基于感性工學的智能穿戴心電監測設備設計研究

關鍵詞：感性工學；心電監測設備；智能穿戴；人機工程學；便攜式

引言

心血管類疾病是一種嚴重威脅人類，特別是50 歲以上人群的常見病種，具有高患病率、高致殘率和高死亡率的特點，是我國居民死亡的首要原因[1]。近年來，由于生活習慣的改變，諸如飲食結構不合理、身體運動量下降、睡眠嚴重不足以及工作狀態的頻頻施壓，使得心血管類疾病呈現出年輕化的狀態。中青年人群出現心肌梗死的比例也是逐年增加。

科技的不斷進步推動著醫療行業的迅速發展，我國多項心血管疾病的醫治手段已屬于世界領先或接近領先水平，但近年來由于部分居民仍處于亞健康的狀態，心血管類疾病的防治狀況仍然不容樂觀。據中國心血管健康與疾病報告2023 概要顯示，我國心血管類疾病患者達3.3 億人，每5 例死亡中平均有2 例死于心血管類疾病[2]。不同年齡階段心血管類疾病的發病率和患病率不同，但都呈現出隨年齡增長的上升趨勢，根據圖表所示，該類疾病的患病率和發病率從40 歲開始有明顯提高[3]，具體數據見圖1 和圖2。

心血管類疾病發病前往往伴隨著一系列的癥狀，心率變化是較為明顯的癥狀之一，通過心電監測設備可以清晰地感受到心電信號的波動與變化，以便針對此類疾病進行早期的診斷和預防。由于心臟疾病具有間歇性發作的特征，醫師在進行診斷時要依靠發病時的“事件數據”作為支撐，為了減少誤差，病癥信號又只能通過長時間的連續動態監測來記錄。因此，使用便捷性成為連續動態監測設備的一大設計重點。

一、理論基礎

（一）感性工學

在產品設計中，感性主要指用戶對產品大小、顏色、功能、易用性和價格等的主觀印象。同時也是消費者針對產品生命周期各個階段的一種綜合性的評估。消費者綜合評判產品的相關屬性，得到的結果也都是不一致的，這就體現了感性的不確定性。感性工學設計將人難以量化的情感因素通過工學理性的手段進行量化處理和捕捉，定量分析消費者對于產品不同屬性的重視程度和滿意程度。隨后通過材質肌理的表達、外觀造型的塑造以及更加便捷的人機交互方式來滿足用戶的感性需求，提升用戶對產品和品牌的認同感、歸屬感，在用戶滿意度與設計制造成本之間取得一個平衡點，提高產品的市場接受度[4]。

學者對感性工學應用于產品設計進行了一系列的探索，并取得了一定的成效。林麗、張云鹍在《感性工學中的參數化設計方法關鍵技術研究現狀與展望》一文中提出，產品的造型、顏色和材料甚至是無形特征均可用感性意向進行探索，將產品設計要素分解成若干基本組件并進行編號調研，以此獲得產品形態參數[5]；朱琳等人在《基于感性工學的兒童益智玩具設計》中通過研究樣本建立7 級語義差分表，對兒童玩具應具有的功能、外觀樣式和用戶心理需求進行分析，為兒童益智玩具的設計提供新的發展思路；山水等人在《基于KANO 模型和感性工學的方艙醫院減壓室設計》中將KANO 模型與感性工學結合，形成用戶需求敏感度矩陣，為產品設計的各要素進行優先級排序，拓展了感性工學在產品設計領域的應用方式[7]。

（二）人機工程學

人機工程學是研究人在某種工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素，研究人和機器及環境的相互作用，研究在工作中、家庭生活中和休假時怎樣統一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學科[8]。設計是為人的，而人機工程學的研究涉及了如何優化產品的形狀、尺寸、布局、交互方式和使用環境，確保產品使用時的安全性和舒適性。

人機工程學在智能穿戴、服裝設計等領域應用頗多。例如，邱麗偉等人在《基于人機工程學的智能運動頭帶舒適度研究》中通過用戶訪談與線上問卷兩種方法進行用戶研究，得出特定人群的頭部尺寸數據，設計出6 種佩戴樣式的產品并用李克特量表進行產品的舒適度評分，選擇產品設計最優解[9]；錢月建等人在《基于人機工程學的細胞存儲設備外觀設計》中參照中國成年人人體尺寸標準GB 10000-88，考量產品的特定需求，通過功能修正量和心理修正量得出合理的人體功能尺寸，形成特定產品的尺寸標準[10]；張偉偉等人在《產品設計專業人機工程學課程實驗創新研究》中使用3D 打印技術輔助人機數據分析，模擬產品實際使用狀態并分析受力，修正尺寸使產品更具舒適性[11]。

