關鍵詞：頸椎牽引器；物質－場模型；TRIZ；76個標準解；PUGH

引言

頸椎病是一種發(fā)病率逐年上升的常見疾病?？烧{節(jié)頸椎牽引器因其適應性強，在多種類型的頸椎病治療中被廣泛應用。目前，國內外關于頸椎牽引產品的研究側重于設計制造與技術創(chuàng)新方面[1-6]，設計過程缺乏全面的理論框架，無法針對用戶個人頸椎狀況滿足其個性化需求。本研究從用戶需求出發(fā)，提出一個完整的設計流程框架，優(yōu)化產品與用戶的交互方式，改善用戶體驗。

在產品設計領域，學者們通過發(fā)明問題解決理論（Theory ofInventive Problem Solving，TRIZ ）與其他技術手段結合應用于產品創(chuàng)新設計中[7]，可有效識別并解決矛盾，形成系統(tǒng)化設計策略[8]；通過TRIZ 中的功能分析（Function Analysis，F(xiàn)A）研究產品的功能和組件，有助于理解產品的工作機制及其功能與結構之間的關系[9]，為產品研發(fā)提供設計思路[10]；采用TRIZ 中物質－場分析和標準解方法解決問題，可有效推進產品的再設計過程[11]。PUGH 決策矩陣（PUGH Decision Matrix，普式矩陣）提供了一個有效的定量決策框架[12]，輔助識別出最佳設計方案[13]。選擇TRIZ 理論對多個方案進行分析，結合PUGH 矩陣進行篩選與評估，可以確定滿足需求的產品設計方案。

綜上，本研究提出一種基于TRIZ-PUGH 的集成設計方法，為頸椎牽引器的設計提供全面指導，提高產品佩戴舒適度和適配性，提升產品智能化水平，為頸椎康復提供有效的解決方案。

一、頸椎牽引器設計分析

通過對牽引器作用機制的分析，歸納出當前頸椎牽引器存在的主要3 個問題包括：

（一）佩戴舒適度較低。因接觸部件設計和選用的材質，在長時間佩戴中可能引起不適，并且限制頸椎的活動范圍。

（二）適配性不足。導致無法精準匹配不同用戶的頸椎和頭部形態(tài)，影響牽引精準度和用戶體驗。

（三）智能化水平有限。用戶難以實時監(jiān)測頸椎狀態(tài)，缺乏個性化牽引模式以滿足不同用戶需求。

二、基于TRIZ-PUGH的設計流程

頸椎牽引器設計采用5 步流程，如圖1 所示。

（一）獲取用戶需求與權重排序。通過用戶訪談獲取用戶需求，并用KJ 法提煉高頻用戶需求。運用AHP 構建用戶需求判斷矩陣并對需求進行權重計算及排序。

（二）構建產品系統(tǒng)相互作用矩陣。通過FA 對產品進行功能分解和元件分析，分析產品、用戶和環(huán)境三者之間的相互作用關系，形成產品系統(tǒng)相互作用矩陣。

（三）建立功能－物質－場模型并求解。分析功能元與系統(tǒng)元件之間的相互作用效應，建立功能- 物質－場模型，并根據(jù)所產生的效應確定模型的類別。

（四）應用TRIZ 理論進行模型求解。根據(jù)功能－物質－場模型的類型，利用TRIZ 理論中的76 個標準解法確定設計方向。

（五）采用PUGH 確定最終方案。通過PUGH 對比評估設計方案與現(xiàn)有方案，確定最佳方案。

三、頸椎牽引器設計實踐

（一）基于KJ 法和AHP 的用戶需求分析

為有效獲取頸椎牽引器的用戶需求，對12 名頸椎牽引產品用戶進行訪談，以訪談結果為基礎，應用KJ 法對訪談結果中提及的用戶需求進行整理，提煉出高頻的原始需求33 項?；谠夹枨?，制訂了調查問卷，使用5 級李克特量表來收集信息。問卷發(fā)放目標為105名人員，其中包括各職業(yè)背景的人員，如20 名工業(yè)設計師、20 名機械工程師和65 名頸椎不適人員。問卷收回有效份數(shù)為93 份，有效回收率為88.57%。所得問卷數(shù)據(jù)的信度良好，Cronbach's α 系數(shù)為0.852，表明問卷具有較高的可靠性。結合用戶高頻原始需求的得分結果，運用KJ 法整理和細化用戶需求，最終確定目標用戶需求指標共29 項，通過分類篩選識別出8 類牽引器的用戶需求因子，分別標記為U1 至U8，如表1 所示。

