کاربرد شبیه سازی در پزشکی

چکیده مقاله:
کاربرد شبیه سازی در پزشکی به عنوان یکی از ابزارهای نوین فناوری، تحولی اساسی در آموزش، تشخیص و درمان ایجاد کرده است. با استفاده از مدل های رایانه ای و محیط های مجازی، پزشکان و دانشجویان پزشکی می توانند بدون نیاز به حضور بیماران واقعی، مهارت های خود را ارتقا دهند و شرایط پیچیده بالینی را تجربه کنند. این روش نه تنها از بروز خطاهای پزشکی جلوگیری می کند، بلکه امکان تمرین مکرر و تحلیل نتایج را نیز فراهم می آورد. به کمک شبیه سازی، روند آموزش از حالت نظری به یک فرآیند تعاملی و عملی تبدیل شده است.

در کنار آموزش، شبیه سازی در پزشکی نقش مهمی در طراحی و آزمایش تجهیزات پزشکی، پیش بینی روند بیماری ها و برنامه ریزی جراحی ایفا می کند. پزشکان می توانند با شبیه سازی شرایط فیزیولوژیکی بدن بیماران، تصمیمات درمانی دقیق تری اتخاذ کنند. همچنین، این فناوری به توسعه روش های نوین درمانی مانند جراحی رباتیک و درمان های مبتنی بر هوش مصنوعی کمک کرده است. شبیه سازی پزشکی به عنوان پلی میان دانش نظری و عملکرد بالینی، توانسته است گامی موثر در بهبود کیفیت خدمات درمانی و افزایش ایمنی بیماران بردارد.

تحول و نقش شبیه سازی در آموزش پزشکی

خلاصه:
شبیه سازی دارای پیشینه ای طولانی در آموزش پزشکی می باشد. با پیشرفت فناوری، شبیه سازی نیز همگام با آن تکامل یافته است. اگر شبیه سازی در برنامه های آموزشی پزشکی عمومی و تخصصی به شکلی یکپارچه و همانند صنعت هوانوردی ادغام شود، می تواند منجر به بهبود فرآیند صدور مجوز و گواهینامه های تخصصی پزشکی و همچنین ارتقای مراقبت و ایمنی بیماران گردد.

• شبیه سازی

مقدمه:
خطاهای قابل پیشگیری پزشکی یکی از دلایل اصلی مرگ و میر در ایالات متحده آمریکا محسوب می شوند و سالانه حدود ۴۰۰٬۰۰۰ مرگ به این دلیل رخ می دهد. همچنین، آسیب های ناشی از اقدامات پزشکی (یاتروژنیک) منجر به ناتوانی حدود ۳.۵ میلیون بیمار در هر سال در ایالات متحده می شوند. این آمار بسیار نگران کننده است. آنچه بیشتر جای تعجب دارد این است که با وجود روش های نوین آموزش و فناوری های پیشرفته، آموزش پزشکی طی صد سال گذشته تغییر چندانی نداشته و همچنان بر پایه شیوه کارآموزی سنتی استوار است.

در این میان، جای زیادی برای بهبود وجود دارد و باید از ابزارهایی که در حال حاضر در دسترس هستند، مانند شبیه سازی، بهره برد. کاربرد شبیه سازی در پزشکی در دیگر صنایع پرخطر نظیر هوانوردی با موفقیت در برنامه های آموزشی ادغام شده است. استفاده مؤثر از شبیه سازی های دقیق و پیشرفته، بخش مهمی از آموزش خلبانان تجاری را تشکیل می دهد، تا آنجا که خلبانان در اولین پرواز خود با هواپیما، سرنشینان واقعی را جابه‌جا می کنند.

هرچند شبیه سازی در آموزش پزشکی نیز مورد توجه قرار گرفته است، اما میزان به کارگیری آن به اندازه صنایعی مانند هوانوردی نبوده است.

