输尿管镜的仿真模拟学习

前言

     今天，泌尿外科医师面临着与他们的前辈大不相同的外科培训环境。从史而看，外科住院医师建立在 Halsted 的原则基础上。则是“见一个、做一个、教一个”的分级责任模式之上。这一传统遇原则受到了挑战。工作时间的限制，导致外科实习生的病例数减少。公众对医疗差错，会导致患者伤害的担忧，导致在手术室中对受训者进行监督的方法更加实际。面对泌尿外科技术的快速进步，即使是在实践中，多年的经验丰富的外科医生也需要不断获得新的技术技能。目前，输尿管软镜的学习曲线估计约为 60 例，手术模拟被用来补充和增强传统的手术培训经验。这种信念越来越受到泌尿外科学会的支持，包括欧洲泌尿外科协会尿石症分会，其 2017 年的共识声明，强烈鼓励在泌尿外科培训中加入模拟模式。

       模拟器只是任何“旨在代表真实条件的模态”。可以被视为模拟器的物品涵盖了从物理尸体组织到数字表示的各种平台和模型。模拟器代表真实条件的程度，以及实现目标教育或程序终点的有用程度需要研究与验证。在继续描述可用输尿管镜模拟器的当前空间之前，将对理解模拟器的保真度和有效性水平所必需的概念和术语进行介绍性回顾。

一、模拟器的概念

      模拟器的评估包括评估保真度、可靠性和整体有效性。了解围绕这些概念的关键字和定义对于理解有关模拟器测试的文献是必要的。

1.保真度

      保真度的概念，描述了对预期结构的忠实程度。输尿管镜模拟器通常以低保真度或高保真度来描述，但这过于简单化。有不可相互包括或不包括相互的保真度的多个域：解剖学，组织，生理，和情感保真度. 解剖保真度描述模拟器复制感兴趣的物理结构的程度，例如输尿管的长度和口径或肾盏的大小和方向或解剖标志的存在。另一方面，组织保真度说明人体组织的物理行为和特征的复制程度，例如输尿管的弹性或摩擦系数。生理保真度与模型代表生理状态或过程的程度有关。情感保真度描述了模拟可以让参与者停止怀疑该程序或场景是模拟的程度。模拟器可能同时具有高保真域和低保真域。例如，体外膜肺氧合机，在复制生理性气体交换的过程中可以认为具有较高的生理保真度，但完全缺乏人体心肺的解剖或组织保真度。

2.有效性

      是否使用基于模拟的教育工具或课程的决定与其实现一组给定的教育目标/目标的能力直接相关。可通过收集有效性证据来完成的. 从历史上看，有效度是在一个框架内描述，该框架包括构念效度、标准效度和内容效度等术语。这是基于 1966 年美国心理学会、美国教育研究协会和全国教育测量委员会的建议。该框架已多次更新，最近一次是在 2014 年。遗憾的是，与输尿管镜检查的有效性相关的现有出版物是大量设计的，并且基于历史定义。

3.可靠性

     值得特别提及的是可靠性，它是衡量培训系统效果或输出的可重复性的一个指标，被认为是上述有效性的“内部结构”方面的关键部分。可靠性被描述为0 和 1 之间的r值相关系数，可接受的可靠性值取决于应用，但在大多数情况下，r ≥ 0.8 是高风险评估所希望的。模拟器结果或影响在不同因素上的可重复性包括不同版本检查的重测可靠性、模拟中不同任务或站点的站间可靠性，以及不同观察者之间可重复性的评估者间可靠性。重测信度描述了模拟器对受试者的影响的一致性，而观察者间或观察者内部的可靠性描述了模拟器与指定观察者或评估者之间相互作用的一致性。

