基于認(rèn)知負(fù)荷的家用醫(yī)療產(chǎn)品周期性圖形設(shè)計(jì)研究

李 瑤， 張 昆

（中國礦業(yè)大學(xué)大學(xué) 建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、 云計(jì)算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和廣泛應(yīng)用，家用醫(yī)療產(chǎn)品智能化技術(shù)不斷突破，家用醫(yī)療產(chǎn)品迅速普及至各個(gè)家庭， 線上遠(yuǎn)程醫(yī)療也逐步成為現(xiàn)實(shí)。在此背景下，家用醫(yī)療產(chǎn)品勢必將與大數(shù)據(jù)信息技術(shù)緊密結(jié)合，為用戶提供個(gè)性化、智能化的服務(wù)。 周期性圖形作為可視化信息的重要組成部分，能夠?qū)⒊橄蟮臄?shù)據(jù)用簡潔的視覺元素來表達(dá)，方便用戶更好的管理和監(jiān)控個(gè)人健康數(shù)據(jù)。 然而， 目前市面上的家用醫(yī)療產(chǎn)品大多數(shù)僅顯示測試數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，用戶需要依次翻頁查看數(shù)據(jù)， 難以進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對和分析。 如何更好地利用周期性圖形為用戶、遠(yuǎn)程醫(yī)療和線上醫(yī)療提供數(shù)據(jù)便利，已成為迫切需要關(guān)注的問題。 因此，為家用醫(yī)療產(chǎn)品健康數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)周期性圖形，為用戶在管理健康數(shù)據(jù)時(shí)提供便利，具有深遠(yuǎn)的意義。

1 家用醫(yī)療產(chǎn)品周期性圖形的設(shè)計(jì)要素與認(rèn)知負(fù)荷分析

1.1 家用醫(yī)療產(chǎn)品周期性圖形的收集與設(shè)計(jì)要素分析

家用醫(yī)療產(chǎn)品主要是指適于公眾在醫(yī)院外使用的，安全可靠、操作簡單、體積小、攜帶方便的非專業(yè)性醫(yī)療產(chǎn)品[1]。 現(xiàn)階段市面上常見的帶有顯示界面的家用醫(yī)療產(chǎn)品有血糖儀、血壓計(jì)、血氧儀、呼吸機(jī)等，顯示信息以純數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為主，文字和圖標(biāo)信息為輔。其中，由于糖尿病的特殊性和某些高血壓的隱蔽性， 部分患者需要長時(shí)間地動(dòng)態(tài)監(jiān)控血糖或血壓數(shù)據(jù)， 因此需要安裝或佩戴動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測設(shè)備或動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測設(shè)備，以便于及時(shí)獲得并記錄數(shù)據(jù)信息，方便患者及時(shí)應(yīng)對病情，提高治療效率。 家用醫(yī)療產(chǎn)品的周期性圖形則主要集中于各類健康數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)或健康管理APP 中，記錄一定周期內(nèi)血糖、血壓和心率的數(shù)據(jù)變化，主要包括柱狀圖、線型圖和散點(diǎn)圖等數(shù)據(jù)圖表，屬于信息圖表的一類分支[2]。 表1、2 收集了血壓和血糖的臨床常用監(jiān)測周期與診斷閾值[3-6]。

表1 臨床血壓監(jiān)測數(shù)據(jù)周期與診斷閾值Tab.1 Clinical blood pressure monitoring data cycles and diagnostic thresholds

表2 臨床血糖監(jiān)測數(shù)據(jù)周期與異常數(shù)據(jù)閾值Tab.2 Clinical blood glucose monitoring data cycles and abnormal data thresholds

動(dòng)態(tài)血壓/血糖數(shù)據(jù)監(jiān)測與家庭血壓/血糖數(shù)據(jù)監(jiān)測不同的是，前者由監(jiān)測設(shè)備在配套的軟件中自動(dòng)生成監(jiān)測報(bào)告和周期性圖形，用戶可以直接使用移動(dòng)設(shè)備在配套軟件中隨時(shí)查看、保存數(shù)據(jù)；而家庭血糖數(shù)據(jù)監(jiān)測則是由用戶自行測量并手動(dòng)錄入健康數(shù)據(jù)管理APP 中，再由APP生成數(shù)據(jù)周期圖形?；谇拔馁Y料，收集了常見健康監(jiān)測APP 中的血壓監(jiān)測和血糖監(jiān)測的周期性圖形見表3。

