基于QFD&TRIZ 的帕金森患者助行器優化設計研究

韋艷麗，冀源，王超凡，陳昱立

（合肥工業大學 建筑與藝術學院，合肥 230601）

帕金森病是一種神經退行性疾病，其發病率僅次于阿爾茨海默病[1]。隨著我國人口老齡化和老年人口高齡化情況的加劇，帕金森病患者數量始終處于上升趨勢[2]。為實施老年人居家適老化改造，構建醫養康養相結合的養老服務體系，應堅持以需求為導向，增強居家生活設施設備安全性、便利性和舒適性[3]。帕金森病患者群體與老年人群體高度重合，目前針對帕金森病，主要治療手段只能改善患者癥狀，不能阻止病情的發展。因此，運用科技產品（如助行器等）輔具成為主流的改善病患生活的手段。當前的帕金森病癥程度分級模糊，且在實踐過程中存在著評價主觀等問題。而隨著微機電系統運動傳感技術的發展，各種設備端的運動傳感器可以針對患者癥狀進行自動化、客觀化的量化評估研究。助行器作為幫助帕金森患者實現穩定步行的輔具，在設計研發環節存在著相關功能拓展的可能，在自身結構端亦存在著改善和提升的空間。

1 QFD&TRIZ 理論分析與應用

1.1 QFD&TRIZ 理論分析

QFD 理論即質量功能配置，是由赤尾洋二（Yoji Akao）和水野滋（Shigeru Mizuno）兩位日本學者提出的，作為一項質量管理系統的多層次演繹分析方法，致力于通過讓客戶滿意來提高市場占有率[4]，其核心內容是需求轉化。在產品創新和研發的過程中，設計師可以通過質量屋（HOQ）把用戶需求進行分解轉化，將其準確轉化為包含設計創新、工藝制作和零件開發等在內的技術需求[5]。

TRIZ 意指發明問題的解決理論，是由根里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuler）在深入分析研究數千項技術專利的研究成果后，總結出的一套系統性的解決方法和指導原則[6]，其主要特征是系統化的問題處理流程，在運用此理論研發和生產新產品時，需將核心問題描述成 TRIZ 理論系統的表達方式，然后通過TRIZ 理論中解決問題的基本工具，找到其問題的理想解決方案[7]。

1.2 QFD&TRIZ 理論應用

在將QFD&TRIZ 理論整合并應用的過程中，通過QFD 理論進行前期產品分析，研究用戶需求，指明研究方向。通過TRIZ 理論進行產品開發后期的實踐和制作，尋找解決問題的方法，來有效解決痛點問題。

通過QFD 理論和TRIZ 理論的集成應用來解決帕金森患者助行器設計過程中的問題，構建解決沖突流程框架圖，QFD&TRIZ 集成應用框架見圖1。首先進行需求分析，通過QFD 理論獲取用戶需求和技術特性；其次建立質量屋，完成相關矩陣得出核心問題；再次進行矛盾分析，通過TRIZ 理論將問題描述為沖突并確定沖突類型；最后通過“TRIZ 40 條發明原理”找出適合的發明原理解決矛盾，構建產品整體創新方案，并進行可行性測試，在得到產品最終方案的同時，構建出基于QFD&TRIZ 理論的優化設計模型，從而優化帕金森患者助行器的設計。

圖1 QFD 和TRIZ 的綜合運用Fig.1 Comprehensive application of QFD and TRIZ

2 基于QFD 的帕金森患者助行器痛點分析

2.1 帕金森病患者行走特點分析

帕金森病作為一種低病死率、高病殘率的疾病，嚴重威脅老年人群的健康，其臨床表現主要包括震顫、運動遲緩、肌強直和姿勢步態障礙等運動癥狀[8]?；颊咝凶吣芰Φ闹饾u喪失具體表現為以下三點。

