基于EEG與眼動的腹腔鏡訓練疲勞分析*

左艷，王殊軼，張敏燕，劉云，杜云霄，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

1987年法國Philippe Mouret施行首例腹腔鏡下膽囊切除術，標志著微創(chuàng)外科時代的到來。研究發(fā)現(xiàn)，腹腔鏡醫(yī)生手術的訓練效果、手術操作經(jīng)驗、操作方式與腹腔鏡的并發(fā)癥的發(fā)生有著密切的聯(lián)系[1]。如何快速提高新手的腹腔鏡手術水平，并客觀評價其訓練效果也是目前面臨的重要問題。Mubashir Mular等設計對照組實驗，使用完成時間、準確度、精確度等指標分析訓練箱、虛擬現(xiàn)實模擬器、心理訓練三種模式的訓練效果[2]。

Mohamed Battah使用注視點個數(shù)和注視時間，眼跳個數(shù)和掃描路徑分布等眼動參數(shù)來評價腹腔鏡訓練進程中的學習效果[3]。國內(nèi)研究者利用眼動行為特征建立不同的評價模型對注意力狀態(tài)或疲勞狀態(tài)進行分析[4-5]，尚無應用于醫(yī)療領域，也基本上未用于腹腔鏡手術訓練效果評價。

Spruit等分析了間歇性訓練組，午睡后訓練組和疲勞組對腹腔鏡技能學習和保持的影響[6]。目前國內(nèi)外利用腦電信號(electroencephalograph，EEG)對疲勞程度的研究主要應用在駕駛員、飛行員、運動員的精神狀態(tài)和疲勞評價等方面[7-9]。

本研究首次將基于EEG信號的腦力疲勞分析應用于腹腔鏡訓練領域，采用注視點個數(shù)、注視時間百分比、注視眼跳百分比等眼動特征和完成時間、錯誤數(shù)等行為學描述指標來評價訓練效果；對比分析腹腔鏡訓練箱和虛擬現(xiàn)實模擬器培訓后的培訓效果與腦力疲勞的關系。

2 評價模型

2.1 疲勞評價模型分析

本研究通過腦電信號評價疲勞水平。研究表明，(θ+α)/β、α/β、(θ+α)/(α+β)、θ/β等四個指標均可用于評價疲勞，在疲勞產(chǎn)生過程中，4個指標都呈增大趨勢，其中(θ+α)/β指標的增大趨勢最為明顯[10]。由于本實驗設計不會使受訓者出現(xiàn)睡眠和高度興奮狀態(tài)，因此選取α，θ，β節(jié)律進行分析。

疲勞分析算法流程主要分為三步，第一步是源腦電信號的預處理，主要去除腦電信號中的偽跡和直流偏移，通過兩階段組合型的盲源分離方法(blind source separation, BSS)分別去除眼電和肌電噪音，通過一階高通巴特沃斯濾波器去除直流漂移；第二步是提取特征節(jié)律波，由于通過小波分析能夠很好的刻畫出信號在不同時刻的頻域特征，更好地分析信號時頻域特征[11]，因此，采用小波方差分析的特征提取方法，對腦電儀的14個通道EEG數(shù)據(jù)(AF3,AF4,F7,F8,F3,F4,FC5,FC6,T7,T8,P7,P8,O1,O2)進行三層小波分解，提取分離出α，θ，β節(jié)律波，并計算其能量和平均功率譜，結(jié)果均取每通道的均值分析。以F3通道為例分離結(jié)果見圖1，第三步是疲勞分析。

研究發(fā)現(xiàn)，正常成年人從清醒狀態(tài)變化到疲勞狀態(tài)的過程中腦電信號的慢波逐漸增加，快波逐漸減少[12]，因此，定義疲勞狀態(tài)指標F來建立疲勞模型：

圖1 小波分解圖

2.2 學習效果評價模型分析

本研究采用眼動特征和行為學描述方法來評價訓練效果，眼動特征包括注視點個數(shù)、注視時間百分比、注視眼跳百分比，行為學描述方法采用的特征包括完成時間、錯誤數(shù)。

每次實驗均對眼動儀標定，來減小個體差異對測量結(jié)果的影響。在腹腔鏡模擬手術訓練過程中，訓練者始終保持站立，腳步基本上不移動。腹腔內(nèi)的手術環(huán)境是通過顯示器顯示，桌面式眼動儀固定在顯示器上。

