目前國內腹腔鏡訓練的相關研究中，研究者側重于研究手眼協調關系中器械的移動路徑，忽視了視覺在腹腔鏡訓練中的引導作用。其它領域已有研究表明，通過注視訓練，可以提高訓練者的知覺-運動技能水平。本文旨在探討視線追蹤技術在腹腔鏡模擬訓練中的有效性，分析不同訓練方式下受試者的注視策略。本文利用 Tobii X1 Light 型號眼動儀追蹤受試者在手術訓練箱中進行左右移環任務時的注視點位置，獲取表征注視策略方面的指標：任務完成的效率，以及視覺搜索、視覺加工和基于馬爾可夫鏈模型的注視轉移分析。研究結果表明，經過眼動訓練后，受試者的末次完成時間較首次完成時間減少了 101.5 s。與視頻訓練方式相比，眼動組訓練前后，注視行為有顯著變化；受試者的注視與眼跳時間的比值增加 38%，對目標區域的注視時間增加，眼跳幅度增大 0.58°，受試者的注視點轉移到器械的概率減小 15%。本文研究結果表明，可以將視線追蹤技術應用領域擴展到腹腔鏡模擬培訓中，通過學習專家的注視策略，提高受試者的技能水平，縮短學習曲線。
引用本文： 徐明哲, 王殊軼, 葉莎莎. 基于眼動訓練的腹腔鏡手術培訓方法的研究. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(5): 745-751. doi: 10.7507/1001-5515.201605035 復制
引言
相比傳統的開放式手術，腹腔鏡手術在技術上有著更高的要求，面臨著更大的挑戰[1]。難點主要表現在以下幾個方面：手術器械較長，運動過程中會與套管摩擦，減小了器械尖端的力反饋；醫師的視野和操作空間分離，強調醫師的深度知覺能力；手術視野依靠鏡頭拍攝的畫面進行傳輸顯示，所以醫師的手術方位容易迷失；器械的自由度減少，活動范圍縮小，需要醫師雙手配合使用；器械的運動方向和手部的運動方向相反，造成外科醫師視覺和本體感受的差異性。因此，腹腔鏡手術需要外科醫師有極強的手眼協調能力[2-4]。
手眼協調能力是一種在時間和空間上相對應統一的關系；與手部運動相關的指標以及器械的運動相關的指標不能完全說明手眼協調關系，因此視覺在手眼協調中的作用以及腹腔鏡訓練方面的作用不能忽視。
目前國外研究發現了三種腹腔鏡手術操作注視策略：① 目標注視模式（target gaze），受試者在器械尖端到達目標物體時，注視點（point-of-regard）已經落在目標物體上，并且在目標物體和器械尖端之間無眼跳現象發生；② 轉移模式（switching behavior），注視點從目標物體移到器械即有眼跳現象發生，注視點有可能在兩者之間的區域；③ 追隨器械模式（tool following），注視點隨著器械的方向移動[5]。
Law 等[5]研究發現不管是在模擬訓練中還是觀看腹腔鏡手術視頻，專家和初學者的眼動模式都有明顯差異，即專家更多地表現出目標注視模式，而初學者多表現為轉移模式和追隨器械運動模式；除此之外，專家們更善于調用視覺策略來彌補深度知覺的損失。
眼動指標可以客觀評價手術技能水平，將專家和初學者區分開來。專家和初學者在眼動模式上的不同之處，可以被用于指導初學者的訓練，將眼動儀作為訓練的一種工具[6-7]。
因此，本文將視線追蹤技術應用到腹腔鏡訓練中，開展初學者的眼動訓練實驗，并與視頻訓練方式對比分析。利用曲線擬合方法、視頻逐幀分析方法和馬爾可夫鏈模型分析任務的操作水平和注視行為。
本文旨在探索腹腔鏡模擬訓練的新方式，從受試者的自身視角出發，采集受試者在進行腹腔鏡手眼協調任務中的眼動行為。本文在手術訓練箱環境中進行手眼協調任務，記錄任務的完成時間和出錯數，并用眼動儀采集受試者的眼動數據，分析受試者的注視策略和操作過程中的視覺搜索情況。
1 方法
1.1 數據整體處理流程
如圖 1 所示，整個的數據流程為：首先使用 Tobii X1 Light 型眼動儀采集實驗數據，采集的原始眼動數據經 Tobii Studio 軟件濾波后，注視點相關的信息可以導出并保存為 Excel 文件進行后續分析。Excel 文件中包含眼動數據的基礎指標包括單個注視點的持續時間、單個注視點的位置坐標以及每次眼跳的持續時間。通過反比例函數進行曲線擬合，得到被測試者的完成時間曲線。利用視頻逐幀分析法，繪制興趣區，軟件分析得出各個興趣區相關的眼動指標參數值。同時，為了增加了腹腔鏡訓練相關研究中的眼動行為指標，并驗證其有效性，本研究將馬爾可夫鏈模型應用到腹腔鏡訓練研究中，利用馬爾可夫鏈模型求解轉移概率。
圖1
數據分析流程圖
Figure1.
