摘要 目的 目前国内尚无结合腹腔镜模拟训练者的手眼运动特征对其训练效果进行客观评价的研究。本文主要利用MicronTracker双目视觉导航仪和眼动仪，通过分析训练者的手眼运动特征对腹腔镜模拟手术的训练效果进行评价。方法利用MicronTracker双目视觉导航仪采集并记录器械尖端运动的三维坐标，计算器械运动的总路径长度；利用眼动仪采集并记录训练者的操作时间和眼动信息，并计算出注视率、眼跳率和眼跳幅度，来评价腹腔镜手术训练效果。结果随着操作次数的增加，训练者的熟悉程度增加。第30次训练操作与第1次训练操作相比较：操作时间减小了58.18%,呈现减小趋势，并趋于稳定；右手器械总路径长度减少了63.95%,左手器械总路径长度减少了56.28%,左手器械总路径长度小于右手器械总路径长度，且均呈减少趋势并趋于稳定；眼跳率减小了20.81%,呈现减小的趋势；眼跳幅度增大了28.39%,呈现增大趋势；而眼动注视率和注视持续时间平均值并没有显着性变化（P>0.05）。结论基于手眼运动特征的参数（操作时间、左右手总路径长度、眼跳率和眼跳幅度等）可以作为腹腔镜手术技能培训效果的客观评价指标。
关键词 双目视觉导航仪；眼动仪；腹腔镜手术技能；训练效果评价
0引言
腹腔镜手术是要求外科医生具有高度手术操作技能的手术，与传统开放手术相比，要克服触觉反馈、支点效应及深度知觉等缺点[1].研究发现，腹腔镜医生手术的培训效果、手术经验、手术方式与腹腔镜手术并发症的发生有着密切的关系[2-3].因此，对外科医生进行腹腔镜手术技能培训是非常必要的。
20世纪90年代末，美国胃肠内镜外科协会（Society of American Gastrointestinal Endoscopic Surgery,SAGES）成立了腹腔镜手术基础（Fundamentals of Laparoscopy Surgery,FLS）委员会，目的在于为腹腔镜外科手术实习医生提供一套操作标准，指导其具有认知和精神运动的手术技能[4].Feldman等[5-6]为腹腔镜技能培训的学习过程提出“学习曲线”、学习“稳定期”和“学习率”等定义并对手术技能进行评价。
在国内，鲁欣等[7]采用录像考核及实时考核两种考核方式对受训者的培训结果进行考核评价。在国外，Varas等[8]通过2名资深腹腔镜医师对培训者的录像过程中的行为进行分析，根据操作时间、手运动的路径等指标对腹腔镜培训效果进行评分。目前基于器械运动的客观指标（路径长度、运动平滑度等）广泛用于虚拟现实或培训箱腹腔镜手术技能培训效果的评价[1,9-10].双目视觉系统因具有测试精度高特点，广泛应用于手术技能评估的平台设计、视觉导航等[11-12].本文中利用双目视觉系统来记录腹腔镜模拟训练过程中手术器械尖端的运动路径长度。
随着视线追踪技术的发展，眼动参数可以为腹腔镜手术培训效果提供客观评价指标，并认为是潜在的培训工具[13-14].TonyTien等[15]作了相关调查，发现16篇文章将眼动参数作为评价工具，且均证明眼动参数可作为客观指标。而国内尚无将视线追踪技术应用到腹腔镜手术培训中。本文中利用眼动追踪技术记录腹腔镜模拟训练过程中训练者的眼动信息。结合训练者的手眼运动特征对腹腔镜模拟训练的训练效果进行客观研究。
1腹腔镜训练任务的设计
目前国内尚无统一的标准化系统化腹腔镜手术模拟培训课程，各个机构根据实际需求完成相应的培训任务。不管采取任何形式的培训，其腹腔镜的培训内容是一致的，包括理论学习、技术训练、临床实践和专项技术培训。而腹腔镜模拟训练箱的基本技能训练任务主要包括：①手眼协调训练；②定向适应训练；③组织切割分离训练；④施夹和缝合打结训练；⑤模拟肠管吻合或胆囊切除训练[4,16-17].
