骤5.1所选择的负荷类别下，对相关医生对应该负荷类别的等级进行排序，并按照排序选择出若干名医生；步骤5.3：在步骤5.2选择出的若干名医生中，将待分配手术任务分配给待分配手术任务的另一个负荷类别等级最低的医生。7.根据权利要求6所述的一种结合体力负荷与认知负荷的手术任务分配方法，其特征在于，按照排序选择出排名前60％的医生。

技术总结
本发明涉及一种结合体力负荷与认知负荷的手术任务分配方法，包括以下步骤：分别计算待分配手术任务所产生的体力负荷等级及认知负荷等级；计算各个医生的近期平均体力负荷强度级别；根据医生近期NASA-TLX主观综合任务负荷评价情况确定各个医生的认知负荷程度级别；根据体力负荷等级、认知负荷等级以及各个医生的近期平均体力负荷强度级别、认知负荷程度级别分配手术任务。本发明从体力负荷和认知负荷两个角度对待分配手术任务进行负荷预测，并结合负责该类手术的相关医生近期的平均体力负荷强度及认知负荷程度合理分配手术任务，解决了部分医护人员进行手术任务过于频繁而存在慢性疲劳综合征并间接地在不同程度上影响手术质量等问题。术质量等问题。术质量等问题。


技术研发人员：刘鹏 李佳霖 黄国泰 赵安然 高熙宇 马援 李云烽 谢哲宇
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/8/5