Flow chart of data analysis
1.2 訓練動作流程
本次訓練共選取 21 人，年齡（23.2±1.59）歲，身高（167.2±6.35）cm，其中男生 10 名，女生 11 名，均為在校學生，無肢體損傷，無腹腔鏡訓練經驗，右利手。隨機分為 2 組：一組是眼動訓練組，11 人（男生 5 名，女生 6 名）；另一組是對照組，為視頻訓練組，由 10 名受試者組成（男生 6 名，女生 4 名）。
圖 2 所示是在虛擬現實模擬器下，被測試者技能水平達到平臺期的學習曲線圖，經過 10 次的模擬訓練，操作者只能達到及格水平，尚未達到穩定高效的階段[8]。前 10 次訓練的階段正是技能快速提高期，對于整個的技能學習起到非常重要的作用，如方框所示，即本文實驗研究的范圍。本次訓練的流程圖如圖 3 所示，每位受試者均需要完成 10 次訓練，每兩次之間受試者休息 10～15 min。兩組訓練者每兩次操作之后，觀看學習一次操作視頻。其中眼動訓練組觀看帶注視點的操作視頻，學習專家在進行器械移動時，視線的關注位置即注視點的所在區域。
圖2
學習曲線
Figure2.
Learning curve
圖3
訓練流程
Figure3.
Flow chart of training
本文選擇的訓練動作為左右移環任務，模擬腹腔鏡手術中的組織分離和轉移，訓練受試者的定向和協調能力。具體動作為：① 定位抓取：受試者雙手持抓鉗按標注的數字順序，左手持抓鉗夾取左邊柱子上的橡膠環；② 轉移：將橡膠環由左手傳遞給右手；③ 放置：右手抓鉗將橡膠環放置在相對應的右邊套柱上。待左邊 4 個橡膠環全部移到右邊后，再反過來由右向左操作一遍。
1.3 指標的選取
本課題的研究指標分為四部分：任務完成的效率、視覺加工、視覺搜索和基于馬爾可夫鏈模型的注視轉移分析。
1.3.1 任務完成的效率 ① 完成時間（s）：即每完成一次訓練任務所需要的時間。
② 錯誤數（個）：任務操作過程中環掉落的次數。
③ 擬合曲線的相關系數 R2：研究完成時間和重復次數之間的關系，利用反比例曲線函數，如式（1）所示，進行曲線擬合，其中 y 表示任務分數，x 表示實驗次數。R2 范圍在 0 到 1 之間，R2 值越接近 1，曲線的擬合度越好。
 |
④ 絕對值 b：式（1）所示的函數曲線的斜率為
，斜率和 b 的絕對值成正比關系。b 的絕對值越大，說明受試者的完成時間減少得越快，若錯誤數隨之降低，則受試者的學習效果好。
1.3.2 視覺加工過程 ① 注視比：是指每秒鐘的注視次數。熟練的受試者在任務執行過程中，表現出注視次數少，注視時間長，注視比低。
② 注視/眼跳時間比：總的注視持續時間與總的眼跳持續時間的比值，表示受試者對目標或者是器械的信息加工情況。
③ 注視時間百分比：是指注視目標的時間占總注視時間的比例。有經驗的醫師，目標物體的注視時間比高于器械。
1.3.3 視覺搜索過程 ① 眼跳率：反映受試者在任務操作過程中，視線轉移的次數。
② 眼跳幅度：指一次眼跳運動覆蓋的范圍。眼跳幅度的大小代表人眼的注意深度，如果在上一個注視點，人眼獲取的信息比較多，則視線轉移到當前注視點時，眼跳幅度大；反之，眼跳幅度小[9-12]。
1.3.4 基于馬爾可夫鏈模型的注視轉移分析 馬爾可夫鏈模型：假設存在隨機變量序列{X（n），n=0，1，2，
}，其狀態空間 S={S1，S2，
}，
，對于任意 m 個正整數
和自然數 k 滿足：
 |
則稱{X（n），n = 0，1，2，
}隨機序列為馬爾可夫鏈[13]。
馬爾可夫鏈表示的意義：系統 t+k 時刻的狀態只與系統當前 t 時刻的狀態有關，與 t 時刻過去時間所處的狀態均無關。
對于有限的狀態空間 S，狀態 i 到狀態 j 之間的轉移概率可以描述為式（3）。
 |
若式（3）的轉移概率與時間 t 無關，則這類馬爾可夫鏈為齊次馬爾可夫鏈。當 k = 1 時，式（3）表示的是一步轉移概率，則有 n 個狀態空間 S = {S1，S2，
}的轉移概率矩陣 P 可以用式（4）表示。
 |
轉移概率矩陣 P 具有以下兩個特點：
 |
在腹腔鏡技能操作任務過程中，受試者注視點的序列是離散的，注視的位置也是離散的。受試者當前注視的位置只與上一個注視點的位置有關，而與過去關注的位置無關，因此可以用馬爾可夫鏈模型分析腹腔鏡訓練中受試者的注視轉移情況。
本文研究的馬爾可夫鏈模型的狀態有三種即三種興趣區：目標、器械和中間區域。每個狀態之間的轉移方式如圖 4 所示。
圖4
注視轉移概率模型示意圖
Figure4.