4.仿真模型

    在教育学习目标的推动下，课程和模型开发人员采取了多种方法来创建培训策略，以满足输尿管镜手术的培训和评估需求。每种方法都有其独特的优势和局限性。平台不仅必须实用，还必须考虑可能会限制广泛部署的道德和财务因素。因此出现了各种模拟课程和模型开发的方法。为了比较，这些模型可以分为基于人体模型、动物模型、台式模型和虚拟现实的模型。有些仅针对模型本身具有有效性证据（旧有效性理论），而其他人则将有效性证据作为围绕明确定义的结构（现代理论）设计的课程的一部分。当我们描述这些系统并且您考虑提供的证据时，重要的是要注意这种差异。

5.人类尸体

     尽管材料科学和计算机处理技术都取得了进步，但人体尸体仍然是输尿管镜模拟平台的黄金标准，因为它们具有较高的组织和解剖学保真度。然而，它们在可扩展性方面也有一些最高的障碍。现有的模拟文献很好地证明了这些竞争因素。艾哈迈德等人报道了英国泌尿外科医师协会基于新鲜冷冻尸体 (FFC) 模型开发的综合泌尿外科培训计划的结果。作者在为期 3 天的培训计划中招募了 81 名住院医师，每个 FFC 模拟器分配了 2 名学员，以及一名内窥镜专家进行监督。住院医师完成了涵盖核心上尿道内窥镜技能的培训模块，包括软性和半硬性输尿管镜检查。完成后，受训者和教职员工通过评估调查对课程进行了评估。所有受访者在保真度和有效性的衡量标准上对模拟器的评分均大于 3/5，并指出该课程对于学习解剖学、手术步骤和培养可转移的手术技能特别有用。虽然这项研究以其相对较大的规模而著称，但它也突出了基于 FFC 的模拟器的挑战。作者评论说，该计划的成本为 17,150 英镑，几乎所有这些都得到了代表费和赞助的支持。如果广泛实施，当前以 1:2 的学员比例采购和储存 FFC 的成本可能会令人望而却步，即使排除监督每个站点所需的教员机会成本也是如此。此外，FFCs 多变且缺乏标准化，这对使用FFCs 进行评估的有效性提出了挑战。    胡里等人评估了包括 FFC 模拟器和基于 Thiel 防腐尸体 (TEC) 的培训课程。十二名没有内窥镜经验的泌尿科医生使用这些模型接受了输尿管软镜检查课程。在课程完成之前和之后，参与者执行了一组标准化的任务，旨在模拟肾盏结石的治疗。模拟器培训后，所有参与者都表现出任务完成时间的统计显着改善。在课程结束时，透视没有发现任何尸体的解剖损伤。所有输尿管镜也保持了功能完整性。虽然这项研究既没有设计也没有动力来检测基于 FFC 和 TEC 的模拟器之间的差异，但作者指出，这两种模型都提供了高保真度。他们还指出，尸体模型提供了一个无血的领域，没有呼吸变化，并且输尿管张力降低。

      最后，Mains 等人报告了首届“可弯曲输尿管镜大师班”的结果，这是一个为期 2 天的培训计划，利用 TEC 模拟器教授可弯曲输尿管镜检查。八名学员在专家内窥镜医师的监督下接受了培训计划，重点培训了三个可用的 TEC 模拟器。参与者在模拟培训后完成定性问卷。结果证明了模拟器的高度保真度和有效性，以及主观上的高耐用性。

      总的来说，这三项研究有力地证明了输尿管镜尸体模拟课程的相对优势和劣势。解剖和组织的保真度都很高，这表明基于 TEC 和 FFC 的模拟器可能最适合教授取决于这些特定属性的输尿管镜检查的特定方面。另一方面，资源限制、对技能的主观评估的需要以及这些模型固有的标准化的缺乏可能会限制它们广泛使用的适用性。在尸体被广泛用于其他类型的教育计划的大学环境之外，资本成本可能特别高昂。

