生化分析仪人机界面可用性因素结构模型研究

王芳兰a,许睦旬b,陶涛b

西安交通大学 a.工业设计系;b.数字控制与装备研究所,陕西 西安 710049

[摘 要]本文在分析可用性定义及Jacob Nielsen、ISO9241-11、Shackle、SUMI等建立的可用性因素结构模型的基础上,结合生化分析仪的应用环境、专业性及问卷调查提取的可用性一级、二级因素,建立了适合生化分析仪人机界面的可用性因素结构模型,并对模型中的可用性因素进行了权重考量。最后,以校企合作医疗项目的人机界面设计应用为例,来验证上述模型。该模型不但有助减轻医疗设备研发人员及医护操作人员的脑力负荷,还提高了其工作效率和工作质量。

[关键词]生化分析仪;人机界面;可用性因素结构模型;用户模型

引言

医疗设备产业与人类生命健康相关,在世界各国颇被重视,也是我国重点支持的战略新兴产业。近年来,随着新兴市场的崛起以及人口老龄化的到来,医疗设备市场新的增长点被引发。中国产业信息网的《2015-2020年中国医疗设备产业调研及投资咨询报告》表明,该产业市场销售规模从2001年的179亿元到2014年的2556亿元,增长了约14.28倍,年均复合增速为22.69%,见图1[1]。可见其发展前景大好,增长迅速。

2015年7月底,由UL、国家医用诊断仪器工程技术研究中心、深圳市医疗设备行业协会等联合举行的医疗设备可用性的新法规论坛研讨了FDA及UL在可用性法规符合以及人机界面设计等多方面的信息。可见,医疗设备较之其他类产品对使用者的关注度更高。如何在保证产品安全、有效的情况下,提高产品可用性和吸引力已成为医疗设备企业在日趋严峻的市场竞争中能否立足的关键。

图1 2001~2014年中国医疗设备市场规模情况

人机界面是人与医疗设备接触频率和时间较多的媒介,也是人机进行信息交互的直接媒介。临床检验工作者从实际工作中也深刻体会到,所使用的医疗设备不但要质量好、性能优,更要操作简便、性能稳定,方便掌握,容易学习。自动化技术在医疗设备上的广泛应用却在减轻医护操作人员体力负荷的同时增加了其认知负荷。因此,数字化医疗设备[2]的自动化程度越高,人机界面的需求也将越高。而评价产品人机界面用户体验是否良好的关键指标是可用性。可用性因素结构模型包含了产品可用性的问题来源,其越具体详细,可用性问题的发现越深入。因此,针对医疗设备人机界面可用性因素结构模型展开研究[3],是优化设计、提高其人机界面用户满意度的途径之一。

1 国内外典型可用性因素结构模型及存在的问题

可用性[4]是人机交互的核心术语之一,指的是产品对用户来说有效、易学、高效、易记、出错少和让人满意的程度。它是产品竞争力的核心,是交互式IT产品/系统的重要质量指标,衡量的是从用户角度感受到的产品品质,即用户能否用产品完成他的任务,效率如何,主观感受如何。

目前国内外比较有代表性的可用性因素结构模型分别是ISO9241-11国际标准定义的可用性因素结构模型(图2)、Nielsen的可用性因素结构模型(图3)、Shackle的可用性因素结构模型(图4)以及软件可用性测试表(Software Usability Measurement Inventory,SUMI)的可用性因素结构模型(图5)[5]。但是,任何标准都有其特定的使用环境和使用对象,以上模型存在的问题主要可以概括为以下3方面:

图2 ISO9241可用性模型

图3 Nielsen可用性模型

图4 Shackle可用性模型

图5 SUMI可用性模型

(1)可用性核心因素的统一性。由于各人的学历、文化背景、认知特性以及研究方向的差异,领域专家对于可用性因素的理解和认知本身就存在很多差异,以致目前可用性因素存在重叠与混淆。

(2)可用性因素的全面性。国际标准通常比较笼统,鲜有具体的解决方案,加上设计者个人对国际标准解读存在差异,这对产品设计没有太大指导作用。不存在包含所有影响可用性因素的模型和准则。

(3)可用性因素结构模型的使用对象不同。应用背景和可用性目的描述是衡量可用性重要程度必不可少的因素,因此用一个通用的原则来选取或组合度量的方法,或者用一个固定因素模型去衡量各种软件的人机界面都是不可取的[6]。应该按照设计调查[7]得到的用户模型[8]去建立针对具体使用对象的可用性因素结构模型和测试标准。

2 生化分析仪人机界面可用性因素结构模型的构建

可用性因素结构模型是产品设计的指南及评价标准,它的精准性会影响产品的可用性及市场竞争力,还涉及到产品直接用户的工作效率和工作质量。但在国内,可用性研究多在诸如腾讯、百度、阿里巴巴这样的互联网企业被重视,实体企业也只有华为、联想等。而实践表明,不同产品的可用性标准存在差异,是需要根据产品开发目的建立的,因此可用性因素结构模型不是唯一的。直接套用国内外现成的可用性测试方法与标准过于盲目,设计每个产品用户界面,都应该按照目标用户模型建立自己的可用性因素结构模型,以此指导产品的可用性评估[9]。本文以全自动生化分析仪的软件人机界面为例,将医疗设备人机界面可用性因素结构模型的研究概括为以下步骤。

