基于KJ-AHP-FCE的踝關節康復訓練產品設計研究

引言

踝關節在日常運動中易發生扭傷，其發生率在全身關節損傷中居首位[1]，踝關節損傷在運動損傷中占比約30%[2]。踝關節損傷不僅短期內嚴重影響患者的活動能力，若早期治療不當或未經過系統康復訓練就過早地進行劇烈運動，最終踝關節扭傷會演變形成慢性踝關節不穩[3]，導致長期疼痛、活動受限及運動能力下降。市場上現有的康復方式主要有醫院康復中心的醫生指導下的綜合性康復手段，一般需要醫生與患者一對一進行康復訓練，導致醫療資源負擔過重；有專業運動康復中心的運動康復師一對一進行康復，以恢復和提高運動能力為目的的專項康復手段，此種方案價格相對高昂，并且需要有充足的時間進行專業化的康復訓練，以上兩種康復方案雖功能完善，但存在設備昂貴、依賴專業指導的局限性；與傳統康復設備相比，個人康復設備（如彈力帶、平衡墊）的投入和使用大大降低了人力成本和治療成本[4]，個人康復產品雖降低成本，卻普遍存在康復原理缺乏醫學驗證、訓練過程枯燥、個性化適配不足等缺陷。

本文基于KJ-AHP-FCE 方法，優化現有個人踝關節康復訓練產品設計，平衡低成本與高適配性，結合游戲化交互與實時反饋機制提升患者訓練積極性，基于AHP-FCE 需求權重模型指導設計，確保功能優先級與臨床康復目標一致，為患者提供安全、高效、可持續的自主康復解決方案，對于提高患者的生活質量和促進運動健康具有重要的實際應用價值。

一、文獻綜述及研究框架

（一）相關理論研究

KJ 法又稱親和圖，是東京工業大學川喜田二教授于1964 年提出的一種非定量分析方法[5]。該方法旨在通過根據內在關系對無序信息進行分類來組織無序信息，從而通過構建結構化的信息框架來簡化復雜問題[6]。AHP 法，即層次分析法，是一種結合定性和定量分析的決策工具，通過構建層次結構模型和判斷矩陣，提高決策信息的客觀性。模糊綜合評價法，基于模糊數學理論，允許將邊界不清、難以量化的因素進行綜合評價，為設計提供科學依據。KJ-AHP-FCE 方法在產品設計領域的應用具有廣泛的適用性和有效性。

（二）整體研究框架

本文整體研究框架見圖1，通過確定踝關節康復訓練產品研究主題，圍繞主題通過文獻調研和問卷調查的方式獲取用戶需求，利用親和圖法（KJ）對收集到的需求進行分類和歸納，形成需求清單。

運用層次分析法（AHP）建立層次結構模型。基于功能需求、結構需求、安全需求、體驗需求和個性需求5 個層次，明確設計要點，構建判斷矩陣，以確定各設計要素的相對重要性，獲取每個元素的權重值，為方案設計提供科學依據。

運用模糊綜合評價法（FCE）對設計方案進行綜合評分，形成評分集和矩陣集。計算模糊評判結果向量，判斷設計方案等級。

二、踝關節康復訓練產品調研分析

（一）踝關節康復訓練產品現狀調研：踝關節康復訓練產品是運動醫學領域輔助踝關節損傷康復的關鍵設備，通過功能優化提升康復效率與體驗。其整合運動學、生物力學及智能技術，為患者提供定制化訓練方案，并實時監測與反饋康復進度。相較于傳統療法，此類產品顯著降低人力與治療成本，同時提高康復效率及患者依從性。

1. 國內發展現狀：在中國，踝關節康復產品的研究起步較晚，市場和研究主要集中在康復機械輔具領域。根據產品技術和結構，這些輔具可分為3 類：低端康復設備、中端康復產品和高端康復機器人[7]。低端設備如彈力帶和平衡墊，是簡單且經濟的工具，適用于家庭或社區的基本功能康復。中端產品，例如CPM 機器，通過被動踝關節運動幫助恢復關節活動范圍并防止肌肉萎縮。

