潘琳 段曉琴

摘 要 隨著紅外技術(shù)、圖像處理技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，眼動(dòng)儀作為一種實(shí)用性設(shè)備出現(xiàn)在眾多機(jī)構(gòu)中，在閱讀、圖畫觀看、廣告設(shè)計(jì)等方面得到了廣泛應(yīng)用。目前眼動(dòng)儀也被用于外科醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，但國內(nèi)研究較少。本文著重從技能評(píng)估、技能培訓(xùn)、外科器械的優(yōu)化設(shè)計(jì)三個(gè)維度對(duì)眼動(dòng)儀在外科醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在為外科醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展、醫(yī)工交叉研究新思路的探索提供參考。

關(guān)鍵詞 眼動(dòng)儀；眼動(dòng)追蹤技術(shù)；外科；醫(yī)學(xué)教育

中圖分類號(hào) R494 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(dòng)儀是一項(xiàng)用于心理學(xué)基礎(chǔ)研究的儀器，它的問世使眼動(dòng)跟蹤成為可能。眼動(dòng)儀能夠記錄人的眼球運(yùn)動(dòng)軌跡，包括注視時(shí)間、注視點(diǎn)個(gè)數(shù)、熱點(diǎn)圖、注視率、眼動(dòng)軌跡圖、瞳孔大小等多個(gè)指標(biāo)，有利于研究個(gè)體視覺信息認(rèn)知加工的心理學(xué)機(jī)制。因此，眼動(dòng)儀被廣泛應(yīng)用于研究個(gè)體心理活動(dòng)和內(nèi)在認(rèn)知過程。近年來，信息化教育在世界領(lǐng)域內(nèi)掀起了熱浪，眼動(dòng)儀也被應(yīng)用于外科醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，但國內(nèi)相關(guān)報(bào)道較少。本文通過綜述眼動(dòng)儀在外科教育研究中的應(yīng)用及進(jìn)展，旨在為廣大醫(yī)學(xué)教育工作者、醫(yī)工交叉領(lǐng)域的研究者提供新的視角，推動(dòng)我國外科人才培養(yǎng)體系的發(fā)展。

1 眼動(dòng)儀在外科醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

1.1 技能評(píng)估

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

近年來，眼動(dòng)分析逐漸應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)（腹腔鏡/內(nèi)鏡手術(shù)）的考核及培訓(xùn)，以評(píng)估外科醫(yī)生的技能水平。研究發(fā)現(xiàn)，不同利手操作時(shí)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)是不一樣的[3]。通常情況下，使用優(yōu)勢(shì)手時(shí)，任務(wù)完成時(shí)間更短，手術(shù)效果更好；而使用非優(yōu)勢(shì)手或雙手時(shí)，執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間會(huì)增加。此外，隨著3D成像技術(shù)的逐漸發(fā)展，立體鏡、立體圖像逐漸被引入手術(shù)室，深度知覺（個(gè)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(shù)焦點(diǎn)。對(duì)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(shù)操作準(zhǔn)確和患者安全的關(guān)鍵因素。國外研究人員采用Tobii眼動(dòng)儀進(jìn)行深度知覺測(cè)量，通過眼動(dòng)儀對(duì)外科醫(yī)生在3D手術(shù)模式下的眼動(dòng)軌跡進(jìn)行追蹤，計(jì)算手術(shù)過程中的視線變化和凝視軌跡，從而幫助初學(xué)者了解自己操作的缺陷或薄弱環(huán)節(jié)，有利于復(fù)雜手術(shù)技能的學(xué)習(xí)及提升[4]。由此可見，眼動(dòng)分析能夠從多個(gè)視角評(píng)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(shí)現(xiàn)高效的技能提高。

