醫(yī)工交叉背景下的設計思維介入模式研究

湯浩 楊世明 黃穎捷

關鍵詞：醫(yī)工交叉 學科融合 設計思維 創(chuàng)新模式 產業(yè)迭代

引言

隨著科學技術不斷進步，醫(yī)學領域的創(chuàng)新和實踐需要和其他各個學科的交叉融合。但目前醫(yī)工學科的交叉融合還只是將雙方現有的技術手段進行簡單疊加，缺少相應合作模式，設計師與工程師之間交流僅僅存在于項目的部分環(huán)節(jié)，兩者之間溝通較少，缺乏患者和其他相關利益者的參與，從而忽視了人性化的設計需求和產品生態(tài)的循環(huán)和發(fā)展。本研究從創(chuàng)新驅動力和創(chuàng)新維度之間關系的視角出發(fā)，探索設計思維與醫(yī)工交叉結合的模式，有助于工程思維和科學思維更好地厘清復雜問題中人的要素；不僅為醫(yī)工交叉背景下產品創(chuàng)新提供了一種可行的模式，且可生成醫(yī)工產品良性生態(tài)鏈。

一、醫(yī)工交叉的溯源

醫(yī)工交叉最早可以追溯到1998年斯坦福大學成立的Bio-X研究中心。2007年，上海交通大學效仿Bio-X成立了Med-X研究院，致力于建立開放式醫(yī)學應用研究平臺和醫(yī)療技術產品研發(fā)-技術轉化-臨床應用體系；[1]2016年，原國家衛(wèi)生計生委、科技部等五部門聯合發(fā)布《關于全面推進衛(wèi)生與健康科技創(chuàng)新的指導意見》，明確提出組織跨學科科研人員深入交流，促進形成學科交叉、有機融合的群體創(chuàng)新局面的要求。[2]

廣泛意義上的醫(yī)工交叉指圍繞醫(yī)學實際需求，將醫(yī)學和醫(yī)學以外的理工科廣泛學科范疇進行交叉融合、協同創(chuàng)新的方式[3]。“醫(yī)工交叉”是將數學、力學、化學、微電子技術、生物信息等學科的理論、方法和成果融合到醫(yī)學實踐中，研究者借助工科領域發(fā)展的新理論、新原理和新技術解決醫(yī)學領域發(fā)現的難題，從而更好地促進醫(yī)學領域的發(fā)展。[4]隨著跨學科交融需求不斷增加，醫(yī)工交叉逐漸成為引領未來醫(yī)學創(chuàng)新的主導方向。

二、設計思維和醫(yī)工交叉的契合點

（一）設計思維概念解讀

設計思維的雛形源自于西蒙提出的設計與科學的思考方式的差異辨析，科學是以研究事物“是什么”為導向的，而設計是以探討解決方案的“可能性”為導向的。[5]狹義的設計思維特指由蒂姆·布朗（Tim Brown）和羅爾夫（Rolf A.Faste）等人總結的理念和方法，是以將人的需求、技術和商業(yè)相結合整合性思考方式。[6]

當今時代，學科之間的邊界日益模糊化，設計所面臨的問題已逐漸變成跨學科的綜合問題。[7]設計思維已演變?yōu)橐环N跨學科語境下的整合性創(chuàng)新的范式。[8]對其整合特性的了解，有助于創(chuàng)新實踐者運用設計思維進行跨學科創(chuàng)新過程中打通因學科背景差異等因素造成的創(chuàng)新鴻溝?？梢哉f，設計思維不僅作為設計方法論，更作為一種思維方式，加速了整個社會的創(chuàng)新進程。