Schematic diagram of gaze transfer probability model
轉移概率的求解方法如下：
① 尋找注視轉移過程中注視點隨時間的變化序列，即注視點序號對應的注視點的位置坐標。
② 設狀態 i 轉移到狀態 j 的眼跳次數為 bij，計算 bij。
③ 本研究中狀態空間的個數為 n = 3，由公式（3）可知
，所以從狀態 i 轉移到狀態 j 的概率
，轉移概率矩陣 P 可由式（6）表示。
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2 數據分析
2.1 完成效率分析
2.1.1 完成時間指標分析 圖 5 和表 1 的每一次任務的完成時間為該組所有受試者操作時間的平均值。通過分析可知隨著任務操作次數的增加，兩組被測試者的完成時間均減少，其中眼動訓練組第 10 次訓練時間比第 1 次減少了 101.5 s，視頻訓練組只減少了 78.1 s。利用反比例函數 y = a + b/x 數據擬合，比較擬合度 R2，眼動訓練組數據的擬合度更高。通過表 1 可以看出與視頻訓練組相比，眼動訓練組的完成時間曲線斜率即 b 的絕對值更大，說明隨著重復次數的增加，眼動訓練組操作速率提高得更快。
圖5
完成時間曲線
Figure5.
Completion time graph
表1
完成效率數據統計表（
）
Table1.
The data statistics of efficiency (
)
2.1.2 錯誤數指標分析 錯誤數為橡膠環脫落的次數。通過表 1 可知，兩組的錯誤數沒有明顯差異，視頻訓練組的錯誤數略高。
綜合分析兩組的完成效率，兩組在平均時間和錯誤數上沒有顯著差別，根據反比例曲線擬合分析，眼動訓練組的受試者操作速率提高得更快。
2.2 視覺加工過程分析
本文前 2 次訓練被視為受試者的基礎水平為基礎期，第 6 次到第 10 次為訓練后期，相關指標都取每組每次訓練的平均值。
2.2.1 注視比指標分析 如表 2 所示，兩組間無論基礎期與訓練后的注視比都沒有明顯差別（P = 0.87，P = 0.53）。
表2
注視過程相關指標（
）
Table2.
Relevant indicators in fixation process (
)
2.2.2 注視/眼跳時間比指標分析 通過表 2 中的數據可知，在基礎期兩組指標基本相同（P = 0.92），在訓練后，兩組指標也無明顯不同（P = 0.20）。但各自訓練前后比較中，眼動訓練組比值明顯增大（P < 0.05），即眼動訓練組在操作過程中，注視目標和器械的持續時間較長，用于搜索視野中目標和器械的相對位置的時間較短。在注視點的引導下，眼動訓練組表現為對要執行的任務關注較多；視頻訓練組則需要較多的時間，衡量在移動器械時目標與器械之間的相對距離。
2.2.3 注視時間百分比指標分析 如圖 6 所示，對兩組的基礎期進行比較，注視百分比沒有明顯差異（P = 0.60），受試者在基礎期注視策略模式基本相同，采取注視轉換策略。訓練后，兩組注視時間百分比有明顯的變化（P < 0.05）。眼動訓練組明顯利用更多的時間鎖定目標區域位置，而視頻訓練組在兩個目標區域內的注視時間沒有明顯變化。
圖6
不同訓練方式的注視時間百分比分布
Figure6.
