基于眼動和生理信號的放療軟件用戶界面設計要素可用性研究

江明尹，李強，王道雄，孫冬杰，徐璇

（華中科技大學 同濟醫學院附屬同濟醫院，武漢 430030）

伴隨著放射治療技術的不斷發展，不少先進放療設備快速應用于臨床，用于提高腫瘤患者的診療質量。新技術的引用在提高患者診療質量的同時，不可避免會引入臨床使用風險。2016 年，美國醫學物理師協會發表的《The Report of Task Group 100 of the AAPM: Application of Risk Analysis Methods to Radiation Therapy Quality Management》報告指明，人為使用失誤是引發放療失誤的主要誘因[1]。研究表明，醫療器械產品的可用性設計水平與人為使用失誤的發生密切相關[2]。可用性設計低劣的放療產品未能較好地考慮使用人員的身體、能力和使用環境等因素限制，易引發使用安全問題[3]。因此，提高放療產品的可用性設計，是減少人為使用失誤，提高放射治療系統運行安全和保障患者就醫安全的關鍵。已有部分學者針對放療產品的可用性設計展開了相關研究。Chan等人[4]研究表明，優化放射治療系統界面可用性設計可有效降低使用人員的任務完成時間和錯誤率。Marks 等人[5]研究表明，放療產品人機交互界面可用性設計優劣會影響使用者的正確使用。Chan 等人[6]采用啟發式可用性評估方法，對在用放射治療系統的可用性進行評估，發現現有放射治療系統可用性設計存在一定缺陷，易引發使用風險。Shier 等人[7]對在用放射治療系統可用性進行重新設計，發現提高放射治療系統人機交互界面可用性設計，可有效降低操作人員使用錯誤和用戶滿意度。Jiang 等人[8]綜合利用啟發式評估和可用性測試，評測在用放射治療系統的可用性設計，結果發現在用放射治療系統可用性設計均存在一定缺陷。研究結果還表明，可用性設計良好的放射治療系統對比于同類產品，具有較好的用戶體驗。在國內，部分學者對放射治療系統的可用性設計展開了探索性研究。如學者王慧亮[9]介紹了可用性在放射治療設備開發過程中的應用。江明尹等人[10]利用專家現場評估和可用性測試綜合評估法，對兩種國產放射治療系統可用性設計展開評估，結果表明國產放射治療系統的可用性設計還存有較大的改進空間。

當前，較少有研究定量分析放射治療系統人機交互界面設計元素對產品可用性的影響，研究界面設計元素設計水平的不同對可用性評估指標的影響。本文擬對臨床在用放射治療軟件操作系統人機交互界面設計要素可用性展開研究，定量分析設計要素設計水平的不同對產品可用性的影響。同時建立設計要素與可用性評估指標的關系模型，為放射治療軟件操作系統用戶界面的可用性優化提供解決方案。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

研究以臨床在用某國產放射治療軟件操作系統人機交互主界面設計要素為研究對象，邀請了6 名放射治療軟件操作系統臨床使用專家參與訪談會議，通過反復查看和研究該放射治療軟件操作系統人機交互主界面設計特點，篩選出了5 個需要進行可用性重設計的設計要素，分別為重要放療參數的顯示、放療參數的呈現方式、設備聯鎖報警的內容顯示、設備運行狀態和界面重要功能按鍵配色使用。同時，課題組邀請了6 名專家進行討論分析，確定了5 設計要素的2 水平設計，見表1，用于探究設計元素對放射治療軟件操作系統可用性的影響程度。

表1 5 設計要素的2 水平設計Tab.1 T wo design levels for five design elements

利用正交實驗設計原理，針對確定的界面設計要素及其設計水平，利用SPSS 軟件生成了8 種界面組合設計原型，放射治療軟件操作系統主界面設計要素正交實驗設計見表2。通過正交實驗設計確定的8 個主界面模型，開發了8 個放射治療軟件操作系統主界面頁面，用作后續的實驗研究。

表2 放射治療軟件操作系統主界面設計要素正交實驗設計Tab.2 Orthogonal experimental design for user interface design elements of radiotherapy system

1.2 實驗被試

20 名具有放射治療軟件操作系統操作經驗的放射治療技師參與了本次研究。被試年齡分布為25～30歲，平均年齡為27 歲。參與測試前，所有被試保持良好的休息和身體狀態，確保數據采集的真實性和準確性。

1.3 實驗測試任務

依據放射治療技師日常操作任務，提煉出了以下實驗測試任務：（1）核查放射治療療程總放療次數和當前放射治療的分次數；（2）查看當前直線加速器狀態；（3）查看相關治療參數（機架角度、準直器角度、治療床參數）；（4）在用戶界面搜尋“終止治療”按鈕，點擊并核查軟件用戶界面聯鎖報警的具體內容。

