医疗产品的智能化设计探究

　　为了应对新冠肺炎的冲击、缓解医疗资源的不足、化解医患矛盾。分析了智能化医疗产品的优势、应用现状以及应用趋势。医疗产品智能化设计应遵循注重人机关系、注重用户体验、注重信息整合三个基本思路。遵循该思路设计了“Fly”智能输液器。

 

　　引言

 

　　2020年以来，突如其来的新冠肺炎对我国医疗行业造成了极大冲击，严重威胁公众生命健康。在抗击疫情过程中多种新型技术被用于救治患者，其中，人工智能技术“在疫情监测分析、病毒溯源、防控救治、资源调配等多个方面发挥了重要支撑作用”。实际上，近年来随着人民生活水平的大幅进步、“大健康”理念的快速传播以及互联网技术的日渐成熟，人们对诊断和保健的需求开始从被动的医疗保健向主动的预防保健转变，对医疗智能化的期待值逐日攀升，医疗产品正在迎来“智能时代”，市场前景十分广阔。被此吸引，主流IT企业纷纷布局医疗产业，通过并购整合医疗资源，打造智能医疗产业链，例如阿里巴巴开创的“医疗云”服务，腾讯、丁香园、公安保险三方合作打造的互联网医疗生态链等。然而，总体来看，我国的数字化医疗起步较晚，相关研究和实践远未成熟。尽管近年来医疗行业的技术发展和科研人员的增多使医疗产品的功效不断完善、质量不断提高，但市场上的绝大部分智能医疗产品仍处于提供数据测量和医疗记录等基本功能的阶段，医疗智能化总体水平依旧较低。就医疗行业本身来讲，我国的医疗资源紧缺且分布不均，作为一个人口大国，我国的医疗资源仅占世界卫生资源的2%，城乡医疗服务水平也存在极大差距，医患矛盾突出、医疗成本过高、人口老龄化严重对传统医疗行业造成了严重冲击，“待解决的医疗痛点和待满足的医疗服务需求成为人工智能技术应用于医疗场景的现实需求”；加之新冠疫情“不见面就诊”对智慧医疗的倒逼效果，促使医疗产品必须向智能化、信息化方向发展，从而最大程度上满足人民群众的就医需求，达到疫情防控常态化的要求。为此，非常有必要从设计的角度、而非仅仅是医学技术的角度，对医疗产品的智能化设计进行检视。通过设计优化医疗产品的智能交互方式，不仅能够美化医疗产品外观、减轻患者紧张感，而且能够缓解医护压力，提升患者医疗体验，改善医患关系，让病人在一个更加便捷、更加舒适、更加安全的治疗环境中得到精心救治。

 

　　一、智能化设计在医疗产品中的应用

 

　　（一）应用现状。人工智能技术的发展使智能化设计被深度引入医疗产品领域，两者之间的关联越来越紧密。智能化设计是运用当代信息技术，操作计算机模仿人的思维方式，优化计算机的智能化性能，从而使计算机能够更好地承担各类繁杂任务的设计方式，它是设计师的主要辅助工具之一。从原理上讲，医疗产品的智能化设计与计算机辅助设计的发展密不可分，与之对应的人机智能设计系统是一个集开放性和集成性于一体的、包含专家系统在内的面向决策的产品设计软件系统，它不但能用于传统设计，而且支持创新设计，其最终落脚点在于利用机器、人工智能、互联网等优势帮助医护人员解决医疗难题并缓解患者病情。因此，人机智能设计系统是医疗产品智能化设计与应用的软件基础，它为智能医疗提供了一个平台和载体，使智能化服务得以通过机器而非传统的人工来实现；而且这个系统本身也是“动态”的，会随着通信信息技术的发展而发展，从而为智能技术的应用提供更大的可能性和“舞台”。在这一系统的帮助下，智能技术得以在医疗领域得到进一步运用，使医疗资源能够以最优化的方式得到分配。例如，智能医疗设备可以随时监控病人的病情，使医护人员能够实时为病人提供医疗救助；经过整合智能医疗移动终端设备搜集的患者病情数据，医院能够搭建高效精准的医疗信息平台；借助智能监测和记录等系统，医院能够建立病人信息数据库和病人个人电子病历，帮助医生直观地掌握病人情况，实施远程观察、检测和治疗；病房空调与灯光由有关科室进行网络化区域管理，智能定时开关，使医院始终节能高效地运行。这充分说明，目前智能化设计已经在医疗产品中得到了部分应用——尽管这些运用仍然“掺杂”着浓厚的人工成分，例如电子病历的构建和更新很多时候都是通过医护人员的主动询问和录入完成的，但智能化设计被应用于医疗产品之中已经是不争的事实。

