《Applied Sciences》：Design of a Lower Limb Assisted Training Device for Stroke Patients Using a Multi-Method Integration Approach
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脑卒中所致的下肢运动功能障碍严重影响患者生活质量。现有康复产品倾向于优先考虑技术而忽视情感考量，导致依从性差——这是产品设计中迫切需要解决的关键问题。本研究通过整合情感设计三层次理论（Emotional Design, ED）、层次分析法（Analytic H
脑卒中所致的下肢运动功能障碍严重影响患者生活质量。现有康复产品倾向于优先考虑技术而忽视情感考量，导致依从性差——这是产品设计中迫切需要解决的关键问题。本研究通过整合情感设计三层次理论（Emotional Design, ED）、层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）和需求-功能-行为-结构（Needs–Function–Behavior–Structure, NFBS）模型，探索家庭用康复设备的人本设计。研究人员采用AHP量化用户需求并识别核心需求，利用NFBS模型和Jaccard相似性聚类构建从需求到结构的系统映射路径，将44个结构组件分为六大模块。基于此框架，研究人员提出并实施了两轮设计实践，包括功能配置、结构优化和情感交互的迭代优化策略。通过两轮迭代设计，专家评定的总体满意度得分从0.883提升至0.928，在本能层、行为层和反思层的满意度得分分别达到0.949、0.931和0.892。研究表明，所提出的ED-AHP-NFBS集成模型有效弥合了技术理性与人文关怀之间的差距，为家庭康复设备的人本设计提供了可操作的框架。
**研究背景与意义**
脑卒中是全球成人长期残疾的主要原因之一，由其引起的下肢运动功能障碍严重损害患者的生活质量和独立生活能力。尽管临床康复治疗证明有效，但高昂成本、有限医疗资源以及出院后缺乏连续康复训练，使得家庭康复成为必然趋势。然而，家庭环境缺乏专业指导和实时反馈，患者易形成异常运动模式，特别是肌肉代偿行为。此外，长期重复训练、单调的康复内容以及“残疾”标签带来的心理压力构成多重障碍。现有康复产品设计偏重工程功能（如步态精度、关节扭矩），忽视患者心理需求，冰冷的造型加剧病耻感，复杂操作增加认知负担，缺乏情感反馈的训练难以维持长期动力。因此，将情感设计整合到医疗器械中对提高接受度和依从性至关重要。为应对技术-情感失衡和代偿干预缺失的双重困境，单一设计理论或工具不足，亟需方法论集成创新。本研究提出ED-AHP-NFBS集成设计模型，其创新性体现在：基于情感设计（ED）三层次理论系统解构患者情感需求；采用层次分析法（AHP）量化需求优先级权重；引入需求-功能-行为-结构（NFBS）模型作为设计转化框架，确保用户需求准确转化为具体物理结构。该模型有机整合而非简单聚合，为从用户情感和代偿干预需求到工程实施和体验优化构建了理性设计路径。论文发表在《Applied Sciences》。
**关键技术方法**
研究人员采用了三项关键方法：首先，情感设计三层次理论（ED）用于从本能层、行为层和反思层系统解构用户情感需求，将模糊诉求转化为结构化可评估指标；其次，层次分析法（AHP）由20位专家（包括康复医师、治疗师、工业设计师、人因工程研究员、患者及照护者）进行成对比较，通过一致性检验确保判断逻辑有效，量化各需求权重；最后，需求-功能-行为-结构（NFBS）模型用于系统映射，并借助Jaccard相似性聚类将44个结构组件归为六大模块。需求收集阶段共招募24位参与者：12名脑卒中患者（涵盖急性后期、恢复期和慢性期）、4名高级康复治疗师和8名主要照护者，通过半结构化访谈、非参与观察和问卷调查获取原始需求，经专家团队整理得到20个可操作需求指标。AHP专家独立于需求收集组。
**研究结果**
**4.1 基于ED-AHP的用户需求量化分析**
通过多源需求获取（半结构化访谈、非参与观察、问卷调查）从三类利益相关者（患者、治疗师、照护者）收集原始需求，经专家团队整理为20个清晰需求。根据情感设计三层次理论构建ED-AHP层次结构模型：目标层为“脑卒中下肢康复产品情感设计优化”，准则层对应本能层（B1）、行为层（B2）、反思层（B3），子准则层包括感知安全、形态亲和、人体工学适配等维度，指标层为20个具体设计需求。20位专家进行成对比较并完成一致性检验。计算结果显示准则层权重排序为行为层（0.4256）>本能层（0.3152）>反思层（0.2592），表明用户最关注产品功能性和可用性。本能层中感知安全（0.4625）最重要，行为层中训练有效性（0.5264）占绝对主导，反思层中自我激励（0.4911）最受重视。综合排名前十的关键需求依次为：精确步态轨迹引导与矫正（0.1603）、游戏化任务与奖励机制（0.0910）、结构稳定无倾覆风险（0.0814）、简便穿脱（0.0700）、智能自适应辅助（0.0638）、易调节（0.0692）、训练数据可视化（0.0479）、积极康复理念传达（0.0556）、圆润形态（0.0492）、无尖锐边缘（0.0384）。行为层核心需求累积权重最高（0.3420），高于本能层（0.2382）和反思层（0.1466）。