2. 國外發展現狀：國外踝關節康復訓練產品在便攜性和智能化上進行創新，為患者提供先進和個性化的康復體驗。美國的Park Y L 等人設計的氣動人工肌肉驅動的主動軟踝足矯正裝置，不僅在功能上提供了輔助，還在提高肌肉使用量和在促進踝關節康復方面表現出色[4]。Biodex多關節系統和Biodex 平衡系統，Biodex 多關節系統是一種用于全身多關節綜合康復的設備，在踝關節康復訓練中，通過測量踝關節的輸出力來控制運動阻力，從而實現治療與評估。Biodex 平衡系統主要由一個電子調節平衡板組成，患者在上面進行康復訓練和效果評估這些產品[8]。

當前踝關節康復訓練產品雖在國內外均取得一定進展，但仍存在諸多有待完善之處。踝關節康復訓練需求具有高度復雜性與個性化特點，涵蓋康復功能性、使用安全性、訓練趣味性及個性化訓練方案等多維度需求。未來踝關節康復訓練產品將朝著智能化、輕量化、個性化的方向發展。隨著傳感器技術、人工智能和大數據分析的不斷發展，康復訓練產品將能夠提供更加精準和個性化的康復方案。

（二）踝關節康復人群需求調研：本研究聚焦具有潛在踝關節損傷風險的成年人群體包括專業運動員、運動愛好者和康復患者，通過問卷調查與深度訪談收集需求。調研發現，專業運動員強調高強度訓練適配性與快速康復周期，運動愛好者關注家庭場景下的操作便捷性，經歷過康復的患者則優先要求安全性保障與進度可視化反饋。因此，設計需聚焦科學指導性、趣味激勵性、個性適配性三大核心需求，讓患者在康復訓練中獲得精準的訓練指導、充滿趣味的訓練體驗以及貼合個人需求的訓練方案。

三、踝關節康復訓練產品設計分析

（一）基于KJ 法的踝關節康復訓練產品需求分析：通過設計針對性問卷收集用戶在踝關節康復過程中的需求和期望。問卷內容涉及康復訓練的有效性、舒適度、便利性以及個性化需求等方面。在問卷調研中，共發放問卷150 份，回收有效問卷130 份，有效率為86.7%。

為了將收集到的需求信息進行系統化的整理，通過親和圖法（KJ法），去除重復信息，合并相似需求，形成獨立的需求卡片；將這些卡片隨機擺放，根據相似性進行分組，最終得到結構化的需求分析。根據歸類后的需求指標，制作踝關節康復訓練產品的需求清單，見表1。

（二）基于AHP 法的踝關節康復訓練產品需求權重分析

1. 構建階梯層次結構模型：利用KJ 法歸納踝關節康復訓練產品的設計需求，并構建遞階層次結構模型。該模型的目標層為踝關節康復訓練產品的總體設計需求。一級需求指標包括：A1 功能需求、A2 結構需求、A3 安全需求、A4 體驗需求和A5 個性需求，這些指標作為準則層的評價要素。在此基礎上，對一級需求指標進行細分，共總結出20 個二級設計需求指標，形成指標層，分別表示為B1、B2、B3 等，詳見圖2。

2. 構建判斷矩陣、權重計算、一致性檢驗及層次總排序：本次調研組建了一個由20 名設計決策者組成的群體，其中包括產品設計從業者、踝關節受傷患者和踝關節康復師。對各設計需求進行了兩兩比較，采用1 到9 的標度來量化其相對重要性，其中mij 表示Xi 相對于Xj 對m 的重要程度，mij 的取值為決策群體評分的平均值，并且滿足mij × mji =1。通過構建判斷矩陣M，并計算其最大特征根λmax，運用方根法求解準則層各因素的權重向量，結果見表2。