3 實驗

3.1 實驗設計

由于本研究主要對比訓練箱和模擬器在不同疲勞水平的訓練效果。因此分別搭建實驗平臺，在模擬器和訓練箱內(nèi)分別進行手眼協(xié)調(diào)訓練中的左右移環(huán)任務[13]，實驗時實時采集眼動特征和腦電信號，實驗結(jié)束后做主觀疲勞調(diào)查問卷。

本實驗的模擬器訓練平臺由Simbionix Lap Mentor模擬腹腔鏡訓練器(產(chǎn)品編號L030-08-13[M]), Tobii X1 Light型桌面式眼動儀，Emotiv多通道腦電儀組成，見圖2(a)。訓練箱實驗平臺由TriPort虛擬腹腔鏡訓練箱，Tobii X1 Light型桌面式眼動儀，Emotiv多通道腦電儀組成，見圖2(b)。電極位置是參考國際10-20系統(tǒng)標準放置。招募20名在校大學生為實驗志愿者，均為右利手、矯正視力在1.0以上。實驗要求在48 h內(nèi)禁止飲酒、喝咖啡、吃藥物，且不服用影響中樞神經(jīng)興奮或抑制的藥物。所有志愿者在進行腹腔鏡模擬訓練任務前均已熟悉任務，做過一次預模擬訓練。實驗時間為1:00 pm～4:30 pm，連續(xù)訓練20次中間不休息，實驗過程安靜。將20名志愿者隨機分為A、B兩組，訓練箱組為A組，模擬器組為B組。分組后志愿者信息見表1。

表1實驗對象信息

Table 1 Volunteer’s information

圖2實驗平臺圖

(a).LapMentor模擬器訓練平臺；(b).TriPort訓練箱訓練平臺；(c).EmotivEpoc腦電儀；(d).Tobii眼動儀

Fig2Experimentalplatform

(a).LapMentorsimulatortrainingplatform；(b).TriPortboxtrainingplatform；(c).EmotivEpoc；(d).TobiiEEGeyetracker

3.2 實驗結(jié)果分析

疲勞值是疲勞模型計算所得，每一次的疲勞值是各組所有受試者疲勞值的平均值。隨著任務次數(shù)的增加，兩組受試者的疲勞值均在增加，訓練箱組受試者的疲勞值整體大于模擬器組受試者的疲勞值，見圖3。對A、B兩組的疲勞值進行單因素方差分析，有顯著性差異(P<0.05,n=20)。疲勞值對比分析表格見表2。

對A，B組第1～5次的疲勞值進行分析，剛開始兩組的疲勞值相差0.093，約1.3%，基本上可以忽略不計，對各組的曲線進行線性擬合，得A組的線性擬合函數(shù)為y=6.8+0.17x，B組的線性擬合方程為y=6.5+0.17x，兩組的斜率均為0.17，表明在前5次訓練中疲勞的增加程度是一樣的；在第6次至第15次之間，A組增加了0.898，均值為8.48，B組別F值曲線斜率1～5次6～10次11～15次首次出現(xiàn)趨勢變化的次數(shù)完成時間錯誤數(shù)注視點個數(shù)注視時間百分比注視/眼跳百分比主觀問卷首次出現(xiàn)疲勞A組0.170.1140.54141414151512B組0.170.0780.24151215141414

圖3 疲勞值對比分析

圖4 訓練效果圖

(a).完成時間；(b).錯誤數(shù)；(c).注視點個數(shù)；(d).注視時間百分比；(e).注視/眼跳百分比

Fig4Trainingeffect

(a).Completiontime；(b).Errorsaccounts；(c).Fixationsaccounts；

(d).ThePercentageoffixationtime；(e).ThePercentageoffixation/saccade

表2 實驗結(jié)果

組增加了0.587，均值為8.03，在同樣的訓練次數(shù)里，A組訓練者的疲勞值增加多于B組，對A、B兩組進行擬合，斜率分別為0.114，0.078，表明A組在第6次至第15次之間，疲勞值增加得更快；對第16次至第20次進行分析，A組增加了2.213，均值為10.42，B組增加了1.07，均值為9.36，A組的線性擬合斜率0.54大于B組的0.24，表明A組的疲勞值在第16次至20次之間比B組增加得更快更多。

任務完成時間已被廣泛用于腹腔鏡手術訓練的客觀指標之一，操作完成時間越短，說明操作越嫻熟。圖4(a)所示的操作完成時間為每次訓練所有訓練者的完成時間的平均值，一共20次。從圖可知，兩組整體上完成時間有顯著性差異(P<0.05,n=20)且趨勢都是下降的，表明兩種訓練方式均可提高訓練者的熟練度。A組首末次完成時間比較，差額約占首次完成時間的20%，且在第14次時出現(xiàn)上升趨勢。B組首末次完成時間比較，差額約占首次完成時間的26%，在第15次訓練時出現(xiàn)上升趨勢。A組完成時間始終比B組完成時間長。

