生物医学工程学仿真在麻醉模拟教学中的应用进展

金旭曾 敏熊蔚

100050北京，首都医科大学附属北京天坛医院麻醉与疼痛科

生物医学工程学仿真在麻醉模拟教学中的应用进展

金旭曾 敏熊蔚

100050北京，首都医科大学附属北京天坛医院麻醉与疼痛科

目前医学院学生和住院医师培训的主要方法仍然是课堂教学、死记硬背地学习和师带徒式传承。虽然这些教学方法均能很好地传授知识，但在技能的培训、复杂病情的管理和团队的决策方面显然存在着难以克服的缺陷。生物医学工程学仿真技术在模拟教学中的应用可以部分弥补这一不足，在医学教学，包括麻醉学教学方面取得良好效果，已经成为教育的趋势，就此课题作一综述。

生物医学工程学仿真；模拟教学；麻醉

Fund program：Beijing Top Level Health Scientific Innovation Personnel Training Plan(2013-3-047);the Open Project Program of Tianjin Biomedical Material Key Laboratory

0 引言

医学院学生和住院医师培训的主要方法仍然是课堂教学、死记硬背地学习和师带徒式传承。然而，现今医疗模式正变得越来越复杂，传统的教学技术越来越无法承担培养合格医生的任务。除了熟练掌握基本的知识和技术，住院医师也需要成为一个团队的领导者，具有良好的团队沟通、协调多学科处理复杂病情的能力，并经过逐渐培养成为明天的专家[1-2]。麻醉学教学亦如此。因为医疗环境的改变，患者的安全和医疗投资回报已成为万众瞩目的问题[2-5]，住院医师在掌握相关技能之前，很少有机会直接在真实患者身上获得相关培训，且新技术和设备的应用也要求住院医师预先熟悉相关操作。这些因素促成了生物医学工程学仿真模拟训练，增加案例学习，培养麻醉住院医师和/或医学生交流培训和评估工具的出现及蓬勃发展。

根据国际医学模拟/仿真协会的定义，医学模拟/仿真是对医学过程的虚拟，以表达相关系统的部分抽象属性。医学模拟/仿真的目的是以增加患者安全性为终极目标的教学、考核、研究和系统集成为一体的教学方法。解读其含义可以看出，模拟只要集中于一部分重要属性，不必虚拟全部属性，如麻醉学模拟的困难气道，只要关注呼吸系统，不必纠缠于其他如循环、消化和神经等系统，尽管患者在真实应用中，这些系统可能会产生相互作用并对困难气道施加影响；甚至呼吸系统只要关注到左右主支气管即可，而不需要考虑更深的细支气管。生物医学工程学仿真可以借助生物医学工程学专业优势，综合工程学、物理学、生物学和医学的理论及方法，在各层次上研究人体系统的状态变化，并运用工程技术手段去模拟和控制这类变化，其目的是在最大程度上模拟人体实际变化，使学习者在接触真实临床场景前就有“身临其境”的体验。

1 医学教学理论及麻醉学教学方式进展

教学理论研究文献[6]指出，麻醉学习过程有各种理论（表1）。可见不同的学习者、不同的背景及不同的教育工具均会影响学习的结果。不过，较多的理论支持麻醉医学教育采取以问题为中心的实践学习。

表1 学习过程发生的理论

1.1 课堂教学，选择案例

课堂教学是目前医学教育最主要的方式。课堂教学以教师为中心，适合于医学知识的教授，而在住院医师决策、团队合作和技术技能的增长方面作用有限。在涉及内科住院医师的研究发现，缺勤课堂教学并不会导致学生标准化医学知识测试的分数降低[7]，因为住院医师群体是一个可以自我学习并有效获取课本知识的，但其可能无法记住他们在课堂上学过的内容或在临床实践中遇到相关问题无法有效地反应或应用相关知识予以解决。

关于课堂教学用处有限的认知由来已久。早在1880年，医学教育工作者就认识到通过死记硬背地学习医学知识是有局限性的，提出医学教育的目标是培养能够独立获取知识的精明决策者,导致了教学模式从传统的课堂教学转变为自学、见习和实习。1910年，关于“医学教育在美国和加拿大”报告[8]指出：医学教育方式应该进行彻底地改变。在教育方面，现代医学应该与时俱进，具有活性，学生不应仅仅是看，听，记忆。

