基于EEG與眼動(dòng)的腹腔鏡訓(xùn)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(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

1987年法國(guó)Philippe Mouret施行首例腹腔鏡下膽囊切除術(shù)，標(biāo)志著微創(chuàng)外科時(shí)代的到來。研究發(fā)現(xiàn)，腹腔鏡醫(yī)生手術(shù)的訓(xùn)練效果、手術(shù)操作經(jīng)驗(yàn)、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(shù)水平，并客觀評(píng)價(jià)其訓(xùn)練效果也是目前面臨的重要問題。Mubashir Mular等設(shè)計(jì)對(duì)照組實(shí)驗(yàn)，使用完成時(shí)間、準(zhǔn)確度、精確度等指標(biāo)分析訓(xùn)練箱、虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器、心理訓(xùn)練三種模式的訓(xùn)練效果[2]。

Mohamed Battah使用注視點(diǎn)個(gè)數(shù)和注視時(shí)間，眼跳個(gè)數(shù)和掃描路徑分布等眼動(dòng)參數(shù)來評(píng)價(jià)腹腔鏡訓(xùn)練進(jìn)程中的學(xué)習(xí)效果[3]。國(guó)內(nèi)研究者利用眼動(dòng)行為特征建立不同的評(píng)價(jià)模型對(duì)注意力狀態(tài)或疲勞狀態(tài)進(jìn)行分析[4-5]，尚無應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，也基本上未用于腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)。

Spruit等分析了間歇性訓(xùn)練組，午睡后訓(xùn)練組和疲勞組對(duì)腹腔鏡技能學(xué)習(xí)和保持的影響[6]。目前國(guó)內(nèi)外利用腦電信號(hào)(electroencephalograph，EEG)對(duì)疲勞程度的研究主要應(yīng)用在駕駛員、飛行員、運(yùn)動(dòng)員的精神狀態(tài)和疲勞評(píng)價(jià)等方面[7-9]。

本研究首次將基于EEG信號(hào)的腦力疲勞分析應(yīng)用于腹腔鏡訓(xùn)練領(lǐng)域，采用注視點(diǎn)個(gè)數(shù)、注視時(shí)間百分比、注視眼跳百分比等眼動(dòng)特征和完成時(shí)間、錯(cuò)誤數(shù)等行為學(xué)描述指標(biāo)來評(píng)價(jià)訓(xùn)練效果；對(duì)比分析腹腔鏡訓(xùn)練箱和虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器培訓(xùn)后的培訓(xùn)效果與腦力疲勞的關(guān)系。

2 評(píng)價(jià)模型

2.1 疲勞評(píng)價(jià)模型分析

本研究通過腦電信號(hào)評(píng)價(jià)疲勞水平。研究表明，(θ+α)/β、α/β、(θ+α)/(α+β)、θ/β等四個(gè)指標(biāo)均可用于評(píng)價(jià)疲勞，在疲勞產(chǎn)生過程中，4個(gè)指標(biāo)都呈增大趨勢(shì)，其中(θ+α)/β指標(biāo)的增大趨勢(shì)最為明顯[10]。由于本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不會(huì)使受訓(xùn)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(jìn)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(hào)的預(yù)處理，主要去除腦電信號(hào)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(hào)在不同時(shí)刻的頻域特征，更好地分析信號(hào)時(shí)頻域特征[11]，因此，采用小波方差分析的特征提取方法，對(duì)腦電儀的14個(gè)通道EEG數(shù)據(jù)(AF3,AF4,F7,F8,F3,F4,FC5,FC6,T7,T8,P7,P8,O1,O2)進(jìn)行三層小波分解，提取分離出α，θ，β節(jié)律波，并計(jì)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(hào)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(biāo)F來建立疲勞模型：

圖1 小波分解圖

2.2 學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)模型分析

本研究采用眼動(dòng)特征和行為學(xué)描述方法來評(píng)價(jià)訓(xùn)練效果，眼動(dòng)特征包括注視點(diǎn)個(gè)數(shù)、注視時(shí)間百分比、注視眼跳百分比，行為學(xué)描述方法采用的特征包括完成時(shí)間、錯(cuò)誤數(shù)。

每次實(shí)驗(yàn)均對(duì)眼動(dòng)儀標(biāo)定，來減小個(gè)體差異對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。在腹腔鏡模擬手術(shù)訓(xùn)練過程中，訓(xùn)練者始終保持站立，腳步基本上不移動(dòng)。腹腔內(nèi)的手術(shù)環(huán)境是通過顯示器顯示，桌面式眼動(dòng)儀固定在顯示器上。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于本研究主要對(duì)比訓(xùn)練箱和模擬器在不同疲勞水平的訓(xùn)練效果。因此分別搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在模擬器和訓(xùn)練箱內(nèi)分別進(jìn)行手眼協(xié)調(diào)訓(xùn)練中的左右移環(huán)任務(wù)[13]，實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)時(shí)采集眼動(dòng)特征和腦電信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后做主觀疲勞調(diào)查問卷。

本實(shí)驗(yàn)的模擬器訓(xùn)練平臺(tái)由Simbionix Lap Mentor模擬腹腔鏡訓(xùn)練器(產(chǎn)品編號(hào)L030-08-13[M]), Tobii X1 Light型桌面式眼動(dòng)儀，Emotiv多通道腦電儀組成，見圖2(a)。訓(xùn)練箱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由TriPort虛擬腹腔鏡訓(xùn)練箱，Tobii X1 Light型桌面式眼動(dòng)儀，Emotiv多通道腦電儀組成，見圖2(b)。電極位置是參考國(guó)際10-20系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)放置。招募20名在校大學(xué)生為實(shí)驗(yàn)志愿者，均為右利手、矯正視力在1.0以上。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行腹腔鏡模擬訓(xùn)練任務(wù)前均已熟悉任務(wù)，做過一次預(yù)模擬訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為1:00 pm～4:30 pm，連續(xù)訓(xùn)練20次中間不休息，實(shí)驗(yàn)過程安靜。將20名志愿者隨機(jī)分為A、B兩組，訓(xùn)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(shí)驗(yàn)對(duì)象信息