二、現有產品分析

近幾年，心電監測設備的市場規模呈上升趨勢，2024 年全球心臟監測市場規模預計為263.5 億美元，預計到2029 年將達到338.1 億美元[12]。科技的進步也同樣帶動了心電信息化行業的發展，現如今動態心電圖逐漸進入用戶視野。動態心電圖又稱Holter 檢測，是指連續記錄24 小時或更長時間的心電圖。心電圖信號的采集離不開導聯裝置，動態心電圖至今已發展成12 導聯監測方式，即通過安裝電極片采集心電信號，得到所需數據。導聯是指記錄心電圖時電極在人體體表的放置位置及電極與放大器的連接方式。最初導聯只有3 種形態，分別是Ⅰ導聯（陽極連接人體左腕、陰極連接人體右腕）、Ⅱ導聯（陽極連接人體左腳踝、陰極連接人體右腕）和Ⅲ導聯（陽極連接人體左腳踝、陰極連接人體左腕），這3 種導聯形態又被稱作標準導聯。導聯方式經過發展與演進，進一步催生出胸前6 導聯和加壓單級肢體導聯，至此12 導聯誕生。12導聯心電信號的采集位置共有10 處，具體采集位置如圖3 所示。在實際檢測時，電極片貼片位置可以略有變化，通常允許的位置誤差范圍是10mm，在此誤差范圍內可以保證數據測量的準確性[13]。

現有心電監測產品主要分為固定式心電監測產品和便攜式心電監測產品兩大類型，一般而言，固定式設備的應用場景大多是醫院，而便攜式設備主要被家庭用戶使用，現對兩類心電監測產品分別進行市場調研與數據分析。

（一）固定式心電監測產品

固定式心電監測產品由于其精確的數據傳輸被廣泛應用于心血管類疾病的診斷、術后監護和慢性病的管理中。隨著科技的不斷進步，產品功能從簡單心電監測逐步提升至包含體溫、血氧等多種項目的監測，另外對異常數據還有報警提示的功能。隨著心血管類疾病發病率的上升，此類產品的需求量也將會持續增長，但是此類產品造價昂貴、維護成本較高，由于其體積原因也無法隨身攜帶，因此無法保證隨時監測數據。對現有市場上固定式心電監測產品的功能、價格、體量和使用方式等數據進行對比分析。結果顯示，固定式心電監測產品的價格較高且與監測精細度成正比，一般包含多種人體狀況分析，并且體量較大，多為臺式機，也有部分儀器可手提，使用場景大多在醫院，詳細信息如表1 所示。

（二）便攜式心電監測產品

相較于固定式心電監測產品，便攜式心電監測產品由于其小巧的體量和簡便的操作方式而受到家庭用戶的依賴。技術的進步使心電檢測的方案更加多樣化，指尖和手腕測量的方式基本上可以滿足大多數人的日常測量和使用。但是心電數據的監測對于術后管理或是具有潛在心血管疾病風險的用戶群體而言，簡單的監測和報告分析難以滿足他們的需求，他們需要更精準的檢測、便捷多樣的功能以及更詳細明確的分析報告。對比分析同類產品的功能、價格、體量和使用方式，結果顯示，便攜式心電監測產品價格較低且同樣與導聯多樣性成正比，產品最長邊的尺寸多在100mm 以內，使用方式較為多樣，詳細數據見表2。

通過兩類產品的分析比較可以看出，固定式心電監測設備對于醫療行業的重癥監護而言，有著極其重要的地位，但固定式設備往往無法滿足用戶在日常活動時監測心電的需求。便攜式心電監測設備的價格相較于固定式設備不僅更加低廉，Holter 檢測的出現也使得長時間的動態監測成為可能，目標人群更傾向于對便攜式產品的使用，因此我們針對便攜式心電監測設備進行設計思考和發展探索。

