眼動儀在外科醫(yī)學教育中的應用及進展

潘琳 段曉琴

摘 要 隨著紅外技術、圖像處理技術和微電子技術的不斷發(fā)展與進步，眼動儀作為一種實用性設備出現(xiàn)在眾多機構中，在閱讀、圖畫觀看、廣告設計等方面得到了廣泛應用。目前眼動儀也被用于外科醫(yī)學教育領域，但國內研究較少。本文著重從技能評估、技能培訓、外科器械的優(yōu)化設計三個維度對眼動儀在外科醫(yī)學教育中的應用現(xiàn)狀及進展進行綜述，旨在為外科醫(yī)學教育的發(fā)展、醫(yī)工交叉研究新思路的探索提供參考。

關鍵詞 眼動儀；眼動追蹤技術；外科；醫(yī)學教育

中圖分類號 R494 文獻標識碼 A 文章編號 2096-7721（2023）01-0074-05

Abstract With the continuous development of infrared technology， image processing technology and microelectronic technology， eye tracker has gradually appeared in many fields as a kind of practical equipment， such as reading， picture viewing， advertising design and so on. At present， eye trackers are also used in the field of surgical education， but few studies in China have been reported. The application status and progress of eye tracker in surgical education from three aspects were reviewed in this paper， including surgical skill evaluation， surgical skill training and optimal design of surgical instruments， with the purpose of providing reference for surgical education and exploring new ideas for further researches on medical-industrial interdiscipline.

Key words Eye tracker; Eye tracking technology; Surgery; Medical education

眼動儀是一項用于心理學基礎研究的儀器，它的問世使眼動跟蹤成為可能。眼動儀能夠記錄人的眼球運動軌跡，包括注視時間、注視點個數、熱點圖、注視率、眼動軌跡圖、瞳孔大小等多個指標，有利于研究個體視覺信息認知加工的心理學機制。因此，眼動儀被廣泛應用于研究個體心理活動和內在認知過程。近年來，信息化教育在世界領域內掀起了熱浪，眼動儀也被應用于外科醫(yī)學教育領域，但國內相關報道較少。本文通過綜述眼動儀在外科教育研究中的應用及進展，旨在為廣大醫(yī)學教育工作者、醫(yī)工交叉領域的研究者提供新的視角，推動我國外科人才培養(yǎng)體系的發(fā)展。

1 眼動儀在外科醫(yī)學教育中的應用

1.1 技能評估

眼動跟蹤和凝視模式研究被用于評估人類行為已有幾十年[1]。眾所周知，高效成熟的技能訓練方案需要一套精確、客觀的評估方法[2]，而眼動追蹤技術可以作為外科醫(yī)師技能水平評估的一種手段，能夠幫助學員更好地學習外科技能。

近年來，眼動分析逐漸應用于微創(chuàng)手術（腹腔鏡/內鏡手術）的考核及培訓，以評估外科醫(yī)生的技能水平。研究發(fā)現(xiàn)，不同利手操作時的眼動數據是不一樣的[3]。通常情況下，使用優(yōu)勢手時，任務完成時間更短，手術效果更好；而使用非優(yōu)勢手或雙手時，執(zhí)行任務的時間會增加。此外，隨著3D成像技術的逐漸發(fā)展，立體鏡、立體圖像逐漸被引入手術室，深度知覺（個體看到和放置不同距離物體的能力）成為三維模式下的外科手術焦點。對于一名外科醫(yī)生來說，具有正確的深度知覺能力是保證手術操作準確和患者安全的關鍵因素。國外研究人員采用Tobii眼動儀進行深度知覺測量，通過眼動儀對外科醫(yī)生在3D手術模式下的眼動軌跡進行追蹤，計算手術過程中的視線變化和凝視軌跡，從而幫助初學者了解自己操作的缺陷或薄弱環(huán)節(jié)，有利于復雜手術技能的學習及提升[4]。由此可見，眼動分析能夠從多個視角評估外科技能，幫助外科醫(yī)生找到適合自己的最佳提升途徑，從而實現(xiàn)高效的技能提高。

