基于用戶體驗的視覺引導式呼吸訓練器設計

涂益心，劉亞軍

（天津理工大學，天津 300380）

隨著現代康復醫學發展，呼吸訓練在呼吸系統疾病康復中的療效得到廣泛認可。有效的呼吸訓練可減輕患者呼吸系統癥狀，促進肺康復；同時呼吸訓練無創無痛、簡單方便、開支小，易被患者接受。然而該訓練在我國的開展并不樂觀。首先多數醫院仍然采取傳統呼吸訓練方式，例如呼吸操和肢體訓練，會因患者呼吸困難而難以開展；其次多數肺康復器材昂貴，一般醫療機構難以承受，且限制訓練場所，治療費用高，患者難以堅持。而呼吸訓練器是以呼吸肌鍛煉為基礎的一種新型肺康復輔助器，此種產品具備便攜、應用場景廣泛和價格低廉的優點。但目前市面上大多數呼吸訓練器，缺少訓練引導。由于呼吸訓練要求一定的節奏規律，在沒有康復醫師的口頭引導下，患者自行使用訓練器的訓練效果不佳。為克服以上問題，文章從患者視角出發，分析存在的痛點和設計機會點，最終設計出與移動設備結合的視覺引導式呼吸訓練器。

1 由用戶出發的呼吸訓練器研究

本次調研目標用戶為需要進行肺康復的患者，如慢性阻塞性肺疾病患者，肺癌手術患者等有呼吸困難的患者。在調研前確定目標用戶年齡區間和身體狀況，年齡區間為16 歲到56 歲，具備可自主使用呼吸訓練器的身體狀態。筆者主要采取了醫院實地調研為主，網絡問卷為輔的調研形式，綜合了解用戶對呼吸訓練器的使用和認知情況。最終訪談數據為用戶深訪12 人，有效問卷46 份。通過對得到的信息進行整理，部分調研數據統計結果如圖1所示。

據醫學建議，臥式和半臥式姿勢進行呼吸訓練會損壞呼吸肌功能，圖1（a）中可見多數用戶采用坐位或站立式進行呼吸訓練；由圖1（b）可知，多數用戶選擇在室內訓練，部分患者認為室外空氣更加適宜，故偏好在室外訓練，對于訓練場景私密性，用戶更多偏向在私人場所訓練；圖1（c）為有無醫師指導訓練的每周使用訓練器頻率對比，可見沒有醫師指導訓練的患者，堅持使用訓練器訓練的情況并不樂觀。

圖1 主要調研數據統計分析

將本次調研的反饋整理為如下幾點：部分訓練器需要置于桌面上使用，限制性大；目前的訓練器缺少引導功能，沒有醫師引導情況下，用戶自主訓練效果差；目前大多用戶沒有系統的訓練計劃或是計劃針對性低，導致訓練效果不佳。

2 由產品出發的呼吸訓練器研究

本次市場調研方法為網絡間接調研，目標是對呼吸訓練器市場環境有一個整體把握。現有呼吸訓練器的原理都是運用呼吸神經肌肉可塑性，在呼吸過程中加壓，延緩患者呼吸過程，提高氣管內壓，以提高肌力等方面的形式重塑呼吸肌達到肺康復目的。常見呼吸訓練器有雷文頓呼吸訓練器、三球呼吸訓練器和power breath 肺功能訓練器等，另外還有部分高級訓練器如帶電子屏呼吸訓練器、醫院肺功能訓練儀器。總體上看，當前市場產品的共性是沒有引導功能，用戶難以使用產品自主進行有效訓練。

3 產品設計技術方案

由前期調研總結的問題，擬設計一款視覺引導式呼吸訓練器，通過軟硬件結合優化當前訓練方式，提高自主訓練效果。視覺引導式呼吸訓練器是本設計方案的核心，通過呼吸燈引導用戶訓練節奏，氣體阻力調節模塊循序漸進調節訓練強度，物聯網技術通過App 將訓練數據可視化。本產品的功能實現主要涉及了脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）控制技術和氣體阻力控制技術。

3.1 基于PWM 技術的呼吸燈

進行有節奏規律要求的訓練時，視覺或聽覺等方式的引導能循序漸進地使人們保持動作頻率及穩定性，以提高訓練效果。因此本產品的呼吸燈通過視覺引導用戶呼吸訓練節奏，提高自主訓練效果。呼吸燈指在微電腦控制下的LED 燈可以從亮到暗再從暗到亮循環往復的變化，呈現出如同人呼吸頻率般柔和有節奏的視覺效果。實現呼吸燈的技術多樣，使用單片機產生PWM（脈沖寬度調制）進行驅動的方式，相較其他方式損耗小，且變化效果更加連續柔和，所以本產品的呼吸燈選用PWM 控制技術實現。呼吸燈引導過程如下，用戶在進行呼吸訓練時，通過觀察訓練器上的呼吸燈變化，來確定呼氣和吸氣，以及速度和強度。

