下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
“模拟（simulate）”是一个动词，根据其“是对一种行为或者系统的模仿或再现（simulation is the imitation or representation of one act or system by another）”的定义，在现有技术条件下，医学模拟的形式可以按照“医学行为”中部分能够被模仿或再现的要素进行分类。例如：当培训与考核的重点涉及解剖和病理生理变化等，需对人体结构和体征的某些特征进行再现时，诞生了基于人体模型（mannequin）的模拟形式；当培训与考核的重点涉及诊疗预案、流程的设定与验证，以及建立基础临床思维模式等，需对思维、预案、流程中的元素进行再现时，产生了基于计算机和网络（computer and web）的软件模拟形式；当培训与考核重点在于医学行为中的各种人际互动时，由于智能设备尚无法达到技术要求，目前主要通过标准化病人/角色扮演（standard patient role-playing）的形式进行模拟；而随着科技的进步，尤其是材料科学、虚拟现实技术、触觉反馈技术等的快速发展，诞生了一批基于高新技术如虚拟现实和模拟触觉的模拟器（virtual reality and haptic simulators）、沉浸式虚拟环境（immersive virtual environments）等的模拟形式，这些形式主要再现某些临床操作、特定临床场景等。
临床医学是一门实践科学。在得益于排除了医疗风险的前提下，临床医学模拟从诞生之初直至现在始终着眼于对临床实践技能的培训与考核。当临床实践技能中的操作性技术（包括技术动作、流程、规范）和部分非操作性技能（医疗情境下的临床处置、团队协作等，详见第四章）成为模拟培训与考核目标时，就需要提供“模拟人体”这样的实践对象以达成目标。而人体作为一种结构和生理功能极为复杂的有机生物体，人类至今尚不能完整认识和复制。因此，人体模型并非形态、结构、内部环境、生物特征、生理机制与真人完全一致的“复制品”，而是针对培训与考核的具体要求，突出再现某些人体特征，尤其是“特定外在表现”的模拟设备。
1．简要介绍
局部任务训练器（part-task trainers，PTT）是根据培训与考核需求，主要模拟人体局部解剖特征的模型，常用作单项或多项临床操作的实践对象。
2．特点
以橡胶、乳胶、硅胶等材料模拟人体软组织，采用制模工艺表现体表解剖特征，也有采用倒模工艺提高拟真度，内部支撑多为硬质材料构架（一般不模拟骨骼形态）。而对人体内部器官（如膀胱、胃、气道等）的模拟，从生产成本考虑，往往只表现个别属性（如容量等），其他物理特征（如黏膜结构等）和生物特征等一般不作模拟。随着传感器技术和软件技术的进步，现在有一些PTT增加了操作技术数据采集和分析功能，如进阶版的心肺复苏模型可以采集按压和通气的客观操作数据等，结合内置标准评分量表进行自动评分，能够较好地提升培训与考核的效率和准确性。
3．主要优点
①结构简单、自重较轻，使用便捷；②体积较小，便于存储；③价格较低；④可重复使用。
4．局限性
①操作手感和解剖结构的拟真度直接取决于物理材质和制作工艺的优劣，质量不高的产品可能影响培训与考核的效果，而对高质量的追求同时意味着成本的增加；②“软组织”在有创操作后会留下痕迹，有一定的“提示”作用，不利于下一次使用；③无法模拟人体的出血、应激等生物特征，因此只能用于基本操作训练而无法用于手术培训。
5．应用场景
PTT主要用于对相近人体部位的局部解剖结构有要求的单项或者多项操作技术培训与考核，是当前国内应用最为广泛的模拟设备，尤其适用于较大规模的医学生、住院医师和非医学背景人员的培训与考核。学习者可以在模型上学习技术动作、操作流程和操作规范，再结合相关知识学习、案例学习等，最终更加全面地掌握技术。
1．简要介绍
综合模拟人的全称是“计算机控制的全尺寸人体模型模拟器（computer-controlled fullscale mannequin simulator）”。是一种可通过计算机控制的，拟真部分人体结构特征，表现部分生理、病理表征的全身人形模拟设备。常以“模拟病人”的角色应用于培训与考核之中。