此外，眼動跟蹤技術已被運用于記錄評估外科專家、新手的眼動特征，通過對比分析，可以精準評定外科醫(yī)生、醫(yī)學生的技能水平。無論是在手術操作過程中，或是在模擬手術培訓時，新手和外科專家的注視模式差異較大。研究顯示，在進行腹腔鏡胰十二指腸切除術時，專家的平均注視時間較新手高，而凝視次數較新手少，表明專家能夠更快地識別手術的關鍵步驟[5]。近期的一項結腸鏡模擬手術研究表明，專家的主要觀察區(qū)域在腸腔中心，而新手則在屏幕邊緣；當腸腔移出中心視野時，專家的掃視頻率增加，而新手卻沒有此類動作[6]。此外，由于瞳孔的大小能夠反映受試者的心理負荷，眼動儀也被運用于外科新手和專家醫(yī)生心理負荷的評估[2]。一項研究表明，在手術過程中，新手的瞳孔大于專家的瞳孔，專家在手術關鍵區(qū)域的注視次數更高、注視時長更長，能夠更快地收集到必要的信息[3]。對于外科醫(yī)生來說，手術過程中的眨眼次數與注意力息息相關，眨眼次數越少，注意力越集中。Erridge S等人[7]發(fā)現(xiàn)，在腹腔鏡胃分流手術中，專家的眨眼頻率（0.30～0.40次/s）較新手（0.40～1.70次/s）低，在每個手術關鍵節(jié)點的停留時間更長。加拿大不列顛哥倫比亞省的一項研究表明，與新手外科醫(yī)生相比，專家外科醫(yī)生對患者生命體征的注視次數更高[8]。因此，眼動分析結果能夠協(xié)助判斷外科醫(yī)生的技能操作水平及心理負荷水平，可以客觀評價外科醫(yī)生，幫助他們調試自身心理狀態(tài)，不斷提升操作技能。

根據上述研究及近年外科教學領域的相關研究，眼動儀的主要應用情況（如選型、配置、技術參數設置等）見表1。

1.2 技能培訓

有經驗醫(yī)生的臨床思維和手術技能是通過多年臨床實踐形成的。通過眼動儀，可以記錄專家手術期間的眼動軌跡，為新手的技能培訓提供了客觀、精準的指導[12]。Khan R S等人[12]的研究發(fā)現(xiàn)，外科新手醫(yī)生與專家之間的凝視行為差異，并證明了新手在學習專家的眼動軌跡后，他們的學習曲線明顯改善。Chetwood A S等人[13]將外科專家操作時的注視點傳輸到初級外科醫(yī)生的顯示屏上，在注視點的指引下，初級醫(yī)生完成任務的準確率提高、反應速率提升。因此，眼動儀能夠用于記錄并分析專家外科醫(yī)生和初級外科醫(yī)生手術行為的差異，通過獲得有經驗醫(yī)生的視覺策略，為外科年輕醫(yī)生的培養(yǎng)提供了一種新思路、新方法。

此外，眼動儀為探討不同技能訓練模式下的培訓效果提供了可能。上海理工大學對不同學習模式下的腹腔鏡模擬訓練者的眼動數據進行分析，結果表明，無指導組的任務完成時間（145.5±37.7）s和操作錯誤數（11.0±1.2）個均大于視頻指導組[（112.0±15.7）s，（5.0±0.7）個]和專家指導組[（112.1±19.3）s，（1.0±0.2）個]。和無指導組相比，專家指導組中被測試者的平均操作速度提高20%，任務完成時間明顯降低，錯誤數降低91%，由此表明視頻學習和專家指導下的學習效果比無指導時更好[14]。Di Stasi L L等人[15]的研究提到了外科醫(yī)生的注視模式在手術訓練中的潛在好處。除此之外，眼動追蹤技術下的首次注視時間和注視模式有利于發(fā)掘更好的訓練方法[16]。因此，在外科醫(yī)生的模擬手術技能訓練過程中，不同訓練方案下的眼動特征數據為探索新的訓練模式提供了新的視角，有利于外科醫(yī)生的培養(yǎng)。

