基于腹腔镜手术训练的眼动特征研究*

叶莎莎，王殊轶，张燕群，吕坤勇，宋成利

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093)

1 引 言

相比于传统手术，腹腔镜手术的困难之处在于：二维空间观念感，双手的协调性， “支点”效应，深度触觉反馈缺失[1-2]。这些挑战使得腹腔镜初级训练者需要经过很长的学习曲线才能进入临床实践阶段。腹腔镜外科手术时，由于手术器械较长，器械尖端的反馈很小，因此，医生越来越重视视觉反馈的信息[3]。

研究发现在虚拟现实系统下进行腹腔镜手术训练时，有经验的医生注视点较多集中在目标物体的位置上，很少关注器械的位置，而新手在训练时，较多时间在查看器械的位置，注视点在器械和目标之间来回切换[4-5]。Wilson等研究者使用头戴式眼动仪研究虚拟现实系统下被测试者的眼动特征。研究发现在单手转移任务中，新手在器械和目标上的注视时间相差不到10%，且落在关键区域内的注视时间很少[6]。Chetwood等研究者使用tobii桌面式眼动仪发现在腹腔镜手术训练定位任务中，将专家的注视点传输到被测试者的显示屏上，在注视点指引下被测试者的完成任务所需时间减少，准确率提高，反应速率加快[7]。但由于头戴式眼动仪对被测试者的视力有要求，虚拟现实系统价格昂贵，较难推广[8]。

国内眼动仪主要是应用于阅读，网页设计，交通驾驶，体育训练，飞行员训练等方面[9-11]。有研究者认为在基础训练阶段，使用手术训练箱可以达到和虚拟现实系统一样的效果。为了达到整合医疗资源，最优化利用医疗设施，应该更多地使用和研究手术训练箱[12-13]。本研究将视线追踪技术应用到腹腔镜手术模拟训练中，利用手术训练箱，研究在定位，双手转移任务中，初学者学习过程中的眼动特征。探讨利用眼动训练方法进行腹腔镜手术模拟训练的新方式。

2 材料与方法

2.1 实验平台

实验平台由腹腔镜手术模拟训练系统和视线追踪系统两部分组成(见图1)。(1)腹腔镜手术训练系统采用上海世德医学科技有限公司的产品，该产品的操作台高度可调节。在双孔腹腔镜手术训练中，器械通过两个12 mm的穿刺鞘进入训练箱内部完成操作。(2)视线追踪系统采用Tobii X1 Light型号眼动仪(采样率30帧/秒)，采集软件版本为Tobii studio3.2。该眼动仪被固定在显示器的前端靠下方的位置，眼动仪利用两个红外线摄像头，实时捕捉被测试者在训练时的眼动行为(误差为1°)。

眼动仪使用外部视频模式，调用模拟训练箱中的摄像头，将训练箱中的动态实时传输到采集软件中。训练箱上的显示屏为复制屏(分辨率1280×720)。测试过程中，操作者保持站立姿势，双手操作手术抓钳，视线集中在显示屏上。

2.2 实验设计

手术训练箱内设置“左右移环”任务，该任务有3个子任务：(1)定位抓取：被测试者双手持抓钳按图2中标注的数字顺序，左手持抓钳夹取左边柱子上的橡胶环；(2)转移：将橡胶环由左手传递给右手；(3)放置：右手抓钳将橡胶环放置在相对应的右边套住上。待左边4个橡胶环全部移到右边后，再反过来由右向左操作一遍。

图2 左右移环

被测试者均为医疗器械与食品学院的学生，视力正常(矫正视力1.0以上)，肢体无肌肉损伤，无腹腔镜训练经验。被测试者均知情同意。随机将被测试者分为3组，每组10人。每个测试者在完全了解任务设置和熟悉器械的操作后进行10次测试，每两次测试之间休息15～20 min，避免由于视觉疲劳和肌肉疲劳，影响下次测试。无指导组：作为对照组，被测试者在无任何指导下进行测试；视频指导组：观看学习专家的操作视频(无注视点)后，进行测试；专家指导组：在专家的说明指导下即如何进行夹取，传递动作，进行测试。

