當代醫療領域的工業設計

文/Loe FEIJS, Jun HU(荷蘭埃因霍芬理工大學 工業設計系)

我們的課題研究在工業設計系中開展，那么首先我們來回答一個問題：當代的工業設計內涵究竟如何？工業設計已不再只是為大批量的高效機器生產提供產品樣式形式，也不再只是關注于產品的美學和可用性。我們的使命是為新型工業設計實踐探路。在這種新型工業設計實踐中，新一代的工業設計師擁有更為深刻的對運算、傳感、互聯性的力量的技術認知。我們培養新銳的表現者。我們的教學涵蓋創意編程、創意電子工程、工程力學、機械教學、互聯系統和數字審美。我們與埃因霍芬理工大學的其他院系、研究型醫院以及全球范圍內關于特定醫療領域的調研生態系統進行合作。在調研活動的同步進行下，我們的合作小組致力于為嚴謹的技術工程和當代及未來工業設計的新型需求搭建橋梁。

從2001年開始，我們的小組便已經提出了這樣的問題：受到更多日用品將加持軟件系統的事實的影響，設計的理論和實踐將如何改變？在最初的幾年我們建立了圍繞身邊現有事物的基于網絡技術系統的示范并探索了新的用于這些物品的交互。我們位列全球首批使用微控制器和Java作為核心教學元素的世界范圍工業設計院系之一。由于當時的設計語義詞匯對于新的領域顯得不夠完整，我們還創立了關于設計和多元語義的DeSForM社區。

從2008年至今我們探索出了例如智能外設、基于算法設計的外設、病人模擬器，生活方式管理工具和生物反饋系統。新生兒學領域在首個智能夾克的推進下發展迅速；我們還創建并對一個關于提高新生兒學領域舒適度和聯結度的世界級調研生態系統貢獻了力量（該項目研究成果現已在作為埃因霍芬理工大學與飛利浦合作的旗艦項目IMPULS中進行）。我們不認同設計師只需掌握軟件工具而不需理解其內涵的觀點。我們現在的任務之一，就是一遍遍地展示對運算技術的更深理解會幫助產生新的技術上的，有社會學意義且具有美學價值的命題。以操控編織由導電性的紗線和纖維制作的智能夾克為例，該技術不只是一種對現有紡線的替代品，也更是一種完全重新定義新生兒學監控問題的方案。

逐漸地，調研的領域正在進行著從產品水平到系統水平的數字信息參與度更高的變革。這種變革在更多的應用領域，尤其是醫療領域具有適用性。在這篇論文中我們很高興將向讀者展示我們的三位博士生對數字技術在當代醫療領域的設計中起到的關鍵作用的闡釋。

?Mark THIELEN 創造出了創新性的利用先進技術制造（尤其是3D打?。┑姆抡鎷雰?。在醫學訓練中使用仿真模型是保證安全的重要舉措。THIELEN的工作中最創新的一步就是其設計的仿真嬰兒的身體部位不是手工帶有隨意性打造的，而是利用核磁共振技術掃描真實兒童得到的數據制造的。該成果更精準、更實用且對患者安全起到重要作用。

?Mart WETZELS創造出了一個利用物聯網設備的軟件生態系統，用來給從心臟疾病中恢復的病人以健康和生活方式指導。傳統的生活方式指導建議都很單一，因而病人們對之忠誠度較低（他們不愿遵從醫囑）。在WETZELS的工作中最具創新性的一步是給予用戶的數據是以高效大量的方式來提供智慧的、個性化的建議，傳遞給病人的信息更加有針對性，因而更有效。

?Bin YU創造了一個新的生理反饋系統幫助處于壓力之中的人們，并使他們對自己的身體信號更有感知。傳統的放松技術，如階段性的肌肉放松（PMR）或者呼吸練習都缺乏技術性。YU的工作最具創新意義的一步是他使用了簡單的傳感器來檢測心率水平數據和變化，并將他們轉化為具有視覺吸引力的可視化內容。這些可視化內容不僅吸引人而且很容易被理解，并且可以分享。生理反饋模塊可以變得更加令人放松，并且用戶更樂意去使用這些生理反饋。