 

　　（二）应用趋势。从应用趋势看，尽管受制于材料和技术等因素，目前智能化医疗产品仍处于萌芽阶段，但智能化医疗产品以其准确性、多元性、简洁性等优势成为“朝阳产业”。总体来说，智能化设计在医疗产品中的未来应用方向可以归纳为三个方面：一是通过“人工智能+大数据”，深化人机交互，促进产品便捷安全操作。二是突出“以人为本”设计理念，根据不同用户需求，为不同年龄、不同条件的患者——例如老年人提供全面、准确的医疗服务[4]。三是借助NB-IoT/eMTC等通讯技术和物联网芯片等基础设施，建立一个能够不断更新和涵盖更普遍医疗信息的医疗资源服务平台，实现患者信息和医疗资源的共享。考虑到我国目前存在的医疗体制不健全、医疗资源不足、医疗行业智能化和信息化程度不高等现实问题，通过智能化设计实现医疗资源的整合与共享尤为重要，已经成为解决我国医疗资源配置难题的不可或缺的手段。

 

　　二、医疗产品智能化设计的基本思路

 

　　基于上述对医疗产品智能化应用的理解，鉴于当前我国医疗资源仍处于短缺状态，智能医学的发展还处于探索阶段，因此在智能化设计医疗产品的过程中应当回应现实需求，遵循下述三个基本思路，从而提高医疗效果并更好地满足公众的健康需求。

 

　　（一）注重人机关系。出于医疗产品自身的特殊性和目标用户的独特性，医疗产品的智能化设计应当把形成良性人机关系作为基本设计思路。目前我国医疗卫生服务市场正处于快速扩张阶段，广阔的市场前景极大地刺激了医疗器械生产企业生产智能化、信息化产品的意愿和能力，越来越多的企业将资金、技术和人才投入这一领域，意图抢占技术“高地”并扩大市场份额。通过技术革新，利用医疗产品实现实时通信、数据收集、影像放送、音频传播等的条件已经具备，智能化医疗产品正在朝着可穿戴式、可视化的方向发展。为此，在设计过程中智能医疗产品应按照“消费者优先”的人性化设计原则进行设计和使用，从而构建良性人机关系。具体来说，“消费者优先”原则对智能医疗产品的设计提出了两个方面的要求：一是设计者必须充分考虑使用对象和使用环境的特点。设计过程中要充分考虑到“设计的对象、对象的行为特征以及产品使用环境等因素”，简化人机操作界面，注重医疗信息的可读性和可共享性，尽最大可能避免出现操作过于繁琐或者过于复杂的情形；二是设计者必须综合平衡各年龄段普通用户的使用需求。在确保安全的前提下，通过合理布置功能点位、适度安排功能按键，给予使用者必要的自由度使其能够根据自身需求微调产品功能和使用方法，提高智能医疗产品的“普适性”，使“机器适应人”而不是“人适应机器”。

 

　　（二）注重用户体验。“以用户为中心，强调用户体验，全面考虑人的精神、物质需求是设计价值的体现。”[6]用户体验是人们对他们所使用产品与所接受服务的反映，通俗来说就是用户认为产品“好不好用”，因此它是一种主观感受，反映了人与产品互动时的心理状态。在对医疗产品进行智能化设计的过程中，必须对用户体验高度重视，无论是医疗产品的信息接口还是操作方式，都必须换位思考，充分考虑目标群体的使用习惯和产品的使用情景，最大可能展现出智能化产品的优势。从实践看，用户体验已经成为了当前智能医疗产品设计的关键词和要点。例如，京东医药商城就是通过自身物流平台的优势保证药品的交付效率，又如一些医疗企业成立了专门负责产品体验和质量的质量管理部，还建立了智能产品体验厅供客户体验，并注重收集客户体验过程中的反馈意见，从而不断改进产品设计。实际上，企业对“用户体验”这一关键词并不陌生，医疗产品重视用户体验是其他产品重视用户体验向医疗服务领域的延伸。尽管医疗领域有其特殊性，但从根本目的上看它与其他商品又有一致性，即它们的目标都是为了改善大众生活、提升生活品质，因此用户体验成为了医疗产品智能化设计的基本思路是顺理成章且恰如其分的。