6.动物模型

     猪和人肾脏解剖结构的比较研究表明，在输尿管系统和集合系统结构方面有许多相似之处。出于这个原因，猪动物模型为泌尿学模拟提供了一个引人注目的平台。索里亚等人开发了一个培训课程，结合使用非生物模拟器、生物模拟器和活猪模型进行逆行肾内手术。作者在为期 2 天的课程中，招募了 60 名没有输尿管镜经验的泌尿科医生，最终在双侧肾结石的猪动物模型中进行了内窥镜结石治疗。然后使用问卷来评估现在将包括有效性的内容方面的内容，该问卷由受训人员和他们的教师完成。使用旧的效度术语，猪模拟器被评为具有良好的容和结构效度。根据结构化检查表的测量，大多数受训者的内窥镜技能提高了 40% 以上。作者指出，这种多方面的输尿管镜模拟方法广受好评，体内猪模型具有最强的潜在作用，可帮助已发展基本输尿管镜检查技能的人进一步掌握。Strohmaier 提供了可用于泌尿学模拟的离体猪模型的最早描述之一。在这项工作的基础上，胡等人使用从当地屠宰场购买的分离的猪肾和输尿管开发了输尿管镜模拟器 。20 名泌尿科医生被分配到输尿管软镜检查任务，然后由经验丰富的评估人员按时间和技能进行评分。在模拟器上训练后，任务完成时间显着减少，更多的受训者获得主观“通过”评级。尽管由于非标准分级方案，这项研究的普遍性受到限制，但它确实证明了解剖学相关的体外模拟器可以在本地购买，而无需大量采购或存储成本。与 FFC 模型一样，动物模型缺乏标准化，需要主观评估限制评估能力。虽然需要进一步的研究来阐明输尿管镜模拟对猪尸体的影响，但这种模式可以提供有吸引力的保真度，而不会引入人类 FFC/TEC 模拟器固有的许多限制。

7.合成台式模型

    虽然基于人类和动物的模拟模型具有固有的高保真度，但合成台式模型引入了自己独特的优势。因此，现在有几种台式输尿管镜模拟器可在市场上买到。从广义上讲，这些培训师可以分为通过虚拟现实 (VR) 增强用户体验的培训师和不使用虚拟现实 (VR) 的培训师。与尸体模拟器空间不同，台式模型还受益于大量评估其相对功效的验证研究。

8.非虚拟现实模拟器

     Uro-Scopic Trainer（Limbs & Things，英国）是一个物理模型，它包含骨盆、尿道、膀胱、输尿管和集合系统，允许模拟软镜或半刚性输尿管镜检查（图16.1）。Matsumoto 使用该模型评估了 17 名泌尿外科住院医师完成内窥镜任务的情况。要求住院医师在完成教学课程之前和之后，在 Uro-Scopic Trainer 内进行输尿管镜检查并取出模拟的输尿管中部结石，然后在 Uro-Scopic Trainer 上进行监督练习。模拟显着提高了在全球评分量表、清单和任务完成时间上衡量的绩效。这些测量中的观察者间可靠性很高。应该指出的是，仅在教学会议之后就实现了其中一些收益。然而，作者得出的结论是，使用 Uro-Scopic Trainer 的教学和实践相结合的课程是帮助住院医师准备手术输尿管镜检查的有效方法。

图 16.1 Uro-Scopic 训练器。（由 Limbs & Things 提供，英国）

     Scope Trainer（Mediskills，英国）是另一种台式模拟器，具有可扩张的膀胱、正常长度的输尿管和两个带有肾盂和肾盏的肾脏。Brehmer 最初对 14 名泌尿科医生进行了评估，他们在特定任务技能方面具有内窥镜经验，他们在现场患者和 Scope Trainer 上进行了评估。所有参与者都认为模拟器是实时输尿管软镜检查的代表，表明内容效度高。还证明了结构有效性，因为在特定任务清单上进行评估时，接受亚专业泌尿外科培训的参与者得分明显高于队列中的其他人。随后 Brehmer 探索了 Scope Trainer 提高半刚性输尿管镜检查灵活性的能力。使用经过验证的 OSATS 协议，他的小组在对台式模型进行了集中培训课程后，评估了 26 名泌尿外科住院医师的半刚性输尿管镜检查技能。受训者在分数上表现出统计学上的显着提高，并报告了对程序的熟悉程度。教育和模拟技术研究中心 (CREST) 开发了一种内窥镜泌尿道模型（Simagine Health，美国），这是第一个将 3D 打印技术用于泌尿学模型的模型。有机硅酸盐模型是用腔内组织类似纹理制作的，以模拟人类肾脏收集系统（图16.2）。这种台式模型最初由 Kishore 等人试行。与他们自己机构的一组居民一起证明了良好的有效性证据，但并没有盲目。随后它被 Argun 等人“上路”。使用类似的 OSATS 进行泌尿外科评估工具，在一项针对各种核心输尿管镜技能的盲法三机构研究中评估住院医师。通过评估试点研究项目的有效性证据，对该工具进行了改进。该课程/模型具有较高的结构和内部有效性，此后该模型已在多个 AUA 和行业赞助的实践课程中使用。

