路 由，曾群辉
(武汉大学，武汉 430072)
摘要：结合贝斯达BTH-50便携式彩色超声诊断仪项目，以解决便携式彩色超声诊断仪在弱光使用环境下操作不便，减少误操作为目的。通过对人机工程、触觉、视觉的研究，并结合实际使用环境，及未来可能发展的趋势，论述了针对弱光使用环境人机界面设计的价值，进而分析了从人机工程、触觉、视觉方面进行设计的可行性。在此基础上，通过实际项目对研究结果进行检验，并取得了良好的效果。
关键词：控制面板;弱光环境;人机工程;触觉;视觉
中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2010)16-0012-04
医疗设备是与人体生命密切相关的特殊产品，其人机界面设计比其他工业产品的设计更具有特殊性[1]。控制面板做为医疗设备人机系统最主要的交互界面，对操作设备的工作效率和准确率有很大的影响。近年随着技术水平的不断提高，医疗设备趋向小型化、多功能化，使用环境多样化、复杂化，因而在设计这类产品的时候需要充分考虑其在一些特殊环境下地使用。结合实际项目，以满足超声诊断仪在常规环境作业的前提下，重点考虑其在弱光使用环境下的控制面板设计。
1 便携式彩色超声诊断仪现状及分析
1.1 弱光环境
照明是视觉感知的必要条件，在人们与自然界的接触中，约有80%的信息是通过视觉系统获得[2]，因此创造舒适的光环境，提高视觉效能，是减少误操作的有效方式。
所谓“弱光环境”，并没有一个明确的概念，是相对于人眼在一定环境采光(照度)条件下分辨物体的难易程度来确定的，是一个相对的概念。照度是单位面积上受到光照射的光通量，常用来表明受照物体表面上光的强弱。国际上通用照度来规定照明的标准值，单位：勒[3]。研究表明，在经常有人工作的场所，其照度不宜低于50勒,低于该值人眼分辨物体的能力会受影响，因而将环境采光低于50勒称为弱光环境。
1.2 使用环境及分析
1.2.1 现有使用环境
现有便携式超声诊断仪使用环境分析：一方面，由于此类设备价格昂贵，体积较大。出于安全、方便的考虑，大多把其存放在比较固定且封闭的室内。使用时往往将诊断仪、患者、医生围成一个临时的密闭空间。相对开敞的环境，环境采光大大减弱;另一方面，由于控制面板面积过大，显示屏较小，其提供的照明强度和面积有限。显示屏所发出的大部分光线都集中在键盘区域，离显示屏较远的功能键操作区域光照不足，不便于在弱光环境中使用。现有便携式超声诊断系统见图1。
1.2.2 未来使用环境
随着技术水平的提高，医疗设备越来越小型化、轻巧化。便携式超声诊断仪不再受到体积的影响，可以在一些特殊的环境中发挥作用。比如在地震、海啸等突发性的灾害中，实施夜间的急救工作。现有产品都是20世纪八九十年代的产品，控制面板设计不尽合理，没有考虑在弱光环境下使用，因而需要设计一款基于新技术的既适合正常环境下使用，又能满足特殊环境下作业要求的控制面板。
2 便携式超声诊断仪系统
2.1 便携式超声诊断仪工作原理
彩色超声诊断仪工作过程为：在聚焦延迟电路控制下探头获得激励脉冲后，发射声学聚焦超声波，然后再由探头接受反射回的延迟回声信号，探头接收回来的回声信号经过滤波，放大等信号处理。由DSC电路进行数字变换形成数字信号，在CPU控制下进一步进行图像处理，再同图表形成电路和测量电路一起合成视频信号送给显示器形成熟悉的彩超图[4]。
2.2 便携式超声诊断仪控制面板的构成
整个控制面板包括标准笔记本键盘、轨迹球、电源开关、对焦调节旋钮、8个增益调量和34个按钮。其中键盘、增益调量、轨迹球为现有标准件，因此只讨论其他控制器在弱光使用环境下的设计。
3 弱光环境下的控制面板设计
3.1 人机工程
控制面板作为人—机系统的主要输入设备，为了提高人机系统的工作效率，减少误操作，就必须按人机工程学的要求来设计控制器，达到设计的最终目的。
3.1.1 控制器尺寸
从触发控制器的人体器官将控制器分2类：手动控制器和脚动控制器。实际项目中只涉及到手动控制器，所以脚动控制器不在本文研究范围内。实际项目中主要用到的手动控制器为按钮和旋钮2类，按钮只进行一个方向地操作，其大小主要是根据人手指指端大小及操作方式来确定[5]。使用大拇指操作的按钮，其大小应该大于20 mm;用食指操作的按钮，其大小应该大于7 mm，手动控制器尺寸见表1。当使用4个手指时，应该大于32 mm。旋钮的大小以保证手指与旋钮有足够的接触面积用来施力和夹紧。旋钮的直径以50 mm，高度为12.7 mm为最佳。国际标准ISO9355-3也给出了这3类控制器的大小值。
3.1.2 控制器间隙
当许多控制器排列在一起的时候，相邻布置的控制器之间应该有适宜的间距。不能太近也不能太远，如果间隔距离过小，容易发生误操作;如果间距过大，会增加使用者的工作强度，会降低控制面板空间的利用率。国家标准GB/T 14775控制器之间的最小距离，见表2，并考虑到弱光使用环境，将控制器之间的距离都做适当的扩大。