由表2 可知，A1 和 A3 所占的權重較大，并且因為A1 的指標層有9 個指標，所以對A1 指標層的判斷矩陣進行詳細分析，見表3，結合準則層的判斷矩陣分析可知：踝關節康復訓練產品的設計優先考慮踝關節訓練的操作簡便性、訓練阻力可調、訓練進度反饋還有設備的輕巧便攜性，并結合安全特性如當訓練出現意外情況時的緊急停止和訓練力度的過載保護。操作簡易友好的方式確?；颊呖梢元毩⒉僮髟O備，便于定期進行康復訓練，無需專業監督。可調阻力允許個性化康復計劃，滿足不同力量水平和恢復階段的用戶需求，從而提高訓練的有效性。實時訓練反饋通過提供清晰的進展洞察來激勵用戶，鼓勵持續使用并加速恢復。輕巧便攜的設計提供靈活性，使用戶可以在各種環境中進行鍛煉，如在家、辦公室中，從而促進持續康復。此外，安全是著重考慮的因素，意外情況時的緊急停止和訓練力度的過載保護功能確保用戶康復的全過程安全，避免二次受傷。

進行一致性檢驗：通過公式（1）和（2）計算一致性指標（CI）和一致性比率（CR），并要求CR 小于0.1 以判斷矩陣通過一致性檢驗。

式中：λmax- 最大特征根；RI- 隨機一致性指標；n- 指標數量。一般來說，當一致性比率CRlt;0.1 時，說明此判斷矩陣通過一致性檢驗。若不通過，需重新構造判斷矩陣。

對于準則層判斷矩陣，最大特征根λmax=5.038，n=5，隨機指標RI=1.11（查表得），通過公式（1）（2）計算可得CR=0.008lt;0.1，通過一致性檢驗。同理再次計算A1 的指標層的CR 值為CR=0.008lt;0.1。準則層和A1 指標層判斷矩陣均通過一致性檢驗，各需求指標的綜合權重值見表4。

3. 需求綜合權重分析總結：通過AHP 計算需求綜合權重，總結出了踝關節康復訓練產品設計中的需求排序。功能需求層面權重為 0.348，操作簡單以 0.0588 的權重占突出位置，這反映用戶對產品易用性的基本訴求，患者身體機能受限，操作便捷的產品能降低使用門檻，使其專注于訓練本身。阻力可調權重 0.0391，對于滿足不同康復階段和個體差異的力量訓練要求很重要，康復初期患者關節力量弱，需低阻力訓練，隨著恢復進程推進則需適當增加阻力，實現個性化康復進程。在關注這些基礎且權重較高的需求同時，不應忽視如漸進式訓練計劃（權重 0.0237）、訓練反饋（權重 0.0251）、游戲化訓練（權重 0.0184）等權重排序相對靠后但具有創新性的需求。漸進式訓練計劃可為患者量身打造分階段、逐步提升難度的訓練方案。游戲化訓練將枯燥的康復訓練轉化為充滿趣味的體驗，增強患者的參與積極性與依從性從而促進康復。安全需求權重 0.239，患者可能因突發身體不適或操作失誤引發危險狀況，緊急停止功能能迅速中斷訓練進程，避免進一步損傷。結構需求權重 0.180，結構穩定（權重 0.0050）是基礎支撐，穩定的結構確保訓練過程中設備不晃動、位移，為患者提供可靠的訓練體驗。體驗需求權重 0.137，界面直觀（權重 0.0014）能使患者快速理解操作，減少學習成本。個性需求權重 0.096，定制化訓練計劃（權重 0.0009）考慮患者的特殊狀況、康復目標，使康復訓練更貼合個體需求。

四、基于FCE法的踝關節康復訓練產品設計實踐

（一）構建踝關節康復訓練產品設計策略

1. 產品功能設計：踝關節康復訓練產品設計圍繞康復全周期展開。在力度調節功能上，依據患者實時的肌肉發力情況和關節運動狀態，自動調整訓練阻力，確保訓練始終處于適度挑戰區間，促進肌肉有效鍛煉與關節功能恢復。漸進式訓練計劃，結合患者初始評估數據，生成個性化長期康復計劃，定期更新訓練任務與目標，引導患者逐步進階。訓練反饋功能，將設備與患者的移動設備相連。在訓練過程中，實時采集踝關節的運動參數，經數據分析處理后，以可視化圖表和文字報告形式呈現給患者，利用機器學習算法對歷史數據進行挖掘，預測康復趨勢，為訓練調整提供建議。游戲化訓練方面，開發融合踝關節康復動作的游戲，患者需通過控制踝關節運動完成游戲任務，在游戲過程中提升關節靈活性與力量，可設置積分、成就系統和多人競技等模式，激發患者的競爭意識與參與熱情，使其在愉悅氛圍中完成高強度訓練。

