基于腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練的眼動特征研究*

葉莎莎，王殊軼，張燕群，呂坤勇，宋成利

(上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093)

1 引 言

相比于傳統(tǒng)手術(shù)，腹腔鏡手術(shù)的困難之處在于：二維空間觀念感，雙手的協(xié)調(diào)性， “支點”效應(yīng)，深度觸覺反饋缺失[1-2]。這些挑戰(zhàn)使得腹腔鏡初級訓(xùn)練者需要經(jīng)過很長的學習曲線才能進入臨床實踐階段。腹腔鏡外科手術(shù)時，由于手術(shù)器械較長，器械尖端的反饋很小，因此，醫(yī)生越來越重視視覺反饋的信息[3]。

研究發(fā)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)下進行腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練時，有經(jīng)驗的醫(yī)生注視點較多集中在目標物體的位置上，很少關(guān)注器械的位置，而新手在訓(xùn)練時，較多時間在查看器械的位置，注視點在器械和目標之間來回切換[4-5]。Wilson等研究者使用頭戴式眼動儀研究虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)下被測試者的眼動特征。研究發(fā)現(xiàn)在單手轉(zhuǎn)移任務(wù)中，新手在器械和目標上的注視時間相差不到10%，且落在關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)的注視時間很少[6]。Chetwood等研究者使用tobii桌面式眼動儀發(fā)現(xiàn)在腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練定位任務(wù)中，將專家的注視點傳輸?shù)奖粶y試者的顯示屏上，在注視點指引下被測試者的完成任務(wù)所需時間減少，準確率提高，反應(yīng)速率加快[7]。但由于頭戴式眼動儀對被測試者的視力有要求，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)價格昂貴，較難推廣[8]。

國內(nèi)眼動儀主要是應(yīng)用于閱讀，網(wǎng)頁設(shè)計，交通駕駛，體育訓(xùn)練，飛行員訓(xùn)練等方面[9-11]。有研究者認為在基礎(chǔ)訓(xùn)練階段，使用手術(shù)訓(xùn)練箱可以達到和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)一樣的效果。為了達到整合醫(yī)療資源，最優(yōu)化利用醫(yī)療設(shè)施，應(yīng)該更多地使用和研究手術(shù)訓(xùn)練箱[12-13]。本研究將視線追蹤技術(shù)應(yīng)用到腹腔鏡手術(shù)模擬訓(xùn)練中，利用手術(shù)訓(xùn)練箱，研究在定位，雙手轉(zhuǎn)移任務(wù)中，初學者學習過程中的眼動特征。探討利用眼動訓(xùn)練方法進行腹腔鏡手術(shù)模擬訓(xùn)練的新方式。

2 材料與方法

2.1 實驗平臺

實驗平臺由腹腔鏡手術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和視線追蹤系統(tǒng)兩部分組成(見圖1)。(1)腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)采用上海世德醫(yī)學科技有限公司的產(chǎn)品，該產(chǎn)品的操作臺高度可調(diào)節(jié)。在雙孔腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練中，器械通過兩個12 mm的穿刺鞘進入訓(xùn)練箱內(nèi)部完成操作。(2)視線追蹤系統(tǒng)采用Tobii X1 Light型號眼動儀(采樣率30幀/秒)，采集軟件版本為Tobii studio3.2。該眼動儀被固定在顯示器的前端靠下方的位置，眼動儀利用兩個紅外線攝像頭，實時捕捉被測試者在訓(xùn)練時的眼動行為(誤差為1°)。

眼動儀使用外部視頻模式，調(diào)用模擬訓(xùn)練箱中的攝像頭，將訓(xùn)練箱中的動態(tài)實時傳輸?shù)讲杉浖小Ｓ?xùn)練箱上的顯示屏為復(fù)制屏(分辨率1280×720)。測試過程中，操作者保持站立姿勢，雙手操作手術(shù)抓鉗，視線集中在顯示屏上。

2.2 實驗設(shè)計

手術(shù)訓(xùn)練箱內(nèi)設(shè)置“左右移環(huán)”任務(wù)，該任務(wù)有3個子任務(wù)：(1)定位抓取：被測試者雙手持抓鉗按圖2中標注的數(shù)字順序，左手持抓鉗夾取左邊柱子上的橡膠環(huán)；(2)轉(zhuǎn)移：將橡膠環(huán)由左手傳遞給右手；(3)放置：右手抓鉗將橡膠環(huán)放置在相對應(yīng)的右邊套住上。待左邊4個橡膠環(huán)全部移到右邊后，再反過來由右向左操作一遍。

圖2 左右移環(huán)

