基于適應性理論的穿戴式漏斗胸矯正產品設計

引言

漏斗胸[1]（pectus excavatum，PE），作為一種常見的胸廓畸形，表現為胸骨后凹，導致胸廓前部凹陷，對患者的生理心理都造成了嚴重影響。輕度漏斗胸患者由于凹陷較淺且無其他并發癥，往往采用非侵入式矯正康復方法，真空吸盤康復法作為一種重要的非侵入式矯正手段，使用真空泵抽取吸盤空氣，使吸盤緊貼在漏斗胸凹陷處，利用吸盤內的負壓將凹陷胸部抬起，由于其操作簡單、成本小、無創、副作用小等特點，近年來受到患者和醫護人員的廣泛關注[2]。

目前， 針對漏斗胸真空吸盤的設計有少量的研究成果。Haecker[3] 等根據患者年齡設計了3 種不同大小型號的吸盤供患者使用，還設計出適合已經發育女性使用的“8”字形吸盤，Schier[4] 等使用硅膠材料制作了不同尺寸的負壓吸盤和適合女性的吸盤形狀，朱曉健[2] 等設計出可實時監測負壓治療情況的智能可穿戴式負壓矯正系統，患者可通過手機軟件查看治療數據。漏斗胸吸盤矯正產品的研究主要在產品工程技術層面，包括矯正吸盤的技術可行性、吸盤氣密結構設計、智能系統設計等。由于產品在使用過程中，不同年齡段用戶的需求不同，產品發展不均衡，出現產品適應性不足、使用體驗較差的現狀，矯正吸盤的適用性及體驗差成為亟須解決的問題。

為了滿足用戶的動態需求，提升使用體驗，提出了適應性設計與用戶體驗結合的方式進行產品設計研究與實踐，通過系統分析產品設計中的適應性設計要素，結合用戶使用過程中的體驗要素進行定性分析，使用AHP 結合FAST 進行定量分析，提升漏斗胸矯正產品的適應性及使用過程中的用戶體驗。

一、設計方法概述

（一）適應性設計與用戶體驗

1. 適應性設計：適應性設計主要指產品或系統設計具有較強的適應性，能夠滿足用戶在不同階段的動態需求，具有高度的靈活性，同時可以減少浪費和延長使用壽命，從而實現可持續發展。Kasarda[5]等針對產品設計領域在2007 年提出了一種適應性設計方法DFAD（Design for adaptability，DFAD）， 劉月林[6] 等將DFAD 與FBS結合解決了前臂骨折外固定護具實時貼合性差的問題。DFAD 設計方法將產品的適應性特征劃分為文化適應性、生物適應性和系統適應性，文化適應性是指通過研究產品的文化演進，提煉出其適應性特質，這些特質通常是產品的核心屬性，涉及關鍵或基礎功能；生物適應性源自達爾文進化論，指產品根據環境變化進行自我調整的特性，從而動態響應用戶需求變化，優化用戶體驗；系統適應性則是通過分析產品與內部外部環境、用戶之間的交互，歸納出產品適應性設計的通用原則[6]。DFAD 設計通過分析產品的文化、生物、系統適應性特征，決定這些特征如何使用，最后構建出一個包含輸入、控制、執行和輸出的動態自適應系統來響應不斷變化的輸入，以延長產品的生命周期。

2. 用戶體驗：用戶體驗是指用戶在使用一個產品、系統或服務過程中的感知和反應[7]，包括用戶的生理、信仰、偏好、情感等，是一種以“人”為中心的產品設計研究，強調人的主觀感受與情感體驗。情感體驗是用戶體驗中不可或缺的一部分，唐納德·諾曼在《情感化設計》提出了情感化設計的3 個層次，分別為本能層，行為層和反思層[8]。本能層面關注用戶的初次接觸漏斗胸矯正產品時的知覺體驗，包括產品的形狀、顏色、質感等能夠直接刺激感官的元素；行為層面關注用戶與產品的交互行為，如使用矯正吸盤時的穿戴行為；反思層主要關注用戶的長期意義與反思價值，如矯正數據收集與健康分析等。