Fixation percentage distribution with different training methods
已有的研究表明在進行腹腔鏡模擬任務定向操作和抓取任務中，熟練的醫生更多地關注目標區域，很少對器械的位置信息進行加工。
綜合以上指標數據分析可知，在經過眼動訓練之后，眼動訓練組明顯表現出注視目標的時間較多，同時受試者對器械的視覺反饋需求減少，受試者在器械和目標區域之間的眼跳運動減少，注視和眼跳時間比增加；經過眼動訓練之后，相比于視頻訓練組，受試者在注視目標區域時獲取信息更多。
2.3 視覺搜索過程分析
2.3.1 眼跳率指標分析 通過表 3 中所示數據，兩組訓練之后，受試者的眼跳率均減小。眼跳率低，表明受試者視線較為固定。單因素方差分析，在基礎期視頻訓練組和眼動訓練組受試者眼跳率沒有明顯差異（P = 0.28）。訓練后，眼動訓練組受試者的眼跳率減少 14.0%，而視頻訓練組減少 9.5%。相比視頻訓練組，眼動訓練組的眼跳個數減少得更多，表明受試者在操作過程中，注視區域之間的視線轉換減少，操作更熟練。
表3
眼跳率與眼跳幅度（
）
Table3.
Saccade rate and amplitude (
)
2.3.2 眼跳幅度指標分析 通過表 3 數據分析，基礎期兩組眼跳幅度沒有明顯差異（P > 0.82）。眼動訓練組在訓練后，眼跳幅度明顯增大（ P = 0.041），增加 0.58°。眼跳幅度增大，表示受試者在操作過程中，注視點之間的距離增大，獲取的位置信息也相應地增加。
2.4 注視區域轉移分析
視頻組受試者在基礎期的注視轉移概率矩陣為A1，訓練后的轉移概率矩陣為A；眼動訓練受試者在基礎期注視轉移概率矩陣為B1，訓練后注視轉移概率矩陣為B。
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由注視轉移概率矩陣可以看出，兩組受試者在基礎期和訓練后，均表現為注視點由目標區域轉向中間特征區域或者是由中間特征區域轉向目標區域。當在中間特征區域內，目標和器械同時處在中央凹的視野范圍內，受試者需要加工目標的信息和器械的位置信息；這個過程通常發生在器械移向橡膠環或者器械抓取的動作中。兩組都表現為注視點轉移到器械的概率較小。
對視頻訓練組受試者的轉移概率矩陣進行分析，對比基礎期和訓練后的注視點的轉移情況，受試者注視點轉移到器械的概率平均減少 6%。對眼動訓練組的受試者注視狀態轉移進行分析，相比前兩次操作，經過注視點引導訓練之后，受試者的注視點轉移到器械的概率減小 15%。兩組相比，經過注視點指引訓練的受試者，在操作過程中，注視點在目標和器械之間來回切換的次數減少，受試者對器械位置的視覺反饋需求減少，對目標區域的信息加工時間增加。
綜合以上指標數據分析可知，在經過注視點引導訓練之后，眼動組訓練者明顯表現出注視目標的時間更多。在經過眼動訓練后，受試者對器械的視覺反饋需求減少，受試者在器械和目標區域之間的眼跳運動減少，注視和眼跳時間比增加。經過眼動訓練之后，相比于視頻訓練組，受試者在注視目標區域時獲取信息更多。
3 討論與結論
通過模仿熟練操作人員的注視策略，學習在操作過程中視線的關注區域位置，訓練后眼動訓練組的受試者操作速率提高得更快。眼動訓練組首末訓練時間減少 101.5 s，準確度提高；受試者的注視與眼跳時間的比值增加 38%，對目標區域的注視時間增加，注視點向器械區域的轉換減少 15%，眼跳幅度增大 0.58°，雖然差異沒有統計學意義，但數據顯示有測試者注視策略逐漸向專家的目標鎖定策略過渡的趨勢，器械和目標之間的切換模式逐漸減少。由于有注視點的引導作用，受試者在進行“左右移環”任務時，會模仿熟練操作人員的注視模式，在操作時對興趣區內的目標物體和器械的信息加工增加，注視時間百分比增大，所以注視點向器械區域轉移的概率減小，眼跳次數減小，在轉移過程中，搜索范圍增大，眼跳幅度增加。