• شبیه سازی با متلب

خاستگاه شبیه سازی

با توجه به مطالب گفته شده، جالب است بدانیم که کاربرد شبیه سازی در پزشکی موضوعی جدید نیست. شواهدی از دوران باستان وجود دارد که نشان می دهد مدل های گِلی و سنگی برای نمایش علائم بالینی بیماری ها استفاده می شدند. با گذشت زمان و پیشرفت فناوری، شبیه سازی پزشکی نیز پیچیده تر و پیشرفته تر شده است. اولین شبیه ساز مدرن در حدود سال ۱۷۰۰ میلادی توسط پدری و پسری به نام گرگوار در پاریس ساخته شد. آنها از استخوان لگن انسان و جسد یک نوزاد برای ساخت یک مدل آموزشی تعاملی استفاده کردند. این مدل عمدتاً برای آموزش روش های زایمان به ماماها به کار می رفت و موجب کاهش قابل توجه مرگ و میر نوزادان گردید. همچنین مدارک فراوانی وجود دارد که استفاده از حیوانات غیر انسان برای آموزش مهارت های جراحی از قرون وسطی تا زمان حال رایج بوده است.

درنتیجه کاربرد شبیه سازی در پزشکی سابقه ای طولانی دارد و با پیشرفت فناوری به شکلی چشمگیر توسعه یافته است. با توجه به نتایج موفقیت آمیز آن در صنایع حساس مانند هوانوردی، انتظار می رود با ادغام کامل این روش در آموزش پزشکی، کیفیت آموزش، ایمنی بیماران و کارایی فرآیندهای گواهی دهی تخصصی به طرز محسوسی بهبود یابد.

• شبیه سازی مونت کارلو چیست؟

توسعه شبیه سازی مدرن در آموزش پزشکی

عصر مدرن شبیه سازی در آموزش پزشکی در اوایل دهه ۱۹۶۰ میلادی آغاز شد؛ زمانی که دکتر پیتر سافار در بیمارستان شهری بالتیمور روش «تنفس دهان به دهان» را دوباره کشف و توصیف کرد. این اقدام، به همراه تشویق های یک متخصص بیهوشی نروژی به نام بیورن لیند، باعث شد که آسموند لائر‌دال، تولیدکننده عروسک و اسباب‌بازی در نروژ، اقدام به طراحی و ساخت یک مدل واقع‌گرایانه از نیم‌تنه انسانی نماید. این مدل امکان اجرای تکنیک بالا بردن چانه و خم کردن سر برای باز کردن راه هوایی و اجرای تنفس دهان به دهان را فراهم می کرد.
بعدها، با پیشنهاد دکتر سافار، یک مکانیسم فنردار در داخل قفسه سینه این مانکن که Resusci-Anne® نام گرفت، تعبیه شد تا فشار دادن قفسه سینه یا همان ماساژ قلبی نیز قابل تمرین باشد. این شبیه ساز یکی از پرکاربردترین مانکن های آموزش CPR در قرن بیستم شد.

• شبیه سازی با هوش مصنوعی چیست؟

شبیه ساز Harvey®: گامی مهم در آموزش تخصصی

تحول دیگری در فناوری شبیه سازی در سال ۱۹۶۸ رخ داد؛ زمانی که دکتر مایکل گوردون از دانشگاه میامی، شبیه ساز قلبی Harvey® را معرفی کرد. این شبیه ساز توانایی تقلید تقریباً تمامی بیماری های قلبی را از طریق بازسازی صداهای سمعی قلب، فشار خون ها و نبض های مختلف دارد. Harvey® هنوز هم در بسیاری از دانشکده های پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد و نقش مهمی در آموزش تشخیص فیزیکی بیماری های قلبی ایفا می کند.

• نرم افزارهای شبیه سازی مونت کارلو

دسته بندی شبیه سازها: تمرینی، تشخیصی و محیطی

Resusci-Anne® و Harvey® به ترتیب نماینده دو دسته اصلی از شبیه سازهای پزشکی امروزی هستند: شبیه سازهای تمرینی و تشخیصی.
شبیه سازهای تمرینی برای آموزش مهارت های عملی خاص طراحی شده اند، مانند تزریق وریدی محیطی یا مهارت های جراحی لاپاراسکوپی. از طرف دیگر، شبیه سازهای تشخیصی تمرکز بر تفسیر اطلاعات پزشکی دارند؛ مانند تحلیل صداهای قلب، بررسی تصویرهای تشخیصی، یا ارزیابی علائم بیماران.

