疲劳的影响基于脑电图信号在腹腔镜手术模拟

文摘

背景。最近的技术进步后,越来越多的研究兴趣疲劳基于电生理信号的监测大脑活动。虽然一些现有的作品与疲劳性能,其他人认为这两个独立的实体。因此,我们必须探索这错综复杂的问题,尤其是在腹腔镜培训,为了病人的安全。目标。本文探讨和评估疲劳对效率和准确性的影响基于腹腔镜手术训练使用脑电图(EEG)信号。材料和方法。20名大学生进行挂钩转移任务腹腔镜模拟器,为每个主题EEG信号的实时记录。监控程度的疲劳,一个实时疲劳监测系统基于疲劳分析算法的目的是通过使用脑电图在α(α)和θ(θ)的节奏。我们设计了数据采集和疲劳分析模块基于MATLAB平台。BrainLink是用来记录脑电图信号和寄给个人电脑通过蓝牙无线。当工件从捕获的脑电图信号使用盲源分离(BSS)被移除,α和θ使用小波分析提取节奏。疲劳评估是基于回归模型和距离 ,从实验结果及其阈值确定使用接受者操作特征(ROC)曲线分析。结果。完成时间和数量的错误表现得像一个递减函数在头几个试验,同时增加之后认为疲劳程度的增加。结果表明,学习曲线的受试者增加到13日试验时获得最大的学习效益和减少由于疲劳之后。结论。回归分析表明,有意义学习和疲劳影响当挂钩转移任务的训练是重复的一系列试验。然而,对于训练是有效的和高效的,应该有监控训练观察期间在学习曲线实习获得最大的学习效益。此外,疲劳是效率和精度的一个重要指标的完成时间和错误,分别。

1。介绍

外科医生,尤其是培训,工作很长一段时间,经常睡眠不足1]。这样的人员可能干扰在昼夜节律的经验,这可能会加剧身体或精神疲劳。疲劳已经证明降低认知能力的效率(2),导致性能下降以及医疗事故的增加率3,4]。然而,先前的研究,调查了性能与疲劳之间的关系是相互矛盾的。一些研究得出的结论是,疲劳性能对手术没有影响(5,6而其他链接它性能(7,8]。因此,了解疲劳的影响,特别是在外科手术训练,仍然是一个悬而未决的问题。

在外科领域,虚拟现实手术模拟一直是另一种方法来检查疲劳对性能的影响(7- - - - - -9)不依赖患者腹腔镜培训。是一个具有成本效益的腹腔镜手术模拟器训练装置,利用创新技能习得和学习工具可以区分用户的经验水平。它还可以评估手术性能没有病人的使用技能实践(9]。许多研究在腹腔镜手术模拟器研究疲劳的影响使用。例如,Daruwalla等人研究了疲劳对腹腔镜技能的影响,发现疲劳影响腹腔镜等任务挂钩转移(7]。这一发现支持了Tsafrir et al。8)他认为效率和安全性的居民受到疲劳的影响(8]。然而,大多数现有的作品是基于测量大脑活动的间接方式。这些包括个人报告的使用比例调查问卷(4使用相机),眨眼模式系统或Electrooculography(小城镇)[10),心率变异性的心电图(ECG) (11]。然而,个别报告问卷缺乏敏感性检测小精神疲劳的重要变化。在小城镇,关闭眼睑增加而增加疲劳而心电图拥有自主神经活动的反映。相反,是非常重要的监视大脑活动利用脑电图(EEG)等直接测量技术(11]。这种技术被认为是一种很有前途的方法来检测精神疲劳和提供最直接的测量大脑活动(11]。因此,本文探讨和评估疲劳对效率和准确性的影响基于腹腔镜手术模拟使用脑电图(EEG)作为一种监测大脑活动。为了研究这个精确、实时疲劳监测系统基于疲劳分析算法设计和20名大学生被用来执行腹腔镜任务,实时记录脑电图信号为每个主题。

2。材料和方法

2.1。主题

20名健康大学生的年龄24 - 26,矫正视力1.0以上是从上海科学技术大学招募。是一种生活方式问卷调查管理和用作选择标准要求受试者没有医疗禁忌症,如脑损伤之前,历史上使用处方药物,严重的伴随疾病,药物滥用,或酗酒以及心理或知识的问题,更有可能限制遵从性。

所有科目里通知协议的形式和他们没有经验与腹腔镜模拟器。同样,所有受试者接受全面的说明部分中描述的任务2。3和有15分钟的实践取向的设备介绍,直到他们成为主管在腹腔镜模拟任务。本研究机构伦理委员会的批准。受试者被要求停止吸烟和喝含咖啡因的饮料或其他刺激性实验前48小时,因为他们可能会干扰疲劳的趋势,并遵守这些指令被报道。实验进行了从13点到17点在房间温度控制与连续挂钩传输任务的20倍,为了使受试者进入疲劳状态。