20世纪末，教育工作者开始采用积极的教学方式，包括问题式学习等教学方法的引入[9]，使学生对知识的记忆、理解有了大幅提升。

1.2 翻转课堂式教学

“翻转课堂式教学模式”是指学生在校外完成知识的学习，而课堂变成了老师、学生之间和学生与学生之间互动的场所，包括答疑解惑、知识的运用等，从而达到更好的教育效果。21世纪初，医学教育引入翻转课堂式教学，学生通过互联网和录制的讲座学习相关知识，并预先进行拓展阅读，在课堂主要是模拟或基于问题的学习。此教学模式让不同学生通过不同的学习风格来解决教学问题，可以自由控制学习实践和场地，解放了教师的备课劳动，但对教师把控课堂走向的能力和知识面提出了更高的要求[9-10]。虽然尚未检索到麻醉学教学在翻转课堂式与传统课堂式教学比较的相关文献，但在许多大型医学中心的麻醉教学中，这种教学方式正在广泛使用，并被证明可以增加学习者的信心，增强运用所学知识的能力并且提高了考试成绩。一项基于大学药学专业学生翻转课堂式教学的队列研究也证明该模式可以增加课堂参与度，提高出勤率，获得更好的考试成绩，可增加学习者的信心和应用所学知识的能力[10]。成人的学习方式明显不同于儿童，前者是自我导向学习，以“问题为中心”的学习。住院医师的教学接近于成人教学；医学生的教学接近于儿童学习者。而模拟教学在两者之间均有着显著的作用。

1.3 模拟教学及仿真

在麻醉模拟教学中，生物医学工程学仿真起着至关重要的作用。早在宋代，“针灸铜人”就是生物医学工程学仿真的典范，至今已沿用千年。20世纪60年代末出现的模拟人“SimOne”系统更是生物医学工程学仿真的高峰，其集合了工程学、物理学、生物学和医学的理论与方法的优势，在医学生和/或住院医师的培训、医学师资培训以及院前急救培训等方面成效显著。随着生物医学工程学的发展，目前模拟教学的仿真几乎达到“以假乱真”的程度，但医学的模拟教学还存在一些问题或困难，如资金问题，越是先进的生物医学工程学仿真，结合的技术越全面越先进，造价越高，普及越困难；师资团队需要受过充分医学教育背景的教师参与，这部分人才对薪资水平的要求限制了在该教学领域的发展；其他如缺乏国家标准、缺少足够的场地、没有专业的辅助团队均限制了目前我国生物医学工程学仿真的发展。

2 生物医学工程学仿真在麻醉模拟教学中的应用

生物医学工程学仿真/模拟教学已被广泛采用，其补充了课堂教学的不足，可以提高知识运用技能、熟练掌握基本技术、提升团队合作能力、提高复杂的决策能力和传授宝贵的临床经验教训[11-12]。

2.1 仿真应用——全身麻醉

住院医师在临床工作之初接触全身麻醉机会有限，在实际情况下如果不能熟练掌握麻醉机的使用和气管插管技术，会使他们失败率增加和信心受挫。模拟训练可以帮助住院医师和/或医学生快速缩短和弥合缺乏培训的差距。气管插管模拟训练是麻醉模拟最早、最成熟的生物医学工程学仿真，目前已经发展出可以让住院医师和医学生接触到不同的场景，在临床实践中，通气困难和插管失败情况较为少见。计算机控制的高保真模拟功能齐全，如不同困难气道分级、紧急气道模拟等，这使得住院医师能够接触到罕见的情况，并允许他们在做出复杂的决策即使出现错误也不会造成真正患者的伤害。研究表明[13]，麻醉住院医师在“通气困难，插管困难”的模拟训练之前，他们表现难以尽如人意，模拟训练2周后重新测试时，12名受试者中有11人能够正确处理并顺利完成临床操作。有研究者评估了应用SimMan人体模型训练全麻诱导的效果。将46名医学院四年级学生随机分成SIM组（23名）和传统教学组（23名）。SIM组接受3 h技能培训之后，每个学生对SimMan人体模型施行2次全麻诱导；传统教学组则参加3 h临床见习。所有参与者均在SimMan人体模型上实施全麻诱导以评估其学习效果，2名资深教师主持考核，有40项考核点。共有88%的SIM组和33%的传统教学组学生通过测试，在40个考核点中，有9个考核点显示学生从模拟教学中获益[11]。

2.2 硬膜外麻醉训练的仿真应用

硬膜外导管置入是一项侵入性操作，有一系列并发症。生物医学工程学仿真可以教授学生解剖学、适应证、禁忌证、故障排除及替代品等知识，使他们熟悉硬膜外导管置入的步骤。住院医师首先被要求观摩经验丰富的老师在模拟器上进行硬膜外导管置入操作，然后自己进行多次模拟，熟练后才可在真正患者身上使用，大大降低了对真正患者的安全威胁[14]。虽然麻醉模拟训练不能用来取代从真正患者身上获得的经验，但至少有以下好处：在模拟器上的硬膜外训练允许住院医师反复训练，直到获得足够的信心和能力；这种培训可以不需要等待条件较好患者的机会，除了可以降低住院医师前几次硬膜外置管的失败率，也明显减低了指导教师对带教住院医师可能出现风险的焦虑。

模拟可以用来展示Tuohy针穿越各种组织的触感，包括棘上韧带、棘间韧带和黄韧带，也可以用来教导“突破感”和阻力消失负压感的验证方法以及如何将导管置入硬膜外空间。

许多类型的生物医学工程学仿真硬膜外模拟器被广泛应用——从自制的水果模型到昂贵复杂的高保真Flinders-meditech.硬膜外注射模拟器[15-17]，后者完全模拟硬膜外腔的解剖特点，提供触觉反馈，误穿破蛛网膜还会出现脑脊液流出，可以模拟不同患者的特点（如组织密度和深度特征）。然而，目前尚无证据表明这些昂贵的高保真设备比便宜的低保真设备训练效果更佳[18]。