图 16.2 CREST 输尿管镜训练器。（由美国 Simagene Health 提供）

     怀特等人检验了成人输尿管镜训练器（美国理想解剖模型）的有效性证据，这是一种台式模型，该模型是根据复发性肾结石患者的收集系统通过快速原型制作而成的。46 名住院医师和教职泌尿科医师被要求在一名经验丰富的泌尿科医师的监督下，在训练器中对下极结石进行输尿管镜检查和篮式操作。之后，参与者完成了一份问卷来评估他们的体验。结果证明了强大的面部、内容和结构效度，以及高保真度。其他团队已经复制了这个过程，使用 3D 打印创建了具有完整收集系统的人体肾脏模型。维拉等人描述了 Key-Box（法国 Porgès-Coloplast），这是一种台式模型，其独特之处在于它不寻求对显着的解剖或组织保真度进行建模。相反，它由一组迷宫般的盒子组成，这些盒子设计用于使用柔性输尿管镜进行穿越。该模型不是复制人体解剖结构，而是创造了一个环境，在该环境中，学员被迫在复杂的空间中导航，以促进未来人类输尿管镜检查所需的灵巧性。Villa 将 16 名医学生随机分配到使用这种新模型的 10 天培训期或非培训对照。然后由专家内科医师使用 Matsumoto 开发的量表对两组的内窥镜技能进行评估。具有模拟经验的组在包括任务完成时间在内的所有指标中得分都显着更高。作者得出的结论是，尽管 Key-Box 保真度低，但它为台式输尿管镜检查培训提供了一个引人注目的起点。

     Blankstein 描述了基于 Cook Medical（Cook Medical，美国）设计的输尿管镜训练器的模拟课程。这个台式模型包括一个可扩张的膀胱、简单和复杂的肾盏系统，以及一个模拟的曲折输尿管。15 名处于不同培训阶段的居民参加了为期 2 周的课程，其中包括教学讲座、个性化反馈和模拟培训。学员的表现被记录在视频上，然后由两名盲人专家进行审查。与初始基线评估相比，课后评估显示任务完成时间和整体绩效得分有所改善。分数与受训者输尿管镜检查经验相关，80% 的参与者认为台式模型是现实的。总的来说，模拟器被认为具有很高的面子、内容和结构效度。

     所有这些模型及其相关课程的优点是成本相对较低、标准化。上述系统的便携性和可用性差异很大。它们与生物系统一样，仍然需要主观的评估方法。

基于虚拟现实的模拟器URO Mentor（Symbionix，以色列）试图通过使用虚拟现实 (VR) 组件增强用户体验来增强台式模型模拟器的设计。最初由 Michel 描述，模拟器由计算机工作站、专有软件和带有相关膀胱镜和输尿管镜的人体模型组成（图16.3）。这些工具不仅允许受训者模拟各种泌尿外科手术，而且系统还捕获性能数据，有可能降低传统台式模型所需的专家监督的高成本。沃特森等人将 20 名新手学员随机分配到不接受培训或对 URO 导师进行个性化指导 。干预前后，两组的模拟内窥镜技能分别由盲人观察者主观评估和模拟器收集的数据客观评估。后测试显示训练组的所有测量都有显着改善，模拟器和盲观察者评级之间具有高度相关性。尽管令人鼓舞，但必须根据其有限的普遍性来解释这些结果，因为模拟器上的性能不一定可概括为操作技能。

