基于FBS模型的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計

李劍鈺 施思

關(guān)鍵詞：FBS模型;上肢康復(fù);醫(yī)療設(shè)備;設(shè)計

1 FBS 模型概述

在產(chǎn)品設(shè)計中，功能與結(jié)構(gòu)是兩個密不可分的設(shè)計要素。FBS（Function-Behavior-Structure）模型通過在功能結(jié)構(gòu)模型中加入行為變量，形成了功能—行為、行為—結(jié)構(gòu)的兩級映射，如圖1。在該模型中，F(xiàn)（功能）是設(shè)計過程的驅(qū)動要素，B（行為）是連接F（功能）與S（結(jié)構(gòu)）的信息中樞，S（結(jié)構(gòu)）則是分析結(jié)果，同時也是實際設(shè)計與開發(fā)環(huán)節(jié)的參考依據(jù)。

1.1 F（功能）—B（行為）映射

要進(jìn)行功能—行為映射，首先需要對功能進(jìn)行分析。產(chǎn)品的功能源自用戶需求，是對產(chǎn)品工作能力的描述。在復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計中，由于總功能較為復(fù)雜，難以直接分析，為了簡化問題，可將總功能分解為多級子功能，形成功能結(jié)構(gòu)圖。行為是功能與結(jié)構(gòu)的橋梁。行為是關(guān)于實現(xiàn)原理的描述，即實現(xiàn)產(chǎn)品功能應(yīng)該“怎樣做”。功能映射為行為，功能關(guān)系映射為行為關(guān)系，通過對行為關(guān)系的拆分與合并，可以對功能進(jìn)行重新定義。功能—行為映射分析是在滿足各種約束條件的前提下，生成行為解，并從原理上實現(xiàn)所提出的設(shè)計目標(biāo)。

1.2 B（行為）—S（結(jié)構(gòu)）映射

結(jié)構(gòu)是功能的載體，產(chǎn)品功能通過結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。FBS 模型采用基于設(shè)計知識庫的類比推理方法，可根據(jù)設(shè)計要求來找到實現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)。具體來說，將當(dāng)前功能所映射的行為與設(shè)計知識庫中的結(jié)構(gòu)解所能實現(xiàn)的行為進(jìn)行對比和匹配，如果二者的行為是相似的，則映射到這兩個行為集的結(jié)構(gòu)也擁有相似的部件和關(guān)系，再結(jié)合約束條件，就找到了符合要求的新結(jié)構(gòu)。

2 上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備概述

上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備屬于康復(fù)訓(xùn)練類的醫(yī)療器材，目的是為由于腦卒中或其他原因引起的上肢活動障礙患者提供輔助治療，幫助他們進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練，從而重獲上肢運動能力。該類設(shè)備的出現(xiàn)，有效解放了醫(yī)護(hù)人員的雙手，還可對康復(fù)訓(xùn)練過程進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與分析。隨機(jī)對照試驗研究表明，對于腦卒中患者群體的上肢運動復(fù)健過程，通過上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行治療和人工徒手治療的效果無顯著差別[1]，這證明了上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的有效性。

上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的定位是在醫(yī)師指導(dǎo)下的一種訓(xùn)練輔助工具，主要使用者是上肢運動障礙患者，但也包括醫(yī)護(hù)人員。設(shè)備的使用過程主要分為三步：首先，醫(yī)護(hù)人員根據(jù)每個患者的患病情況，將病歷、運動性質(zhì)、運動時間、運動力度等數(shù)據(jù)輸入到設(shè)備系統(tǒng)中;其次，患者在醫(yī)生指導(dǎo)下，使用上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行運動復(fù)健訓(xùn)練，在這個過程中，設(shè)備會利用豐富的傳感器，記錄下患者每次運動的軌跡、速度、力度等數(shù)據(jù);最后，在訓(xùn)練結(jié)束后，系統(tǒng)會以可視化的方式呈現(xiàn)訓(xùn)練結(jié)果，并為醫(yī)護(hù)人員提供分析依據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備可分為平臺式與外骨骼式兩大類。平臺式上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備以MIT-MANUS [2] 為代表，該產(chǎn)品由平臺、多連桿移動結(jié)構(gòu)部件及肢體固定部件組成，可牽引上肢進(jìn)行運動。其優(yōu)勢是安全性高、穿脫便捷，但由于是通過手腕及小臂對患肢進(jìn)行間接牽引控制，對關(guān)節(jié)姿位及力矩的控制不夠精確。外骨骼式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人以ARMin 為代表，該產(chǎn)品根據(jù)人體關(guān)節(jié)位置，配置了多個位置、力矩傳感器 [3-4]。其優(yōu)勢是自由度較多，訓(xùn)練的精確程度高;但劣勢是穿脫繁瑣、安全性較低。這兩類產(chǎn)品存在一些共性問題，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高等。