2.1 市场调研

通过对市场现有生化分析仪人机界面视觉传达风格、人机交互方式、人机交互技术以及发展趋势、操作人群、操作环境[10]等各方面的调查,对市场上的生化仪人机界面现状有一个整体的把握。

2.2 用户研究

同样的产品,功能、界面和使用环境都相同,不同的用户感受到的可用性也是有差别的,因为用户的认知能力、知识背景、操作习惯及经验等都不同。因此进行用户研究是构建生化分析仪人机界面可用性因素结构模型的必要任务之一。

用户研究(简称用研)可以通过问卷调查和用户访谈两种方式展开,实现起来简易快速、费用少,调查者也可以较好的掌控调查过程,获得质量比较高的用户反馈信息。通过问卷调查可以了解目标用户对于生化分析仪人机界面可用性的一些使用感受、评价、期望等因素;通过用户访谈,可以了解用户的操作特征、认知特征、学习特征及出错特征。在分析用户研究资料的基础上,提取出有关用户思维、注意、视觉、认知、感知、行动、审美等各方面的特征,建立生化分析仪人机界面的用户模型,包含其行动模型和思维模型。

2.3 建立可用性因素结构模型

医疗设备行业人机界面的开发随着行业竞争的日趋激烈,研发思想由侧重产品功能稳定性和可靠性的以技术为中心向以用户为中心转移。而以用户为中心的设计侧重于产品的可用性,以及用户直接感受到的产品实际使用效果。在分析前期市场调研及用户研究成果的基础上,本研究可用性因素结构模型的建立思路,见图6。

图6 生化分析仪人机界面可用性因素模型建立思路

(1)尽可能的列出可用性研究可能包含的一级因素及近义词。

(2)让用户根据各自对生化分析仪人机界面期望的强烈程度挑选可用性因素并打分。

(3)统计出用户对产品各种可用性因素的期望值并进行平均值排序,然后再对含义相近的因素进行归类和频次统计,取得加权值。每个因素及含义相近的因素被选择的总次数记为权重值。

(4)计算各因素平均值与权重的乘积,并对计算结果进行再排序,见表1。

(5)将调查问卷中有关用户对生化分析仪人机界面可用性评价的二级因素按照评分均值排序量化到提取的8个一级因素中,建立适合生化分析仪人机界面乃至其它医学检验设备人机界面的可用性因素结构模型,见图7。

表1 用研提取的可用性因素量化后的加权计算结果

2.4 模型应用

2.4.1 建立设计原则

结合图形界面设计行业各具体元素(比如文字、色彩[11]、布局、情感[12]、人文[13]、视觉等)的研究成果及本研究所建立的用户模型,描述图7可用性因素结构模型各一级元素的含义,并从设计角度提供各二级元素视觉表现原则,以指导生化分析仪人机界面设计的实现。

2.4.2 完成人机界面设计

该研究成果的应用对象为校企合作的全自动生化分析仪,其人机界面开发软件为Visual Studio 2013,采用C#编程实现,图像及相关LOGO制作软件为Adobe Photoshop CS。人机界面信息的输入设备为鼠标、键盘、手(触控),输出设备为显示屏。其UI设计依据是前期建立的可用性因素结构模型及在模型基础上形成的设计原则。设计任务包括产品的整体架构、UI图标的设计制作、界面的交互设计及视觉设计等。

图7 生化分析仪人机界面可用性因素结构模型

2.4.3 模型有效性测试

启发式评估法是一种用来评定软件可用性的方法,是在短时间内找出关键可用性问题的强大工具。实验前的准备计划如下:

(1)明确测试目标。

(2)招募测试用户5名。应用启发式评估法,任意5个评估者组成的评估小组能够测试出85%的可用性问题。

(3)设计测试任务25个。测试任务是针对所建可用性模型涉及的可用性各级因素设计的,并尽可能地代表系统的最终使用。

(4)展开测试。邀请用户操作完成测试任务,并观察、记录用户行为。

2.4.4 分析总结测试结果

取不同测试者对于同一测试任务的评价均值,评价均值占评价上限(5分)的百分比即为用户对人机界面各可用性因素评价的综合百分比。以界面美观性因素为例,通过计算,传统界面评价均值为1.25分,占评分上限的25%,因此界定用户对界面可用性的美观这一因素,传统界面认可度为25%,见表2。

表2 生化仪新旧人机界面美观性评价结果 (分)

依次类比,表3统计了改进后界面的部分信息与视觉传达类因素对生化分析仪人机界面可用性带来的变化。

表3 生化仪新旧人机界面可用性对比 (部分)