但是無論眼動訓練組還是視頻訓練組，訓練后受試者注視目標的時間百分比都不到 50%，注視器械和注視目標的時間的百分比總和不到 80%，與熟練的操作人員相比，仍有很大的差距（專家注視目標的時間大于 50%）[11-12]。訓練前后，兩組受試者的注視比均無明顯改變。原因是隨著訓練次數的增加，受試者的完成時間縮短，注視點的個數也隨之減少。在國外的一些研究中顯示，熟練的專家和初學者在注視比上也無明顯差異[12]。
通過對基礎期和訓練后的數據以及兩種訓練方式的對比分析，發現眼動訓練后，受試者的操作效果更好，注視策略逐漸轉向專家的目標鎖定策略，比視頻組的注視策略更有效。結果表明可以在腹腔鏡訓練初期，利用視線追蹤技術，在手術訓練箱環境下，培訓手術技能。
引言
相比傳統的開放式手術，腹腔鏡手術在技術上有著更高的要求，面臨著更大的挑戰[1]。難點主要表現在以下幾個方面：手術器械較長，運動過程中會與套管摩擦，減小了器械尖端的力反饋；醫師的視野和操作空間分離，強調醫師的深度知覺能力；手術視野依靠鏡頭拍攝的畫面進行傳輸顯示，所以醫師的手術方位容易迷失；器械的自由度減少，活動范圍縮小，需要醫師雙手配合使用；器械的運動方向和手部的運動方向相反，造成外科醫師視覺和本體感受的差異性。因此，腹腔鏡手術需要外科醫師有極強的手眼協調能力[2-4]。
手眼協調能力是一種在時間和空間上相對應統一的關系；與手部運動相關的指標以及器械的運動相關的指標不能完全說明手眼協調關系，因此視覺在手眼協調中的作用以及腹腔鏡訓練方面的作用不能忽視。
目前國外研究發現了三種腹腔鏡手術操作注視策略：① 目標注視模式（target gaze），受試者在器械尖端到達目標物體時，注視點（point-of-regard）已經落在目標物體上，并且在目標物體和器械尖端之間無眼跳現象發生；② 轉移模式（switching behavior），注視點從目標物體移到器械即有眼跳現象發生，注視點有可能在兩者之間的區域；③ 追隨器械模式（tool following），注視點隨著器械的方向移動[5]。
Law 等[5]研究發現不管是在模擬訓練中還是觀看腹腔鏡手術視頻，專家和初學者的眼動模式都有明顯差異，即專家更多地表現出目標注視模式，而初學者多表現為轉移模式和追隨器械運動模式；除此之外，專家們更善于調用視覺策略來彌補深度知覺的損失。
眼動指標可以客觀評價手術技能水平，將專家和初學者區分開來。專家和初學者在眼動模式上的不同之處，可以被用于指導初學者的訓練，將眼動儀作為訓練的一種工具[6-7]。
因此，本文將視線追蹤技術應用到腹腔鏡訓練中，開展初學者的眼動訓練實驗，并與視頻訓練方式對比分析。利用曲線擬合方法、視頻逐幀分析方法和馬爾可夫鏈模型分析任務的操作水平和注視行為。
本文旨在探索腹腔鏡模擬訓練的新方式，從受試者的自身視角出發，采集受試者在進行腹腔鏡手眼協調任務中的眼動行為。本文在手術訓練箱環境中進行手眼協調任務，記錄任務的完成時間和出錯數，并用眼動儀采集受試者的眼動數據，分析受試者的注視策略和操作過程中的視覺搜索情況。
1 方法
1.1 數據整體處理流程
如圖 1 所示，整個的數據流程為：首先使用 Tobii X1 Light 型眼動儀采集實驗數據，采集的原始眼動數據經 Tobii Studio 軟件濾波后，注視點相關的信息可以導出并保存為 Excel 文件進行后續分析。Excel 文件中包含眼動數據的基礎指標包括單個注視點的持續時間、單個注視點的位置坐標以及每次眼跳的持續時間。通過反比例函數進行曲線擬合，得到被測試者的完成時間曲線。利用視頻逐幀分析法，繪制興趣區，軟件分析得出各個興趣區相關的眼動指標參數值。同時，為了增加了腹腔鏡訓練相關研究中的眼動行為指標，并驗證其有效性，本研究將馬爾可夫鏈模型應用到腹腔鏡訓練研究中，利用馬爾可夫鏈模型求解轉移概率。
圖1
數據分析流程圖
Figure1.
