建立高仿真模拟人HPS病例编辑模型的探索

王秀红， 马彦秋子， 张楚函， 徐奕旻

(1.首都医科大学护理学院， 北京 100069； 2. 中国医科大学临床医学系， 辽宁 沈阳 110122)



建立高仿真模拟人HPS病例编辑模型的探索

王秀红1， 马彦秋子1， 张楚函2， 徐奕旻1

(1.首都医科大学护理学院， 北京 100069； 2. 中国医科大学临床医学系， 辽宁 沈阳 110122)

随着国际、国内仿真模拟教学在现代医学教育、培训、评价中的优越性越来越显著，生理驱动高仿真模拟人HPS被广泛应用于医学各领域的教育教学工作中，病例编辑规范化、系统化是情景模拟教学的重要前提，因此，建立相对成熟的情景模拟教学病例编辑模型，具有深远的意义。本文通过研究HPS系统的内在机制，探索参数变化与生理指标之间的联动关系，自主开发HPS病例编辑功能，初步建立个性化情景模拟病例编辑模型，从而充分发挥HPS功能，推广HPS系统的使用，使HPS系统成为实现高仿真情景模拟教学的重要技术，拉近国内HPS系统与欧美国家HPS系统运用的距离。

仿真情景模拟教学； 生理驱动高仿真模拟人，HPS； 编辑病例； 病例编辑模型

0 引 言

仿真情景模拟教学是当前医学教育教学改革热点。在欧美国家，作为高仿真情景模拟教学必备科技平台——“生理驱动”(Human Patient Simulator, HPS)广泛应用于医学各领域的教育教学工作，成为实现高仿真情景模拟教学的重要技术。近年来，HPS系统被逐步引进并应用于国内护理教学中。病例编辑规范化、系统化，是情景模拟教学的重要前提，编制符合中国护理教学需求的情景模拟病例尤为重要。

然而目前国内、外关于HPS的研究主要集中在高仿真技术在各医学领域教学培训的应用研究[1-8]，如在急救医学、重症医学和护理学等领域教学培训模式和评价体系的建立、仿真模拟教学法与传统教学效果的对比等等。在病例编辑的具体措施和方法方面，HPS病例编辑模型尚未见报道。

因此，研究HPS病例编辑系统的内涵和外延，探索参数变化与生理指标之间的联动关系、自主开发HPS病例编辑功能，建立个性化情景模拟病例编辑模型具有重要的意义。我院自引进高仿真模拟人HPS以来，将仿真情景模拟教学广泛应用于本科生的护理实验实践教学过程中，取得了良好的教学成果。

1 研究的必要性和重要性

1.1 HPS是实现高仿真情景模拟教学的重要手段

情景模拟教学是指通过对事件或事物发生发展的环境、过程的模拟或虚拟再现，使受教育者理解教学内容，进而在短时间内提高能力的一种教学方法[9]，这种方式很早被护理教育者运用到教学中，其目的是使学生在一个完整真实的问题情境中产生学习的需要，并通过小组成员间的互动交流，凭借自己的主动学习，亲身体验，完成从认识目标到完成目标的全过程。

HPS集中应用了各种高新尖端科学技术，将高级生理驱动仿真技术与仿生学技术充分结合，具有呼吸、心跳、脉搏、血压等基本生命体征，可真实模拟患者各种病理生理变化，能够对诊疗过程中所使用的“药物”和采取的救治措施做出相应的反应。并通过与模拟人连接的监护仪、呼吸机等仪器显示患者的生理参数变化，配合仿真医疗场景，逼真地展现临床环境下的诊疗过程和救治效果，为学生创造一种交互式情景教学和实践的机会，缩短了课堂教学与临床实践之间的差距，推动了学生临床综合操作技能和解决问题的综合素质及能力的培养，使学生的学习变得更有成效。因此，HPS广泛应用于医学各领域的教育教学工作，成为实现高仿真情景模拟教学的重要技术。

1.2 HPS自带病例与国内护理教学需求有一定距离

HPS系统自带一些临床病例，但数量有限，以欧美患者数据为主，均为医疗病例，如哮喘，气胸急性呼吸窘迫综合征，心力衰竭等病例，而且多以美国急救中心教学为蓝本[10]，不能很全面地符合国内护理教学目标和教学内容的实际需求，实际应用时需要重新设计、组合、编程。因此充分利用HPS系统的软件资源，根据不同层次的教学对象、教学目标，编制不同年龄、不同健康状态、不同性别、不同职业的“标准化”和“个性化”护理模拟病例尤为重要。

