Design UX et UI de dispositifs médicaux pour une utilisation en salle d’opération

Une interface utilisateur précise pour les instruments chirurgicaux

Dispositifs médicaux

Expérience de l'utilisateur

Interface Design

CLIENTdeSoutter Medical / Zethon
LOCATIONAylesbury, UK
TEAMDesigner UX, chercheur UX, designer UI, designer d'interaction, chef de projet, chef de produit
Résumé vidéo
Greg vous montrera comment la nouvelle interface utilisateur fait la différence pour les chirurgiens qui utilisent la fraise à ultrasons.
2:32

Le client est un fabricant européen d’instruments chirurgicaux motorisés, comparable aux producteurs les plus avancés d’outils orthopédiques et de traumatologie de la région. Son portefeuille associe une précision mécanique à des systèmes à commande électronique pour les blocs opératoires. Dans ce contexte, il a développé un coupeur ultrasonique innovant avec des vitesses de rotation allant d’environ 200 tours par minute jusqu’à près de 85 000 tours par minute. Le dispositif nécessitait une GUI embarquée sûre et fiable, capable d’assister les chirurgiens pendant les interventions et de satisfaire aux exigences d’utilisabilité et de conformité des dispositifs médicaux.

Ce projet fait partie de notre travail continu dans le domaine des dispositifs médicaux et des interfaces critiques pour la sécurité, où l’evidence based UX, la conformité à la norme IEC 62366 et la validation des workflows cliniques façonnent les interfaces pour les environnements de santé réglementés.

Nous avons appliqué Dynamic Systems Design, une méthode qui fait évoluer les solutions grâce à l’expérimentation intégrée, résout les tensions entre l’optimisation locale et la cohérence du système, et accompagne la mise en œuvre jusqu’à ce que les organisations deviennent autonomes.

L’entreprise considérait l’interface utilisateur graphique comme un élément stratégique plutôt que comme une simple couche cosmétique. Elle souhaitait que le medical UI design de ce coupeur ultrasonique devienne une signature reconnaissable de sa marque, en particulier pour les chirurgiens orthopédiques et traumatologues qui utilisent quotidiennement des outils motorisés. L’interface chirurgicale devait signaler un instrument sérieux, conçu pour un usage critique, et non un affichage générique adapté de l’électronique grand public.

La collaboration s’est étendue sur environ trois mois. Le travail quotidien s’est fait avec un product owner et un ingénieur en logiciel embarqué connaissant l’architecture interne du dispositif. Un comité de pilotage plus large, incluant des rôles cliniques, réglementaires, qualité et commerciaux, se réunissait toutes les deux semaines. Dès le départ, le travail a été encadré par le processus d’ingénierie de l’utilisabilité IEC 62366 et les normes associées aux dispositifs médicaux, afin que chaque décision de medical device UX design puisse être reliée à des scénarios d’usage explicites et à des considérations de risque.

Le projet a pris en compte avec précision les réalités de la chirurgie. Les chirurgiens ne jettent que de très brefs regards à l’écran, leur attention principale restant sur le patient et le champ opératoire. Ils utilisent la GUI avec la main non dominante, à travers des gants et souvent dans des positions contraintes. Ils s’appuient davantage sur la reconnaissance que sur la lecture. L’interface embarquée devait donc réduire la charge décisionnelle, éviter les recherches visuelles inutiles et maintenir un comportement prévisible sous pression. Cette combinaison de contraintes cliniques, d’exigences réglementaires et d’ambitions de marque a défini le périmètre du travail UX pour les dispositifs médicaux dans ce projet.

NOS CONTRIBUTIONS

IEC 62366 Requirements Analysis

Surgeon Interviews

Human Factors Research

Option Space Mapping

Interaction Architecture

Surgical Scenario Validation

Gloved-Hand Prototyping

Medical Device UI Design

Design System

Regulatory Documentation

Engineering Alignment

Implementation Partnership

LIMITATIONS DE L’INTERFACE EXISTANTE

Avant le début du projet, l’équipe d’ingénierie avait créé une première version de l’interface du dispositif chirurgical. Les écrans suivaient la structure logicielle interne et exposaient toutes les fonctions, ce qui est typique d’une interface embarquée conçue par des ingénieurs. Du point de vue clinique, cette première GUI embarquée ne fonctionnait toutefois pas comme une interface chirurgicale sûre.