组装调试好设备，待眼动仪连接稳定后，对被测试者进行5点定标。被测试者的每一次眼动行为均被记录分析。

2.3 分析方法

根据眼动仪记录的眼动视频以及导出的原始数据进行数据的分析。研究的基础指标：任务的完成时间，出错数。眼动指标：注视时间百分比，注视点个数，平均注视时间，扫描距离。

任务的完成时间和错误数是一对对应指标，主要是用来说明被测试者的熟练程度。完成时间是指显示屏上的图像出现时起到左边第四个橡胶环被放置在套住上(图2)的一段时间。错误数：每一个阶段被测试者的错误总和。操作过程中，在转移或夹取时，橡胶环掉落一次，记为一个错误；器械操作即左手器械夹取右边套住上的橡胶环或右手持器械夹取左边的橡胶环均为错误。

Tobii眼动仪将凝视分为注视和扫视两类。注视是将眼睛中的中央窝对准某一对象的过程，一般注视过程的时间大于100 ms，通常为200～600 ms[14]。结合文献中对注视的定义以及国内眼动研究，将注视时间的最小时长定义为100 ms。采用一帧一帧地画兴趣区的方法，分析操作过程中被测试者在不同兴趣区内的注视时间。整个测试过程，兴趣区有两类：器械尖端和目标。器械尖端为左、右抓钳的尖端，目标物体随着任务的进行在变化，在夹取和传递过程为橡胶环，放置过程目标为套住。

注视时间百分比即器械或目标上的注视时间与总注视时间的比例。通过分析注视时间百分比，可以获得被测试者如何进行注意力的分配，以及对兴趣区的关注程度即在二维画面上进行三维操作。注视点个数反应了操作过程中被测试者兴趣点的个数，注视点个数越多，被测试者在转移过程中，搜索效率越低，认知加工程度越难。平均注视时间即在转移过程中总注视时间与注视点个数的比值。在转移过程中，被测试者操作任务时，较少的注视点个数，较长的平均注视时间，被测试者的操作水平越高。

2.3.1转移过程定义 套环刚刚离开左边(右边)标号“2”的套住到刚刚落下右边(左边)标号“2”(L2-R2/R2-L2)这一段过程。扫描距离是指各有序注视点之间的距离之和。假设在转移过程中有n个注视点，注视点坐标为(x1,y1)，(x2,y2)，…(xn,yn)，则扫描距离(d)的计算如公式(1)所示。扫描轨迹即n个有序注视点之间的轨迹，扫描轨迹越平滑，路径越短，被测试者操作越熟练。

(1)

3 结果

实验获得的原始数据经过Tobii Studio软件中I-VT Filter算法处理后，通过对视频帧处理，获得的结果导出至Excel2010中进行单方差因素分析。结果中的所有数据均为平均值。

3.1 完成时间和错误数

每次任务的完成时间取所有测试者的平均值。由图3可以看出，随着实验次数的增加，每组测试完成时间均呈下降趋势。结合表1和图3，相比无指导组，视频指导组被测试者的平均操作速率提高20%，任务完成时间明显减少(P<0.05，n=10)。相比无指导组，专家指导组被测试者的平均操作速率提高20%，任务完成时间明显降低(P<0.05，n=10)，错误数降低91%。在专家的指导下进行训练比被测试者摸索训练，效果显著。视频指导和专家指导组相比较，被测试者操作速率没有显著差异(P>0.05，n=10)，趋势一致，但专家指导组操作错误较少。

