基于PCA-AHP-TOPSIS的氣切口痰液防飛濺裝置設(shè)計(jì)研究

關(guān)鍵詞：PCA主成分分析；AHP層次分析法；TOPSIS逼近理想解排序法；痰液防飛濺；護(hù)理裝置；氣切患者

引言

氣管切開手術(shù)是為了解決患者呼吸道阻塞或呼吸困難問(wèn)題而采取的一種醫(yī)療手段，如圖1 所示。在氣切管使用過(guò)程中，氣切口與氣管相連引起的異物感、分泌物積聚、空氣干燥等因素可能會(huì)刺激患者咳嗽[1]?？人钥赡軐?dǎo)致痰液飛濺，增加感染風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)周圍環(huán)境和人員造成污染[2]。

為了降低這種風(fēng)險(xiǎn)，醫(yī)護(hù)人員需要定期檢查氣切管，對(duì)氣切口進(jìn)行濕化和吸痰等護(hù)理操作。設(shè)計(jì)防止痰液飛濺的裝置對(duì)于收集痰液，預(yù)防感染和提高護(hù)理效率具有重要意義。朱曉筱等[3] 設(shè)計(jì)了一種防止痰液外濺裝置，并對(duì)其應(yīng)用效果及安全性進(jìn)行了分析，但其研究未對(duì)患者的舒適度和滿意度進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估，也未對(duì)裝置的成本和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。

因此，本研究綜合應(yīng)用效果、用戶體驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素，通過(guò)建立PCA-AHP-TOPSIS 模型，運(yùn)用科學(xué)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄔO(shè)計(jì)適合氣切患者的痰液防飛濺裝置，為醫(yī)用護(hù)理裝置的設(shè)計(jì)研究提供新的思路和方法。

一、構(gòu)建PCA-AHP-TOPSIS研究模型

主成分分析法（PCA）、灰色關(guān)聯(lián)理論（GAR）、層次分析法（AHP）、結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）及逼近理想解排序法（TOPSIS）等方法，在當(dāng)代設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域，常被用于構(gòu)建以用戶需求為導(dǎo)向的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型。當(dāng)前，有學(xué)者將各種方法融合構(gòu)建研究模型以解決各領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題。侯環(huán)等[4] 基于AHP-TOPSIS 法建立復(fù)方苦參注射液的臨床合理用藥評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為臨床合理應(yīng)用復(fù)方苦參注射液提供參考。蘇晨等[5] 運(yùn)用AHP-TOPSIS 集成設(shè)計(jì)方法完成了海上風(fēng)電軸承試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)踐。柴敏等[6] 基于主成分分析和模糊Kano 模型的分析結(jié)果進(jìn)行了造型上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了并條機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)流程的有效性和可行性，為相關(guān)類別產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供量化分析參考?？梢?，PCA、AHP、以及TOPSIS 等方法已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)研究中，且運(yùn)用已相對(duì)比較成熟。PCA-AHP-TOPSIS 方法的結(jié)合通過(guò)PCA 進(jìn)行數(shù)據(jù)降維和消除多重共線性，增強(qiáng)了AHP 和TOPSIS 分析的數(shù)據(jù)代表性和客觀性，相較于單純的AHP-TOPSIS 方法結(jié)合展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。在醫(yī)用護(hù)理裝置的設(shè)計(jì)研究中也能更好地理解需求、優(yōu)化設(shè)計(jì)，做出合理化的決策。因此將其引入到氣切口痰液防飛濺裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)具有合理性與科學(xué)性。