三、心血管疾病患者人群分析

（一）目標用戶年齡確定

心血管類疾病患者在日常生活中，由于其自身心理、生理及行為等因素的相互作用，常常會形成諸多不便。例如，心血管類疾病的突發性往往會促使患者形成恐懼心理，每次出現心悸、呼吸困難等狀況時，進一步加劇焦慮的情緒，這種情緒又會造成患者更加關注自己的身體，甚至過度謹慎從而限制自身活動，造成體力、耐力的下降，同時減少對外交際，導致生活質量的急劇下降，又反過來進一步影響患者自身的心理健康，進而進入一個惡性循環當中，具體分析請見表3。

與老年人相比，中年人的身體健康更不易引起重視，由于其心血管類疾病的前期癥狀并不明顯、無過多不適、休息片刻即好等客觀原因，也經常被誤診為心理壓力較大，精神狀態緊張從而草草了之。眾所周知，人的身體素質會隨著年齡的增長逐漸下降，與青年人相比，40 歲以上人群的心臟患病率和發病率逐漸上升，尤其對于長時間久坐、經常需要應酬或是缺乏規律作息的人群而言，更是埋下了心血管類疾病的突發隱患。

從消費方面來看，60 歲以上老年人的健康問題一般是由政府、社區以及子女進行保障，18-40 歲的青年人由于經濟壓力、身體素質較強等原因也較少關注此類疾病。但對于40-60 歲的中年患病或潛在群體而言，面對工作、家庭等諸多方面的壓力，難以空出時間仔細研究心電監測設備的使用、缺乏足夠的耐心解讀心電圖的數據，容易出現錯誤的決策，延誤治療時機。此外，40-60 歲的中年患病人群更加注重有關家庭的消費，年齡的不斷增加也會誘使此類人群更加關注自身的健康，對于心電監測設備的需求也會隨之增長。隨著心電監測技術的進一步提升，便攜式監測成為家庭用戶的首選，對于心血管類疾病患者、潛在患者或其家屬而言，消費決策出于健康保障、長期治療和經濟的需要，往往會更加關注便攜式心電監測設備的效用、服務和經濟性。

（二）目標用戶尺寸分析

智能穿戴產品心電監測設備中衣物部分需要設置不同型號滿足用戶的體態需求，電極片的位置也需要針對不同結構和尺寸稍加改動。為確保心電信號收集的精準度，該設備衣物需要與人體緊密貼合。現如今，國家對36-60 歲的中年人人體尺寸制作了數據標準，該數據提取的年齡段與本文既定人群年齡段相吻合，故相關數據可以用作本文目標用戶的體態數據標準以供參考。根據設計需要，對數據進行提取繪制出表4[14]。

人機尺寸的分析在服裝設計中具有極其重要的意義，該產品所需的衣物載體屬于特殊款式，應具備貼身、舒適的特性。貼身服裝的尺寸設計通常會比實際身體尺寸稍小一些，對上衣類產品而言，衣物胸圍和腰圍的尺寸可以比實際小1cm～2cm，在這個范圍之內，衣服支撐效果良好，貼合較為舒適，并且用戶不會感到過度緊繃，也不會影響用戶的血液循環，通過尺寸的合理設置也可以減少產品在使用時產生的測量誤差。

四、產品外觀屬性及利益點分析

（一）產品外觀屬性分析

產品的外觀屬性與用戶的情感密切相關，綜合產生的視覺效果將直接影響用戶的感知，用戶產生的情緒也會反應對產品的滿意程度和自身的購買意愿。產品的外觀屬性包括顏色搭配、形狀大小、材質和細節處理等要素，因此對便攜式心電監測設備的產品外觀屬性進行用戶調研。

調研采用線上問卷的形式，問卷1 共收取112 份問卷結果，有效問卷為76 份。選取有效問卷中產品外觀屬性的相關題目，包括第五題（外殼顏色）、第六題（功能燈光效果搭配）、第七題（形狀）、第八題（大小）和第九題（材質），將此類題目結果導入spss 進行交叉分析，得到用戶對白色、圓形、口袋大小的塑料制品，燈光預警提示效果為深紅色（預警）、藍綠色（正常）、橙黃色（電量低）的產品外觀效果接受度最高，因此將這些要素作為設計的主要參考點，交叉分析結果見表5。

（二）用戶利益點分析

心電監測設備對于用戶，尤其是心血管疾病患者而言，提供了重要的健康管理支持。通過對用戶的利益點進行分析，可以得到用戶對產品相關屬性的重視和滿意程度，從而計算出用戶對該項屬性的利益不足度。問卷2 的調研采用李克特5 級量表法，共采集56 份有效數據，對有關題目結果導入spss 進行描述分析，得到數據見表6。

