基于腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練的眼動(dòng)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(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)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(diǎn)”效應(yīng)，深度觸覺(jué)反饋缺失[1-2]。這些挑戰(zhàn)使得腹腔鏡初級(jí)訓(xùn)練者需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的學(xué)習(xí)曲線才能進(jìn)入臨床實(shí)踐階段。腹腔鏡外科手術(shù)時(shí)，由于手術(shù)器械較長(zhǎng)，器械尖端的反饋很小，因此，醫(yī)生越來(lái)越重視視覺(jué)反饋的信息[3]。

研究發(fā)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)下進(jìn)行腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生注視點(diǎn)較多集中在目標(biāo)物體的位置上，很少關(guān)注器械的位置，而新手在訓(xùn)練時(shí)，較多時(shí)間在查看器械的位置，注視點(diǎn)在器械和目標(biāo)之間來(lái)回切換[4-5]。Wilson等研究者使用頭戴式眼動(dòng)儀研究虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)下被測(cè)試者的眼動(dòng)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(biāo)上的注視時(shí)間相差不到10%，且落在關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)的注視時(shí)間很少[6]。Chetwood等研究者使用tobii桌面式眼動(dòng)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(diǎn)傳輸?shù)奖粶y(cè)試者的顯示屏上，在注視點(diǎn)指引下被測(cè)試者的完成任務(wù)所需時(shí)間減少，準(zhǔn)確率提高，反應(yīng)速率加快[7]。但由于頭戴式眼動(dòng)儀對(duì)被測(cè)試者的視力有要求，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)價(jià)格昂貴，較難推廣[8]。

國(guó)內(nèi)眼動(dòng)儀主要是應(yīng)用于閱讀，網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)，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(rèn)為在基礎(chǔ)訓(xùn)練階段，使用手術(shù)訓(xùn)練箱可以達(dá)到和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一樣的效果。為了達(dá)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(xué)者學(xué)習(xí)過(guò)程中的眼動(dòng)特征。探討利用眼動(dòng)訓(xùn)練方法進(jìn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jiàn)圖1)。(1)腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)采用上海世德醫(yī)學(xué)科技有限公司的產(chǎn)品，該產(chǎn)品的操作臺(tái)高度可調(diào)節(jié)。在雙孔腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練中，器械通過(guò)兩個(gè)12 mm的穿刺鞘進(jìn)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(hào)眼動(dòng)儀(采樣率30幀/秒)，采集軟件版本為T(mén)obii studio3.2。該眼動(dòng)儀被固定在顯示器的前端靠下方的位置，眼動(dòng)儀利用兩個(gè)紅外線攝像頭，實(shí)時(shí)捕捉被測(cè)試者在訓(xùn)練時(shí)的眼動(dòng)行為(誤差為1°)。

眼動(dòng)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(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)傳輸?shù)讲杉浖?。?xùn)練箱上的顯示屏為復(fù)制屏(分辨率1280×720)。測(cè)試過(guò)程中，操作者保持站立姿勢(shì)，雙手操作手術(shù)抓鉗，視線集中在顯示屏上。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(gè)子任務(wù)：(1)定位抓取：被測(cè)試者雙手持抓鉗按圖2中標(biāo)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(duì)應(yīng)的右邊套住上。待左邊4個(gè)橡膠環(huán)全部移到右邊后，再反過(guò)來(lái)由右向左操作一遍。

圖2 左右移環(huán)

被測(cè)試者均為醫(yī)療器械與食品學(xué)院的學(xué)生，視力正常(矯正視力1.0以上)，肢體無(wú)肌肉損傷，無(wú)腹腔鏡訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)。被測(cè)試者均知情同意。隨機(jī)將被測(cè)試者分為3組，每組10人。每個(gè)測(cè)試者在完全了解任務(wù)設(shè)置和熟悉器械的操作后進(jìn)行10次測(cè)試，每?jī)纱螠y(cè)試之間休息15～20 min，避免由于視覺(jué)疲勞和肌肉疲勞，影響下次測(cè)試。無(wú)指導(dǎo)組：作為對(duì)照組，被測(cè)試者在無(wú)任何指導(dǎo)下進(jìn)行測(cè)試；視頻指導(dǎo)組：觀看學(xué)習(xí)專家的操作視頻(無(wú)注視點(diǎn))后，進(jìn)行測(cè)試；專家指導(dǎo)組：在專家的說(shuō)明指導(dǎo)下即如何進(jìn)行夾取，傳遞動(dòng)作，進(jìn)行測(cè)試。

組裝調(diào)試好設(shè)備，待眼動(dòng)儀連接穩(wěn)定后，對(duì)被測(cè)試者進(jìn)行5點(diǎn)定標(biāo)。被測(cè)試者的每一次眼動(dòng)行為均被記錄分析。

2.3 分析方法

根據(jù)眼動(dòng)儀記錄的眼動(dòng)視頻以及導(dǎo)出的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。研究的基礎(chǔ)指標(biāo)：任務(wù)的完成時(shí)間，出錯(cuò)數(shù)。眼動(dòng)指標(biāo)：注視時(shí)間百分比，注視點(diǎn)個(gè)數(shù)，平均注視時(shí)間，掃描距離。

