【创新基地•名家会客厅】医学里的人机新体验

医学里的人机新体验

——《人机互动：医学与工程学的结合与创新》讲座

虚拟现实、全息投影、裸眼3D、触摸屏、虚拟键盘、体感游戏机……

这些都是21世纪出现的新鲜“玩意”，大家一定不陌生吧？它们都利用了人机交互技术，从而给我们带来了全新的生活体验。

人机交互技术是一门新兴的技术，使我们可以通过和机器之间的对话、互动来实现我们的需求。人机互动大大改善了我们的生活，也更让我们体会到人与计算机的密不可分。

那么，当机器进入医科，又会有什么神奇的体验呢？当工程遇上医学，又会碰撞出什么样的火花呢？本期的名家会客厅讲座——《人机互动：医学与工程学的结合与创新》，就为大家介绍了人机互动在医学领域的奇特应用。

本期的讲座嘉宾是加拿大阿尔伯塔大学外科学系的副教授郑斌老师。郑老师同时也是阿尔伯塔大学外科仿真研究实验室主任，阿尔伯塔卫生局外科仿真项目负责人，并在外科模拟训练的系统设计、教学理论研讨、外科新技术研发方面做出大量原创研究。

郑斌老师深入浅出，用幽默易懂的语言为大家讲述了人机交互在医学领域的应用，以及自身实验组的研究成果和研究思路，并为大家提出了许多宝贵的经验。

接下来，就让我们一同走进这一场工程与医学碰出的奇妙火花吧！ 

熟练的标准？

在讲座的一开始，郑斌老师就抛出了这样一个问题：如何评价一个人使用工具的熟练度？

在场的同学们给出了这样两个答案：时间和准确率。但对于一个实现人机交互的机器来说，这两点是远远不够的，它需要更多的指标来树立标准，以评判其行为是否达到要求。

郑斌老师提到，现今的外科手术中越来越多地使用到远程操作（remote manipulation），而远程操作最典型的两个特征，一个是影像需要介导，一个就是必须借助机器。因此，要借助机器，就必须设计符合外科手术使用需要的人机交互功能。

目前唯一受批准用于手术的达芬奇手术系统就是远程操作的典型例子。达芬奇手术机器人由三部分组成：外科医生控制台、床旁机械臂系统和成像系统。手术由四个巨大的机械臂持手术工具进行，而主刀医生坐在控制台中，使用双手（操作主控制器）和脚（控制踏板）控制机械臂和一个三维内窥镜。如图中看到的那样，持有手术器械的尖端与外科医生的双手是同步运动的，相当于医生进行着模拟操作，通过人机交互技术转化为机器的运动，实现真实的手术操作。

如我们所知，手术通常是由一个团队而非个人完成的。那么使用机器来完成手术，如何协调这样一个复杂而庞大的机械系统呢？

根据医生的需要设计人机互动界面，就变得颇为重要。 

熟手和生手

研究人机界面时，科学家们通常从人自己身上产生启发。人在使用工具时，交互的几个重要因素分别有：手与工具的关系、工具与物体的关系、眼睛和大脑。因此问题可以分为两个方面来研究，即视觉和触觉。

为了研究人们使用工具时眼手是如何配合的，郑斌老师的课题组曾做了这样一个实验：在一个虚拟的三维环境中，让受试者使用一个虚拟操作杆来点击虚拟环境中的一个小立方体，每当点中后这个小立方体都会随机在一个新的位置出现。

实验发现，一个经验丰富的操作者在点击时视线是跟随着小立方体跳跃的，当新生成一个位置时，视线点会在工具到达之前就跳到物体那了。而一个新手则相反，他的视线点一直在工具尖端附近。而当生手进行大约100次操作后，行为特征就和熟手差不多了。

郑斌老师提到，这是因为对一个熟手来说，工具已经成为他手的延伸，工具由触觉来控制，却和视觉是脱离的。

 视觉与触觉

为了系统地研究远程操作中视觉因素的影响，郑斌老师的课题组进行了一系列实验。

通常手术中的显示器是垂直放置的，而他们研究了将屏幕水平放置后对手眼操作的影响。发现水平放置更利于医生操作。

此外景深对于人机交互体验的影响很大。当拍摄夹角很小时，景深就变得很小，这时图像无法清晰显示出三维结构，进行手术就变得十分危险。

人有两只眼睛，产生的色象差在我们的大脑中获得准确的三维图像。通过模拟人眼，人们发明了双物镜的内窥镜，可以解决景深小带来的难题。

而触觉在我们操作工具时究竟起到了什么作用呢？触觉是难以直观地描述的，通过给工具加载不同的实验参数，郑斌老师课题组利用实验间接地解释了工具与手之间的逻辑关系。他们得出的结论是，熟练使用工具的前提是工具内在的物理特性被充分理解。 

再探熟练度

讲座的最后，郑斌老师前后呼应，从科学的角度解答了一开始他所提出的那个问题。对于人机交互技术来说，评价熟练度应从感觉（感觉系统）、动作（运动系统中协调的单元）、认知（大脑）、团队（协作的方式）这四个方面。

郑斌老师也提到自己的研究有几个有趣的应用，例如可利用3D打印技术打印所需人体模型，用于医生的人机交互训练。他们实验室也正研究3D图像投射技术，可将CT图像投射到人体身上，协助医生对病人进行治疗。其中涉及的不规则曲面投影和身体运动投影的技术也是他们亟待解决的难题。 

最后，对于同学们踊跃提出的技术问题郑斌老师也细心做了解答，并提到虽然他在该领域做了大量工作，却仍有许多问题等待着大家的解决，也期待大家能做出更多的努力。

此外，郑斌老师也再三强调，我们做研究不要因为国外设备更为先进而一味跟风，创新也并非要有那样先进的设备才能完成。例如他从医生使用体验的角度出发，主要研究如何改善医学机器的人机交互功能，使得医生获得更便捷、有用的人际交互体验。因此郑斌老师建议大家多思考，创造中国人自己的研究领域。

郑斌老师也一位跨专业的人才，对于这个问题，郑斌老师告诫大家跨专业虽然是个人的选择，但不应是为了逃避问题，而应当是在抱有终生学习的态度下做出的选择。因为每一个学科都有着庞大的知识体系，需要我们不断学习才能有所建树。

其实，各个学科之间也是相互联系的。当研究越深入，我们就越能感受到各学科是一个有机的统一体，而创新，也通常更容易出现在学科交叉的领域。因此，这需要我们不仅能扎实地学习专业知识，也是不断吸收专业外的知识。

同时，在科学技术高速发展的现在，有许许多多的问题等待我们解决，并不是在最尖端的实验室里进行的实验才能算是真正的科研，只不过我们需要换一个思考的方式，找到自己可以立足的位置。比起制造学术垃圾，从哪怕非常小的一个角度解决了问题，那也是巨大的贡献了。 

文：任芝龙

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                                                        2016年5月18日