3. 用戶體驗融入適應性設計：適應性設計有效滿足用戶在使用過程中的需求，傳統適應性設計通常以技術驅動為核心，側重功能靈活性與可調性，忽視了用戶的主觀感受與需求。而用戶體驗強調“以人為本”，注重產品使用中的個人情感與感官體驗。將用戶體驗融入適應性設計，能使其更貼合用戶需求，在技術可行性的基礎上提升使用的愉悅性和舒適度，從而提高產品實用性和整體滿意度。用戶體驗的融入有助于構建以用戶為中心的閉環設計系統。因此，將用戶體驗引入自適應系統尤為必要，適應性設計的動態調整與靈活性特性與用戶體驗理論天然契合，二者結合可在優化產品性能的同時顯著提升用戶體驗，如圖1 所示。

（二）層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是由T.L.Saaty教授在20 世紀70 年代初提出的一種多準則決策方法，該方法通過定性分析和定量運算來解決多目標復雜問題，將不同的目標和因素進行劃分，按照邏輯性和關聯性形成多級層次，構建出一個多層次的遞進框架，再將各層指標數量化，并對其進行權重排序，這種方法可以避免主觀隨意性，使最終的設計決策結果更加科學合理[9]。

（三）FAST 法

功能分析系統技術（Function Analysis System Technique，FAST）是一種系統性的工具和方法，它將一個系統或者產品看作是由一系列功能模塊組成的，并對每個功能模塊進行分析和優化，從而提高整個系統或產品的性能和可靠性[10]。FAST 的核心在于識別項目的基本功能，在確定用戶需求要素后，先按照輸入—運行—輸出的模式將需求項轉化為功能項，進行分解與拓展后按照優先級排序并建立產品功能樹，最終得到完整的層級邏輯關系[11]。同時，將AHP 與FAST 結合的方法能夠準確決策篩選出用戶的核心需求進行參數轉化，抓住設計的重點[12]。

（四）設計流程構建

漏斗胸負壓矯正產品設計基于適應性設計，通過調研醫院漏斗胸專科的醫護人員與患者，觀察使用流程和行為，并結合訪談獲取產品的文化、生物、系統三大適應性設計要素。將適應性設計要素與用戶體驗需求相結合，提煉出基于適應性的體驗需求。然后通過AHP進行權重計算，明確核心設計需求，并將其導入FAST 功能樹型進行逐級分解與功能轉化，最終確定具體設計參數并進行產品設計實踐。此流程結合適應性設計與用戶體驗，經過定性與定量分析，深入了解漏斗胸矯正產品的設計需求，確保了產品設計的可靠性，技術路線圖見圖2。

二、基于適應性設計的體驗需求獲取

（一）適應性設計要素獲取

獲取適應性設計要素旨在明確產品設計中的適應性需求，滿足使用過程中的動態變化。通過實地調研武漢同濟醫院漏斗胸專科，采用拍照錄像等方式觀察記錄用戶行為。結合網絡問卷、視頻和電話訪談，收集用戶及專家意見。最終，歸納總結得出產品系統的文化、生物、系統三大適應性設計要素共23 項，具體為文化適應性：負壓吸盤、負壓調節、模塊化更換、壓力可視化、吸盤位置固定；生物適應性：吸盤更換、定制化吸盤、貼合度調節、智能材料貼合、溫度跟隨調節、負壓跟隨調節、緊固結構調節、大小型號調節、壓力預警提示、凹陷狀態檢測；系統適應性：色彩、材質、造型、界面交互、輔助消毒、語音提示、清潔潤膚、異常狀態提示。