Huit chirurgiens, familiers des outils ultrasoniques et motorisés, ont examiné les écrans existants. Ils ont signalé que les états d’activation et les conditions de préparation étaient difficiles à interpréter d’un simple coup d’œil. Plusieurs paramètres importants pendant la coupe étaient visibles, mais pas clairement hiérarchisés. Les avertissements étaient présentés d’une manière qui nécessitait la lecture plutôt qu’une reconnaissance immédiate. Dans un bloc opératoire très actif, ce type d’interaction n’est pas acceptable.

Les parties prenantes commerciales et marketing ont également apporté leur point de vue. Elles ont estimé que l’interface ne reflétait ni les performances ni le niveau de finition du matériel. Elle ressemblait davantage à une surface d’ingénierie fonctionnelle mais provisoire qu’à un design d’interface de dispositif médical haut de gamme. Pour un produit en concurrence sur un marché saturé d’outils chirurgicaux haute performance, cela représentait un risque.

En parallèle, la GUI existante offrait une cartographie fonctionnelle utile. Elle répertoriait tous les contrôles influençant la délivrance d’énergie et le comportement du coupeur, y compris la gestion des cartouches, la sélection de la vitesse et les interverrouillages de sécurité. L’équipe de design a utilisé cette base comme un catalogue des fonctions et contraintes essentielles via constraint respecting. En respectant le travail déjà accompli, elle l’a considérée comme un point de départ pour une UX de dispositif médical plus cohérente cliniquement et evidence-based, plutôt que comme quelque chose à écarter.

Conception précédente

EXIGENCES, RECHERCHE ET CONSOLIDATION

Comme le dispositif devait répondre aux exigences d’ingénierie de l’utilisabilité de la norme IEC 62366, le projet a commencé par une consolidation délibérée des connaissances via des Sandbox Experiments. La documentation interne, les spécifications logicielles, les commentaires des chirurgiens et les interprétations réglementaires ont été collectés et organisés en un ensemble structuré d’exigences candidates. L’objectif était de passer d’informations dispersées à une vision cohérente de ce que l’interface devait prendre en charge.

Pour combler les lacunes de cette cartographie initiale, l’équipe a mené treize sessions avec huit chirurgiens issus de l’orthopédie, de la traumatologie et de spécialités connexes. Ces sessions combinaient des entretiens structurés et des walkthroughs de procédures typiques où la découpe ultrasonique est utilisée pour l’os ou les tissus durs. Les chirurgiens décrivaient leurs actions comme s’ils enseignaient à un collègue junior. Ils expliquaient quand ils vérifient la bonne mise en place de la cartouche, quand ils contrôlent la vitesse ou la puissance, comment ils se coordonnent avec les assistants, et quels moments sont les plus sensibles aux retards ou à la confusion.

En parallèle, l’équipe a examiné douze études en human factors et des articles d’ergonomie sur la performance tactile avec des gants, la recherche visuelle sous pression temporelle, les changements d’attention et l’utilisabilité des dispositifs médicaux. Ce corpus comprenait des recherches sur les tailles minimales efficaces des cibles tactiles, les espacements et le timing du feedback pour les UX de logiciels professionnels en environnements cliniques.

L’ensemble de ces éléments a été intégré dans un catalogue unique d’exigences. Chaque exigence était liée à des workflows observés, à des preuves issues de l’ingénierie des facteurs humains médicaux, ou à des contraintes réglementaires ou de sécurité explicites. Ce catalogue est ensuite devenu la référence pour les décisions en matière d’architecture de l’information, de design d’interaction et, plus tard, de langage visuel. Plutôt que de s’appuyer sur l’intuition, le projet a ancré chaque choix important dans des preuves documentées et dans la réalité clinique.