 

　　（三）注重信息整合。信息整合是医疗产品智能化设计的又一个基本思路，即通过通讯、云计算、大数据等技术，创建包含患者、社区医院、专科医院等多方对象的全面而准确的信息系统。该信息系统能够将病人和医院精准连接起来，做到迅速的信息共享和查找，实现电子处方、数字化治疗，从而避免“患者与医院之间的信息不对称……使医患矛盾加剧”。这就要求设计师必须要在“云计算”平台的基础上，统筹考虑家庭、社区、医院、医疗等多方面的互动，全面整合产品、病人、医院等各方面的信息。这一设计思路大大拓宽了医疗产品的适用情景，意味着面向家庭的智能医疗平台的构建成为智能化设计时必须考量的因素，因为家庭使用的智能医疗产品是信息化医疗系统的“泉源”。据此，通过信息共享医生可以直观地掌握患者的健康情况，形成病患专属电子病历，给出电子处方，提供远程医疗指导。对患者而言，这意味着即便是在家中也能通过互联网获得医生的健康指导和医疗帮助。但应当指出的是，信息整合是一个系统性工程，整合完成度不仅取决于软件系统的成熟性、稳定性、高效性，也取决于硬件技术的发展。鉴于当前智能医疗领域软硬件的发展还不够成熟，因此信息整合目前主要还是基于医患互动的“小整合”而不是基于医疗资源共享的“大整合”，其发展受诸多因素影响，限于篇幅此处不再展开论述。

 

　　三、基于智能化的“Fly”智能输液器设计

 

　　考虑到我国目前对智能化输液器的迫切需求，基于上述设计思路，笔者设计了一款名为“Fly”智能输液器的医疗产品。相比其他治疗方式，静脉输液的优势在于给药速度快、见效快，其临床效果极佳，在“抗疫”过程中抢救了无数宝贵生命。但传统的静脉输液器存在一定问题，一方面是药液速度的问题，通常输注速率的控制主要是基于医务人员旋转滴管上的机械滑轮，速度通过肉眼检测。这对于新手来说，经验不足容易导致输液速度过快或者过慢，给患者带来不必要的痛苦；另一方面是药液更换的问题，在输液时由于病人身体一般较虚弱，因此多数情况下需要由陪护人员观察剩余药液量，以便在药液滴注完成后立即通知护士取出针头或者及时更换药品。但有时陪护人员因为种种原因没有发现输液完成，导致护士未及时处理，就会出现血液倒流等现象，对病人的身体健康造成危害，严重者甚至危及生命。为此，亟需设计一款价格低廉、性能齐全、操作简单的智能输液系统。尽管我国已有学者对输液器的改进进行了研究，并申请了几十项监控输液类专利，但从内容看，主要集中在速率控制和警报等基本功能，且操作较为复杂，存在安全隐患，因此实践中并未得到广泛运用。相比我国，国外虽然已有相对成熟和安全的智能输液产品，例如日本的泰尔茂系列输液泵、德国的贝朗公司Infusomat系列容积输液泵[9]等，但这些产品价格极为高昂，在我国无法大规模推广应用。由此可见，非常有必要设计一款价格适中且安全易用的智能输液器，“Fly”智能输液器就是这一目标的设计产物。

 

　　（一）设计定位。“Fly”智能输液器设计的灵感来源于热气球，其定位在于通过优化智能交互方式，形成一款多功能智能化输液器。该智能输液器是基于上述注重人机关系、用户体验与信息整合三个基本思路设计的，力求通过人性化的设计改善医疗产品与使用者的关系，提升使用者的使用效果并保证使用安全。在这一思路的指引下，该智能输液器能够在通过输液参数显示、温度补偿、异常情况报警等功能实现输液速度和输液量智能化调控的同时，从设计的角度进一步优化使用功能，美化产品外观，通过智能互动的形式改变产品与患者之间的关系，缩短与患者之间的距离，从而使医务人员的工作更加便捷，让患者获得更方便、舒适的治疗体验。

