医工交叉背景下的设计思维介入模式研究

汤浩 杨世明 黄颖捷

关键词：医工交叉 学科融合 设计思维 创新模式 产业迭代

引言

隨着科学技术不断进步，医学领域的创新和实践需要和其他各个学科的交叉融合。但目前医工学科的交叉融合还只是将双方现有的技术手段进行简单叠加，缺少相应合作模式，设计师与工程师之间交流仅仅存在于项目的部分环节，两者之间沟通较少，缺乏患者和其他相关利益者的参与，从而忽视了人性化的设计需求和产品生态的循环和发展。本研究从创新驱动力和创新维度之间关系的视角出发，探索设计思维与医工交叉结合的模式，有助于工程思维和科学思维更好地厘清复杂问题中人的要素；不仅为医工交叉背景下产品创新提供了一种可行的模式，且可生成医工产品良性生态链。

一、医工交叉的溯源

医工交叉最早可以追溯到1998年斯坦福大学成立的Bio-X研究中心。2007年，上海交通大学效仿Bio-X成立了Med-X研究院，致力于建立开放式医学应用研究平台和医疗技术产品研发-技术转化-临床应用体系；[1]2016年，原国家卫生计生委、科技部等五部门联合发布《关于全面推进卫生与健康科技创新的指导意见》，明确提出组织跨学科科研人员深入交流，促进形成学科交叉、有机融合的群体创新局面的要求。[2]

广泛意义上的医工交叉指围绕医学实际需求，将医学和医学以外的理工科广泛学科范畴进行交叉融合、协同创新的方式[3]。“医工交叉”是将数学、力学、化学、微电子技术、生物信息等学科的理论、方法和成果融合到医学实践中，研究者借助工科领域发展的新理论、新原理和新技术解决医学领域发现的难题，从而更好地促进医学领域的发展。[4]随着跨学科交融需求不断增加，医工交叉逐渐成为引领未来医学创新的主导方向。

二、设计思维和医工交叉的契合点

（一）设计思维概念解读

设计思维的雏形源自于西蒙提出的设计与科学的思考方式的差异辨析，科学是以研究事物“是什么”为导向的，而设计是以探讨解决方案的“可能性”为导向的。[5]狭义的设计思维特指由蒂姆·布朗（Tim Brown）和罗尔夫（Rolf A.Faste）等人总结的理念和方法，是以将人的需求、技术和商业相结合整合性思考方式。[6]

当今时代，学科之间的边界日益模糊化，设计所面临的问题已逐渐变成跨学科的综合问题。[7]设计思维已演变为一种跨学科语境下的整合性创新的范式。[8]对其整合特性的了解，有助于创新实践者运用设计思维进行跨学科创新过程中打通因学科背景差异等因素造成的创新鸿沟。可以说，设计思维不仅作为设计方法论，更作为一种思维方式，加速了整个社会的创新进程。

（二）医工交叉面临的问题

医工交叉实践过程由创新想法提出、基础研究阶段、应用研究阶段和产品形成转化四个环节组成，目前这四个环节存在的问题主要体现在：1）临床应用需求互动较少。目前医工交叉研究多集中在材料、器械等技术应用层面，将双方现有的技术手段进行简单叠加；2）科研成果转化较难。医工交叉的科研成果转化链尚未形成。目前，国内多数医工交叉的研究仅仅停留在项目合作阶段，研究成果多停留在发表论文及申请专利等学术层面，与市场吻合度差，较少的研究会将成果转移到临床，考核指标也仅限于论文产出，而不是成果转化率；3）人的需求洞察较弱。以问题解决的功能导向思路固然没错，但是现代医疗已经越来越多地提出全流程人性化设计的需求，柔性思维非常重要；[9]4）项目合作程度较低。非医科背景参与者对于临床上诸多需求不甚了解，医生虽然清楚具体需求并且有相关应对策略，但由于“医工协同平台”搭建不完善，在项目中临床医务人员与非医科背景参与者协作质量较差。

（三）创造性思维视角下设计思维的优势

侯敏枫认为，“创造性思维不仅表现为产出新发现和发明的思维过程，而且还表现为在思考的方法上具有独到之处的思维过程”。[10]在设计学专业领域，设计思维是创造性思维结构中的重要表征因素。斯坦福设计学院教授内里·奥克斯曼提出了“创造力的克雷布斯循环”（图1），其目的在于模拟和诠释科学、工程、设计和艺术这四种代表人类创造力形式的学科之间相互作用的循环过程。这个循环希望通过创造一种“视角”探索设计与科学、工程、艺术学科之间的融合途径。