此外，眼動(dòng)跟蹤技術(shù)已被運(yùn)用于記錄評(píng)估外科專家、新手的眼動(dòng)特征，通過對(duì)比分析，可以精準(zhǔn)評(píng)定外科醫(yī)生、醫(yī)學(xué)生的技能水平。無論是在手術(shù)操作過程中，或是在模擬手術(shù)培訓(xùn)時(shí)，新手和外科專家的注視模式差異較大。研究顯示，在進(jìn)行腹腔鏡胰十二指腸切除術(shù)時(shí)，專家的平均注視時(shí)間較新手高，而凝視次數(shù)較新手少，表明專家能夠更快地識(shí)別手術(shù)的關(guān)鍵步驟[5]。近期的一項(xiàng)結(jié)腸鏡模擬手術(shù)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(dāng)腸腔移出中心視野時(shí)，專家的掃視頻率增加，而新手卻沒有此類動(dòng)作[6]。此外，由于瞳孔的大小能夠反映受試者的心理負(fù)荷，眼動(dòng)儀也被運(yùn)用于外科新手和專家醫(yī)生心理負(fù)荷的評(píng)估[2]。一項(xiàng)研究表明，在手術(shù)過程中，新手的瞳孔大于專家的瞳孔，專家在手術(shù)關(guān)鍵區(qū)域的注視次數(shù)更高、注視時(shí)長更長，能夠更快地收集到必要的信息[3]。對(duì)于外科醫(yī)生來說，手術(shù)過程中的眨眼次數(shù)與注意力息息相關(guān)，眨眼次數(shù)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(shù)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(gè)手術(shù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的停留時(shí)間更長。加拿大不列顛哥倫比亞省的一項(xiàng)研究表明，與新手外科醫(yī)生相比，專家外科醫(yī)生對(duì)患者生命體征的注視次數(shù)更高[8]。因此，眼動(dòng)分析結(jié)果能夠協(xié)助判斷外科醫(yī)生的技能操作水平及心理負(fù)荷水平，可以客觀評(píng)價(jià)外科醫(yī)生，幫助他們調(diào)試自身心理狀態(tài)，不斷提升操作技能。

根據(jù)上述研究及近年外科教學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究，眼動(dòng)儀的主要應(yīng)用情況（如選型、配置、技術(shù)參數(shù)設(shè)置等）見表1。

1.2 技能培訓(xùn)

有經(jīng)驗(yàn)醫(yī)生的臨床思維和手術(shù)技能是通過多年臨床實(shí)踐形成的。通過眼動(dòng)儀，可以記錄專家手術(shù)期間的眼動(dòng)軌跡，為新手的技能培訓(xùn)提供了客觀、精準(zhǔn)的指導(dǎo)[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(xué)習(xí)專家的眼動(dòng)軌跡后，他們的學(xué)習(xí)曲線明顯改善。Chetwood A S等人[13]將外科專家操作時(shí)的注視點(diǎn)傳輸?shù)匠跫?jí)外科醫(yī)生的顯示屏上，在注視點(diǎn)的指引下，初級(jí)醫(yī)生完成任務(wù)的準(zhǔn)確率提高、反應(yīng)速率提升。因此，眼動(dòng)儀能夠用于記錄并分析專家外科醫(yī)生和初級(jí)外科醫(yī)生手術(shù)行為的差異，通過獲得有經(jīng)驗(yàn)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(dòng)儀為探討不同技能訓(xùn)練模式下的培訓(xùn)效果提供了可能。上海理工大學(xué)對(duì)不同學(xué)習(xí)模式下的腹腔鏡模擬訓(xùn)練者的眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，無指導(dǎo)組的任務(wù)完成時(shí)間（145.5±37.7）s和操作錯(cuò)誤數(shù)（11.0±1.2）個(gè)均大于視頻指導(dǎo)組[（112.0±15.7）s，（5.0±0.7）個(gè)]和專家指導(dǎo)組[（112.1±19.3）s，（1.0±0.2）個(gè)]。和無指導(dǎo)組相比，專家指導(dǎo)組中被測(cè)試者的平均操作速度提高20%，任務(wù)完成時(shí)間明顯降低，錯(cuò)誤數(shù)降低91%，由此表明視頻學(xué)習(xí)和專家指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)效果比無指導(dǎo)時(shí)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(shù)訓(xùn)練中的潛在好處。除此之外，眼動(dòng)追蹤技術(shù)下的首次注視時(shí)間和注視模式有利于發(fā)掘更好的訓(xùn)練方法[16]。因此，在外科醫(yī)生的模擬手術(shù)技能訓(xùn)練過程中，不同訓(xùn)練方案下的眼動(dòng)特征數(shù)據(jù)為探索新的訓(xùn)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(shè)計(jì)