2.2。实时疲劳监测系统

我们设计了一个实时监控系统来评估和分析在腹腔镜模拟疲劳对效率和准确性的影响。脑电图的系统由数据采集模块、疲劳分析模块,蓝牙通信模块,和腹腔镜模拟平台。数据采集和疲劳分析模块设计基于MATLAB平台。

2.2.1。脑电图信号记录和采集模块

实验采用虚拟现实模拟器腹腔镜(称为Simbionix圈导师)执行转移任务挂钩。这个模拟器有各种各样的模块从简单到复杂的腹腔镜缝合等任务,基本操作,胆囊切除术,胃旁路手术,切口疝手术,妇科手术,直肠手术,腹腔镜装配技能。在实验期间,BrainLink是用来记录脑电图信号通过使用三个额头上电极。大脑中的神经元活动的录音被确定为脑电图信号(12]。事实上,从头读脑电图信号电极表面和寄给个人电脑通过蓝牙无线模块进行存储和显示,显示在图1。

2.2.2。信号处理和疲劳分析

信号处理和疲劳分析的设计遵循三个步骤,显示在图2。

第一步是把工件从脑电图信号。尽管BrainLink旨在记录大脑活动,它还记录电活动起源于大脑以外的实体。一般来说,任何活动记录除了脑起源称为工件。在大多数情况下,构件可以从生理或获得额外的生理角度。前者出现的不必要的生理信号从源除了大脑,也就是身体。例如,眼球运动、心脏和肌肉。后者技术和来自身体之外,例如,噪音在AC电源线,可以减少通过减少电极阻抗和短电极导线。事实上,任何脑电图信号大于50μV是视为一个工件(13,14]。然而,许多工件不能确定如果他们的幅度低于50μv .因此,一个系统的方法来消除工件是重要的减少误解和脑电图的分析信号的机会。提出了若干技术把工件从脑电图记录。在目前的研究中,盲源分离(BSS)方法是用来把工件从脑电图数据。BSS是一种信号处理方法,包括独立分量分析。从最初的BSS技术分离干扰信号。通过研究分布的工件和BBS的使用技术,我们获得一个纯脑电图信号从原始脑电图数据。原始的脑电图信号从BrainLink获得显示在图3。

第二步是节奏特征的提取。人类大脑模式提出了常规的振动称为节奏和差异化的基础上信号的频率15]。节奏大脑电活动的分类根据频带,即α ,β ,θ ,和δ(4]。这些节奏通常由频率和振幅。记录的振幅的头皮电极BrainLink微伏的范围(μV)。本实验采用小波分析提取两个节奏特征波:α和θ ,如图4。从清醒状态的变化引起脑电图变化的光谱,光谱(4 - 7赫兹)和节奏α节奏(8赫兹)将揭示认知状态和内存性能的变化,这样当精神疲劳增加,相对的力量和节奏降低(16]。

第三步是计算EEG信号的偏差和α节奏。当发生疲劳时,两者都有和节奏变化显著(10)和主题的脑电图光谱偏离他或她的警觉状态。因此,他或她的认知状态和内存性能将会改变。这个偏差计算距离 。EEG的光谱和节奏的特点是 ,在那里μ是向量的值和意味着什么的协方差矩阵是脑电图光谱。Mahalanobis距离计算如下: 在哪里和脑电图信号在和分别的节奏。然后,结合脑电图的偏差

的参数σ是一个常数。自从Mahalanobis距离θ和α节奏的变化与疲劳状态,的重量 , ,和作为指标的疲劳。在目前的工作,疲劳计算的阈值实验结果基于接受者操作特征(ROC)曲线分析。时的值大于阈值,定义主体的认知状态可以被认为是疲劳的状态。

2.2.3。软件平台

系统设计使用GUI平台使数据处理和绘图等功能。系统收集EEG节律波信号,提取特征和 ,为了计算疲劳值。从脑电图和节律波之间的距离增加逐渐增加的疲劳,是非常重要的决定一个合适的阈值和比较阈值的加权距离和节奏。ROC曲线分析方法的基础上,确定疲劳阈值(6.0μV)在目前的工作中,当疲劳值超过预定义的阈值为6.0μV,疲劳检测,系统立即响起警报。系统界面如图5。

2.3。实验程序

盯住转移任务需要小钉板(12挂钩)和6个橡胶三角形(图6)。每个三角形都是取消使用主题的左手抓紧器,在半空中转移到他/她的右手抓紧器。然后,三角形放在一个挂钩的对面。后移动右边的三角形,那么每个三角形都有搬回的左侧板,使用相同的程序。指的是当一个错误的数量下降三角形遥不可及。最大完成时间是在模拟器上设置为300秒。

3所示。结果

比较训练是客观地评价效率(完成时间),精度(的错误)的数量,和疲劳水平。

3.1。客观指标有效的腹腔镜外科训练

在大多数腹腔镜外科培训,减少数量的错误,完成时间,疲劳水平一般是首选的,因为它将提高效率的培训。每个上述数量的代表性,我们平均在每个培训所有科目试验的结果。本文报导错误的结果,在挂钩转移任务,完成任务,和疲劳水平。

