血透機人機交互界面的設計與研究

施建盛，胡浩，劉松，彭玲

江西三鑫醫療科技股份有限公司 研發部，江西 南昌 330052

引言

隨著各科學領域的迅猛發展，人機交互在產品中變成了一項重要技術指標[1]，復雜的人機交互方式也具備了科學技術基礎，硬件和軟件的實現方法也多種多樣，因此被廣泛重視和應用于醫療設備、消費電子、汽車、航空等領域。目前，需要人與機器進行信息傳遞和反饋的自動化設備都含有人機界面，它是用戶和系統之間信息交流的重要媒介[2]，用戶通過操作發送指令給設備系統，系統反饋顯示機器內部運行信息。

據統計中國腎病患者數量在逐年遞增，而終末期腎病治療的主要方法就是血液透析[3]。血透機是一種高度智能化和自動化的現代醫療設備，物理按鈕不再大量使用，觸摸圖形顯示屏的人機交互方式成為了主流[4]。而簡單符合功能要求的交互界面已不能滿足現階段的市場需求，以人為本的交互理念已經應用在了界面設計中，自然和諧成為了必備要素，更加注重用戶體驗[5-6]。設計一款優良的血透機交互界面需要整合多領域的知識，醫療行業規范是基礎，還需考慮臨床使用習慣，交互設計、心里學和情感等[7]。現如今半導體技術、嵌入式技術和計算機技術等越加成熟，嵌入式系統和微電腦功能更加強大[8]，應用更加專業，復雜的人機界面在軟硬件平臺上實現變成可能。國外同行業知名企業也非常重視人機交互的設計，并在推出的新產品中進行了應用，得到了廣大一線醫護人員的認可。國產血透機起步相對較晚，而國內市場上正在使用的血透機以國外品牌為主，設計更加符合國情和國人使用習慣的人機交互界面具有一定的實際意義。

因此，基于國家行業標準、市場新需求和技術可行性等情況，提出了上下位機架構的軟硬件實現框架；結合人機交互通用設計原則中的自解析性、較低的認知負荷、較低的體力需求、易學習、較高的用戶滿意度、靈活可用、實時響應和較高的錯誤容忍度等[9]，設計研究一款操作簡單，外觀舒適的全觸摸血透機人機交互界面。

1 人機交互界面的組成

人機交互界面的主要職責是顯示病患治療參數并監控設備自身運行狀態，提供用戶操作的接口，而人機交互是指實現設備內部信息與人類可識別信息之間的轉換過程。目前人機交互方式種類繁多，例如用戶界面觸摸、手勢識別、人臉識別、語言和聲音交互等等[10-11]。不同交互方式都有其特點，應用場合和環境也不一樣。醫院智能化管理使用了語言和聲音等識別方式[12]，而血透機這種治療設備對穩定性和安全性要求較高，簡單穩定的交互方式成為首選，故觸摸式界面被世界各大廠商所采用[13]。人機交互圖，見圖1。

圖1 人機交互圖

血透機人機交互界面相當于設備大腦，可分為外觀、功能和監控三大部分，需同時包含工業設計、硬件設計和軟件設計。三大模塊的定義如下。

（1）外觀。它是用戶肉眼可直接觀看的部分，一般是先行效果圖的工業設計，然后在選定或設計的硬件平臺上進行軟件編碼實現。本模塊僅具備簡單的頁面或視圖的切換和顯示功能，整機的控制功能，如泵的速度和開關，各配件之間的協調動作等功能需另外的程序設計。

（2）功能。是指所有配件的操控，以及完成自檢、預沖和治療等指定邏輯的組合動作控制，并實現設備運轉的所有功能。

（3）監控。醫療設備軟件需具備極高的穩定性和安全性，監控可分為兩部分，即人機交互軟件的自我狀況監控和設備其他硬件和電相關配件的監控：① 自我監控：監控人機交互軟件本身運行是否正常；② 硬件和配件的監控：監控下位機各主板工作是否正常，所有配件是否正常。

2 血透機基本原理

2.1 組成框架

德國費森尤斯建立了血液凈化設備的雛形，血透機發展至今已有近百年的歷史，通過不斷的臨床使用和設計完善，設備原理已成熟且穩定[14-15]。不同廠家設備操作流程存在差異，但原理都大同小異。整個血透機可分為三大部分：體外循環系統、液路系統和監控顯示系統。① 體外循環系統：是指將人體血液從動脈引出，通過血泵和壓力監測裝置到達透析器，經過透析器中的膜的彌散、對流、超濾和吸附作用，再從透析器中流出回到人體靜脈的系統。經過清除和過濾的血液回到人體靜脈前還需經過液位高度監測、壓力監測和氣泡監測；② 液路系統：為了配比出合格的溫度、電導率和壓力的透析液，用于在透析器中和血液發生間接接觸，從而產生治療作用；③ 監控顯示系統：是一個控制整機運行，顯示必要的信息及治療數據，同時監控設備本身運行狀況及病患治療情況的系統。血透機結構原理圖，見圖2。