（二）醫(yī)工交叉面臨的問題

醫(yī)工交叉實踐過程由創(chuàng)新想法提出、基礎研究階段、應用研究階段和產品形成轉化四個環(huán)節(jié)組成，目前這四個環(huán)節(jié)存在的問題主要體現在：1）臨床應用需求互動較少。目前醫(yī)工交叉研究多集中在材料、器械等技術應用層面，將雙方現有的技術手段進行簡單疊加；2）科研成果轉化較難。醫(yī)工交叉的科研成果轉化鏈尚未形成。目前，國內多數醫(yī)工交叉的研究僅僅停留在項目合作階段，研究成果多停留在發(fā)表論文及申請專利等學術層面，與市場吻合度差，較少的研究會將成果轉移到臨床，考核指標也僅限于論文產出，而不是成果轉化率；3）人的需求洞察較弱。以問題解決的功能導向思路固然沒錯，但是現代醫(yī)療已經越來越多地提出全流程人性化設計的需求，柔性思維非常重要；[9]4）項目合作程度較低。非醫(yī)科背景參與者對于臨床上諸多需求不甚了解，醫(yī)生雖然清楚具體需求并且有相關應對策略，但由于“醫(yī)工協同平臺”搭建不完善，在項目中臨床醫(yī)務人員與非醫(yī)科背景參與者協作質量較差。

（三）創(chuàng)造性思維視角下設計思維的優(yōu)勢

侯敏楓認為，“創(chuàng)造性思維不僅表現為產出新發(fā)現和發(fā)明的思維過程，而且還表現為在思考的方法上具有獨到之處的思維過程”。[10]在設計學專業(yè)領域，設計思維是創(chuàng)造性思維結構中的重要表征因素。斯坦福設計學院教授內里·奧克斯曼提出了“創(chuàng)造力的克雷布斯循環(huán)”（圖1），其目的在于模擬和詮釋科學、工程、設計和藝術這四種代表人類創(chuàng)造力形式的學科之間相互作用的循環(huán)過程。這個循環(huán)希望通過創(chuàng)造一種“視角”探索設計與科學、工程、藝術學科之間的融合途徑。

社會科學的研究視角將人類的創(chuàng)造性思維方式分成科學思維、工程思維（包含設計思維）和藝術思維，它們是人類認知、創(chuàng)造、想象世界的有機組合體。羅建平及其合作者在論文《設計思維視角下的設計問題復雜性探究》對兩者關系進行了歸納（圖2）：工程思維有兩種不同的趨向性，即理性方向的技術趨向性和感性方向的設計趨向性，前者用技術構造人工物，后者通過想象和整合設計創(chuàng)造體驗，滿足人的需求[11]。所以設計思維兼具科學思維的理性邏輯及藝術思維的感性直覺想象力。在這篇論文中，作者還提出了設計思維與工程思維對比圖，從中我們可以看到兩者的互補關系（圖3）。由此可見，工程思維很難做到定義復雜問題中人的要素，而這正是設計思維擅長的。因此，在此領域中，工程思維是實現設計的底層邏輯，而設計思維是確保設計方向正確的頂層保障。換句話說，在醫(yī)工交叉設計中設計思維是工程思維的邊界拓展。

（四）醫(yī)工交叉視角下引入設計思維的必要性

醫(yī)工交叉問題屬于跨學科視角下的復雜問題，與其他學科，特別是與工程類學科的交叉常常超越了單一學科的研究范圍，因此需要創(chuàng)造者以整合性的眼光來觀察和理解事物。設計思維是一種系統(tǒng)性創(chuàng)新思維方式，是以問題為導向的整合性創(chuàng)新思路，強調從人的感性方面去獲取需求中的情感因素，基于對人的深入了解，挖掘問題的本質。設計思維強調的是思考和分析，而不是靠執(zhí)行流程得出一個結果。在實際解決多學科交叉問題時，需要不同背景的參與者進行協同合作，以設計思維作為工具以及手段，有效地對問題進行求解。因此，在醫(yī)工交叉創(chuàng)新的實踐中，設計思維的介入可以提供一種有效的定義問題的方法以及可操作的工具，實現跨領域、跨學科、背景及技能相異的參與者協同完成項目。綜上所述，針對醫(yī)工交叉創(chuàng)新，則需將設計思維嵌入到具體的實踐過程中，使其成為推動創(chuàng)新的動力。