眼動(dòng)儀被逐步應(yīng)用于遠(yuǎn)程手術(shù)、手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)中，大大促進(jìn)了外科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。早在2012年，遠(yuǎn)程手術(shù)TELELAP Alf-X系統(tǒng)就通過添加眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)，精準(zhǔn)測(cè)試了外科醫(yī)生手眼協(xié)調(diào)性、手靈巧度、景深及最佳縫合和打結(jié)的能力，為遠(yuǎn)程操作的3D內(nèi)窺鏡操作提供了新方法[17]。近兩年推出的Senhance TM機(jī)器人系統(tǒng)集合了眼動(dòng)追蹤、改進(jìn)的人體工程學(xué)、觸覺反饋及標(biāo)準(zhǔn)腹腔鏡設(shè)備，研究顯示，其輔助下的膽囊切除術(shù)安全、可行且有效[18]。此外，根據(jù)人體工程學(xué)理論，良好的界面設(shè)計(jì)不僅兼具可用性、功能性和美感[19]，還能引領(lǐng)交互過程的順利完成。一方面，通過眼動(dòng)指標(biāo)分析，可以識(shí)別外科醫(yī)生的注意力焦點(diǎn)、人機(jī)交互界面中感興趣的地方，也可以了解人機(jī)交互界面的布局方式對(duì)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(shè)計(jì)，也為初級(jí)外科醫(yī)生的技能訓(xùn)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(shù)系統(tǒng)是針對(duì)初級(jí)外科醫(yī)生設(shè)計(jì)出來的，易用性和安全性顯著增加，還能夠幫助醫(yī)生進(jìn)行模擬訓(xùn)練[20]。另一方面，數(shù)字手術(shù)室中越來越多的醫(yī)療設(shè)備的使用增加了手術(shù)人員的交互需求，為降低設(shè)備交互引起的細(xì)菌污染風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)者們基于眼動(dòng)追蹤眼鏡系統(tǒng)開發(fā)了非接觸式交互技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境評(píng)估的研究顯示，注視手勢(shì)識(shí)別準(zhǔn)確率為97.9%，參與者滿意度高[21]。因此，眼動(dòng)儀對(duì)于外科遠(yuǎn)程手術(shù)、手術(shù)機(jī)器人、手術(shù)操作設(shè)備乃至手術(shù)學(xué)科的發(fā)展有著廣闊的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步研究推廣。

2 總結(jié)與展望

雖然目前眼動(dòng)儀在外科醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用尚處于研究階段，隨著眼動(dòng)追蹤技術(shù)的日趨成熟，眼動(dòng)儀在外科醫(yī)學(xué)教育中發(fā)揮的作用將逐漸凸顯出來。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）與眼動(dòng)跟蹤技術(shù)的結(jié)合顯示出了很好的前景，未來可能徹底改變外科領(lǐng)域的培訓(xùn)方式[22]。Williams A M等人[23]認(rèn)為，為了達(dá)到技能訓(xùn)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(xí)方式提供了可能[24]。目前，VR已經(jīng)被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、實(shí)習(xí)和研究中，甚至一些醫(yī)學(xué)院已經(jīng)將VR用于尸體解剖和各種手術(shù)練習(xí)。此外，利用眼動(dòng)儀對(duì)外科醫(yī)生在虛擬環(huán)境下的視覺軌跡進(jìn)行跟蹤，通過眼動(dòng)分析，有利于完善虛擬系統(tǒng)的性能、提高人機(jī)交互性能、增強(qiáng)用戶體驗(yàn)感、促進(jìn)外科醫(yī)學(xué)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(xùn)中存在感知困難，并企圖從VR培訓(xùn)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)中得到答案。在未來，虛擬現(xiàn)實(shí)眼動(dòng)儀將成為外科醫(yī)學(xué)教育研究領(lǐng)域的明星。

總之，眼動(dòng)儀在外科醫(yī)學(xué)教育中具有廣闊的臨床應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步研究推廣。

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