2.3 模拟训练和危机管理

在过去的20年中，医务工作者已越来越多地意识到“非技术技能”可以影响患者的预后。拉尔等提出两类非技术技能：认知技能（包括决策、规划和形势感知）和社交技巧（包括团队合作、沟通和领导方面）尤为重要。

所谓危机管理（crisisresourcemanagement，CRM）就是通过监测、预防和处理使危机造成的危害最小。CRM的原则是充分利用所有可用的资源，通过良好的协调以改善患者的预后。在麻醉危机面前，非技术性的技能是非常有价值的。例如，一位母亲心脏骤停时必须迅速进行剖宫产手术，迅速组织由产科医生、麻醉医师、新生儿专家的多学科团队、护士及专职医疗人员一起高效工作才能做出最有利于母婴的决定。一般认为，麻醉医师获得CRM的能力只能通过实践经验或者“榜样”处理相似问题；现在认为CRM的能力似乎也可以通过特殊教育和训练获得，麻醉模拟教学显示出一定的作用[19]。因此，强烈建议住院医师有机会参加联合小组模拟训练。目前，国内大的模拟训练中心包括北京、四川等有很多这样的项目。在这些课程中，参与者接受课堂教学、模拟训练和详细涉及视频反馈的使用汇报，模拟往往涉及到危机的情况，强调关键的原则是团队合作，以确保患者的安全。参加者有机会与其他学科的成员一起展现他们的非技术技能，讨论和排练罕见事件的响应,这将有助于促进日常临床工作中更好的团队合作[20]。

2.4 技术操作教学和训练

技术操作教学和训练显然是麻醉模拟教学中最重要、最成功和最有效的一部分。荟萃分析显示，模拟与非模拟教学比较，在知识水平、知识获取时间、临床操作及行为改变等方面均有提高，尤其能够提高临床技能[21]。超声引导下穿刺技术的模拟、有创血流动力学监测的模拟、小儿麻醉的模拟、局麻药中毒及恶性高热的模拟、麻醉机和机械通气的模拟、创伤急救的模拟及电子病历的模拟等均已被证明可以提高学习曲线，减少副作用和减少学习过程对患者的潜在危害[22-25]。

3 结语

模拟教学除了作为健康研究工具外，在医学教育（没有基本经验人员如医学生、社会公众）以及医务人员的培训方面均有不可替代的作用。良好的模拟训练可以达到[26]：①建立常规应对流程，使受训者进入实战场景时不至于手足无措。②可以实现团队合作的训练，建立团队意识。③良好的环境，适于及时纠正错误。④安全且易于评估。⑤利于技能学习和评估。⑥可以用于新设备的使用和评价。⑦可以用于绩效的评估。⑧是医学教育人员获得临床技能方面的重要来源之一。英国也是模拟医学教育起步较早、发展较好的国家，但是他们总结英国的模拟医学教育并没有国家标准，仅是各学院行为，在麻醉相关的模拟教育方面他们认为应该增加“仿真性”和“整体性”（即计算机化的有心、肺等器官反应的整体装置和场景的应用）[11]。麻醉医学教育需要选择合适的工具以帮助住院医师和医学生主动学习，在此方面生物医学工程学仿真大有可为。也应注意到，模拟教学只是一种教学策略，不能成为临床教学培训的主要手段，医学专家的成长只能依靠临床实践。王天龙和薛纪秀[27]集中汇总了2009至2010年我国麻醉学模拟教育进展情况,提出我国麻醉模拟教育处于起步阶段，各地区和单位发展很不平衡，其与教育经费、师资力量及国家标准制定等多方面因素相关。

总之，在临床教学早期，在医学生和/或住院医师阶段，生物医学工程学仿真在麻醉模拟教学中的应用可以加快学习进程，减少学习过程对患者的潜在伤害。

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Application progress of biomedical engineering simulation in anesthesia teaching

Jin Xu,Zeng Min,Xiong Wei
Department of Anesthesia and Pain Therapy，Beijing Tiantan Hospital Affiliated to Capital Medical University, Beijing 100050,China
Corresponding author:Jin Xu,Email:xiehe2000@163.com

The main teaching methods for medical students and residents are didactic teaching,rote learning and apprenticeship.Although these teaching methods can be good for imparting knowledge,they are obviously insufficient for the training of technical skills,team cooperation and complex decision making.Application of biomedical engineering simulation in the anesthesia teaching can partially compensate for the insufficiency.The progress of biomedical engineering simulation in anesthesia teaching is reviewed and the educational trend was explored.

Biomedical engineering simulation;Simulation teaching;Anesthesia

金旭，Email：xiehe2000@163.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．01．013

北京市卫生系统高层次卫生技术人才项目（2013-3-047）；天津市生物材料重点实验室开放课题

2015-10-27）