**4.2 使用NFBS模型的设计转化**
以权重前十的核心需求为输入，按照NFBS模型逐层映射：将需求（N）聚类为三大功能集F（基础安全与亲和形象、精准康复训练与便捷交互、情感激励与意义建构），再将功能转化为预期行为（B），最后推导出物理结构（S）。构建功能-结构关联矩阵（44个结构组件），利用Jaccard相似性聚类选取最佳阈值θ=0.4，将结构组件聚类为六大模块：支撑底座模块（S1-S5）、外观壳体模块（S6-S13）、运动感知模块（S14-S18、S22-S25、S29）、穿戴固定模块（S19-S21、S26-S28）、交互显示模块（S30-S31）、情感激励模块（S32-S40）。功能权重排序为F2（0.4112）>F1（0.1690）>F3（0.1466），F2占主要功能元素的56.6%，表明主要设计投入应集中于步态引导、简便穿脱、智能辅助、支撑调节和数据可视化。
**5.1 初始方案与评估**
基于映射结果设计初始方案，产品通过驱动膝关节和踝关节矫正足内翻和足下垂，采用柔软材料提供情感关怀，交互APP可实时查看训练数据。邀请5位专家（独立于前两组参与者）对每个子功能预期效果进行0-1评分，结果显示本能层满意度0.93，行为层0.88，反思层0.84，总体满意度0.883。具体子功能中智能辅助得分最低（0.78），游戏化激励（0.85）和积极叙事（0.83）也需提升。
**5.2 设计迭代与最终成果**
根据第一轮评估结果，针对薄弱点进行迭代改进：行为层增加肌电（EMG）传感器和自适应控制算法，实现多模态反馈（触觉、听觉）；反思层丰富游戏化元素（积分系统、徽章库、里程碑界面、康复日记），并以“康复农场”叙事框架提升长期动机。结构上支撑点从耻骨改为坐骨，外骨骼采用碳纤维和镁合金材料，连接处使用同心轴限位器防止膝过伸，实现模块化快拆（腰带、坐垫、外骨骼）。迭代后再次由同一组专家评估，总体满意度从0.883升至0.928，本能层升至0.949，行为层升至0.932，反思层升至0.892。核心功能如步态引导、智能辅助、穿戴便利性均超过0.92。研究还以权重最高的需求D4.1“精确步态轨迹引导与矫正”为例展示了NFBS模型的闭环验证过程，通过预期与实际的比较识别改进点，驱动了传感和算法的增强。
**5.3 研究局限与验证路径**
本研究采用专家启发式评估，存在局限性：评估视角有限、样本量小、缺乏客观生物力学和临床指标。未来验证路径：短期（3-6个月）开发功能原型，招募5-10名脑卒中患者进行家庭可用性测试；中期（6-12个月）开展小规模前后对照试验（10-15例），利用三维运动捕捉、足底压力分布和表面肌电等客观指标评估效果；长期计划申请多中心随机对照试验并推进医疗器械注册认证。
**5.4 与现有下肢康复产品的结构化比较**
与Hocoma Lokomat、Ekso Bionics EksoNR、Rewalk Reboot三款代表性产品比较，本设计在易穿戴性和游戏化激励方面设定较高目标，显示出潜在优势，但需要原型测试进一步确认。
**结论翻译**
本研究以情感设计三层次理论为起点，集成层次分析法（AHP）和需求-功能-行为-结构（NFBS）模型，识别用户对脑卒中下肢康复产品的核心需求在不同情感层面的分布，并深入探索患者对功能和情感的双重需求。所提出的ED-AHP-NFBS集成设计方法为家庭康复设备的理性化和人本设计提供了新路径。情感设计要求产品同时满足本能层、行为层和反思层的需求，促使设计师在功能配置与结构创新之间寻求平衡，以实现高效资源利用和长期产品适用性——这是弥合技术理性与人文关怀之间差距的核心体现。基于ED-AHP识别的用户需求权重，本研究提取了20个需求指标并利用AHP进行定量数据分析，从功能配置、结构优化、交互行为和情感激励角度提出了优化策略。这些优化策略可概括为两个层面：产品功能与结构的可持续发展，以及用户情感体验与康复依从性的可持续发展。碳纤维外骨骼、同心轴限位器和模块化快拆等创新技术和结构的应用，为脑卒中患者提供了更稳定安全的步态训练环境，避免了肌肉代偿和二次损伤风险。游戏化激励、APP实时反馈和康复日记等情感交互优化使患者能直观体验康复过程，激发主动参与，系统培养长期康复动机。基于优化策略，本研究成功构建了康复产品的六大模块（支撑底座、外观壳体、运动感知、穿戴固定、交互显示、情感激励），并详细讨论了优化产品的技术和材料选择。基于功能逻辑、情感满意度和技术可行性三个维度对产品进行了综合评价。结果表明，在初步专家主导的评估中，优化产品在步态引导精度（0.1603）、易用性（0.0700）和游戏化激励（0.0910）等关键指标上优于现有康复产品的一般水平，具有良好可用性和交互性，专家评估总体满意度得分从0.883提升至0.928。需要强调的是，本研究聚焦于产品概念设计与初步验证，所有结论基于专家启发式评估，尚未进行临床疗效验证。所提出的ED-AHP-NFBS模型的贡献在于设计方法论层面，而非临床康复效果的展示。尽管如此，本研究仍存在一些局限性：技术层面，优化策略中提及的肌力检测和自适应辅助功能在多产品功能集成和系统逻辑设计方面需进一步探索；用户适应性方面，不同疾病阶段患者对训练强度的差异化需求尚未深入分析；可扩展性方面，现有设计主要围绕常见步态模式，对重症患者或合并神经损伤患者的个性化训练支持不足。目前脑卒中下肢康复产品的基本功能已在原型阶段得到保障，未来将继续关注功能整合与临床效果评价，通过持续优化提高产品可实现性，为家庭脑卒中康复做出更多贡献。