三、醫(yī)工交叉背景下的設計思維介入模式

綜上所述，醫(yī)工交叉不是單一的問題，而是系統(tǒng)性的跨學科綜合問題，設計思維所主導的從問題定義、創(chuàng)新機會發(fā)現、資源整合等系統(tǒng)性創(chuàng)新思路非常適合對這類復雜問題進行分析和研究，可以促成醫(yī)工交叉的“醫(yī)”和“工”進行有效融合。

（一）醫(yī)工交叉下的設計創(chuàng)新

柳冠中先生認為，設計創(chuàng)新的內涵包含4個層級：1.外觀層面的創(chuàng)新，即以新的直觀的產品外觀形象產生產品差異；2.功能層面的創(chuàng)新，即從功能層面產生產品差異；3.原理層面的創(chuàng)新，即通過從新的角度上解決問題，從觀念層面產生差異；4.整合、集成層面的創(chuàng)新，即從“體驗層面”產生產品差異，是以服務體系為主導的產品系統(tǒng)。在產品領域，從四個層級來看，第一和第二個層級是對于具體產品內容的創(chuàng)新，而第三與第四個層級則是整個產業(yè)、體系的創(chuàng)新。[12]

在醫(yī)工交叉應用情境下，一、二層級的創(chuàng)新是可以被使用者直接接觸產品而感知到的，如基于3D打印技術的藥物和醫(yī)療器械的研發(fā)，全降解血管支架等高值醫(yī)用耗材，遠程診療等移動醫(yī)療設備等；而三、四層級的創(chuàng)新則較難感知，例如智慧醫(yī)療通過物聯網實現患者與醫(yī)務人員、醫(yī)療機構、醫(yī)療設備之間的互動，從而達到提高醫(yī)療效率和質量的目的。因此，將前兩個層級統(tǒng)稱創(chuàng)新顯性層級，而后兩個層級統(tǒng)稱為創(chuàng)新的隱性層級，產品的定義與產業(yè)的創(chuàng)新設計與這兩個層級有著直接的聯系。

（二）醫(yī)療創(chuàng)新的流程

一般來說，創(chuàng)新的表現形態(tài)主要集中在兩個方面：商業(yè)模式和技術變革。但創(chuàng)新的商業(yè)化只是市場發(fā)展的表面現象，核心還是創(chuàng)新背后的動力。只有把握了動力的來源，才能對創(chuàng)新可能的發(fā)展作出相對有效的趨勢判斷。具體到醫(yī)療行業(yè)來說，創(chuàng)新背后的動力并不是僅僅直接來自政策的改變，而更多的是來自用戶的需求和技術的革新，這是醫(yī)療創(chuàng)新的核心動力。醫(yī)療創(chuàng)新與眾不同的特點就在于，總是可以從未得到滿足的重要臨床需求入手，之后發(fā)明解決需求的技術。這種以需求為驅動的方法。特點鮮明的需求正是醫(yī)療創(chuàng)新的關鍵。換言之，識別和理解需求的確定階段是整個醫(yī)療創(chuàng)新流程的基石。一旦確定了需求，也就有了進行發(fā)明的堅實基礎。

在醫(yī)工交叉領域，宋成利在其譯著《醫(yī)療科技創(chuàng)新流程》中，梳理了從醫(yī)療行為到醫(yī)療產業(yè)體系的路鏈關系，把完整的醫(yī)療創(chuàng)新分為3個創(chuàng)新階段：1.發(fā)現；2.發(fā)明；3.發(fā)揮，每個階段包含其階段目標以及完成該目標所需要實施的具體活動，簡稱“三發(fā)”理論（圖4）。發(fā)現階段包括需求發(fā)現以及需求篩選，其具體活動主要是針對具體醫(yī)療情境或者產業(yè)體系中的問題進行挖掘；發(fā)明階段的主要任務包括概念產生以及概念選擇，其具體活動是針對醫(yī)療情境中或者是產品（產業(yè)）體系中的問題進行明確化、對問題的解決方式進行概念封裝以及推出相應的產品；發(fā)揮階段包括戰(zhàn)略發(fā)展以及商業(yè)規(guī)劃，其具體活動則是針對醫(yī)療體系或者產品體系層面的戰(zhàn)略發(fā)展進行研究，并提出相應策略。