1.1训练任务设计
本研究设定了“左右移环”训练任务来训练操作者的手眼协调能力和双手配合能力。任务具体如下：要求训练者首先使用左手持器械从左边柱子抓起橡胶环，递给右手所持器械，并套在右边柱子。待4个橡胶环逐次套在右边的柱子上，再反过来操作由右手依次将橡胶环抓起递给左手，并全部依次套在左边的柱子上，算完成1次训练。训练任务如图1所示。
1.2训练对象
招募右利手、无任何手部残疾、矫正视力在1.0以上的在校大学生作为模拟腹腔镜手术培训的训练者。在进行训练前对志愿者说明训练任务目的、内容及具体的任务步骤，并均已了解和同意参加本文中的模拟腹腔镜训练。每名志愿者均会进行3个阶段的训练，共30次训练。每个阶段训练为连续性进行10次“左右移环训练任务”操作。每个阶段训练任务完成后让训练者得到足够的休息。
1.3实验平台
腹腔镜手术模拟训练实验平台由腹腔镜手术训练系统、双目视觉采集系统和视线追踪系统三部分组成，如图2（a）所示。本次训练选用的腹腔镜手术训练箱是上海世德医学科技有限公司生产的，操作台可以自由调整合适高度以适应不同训练者的身高。显示器为普通电脑显示器（尺寸为48cm×33cm,分辨率为1280×720）。实验操作所用手术器械如图2（b）所示。MicronTracker双目视觉导航仪是采用加拿大Claron科技有限公司生产的第三代双目光学跟踪系统，型号为H3-60[图2（a）],在本训练实验中采样率设置为50Hz.在训练过程中，MicronTracker通过捕捉器械上Marker点位置[图2（b）],可以实时地获取在其视野范围内Marker点在其坐标系下的三维坐标，精度高达0.25mm.并通过尖端标定实现实时捕获手术器械尖端的三维坐标。眼动追踪系统采用TobiiX1Light便携式全自动定标眼动仪[图2（a）],采样率为30Hz,可直接安装在腹腔镜模拟训练箱的显示器下方来实时记录操作过程及采集眼动数据，追踪培训者视线注视等。根据显示器的大小，合理设置眼动仪与屏幕的角度固定，并将相关参数输入眼动分析软件，以保证数据更加准确。
每位训练者在训练前均会调整训练箱的高度以使其处于舒适的操作位置。每次进行实验前均对每位训练者进行眼动标定，以保证数据采集的准确性。图2（c）是训练实验及设备采集数据过程。
2实验结果
2.1客观评价参数指标
在总30次训练任务中，每次训练数据处理均由所有训练者所得的数据在剔除无效数值后求平均值。由于眼动采样率低的数据会影响眼动分析，因此将采样率低的某次训练的所有数据视为无效数据，不予处理。基于双目视觉的参数指标有左、右手总路径长度。基于视线追踪的参数指标有操作完成时间、注视率、眼跳率、平均持续注视时间和眼跳幅度。
2.2训练结果分析
2.2.1操作时间与错误数
左右移环任务可以训练操作者的手眼协调及双手配合能力。任务操作时间已被广泛用于腹腔镜手术训练效果的客观评价指标之一，无论是在基于模拟培训箱中还是在虚拟现实训练器的训练中[1,18].操作时间越短，说明操作越熟练。图3所示为所有训练者操作训练30次的操作时间的平均值，数据显示随着训练次数的增加操作时间呈现负增长趋势，在第1阶段，第10次操作时间较第1次操作时间下减小了47.3%;第2阶段中，第10次较第1次减少35.07%;第3阶段中，第10次较第1次减少34.16%.第30次操作较第1次操作，操作时间减少了58.18%,对各阶段的训练操作时间进行单因素方差分析，结果表明具有显着性差异（P<0.05）。由于每个阶段10次训练结束后训练者得到足够休息，再次训练时不如第1次前阶段第10次熟练，因此在每个阶段的第1次训练中操作完成时间明显高于其他第次。但第3阶段的第1次明显低于第1、第2阶段的第1次训练。
2.2.2左、右手总路径长度分析
由MicronTracker双目视觉导航仪分别采集并记录了训练过程中左、右手手术器械上Marker点的三维坐标。编写MATLAB程序分别计算出左、右手器械尖端运动的总路径长度。左、右手器械尖端运动总路径长度越小，说明其操作越熟练。
由图4可知，第30次较第1次操作，右手器械路径总长度减少66.22%,左手器械运动总长度减少了56.28%.如表1所示，第3阶段左右手操作路径长度与第1阶段比较具有显着性差异（P<0.05）。随着训练次数的增加，操作时间和左右手运动路径长度逐渐趋于稳定的水平，与文献中所述的学习曲线达到稳定期相一致。