1.3 模拟病例录入过程较为复杂

HPS系统情景编辑器软件是在数学模块下运行，编程过程复杂，要求编辑者拥有较高的数学专业背景。资料显示[11-12]，目前国内大多数院校教师不能自主完成病例编辑全部工作，多采取教师设计、编写文字模拟案例，公司技术人员录入与演示模拟软件的合作形式。因此，研究HPS的情景编辑软件内在机制，探索模拟病例软件编写基本模型势在必行。借助此模型，即可充分开发HPS内在优势功能，使护理教师和实验人员能够自主编写符合情景模拟教学需求和教学进度的病例；又可避免浪费资源，使昂贵的仪器设备物有所值。

1.4 自编模拟病例对护理教师是个难题

HPS系统情景编辑器软件是在数学模块下运行，通过调节各种数学参数来编辑模拟病例的软件，在病例编辑过程中，一个参数的细微变化，会引起之前已经成功设置的数个生理指标、病理指标发生变化，导致前期编辑工作无效，编辑人员必须再次调整上述发生变化指标的参数数值，重新开始病例编辑过程。所以要求编辑者具有良好的数学思维和一定的编程能力。由于护理教师大多以医学或护理学专业背景为主，以护理教学为工作重点，以及个人兴趣、学习能力的不同，需要花费大量人力物力编写适合国内护理教育领域应用的模拟病例软件[13]对他们来说是一个难题。因此建立相对简捷的HPS病例编辑模型，确保HPS使用者学会灵活运用情景编辑器，完成教学目标和教学内容的需要，则是破解这个困局最好的办法。

2 研究设备与资料

2.1 研究设备

美国METI“生理驱动技术”HPS的主要设备：

(1) 成人全身模拟人。模拟人是学生操作的基本界面，全部的患者检查、临床诊断、治疗和护理都将在模拟人身上完成。具有以下特征：可听到呼吸音和心音；可察觉脉搏；泌尿生殖系统；以及气道管理功能。

(2) 机柜——动力和信息交换单元(PCU)。是HPS系统的动力和数据交换中心。内含中央电源供给，模拟肺部风箱，各种重要模块等，是连接整个HPS系统组件的中心。

(3) 工作站。METI专配苹果电脑，内置HPS6软件)在HPS6软件系统运行下的工作站是模拟操作的指挥中心，在数学模块下运行，由此产生的生理学数据最终可由模拟人演示出来。通过在工作站上的操作，教师即可以选择HPS系统自身预设的不同病例；同时，也允许教师自行设计模型人病情，通过调节情景编辑器数学参数，控制模拟演示的每一个细节，创造新的场景来达到情景模拟教学的各种教学目标。

如果只用HPS6软件系统，不连接模拟人，工作站运行的是“虚拟病人”。如果连接模拟人，工作站将与模型人内部的微型交互式计算机(Data Acquisition Computer—DAC)建立联系，模型人就会即时产生“生命”(“真实病人”)，表现出同“虚拟病人”一样的生理学数据。

打开工作站，电脑屏幕上会出现一个界面，左侧是生理指标实时监测框(HUD)，可以实时显示病人的25种生理指标数据的动态变化，并会随着模拟人内部潜在的生理特征变化而变化，进行实时更新。右侧是用户界面(HPS-UI)，其上方设有调整病人病情变化的8个频道，用来分门别类调整病人的生理指标。

2.2 研究资料

北京日正华瑞公司(美国METI中国地区独家代理)提供的《HPS说明书》和《HPS软件参数指南》。

3 研究方案

研究HPS工作原理，探索其建立模拟人病情发生、发展、转归的内在机制；研究情景编辑器软件中所设数学参数的内涵和外延、以及与生理指标的关系和波动变化规律；研究数学参数之间的相互影响规律。

通过理解HPS软件编程在数学模块下运行的原理，熟悉掌握电脑屏幕上HPS界面左侧的HUD和右侧各个频道，尤其是心血管频道和呼吸频道的60多种参数的使用范围、变化规律，并借鉴软件自带典型病例的编辑方法和经验，反复推敲、试误，不断重复、总结，建立相对成熟的情景模拟教学病例编辑模型(图1)。