（二）基于用戶行為的體驗需求推導

漏斗胸矯正產品的用戶行為研究主要圍繞使用吸盤矯正過程及其伴隨行為展開。例如，使用前吸盤低溫可能導致用戶加熱吸盤；使用過程中，吸盤貼合性差可能引發抽壓和觀察行為；使用后則可能涉及清潔等操作。本研究通過資料查詢、用戶訪談、觀察和經驗總結，分析用戶矯正過程中的行為特點及其誘因，并從設計角度規避這些問題，最終提煉出漏斗胸矯正產品的設計需求[13]。首先，將用戶的矯正行為分為使用前、使用中、使用后3 個階段，列出每階段的主要行為及伴隨行為；然后，逐一分解每個階段的具體動作，分析行為特點及其原因。通過用戶旅程圖進行行為分析，并結合訪談收集用戶體驗需求，如圖3 所示。用戶體驗需求包括：安全性、美觀度、穿戴穩定性、材質舒適性、動態貼合、貼合舒適度、計時提醒、壓力保持、智能殺毒、恒溫保持、圖像檢測、使用記錄、電動抽壓、矯正監測等。最后，結合諾曼提出的情感化設計3 個層次，通過映射分析，最終得出4 項用戶體驗需求目標：穿戴體驗、功能體驗、交互體驗和智能體驗，后續將作為AHP 的準則層。

（三）基于用戶體驗的適應性設計

基于上述所獲取的適應性設計要素與用戶體驗需求目標，對收集到的適應性設計要素進行總結，集合專家意見，邀請17 名目標用戶使用KJ 法進行歸納，將適應性設計要素歸納至上述4 項用戶體驗目標。結合用戶體驗目標對適應性設計要素進行歸納推導，對用戶體驗需求進行整理，共歸納出16 項具體的設計需求，穿戴穩定性、穿戴貼合性、穿戴便利性、人機合理性、吸盤貼合性、智能化操作、更換便利性、壓力穩定性、形態美觀、形態變換性、形態舒適性、動態適應性、交互性強、體感良好、狀態檢測、異常報警，后文將作為AHP 的方案層。

三、基于AHP與FAST的需求分析

（一）AHP 用戶需求權重分析

1. 構建遞級層次模型：依據前期的用戶需求整理，將用戶體驗目標作為準則層，設計需求作為方案層，構建遞級層次模型，整理出目標層指標（A）、4 項準則層指標（B），16 項方案層指標（C）。目標層是產品目標，即設計一款符合用戶需求的漏斗胸矯正產品，準則層為穿戴體驗、功能體驗、交互體驗、智能體驗4 項，方案層為16 項具體的需求，具體的AHP 層次分析結構見圖4。

2. 構建比較判斷矩陣：在遞階層次模型的基礎上設計專家調查表，并針對調查表給出的問題邀請10 名目標用戶，6 名相關領域專家進行打分，專家打分的形式采用“1-9 標度法”，即在相同層級中對各元素進行兩兩比較，通過量化打分的方式評估各元素相對于上一層級的重要性，并對量化結果及其與重要性之間的關系進行標度化表示，如表1 所示。將專家的打分結果導入到SPSSAU 軟件進行分析，最終得出用戶體驗需求的權重。

運用公式AW=λmaxW 計算判斷矩陣的特征向量和特征值。其中A為判斷矩陣，W 為相應的特征向量，λmax 為判斷矩陣的最大特征值，Wi 為所要求的層次單排序權重值，計算步驟如下：