PCA-AHP-TOPSIS 方法是一種綜合性的設(shè)計(jì)研究方法，通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)性的分析框架，有助于減少主觀因素對(duì)分析結(jié)果的影響，提高研究的客觀性。本研究采用PCA-AHP-TOPSIS 集成方法對(duì)氣切口防飛濺裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研究框架如圖2 所示。首先通過(guò)文獻(xiàn)研究分析以及專家訪談的方式收集并建立了設(shè)計(jì)影響因素的層次結(jié)構(gòu)，運(yùn)用PCA 法篩選影響設(shè)計(jì)的主要因素。將篩選出的主要影響因素作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。隨后，運(yùn)用KJ 法收集并構(gòu)建AHP 評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，通過(guò)專家打分構(gòu)建判斷矩陣并計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)一致性檢驗(yàn)后再將評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行匯總。最后收集對(duì)3 個(gè)設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，使用TOPSIS 計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)及最劣方案的接近程度，篩選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

二、氣切口痰液防飛濺裝置方案設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)相關(guān)因素收集

本研究通過(guò)對(duì)氣切口痰液防飛濺裝置進(jìn)行實(shí)地調(diào)研、咨詢老年醫(yī)院氣切患者護(hù)理人員和查閱研究相關(guān)文獻(xiàn)等方式收集氣切口痰液防飛濺裝置的設(shè)計(jì)因素。共劃分出14 個(gè)設(shè)計(jì)相關(guān)因素，如圖3 所示。

由圖3 可知，氣切口痰液防飛濺黃石設(shè)計(jì)相關(guān)因素分為理論設(shè)計(jì)因素和實(shí)踐設(shè)計(jì)因素。其中，理論設(shè)計(jì)因素包括形態(tài)u1、色彩u2、材料u3 和工藝u4。實(shí)踐設(shè)計(jì)因素又分為功能相關(guān)因素和人因工程因素。其中功能相關(guān)因素包括成本u5、固定方式u6、重量u7、抗菌性u(píng)8、空氣流通性u(píng)9 和保濕性u(píng)10，人因工程因素包括通用性u(píng)11、便捷性u(píng)12、舒適性u(píng)13 和防護(hù)效果u14。

（二）設(shè)計(jì)相關(guān)因素主成分分析

以上14 個(gè)設(shè)計(jì)相關(guān)因素存在信息的重復(fù)和交叉。例如，材料u2、保濕性u(píng)10 和重量u15。當(dāng)選擇的材料發(fā)生變化時(shí)，裝置的保濕性和重量也會(huì)相應(yīng)地改變。因此，為了剔除有信息重疊的設(shè)計(jì)因素，本文將搜集到的31 個(gè)氣切術(shù)后護(hù)理相關(guān)裝置作為調(diào)研樣本，如圖4所示。然后從14 個(gè)設(shè)計(jì)相關(guān)因素進(jìn)行描述分析，使用PCA 法篩選出其中的主要影響因素，作為后續(xù)方案設(shè)計(jì)的參考。

本文選擇了集合V={v1，v2，…，v6}={2，3，4，6，7，8} 來(lái)描述氣切口痰液防飛濺裝置設(shè)計(jì)的相關(guān)影響因素，為了將定性描述語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)，建立原始數(shù)據(jù)矩陣Xij。{v1，v2，…，v6} 分別對(duì)應(yīng)著極差、差、較差、較好、好、極好6 個(gè)等級(jí)。部分樣本數(shù)據(jù)規(guī)范取值見表1。

從大到小選擇3 到5 個(gè)控制因子，并結(jié)合實(shí)際需求，最后確定每個(gè)主成分的控制因子為8 個(gè)設(shè)計(jì)因素，包括固定方式u6、形態(tài)u1、工藝u4、重量u7、防護(hù)效果u14、材料u3、成本u5 和保濕性u(píng)10。