1.3 外科器械的優(yōu)化設計

眼動儀被逐步應用于遠程手術、手術機器人系統(tǒng)的研發(fā)中，大大促進了外科學技術的進步與發(fā)展。早在2012年，遠程手術TELELAP Alf-X系統(tǒng)就通過添加眼動追蹤系統(tǒng)，精準測試了外科醫(yī)生手眼協(xié)調性、手靈巧度、景深及最佳縫合和打結的能力，為遠程操作的3D內窺鏡操作提供了新方法[17]。近兩年推出的Senhance TM機器人系統(tǒng)集合了眼動追蹤、改進的人體工程學、觸覺反饋及標準腹腔鏡設備，研究顯示，其輔助下的膽囊切除術安全、可行且有效[18]。此外，根據人體工程學理論，良好的界面設計不僅兼具可用性、功能性和美感[19]，還能引領交互過程的順利完成。一方面，通過眼動指標分析，可以識別外科醫(yī)生的注意力焦點、人機交互界面中感興趣的地方，也可以了解人機交互界面的布局方式對視覺優(yōu)先順序的影響，從而用于改善外科視覺系統(tǒng)的設計，也為初級外科醫(yī)生的技能訓練提供便利。最近開發(fā)出來的被稱為“肝臟醫(yī)生”的虛擬肝臟手術系統(tǒng)是針對初級外科醫(yī)生設計出來的，易用性和安全性顯著增加，還能夠幫助醫(yī)生進行模擬訓練[20]。另一方面，數字手術室中越來越多的醫(yī)療設備的使用增加了手術人員的交互需求，為降低設備交互引起的細菌污染風險，學者們基于眼動追蹤眼鏡系統(tǒng)開發(fā)了非接觸式交互技術。實驗室環(huán)境評估的研究顯示，注視手勢識別準確率為97.9%，參與者滿意度高[21]。因此，眼動儀對于外科遠程手術、手術機器人、手術操作設備乃至手術學科的發(fā)展有著廣闊的應用前景，值得進一步研究推廣。

2 總結與展望

雖然目前眼動儀在外科醫(yī)學教育中的應用尚處于研究階段，隨著眼動追蹤技術的日趨成熟，眼動儀在外科醫(yī)學教育中發(fā)揮的作用將逐漸凸顯出來。近年來，虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，VR）與眼動跟蹤技術的結合顯示出了很好的前景，未來可能徹底改變外科領域的培訓方式[22]。Williams A M等人[23]認為，為了達到技能訓練的目的，必須要有一定逼真程度的模擬。而VR則為更生態(tài)有效的技能練習方式提供了可能[24]。目前，VR已經被應用到醫(yī)學培訓、實習和研究中，甚至一些醫(yī)學院已經將VR用于尸體解剖和各種手術練習。此外，利用眼動儀對外科醫(yī)生在虛擬環(huán)境下的視覺軌跡進行跟蹤，通過眼動分析，有利于完善虛擬系統(tǒng)的性能、提高人機交互性能、增強用戶體驗感、促進外科醫(yī)學教育事業(yè)的發(fā)展。但有研究發(fā)現(xiàn)，外科醫(yī)生在VR培訓中存在感知困難，并企圖從VR培訓的眼動數據中得到答案。在未來，虛擬現(xiàn)實眼動儀將成為外科醫(yī)學教育研究領域的明星。

總之，眼動儀在外科醫(yī)學教育中具有廣闊的臨床應用前景，值得進一步研究推廣。

參考文獻

[1] Giovinco N A， Sutton S M， Miller J D， et al. A passing glance？ Differences in eye tracking and gaze patterns between trainees and experts reading plain film bunion radiographs [J]. J Foot Ankle Surg， 2015， 54（3）：?382-391.

[2] Gonca G?k?e M D， Nergiz C， Erol O， et al. Simulation-based environments for surgical practice [C] // 2017 4th International Conference on Control， Decision and Information Technologies （CoDIT）. [s.n.]， 2017： 1153-1156.

[3] Gonca Gokce M D， Nergiz Ercil C. Insights from surgeons eye-movement data in a virtual simulation surgical training environment： effect of experience level and hand conditions [J]. Behav Inform Tech， 2018， 37（5）： 23-28.

[4] Bogdanova R， Boulanger P， Zheng B. Three-dimensional eye tracking in a surgical scenario [J]. Surg Innov， 2015， 22（5）： 522-527.

