關于醫(yī)療產品的智能化設計研究

龔巧敏 陳洪亮

摘要：為了應對新冠肺炎的沖擊、緩解醫(yī)療資源的不足、化解醫(yī)患矛盾。分析了智能化醫(yī)療產品的優(yōu)勢、應用現狀以及應用趨勢。醫(yī)療產品智能化設計應遵循注重人機關系、注重用戶體驗、注重信息整合三個基本思路。遵循該思路設計了“F[y”智能輸液器。

關鍵詞：醫(yī)療產品 智能化設計 用戶體驗 人機關系 智能輸液器

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（ 2021） 03-0134-03

引言

2020年以來，突如其來的新冠肺炎對我國醫(yī)療行業(yè)造成了極大沖擊，嚴重威脅公眾生命健康。在抗擊疫情過程中多種新型技術被用于救治患者，其中，人工智能技術“在疫情監(jiān)測分析、病毒溯源、防控救治、資源調配等多個方面發(fā)揮了重要支撐作用”[1]。實際上，近年來隨著人民生活水平的大幅進步、“大健康”理念的快速傳播以及互聯網技術的日漸成熟，人們對診斷和保健的需求開始從被動的醫(yī)療保健向主動的預防保健轉變，對醫(yī)療智能化的期待值逐日攀升，醫(yī)療產品正在迎來“智能時代”，市場前景十分廣闊。被此吸引，主流IT企業(yè)紛紛布局醫(yī)療產業(yè)，通過并購整合醫(yī)療資源，打造智能醫(yī)療產業(yè)鏈，例如阿里巴巴開創(chuàng)的“醫(yī)療云”服務，騰訊、丁香園、公安保險三方合作打造的互聯網醫(yī)療生態(tài)鏈等。

然而，總體來看，我國的數字化醫(yī)療起步較晚，相關研究和實踐遠未成熟。盡管近年來醫(yī)療行業(yè)的技術發(fā)展和科研人員的增多使醫(yī)療產品的功效不斷完善、質量不斷提高，但市場上的絕大部分智能醫(yī)療產品仍處于提供數據測量和醫(yī)療記錄等基本功能的階段，醫(yī)療智能化總體水平依舊較低。就醫(yī)療行業(yè)本身來講，我國的醫(yī)療資源緊缺且分布不均，作為一個人口大國，我國的醫(yī)療資源僅占世界衛(wèi)生資源的2%，城鄉(xiāng)醫(yī)療服務水平也存在極大差距，醫(yī)患矛盾突出、醫(yī)療成本過高、人口老齡化嚴重對傳統(tǒng)醫(yī)療行業(yè)造成了嚴重沖擊，“待解決的醫(yī)療痛點和待滿足的醫(yī)療服務需求成為人工智能技術應用于醫(yī)療場景的現實需求”[2];加之新冠疫情“不見面就診”對智慧醫(yī)療的倒逼效果，促使醫(yī)療產品必須向智能化、信息化方向發(fā)展，從而最大程度上滿足人民群眾的就醫(yī)需求，達到疫情防控常態(tài)化的要求。

為此，非常有必要從設計的角度、而非僅僅是醫(yī)學技術的角度，對醫(yī)療產品的智能化設計進行檢視。通過設計優(yōu)化醫(yī)療產品的智能交互方式，不僅能夠美化醫(yī)療產品外觀、減輕患者緊張感，而且能夠緩解醫(yī)護壓力，提升患者醫(yī)療體驗，改善醫(yī)患關系，讓病人在一個更加便捷、更加舒適、更加安全的治療環(huán)境中得到精心救治。