從宏觀上來看，這個創(chuàng)新流程是針對醫(yī)療裝備的創(chuàng)新主體所提出的普適性的創(chuàng)新機制，提高醫(yī)療裝備的自主創(chuàng)新能力符合我國《健康中國“2033”綱要規(guī)劃》政策。根據前文柳冠中先生對于創(chuàng)新內涵的4個層級（外觀、功能、原理、集成創(chuàng)新），將其和宋成利對于醫(yī)療創(chuàng)新的“三發(fā)”理論進行連接，發(fā)現其中的對應關系：發(fā)現（需求層）對應醫(yī)療產品使用者（或受用者）的行為，也就是醫(yī)療創(chuàng)新中的情境模塊；發(fā)明（產品層）對應產品的創(chuàng)新活動，包括造型、功能、原理、集成的創(chuàng)新，也就是醫(yī)療創(chuàng)新中的產品模塊；發(fā)揮（產業(yè)層）對應產品定義及生態(tài)系統(tǒng)的構建，也就是醫(yī)療創(chuàng)新中的體系模塊。外觀、功能、原理、集成創(chuàng)新雖然居于產品模塊，但是向下輻射，外觀、功能和產品的使用行為、情境相關，向上輻射，原理、集成將直接導致產品的重新定義及生態(tài)系統(tǒng)的迭代。籍此，結合柳冠中先生對于設計創(chuàng)新的主張以及宋成利對于醫(yī)療創(chuàng)新的理論，提出醫(yī)工交叉背景下的設計創(chuàng)新模式（圖5）。

（三）醫(yī)工交叉背景下的設計思維介入模式解析

醫(yī)工交叉背景下的設計創(chuàng)新模式由兩種創(chuàng)新角色、三個創(chuàng)新維度以及兩種創(chuàng)新驅動模式所構成。兩個創(chuàng)新角色分別是創(chuàng)新主體與實踐客體：創(chuàng)新主體是指的實施醫(yī)工交叉背景下設計創(chuàng)新實踐的人或者組織，下轄一個完整設計創(chuàng)新流程所需要完成的三個階段任務；實踐客體是指醫(yī)工交叉背景下設計創(chuàng)新實踐所面對的各個具體場景與對象，由3個實踐模塊構成：1.醫(yī)療生態(tài)模塊；2.醫(yī)療產品模塊；3.醫(yī)療情景模塊。創(chuàng)新主體所轄的階段任務與實踐客體在每個層級上存在對應關系，依據其關系將模型分為3個層級：1.產業(yè)層；2.產出層；3.需求層。層級與層級之間由兩種創(chuàng)新驅動模式進行關聯：即以正向創(chuàng)新驅動模式帶動產業(yè)層變革進而引導需求層進行痛點挖掘；以逆向創(chuàng)新驅動模式解決需求層中問題痛點，從而推動產業(yè)層迭代革新。

1.創(chuàng)新主體的內涵與解釋

前文談到，宋成利在《醫(yī)療科技創(chuàng)新流程》中提出了“三發(fā)”理論。醫(yī)工交叉背景下，設計創(chuàng)新實踐的人或者組織下轄完整的設計創(chuàng)新流程需要完成的三個階段的任務，構成需求定義-概念構建-戰(zhàn)略規(guī)劃的創(chuàng)新閉環(huán)，其具體輸出產物為醫(yī)療需求挖掘、醫(yī)療產品創(chuàng)新以及醫(yī)療產業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃，這構成了醫(yī)工交叉背景下設計思維介入的創(chuàng)新主體。