3.2 氣體阻力控制模塊

現有的呼吸訓練器結構多樣，給呼吸氣增加阻力的方式也不同。分為以下幾種：一是通過單向呼吸器產生的氣流使管道中小球漂浮，小球給氣流增加阻力達到訓練目的，但阻力大小不可調節；二是阻力調節模塊由一個塑料活塞組成，在活塞底部有一個鉛砝碼置于吸氣孔之上，只可調節吸氣的單方向阻力；三是通過在呼吸器管道內增加可調節氣流阻力的氣孔，調節氣孔鏤空面積大小以調節阻力。此阻力調節模塊的優點是體積小且靈活性高。本產品的氣體阻力控制模塊使用第三種方式，在此基礎上增加單片機智能調節功能。當用戶選擇訓練方案后，此模塊根據訓練方案智能調節阻力，無需手動，使訓練更加高效。

4 基于用戶體驗的視覺引導式呼吸訓練器設計思路

4.1 設計定位

通過前期調研和技術方案總結，得出視覺引導式呼吸訓練器的產品定位和功能參數，見表1。

表1 產品定位與功能數據

4.2 視覺引導式呼吸訓練器設計

視覺引導式呼吸訓練器的六視圖和透視圖及尺寸信息如圖2所示，標注尺寸單位為mm。

圖2 各視角及尺寸信息圖

4.2.1 從產品實用功能需求出發

本產品主要模塊及功能分別為：氣體流量傳感器模塊，實時監測氣體流量數據；觸控LED 屏模塊，用戶可通過觸控屏控制啟動開關、藍牙開關及觀察訓練器電量等；呼吸燈模塊，以調節亮度方式執行訓練引導；阻力調節模塊，可滿足多個康復訓練階段的阻力需求。訓練器功能布局緊湊，便攜性高。

4.2.2 從產品感覺需求出發

設計過程中基于人機工程探討如何優化用戶使用體驗，重點研究內容包含觀察呼吸燈視角的舒適性、手握部分舒適性和呼吸嘴舒適性。在前期制作三維模型后，通過制作石膏模型模擬使用者行為模式，進行人機系統分析。如圖3所示，使用產品時，可將拇指置于結構凹陷處作為著力點，使手持更加輕松。此實踐實驗了前期三維模型的舒適性、合理性，確保使用者、產品和環境之間達成協調，最終使用效果圖如圖4所示，用戶將控制屏一側朝向自己，將呼吸燈一側朝外，即可觀察呼吸燈變化，跟隨呼吸燈進行訓練。

圖3 石膏模型效果圖

圖4 使用效果圖

4.3 收納模塊設計

收納盒的各視角與尺寸信息如圖5所示，尺寸標注單位為mm。其主要功能為給訓練器充電和收納訓練器及備用呼吸嘴。采用磁吸式充電方式給訓練器充電，放置訓練器的凹槽底部固定有磁鐵，與訓練器背面的磁性物質相吸進行充電。收納盒本身通過type-C 數據線充電，其前側有顯示余電量的指示燈。

圖5 收納盒各視角及尺寸信息圖

4.4 手機端App 設計

訓練器與App 通過藍牙連接。用戶在App 填寫自己的基礎生理指標，App 向數據庫查詢并匹配適應用戶生理指標的訓練計劃，生成訓練方案。準備訓練時，用戶使用App 給訓練器下達命令，訓練過程中，App 會顯示一個“呼吸球”，將實時訓練數據可視化，當用戶吸氣時，相應的呼吸球膨脹，當患者呼氣時，呼吸球收縮產生褶皺。App 會實時顯示訓練時長及語音提示訓練注意事項，幫助用戶高效訓練；當訓練結束時，App 將訓練數據可視化呈現，直觀顯示訓練執行情況及是否達到訓練方案指標。指標包含訓練過程中單個呼氣或吸氣動作的瞬時氣流量、總氣流量、持續時長、動作數量，以及節奏規律。將指標與用戶訓練數據進行直觀比對，讓用戶了解自身訓練狀態和肺功能康復狀態，及時反饋訓練效果以激勵其康復信心。部分界面設計如圖6所示。

圖6 App 界面設計

5 結束語

本文基于用戶體驗系統地分析了當前使用呼吸訓練器過程的痛點和設計機會點，提出了視覺引導式呼吸訓練器結合App 可視化訓練數據的解決方案，并進行了相應的產品設計，旨在推動呼吸訓練向更科學、更高效和更智能化的方向發展。醫療輔助設備的設計在工業設計中屬于一個特殊領域，對科學技術和藝術設計的結合是重要考驗。由于時間和筆者自身知識儲備原因，本文提出的方案仍存在一定不足，例如呼吸訓練器內部氣管如何進行清洗，在本文中并未深入研究解決。因此，筆者將會針對這些問題進行產品的優化迭代。