1）行走前：肢體張力過高、啟動困難、從坐立到行走的切換過程極為困難、抬腿邁步過程困難并伴有發澀的感覺。

2）行走中：步態前沖、身體前傾、出現蹣跚碎步、運動狀態發僵、容易跌倒、無上肢聯動、拐彎動作時常出現脫節。

3）行走后：行走到坐立的切換過程同樣極為困難、發生靜止性震顫，并且行走后會出現較強酸澀感。

2.2 助行器產品助行功能分析

助行器是指輔助人體支撐、平衡和行走的工具。老年人群體往往伴隨著不同程度的失能，獨自出行具有一定困難，通常需要助行器的幫助才能實現。市面上助行器種類繁多，主要包含四角框式、階梯框式、差動框式、兩輪式和四輪式等。基于市面上助行器產品的分析，其整體功能主要分為助力行走和危險防控。助力行走功能類別中包含了支撐身體、穩定平衡、助力起身和停住腳步等；危險防控功能類別中包含扶手與滾輪的防滑和摔倒后的緊急求助等。除此之外，助行器還有如儲物等在內的相關輔助功能。區別于一般無法承受自身體重的偏癱或截癱患者，帕金森病患者在行走上可以維持一定的步態，故其通常會選擇四輪式助行器，以期將身體維持在一個較靈活的狀態。

2.3 助行器產品助行痛點分析

帕金森患者的病癥嚴重程度主要由神經科醫生根據統一帕金森病評分量表進行評估，根據病情嚴重程度分為5 個等級[9]，0：正常；1：輕微；2：輕度；3：中度；4：重度。助行器設計過程中需要采用適合患者病癥程度的治療手段以適合不同震顫等級，也需要為患者出行過程中提供運動康復訓練的機會。因此，在帕金森患者助行器的設計過程中應該注意的問題如下。

1）結構改進。助行器的設計要考慮到結構對于患者的便捷性，方便患者的使用。針對助行器的設計需要完善產品結構以適應不同病癥程度的患者需求。通過針對步態、步速和平衡等能力的訓練，改善姿勢的不穩定性，降低跌倒風險。通過助行器這類輔具治療有利于患者提升康復體驗感，增強患者及其家庭的康復信心，從而提升患者的康復效果[10]。

2）造型實用。患者在使用助行器過程中通常需要自主施加一定的力量來實現助行功能。在功能方面，助行器需要足夠的支撐結構，以保持患者的步態穩定；在視覺方面，需要減少助行器的視覺冗余感，以實現輕巧的感覺，避免交互記憶的復雜性。這便要求助行器的造型應當將易用性和安全性放在首位，在設計上注重實用、美觀和耐用，把握部件與整體之間的統一，消除安全隱患。

2.4 助行器產品質量屋的構建

通過對帕金森病患者行走特點、市面上助行器的功能和使用痛點進行分析，得出部分典型用戶需求。隨后采用訪談與問卷的調研方法，在與帕金森病患者及其家屬進行溝通交流過程中，記錄需求信息點。訪談過程中除了對典型用戶需求進行深入了解之外，更應當著重關注患者在出行過程中的實際需求，如在出行過程中的休息情況和助行器的放置問題；在產品外觀上考慮用戶心理需求，如不同產品色彩帶給用戶的感受，都需要通過了解帕金森患者心理狀態來進行相關設計。訪談后通過kano 模型進行問卷設計，針對帕金森患者（或其家屬）共發放問卷40 份，其中男性28 例，女性12 例，年齡57～83 歲，以此獲取用戶需求并確定其重要性排序，基于kano 模型所設計的部分問卷見表1。

表1 針對用戶需求重要性的問卷設計（部分）Tab.1 Questionnaire design for the importance of user needs (partial)

通過對帕金森患者（或其家屬）進行問卷調查后，得出如表2 所示的選擇對應表和如表3 所示的選擇占比數據。如表2 所示A 表示魅力質量要素，M 表示必備質量要素，O 表示期望質量要素，I表示無差異質量要素，R表示逆向質量要素，Q表示問題質量要素[11]。

表2 用戶需求重要性問卷選擇對應表Tab.2 Corresponding selection of user need importance questionnaire

表3 用戶需求重要性問卷選擇占比數據表Tab.3 Selection proportion data of user need importance questionnaire