一、智能化設計在醫(yī)療產品中的應用

（一）應用現狀

人工智能技術的發(fā)展使智能化設計被深度引入醫(yī)療產品領域，兩者之間的關聯越來越緊密。智能化設計是運用當代信息技術，操作計算機模仿人的思維方式，優(yōu)化計算機的智能化性能，從而使計算機能夠更好地承擔各類繁雜任務的設計方式，它是設計師的主要輔助工具之一。從原理上講，醫(yī)療產品的智能化設計與計算機輔助設計的發(fā)展密不可分，與之對應的人機智能設計系統(tǒng)是一個集開放性和集成性于一體的、包含專家系統(tǒng)在內的面向決策的產品設計軟件系統(tǒng)，它不但能用于傳統(tǒng)設計，而且支持創(chuàng)新設計，其最終落腳點在于利用機器、人工智能、互聯網等優(yōu)勢幫助醫(yī)護人員解決醫(yī)療難題并緩解患者病情。因此，人機智能設計系統(tǒng)是醫(yī)療產品智能化設計與應用的軟件基礎，它為智能醫(yī)療提供了一個平臺和載體，使智能化服務得以通過機器而非傳統(tǒng)的人工來實現;而且這個系統(tǒng)本身也是“動態(tài)”的，會隨著通信信息技術的發(fā)展而發(fā)展，從而為智能技術的應用提供更大的可能性和“舞臺”。

在這一系統(tǒng)的幫助下，智能技術得以在醫(yī)療領域得到進一步運用，使醫(yī)療資源能夠以最優(yōu)化的方式得到分配。例如，智能醫(yī)療設備可以隨時監(jiān)控病人的病情，使醫(yī)護人員能夠實時為病人提供醫(yī)療救助;經過整合智能醫(yī)療移動終端設備搜集的患者病情數據，醫(yī)院能夠搭建高效精準的醫(yī)療信息平臺;借助智能監(jiān)測和記錄等系統(tǒng)，醫(yī)院能夠建立病人信息數據庫和病人個人電子病歷，幫助醫(yī)生直觀地掌握病人情況，實施遠程觀察、檢測和治療：病房空調與燈光由有關科室進行網絡化區(qū)域管理，智能定時開關，使醫(yī)院始終節(jié)能高效地運行[3]。這充分說明，目前智能化設計已經在醫(yī)療產品中得到了部分應用一盡管這些運用仍然“摻雜”著濃厚的人工成分，例如電子病歷的構建和更新很多時候都是通過醫(yī)護人員的主動詢問和錄入完成的，但智能化設計被應用于醫(yī)療產品之中已經是不爭的事實。

（二）應用趨勢

從應用趨勢看，盡管受制于材料和技術等因素，目前智能化醫(yī)療產品仍處于萌芽階段，但智能化醫(yī)療產品以其準確性、多元性、簡潔性等優(yōu)勢成為“朝陽產業(yè)”?？傮w來說，智能化設計在醫(yī)療產品中的未來應用方向可以歸納為三個方面：一是通過“人工智能+大數據”，深化人機交互，促進產品便捷安全操作。二是突出“以人為本”設計理念，根據不同用戶需求，為不同年齡、不同條件的患者一例如老年人提供全面、準確的醫(yī)療服務[4]。三是借助N B-IoT/eMTC等通訊技術和物聯網芯片等基礎設施，建立一個能夠不斷更新和涵蓋更普遍醫(yī)療信息的醫(yī)療資源服務平臺，實現患者信息和醫(yī)療資源的共享?？紤]到我國目前存在的醫(yī)療體制不健全、醫(yī)療資源不足、醫(yī)療行業(yè)智能化和信息化程度不高等現實問題，通過智能化設計實現醫(yī)療資源的整合與共享尤為重要，已經成為解決我國醫(yī)療資源配置難題的不可或缺的手段。

二、醫(yī)療產品智能化設計的基本思路

基于上述對醫(yī)療產品智能化應用的理解，鑒于當前我國醫(yī)療資源仍處于短缺狀態(tài)，智能醫(yī)學的發(fā)展還處于探索階段，因此在智能化設計醫(yī)療產品的過程中應當回應現實需求，遵循下述三個基本思路，從而提高醫(yī)療效果并更好地滿足公眾的健康需求。