社会科学的研究视角将人类的创造性思维方式分成科学思维、工程思维（包含设计思维）和艺术思维，它们是人类认知、创造、想象世界的有机组合体。罗建平及其合作者在论文《设计思维视角下的设计问题复杂性探究》对两者关系进行了归纳（图2）：工程思维有两种不同的趋向性，即理性方向的技术趋向性和感性方向的设计趋向性，前者用技术构造人工物，后者通过想象和整合设计创造体验，满足人的需求[11]。所以设计思维兼具科学思维的理性逻辑及艺术思维的感性直觉想象力。在这篇论文中，作者还提出了设计思维与工程思维对比图，从中我们可以看到两者的互补关系（图3）。由此可见，工程思维很难做到定义复杂问题中人的要素，而这正是设计思维擅长的。因此，在此领域中，工程思维是实现设计的底层逻辑，而设计思维是确保设计方向正确的顶层保障。换句话说，在医工交叉设计中设计思维是工程思维的边界拓展。

（四）医工交叉视角下引入设计思维的必要性

医工交叉问题属于跨学科视角下的复杂问题，与其他学科，特别是与工程类学科的交叉常常超越了单一学科的研究范围，因此需要创造者以整合性的眼光来观察和理解事物。设计思维是一种系统性创新思维方式，是以问题为导向的整合性创新思路，强调从人的感性方面去获取需求中的情感因素，基于对人的深入了解，挖掘问题的本质。设计思维强调的是思考和分析，而不是靠执行流程得出一个结果。在实际解决多学科交叉问题时，需要不同背景的参与者进行协同合作，以设计思维作为工具以及手段，有效地对问题进行求解。因此，在医工交叉创新的实践中，设计思维的介入可以提供一种有效的定义问题的方法以及可操作的工具，实现跨领域、跨学科、背景及技能相异的参与者协同完成项目。综上所述，针对医工交叉创新，则需将设计思维嵌入到具体的实践过程中，使其成为推动创新的动力。

三、医工交叉背景下的设计思维介入模式

综上所述，医工交叉不是单一的问题，而是系统性的跨学科综合问题，设计思维所主导的从问题定义、创新机会发现、资源整合等系统性创新思路非常适合对这类复杂问题进行分析和研究，可以促成医工交叉的“医”和“工”进行有效融合。

（一）医工交叉下的设计创新

柳冠中先生认为，设计创新的内涵包含4个层级：1.外观层面的创新，即以新的直观的产品外观形象产生产品差异；2.功能层面的创新，即从功能层面产生产品差异；3.原理层面的创新，即通过从新的角度上解决问题，从观念层面产生差异；4.整合、集成层面的创新，即从“体验层面”产生产品差异，是以服务体系为主导的产品系统。在产品领域，从四个层级来看，第一和第二个层级是对于具体产品内容的创新，而第三与第四个层级则是整个产业、体系的创新。[12]

在医工交叉应用情境下，一、二层级的创新是可以被使用者直接接触产品而感知到的，如基于3D打印技术的药物和医疗器械的研发，全降解血管支架等高值医用耗材，远程诊疗等移动医疗设备等；而三、四层级的创新则较难感知，例如智慧医疗通过物联网实现患者与医务人员、医疗机构、医疗设备之间的互动，从而达到提高医疗效率和质量的目的。因此，将前两个层级统称创新显性层级，而后两个层级统称为创新的隐性层级，产品的定义与产业的创新设计与这两个层级有着直接的联系。

（二）医疗创新的流程

一般来说，创新的表现形态主要集中在两个方面：商业模式和技术变革。但创新的商业化只是市场发展的表面现象，核心还是创新背后的动力。只有把握了动力的来源，才能对创新可能的发展作出相对有效的趋势判断。具体到医疗行业来说，创新背后的动力并不是仅仅直接来自政策的改变，而更多的是来自用户的需求和技术的革新，这是医疗创新的核心动力。医疗创新与众不同的特点就在于，总是可以从未得到满足的重要临床需求入手，之后发明解决需求的技术。这种以需求为驱动的方法。特点鲜明的需求正是医疗创新的关键。换言之，识别和理解需求的确定阶段是整个医疗创新流程的基石。一旦确定了需求，也就有了进行发明的坚实基础。