任務(wù)的完成時(shí)間和錯(cuò)誤數(shù)是一對(duì)對(duì)應(yīng)指標(biāo)，主要是用來(lái)說(shuō)明被測(cè)試者的熟練程度。完成時(shí)間是指顯示屏上的圖像出現(xiàn)時(shí)起到左邊第四個(gè)橡膠環(huán)被放置在套住上(圖2)的一段時(shí)間。錯(cuò)誤數(shù)：每一個(gè)階段被測(cè)試者的錯(cuò)誤總和。操作過(guò)程中，在轉(zhuǎn)移或夾取時(shí)，橡膠環(huán)掉落一次，記為一個(gè)錯(cuò)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(cuò)誤。

Tobii眼動(dòng)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(duì)準(zhǔn)某一對(duì)象的過(guò)程，一般注視過(guò)程的時(shí)間大于100 ms，通常為200～600 ms[14]。結(jié)合文獻(xiàn)中對(duì)注視的定義以及國(guó)內(nèi)眼動(dòng)研究，將注視時(shí)間的最小時(shí)長(zhǎng)定義為100 ms。采用一幀一幀地畫(huà)興趣區(qū)的方法，分析操作過(guò)程中被測(cè)試者在不同興趣區(qū)內(nèi)的注視時(shí)間。整個(gè)測(cè)試過(guò)程，興趣區(qū)有兩類：器械尖端和目標(biāo)。器械尖端為左、右抓鉗的尖端，目標(biāo)物體隨著任務(wù)的進(jìn)行在變化，在夾取和傳遞過(guò)程為橡膠環(huán)，放置過(guò)程目標(biāo)為套住。

注視時(shí)間百分比即器械或目標(biāo)上的注視時(shí)間與總注視時(shí)間的比例。通過(guò)分析注視時(shí)間百分比，可以獲得被測(cè)試者如何進(jìn)行注意力的分配，以及對(duì)興趣區(qū)的關(guān)注程度即在二維畫(huà)面上進(jìn)行三維操作。注視點(diǎn)個(gè)數(shù)反應(yīng)了操作過(guò)程中被測(cè)試者興趣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，注視點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，被測(cè)試者在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，搜索效率越低，認(rèn)知加工程度越難。平均注視時(shí)間即在轉(zhuǎn)移過(guò)程中總注視時(shí)間與注視點(diǎn)個(gè)數(shù)的比值。在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，被測(cè)試者操作任務(wù)時(shí)，較少的注視點(diǎn)個(gè)數(shù)，較長(zhǎng)的平均注視時(shí)間，被測(cè)試者的操作水平越高。

2.3.1轉(zhuǎn)移過(guò)程定義 套環(huán)剛剛離開(kāi)左邊(右邊)標(biāo)號(hào)“2”的套住到剛剛落下右邊(左邊)標(biāo)號(hào)“2”(L2-R2/R2-L2)這一段過(guò)程。掃描距離是指各有序注視點(diǎn)之間的距離之和。假設(shè)在轉(zhuǎn)移過(guò)程中有n個(gè)注視點(diǎn)，注視點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1)，(x2,y2)，…(xn,yn)，則掃描距離(d)的計(jì)算如公式(1)所示。掃描軌跡即n個(gè)有序注視點(diǎn)之間的軌跡，掃描軌跡越平滑，路徑越短，被測(cè)試者操作越熟練。

(1)

3 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)獲得的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Tobii Studio軟件中I-VT Filter算法處理后，通過(guò)對(duì)視頻幀處理，獲得的結(jié)果導(dǎo)出至Excel2010中進(jìn)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(shí)間和錯(cuò)誤數(shù)

每次任務(wù)的完成時(shí)間取所有測(cè)試者的平均值。由圖3可以看出，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，每組測(cè)試完成時(shí)間均呈下降趨勢(shì)。結(jié)合表1和圖3，相比無(wú)指導(dǎo)組，視頻指導(dǎo)組被測(cè)試者的平均操作速率提高20%，任務(wù)完成時(shí)間明顯減少(P<0.05，n=10)。相比無(wú)指導(dǎo)組，專家指導(dǎo)組被測(cè)試者的平均操作速率提高20%，任務(wù)完成時(shí)間明顯降低(P<0.05，n=10)，錯(cuò)誤數(shù)降低91%。在專家的指導(dǎo)下進(jìn)行訓(xùn)練比被測(cè)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(cè)試者操作速率沒(méi)有顯著差異(P>0.05，n=10)，趨勢(shì)一致，但專家指導(dǎo)組操作錯(cuò)誤較少。

圖3 每次任務(wù)的完成時(shí)間

表1 每組操作時(shí)間和錯(cuò)誤數(shù)

