基于認知負荷的家用醫療產品周期性圖形設計研究

李 瑤， 張 昆

（中國礦業大學大學 建筑與設計學院， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

隨著物聯網、 云計算等互聯網技術的普及和廣泛應用，家用醫療產品智能化技術不斷突破，家用醫療產品迅速普及至各個家庭， 線上遠程醫療也逐步成為現實。在此背景下，家用醫療產品勢必將與大數據信息技術緊密結合，為用戶提供個性化、智能化的服務。 周期性圖形作為可視化信息的重要組成部分，能夠將抽象的數據用簡潔的視覺元素來表達，方便用戶更好的管理和監控個人健康數據。 然而， 目前市面上的家用醫療產品大多數僅顯示測試數據和歷史數據，用戶需要依次翻頁查看數據， 難以進行數據的比對和分析。 如何更好地利用周期性圖形為用戶、遠程醫療和線上醫療提供數據便利，已成為迫切需要關注的問題。 因此，為家用醫療產品健康數據設計周期性圖形，為用戶在管理健康數據時提供便利，具有深遠的意義。

1 家用醫療產品周期性圖形的設計要素與認知負荷分析

1.1 家用醫療產品周期性圖形的收集與設計要素分析

家用醫療產品主要是指適于公眾在醫院外使用的，安全可靠、操作簡單、體積小、攜帶方便的非專業性醫療產品[1]。 現階段市面上常見的帶有顯示界面的家用醫療產品有血糖儀、血壓計、血氧儀、呼吸機等，顯示信息以純數字數據為主，文字和圖標信息為輔。其中，由于糖尿病的特殊性和某些高血壓的隱蔽性， 部分患者需要長時間地動態監控血糖或血壓數據， 因此需要安裝或佩戴動態血糖監測設備或動態血壓監測設備，以便于及時獲得并記錄數據信息，方便患者及時應對病情，提高治療效率。 家用醫療產品的周期性圖形則主要集中于各類健康數據監測系統或健康管理APP 中，記錄一定周期內血糖、血壓和心率的數據變化，主要包括柱狀圖、線型圖和散點圖等數據圖表，屬于信息圖表的一類分支[2]。 表1、2 收集了血壓和血糖的臨床常用監測周期與診斷閾值[3-6]。

表1 臨床血壓監測數據周期與診斷閾值Tab.1 Clinical blood pressure monitoring data cycles and diagnostic thresholds

表2 臨床血糖監測數據周期與異常數據閾值Tab.2 Clinical blood glucose monitoring data cycles and abnormal data thresholds

動態血壓/血糖數據監測與家庭血壓/血糖數據監測不同的是，前者由監測設備在配套的軟件中自動生成監測報告和周期性圖形，用戶可以直接使用移動設備在配套軟件中隨時查看、保存數據；而家庭血糖數據監測則是由用戶自行測量并手動錄入健康數據管理APP 中，再由APP生成數據周期圖形。基于前文資料，收集了常見健康監測APP 中的血壓監測和血糖監測的周期性圖形見表3。

表3 家用醫療產品周期性圖形收集Tab.3 Periodic graphic collection of household medical products

表4 血糖、血壓測量數據周期性圖形設計要素分析Tab.4 Analysis of periodic graphic design elements of blood glucose and blood pressure measurement data

根據收集的周期性圖形可以得知， 血糖數據監測的周期性圖形主要分為散點圖和線型圖兩種類型； 而血壓數據監測的周期性圖形則主要是柱狀圖和線型圖。其中，由于動態監測的數據量較大（血糖數據量高達288 個，血壓數據量在60 個左右）， 且重點觀察數據變化趨勢和異常數值的變異系數， 因此動態數據監測的周期性圖形均為線型圖。 三種類型的周期性圖形各有其顯示的側重點和特點，線型圖能夠更好地展現數據變化趨勢，柱狀圖中數據量的對比較為明顯， 散點圖則易于展示數據分布范圍。由于線型圖和柱狀圖在各類軟件中使用較為廣泛，本研究選取線型圖和柱狀圖兩種類型的周期性圖形用于設計要素的提取和分析。

