基于用戶體驗(yàn)的視覺引導(dǎo)式呼吸訓(xùn)練器設(shè)計(jì)

涂益心，劉亞軍

（天津理工大學(xué)，天津 300380）

隨著現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)發(fā)展，呼吸訓(xùn)練在呼吸系統(tǒng)疾病康復(fù)中的療效得到廣泛認(rèn)可。有效的呼吸訓(xùn)練可減輕患者呼吸系統(tǒng)癥狀，促進(jìn)肺康復(fù)；同時(shí)呼吸訓(xùn)練無創(chuàng)無痛、簡(jiǎn)單方便、開支小，易被患者接受。然而該訓(xùn)練在我國的開展并不樂觀。首先多數(shù)醫(yī)院仍然采取傳統(tǒng)呼吸訓(xùn)練方式，例如呼吸操和肢體訓(xùn)練，會(huì)因患者呼吸困難而難以開展；其次多數(shù)肺康復(fù)器材昂貴，一般醫(yī)療機(jī)構(gòu)難以承受，且限制訓(xùn)練場(chǎng)所，治療費(fèi)用高，患者難以堅(jiān)持。而呼吸訓(xùn)練器是以呼吸肌鍛煉為基礎(chǔ)的一種新型肺康復(fù)輔助器，此種產(chǎn)品具備便攜、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。但目前市面上大多數(shù)呼吸訓(xùn)練器，缺少訓(xùn)練引導(dǎo)。由于呼吸訓(xùn)練要求一定的節(jié)奏規(guī)律，在沒有康復(fù)醫(yī)師的口頭引導(dǎo)下，患者自行使用訓(xùn)練器的訓(xùn)練效果不佳。為克服以上問題，文章從患者視角出發(fā)，分析存在的痛點(diǎn)和設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)點(diǎn)，最終設(shè)計(jì)出與移動(dòng)設(shè)備結(jié)合的視覺引導(dǎo)式呼吸訓(xùn)練器。

1 由用戶出發(fā)的呼吸訓(xùn)練器研究

本次調(diào)研目標(biāo)用戶為需要進(jìn)行肺康復(fù)的患者，如慢性阻塞性肺疾病患者，肺癌手術(shù)患者等有呼吸困難的患者。在調(diào)研前確定目標(biāo)用戶年齡區(qū)間和身體狀況，年齡區(qū)間為16 歲到56 歲，具備可自主使用呼吸訓(xùn)練器的身體狀態(tài)。筆者主要采取了醫(yī)院實(shí)地調(diào)研為主，網(wǎng)絡(luò)問卷為輔的調(diào)研形式，綜合了解用戶對(duì)呼吸訓(xùn)練器的使用和認(rèn)知情況。最終訪談數(shù)據(jù)為用戶深訪12 人，有效問卷46 份。通過對(duì)得到的信息進(jìn)行整理，部分調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

據(jù)醫(yī)學(xué)建議，臥式和半臥式姿勢(shì)進(jìn)行呼吸訓(xùn)練會(huì)損壞呼吸肌功能，圖1（a）中可見多數(shù)用戶采用坐位或站立式進(jìn)行呼吸訓(xùn)練；由圖1（b）可知，多數(shù)用戶選擇在室內(nèi)訓(xùn)練，部分患者認(rèn)為室外空氣更加適宜，故偏好在室外訓(xùn)練，對(duì)于訓(xùn)練場(chǎng)景私密性，用戶更多偏向在私人場(chǎng)所訓(xùn)練；圖1（c）為有無醫(yī)師指導(dǎo)訓(xùn)練的每周使用訓(xùn)練器頻率對(duì)比，可見沒有醫(yī)師指導(dǎo)訓(xùn)練的患者，堅(jiān)持使用訓(xùn)練器訓(xùn)練的情況并不樂觀。

圖1 主要調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

將本次調(diào)研的反饋整理為如下幾點(diǎn)：部分訓(xùn)練器需要置于桌面上使用，限制性大；目前的訓(xùn)練器缺少引導(dǎo)功能，沒有醫(yī)師引導(dǎo)情況下，用戶自主訓(xùn)練效果差；目前大多用戶沒有系統(tǒng)的訓(xùn)練計(jì)劃或是計(jì)劃針對(duì)性低，導(dǎo)致訓(xùn)練效果不佳。

2 由產(chǎn)品出發(fā)的呼吸訓(xùn)練器研究

本次市場(chǎng)調(diào)研方法為網(wǎng)絡(luò)間接調(diào)研，目標(biāo)是對(duì)呼吸訓(xùn)練器市場(chǎng)環(huán)境有一個(gè)整體把握?，F(xiàn)有呼吸訓(xùn)練器的原理都是運(yùn)用呼吸神經(jīng)肌肉可塑性，在呼吸過程中加壓，延緩患者呼吸過程，提高氣管內(nèi)壓，以提高肌力等方面的形式重塑呼吸肌達(dá)到肺康復(fù)目的。常見呼吸訓(xùn)練器有雷文頓呼吸訓(xùn)練器、三球呼吸訓(xùn)練器和power breath 肺功能訓(xùn)練器等，另外還有部分高級(jí)訓(xùn)練器如帶電子屏呼吸訓(xùn)練器、醫(yī)院肺功能訓(xùn)練儀器?？傮w上看，當(dāng)前市場(chǎng)產(chǎn)品的共性是沒有引導(dǎo)功能，用戶難以使用產(chǎn)品自主進(jìn)行有效訓(xùn)練。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)方案