表3 家用醫(yī)療產(chǎn)品周期性圖形收集Tab.3 Periodic graphic collection of household medical products

表4 血糖、血壓測量數(shù)據(jù)周期性圖形設(shè)計(jì)要素分析Tab.4 Analysis of periodic graphic design elements of blood glucose and blood pressure measurement data

根據(jù)收集的周期性圖形可以得知， 血糖數(shù)據(jù)監(jiān)測的周期性圖形主要分為散點(diǎn)圖和線型圖兩種類型； 而血壓數(shù)據(jù)監(jiān)測的周期性圖形則主要是柱狀圖和線型圖。其中，由于動(dòng)態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)量較大（血糖數(shù)據(jù)量高達(dá)288 個(gè)，血壓數(shù)據(jù)量在60 個(gè)左右）， 且重點(diǎn)觀察數(shù)據(jù)變化趨勢和異常數(shù)值的變異系數(shù)， 因此動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測的周期性圖形均為線型圖。 三種類型的周期性圖形各有其顯示的側(cè)重點(diǎn)和特點(diǎn)，線型圖能夠更好地展現(xiàn)數(shù)據(jù)變化趨勢，柱狀圖中數(shù)據(jù)量的對比較為明顯， 散點(diǎn)圖則易于展示數(shù)據(jù)分布范圍。由于線型圖和柱狀圖在各類軟件中使用較為廣泛，本研究選取線型圖和柱狀圖兩種類型的周期性圖形用于設(shè)計(jì)要素的提取和分析。

1.2 家用醫(yī)療產(chǎn)品周期性圖形認(rèn)知負(fù)荷評價(jià)方法與指標(biāo)

國內(nèi)外學(xué)者基于各種評價(jià)維度提出了認(rèn)知負(fù)荷的不同測量方法， 主要分為主觀測量法和客觀測量法， 根據(jù)Brǜnken 等[7]基于客觀性和因果關(guān)系提出的測量方法，主觀測量法和客觀測量法均有間接的和直接的兩種方式。其中，間接的主觀測量法主要是運(yùn)用調(diào)查問卷、直接的主觀測量法則是運(yùn)用等級評定量表等方式要求被試者主動(dòng)報(bào)告自身在實(shí)驗(yàn)中體會到的任務(wù)難度、 投入的心智努力等，從而對自身認(rèn)知負(fù)荷進(jìn)行量化。但由于主觀測量容易受被試個(gè)體差異的影響，會產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差，一般不單獨(dú)使用。 而間接客觀測量法則是通過測量被試者在實(shí)驗(yàn)中完成任務(wù)的結(jié)果表現(xiàn)和行為表現(xiàn)， 如對任務(wù)完成的準(zhǔn)確率和時(shí)長進(jìn)行量化； 直接客觀測量法即通過使用生理指標(biāo)檢測儀器對被試的生理活動(dòng)進(jìn)行度量， 從而達(dá)到客觀測量認(rèn)知負(fù)荷的目的。

本文擬采用直接主觀測量法和間接客觀測量法相結(jié)合的方法，讓被試者在實(shí)驗(yàn)中完成相應(yīng)任務(wù)，以任務(wù)完成準(zhǔn)確率、完成反應(yīng)時(shí)間和主觀評價(jià)量表作為評價(jià)指標(biāo)，對不同屏幕尺寸下不同類型的周期性圖形的認(rèn)知負(fù)荷進(jìn)行研究。

2 家用醫(yī)療產(chǎn)品周期性圖形的認(rèn)知負(fù)荷實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本文基于認(rèn)知負(fù)荷相關(guān)理論， 通過對不同屏幕尺寸的不同類型周期性圖形進(jìn)行研究， 分析在不同屏幕尺寸條件下，認(rèn)知負(fù)荷最低的周期性圖形的類型和設(shè)計(jì)要素，進(jìn)而為家用醫(yī)療產(chǎn)品周期性圖形的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

使用Redmi K30Ultra 智能手機(jī)展示實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行測試，其顯示屏尺寸為6.67 英寸，縱橫比為20∶9，分辨率為1080×2400px， 每英寸像素為395PPI。 使用Adobe illustrator 軟件繪制三種不同大小屏幕的圖形，并呈現(xiàn)在設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)均在一般照明狀況（室內(nèi)明亮光照 明度約300lx） 及無噪音環(huán)境下進(jìn)行。 被試均佩戴Tobii Glasses2 眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀以記錄眼動(dòng)軌跡和注視熱力圖。

