基于认知负荷的家用医疗产品周期性图形设计研究

李 瑶， 张 昆

（中国矿业大学大学 建筑与设计学院， 江苏 徐州 221116）

0 引言

随着物联网、 云计算等互联网技术的普及和广泛应用，家用医疗产品智能化技术不断突破，家用医疗产品迅速普及至各个家庭， 线上远程医疗也逐步成为现实。在此背景下，家用医疗产品势必将与大数据信息技术紧密结合，为用户提供个性化、智能化的服务。 周期性图形作为可视化信息的重要组成部分，能够将抽象的数据用简洁的视觉元素来表达，方便用户更好的管理和监控个人健康数据。 然而， 目前市面上的家用医疗产品大多数仅显示测试数据和历史数据，用户需要依次翻页查看数据， 难以进行数据的比对和分析。 如何更好地利用周期性图形为用户、远程医疗和线上医疗提供数据便利，已成为迫切需要关注的问题。 因此，为家用医疗产品健康数据设计周期性图形，为用户在管理健康数据时提供便利，具有深远的意义。

1 家用医疗产品周期性图形的设计要素与认知负荷分析

1.1 家用医疗产品周期性图形的收集与设计要素分析

家用医疗产品主要是指适于公众在医院外使用的，安全可靠、操作简单、体积小、携带方便的非专业性医疗产品[1]。 现阶段市面上常见的带有显示界面的家用医疗产品有血糖仪、血压计、血氧仪、呼吸机等，显示信息以纯数字数据为主，文字和图标信息为辅。其中，由于糖尿病的特殊性和某些高血压的隐蔽性， 部分患者需要长时间地动态监控血糖或血压数据， 因此需要安装或佩戴动态血糖监测设备或动态血压监测设备，以便于及时获得并记录数据信息，方便患者及时应对病情，提高治疗效率。 家用医疗产品的周期性图形则主要集中于各类健康数据监测系统或健康管理APP 中，记录一定周期内血糖、血压和心率的数据变化，主要包括柱状图、线型图和散点图等数据图表，属于信息图表的一类分支[2]。 表1、2 收集了血压和血糖的临床常用监测周期与诊断阈值[3-6]。

表1 临床血压监测数据周期与诊断阈值Tab.1 Clinical blood pressure monitoring data cycles and diagnostic thresholds

表2 临床血糖监测数据周期与异常数据阈值Tab.2 Clinical blood glucose monitoring data cycles and abnormal data thresholds

动态血压/血糖数据监测与家庭血压/血糖数据监测不同的是，前者由监测设备在配套的软件中自动生成监测报告和周期性图形，用户可以直接使用移动设备在配套软件中随时查看、保存数据；而家庭血糖数据监测则是由用户自行测量并手动录入健康数据管理APP 中，再由APP生成数据周期图形。基于前文资料，收集了常见健康监测APP 中的血压监测和血糖监测的周期性图形见表3。

表3 家用医疗产品周期性图形收集Tab.3 Periodic graphic collection of household medical products

表4 血糖、血压测量数据周期性图形设计要素分析Tab.4 Analysis of periodic graphic design elements of blood glucose and blood pressure measurement data

根据收集的周期性图形可以得知， 血糖数据监测的周期性图形主要分为散点图和线型图两种类型； 而血压数据监测的周期性图形则主要是柱状图和线型图。其中，由于动态监测的数据量较大（血糖数据量高达288 个，血压数据量在60 个左右）， 且重点观察数据变化趋势和异常数值的变异系数， 因此动态数据监测的周期性图形均为线型图。 三种类型的周期性图形各有其显示的侧重点和特点，线型图能够更好地展现数据变化趋势，柱状图中数据量的对比较为明显， 散点图则易于展示数据分布范围。由于线型图和柱状图在各类软件中使用较为广泛，本研究选取线型图和柱状图两种类型的周期性图形用于设计要素的提取和分析。