2. 康復過程安全性：硬件層面，選用高強度、耐磨損且符合醫療安全標準的材料制造設備主體結構與關鍵部件，確保在長期使用和極端受力情況下不發生破裂、變形等故障。軟件層面，通過患者初始評估數據來智能設置運動參數閾值。讓患者始終在適當的活動范圍和力度內進行康復訓練。緊急停止功能采用醒目、易于操作的設計，確?；颊咴谌魏巫藨B下都能迅速觸發。

3. 人機交互便捷性：在外觀造型上，采用貼合人體小腿與踝關節曲線的設計，減少設備與人體的壓迫點和摩擦，提高佩戴的舒適性。在尺寸設計上，設計可調節的結構，適應不同患者的肢體粗細和長度差異。操作界面布局簡潔明了，遵循用戶操作習慣，將常用功能按鈕置于顯眼且易于操作的位置，方便患者識別與操作，即使在視力不佳或手部靈活性受限的情況下也能輕松使用。

4. 外觀造型專業、親和感：色彩選擇上，以白色、淺藍色等冷色調為主，體現醫療產品潔凈、可靠的形象，在關鍵部位或操作區域點綴少量暖色調，用于提示重要功能或操作步驟，增強視覺引導性。材質表面處理工藝注重質感與觸感，采用磨砂等工藝增加摩擦力，避免反光和眩光對患者視覺造成干擾。整體造型上，借鑒現代簡約設計風格，線條簡潔流暢，避免過多復雜裝飾，體現科技感與專業性，在產品的邊角、邊緣等部位采用圓潤處理，降低意外碰撞對患者造成的傷害風險，提升產品的親和力與安全性。

（二）踝關節康復訓練產品方案設計

1. 方案展示：本踝關節康復訓練產品設計圍繞康復功能性、使用安全性、訓練趣味性和個性化訓練需求展開，見圖3。通過逐級提高牽引系統阻力，加強踝部訓練效果，同時限制踝部超出活動范圍，見圖4。產品的調節轉軸部分可調節阻力，并實時監測踝關節的運動的受力情況。結合移動設備上的康復訓練軟件，依據訓練計劃和實時狀態自動調整訓練參數。設備外觀設計兼顧人體工程學與美學要求。產品接觸部分造型貼合人體腳部形態，減少患者的活動不適；產品底部有防滑橡膠，保證使用過程中的穩固；提手設計有離地間隙，方便拿??；并且能夠折疊鎖止，便于收納，節省空間，見圖5 與圖6。外殼材質選用醫用級高強度塑料，具有良好的耐腐蝕性、抗菌性和機械性能，表面經過特殊處理，觸感舒適且易于清潔。腳托尺寸調節范圍廣泛，可適應不同患者的腳部尺寸。在功能上，產品具備力度可調功能，可在康復初期為患者提供低強度、平穩的訓練阻力，隨著康復進程推進，逐步增加阻力和訓練復雜度。漸進式訓練計劃依據患者的康復評估結果和階段性訓練反饋，結合適合的訓練任務和目標，引導患者有序完成整個康復過程。訓練反饋功能以直觀的圖表、動畫和數據報告形式，向患者展示訓練效果和進展，便于及時調整訓練策略。游戲化訓練融合了多種趣味游戲場景，創造趣味性訓練環境，患者在游戲過程中自然地完成踝關節的各種康復動作，極大提高了訓練的積極性和依從性。