کاربرد شبیه سازی در پزشکی از طریق شبیه سازهای تشخیصی، به آموزش مهارت های ارتباط با بیمار نیز گسترش یافته است. در دهه ۱۹۶۰، دکتر هاوارد باروز، متخصص نورولوژی، متوجه شد که برخی بیماران پس از معاینات مکرر توسط دانشجویان، نتایج معاینه عصبی را به‌طور ناخودآگاه تغییر می دهند. او بعدها به جای بیماران واقعی، بازیگران سالم را آموزش داد تا علائم بیماری های گوناگون را تقلید کنند. این ایده، در سال ۱۹۶۴ منجر به پیدایش «بیمار استانداردسازی شده» گردید که تا امروز بخش مهمی از آموزش مهارت های بالینی به شمار می رود.

• شبیه سازی با پایتون

شبیه سازی محیطی و ورود کامپیوترها به آموزش پزشکی

با پیشرفت سخت افزار و نرم افزارهای کامپیوتری در دهه های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰، پیچیدگی و توانایی شبیه سازها نیز به‌طور قابل توجهی افزایش یافت. این امکان ایجاد شد تا واکنش های فیزیولوژیکی بدن و پاسخ به داروها شبیه سازی شده و بازخوردی واقعی به فراگیران ارائه گردد.

در این زمینه، شبیه سازی در بیهوشی جایگاه ویژه ای یافت. دکتر دیوید گابا و همکارانش در دانشگاه استنفورد سیستم شبیه سازی بیهوشی CASE® را طراحی کردند. این ابزار فراتر از تعامل با یک مانکن بود و شامل تولید کامپیوتری موج های فیزیولوژیکی مشابه مانیتورهای واقعی بیمار در اتاق عمل می شد.

این فناوری منجر به تولد نوع سومی از شبیه سازها شد که به آنها شبیه سازهای محیطی می گویند. بر خلاف شبیه سازهای تمرینی و تشخیصی، شبیه سازهای محیطی تمرکز بر آزمودن و کاربرد مهارت ها و اطلاعات موجود فراگیر در یک سناریوی مشخص دارند. این نوع از شبیه سازی به‌ویژه در آموزش مدیریت بحران در بیهوشی، کاربرد فراوان پیدا کرده است.

• شبیه سازی بازوی ربات با متلب

در مجموع، توسعه فناوری شبیه سازی، افق های جدیدی را در آموزش پزشکی گشوده است و کاربرد شبیه سازی در پزشکی، امروز به بخش جدایی‌ناپذیر و ضروری در آموزش مهارت های نظری، عملی و ارتباطی تبدیل شده است.

فناوری های نوین در شبیه سازی پزشکی

با پیشرفت مداوم توانمندی های رایانه ها، فناوری های نوینی مانند واقعیت مجازی، واقعیت افزوده و واقعیت ترکیبی نیز به کاربرد شبیه سازی در پزشکی وارد شده اند. در ادامه به تعریف و نمونه هایی از این فناوری ها پرداخته می شود.

واقعیت مجازی (Virtual Reality)

واقعیت مجازی یک تجربه کاملاً غوطه ورانه است که حواس کاربر را فریب می دهد تا تصور کند در محیطی متفاوت و جدا از دنیای فیزیکی واقعی قرار دارد. در این نوع شبیه سازی، کاربر با استفاده از هدست یا نمایشگر متصل به سر، وارد محیطی تولید شده توسط رایانه می شود که شامل تصاویر و صداهای دیجیتال است. در این فضا، کاربر با کنترلرهای لمسی که به کنسول یا رایانه متصل هستند، می تواند اشیای دیجیتال را جابجا کند. در این محیط، تعامل با دنیای واقعی بسیار محدود می شود.