Flow chart of data analysis
1.2 訓練動作流程
本次訓練共選取 21 人，年齡（23.2±1.59）歲，身高（167.2±6.35）cm，其中男生 10 名，女生 11 名，均為在校學生，無肢體損傷，無腹腔鏡訓練經驗，右利手。隨機分為 2 組：一組是眼動訓練組，11 人（男生 5 名，女生 6 名）；另一組是對照組，為視頻訓練組，由 10 名受試者組成（男生 6 名，女生 4 名）。
圖 2 所示是在虛擬現實模擬器下，被測試者技能水平達到平臺期的學習曲線圖，經過 10 次的模擬訓練，操作者只能達到及格水平，尚未達到穩定高效的階段[8]。前 10 次訓練的階段正是技能快速提高期，對于整個的技能學習起到非常重要的作用，如方框所示，即本文實驗研究的范圍。本次訓練的流程圖如圖 3 所示，每位受試者均需要完成 10 次訓練，每兩次之間受試者休息 10～15 min。兩組訓練者每兩次操作之后，觀看學習一次操作視頻。其中眼動訓練組觀看帶注視點的操作視頻，學習專家在進行器械移動時，視線的關注位置即注視點的所在區域。
圖2
學習曲線
Figure2.
Learning curve
圖3
訓練流程
Figure3.
Flow chart of training
本文選擇的訓練動作為左右移環任務，模擬腹腔鏡手術中的組織分離和轉移，訓練受試者的定向和協調能力。具體動作為：① 定位抓取：受試者雙手持抓鉗按標注的數字順序，左手持抓鉗夾取左邊柱子上的橡膠環；② 轉移：將橡膠環由左手傳遞給右手；③ 放置：右手抓鉗將橡膠環放置在相對應的右邊套柱上。待左邊 4 個橡膠環全部移到右邊后，再反過來由右向左操作一遍。
1.3 指標的選取
本課題的研究指標分為四部分：任務完成的效率、視覺加工、視覺搜索和基于馬爾可夫鏈模型的注視轉移分析。
1.3.1 任務完成的效率 ① 完成時間（s）：即每完成一次訓練任務所需要的時間。
② 錯誤數（個）：任務操作過程中環掉落的次數。
③ 擬合曲線的相關系數 R2：研究完成時間和重復次數之間的關系，利用反比例曲線函數，如式（1）所示，進行曲線擬合，其中 y 表示任務分數，x 表示實驗次數。R2 范圍在 0 到 1 之間，R2 值越接近 1，曲線的擬合度越好。
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④ 絕對值 b：式（1）所示的函數曲線的斜率為
，斜率和 b 的絕對值成正比關系。b 的絕對值越大，說明受試者的完成時間減少得越快，若錯誤數隨之降低，則受試者的學習效果好。
1.3.2 視覺加工過程 ① 注視比：是指每秒鐘的注視次數。熟練的受試者在任務執行過程中，表現出注視次數少，注視時間長，注視比低。
② 注視/眼跳時間比：總的注視持續時間與總的眼跳持續時間的比值，表示受試者對目標或者是器械的信息加工情況。
③ 注視時間百分比：是指注視目標的時間占總注視時間的比例。有經驗的醫師，目標物體的注視時間比高于器械。
1.3.3 視覺搜索過程 ① 眼跳率：反映受試者在任務操作過程中，視線轉移的次數。
② 眼跳幅度：指一次眼跳運動覆蓋的范圍。眼跳幅度的大小代表人眼的注意深度，如果在上一個注視點，人眼獲取的信息比較多，則視線轉移到當前注視點時，眼跳幅度大；反之，眼跳幅度小[9-12]。
1.3.4 基于馬爾可夫鏈模型的注視轉移分析 馬爾可夫鏈模型：假設存在隨機變量序列{X（n），n=0，1，2，
}，其狀態空間 S={S1，S2，
}，
，對于任意 m 個正整數
和自然數 k 滿足：
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則稱{X（n），n = 0，1，2，
}隨機序列為馬爾可夫鏈[13]。
馬爾可夫鏈表示的意義：系統 t+k 時刻的狀態只與系統當前 t 時刻的狀態有關，與 t 時刻過去時間所處的狀態均無關。
對于有限的狀態空間 S，狀態 i 到狀態 j 之間的轉移概率可以描述為式（3）。
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若式（3）的轉移概率與時間 t 無關，則這類馬爾可夫鏈為齊次馬爾可夫鏈。當 k = 1 時，式（3）表示的是一步轉移概率，則有 n 個狀態空間 S = {S1，S2，
}的轉移概率矩陣 P 可以用式（4）表示。
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轉移概率矩陣 P 具有以下兩個特點：
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在腹腔鏡技能操作任務過程中，受試者注視點的序列是離散的，注視的位置也是離散的。受試者當前注視的位置只與上一個注視點的位置有關，而與過去關注的位置無關，因此可以用馬爾可夫鏈模型分析腹腔鏡訓練中受試者的注視轉移情況。
本文研究的馬爾可夫鏈模型的狀態有三種即三種興趣區：目標、器械和中間區域。每個狀態之間的轉移方式如圖 4 所示。
圖4
注視轉移概率模型示意圖
Figure4.