在對用戶選擇占比數據統計整理后，引入kano模型中的Better–Worse 計算公式。

Better/SI = (TA + TO)/(TA + TO + TM +TI)

Worse/DSI =-1 *(TO + TM)/(TA + TO + TM +TI)

Better 系數指的是當產品中具備該需求時，能極大提升用戶的滿意度；Worse系數指的是當不具備此類需求時，用戶的滿意度將大幅度下降[11]。將問卷調查后的選擇占比代入公式計算可得出如表4 所示的Better–Worse 值。

表4 各需求特性Better–Worse 值Tab.4 Better-Worse value for each required feature

得出各需求Better 和Worse 值后，構建帕金森患者用戶需求的Better–Worse 坐標軸，由于其中Worse值為負數，為方便顯示取Worse 系數絕對值進行繪制，見圖2。由此確定用戶需求重要性等級，其中需求依照重要性排序由大到小可為必備需求、期望需求、魅力需求和無差異需求。

圖2 帕金森助行器用戶需求Better–Worse 系數Fig.2 Better-Worse coefficient of user needs for walking aid of Parkinson's patients

在確立用戶需求并進行重要性排序后，從實際的用戶需求中提取出具體的設計要素，建立起有關帕金森病患者助行器的功能質量屋，見圖3。

圖3 帕金森助行器功能質量屋Fig.3 Functional house of quality of walking aid for Parkinson's patients

3 基于TRIZ 的帕金森患者助行器優化分析

3.1 產品沖突問題的TRIZ 轉化

產品沖突問題的TRIZ 問題轉化是依據TRIZ 理論將沖突問題轉化為標準問題模型，從前期所構建的功能質量屋中可以得知如下。

1）用戶綜合需求之中安全可靠、多功能、平衡穩定所占比重最大。

2）主要有兩對矛盾，即產品的造型設計與尺寸大小、結構的穩定性與結構的強度，沖突問題的TRIZ轉化見表5。

3）在產品外觀方面要實現一定的可適性，以保障帕金森患者的心理健康。

在TRIZ 理論框架的基礎上，結合產品設計的外觀、結構與功能需求，運用TRIZ 理論中的“39 條標準工程技術參數”，將沖突問題轉化為：No.5 運動物體的面積，即拓展產品的操作空間，實現為患者提供駐足休息的功能空間；No.7 運動物體的體積，即減輕產品的體積實現輕巧化，便于患者獨立使用；No.13結構的穩定性，即讓產品的結構合理化，實現整體穩定，并盡可能減少帕金森病癥帶來的震顫，抵消負面振動對行動的影響；No.14 結構的強度，即提高結構的強度，實現整體系統的適宜性與耐用性，見表5。

表5 沖突問題的TRIZ 問題轉化Tab.5 Transformation of conflict issues to TRIZ issues

3.2 產品TRIZ 問題的解決方案

根據矛盾類型，查找TRIZ 理論中的“40 條發明原理”發現，與之矛盾類型對應的可用發明原理有No.09 預先反作用和No.17 多維化原理，見表6。

表6 TRIZ 問題的解決方案Tab.6 Solution to the TRIZ issues

康復運動訓練可以改善帕金森病患者的肌肉力量平衡、步態和身體機能，幫助患者恢復一定程度的運動和工作能力，從而提高患者生活質量，維持更久的工作時間和生活自理能力[12]。依據對帕金森病患者在康復運動訓練過程中的技術分析，確?；颊咴谥羞^程中得到必要的休息和鍛煉。在此需求基礎上，對助行器的結構與現有的技術手段進行耦合，并提供適宜的切換方式，幫助患者在不同行動模式之間進行切換。

通過No.17 多維化原理，考慮增加產品維數，即生成一個方便用戶進行短期休息的空間，同時避免帶來體積的增加，保持產品輕巧感。在實際出行過程中，帕金森病患者往往面臨著震顫帶來的步態失衡風險。因此，在產品設計過程中需要減小或消除震顫的抖動，以達到平衡穩定的效果。