Découverte et cartographie des caractéristiques

ARCHITECTURE DE L’INFORMATION ET OPTIONS STRUCTURELLES

L’étape suivante s’est concentrée sur l’architecture de l’information de la GUI embarquée. L’UX des équipements chirurgicaux doit fonctionner dans des contraintes d’espace strictes. L’écran ne peut afficher qu’un nombre limité d’éléments à la fois, et les chirurgiens ne peuvent pas se permettre une navigation profonde ou des structures de menu abstraites. Ils doivent accéder aux fonctions critiques en très peu d’étapes et comprendre immédiatement l’état du système.

Huit modèles structurels ont été développés et évalués via option space mapping. Ils comprenaient un modèle à hub unique, une séquence par étapes, des onglets regroupés, une disposition plate organisée par états de l’appareil, une vue centrée sur l’outil avec un statut persistant, une vue centrée sur les paramètres, un ensemble d’écrans orienté machine à états et un modèle hybride combinant plusieurs approches. Pour chaque modèle, l’équipe a analysé le nombre d’interactions nécessaires pour atteindre les fonctions essentielles, la fréquence de changement d’écran pendant la coupe, et la clarté de compréhension des états de préparation et des avertissements.

Les modèles ont été testés par rapport à des workflows représentatifs issus des entretiens. Par exemple, le changement de cartouche et l’ajustement de la vitesse de rotation en cours d’intervention, la vérification du respect des interverrouillages de sécurité, ou la préparation de l’appareil pour le cas suivant tout en maintenant des pratiques stériles. L’équipe a examiné dans quelle mesure chaque structure soutenait ces workflows complexes en termes de temps, d’effort cognitif et de risque d’omission.

La structure retenue organisait les écrans selon leur pertinence procédurale plutôt que selon les modules logiciels, grâce au tension-driven reasoning. Elle limitait la profondeur de navigation, garantissait que les informations d’état les plus critiques restent toujours visibles et supprimait les étapes de confirmation intermédiaires qui n’apportaient pas de gain en matière de sécurité. Le résultat est un modèle d’interaction qui soutient les cycles de décision que les chirurgiens suivent réellement pendant la coupe et qui répond aux exigences de clarté et de prévisibilité du design d’interface pour dispositifs médicaux.

Architecture de l'information

BENCHMARKING DES INTERFACES CHIRURGICALES EN CONTEXTE

Pour positionner la nouvelle interface de manière crédible, l’équipe a benchmarké six dispositifs chirurgicaux comparables combinant puissance mécanique et interfaces embarquées. Cela incluait des outils ultrasoniques, des scies motorisées et d’autres instruments à grande vitesse utilisés en chirurgie orthopédique et traumatologique. L’objectif était de comprendre comment les meilleurs dispositifs gèrent le feedback d’état, les messages d’erreur et le regroupement des commandes, ainsi que leurs limites.

Le benchmarking s’est concentré sur les aspects pratiques plutôt que sur le style visuel. Il a examiné la rapidité avec laquelle un chirurgien pouvait vérifier l’état de préparation, la cohérence de la présentation des avertissements, la manière dont les changements de mode étaient indiqués et la qualité du support des phases de préparation, d’utilisation et de nettoyage post-utilisation. Certaines interfaces reposaient trop sur la couleur, qui devient peu fiable sous l’éclairage des blocs opératoires et selon les écrans utilisés. D’autres concentraient trop d’informations dans des zones réduites, entraînant des temps de recherche visuelle plus longs. Dans plusieurs cas, la gestion des consommables et l’état des cartouches étaient sous-représentés malgré leur importance pour une utilisation sûre.

En comparant ces modèles avec l’architecture émergente du coupeur ultrasonique, l’équipe a identifié des opportunités d’améliorer des faiblesses courantes. Par exemple, en combinant des signaux redondants pour l’indication d’état plutôt que de se fier uniquement à la couleur, ou en regroupant toutes les informations liées aux cartouches dans une zone cohérente qui reste visible pendant l’activation. Ce travail de benchmarking a guidé des décisions qui ont rendu la nouvelle interface du dispositif chirurgical clairement identifiable comme appartenant à la catégorie des dispositifs médicaux, tout en répondant aux frustrations de longue date exprimées par les chirurgiens vis-à-vis des équipements existants.