Schematic diagram of gaze transfer probability model
轉移概率的求解方法如下：
① 尋找注視轉移過程中注視點隨時間的變化序列，即注視點序號對應的注視點的位置坐標。
② 設狀態 i 轉移到狀態 j 的眼跳次數為 bij，計算 bij。
③ 本研究中狀態空間的個數為 n = 3，由公式（3）可知
，所以從狀態 i 轉移到狀態 j 的概率
，轉移概率矩陣 P 可由式（6）表示。
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2 數據分析
2.1 完成效率分析
2.1.1 完成時間指標分析 圖 5 和表 1 的每一次任務的完成時間為該組所有受試者操作時間的平均值。通過分析可知隨著任務操作次數的增加，兩組被測試者的完成時間均減少，其中眼動訓練組第 10 次訓練時間比第 1 次減少了 101.5 s，視頻訓練組只減少了 78.1 s。利用反比例函數 y = a + b/x 數據擬合，比較擬合度 R2，眼動訓練組數據的擬合度更高。通過表 1 可以看出與視頻訓練組相比，眼動訓練組的完成時間曲線斜率即 b 的絕對值更大，說明隨著重復次數的增加，眼動訓練組操作速率提高得更快。
圖5
完成時間曲線
Figure5.
Completion time graph
表1
完成效率數據統計表（
）
Table1.
The data statistics of efficiency (
)
2.1.2 錯誤數指標分析 錯誤數為橡膠環脫落的次數。通過表 1 可知，兩組的錯誤數沒有明顯差異，視頻訓練組的錯誤數略高。
綜合分析兩組的完成效率，兩組在平均時間和錯誤數上沒有顯著差別，根據反比例曲線擬合分析，眼動訓練組的受試者操作速率提高得更快。
2.2 視覺加工過程分析
本文前 2 次訓練被視為受試者的基礎水平為基礎期，第 6 次到第 10 次為訓練后期，相關指標都取每組每次訓練的平均值。
2.2.1 注視比指標分析 如表 2 所示，兩組間無論基礎期與訓練后的注視比都沒有明顯差別（P = 0.87，P = 0.53）。
表2
注視過程相關指標（
）
Table2.
Relevant indicators in fixation process (
)
2.2.2 注視/眼跳時間比指標分析 通過表 2 中的數據可知，在基礎期兩組指標基本相同（P = 0.92），在訓練后，兩組指標也無明顯不同（P = 0.20）。但各自訓練前后比較中，眼動訓練組比值明顯增大（P < 0.05），即眼動訓練組在操作過程中，注視目標和器械的持續時間較長，用于搜索視野中目標和器械的相對位置的時間較短。在注視點的引導下，眼動訓練組表現為對要執行的任務關注較多；視頻訓練組則需要較多的時間，衡量在移動器械時目標與器械之間的相對距離。
2.2.3 注視時間百分比指標分析 如圖 6 所示，對兩組的基礎期進行比較，注視百分比沒有明顯差異（P = 0.60），受試者在基礎期注視策略模式基本相同，采取注視轉換策略。訓練后，兩組注視時間百分比有明顯的變化（P < 0.05）。眼動訓練組明顯利用更多的時間鎖定目標區域位置，而視頻訓練組在兩個目標區域內的注視時間沒有明顯變化。
圖6
不同訓練方式的注視時間百分比分布
Figure6.
Fixation percentage distribution with different training methods
已有的研究表明在進行腹腔鏡模擬任務定向操作和抓取任務中，熟練的醫生更多地關注目標區域，很少對器械的位置信息進行加工。
綜合以上指標數據分析可知，在經過眼動訓練之后，眼動訓練組明顯表現出注視目標的時間較多，同時受試者對器械的視覺反饋需求減少，受試者在器械和目標區域之間的眼跳運動減少，注視和眼跳時間比增加；經過眼動訓練之后，相比于視頻訓練組，受試者在注視目標區域時獲取信息更多。
2.3 視覺搜索過程分析
2.3.1 眼跳率指標分析 通過表 3 中所示數據，兩組訓練之后，受試者的眼跳率均減小。眼跳率低，表明受試者視線較為固定。單因素方差分析，在基礎期視頻訓練組和眼動訓練組受試者眼跳率沒有明顯差異（P = 0.28）。訓練后，眼動訓練組受試者的眼跳率減少 14.0%，而視頻訓練組減少 9.5%。相比視頻訓練組，眼動訓練組的眼跳個數減少得更多，表明受試者在操作過程中，注視區域之間的視線轉換減少，操作更熟練。
表3
眼跳率與眼跳幅度（
）
Table3.
