當(dāng)代醫(yī)療領(lǐng)域的工業(yè)設(shè)計

文/Loe FEIJS, Jun HU(荷蘭埃因霍芬理工大學(xué) 工業(yè)設(shè)計系)

我們的課題研究在工業(yè)設(shè)計系中開展，那么首先我們來回答一個問題：當(dāng)代的工業(yè)設(shè)計內(nèi)涵究竟如何？工業(yè)設(shè)計已不再只是為大批量的高效機器生產(chǎn)提供產(chǎn)品樣式形式，也不再只是關(guān)注于產(chǎn)品的美學(xué)和可用性。我們的使命是為新型工業(yè)設(shè)計實踐探路。在這種新型工業(yè)設(shè)計實踐中，新一代的工業(yè)設(shè)計師擁有更為深刻的對運算、傳感、互聯(lián)性的力量的技術(shù)認知。我們培養(yǎng)新銳的表現(xiàn)者。我們的教學(xué)涵蓋創(chuàng)意編程、創(chuàng)意電子工程、工程力學(xué)、機械教學(xué)、互聯(lián)系統(tǒng)和數(shù)字審美。我們與埃因霍芬理工大學(xué)的其他院系、研究型醫(yī)院以及全球范圍內(nèi)關(guān)于特定醫(yī)療領(lǐng)域的調(diào)研生態(tài)系統(tǒng)進行合作。在調(diào)研活動的同步進行下，我們的合作小組致力于為嚴謹?shù)募夹g(shù)工程和當(dāng)代及未來工業(yè)設(shè)計的新型需求搭建橋梁。

從2001年開始，我們的小組便已經(jīng)提出了這樣的問題：受到更多日用品將加持軟件系統(tǒng)的事實的影響，設(shè)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(xiàn)有事物的基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)系統(tǒng)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(xué)元素的世界范圍工業(yè)設(shè)計院系之一。由于當(dāng)時的設(shè)計語義詞匯對于新的領(lǐng)域顯得不夠完整，我們還創(chuàng)立了關(guān)于設(shè)計和多元語義的DeSForM社區(qū)。

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

逐漸地，調(diào)研的領(lǐng)域正在進行著從產(chǎn)品水平到系統(tǒng)水平的數(shù)字信息參與度更高的變革。這種變革在更多的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是醫(yī)療領(lǐng)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(shù)字技術(shù)在當(dāng)代醫(yī)療領(lǐng)域的設(shè)計中起到的關(guān)鍵作用的闡釋。

?Mark THIELEN 創(chuàng)造出了創(chuàng)新性的利用先進技術(shù)制造（尤其是3D打?。┑姆抡鎷雰骸Ｔ卺t(yī)學(xué)訓(xùn)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(chuàng)新的一步就是其設(shè)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(shù)掃描真實兒童得到的數(shù)據(jù)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(chuàng)造出了一個利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的軟件生態(tài)系統(tǒng)，用來給從心臟疾病中恢復(fù)的病人以健康和生活方式指導(dǎo)。傳統(tǒng)的生活方式指導(dǎo)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(yī)囑）。在WETZELS的工作中最具創(chuàng)新性的一步是給予用戶的數(shù)據(jù)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(chuàng)造了一個新的生理反饋系統(tǒng)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(tǒng)的放松技術(shù)，如階段性的肌肉放松（PMR）或者呼吸練習(xí)都缺乏技術(shù)性。YU的工作最具創(chuàng)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(shù)據(jù)和變化，并將他們轉(zhuǎn)化為具有視覺吸引力的可視化內(nèi)容。這些可視化內(nèi)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(fù)缺氧新生兒呼吸系統(tǒng)的輔助模型設(shè)計

Mark THIELEN

導(dǎo)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(jīng)系統(tǒng)損傷。根據(jù)窒息的持續(xù)時間和新生兒體內(nèi)平衡調(diào)節(jié)的水平，這種情況的并發(fā)癥可能從輕微的神經(jīng)后遺癥發(fā)展至不可逆轉(zhuǎn)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(xiàn)。只要新生兒得到迅速和正確的診斷，并受到相應(yīng)的支持，在大多數(shù)情況下，新生兒就能存活下來。為了扭轉(zhuǎn)這種問題帶來的負面影響，新生兒生命支持系統(tǒng)（NLS）將發(fā)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(fù)正常血液循環(huán)以達到全身供氧。

