涂益心，刘亚军
（天津理工大学，天津 300380）
随着现代康复医学发展，呼吸训练在呼吸系统疾病康复中的疗效得到广泛认可。有效的呼吸训练可减轻患者呼吸系统症状，促进肺康复；同时呼吸训练无创无痛、简单方便、开支小，易被患者接受。然而该训练在我国的开展并不乐观。首先多数医院仍然采取传统呼吸训练方式，例如呼吸操和肢体训练，会因患者呼吸困难而难以开展；其次多数肺康复器材昂贵，一般医疗机构难以承受，且限制训练场所，治疗费用高，患者难以坚持。而呼吸训练器是以呼吸肌锻炼为基础的一种新型肺康复辅助器，此种产品具备便携、应用场景广泛和价格低廉的优点。但目前市面上大多数呼吸训练器，缺少训练引导。由于呼吸训练要求一定的节奏规律，在没有康复医师的口头引导下，患者自行使用训练器的训练效果不佳。为克服以上问题，文章从患者视角出发，分析存在的痛点和设计机会点，最终设计出与移动设备结合的视觉引导式呼吸训练器。
1 由用户出发的呼吸训练器研究
本次调研目标用户为需要进行肺康复的患者，如慢性阻塞性肺疾病患者，肺癌手术患者等有呼吸困难的患者。在调研前确定目标用户年龄区间和身体状况，年龄区间为16 岁到56 岁，具备可自主使用呼吸训练器的身体状态。笔者主要采取了医院实地调研为主，网络问卷为辅的调研形式，综合了解用户对呼吸训练器的使用和认知情况。最终访谈数据为用户深访12 人，有效问卷46 份。通过对得到的信息进行整理，部分调研数据统计结果如图1所示。
据医学建议，卧式和半卧式姿势进行呼吸训练会损坏呼吸肌功能，图1（a）中可见多数用户采用坐位或站立式进行呼吸训练；由图1（b）可知，多数用户选择在室内训练，部分患者认为室外空气更加适宜，故偏好在室外训练，对于训练场景私密性，用户更多偏向在私人场所训练；图1（c）为有无医师指导训练的每周使用训练器频率对比，可见没有医师指导训练的患者，坚持使用训练器训练的情况并不乐观。
图1 主要调研数据统计分析
将本次调研的反馈整理为如下几点：部分训练器需要置于桌面上使用，限制性大；目前的训练器缺少引导功能，没有医师引导情况下，用户自主训练效果差；目前大多用户没有系统的训练计划或是计划针对性低，导致训练效果不佳。
2 由产品出发的呼吸训练器研究
本次市场调研方法为网络间接调研，目标是对呼吸训练器市场环境有一个整体把握。现有呼吸训练器的原理都是运用呼吸神经肌肉可塑性，在呼吸过程中加压，延缓患者呼吸过程，提高气管内压，以提高肌力等方面的形式重塑呼吸肌达到肺康复目的。常见呼吸训练器有雷文顿呼吸训练器、三球呼吸训练器和power breath 肺功能训练器等，另外还有部分高级训练器如带电子屏呼吸训练器、医院肺功能训练仪器。总体上看，当前市场产品的共性是没有引导功能，用户难以使用产品自主进行有效训练。
3 产品设计技术方案
由前期调研总结的问题，拟设计一款视觉引导式呼吸训练器，通过软硬件结合优化当前训练方式，提高自主训练效果。视觉引导式呼吸训练器是本设计方案的核心，通过呼吸灯引导用户训练节奏，气体阻力调节模块循序渐进调节训练强度，物联网技术通过App 将训练数据可视化。本产品的功能实现主要涉及了脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制技术和气体阻力控制技术。
3.1 基于PWM 技术的呼吸灯
进行有节奏规律要求的训练时，视觉或听觉等方式的引导能循序渐进地使人们保持动作频率及稳定性，以提高训练效果。因此本产品的呼吸灯通过视觉引导用户呼吸训练节奏，提高自主训练效果。呼吸灯指在微电脑控制下的LED 灯可以从亮到暗再从暗到亮循环往复的变化，呈现出如同人呼吸频率般柔和有节奏的视觉效果。实现呼吸灯的技术多样，使用单片机产生PWM（脉冲宽度调制）进行驱动的方式，相较其他方式损耗小，且变化效果更加连续柔和，所以本产品的呼吸灯选用PWM 控制技术实现。呼吸灯引导过程如下，用户在进行呼吸训练时，通过观察训练器上的呼吸灯变化，来确定呼气和吸气，以及速度和强度。