依據(jù)收集和整理的用戶需求，設計1 ～ 9 標度的AHP 調研問卷，邀請 5 名康復醫(yī)療師，5 名工業(yè)設計師，5 名機械工程師共15 名專家打分，對需求進行兩兩比較，構造判斷矩陣A=（aij）n×n，其中aij=1/aij，用列向量平均值算法求解頸椎牽引器設計影響要素權重值，

根據(jù)CR=CI/RI 計算一致性比率CR 來檢驗結果是否科學，經(jīng)過計算，所有CR 值均小于0.1，通過一致性檢驗。將方案層權重分別與其對應的準則層權重相乘得到綜合權重，將方案層的CI，RI 分別與其對應的準則層權重相乘得到CI 總，RI 總，CR 總=0.029lt;0.1，驗證了總排序的合理性，如表2 所示。

由表可知，調節(jié)性、適配性和穩(wěn)定性具有較高權重值，其中牽引力度可調節(jié)和牽引角度可調節(jié)具有較高權重值，頸圍適配、頸部長度適配和下顎形狀適配具有較高權重值，牽引作用位置穩(wěn)定和結構穩(wěn)定具有較高權重值，操作簡便和易于取用具有較高權重值，以及使用情況可追蹤具有較高權重值。在設計實踐過程中將權重值較高的需求作為重點，從輕考慮較低權重值。

（二）牽引器功能－物質－場模型構建與求解

1. 基于FA 的相互作用矩陣構建

由于對于總功能的描述具有抽象性和不準確性，現(xiàn)采用FA 對牽引器的總功能進行分解得出功能元，分別用Xi（i=1，2，3，···，11）表示，如圖2 所示。

現(xiàn)對頸椎牽引器、用戶及家庭所構成的整體系統(tǒng)進行分析。根據(jù)牽引器的佩戴方式，將作用部位分為：頸部、肩部、下顎；通過對牽引器的元件分析以及作用特點分析，制作牽引系統(tǒng)相互作用矩陣表示元件間的作用關系。采用“○”表示兩個元件之間存在相互作用；“-”指交互作用不在分析范圍內；“×”表明兩者間無相互作用，如表3 所示。

由此可以得出，肩托－襯墊、肩托－連接件、肩托－肩部、下顎托－襯墊、下顎托－連接件、下顎托－下顎、襯墊－肩部、襯墊－下顎、牽引件－固定板、牽引件－頸部、固定板－連接件存在相互作用關系，后續(xù)將以此為基礎建立功能－物質－場模型。

2. 基于TRIZ 的功能－物質－場模型構建

物質－場模型是TRIZ 發(fā)明問題解決理論的研究方法之一。依據(jù)其特征分為4 種類型：（A）有效完整的模型：擁有3 個基本元素且有效。（B）不完全的模型：功能元素缺失，可能缺乏場或物質。（C）有效不足的完整模型：雖元素齊全但未達到預期效果。（D）有害的完整模型：元素齊全卻引發(fā)與期望效果完全相左的、有害的效果。

根據(jù)前期的產品分析和用戶研究，將牽引器的元件、作用的對象和環(huán)境相互作用效應與前期確定的功能元加以對應，建立功能－物質－場模型，確定元件的相互作用類型，根據(jù)其在作用關系中所產生的效應，確定所屬的模型類別，并用Oi（i=1，2，3，···，9）表示，物質1、物質2 分別用S1，S2 表示，作用場用F 表示，其中FMe表示機械場，模型O1 ～ O13 所屬類型和功能元對應關系如表4 所示。

以模型 O1 為例，該模型涉及襯墊和頸部之間的相互作用關系，通過參考前期收集到的用戶需求，可以發(fā)現(xiàn)，其在相互作用中產生了不舒適、有壓迫感等有害效應。因此，可以確定模型 O1 的類型為D，即有害的完整系統(tǒng)，其對應的用戶需求U4、U6、U8。模型O1 ～ O16所屬類型及其與需求的對應關系如表5 所示。

