论文精读 || 在新冠疫情下提高呼吸机的使用效率:一项眼动追踪研究


COVID-19会攻击人体的呼吸系统,许多重症患者需要呼吸机支持。但我们现有的呼吸机是否易于医护人员使用?对这个问题,中国矿业大学的邵将老师等人展开了一项眼动研究 (Shao et al., 2022),致力于探究影响呼吸机界面易读性的四个可能的影响因素。这项研究的成果 Experimental study on legibility of typographic information of ventilator interface呼吸机界面的字体信息易读性的实验研究),发表在International Journal of Industrial Ergonomics(IF:2.883)上。这项研究使用一个全面的四因素被试内设计探究了呼吸机界面的易读性

 

作者谈

“在全球新冠疫情背景下,像呼吸机、监护仪等医疗设备数字界面人机交互问题非常需要设计人员关注,我们应该用自己的专业特长帮助医护人员共度时下的难关。医护人员身着防护服、呼吸面罩等个体防护装备时,经常会遇到设备界面关键信息显示不明显、观察视角狭窄等问题,我们需要从设计工效学的角度去解决类似问题。针对医疗设备的界面信息易读性,我们在研究时候运用了Tobii Pro X3-120眼动跟踪设备,观察掌握医护人员的信息获取习惯、对比分析了不同设计方案的优劣,通过优化设计提高医疗设备的交互有效性。Tobii的眼动跟踪设备可以帮助科研人员从传统的访谈、录像观察分析转变为更为智能的生理指标测评方法,更科学有效的揭示医护人员的认知规律,这是令科研人员非常振奋的。”

 

——邵将 副教授,

中国矿业大学

建筑与设计学院 工业设计系

 

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.ergon.2021.103249

 

 

推荐该研究的理由:

  • 本研究探讨了不同字体下的呼吸机界面易读性

  • 在COVID-19的新型诊疗条件下,探索穿戴/不穿戴个人防护设备对获取呼吸机界面信息的影响;

  • 使用一个全面的四因素实验设计,探讨各个可能的影响因素;

  • 使用“瞳孔直径”和“平均注视时间”衡量任务效率和认知负荷

 

通过本文您能够了解到:

  • 眼动追踪技术在人机工效学领域的前沿应用;

  • 使用眼动追踪技术细化任务表现的方法论;

  • 呼吸机界面设计的最佳实践方式

 

 

 
1. 研究背景
 

呼吸机是一种重要的医疗设备,通过推动空气进出肺部,提供呼吸支持。这一设备已广泛用于呼吸衰竭或需要呼吸支持的人。当前,在疫情政策急转的背景下,呼吸机在拯救感染者生命方面发挥了不可或缺的作用。呼吸机界面显示患者的生命体征和监测信息,是医护人员了解和判断患者临床状况的卫生系统的重要组成部分。因此,操作界面的易读性是特别重要的。

 

易读性(Legibility)是指用户在短时间内准确理解符号或阅读文本的容易程度。易读性受到多种因素的影响。排版信息,如背景/字体颜色、字体类型、字体大小、间距、亮度对比、观看距离、字母混叠、环境光,亮度对比、颜色组合、字体和搜索时间等。对于非常复杂的汉字来说,笔画宽度是易读性的关键;而对于不那么复杂的汉字来说,字体大小是一个关键因素。

 

医疗设备界面的易读性尤其重要:高易读性能够减少医护人员的误操作,防止对患者的健康产生损害。在COVID-19的新形势下,医护人员需要穿戴个人防护设备。穿戴口罩,护目镜和防护服可能会影响用户阅读操作界面信息的任务表现。然而,从易读性角度考察呼吸机操作界面字体信息的研究较少,尤其是缺少穿戴个人防护设备情境下的研究。

 
因此本研究使用眼动追踪方法来探究在是否穿戴防护服的条件下,呼吸机上的不同字体易读性对医护人员的影响。
 

 

 
2. 研究问题
 

医护人员的个人防护设备和呼吸机的字体格式如何影响呼吸机操作界面信息的易读性?