1.2 家用醫療產品周期性圖形認知負荷評價方法與指標

國內外學者基于各種評價維度提出了認知負荷的不同測量方法， 主要分為主觀測量法和客觀測量法， 根據Brǜnken 等[7]基于客觀性和因果關系提出的測量方法，主觀測量法和客觀測量法均有間接的和直接的兩種方式。其中，間接的主觀測量法主要是運用調查問卷、直接的主觀測量法則是運用等級評定量表等方式要求被試者主動報告自身在實驗中體會到的任務難度、 投入的心智努力等，從而對自身認知負荷進行量化。但由于主觀測量容易受被試個體差異的影響，會產生較大的實驗誤差，一般不單獨使用。 而間接客觀測量法則是通過測量被試者在實驗中完成任務的結果表現和行為表現， 如對任務完成的準確率和時長進行量化； 直接客觀測量法即通過使用生理指標檢測儀器對被試的生理活動進行度量， 從而達到客觀測量認知負荷的目的。

本文擬采用直接主觀測量法和間接客觀測量法相結合的方法，讓被試者在實驗中完成相應任務，以任務完成準確率、完成反應時間和主觀評價量表作為評價指標，對不同屏幕尺寸下不同類型的周期性圖形的認知負荷進行研究。

2 家用醫療產品周期性圖形的認知負荷實驗研究

2.1 實驗目的

本文基于認知負荷相關理論， 通過對不同屏幕尺寸的不同類型周期性圖形進行研究， 分析在不同屏幕尺寸條件下，認知負荷最低的周期性圖形的類型和設計要素，進而為家用醫療產品周期性圖形的設計提供理論依據。

2.2 實驗設計

2.2.1 實驗設備

使用Redmi K30Ultra 智能手機展示實驗樣本進行測試，其顯示屏尺寸為6.67 英寸，縱橫比為20∶9，分辨率為1080×2400px， 每英寸像素為395PPI。 使用Adobe illustrator 軟件繪制三種不同大小屏幕的圖形，并呈現在設備上進行實驗。 實驗均在一般照明狀況（室內明亮光照 明度約300lx） 及無噪音環境下進行。 被試均佩戴Tobii Glasses2 眼動實驗儀以記錄眼動軌跡和注視熱力圖。

2.2.2 被試

本次實驗邀請了中國礦業大學的20 位在校研究生作為受試者，受試者年齡段均為20～28 歲年齡段學生，且受試者無色盲、色弱或其他眼疾，裸視或矯正視力均達正常值。

2.2.3 實驗對象

本次實驗依據手機屏幕大小、 常見健康手環屏幕大小和暢銷家用血壓測量儀的顯示屏幕大小確定自變量一的屏幕尺寸分別69×142mm、?33mm 圓屏和60×45mm。分別用這三種尺寸大小繪制兩種類型的圖表（線型圖、柱狀圖），并根據血糖和血壓常用測量周期[3，5]，以頻率和代表性為衡量標準，分別選取數據量為7 和14 的數據周期作為繪制依據。針對三種自變量（屏幕大小、圖表類型、周期數據量）排列組合出12 種實驗圖形，如表5 所示。

表5 實驗圖表設計Tab.5 Experimental diagram design

2.3 實驗過程

首先，請受試者各自調整好坐姿和閱讀姿勢，保持閱讀距離在30～45cm 左右， 以便能清楚觀看到手機屏幕的內容，并排除因閱讀距離不同造成的實驗誤差；然后給受試者講解實驗內容，實驗順序和需要注意的問題，接著讓受試者閱讀測試圖形并回答相應問題， 以便其熟悉實驗測試流程。 模擬實驗完成后，讓受試者休息片刻，便開始正式實驗。 受試者共計閱讀36 個圖形（共12 種圖形組合，每種圖形閱讀3 個），并且按照屏幕尺寸分為三組。 每種圖形組合分別設置以下三種問題： ①找出某一數據最高值或最低值存在的時間段；②選擇出某時間段中，指定數據異常值的數量；③選擇出異常數據的數量；三種題目均為單項選擇題。

受試者被要求先閱讀紙質資料上的題干內容， 再觀察手機屏幕上的圖形，直到選擇出答案并寫在紙上，寫出答案后不可再回頭觀看修改答案； 用眼動實驗儀記錄下從正式試驗開始到結束的全過程。 正式實驗基于不同屏幕尺寸分為三個部分，每個部分完成后，讓受試者針對圖形的閱讀難度、美觀程度進行主觀評價。為避免受試者因視覺疲勞而影響實驗結果， 每部分實驗結束后休息1 分鐘再進行下一部分實驗。 且為避免因受試者測試熟練度造成的后續實驗速度加快，實驗對三組圖形順序按照排列組合平均分配，隨機給每一位受試者。