4 研究结果

4.1 探索数学参数变化对生理指标的影响规律

情景编辑器中数学参数的改变，会导致HUD中的25个生理指标数值发生变化，根据变化波动程度，HUD中生理指标分为三种类型：

(1) 相对稳定的生理指标：体重、温度、PH值、Hct、Isch .Idx；

(2) 波动较小的生理指标：平均动脉压MAP、肺动脉压、中心静脉压CVP

(3) 变化波动大的生理指标：心率、血氧饱和度、血压、呼吸频率、二氧化碳分压、左右肺容量、潮气量。

4.2 探索变化波动大的生理指标的常用数学参数，以及影响关系，见表1。

4.3 初步建立HPS病例编辑模型

4.3.1 分析文字病例

熟悉文字病例编写要求，分析文字病例中每一个场景及相应的生理指标的数值和意义，确定场景数目，及每个场景的预设“事件”。

4.3.2 打开HPS系统工作站，选择基线状态病人

(1) 打开HPS系统工作站，选择open，打开病人patient菜单。

(2) 根据文字病例病人年龄、性别等特征，在HPS预设的五类基线状态病人选择其中一个，并运行之，使其达到基本平衡状态。通常是选择普通中年人standard man。

4.3.3 利用数学参数，编辑各场景设定的事件

(1) 打开情景编辑器(Scenario)，创建新的病例(new)。

(2) 根据文字病例病情全程发展变化，确定病例场景数，然后新建相应数目的new state。

(3) 每一个新状态下，可通过选用恰当的频道，调整数字参数，改变病人生理指标，创建文字病例自行设计的newevent。HPS6软件下最多可创建6个event，即newevent1、newevent2…newevent6。

(4) 编写完毕后保存和命名(按Scenario中的“另存为saveas”)，将数学模型病例存在合适路径下，完成模拟病例软件初步编程工作。

4.3.4 利用演示、运行、反馈、修正上述数学模型

借助HPS情景播放器，运行数学模型病例，使数学模型转换为真实的生理模型，并根据“虚拟病人”各项生理指标实际表现情况，适当微调情景编辑器主要数学参数，并反复运行调试，最终完成符合教学需要的病例编程工作如图2所示。

5 讨 论

HPS系统能够模拟出一个完整的病人或病例，使模拟人表现出各种真实的生理指标和疾病特征，并对所给予的处理措施做出相应的生理反应，因此利用该系统软件编制教学病例，可以模拟出临床护理实践中经常遇到的各种急危重病例，创造出一种交互式的教学情景，使理论教学内容和氛围更加贴近临床，有效地训练了学生正确规范的临床操作技能和评判性思维能力，促成了护理教学方法的根本性变革。鉴于HPS的诸多优势：如训练的真实性、病例的多样性、时间的方便性、病人的安全性、过程的可控性、操作的重复性和团队的合作性[14-16]等，应用HPS进行情景模拟教学势在必行。资料显示目前除少数几家医院外，国内大多数医学院校教师不能独立完成病例编辑工作，因此，如

表1 生理指标与常用数学参数的关系

何应用HPS病例编辑软件，构建一个符合护理情景模拟教学需求的、个性化的、相对便捷的病例编辑模型尤为重要。

5.1 分析文字病例，搭建病例编辑模型的基本框架

文字病例的质量是高仿真情景模拟教学效果的基础，一个具有明确学习目标和合适护理问题的文字病例必须具有一定的针对性、可行性、启发性和层次性。通常每个病例要根据疾病进程，设置3-4个场景，每个场景涉及护理技能至少两项以上，包含理论和实践内容的训练；病例还要结合不同教学阶段学生知识水平、学习需求，呈现不同难度和深度，促使学生在运用病例时能够循序渐进的掌握知识技能的重点和难点，体会到不同处理对疾病转归的影响。

因此，面对兼顾复杂性与多样性的文字病例，首先要以临床程序为主线，把病例的特征(病史、疾病发生发展过程等)与疾病相关的知识(病因、病生理变化、流行病学特征、临床表现、治疗临床原则、护理、健康教育等)有机结合起来，重点分析以下内容：① 涉及几个场景？② 每个场景生命体征、生理指标具体变化如何？③ 每个场景需要何种治疗处置和护理技能？然后根据分析结果，可以确定模拟病例需要场景的数目、每个场景“事件”种类和数目，进而搭建起模拟病例编程的基本框架。

5.2 确定正确的基线状态，架构病例编辑模型的基础平台

HPS系统提供了5类基线状态病人，工作站为这些基线状态病人设计了基本的生理状态数据，包括心率、呼吸频率、血压、耗氧量等。当拿到一个病例时，首先要根据病例中文字关于病人的年龄、性别、职业、健康状态归类，选择基线状态，与HPS系统中的基线状态接轨。通常选择standard man，其生理指标是正常成年男性应具备的生理指标，即为病例的基线。之后的所有编辑内容都在这个最基本、最正常的生理指标基础之上。

编辑病例前首先需要查看HUD生理指标值是否处于基线状态下，一般以下6个主要生理指标达到要求时(表2)，达到基线状态。

表2 HUD生理指标值(基线状态)