2．特点
以橡胶、乳胶、硅胶等材料模拟人体软组织，采用制模工艺或者倒模工艺表现体表解剖特征，内部支撑仍为非模拟的硬质材料结构，而内部“器官”也与PTT类似。综合模拟人与PTT最主要的区别在于它能够通过复杂的内部机械结构、计算机技术、传感器技术、虚拟技术等，模拟部分人体生理、病理表征，甚至通过“生理驱动技术”之类的人工智能（artificial intelligence，AI）技术，部分模拟人体的生物特征。比较常见的有：利用机械结构模拟胸廓的回弹、肺的缩张、眼睑的开闭、瞳孔的缩放、局部“血流”等；利用计算机软件显示生命体征、影像表现等；利用关键操作部位的传感器接收各种来自外界的信息数据并传入软件系统；利用虚拟技术拟真输出声音信息、操作阻力等。某些技术水平更高的模拟人所使用的“生理驱动技术”，实质上是一种较早开发的AI技术，通过程序设定和内部算法，可以不经后台操控，根据外界的操作自动做出相应的“反应”；“反应”包含了前述的大部分表征，并且“反应”的过程更加接近真实人体反应，从而部分模拟人体的生物学特征。
3．主要优点
①功能丰富，用途广泛；②拟真度较高；③人形外观，适合模拟“病人”；④软件操控界面人性化，使用方便；⑤预置案例，便于初学者使用；⑥可自主编程，利于个性化使用；⑦可重复使用。
4．局限性
①结构复杂，精密度高，维护难度大，故障率较高；②体积较大、自重较重，不利于频繁移动和存储；③不同模拟人的结构和功能存在差异，适用范围有侧重点，不存在“万能模拟人”；④所模拟的物理、生理、病理表征和生物特征实质上都是外在表现，其工作原理与真实人体的生理机制完全不同；⑤设备价格昂贵，使用、维护、更新成本较高。
5．应用场景
随着经济条件的提高和国内医学模拟的蓬勃兴起，很多医学院校采购了不同类型的综合模拟人，但实际使用情况依然堪忧！其原因很多人认为是综合模拟人功能繁多、操控复杂而致易用性差；或者用作损耗性操作时性价比太低；或者其预置案例太少，难以广泛使用等。实际上这是一种误解：一方面，综合模拟人的确功能较多、结构复杂，其操控系统的技术含量高；但是，随着多年应用过程中的不断改进，最新的软件界面已经非常友好，基本都是图形界面，仅需简单技术培训甚至看一下说明书即可学会。另一方面，尽管综合模拟人有很多可用于操作训练的功能，但其实它不是主要用于高强度、高损耗性的操作培训中，这类培训完全可以使用价格更加低廉的PTT，很多研究都证明单就操作培训与考核的效果而言，使用PTT与使用综合模拟人并无任何差异。综合模拟人主要作为情境模拟教学中的“模拟病人”角色，情境模拟教学的主要教学目标在于非操作性技能（详见第四章）的培养，而不是“情境中的操作性技能培训”。因此，实际使用中在综合模拟人上实施的损耗性操作是非常低强度的。至于预置案例，由于情境模拟教学（详见第五章）是基于临床实际工作开展的教学形式，因此，其本地化、个体化特征明显，预置案例只是作为案例模板供教师参考，绝大多数具体教学案例需要教师后期自行开发、设计。
传统的在培训现场使用实体模拟设备开展模拟教学的形式，尽管具有实践性强、整体拟真度高、学员与教师和互相之间的互动性强等无可替代的优势，但是也存在受硬件条件限制大、培训受众有限、培训时间难以自主安排、高水平教师数量难以满足需求等先天不足。2000年后，随着计算机技术和互联网应用的飞跃式发展，诞生了一批基于计算机和网络的软件模拟形式（computer and web-based simulation），作为传统模拟教学的有效补充，推动了医学模拟教育的进步。
1．简要介绍
计算机模拟培训与考核软件是通过图形化界面、后台控制程序和数据库等，虚拟呈现培训内容；通过人机交互，实现对学习者临床思维、临床诊疗流程和规范的培训与考核。这种模拟形式又包含单机版软件和网络版软件两种亚型。
2．特点
