33、人机交互：医疗设备设计的关键要素-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/arduino9maker/article/details/151668729

人机交互：医疗设备设计的关键要素

1. 人机交互概述

在当今时代，计算技术正持续发生着巨大的变革。曾经，计算机是放置在桌面上，连接着显示器和打印机的一个“盒子”；再往前，计算机更是占据着巨大的、需要恒温控制的房间。在医疗领域，过去患者的病历都是纸质的，所有操作都需手动完成，而现在，患者的病历、处方、影像检查单、实验室检查结果和扫描图像等都能在医疗专业人员之间即时更新和共享。

计算机已经变得无处不在，很难想象没有它们的生活会是什么样。在日常生活中，我们会在手腕上佩戴智能设备，跑鞋中也嵌入了传感器，还会把手机放在口袋里随身携带。这些各式各样的计算机和设备通常都包含某种用户界面（UI），其中包括显示屏和控制装置。

用户界面（UI）指的是用户与设备进行交互的所有方式。例如，笔记本电脑的UI包括屏幕、键盘、触控板、按钮、端口以及操作系统。而图形用户界面（GUI），发音为“gooey”，是整体UI的一个子集，它指的是显示屏上的图形、菜单、图标和数字按钮。以笔记本电脑为例，GUI包括操作系统以及用户访问网站或与应用程序进行交互所需的所有数字交互点。

在医疗领域，GUI的大小和复杂程度各不相同，从血压计到CT扫描仪都有涉及。对于每一种设备，用户都需要形成准确的心理模型，能够在信息结构中进行导航，并理解相关的术语。由于设备数量众多，且不同型号之间存在差异，这使得设备的操作变得复杂。

医疗设备的GUI主要有两种基本类型：
- 第一种是像输液泵和血糖仪这类设备，其GUI就位于设备本身。
- 第二种则运行在通用计算机上，如台式机、笔记本电脑或平板电脑，例如电子健康记录（EHR）、影像查看软件和预约安排工具等。虽然这两种类型的很多设计考虑因素是相同的，但不同之处会在后续进行重点说明。

设计师在设计GUI时，需要考虑显示屏尺寸、屏幕分辨率、功能以及信息容量等因素，以设计出一个简单的、能够满足用户需求的界面。医疗设备主要是实用型的，用户需要通过设备实现特定的目标或结果，并不需要过于花哨的功能。这些GUI需要适应使用环境，并与其他设备配合以简化工作。当然，设备应该具有吸引力，并且与制造商的品牌形象保持一致，但这应该以简单实用的功能为前提。

制造商在设计产品时，应该保持一致的外观和感觉。然而，同一品牌内部的一致性有时可能会与其他制造商的GUI产生冲突。因此，不仅要在品牌内部保持一致性，还应该在具有类似工具的不同品牌之间保持一致，这样用户就能轻松地从一种设备切换到另一种设备。

由于用户不可能对每一种设备和型号都进行培训，所以UI应该易于学习和立即上手。对于新手用户来说，可能不需要了解所有的高级功能，但他们应该能够立即完成基本功能。这可以通过限制设备的功能数量、提供清晰的术语（如标签和屏幕标题）以及提供有信息价值的反馈来实现。

用户可能很少或间歇性地使用设备，而且医疗环境容易分散注意力，存在很多干扰因素。为了适应这些实际情况，可以考虑提供逐步的操作流程来引导用户完成任务，这通常被称为渐进式披露，它能让用户在每一步做出小的决策，而不需要在工作记忆中记住大量信息。

2. 用户体验（UX）

用户体验（UX）指的是用户在与设备进行交互时所感受到的所有影响。UX无法直接设计，而是需要用户亲身感受。设计师所能做的就是通过精心设计来促进积极的UX。UX的组成部分包括产品的有用性、可用性和情感影响（包括在实际交互过程中以及交互后的记忆中）。
- 有用性 ：指的是设备的功能或能力，它能让用户通过设备实现一些没有该设备就无法完成的事情。例如，连续血糖监测仪能让用户无需扎手指就能立即知道自己的血糖水平。
- 可用性 ：是用户体验（UX）的实际组成部分，包括设备的易学习性、使用效率和可记忆性。如果说有用性提供了设备的功能，那么可用性则提供了轻松访问这些功能的途径。
- 情感影响 ：指的是UX中影响人们情感的因素，包括信任、信心、愉悦、美学和吸引力等，甚至还可能涉及更深层次的因素，如自我认同和拥有感。例如，Hassenzahl（2008）区分了“做”的目标和“成为”的目标。“做”的目标是通过我们完成事情的能力来评估的，这可以通过可用性和有用性的衡量标准——“实用质量”来评估；而“成为”的目标则涉及我们的情感需求，包括自我认同、与他人的关系和满意度等。信任和信心是医疗设备中不可或缺的情感因素，它们能提升设备的功能性、可用性和情感影响，简而言之，它们受到整个UX的影响。