• انواع مدل سازی پیش بینی کننده

یکی از پیشرفته ترین پلتفرم های واقعیت مجازی در حوزه پزشکی، پلتفرم SimX® (سان فرانسیسکو، آمریکا) است که امکان شرکت همزمان چند کاربر در یک سناریوی شبیه سازی شده را فراهم می کند. این پلتفرم به گونه ای طراحی شده است که به رفتار طبیعی کاربران واکنش نشان می دهد. به عنوان مثال، اگر کاربر در فضای مجازی گوشی پزشکی را برداشته و روی بیمار قرار دهد، صدای مورد انتظار قلب از گوشی شنیده می شود.

پلتفرم دیگری به نام Fundamental Surgery (ساخته شده توسط FundamentalVR، لندن، انگلستان) برای آموزش مهارت های جراحی طراحی شده و به کاربران اجازه می دهد با استفاده از ابزارهای شبیه سازی شده، به صورت تعاملی در سناریوهای جراحی شرکت کنند.

واقعیت افزوده (Augmented Reality)

واقعیت افزوده اطلاعات دیجیتال را بر عناصر واقعی محیط اطراف اضافه می کند. در این فناوری، دنیای واقعی در مرکز قرار دارد اما با داده هایی که از طریق فناوری رایانه ای به آن افزوده شده اند، تکمیل می شود. این فناوری امکان تعامل دیجیتال با عناصر مجازی و تعامل فیزیکی با عناصر واقعی را به کاربر می دهد.

یکی از نمونه های موفق در این زمینه، پلتفرم طراحی شده توسط شرکت GIGXR (لس آنجلس، آمریکا) است. این سیستم بیماران هولوگرافیک را در محیط بالینی واقعی ایجاد می کند. کاربران می توانند با استفاده از هدست های مخصوص، بیمار مجازی را مشاهده کرده و علائم حیاتی او را در محیط فیزیکی خود بررسی کنند. همچنین از طریق تلفن همراه یا تبلت نیز می توان با استفاده از دوربین دستگاه، تصویر بیمار مجازی را در محیط فیزیکی مشاهده کرد.

• تفاوت مدل سازی و شبیه سازی

واقعیت ترکیبی (Mixed Reality)

واقعیت ترکیبی عناصر واقعی و دیجیتال را با هم ترکیب می کند. در این فناوری، کاربر می تواند به صورت همزمان با اشیای فیزیکی و مجازی تعامل داشته باشد. واقعیت ترکیبی مرز بین دنیای واقعی و خیالی را از بین می برد.

نمونه ای از این فناوری، سیستم شبیه سازی Heartworks® (ساخته شده توسط شرکت Intelligent Ultrasound، کاردیف، انگلستان) است. این سیستم به کاربر اجازه می دهد که با قرار دادن پروب های ترانس توراسیک یا ترانس ازوفاژیال روی مانکن، تصاویر اولتراسوند را مشاهده کرده و تأثیر تغییر موقعیت پروب بر تصویر را بررسی کند. این سیستم به عنوان یک مربی وظیفه ای و تشخیصی عمل می کند.

• 12 ابزار مدل سازی داده برای تجزیه و تحلیل داده ها

نمونه دیگر، سیستم SMMARTS (سیستم شبیه سازی ردیابی ترکیبی و افزوده ماژولار) است که در دانشگاه فلوریدا توسعه یافته است. این سیستم از یک ماژول مرکزی شامل سخت افزارهای ردیابی و ماژول های جانبی قابل تغییر تشکیل شده که برای شبیه سازی انواع مختلف آناتومی بدن طراحی شده اند. هر ماژول از استخوان های چاپ سه بعدی شده و بافت نرم از جنس ژل سیلیکونی یا بالستیکی ساخته شده است. این ترکیب امکان مشاهده بافت مورد نظر و انجام روش های مداخله ای را فراهم می کند.

ماژول های مختلفی برای SMMARTS ساخته شده اند که شامل شبیه سازی ستون فقرات برای بی حسی منطقه ای توراسیک، سر برای بلوک های عصبی ناحیه سر و گردن، سر برای ونتریکولوستومی، قفسه سینه برای دسترسی ورید مرکزی از طریق ورید ژوگولار داخلی و ساب کلاوین، بازو برای دسترسی ورید محیطی و جعبه ای برای معاینه و بیوپسی پروستات از راه رکتوم می باشند.