1.2 家用医疗产品周期性图形认知负荷评价方法与指标

国内外学者基于各种评价维度提出了认知负荷的不同测量方法， 主要分为主观测量法和客观测量法， 根据Brǜnken 等[7]基于客观性和因果关系提出的测量方法，主观测量法和客观测量法均有间接的和直接的两种方式。其中，间接的主观测量法主要是运用调查问卷、直接的主观测量法则是运用等级评定量表等方式要求被试者主动报告自身在实验中体会到的任务难度、 投入的心智努力等，从而对自身认知负荷进行量化。但由于主观测量容易受被试个体差异的影响，会产生较大的实验误差，一般不单独使用。 而间接客观测量法则是通过测量被试者在实验中完成任务的结果表现和行为表现， 如对任务完成的准确率和时长进行量化； 直接客观测量法即通过使用生理指标检测仪器对被试的生理活动进行度量， 从而达到客观测量认知负荷的目的。

本文拟采用直接主观测量法和间接客观测量法相结合的方法，让被试者在实验中完成相应任务，以任务完成准确率、完成反应时间和主观评价量表作为评价指标，对不同屏幕尺寸下不同类型的周期性图形的认知负荷进行研究。

2 家用医疗产品周期性图形的认知负荷实验研究

2.1 实验目的

本文基于认知负荷相关理论， 通过对不同屏幕尺寸的不同类型周期性图形进行研究， 分析在不同屏幕尺寸条件下，认知负荷最低的周期性图形的类型和设计要素，进而为家用医疗产品周期性图形的设计提供理论依据。

2.2 实验设计

2.2.1 实验设备

使用Redmi K30Ultra 智能手机展示实验样本进行测试，其显示屏尺寸为6.67 英寸，纵横比为20∶9，分辨率为1080×2400px， 每英寸像素为395PPI。 使用Adobe illustrator 软件绘制三种不同大小屏幕的图形，并呈现在设备上进行实验。 实验均在一般照明状况（室内明亮光照 明度约300lx） 及无噪音环境下进行。 被试均佩戴Tobii Glasses2 眼动实验仪以记录眼动轨迹和注视热力图。

2.2.2 被试

本次实验邀请了中国矿业大学的20 位在校研究生作为受试者，受试者年龄段均为20～28 岁年龄段学生，且受试者无色盲、色弱或其他眼疾，裸视或矫正视力均达正常值。

2.2.3 实验对象

本次实验依据手机屏幕大小、 常见健康手环屏幕大小和畅销家用血压测量仪的显示屏幕大小确定自变量一的屏幕尺寸分别69×142mm、ϕ33mm 圆屏和60×45mm。分别用这三种尺寸大小绘制两种类型的图表（线型图、柱状图），并根据血糖和血压常用测量周期[3，5]，以频率和代表性为衡量标准，分别选取数据量为7 和14 的数据周期作为绘制依据。针对三种自变量（屏幕大小、图表类型、周期数据量）排列组合出12 种实验图形，如表5 所示。

表5 实验图表设计Tab.5 Experimental diagram design

2.3 实验过程

首先，请受试者各自调整好坐姿和阅读姿势，保持阅读距离在30～45cm 左右， 以便能清楚观看到手机屏幕的内容，并排除因阅读距离不同造成的实验误差；然后给受试者讲解实验内容，实验顺序和需要注意的问题，接着让受试者阅读测试图形并回答相应问题， 以便其熟悉实验测试流程。 模拟实验完成后，让受试者休息片刻，便开始正式实验。 受试者共计阅读36 个图形（共12 种图形组合，每种图形阅读3 个），并且按照屏幕尺寸分为三组。 每种图形组合分别设置以下三种问题： ①找出某一数据最高值或最低值存在的时间段；②选择出某时间段中，指定数据异常值的数量；③选择出异常数据的数量；三种题目均为单项选择题。

受试者被要求先阅读纸质资料上的题干内容， 再观察手机屏幕上的图形，直到选择出答案并写在纸上，写出答案后不可再回头观看修改答案； 用眼动实验仪记录下从正式试验开始到结束的全过程。 正式实验基于不同屏幕尺寸分为三个部分，每个部分完成后，让受试者针对图形的阅读难度、美观程度进行主观评价。为避免受试者因视觉疲劳而影响实验结果， 每部分实验结束后休息1 分钟再进行下一部分实验。 且为避免因受试者测试熟练度造成的后续实验速度加快，实验对三组图形顺序按照排列组合平均分配，随机给每一位受试者。