圖1 實驗拍攝圖

圖2 實驗圖例1

圖3 實驗圖例2

3 結果與討論

實驗結束后，使用Tobiii Pro Lab 數據分析軟件統計實驗中每一被試完成每道測試題的閱讀時長， 并記錄每組測試題的正確率、 統計計算各項圖形的主觀評分平均值。記錄結果如表6 所示，對統計數據進行差異性分析，結果呈現如表7、8 所示。

表6 實驗數據統計Tab.6 Experimental data statistics

表7 各圖形變量的平均正確率、平均閱讀時間及差異性分析結果Tab.7 The average accuracy，average reading time and difference analysis results of each graph variable

從表7 可以看出，在三種不同尺寸的屏幕條件下，平均正確率和平均閱讀時間均存在較大差異，其中屏幕尺寸為60×45mm 時，平均正確率最高；69×142mm 屏幕尺寸條件下平均正確率其次，但二者平均正確率差異不大；?33mm屏幕尺寸條件下正確率最低。 屏幕尺寸為69×142mm 時，平均閱讀時間最短；屏幕尺寸為?33mm 時，平均閱讀時間最長。其次，線型周期性圖形在平均閱讀時間和平均正確率上均比柱狀周期圖形表現更好；白色×藍色設計元素周期性圖形的平均正確率比深藍×橙色設計元素周期性圖形更好，但在平均閱讀時間上并未體現較大差異。

從表8 中可以看出，在三種不同尺寸的屏幕條件下，易讀性評分和美觀度評分均具存在較大差異。 其中，69×142mm 的屏幕尺寸評分均為最高，60×45mm 的屏幕尺寸評分次之，?33mm 的屏幕尺寸評分最低；其次，圖形類型變量對于主觀性評分具有顯著影響， 線型周期性圖形的易讀性評分和美觀度評分均大于柱狀周期性圖形； 而設計元素的差異對于易讀性評分和美觀度評分差異性并不顯著，不具有統計學意義。

表8 各圖形變量的易讀性、美觀度及差異性分析結果Tab.8 The legibility，aesthetics and difference analysis results of each graphic variable

總的來說，較大、較寬的屏幕（69×142mm 的屏幕尺寸）具有較好的閱讀效果，平均正確率和平均閱讀時長數據表現優異，綜合閱讀效率均優于其他兩種屏幕尺寸；并且在主觀評分上表現也優于其他兩種屏幕尺寸的圖形。而線型周期性圖形在閱讀效果和主觀評分上比柱狀周期性圖形表現更好，具有更低的認知負荷。從設計元素來看，白色×藍色的搭配在閱讀效果上優于深藍×橙色的搭配，具有更好的辨識效果。

4 結論

隨著信息技術的不斷發展，各種家用醫療產品和健康監測產品走入千家萬戶，其配套的屏幕和軟件界面在提高了信息傳輸便利性的同時，也增大了用戶在使用時的學習成本。 在用戶使用家用醫療產品時，對于呈現健康數據的周期性圖形的閱讀頻率較高，因此不合理的周期性圖形設計會增加用戶的認知負荷，影響信息獲取的效率，降低用戶體驗。

本文通過設計眼動實驗，分析不同屏幕尺寸、圖形類型和設計元素對用戶認知負荷的影響，探討了家用醫療產品周期性圖形的設計策略。具體策略如下：第一，應當使用較大的屏幕尺寸，例如優先考慮橫屏展示圖表，最大化利用界面空間；第二，應當使用線性圖展示數據，并采用淺色底色和較高飽和度的設計元素，例如白色和藍色，在色彩上增強視覺對比效果，減小認知負荷。 本文以周期性圖形為出發點， 對家用醫療產品界面設計的認知負荷展開研究， 旨在為家用醫療產品的界面設計研究提供一定參考，減輕老年群體在閱讀家用醫療產品界面時的認知負荷，降低老年群體的使用和學習難度，提升用戶體驗。