基于被动Oddball范式和脑电测量的智能手术照明系统工效学评估及其对临床工作负荷的客观影响研究

　　本刊推荐：本研究通过被动Oddball实验结合脑电（EEG）测量，创新性地评估了SmartOT智能手术照明系统对临床工作负荷的影响。结果表明，与传统手动调光系统相比，智能照明系统显著降低NASA任务负荷指数（NASA-TLX）评分（p<0.05），诱发更高P300振幅（p=0.037），并减少操作错误（p<0.001）。该研究为手术室人机工效学优化提供了客观神经生理学证据，对提升手术安全性和医疗人员工作体验具有重要临床意义。

　　

引言

优质照明在手术室环境中具有关键作用，直接关系到手术操作的精确性和安全性。现代手术照明系统虽致力于提供无阴影的手术视野，但传统系统仍存在明显局限：手术人员或器械遮挡光源导致的频繁阴影现象，迫使医疗团队多次中断手术进行手动调光，既影响工作流程又增加物理负荷。更严重的是，手术灯把手可能成为细菌传播载体，增加手术部位感染风险。研究表明，使用传统手术照明系统（SLS）时平均每7.5分钟就需要重新调光，其中64%的情况会导致手术中断。

为应对这些挑战，SmartOT项目开发了创新性智能手术照明系统。该系统通过天花板安装的多个照明模块网络（共56个），基于深度相机数据和新型算法自动检测可能产生阴影的物体，智能激活/停用相应模块，实现手术区域照明的自主优化。这种自动化设计不仅消除手动调光需求，还能降低污染风险并改善人机工效。

评估此类创新技术对医疗人员认知负荷和工作压力的影响至关重要。过高认知负荷可能对外科医生表现产生负面影响。从神经人因学角度，客观测量方法（如生物信号）较主观问卷能提供更准确可靠的实时数据。本研究采用被动Oddball实验结合EEG测量，通过事件相关电位（ERP）和NASA任务负荷指数（NASA-TLX）问卷，综合评估智能照明系统对认知负荷的影响。研究提出三个核心假设：智能照明将降低认知负荷（表现为更高P300振幅和更低NASA-TLX评分）；减少错误率；提升任务完成速度。

材料与方法

研究获得医学伦理委员会批准（2023-126号），遵循赫尔辛基宣言原则和良好临床实践指南。最终纳入30名右利手参与者（13名女性，17名男性），平均年龄24.9±4.33岁，均为无手术经验的学生。排除标准包括疲劳、过量咖啡因摄入、精神活性物质使用和神经功能障碍。

听觉刺激采用两个正弦音调：1200Hz标准音（80%概率）和2000Hz目标音（20%概率），72dB声压级，100ms持续时间，10ms升降时间，1s刺激间隔。通过专业扬声器系统呈现，确保目标音不连续出现。

SmartOT系统由德国联邦教研部资助（13GW0264C），包含56个自主控制照明模块，通过多深度相机检测手术室内物体位置，运用算法智能控制模块启停。系统已在虚拟现实环境和全功能演示器中进行过验证。

实验采用移动EEG系统（Smarting mobile）记录24电极脑电信号，500Hz采样率。参与者站立于手术台前，在三种条件（随机顺序）下完成LEGO?积木检索任务：智能条件（阴影自动补偿）；强制调整条件（需立即手动调光）；可选调整条件（按需手动调光）。每条件完成12轮任务，每轮需匹配7块积木模型。实验员使用假人随机产生阴影，记录错误数（错误形状/颜色或遗漏）和处理时间（主动搜索时间）。

数据预处理采用MATLAB和EEGLAB工具包，包括0.1-40Hz带通滤波、降采样至256Hz、ICLabel伪迹剔除、平均重参考、-200至800ms分段提取和-100至0ms基线校正。统计分析采用重复测量方差分析（ANOVA）与Greenhouse-Geisser校正，Bonferroni事后检验，显著性水平α=0.05。

结果

主观工作负荷

NASA-TLX问卷显示智能照明条件在所有负荷维度得分最低：心理需求（42.3±19.9）显著低于强制调整（56.8±21.2, p=0.017）和可选调整条件（52.2±19.9, p=0.049）；时间需求（30.3±18.8）显著低于强制调整（44±22, p<0.001）和可选调整条件（41.8±18.7, p=0.029）；努力程度（36.1±17.3）显著低于强制调整条件（49.5±21.2, p<0.001）；挫折感（26.5±17.1）显著低于强制调整（42.5±19.2, p=0.006）和可选调整条件（45.6±23.6, p=0.032）。物理需求和绩效维度无显著差异。

电生理记录

EEG分析显示P300振幅存在条件间显著差异（F(1.66,41.42)=4.82, p=0.018, η2=0.162）。事后检验发现智能条件在Fz电极诱发更高P300振幅（p=0.011），较强制调整条件平均差异1.503μV（95%CI:0.301-2.706）。P300潜伏期（282-316ms）无显著差异（p=0.31）。

错误率与处理时间

错误分析显示智能条件总错误数最少（111次，人均3.5±4），显著低于强制调整条件（243次，人均7.6±5.5, p<0.001）和可选调整条件（156次，人均4.9±3.9）。处理时间分析表明智能条件（约600秒）显著短于强制调整条件（约800秒, p=0.005），与可选调整条件（约650秒）差异边缘显著（p=0.061）。

讨论

研究结果全面支持三项假设：智能手术照明系统显著降低主观工作负荷（NASA-TLX）和客观认知负荷（更高P300振幅），减少任务错误，提升处理效率。这一发现与既往研究一致：自动化功能通过减少物理操作和注意力需求，释放认知资源用于主要任务。

P300振幅增加反映认知处理效率提升，表明智能照明使参与者能更有效分配认知资源。尽管潜伏期无变化，但振幅差异证实了神经生理层面的优势。错误率和处理时间改善进一步证明智能照明通过优化视觉条件和减少调光干扰，增强任务表现。

研究方法学创新体现在多模态评估策略：EEG提供神经机制洞察，NASA-TLX捕获主观体验，行为指标量化实际表现。这种综合方法为手术环境人因工程研究建立新标准。

研究局限性包括任务生态效度有限（非真实手术场景）、参与者无手术经验、未采用盲法设计。未来研究可整合更多生理指标（心率变异性、皮肤电活动、眼动追踪），使用新型移动EEG系统（如cEEGrid）提升现场适用性，并在真实临床环境中验证结果。

结论

SmartOT智能手术照明系统通过自动阴影补偿功能，显著降低手术环境中的认知负荷、错误率和任务时间。主观（NASA-TLX）和客观（EEG/P300）测量结果一致表明，该系统能有效改善医疗人员工作体验和操作绩效。这些发现为智能手术室建设提供实证支持，对提升患者安全和医疗质量具有重要价值。后续研究需在真实手术场景中进一步验证这些效益，并探索其在复杂医疗环境中的广泛应用潜力。