图1 实验拍摄图

图2 实验图例1

图3 实验图例2

3 结果与讨论

实验结束后，使用Tobiii Pro Lab 数据分析软件统计实验中每一被试完成每道测试题的阅读时长， 并记录每组测试题的正确率、 统计计算各项图形的主观评分平均值。记录结果如表6 所示，对统计数据进行差异性分析，结果呈现如表7、8 所示。

表6 实验数据统计Tab.6 Experimental data statistics

表7 各图形变量的平均正确率、平均阅读时间及差异性分析结果Tab.7 The average accuracy，average reading time and difference analysis results of each graph variable

从表7 可以看出，在三种不同尺寸的屏幕条件下，平均正确率和平均阅读时间均存在较大差异，其中屏幕尺寸为60×45mm 时，平均正确率最高；69×142mm 屏幕尺寸条件下平均正确率其次，但二者平均正确率差异不大；ϕ33mm屏幕尺寸条件下正确率最低。 屏幕尺寸为69×142mm 时，平均阅读时间最短；屏幕尺寸为ϕ33mm 时，平均阅读时间最长。其次，线型周期性图形在平均阅读时间和平均正确率上均比柱状周期图形表现更好；白色×蓝色设计元素周期性图形的平均正确率比深蓝×橙色设计元素周期性图形更好，但在平均阅读时间上并未体现较大差异。

从表8 中可以看出，在三种不同尺寸的屏幕条件下，易读性评分和美观度评分均具存在较大差异。 其中，69×142mm 的屏幕尺寸评分均为最高，60×45mm 的屏幕尺寸评分次之，ϕ33mm 的屏幕尺寸评分最低；其次，图形类型变量对于主观性评分具有显著影响， 线型周期性图形的易读性评分和美观度评分均大于柱状周期性图形； 而设计元素的差异对于易读性评分和美观度评分差异性并不显著，不具有统计学意义。

表8 各图形变量的易读性、美观度及差异性分析结果Tab.8 The legibility，aesthetics and difference analysis results of each graphic variable

总的来说，较大、较宽的屏幕（69×142mm 的屏幕尺寸）具有较好的阅读效果，平均正确率和平均阅读时长数据表现优异，综合阅读效率均优于其他两种屏幕尺寸；并且在主观评分上表现也优于其他两种屏幕尺寸的图形。而线型周期性图形在阅读效果和主观评分上比柱状周期性图形表现更好，具有更低的认知负荷。从设计元素来看，白色×蓝色的搭配在阅读效果上优于深蓝×橙色的搭配，具有更好的辨识效果。

4 结论

随着信息技术的不断发展，各种家用医疗产品和健康监测产品走入千家万户，其配套的屏幕和软件界面在提高了信息传输便利性的同时，也增大了用户在使用时的学习成本。 在用户使用家用医疗产品时，对于呈现健康数据的周期性图形的阅读频率较高，因此不合理的周期性图形设计会增加用户的认知负荷，影响信息获取的效率，降低用户体验。

本文通过设计眼动实验，分析不同屏幕尺寸、图形类型和设计元素对用户认知负荷的影响，探讨了家用医疗产品周期性图形的设计策略。具体策略如下：第一，应当使用较大的屏幕尺寸，例如优先考虑横屏展示图表，最大化利用界面空间；第二，应当使用线性图展示数据，并采用浅色底色和较高饱和度的设计元素，例如白色和蓝色，在色彩上增强视觉对比效果，减小认知负荷。 本文以周期性图形为出发点， 对家用医疗产品界面设计的认知负荷展开研究， 旨在为家用医疗产品的界面设计研究提供一定参考，减轻老年群体在阅读家用医疗产品界面时的认知负荷，降低老年群体的使用和学习难度，提升用户体验。