[5] Brinkman D， vander Vliet W， Besselink M， et al. Eye-tracking to differentiate viewing behavior of surgeons and trainees during laparoscopic pancreatoduodenectomy [J]. HPB， 2018， 20（Suppl 2）： S650.

[6] He W， Bryns S， Kroeker K， et al. Eye gaze of endoscopists?during simulated colonoscopy [J]. J Robot Surg， 2020， 14（1）： 137-143.

[7] Erridge S， Ashraf H， Purkayastha S， et al. Comparison of gaze behaviour of trainee and experienced surgeons during laparoscopic gastric bypass [J]. Br J Surg， 2018， 105（3）： 287-294.

[8] Zheng B， Tien G， Atkins SM， et al. Surgeons vigilance in the operating room [J]. Am J Surg， 2011， 201（5）： 673-677.

[9] Tien T， Pucher P H， Sodergren M H， et al. Differences in gaze behaviour of expert and junior surgeons performing open inguinal hernia repair [J]. Surg Endosc， 2015， 29（2）： 405-413.

[10] Erol Barkana D， A??k A， Duru D G， et al. Improvement of design of a surgical interface using an eye tracking device [J]. Theor Biol Med Model， 2014. DOI： 10.1186/ 1742-4682-11-S1-S4.

[11] The Journal of Urology? Home Study Course 2018 Volume 199/200 [J]. J Urol， 2018， 200 （3）： 662-663.

[12] Khan R S， Tien G， Atkins M S， et al. Analysis of eye gaze： do novice surgeons look at the same location as expert surgeons during a laparoscopic operation？[J]. Surg Endosc， 2012， 26（12）： 3536-3540.

[13] Chetwood A S， Kwok K W， Sun L W， et al. Collaborative eye tracking： a potential training tool in laparoscopic surgery [J]. Surg Endosc， 2012， 26（7）： 2003-2009.

[14] 葉莎莎， 王殊軼， 張燕群， 等. 基于腹腔鏡手術訓練的眼動特征研究[J]. 生物醫(yī)學工程研究， 2016， 35（2）： 93-97.

[15] Di Stasi L L， Díaz-Piedra C， Ruiz-Rabelo J F， et al. Quantifying the cognitive cost of laparo-endoscopic single-site surgeries： gaze-based indices [J]. Appl Ergon， 2017. DOI.org/10.1016/j.apergo.2017.06.008.

[16] Merali N， Veeramootoo D， Singh S. Eye-Tracking technology in surgical training [J]. J Invest Surg， 2019， 32（7）： 587-593.

[17] Gidaro S， Buscarini M， Ruiz E， et al. Telelap Alf-X： a novel telesurgical system for the 21st century[J]. Surg Technol Int， 2012. DOI： 10.1016/j.juro.2013.02.2759.

[18] Aggarwal R， Winter Beatty J， Kinross J， et al. Initial experience with a new robotic surgical system for cholecystectom [J]. Surg Innov， 2020， 27（2）： 136-142.

[19] 大衛(wèi)·伍德（著）， 孔祥富（譯）. 國際經典交互設計教程： 界面設計[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2015： 11-16.

[20] YANG X P， Wonsup L， Younggeun Choi， et al. Development of a user-centered virtual liver surgery system for preoperative liver surgery planning [D]. Korea： Pohang University of Science and Technology， 2014： 64-67.

[21] Unger M， Black D， Fischer N M， et al. Design and evaluation of an eye tracking support system for the scrub nurse [J]. Int J Med Robot， 2019， 15（1）： e1954.

[22] Moglia A， Ferrari V， Morelli L， et al. A systematic review of virtual reality simulators for robot-assisted surgery [J]. Eur Urol， 2016， 69（6）： 1065-1080.

[23] Williams A M， Jackson R C. Anticipation and decision making in Sport [M]. London： Routledge， 2019：?341-358.

[24] Harris D， Hardcastle K J， Wilson M R， et al. Assessing the learning and transfer of gaze behaviours in immersive virtual reality [J]. Virtual Reality， 2021. DOI： org/10.1007/s10055-021-00501-w.