医疗器械部件设计中的人机工程学原理与应用研究

医疗器械部件设计中的人机工程学原理与应用研究

黄泽宇

南京舒普思达医疗器械有限公司  江苏省南京  211500

摘 要：本文主要阐述了医疗器械人机工程学的设计思想、方法和主题。详细论述了医疗设备中人的元素特性、医疗设备使用环境的特性以及人体工程学的目标和重要性。在医疗器械产品设计过程中，我们倡导“以人为本”的理念。

关键词：医疗器械部件；人机工程学原理；人机工程学应用

0 引言

随着生活质量的不断提高，那些能够直接改善公众生活水平和健康状况的商品逐渐引起了公众的关注和热情。然而，那些与我们的日常生活紧密联系，并在提升我们的生活水平和环境方面发挥了显著影响的医疗设备并未被充分看待。

1 人机工程学原理

1.1 人机工程学的基本概念

2000年8月，国际人机工程学会对这个学科的定义进行了阐述：人机工程学是一门研究人与系统中其他元素的互动，并运用相关的理论、规则、数据和技术来优化人类和系统的效能的学科【1】。Hippocrates，作为医疗领域的领军人物，在其著作《外科手术》里，对手术的位置进行了深入的解析并给出了相应的指导。Hippocrates 详细解释了这些动作姿态，并确定了手术医生、病人以及灯光源（包括自然光和人造光）的相对位置，以便使手术更为简洁，同时也能避免闪光引起的刺眼效果。他在同一篇文章里也强调了手术器械应当置于医生进行手术的旁边，但同时也不能妨碍他的工作。

1.2 人机交互的关键原则

1.2.1用户中心原则

原则上，用户至上是指在制定医疗设备时，应以用户为核心，持续地帮助他们解决问题。在制定医疗设备时，必须充分考虑使用者的个人属性、需要以及情绪，以此来增强其使用便利度。

1.2.2可用性原则

Hippocrates 详细解释了这些动作姿态，并确定了手术医生、病人以及灯光源（包括自然光和人造光）的相对位置，以便使手术更为简洁，同时也能避免闪光引起的刺眼效果。为了增强工作的效能与品质，医疗设备需要有实际应用价值。

1.2.3可视化原则

视觉化原则就是利用视觉化的手段来呈现信息，让用户能更深入地理解产品的各种特性和操作步骤。可视化的医疗设备形态包括图像、照片、动画等，这些手段能让用户更轻松地理解并掌握产品的操作技巧。

1.2.4交互设计原则

交互设计的理念就是在制定医疗设备的时候，应该以用户的需求为出发点，来规划交互的形式，使得交互的流程更加直接、人性化和易于操作。医疗装备的互动模式包括键盘、触控板、声音、手势等，借助这些工具，让用户能够更轻松地执行功能与操控。

1.2.5一致性原则

在医疗设备的设计过程中，一致性原则是指确保交互方式和界面设计的统一性，以便用户能够快速掌握、熟悉产品并防止出错。对于医疗设备的界面布局、操作模式、数据呈现等，必须确保统一，以便让消费者迅速了解并熟悉其应用技巧。

2医疗器械部件设计中的人机工程学应用

2.1 设计流程中的人机工程学考虑

对设备的操作步骤进行精细化与改良，能够增强医疗团队的运行效能，同时降低人为失误的出现。接下来将介绍一些对设备运行过程进行改进的策略。

（1）对流程的深入剖析及优化：透过深度剖析，找出在执行过程中的难题以及无关紧要的环节，然后对其进行优化和精简。

优化任务逻辑：合理规划任务的顺序和组织，降低重复操作和多余步骤，提升整体效率。

（3）修复与调整：构建一个可以调整的系统以及紧急策略，以便于医疗工作者迅速发现并处置问题，以此来保证工作流程的顺畅与安全。

2.2 用户体验与医疗器械设计

对于医疗器械的制造流程来说，对客户需求的全面理解显得尤为关键。经过对用户需求的深入研究，我们能够明确设备所需的功能、界面交互模式和使用环境等各个方面的标准。接下来是一些经常被应用的用户需求研究和用户参与的策略：

