基于PCA-AHP-TOPSIS的氣切口痰液防飛濺裝置設計研究

關鍵詞：PCA主成分分析；AHP層次分析法；TOPSIS逼近理想解排序法；痰液防飛濺；護理裝置；氣切患者

引言

氣管切開手術是為了解決患者呼吸道阻塞或呼吸困難問題而采取的一種醫療手段，如圖1 所示。在氣切管使用過程中，氣切口與氣管相連引起的異物感、分泌物積聚、空氣干燥等因素可能會刺激患者咳嗽[1]。咳嗽可能導致痰液飛濺，增加感染風險，并對周圍環境和人員造成污染[2]。

為了降低這種風險，醫護人員需要定期檢查氣切管，對氣切口進行濕化和吸痰等護理操作。設計防止痰液飛濺的裝置對于收集痰液，預防感染和提高護理效率具有重要意義。朱曉筱等[3] 設計了一種防止痰液外濺裝置，并對其應用效果及安全性進行了分析，但其研究未對患者的舒適度和滿意度進行詳細評估，也未對裝置的成本和經濟效益進行分析。

因此，本研究綜合應用效果、用戶體驗及經濟效益等多方面因素，通過建立PCA-AHP-TOPSIS 模型，運用科學，嚴謹的方法設計適合氣切患者的痰液防飛濺裝置，為醫用護理裝置的設計研究提供新的思路和方法。

一、構建PCA-AHP-TOPSIS研究模型

主成分分析法（PCA）、灰色關聯理論（GAR）、層次分析法（AHP）、結構方程模型（SEM）及逼近理想解排序法（TOPSIS）等方法，在當代設計研究領域，常被用于構建以用戶需求為導向的產品設計模型。當前，有學者將各種方法融合構建研究模型以解決各領域的產品設計問題。侯環等[4] 基于AHP-TOPSIS 法建立復方苦參注射液的臨床合理用藥評價標準，為臨床合理應用復方苦參注射液提供參考。蘇晨等[5] 運用AHP-TOPSIS 集成設計方法完成了海上風電軸承試驗機設計實踐。柴敏等[6] 基于主成分分析和模糊Kano 模型的分析結果進行了造型上的創新設計，驗證了并條機設計開發流程的有效性和可行性，為相關類別產品的設計提供量化分析參考。可見，PCA、AHP、以及TOPSIS 等方法已廣泛應用于產品設計的學術研究中，且運用已相對比較成熟。PCA-AHP-TOPSIS 方法的結合通過PCA 進行數據降維和消除多重共線性，增強了AHP 和TOPSIS 分析的數據代表性和客觀性，相較于單純的AHP-TOPSIS 方法結合展現出顯著優勢。在醫用護理裝置的設計研究中也能更好地理解需求、優化設計，做出合理化的決策。因此將其引入到氣切口痰液防飛濺裝置的設計研發具有合理性與科學性。

PCA-AHP-TOPSIS 方法是一種綜合性的設計研究方法，通過構建系統性的分析框架，有助于減少主觀因素對分析結果的影響，提高研究的客觀性。本研究采用PCA-AHP-TOPSIS 集成方法對氣切口防飛濺裝置進行創新設計，研究框架如圖2 所示。首先通過文獻研究分析以及專家訪談的方式收集并建立了設計影響因素的層次結構，運用PCA 法篩選影響設計的主要因素。將篩選出的主要影響因素作為設計指標，進行方案設計。隨后，運用KJ 法收集并構建AHP 評價指標層次結構，通過專家打分構建判斷矩陣并計算指標權重，通過一致性檢驗后再將評價指標的權重進行匯總。最后收集對3 個設計方案的評價數據，使用TOPSIS 計算各評價指標與最優及最劣方案的接近程度，篩選出最優的設計方案。

二、氣切口痰液防飛濺裝置方案設計

（一）設計相關因素收集

本研究通過對氣切口痰液防飛濺裝置進行實地調研、咨詢老年醫院氣切患者護理人員和查閱研究相關文獻等方式收集氣切口痰液防飛濺裝置的設計因素。共劃分出14 個設計相關因素，如圖3 所示。

由圖3 可知，氣切口痰液防飛濺黃石設計相關因素分為理論設計因素和實踐設計因素。其中，理論設計因素包括形態u1、色彩u2、材料u3 和工藝u4。實踐設計因素又分為功能相關因素和人因工程因素。其中功能相關因素包括成本u5、固定方式u6、重量u7、抗菌性u8、空氣流通性u9 和保濕性u10，人因工程因素包括通用性u11、便捷性u12、舒適性u13 和防護效果u14。

（二）設計相關因素主成分分析

以上14 個設計相關因素存在信息的重復和交叉。例如，材料u2、保濕性u10 和重量u15。當選擇的材料發生變化時，裝置的保濕性和重量也會相應地改變。因此，為了剔除有信息重疊的設計因素，本文將搜集到的31 個氣切術后護理相關裝置作為調研樣本，如圖4所示。然后從14 個設計相關因素進行描述分析，使用PCA 法篩選出其中的主要影響因素，作為后續方案設計的參考。