3 基于FBS 模型的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計流程

3.1 識別需求分析

經(jīng)過文獻(xiàn)研究和用戶調(diào)研，總結(jié)出五大類用戶需求。（1） 訓(xùn)練需求：滿足患者的上肢康復(fù)訓(xùn)練需求，經(jīng)實地調(diào)研，每個患者單日訓(xùn)練時間約15 分鐘。（2） 安全需求：滿足患者在訓(xùn)練過程中的安全性需求，作為醫(yī)療用品，尤其要重視安全性設(shè)計，如緊急停止功能。（3） 便利需求：首先要滿足醫(yī)護(hù)人員操作儀器的便利性需求，主要體現(xiàn)在人性化的人機(jī)交互界面。其次要滿足患者在訓(xùn)練過程中的便利性需求，如穿脫方便。（4） 情感需求：醫(yī)療產(chǎn)品應(yīng)該關(guān)注患者的情感需求，讓使用者的主體地位得到體現(xiàn)[5]。在康復(fù)訓(xùn)練過程中，患者上肢會有不適感和刺痛感，因此，很多患者有畏難情緒。應(yīng)該通過趣味性設(shè)計和情感化設(shè)計來降低病人的抵觸情緒，如游戲訓(xùn)練模式，通過小游戲的方式引導(dǎo)用戶進(jìn)行肢體運動。（5） 智能化需求：滿足醫(yī)護(hù)人員對患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中的數(shù)據(jù)收集和智能分析需求。、

3.2 FBS 映射分析

根據(jù)上述需求分析，可以得到以下幾個功能點：訓(xùn)練功能、顯示功能、移動功能、數(shù)據(jù)記錄與分析功能。其中，訓(xùn)練功能是上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的核心功能。對該功能進(jìn)行FBS 映射分析，首先要對訓(xùn)練行為進(jìn)行功能拆解，患者使用上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備來進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的主要行為有三步：首先將患者肢體進(jìn)行固定，并提供支撐，然后選擇合適的移動裝置，最后利用移動裝置為患者提供助力/ 阻力，使患肢得到運動。根據(jù)實現(xiàn)原理的不同，可以推導(dǎo)出三種產(chǎn)品主體結(jié)構(gòu)方案，如表1。

方案A 和B 是當(dāng)前市場上已有的解決方案，方案C 則是基于該分析框架所產(chǎn)生的一種新方案。該方案有以下優(yōu)點：（1） 結(jié)構(gòu)相對簡單，意味著制造、維修成本低;（2） 適用性強，該方案對作業(yè)平臺沒有硬性要求，可適用于醫(yī)院、家庭、養(yǎng)老院等場所的桌面，而無需占用專門的空間來放置;（3） 模塊化設(shè)計，由于各功能模塊的獨立性高，所以均可單獨采購和配置，以顯示功能為例，用戶可以選擇購置不同尺寸、顯示效果的顯示器，或者采用已有的顯示設(shè)備，而無需另外采購。

此外，在分析過程中，還需要綜合考慮各種約束條件。以移動功能為例，其滿足的是醫(yī)護(hù)人員便捷移動訓(xùn)練設(shè)備的需求，可以分解為移動子功能和鎖止子功能。其中，移動子功能可以映射為前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)四個行為，鎖止子功能可以映射為鎖止、解鎖兩個行為。據(jù)此分析，則可以通過尋找設(shè)計知識庫找到無動力與有動力兩大類結(jié)構(gòu)解集合，這樣就完成了從行為到結(jié)構(gòu)的基本映射，約束條件和設(shè)計知識如表2。

根據(jù)上述分析，可以得到兩個結(jié)構(gòu)解，分別為輪徑小、彈性低的無動力PVC 萬向輪結(jié)構(gòu)和輪徑小、彈性低的PVC 電動輪結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)解都符合設(shè)計要求，在實際生產(chǎn)過程中可以根據(jù)成本預(yù)算來進(jìn)行選擇，將其分別應(yīng)用在不同定位的產(chǎn)品上，便于全面占領(lǐng)高中低檔市場。

3.3 FBS 模型生成

FBS 模型是前述分析的最終成果。具體來說，首先，對患者和醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行實地調(diào)研，并結(jié)合文獻(xiàn)研究，總結(jié)出訓(xùn)練、安全、便利、情感、智能化五大類用戶需求;其次，根據(jù)用戶需求對產(chǎn)品功能進(jìn)行分析，得到訓(xùn)練、顯示、移動、數(shù)據(jù)記錄與分析功能等四個功能;然后，對功能進(jìn)行功能—行為映射分析和行為—結(jié)構(gòu)映射分析，得到三種主體結(jié)構(gòu)方案，并選用了其中具有創(chuàng)新性的一種進(jìn)行細(xì)化分析;最后，將這個分析過程進(jìn)行歸納總結(jié)，生成基于FBS 的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備概念設(shè)計模型。該模型闡明了上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的功能、行為、結(jié)構(gòu)三個要素及要素間的邏輯關(guān)系，為詳細(xì)設(shè)計與開發(fā)提供了參考。

4 結(jié)語

針對當(dāng)前市場上的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的功能形態(tài)單一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，基于FBS 模型創(chuàng)建了上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的概念設(shè)計模型，生成了一種轉(zhuǎn)盤機(jī)器人式訓(xùn)練設(shè)備的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，并總結(jié)了基于FBS 模型的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計流程，強化了概念設(shè)計在設(shè)計前期過程中的價值地位，為相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)提供了一種新思路。