 

 

 

 
3. 研究方法
 

3.1 实验设计

四因素被试内设计:

2字体(Arial, Times New Roman) ×2下标情况(大写,小写) × 3上标字体大小(15,20,30pt) ×2是否穿着PPE,即个人防护装备,Personal Protective Equipment(穿着,不穿着)。

 

使用四个因变量衡量任务结果认知负荷:

 

 

3.2 被试

被试由江苏省徐州市某高校的35名医科学生,具有一定的医学知识,自愿参与实验,视力或矫正视力正常的学生组成。有3名被试因为丢失数据被排除,剩余32名被试中男性和女性的人数相同。被试的年龄在22-30岁之间,平均年龄25.69,标准差为2.023岁。

 

3.3 实验材料

该实验采用的材料包含了45个呼吸机中的常用显示元素,主要包括压力(Pressure),通风(Ventilation),流量(Flow rate)和时间(Time)。在下标中,选择平均气道压力(Pmean)、平台压力(Pplat)、呼出潮气量(Vte)、吸入潮气量(Vti)、泄漏量(Vleak),由英文字母和阿拉伯数字(读数)组成。为防止不同颜色影响易读性,字体颜色为白色,背景色为黑色。

 

 

 

3.4 实验流程

实验开始前,让被试熟悉呼吸机的界面参数,并向被试介绍实验的步骤和注意事项。被试点击鼠标开始正式实验,首先在屏幕中央呈现一个“+”符号,持续500ms,而后随机呈现目标刺激1000ms,在刺激之间呈现空白屏幕300ms。每个试次随机向被试呈现三个变量的组合(字体,下标大小写,上标字体大小)。之后呈现由8个干扰物和刺激物组成的矩阵,被试要在这个阶段选择刚才呈现的刺激物。在这个过程中,记录了被试的眼动行为,反应时间和反应结果。

 

 

3.5 实验仪器

使用Tobii Pro X3-120眼动仪收集被试的眼动数据,该眼动仪的采样率为120Hz。实验刺激呈现在一台23英寸的戴尔显示器上,分辨率为1920x1080。被试到屏幕的距离为550-650mm。

 

 

 

 
4. 实验结果
 

4.1 正确率

对正确率做重复测量方差分析,结果发现,字体类型和下标情况的主效应显著。其他主效应和交互作用均不显著。

 

 

从图中可以看出使用Arial字体的准确率要高于使用Times New Roman字体的准确率,使用小写字母的准确率要高于使用大写字母的准确率。

 

4.2 反应时

对反应时做重复测量方差分析,结果显示:字体,下标情况和上标字体大小的主效应均显著。

 

 

小写字母的反应时间更短,这一效应在使用Arial字体时更明显,而两种字体大写则差异不大。

 

 

使用LSD方法对不同字体大小做多重比较,结果显示,20pt的反应时最短。

 

4.3 瞳孔大小

对瞳孔大小做多因素方差分析,结果显示,字体和下标情况的主效应均显著

 

 

由图可知,小写字母的瞳孔直径更小,Arial字体的瞳孔直径更小。这意味此两者的认知负荷更低。

 

4.4 平均注视时间

对平均注视时间做重复测量方差分析,结果显示,字体类型和下标情况的主效应均显著

 

 

展现出的数据模式与瞳孔大小相似,小写下标和Arial字体的平均注视时间更小,这说明被试用更少的注视时间就能够处理这些信息。

 

 

 
5. 讨论
 

在急救中,医护人员需要在短时间内快速地阅读呼吸机界面上的信息。为了提高呼吸机的使用效率,本研究探究了可能影响呼吸机界面易读性的四个因素,字体、下标情况、上标字体大小和是否穿着个人防护装备。结果显示,相对于Times New Roman字体,Arial的阅读效率更高;与15和30pt大小的字体比起来,20pt的字体大小阅读效率和效果都更好。15pt可能是由于字体过小,而30pt可能是由于字间距过大,因此20pt的效果最好。穿戴个人防护装备对实验指标没有显著影响,但由于本实验的持续时间没有医护人员在临床环境中的工作时间长,因此这一点可能需要继续探究

 

 

 
6. 结论与评论
 

6.1 结论

本研究使用正确率、反应时、瞳孔直径和平均注视时间衡量了四种因素对呼吸机界面易读性的影响,探究出了更好的呼吸机界面组织方式

 

6.2 评论

在这项研究中,邵老师等人使用了瞳孔大小和平均注视时长两个眼动指标。这两项指标在传统正确率和反应时的基础上进一步细化探究了被试在执行任务时的认知负荷。正确率仅有正确/错误的二分度量,而眼动指标能够更细致地反应被试执行任务时的效率。这也正是眼动追踪作为一种行为指标的价值。

 

在实践中,医护人员状态良好时,两种字体的差异可能不会带来很大影响。但当他们疲劳甚至存在健康问题时,不同的设计就可能带来更好的临床表现。而这种细微差异可能是传统的正确率所不能体现的。

 

 

 

参考文献

  • Shao, J., Yan, K., Liu, K., Xue, C., & Li, X. (2022). Experimental study on legibility of typographic information of ventilator interface. International Journal of Industrial Ergonomics.

 

 

致谢

感谢中国矿业大学的邵将老师允许我们报道这篇研究,也感谢邵老师在本文写作中给予的大力支持

 

 

关键词:

Tobii,COVID-19,呼吸机,眼动研究,新冠,眼动仪

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