本文選擇了集合V={v1，v2，…，v6}={2，3，4，6，7，8} 來描述氣切口痰液防飛濺裝置設計的相關影響因素，為了將定性描述語言轉化為定量指標，建立原始數據矩陣Xij。{v1，v2，…，v6} 分別對應著極差、差、較差、較好、好、極好6 個等級。部分樣本數據規范取值見表1。

從大到小選擇3 到5 個控制因子，并結合實際需求，最后確定每個主成分的控制因子為8 個設計因素，包括固定方式u6、形態u1、工藝u4、重量u7、防護效果u14、材料u3、成本u5 和保濕性u10。

（三）設計方案構思

本研究的設計思路圍繞氣管切開患者在臨床應用中的實際需求，重點解決痰液飛濺、氣道濕化及感染風險等關鍵問題。當前氣管切開患者面臨的主要問題包括：氣道直接與外界相通，易受異物侵入；吸入氣體缺乏鼻腔和氣道的自然濕化，導致痰液干燥結痂，增加氣道堵塞風險；痰液因咳嗽或體位變動而噴濺，可能污染周圍環境并造成交叉感染。因此，結合篩選出的8 個主要設計因素，為氣切患者設計一款輕便，且性價比較高的氣切口痰液防飛濺裝置，旨在同時兼顧防護效果與氣道濕潤效果，以降低患者及護理人員的感染風險。

1. 材料選擇：為兼顧裝置的重量和成本等設計因素，本文選用質量較輕，且成本低廉的醫療用無紡布作為主要材料，其具備高強度、高韌性、優良的抗磨損能力、對酸堿的良好抵抗能力、透氣及排水特性，同時無異味和有毒物質，易于包裝和消毒等優點[8]，能夠在降低裝置重量的同時，減輕患者傷口周圍的受力負擔。

當前氣道濕化主要采用在氣管切口處覆蓋用消毒過的注射水、生理鹽水或硼酸溶液濕潤的無菌紗布，需定期更換，噴出的痰液可能黏附在紗布上，阻礙空氣流動，這將增加患者感染的風險并增加護士的工作負擔。因此，本文選用具有良好透氣性和吸水性能[9] 的脫脂紗布作為輔助材料，但與直接將其覆蓋在氣切管口不同，本文采用將其與無紡布通過熱壓工藝連接，共同構成裝置的主體結構。護理人員可以通過直接在其上噴水，實現患者氣道的濕化作用。

在固定方式上，選擇醫用壓敏膠帶進行粘貼固定。該膠帶對人體皮膚無刺激性，安全可靠，且具有良好的黏附力，能夠穩固固定裝置，防止脫落[10]。

2. 結構優化：裝置的形態將直接影響痰液飛濺的防護效果。因此，結合裝置的造型、材料分布方式及與氣切口的連接方式本文提出了3種結構方案，分別優化了痰液流向與濕化效果，確保了使用過程中的防護效果和操作便利性。方案1 在結構上考慮痰液的自然流向，紗布位于裝置的正前方，與氣切管管口相對。裝置通過與氣切管墊片的直接接觸固定，確保使用過程中的穩定性。方案2 考慮到痰液噴濺附著在紗布上造成堵塞的情況，將紗布設置在裝置的上方，以便濕化氣道。裝置通過氣切管固定綁帶進行固定。方案3 則應用圓錐形狀的導向性，便于匯聚痰液。裝置與氣切管口固定，紗布位于裝置的正前方，與氣切管口相對，方便濕化氣道。每種方案均綜合考慮防護效果、濕化功能與操作便利性，旨在提升患者的使用體驗及護理人員的工作效率。方案設計圖如圖5 所示。

（四）設計方案實現

制作時根據設計需求，繪制出裝置的平面展開圖。根據繪制的平面展開圖，使用專業的剪裁工具（如剪刀、激光切割機等）剪裁出形狀，確保剪裁邊緣整齊，無毛邊。將剪裁好的4 層醫用無紡布疊放在一起，使用熱壓工藝連接。在熱壓連接好的無紡布上，使用縫紉工藝將脫脂紗布材料縫合在適當位置。確保縫合線均勻，緊密貼合。最后將醫用壓敏膠帶貼在裝置的固定位置。將整個裝置折疊起來，放入滅菌袋中進行滅菌操作。

三、設計方案的驗證與評估

（一）基于AHP 的評價指標權重計算

以KJ 法[11] 展開對評價指標的層次分類，并結合專家小組意見，經篩選、整合，構建氣切口痰液防飛濺裝置的評價指標層次結構如圖6 所示，其中包括準則層：輕便性（B1）、技術與工藝（B2）、用戶體驗（B3）、功能效果（B4）；子準則層：裝置質量（C1）、裝置體積（C2）、裝置操作時間（C3）、技術工藝難度（C4）、美觀度（C5）、舒適度（C6）、穩定性（C7）、防護效果（C8）、痰液堵塞情況（C9）。

