混合现实反馈下不同腹腔镜模拟训练器对视觉注意力与认知负荷的影响研究

本研究针对腹腔镜手术培训中传统模拟器缺乏实时反馈和客观评估的问题，研究人员通过混合现实(MR)技术结合眼动追踪，探究了成人(FLS)与儿科(PLS)模拟训练器中不同反馈条件对学员视觉注意力和认知负荷的影响。结果表明眼动指标能有效区分不同熟练度水平，儿科模拟器训练能改善视觉注意力模式，为手术教育中的自适应培训提供了客观评估工具。

　　

微创手术(MIS)领域在过去三十年经历了革命性变革，其中腹腔镜技术每年在全球开展超过1500万例。尽管这种技术具有创伤小、恢复快等优势，但手术过程中依赖视觉补偿触觉反馈的缺失、狭窄的手术视野，特别是在儿科患者更小的操作空间内，使得这类手术对医生的视觉认知能力提出极高要求。传统腹腔镜模拟训练器(Box trainers)作为外科住院医师培训的"金标准"，却存在缺乏实时反馈、需要专业导师监督等明显缺陷，而针对儿科腹腔镜的专用模拟器更是稀缺。

针对这些挑战，宾夕法尼亚州立大学(The Pennsylvania State University)工业工程系的Aseel F. Khanfar等研究人员开展了一项创新研究，通过结合混合现实(MR)技术和眼动追踪，系统评估了不同模拟训练器类型(成人与儿科)和反馈条件对受训者视觉注意力与认知负荷的影响。这项发表在《Surgical Endoscopy》的研究为手术技能培训提供了重要的客观评估方法。

研究团队采用了三项关键技术：1)使用Tobii Glasses 3可穿戴眼动仪(50Hz采样率)采集视觉注意力指标；2)设计四种混合现实反馈条件(FC1-FC4)，通过Microsoft HoloLens 2提供实时力反馈；3)采用标准化FLS peg transfer任务评估操作技能，同时收集NASA-TLX主观负荷评分。研究对象包括4名专家(>50例手术经验)和24名新手外科医生(<2例手术经验)，在成人(FLS)和定制儿科(PLS)模拟器上完成训练任务。

【研究结果】

1. 视觉注意力与认知负荷区分熟练度水平
   通过k-means++聚类分析，新手被分为三个视觉行为组别，结合操作时间最终确定为高(Group 1)和中低(Group 2-3)两个熟练度水平。专家组在所有眼动指标(注视次数、注视持续时间、扫视次数及持续时间)上均显著优于新手(p<0.001)，其中高熟练度组(Group 1)的注视次数(89.52±73.19 vs 28.25±25.70)、注视持续时间(164.88±58.71s vs 67.92±17.86s)等指标接近专家水平。瞳孔直径(专家3.33±0.35mm vs 新手4.14±0.69mm)和NASA-TLX评分(专家9.54±3.63 vs 新手10.57±2.58)也显示出显著差异。

2. 模拟器类型与训练顺序的影响
   研究发现儿科模拟器(PLS)训练反而使新手获得更短的注视持续时间(p<0.001)，与假设相反。训练顺序分析显示，从成人模拟器开始训练的组别在后续儿科模拟器任务中表现更好，其注视持续时间显著缩短(123.881s,p=0.007)。而起始于儿科模拟器的组别则表现出更大的瞳孔直径(0.65mm,p=0.016)，提示更高的认知负荷。

3. 混合现实反馈的效果
   尽管四种反馈条件(FC1-FC4)间无统计学差异，但数据显示接受双重反馈(FC4)的组别在注视次数(166.66±119.53)、扫视次数(234.16±182.71)等指标上数值最低。值得注意的是，新手平均花费8.04%的时间关注反馈界面，表明MR反馈确实吸引了操作者注意力。

这项研究证实了眼动指标作为客观评估工具在腹腔镜培训中的价值，特别是能够有效区分不同熟练度水平。研究发现儿科模拟器训练可能通过"难度适应"效应提升学习效果，为手术教育中的渐进式训练设计提供了依据。虽然混合现实反馈未显示出统计学显著影响，但为开发更智能的培训系统指明了方向。该研究的创新之处在于将认知科学指标引入外科培训评估，突破了传统FLS评分系统的主观局限性，为建立基于生物信号的自动化评估体系奠定了基础。未来研究可进一步探索动态兴趣区域(AOI)的眼动分析，以及结合更多样化的反馈形式，持续优化手术培训方案。