3.2 触觉特性的应用
触觉在黑暗或弱光的环境中有重要的利用价值。它可以替代听觉和视觉感知周围环境状况和找到目标，在光照条件差的环境中是辅助视觉功能较好的途径[6]。而手是最好的感知机器，在手的皮肤中分布着丰富的神经末梢，通过手的主动触摸，可以准确感知物体的形状、大小、轮廓、材质等信息。将控制器进行合理编码，使每个控制器都有自己的特征和代码，这是一种触觉辨认的好方式。
3.2.1 控制器编码设计
1)形状编码。
将不同功能的控制器做成不同的形状，以便各种控制器的分辨。控制器的形状与它的功能相结合，使操作者触摸到控制器就能由控制器的形状联想到它的功能，在视觉环境不好的环境下指导操作。根据控制器功能的相关性，将控制面板上的按钮分成2类：调节键，这类键一般需要同时进行2个动作的操作，如画面明或暗的调节;功能键，只需要单个动作操作就可以完成功能的切换。将这2种按键进行形状编码，调节键设计成竖条行，符合人的操作习惯，上增下减。此外功能键设计成圆饼状，轨迹球周边按钮设计成弧状，见图2。实现不同的形状，代表不同的功能。
2)表面肌理编码。
通过对控制器表面肌理处理，在触摸时，可以产生不同的触感。研究表明，旋钮上的防滑纹理也可以作为肌理编码器[7]。例如，调焦旋钮上的带槽纹，就是应用这条原则而设计的，便于其与周围的功能键分开来。
3)位置编码。
将控制面板上除增益调量和键盘之外的其他按钮，按功能的相关性及逻辑性进行编组，分成3个区域：调节按钮区、功能键区及和轨迹相关的位移区。考虑到控制面板视觉关系的整体性，将调节按钮区和功能按钮区结合在一起，见图3。顶部为调节按钮区，中间是功能按键区，靠近轨迹球的是位移操作区。这样手指可以根据按键所在位置和方向的差别来分辨按键的功能。
3.2.2 面板材质肌理
整个按键区分成A，B 2个区域，见图3，在这A，B区域分别使用不同表面肌理的材料。B区域使用的是具有MT-11030咬花纹理且有凹凸感的ABS面板，而A区域面板使用的材料是表面光滑的ABS面板。只要将手指放在面板上就能感知到手指所在的区域按键的大概功能。这样即使在光照强度不理想甚至是黑夜的环境里，也能起到辅助视觉系统，减少误操作的作用。
3.3 视觉特性的应用
3.3.1 标识细节设计
视角是由瞳孔中心到被观察对象两端所张开的角度，是衡量人眼辨别物体细节能力的度量, 它与物体大小成正比，与视距成反比。一般情况下，正常人眼能分辨5 m远处两点之间的最小距离，其相应的视角为1'[8] 。当视角小于1'时，人眼对物体就难以分辨了。人正确识别物体的视角约为10'～15'。以人眼到控制器的最佳视距为45 cm，则控制器上标识的细节部分，如线宽应该在1.3 mm以上。几种工作任务的视距推荐表见表3。
3.3.2 透射按钮设计
将每个按钮的功能或操作方向用简洁的图像或文字标记在按钮的表面。用激光雷雕技术把图像和文字雕刻出来，并在按钮背面打上柔和的灯光。光线通过这些雕刻图形及按钮的边缘溢出，便于区分各个控制器。在弱光使用环境下，操作者必须保持暗适应时，应该采用亮标识/暗背景的格式。透射按钮标识的亮度与所预期的环境照明相适应，至少应高出背景亮度的10%。在必须降低眩光的场合，透射按钮标记的亮度最多是背景亮度的300%[9] 。
4 结语
以满足实际应用为目的，从人机工程学、触觉和视觉方面对便携式彩色超声诊断仪的控制面板进行研究，提高其在弱光环境下使用的方便性和宜人性。在充分考虑当前技术水平与产品未来发展趋势的基础上，产品效果图和最终样机效果，见图4和5，既能满足正常环境下使用又能在特殊环境下方便操作的控制面板。通过对便携式超声诊断仪控制面板的设计研究得出，医疗设备作为与人体生命密切相关的特殊产品，其人机界面设计比其他工业产品的设计更具有特殊性，应该始终以人为中心，加强对使用者的生理、心理及易操控性研究，方便与使用者进行有效沟通，体现对使用者的人文关怀。
参考文献：
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[2] 左春柽，杨斌宇，王晓峰，等.人机工程与造型设计[M].北京：化学工业出版社，2007.
[3] 张广鹏.工效学原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.
[4] 方灿亮.SIEMENS G60s彩色超声诊断仪结构原理及维护保养[J].中国医疗设备，2008，23(7)：51.
[5] 高鹏翔.人机工程在控制面板设计中的应用[J].青岛大学学报，1998，13(2)：86-89.
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[8] 童时中.人机工程设计与应用手册[M].北京：中国标准出版社，2007.
[9] 张宏林.人因工程学[M].北京：高等教育出版社，2005.