3. 基于TRIZ 的模型求解與方案描述

在TRIZ 理論中，針對不同類型的物質－場模型，從76 個標準解中挑選合適的方案，有助于實現(xiàn)模型的改進與創(chuàng)新。

為了滿足用戶需求U4、U6、U8，對于模型O1 產生的不舒適、有壓迫感等有害效應，從76 個標準解法中選擇S1.2.1 引入新物質消除有害效應。具體包括引入柔性材質、襯墊打孔和改變襯墊材質等策略，以提升透氣性、舒適性和維護性。參考對O1 的分析和求解方法，確定其他模型的解決方案，O1 ～ O13 對應的標準解解決方案，如表6 所示。

由于O7，O9，O10 屬于A 類型，能夠充分展現(xiàn)其效用，故未在表格中顯示。由于O8 的效果由于無法通過現(xiàn)有元素的相互作用得到實現(xiàn)，其中相關元素限于固定板和連接件，因此需要后續(xù)進行結構性的創(chuàng)新設計。

（三）頸椎牽引器方案設計

1. 設計思路與細則

按照表6 對應標準解方案梳理設計思路和設計細則，具體如下：

（1）肩托設計：其形狀需貼合肩部，以實現(xiàn)穩(wěn)定支撐。在保持輕量化同時，適度擴大肩托與肩部的接觸面積，以減輕對肩部的壓迫感。其與下顎托相連為下顎托提供穩(wěn)固的支撐，為整個頸椎牽引器構建基礎支撐體系，以緩解頸部壓力。材料應輕便堅固。

（2）下顎托設計：采用可調節(jié)設計，適應不同用戶頸部的高度差異，為下顎托提供穩(wěn)定且舒適的支撐。

（3）襯墊設計：位于肩托和下顎托下方，選用柔軟且透氣的輕質材料，增強舒適性和透氣性。

（4）牽引件設計：設置于頸部周圍，通過內置無繩式氣泵充氣，均勻分布壓力，避免局部壓迫，精準實現(xiàn)對頸椎不同角度的牽引。

（5）固定板設計：后支撐固定板提供后方支撐，以確保整體穩(wěn)定。固定板應具備可調節(jié)高度和寬度的功能，并注重結構的穩(wěn)定性，所用材料應耐用且不易變形。

（6）連接件設計：其作用在于確保各元件穩(wěn)定，且能夠靈活地連接，應注重操作的簡易性，方便用戶自行裝配和拆卸。

（7）角度傳感器和壓力傳感器集成設計：角度傳感器可安裝在下顎托、牽引件或者固定板上，用于監(jiān)測頸部的姿態(tài)變化以及運動范圍。壓力傳感器可安裝在牽引件內部，監(jiān)測牽引壓力大小，確保牽引力度適宜。

（8）無繩式氣泵設計：可設置在肩托或后支撐固定板上，便于充氣和放氣，氣管連接各氣囊，需實現(xiàn)充氣式牽引。此外，可采用多氣囊設計，通過不同軟管分別控制各氣囊，精準調整牽引力度和角度。

2. 模型構建與渲染

基于上述頸椎牽引器的分析研究，采用RHINO 軟件構建設計方案的三維模型，并通過Keyshot 軟件進行材質參數(shù)設置和三維模型效果圖的渲染，完成整體模型效果展示，如圖3 所示。

3. 設計特點與功能

（1）整體特性：設計風格簡約、輕巧，主色調為白灰色，采用可拆式結構，便于清潔與維護。各元件根據(jù)人體工程學設計，肩托、下顎托緊密貼合人體形態(tài)。牽引氣囊與襯墊采用柔軟透氣材質，提升佩戴舒適感。固定板采用鏤空設計，減輕整體重量。肩托設有旋鈕式開關，可調節(jié)下顎托高度。固定板采用卡扣結構，調節(jié)方便。連接件使用魔術貼，易于調節(jié)尺寸。牽引件配備傳感器，實時監(jiān)測并通過藍牙傳輸數(shù)據(jù)至終端設備。無繩式多氣囊牽引系統(tǒng)支持不同角度與力度的精準牽引，結合遠程醫(yī)療技術，有效改善頸椎問題。頸椎牽引器元件指示圖如圖4 所示。