2.2.2 被試

本次實(shí)驗(yàn)邀請了中國礦業(yè)大學(xué)的20 位在校研究生作為受試者，受試者年齡段均為20～28 歲年齡段學(xué)生，且受試者無色盲、色弱或其他眼疾，裸視或矯正視力均達(dá)正常值。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)對象

本次實(shí)驗(yàn)依據(jù)手機(jī)屏幕大小、 常見健康手環(huán)屏幕大小和暢銷家用血壓測量儀的顯示屏幕大小確定自變量一的屏幕尺寸分別69×142mm、?33mm 圓屏和60×45mm。分別用這三種尺寸大小繪制兩種類型的圖表（線型圖、柱狀圖），并根據(jù)血糖和血壓常用測量周期[3，5]，以頻率和代表性為衡量標(biāo)準(zhǔn)，分別選取數(shù)據(jù)量為7 和14 的數(shù)據(jù)周期作為繪制依據(jù)。針對三種自變量（屏幕大小、圖表類型、周期數(shù)據(jù)量）排列組合出12 種實(shí)驗(yàn)圖形，如表5 所示。

表5 實(shí)驗(yàn)圖表設(shè)計(jì)Tab.5 Experimental diagram design

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

首先，請受試者各自調(diào)整好坐姿和閱讀姿勢，保持閱讀距離在30～45cm 左右， 以便能清楚觀看到手機(jī)屏幕的內(nèi)容，并排除因閱讀距離不同造成的實(shí)驗(yàn)誤差；然后給受試者講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)順序和需要注意的問題，接著讓受試者閱讀測試圖形并回答相應(yīng)問題， 以便其熟悉實(shí)驗(yàn)測試流程。 模擬實(shí)驗(yàn)完成后，讓受試者休息片刻，便開始正式實(shí)驗(yàn)。 受試者共計(jì)閱讀36 個(gè)圖形（共12 種圖形組合，每種圖形閱讀3 個(gè)），并且按照屏幕尺寸分為三組。 每種圖形組合分別設(shè)置以下三種問題： ①找出某一數(shù)據(jù)最高值或最低值存在的時(shí)間段；②選擇出某時(shí)間段中，指定數(shù)據(jù)異常值的數(shù)量；③選擇出異常數(shù)據(jù)的數(shù)量；三種題目均為單項(xiàng)選擇題。

受試者被要求先閱讀紙質(zhì)資料上的題干內(nèi)容， 再觀察手機(jī)屏幕上的圖形，直到選擇出答案并寫在紙上，寫出答案后不可再回頭觀看修改答案； 用眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀記錄下從正式試驗(yàn)開始到結(jié)束的全過程。 正式實(shí)驗(yàn)基于不同屏幕尺寸分為三個(gè)部分，每個(gè)部分完成后，讓受試者針對圖形的閱讀難度、美觀程度進(jìn)行主觀評價(jià)。為避免受試者因視覺疲勞而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 每部分實(shí)驗(yàn)結(jié)束后休息1 分鐘再進(jìn)行下一部分實(shí)驗(yàn)。 且為避免因受試者測試熟練度造成的后續(xù)實(shí)驗(yàn)速度加快，實(shí)驗(yàn)對三組圖形順序按照排列組合平均分配，隨機(jī)給每一位受試者。

圖1 實(shí)驗(yàn)拍攝圖

圖2 實(shí)驗(yàn)圖例1

圖3 實(shí)驗(yàn)圖例2

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，使用Tobiii Pro Lab 數(shù)據(jù)分析軟件統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)中每一被試完成每道測試題的閱讀時(shí)長， 并記錄每組測試題的正確率、 統(tǒng)計(jì)計(jì)算各項(xiàng)圖形的主觀評分平均值。記錄結(jié)果如表6 所示，對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析，結(jié)果呈現(xiàn)如表7、8 所示。

表6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.6 Experimental data statistics

表7 各圖形變量的平均正確率、平均閱讀時(shí)間及差異性分析結(jié)果Tab.7 The average accuracy，average reading time and difference analysis results of each graph variable