ReVive: Designing the newborn life support manikin

蘇醒：恢復缺氧新生兒呼吸系統的輔助模型設計

Mark THIELEN

導師: Loe Feijs, Sidarto Bambang Oetomo, Frank Delbressine

每年有近100萬嬰兒在出生時死于窒息，這是一種新生兒身體缺氧的狀況。此外，還有100萬新生兒因出生窒息而遭受到終生的神經系統損傷。根據窒息的持續時間和新生兒體內平衡調節的水平，這種情況的并發癥可能從輕微的神經后遺癥發展至不可逆轉的腦損傷，甚至死亡。出生窒息在自然分娩的新生兒中最常見，可能有多種原因在分娩期間和之后出現。只要新生兒得到迅速和正確的診斷，并受到相應的支持，在大多數情況下，新生兒就能存活下來。為了扭轉這種問題帶來的負面影響，新生兒生命支持系統（NLS）將發揮作用。NLS擁有一系列功能，包括幫助使用者自主呼吸和恢復正常血液循環以達到全身供氧。

出生窒息的癥狀包括膚色蒼白、嘴唇發紫、肌肉張力低下、氣道阻塞、呼吸停滯，以及心動過緩(心率低于每分鐘60次)，這些都是危及生命的跡象，需要主治醫務人員迅速和充分地加以處理。為協助醫護人員提供新生兒生命支援服務，我們會提供使用說明，每五年更新一次，并提供相關的醫療證據，以確保最佳治療，同時保障指南的實時性，以防止醫療錯誤，以及為了確保臨床技能的保留醫學模擬環境經常被使用。這些環境復制了真實產房，是真實產房的再現，但二者之間有一個顯著的不同:人體模型取代了病人。全球有多種技術和視覺高保真的新生兒人體模型:Paul (SimCharacters，維也納，奧地利)，NENASim (Medical- X，鹿特丹，荷蘭)，New Born Baby (Lifecast Ltd, London，英國)，BabySIM (CAE healthcare,Sarasota，佛羅里達州，美國)，SimNewB(Laerdal, Stavanger， 挪 威 )，Super Tory (Gaumard，邁阿密，佛羅里達州，美國)。在這些人體模型中，大部分都集成了測量技術以監控仿真訓練的性能。然而，這些人體模型在一些領域仍然缺乏功能性和真實感。盡管自20世紀60年代拉達爾首次生產人體模型以來，它們的外觀正在變得越來越逼真，但它們的內部結構仍然高度機械化，并為大規模生產進行了優化，人體模型對治療的反應要么是預先編程的，要么是人工控制的。因此，在實踐中不可能評估被試的表現，這阻礙了對該領域的研究。自20世紀60年代以來變化不大的原因是，訓練人體模型的設計和建造標準主要是基于生命支持指南。例如，這些指南使用胸外按壓的深度和速度等值來確定效果的好壞，這與治療的生理效果有著非常模糊和抽象的聯系。在實際的臨床情況中，使用的單元是比較隨機的，因為沒有其他客觀的工具來評估胸外按壓時血液循環的改善。如果我們想要提高NLS的性能，訓練人體模型的設計必須使呼吸和心率等重要參數對NLS期間的治療有響應，并符合指導標準。

本技術設計中描述的工作將通過重點設計一個新的NLS人體模型展示一個廣泛的、富有經驗的、高度探索的方法，以改善新生兒復蘇訓練。這個人體模型能做什么?這個人體模型需要生成與NLS技能性能相關的輸出。這些輸出參數的目標應盡可能接近現實，以確?，F實的生理和觸覺反應的治療。

利用目前的技術，我們可以在基于Surgical Sam (The Chamberlain Group LLC, Great Barrington, MA, USA) 的可見組件基礎上1:1的比例上復制身體部位的幾何形狀。這項技術目前被Materialise(比利時魯汶)等公司用于外科手術準備或個性化植入的創建。同樣在模擬環境中，我們看到掃描被用來在人體模型中創建更真實的外部視覺，盡管材料屬性仍然遠不及新生兒。我們將探索應用相同的方法，通過這項技術設計，看看這是否可以成功建立一個具有功能性的身體器官，以提供輸出參數。為了捕獲通過這些器官產生的輸出參數，還必須設計和集成傳感器和反饋系統。為了驗證新的人體模型動物實驗，生理數據集將被用作基準，這樣做的好處是消除了驗證過程中的主觀經驗。雖然這種驗證方法在觸覺研究領域是不可能的，但我們將使用用戶研究的方式進行探索。