3. 设计原则

基于感知和认知的科学原理，以下是一些良好人机交互的重要指导原则，但这些并非固定的公式或严格的规则，有时为了实现一个原则，可能需要违反另一个原则，这也凸显了设计的一个关键原则：设计是一个不断进行权衡的过程，每个设计决策都有其优缺点，做出一个好的决策可能会带来另一个方面的缺点。

3.1 支持心理模型

心理模型是对设备目的和工作方式的近似理解。设备的用户界面（UI），包括信息架构、屏幕布局、术语、消息传递和交互方式等，既可以帮助人们形成合适的心理模型，也可能阻碍其形成。通过使设备的组织尽可能可见、简单和易于理解，可以促进心理模型的形成。如果设备的元素较少，并且能够反映实际任务的完成方式，人们往往能更好地理解其心理模型。Norman（2013）指出，任何用户界面都有两个重要特性：一是可发现性，即能否找到所需的东西；二是可理解性，即是否理解事物的工作原理。这两个特性在心理模型的形成过程中也非常重要。为了强化心理模型的形成，要确保用户在任何操作过程中都能回答以下问题：
- 我在哪里 ：确保用户知道自己在UI中的当前位置以及在系统结构中的过往位置。
- 我能做什么 ：确保用户在交互的每个点都能理解自己可以进行的操作，提供足够的信息，包括描述性词语和标签，以便用户选择正确的操作。长标签不一定不好，因为增加词语可以提高准确性，但要避免使用多余的词语。
- 已经做了什么 ：让用户了解任务的进度，知道已经完成了什么以及还剩下什么要做，并且要确保用户知道如何返回主屏幕。
- 每个UI组件的含义是什么 ：帮助用户理解系统有哪些功能以及如何在工作环境中使用这些功能，使用用户的语言而不是技术术语。
- 我该怎么做 ：提供有信息价值的提示，说明每个交互的工作方式，使用积极的语气，避免使用诸如“非法”“无效”和“中止”等暴力、负面或贬低性的术语。

3.2 合理分配任务

人和计算机各有优缺点，并且它们往往是互补的。例如，人擅长创造性思维、规划、模式识别和监督控制，但在进行复杂计算、存储和检索信息以及反复做同一件事情方面表现较差。而计算机则擅长进行计算和记忆信息，不会感到疲劳或厌烦，但它们的创造性和监督能力还有待提高。

3.3 保持一致性

为了减少混淆并促进学习，UI应该尽可能保持一致，这包括以下几个方面：
- 相似类型功能的操作顺序要一致。
- 所有项目的标签要一致。
- 颜色的使用要一致，以表示特定的含义。
- 图形和图标要一致。
- 按钮形状要一致。
- 主要导航和交互区域的位置要一致。

3.4 减轻记忆负担

工作记忆（WM）是认知工作中的两个主要瓶颈之一，另一个是注意力。因此，在设计设备时，要尽量减轻用户的记忆负担。例如，让用户能够识别对象和项目，而不是需要回忆它们，这也是提供一个需要查看和选择而不是在命令行中输入命令的界面的最佳理由。此外，还可以通过使用熟悉的标签、图标和交互方式，以及对相关项目进行分组来提高记忆效果。

3.5 提供有信息价值的反馈

人们需要通过一致、及时且有信息价值的反馈来了解系统情况。这种反馈应该具备以下特点：
- 提供系统状态（例如，产品是否正在运行，是否正在处理输入），这在长时间操作过程中尤为重要。
- 指示任务的进展情况，告诉用户已经完成了什么以及还需要做什么。
- 告诉用户他们在信息层次结构中的位置，以及如何返回主界面。
- 在进行可能具有破坏性的操作之前征求确认。确认信息应该提供替代方案的信息，并帮助用户对对话框问题做出明智的回应。

