基于QFD&TRIZ 的帕金森患者助行器优化设计研究

韦艳丽，冀源，王超凡，陈昱立

（合肥工业大学 建筑与艺术学院，合肥 230601）

帕金森病是一种神经退行性疾病，其发病率仅次于阿尔茨海默病[1]。随着我国人口老龄化和老年人口高龄化情况的加剧，帕金森病患者数量始终处于上升趋势[2]。为实施老年人居家适老化改造，构建医养康养相结合的养老服务体系，应坚持以需求为导向，增强居家生活设施设备安全性、便利性和舒适性[3]。帕金森病患者群体与老年人群体高度重合，目前针对帕金森病，主要治疗手段只能改善患者症状，不能阻止病情的发展。因此，运用科技产品（如助行器等）辅具成为主流的改善病患生活的手段。当前的帕金森病症程度分级模糊，且在实践过程中存在着评价主观等问题。而随着微机电系统运动传感技术的发展，各种设备端的运动传感器可以针对患者症状进行自动化、客观化的量化评估研究。助行器作为帮助帕金森患者实现稳定步行的辅具，在设计研发环节存在着相关功能拓展的可能，在自身结构端亦存在着改善和提升的空间。

1 QFD&TRIZ 理论分析与应用

1.1 QFD&TRIZ 理论分析

QFD 理论即质量功能配置，是由赤尾洋二（Yoji Akao）和水野滋（Shigeru Mizuno）两位日本学者提出的，作为一项质量管理系统的多层次演绎分析方法，致力于通过让客户满意来提高市场占有率[4]，其核心内容是需求转化。在产品创新和研发的过程中，设计师可以通过质量屋（HOQ）把用户需求进行分解转化，将其准确转化为包含设计创新、工艺制作和零件开发等在内的技术需求[5]。

TRIZ 意指发明问题的解决理论，是由根里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuler）在深入分析研究数千项技术专利的研究成果后，总结出的一套系统性的解决方法和指导原则[6]，其主要特征是系统化的问题处理流程，在运用此理论研发和生产新产品时，需将核心问题描述成 TRIZ 理论系统的表达方式，然后通过TRIZ 理论中解决问题的基本工具，找到其问题的理想解决方案[7]。

1.2 QFD&TRIZ 理论应用

在将QFD&TRIZ 理论整合并应用的过程中，通过QFD 理论进行前期产品分析，研究用户需求，指明研究方向。通过TRIZ 理论进行产品开发后期的实践和制作，寻找解决问题的方法，来有效解决痛点问题。

通过QFD 理论和TRIZ 理论的集成应用来解决帕金森患者助行器设计过程中的问题，构建解决冲突流程框架图，QFD&TRIZ 集成应用框架见图1。首先进行需求分析，通过QFD 理论获取用户需求和技术特性；其次建立质量屋，完成相关矩阵得出核心问题；再次进行矛盾分析，通过TRIZ 理论将问题描述为冲突并确定冲突类型；最后通过“TRIZ 40 条发明原理”找出适合的发明原理解决矛盾，构建产品整体创新方案，并进行可行性测试，在得到产品最终方案的同时，构建出基于QFD&TRIZ 理论的优化设计模型，从而优化帕金森患者助行器的设计。

图1 QFD 和TRIZ 的综合运用Fig.1 Comprehensive application of QFD and TRIZ

2 基于QFD 的帕金森患者助行器痛点分析

2.1 帕金森病患者行走特点分析

帕金森病作为一种低病死率、高病残率的疾病，严重威胁老年人群的健康，其临床表现主要包括震颤、运动迟缓、肌强直和姿势步态障碍等运动症状[8]。患者行走能力的逐渐丧失具体表现为以下三点。