目前大多数基于计算机和网络的软件模拟形式使用平面显示设备呈现教学内容，图像一般以二维或者三维建模的动画形式为主，有时可以配合图片、文字、录制好的现场音视频等。内容多为虚拟病人的就医过程、演示性的操作过程（如体格检查、穿刺术）、拟真的特殊医疗设备操作界面（如麻醉机）等。使用传统电脑或者移动设备作为硬件载体，人机交互一般使用键盘、鼠标、话筒或者触屏等常规输入方式。单机版和网络版软件的模拟形式基本一致，但特点有所不同。单机版软件主要面向个人或者小团队集体学习，程序的所有运行、内容呈现和人机交互依靠本地电脑/移动设备，可以不依赖网络环境，因此使用的灵活性较高，但软件性能受硬件性能、数据库容量的限制较大；网络版软件主要适用于多人或者多个团队的同时培训，程序的运行主要依靠服务器，本地电脑/移动设备作为内容呈现和人机交互的终端，软件必须依靠局域网或者广域网才能正常使用，因此使用范围受到一定限制，但由于大多数服务器性能强劲、数据库庞大，总体软件质量优于单机版。
3．主要优点
①硬件要求的特殊性不高，常规电脑或者移动设备即可满足条件；②培训对场地要求不高，时间灵活性大，尤其是使用移动设备可以不限场地和时间；③宽泛的适用对象，从医学生直至专科医师培训，都有相应的培训软件以供选择；④除软件使用指导外，一般不需要教师现场指导；⑤使用软件模拟的学习是一种自主学习方式，有助于学习者培养自主学习的习惯，高效利用“碎片化”的时间进行学习；⑥软件可以对学习者的每一步操作进行记录，便于回顾、分析和评价；⑦软件支持个体化编程，有利于开发新的教学内容；⑧除基础硬件外，一般没有额外损耗，整体教学成本不高。
4．局限性
①大多数软件的图像拟真度不高，高画质图像的软件必然大幅增加制作成本；②三维建模动画的软件对电脑/移动设备、服务器的硬件性能有一定要求，过低配置会导致画面不流畅甚至“宕机”；③软件的程序和内容需要定期维护与更新，否则可能影响正常使用和培训质量；④不使用实体模拟设备的纯虚拟形式，学习体验比较单一；⑤由于当前人工智能技术尚不足以满足医学教育培训要求，因此现有软件主要通过预设程序和数据库支撑内容的运行，使学习过程比较机械；⑥单纯使用软件模拟的学习缺少“建构主义”教育心理学的学习四要素（详见第四章）和“库伯学习圈”理论中的“应用”环节，因而并非真正意义上实践中的学习，能够部分提高学习者的认知水平，但对实践能力提升的作用有限。
5．应用场景
综上所述，基于计算机和网络的软件模拟形式作为一种较为新型的模拟教学手段，同时存在比较明显的优势与不足。其低硬件依赖性、使用灵活性和易用性、较低的教学成本（人力和物资）、自动化和数据化程度高、宽泛的适用对象、自主学习方式等特点都有利于在当前培训人数众多、教学时间和资源有限、教师资源不足、学习者自主学习能力低下的大环境中广泛应用。而比较单一的学习体验和机械化的学习过程，尤其是缺少必要的学习环节和要素，也决定了这种模拟教学形式只能部分满足教学要求，不能单独作为培养某项能力的教学手段，而需要联合其他教学手段尤其是真正的“实践中学习”，方能最终实现教学目标。
由于目前的人造技术特别是硬件、AI技术的拟真度有限，难以再现临床情境中诸如人际沟通、患者体征、情感表达等重要元素，在教学实践中也难以从“实践对象”的角度给予学习者主观反馈信息，因此，很大程度上会影响培训与考核的效果。1963年，Howard Barrows提出了“程序化病人”（programmed patients）或者“模拟病人”（simulated patients）的概念并实际应用，随即被推广应用于各类培训与考核之中。20世纪80年代，Dr.Geoff Norman的心理医生团队基于这个概念正式提出了“标准化病人”（standard patient，SP）的名称。随着医学模拟的发展和进步，SP的适用范围也从教学领域拓展到教学以外的各种模拟场景中，其实际作用也从模拟“病人”角色拓展至“病人”“家属”“工作伙伴”等临床情境中更加多样化的角色。
1．简要介绍
标准化病人是指经过精心挑选和标准化、系统化培训后，在医学模拟各类工作中，能够准确表现病人实际临床状况的正常人或者病人。狭义的SP仅指模拟病人角色的正常人；广义的SP可以是真实病人，也可以是模拟其他非病人角色的正常人，即角色扮演（role-playing）。狭义上的SP在国内各类临床技能考核中已经广泛使用，而广义上的SP随着情境模拟教学与考核的普及也必将得到飞跃式的发展。
2．特点
主要通过真人方式表现病人和其他角色的语言、表情、姿态、部分阳性体征、行为、情绪表达等，有时还可以结合特效化妆技术强化对特殊病征的模拟，最终实现接近真实的角色与学习者之间人际交互。
