基于EEG与眼动的腹腔镜训练疲劳分析*

左艳，王殊轶，张敏燕，刘云，杜云霄，宋成利

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093)

1 引 言

1987年法国Philippe Mouret施行首例腹腔镜下胆囊切除术，标志着微创外科时代的到来。研究发现，腹腔镜医生手术的训练效果、手术操作经验、操作方式与腹腔镜的并发症的发生有着密切的联系[1]。如何快速提高新手的腹腔镜手术水平，并客观评价其训练效果也是目前面临的重要问题。Mubashir Mular等设计对照组实验，使用完成时间、准确度、精确度等指标分析训练箱、虚拟现实模拟器、心理训练三种模式的训练效果[2]。

Mohamed Battah使用注视点个数和注视时间，眼跳个数和扫描路径分布等眼动参数来评价腹腔镜训练进程中的学习效果[3]。国内研究者利用眼动行为特征建立不同的评价模型对注意力状态或疲劳状态进行分析[4-5]，尚无应用于医疗领域，也基本上未用于腹腔镜手术训练效果评价。

Spruit等分析了间歇性训练组，午睡后训练组和疲劳组对腹腔镜技能学习和保持的影响[6]。目前国内外利用脑电信号(electroencephalograph，EEG)对疲劳程度的研究主要应用在驾驶员、飞行员、运动员的精神状态和疲劳评价等方面[7-9]。

本研究首次将基于EEG信号的脑力疲劳分析应用于腹腔镜训练领域，采用注视点个数、注视时间百分比、注视眼跳百分比等眼动特征和完成时间、错误数等行为学描述指标来评价训练效果；对比分析腹腔镜训练箱和虚拟现实模拟器培训后的培训效果与脑力疲劳的关系。

2 评价模型

2.1 疲劳评价模型分析

本研究通过脑电信号评价疲劳水平。研究表明，(θ+α)/β、α/β、(θ+α)/(α+β)、θ/β等四个指标均可用于评价疲劳，在疲劳产生过程中，4个指标都呈增大趋势，其中(θ+α)/β指标的增大趋势最为明显[10]。由于本实验设计不会使受训者出现睡眠和高度兴奋状态，因此选取α，θ，β节律进行分析。

疲劳分析算法流程主要分为三步，第一步是源脑电信号的预处理，主要去除脑电信号中的伪迹和直流偏移，通过两阶段组合型的盲源分离方法(blind source separation, BSS)分别去除眼电和肌电噪音，通过一阶高通巴特沃斯滤波器去除直流漂移；第二步是提取特征节律波，由于通过小波分析能够很好的刻画出信号在不同时刻的频域特征，更好地分析信号时频域特征[11]，因此，采用小波方差分析的特征提取方法，对脑电仪的14个通道EEG数据(AF3,AF4,F7,F8,F3,F4,FC5,FC6,T7,T8,P7,P8,O1,O2)进行三层小波分解，提取分离出α，θ，β节律波，并计算其能量和平均功率谱，结果均取每通道的均值分析。以F3通道为例分离结果见图1，第三步是疲劳分析。

研究发现，正常成年人从清醒状态变化到疲劳状态的过程中脑电信号的慢波逐渐增加，快波逐渐减少[12]，因此，定义疲劳状态指标F来建立疲劳模型：

图1 小波分解图

2.2 学习效果评价模型分析

本研究采用眼动特征和行为学描述方法来评价训练效果，眼动特征包括注视点个数、注视时间百分比、注视眼跳百分比，行为学描述方法采用的特征包括完成时间、错误数。

每次实验均对眼动仪标定，来减小个体差异对测量结果的影响。在腹腔镜模拟手术训练过程中，训练者始终保持站立，脚步基本上不移动。腹腔内的手术环境是通过显示器显示，桌面式眼动仪固定在显示器上。

3 实验

3.1 实验设计

由于本研究主要对比训练箱和模拟器在不同疲劳水平的训练效果。因此分别搭建实验平台，在模拟器和训练箱内分别进行手眼协调训练中的左右移环任务[13]，实验时实时采集眼动特征和脑电信号，实验结束后做主观疲劳调查问卷。

本实验的模拟器训练平台由Simbionix Lap Mentor模拟腹腔镜训练器(产品编号L030-08-13[M]), Tobii X1 Light型桌面式眼动仪，Emotiv多通道脑电仪组成，见图2(a)。训练箱实验平台由TriPort虚拟腹腔镜训练箱，Tobii X1 Light型桌面式眼动仪，Emotiv多通道脑电仪组成，见图2(b)。电极位置是参考国际10-20系统标准放置。招募20名在校大学生为实验志愿者，均为右利手、矫正视力在1.0以上。实验要求在48 h内禁止饮酒、喝咖啡、吃药物，且不服用影响中枢神经兴奋或抑制的药物。所有志愿者在进行腹腔镜模拟训练任务前均已熟悉任务，做过一次预模拟训练。实验时间为1:00 pm～4:30 pm，连续训练20次中间不休息，实验过程安静。将20名志愿者随机分为A、B两组，训练箱组为A组，模拟器组为B组。分组后志愿者信息见表1。

表1实验对象信息

Table 1 Volunteer’s information

图2实验平台图

(a).LapMentor模拟器训练平台；(b).TriPort训练箱训练平台；(c).EmotivEpoc脑电仪；(d).Tobii眼动仪

Fig2Experimentalplatform

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

3.2 实验结果分析

疲劳值是疲劳模型计算所得，每一次的疲劳值是各组所有受试者疲劳值的平均值。随着任务次数的增加，两组受试者的疲劳值均在增加，训练箱组受试者的疲劳值整体大于模拟器组受试者的疲劳值，见图3。对A、B两组的疲劳值进行单因素方差分析，有显著性差异(P<0.05,n=20)。疲劳值对比分析表格见表2。