被測試者均為醫(yī)療器械與食品學院的學生，視力正常(矯正視力1.0以上)，肢體無肌肉損傷，無腹腔鏡訓(xùn)練經(jīng)驗。被測試者均知情同意。隨機將被測試者分為3組，每組10人。每個測試者在完全了解任務(wù)設(shè)置和熟悉器械的操作后進行10次測試，每兩次測試之間休息15～20 min，避免由于視覺疲勞和肌肉疲勞，影響下次測試。無指導(dǎo)組：作為對照組，被測試者在無任何指導(dǎo)下進行測試；視頻指導(dǎo)組：觀看學習專家的操作視頻(無注視點)后，進行測試；專家指導(dǎo)組：在專家的說明指導(dǎo)下即如何進行夾取，傳遞動作，進行測試。

組裝調(diào)試好設(shè)備，待眼動儀連接穩(wěn)定后，對被測試者進行5點定標。被測試者的每一次眼動行為均被記錄分析。

2.3 分析方法

根據(jù)眼動儀記錄的眼動視頻以及導(dǎo)出的原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的分析。研究的基礎(chǔ)指標：任務(wù)的完成時間，出錯數(shù)。眼動指標：注視時間百分比，注視點個數(shù)，平均注視時間，掃描距離。

任務(wù)的完成時間和錯誤數(shù)是一對對應(yīng)指標，主要是用來說明被測試者的熟練程度。完成時間是指顯示屏上的圖像出現(xiàn)時起到左邊第四個橡膠環(huán)被放置在套住上(圖2)的一段時間。錯誤數(shù)：每一個階段被測試者的錯誤總和。操作過程中，在轉(zhuǎn)移或夾取時，橡膠環(huán)掉落一次，記為一個錯誤；器械操作即左手器械夾取右邊套住上的橡膠環(huán)或右手持器械夾取左邊的橡膠環(huán)均為錯誤。

Tobii眼動儀將凝視分為注視和掃視兩類。注視是將眼睛中的中央窩對準某一對象的過程，一般注視過程的時間大于100 ms，通常為200～600 ms[14]。結(jié)合文獻中對注視的定義以及國內(nèi)眼動研究，將注視時間的最小時長定義為100 ms。采用一幀一幀地畫興趣區(qū)的方法，分析操作過程中被測試者在不同興趣區(qū)內(nèi)的注視時間。整個測試過程，興趣區(qū)有兩類：器械尖端和目標。器械尖端為左、右抓鉗的尖端，目標物體隨著任務(wù)的進行在變化，在夾取和傳遞過程為橡膠環(huán)，放置過程目標為套住。

注視時間百分比即器械或目標上的注視時間與總注視時間的比例。通過分析注視時間百分比，可以獲得被測試者如何進行注意力的分配，以及對興趣區(qū)的關(guān)注程度即在二維畫面上進行三維操作。注視點個數(shù)反應(yīng)了操作過程中被測試者興趣點的個數(shù)，注視點個數(shù)越多，被測試者在轉(zhuǎn)移過程中，搜索效率越低，認知加工程度越難。平均注視時間即在轉(zhuǎn)移過程中總注視時間與注視點個數(shù)的比值。在轉(zhuǎn)移過程中，被測試者操作任務(wù)時，較少的注視點個數(shù)，較長的平均注視時間，被測試者的操作水平越高。

2.3.1轉(zhuǎn)移過程定義 套環(huán)剛剛離開左邊(右邊)標號“2”的套住到剛剛落下右邊(左邊)標號“2”(L2-R2/R2-L2)這一段過程。掃描距離是指各有序注視點之間的距離之和。假設(shè)在轉(zhuǎn)移過程中有n個注視點，注視點坐標為(x1,y1)，(x2,y2)，…(xn,yn)，則掃描距離(d)的計算如公式(1)所示。掃描軌跡即n個有序注視點之間的軌跡，掃描軌跡越平滑，路徑越短，被測試者操作越熟練。

(1)

3 結(jié)果

實驗獲得的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過Tobii Studio軟件中I-VT Filter算法處理后，通過對視頻幀處理，獲得的結(jié)果導(dǎo)出至Excel2010中進行單方差因素分析。結(jié)果中的所有數(shù)據(jù)均為平均值。

3.1 完成時間和錯誤數(shù)

每次任務(wù)的完成時間取所有測試者的平均值。由圖3可以看出，隨著實驗次數(shù)的增加，每組測試完成時間均呈下降趨勢。結(jié)合表1和圖3，相比無指導(dǎo)組，視頻指導(dǎo)組被測試者的平均操作速率提高20%，任務(wù)完成時間明顯減少(P<0.05，n=10)。相比無指導(dǎo)組，專家指導(dǎo)組被測試者的平均操作速率提高20%，任務(wù)完成時間明顯降低(P<0.05，n=10)，錯誤數(shù)降低91%。在專家的指導(dǎo)下進行訓(xùn)練比被測試者摸索訓(xùn)練，效果顯著。視頻指導(dǎo)和專家指導(dǎo)組相比較，被測試者操作速率沒有顯著差異(P>0.05，n=10)，趨勢一致，但專家指導(dǎo)組操作錯誤較少。

圖3 每次任務(wù)的完成時間

表1 每組操作時間和錯誤數(shù)