參與實驗的放射治療技師必須在8 個放射治療軟件操作系統用戶界面完成對應的4 個測試任務。放射治療技師在構建的放射治療軟件操作系統用戶界面完成特定實驗任務時，其眼動及生理數據通過相應的儀器設備進行采集和處理。

1.4 指標數據采集

當前，已有部分學者將眼動和生理指標用于產品界面的可用性研究[11-14]。納入研究的指標集見表3，用于表征放射治療軟件操作系統用戶界面設計要素因設計水平的不同對用戶界面可用性的影響程度，用作客觀、定量優化改進放射治療軟件操作系統用戶界面可用性設計水準。

表3 納入研究的指標集Tab.3 Set of indicators included in the study

1.5 實驗設備

放射治療技師完成任務時，測試人員眼動數據通過眼動儀Tobii Glasses 設備獲取，生理指標數據通過人體生理指標采集PsyLAB 系統獲取。

1.6 實驗流程

放射治療技師在進行測試實驗前，須處于良好的身體狀態和充足的睡眠，確保測試數據的有效性。具體的實驗研究流程如下：（1）研究人員向參與測試放射治療技師介紹實驗目的、流程及注意事項，收集人口學資料；（2）放射治療技師在研究人員的指引下熟悉測試軟件，同時可進行與實驗任務無關的操作；（3）研究人員告知放射治療技師測試的實驗步驟及任務，確保放射治療技師熟知測試流程；（4）安裝并調試眼動和生理數據采集設備，使數據采集設備能正常使用；（5）正式測試前，需采集每位放射治療技師靜息狀態下的眼動和生理指標基線數據，用作后續的數據分析；（6）在研究人員的引導下，每位放射治療技師在8 個頁面完成相同的測試任務，完成單個頁面測試任務后，每位放射治療技師需經過充分休息，然后開始下一頁面測試。

1.7 數據處理及分析

為評估用戶界面設計要素設計水平對放射治療軟件操作系統可用性影響程度，需要對采集的眼動和生理數據進行處理。將采集的部分眼動數據（瞳孔直徑）和全部生理指標數據與放療技師靜息狀態下基線值差值作為分析數據來源，確保分析結果科學有效。

2 實驗數據處理與評估模型建立

2.1 基于單因素方差分析建模指標篩選

通過放射治療軟件操作系統可用性測試實驗，獲得了20 名放射治療技師在8 個設計頁面的眼動和生理指標數據。同時，為挑選出能表征用戶界面設計要素設計水平的不同對放射治療軟件操作系統用戶界面可用性影響程度，將8 個設計頁面作為單因素方差分析的影響因素，對所采集的眼動和生理指標數據進行方差齊性分析和單因素方差分析。

SPSS 軟件方差齊性分析的結果表明，放射治療技師完成特定實驗任務時，注視點個數、總注視時間、眨眼頻率、眼跳個數、總眼跳時間5 個評價指標其顯著性小于0.05，方差不齊，其余眼動和生理評價指標其顯著性大于0.05，可用作下一步單因素方差分析。眼動和生理指標方差齊性檢驗結果見表4，眼動和生理指標單因素方差分析結果見表5。生理指標皮膚導電性在滿足方差齊性前提下，單因素方差分析結果顯著性滿足小于0.05 的條件，表明生理指標皮膚導電性與界面設計元素設計水平變化相關，可用作放射治療軟件操作系統可用性評價預測。

表4 眼動和生理指標方差齊性檢驗結果Tab.4 Homogeneity of variance test results for eye movement and physiological indicators

表5 眼動和生理指標單因素方差分析結果Tab.5 One-w ay ANOVA statistical analysis results for eye movement and physiological indicators

2.2 關系模型的建立

為定量分析放射治療軟件操作系統用戶界面設計要素設計水平不同對放射治療軟件操作系統用戶界面可用性的影響程度，擬用生理指標皮膚導電性作為因變量，以5 個放射治療軟件操作系統用戶界面設計要素不同設計水平為自變量，采用最小偏二乘回歸法（Partial Least Squares Regression，PLSR）作為本研究建模方法，利用Matlab R2017a 軟件建立可用性回歸預測模型。此外，由于界面設計元素為定性語言描述，無法作為模型定量變量輸入，所以在本研究中，將元素的設計水平定量化描述，并依據元素對應設計水平進行0-1 編碼，使之成為可輸入變量。同時，由于皮膚導電性（μS）具有對應量綱，需對采集的數據指標集進行標化處理。本研究利用Z-Score 函數對采集的皮膚導電性數據進行標化處理，具體處理方法見公式(1)。