（一）注重人機關系

出于醫(yī)療產品自身的特殊性和目標用戶的獨特性，醫(yī)療產品的智能化設計應當把形成良性人機關系作為基本設計思路。目前我國醫(yī)療衛(wèi)生服務市場正處于快速擴張階段，廣闊的市場前景極大地刺激了醫(yī)療器械生產企業(yè)生產智能化、信息化產品的意愿和能力，越來越多的企業(yè)將資金、技術和人才投入這一領域，意圖搶占技術“高地”并擴大市場份額。通過技術革新，利用醫(yī)療產品實現實時通信、數據收集、影像放送、音頻傳播等的條件已經具備，智能化醫(yī)療產品正在朝著可穿戴式、可視化的方向發(fā)展。

為此，在設計過程中智能醫(yī)療產品應按照“消費者優(yōu)先”的人性化設計原則進行設計和使用，從而構建良性人機關系。具體來說，“消費者優(yōu)先”原則對智能醫(yī)療產品的設計提出了兩個方面的要求：一是設計者必須充分考慮使用對象和使用環(huán)境的特點。設計過程中要充分考慮到“設計的對象、對象的行為特征以及產品使用環(huán)境等因素”[5]，簡化人機操作界面，注重醫(yī)療信息的可讀性和可共享性，盡最大可能避免出現操作過于繁瑣或者過于復雜的情形;二是設計者必須綜合平衡各年齡段普通用戶的使用需求。在確保安全的前提下，通過合理布置功能點位、適度安排功能按鍵，給予使用者必要的自由度使其能夠根據自身需求微調產品功能和使用方法，提高智能醫(yī)療產品的“普適性”，使“機器適應人”而不是“人適應機器”。

（二）注重用戶體驗

“以用戶為中心，強調用戶體驗，全面考慮人的精神、物質需求是設計價值的體現?！盵6]用戶體驗是人們對他們所使用產品與所接受服務的反映，通俗來說就是用戶認為產品“好不好用”，因此它是一種主觀感受，反映了人與產品互動時的心理狀態(tài)。在對醫(yī)療產品進行智能化設計的過程中，必須對用戶體驗高度重視，無論是醫(yī)療產品的信息接口還是操作方式，都必須換位思考，充分考慮目標群體的使用習慣和產品的使用情景，最大可能展現出智能化產品的優(yōu)勢。

從實踐看，用戶體驗已經成為了當前智能醫(yī)療產品設計的關鍵詞和要點。例如，京東醫(yī)藥商城就是通過自身物流平臺的優(yōu)勢保證藥品的交付效率，又如一些醫(yī)療企業(yè)成立了專門負責產品體驗和質量的質量管理部，還建立了智能產品體驗廳供客戶體驗，并注重收集客戶體驗過程中的反饋意見，從而不斷改進產品設計。實際上，企業(yè)對“用戶體驗”這一關鍵詞并不陌生，醫(yī)療產品重視用戶體驗是其他產品重視用戶體驗向醫(yī)療服務領域的延伸。盡管醫(yī)療領域有其特殊性，但從根本目的上看它與其他商品又有一致性，即它們的目標都是為了改善大眾生活、提升生活品質，因此用戶體驗成為了醫(yī)療產品智能化設計的基本思路是順理成章且恰如其分的。

（三）注重信息整合

信息整合是醫(yī)療產品智能化設計的又一個基本思路，即通過通訊、云計算、大數據等技術，創(chuàng)建包含患者、社區(qū)醫(yī)院、專科醫(yī)院等多方對象的全面而準確的信息系統(tǒng)。該信息系統(tǒng)能夠將病人和醫(yī)院精準連接起來，做到迅速的信息共享和查找，實現電子處方、數字化治療，從而避免“患者與醫(yī)院之間的信息不對稱……使醫(yī)患矛盾加劇”[7]。這就要求設計師必須要在“云計算”平臺的基礎上，統(tǒng)籌考慮家庭、社區(qū)、醫(yī)院、醫(yī)療等多方面的互動，全面整合產品、病人、醫(yī)院等各方面的信息。這一設計思路大大拓寬了醫(yī)療產品的適用情景，意味著面向家庭的智能醫(yī)療平臺的構建成為智能化設計時必須考量的因素[8]，因為家庭使用的智能醫(yī)療產品是信息化醫(yī)療系統(tǒng)的“泉源”。據此，通過信息共享醫(yī)生可以直觀地掌握患者的健康情況，形成病患專屬電子病歷，給出電子處方，提供遠程醫(yī)療指導。對患者而言，這意味著即便是在家中也能通過互聯網獲得醫(yī)生的健康指導和醫(yī)療幫助。但應當指出的是，信息整合是一個系統(tǒng)性工程，整合完成度不僅取決于軟件系統(tǒng)的成熟性、穩(wěn)定性、高效性，也取決于硬件技術的發(fā)展。鑒于當前智能醫(yī)療領域軟硬件的發(fā)展還不夠成熟，因此信息整合目前主要還是基于醫(yī)患互動的“小整合”而不是基于醫(yī)療資源共享的“大整合”，其發(fā)展受諸多因素影響，限于篇幅此處不再展開論述。