对A，B组第1～5次的疲劳值进行分析，刚开始两组的疲劳值相差0.093，约1.3%，基本上可以忽略不计，对各组的曲线进行线性拟合，得A组的线性拟合函数为y=6.8+0.17x，B组的线性拟合方程为y=6.5+0.17x，两组的斜率均为0.17，表明在前5次训练中疲劳的增加程度是一样的；在第6次至第15次之间，A组增加了0.898，均值为8.48，B组别F值曲线斜率1～5次6～10次11～15次首次出现趋势变化的次数完成时间错误数注视点个数注视时间百分比注视/眼跳百分比主观问卷首次出现疲劳A组0.170.1140.54141414151512B组0.170.0780.24151215141414

图3 疲劳值对比分析

图4 训练效果图

(a).完成时间；(b).错误数；(c).注视点个数；(d).注视时间百分比；(e).注视/眼跳百分比

Fig4Trainingeffect

(a).Completiontime；(b).Errorsaccounts；(c).Fixationsaccounts；

(d).ThePercentageoffixationtime；(e).ThePercentageoffixation/saccade

表2 实验结果

组增加了0.587，均值为8.03，在同样的训练次数里，A组训练者的疲劳值增加多于B组，对A、B两组进行拟合，斜率分别为0.114，0.078，表明A组在第6次至第15次之间，疲劳值增加得更快；对第16次至第20次进行分析，A组增加了2.213，均值为10.42，B组增加了1.07，均值为9.36，A组的线性拟合斜率0.54大于B组的0.24，表明A组的疲劳值在第16次至20次之间比B组增加得更快更多。

任务完成时间已被广泛用于腹腔镜手术训练的客观指标之一，操作完成时间越短，说明操作越娴熟。图4(a)所示的操作完成时间为每次训练所有训练者的完成时间的平均值，一共20次。从图可知，两组整体上完成时间有显著性差异(P<0.05,n=20)且趋势都是下降的，表明两种训练方式均可提高训练者的熟练度。A组首末次完成时间比较，差额约占首次完成时间的20%，且在第14次时出现上升趋势。B组首末次完成时间比较，差额约占首次完成时间的26%，在第15次训练时出现上升趋势。A组完成时间始终比B组完成时间长。

A组任务中的错误是指在操作过程中，被试者夹取橡胶环时，左右抓钳抓取顺序错误和橡胶环脱落。B组任务中错误是指左右抓钳抓取顺序错误，三角环脱落和超时。每一次训练的错误数为各组训练者错误数的总和，错误数统计见图4(b)，无显著性差异(P>0.05,n=20)。但两组总体呈下降趋势。

图4(c)表示的是注视点个数平均值，是每次训练所有受试者注视点个数的平均值。在相同任务情况下，相同注视时间内注视点个数越少，说明训练者在操作时对任务越熟悉，操作水平较好，经计算两组有显著性差异(P<0.05,n=20)，两组受训者的注视点个数整体趋势是下降的，A组受训者首末次注视点个数减少了20.25%,在第14次出现上升趋势；B组训练者减少了23.33%，在第15次开始出现明显上升趋势，B组的受训者注视点个数整体高于A组。

注视时间百分比，指的是注视目标区域的时间和注视器械的时间的比值。经计算两组有显著性差异(P<0.05,n=20)，训练箱训练组在第15次训练时出现下降趋势，模拟器组在第14次出现下降趋势。

图4(e)表示的是注视/眼跳时间比，指的是总的注视持续时间与总的眼跳持续时间的比值。经计算两组有显著性差异(P<0.05,n=20)，对比A组训练者的注视/眼跳时间比，在第15次出现下降趋势，B组在第14次出现下降趋势。

4 讨论

根据主观调查问卷，两组分别在第12，14次训练时出现疲劳状态。综合分析两组的完成时间、错误数和注视点个数，其整体趋势在训练后是下降的，随着训练次数的增加，其曲线不是下降后呈平稳趋势，当疲劳发生时曲线呈上升趋势。针对完成时间和注视点个数，训练箱组均略先于模拟器组出现上升趋势；针对错误数，模拟器组先于训练箱组出现上升趋势。针对注视时间百分比和注视/眼跳时间百分比，两组总体趋势是上升的，模拟器组均略先于训练箱组出现下降趋势。综合上述3个眼动指标，2个行为学描述指标以及疲劳指标的评价，表明对于训练效果，两种仪器并没有显著性差异，训练效果不随着训练次数的增加而一直提高，当疲劳发生时，训练效果会呈下降的趋势。另外在实验过程中发现，由于训练箱通过手钳对实物进行操作，训练过程更接近真实手术场景，更容易使人疲劳。本次实验只是较为简单移环操作，对于复杂度较高的实验(如解剖表皮缝合)，实验材料准备要求较高。而模拟器则是虚拟地设置模块，力的反馈没有训练箱准确。模拟器更直观呈现训练任务，并且能呈现难度较高的，完整的手术过程，方便新手了解平时无机会接触的手术。

5 结论

随着训练次数的增加，疲劳值整体上都在增加，在最后5次训练中，增加得最为明显，对两组数据分析，训练箱组增加的趋势快于模拟器组，而且训练箱组的疲劳值均大于模拟器组。由此可知，对于相同的简单腹腔镜手术任务训练，训练箱组训练者更易于疲劳。在训练时，若条件允许，对于相同的简单手术训练，可先在模拟器上训练，再在训练箱中对实物操作。难度较高，成本较高且无法现实呈现的完整手术(如胆囊切除)则使用模拟器进行训练。