依據公式（9）－（10）得出CI 值為0.003。通過查詢4 階判斷矩陣的平均一致性指標，得出RI 值為0.890。最后，計算出一致性指標CR 值為0.004lt;0.1，這表明該判斷矩陣一致性檢驗通過。隨后運用同樣的方法計算矩陣B1、B3 和B4，將子準則層中各項指標的權重與其對應的準則層的權重相乘，即可得到C1 至C9 的各項指標在整個層次模型中的綜合權重值分別為0.037、0.068、0.123、0.123、0.076、0.151、0.069、0.228、0.126。同時可以得到如表4 所示的一致性檢驗結果匯總，以及如表5 所示的評價指標綜合權重與排序。

從表5 可知，在評價氣切口痰液防飛濺裝置室時，防護效果舒適度，痰液堵塞情況，技術工藝，裝置操作時間等是較為重要的參考指標。

（二）驗證與評估內容

由圖7 中的評價指標層次結構，設計評估方案包括輕便性評估、技術與工藝評估、用戶體驗評估以及功能效果評估。所有評估項均采用1-5 的評分系統：很差（1）、較差（2）、一般（3）、較好（4）、很好（5）。為保證評估數據的準確性，除用戶體驗評估外其他評估均采用3 次評估取均值的形式進行。

輕便性評估通過測量裝置的質量，折疊收納后的體積，以及佩戴和更換的時間3 個維度進行。技術與工藝評估根據裝置造型的生產技術難度和工藝難度進行定性評估。用戶體驗評估則是邀請20 位體驗人員組成評價者對每個方案中的美觀度與舒適度指標進行評分，以計分結果得出的算術平均數作為方案評估結果。

功能效果評估通過給仿真人偶佩戴裝置，隨后將仿真痰液裝入針管，推動針管模擬痰液噴濺，觀察防護裝置的防護效果。對防護效果進行評價，主要針對使用過程穩定性、防護效果和痰液堵塞情況3個方面，如圖7 所示。

（三）基于TOPSIS 的方案評價

依據評價指標層次結構中的9 個子準則層的評價標準，收集了3 種設計方案的初始評價數據，生成得到初始評價矩陣。為了消除量綱的影響，由式（11）－（12）對初始矩陣進行加權標準化處理，如表6 所示。

貼近度是評估設計方案與理想狀態接近性的關鍵指標[13]。當這一指標接近于0 時，表明該方案在多個評價標準上均未能達到滿意水平，可能存在顯著的缺陷或不足；而若貼近度接近于1，則說明該方案在多個評價標準上均表現出色，不僅滿足了預期需求，甚至可能超越了期望。

由表11 可知，3 個方案中，方案2 的相似貼近度最高，意味著在多個評價標準上均表現出色，與理想狀態最為接近。方案1 在舒適度方面表現突出，方案3 在便攜性方面有著更佳表現。方案2 在紗布布局設計上具有顯著優勢，其位置不易被痰液阻塞，從而有效維持呼吸道的清潔與暢通，降低了感染的可能性。此外，方案二的生產工藝相對簡便，這有利于降低生產成本，增強經濟效益。基于這些考量，建議對方案二的固定方式進行借鑒方案一的設計，以優化其舒適性和便攜性。

結語

本文通過整合主成分分析（PCA）、層次分析法（AHP）與技術可行性排序法（TOPSIS），創新性地設計了一種針對氣管切開患者的痰液防飛濺裝置，旨在提升臨床護理的安全性與有效性。首先，應用PCA方法對影響裝置性能的關鍵因素進行了系統的提取與分析，確保了設計過程的科學性和嚴謹性。接著，通過AHP 對各設計參數進行權重分配，明確了用戶需求與裝置功能之間的優先關系，從而指導設計決策。

在設計方案中，本研究選用醫療用無紡布與脫脂紗布的創新組合，并結合熱壓工藝，構建了一個既具有良好透氣性、質量及成本較低又能有效濕化氣道的裝置。并提出了3 種針對痰液流向與濕化效果的不同的結構方案，確保使用過程中的防護效果和操作便利性。最后通過TOPSIS 法的綜合評價驗證了所提設計方案在防護效果、材料安全性和使用便捷性等方面的顯著優勢。

綜上所述，本研究不僅為氣管切開患者提供了更為安全與有效的護理解決方案，也為醫療護理設備的設計提供了新穎的視角和方法論，彰顯了設計領域在提升患者護理質量中的創新潛力。但仍存在一些不足之處，例如在材料選擇與舒適度方面，雖然選用了醫療用無紡布等材質，但可能存在部分患者對材質的耐受性不高，導致舒適度不足。未來可以考慮引入更多種類的材料，通過皮膚刺激試驗和患者反饋，選擇更符合人體工程學的材料。同時，考慮到不同患者的具體需求和差異，未來設計可以更加注重個性化，提供可調整、可定制的解決方案，以滿足不同患者的需求。