（三）設(shè)計(jì)方案構(gòu)思

本研究的設(shè)計(jì)思路圍繞氣管切開患者在臨床應(yīng)用中的實(shí)際需求，重點(diǎn)解決痰液飛濺、氣道濕化及感染風(fēng)險(xiǎn)等關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)前氣管切開患者面臨的主要問(wèn)題包括：氣道直接與外界相通，易受異物侵入；吸入氣體缺乏鼻腔和氣道的自然濕化，導(dǎo)致痰液干燥結(jié)痂，增加氣道堵塞風(fēng)險(xiǎn)；痰液因咳嗽或體位變動(dòng)而噴濺，可能污染周圍環(huán)境并造成交叉感染。因此，結(jié)合篩選出的8 個(gè)主要設(shè)計(jì)因素，為氣切患者設(shè)計(jì)一款輕便，且性價(jià)比較高的氣切口痰液防飛濺裝置，旨在同時(shí)兼顧防護(hù)效果與氣道濕潤(rùn)效果，以降低患者及護(hù)理人員的感染風(fēng)險(xiǎn)。

1. 材料選擇：為兼顧裝置的重量和成本等設(shè)計(jì)因素，本文選用質(zhì)量較輕，且成本低廉的醫(yī)療用無(wú)紡布作為主要材料，其具備高強(qiáng)度、高韌性、優(yōu)良的抗磨損能力、對(duì)酸堿的良好抵抗能力、透氣及排水特性，同時(shí)無(wú)異味和有毒物質(zhì)，易于包裝和消毒等優(yōu)點(diǎn)[8]，能夠在降低裝置重量的同時(shí)，減輕患者傷口周圍的受力負(fù)擔(dān)。

當(dāng)前氣道濕化主要采用在氣管切口處覆蓋用消毒過(guò)的注射水、生理鹽水或硼酸溶液濕潤(rùn)的無(wú)菌紗布，需定期更換，噴出的痰液可能黏附在紗布上，阻礙空氣流動(dòng)，這將增加患者感染的風(fēng)險(xiǎn)并增加護(hù)士的工作負(fù)擔(dān)。因此，本文選用具有良好透氣性和吸水性能[9] 的脫脂紗布作為輔助材料，但與直接將其覆蓋在氣切管口不同，本文采用將其與無(wú)紡布通過(guò)熱壓工藝連接，共同構(gòu)成裝置的主體結(jié)構(gòu)。護(hù)理人員可以通過(guò)直接在其上噴水，實(shí)現(xiàn)患者氣道的濕化作用。

在固定方式上，選擇醫(yī)用壓敏膠帶進(jìn)行粘貼固定。該膠帶對(duì)人體皮膚無(wú)刺激性，安全可靠，且具有良好的黏附力，能夠穩(wěn)固固定裝置，防止脫落[10]。

2. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化：裝置的形態(tài)將直接影響痰液飛濺的防護(hù)效果。因此，結(jié)合裝置的造型、材料分布方式及與氣切口的連接方式本文提出了3種結(jié)構(gòu)方案，分別優(yōu)化了痰液流向與濕化效果，確保了使用過(guò)程中的防護(hù)效果和操作便利性。方案1 在結(jié)構(gòu)上考慮痰液的自然流向，紗布位于裝置的正前方，與氣切管管口相對(duì)。裝置通過(guò)與氣切管墊片的直接接觸固定，確保使用過(guò)程中的穩(wěn)定性。方案2 考慮到痰液噴濺附著在紗布上造成堵塞的情況，將紗布設(shè)置在裝置的上方，以便濕化氣道。裝置通過(guò)氣切管固定綁帶進(jìn)行固定。方案3 則應(yīng)用圓錐形狀的導(dǎo)向性，便于匯聚痰液。裝置與氣切管口固定，紗布位于裝置的正前方，與氣切管口相對(duì)，方便濕化氣道。每種方案均綜合考慮防護(hù)效果、濕化功能與操作便利性，旨在提升患者的使用體驗(yàn)及護(hù)理人員的工作效率。方案設(shè)計(jì)圖如圖5 所示。

（四）設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)

