施建盛，胡浩，刘松，彭玲

江西三鑫医疗科技股份有限公司 研发部，江西 南昌 330052

引言

随着各科学领域的迅猛发展，人机交互在产品中变成了一项重要技术指标[1]，复杂的人机交互方式也具备了科学技术基础，硬件和软件的实现方法也多种多样，因此被广泛重视和应用于医疗设备、消费电子、汽车、航空等领域。目前，需要人与机器进行信息传递和反馈的自动化设备都含有人机界面，它是用户和系统之间信息交流的重要媒介[2]，用户通过操作发送指令给设备系统，系统反馈显示机器内部运行信息。

据统计中国肾病患者数量在逐年递增，而终末期肾病治疗的主要方法就是血液透析[3]。血透机是一种高度智能化和自动化的现代医疗设备，物理按钮不再大量使用，触摸图形显示屏的人机交互方式成为了主流[4]。而简单符合功能要求的交互界面已不能满足现阶段的市场需求，以人为本的交互理念已经应用在了界面设计中，自然和谐成为了必备要素，更加注重用户体验[5-6]。设计一款优良的血透机交互界面需要整合多领域的知识，医疗行业规范是基础，还需考虑临床使用习惯，交互设计、心里学和情感等[7]。现如今半导体技术、嵌入式技术和计算机技术等越加成熟，嵌入式系统和微电脑功能更加强大[8]，应用更加专业，复杂的人机界面在软硬件平台上实现变成可能。国外同行业知名企业也非常重视人机交互的设计，并在推出的新产品中进行了应用，得到了广大一线医护人员的认可。国产血透机起步相对较晚，而国内市场上正在使用的血透机以国外品牌为主，设计更加符合国情和国人使用习惯的人机交互界面具有一定的实际意义。

因此，基于国家行业标准、市场新需求和技术可行性等情况，提出了上下位机架构的软硬件实现框架；结合人机交互通用设计原则中的自解析性、较低的认知负荷、较低的体力需求、易学习、较高的用户满意度、灵活可用、实时响应和较高的错误容忍度等[9]，设计研究一款操作简单，外观舒适的全触摸血透机人机交互界面。

1 人机交互界面的组成

人机交互界面的主要职责是显示病患治疗参数并监控设备自身运行状态，提供用户操作的接口，而人机交互是指实现设备内部信息与人类可识别信息之间的转换过程。目前人机交互方式种类繁多，例如用户界面触摸、手势识别、人脸识别、语言和声音交互等等[10-11]。不同交互方式都有其特点，应用场合和环境也不一样。医院智能化管理使用了语言和声音等识别方式[12]，而血透机这种治疗设备对稳定性和安全性要求较高，简单稳定的交互方式成为首选，故触摸式界面被世界各大厂商所采用[13]。人机交互图，见图1。

图1 人机交互图

血透机人机交互界面相当于设备大脑，可分为外观、功能和监控三大部分，需同时包含工业设计、硬件设计和软件设计。三大模块的定义如下。

（1）外观。它是用户肉眼可直接观看的部分，一般是先行效果图的工业设计，然后在选定或设计的硬件平台上进行软件编码实现。本模块仅具备简单的页面或视图的切换和显示功能，整机的控制功能，如泵的速度和开关，各配件之间的协调动作等功能需另外的程序设计。

（2）功能。是指所有配件的操控，以及完成自检、预冲和治疗等指定逻辑的组合动作控制，并实现设备运转的所有功能。

（3）监控。医疗设备软件需具备极高的稳定性和安全性，监控可分为两部分，即人机交互软件的自我状况监控和设备其他硬件和电相关配件的监控：① 自我监控：监控人机交互软件本身运行是否正常；② 硬件和配件的监控：监控下位机各主板工作是否正常，所有配件是否正常。

2 血透机基本原理

2.1 组成框架

德国费森尤斯建立了血液净化设备的雏形，血透机发展至今已有近百年的历史，通过不断的临床使用和设计完善，设备原理已成熟且稳定[14-15]。不同厂家设备操作流程存在差异，但原理都大同小异。整个血透机可分为三大部分：体外循环系统、液路系统和监控显示系统。① 体外循环系统：是指将人体血液从动脉引出，通过血泵和压力监测装置到达透析器，经过透析器中的膜的弥散、对流、超滤和吸附作用，再从透析器中流出回到人体静脉的系统。经过清除和过滤的血液回到人体静脉前还需经过液位高度监测、压力监测和气泡监测；② 液路系统：为了配比出合格的温度、电导率和压力的透析液，用于在透析器中和血液发生间接接触，从而产生治疗作用；③ 监控显示系统：是一个控制整机运行，显示必要的信息及治疗数据，同时监控设备本身运行状况及病患治疗情况的系统。血透机结构原理图，见图2。