鑒于當前醫療技術無法根治患者的震顫癥狀，故通過No.09 預先反作用原理，提前設計好與震顫抖動相反的作用機制，利用傳感技術接收震顫信息并及時給予反饋。在這一過程中，首先通過對帕金森患者震顫程度進行區分，主觀描述震顫程度為肉眼難觀察的震顫信號幅度范圍在[–0.01,0.01]（單位為g 指重力加速度，可取9.8 m/s2），輕微震顫信號幅度范圍在[–0.015,0.015]，明顯震顫信號幅度范圍在[–0.025,0.025]，大幅度震顫信號幅度范圍在[–0.5,0.5][13]?；诖藢⒄痤澐龋ㄓ涀鯠）與震顫程度之間進行量化描述，對應關系見表7[13]。

表7 震顫程度與震顫信號幅度的關系Tab.7 Relationship between degree of tremor and amplitude of tremor signal

其次，需對帕金森患者震顫程度進行有效監控。目前，在醫療領域中最常見的微機電系統是惠斯頓電橋壓阻式硅微壓傳感器，可依據壓力變化提供電信號，能夠較好地監測敏感部位的壓力；硅加速度傳感器可以用來很好地測量震動頻率和震幅[14]。最后，利用預先反作用原理，在患者使用產品過程中，加上大小相等、方向相反的修正量[15]。在一定程度上減小或消除抖動，將矛盾化解，為患者帶來盡可能穩定的出行體驗。

4 基于QFD&TRIZ 的優化模型構建和應用

4.1 優化設計模型的構建

在帕金森患者助行器設計過程中，通過QFD 理論獲取用戶需求并識別設計要素，構建關系矩陣并搭建功能質量屋，通過TRIZ 理論將問題描述為沖突并確定沖突類型，然后在“TRIZ 40 條發明原理”中找出合適的發明原理來解決矛盾，通過發明原理確定解決方案，構建產品整體的創新方案，并進行可用性測試，從而得到產品最終方案，基于QFD&TRIZ 理論的帕金森患者助行器設計理論模型，見圖4。

圖4 基于QFD&TRIZ 的帕金森患者助行器設計理論模型Fig.4 Theoretical design model of walking aid for Parkinson's patients based on QFD&TRIZ

1）用戶需求分析。在設計之初，用戶需求決定了產品導向，目標用戶需求分析包含用戶角色分析、場景分析和路徑分析。只有找出用戶的真實需求并加以滿足才能吸引用戶。

2）識別設計要素。在明確用戶需求后，需要將其提取出具體的產品設計要素。產品設計要素的識別是產品設計研究中不可或缺的重要環節，設計要素的拆解與組合能夠幫助理清主要矛盾并形成完善的整體設計方案。

3）構建功能質量屋。用戶需求的確定和設計要素的識別，是構建功能質量屋的鋪墊與關鍵。功能質量屋的建立，確定了用戶需求與設計要素之間潛在的相互作用，并將其直觀呈現。

4）負相關特性轉化。依據TRIZ 理論中的標準工程技術參數，將功能質量屋中產品負相關特性進行沖突描述，并將其TRIZ 轉化為物理矛盾和技術矛盾，這一過程的深入為矛盾的解決指明了方向。

5）解決矛盾。矛盾的解決是依據矛盾類型，從“TRIZ 40 條發明原理”找出合適的發明原理來確定解決方案，有效解決矛盾是生成優化改良設計方案的核心。

4.2 優化設計模型的應用

復安易行是一款針對帕金森患者的助行器，設計之初，考慮患者對震顫等級的理解缺乏和外出行走需要休息為出發點，通過傳感器的抖動來抵消整體機器的抖動，保持穩定的同時為出行提供休息空間。

1）用戶需求分析。根據帕金森患者與助行器產品的調研分析，整理出包含易用性、多功能、安全可靠、識別度高、大小適宜、平衡穩定、簡潔實用和材質優良在內的典型用戶需求。

2）識別設計要素。在確立了用戶需求并明確其重要性后，從中提取出包含功能、造型、材質、人機、操作感應和使用環境在內的產品設計要素。

3）構建功能質量屋。通過用戶需求與設計要素之間的關系分析，找出其相互作用，依據QFD 理論構建出帕金森患者助行器的功能質量屋，其直觀呈現了以下兩組特性：正相關特性（功能與操作感應、造型與操作感應）；負相關特性（造型與尺寸、人機與操作感應）。