（2）工作原理：肩托前方控制板設有5 個按鍵，分別用于控制總開關、上下左右氣囊的充氣。總開關控制所有氣囊同時充氣，其他4 個按鍵可根據(jù)需要調整特定位置的氣囊?？刂瓢鍍炔坑缮热~、電池、電路板等組成，一鍵開啟扇葉集風，氣體經(jīng)肩托內部氣管充盈氣囊實現(xiàn)牽引作用。氣管設計隱藏于肩托內部，避免外露，操作更便捷。如圖5 所示。

（3）設計特點與功能：在佩戴舒適度方面，主要從產品材質方面提高用戶使用舒適度，基于O1 ～ O5 對應的方案描述，襯墊選用柔性的孔狀的材質，提升舒適感；O11 主要功能是頸部舒適度，引用解法S1.1.1 建立物質－場模型；O13 選擇S1.2.1 引入柔軟材質，減輕牽引器對肩部的壓迫感。元件材料與特點如表7 所示。

在適配性方面，頸椎牽引器的各元件與人體對應部位的形態(tài)匹配，且可調節(jié)。連接件使用魔術貼，可靈活調整寬度和圍度，適應不同用戶的頸部特征。肩托設計為弧形，適配肩部曲線，平衡性佳；其左上方設有排氣按鍵，操作簡便；右上方的旋鈕采用齒輪齒條傳動結構，可手動調節(jié)下顎托高度，確保下顎穩(wěn)定，減少二次損傷風險。下顎托由上下兩部分組成，貼合下顎曲線，穩(wěn)定性強。固定板設計為可調式卡扣結構，其傾斜式設計便于操作，確保頸部和頭部得到適當支撐。牽引件設有8 個氣囊，分別通過氣管連接，用戶可根據(jù)需求靈活選擇局部或整體牽引模式，精準適配頸椎需求，如圖6 所示。

在產品智能化方面，牽引件配備壓力傳感器和角度傳感器，實時監(jiān)測牽引力度和角度，利用智能系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，并通過無線方式傳輸至遠程醫(yī)療中心，支持醫(yī)生實時監(jiān)測和診斷，提升遠程醫(yī)療服務質量。牽引器智能傳感模塊如圖7 所示。

（四）基于PUGH 的方案評價

選取典型的頸椎牽引器作為基準方案與改良方案進行對比，依據(jù)表1 的8 項關鍵需求因子建立PUGH 評判矩陣，隨機選擇100名頸椎牽引產品用戶對牽引器進行評估矩陣問卷調查。經(jīng)過對問卷數(shù)據(jù)的分析整理與匯總，最終得出了關于頸椎牽引器的評判結果，如圖8 所示。

由上圖可知，82% 的受訪者表示改良方案較基準方案更具優(yōu)勢。在適配性、調節(jié)性、透氣性、維護性這4 個關鍵評價指標中，分別有68%、75%、64%、72% 的受訪者傾向于改良方案相較于基準方案更為優(yōu)越。關于便捷性方面，有42% 的受訪者認為改良方案的表現(xiàn)不如參考方案。至于穩(wěn)定性方面，48% 的受訪者認為改良方案與基準方案大體相同。

為了選出最佳設計方案，詳細統(tǒng)計了“更好”總數(shù)、“更差”總數(shù)、“相同”總數(shù)，并結合各指標的權重進行了加權計算。根據(jù)評選結果數(shù)據(jù)，得到對應的決策矩陣，采用“+”“-”“S”表示指標的優(yōu)劣和相等，結果如表8 所示。

如表所示，改良方案的綜合加權得分達到了6，其在適配性、調節(jié)性、智能化等方面均優(yōu)于參考方案。結果表明改良方案整體上實現(xiàn)了設計目標。

結論

通過應用TRIZ 理論對頸椎牽引器設計進行分析，為設計人員提供新的思路和設計方向，同時，采用PUGH 方法將用戶需求轉化為可量化的評價指標，用于對牽引器設計方案進行客觀評估。本文提出了一種基于TRIZ-PUGH 的集成設計方法，并驗證了該方法在改善頸椎牽引器設計方面的有效性和實用性。所獲得的設計方案在多個方面提升了牽引器的性能，包括舒適度、適配性和智能化水平，從而優(yōu)化了整體用戶體驗。本研究聚焦于頸托式頸椎牽引器的設計，未涉及其他類型的牽引器。未來將通過定期與用戶互動，持續(xù)優(yōu)化頸椎牽引器功能，并從多個維度驗證這一設計方法的有效性。