Table 1 Volunteer’s information

圖2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖

(a).LapMentor模擬器訓(xùn)練平臺(tái)；(b).TriPort訓(xùn)練箱訓(xùn)練平臺(tái)；(c).EmotivEpoc腦電儀；(d).Tobii眼動(dòng)儀

Fig2Experimentalplatform

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

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

疲勞值是疲勞模型計(jì)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(wù)次數(shù)的增加，兩組受試者的疲勞值均在增加，訓(xùn)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(duì)A、B兩組的疲勞值進(jìn)行單因素方差分析，有顯著性差異(P<0.05,n=20)。疲勞值對(duì)比分析表格見表2。

對(duì)A，B組第1～5次的疲勞值進(jìn)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(jì)，對(duì)各組的曲線進(jìn)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(xùn)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(shì)變化的次數(shù)完成時(shí)間錯(cuò)誤數(shù)注視點(diǎn)個(gè)數(shù)注視時(shí)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(duì)比分析

圖4 訓(xùn)練效果圖

(a).完成時(shí)間；(b).錯(cuò)誤數(shù)；(c).注視點(diǎn)個(gè)數(shù)；(d).注視時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

組增加了0.587，均值為8.03，在同樣的訓(xùn)練次數(shù)里，A組訓(xùn)練者的疲勞值增加多于B組，對(duì)A、B兩組進(jìn)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(duì)第16次至第20次進(jìn)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(wù)完成時(shí)間已被廣泛用于腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練的客觀指標(biāo)之一，操作完成時(shí)間越短，說明操作越嫻熟。圖4(a)所示的操作完成時(shí)間為每次訓(xùn)練所有訓(xùn)練者的完成時(shí)間的平均值，一共20次。從圖可知，兩組整體上完成時(shí)間有顯著性差異(P<0.05,n=20)且趨勢(shì)都是下降的，表明兩種訓(xùn)練方式均可提高訓(xùn)練者的熟練度。A組首末次完成時(shí)間比較，差額約占首次完成時(shí)間的20%，且在第14次時(shí)出現(xiàn)上升趨勢(shì)。B組首末次完成時(shí)間比較，差額約占首次完成時(shí)間的26%，在第15次訓(xùn)練時(shí)出現(xiàn)上升趨勢(shì)。A組完成時(shí)間始終比B組完成時(shí)間長(zhǎng)。

A組任務(wù)中的錯(cuò)誤是指在操作過程中，被試者夾取橡膠環(huán)時(shí)，左右抓鉗抓取順序錯(cuò)誤和橡膠環(huán)脫落。B組任務(wù)中錯(cuò)誤是指左右抓鉗抓取順序錯(cuò)誤，三角環(huán)脫落和超時(shí)。每一次訓(xùn)練的錯(cuò)誤數(shù)為各組訓(xùn)練者錯(cuò)誤數(shù)的總和，錯(cuò)誤數(shù)統(tǒng)計(jì)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(shì)。

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

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

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

4 討論

根據(jù)主觀調(diào)查問卷，兩組分別在第12，14次訓(xùn)練時(shí)出現(xiàn)疲勞狀態(tài)。綜合分析兩組的完成時(shí)間、錯(cuò)誤數(shù)和注視點(diǎn)個(gè)數(shù)，其整體趨勢(shì)在訓(xùn)練后是下降的，隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，其曲線不是下降后呈平穩(wěn)趨勢(shì)，當(dāng)疲勞發(fā)生時(shí)曲線呈上升趨勢(shì)。針對(duì)完成時(shí)間和注視點(diǎn)個(gè)數(shù)，訓(xùn)練箱組均略先于模擬器組出現(xiàn)上升趨勢(shì)；針對(duì)錯(cuò)誤數(shù)，模擬器組先于訓(xùn)練箱組出現(xiàn)上升趨勢(shì)。針對(duì)注視時(shí)間百分比和注視/眼跳時(shí)間百分比，兩組總體趨勢(shì)是上升的，模擬器組均略先于訓(xùn)練箱組出現(xiàn)下降趨勢(shì)。綜合上述3個(gè)眼動(dòng)指標(biāo)，2個(gè)行為學(xué)描述指標(biāo)以及疲勞指標(biāo)的評(píng)價(jià)，表明對(duì)于訓(xùn)練效果，兩種儀器并沒有顯著性差異，訓(xùn)練效果不隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加而一直提高，當(dāng)疲勞發(fā)生時(shí)，訓(xùn)練效果會(huì)呈下降的趨勢(shì)。另外在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于訓(xùn)練箱通過手鉗對(duì)實(shí)物進(jìn)行操作，訓(xùn)練過程更接近真實(shí)手術(shù)場(chǎng)景，更容易使人疲勞。本次實(shí)驗(yàn)只是較為簡(jiǎn)單移環(huán)操作，對(duì)于復(fù)雜度較高的實(shí)驗(yàn)(如解剖表皮縫合)，實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備要求較高。而模擬器則是虛擬地設(shè)置模塊，力的反饋沒有訓(xùn)練箱準(zhǔn)確。模擬器更直觀呈現(xiàn)訓(xùn)練任務(wù)，并且能呈現(xiàn)難度較高的，完整的手術(shù)過程，方便新手了解平時(shí)無機(jī)會(huì)接觸的手術(shù)。

5 結(jié)論

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