4）負相關特性轉化。通過TRIZ 理論中的“39條標準工程技術參數”，將負相關特性之間的沖突問題轉化為矛盾。即造型與尺寸沖突問題可描述為No.5運動物體的面積和No.7 運動物體的體積之間的物理矛盾；人機與操作感應沖突問題可描述為No.13 結構的穩定性和No.14 結構的強度之間的技術矛盾。

5）解決矛盾。針對帕金森患者助行器，在物理矛盾層面上，可選擇TRIZ 理論“40 條發明原理”中No.17 多維化原理：利用多維化原理將產品的維數增加，從而生成一個方便用戶進行短期休息的空間，同時避免體積的增加，保持產品的輕巧感，見圖5。

圖5 產品物理矛盾方案Fig.5 Physical contradiction scheme of product

在技術矛盾層面上，可選擇TRIZ 理論“40 條發明原理”中No.9 預先反作用，讓產品能夠提前對患者的震顫做好應對與反作用，以保障足夠的強度并實現結構的穩定。采用微機電系統，在對運動的精確測量基礎上，通過電機的反向運動實現抵消振幅產生防抖的效果[16]，而相對于較為嚴重的震顫情況則可以采用綁帶將用戶的手臂進行一定程度的固定，見圖6。

圖6 產品技術矛盾方案Fig.6 Technical contradiction scheme of product

基于QFD&TRIZ 理論的設計流程，最終得到完整的帕金森患者助行器改良設計方案。產品的目標是減輕病癥的影響并幫助患者進行康復運動訓練，對應不同震顫等級的帕金森患者提供不同程度的幫助，提升患者的出行體驗。在設計過程中發現用戶感官知覺上的衰退，因此在模式切換環節設置有較大的提醒按鈕，醒目地告知4 個功能按鍵分別為跟隨模式、燈光模式、檢測模式和輪椅模式，中間部分為開關啟動按鍵，為整機的電力輸入提供保障，見圖7。

圖7 產品效果Fig.7 Product effect

4.3 優化設計案例的評估

基于QFD&TRIZ 的帕金森患者助行器設計理論模型的應用，已經完成了助行器產品的優化設計，為驗證優化后產品的可行性與有效性，通過李克特量表對該產品相關特性進行逐一評分。同時，選取市面中較為常見的3 種助行器采用同樣的評分標準進行比對，問卷中樣本案例，見圖8。

圖8 比對樣本案例Fig.8 Comparison case of samples

在確定樣本案例后，從前期調研所得出的典型用戶需求中，提取包含安全性、易用性、穩定性、輕便性、空間合理性和功能完善性在內的產品特性進行問卷設計。為保證問卷的有效性，共發放25 份問卷，其中接受問卷調查的人包含8 名長期使用助行器的帕金森患者，5 名帕金森患者家屬和12 名從事工業設計工作的設計師。評價結果見表8，其中樣本1、樣本2、樣本3 和樣本4 分別對應圖8 中的比對樣本案例，樣本4 為文中助行器優化設計實例。

表8 助行器產品特性評分結果Tab.8 Scoring results of walking aid characteristics

基于助行器產品特性用戶評分結果來看，通過QFD&TRIZ 理論模型優化后的設計實例平均分均在3.9 分以上，可以證明此次優化后的助行器產品用戶較為滿意。

5 結語

綜上分析，帕金森患者作為慢病人群，區別于普通老年人的行為特點，通過QFD&TRIZ 理論的結合能夠精準分析用戶需求，把握產品關鍵問題，從而消除用戶痛點?；赒FD&TRIZ 理論所構建的帕金森患者助行器設計理論模型，在用戶調研分析、產品結構與功能的實現和產品技術的整合等方面均具有指導意義。經由帕金森患者助行器設計理論模型所指導的設計案例，通過用戶評估和產品比對，證明了產品優化結果的可行性和有效性。