圖2 血透機結構原理

2.2 運行邏輯設計

設備都是在指定的模式和邏輯情況下運行的，監控顯示系統中的人機交互界面就是按照預定邏輯進行設計的。本文設計的血透機的運行狀態分為自檢、預沖、準備治療、旁路、透析治療/單純超濾、治療結束、回血、消毒和維修（圖3）。自檢狀態開機時強制執行，確保設備正常后才能進入其他狀態，隨后進入預沖狀態，等待體外循環管路預沖生理鹽水，同時等待治療參數達到合格范圍內。旁路狀態的主要作用是在異常情況下保證透析液不流經透析器，隔離血液和液路系統，從而保護病患。設備提供兩種治療模式：透析和單超，治療結束后需及時把管路中的血液回輸到人體內，接好管路后開啟血泵即進入回血狀態。為保證設備的衛生環境，每次治療結束必須進行消毒，而維修模式屬于獨立的狀態，用于設備本身狀況的查看及調試。

圖3 運行邏輯框圖

3 血透機人機交互界面的設計

3.1 硬件和軟件架構設計方案

鑒于設備的復雜性，需將控制部分分為多個功能模塊，實行專板專控的設計原則，提高設備運行的穩定性和效率。主要可分為下位機和上位機，又可根據設計需求將下位機再進行功能模塊的分割。下位機一般是指直接驅動或控制傳感器和其他電相關配件的控制分類，屬于直接執行部分；而上位機是相對下位機而言的，通過報文協議間接控制設備部件，一般是完成配件之間的組合動作，從而實現一定功能（圖4）。無論是下位機或上位機都是由硬件和軟件組成，相應的硬件平臺、開發語言和開發環境等選擇較廣，可靈活搭配使用。

（1）硬件。下位機中的硬件主控芯片選擇是核心，其他外設電路根據相關電配件需求搭建。可選的對象有很多，例如FPGA/CPLD、單片機（STM/NXP等）、DSP等，主頻都達到了100 MHz以上，不同的功能模塊可使用不同的控制核心。上位機硬件要完成更加復雜的邏輯控制，運行速度要求也更高，所以一般選擇CPU為主控核心，例如以ARM為核心的嵌入式系統，或者采用Intel/AMD等為平臺的嵌入式單板電腦。

（2）軟件。硬件平臺確定之后軟件開發環境和語言也隨之確定，以FPGA/CPLD為例，開發環境可選用Quartus II，編程語言是Verilog或VHDL；上位機以ARM為例，使用免費的嵌入式Linux操作系統，搭配QT設計人機交互界面[16]。Linux和QT地設計框架，見圖5。

圖4 血透機系統架構

圖5 Linux和QT的設計框架

（3）CAN通信。CAN總線是當前應用最為廣泛的現場總線之一，具有抗干擾能力強、穩定性好和時效性高等特點，可應用于工業和汽車等復雜環境[17-18]。總線中的遠程幀模式有8個數據位，可滿足本設備復雜報文的編制需求。

3.2 人機界面設計

血透機人機交互界面的用戶對象為醫護人員，外觀設計上不僅要求視覺上的舒適，更要考慮設計的簡單化，使用的可靠性和高效性，從而減輕操作人員的記憶負擔，減少誤操作的發生概率[19]。

隨著血液凈化行業的發展，一些臨床參數已成為重要的治療監測指標，并列入行業及國家規范和標準。因此，結合設備本身的功能需求、臨床使用習慣和簡化用戶操作難易程度的考慮，對血透機人機交互界面作如圖6所示設計。本設計遵循人性化設計，① 功能方面：主界面包含血泵和肝素泵的速度設置和開關控件，可方便且及時地對血液動力裝置進行操作，還包含旁路、預沖和回血等各運行狀態的按鈕，以及電導度、溫度、動/靜脈壓、跨膜壓、靜脈端的液位和氣泡、漏血等參數監控顯示；② 布局方面：按鈕和泵等用戶操作部分位于整個界面的右邊和下面，便于右手操作；顯示部分位于界面的左邊和上面，操作時不會對界面其他地方造成遮擋而形成視野盲區；主界面的中間部分根據設備運行進程或用戶操作而實時顯示對應參數或子界面；③ 色彩和外觀方面：色彩主體是科技藍，象征著生命和科技，無復雜顏色搭配，防止用戶視覺疲勞；外觀清新自然，操作和顯示部分均以方便點擊和觀察為主要目的。

圖6 觸摸式人機交互界面

經臨床學習和醫院調研發現，預沖和回血工作量大且耗時最長，為減少操作人員的勞動量，界面中的“預沖”和“回血”按鈕可一鍵自動預沖和自動回血。

4 討論

隨著科技的發展以及用戶對使用體驗需求的不斷提高，全觸摸式人機交互界面變成了主流，各種相關產品越來越智能，外觀美化也不再有技術制約的問題。直接治療型醫療產品考慮到使用環境以及操作的穩定性和安全性等問題，手勢和語言等交互方式并未普及。

血透機有相關的行業標準和法律法規對設備的運行參數及性能進行規定，用以檢測設備的合格性。對人機交互體驗卻沒有明確的要求，主要原因是這項指標很難被量化，而且存在個體感受差異問題。人機交互界面包含外觀和操作兩方面的體驗，而對它的評價將由市場用戶來進行，也是最終決定產品生命力的重要因素。

醫療設備的設計需充分考慮功能、行業標準和法規，以及自然和諧的因素，本文通過分析嵌入式系統國內相關主流技術，提出了可行的軟硬件實現方案，搭建了血透機控制架構，設計了全觸摸人機交互界面外觀。軟硬件架構及實現方案對其他智能醫療產品的設計研究具有一定借鑒意義；經相關專業人士體驗，該設計簡單明了，操作方便，體現了自然舒適的外觀感受。