由此可见,按照本文建立的人机界面可用性因素结构模型改进后的生化分析仪人机交互界面,经过用户测试后,在产品的可用性上得到明显提高。

3 研究意义

目前,医疗设备行业有关可用性的理论都是基于可用性工程[14],对可用性理论的应用却大多局限在针对设备的验收和质量评估,未将可用性理论及应用价值最大化。本文改变以往人们应用可用性理论的思维模式,以工业设计心理学、工业设计思想基础、设计调查等专业理论作为基础,为医疗设备人机界面可用性的改善和评估提供了理论指导,突破人们在医疗设备行业认识和应用可用性研究成果的局限性。而且,作为拥有较强专业性的软件,医疗软件界面的可用性高于用户体验的重要性[15]。因此,展开医疗设备人机界面的可用性研究[16],在建立人机界面可用性因素结构模型的基础上进行产品开发,既可以提高国产医疗设备市场占有率和竞争力,降低病人看病成本,在减轻了医护人员脑力负荷的同时,提高了其工作效率。

4 小结

让产品的设计符合用户的使用习惯与需求是可用性的设计重点。本文在分析可用性定义及研究领域有代表性的可用性模型的基础上,结合医疗设备的应用领域、使用环境、专业性及用户研究提取的可用性因素,建立了以用户为中心的适合生化分析仪人机界面的可用性因素结构模型。与以往的模型相比,本研究对模型中的因素进行了权重考量,以便在给医疗产品人机界面设计人员提供设计流程及原则的基础上,减轻其由于因素的权衡取舍带来的脑力负荷以及在产品开发时间上的浪费。而且,本文建立的可用性因素结构模型,具有很强的针对性,不但为生化分析仪行业人机界面的开发者提供了设计指南,推动其提高国产仪器的市场竞争力,在降低医护人员心理思考时间所占比例和总的人机交互时间方面也有所帮助,进而有助减轻医生的脑力负荷,降低医疗事故发生率。

[参考文献]

[1] 中国产业信息网.2014年全球及中国医疗器械市场规模统计分析[EB/OL].(2015-07-27).http://www.chyxx.com/industry/ 201507/331271.html.

[2] 杨玉志,汤志卫.数字化医疗设备软界面设计的探讨[J].现代医学仪器与应用,2007,19(2):66-68.

[3] 刘香香.爬楼轮椅的可用性因素框架研究[D].武汉:华中科技大学,2011.

[4] 刘歆.医疗器械设计中的可用性及标准要求[J].中国医疗器械杂志,2010,34(1):47-49.

[5] 李乐山.人机界面设计(实践篇)[M].北京:科学出版社,2009.

[6] Bhutkar G,Katre D,Ray GG,et al.Human Work Interaction Design. Work Analysis and HCI[M].Heidelberg:Springer Berlin,2013:46-64.

[7] 李乐山.设计调查[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[8] 李乐山.工业设计心理学[M].北京:高等教育出版社,2004.

[9] 严毅,刘胜林,程鹏,等.可用性评估在临床医学工程领域的应用[J].中国医疗设备,2012,27(10):17-20.

[10] 鄂东,刘静华,胡磊.医疗人机环境下的软件界面设计研究[J].机械设计与制造,2015,(11):5-7.

[11] 程苏婷.医疗器械界面设计中的色彩运用研究[J].艺术与设计,2008,(12):184-186.

[12] 沈建华,尹显明,程鲲,等.医疗产品的人情味研究[J].机械工程师,2014,(12):19-22.

[13] 尹建国,王健荣.论医疗器械界面设计中的艺术原则与人文关怀[J].包装工程,2008,29(8):189-191.

[14] 于晓琳.易用性在医疗设备用户界面的实施过程[J].信息系统工程,2014,(5):107-108.

[15] Medical Device Software:Usability-Medico Innovation[EB/ OL].(2012-11-28).http://www.search-document.com/pdf/1/1/ Usability-of-Medical-Applications-Delta.html.

[16] 王月磊.医疗设备人机界面可用性设计研究[D].南京:南京林业大学,2007.

本文编辑 王博洁

Research on Usability Factor Structure Model of Man-Machine Interface of Biochemical Analyzer

WANG Fang-lana, XU Mu-xunb, TAO Taoa
a.Department of Industrial Design; b.Digital Control and Equipment Research Institute, Xi’an Jiao Tong University, Xi’an Shaanxi 710049, China

Abstract:Based on the analysis of usability definition and usability factor structure models established by Jacob Nielsen、ISO9241-11、Shackle and SUMI, combined with the application environment and professional of biochemical analyzer, and the primary and secondary factors extracted from the questionnaire survey, this paper established usability factor structure model for man-machine interface of biochemical analyzer, and the usability factors of the model were weight considerations. Finally, application of the man-machine interface design from the university-enterprise cooperation medical project was used as an example to verify the effectiveness of the above model. This model could not only reduce the mental workload of R & D personnel of medical device and medical personnel, but also improve their work efficiency and quality.

Key words:biochemical analyzer; man-machine interface; usability factor structure model; user model

[中图分类号]TH16;TP319

[文献标识码]C

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2017.06.039

[文章编号]1674-1633(2017)06-0144-04

收稿日期:2016-11-09

修回日期:2016-12-07

通讯作者:许睦旬,教授,硕士生导师,研究方向为精密机械技术、工业设计、多媒体网络应用技术、现代教育技术。

通讯作者邮箱:xumuxun@xjtu.edu.cn