在医工交叉领域，宋成利在其译著《医疗科技创新流程》中，梳理了从医疗行为到医疗产业体系的路链关系，把完整的医疗创新分为3个创新阶段：1.发现；2.发明；3.发挥，每个阶段包含其阶段目标以及完成该目标所需要实施的具体活动，简称“三发”理论（图4）。发现阶段包括需求发现以及需求筛选，其具体活动主要是针对具体医疗情境或者产业体系中的问题进行挖掘；发明阶段的主要任务包括概念产生以及概念选择，其具体活动是针对医疗情境中或者是产品（产业）体系中的问题进行明确化、对问题的解决方式进行概念封装以及推出相应的产品；发挥阶段包括战略发展以及商业规划，其具体活动则是针对医疗体系或者产品体系层面的战略发展进行研究，并提出相应策略。

从宏观上来看，这个创新流程是针对医疗装备的创新主体所提出的普适性的创新机制，提高医疗装备的自主创新能力符合我国《健康中国“2033”纲要规划》政策。根据前文柳冠中先生对于创新内涵的4个层级（外观、功能、原理、集成创新），将其和宋成利对于医疗创新的“三发”理论进行连接，发现其中的对应关系：发现（需求层）对应医疗产品使用者（或受用者）的行为，也就是医疗创新中的情境模块；发明（产品层）对应产品的创新活动，包括造型、功能、原理、集成的创新，也就是医疗创新中的产品模块；发挥（产业层）对应产品定义及生态系统的构建，也就是医疗创新中的体系模块。外观、功能、原理、集成创新虽然居于产品模块，但是向下辐射，外观、功能和产品的使用行为、情境相关，向上辐射，原理、集成将直接导致产品的重新定义及生态系统的迭代。籍此，结合柳冠中先生对于设计创新的主张以及宋成利对于医疗创新的理论，提出医工交叉背景下的设计创新模式（图5）。

（三）医工交叉背景下的設计思维介入模式解析

医工交叉背景下的设计创新模式由两种创新角色、三个创新维度以及两种创新驱动模式所构成。两个创新角色分别是创新主体与实践客体：创新主体是指的实施医工交叉背景下设计创新实践的人或者组织，下辖一个完整设计创新流程所需要完成的三个阶段任务；实践客体是指医工交叉背景下设计创新实践所面对的各个具体场景与对象，由3个实践模块构成：1.医疗生态模块；2.医疗产品模块；3.医疗情景模块。创新主体所辖的阶段任务与实践客体在每个层级上存在对应关系，依据其关系将模型分为3个层级：1.产业层；2.产出层；3.需求层。层级与层级之间由两种创新驱动模式进行关联：即以正向创新驱动模式带动产业层变革进而引导需求层进行痛点挖掘；以逆向创新驱动模式解决需求层中问题痛点，从而推动产业层迭代革新。

1.创新主体的内涵与解释

前文谈到，宋成利在《医疗科技创新流程》中提出了“三发”理论。医工交叉背景下，设计创新实践的人或者组织下辖完整的设计创新流程需要完成的三个阶段的任务，构成需求定义-概念构建-战略规划的创新闭环，其具体输出产物为医疗需求挖掘、医疗产品创新以及医疗产业战略规划，这构成了医工交叉背景下设计思维介入的创新主体。

医疗需求驱动产品创新，当需求出现时，供给总是以创新性的方式出现。在医疗器械研发领域，医疗需求精准地引导着医疗设备供给发展趋势。飞利浦作为全球医疗保健行业的领导者，深入研究临床需求，以创新的医疗解决方案来创新和拓展医疗产品行业。飞利浦还与华为签订了MoU，计划着眼于中国二线城市部署云医疗解决方案，通过需求驱动创新，探究优质的解决方案对患者的病情发展做出更加准确的判断。因此，真实需求越来越多地影响着产品创新。

医疗产品创新促进产业战略规划，创新是产业发展的核心，创新的一切目标指向为提高效率。为更好地满足医疗需求和提高效率，需加强推进医疗技术产业发展，推动医疗产业战略规划，加快技术创新，突破原始创新技术，引领新一代医疗器械产品发展。