1）行走前：肢体张力过高、启动困难、从坐立到行走的切换过程极为困难、抬腿迈步过程困难并伴有发涩的感觉。

2）行走中：步态前冲、身体前倾、出现蹒跚碎步、运动状态发僵、容易跌倒、无上肢联动、拐弯动作时常出现脱节。

3）行走后：行走到坐立的切换过程同样极为困难、发生静止性震颤，并且行走后会出现较强酸涩感。

2.2 助行器产品助行功能分析

助行器是指辅助人体支撑、平衡和行走的工具。老年人群体往往伴随着不同程度的失能，独自出行具有一定困难，通常需要助行器的帮助才能实现。市面上助行器种类繁多，主要包含四角框式、阶梯框式、差动框式、两轮式和四轮式等。基于市面上助行器产品的分析，其整体功能主要分为助力行走和危险防控。助力行走功能类别中包含了支撑身体、稳定平衡、助力起身和停住脚步等；危险防控功能类别中包含扶手与滚轮的防滑和摔倒后的紧急求助等。除此之外，助行器还有如储物等在内的相关辅助功能。区别于一般无法承受自身体重的偏瘫或截瘫患者，帕金森病患者在行走上可以维持一定的步态，故其通常会选择四轮式助行器，以期将身体维持在一个较灵活的状态。

2.3 助行器产品助行痛点分析

帕金森患者的病症严重程度主要由神经科医生根据统一帕金森病评分量表进行评估，根据病情严重程度分为5 个等级[9]，0：正常；1：轻微；2：轻度；3：中度；4：重度。助行器设计过程中需要采用适合患者病症程度的治疗手段以适合不同震颤等级，也需要为患者出行过程中提供运动康复训练的机会。因此，在帕金森患者助行器的设计过程中应该注意的问题如下。

1）结构改进。助行器的设计要考虑到结构对于患者的便捷性，方便患者的使用。针对助行器的设计需要完善产品结构以适应不同病症程度的患者需求。通过针对步态、步速和平衡等能力的训练，改善姿势的不稳定性，降低跌倒风险。通过助行器这类辅具治疗有利于患者提升康复体验感，增强患者及其家庭的康复信心，从而提升患者的康复效果[10]。

2）造型实用。患者在使用助行器过程中通常需要自主施加一定的力量来实现助行功能。在功能方面，助行器需要足够的支撑结构，以保持患者的步态稳定；在视觉方面，需要减少助行器的视觉冗余感，以实现轻巧的感觉，避免交互记忆的复杂性。这便要求助行器的造型应当将易用性和安全性放在首位，在设计上注重实用、美观和耐用，把握部件与整体之间的统一，消除安全隐患。

2.4 助行器产品质量屋的构建

通过对帕金森病患者行走特点、市面上助行器的功能和使用痛点进行分析，得出部分典型用户需求。随后采用访谈与问卷的调研方法，在与帕金森病患者及其家属进行沟通交流过程中，记录需求信息点。访谈过程中除了对典型用户需求进行深入了解之外，更应当着重关注患者在出行过程中的实际需求，如在出行过程中的休息情况和助行器的放置问题；在产品外观上考虑用户心理需求，如不同产品色彩带给用户的感受，都需要通过了解帕金森患者心理状态来进行相关设计。访谈后通过kano 模型进行问卷设计，针对帕金森患者（或其家属）共发放问卷40 份，其中男性28 例，女性12 例，年龄57～83 岁，以此获取用户需求并确定其重要性排序，基于kano 模型所设计的部分问卷见表1。

表1 针对用户需求重要性的问卷设计（部分）Tab.1 Questionnaire design for the importance of user needs (partial)

通过对帕金森患者（或其家属）进行问卷调查后，得出如表2 所示的选择对应表和如表3 所示的选择占比数据。如表2 所示A 表示魅力质量要素，M 表示必备质量要素，O 表示期望质量要素，I表示无差异质量要素，R表示逆向质量要素，Q表示问题质量要素[11]。

表2 用户需求重要性问卷选择对应表Tab.2 Corresponding selection of user need importance questionnaire

表3 用户需求重要性问卷选择占比数据表Tab.3 Selection proportion data of user need importance questionnaire