公式中，x為實驗獲得的生理指標皮膚導電性數據，xmean總體數據的均值，δ為總體數據的標準差，x0為標化后的皮膚導電性數據。

此外，為了驗證所建模型的有效性，本研究選取前7 個頁面的生理指標皮膚導電性數據及其頁面設計元素設計水平作為建模數據，剩余頁面8 數據作為模型驗證數據，用作模型的有效性驗證。

放療軟件界面設計元素設計水平對可用性影響程度回歸模型見公式(2)。

公式中，Y皮膚導電性為模型輸出預測生理指標皮膚導電性數據，A1、A2，…，E1、E2表示5 個設計元素不同設計水平。此外，每個設計元素在對應頁面只取一種對應的設計水平，如頁面設計元素A處于A1狀態時，對應設計水平取值0；處于A2狀態時，對應設計水平取值1。

2.3 模型解釋

從得到可用性評估指標皮膚導電性預測模型可知，對進行可用性測試的放射治療技師皮膚導電性影響最大的頁面設計元素為重要治療參數的顯示方式（A），其次為放療參數的呈現方式（B），接著為界面重要按鈕顏色使用（E）。同時，通過獲得的預測模型可知，頁面設計元素修改后的設計水平會降低放射治療技師的皮膚導電性。

2.4 模型有效性驗證

為了進一步驗證模型的有效性，將預留的第8 個頁面實驗數據作為模型驗證數據，將其帶入模型后，比較皮膚導電性實際值與預測值的差異性，利用SPSS 軟件對皮膚導電性實際值與預測值進行配對樣本t檢驗，皮膚導電性配對樣本t檢驗結果見表6。結果顯示，顯著性水平大于0.05，表明皮膚導電性預測值與實際值不存在明顯差異性，研究獲得的皮膚導電性預測模型具有良好的適用性。

表6 皮膚導電性配對樣本t 檢驗結果Tab.6 Paired samples test results for electrodermal activity indicator

3 討論

研究表明，放射治療技師在不同測試用戶界面完成特定實驗任務時，放射治療技師生理信號皮膚導電性在不同測試頁面存在統計學差異。已有國外學者研究結果表明，測試人員的生理指標皮膚導電性和測試頁面的可用性設計優劣有關。Muter 等人[15]對銀行在用管理軟件用戶界面可用性展開了評估，發現使用人員皮膚導電性在可用性設計良好的軟件用戶界面其數值遠小于可用性設計低劣的軟件用戶界面。Ward等國外學者[16]已發表的研究結果也同樣證實，在可用性設計良好的軟件用戶界面執行實驗任務，使用人員的皮膚導電性水平較低。

在本研究中，獲得的生理指標皮膚導電性與頁面設計元素可用性回歸預測模型中，各用戶界面設計要素設計水平的系數極差反映了設計要素對放射治療軟件操作系統用戶界面可用性的作用大小。在模型中，對界面可用性影響最大的為重要治療參數的顯示方式（系數極差值為0.5608），其次為放療參數的呈現方式（系數極差值為0.4178），接著為界面重要按鈕顏色使用（系數極差值為0.2418）。分析該三種設計元素可用性設計水平可知，重要治療參數的突出顯示、放療參數的簡化顯示和重要按鈕使用醒目顏色，可有效降低放療技師在完成操作任務時的皮膚導電性，增強軟件界面使用時的可用性。依據本研究建立的生理指標皮膚導電性與界面設計元素的關系模型，可以針對性地為放射治療軟件操作系統用戶界面可用性優化改進提供解決方案。此外，在進行頁面迭代設計評價時，該模型還可為頁面設計人員提供預測值參考，更好地應用于頁面設計實際解決方案。

4 結論

文中提出了利用眼動和生理指標對放射治療軟件操作系統用戶界面可用性進行定量評估方法，對界面設計元素對用戶界面可用性的影響程度進行了研究，探索性解決放射治療軟件操作系統用戶界面可用性優化改進。該研究建立的可用性評估模型，有效利用眼動和生理指標，選擇關鍵界面設計元素，針對性提高元素可用性設計水平，進而提高用戶界面整體可用性。文中的研究方法不僅適用于放射治療軟件操作系統用戶界面可用性設計評價，還可延伸應用于其他種類醫療器械。該研究可為醫療器械制造廠商優化用戶界面可用性設計提供評估方法及工具，有利于可用性工程在醫療器械領域的應用與擴展。