（1）用户调研：利用观察、采访以及问卷调查等手段，搜集用户对设备的期待、使用偏好、操作步骤以及特别需求等相关数据。

（2）以人体工程学为依据的评价：利用对使用者的身体状况、活动技巧以及思维压力等方面的检验与分析，来探寻使用者在使用设备的过程中可能遭遇的挑战与约束【2】。

（3）让用户加入设计团队：让他们在需求的制定、界面的创建以及评价的流程中发挥作用，以确保设计的方案能够满足他们的真正需要和预期。

2.3 人体测量数据在设计中的应用

2.3.1 人体测量数据的应用

对于理解人的身材特性，身高的测定结果起着至关重要的作用，它们向我们展现出了身体的神奇之处。我们可以通过精确地测量人体各个部位的尺寸和形状，深度理解不同人群的体型差异，这对医疗设备的设计提供了关键的参考。在制造医疗器械的过程中，人体测量信息的使用非常普遍。例如，当规划病房的座椅和手术室的布局时，必须关注患者的健康情况，这样才能营造一个更为宜居且安全的医疗氛围。此外，我们也能够利用身体的测量信息来制定如康复仪、矫正装置等医疗工具的设计，从而满足病人的特定需要。

2.3.2 解剖结构和力学模型的创建

理解人体也需要考虑到解剖学的部分构造。若对医嘱中的一些关键元素，例如人的肩膀、双臂、双腿等有所理解，那么设计师便可以构筑出与人体相匹配的力学模型，进一步给予医护人员和其它工作人员优质的操作感受，并使得操作过程更加精确。

2.3.3 界面和菜单设计

利用人体工程学，设计师能够创建出更好的菜单与界面。在进行医学治疗时，医护人员必须通过多样化的界面以及菜单功能进行选取、操控以及管理各类医疗设备的参数。利用人体工程学，设计师有能力创建一个清晰、便于掌握与应用的操作平台与菜单，这样不仅有利于避免操作员的失误，也有利于他们在医疗流程中应对各类挑战。

2.3.4 人体工程学评估和测试

在进行评估与检验的过程中，人体工程学同样扮演了关键角色，例如我们经常会进行的人身安全检查。在此阶段，医疗设备的制造者有权衡其设计的人体工程效益，同时也能评价治疗和预防策略的成效。这些测试结果会因为应用环境的差异和使用者的个体差异而有明显的改动。

3 实际案例与应用研究

3.1 人机工程学优化在典型医疗器械部件中的应用

两种类型的多功能医疗设备，一种是机械设备，另一种是电子设备。主要的设计方式是利用手柄来调整机械手术床的结构与造型，而对于电子手术台，其操纵方式则依赖于手势指令来实现。

（1）这款产品的核心功能是为医疗设施的手术室提供头部、胸部、腹部、四肢等外科，以及五官科、泌尿科、妇产科、骨科等身体各个部分的手术所需。

（2）设备的构造：不管是机械式的手术床，或者是电子式的手术床，它们都包括了平台、支撑杆以及支架。主要构成台面的元素包括头部、背部、臂架、腰部、底部、束缚腿部、束腿架、支撑架以及麻醉屏幕等。

3.1.1人机工程设计

多功能医用手术床的设计目的是为了在医院的手术室里进行头部、胸部、腹部、四肢等外科手术，以及五官科、泌尿科、妇产科、骨科等人体各个部位的手术。因此，正如图1展示的床铺布局需要达到此项规定。根据图表，我们能观察到头部的旋转范围在-60°至50°之间，而背部的旋转范围则在-45°至70°之间。总的来说，床的两边的倾斜角度在0°至20°、160°至180°之间。总的来说，床的前后两边的旋转范围是25，140°至180°。膝盖的扭曲范围在155°至270°之间。这些构造能够应对手术过程中的各种姿态要求。液压驱动主要负责床体的全面旋转、背板与腿板的旋转，而棘轮装置则负责头部的角度旋转，所有这些都需要人工进行操作。