醫(yī)療需求驅動產品創(chuàng)新，當需求出現時，供給總是以創(chuàng)新性的方式出現。在醫(yī)療器械研發(fā)領域，醫(yī)療需求精準地引導著醫(yī)療設備供給發(fā)展趨勢。飛利浦作為全球醫(yī)療保健行業(yè)的領導者，深入研究臨床需求，以創(chuàng)新的醫(yī)療解決方案來創(chuàng)新和拓展醫(yī)療產品行業(yè)。飛利浦還與華為簽訂了MoU，計劃著眼于中國二線城市部署云醫(yī)療解決方案，通過需求驅動創(chuàng)新，探究優(yōu)質的解決方案對患者的病情發(fā)展做出更加準確的判斷。因此，真實需求越來越多地影響著產品創(chuàng)新。

醫(yī)療產品創(chuàng)新促進產業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃，創(chuàng)新是產業(yè)發(fā)展的核心，創(chuàng)新的一切目標指向為提高效率。為更好地滿足醫(yī)療需求和提高效率，需加強推進醫(yī)療技術產業(yè)發(fā)展，推動醫(yī)療產業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃，加快技術創(chuàng)新，突破原始創(chuàng)新技術，引領新一代醫(yī)療器械產品發(fā)展。

2.實踐客體的內涵與解釋

醫(yī)療器械產業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與自然界的生態(tài)系統(tǒng)有著高度的相似性，產品“新生態(tài)化”導向的創(chuàng)新模式將是醫(yī)療器械產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的推崇模式[13]。汪英華指出醫(yī)療器械產業(yè)快速可持續(xù)發(fā)展依賴于醫(yī)療器械產業(yè)創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)建設的加強，以及高效且低耗的創(chuàng)新模式[14]。從廣義上來說，醫(yī)療器械產業(yè)并不僅僅指醫(yī)療產品本身，產品生態(tài)（Product Ecological）的創(chuàng)新對產品所屬行業(yè)以及產品的創(chuàng)新迭代有著重要的驅動作用。醫(yī)療器械產品將影響整個醫(yī)療體系，包括服務、產品、政策等。因此，醫(yī)工交叉下產品生態(tài)從屬于醫(yī)療體系生態(tài)，而醫(yī)工交叉下的產品生態(tài)的創(chuàng)新必然影響到整個醫(yī)療體系的創(chuàng)新。

根據圖5所示，隱性創(chuàng)新層級所驅動的創(chuàng)新稱之為頂層創(chuàng)新，其創(chuàng)新結果的輸出形式為新的產品生態(tài)或者新的醫(yī)療系統(tǒng)生態(tài)。底層創(chuàng)新則由顯性創(chuàng)新層級所驅動，主要體現在產品的觀感以及功能的創(chuàng)新上，其創(chuàng)新結果的輸出形式為新的產品形態(tài)以及產品功能。可以改善使用者（醫(yī)療實施者）、受用者（病患）的體驗感受以及提升使用者和受用者之間的互動行為。需要指出的是，雖然學者們對于醫(yī)療產業(yè)創(chuàng)新的研究大多以醫(yī)療器械創(chuàng)新為研究對象，但是從廣義上來說，醫(yī)療產品的內涵應不僅單指醫(yī)療器械，還應當包含醫(yī)療環(huán)境以及醫(yī)療過程中人與人以及人與物的交互行為和人的情感[15]，這三者在實現醫(yī)療行為的預期效果中有著不可替代的作用，并且在一些復雜醫(yī)療行為中，醫(yī)療效果是否達到要求往往由這三者各自設計質量的優(yōu)劣及其匹配程度所決定。