由前期調(diào)研總結(jié)的問題，擬設(shè)計(jì)一款視覺引導(dǎo)式呼吸訓(xùn)練器，通過軟硬件結(jié)合優(yōu)化當(dāng)前訓(xùn)練方式，提高自主訓(xùn)練效果。視覺引導(dǎo)式呼吸訓(xùn)練器是本設(shè)計(jì)方案的核心，通過呼吸燈引導(dǎo)用戶訓(xùn)練節(jié)奏，氣體阻力調(diào)節(jié)模塊循序漸進(jìn)調(diào)節(jié)訓(xùn)練強(qiáng)度，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過App 將訓(xùn)練數(shù)據(jù)可視化。本產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)主要涉及了脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制技術(shù)和氣體阻力控制技術(shù)。

3.1 基于PWM 技術(shù)的呼吸燈

進(jìn)行有節(jié)奏規(guī)律要求的訓(xùn)練時(shí)，視覺或聽覺等方式的引導(dǎo)能循序漸進(jìn)地使人們保持動(dòng)作頻率及穩(wěn)定性，以提高訓(xùn)練效果。因此本產(chǎn)品的呼吸燈通過視覺引導(dǎo)用戶呼吸訓(xùn)練節(jié)奏，提高自主訓(xùn)練效果。呼吸燈指在微電腦控制下的LED 燈可以從亮到暗再從暗到亮循環(huán)往復(fù)的變化，呈現(xiàn)出如同人呼吸頻率般柔和有節(jié)奏的視覺效果。實(shí)現(xiàn)呼吸燈的技術(shù)多樣，使用單片機(jī)產(chǎn)生PWM（脈沖寬度調(diào)制）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方式，相較其他方式損耗小，且變化效果更加連續(xù)柔和，所以本產(chǎn)品的呼吸燈選用PWM 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。呼吸燈引導(dǎo)過程如下，用戶在進(jìn)行呼吸訓(xùn)練時(shí)，通過觀察訓(xùn)練器上的呼吸燈變化，來確定呼氣和吸氣，以及速度和強(qiáng)度。

3.2 氣體阻力控制模塊

現(xiàn)有的呼吸訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)多樣，給呼吸氣增加阻力的方式也不同。分為以下幾種：一是通過單向呼吸器產(chǎn)生的氣流使管道中小球漂浮，小球給氣流增加阻力達(dá)到訓(xùn)練目的，但阻力大小不可調(diào)節(jié)；二是阻力調(diào)節(jié)模塊由一個(gè)塑料活塞組成，在活塞底部有一個(gè)鉛砝碼置于吸氣孔之上，只可調(diào)節(jié)吸氣的單方向阻力；三是通過在呼吸器管道內(nèi)增加可調(diào)節(jié)氣流阻力的氣孔，調(diào)節(jié)氣孔鏤空面積大小以調(diào)節(jié)阻力。此阻力調(diào)節(jié)模塊的優(yōu)點(diǎn)是體積小且靈活性高。本產(chǎn)品的氣體阻力控制模塊使用第三種方式，在此基礎(chǔ)上增加單片機(jī)智能調(diào)節(jié)功能。當(dāng)用戶選擇訓(xùn)練方案后，此模塊根據(jù)訓(xùn)練方案智能調(diào)節(jié)阻力，無需手動(dòng)，使訓(xùn)練更加高效。

4 基于用戶體驗(yàn)的視覺引導(dǎo)式呼吸訓(xùn)練器設(shè)計(jì)思路

4.1 設(shè)計(jì)定位

通過前期調(diào)研和技術(shù)方案總結(jié)，得出視覺引導(dǎo)式呼吸訓(xùn)練器的產(chǎn)品定位和功能參數(shù)，見表1。

表1 產(chǎn)品定位與功能數(shù)據(jù)

4.2 視覺引導(dǎo)式呼吸訓(xùn)練器設(shè)計(jì)

視覺引導(dǎo)式呼吸訓(xùn)練器的六視圖和透視圖及尺寸信息如圖2所示，標(biāo)注尺寸單位為mm。

圖2 各視角及尺寸信息圖

4.2.1 從產(chǎn)品實(shí)用功能需求出發(fā)