式中，RI 為隨機一致性指標，依據隨機一致性查表得到。如果CRlt;0.10 時，判斷矩陣具有較好的一致性。反之調整并重新計算。結果見表2 ～ 6。

根據公式（5）和（6）進行一致性檢驗，依據隨機一致性查表得到RI 值取0.89。經計算可知5 個矩陣一致性結果均小于0.1，一致性檢驗通過，檢驗結果符合要求。

3. 綜合需求評定：通過層次分析法計算出指標層和方案層的權重值，將得到的16 個需求綜合權重排序匯總，見表7，對目標權重排序，結果如下：人機合理性、吸盤貼合性、穿戴貼合性、交互性強、智能化操作、穿戴穩定性、穿戴便利性、壓力穩定性、狀態檢測、動態適應性、形態變化、體感良好、更換便利、異常報警、形態舒適、形態美觀。這一權重排序反映了在漏斗胸矯正產品設計過程中最為關鍵的因素。通過將這些排序后的需求進行總結導入到FAST 模型進行功能分解得出具體的設計參數，從而為設計過程提供指導。

（二）FAST 功能樹求解

FAST 黑箱模型作為基本的構造方法，用于分析用戶期望并輸出合理化產品功能[14]。經過AHP 劃分對用戶需求進行權重排序及分析，明確了對于用戶體驗提升較大的需求。基于FAST 原理，圍繞產品使用體驗、功能實現、人機交互等展開分析研究。舍去用戶需求度較低的產品外觀的需求，將主要的用戶體驗需求總結為良好的穿戴性、完善的功能、智能體驗，最后分解到具體功能，漏斗胸矯正產品FAST功能系統分析圖，見圖5。

四、設計實踐

（一）漏斗胸矯正產品創新設計

1. 智能化設計：智能穿戴式漏斗胸矯正產品設計融合了智能穿戴技術與傳統負壓吸盤矯正，旨在通過智能傳感器為漏斗胸患者提供舒適、安全、個性化的矯正方案。其核心創新在于智能傳感器的集成與應用，能夠實時監測并動態調整矯正過程中的各項參數，確保精準且舒適的矯正效果。

具體而言，穿戴模塊配備壓強傳感器，實時監測吸盤的壓力變化，并通過動態加壓機制，保持壓力在適宜范圍內。彈性調節結構內嵌多個壓力傳感器，能檢測用戶姿勢變化，自動調節腰帶與肩帶的松緊度，確保吸盤緊密貼合身體。溫度傳感器根據環境變化，自動啟用記憶海綿內的加熱電阻絲或外部風扇，調節溫度以提升佩戴舒適度。激光測距模塊則在矯正完成后，精確反饋胸部凹陷部位的抬升情況，為矯正效果評估提供客觀數據。產品還具備智能學習功能，能根據長期矯正數據自動調整負壓吸盤壓強，制訂個性化治療方案。為確保安全，設備前方設有緊急停止按鈕，異常時可迅速啟動泄壓機制。此外，產品前方與肩帶部分配有多個交互按鈕與屏幕，便于用戶操作。

2. 結構材料選擇：為確保產品具備足夠的強度，外殼和支撐框架采用高強度、抗沖擊的PC 材質。與人體長期接觸的部分則使用親膚記憶海綿，其高密度和彈性特性能根據人體形狀、體溫和壓力調整，減輕壓力點并提供個性化支撐，提升舒適性。海綿在外力去除后能慢慢回彈，適合長時間使用。負壓吸盤部分采用親膚硅膠，具有良好的柔軟性和彈性，能適應皮膚曲線，分散壓力并減少摩擦不適，提供舒適的穿戴體驗。彈性調節肩帶使用耐磨、耐沖擊的TPU 復合面料，適應高強度磨損，并能迅速恢復原狀，保持織物完整性與功能。整體設計采用輕量化結構，避免復雜形狀和不必要的加固，流線型外形既減輕重量又保持結構穩定性，具體設計見圖6。

（二）適應性設計

1 穿戴式設計：傳統的漏斗胸矯正產品通常依賴單一的吸盤設計，存在易掉落、貼合不緊，容易漏氣等問題。本設計采用了多傳感器分布的穿戴式結構，通過實時監測用戶的姿勢和身體狀態，依據數據動態調整支撐力度。智能調節系統能夠確保設備在坐、站、行走等場景下提供最合適的支撐，肩帶上的調節芭扣與腰帶的緊縮裝置，可以調節并適應各種身高體型的患者，在肩帶、產品主體等與身體接觸部位有彈性氣囊墊，也可動態補償用戶的輕微動作。在穿戴交互方面，用戶可通過前部的交互信息屏幕以及內置的震動反饋獲取穿戴及姿勢調整信息，增加產品的智能互動性。