3.創(chuàng)新主體與實踐客體的關系

創(chuàng)新與實踐是相互促進、相互提升的關系，見圖5。

從橫向看：需求定義所在的需求層對應醫(yī)療情境模塊，通過分析使用者和受用者的行為，尋找兩者的需求；概念構建所在的產品層對應醫(yī)療產品模塊，從功能突破和原理創(chuàng)新上對醫(yī)療產品進行革新；戰(zhàn)略規(guī)劃所在的產業(yè)層對應醫(yī)療體系模塊，主要是醫(yī)療產業(yè)生態(tài)體系的變革引發(fā)的醫(yī)療產業(yè)的顛覆與革命。

根據臨床關鍵問題、利益相關者和市場特點等，調研收集亟待改進的醫(yī)療需求信息，并加以歸納和選擇是需求定義階段的重要任務。

需要注意的是，在調研過程中必須深度思考用戶使用情景，明確用戶在情景下的具體行為。在發(fā)明階段需要為一個或者多個確定的需求設計提交解決方案，確定產品的最終概念，以便在下一個階段為實施概念進行戰(zhàn)略規(guī)劃。在實踐客體層面需要先尋找全新的解決問題的途徑，從“觀念層面”制造產品差異；還需要具體定義產品的功能和造型，以便從“直觀層面”和“使用層面”創(chuàng)造差異。在實踐客體的層面上，充分考慮到產品的定義和產品生態(tài)之間的關系將作為產品開發(fā)和進軍市場的指南。

從縱向看：創(chuàng)新主體和實踐客體之間存在一個雙向驅動的關系，產品所屬的生態(tài)系統(tǒng)作為主要驅動因素導致的產品定義的革新，稱之為自上而下的驅動，或者正向驅動，這是從產業(yè)體系的維度進行革新從而觸發(fā)醫(yī)療行為中新的需求；通過挖掘醫(yī)療活動中的需求，以此促使整個產品生態(tài)系統(tǒng)的革新，稱之為自下而上的驅動，或者逆向驅動。

醫(yī)療生態(tài)系統(tǒng)起到促進產品更新迭代的作用。針對當今世界面臨的醫(yī)療關護向家庭化轉移、數字化發(fā)展推動價值從設備向軟件和服務轉移的趨勢，飛利浦開發(fā)了健康數字平臺及一系列相關產品。比如，飛利浦的電動牙刷借助傳感器與互聯技術，將觀察到的口腔細菌情況上傳到云平臺，成為個人健康數據的一部分，這對于未來實現個性化診療具有重要的參考價值[16]。

相應的，醫(yī)療產品的更新迭代也會對醫(yī)療行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展起到促進作用。比如飛利浦開發(fā)的Lumify便攜式超聲診斷系統(tǒng)，通過“探頭即超聲”的簡便應用，可以與手機、平板等設備連接，提供高清圖像，為精準診斷提供依據（圖6）[16]；此產品通過便捷的遠程傳輸，不僅打破了醫(yī)療關護場所時空上的局限性，實現遠程診斷，也打破了超聲檢測受到大型設備移動不便的制約，為中國醫(yī)療，尤其是基層醫(yī)療帶來質的突破，也為未來的家庭診療開創(chuàng)了可能性。

結語

鑒于醫(yī)工交叉領域的研究和創(chuàng)新存在學科融合中人類認知的邊界模糊性所帶來一系列現狀。本文就醫(yī)工交叉中設計思維的介入方式提出了新的模式：通過架構三個創(chuàng)新維度、兩種創(chuàng)新角色以及兩種創(chuàng)新模式之間的系統(tǒng)框架，對從設計角度思考醫(yī)療產品以及整個醫(yī)療生態(tài)體系迭代更新的模式進行剖析。新的創(chuàng)新模式更多考慮到了人性化的設計需求、產品定義和產品生態(tài)之間的相互驅動、頂層創(chuàng)新和底層創(chuàng)新間的關系等，能夠為醫(yī)工交叉領域中設計思維的介入提供全新的視角。