Recherche UX

DISPOSITIF PHYSIQUE, COMMANDES ET ÉCRAN COMME UN SEUL SYSTÈME

Le coupeur ultrasonique est avant tout un instrument physique. Le chirurgien fait l’expérience du dispositif à travers la pièce à main, la réponse mécanique pendant la coupe, le système de cartouches et les commandes physiques de la console. La GUI embarquée est un élément de cette chaîne, pas un produit séparé. Un medical device UX design efficace pour ce type d’instrument doit donc considérer les parties physiques et numériques comme un seul système.

Les chirurgiens interagissent avec l’écran à l’aide de la main non dominante, souvent tout en tenant d’autres instruments et en maintenant une position stable par rapport au patient. Les zones atteignables sur l’écran sont limitées par la position du bras, les champs opératoires et les frontières du champ stérile. Les gants réduisent la précision et le retour tactile. Pour cette raison, l’interface évite les petites cibles ou les commandes placées dans les coins extrêmes. Les parcours d’interaction sont courts et concentrés dans des zones correspondant à des enveloppes de portée réalistes.

La console comprend des boutons physiques pour les actions essentielles et des emplacements pour les cartouches. Ces éléments ont été alignés avec les commandes à l’écran afin que les changements d’état soient toujours reflétés à la fois mécaniquement et graphiquement. Par exemple, lorsqu’une nouvelle cartouche est insérée et verrouillée, l’écran confirme le type et l’état de préparation dans une zone cohérente avec une iconographie et un texte clairs. Cette intégration des comportements physiques et numériques réduit le risque de mauvaise interprétation et soutient une utilisation sûre au bloc opératoire, où les pratiques de manipulation stérile et de nettoyage de l’équipement limitent également les contacts inutiles avec l’écran.

Caractéristiques de la console physique

HUMAN FACTORS ET FONDEMENTS COGNITIFS

L’ingénierie des facteurs humains n’a pas été traitée comme une activité séparée. Elle faisait partie de chaque décision de design. Les douze études de recherche examinées au début du projet ont continué à guider le travail détaillé. Les résultats sur la performance tactile avec des gants ont influencé la taille minimale et l’espacement des commandes. Les recherches sur la double tâche et les changements d’attention ont aidé à déterminer la quantité d’information pouvant être présentée sans submerger l’utilisateur dans les moments critiques. La littérature sur la perception visuelle a éclairé les choix en matière de contraste, de regroupement et d’utilisation des couleurs.

Par exemple, les données montrent que les utilisateurs soumis à une pression temporelle et à une attention divisée s’appuient principalement sur des schémas spatiaux et des formes d’icônes cohérentes plutôt que sur le texte. L’interface a donc adopté des mises en page stables, où la position relative des indicateurs clés ne change jamais d’un écran à l’autre. La couleur a été utilisée pour renforcer ces schémas plutôt que pour les remplacer, ce qui atténue les variations liées à l’éclairage et aux caractéristiques des écrans. Le timing du feedback pour les changements d’état, comme l’atteinte d’une plage de vitesse sûre, a été aligné sur les recherches concernant les temps de réaction et les délais de confirmation dans les tâches complexes.

Ces principes ont été présentés au product owner, aux ingénieurs et aux représentants cliniques de manière claire et concrète. Plutôt que de s’appuyer sur une théorie abstraite, l’équipe a expliqué comment chaque principe répondait à un risque d’usage spécifique identifié dans le catalogue d’exigences. Cela a créé une compréhension partagée qui a aidé le comité de pilotage à évaluer les arbitrages et a fourni une justification documentée pouvant soutenir les soumissions réglementaires et les futures revues de human factors pour les dispositifs médicaux.

Conception fondée sur des preuves
Colle, H. A., & Hiszem, K. J. (2004). Standing at a kiosk: Effects of key size and spacing on touch screen numeric keypad performance and user preference. Ergonomics, 47(13), 1406-1423.
Tao, D., Yuan, J., Liu, S., & Qu, X. (2018). Effects of button design characteristics on performance and perceptions of touchscreen use. International Journal of Industrial Ergonomics, 64, 59-68.