图3 每次任务的完成时间

表1 每组操作时间和错误数

3.2 注视时间百分比

每组被测试者的注视时间百分比取所有测试者10次的平均值(见图4)。视频指导和专家指导组，被测试者在器械和目标上的注视时间基本相同(P>0.05，n=10)，被测试者表现为注视目标时间较多，但和专家的注视策略相比，被测试依然表现为注视器械。相比于前两组，在无指导下，被测试者在操作过程中更注意器械尖端的位置(P<0.05，n=10)。

3.3 转移过程

图5为三个组被测试者在转移过程(L1-R1)中的扫描轨迹，即以注视点的坐标画的轨迹图。

图4 注视时间百分比图(mean±SD)

图2所示柱子左右两边距离是相等的。表2中的数据均为转移过程中各指标的结果。两个方向转移过程中，扫描距离和注视点个数均无显著变化(P>0.05，n=10)，在平均注视时间上有明显差异(P<0.05，n=10)。在L1-R1转移过程中，与无指导组相比，视频指导组和专家指导组的视线扫描距离缩短25%(P<0.05，n=10)，注视点个数减少17%(P<0.05,n=10)，平均注视时间没有显著变化(P>0.05，n=10)。视频学习和专家指导两种模式相比，在视线扫描距离、注视点个数和平均注视时间上均无显著性变化(P>0.05，n=10)。

图5 扫描轨迹

表2 转移过程

4 讨论

国外有研究表明，在腹腔镜模拟手术基础训练中，无经验的初级训练者在虚拟现实系统下经过6～10次的训练之后，操作水平进入平稳期[15]。结合操作时间和错误数进行分析，在专家指导下进行训练，被测试者的任务完成质量好，错误数少。本研究中，每组测试的第1次和第2次测试完成时间均相差20%左右，主要是因为被测试者首次在眼动设备下进行实验，并进行瞳孔校准，处于适应阶段。

在腹腔镜模拟手术操作过程中，所有被测试者均为视觉指引手部动作，即被测试者抓钳随着视线移动。对注视时间进行分析，被测试者分配在器械和目标上的注视时间相差不到10%，说明在操作过程中，为了确定抓钳和目标的相对位置，被测试者目光在器械和目标区域来回切换。主要是因为腹腔镜器械即实验中用的抓钳轴向距离较长，抓钳以穿刺孔为支点进行反向运动，被测试者不易精确定位，被测试视觉衡量目标所在的区域。专家向被测试者讲解如何进行夹取，转移操作，被测试者进行模仿操作。

在视频学习和专家指导下，被测试者用较少的注视点，较长的平均注视时间，较短的扫描距离进行橡胶环的转移和传递，搜索效率较高。图5中注视点比较集中区域是进行左右抓钳橡胶环的转移过程，由于在二维空间下，无深度反馈，被测试者根据视觉来判断两个抓钳的相对位置，进行双手协调交替操作。在无指导情况下，被测试者操作困难，回视比较多，注视点比较跳跃，扫描距离长。在视频学习和专家指导情况下，被测试者的搜索效率更高，克服深度障碍更有效。

5 结论

本研究进行三组每人10次的腹腔镜模拟手术实验，研究在不同学习模式下，被测试者的眼动行为。与对照组相比，视频学习和专家指导下，被测试者任务的完成效率更高；视线扫描轨迹更简洁有效，所需注视点更少。本研究被测试者由于训练时间段，操作技能达不到专家水平。在缺乏深度反馈和双手的协调性，三种学习模式相比较下，视频学习和专家指导模式，被测试者的视线策略和扫描轨迹更有效。

我们通过研究在训练过程中，被测试者的注视行为，希望利用视线追踪技术进行腹腔镜手术的模拟训练。本研究仍有不足之处：本研究是基于视频帧处理的方法进行兴趣区的处理，耗时较多，有误差。下一步将进行眼动训练计划，并与传统模式进行对比，比较训练效果。并将增加被测试者人数，观察在转移过程中被测试者视线扫描的共同点，即进行曲线拟合。