在对用户选择占比数据统计整理后，引入kano模型中的Better–Worse 计算公式。

Better/SI = (TA + TO)/(TA + TO + TM +TI)

Worse/DSI =-1 *(TO + TM)/(TA + TO + TM +TI)

Better 系数指的是当产品中具备该需求时，能极大提升用户的满意度；Worse系数指的是当不具备此类需求时，用户的满意度将大幅度下降[11]。将问卷调查后的选择占比代入公式计算可得出如表4 所示的Better–Worse 值。

表4 各需求特性Better–Worse 值Tab.4 Better-Worse value for each required feature

得出各需求Better 和Worse 值后，构建帕金森患者用户需求的Better–Worse 坐标轴，由于其中Worse值为负数，为方便显示取Worse 系数绝对值进行绘制，见图2。由此确定用户需求重要性等级，其中需求依照重要性排序由大到小可为必备需求、期望需求、魅力需求和无差异需求。

图2 帕金森助行器用户需求Better–Worse 系数Fig.2 Better-Worse coefficient of user needs for walking aid of Parkinson's patients

在确立用户需求并进行重要性排序后，从实际的用户需求中提取出具体的设计要素，建立起有关帕金森病患者助行器的功能质量屋，见图3。

图3 帕金森助行器功能质量屋Fig.3 Functional house of quality of walking aid for Parkinson's patients

3 基于TRIZ 的帕金森患者助行器优化分析

3.1 产品冲突问题的TRIZ 转化

产品冲突问题的TRIZ 问题转化是依据TRIZ 理论将冲突问题转化为标准问题模型，从前期所构建的功能质量屋中可以得知如下。

1）用户综合需求之中安全可靠、多功能、平衡稳定所占比重最大。

2）主要有两对矛盾，即产品的造型设计与尺寸大小、结构的稳定性与结构的强度，冲突问题的TRIZ转化见表5。

3）在产品外观方面要实现一定的可适性，以保障帕金森患者的心理健康。

在TRIZ 理论框架的基础上，结合产品设计的外观、结构与功能需求，运用TRIZ 理论中的“39 条标准工程技术参数”，将冲突问题转化为：No.5 运动物体的面积，即拓展产品的操作空间，实现为患者提供驻足休息的功能空间；No.7 运动物体的体积，即减轻产品的体积实现轻巧化，便于患者独立使用；No.13结构的稳定性，即让产品的结构合理化，实现整体稳定，并尽可能减少帕金森病症带来的震颤，抵消负面振动对行动的影响；No.14 结构的强度，即提高结构的强度，实现整体系统的适宜性与耐用性，见表5。

表5 冲突问题的TRIZ 问题转化Tab.5 Transformation of conflict issues to TRIZ issues

3.2 产品TRIZ 问题的解决方案

根据矛盾类型，查找TRIZ 理论中的“40 条发明原理”发现，与之矛盾类型对应的可用发明原理有No.09 预先反作用和No.17 多维化原理，见表6。

表6 TRIZ 问题的解决方案Tab.6 Solution to the TRIZ issues

康复运动训练可以改善帕金森病患者的肌肉力量平衡、步态和身体机能，帮助患者恢复一定程度的运动和工作能力，从而提高患者生活质量，维持更久的工作时间和生活自理能力[12]。依据对帕金森病患者在康复运动训练过程中的技术分析，确保患者在助行过程中得到必要的休息和锻炼。在此需求基础上，对助行器的结构与现有的技术手段进行耦合，并提供适宜的切换方式，帮助患者在不同行动模式之间进行切换。

通过No.17 多维化原理，考虑增加产品维数，即生成一个方便用户进行短期休息的空间，同时避免带来体积的增加，保持产品轻巧感。在实际出行过程中，帕金森病患者往往面临着震颤带来的步态失衡风险。因此，在产品设计过程中需要减小或消除震颤的抖动，以达到平衡稳定的效果。

