基于脑电互信息分析的现实环境下外科团队协作评估：一项探索性研究

这篇研究开创性地利用脑电图（EEG）互信息（MI）技术，开发了一种客观评估外科团队协作的神经生理学指标。通过分析8组外科团队（4组专家/4组新手）在真实腹股沟疝修补术中的EEG信号（θ/α/β频段全局场功率GFP），研究发现：1）EEG协作指数与主观评估（cSME）和手术表现（CBTI）显著正相关（R>0.62，p<0.002）；2）能有效区分专家与新手团队（p=0.02，Cohen's d=0.889）；3）揭示专家成员在团队中的协作枢纽作用。该研究为手术室等高风险场景的团队训练提供了突破性的客观评估工具。

　　

1 引言

在人类因素（HF）研究中，团队协作通常通过主观报告和行为指标评估，但这些方法易受偏见影响。本研究创新性地采用脑电图（EEG）互信息（MI）技术，首次在真实手术环境中对4人外科团队进行客观协作评估。研究基于网络生理学框架，认为协作行为本质上是多尺度脑网络互动的体现。通过量化团队成员间认知负荷（MWL）和趋避倾向（AW）的神经同步性，突破传统超扫描技术对信号同步的严苛要求，为手术室等高风险环境提供新型评估工具。

2 材料与方法

2.1 实验设计

招募罗马大学医院8组腹股沟疝修补团队（4专家/4新手），每组含主刀（S）、一助（A1）、二助（A2）和器械护士（N）。专家需完成≥80例主刀手术，新手需参与≥90例辅助手术。实验分为三个阶段：疝囊分离（Phase 1）、疝囊解剖（Phase 2）和补片放置（Phase 3）。

2.2 数据采集

使用8通道便携式EEG系统（Mindtooth Touch）记录前额-顶叶脑电活动（Afz、Af3等电极），采样率125Hz。通过在线眨眼校正（o-CLEAN）和±80μV阈值剔除运动伪迹。计算θ（4-7Hz）、α（8-13Hz）、β（14-30Hz）频段的全局场功率（GFP），反映皮层同步程度。

2.3 协作指数构建

关键创新点在于：

1. 1.

   神经指标：MWL=前额θGFP/顶叶αGFP，AW=右侧（Af4/Af8）-左侧（Af3/Af7）αGFP不对称性

2. 2.

   MI模型：采用k近邻（KNN）熵估计器，计算90秒滑动窗口内团队成员MWL-AW时间序列的互信息，量化认知-情感状态共享程度

3 结果

3.1 行为数据验证

专家组在综合行为指标（CBTI）上显著优于新手（p=0.01，Cohen's d=0.87），但主观评估（cSME）无差异，凸显神经指标的敏感性。

3.2 神经协作特征

EEG协作指数在专家组显著更高（p=0.02），且能识别团队核心：专家团队中S-A1配对协作最强（p=0.04），而新手团队以A1-N为中心（p=0.02），印证经验成员的协作枢纽作用。

3.3 特异性验证

与随机组合的"虚假团队"相比，真实团队MI值显著更高（p=0.0001，η²=0.689），排除偶然同步可能。

4 讨论

本研究首次实现多成员手术团队的客观协作评估：

• •

  临床价值：EEG指标比传统评估更早识别协作缺陷，如新手团队过度依赖器械护士（A1-N）而非主刀协作

• •

  理论创新：通过GFP-MI模型捕捉长时程（秒级）神经同步，突破超扫描技术对毫秒级锁时的限制

• •

  应用前景：可用于CRM团队资源管理培训的实时反馈，但需解决EEG在真实手术中的佩戴可行性问题

5 局限与展望

样本量较小（n=8）和单一手术类型（疝修补）可能限制结论普适性。未来可探索：

1. 1.

   多模态生理信号（如皮电/心电）融合

2. 2.

   动态功能连接分析补充MI模型

3. 3.

   在微创手术等更复杂场景中验证

这项研究为高风险领域的团队协作优化提供了神经科学基础，其方法论框架可扩展至航空管制、应急响应等需要精密协作的领域。