反馈应该包含足够的信息，以便用户根据自己的输入完全理解界面输出。这能让用户对自己的操作有信心，并且在操作失败时能够理解原因。反馈应该易于看到，并放置在用户的注意力范围内，这样才容易被注意到。如果状态消息行不够显眼，往往就起不到作用，而光标旁边的弹出消息会更引人注目。

3.6 提高任务效率

通过消除不必要的步骤并在可能的情况下提供自动完成功能，使任务尽可能高效快捷。此外，提供格式提示也有助于促进数据输入并减少错误。

3.7 采用实用/简约设计

追求简约设计是提高任务效率的一种方法，可以通过以下方式实现：
- 只提供帮助人们完成任务所需的必要信息。
- 根据对象的相关性对其进行分组，特别是当这些对象用于完成相同的任务或功能时。
- 将复杂的指令分解为更简单的步骤。

3.8 错误预防和错误处理

设备处理错误的能力会影响其可用性，但首要任务是在源头上预防错误。可以通过以下方法来实现：
- 将不适当的操作置灰。
- 允许用户进行项目选择，而不是自由输入。
- 在文本输入时提供自动完成功能。
- 在选择中提供智能默认选项。

第二种方法是提供轻松撤销操作的能力，包括多次“返回”或“撤销”的功能。这有几个好处，例如，它可以使与产品的交互更具弹性，使简单的错误不会造成灾难性后果；还能鼓励人们探索用户界面，从而更好地学习使用它；最后，它能增加用户对产品的信任和信心。

第三种方法是使错误消息尽可能有帮助。以下是一些有用的错误消息提示：
- 具体而精确地说明错误的性质、可能的原因、解决方法以及如何获取更多信息。
- 使错误消息具体、有信息价值、语气积极且具有建设性。
- 为错误恢复提供建设性的帮助，在可能的情况下，指出用户应该采取什么措施来纠正问题。

4. 交互风格

交互风格决定了用户如何与设备进行交互以输入信息。不同的交互方法适用于不同类型的任务和数据，并且通常会在同一个UI中同时存在。以下是选择交互风格的一些建议：
- 将相似的交互风格分组在一起。例如，如果有多个表单填写交互，可以考虑将它们放在一起，这样用户就不需要频繁地在键盘输入、鼠标输入或屏幕输入之间切换。
- 尽量减少交互次数，以提高效率并减少错误。

4.1 表单填写

许多设备需要大量输入患者姓名、医生笔记、诊断代码等数据，表单填写界面类似于简单的纸质表单，非常适合这种情况。其优点包括用户熟悉这种方式，几乎不需要额外的指导就能正确输入数据，并且它适用于键盘输入，用户可以使用TAB、ENTER和RETURN键在各个字段之间进行导航。然而，表单填写容易出错，以下是一些减少错误可能性的建议：
- 将数据字段按相关组进行放置。
- 提供有意义的标签。
- 提供视觉提示，以区分数据输入字段和屏幕上的其他类型文本，即使这些字段不可编辑也应如此。
- 使数据输入字段的长度大致与预期的最长文本相同，这可以向用户提示该字段需要输入的信息类型。
- 数据字段中的文本左对齐。
- 数据字段中的数字右对齐。
- 在文本字段中按小数点对齐数字。
- 尽可能限制数据字段的尺寸数量，例如，选择两种数据字段长度，一种适合最短文本，另一种适合最长文本，这样可以简化UI的外观。
- 提供输入格式的指导，例如，电话号码可以分别设置国际代码、区号、交换码和号码的输入块，这有助于人们正确输入信息。
- 数据字段的标签左对齐，并将其放置在数据输入字段的左侧或正上方。
- 提供计量单位（例如，“psi”“mL”），注意不要混合使用英制和公制单位，除非医疗惯例有要求，并且避免使用不常见的缩写。
- 尽可能对数据进行合理性检查，确保值正确且在安全范围内。在适当的情况下，允许用户根据需要覆盖限制，这可以通过确认对话框来实现，使用户能够取消操作。

4.2 菜单

在菜单系统中，用户可以从分类列表、下拉菜单、工具栏、菜单栏、弹出菜单等中查看并选择项目。这种方式对于新手或间歇性用户来说很熟悉，也有助于打字技能较差或没有键盘可用的用户。为了提高菜单系统的使用效果，可以采取以下措施：
- 将菜单项数量限制在大约六个左右，这可以减少搜索时间。不过，如果用分隔线对项目进行分隔，这个数量可以适当增加。在这种情况下，用户只需先识别合适的分组（由分隔线划分），然后在分组中选择项目。
- 将无效的菜单项置灰。
- 提供简洁但完整的菜单标签。

