介绍

可预防的医疗差错是导致美国 (US) 患者死亡的最主要原因之一，每年所导致的死亡数约为 400,000 例。¹ 同样，每年在美国因医源性损伤导致残疾的大约有 350 万人。¹ 这些数字让人警醒。更令人震惊的是，尽管有大量新的教学方法和技术，但医学教育在近 100 年里几乎没有改变，仍然牢牢地固守学徒制。^2-4 这不仅有改进的空间，还有空间来接受当前可用的、名为模拟的教学工具。作为培训和教育的一部分，模拟已被成功整合在其他行业的教育课程中，在这些行业中，差错会造成严重后果，特别是航空，人们经常拿航空与医学作比较。有效使用高保真模拟已经成为商业飞行员教育的支柱，以至于当一个商业飞行员第一次驾驶飞机时，飞机上就坐满了乘客。⁴ 虽然模拟已经越来越多地融入到医学教育中，但它还没有像航空等其他行业那样广泛应用。

模拟的起源

考虑到这一点，令人惊讶的是，在医学教育中应用模拟教学并不新鲜。在全球各地发现的古代粘土和石头模型已被用来展示各种疾病的临床特征（图 1）。³ 随着时间的推移和技术的进步，医学模拟已经变得越来越成熟。第一个“现代”模拟器 – 交互式任务训练器是由法国巴黎的一对父子 – 格雷瓜尔和格雷瓜尔在公元 1700 年左右通过一具人类骨盆和一个死去的婴儿开发的⁵ 它主要用于向助产士传授接生方法，结果明显降低了婴儿死亡率。^3,5 从中世纪到现代，也有大量的文献记载了在外科技术的发展和教学中使用非人类动物的情况。⁶

现代模拟的发展

在 20 世纪 60 年代初，在巴尔的摩市立医院工作的 Peter Safar 医生“重新发现”并描述了“口对口”人工呼吸后，医学教育的现代模拟时代就开始了。^7,8 这项工作，并在挪威麻醉医师的促进下，Bjorn Lind 相信，让挪威塑料娃娃和玩具制造商 Asmund Laerdal 来设计和生产一个现实的人体躯干模型，以便应用 Safar 氏头倾斜/下巴抬举来减轻气道阻塞和进行嘴对嘴人工呼吸。⁹随后，在 Safar 的敦促下，在 Resusci-Anne® 人体模型的胸腔内增加了一个弹簧机构，以便进行胸部按压。^6,9,10 这就是 20 世纪最广泛使用的 CPR 人体模型之一的起源。⁵

模拟技术的另一个重大飞跃发生在 1968 年，这一年，迈阿密大学的 Michael Gordon, MD, PhD 演示了心脏病患者模拟器 – Harvey®（图 2）。⁶ Harvey® 能够通过呈现不同的听诊结果、血压和脉搏检查结果来模拟几乎任何心脏疾病。这种设备到今天仍在很多医学院校发挥作用，以帮助心脏病领域内的身体诊断教学。^3,6,10

Resusci-Anne® 和 Harvey® 是举例说明的、今天仍在使用的两个主要模拟器家族：任务训练器（其目的是为了教会一组身体技巧）和诊断训练器（其目的主要是为了教会如何解读信息）。为教授从简单的外周静脉置管到腹腔镜手术技巧等每种操作，开发了任务训练器。^5,6,10 同样，为帮助医疗培训人员理解从心音到诊断成像等一系列患者信息和表现，开发了诊断训练器。^5,6,10

诊断训练器已有进一步的演变，以促进患者互动技巧的学习。在 20 世纪 60 年代初，纽约神经学研究所的神经病学住院医师 Howard Barrows 博士敏锐地观察到，某些患者在经过医学生和住院医师的反复检查后，会修改他们的神经学检查结果来应付医学生和住院医师的反复检查。³ 当他从住院医师学院毕业并开始自己的学术研究工作时，Barrows 开始训练健康演员来模仿各种情况；于是，在1964年，标准化患者应运而生。^11,12

随着计算机硬件和软件在 20 世纪 80 年代和 90 年代的更快速发展，模拟器的复杂性和能力也随之演变。开发出了模拟生理状态和药物反应，并因此给学习者提供真实反馈的功能。麻醉模拟因此开始登上中央舞台。斯坦福大学的 David Gaba 及其同事开发出了综合性麻醉模拟环境 (CASE) ®。这种工具不仅仅可与人体模型进行交互，还包括一个计算机化的波形发生器，它可以产生在麻醉环境中、在患者监视器上见到的所有信息。^13,14 这一发展激起了人们将模拟器作为环境训练器的想法。与任务训练器或诊断训练器不同，环境培训器关注的重点不是学习技能或信息，而是学习者在一组预先设定的环境或条件下应用已经掌握的技能和信息。这种类型的模拟立即被用于麻醉危机资源管理培训等工作。^14,15

模拟领域内的新技术

随着计算机功能的不断进步，一些新技术（比如虚拟现实、增强现实和混合现实等） 已融入到模拟中。下面，我们将给出这些术语的定义和实例。

虚拟现实是一种完全沉浸式的体验，它可迷惑用户的感官，让他们认为自己处于一个与真实物理世界隔离的不同环境中。通过使用头戴式显示器或耳机，用户可以体验一个由计算机生成的图像和声音世界，在这个世界里，数字物体可以通过绑定在控制台或 PC 上的触觉控制器来进行操控。当处于虚拟现实环境中时，与现实世界的互动是有限的。其中最先进的虚拟现实模拟器是 SimX® 平台 (San Francisco, CA)。¹⁶ 它允许多个用户同时参与相同的模拟任务。SimX® 是一个平台实例，它可对参与者自然行为作出反应，并允许多个用户参与相同的场景（即与同一个虚拟患者互动和彼此互动）。例如，如果某个参与者在一个虚拟现实环境中拿起一个虚拟听诊器并将其放到患者身上，则用户可以听到在典型情况下通过听诊器听到的声音。Fundamental Surgery (FundamentalVR, London, UK) ¹⁷ 是设计用于手术培训的一个虚拟现实平台，该平台也允许多个用户与相同的模拟互动，并充分利用模拟多种手术工具的手控设备。