DÉVELOPPEMENT ITÉRATIF ET GOUVERNANCE

Avec les exigences, l’architecture et les fondements en human factors en place, l’équipe a avancé à travers une série de cycles de design itératifs durant Concept Convergence. Les premiers cycles se concentraient sur des esquisses low fidelity explorant différentes mises en page au sein du modèle structurel retenu. Les cycles suivants ont affiné les détails d’interaction et les edge cases dans des wireframes high fidelity. Tout au long du processus, l’accent est resté mis sur la clarté pour les chirurgiens et la robustesse pour les ingénieurs qui implémentent le logiciel médical embarqué.

Treize sessions de revue structurées ont impliqué l’équipe centrale du client et des experts métiers. Lors de chaque session, l’équipe a travaillé sur des scénarios représentatifs, notamment la configuration initiale, le changement de cartouches, l’ajustement de la vitesse pendant l’utilisation, la réaction aux avertissements et la préparation au nettoyage. Les commentaires ont été consignés directement sur les wireframes, rendant visibles pour toutes les disciplines les questions de faisabilité, de sécurité et de pertinence clinique.

Les réunions de pilotage toutes les deux semaines ont instauré un rythme de gouvernance formel. Lors de ces sessions, l’équipe présentait l’évolution de l’interface utilisateur chirurgicale, l’impact des nouvelles observations et la justification des décisions clés. Les préférences cliniques, les interprétations réglementaires et les contraintes techniques pouvaient être conciliées tout en maintenant la dynamique du projet. Ce processus a favorisé la transparence, particulièrement importante pour des workflows complexes dans des environnements réglementés, et a garanti que le design émergent reste acceptable pour l’ensemble des parties prenantes critiques.

Prototype & réflexion sur le produit

INTERFACE VISUELLE ET GESTION DE L’ATTENTION

Ce n’est qu’une fois le modèle d’interaction stabilisé que l’équipe est passée au design visuel. L’objectif était de soutenir l’attention et la reconnaissance, et non d’exprimer un style pour le style. La couche visuelle de ce medical UI design mettait l’accent sur la hiérarchie, le regroupement et la lisibilité. La typographie, les espacements et le contraste ont été ajustés afin que les éléments les plus critiques puissent être lus correctement lors de très brefs regards depuis le champ opératoire.

Des états tels que ready, not ready, active et fault sont distingués par une combinaison de disposition spatiale, de formes d’icônes et d’un usage réservé de la couleur. Les niveaux de puissance ou de vitesse, le type de cartouche et l’état des interverrouillages de sécurité sont visibles en permanence à des emplacements que les chirurgiens apprennent rapidement. Le résultat est une interface de dispositif chirurgical dans laquelle un chirurgien peut confirmer l’état essentiel de l’instrument en une fraction de seconde, ce qui constitue une exigence pratique dans de nombreuses procédures orthopédiques et traumatologiques.

Le langage visuel reflète également la position du fabricant en tant que producteur d’équipements sérieux pour le bloc opératoire. L’interface est cohérente avec du matériel haute performance plutôt qu’avec des écrans tactiles grand public. Les équipes commerciales ont indiqué qu’elles pouvaient présenter l’appareil sans avoir à s’excuser pour la GUI, et les chirurgiens ayant testé le prototype ont noté que l’interface se comportait conformément à leurs attentes pour un outil chirurgical moderne. C’est une forme d’acceptation subtile mais importante.

UI Design
Quotes
Cette interface me faciliterait la tâche. Je n'aurais pas à m'en préoccuper. Tout est clair et simple, comme ma Tesla.
Tom Frilling, MSc MBBS FRCS(Tr&Orth)
Chirurgie orthopédique et traumatologie de la hanche et du genou
Sentez-le
Essayez les boutons
HDS-121
RUNNING
Pump
Paired
Unpaired
Speed (RPM)8,500

SYSTÈME DE DESIGN ET ORIENTATION DU PORTEFEUILLE

La phase finale du projet s’est concentrée sur la construction d’un système de design pour le dispositif. Ce système documentait chaque composant de la GUI embarquée, y compris les indicateurs, les commandes, les messages et les conteneurs, ainsi que leurs états et transitions. Il décrivait le comportement en fonctionnement normal, dans les non happy paths et dans les modes de défaillance pertinents. Pour chaque pattern, le système précisait quand il devait être utilisé, quelles entrées il acceptait et quel feedback il fournissait.