4.3 直接操作

直接操作通过让用户直接对屏幕上的可见对象进行操作，为设备用户提供了一种自然而真实的体验。它使用诸如拖放等交互方式，以及桌面和文件夹等隐喻来表示文件系统。直接操作之所以强大，是因为它与用户对任务的心理模型相匹配，因此比其他交互风格更容易记忆，特别适合不擅长快速打字的间歇性用户。为了改进直接操作，可以采取以下措施：
- 使用设计良好、易于理解且一致的图标。
- 设计具有具体（可视化）含义的熟悉图标。
- 在可能的情况下为图标添加标签。

4.4 命令行

命令行系统要求用户在提示符下输入表达式，这些表达式通常包括命令、要操作的对象以及可能的一组修饰符（参数）。这种方式使经验丰富的用户能够快速访问功能，但缺点是它要求用户记住命令、对象、修饰符和语法的名称，这需要大量的知识通过回忆而不是识别来获取。命令行交互通常受到那些不想在重复步骤中进行拖放操作的专家用户的青睐，但对于其他用户来说效果不佳。

4.5 手势和多点触控

在大多数直接操作和触摸屏UI中，人们通常只使用一根手指进行操作。而多点触控交互则使用多根手指来识别手势，如在触摸屏上进行捏合和展开操作。这些操作可以让用户进行缩放、在不同屏幕之间导航以及上下滚动。

综上所述，在人机交互设计中，无论是医疗设备还是其他类型的产品，都需要综合考虑用户体验、设计原则和交互风格等多个方面，以设计出简单易用、高效且能满足用户需求的界面。通过遵循这些原则和方法，可以提高用户与设备之间的交互效率和满意度，为用户带来更好的使用体验。

下面是一个简单的mermaid流程图，展示了设计医疗设备GUI的基本流程：

graph LR
    A[确定用户需求] --> B[选择GUI类型]
    B --> C{设计原则应用}
    C --> C1[支持心理模型]
    C --> C2[合理分配任务]
    C --> C3[保持一致性]
    C --> C4[减轻记忆负担]
    C --> C5[提供反馈]
    C --> C6[提高效率]
    C --> C7[简约设计]
    C --> C8[错误处理]
    C1 --> D[设计交互风格]
    C2 --> D
    C3 --> D
    C4 --> D
    C5 --> D
    C6 --> D
    C7 --> D
    C8 --> D
    D --> E[测试与优化]

这个流程图展示了从确定用户需求开始，选择GUI类型，应用各种设计原则，设计交互风格，最后进行测试和优化的整个过程。每个步骤都相互关联，共同构成了一个完整的医疗设备GUI设计流程。

人机交互：医疗设备设计的关键要素

5. 实践案例分析

为了更好地理解上述人机交互的设计原则和交互风格在实际医疗设备中的应用，下面通过几个具体的案例进行分析。

5.1 电子健康记录（EHR）系统

电子健康记录系统是运行在通用计算机上的典型医疗设备GUI应用。在某医院的EHR系统中，设计师充分考虑了用户体验和设计原则。

支持心理模型 ：系统的界面布局清晰，各个功能模块的命名和组织都与医疗工作流程相匹配。例如，患者信息、诊断记录、医嘱等模块按照医疗人员日常工作的顺序排列，方便用户快速找到所需信息，形成准确的心理模型。
合理分配任务 ：对于数据录入和存储等重复性、准确性要求高的任务，系统自动完成；而对于病情诊断、治疗方案制定等需要专业判断和创造性思维的任务，则由医疗人员完成。
保持一致性 ：系统在整个界面中保持了一致的操作流程、标签、颜色和图标使用。例如，所有的保存按钮都采用相同的颜色和形状，所有的菜单都遵循相似的结构，减少了用户的学习成本。
减轻记忆负担 ：系统提供了丰富的下拉菜单和自动完成功能，用户只需选择或输入部分信息，系统就能自动提示完整内容，避免了用户记忆大量的诊断代码和药品名称。
提供有信息价值的反馈 ：在用户进行操作后，系统会及时弹出消息提示操作结果，如数据保存成功、修改已提交等。如果出现错误，系统会明确指出错误原因，并提供解决建议。
提高任务效率 ：系统支持快捷键操作，医疗人员可以通过键盘快速完成常用操作，如切换患者、录入医嘱等，大大提高了工作效率。
采用实用/简约设计 ：界面只显示必要的信息，避免了过多的干扰项。同时，将相关的信息进行分组显示，如将患者的基本信息、生命体征和检查结果放在同一个页面，方便医疗人员综合查看。
错误预防和错误处理 ：系统对输入的数据进行合理性检查，如年龄不能为负数、药品剂量不能超出安全范围等。如果输入不符合要求，系统会自动提示并阻止提交。此外，系统还提供了撤销和修改功能，方便用户纠正错误。