图1多功能医用手术床旋转角度

3.1.2造型和色彩设计

如图2所示的多功能医疗设备的全体结构通常使用了较大的反曲、反角，这样可以提高设备的灵活度和友好度，有助于减轻患者的精神压力和不舒服。模块化的设计使得台面的头部、后部、侧部、手柄、腰部、底部、后部、脚部、支撑脚架、扩展脚板等部分易于分解。手术台的几何核心是立柱，它的承重能力平衡，使得人们觉得它非常稳固和安全。这样做不仅可以降低底座的占用空间，也使得医生能够轻松地在不同的位置执行手术【3】。底部设计为半密封型，方便清洁与保养。整个床的主要色调是黑色，带给人一种深邃、庄严、成熟、稳固和坚韧的感觉。其他的床体部分采用了不锈钢制作，颜色呈现出一种清新、干净的效果。

图2多功能医用手术床

3.1.3 人机界面设计

根据前述视频，我们可以清楚地观察到，多功能医疗设备的病患/HMI主要体现在病患和手术台之间的联系。依据人体的尺寸特性，手术床的台面经过精细的设计，其中的床垫选用了聚氨脂材料，这种材料不仅具备可变形的记忆效果，而且非常柔软和舒适，同时也具有极高的耐用性。我们为患者创造了一个令人愉快的人机交互界面。

医护人员/设备的交互界面大部分是通过操控按键完成的，而支撑架则拥有可以升降的特性，这样，手术师就可以根据个体需求进行高度的调整。手术医生可以通过精心设计的底座在各处进行手术。

3.2 设计改进对用户体验的影响

3.2.1 良好的视觉体验

医疗设备的界面设计应该提供优秀的视觉感受，以便医生能够明确地了解设备的信息和功能。采用适当的颜色组合与文本设计，以增强用户界面的阅读效果与便利度。

3.2.2 流畅的操作体验

医疗设备的界面设计应该提供顺畅的操作感受，以便医生能迅速地进行设备的操作。采用改进的交互方式与操作步骤，可以缩短无谓的等候时长及复杂的环节，从而增强医护人员的工作效能与满足感。

3.2.3 智能化的功能体验

医疗器械的用户界面设计应当具有高度的智能化体验，这样医护人员就可以轻松处理各类复杂的状况。利用人工智能与大数据科技的运用，我们有可能达到对设备的自动化处理以及定制的建议，进一步增强了医护人员的决策速度与精确程度。

3.3 成功案例分析与经验总结

3.3.1 明确研发目标

对于医疗设备的开发，必须有明确的R&D目标，这是所有任务的根本。当设定开发目标时，必须兼顾市场需求、病人需求以及技术能力等多个因素。开发的目的必须是切实、适用且在市场上占据优势，并且还必须满足相关的法律条例以及道德准则。

3.3.2 进行适当的调研与分析

在开始医疗设备的研发之前，必须进行全面的市场研究和技术分析。理解市场的需要、竞争的状况及其相应的科技进步，能够协助开发小组寻找出创新的突破口和独特的路径。此外，我们还必须深入探讨和分析有关的法律法规、道德准则等，以保证R&D活动与市场的一致性和遵循法律条款。

3.3.3 保持与客户和厂商的沟通

在开发医疗设备时，我们必须与顾客和制造商保持联系并进行对话，以便理解他们的需求和反馈。此举可以帮助明确开发路径、提升产品构造以及优化科学过程等各个环节。在此基础上，我们还必须以乐观的心态接受来自消费者与制造商的建议，并且持续优化和提升我们的产品。

4 结语

医疗工具的品种繁多，在人机工程的视野下进行医疗工具的规划时，所需思考的元素也十分丰富。通常，这些元素都是非常繁琐且复杂的，只有当我们在制定设计方案时，以全面、深入的视角来思考这些影响人的元素，我们才能在制造医疗器材的过程中最大限度地展示出对人的关心，进而提升我们的制造技术和产品的品质，增强我们的竞争优势，并在市场上取得领先地位。

参考文献

[1] 林昌.关于人机工程在医疗器械设计中的运用探讨[J].模具制造, 2023, 23(6):106-108.

[2] 郑凤贤.关于人机工程在医疗器械设计中的运用探讨[J].中国科技期刊数据库 工业A, 2021(8):2.

[3] 葛雪姣.可视化医疗器械浸泡消毒桶的设计与应用[J].  2021.DOI:10.3969/j.issn.1671-9875.2021.05.028.

作者简介：黄泽宇（1995.10），男，汉，江苏南京，大专，助理工程师，研究方向：医疗器械新品制造。