出生窒息的癥狀包括膚色蒼白、嘴唇發(fā)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(yī)務(wù)人員迅速和充分地加以處理。為協(xié)助醫(yī)護人員提供新生兒生命支援服務(wù)，我們會提供使用說明，每五年更新一次，并提供相關(guān)的醫(yī)療證據(jù)，以確保最佳治療，同時保障指南的實時性，以防止醫(yī)療錯誤，以及為了確保臨床技能的保留醫(yī)學(xué)模擬環(huán)境經(jīng)常被使用。這些環(huán)境復(fù)制了真實產(chǎn)房，是真實產(chǎn)房的再現(xiàn)，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(shù)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(shù)以監(jiān)控仿真訓(xùn)練的性能。然而，這些人體模型在一些領(lǐng)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(chǎn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然高度機械化，并為大規(guī)模生產(chǎn)進行了優(yōu)化，人體模型對治療的反應(yīng)要么是預(yù)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(xiàn)，這阻礙了對該領(lǐng)域的研究。自20世紀60年代以來變化不大的原因是，訓(xùn)練人體模型的設(shè)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(lián)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(huán)的改善。如果我們想要提高NLS的性能，訓(xùn)練人體模型的設(shè)計必須使呼吸和心率等重要參數(shù)對NLS期間的治療有響應(yīng)，并符合指導(dǎo)標準。

本技術(shù)設(shè)計中描述的工作將通過重點設(shè)計一個新的NLS人體模型展示一個廣泛的、富有經(jīng)驗的、高度探索的方法，以改善新生兒復(fù)蘇訓(xùn)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(guān)的輸出。這些輸出參數(shù)的目標應(yīng)盡可能接近現(xiàn)實，以確?，F(xiàn)實的生理和觸覺反應(yīng)的治療。

利用目前的技術(shù)，我們可以在基于Surgical Sam (The Chamberlain Group LLC, Great Barrington, MA, USA) 的可見組件基礎(chǔ)上1:1的比例上復(fù)制身體部位的幾何形狀。這項技術(shù)目前被Materialise(比利時魯汶)等公司用于外科手術(shù)準備或個性化植入的創(chuàng)建。同樣在模擬環(huán)境中，我們看到掃描被用來在人體模型中創(chuàng)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(yīng)用相同的方法，通過這項技術(shù)設(shè)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(shù)。為了捕獲通過這些器官產(chǎn)生的輸出參數(shù)，還必須設(shè)計和集成傳感器和反饋系統(tǒng)。為了驗證新的人體模型動物實驗，生理數(shù)據(jù)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(jīng)驗。雖然這種驗證方法在觸覺研究領(lǐng)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(yī)療應(yīng)用設(shè)計情境信息生態(tài)系統(tǒng)并改善患者行為

Mart WETZELS

導(dǎo) 師: Loe Feijs, Panos Markopoulos, Peter Peters

監(jiān)測個人活動和健康的發(fā)展正與慢性病患者的醫(yī)療保健逐步結(jié)合起來?；顒幼粉櫰髯畛踝鳛閭€人健身追蹤器使用，現(xiàn)在它在慢性病醫(yī)療護理上的應(yīng)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(xí)慣引起的，例如久坐不動、吸煙、飲酒和不健康的飲食習(xí)慣。不僅患者要對自己糟糕的生活方式負責(zé)，社會對此也有重要影響。在過去的幾十年里，技術(shù)進步使工作和休閑都變成久坐不動的工作，同時技術(shù)的輔助也減輕了身體活動的負擔(dān)。在治療或預(yù)防心臟問題過程中，改變生活方式的能力是實現(xiàn)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(tǒng)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(guān)衍生工作。

在臨床環(huán)境中，個性化醫(yī)療和精準醫(yī)療旨在根據(jù)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(lǐng)域，個性化旨在提高項目的有效性和干預(yù)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(shè)計流程來解決個性化護理的問題；讓最終的用戶參與系統(tǒng)和設(shè)備的開發(fā)。論文還包括對情境數(shù)據(jù)的下一步構(gòu)想。目前的假設(shè)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(huán)境的信息。情境信息將個人信息和用戶環(huán)境數(shù)據(jù)相結(jié)合，為設(shè)計干預(yù)或分類創(chuàng)建更豐富的參考框架。針對心臟病患者相關(guān)背景參數(shù)的隨機列表不能為將來的工作提供堅實的基礎(chǔ)。為了定義相關(guān)參數(shù)，用定性方法如半結(jié)構(gòu)化訪談、故事共建、親和力圖和焦點小組等方法來構(gòu)架論文的內(nèi)容。和定性結(jié)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(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。生態(tài)系統(tǒng)以應(yīng)用程序Vire的形式執(zhí)行數(shù)據(jù)聚合、數(shù)據(jù)分發(fā)、分析和可視化。遵循“設(shè)計隱私”原則，系統(tǒng)完全是匿名的，為了保持數(shù)據(jù)提供者的靈活性來實現(xiàn)設(shè)計再利用，在以患者為中心的設(shè)計過程中，患者應(yīng)該可以自由選擇他們喜歡的活動追蹤器。系統(tǒng)的主要要求是減少使用新設(shè)備的工作量，為用戶提供最佳體驗，本文采用體驗設(shè)計模型的方法來為病人開發(fā)vire應(yīng)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(tǒng)和干預(yù)措施。本文最后基于Do CHANGE生態(tài)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，設(shè)計和開發(fā)了一個新的系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(diào)控壓力進行有關(guān)生物反饋的設(shè)計