3．主要优点
①拟真度高，在SP能够实现的角色表现方面，其拟真度高于所有其他模拟形式；②互动性强，高水平的SP不仅能够精准表达各种预设的模拟要求，还能够针对学习者的现场表现，做出相应合理的“反应”，与学习者进行现场互动；③反馈效果显著，SP的反馈包含实践中反馈和实践后反馈两种类型，前者是通过现场互动使学习者在第一时间感受到自己的语言和行为对对方造成的影响，从而既产生了更加明显的“真实感”，又能实时修正语言和行为中的缺陷；后者是在实践完成后，SP能够从自身角度出发，通过对学习者的主观反馈帮助其反思、提升，或者通过主观评价使整体评价结果更加完整、全面；④安全性高，SP避免了真实病人反复暴露在学员生疏的技能面前，保护了病人的安全；同时也避免了学员在真实病人面前学习的焦虑情绪，保证了学习者的心理安全。
4．局限性
①SP是一种“真人模拟”，这也意味着SP的自身水平直接影响培训与考核的质量，当前国内大多数模拟教学机构对SP的遴选和培训还处于适用于基础临床技能培训与考核的初级要求之上，高水平SP的缺乏也限制了以提升临床能力为目标的情境模拟教学的发展；②SP的培训和应用必将增加人力成本，提高了教学总体支出；③SP绝大多数由正常人扮演，某些病征和阳性体征（如部分物理阳性体征、异常生命体征等）无法模拟；④SP的培养是一个非常专业和规范的项目，完整的培养通常包含招募、培训、评测、试运行、再评估与改进、日常管理等多个环节，其技术门槛较高，人力和财力投入较大，较难全面推广。
5．应用场景
综合SP的优缺点，以及权衡投入产出比，在基础临床技能（主要是问诊和体检）培训与考核中可以应用经过标准化基础培训的“病人”角色SP；而在以临床实践能力和医学人文素养为目标的情境模拟教学与考核，以及非教学的医学模拟应用场景中，必须应用能够高拟真度还原所承担角色，并且掌握特定教学和心理学方法的SP，方能实现最终目标。
随着科技的进步，各种新技术、新材料层出不穷，当今人类社会已逐步迈入人工智能时代、5G信息时代。模拟教学作为医学教育中新生事物，以及与科技融合度高的自身特点，必将成为高新技术在教学领域中最重要的试验田。
1．简要介绍
虚拟现实（virtual reality，VR）技术是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使用者能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互。使用VR技术的成熟教学设备绝大多数是非沉浸式的平面模拟设备。触觉模拟是利用实体触觉模型或者触觉反馈虚拟技术对学习者操作中的触觉进行模拟。其中，触觉反馈（haptic feed back）也是一种虚拟现实技术，是在虚拟现实系统中通过传感器、计算机软件和机械动力结构的联动，让使用者能够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力，从而模拟真实触觉感受。
2．特点
此类设备通常不具备人体外观，而采用多样化的专用设备结构。使用平板式、头戴式显示设备呈现教学内容，显示图像主要为实时采集的操作影像（如基础腔镜技术训练箱等）或者三维建模的动画形式（如虚拟腔镜模拟器等），必要时可在主画面中插入相关图片、文字、录制好的音视频内容等。主要显示局部操作画面，除预置动画外，实时操作的动态画面也得以同步呈现。操作中使用真实或者接近真实的医疗器械，这也是硬件方面与计算机模拟形式最明显的区别之处。使用摄像头或者传感器技术传递操作信息，使用实体触觉模型（如腔镜训练实体模块、某些关节镜模拟器的关节腔模型等）或者虚拟触觉反馈技术模拟操作中的触觉感受。
3．主要优点
①专业化程度较高，专项技术培训的针对性强；②虚拟画面的拟真度高，某些高质量软件甚至可以达到“以假乱真”的水平；③交互性强，操作本身和操作对象的动态变化能够实时呈现在学习者眼前，学习者能够即时调整操作动作；④操控部件与相应临床真实器械的一致性高，能够大幅提升学习成果向临床应用转化的效果；⑤部分采用实体触觉模型（如前述关节腔模型）的模拟器，触觉拟真度高，学习者能够感受到操作中细微的触觉变化；⑥内置软件的设备相对于普通电脑，系统优化做得比较好，与硬件配置匹配度高，使用中较少出现“画面卡顿”“宕机”等情况；⑦软件通常具备一定程度个体化案例编辑功能、操作数据统计和自动评分功能，能够更好地适应个性化培训需求，提高培训与考核的效率和准确度；⑧同时适用于培训课程和日常自主学习。