2. 細節展示

（1）功能與交互：產品的力度調節功能基于轉軸中電機驅動與扭矩傳感器協同工作原理，滿足不同康復階段對力量訓練的要求。扭矩傳感器實時監測訓練過程中的實際受力情況，確保訓練阻力始終與患者的康復需求相匹配。

漸進式訓練計劃功能，在患者首次使用產品前，進行全面的踝關節功能評估，包括關節活動度、肌肉力量等指標，評估數據錄入系統后，結合患者的年齡、性別、損傷類型等信息，系統自動生成個性化的康復訓練計劃，見圖7 中2、3。該計劃分為多個階段，每個階段設定明確的訓練目標和任務，如初期側重于關節的被動活動和輕度肌肉激活，中期增加主動運動和力量訓練強度，后期注重關節的穩定性和協調性訓練，見圖7 中4。隨著訓練推進，系統根據患者的實際訓練表現和定期的康復評估結果，動態調整后續訓練計劃，確保訓練的科學性和有效性，見圖7 中5。

游戲化訓練功能，設計了一系列針對踝關節康復的互動游戲，見圖7 中6。需要通過控制踝關節的運動來完成游戲中的任務，游戲系統實時捕捉患者的動作并轉化為游戲角色的行為，同時根據動作的準確性和流暢性給予積分和獎勵?；颊咄瓿扇缈缭秸系K物、平衡木行走等任務，增強了訓練的趣味性和沉浸感。

訓練反饋功能，監測踝關節在訓練過程中的運動學和動力學參數，以圖表形式呈現訓練強度、持續時間、完成次數等歷史數據的統計分析結果，并根據康復標準和患者個體情況生成訓練效果評估報告，見圖7中7。

（2）安全：在硬件安全設計方面，設備的主體結構具有足夠的剛性和穩定性，能夠承受患者在訓練過程中的各種作用力而不發生變形或損壞。在設備的外部防護方面，采用高強度醫用塑料外殼，具有良好的抗沖擊性和防護性能，外殼表面設計了防滑紋理和緩沖結構，防止患者在操作過程中因意外碰撞而受傷。

緊急停止功能，實時監測患者的運動數據，一旦患者運動超出安全范圍等，立即觸發安全保護措施，系統自動切斷動力輸出，防止進一步的危險發生。產品也設計有緊急停止按鈕，在設備的顯眼位置，采用大尺寸、紅色醒目的設計，方便患者在緊急情況下快速識別和操作，見圖8。

（3）人機工程：產品的人機工程設計。在設備的外形設計上，采用貼合式設計理念，設備的腳部承托部分貼合腳部造型，與腳跟周圍的輪廓貼合，減少了設備與人體之間的空隙和壓迫點，提高了佩戴的舒適性和穩定性，見圖9。在腳背固定部分，綁帶、襯墊選用了柔軟、透氣、高彈性的高性能織物材料，能夠提供舒適的觸感和良好的效果。

在尺寸調節方面，腳部固定部分，設計了可調節的腳托和綁帶式固定結構，腳托的長度可根據患者的腳部尺寸進行調整，見圖10，綁帶式固定結構能夠緊密貼合腳部，確保在訓練過程中腳部的穩定性，同時避免對腳部造成過度壓迫。

在產品使用上，操作按鈕設計簡潔，表面帶有防滑紋理，按鈕的大小和間距適合不同手部尺寸和操作能力的患者使用。在功能分區上，將常用的功能布置在顯眼位置，方便患者快速操作。在軟件操作界面設計上，遵循簡潔、直觀、易用的原則。

（4）外觀：產品的外觀色彩以白色為主色調，營造出簡潔、專業、潔凈的醫療產品形象。在關鍵操作部位和功能模塊上，采用了橙色和黃色的警示標識和按鈕，這些鮮明的色彩能夠在第一時間吸引患者的注意力，便于患者快速識別和操作。

在材質選擇上，外殼采用醫用級聚碳酸酯（PC）塑料，這種材料具有高強度、高透明度、良好的耐熱性和耐化學腐蝕性等優點，能夠滿足醫療設備的嚴格質量要求。外殼表面經過磨砂處理，增加了材料的質感和摩擦力，防止手滑，同時減少了光線的反射，避免對患者的視覺造成干擾。