Bin YU

導(dǎo)師: Loe Feijs, Jun Hu, Mathias Funk

由于與壓力相關(guān)的健康問題的日益增加以及人機交互（HCI）的最新技術(shù)進步所驅(qū)動，無處不在的生理相關(guān)信息將潛在地將生物反饋的作用從臨床治療轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜趥€人壓力管理的現(xiàn)成工具。 本文的主要目的是將生物反饋技術(shù)應(yīng)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(shù)的現(xiàn)狀。首先從信息傳遞的角度對生物反饋輔助自調(diào)節(jié)過程進行分解。然后，我們概述了與壓力管理和放松訓(xùn)練的生物反饋技術(shù)相關(guān)的最新進展。從生物傳感技術(shù)、生物數(shù)據(jù)處理方法、生物反饋協(xié)議、反饋方式、評價方法等方面對壓力管理的生物反饋系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的文獻綜述。這一系統(tǒng)的回顧有助于我們識別生物反饋設(shè)計的挑戰(zhàn)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(shù)開發(fā)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(xiàn)了圍繞“自然聯(lián)結(jié)”概念的類似設(shè)計原理。用戶研究為所提出的設(shè)計原則提供了充分的證實。表示映射中的自然聯(lián)結(jié)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(guān)的特定含義聯(lián)系起來。這些關(guān)聯(lián)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(diào)節(jié)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(lián)結(jié)的思想應(yīng)用到心率變異性(HRV)生物反饋音頻接口的設(shè)計中。心率變異性表現(xiàn)為短旋律節(jié)奏的變化。在這個設(shè)計中，心率的時間變化直接映射到MIDI音符的節(jié)奏變化。在第四章中，我們提出了HRV數(shù)據(jù)的兩種隱喻性可視化方法stress stree和HeartBloom。在HRV數(shù)據(jù)可視化中，我們引入了樹和花的圖像作為視覺隱喻。傳統(tǒng)的IBI視差圖和HRV龐加萊圖被轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)集外，花形或樹形可視化的出現(xiàn)在語義上也代表了與健康相關(guān)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(zhì)量來增強與數(shù)字生物反饋信息的交互。探索生命表面的表現(xiàn)力，體現(xiàn)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(lián)結(jié)，旨在促進自動呼吸調(diào)節(jié)。

第三部分，我們探討了利用環(huán)境介質(zhì)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(tǒng)變成“無形的背景”，用戶可以在沒有電腦屏幕的環(huán)境中感知自己的內(nèi)部生理狀態(tài)。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(shè)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(diào)制。本研究以一個簡化的三層結(jié)構(gòu)和一個自然聲景模型作為結(jié)論，該模型在第八章中被用于生物景觀的設(shè)計。BioSoundscape利用自然聲音創(chuàng)造一個“平靜”的自然聲音景觀，響應(yīng)用戶的生理活動。它不僅可以作為一種環(huán)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(nèi)聲學(xué)環(huán)境中。在第九章，我們提出了DeLight，一個環(huán)境光生物反饋系統(tǒng)。DeLight的目的不僅是提供生物反饋數(shù)據(jù)，而且為放松訓(xùn)練提供一個舒適的環(huán)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(guī)模的視聽生物反饋系統(tǒng): RESonance（共振）。它為沉浸式生物反饋訓(xùn)練提供了一個輕量級的解決方案。第十一章將所開發(fā)的共振生物反饋系統(tǒng)應(yīng)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(xùn)練。我們評估了生物反饋在壓力應(yīng)對技能學(xué)習(xí)中的有效性，并研究了使用生物反饋的用戶學(xué)習(xí)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(jié)了我們對壓力管理的研究和設(shè)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(nèi)在生物反饋、適應(yīng)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(shè)計驅(qū)動的應(yīng)用于管理壓力的生物反饋。設(shè)計探索涵蓋了廣泛的設(shè)計空間，包括數(shù)據(jù)聲化、隱喻可視化、形狀變化顯示、有形交互和環(huán)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(shè)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(lǐng)域的一個起點。