鉴于当前医疗技术无法根治患者的震颤症状，故通过No.09 预先反作用原理，提前设计好与震颤抖动相反的作用机制，利用传感技术接收震颤信息并及时给予反馈。在这一过程中，首先通过对帕金森患者震颤程度进行区分，主观描述震颤程度为肉眼难观察的震颤信号幅度范围在[–0.01,0.01]（单位为g 指重力加速度，可取9.8 m/s²），轻微震颤信号幅度范围在[–0.015,0.015]，明显震颤信号幅度范围在[–0.025,0.025]，大幅度震颤信号幅度范围在[–0.5,0.5][13]。基于此将震颤幅度（记做D）与震颤程度之间进行量化描述，对应关系见表7[13]。

表7 震颤程度与震颤信号幅度的关系Tab.7 Relationship between degree of tremor and amplitude of tremor signal

其次，需对帕金森患者震颤程度进行有效监控。目前，在医疗领域中最常见的微机电系统是惠斯顿电桥压阻式硅微压传感器，可依据压力变化提供电信号，能够较好地监测敏感部位的压力；硅加速度传感器可以用来很好地测量震动频率和震幅[14]。最后，利用预先反作用原理，在患者使用产品过程中，加上大小相等、方向相反的修正量[15]。在一定程度上减小或消除抖动，将矛盾化解，为患者带来尽可能稳定的出行体验。

4 基于QFD&TRIZ 的优化模型构建和应用

4.1 优化设计模型的构建

在帕金森患者助行器设计过程中，通过QFD 理论获取用户需求并识别设计要素，构建关系矩阵并搭建功能质量屋，通过TRIZ 理论将问题描述为冲突并确定冲突类型，然后在“TRIZ 40 条发明原理”中找出合适的发明原理来解决矛盾，通过发明原理确定解决方案，构建产品整体的创新方案，并进行可用性测试，从而得到产品最终方案，基于QFD&TRIZ 理论的帕金森患者助行器设计理论模型，见图4。

图4 基于QFD&TRIZ 的帕金森患者助行器设计理论模型Fig.4 Theoretical design model of walking aid for Parkinson's patients based on QFD&TRIZ

1）用户需求分析。在设计之初，用户需求决定了产品导向，目标用户需求分析包含用户角色分析、场景分析和路径分析。只有找出用户的真实需求并加以满足才能吸引用户。

2）识别设计要素。在明确用户需求后，需要将其提取出具体的产品设计要素。产品设计要素的识别是产品设计研究中不可或缺的重要环节，设计要素的拆解与组合能够帮助理清主要矛盾并形成完善的整体设计方案。

3）构建功能质量屋。用户需求的确定和设计要素的识别，是构建功能质量屋的铺垫与关键。功能质量屋的建立，确定了用户需求与设计要素之间潜在的相互作用，并将其直观呈现。

4）负相关特性转化。依据TRIZ 理论中的标准工程技术参数，将功能质量屋中产品负相关特性进行冲突描述，并将其TRIZ 转化为物理矛盾和技术矛盾，这一过程的深入为矛盾的解决指明了方向。

5）解决矛盾。矛盾的解决是依据矛盾类型，从“TRIZ 40 条发明原理”找出合适的发明原理来确定解决方案，有效解决矛盾是生成优化改良设计方案的核心。

4.2 优化设计模型的应用

复安易行是一款针对帕金森患者的助行器，设计之初，考虑患者对震颤等级的理解缺乏和外出行走需要休息为出发点，通过传感器的抖动来抵消整体机器的抖动，保持稳定的同时为出行提供休息空间。

1）用户需求分析。根据帕金森患者与助行器产品的调研分析，整理出包含易用性、多功能、安全可靠、识别度高、大小适宜、平衡稳定、简洁实用和材质优良在内的典型用户需求。

2）识别设计要素。在确立了用户需求并明确其重要性后，从中提取出包含功能、造型、材质、人机、操作感应和使用环境在内的产品设计要素。

3）构建功能质量屋。通过用户需求与设计要素之间的关系分析，找出其相互作用，依据QFD 理论构建出帕金森患者助行器的功能质量屋，其直观呈现了以下两组特性：正相关特性（功能与操作感应、造型与操作感应）；负相关特性（造型与尺寸、人机与操作感应）。