從表7 可以看出，在三種不同尺寸的屏幕條件下，平均正確率和平均閱讀時(shí)間均存在較大差異，其中屏幕尺寸為60×45mm 時(shí)，平均正確率最高；69×142mm 屏幕尺寸條件下平均正確率其次，但二者平均正確率差異不大；?33mm屏幕尺寸條件下正確率最低。 屏幕尺寸為69×142mm 時(shí)，平均閱讀時(shí)間最短；屏幕尺寸為?33mm 時(shí)，平均閱讀時(shí)間最長。其次，線型周期性圖形在平均閱讀時(shí)間和平均正確率上均比柱狀周期圖形表現(xiàn)更好；白色×藍(lán)色設(shè)計(jì)元素周期性圖形的平均正確率比深藍(lán)×橙色設(shè)計(jì)元素周期性圖形更好，但在平均閱讀時(shí)間上并未體現(xiàn)較大差異。

從表8 中可以看出，在三種不同尺寸的屏幕條件下，易讀性評分和美觀度評分均具存在較大差異。 其中，69×142mm 的屏幕尺寸評分均為最高，60×45mm 的屏幕尺寸評分次之，?33mm 的屏幕尺寸評分最低；其次，圖形類型變量對于主觀性評分具有顯著影響， 線型周期性圖形的易讀性評分和美觀度評分均大于柱狀周期性圖形； 而設(shè)計(jì)元素的差異對于易讀性評分和美觀度評分差異性并不顯著，不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表8 各圖形變量的易讀性、美觀度及差異性分析結(jié)果Tab.8 The legibility，aesthetics and difference analysis results of each graphic variable

總的來說，較大、較寬的屏幕（69×142mm 的屏幕尺寸）具有較好的閱讀效果，平均正確率和平均閱讀時(shí)長數(shù)據(jù)表現(xiàn)優(yōu)異，綜合閱讀效率均優(yōu)于其他兩種屏幕尺寸；并且在主觀評分上表現(xiàn)也優(yōu)于其他兩種屏幕尺寸的圖形。而線型周期性圖形在閱讀效果和主觀評分上比柱狀周期性圖形表現(xiàn)更好，具有更低的認(rèn)知負(fù)荷。從設(shè)計(jì)元素來看，白色×藍(lán)色的搭配在閱讀效果上優(yōu)于深藍(lán)×橙色的搭配，具有更好的辨識效果。

4 結(jié)論

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，各種家用醫(yī)療產(chǎn)品和健康監(jiān)測產(chǎn)品走入千家萬戶，其配套的屏幕和軟件界面在提高了信息傳輸便利性的同時(shí)，也增大了用戶在使用時(shí)的學(xué)習(xí)成本。 在用戶使用家用醫(yī)療產(chǎn)品時(shí)，對于呈現(xiàn)健康數(shù)據(jù)的周期性圖形的閱讀頻率較高，因此不合理的周期性圖形設(shè)計(jì)會增加用戶的認(rèn)知負(fù)荷，影響信息獲取的效率，降低用戶體驗(yàn)。

本文通過設(shè)計(jì)眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)，分析不同屏幕尺寸、圖形類型和設(shè)計(jì)元素對用戶認(rèn)知負(fù)荷的影響，探討了家用醫(yī)療產(chǎn)品周期性圖形的設(shè)計(jì)策略。具體策略如下：第一，應(yīng)當(dāng)使用較大的屏幕尺寸，例如優(yōu)先考慮橫屏展示圖表，最大化利用界面空間；第二，應(yīng)當(dāng)使用線性圖展示數(shù)據(jù)，并采用淺色底色和較高飽和度的設(shè)計(jì)元素，例如白色和藍(lán)色，在色彩上增強(qiáng)視覺對比效果，減小認(rèn)知負(fù)荷。 本文以周期性圖形為出發(fā)點(diǎn)， 對家用醫(yī)療產(chǎn)品界面設(shè)計(jì)的認(rèn)知負(fù)荷展開研究， 旨在為家用醫(yī)療產(chǎn)品的界面設(shè)計(jì)研究提供一定參考，減輕老年群體在閱讀家用醫(yī)療產(chǎn)品界面時(shí)的認(rèn)知負(fù)荷，降低老年群體的使用和學(xué)習(xí)難度，提升用戶體驗(yàn)。