三、基于智能化的“Fly”智能輸液器設計

考慮到我國目前對智能化輸液器的迫切需求，基于上述設計思路，筆者設計了一款名為“Fly”智能輸液器的醫(yī)療產品。相比其他治療方式，靜脈輸液的優(yōu)勢在于給藥速度快、見效快，其臨床效果極佳，在“抗疫”過程中搶救了無數寶貴生命。但傳統(tǒng)的靜脈輸液器存在一定問題，一方面是藥液速度的問題，通常輸注速率的控制主要是基于醫(yī)務人員旋轉滴管上的機械滑輪，速度通過肉眼檢測。這對于新手來說，經驗不足容易導致輸液速度過快或者過慢，給患者帶來不必要的痛苦;另一方面是藥液更換的問題，在輸液時由于病人身體一般較虛弱，因此多數情況下需要由陪護人員觀察剩余藥液量，以便在藥液滴注完成后立即通知護士取出針頭或者及時更換藥品。但有時陪護人員因為種種原因沒有發(fā)現輸液完成，導致護士未及時處理，就會出現血液倒流等現象，對病人的身體健康造成危害，嚴重者甚至危及生命。

為此，亟需設計一款價格低廉、性能齊全、操作簡單的智能輸液系統(tǒng)。盡管我國已有學者對輸液器的改進進行了研究，并申請了幾十項監(jiān)控輸液類專利，但從內容看，主要集中在速率控制和警報等基本功能，且操作較為復雜，存在安全隱患，因此實踐中并未得到廣泛運用。相比我國，國外雖然已有相對成熟和安全的智能輸液產品，例如日本的泰爾茂系列輸液泵、德國的貝朗公司Infusomat系列容積輸液泵[9]等，但這些產品價格極為高昂，在我國無法大規(guī)模推廣應用。由此可見，非常有必要設計一款價格適中且安全易用的智能輸液器，“Fly”智能輸液器就是這一目標的設計產物。

（一）設計定位

“Fly”智能輸液器設計的靈感來源于熱氣球，其定位在于通過優(yōu)化智能交互方式，形成一款多功能智能化輸液器。該智能輸液器是基于上述注重人機關系、用戶體驗與信息整合三個基本思路設計的，力求通過人性化的設計改善醫(yī)療產品與使用者的關系，提升使用者的使用效果并保證使用安全。在這一思路的指引下，該智能輸液器能夠在通過輸液參數顯示、溫度補償、異常情況報警等功能實現輸液速度和輸液量智能化調控的同時，從設計的角度進一步優(yōu)化使用功能，美化產品外觀，通過智能互動的形式改變產品與患者之間的關系，縮短與患者之間的距離，從而使醫(yī)務人員的工作更加便捷，讓患者獲得更方便、舒適的治療體驗（見圖1）。