在造型設計上，產品整體呈現出簡潔流暢的線條和圓潤的邊角過渡。邊角經過倒圓角處理，避免了尖銳邊角對患者造成意外傷害，同時也符合人體工程學原理，方便患者在使用過程中的操作和攜帶。

本踝關節康復訓練產品通過KJ 法總結設計需求并利用AHP 法進行深入分析指導設計過程，在功能、安全、人機和外觀等方面進行設計優化，為踝關節損傷患者提供高效、安全、舒適且個性化的康復訓練，助力患者早日恢復健康。

五、模糊綜合評價

（一）確定因素集和評價集：為精準檢測用戶需求目標達成度，在設計方案評價階段，邀請 20 位專業人士（職業足球運動員、體育健身愛好者，以及曾遭受踝關節損傷并接受過康復訓練的人群）開展評估。模糊綜合評價以精確數學手段處理模糊評價對象，結果豐富，能為踝關節康復訓練產品設計優化提供參考，完善設計流程，增強設計可信度。同時，通過實踐驗證KJ-AHP 法在產品設計中的適用性。基于之前AHP分析的產品設計需求，確定評價產品設計方案的因素集。 AHP 分析中考慮了產品的A1 功能需求、A2 結構需求、A3 安全需求、A4 體驗需求、A5 個性需求，因素集U=（A1，A2，A3，A4，A5），確定評價集并賦值V=（V1，V2，V3，V4）=（好，良好，一般，不好）。

（二）建立單因素模糊評價矩陣：通過問卷調查的方式收集評價者對于每個因素在各個評價等級上的評價數據。對于產品的功能需求，邀請10 位專家進行評價，其中有4 位專家認為是 “非常好”，3 位專家認為是 “好”，2 位專家認為是 “一般”，1 位專家認為是 “差”，對于功能需求這個因素，其在評價集各等級上的隸屬度向量為（0.4，0.3，0.2，0.1）。

（三）確定權重向量：之前已經使用 AHP 對產品設計需求進行了權重排序，AHP 得到的A1 功能需求、A2 結構需求、A3 安全需求、A4 體驗需求、A5 個性需求的權重分別為0.348、0.180、0.239、0.137、0.096，因此權重向量A=（0.348，0.180，0.239，0.137，0.096）。

（四）進行模糊綜合評價

根據模糊變換B=A×R=（b1，b2，b3，b4），其中

計算可得：b1=0.4×0.348+0.3×0.180+0.5×0.239+0.2×0.137+0.4×0.096=0.3785，以此類推計算結果得B=（0.3785，0.3915，0.225，0.0513）。根據最大隸屬度原則，b2 最大，所以該產品設計方案的綜合評價等級為 “良好”。經專家組評估，該方案最終評定為良好等級，基本契合用戶對踝關節康復訓練產品的需求，但仍有必要開展更為深入的探索與完善工作。

結語

本款個人踝關節康復訓練產品，能夠加快踝關節扭傷患者康復速度、強化踝部運動能力。借助KJ-AHP-FCE 法，深度挖掘用戶需求，確保從需求收集到方案評估的科學可靠。運用親和圖法（KJ）匯總各類需求，構建完整清單；通過層次分析法（AHP）量化需求并排序，經一致性檢驗明確設計方向；采用模糊綜合評價法（FCE）評分，確保方案在康復功能、安全、趣味及個性化等方面均較能滿足用戶需求。

將理論與實踐相結合開展產品設計研發，能為踝關節康復訓練產品的規范制作提供針對性建議。

KJ-AHP-FCE 法在產品設計中可行性高，為設計優化指明方向。后續研究可針對老年人、運動員等不同群體，分析特殊需求，設計專屬產品方案，如為老年人簡化操作方式，為運動員設計專業康復模式，將產品向精細、多元、系統的方向優化，更好地服務患者，提升全民運動康復水平。