Designing an ecosystem for contextual information in healthcare applications and improving patient behavior[39]

為醫療應用設計情境信息生態系統并改善患者行為

Mart WETZELS

導 師: Loe Feijs, Panos Markopoulos, Peter Peters

監測個人活動和健康的發展正與慢性病患者的醫療保健逐步結合起來。活動追蹤器最初作為個人健身追蹤器使用，現在它在慢性病醫療護理上的應用正在增多。在心臟病人群中，大部分病癥是因為不良的生活習慣引起的，例如久坐不動、吸煙、飲酒和不健康的飲食習慣。不僅患者要對自己糟糕的生活方式負責，社會對此也有重要影響。在過去的幾十年里，技術進步使工作和休閑都變成久坐不動的工作，同時技術的輔助也減輕了身體活動的負擔。在治療或預防心臟問題過程中，改變生活方式的能力是實現健康的重要阻礙。由歐盟horizon2020資助的DO CHANGE 項目，旨在通過一個新的系統管理他們的健康狀況，幫助患者改變生活方式。本論文介紹了此項目中的工作和相關衍生工作。

在臨床環境中，個性化醫療和精準醫療旨在根據患者主要的治療特征給患者提供不同的護理和臨床路徑。在行為改變領域，個性化旨在提高項目的有效性和干預程度。本論文中DO CHANGE 項目的一部分，通過使用智能傳感器和以患者為中心的設計流程來解決個性化護理的問題；讓最終的用戶參與系統和設備的開發。論文還包括對情境數據的下一步構想。目前的假設是，個性化護理本身不足以提供定制護理，因為沒有用戶所在環境的信息。情境信息將個人信息和用戶環境數據相結合，為設計干預或分類創建更豐富的參考框架。針對心臟病患者相關背景參數的隨機列表不能為將來的工作提供堅實的基礎。為了定義相關參數，用定性方法如半結構化訪談、故事共建、親和力圖和焦點小組等方法來構架論文的內容。和定性結果相比，定量的方法被用于繪制護理路徑并提供不同的視角。

作為DO CHANGE 項目的一部分，論文描述了生態系統的發展。生態系統以應用程序Vire的形式執行數據聚合、數據分發、分析和可視化。遵循“設計隱私”原則，系統完全是匿名的，為了保持數據提供者的靈活性來實現設計再利用，在以患者為中心的設計過程中，患者應該可以自由選擇他們喜歡的活動追蹤器。系統的主要要求是減少使用新設備的工作量，為用戶提供最佳體驗，本文采用體驗設計模型的方法來為病人開發vire應用和用戶體驗。在荷蘭、西班牙、和臺灣的臨床試驗中評估系統和干預措施。本文最后基于Do CHANGE生態系統的學習，設計和開發了一個新的系統，該系統向其他研究者開放并旨在為生活方式診所提供未來工作建議。

Designing biofeedback for managing stress

為調控壓力進行有關生物反饋的設計

Bin YU

導師: Loe Feijs, Jun Hu, Mathias Funk

由于與壓力相關的健康問題的日益增加以及人機交互（HCI）的最新技術進步所驅動，無處不在的生理相關信息將潛在地將生物反饋的作用從臨床治療轉變為用于個人壓力管理的現成工具。 本文的主要目的是將生物反饋技術應用到日常生活中，以便普通人能夠更直觀、輕松、舒適地駕馭和使用它。

本文第一部分旨在了解壓力管理背景下生物反饋技術的現狀。首先從信息傳遞的角度對生物反饋輔助自調節過程進行分解。然后，我們概述了與壓力管理和放松訓練的生物反饋技術相關的最新進展。從生物傳感技術、生物數據處理方法、生物反饋協議、反饋方式、評價方法等方面對壓力管理的生物反饋系統進行了系統的文獻綜述。這一系統的回顧有助于我們識別生物反饋設計的挑戰和機遇。