3.2 气体阻力控制模块
现有的呼吸训练器结构多样，给呼吸气增加阻力的方式也不同。分为以下几种：一是通过单向呼吸器产生的气流使管道中小球漂浮，小球给气流增加阻力达到训练目的，但阻力大小不可调节；二是阻力调节模块由一个塑料活塞组成，在活塞底部有一个铅砝码置于吸气孔之上，只可调节吸气的单方向阻力；三是通过在呼吸器管道内增加可调节气流阻力的气孔，调节气孔镂空面积大小以调节阻力。此阻力调节模块的优点是体积小且灵活性高。本产品的气体阻力控制模块使用第三种方式，在此基础上增加单片机智能调节功能。当用户选择训练方案后，此模块根据训练方案智能调节阻力，无需手动，使训练更加高效。
4 基于用户体验的视觉引导式呼吸训练器设计思路
4.1 设计定位
通过前期调研和技术方案总结，得出视觉引导式呼吸训练器的产品定位和功能参数，见表1。
表1 产品定位与功能数据
4.2 视觉引导式呼吸训练器设计
视觉引导式呼吸训练器的六视图和透视图及尺寸信息如图2所示，标注尺寸单位为mm。
图2 各视角及尺寸信息图
4.2.1 从产品实用功能需求出发
本产品主要模块及功能分别为：气体流量传感器模块，实时监测气体流量数据；触控LED 屏模块，用户可通过触控屏控制启动开关、蓝牙开关及观察训练器电量等；呼吸灯模块，以调节亮度方式执行训练引导；阻力调节模块，可满足多个康复训练阶段的阻力需求。训练器功能布局紧凑，便携性高。
4.2.2 从产品感觉需求出发
设计过程中基于人机工程探讨如何优化用户使用体验，重点研究内容包含观察呼吸灯视角的舒适性、手握部分舒适性和呼吸嘴舒适性。在前期制作三维模型后，通过制作石膏模型模拟使用者行为模式，进行人机系统分析。如图3所示，使用产品时，可将拇指置于结构凹陷处作为着力点，使手持更加轻松。此实践实验了前期三维模型的舒适性、合理性，确保使用者、产品和环境之间达成协调，最终使用效果图如图4所示，用户将控制屏一侧朝向自己，将呼吸灯一侧朝外，即可观察呼吸灯变化，跟随呼吸灯进行训练。
图3 石膏模型效果图
图4 使用效果图
4.3 收纳模块设计
收纳盒的各视角与尺寸信息如图5所示，尺寸标注单位为mm。其主要功能为给训练器充电和收纳训练器及备用呼吸嘴。采用磁吸式充电方式给训练器充电，放置训练器的凹槽底部固定有磁铁，与训练器背面的磁性物质相吸进行充电。收纳盒本身通过type-C 数据线充电，其前侧有显示余电量的指示灯。
图5 收纳盒各视角及尺寸信息图
4.4 手机端App 设计
训练器与App 通过蓝牙连接。用户在App 填写自己的基础生理指标，App 向数据库查询并匹配适应用户生理指标的训练计划，生成训练方案。准备训练时，用户使用App 给训练器下达命令，训练过程中，App 会显示一个“呼吸球”，将实时训练数据可视化，当用户吸气时，相应的呼吸球膨胀，当患者呼气时，呼吸球收缩产生褶皱。App 会实时显示训练时长及语音提示训练注意事项，帮助用户高效训练；当训练结束时，App 将训练数据可视化呈现，直观显示训练执行情况及是否达到训练方案指标。指标包含训练过程中单个呼气或吸气动作的瞬时气流量、总气流量、持续时长、动作数量，以及节奏规律。将指标与用户训练数据进行直观比对，让用户了解自身训练状态和肺功能康复状态，及时反馈训练效果以激励其康复信心。部分界面设计如图6所示。
图6 App 界面设计
5 结束语
本文基于用户体验系统地分析了当前使用呼吸训练器过程的痛点和设计机会点，提出了视觉引导式呼吸训练器结合App 可视化训练数据的解决方案，并进行了相应的产品设计，旨在推动呼吸训练向更科学、更高效和更智能化的方向发展。医疗辅助设备的设计在工业设计中属于一个特殊领域，对科学技术和艺术设计的结合是重要考验。由于时间和笔者自身知识储备原因，本文提出的方案仍存在一定不足，例如呼吸训练器内部气管如何进行清洗，在本文中并未深入研究解决。因此，笔者将会针对这些问题进行产品的优化迭代。