制作時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)需求，繪制出裝置的平面展開圖。根據(jù)繪制的平面展開圖，使用專業(yè)的剪裁工具（如剪刀、激光切割機(jī)等）剪裁出形狀，確保剪裁邊緣整齊，無(wú)毛邊。將剪裁好的4 層醫(yī)用無(wú)紡布疊放在一起，使用熱壓工藝連接。在熱壓連接好的無(wú)紡布上，使用縫紉工藝將脫脂紗布材料縫合在適當(dāng)位置。確?？p合線均勻，緊密貼合。最后將醫(yī)用壓敏膠帶貼在裝置的固定位置。將整個(gè)裝置折疊起來(lái)，放入滅菌袋中進(jìn)行滅菌操作。

三、設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證與評(píng)估

（一）基于AHP 的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

以KJ 法[11] 展開對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次分類，并結(jié)合專家小組意見，經(jīng)篩選、整合，構(gòu)建氣切口痰液防飛濺裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)如圖6 所示，其中包括準(zhǔn)則層：輕便性（B1）、技術(shù)與工藝（B2）、用戶體驗(yàn)（B3）、功能效果（B4）；子準(zhǔn)則層：裝置質(zhì)量（C1）、裝置體積（C2）、裝置操作時(shí)間（C3）、技術(shù)工藝難度（C4）、美觀度（C5）、舒適度（C6）、穩(wěn)定性（C7）、防護(hù)效果（C8）、痰液堵塞情況（C9）。

依據(jù)公式（9）－（10）得出CI 值為0.003。通過(guò)查詢4 階判斷矩陣的平均一致性指標(biāo)，得出RI 值為0.890。最后，計(jì)算出一致性指標(biāo)CR 值為0.004lt;0.1，這表明該判斷矩陣一致性檢驗(yàn)通過(guò)。隨后運(yùn)用同樣的方法計(jì)算矩陣B1、B3 和B4，將子準(zhǔn)則層中各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重與其對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則層的權(quán)重相乘，即可得到C1 至C9 的各項(xiàng)指標(biāo)在整個(gè)層次模型中的綜合權(quán)重值分別為0.037、0.068、0.123、0.123、0.076、0.151、0.069、0.228、0.126。同時(shí)可以得到如表4 所示的一致性檢驗(yàn)結(jié)果匯總，以及如表5 所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重與排序。

從表5 可知，在評(píng)價(jià)氣切口痰液防飛濺裝置室時(shí)，防護(hù)效果舒適度，痰液堵塞情況，技術(shù)工藝，裝置操作時(shí)間等是較為重要的參考指標(biāo)。

（二）驗(yàn)證與評(píng)估內(nèi)容

由圖7 中的評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)評(píng)估方案包括輕便性評(píng)估、技術(shù)與工藝評(píng)估、用戶體驗(yàn)評(píng)估以及功能效果評(píng)估。所有評(píng)估項(xiàng)均采用1-5 的評(píng)分系統(tǒng)：很差（1）、較差（2）、一般（3）、較好（4）、很好（5）。為保證評(píng)估數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，除用戶體驗(yàn)評(píng)估外其他評(píng)估均采用3 次評(píng)估取均值的形式進(jìn)行。

輕便性評(píng)估通過(guò)測(cè)量裝置的質(zhì)量，折疊收納后的體積，以及佩戴和更換的時(shí)間3 個(gè)維度進(jìn)行。技術(shù)與工藝評(píng)估根據(jù)裝置造型的生產(chǎn)技術(shù)難度和工藝難度進(jìn)行定性評(píng)估。用戶體驗(yàn)評(píng)估則是邀請(qǐng)20 位體驗(yàn)人員組成評(píng)價(jià)者對(duì)每個(gè)方案中的美觀度與舒適度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，以計(jì)分結(jié)果得出的算術(shù)平均數(shù)作為方案評(píng)估結(jié)果。

功能效果評(píng)估通過(guò)給仿真人偶佩戴裝置，隨后將仿真痰液裝入針管，推動(dòng)針管模擬痰液噴濺，觀察防護(hù)裝置的防護(hù)效果。對(duì)防護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要針對(duì)使用過(guò)程穩(wěn)定性、防護(hù)效果和痰液堵塞情況3個(gè)方面，如圖7 所示。