图 16.3 URO Mentor 模拟器。（美国 3D Systems 提供）

     自该初步报告以来，多个其他团体已经检查了 URO 导师的有效性证据。威廉等人。评估了 21 名医学生模拟输尿管近端结石操作，无论是否接受过 URO Mentor 培训[33]。该小组的结果在很大程度上反映了沃特森试验的结果[32]。雅科米德斯等人。进行了一项类似的研究，尽管招募了医学生、初级和高级住院医师，他们都接受了多次模拟训练[34]。干预后评估显示所有群体都受益，医学生表现出最大程度的改善。鉴于资源限制，模拟时间如果专注于那些具有最少泌尿外科经验的人可能是最有效的。

     奥根等人测量了 URO Mentor 模拟对医学生和住院医师随后的人体尸体输尿管镜检查的影响。受训者在基线时在 URO Mentor 上接受评估，接受 5 小时的监督模拟器培训，在 URO Mentor 上重新评估，然后在经验丰富的泌尿科医师的监督下对人体尸体进行诊断性输尿管镜检查。有趣的是，训练后的 URO Mentor 和尸体输尿管镜检查性能评分与医学生密切相关，但与住院医师无关。在住院医师组中，尸体模拟分数与住院医师研究生年级的相关性更密切。作者推测，基于 VR 的测量可能不是衡量有经验的操作员表现的最合适的工具，比如那些自愿参加研究的居民。他们指出，URO Mentor 平台的高成本（约 60,000 美元）可能会被手术时间的减少所抵消。

      诺尔等人比较了有经验和没有经验的泌尿科医生在模拟治疗下肾盏结石期间的表现，也在 URO Mentor 模拟器上。根据完成时间、结石接触时间、并发症和治疗成功对性能进行分级。在 20 名参与者中，那些之前具有 <40 例和 >80 例输尿管软镜检查病例的参与者在表现上具有统计学上的显着差异，这表明结构效度很强。在一项更大的研究中，Dolmans 等人要求 89 名泌尿外科实习生和教职员工使用 URO Mentor 对输尿管远端结石进行内窥镜操作 。随后，参与者完成了一份关于他们体验的问卷。在受访者中，25% 的人认为 URO Mentor 的真实性在 5 分制中≥3.5。虽然 82% 的人认为这是一种有用的教育工具，但 73% 的人表示“如果有经济能力”，他们会购买 URO Mentor [37]。该系统的优点是标准化和客观的评估手段。较差的力反馈、不准确的工具组织响应和成本/单位代表缺点。

9.跨平台比较

       鉴于单独验证输尿管镜模拟平台所固有的挑战，支持有意义的跨平台比较的数据甚至更少也就不足为奇了。但是，确实存在的数据是有用的。米沙等人比较了使用两种传统台式模拟器（Uro-Scopic Trainer 和 Endo-Urologie-Modell（Karl Storz，德国））进行模拟训练与使用基于 VR 的 URO Mentor 进行训练的效果。21 名没有输尿管镜经验的泌尿科医师，轮流通过所有三个模拟器，每次都由专家内镜师根据内窥镜性能进行评分。最后，他们完成了一份评估问卷。有趣的是，泌尿科医生从一种工作站类型到另一种工作站类型的改善程度没有差异。然而，参与者确实认为 URO Mentor 的经验具有最高的表面效度，但鉴于受试者没有输尿管镜经验，这减少了这种确定的影响。例如，参与者经常注意到 URO Mentor 提供了一个机会来模拟呼吸变异带来的挑战。