5.3 灵活运用情景编辑器中的数学参数，构建病例编辑模型的核心内容

理解HPS软件编程在数学模块下运行的原理，熟悉掌握电脑屏幕上HPS界面左侧HUD和右侧各个频道，尤其是心血管频道和呼吸频道的60多种参数的使用范围、变化规律，并灵活运用是编制模拟病例的核心内容。

编辑病例时，首先应比较预编病例与基线生理指标的差异，然后根据情景编辑器中数学参数变化对生理指标的影响规律选择适宜的数学参数。其原则是：运用最少的数学参数，实现病例中所需生理指标值。

数学参数主要存在于状态频道、药物频道、液体频道、心血管频道和呼吸频道中，其中药物频道和液体频道的参数一般都是预置参数，状态频道的参数一般为稳定参数。心血管频道和呼吸频道的参数有60多种，均为不稳定参数，即其中任何一个参数的变化都会引起模拟人整个生命体征的变化，而且任何参数在情景运行进程中的变化是一直持续起作用的，甚至是在情景关闭之后。例如：在一个情景运行的过程中，通过设置心率到2.0使心率加快，这一生理指标将维持在2.0甚至在情景结束/被关闭之后，病人将一直显现出心率加快，而且对其他参数设置的变化以及生理反应也会产生影响。所以这60多种错综复杂的数学参数是病例编辑的难点，也是我们研究的重点。

通过对心血管频道和呼吸频道60多种数学参数的反复研究，筛选出能够影响生理指标心率、血氧饱和度、血压、呼吸频率、二氧化碳分压、左右肺容量、潮气量变化的主要数学参数。又通过上述数学参数变化对生理指标的影响规律，建立了生理指标与数学参数的关系表。数学参数的调整会影响病人的生理变化，这些变化也将在HUD上显示为病例所需的生理指标。若要满足模拟病例设计内容，必须学会灵活地使用数学参数，即情景编辑器中数学参数的灵活运用是构建病例编辑模型的关键所在。

5.4 编辑-演示-反馈-再编辑，补充、完善病例编辑模型

病例编辑完成后，HPS工作站就存在了一个新的虚拟病人，此时需要将此虚拟病人与模型人实现连接，进行病例的预演示。当二者连接在一起时，模型人就会有出现血压、明显的脉搏和呼吸频率，并且按照虚拟病人的病情变化和场景转换，模型人的生命体征和症状也会发生相同的变化，其生理指标数据实时显示在HUD上。此时工作站上教师和技术人员的任何干涉(如改变参数，给予药物)将会改变HUD上的生理指标数据，同时也将在模型人身上体现出来(呼吸、心率变化等)。预演示时，注意要重新对照文字病例，核实是否真实再现文字病例的全过程，必要时适当微调数学参数，反复运行调试，直至完成符合教学需要的病例编程工作。

6 结 语

随着国际、国内仿真模拟教学在现代医学教育、培训、评价中的优越性越来越显著，建立相对成熟的情景模拟教学病例编辑模型，充分发挥HPS功能，推广HPS系统的使用，使HPS系统成为实现高仿真情景模拟教学的重要技术，拉近国内HPS系统与欧美国家HPS系统运用的距离，具有深远的意义。

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The Exploration of the Establishment of High Simulation HPS Cases Editing Model

WANGXiu-hong1，MAYan-qiu-zi1，ZhANGChu-han2，XUYi-min1

(1. School of Nursing, Capital Medical University, Beijing 100069, China；2. Department of clinical medicine,China Medical University, Shenyang 110122, China)

With more obvious superiority of the simulation teaching in modern medical education,training and evaluation of domestic and international, HPS is widely used in various fields of medicine, education and teaching, case edit standardization, systematization are the important premise of scene simulation teaching, so the establishment of the scene simulation teaching case editing model with relative maturity has the profound significance. In this paper, through the research on the inner mechanism of HPS system, to explore the relationship between parameters and physiological indexes of HPS patients, self-developed HPS cases editing function, preliminary personalized scene simulation cases editing model are established, so as to give full play to the function of HPS, to promote the use of HPS system, make the HPS system have became an important technology in high simulation scenario teaching, and narrowed the application distance of HPS system betweein domestic and abroad.

simulation scenario teaching; human patient simulator，HPS; edit the cases; cases of editing model

2015-05-20

王秀红(1966-)，女，辽宁大连人，硕士，副教授，仿真教学中心副主任，现主要从事护理实验教学研究。

Tel.: 15010673998; 010-83911769; E-mail:wxh1128@sina.com

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1006-7167(2015)11-0124-05