4．局限性
①除桌上型和头戴式设备，大部分虚拟训练设备体积较大，自重较重，不利于频繁移动和存储；②虚拟设备结构复杂、精密度高、维护难度大、有一定的故障率；③软件的程序和内容需要定期维护与更新，否则可能影响正常使用和培训质量；④触觉反馈虚拟技术目前尚不成熟，仅能实现对“粗触觉”（如阻力、压力、震动等）的模拟，很难实现对“精细触觉”（如位置、精确距离、纹理等）的模拟，而“精细触觉”正是大部分手术类操作最重要的前提；因此，使用这类技术的模拟设备有一定局限性，往往在非手术类操作培训（如内镜、介入、穿刺等）中总体使用效果较好，而在手术类培训（如虚拟腔镜、机器人手术等）中更加偏重对手术流程和规范性的培训，对操作手感的培训要求不高；⑤内置软件的客观操作数据报告依赖于传感器性能和程序设定标准，评价结果是基于预设评价指标，两者可能与临床实际标准之间存在偏差，因此一般仅做参考，不能直接用于对学习者的最终评价；⑥国外进口的虚拟设备一般技术水平和拟真度高，培训效果好，但价格昂贵，且专项专用，总体教学成本较高。
5．应用场景
这类模拟设备主要用于对各种操作性技能的培训与考核，如要培训操作相关的非操作性技能，仍需结合其他模拟形式。需要注意的是：根据上文指出设备的局限性，尤其是在触觉反馈虚拟技术尚不成熟的现阶段，对手术操作类的培训不能仅仅依赖虚拟设备，可以与使用实体触觉模型的设备，以及基于生物组织或者动物的模拟形式相结合，通过“序贯式”的培训课程，提高培训质量。
近年来热门兴起的“沉浸式VR技术”是使用头戴式显示设备、结合空间定位装置和强大计算机系统的新一代虚拟现实技术，能够让使用者在“虚拟世界”中感受和人机互动，实现强烈的“沉浸感”。这类设备目前主要应用于影视、游戏等娱乐应用场景。受制于“虚拟世界”的营造必须先将使用者隔离于真实世界之外的基本技术原理，加之“沉浸感”主要表现为视觉上的“身临其境”，缺乏对其他感觉特别是触觉的模拟，因此，现有使用头戴设备的“沉浸式VR技术”距离临床实践教育的教学要求还相差甚远，在医学模拟教育领域的应用仍处于探索阶段。
国内外的一些大学和实验室正在使用VR技术，努力开发一类不同领域和应用场景下的沉浸式虚拟环境软件，结合不同形式的硬件架构，为使用者打造高拟真度的虚拟环境，使之在接近真实的环境中开展各种培训、实践和交互。在医学模拟教学领域，目前主要基于头戴式硬件设备和“多方位显示面”的硬件架构开发相应软件。前者除了营造虚拟环境外，还可以通过操作手柄在虚拟环境中进行操作和交互（其主要特点已在上文简要描述）。后者以营造虚拟环境、使学习者产生“沉浸感”为主，实践活动仍采用其他模拟形式；现在也有利用高速网络，实时将真人图像传送至“显示面”之中，并且与实践中的学习者展开现场交互的尝试。总体而言，沉浸式虚拟环境可以为学习者提供学习过程中的“虚拟情境”元素，有效改善由于教学环境到工作环境的改变而出现学不能致用的问题，具有较为广阔的发展前景；但具体到各种软、硬件技术水平与教育教学要求之间的距离，尚需要广大技术专家、教育专家、医学专家的共同不懈努力，方能达到实际应用要求。
模拟只是一种手段，模拟教学环境与各种模拟形式实质上都是硬件的不同表现形式。而教学的核心内涵始终在于“教”的质量和“学”的效果，因此，硬件设施只是为教师和学习者创造了更加优质的教学条件，教学过程应该尽可能避免对硬件的迷信和依赖。另外，任何硬件都有适用性和局限性，不可能完全替代人的作用，也不可能完全还原临床真实工作状态，因此，医学模拟教师只有完全掌握硬件的特点，充分发扬优势，规避缺陷，才能最大限度提高教学效率，实现教学效果。
（黎尚荣 史 霆）
LEVINE AI，DEMARIA S，SCHWARTZ AD，et al.The Comprehensive Textbook of Healthcare Simulation.New York：Springer，2013.