通过器械交互：将手术器械拓展为交互设备

文献标题

Interaction Through Instruments: Extending Surgical Instruments as Interaction Devices

出版信息

• 主题领域: 外科环境中的人机交互
• 关键词: 通过器械交互、微创手术、外科器械、自主性、注意力转移、心理负担、术中需求、可视化布局、无触摸交互、参与式设计

背景与问题

• 问题/挑战: 当前手术中的无触摸交互技术（如空中手势、基于视线的系统和语音命令）会将注意力从手术区域转移，扰乱工作流程，并未完全解决无菌约束问题。而将交互任务委托给助手会引发延迟、沟通不畅以及自主性丧失。
• 重要性: 自主交互对于外科医生至关重要，能够帮助他们在不影响无菌性或工作流程效率的情况下保持专注、减少延迟并在手术过程中做出明智决策。
• 动机与相关工作: 之前的研究探索了无触摸交互和物品的重新利用，但未能解决领域专家在使用任务器械时的具体需求。本论文基于这些研究空白，提出了一种利用外科医生对器械的身体化知识进行交互的范式。

解决方案

• 提出的方法: 通过器械交互（Interaction Through Instruments, ITI），一种将外科器械重新利用为交互设备的范式，用于控制数字信息系统，同时无需对器械进行修改。
• 创新点:
  1. 提出ITI概念，实现交互的同时不影响无菌性或主要任务。
  2. 通过调查和工作坊深入了解术中需求和挑战。
  3. 开发InteractOR系统，通过两种可视化布局（叠加和并排）实现器械交互。
  4. 评估ITI在自主性、效率和注意力转移方面相较于委托的影响。
• 流程与关键技术:
  • 进行调查（N=23），识别术中需求和挑战。
  • 举办参与式设计工作坊（N=10），设计交互手势和界面布局。
  • 实现InteractOR系统，利用器械分割和捏合手势识别进行交互。
  • 通过比较结构化观察（N=12）评估InteractOR，比较ITI与委托的效果，并分析叠加布局与并排布局的权衡。

结果

• 具体发现:
  • ITI减少了注意力转移（委托：中位数=5；叠加/并排：中位数=3）、心理负担（委托：中位数=7；并排：中位数=4.5；叠加：中位数=6）以及病灶识别时间（委托：平均=120.9秒；叠加：平均=58.9秒；并排：平均=53.7秒）。
  • 两种ITI布局均获得了高自主性评分（中位数=5），显著优于委托（中位数=1）。
• 相较基线的优势: ITI通过保持自主性、减少延迟和提高工作流程效率显著优于委托。叠加布局减少了视线转移，但引入了与遮挡相关的负担；并排布局降低了负担，但需要更多视线转移。
• 实验/评估:
  • 参与者在三种条件下完成病灶识别任务：委托、叠加和并排。
  • 收集的数据包括注意力转移、心理负担、效率、探索行为以及对自主性和安全性的感知。
  • 混合方法分析结合了定性访谈和定量测量（Likert量表、Paas量表、时间记录）。
• 局限性与未来工作:
  • 原型中手势有限且仅支持单器械交互。
  • 控制实验室环境可能低估了现实世界中委托的成本。
  • 未来工作应探索多器械设置、手势词汇以及真实手术环境中的应用。

总结

本文提出了通过器械交互（ITI）这一范式，将外科器械重新利用为数字系统交互工具，解决了无菌约束和工作流程中断问题。通过调查、工作坊和系统实现（InteractOR），ITI被证明相较于委托能够减少注意力转移、心理负担和延迟，同时为外科医生提供更高的自主性。两种可视化布局——叠加和并排——被评估，揭示了遮挡与视线转移之间的权衡。研究结果表明，ITI具有提升术中交互的潜力，并建议在其他需要双手物理任务的领域中广泛应用。