      周等人招募了 16 名一年级医学生接受输尿管镜检查的教学培训，然后随机分配到 Uro-Scopic Trainer 或 URO Mentor 的重点模拟器练习。两个月后，参与者在离体肾/输尿管模型上进行了内窥镜输尿管中段结石手术，并由专家内镜师评估。两组之间没有检测到统计学上的显着差异，这表明在任一平台上进行教学和培训可能同样有效。

       Matsumoto 探索了受训者在各种环境下进行输尿管镜模拟的表现。在 2002 年的一项研究中，该小组将 40 名四年级医学生随机分配到教学课程、使用 Uro-Scopic Trainer 进行培训或使用低保真模型进行培训。低保真模型由彭罗斯排水管、杯子、模制乳胶和两根吸管构成，总生产成本为 20 加元。尽管 Uro-Scopic Trainer 的成本为 3,700 加元，但分配到该组的学生的表现并不比使用低保真模拟器的学生好。这两个小组的得分都高于仅接受教学课程的小组。在后来的一项研究中，Matsumoto 评估了 16 名住院医师使用 URO Mentor 提取远端输尿管结石的能力。然后将这种表现与他们使用 Uro-Scopic Trainer 完成类似任务的能力进行比较。那些经验丰富的学员得分高于他们的初级同事，而且对于这两个群体，跨平台的表现相当。     

10、非技术技能 (NTS)

      非技术技能描述了一组行为，包括认知技能、社交技能和个人资源因素，这些因素共同增强了跨专业合作、团队合作和防止沟通不畅的情况。2013 年《患者安全杂志》的一项研究得出结论，美国每年有 210,000 至 400,000 人死亡是由于通信故障等可预防的错误造成的，因此越来越多地研究 NTS 对患者护理的影响。。在输尿管镜检查期间，手术室中的沟通技巧至关重要，因为取石篮和导丝处理，通常取决于外科医生和助手的合作。泌尿外科中基于非技术技能的文献还处于起步阶段，但 Brunkhorst 等人的一项研究。已经证明将 NTS 培训纳入课程具有可衡量的好处。需要对这一一般领域进行额外的关注和培训，美国医疗保健研究和质量局已经建立了一些基础工作，该机构开发了一个名为团队战略和工具以提高绩效和患者安全 TeamSTEPPS® 的计划，这是一个证据-基于课程的课程似乎可以改善医疗环境中专业人员之间的团队合作和沟通。

11.未来发展方向

      未来的输尿管镜模拟无疑将受益于技术进步的迅速发展，这些进步将实现更高保真度的虚拟和增强现实以及更低成本、更高质量的模型。随着模拟越来越多地集成到输尿管镜培训中，该领域解决了现有科学文献中的一些固有局限性，这一点至关重要。更新的有效性范式需要重新评估许多现有的模拟器，并收集额外的有效性证据，重点是围绕预期人群的预期用途收集有效性证据。需要对适合预期模拟器最终用户的参与者人口统计进行额外研究（即，经过高级医学生验证的模拟器不能将其结论应用于住院医师或主治医生）。还需要研究将模拟器和培训性能转化为改善的患者结果，以帮助证明资源投资的合理性。管理机构和专业协会将有能力承担创建、标准化、实施和收集模拟课程有效性证据的责任，荷兰已经实施了正式的国家级培训课程的渐进计划就证明了这一点。最后，越来越多的趋势是将评估外包给众包人工评估员或在物理模型和/或 VR 模型中使用嵌入式数据驱动传感器进行自动化评估，以减轻专家评估日益增加的负担。

结论

       虽然模拟并不能取代对第一手输尿管镜检查经验的需求，但可用的技术和课程，旨在增加该手术中技能的获得。已经描述了各种具有不同保真度范围的模拟模式，每种模式都有独特的优点和缺点。充分理解现代有效性证据理论、目标学习者受众以及特定模拟器如何适合此类构造对于指导适当的模拟器选择是必要的。随着输尿管镜模拟领域的成熟，作者预计结合技术和非技术技能的正式和标准化课程将得到越来越多的采用。技术将继续成熟，为这个面向未来的学科带来更具成本效益的高保真模拟器模型。

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