在交互风格方面，EHR系统主要采用了表单填写和菜单两种方式。表单填写用于录入患者的详细信息和医嘱，菜单则用于快速访问系统的各个功能模块。

5.2 便携式血糖仪

便携式血糖仪是一种UI位于设备本身的医疗设备。它的设计也充分体现了人机交互的原则。

支持心理模型 ：血糖仪的操作流程简单明了，用户只需按照屏幕提示进行采血、滴血等操作，就能轻松完成血糖测量。设备的界面布局和图标设计都与血糖测量的过程相匹配，使用户能够快速理解设备的功能和操作方法。
合理分配任务 ：血糖仪负责完成血糖测量和数据计算，用户只需进行采血和操作设备的简单任务。
保持一致性 ：血糖仪的按键布局、屏幕显示和操作流程在不同型号之间保持一致，方便用户在更换设备时能够快速上手。
减轻记忆负担 ：设备会自动保存最近的测量结果，用户无需手动记录。同时，屏幕上会显示清晰的操作提示，使用户无需记忆复杂的操作步骤。
提供有信息价值的反馈 ：在测量过程中，设备会实时显示测量进度和状态，如正在检测、测量完成等。测量结束后，设备会立即显示血糖值，并根据预设的范围给出相应的提示，如血糖正常、偏高或偏低。
提高任务效率 ：血糖仪的测量速度快，通常在几秒钟内就能得出结果，减少了用户的等待时间。
采用实用/简约设计 ：设备的外观简洁，只具备必要的功能按键和显示屏，避免了过多的复杂设计。
错误预防和错误处理 ：血糖仪会对测量结果进行准确性判断，如果测量结果异常，设备会提示用户重新测量。同时，设备还具备电量不足提示和错误代码显示功能，方便用户及时发现和解决问题。

在交互风格方面，便携式血糖仪主要采用了直接操作的方式，用户通过按键和触摸屏与设备进行交互，操作简单直观。

6. 总结与展望

通过以上的分析可以看出，良好的人机交互设计对于医疗设备的使用效果和用户体验至关重要。在设计医疗设备的GUI时，需要综合考虑用户需求、心理模型、任务分配、一致性、记忆负担、反馈、效率、简约设计和错误处理等多个方面的因素。同时，根据不同的任务和用户群体，选择合适的交互风格，如表单填写、菜单、直接操作、命令行和手势多点触控等。

未来，随着技术的不断发展，医疗设备的人机交互设计也将面临新的挑战和机遇。例如，人工智能和机器学习技术的应用可以使医疗设备更加智能化，能够根据用户的行为和习惯自动调整界面和功能；虚拟现实和增强现实技术的发展可以为医疗人员提供更加沉浸式的操作体验，提高手术的准确性和安全性；可穿戴设备和移动医疗的普及将使医疗服务更加便捷和个性化，需要设计更加简洁、易用的交互界面。

为了应对这些挑战和机遇，设计师需要不断学习和掌握新的技术和方法，深入了解用户需求和行为，将人机交互的原则和方法应用到实际设计中。同时，还需要加强跨学科的合作，与医学、心理学、工程学等领域的专家共同努力，推动医疗设备人机交互设计的不断发展。

以下是一个mermaid流程图，展示了未来医疗设备人机交互设计的发展趋势：

graph LR
    A[当前人机交互设计] --> B[技术发展]
    B --> B1[人工智能与机器学习]
    B --> B2[虚拟现实与增强现实]
    B --> B3[可穿戴设备与移动医疗]
    B1 --> C[智能化界面与功能]
    B2 --> D[沉浸式操作体验]
    B3 --> E[简洁易用交互界面]
    C --> F[个性化医疗服务]
    D --> F
    E --> F

这个流程图展示了从当前人机交互设计出发，随着技术的发展，分别朝着智能化、沉浸式和简洁易用的方向发展，最终实现个性化医疗服务的目标。