本產(chǎn)品主要模塊及功能分別為：氣體流量傳感器模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體流量數(shù)據(jù)；觸控LED 屏模塊，用戶可通過觸控屏控制啟動(dòng)開關(guān)、藍(lán)牙開關(guān)及觀察訓(xùn)練器電量等；呼吸燈模塊，以調(diào)節(jié)亮度方式執(zhí)行訓(xùn)練引導(dǎo)；阻力調(diào)節(jié)模塊，可滿足多個(gè)康復(fù)訓(xùn)練階段的阻力需求。訓(xùn)練器功能布局緊湊，便攜性高。

4.2.2 從產(chǎn)品感覺需求出發(fā)

設(shè)計(jì)過程中基于人機(jī)工程探討如何優(yōu)化用戶使用體驗(yàn)，重點(diǎn)研究內(nèi)容包含觀察呼吸燈視角的舒適性、手握部分舒適性和呼吸嘴舒適性。在前期制作三維模型后，通過制作石膏模型模擬使用者行為模式，進(jìn)行人機(jī)系統(tǒng)分析。如圖3所示，使用產(chǎn)品時(shí)，可將拇指置于結(jié)構(gòu)凹陷處作為著力點(diǎn)，使手持更加輕松。此實(shí)踐實(shí)驗(yàn)了前期三維模型的舒適性、合理性，確保使用者、產(chǎn)品和環(huán)境之間達(dá)成協(xié)調(diào)，最終使用效果圖如圖4所示，用戶將控制屏一側(cè)朝向自己，將呼吸燈一側(cè)朝外，即可觀察呼吸燈變化，跟隨呼吸燈進(jìn)行訓(xùn)練。

圖3 石膏模型效果圖

圖4 使用效果圖

4.3 收納模塊設(shè)計(jì)

收納盒的各視角與尺寸信息如圖5所示，尺寸標(biāo)注單位為mm。其主要功能為給訓(xùn)練器充電和收納訓(xùn)練器及備用呼吸嘴。采用磁吸式充電方式給訓(xùn)練器充電，放置訓(xùn)練器的凹槽底部固定有磁鐵，與訓(xùn)練器背面的磁性物質(zhì)相吸進(jìn)行充電。收納盒本身通過type-C 數(shù)據(jù)線充電，其前側(cè)有顯示余電量的指示燈。

圖5 收納盒各視角及尺寸信息圖

4.4 手機(jī)端App 設(shè)計(jì)

訓(xùn)練器與App 通過藍(lán)牙連接。用戶在App 填寫自己的基礎(chǔ)生理指標(biāo)，App 向數(shù)據(jù)庫查詢并匹配適應(yīng)用戶生理指標(biāo)的訓(xùn)練計(jì)劃，生成訓(xùn)練方案。準(zhǔn)備訓(xùn)練時(shí)，用戶使用App 給訓(xùn)練器下達(dá)命令，訓(xùn)練過程中，App 會(huì)顯示一個(gè)“呼吸球”，將實(shí)時(shí)訓(xùn)練數(shù)據(jù)可視化，當(dāng)用戶吸氣時(shí)，相應(yīng)的呼吸球膨脹，當(dāng)患者呼氣時(shí)，呼吸球收縮產(chǎn)生褶皺。App 會(huì)實(shí)時(shí)顯示訓(xùn)練時(shí)長及語音提示訓(xùn)練注意事項(xiàng)，幫助用戶高效訓(xùn)練；當(dāng)訓(xùn)練結(jié)束時(shí)，App 將訓(xùn)練數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，直觀顯示訓(xùn)練執(zhí)行情況及是否達(dá)到訓(xùn)練方案指標(biāo)。指標(biāo)包含訓(xùn)練過程中單個(gè)呼氣或吸氣動(dòng)作的瞬時(shí)氣流量、總氣流量、持續(xù)時(shí)長、動(dòng)作數(shù)量，以及節(jié)奏規(guī)律。將指標(biāo)與用戶訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀比對(duì)，讓用戶了解自身訓(xùn)練狀態(tài)和肺功能康復(fù)狀態(tài)，及時(shí)反饋訓(xùn)練效果以激勵(lì)其康復(fù)信心。部分界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 App 界面設(shè)計(jì)

5 結(jié)束語

本文基于用戶體驗(yàn)系統(tǒng)地分析了當(dāng)前使用呼吸訓(xùn)練器過程的痛點(diǎn)和設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)點(diǎn)，提出了視覺引導(dǎo)式呼吸訓(xùn)練器結(jié)合App 可視化訓(xùn)練數(shù)據(jù)的解決方案，并進(jìn)行了相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，旨在推動(dòng)呼吸訓(xùn)練向更科學(xué)、更高效和更智能化的方向發(fā)展。醫(yī)療輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)在工業(yè)設(shè)計(jì)中屬于一個(gè)特殊領(lǐng)域，對(duì)科學(xué)技術(shù)和藝術(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)合是重要考驗(yàn)。由于時(shí)間和筆者自身知識(shí)儲(chǔ)備原因，本文提出的方案仍存在一定不足，例如呼吸訓(xùn)練器內(nèi)部氣管如何進(jìn)行清洗，在本文中并未深入研究解決。因此，筆者將會(huì)針對(duì)這些問題進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化迭代。