（三）基于TOPSIS 的方案評(píng)價(jià)

依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)中的9 個(gè)子準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，收集了3 種設(shè)計(jì)方案的初始評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，生成得到初始評(píng)價(jià)矩陣。為了消除量綱的影響，由式（11）－（12）對(duì)初始矩陣進(jìn)行加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化處理，如表6 所示。

貼近度是評(píng)估設(shè)計(jì)方案與理想狀態(tài)接近性的關(guān)鍵指標(biāo)[13]。當(dāng)這一指標(biāo)接近于0 時(shí)，表明該方案在多個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上均未能達(dá)到滿意水平，可能存在顯著的缺陷或不足；而若貼近度接近于1，則說(shuō)明該方案在多個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上均表現(xiàn)出色，不僅滿足了預(yù)期需求，甚至可能超越了期望。

由表11 可知，3 個(gè)方案中，方案2 的相似貼近度最高，意味著在多個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上均表現(xiàn)出色，與理想狀態(tài)最為接近。方案1 在舒適度方面表現(xiàn)突出，方案3 在便攜性方面有著更佳表現(xiàn)。方案2 在紗布布局設(shè)計(jì)上具有顯著優(yōu)勢(shì)，其位置不易被痰液阻塞，從而有效維持呼吸道的清潔與暢通，降低了感染的可能性。此外，方案二的生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)便，這有利于降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益。基于這些考量，建議對(duì)方案二的固定方式進(jìn)行借鑒方案一的設(shè)計(jì)，以優(yōu)化其舒適性和便攜性。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)整合主成分分析（PCA）、層次分析法（AHP）與技術(shù)可行性排序法（TOPSIS），創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種針對(duì)氣管切開患者的痰液防飛濺裝置，旨在提升臨床護(hù)理的安全性與有效性。首先，應(yīng)用PCA方法對(duì)影響裝置性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行了系統(tǒng)的提取與分析，確保了設(shè)計(jì)過(guò)程的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。接著，通過(guò)AHP 對(duì)各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行權(quán)重分配，明確了用戶需求與裝置功能之間的優(yōu)先關(guān)系，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)決策。

在設(shè)計(jì)方案中，本研究選用醫(yī)療用無(wú)紡布與脫脂紗布的創(chuàng)新組合，并結(jié)合熱壓工藝，構(gòu)建了一個(gè)既具有良好透氣性、質(zhì)量及成本較低又能有效濕化氣道的裝置。并提出了3 種針對(duì)痰液流向與濕化效果的不同的結(jié)構(gòu)方案，確保使用過(guò)程中的防護(hù)效果和操作便利性。最后通過(guò)TOPSIS 法的綜合評(píng)價(jià)驗(yàn)證了所提設(shè)計(jì)方案在防護(hù)效果、材料安全性和使用便捷性等方面的顯著優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，本研究不僅為氣管切開患者提供了更為安全與有效的護(hù)理解決方案，也為醫(yī)療護(hù)理設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了新穎的視角和方法論，彰顯了設(shè)計(jì)領(lǐng)域在提升患者護(hù)理質(zhì)量中的創(chuàng)新潛力。但仍存在一些不足之處，例如在材料選擇與舒適度方面，雖然選用了醫(yī)療用無(wú)紡布等材質(zhì)，但可能存在部分患者對(duì)材質(zhì)的耐受性不高，導(dǎo)致舒適度不足。未來(lái)可以考慮引入更多種類的材料，通過(guò)皮膚刺激試驗(yàn)和患者反饋，選擇更符合人體工程學(xué)的材料。同時(shí)，考慮到不同患者的具體需求和差異，未來(lái)設(shè)計(jì)可以更加注重個(gè)性化，提供可調(diào)整、可定制的解決方案，以滿足不同患者的需求。