沉浸式环境下椎弓根螺钉置入模拟器的界面布局对认知绩效影响研究

本文探讨了虚拟现实（VR）技术在医疗培训中的应用价值，重点研究椎弓根螺钉置入手术模拟器中多视角布局（如顶视、前视、侧视）的空间排布方式与视图尺寸对用户操作绩效（如响应时间）和视觉搜索模式的影响。通过行为指标、眼动追踪与主观评价数据，为VR医疗模拟器（尤其是需手眼协调的多视角操作场景）提供了实证设计指南。

　　

Highlight

我们的研究通过系统分析VR环境中界面布局对手术操作的影响，揭示了视觉元素空间分布与认知绩效之间的关键关联。

相关研究 (Related Work)

本研究涉及椎弓根螺钉置入应用的交互界面、医疗VR界面的人机交互研究，以及沉浸式环境中的布局设计。

设计因素 (Design Factors)

实验任务设计需综合考虑手术材料与流程。我们的用户研究基于传统手术工作流、相关视觉信息以及AR辅助手术与VR手术训练的界面设计（如图2所示）。在传统手术中，外科医生依赖术前CT扫描和3D模型（包含脊柱顶视图、前视图和横截面视图）分析螺钉置入路径。

任务与交互 (Task and Interactions)

参与者需通过多视角界面确认螺钉位置并调整工具。虚拟环境中，数字脊柱模型固定于用户视线下方约45厘米处（接近腰部高度），模拟真实手术操作位置。当用户将工具靠近脊柱时，三个视角的实时工具视图将同步显示。

手部操作 (Hand Operation) — 参与者使用手柄控制器进行精细操作，通过按钮触发确认动作。

响应时间 (Response Time)

数据预处理包含26名有效参与者，共1248个数据点。一名参与者因缺失6个数据点（缺失率12.5%）被排除。存在54个异常值（占数据4.3%），由意外按键或响应时间过长导致。意外按键指参与者无意识触发的确认动作，而非主动完成任务。

讨论 (Discussion)

分析结果后，我们重新审视研究假设并进一步讨论：

1. 1.
   布局的空间分布影响任务绩效：视野中图像的空间排布显著影响任务响应时间。具体而言，将图像垂直排列于视野左侧可显著缩短响应时间。
2. 2.
   三视图的具体排布方式对任务效率具有差异化影响。

结论 (Conclusion)

本研究通过评估用户绩效与分析辅助图像布局对任务效率与认知负荷的影响，探讨了医疗VR界面中的人机交互机制。结合响应时间、任务成功率、眼动数据、描述性统计、ANOVA与布局方案的配对比较，我们得出结论：布局设计显著影响任务绩效与视觉搜索模式。我们提出以下设计指南：

• •
  布局的空间分布：对于需结合手动操作与多视角监控的任务，建议将关键视图垂直排列于用户视野左侧以优化操作效率。