 

　　（二）设计方案。该款智能输液器的设计方案主要包括控制器、加热器以及自动转换输液的设计三个方面。在控制器的设计方面，该款输液器的控制器选择阿特梅尔公司的8位微控制器AT89芯片，其特点是高性能、低功耗。在加热器的设计方面，该款输液器使用PTC加热器。PTC加热器具有热电阻低、传热效率高等优点，是一种自动恒温节能的电加热器。其突出特点是安全性能，即在任何使用条件下其电热管等加热器表面都不会出现“红色”现象，避免了灼伤、火灾等安全隐患。在自动转换输液的设计方面，当开始使用本款智能输液器输液时，系统会自动把第一个阀门打开，开始第一瓶药品的使用，当控制器中的监测系统检测到第一瓶药水使用完毕后，将通过控制器打开第二瓶药水的控制阀门（如有第三瓶则依次顺延），从而达到自动转换输液的效果。

 

　　（三）设计功能。“Fly”智能输液器的主要功能有智能输液、智能监控警报以及智能温控三个方面。具体来说包括：1.智能输液功能。如前文所述，由于目前机械式输液器存在不方便和不安全的问题，而国外类似智能化产品价格较为昂贵，且功能过于简单，为此该输液器的设计力求平衡安全和方便的关系，基于当前已有的基本医疗材料，通过改善设计思路完善智能输液功能，具体来说就是：护士将患者的药水配好后放进输液器，设置好先后顺序，通过产品的自动转换功能，实现三瓶药水自动、顺序滴入患者体内，不需要护士在每瓶药水输完后手动为患者更换下一瓶药水。此外，“热气球”上设计的可视化窗口，也可让护士、患者与陪护人员直观地看到药水的剩余情况。这样一方面减轻了护士的工作量，不用每瓶药水滴完后都要及时给患者更换输液瓶，另一方面也可让患者因不用时刻紧盯输液瓶担心药水输完而影响休息。2.智能监控警报功能。完善用户体验的基本思路和“消费者优先”的原则要求，作为一款智能输液器，必须“善始善终”，不仅能够在使用过程中方便易用，而且能够在使用结束时安全可靠，从自动化的角度改进传统机械输液器在输液完成后的安全隐患与不便。在使用该款智能输液器时，当最后一滴药水输送完毕后，该产品会发出警报声，提醒护士及时给患者更换输液瓶或是终止输液，以避免时常出现的输液完毕没有及时发现而导致的“血管回血”现象。3.智能温控功能。从上文提出的设计思路可知，医疗产品必须充分考虑使用环境。我国大部分地区四季明显、冬季寒冷，由于大部分输液患者本来就身体较为虚弱，而药水一般都要在常温以下保存，因此寒冷的天气、冰冷的药水、虚弱的身体对输液造成了不便，甚至可能威胁患者的生命健康。本款输液器设计调研时也发现，在寒冷的冬季经常看到大量患者在医院输液时，由于药水太过冰凉导致输液手臂冻得淤青。为解决此问题，本产品设计了智能温控功能，能够在一定的温度范围内及时加热输液管内的药水，从而确保流进患者血液的每一滴药水都不再是冰冷的。此外考虑到一些药水不允许加热，产品的温控功能能够手动关闭，以满足多样化的输液需求。通过上述设计，“Fly”智能输液器提高了输液的可靠性、安全性和便捷性，使得原本冷冰冰的输液产品变得更为人性化、更具“人情味”，减轻了医生和病人的压力，为病人提供了一个更加便捷、舒适与安全的治疗环境。

 

　　四、结语

 

　　目前，我国已进入疫情防控常态化阶段，对智能医疗产品的需求与日俱增。在这一特殊的时代背景下，非常有必要加强对医疗产品智能化设计的研究，在设计过程中遵循注重人机关系、注重用户体验、注重信息整合三个基本思路，从而缓解我国医疗资源的不足，化解医患矛盾，并为“抗疫”的最终胜利做出应有贡献。