增强现实是将数字信息叠加在现实世界元素上。Pokémon GO (Niantic, San Francisco, CA) 就是其中最出名的例子。增强现实使真实世界在模拟中处于中心位置，但通过对新信息（这些新信息如果没有计算机的补充，是不可用的）的分层来对它进行增强，从而对现实世界进行补充。增强现实允许与数字元素进行数字互动，也允许与现实元素进行实体互动。例如 GIGXR (Los Angeles, CA) 公司生产的平台，¹⁸ 该设备可以产生真实临床环境中的“全息”患者。该系统可以使用头戴式目镜系统进行访问，它能使虚拟患者可视化，并在用户所在的物理房间内显示他/她的生命体征。该系统也可以使用智能手机或平板电脑进行访问，它使用机载摄像头在屏幕上显示房间和虚拟患者。

混合现实将真实世界和数字元素结合在一起。在混合现实中，用户可以使用下一代传感和成像技术，与实体和虚拟物品和环境进行交互和操作。混合现实可以让用户看到并沉浸在现实世界中，同时与现实世界中的物品以及数字物品进行实体互动。因此，混合现实打破了现实和想象之间的界限。例如， Intelligent Ultrasound (Cardiff, UK) 公司生产的 Heartworks® 超声模拟系统¹⁹，它允许用户将经胸和/或经食管的超声波探头置入人体模型中，像在床旁那样操作探头，并探讨探头操作将会如何影响计算机监视器上显示的超声图像。

该系统有助于获得超声探头操作技能和各种病理学检查方法，同时起着诊断训练器和任务训练器的作用。混合现实模拟系统的另一个例子是模块化的混合与增强现实跟踪模拟器系统 (SMMARTS)，²⁰，该系统是由佛罗里达大学开发的。SMMARTS 是围绕一个核心模块构建的，其中包括跟踪硬件和附加模块，这些模块基本上可以模拟任何目标解剖结构。²¹ 身体模块包含三维打印的骨骼解剖结构和周围软组织的硅胶或弹道凝胶模型。可以在软件中对骨骼和软组织进行建模。这可以让用户检查感兴趣的组织，并实施介入手术。²¹ SMMARTS 已经开发了多个模块，包括用于模拟胸区局部麻醉操作的脊柱、用于模拟头颈部局部麻醉操作的头、用于模拟脑室切开术的头、用于模拟建立颈内静脉和锁骨下中心静脉通路的胸腔、用于模拟建立外周静脉通路的手臂，以及一个用于模拟经直肠前列腺检查和组织活检的盒子（图 3）。^21-25

所有这些技术已被用于各种形式的医学教育，主要是在外科和介入治疗领域。这可以对手术技巧进行超现实模拟，无需患者参与，以促进基于患者影像数据的解剖诊断，或用于复杂的手术方案中。混合现实模拟器可提供多种好处，因为其能够同时作为诊断训练器、任务训练器和环境训练器。

争论的一个焦点是模拟操作是否有助于改善患者安全。尽管场景模拟正逐渐被纳入医学课程，但是，除了高级心血管生命支持培训或有限的临床危机场景演练以外，很多学科都没有广泛采用。²⁶ 某些简单手术任务（如中央静脉插管模拟等）事实上已经证实能减少并发症并改善患者转归。²⁷ 但是，仍需要开展大规模前瞻性队列研究来提供数据证明，模拟培训不仅可以提搞医疗手术效率，还可以提高患者安全。

结论

由于医疗照护变得越来越复杂，临床实践也变得越来越专业，因此，模拟可能会继续演化，以满足教育需求。我们应该期待虚拟现实、增强现实和混合现实模拟器变得越来越普遍。模拟器也可能变得更有能力，集诊断、任务和环境训练器于一身。想象一个模拟人体模型，它可以产生波形并将其发送到麻醉监视器，同时模拟张力性气胸的体格检查结果，允许进行支气管镜检查和气管插管操作，中心静脉管线放置，胸腔穿刺术和胸导管放置，所有这些都使用相同的模拟器工具。这些工具不仅对医学教育非常宝贵，而且还可能成为一种成绩评价新模式的基础，例如委员会认证等，它不仅可以考察知识和判断，还可以考察身体技能。在本科生和研究生医学教育中广泛采用基于模拟的课程不仅可以简化评价，还可以提高患者照护的质量和安全。⁴

 

作者特别感谢 Leah Buletti 对本文进行的编辑工作。

Cameron R. Smith, MD, PhD 是弗罗里达大学医学院 （弗罗里达州盖恩斯维尔）麻醉学系的麻醉学系急性和围手术期疼痛医学部门的助理麻醉学教授。

Yong G. Peng, MD, PhD, FASE, FASA 是弗罗里达大学医学院 （弗罗里达州盖恩斯维尔）心胸麻醉系的麻醉学教授、外科学副教授和系主任。

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利益冲突：Cameron Smith, MD, PhD 报告，他是 SMMARTS 头颈区域麻醉模拟器的发明人，但不是基础技术的专利持有人。Cameron Smith, MD, PhD 报告，他没有利益冲突。

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