A組任務中的錯誤是指在操作過程中，被試者夾取橡膠環(huán)時，左右抓鉗抓取順序錯誤和橡膠環(huán)脫落。B組任務中錯誤是指左右抓鉗抓取順序錯誤，三角環(huán)脫落和超時。每一次訓練的錯誤數(shù)為各組訓練者錯誤數(shù)的總和，錯誤數(shù)統(tǒng)計見圖4(b)，無顯著性差異(P>0.05,n=20)。但兩組總體呈下降趨勢。

圖4(c)表示的是注視點個數(shù)平均值，是每次訓練所有受試者注視點個數(shù)的平均值。在相同任務情況下，相同注視時間內(nèi)注視點個數(shù)越少，說明訓練者在操作時對任務越熟悉，操作水平較好，經(jīng)計算兩組有顯著性差異(P<0.05,n=20)，兩組受訓者的注視點個數(shù)整體趨勢是下降的，A組受訓者首末次注視點個數(shù)減少了20.25%,在第14次出現(xiàn)上升趨勢；B組訓練者減少了23.33%，在第15次開始出現(xiàn)明顯上升趨勢，B組的受訓者注視點個數(shù)整體高于A組。

注視時間百分比，指的是注視目標區(qū)域的時間和注視器械的時間的比值。經(jīng)計算兩組有顯著性差異(P<0.05,n=20)，訓練箱訓練組在第15次訓練時出現(xiàn)下降趨勢，模擬器組在第14次出現(xiàn)下降趨勢。

圖4(e)表示的是注視/眼跳時間比，指的是總的注視持續(xù)時間與總的眼跳持續(xù)時間的比值。經(jīng)計算兩組有顯著性差異(P<0.05,n=20)，對比A組訓練者的注視/眼跳時間比，在第15次出現(xiàn)下降趨勢，B組在第14次出現(xiàn)下降趨勢。

4 討論

根據(jù)主觀調(diào)查問卷，兩組分別在第12，14次訓練時出現(xiàn)疲勞狀態(tài)。綜合分析兩組的完成時間、錯誤數(shù)和注視點個數(shù)，其整體趨勢在訓練后是下降的，隨著訓練次數(shù)的增加，其曲線不是下降后呈平穩(wěn)趨勢，當疲勞發(fā)生時曲線呈上升趨勢。針對完成時間和注視點個數(shù)，訓練箱組均略先于模擬器組出現(xiàn)上升趨勢；針對錯誤數(shù)，模擬器組先于訓練箱組出現(xiàn)上升趨勢。針對注視時間百分比和注視/眼跳時間百分比，兩組總體趨勢是上升的，模擬器組均略先于訓練箱組出現(xiàn)下降趨勢。綜合上述3個眼動指標，2個行為學描述指標以及疲勞指標的評價，表明對于訓練效果，兩種儀器并沒有顯著性差異，訓練效果不隨著訓練次數(shù)的增加而一直提高，當疲勞發(fā)生時，訓練效果會呈下降的趨勢。另外在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于訓練箱通過手鉗對實物進行操作，訓練過程更接近真實手術場景，更容易使人疲勞。本次實驗只是較為簡單移環(huán)操作，對于復雜度較高的實驗(如解剖表皮縫合)，實驗材料準備要求較高。而模擬器則是虛擬地設置模塊，力的反饋沒有訓練箱準確。模擬器更直觀呈現(xiàn)訓練任務，并且能呈現(xiàn)難度較高的，完整的手術過程，方便新手了解平時無機會接觸的手術。

5 結(jié)論

隨著訓練次數(shù)的增加，疲勞值整體上都在增加，在最后5次訓練中，增加得最為明顯，對兩組數(shù)據(jù)分析，訓練箱組增加的趨勢快于模擬器組，而且訓練箱組的疲勞值均大于模擬器組。由此可知，對于相同的簡單腹腔鏡手術任務訓練，訓練箱組訓練者更易于疲勞。在訓練時，若條件允許，對于相同的簡單手術訓練，可先在模擬器上訓練，再在訓練箱中對實物操作。難度較高，成本較高且無法現(xiàn)實呈現(xiàn)的完整手術(如膽囊切除)則使用模擬器進行訓練。