2.2.3眼动数据分析
本实验中眼动数据均是基于TobiiStudio3.3.1软件中I-VTFilter算法分析所得，分析数据时设置注视时间为大于100ms.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100ms,通常为200~600ms;眼跳是指眼球在两个注视点之间的快速跳动，持续时间30~120ms[19].实验所得各阶段参数值如表2所示。
注视率是指平均每秒钟注视的次数，眼跳率是指平均每秒钟的眼跳次数。这两个指标均可以作为客观评价腹腔镜手术技能，区分新手与专家[20].表2为各阶段训练的注视率与眼跳率平均值和标准差。随着训练次数的增加，注视率的变化较小，且各次训练的数据之间并没有显着差异（P>0.05）；随着训练次数的增加，训练者对任务操作的熟练程度增加，眼跳率减小，呈现下降的趋势，且第30次较第1次训练操作，眼跳率减小了20.81%,第3阶段眼跳率明显小于第1阶段。对各组眼跳率进行方差分析，无显着性差异（P>0.05）。
平均注视持续时间[20]是指在每次持续注视时间的平均值即总的注视时间与注视次数的比值。眼跳持续时间是指在每次眼跳持续时间的平均值即总的眼跳持续时间与眼跳次数的比值。由表2可知，平均注视持续时间趋于稳定，差异较小，但对各组间无显着性差异（P>0.05）。眼跳持续时间呈现下降趋势，但各组间也无显着性差异（P>0.05）。
眼跳幅度是指一次眼跳从开始到结束时所覆盖的范围，也是指从一次注视结束开始转移到下一次注视之前眼睛跳跃的范围，通常采用视角进行表示[21].眼跳幅度是衡量注意深度的一个指标。如图7所示，随着训练次数的增多，眼跳幅度有增大的趋势；第30次操作较第1次操作眼跳幅度增大了28.39%.对各阶段的眼跳幅度进行单因素方差分析，各组数据有明显的差异（P<0.05）。
2.3实验结果分析
在本文共3个阶段30次的训练操作中，随着训练次数的增加，操作者对训练任务越来越熟练，操作时间和左右手总路径长度均呈现稳定下降的趋势，并呈现稳定状态，与“学习曲线”中所提到学习的稳定期特征相符合。眼跳率也呈现减小的趋势，眼跳幅度有明显增大的趋势。文献[20,22]指出专家和新手的眼跳率、眼跳幅度等有显着性差异。因此，眼跳率和眼跳幅度也可作为评价腹腔镜手术培训效果的客观评价指标之一。而注视率和平均持续注视时间则在整个训练过程中没有明显的变化趋势，且各组数据差异变化也没有显着性差异，不能明确地作为培训结果的客观评价指标，有待进一步的实验验证。
3讨论
本研究主要是基于双目视觉导航仪和眼动追踪技术，结合训练者的手眼运动特征对腹腔镜模拟训练效果进行客观评价，以提供更有效、准确的客观指标。通过分析各组的实验数据可知，随着训练次数的增加，操作者对训练任务越来越熟练，任务完成时间呈下降的趋势，且左右手总路径长度也呈现减小的趋势，有显着性的变化，眼跳率也呈现减小的趋势；而眼跳幅度，有明显增大的趋势，符合腹腔镜手术技能的学习曲线。而数据中平均注视时间和注视率并没有明显的变化，可能是在短时间，训练者并没有达到专家级水平，而是更熟练，不足以改变人的眼动行为特征。从另一方面来说，在腹腔镜手术培训中或是学习曲线中平均注视时间和注视率没有指导性意义，不能区分新手与熟练者而作为腹腔镜手术培训效果的客观评价指标。
本文所提出的客观评价方法可以为新晋腹腔镜医生的腹腔镜手术模拟训练提供客观参考指标。利用双目视觉导航仪采集器械的运动特征来分析训练者的手部运动特征，根据器械的运动路径长度等参数可以客观地判断训练者的熟练程度，区分新手与熟练者。利用眼动仪记录训练者的眼动信息，根据训练者的眼跳率、眼跳幅度等特征，分析训练者是否对训练任务较熟悉，了解医生在模拟训练过程中的状态。
本研究所提出的客观评价方法仍有不足之处。在后续的工作中，将分析及计算出如注视关键位置、眼跳峰值速度等；进一步设计实验及Marker点放置位置，并利用数据计算器械运动的平滑度、加速度等客观评价指标来评价培训效果。
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