（二）設計方案

該款智能輸液器的設計方案主要包括控制器、加熱器以及自動轉換輸液的設計三個方面。在控制器的設計方面，該款輸液器的控制器選擇阿特梅爾公司的8位微控制器AT89芯片，其特點是高性能、低功耗。在加熱器的設計方面，該款輸液器使用PTC加熱器。PTC加熱器具有熱電阻低、傳熱效率高等優(yōu)點，是一種自動恒溫節(jié)能的電加熱器。其突出特點是安全性能，即在任何使用條件下其電熱管等加熱器表面都不會出現“紅色”現象，避免了灼傷、火災等安全隱患。在自動轉換輸液的設計方面，當開始使用本款智能輸液器輸液時，系統(tǒng)會自動把第一個閥門打開，開始第一瓶藥品的使用，當控制器中的監(jiān)測系統(tǒng)檢測到第一瓶藥水使用完畢后，將通過控制器打開第二瓶藥水的控制閥門（如有第三瓶則依次順延），從而達到自動轉換輸液的效果。

（三）設計功能

“Fly”智能輸液器的主要功能有智能輸液、智能監(jiān)控警報以及智能溫控三個方面（見圖2、3）。

具體來說包括：

1.智能輸液功能。如前文所述，由于目前機械式輸液器存在不方便和不安全的問題，而國外類似智能化產品價格較為昂貴，且功能過于簡單，為此該輸液器的設計力求平衡安全和方便的關系，基于當前已有的基本醫(yī)療材料，通過改善設計思路完善智能輸液功能，具體來說就是：護士將患者的藥水配好后放進輸液器，設置好先后順序，通過產品的自動轉換功能，實現三瓶藥水自動、順序滴入患者體內，不需要護士在每瓶藥水輸完后手動為患者更換下一瓶藥水。此外，“熱氣球”上設計的可視化窗口，也可讓護士、患者與陪護人員直觀地看到藥水的剩余情況。這樣一方面減輕了護士的工作量，不用每瓶藥水滴完后都要及時給患者更換輸液瓶，另一方面也可讓患者因不用時刻緊盯輸液瓶擔心藥水輸完而影響休息。

2.智能監(jiān)控警報功能。完善用戶體驗的基本思路和“消費者優(yōu)先”的原則要求，作為一款智能輸液器，必須“善始善終”，不僅能夠在使用過程中方便易用，而且能夠在使用結束時安全可靠，從自動化的角度改進傳統(tǒng)機械輸液器在輸液完成后的安全隱患與不便。在使用該款智能輸液器時，當最后一滴藥水輸送完畢后，該產品會發(fā)出警報聲，提醒護士及時給患者更換輸液瓶或是終止輸液，以避免時常出現的輸液完畢沒有及時發(fā)現而導致的“血管回血”現象。

3.智能溫控功能。從上文提出的設計思路可知，醫(yī)療產品必須充分考慮使用環(huán)境。我國大部分地區(qū)四季明顯、冬季寒冷，由于大部分輸液患者本來就身體較為虛弱，而藥水一般都要在常溫以下保存，因此寒冷的天氣、冰冷的藥水、虛弱的身體對輸液造成了不便，甚至可能威脅患者的生命健康。本款輸液器設計調研時也發(fā)現，在寒冷的冬季經?？吹酱罅炕颊咴卺t(yī)院輸液時，由于藥水太過冰涼導致輸液手臂凍得淤青。為解決此問題，本產品設計了智能溫控功能，能夠在一定的溫度范圍內及時加熱輸液管內的藥水，從而確保流進患者血液的每一滴藥水都不再是冰冷的。此外考慮到一些藥水不允許加熱，產品的溫控功能能夠手動關閉，以滿足多樣化的輸液需求。

通過上述設計，“Fly”智能輸液器提高了輸液的可靠性、安全性和便捷性，使得原本冷冰冰的輸液產品變得更為人性化、更具“人情味”，減輕了醫(yī)生和病人的壓力，為病人提供了一個更加便捷、舒適與安全的治療環(huán)境。

結語

目前，我國已進入疫情防控常態(tài)化階段，對智能醫(yī)療產品的需求與日俱增。在這一特殊的時代背景下，非常有必要加強對醫(yī)療產品智能化設計的研究，在設計過程中遵循注重人機關系、注重用戶體驗、注重信息整合三個基本思路，從而緩解我國醫(yī)療資源的不足，化解醫(yī)患矛盾，并為“抗疫”的最終勝利做出應有貢獻。

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