為方便計算用戶對產品相關屬性的不足度，繪制對比分析表格得出對應數據，如表7 所示。

分析用戶的利益點可以看出，監測準確性、精致便攜和物美價廉是心電監測設備的主要設計方向。而對于用戶需求而言，當下產品仍然存在缺陷：諸如智能穿戴式產品的使用便攜性較低；未考慮人體結構需求，容易導致電信號感受器失靈和使用過程中的不舒適；部分產品由于技術原因，無法搭載更加精準的導聯方式；動態監測需要長時間佩戴產品，常常會出現異物感，對于皮膚敏感的人群而言，更容易出現不適的癥狀，甚至造成皮炎等疾病。

五、設計實踐

（一）設計策略

基于中年家庭用戶的生活特性和消費習慣，該智能穿戴心電監測設備的實體部分主要由設備附著衣物、信號收集模塊和導聯系統組成，通過手機端App 實現上位控制。為確保用戶使用的舒適度，產品實體部分所附著的服裝應精準貼合人體曲線，且保證在監測時不能影響人體日常活動。App 的頁面設計以溝通便捷為第一目標，盡量減少專業名詞的使用，數據分析報告界面簡潔明了，提升患者與醫師之間的溝通效率。該設備的設計策略框架如圖4 所示。

（二）設計方案

1. 實物產品

智能穿戴心電監測設備所附著的衣物面料材質采用具有耐磨、輕盈、緊實且不易變形的彈性纖維和聚酯纖維。該面料在提升穿戴舒適度的同時，避免因衣物變形導致的測量錯誤等問題。服裝采用顏色適用度較高的五十度灰和七十五度灰兩種配色。尺寸以表4 中P10-P99 的區間數據為基礎，分別設置男、女款的S、M、L、XL、XXL、3XL、4XL7 款型號以滿足大部分用戶需求，具體型號尺寸如表8 所示。

導聯系統采用12 導聯方式。傳輸線路是由TPU 包裹的納米銀和銀纖維組成，在不破壞導電性能的同時兼具除菌、除臭的效果，走線樣式流暢，適應人體曲線。

信號收集模塊整體為直徑60mm、高9.5mm 的斜切角圓柱，內嵌于衣物胸口位置，小巧的體量減少用戶使用產品時的異物感。模塊主體為象牙白色，搭配工作狀態感光帶，用戶可根據光帶色彩及時獲取產品電量情況及數據檢測狀態，以此減少用戶查看手機報告的頻率，滿足用戶使用便捷性的需求。模塊的主要結構包括外殼上蓋、顯示屏、燈光系統、芯片、電池以及外殼后蓋，殼體與芯片電池等均由結構固定，拆卸方便。材質采用ABS 塑料，保證質感、耐用性的同時降低造價。男、女背心式樣與細節放大圖見圖5，信號收集模塊內部結構如圖6 所示。

2. 產品交互

實體產品配套App 包括“我的”“設備”和“健康”3 個主體功能界面。“我的”界面包含個人信息設置、過往病歷、設備ID 綁定等用戶個性化設置；“健康”界面主要是產品的信息獲取區，包含實時監測、數據報告、代辦事項等，來輔助監察患者身體狀況，為患者的就診提供進一步的支持。“設備”界面的主要功能是自主控制形成心電檢測報告，該報告的詳細信息可以在“健康”界面獲取。患者可以通過自動存儲或者自主控制形成的醫療分析報告與產品相關協議醫院的醫生實時交談、接受診療，進而預約醫師線下診斷。App 的部分功能界面如圖7 所示。此外，App 還有一個附加功能，可以在實物產品的界面上同步顯示用戶自定義后的心情狀態，該功能關注用戶的感性需求，使產品更具人情味。

結語

設計以人為本，除了關注人機工程學使產品滿足用戶生理上的需求之外，人的情感也是設計產品所需關注的重要因素，感性工學將難以測量的情感因素加以量化，推進產品創新符合用戶的實際需求。在心血管疾病逐漸年輕化的背景下，將心電監測設備與智能穿戴結合，在醫療和智能穿戴設備的發展導向上有一定意義的啟示。但就目前而言，產品本身還存在一些問題尚未解決，尤其是由于人體體態、身材比例的不一致，導致產品中標準尺寸的衣物難以滿足特殊群體的使用需求，此類人群只能通過尺寸定制來實現監測的需求。