4）负相关特性转化。通过TRIZ 理论中的“39条标准工程技术参数”，将负相关特性之间的冲突问题转化为矛盾。即造型与尺寸冲突问题可描述为No.5运动物体的面积和No.7 运动物体的体积之间的物理矛盾；人机与操作感应冲突问题可描述为No.13 结构的稳定性和No.14 结构的强度之间的技术矛盾。

5）解决矛盾。针对帕金森患者助行器，在物理矛盾层面上，可选择TRIZ 理论“40 条发明原理”中No.17 多维化原理：利用多维化原理将产品的维数增加，从而生成一个方便用户进行短期休息的空间，同时避免体积的增加，保持产品的轻巧感，见图5。

图5 产品物理矛盾方案Fig.5 Physical contradiction scheme of product

在技术矛盾层面上，可选择TRIZ 理论“40 条发明原理”中No.9 预先反作用，让产品能够提前对患者的震颤做好应对与反作用，以保障足够的强度并实现结构的稳定。采用微机电系统，在对运动的精确测量基础上，通过电机的反向运动实现抵消振幅产生防抖的效果[16]，而相对于较为严重的震颤情况则可以采用绑带将用户的手臂进行一定程度的固定，见图6。

图6 产品技术矛盾方案Fig.6 Technical contradiction scheme of product

基于QFD&TRIZ 理论的设计流程，最终得到完整的帕金森患者助行器改良设计方案。产品的目标是减轻病症的影响并帮助患者进行康复运动训练，对应不同震颤等级的帕金森患者提供不同程度的帮助，提升患者的出行体验。在设计过程中发现用户感官知觉上的衰退，因此在模式切换环节设置有较大的提醒按钮，醒目地告知4 个功能按键分别为跟随模式、灯光模式、检测模式和轮椅模式，中间部分为开关启动按键，为整机的电力输入提供保障，见图7。

图7 产品效果Fig.7 Product effect

4.3 优化设计案例的评估

基于QFD&TRIZ 的帕金森患者助行器设计理论模型的应用，已经完成了助行器产品的优化设计，为验证优化后产品的可行性与有效性，通过李克特量表对该产品相关特性进行逐一评分。同时，选取市面中较为常见的3 种助行器采用同样的评分标准进行比对，问卷中样本案例，见图8。

图8 比对样本案例Fig.8 Comparison case of samples

在确定样本案例后，从前期调研所得出的典型用户需求中，提取包含安全性、易用性、稳定性、轻便性、空间合理性和功能完善性在内的产品特性进行问卷设计。为保证问卷的有效性，共发放25 份问卷，其中接受问卷调查的人包含8 名长期使用助行器的帕金森患者，5 名帕金森患者家属和12 名从事工业设计工作的设计师。评价结果见表8，其中样本1、样本2、样本3 和样本4 分别对应图8 中的比对样本案例，样本4 为文中助行器优化设计实例。

表8 助行器产品特性评分结果Tab.8 Scoring results of walking aid characteristics

基于助行器产品特性用户评分结果来看，通过QFD&TRIZ 理论模型优化后的设计实例平均分均在3.9 分以上，可以证明此次优化后的助行器产品用户较为满意。

5 结语

综上分析，帕金森患者作为慢病人群，区别于普通老年人的行为特点，通过QFD&TRIZ 理论的结合能够精准分析用户需求，把握产品关键问题，从而消除用户痛点。基于QFD&TRIZ 理论所构建的帕金森患者助行器设计理论模型，在用户调研分析、产品结构与功能的实现和产品技术的整合等方面均具有指导意义。经由帕金森患者助行器设计理论模型所指导的设计案例，通过用户评估和产品比对，证明了产品优化结果的可行性和有效性。