2.实践客体的内涵与解释

医疗器械产业生态系统与自然界的生态系统有着高度的相似性，产品“新生态化”导向的创新模式将是医疗器械产业可持续发展的推崇模式[13]。汪英华指出医疗器械产业快速可持续发展依赖于医疗器械产业创新生态系统建设的加强，以及高效且低耗的创新模式[14]。从广义上来说，医疗器械产业并不仅仅指医疗产品本身，产品生态（Product Ecological）的创新对产品所属行业以及产品的创新迭代有着重要的驱动作用。医疗器械产品将影响整个医疗体系，包括服务、产品、政策等。因此，医工交叉下产品生态从属于医疗体系生态，而医工交叉下的产品生态的创新必然影响到整个医疗体系的创新。

根据图5所示，隐性创新层级所驱动的创新称之为顶层创新，其创新结果的输出形式为新的产品生态或者新的医疗系统生态。底层创新则由显性创新层级所驱动，主要体现在产品的观感以及功能的创新上，其创新结果的输出形式为新的产品形态以及产品功能。可以改善使用者（医疗实施者）、受用者（病患）的体验感受以及提升使用者和受用者之间的互动行为。需要指出的是，虽然学者们对于医疗产业创新的研究大多以医疗器械创新为研究对象，但是从广义上来说，医疗产品的内涵应不仅单指医疗器械，还应当包含医疗环境以及医疗过程中人与人以及人与物的交互行为和人的情感[15]，这三者在实现医疗行为的预期效果中有着不可替代的作用，并且在一些复杂医疗行为中，医疗效果是否达到要求往往由这三者各自设计质量的优劣及其匹配程度所决定。

3.创新主体与实践客体的关系

创新与实践是相互促进、相互提升的关系，见图5。

从横向看：需求定义所在的需求层对应医疗情境模块，通过分析使用者和受用者的行为，寻找两者的需求；概念构建所在的产品层对应医疗产品模块，从功能突破和原理创新上对医疗产品进行革新；战略规划所在的产业层对应医疗体系模块，主要是医疗产业生态体系的变革引发的医疗产业的颠覆与革命。

根据临床关键问题、利益相关者和市场特点等，调研收集亟待改进的医疗需求信息，并加以归纳和选择是需求定义阶段的重要任务。

需要注意的是，在调研过程中必须深度思考用户使用情景，明确用户在情景下的具体行为。在发明阶段需要为一个或者多个确定的需求设计提交解决方案，确定产品的最终概念，以便在下一个阶段为实施概念进行战略规划。在实践客体层面需要先寻找全新的解决问题的途径，从“观念层面”制造产品差异；还需要具体定义产品的功能和造型，以便从“直观层面”和“使用层面”创造差异。在实践客体的层面上，充分考虑到产品的定义和产品生态之间的关系将作为产品开发和进军市场的指南。

从纵向看：创新主体和实践客体之间存在一个双向驱动的关系，产品所属的生态系统作为主要驱动因素导致的产品定义的革新，称之为自上而下的驱动，或者正向驱动，这是从产业体系的维度进行革新从而触发医疗行为中新的需求；通过挖掘医疗活动中的需求，以此促使整个产品生态系统的革新，称之为自下而上的驱动，或者逆向驱动。

医疗生态系统起到促进产品更新迭代的作用。针对当今世界面临的医疗关护向家庭化转移、数字化发展推动价值从设备向软件和服务转移的趋势，飞利浦开发了健康数字平台及一系列相关产品。比如，飞利浦的电动牙刷借助传感器与互联技术，将观察到的口腔细菌情况上传到云平台，成为个人健康数据的一部分，这对于未来实现个性化诊疗具有重要的参考价值[16]。

相应的，医疗产品的更新迭代也会对医疗行业生态系统的发展起到促进作用。比如飞利浦开发的Lumify便携式超声诊断系统，通过“探头即超声”的简便应用，可以与手机、平板等设备连接，提供高清图像，为精準诊断提供依据（图6）[16]；此产品通过便捷的远程传输，不仅打破了医疗关护场所时空上的局限性，实现远程诊断，也打破了超声检测受到大型设备移动不便的制约，为中国医疗，尤其是基层医疗带来质的突破，也为未来的家庭诊疗开创了可能性。

结语

鉴于医工交叉领域的研究和创新存在学科融合中人类认知的边界模糊性所带来一系列现状。本文就医工交叉中设计思维的介入方式提出了新的模式：通过架构三个创新维度、两种创新角色以及两种创新模式之间的系统框架，对从设计角度思考医疗产品以及整个医疗生态体系迭代更新的模式进行剖析。新的创新模式更多考虑到了人性化的设计需求、产品定义和产品生态之间的相互驱动、顶层创新和底层创新间的关系等，能够为医工交叉领域中设计思维的介入提供全新的视角。