图2 血透机结构原理

2.2 运行逻辑设计

设备都是在指定的模式和逻辑情况下运行的，监控显示系统中的人机交互界面就是按照预定逻辑进行设计的。本文设计的血透机的运行状态分为自检、预冲、准备治疗、旁路、透析治疗/单纯超滤、治疗结束、回血、消毒和维修（图3）。自检状态开机时强制执行，确保设备正常后才能进入其他状态，随后进入预冲状态，等待体外循环管路预冲生理盐水，同时等待治疗参数达到合格范围内。旁路状态的主要作用是在异常情况下保证透析液不流经透析器，隔离血液和液路系统，从而保护病患。设备提供两种治疗模式：透析和单超，治疗结束后需及时把管路中的血液回输到人体内，接好管路后开启血泵即进入回血状态。为保证设备的卫生环境，每次治疗结束必须进行消毒，而维修模式属于独立的状态，用于设备本身状况的查看及调试。

图3 运行逻辑框图

3 血透机人机交互界面的设计

3.1 硬件和软件架构设计方案

鉴于设备的复杂性，需将控制部分分为多个功能模块，实行专板专控的设计原则，提高设备运行的稳定性和效率。主要可分为下位机和上位机，又可根据设计需求将下位机再进行功能模块的分割。下位机一般是指直接驱动或控制传感器和其他电相关配件的控制分类，属于直接执行部分；而上位机是相对下位机而言的，通过报文协议间接控制设备部件，一般是完成配件之间的组合动作，从而实现一定功能（图4）。无论是下位机或上位机都是由硬件和软件组成，相应的硬件平台、开发语言和开发环境等选择较广，可灵活搭配使用。

（1）硬件。下位机中的硬件主控芯片选择是核心，其他外设电路根据相关电配件需求搭建。可选的对象有很多，例如FPGA/CPLD、单片机（STM/NXP等）、DSP等，主频都达到了100 MHz以上，不同的功能模块可使用不同的控制核心。上位机硬件要完成更加复杂的逻辑控制，运行速度要求也更高，所以一般选择CPU为主控核心，例如以ARM为核心的嵌入式系统，或者采用Intel/AMD等为平台的嵌入式单板电脑。

（2）软件。硬件平台确定之后软件开发环境和语言也随之确定，以FPGA/CPLD为例，开发环境可选用Quartus II，编程语言是Verilog或VHDL；上位机以ARM为例，使用免费的嵌入式Linux操作系统，搭配QT设计人机交互界面[16]。Linux和QT地设计框架，见图5。

图4 血透机系统架构

图5 Linux和QT的设计框架

（3）CAN通信。CAN总线是当前应用最为广泛的现场总线之一，具有抗干扰能力强、稳定性好和时效性高等特点，可应用于工业和汽车等复杂环境[17-18]。总线中的远程帧模式有8个数据位，可满足本设备复杂报文的编制需求。

3.2 人机界面设计

血透机人机交互界面的用户对象为医护人员，外观设计上不仅要求视觉上的舒适，更要考虑设计的简单化，使用的可靠性和高效性，从而减轻操作人员的记忆负担，减少误操作的发生概率[19]。

随着血液净化行业的发展，一些临床参数已成为重要的治疗监测指标，并列入行业及国家规范和标准。因此，结合设备本身的功能需求、临床使用习惯和简化用户操作难易程度的考虑，对血透机人机交互界面作如图6所示设计。本设计遵循人性化设计，① 功能方面：主界面包含血泵和肝素泵的速度设置和开关控件，可方便且及时地对血液动力装置进行操作，还包含旁路、预冲和回血等各运行状态的按钮，以及电导度、温度、动/静脉压、跨膜压、静脉端的液位和气泡、漏血等参数监控显示；② 布局方面：按钮和泵等用户操作部分位于整个界面的右边和下面，便于右手操作；显示部分位于界面的左边和上面，操作时不会对界面其他地方造成遮挡而形成视野盲区；主界面的中间部分根据设备运行进程或用户操作而实时显示对应参数或子界面；③ 色彩和外观方面：色彩主体是科技蓝，象征着生命和科技，无复杂颜色搭配，防止用户视觉疲劳；外观清新自然，操作和显示部分均以方便点击和观察为主要目的。

图6 触摸式人机交互界面

经临床学习和医院调研发现，预冲和回血工作量大且耗时最长，为减少操作人员的劳动量，界面中的“预冲”和“回血”按钮可一键自动预冲和自动回血。

4 讨论

随着科技的发展以及用户对使用体验需求的不断提高，全触摸式人机交互界面变成了主流，各种相关产品越来越智能，外观美化也不再有技术制约的问题。直接治疗型医疗产品考虑到使用环境以及操作的稳定性和安全性等问题，手势和语言等交互方式并未普及。

血透机有相关的行业标准和法律法规对设备的运行参数及性能进行规定，用以检测设备的合格性。对人机交互体验却没有明确的要求，主要原因是这项指标很难被量化，而且存在个体感受差异问题。人机交互界面包含外观和操作两方面的体验，而对它的评价将由市场用户来进行，也是最终决定产品生命力的重要因素。

医疗设备的设计需充分考虑功能、行业标准和法规，以及自然和谐的因素，本文通过分析嵌入式系统国内相关主流技术，提出了可行的软硬件实现方案，搭建了血透机控制架构，设计了全触摸人机交互界面外观。软硬件架构及实现方案对其他智能医疗产品的设计研究具有一定借鉴意义；经相关专业人士体验，该设计简单明了，操作方便，体现了自然舒适的外观感受。