2. 模塊化設計：由于漏斗胸患者的胸部凹陷程度各異，傳統固定型型號的吸盤難以適應所有用戶。為此，本設計采用模塊化設計，將產品分為穿戴主體與定制模塊化吸盤。產品主體作為產品的穿戴部分，內置電路板、電源、氣壓泵等元器件，負責提供動力和控制信號。患者可以使用手機App 預約定制模塊化吸盤，通過專業人員掃描身體三維數據，依據個人狀況進行形態個性化設計，確保能夠充分貼合用戶的身體。吸盤與皮膚接觸部分使用3D 打印的親膚硅膠材質，連接主體部分為透明塑料，塑料上裝有與主體連接的卡口結構與強磁吸附裝置，確保能夠與穿戴主體穩定連接。每個模塊內都配備獨立的壓強感應裝置與激光測距攝像模組，實時獲取準確的壓強及胸部矯正數據，見圖7。

（三）用戶體驗優化

智能穿戴式漏斗胸矯正產品的設計從本能、行為和反思3 個層面進行綜合考慮，旨在提升用戶的整體體驗。產品的設計不僅滿足基本功能需求，還通過情感化體驗設計增強了用戶的舒適性、歸屬感和長期使用的動力。

1 本能層面：本能層面的設計主要通過外觀和材質的選擇，減少用戶的心理負擔。漏斗胸矯正產品采用流線型、簡潔且現代的外觀設計能讓用戶將其視為時尚的智能穿戴設備，而不僅是矯正工具。親膚硅膠和TPU 復合面料等柔軟、透氣的材料的使用，能有效提升佩戴的舒適性，減少長時間使用時的不適感。同時，輕量化設計確保設備即使長時間佩戴也不會產生沉重負擔，從而讓用戶在初次接觸產品時產生積極的體驗。

2 行為層面：在行為層面，智能硬件的集成和操作便捷性是智能穿戴式漏斗胸矯正產品設計的關鍵。通過壓力傳感器和激光測距模塊等技術，產品能夠實時監測用戶的姿勢，提供即時反饋并自動調節支撐力度，實現動態適應。手機App 的連接功能使用戶能夠輕松跟蹤個人矯正進度，從而增強使用的動力和效果感知。模塊化設計和調節部件的使用簡化了產品的穿戴和調整過程，增加了其日常使用的便捷性和舒適性。

3 反思層面：反思層面設計的重點是增強用戶的自我認知和持續使用動力。矯正產品硬件設計通過個性化反饋和情感激勵機制，讓用戶通過智能調節和反饋直觀了解矯正效果和進展，增強對產品的信任和依賴，從而提升健康信念。個性化矯正方案根據用戶身體狀態動態調整，滿足情感需求。同時，設備的耐用性和模塊化設計確保長期使用中的穩定性與可維護性，進一步提升了用戶體驗和忠誠度。

結語

為提升漏斗胸矯正產品的穿戴適應性與使用體驗，本文從產品的適應性設計出發，結合對用戶行為的分析。設計前期使用多種定性方式系統調研了產品適應性設計要素與用戶體驗需求；歸納出了產品使用過程中影響用戶體驗的主要因素，通過AHP 對用戶需求進行需求權重的定量分析；最后依據分析結果將產品設計目標聚焦于產品的功能實現、穿戴性以及智能化體驗，使用FAST 功能樹得出具體的設計參數；最后設計出一款適用性廣，穿戴體驗良好的智能穿戴式漏斗胸矯正產品，為上身穿戴產品的設計提供了參考與設計思路。