3.2 注視時間百分比

每組被測試者的注視時間百分比取所有測試者10次的平均值(見圖4)。視頻指導(dǎo)和專家指導(dǎo)組，被測試者在器械和目標上的注視時間基本相同(P>0.05，n=10)，被測試者表現(xiàn)為注視目標時間較多，但和專家的注視策略相比，被測試依然表現(xiàn)為注視器械。相比于前兩組，在無指導(dǎo)下，被測試者在操作過程中更注意器械尖端的位置(P<0.05，n=10)。

3.3 轉(zhuǎn)移過程

圖5為三個組被測試者在轉(zhuǎn)移過程(L1-R1)中的掃描軌跡，即以注視點的坐標畫的軌跡圖。

圖4 注視時間百分比圖(mean±SD)

圖2所示柱子左右兩邊距離是相等的。表2中的數(shù)據(jù)均為轉(zhuǎn)移過程中各指標的結(jié)果。兩個方向轉(zhuǎn)移過程中，掃描距離和注視點個數(shù)均無顯著變化(P>0.05，n=10)，在平均注視時間上有明顯差異(P<0.05，n=10)。在L1-R1轉(zhuǎn)移過程中，與無指導(dǎo)組相比，視頻指導(dǎo)組和專家指導(dǎo)組的視線掃描距離縮短25%(P<0.05，n=10)，注視點個數(shù)減少17%(P<0.05,n=10)，平均注視時間沒有顯著變化(P>0.05，n=10)。視頻學習和專家指導(dǎo)兩種模式相比，在視線掃描距離、注視點個數(shù)和平均注視時間上均無顯著性變化(P>0.05，n=10)。

圖5 掃描軌跡

表2 轉(zhuǎn)移過程

4 討論

國外有研究表明，在腹腔鏡模擬手術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練中，無經(jīng)驗的初級訓(xùn)練者在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)下經(jīng)過6～10次的訓(xùn)練之后，操作水平進入平穩(wěn)期[15]。結(jié)合操作時間和錯誤數(shù)進行分析，在專家指導(dǎo)下進行訓(xùn)練，被測試者的任務(wù)完成質(zhì)量好，錯誤數(shù)少。本研究中，每組測試的第1次和第2次測試完成時間均相差20%左右，主要是因為被測試者首次在眼動設(shè)備下進行實驗，并進行瞳孔校準，處于適應(yīng)階段。

在腹腔鏡模擬手術(shù)操作過程中，所有被測試者均為視覺指引手部動作，即被測試者抓鉗隨著視線移動。對注視時間進行分析，被測試者分配在器械和目標上的注視時間相差不到10%，說明在操作過程中，為了確定抓鉗和目標的相對位置，被測試者目光在器械和目標區(qū)域來回切換。主要是因為腹腔鏡器械即實驗中用的抓鉗軸向距離較長，抓鉗以穿刺孔為支點進行反向運動，被測試者不易精確定位，被測試視覺衡量目標所在的區(qū)域。專家向被測試者講解如何進行夾取，轉(zhuǎn)移操作，被測試者進行模仿操作。

在視頻學習和專家指導(dǎo)下，被測試者用較少的注視點，較長的平均注視時間，較短的掃描距離進行橡膠環(huán)的轉(zhuǎn)移和傳遞，搜索效率較高。圖5中注視點比較集中區(qū)域是進行左右抓鉗橡膠環(huán)的轉(zhuǎn)移過程，由于在二維空間下，無深度反饋，被測試者根據(jù)視覺來判斷兩個抓鉗的相對位置，進行雙手協(xié)調(diào)交替操作。在無指導(dǎo)情況下，被測試者操作困難，回視比較多，注視點比較跳躍，掃描距離長。在視頻學習和專家指導(dǎo)情況下，被測試者的搜索效率更高，克服深度障礙更有效。

5 結(jié)論

本研究進行三組每人10次的腹腔鏡模擬手術(shù)實驗，研究在不同學習模式下，被測試者的眼動行為。與對照組相比，視頻學習和專家指導(dǎo)下，被測試者任務(wù)的完成效率更高；視線掃描軌跡更簡潔有效，所需注視點更少。本研究被測試者由于訓(xùn)練時間段，操作技能達不到專家水平。在缺乏深度反饋和雙手的協(xié)調(diào)性，三種學習模式相比較下，視頻學習和專家指導(dǎo)模式，被測試者的視線策略和掃描軌跡更有效。

我們通過研究在訓(xùn)練過程中，被測試者的注視行為，希望利用視線追蹤技術(shù)進行腹腔鏡手術(shù)的模擬訓(xùn)練。本研究仍有不足之處：本研究是基于視頻幀處理的方法進行興趣區(qū)的處理，耗時較多，有誤差。下一步將進行眼動訓(xùn)練計劃，并與傳統(tǒng)模式進行對比，比較訓(xùn)練效果。并將增加被測試者人數(shù)，觀察在轉(zhuǎn)移過程中被測試者視線掃描的共同點，即進行曲線擬合。