3.2 注視時(shí)間百分比

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

3.3 轉(zhuǎn)移過(guò)程

圖5為三個(gè)組被測(cè)試者在轉(zhuǎn)移過(guò)程(L1-R1)中的掃描軌跡，即以注視點(diǎn)的坐標(biāo)畫(huà)的軌跡圖。

圖4 注視時(shí)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(guò)程中各指標(biāo)的結(jié)果。兩個(gè)方向轉(zhuǎn)移過(guò)程中，掃描距離和注視點(diǎn)個(gè)數(shù)均無(wú)顯著變化(P>0.05，n=10)，在平均注視時(shí)間上有明顯差異(P<0.05，n=10)。在L1-R1轉(zhuǎn)移過(guò)程中，與無(wú)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(diǎn)個(gè)數(shù)減少17%(P<0.05,n=10)，平均注視時(shí)間沒(méi)有顯著變化(P>0.05，n=10)。視頻學(xué)習(xí)和專家指導(dǎo)兩種模式相比，在視線掃描距離、注視點(diǎn)個(gè)數(shù)和平均注視時(shí)間上均無(wú)顯著性變化(P>0.05，n=10)。

圖5 掃描軌跡

表2 轉(zhuǎn)移過(guò)程

4 討論

國(guó)外有研究表明，在腹腔鏡模擬手術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練中，無(wú)經(jīng)驗(yàn)的初級(jí)訓(xùn)練者在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)下經(jīng)過(guò)6～10次的訓(xùn)練之后，操作水平進(jìn)入平穩(wěn)期[15]。結(jié)合操作時(shí)間和錯(cuò)誤數(shù)進(jìn)行分析，在專家指導(dǎo)下進(jìn)行訓(xùn)練，被測(cè)試者的任務(wù)完成質(zhì)量好，錯(cuò)誤數(shù)少。本研究中，每組測(cè)試的第1次和第2次測(cè)試完成時(shí)間均相差20%左右，主要是因?yàn)楸粶y(cè)試者首次在眼動(dòng)設(shè)備下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行瞳孔校準(zhǔn)，處于適應(yīng)階段。

在腹腔鏡模擬手術(shù)操作過(guò)程中，所有被測(cè)試者均為視覺(jué)指引手部動(dòng)作，即被測(cè)試者抓鉗隨著視線移動(dòng)。對(duì)注視時(shí)間進(jìn)行分析，被測(cè)試者分配在器械和目標(biāo)上的注視時(shí)間相差不到10%，說(shuō)明在操作過(guò)程中，為了確定抓鉗和目標(biāo)的相對(duì)位置，被測(cè)試者目光在器械和目標(biāo)區(qū)域來(lái)回切換。主要是因?yàn)楦骨荤R器械即實(shí)驗(yàn)中用的抓鉗軸向距離較長(zhǎng)，抓鉗以穿刺孔為支點(diǎn)進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)，被測(cè)試者不易精確定位，被測(cè)試視覺(jué)衡量目標(biāo)所在的區(qū)域。專家向被測(cè)試者講解如何進(jìn)行夾取，轉(zhuǎn)移操作，被測(cè)試者進(jìn)行模仿操作。

在視頻學(xué)習(xí)和專家指導(dǎo)下，被測(cè)試者用較少的注視點(diǎn)，較長(zhǎng)的平均注視時(shí)間，較短的掃描距離進(jìn)行橡膠環(huán)的轉(zhuǎn)移和傳遞，搜索效率較高。圖5中注視點(diǎn)比較集中區(qū)域是進(jìn)行左右抓鉗橡膠環(huán)的轉(zhuǎn)移過(guò)程，由于在二維空間下，無(wú)深度反饋，被測(cè)試者根據(jù)視覺(jué)來(lái)判斷兩個(gè)抓鉗的相對(duì)位置，進(jìn)行雙手協(xié)調(diào)交替操作。在無(wú)指導(dǎo)情況下，被測(cè)試者操作困難，回視比較多，注視點(diǎn)比較跳躍，掃描距離長(zhǎng)。在視頻學(xué)習(xí)和專家指導(dǎo)情況下，被測(cè)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(jìn)行三組每人10次的腹腔鏡模擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)，研究在不同學(xué)習(xí)模式下，被測(cè)試者的眼動(dòng)行為。與對(duì)照組相比，視頻學(xué)習(xí)和專家指導(dǎo)下，被測(cè)試者任務(wù)的完成效率更高；視線掃描軌跡更簡(jiǎn)潔有效，所需注視點(diǎn)更少。本研究被測(cè)試者由于訓(xùn)練時(shí)間段，操作技能達(dá)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(xué)習(xí)模式相比較下，視頻學(xué)習(xí)和專家指導(dǎo)模式，被測(cè)試者的視線策略和掃描軌跡更有效。

我們通過(guò)研究在訓(xùn)練過(guò)程中，被測(cè)試者的注視行為，希望利用視線追蹤技術(shù)進(jìn)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(jìn)行興趣區(qū)的處理，耗時(shí)較多，有誤差。下一步將進(jìn)行眼動(dòng)訓(xùn)練計(jì)劃，并與傳統(tǒng)模式進(jìn)行對(duì)比，比較訓(xùn)練效果。并將增加被測(cè)試者人數(shù)，觀察在轉(zhuǎn)移過(guò)程中被測(cè)試者視線掃描的共同點(diǎn)，即進(jìn)行曲線擬合。