• آموزش شبیه سازی مدار با پروتئوس

تمام این فناوری ها در قالب های مختلف در آموزش پزشکی مورد استفاده قرار گرفته اند، به ویژه در حوزه های جراحی و مراقبت های مداخله ای. این فناوری ها امکان شبیه سازی بسیار واقع گرایانه مهارت های عملی را بدون نیاز به حضور بیمار فراهم می کنند و به تشخیص های آناتومیک، برنامه ریزی جراحی و ارزیابی اطلاعات بالینی کمک می کنند. کاربرد شبیه سازی در پزشکی به خصوص در شبیه سازهای واقعیت ترکیبی، مزایای متعددی دارد زیرا این سیستم ها می توانند همزمان به عنوان مربی وظیفه ای، مربی تشخیصی و مربی محیطی عمل کنند.

یکی از موضوعات مورد بحث این است که آیا تمرین با استفاده از شبیه سازی می تواند ایمنی بیمار را بهبود ببخشد یا خیر. اگرچه آموزش مبتنی بر شبیه سازی به تدریج در برنامه های آموزشی پزشکی گنجانده شده است، اما هنوز در بسیاری از تخصص ها به جز آموزش های پیشرفته احیای قلبی ریوی و برخی سناریوهای بحران های بالینی، به طور گسترده استفاده نمی شود. برخی روش های ساده مانند شبیه سازی برای جاگذاری کاتتر ورید مرکزی، باعث کاهش عوارض و بهبود نتایج بیماران شده اند. با این حال، هنوز نیاز به مطالعات بزرگ و آینده نگر وجود دارد تا بتوان به صورت علمی نشان داد که کاربرد شبیه سازی در پزشکی نه تنها موجب افزایش کارایی روش های پزشکی می شود، بلکه در نهایت ایمنی بیماران را نیز ارتقا می دهد.

• مزایا و کاربرد شبیه سازی در آموزش

نتیجه گیری
با پیچیده تر شدن مراقبت های بهداشتی و تخصصی تر شدن فعالیت های بالینی، انتظار می رود که شبیه سازی نیز به منظور پاسخگویی به نیازهای آموزشی، به پیشرفت خود ادامه دهد. پیش بینی می شود که استفاده از شبیه سازهای واقعیت مجازی، واقعیت افزوده و واقعیت ترکیبی در آموزش پزشکی روز به روز رایج تر شود. همچنین شبیه سازها به احتمال زیاد پیشرفته تر خواهند شد و قابلیت هایی مانند آموزش تشخیص، آموزش انجام وظایف و آموزش در محیط بالینی را به صورت یکپارچه ارائه خواهند داد.

برای مثال، تصور کنید مانکنی طراحی شود که بتواند سیگنال های حیاتی تولید کرده و آن ها را به مانیتورهای بیهوشی ارسال کند، همزمان نشانه های فیزیکی مربوط به پنوموتوراکس فشاری را شبیه سازی کند، امکان انجام برونکوسکوپی و تنظیم لوله تراشه را فراهم آورد، همچنین بتوان روی آن کاتتر ورید مرکزی قرار داد، توراکوسنتز انجام داد و لوله سینه (چست تیوب) گذاشت. همه این اقدامات تنها با استفاده از یک ابزار شبیه ساز قابل انجام باشد.

• کاربرد شبیه سازی در مهندسی صنایع

چنین ابزارهایی نه تنها در آموزش پزشکی بسیار ارزشمند خواهند بود، بلکه می توانند پایه و اساس یک الگوی جدید برای ارزیابی عملکرد از جمله آزمون های بورد تخصصی قرار گیرند. این نوع ارزیابی، علاوه بر سنجش دانش و قضاوت بالینی، مهارت های عملی فیزیکی را نیز در بر می گیرد.

استفاده گسترده تر از برنامه های درسی مبتنی بر شبیه سازی در آموزش پزشکی در مقاطع کارشناسی و تخصصی می تواند منجر به ساده سازی روند ارزیابی، ارتقای کیفیت آموزش و در نهایت افزایش ایمنی و کیفیت مراقبت از بیماران شود.