Saccade rate and amplitude (
)
2.3.2 眼跳幅度指標分析 通過表 3 數據分析，基礎期兩組眼跳幅度沒有明顯差異（P > 0.82）。眼動訓練組在訓練后，眼跳幅度明顯增大（ P = 0.041），增加 0.58°。眼跳幅度增大，表示受試者在操作過程中，注視點之間的距離增大，獲取的位置信息也相應地增加。
2.4 注視區域轉移分析
視頻組受試者在基礎期的注視轉移概率矩陣為A1，訓練后的轉移概率矩陣為A；眼動訓練受試者在基礎期注視轉移概率矩陣為B1，訓練后注視轉移概率矩陣為B。
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由注視轉移概率矩陣可以看出，兩組受試者在基礎期和訓練后，均表現為注視點由目標區域轉向中間特征區域或者是由中間特征區域轉向目標區域。當在中間特征區域內，目標和器械同時處在中央凹的視野范圍內，受試者需要加工目標的信息和器械的位置信息；這個過程通常發生在器械移向橡膠環或者器械抓取的動作中。兩組都表現為注視點轉移到器械的概率較小。
對視頻訓練組受試者的轉移概率矩陣進行分析，對比基礎期和訓練后的注視點的轉移情況，受試者注視點轉移到器械的概率平均減少 6%。對眼動訓練組的受試者注視狀態轉移進行分析，相比前兩次操作，經過注視點引導訓練之后，受試者的注視點轉移到器械的概率減小 15%。兩組相比，經過注視點指引訓練的受試者，在操作過程中，注視點在目標和器械之間來回切換的次數減少，受試者對器械位置的視覺反饋需求減少，對目標區域的信息加工時間增加。
綜合以上指標數據分析可知，在經過注視點引導訓練之后，眼動組訓練者明顯表現出注視目標的時間更多。在經過眼動訓練后，受試者對器械的視覺反饋需求減少，受試者在器械和目標區域之間的眼跳運動減少，注視和眼跳時間比增加。經過眼動訓練之后，相比于視頻訓練組，受試者在注視目標區域時獲取信息更多。
3 討論與結論
通過模仿熟練操作人員的注視策略，學習在操作過程中視線的關注區域位置，訓練后眼動訓練組的受試者操作速率提高得更快。眼動訓練組首末訓練時間減少 101.5 s，準確度提高；受試者的注視與眼跳時間的比值增加 38%，對目標區域的注視時間增加，注視點向器械區域的轉換減少 15%，眼跳幅度增大 0.58°，雖然差異沒有統計學意義，但數據顯示有測試者注視策略逐漸向專家的目標鎖定策略過渡的趨勢，器械和目標之間的切換模式逐漸減少。由于有注視點的引導作用，受試者在進行“左右移環”任務時，會模仿熟練操作人員的注視模式，在操作時對興趣區內的目標物體和器械的信息加工增加，注視時間百分比增大，所以注視點向器械區域轉移的概率減小，眼跳次數減小，在轉移過程中，搜索范圍增大，眼跳幅度增加。
但是無論眼動訓練組還是視頻訓練組，訓練后受試者注視目標的時間百分比都不到 50%，注視器械和注視目標的時間的百分比總和不到 80%，與熟練的操作人員相比，仍有很大的差距（專家注視目標的時間大于 50%）[11-12]。訓練前后，兩組受試者的注視比均無明顯改變。原因是隨著訓練次數的增加，受試者的完成時間縮短，注視點的個數也隨之減少。在國外的一些研究中顯示，熟練的專家和初學者在注視比上也無明顯差異[12]。
通過對基礎期和訓練后的數據以及兩種訓練方式的對比分析，發現眼動訓練后，受試者的操作效果更好，注視策略逐漸轉向專家的目標鎖定策略，比視頻組的注視策略更有效。結果表明可以在腹腔鏡訓練初期，利用視線追蹤技術，在手術訓練箱環境下，培訓手術技能。