Ce niveau de détail réduit l’ambiguïté pour les ingénieurs travaillant sur la plateforme embarquée. Ils peuvent implémenter l’interface en toute confiance, sachant qu’une machine à états ou un écran donné se comportera de manière correcte et cohérente. Cela soutient également les activités de vérification et de validation, car les inspecteurs et les équipes qualité internes peuvent voir comment le comportement de l’interface utilisateur est lié aux risques identifiés, aux scénarios d’usage et aux normes applicables aux dispositifs médicaux.

Le système de design a été rédigé dans une optique de réutilisation. De nombreux éléments, tels que les modèles d’alarme, les dialogues de confirmation et les indicateurs de statut de base, peuvent être appliqués à d’autres dispositifs du portefeuille du fabricant. À terme, cela favorise un langage cohérent pour le medical device UX à travers les différents instruments. Cela rend également les futures soumissions réglementaires plus efficaces, car les patterns de design communs et leurs justifications n’ont pas besoin d’être recréés pour chaque produit.

CONCEPTION DE L'INTERFACE UTILISATEUR ET DE L'INTERFACE GRAPHIQUE POUR LES DISPOSITIFS MÉDICAUX

En trois semaines, l’équipe a livré le premier prototype cliquable de la nouvelle GUI embarquée. Ce prototype intégrait l’architecture de l’information convenue, les principaux patterns d’interaction et une première version du langage visuel. Il a permis aux chirurgiens et aux équipes internes de faire l’expérience directe du medical device UX et a fourni aux ingénieurs une référence concrète pour l’implémentation.

Tout au long des trois mois de collaboration, le projet a produit une traçabilité documentée du processus d’usability engineering conforme aux attentes des normes ISO 62366 et IEC 62366. Les exigences, les résultats de recherche, les décisions de design et les justifications en human factors étaient toutes traçables. Cela a soutenu le travail interne de conformité et préparé le terrain pour les activités formelles de vérification et de validation.

Les retours des huit chirurgiens impliqués dans les revues ont été cohérents. Ils ont indiqué pouvoir vérifier l’état du dispositif plus rapidement qu’avec l’interface précédente et que les ajustements de vitesse et d’autres paramètres n’interrompaient plus leur workflow. Les parties prenantes internes ont estimé que la nouvelle interface utilisateur chirurgicale reflète plus fidèlement le niveau de performance du coupeur ultrasonique et que le système de design constitue une base stable pour les futurs produits.

L’organisation a acquis des ressources immatérielles : une capacité de jugement sur ce qui compte dans les interfaces de dispositifs chirurgicaux pour des procédures à forts enjeux, une intuition produit partagée sur la manière dont les commandes médicales critiques pour la sécurité doivent se comporter sous pression opérationnelle, ainsi qu’une capacité de raisonnement permettant aux équipes d’étendre l’interface à de futurs instruments chirurgicaux sans fragmenter le modèle d’interaction. Le système maintient sa competitive position en soutenant une prise de décision rapide et sûre dans des conditions exigeantes au bloc opératoire, tandis que les concurrents qui privilégient l’exposition des fonctionnalités au détriment de la clarté clinique et de la rigueur réglementaire peinent à servir des équipes chirurgicales travaillant sous pression en temps réel avec des responsabilités en matière de sécurité des patients.

Ce cas illustre comment un interaction design rigoureux et fondé sur des preuves, associé à l’ingénierie des human factors médicaux, peut transformer une interface conçue par des ingénieurs en une medical device UX cliniquement crédible, consciente des exigences réglementaires et prête pour un portefeuille de produits.

RÉSULTATS

Premier prototype cliquable livré en 3 semaines

Conformité aux normes ISO 62366 et IEC 62366-1

Conception d'une interface graphique définissant l'industrie

Système de conception complet à utiliser pour l'ensemble du portefeuille

Transfert et soutien sans faille à l'équipe d'ingénierie

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