非侵入式脑电产品的人机工程设计研究

作者简介：高健权（1994年1月—），男，汉族，广东省广州市人，硕士研究生，研究方向：人工智能产品设计。

摘要：随着神经科学和人机交互技术的发展，非侵入式脑电产品逐渐成为改善人类健康的重要工具。本文探讨了非侵入式脑电产品的人机工程设计策略，分析了通过合理的结构设计、材料选择及功能布局提升用户体验的方法。基于对现有产品的案例研究，提出了一系列优化设计方案，为未来产品开发提供参考。

关键词：非侵入式脑电产品、人机工程设计、用户体验

引言：非侵入式脑电产品如脑波监测设备和冥想头带已广泛应用于医疗和健康领域，帮助用户改善精神健康[1]。这类产品通过非侵入式传感器采集脑电信号，结合算法提供反馈。然而，用户的佩戴舒适性、操作便捷性和信号采集的准确性成为了影响产品使用体验的关键问题[2]。本文将基于人机工程学，探讨这些设计挑战及其优化方法。

1. 非侵入式脑电产品概述

非侵入式脑电产品通过电极或传感器读取大脑表面电信号，分析和处理这些信号后，产品可以输出反馈或做出相应的行为调整。这类产品应用广泛，从治疗失眠、减轻压力到提供脑健康监测，都涉及到用户的长期佩戴和高频使用[2]。典型的非侵入式脑电产品包括：

脑波监测器：用于监测脑电波活动，分析用户在不同状态下的大脑活动情况。

冥想头带：通过监测用户的脑电波，帮助他们改善冥想效果，提供精神集中、放松的指导。

脑控游戏设备：通过脑电信号实现对虚拟对象的控制，增强用户的互动体验。

这些产品的普及使得舒适性、易用性和美观性等设计因素变得尤为重要。

2. 人机工程学在非侵入式脑电产品中的重要性

人机工程学的目的是优化产品与用户之间的互动，使产品在功能上更加符合人体的生理和心理需求[3]。在非侵入式脑电产品中，人机工程设计的主要目标包括以下几个方面：

佩戴舒适性：由于这类产品需要直接与用户的头皮接触，设计中必须考虑头部的结构特点。头带的尺寸、材料的柔软度、压力分布等都决定了用户的佩戴舒适度[2]。

操作便捷性：用户需要轻松地理解和操作产品。简单明了的按键设计、易读的显示界面和简化的交互流程有助于用户快速上手，减少使用阻力[1]。

信号采集稳定性：为了保证数据采集的准确性，电极必须与头皮紧密接触，同时不应对用户造成不适[4]。人机工程学设计的目标是找到稳定性与舒适性的平衡点。

审美与心理适应性：产品外观设计必须考虑用户的心理感受，尤其是在健康相关的产品中，友好、柔和的设计语言能够减轻用户的焦虑感，增强信任感。

3. 非侵入式脑电产品的人机工程设计要素

3.1 结构设计

非侵入式脑电产品的结构设计应基于头部解剖学数据，保证设备与头部的不同区域紧密贴合。头带设计是结构中的关键部分，通常使用可调节的弹性材料或磁性连接方式，以适应不同用户的头型大小[3]。此外，电极的分布位置也至关重要。通常，电极需要放置在脑电信号最强的位置，如前额、头顶或耳后。这要求设计师在结构上灵活调整电极布局，同时不影响产品的美观性和舒适性。

3.2 材料选择

材料选择直接影响产品的佩戴感受和信号采集质量。柔软、透气的材料如硅胶或轻质织物常用于头带部分，以减少长时间佩戴的压迫感[4]。电极部分则要求导电性良好且无过敏反应的材料，如银/银氯电极[2]。此外，产品的防水性和可清洗性也是设计中需考虑的重要因素，尤其是对于需要日常佩戴的产品，易清洁和抗菌材料能够显著提高用户体验。

3.3 功能布局

为了简化用户操作，功能按钮的布局应合理且易于触摸识别。非侵入式脑电产品常见的按钮包括电源开关、模式切换键和音量调节键[1]。此外，LED指示灯等反馈装置应设计得清晰明了，能够及时反馈设备的工作状态。

3.4 可穿戴性和灵活性

由于用户可能在不同场景下使用非侵入式脑电产品（如睡眠、冥想、运动等），因此产品的可穿戴性和灵活性是设计中的重要考量[3]。设计应兼顾不同使用场景的需求，使产品既能够在运动中保持稳固，又不影响睡眠等需要放松的场景使用。

4.案例分析

MUSE 2 是一款结合脑电波、心率和呼吸频率的冥想辅助设备，旨在通过监测用户生理信号，帮助他们更好地管理压力和焦虑，提升心理健康。

1.佩戴舒适性与结构设计

MUSE 2 的头带采用了柔性塑料和硅胶材料，具备良好的延展性，能够适应不同头型，减少长时间佩戴的不适感。头带内侧加厚的硅胶垫有效缓解压迫感。电极设计在额头和耳朵附近，确保信号采集的准确性，并通过可调节头带保证电极与皮肤的紧密接触[2]。

2.信号采集与稳定性

MUSE 2 使用银/银氯电极，提供良好的导电性和抗干扰能力，减少噪声干扰。精确的人机工程设计确保电极与皮肤接触稳定，避免因佩戴不稳而导致信号失真[3]。

3.交互设计与反馈机制

MUSE 2 采用多感官反馈机制，通过耳机、振动和实时图表显示脑电活动，帮助用户在冥想中根据反馈调整自己状态。这种设计提高了专注力，同时增强了用户体验和产品粘性[4]。

4.便携性与可穿戴性

MUSE 2 设计轻便，适合长时间佩戴，且便于携带。其头带可折叠放入小型携带包，用户可在家、办公室或旅行途中随时使用。这种便携性增加了产品的实用性和市场竞争力。

结语

非侵入式脑电产品的人机工程设计对提升用户体验至关重要。通过合理的结构设计、材料选择和功能布局，可以有效提高佩戴舒适性和信号采集稳定性。结合用户反馈与个性化定制设计，非侵入式脑电产品将在未来朝着更智能化和以人为本的方向发展[4]。

参考文献

1.王伟，李明. 《脑电图技术及其应用》. 北京：科学出版社，2018年.

2.张晓东，李芳. 《人机工程学原理与应用》. 上海：同济大学出版社，2019年.

3.Smith， J.， & Jones， A. （2020）. "EEG-based Wearable Devices： Ergonomics and Usability". Journal of Neurotechnology， 12（3）， 45-59.

4.Brown， L. （2019）. "Designing for Comfort： Ergonomics in Wearable Tech". Wearables and Beyond， 8（2）， 102-117.