在本論文的第二部分，我們提出了四種新穎的生物反饋界面，這些界面是用各種HCI技術開發的，如聲音化、隱喻可視化、形狀變化顯示和觸覺界面。這些生物反饋顯示中的 “表示映射” 體現了圍繞“自然聯結”概念的類似設計原理。用戶研究為所提出的設計原則提供了充分的證實。表示映射中的自然聯結可以幫助用戶將界面表達、生理活動以及與生命和健康相關的特定含義聯系起來。這些關聯使得生物反饋表征變得有意義，并進一步促進用戶在自我調節和自我反思中直觀地理解和利用生物反饋信息。

在第三章中，我們將自然聯結的思想應用到心率變異性(HRV)生物反饋音頻接口的設計中。心率變異性表現為短旋律節奏的變化。在這個設計中，心率的時間變化直接映射到MIDI音符的節奏變化。在第四章中，我們提出了HRV數據的兩種隱喻性可視化方法stress stree和HeartBloom。在HRV數據可視化中，我們引入了樹和花的圖像作為視覺隱喻。傳統的IBI視差圖和HRV龐加萊圖被轉換成一個常見的可以直觀地理解的花或樹的圖像。除了可視化IBI數據集外，花形或樹形可視化的出現在語義上也代表了與健康相關的生理意義。在第五章中，我們提出了一個交互式的壁面，作為生物反饋的形狀變化顯示。LivingSurface的目標是利用物理變化的質量來增強與數字生物反饋信息的交互。探索生命表面的表現力，體現界面的生命感。在第六章，我們提出了“呼吸與觸摸”，一個通過充氣和充氣安全氣囊來模擬人類呼吸運動的觸覺界面。用戶的呼吸行為和界面動作之間的自然聯結，旨在促進自動呼吸調節。

第三部分，我們探討了利用環境介質進行生物反饋顯示。我們最初的意圖很簡單: 把生物反饋系統變成“無形的背景”，用戶可以在沒有電腦屏幕的環境中感知自己的內部生理狀態。我們利用自然的聲音和周圍的燈光來進行令人愉悅的生物反饋交互。在第七章和第八章中，我們設計了一個帶有自然聲音的聽覺展示。我們進行了一項實驗研究，測試了各種自然聲音對平靜信息顯示的調制。本研究以一個簡化的三層結構和一個自然聲景模型作為結論，該模型在第八章中被用于生物景觀的設計。BioSoundscape利用自然聲音創造一個“平靜”的自然聲音景觀，響應用戶的生理活動。它不僅可以作為一種環境生物反饋顯示器，還可以作為一種自然的補充集成到室內聲學環境中。在第九章，我們提出了DeLight，一個環境光生物反饋系統。DeLight的目的不僅是提供生物反饋數據，而且為放松訓練提供一個舒適的環境刺激。在第十章中，我們將生物景觀和樂趣整合到一個房間規模的視聽生物反饋系統: RESonance（共振）。它為沉浸式生物反饋訓練提供了一個輕量級的解決方案。第十一章將所開發的共振生物反饋系統應用于5名博士生和5名年輕足球運動員的多階段生物反饋訓練。我們評估了生物反饋在壓力應對技能學習中的有效性，并研究了使用生物反饋的用戶學習曲線。

在論文的最后一部分，我們對研究問題進行了回答，并總結了我們對壓力管理的研究和設計生物反饋的貢獻。我們指出了日常生物反饋的四個未來研究方向:內在生物反饋、適應性生物反饋、偶然生物反饋和外圍生物反饋。最后，本文提出了一個設計驅動的應用于管理壓力的生物反饋。設計探索涵蓋了廣泛的設計空間，包括數據聲化、隱喻可視化、形狀變化顯示、有形交互和環境顯示。在這些探索中，通過圍繞這些作品評價的實證研究，設計本身成為了新的知識資源。我們希望這項工作能夠成為開啟“日常生物反饋”新領域的一個起點。