3.1.1。错误的数量

回归模型预测的数量错误在前七训练试验与缺乏技术技能,也许新的程序(17),虽然在最后八个试验与疲劳有关。预测的线性回归方程 ,错误的数量减少,直到第七试验,迅速达到稳定程度的科目是固定的能力,观察图7。这表明学习曲线的受试者已经增加到7个试验时获得最大的学习效益。8日到11日试验期间,错误的平均数量是2,低于前七,这意味着受试者获得足够技能造成较少或没有错误。线性拟合方程描述 ,表明下降趋势;然而,这样的减少是非常缺乏的。13和20之间的试验,错误的数量增加和功能跑上山,当一个主题是十分疲惫,与线性回归方程 。这意味着将获得最大的学习效益的主题,直到13日试验之后,减少由于疲劳。从回归方程,结果表明,回归直线的斜率为0.62和错误的数量预计将平均增加0.62当训练开始下一个试验。被疲劳显著增加错误和降低学习曲线的机会。因此,培训是重复相同的任务时在一系列的试验中,应该有监测观察在学习曲线实习获得最大的学习好处然后停止训练。

3.1.2。完成时间

在完成时间方面,腹腔镜模拟器也计算时间为每个主题完成传输任务挂钩。结果表明,所有受试者长时间完成第一次传输任务挂钩(130秒)。然而,每个后续时间他们做了任务花费的时间少于前一个,直到大约12试验。这表明受试者学会了做挂钩转移任务,变得更快每次重复的任务。然而,完成时间开始增加在以后试验由于疲劳的效果。准确地说,这些受试者在最初几个训练试验,长时间来完成这个任务。这是当他们适应训练。随着越来越多的试验,发现了显著的改善和完成时间作为回归方程预测的下降了24% 。然而,完成时间后试验,直到14日受审时保持稳定,这是比另一个短的试验。这是当受试者获得足够技能更有效地执行。当疲劳了14次试验后,完成时间从92增加到110秒,如图8。这些结果表明存在显著的学习重复传输任务挂钩。

3.1.3。疲劳的速度

疲劳表现出不同的行为,其增长速度逐渐上升到第九训练试验,预测的线性回归方程 ,然后开始波动趋势约3.6,直到14日培训急剧上升,如图9。这意味着受试者充分提醒,他们的自律能力是正常的,他们可以专注于训练,直到13日试验。此后,受试者接受自我损耗和他们的能力变得疲惫18]。可以看出疲劳的速度从13日14日试验增加了62.8%,这表明,过度的训练次数也会降低效率。在14到20试验,疲劳值表现得像一个递增函数和运行艰难的7,回归方程 。

4所示。讨论

延长工作时间和睡眠不足与损失的关注,有关性能衰减和错误增加医护人员(19- - - - - -21]。以下这些发现,一些国家设置一些规则关于医生的工作时间。例如,在斯堪的那维亚轮班工作仅限于16 - 24小时后,医生夜班后休假。在英国,它可以工作在24小时内(最多16个小时22]。在美国,实习生仅限于每班最多16个小时每周工作80小时的(6]。加拿大的居民协会(联合会组织des魁北克居民)有限制的最大连续工作16个小时,24小时连续工作危害居民的健康(23]。在目前的研究中,回归分析表明,为长时间工作导致疲劳,可以增加数量的错误和时间来完成挂钩在腹腔镜模拟传输任务。这些结果是一致的发现在以往的研究6,9]。然而,他们非常不同于Bagrodia et al。24)和Uchal et al。5协变量),详细的疲劳和性能。增加错误和时间来完成腹腔镜任务更可能是由于实习生在适应环境;然而,随着越来越多的试验进行,学习曲线增加,逐渐减少错误和完成时间。然而,当疲劳了,错误的数量和完成时间重新开始增加。然而,后果更严重时在适应环境比疲劳后许多试验。不过,有时,多久都无所谓实习生完成任务;如果他/她可以没有错误,那么这种手术被认为是安全的。重要的是要理解这个话题是新手在最初几个试验和学习逐渐随着越来越多的试验。事实上,最初的几个试验中表现不佳可能是反映了新的程序(17)和疲劳。结果支持的规定工作小时的手术居民的限制,并进一步强调医学教育工作者应该解决这些负面影响医学生的疲劳。

5。结论

本文探讨和评估疲劳对效率和准确性的影响在腹腔镜外科训练使用直接测量大脑活动。调查结果表明,有意义学习和疲劳影响当挂钩转移任务重复培训的一系列试验。然而,对于训练是有效的和高效的,应该有监测观察在学习曲线实习获得最大的学习效益。此外,疲劳是效率的一个重要指标的时间完成腹腔镜任务和准确性方面的错误而完成任务。虽然这些结果反映了腹腔镜手术训练,这些原则也适用于外科医生在病人操作,它提供了一些有用的工作场所或在医院的基本经验。未来的工作应该需要调查疲劳的影响基于脑电图的外科医生在腹腔镜手术模拟。

的利益冲突

作者声明没有潜在的利益冲突有关的出版。

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