基于MedModel的大型艦船醫(yī)療系統(tǒng)仿真與優(yōu)化

王 猛，于東方，沈俊良，趙紅旗，倪 健

基于MedModel的大型艦船醫(yī)療系統(tǒng)仿真與優(yōu)化

王 猛，于東方，沈俊良，趙紅旗，倪 健

目的：分析某大型艦船醫(yī)療系統(tǒng)的戰(zhàn)時內(nèi)部救治流程，對其救治能力進行評價并提出優(yōu)化方案。方法：使用MedModel仿真分析軟件，根據(jù)醫(yī)療系統(tǒng)現(xiàn)有配置及救治方案建立醫(yī)療系統(tǒng)救治流程仿真模型，運行模型并分析結(jié)果，找出仿真模型中的低效和瓶頸環(huán)節(jié)，據(jù)此提出優(yōu)化措施。結(jié)果：針對傷員到達較集中時傷員分類場、外科包扎室和監(jiān)護病房的排隊時間與排隊傷員數(shù)較多的瓶頸，采取了增加床位、改進救治流程等優(yōu)化措施，優(yōu)化后傷員分類速度加快，各科室的利用率均降至50%以下，達到了負載均衡的目的。結(jié)論：MedModel用于大型艦船醫(yī)療系統(tǒng)救治流程的仿真與優(yōu)化是便捷、有效的，可以推廣應(yīng)用。

醫(yī)療系統(tǒng)；仿真；優(yōu)化；MedModel

0 引言

大型艦船醫(yī)療系統(tǒng)的設(shè)計要綜合考慮其平戰(zhàn)時的勤務(wù)定位，根據(jù)救治范圍合理設(shè)計救治流程，并結(jié)合艦船實際條件設(shè)置功能艙室、配置醫(yī)療資源[1]，無異于設(shè)計一所醫(yī)院。隨著艦船規(guī)模的日趨增大，針對其醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計合理性的分析與優(yōu)化顯得十分重要而復(fù)雜。以往的實兵演練、圖上演算等方法需要耗費大量的人力、物力，且缺少進一步精確驗證的手段，而計算機仿真工具的應(yīng)用可以使建模仿真工作變得更加高效[2-5]。

1 問題提出

本文重點研究某大型艦船醫(yī)療系統(tǒng)的戰(zhàn)時內(nèi)部救治流程。該艦船設(shè)有3個傷員分類區(qū)，對3種不同方式接收到的傷員進行一次分類；在主醫(yī)療區(qū)設(shè)有1個傷員分類場，對收治的傷員進行二次分類；設(shè)有隔離病床8張、監(jiān)護病床8張、普通病床40張，普通病床滿占用狀態(tài)時可最多開設(shè)240張擴充病床。

醫(yī)療系統(tǒng)從零床位占用狀態(tài)運行至接收300名傷員為止，暫不考慮后送及人力資源因素，并假定系統(tǒng)中醫(yī)務(wù)人員的編配滿足需要。

2 模型建立

2.1 MedModel軟件簡介

MedModel是美國某公司為醫(yī)療系統(tǒng)提供的一款用于建立系統(tǒng)模型的仿真和動畫工具軟件。其基本要素有：位置（location）指對實體進行處理、停留、存儲或進行決策等活動的固定地點、場所和位置。實體（entity）是模型要處理的事物，可以是人類或生命體，如醫(yī)院里就診的患者；也可以是無生命體，如原材料和產(chǎn)品等。到達（arrival）定義多少entities如何進入模型系統(tǒng)。處理（processing）描述了發(fā)生在某一location上的操作，如實體在這一location上花費的時間、完成處理所需的資源和選擇entity要到達的下一個location。資源（resource）是完成活動所需的物質(zhì)，如設(shè)備和執(zhí)行活動的人員。在MedModel中，processing的定義過程最為關(guān)鍵，提供了20多種常見和常用的經(jīng)驗概率分布，為精確模擬提供基礎(chǔ)和保障。MedModel的運行結(jié)果允許直接用數(shù)據(jù)表示，也可以用圖形或圖表表示，如柱狀圖、球狀圖等[6]。

近年來，該軟件在醫(yī)療服務(wù)流程的研究方面逐漸得到了應(yīng)用，如趙建軍等[7]采用MedModel軟件，根據(jù)現(xiàn)行野戰(zhàn)醫(yī)療所的手術(shù)組編成和工作流程，建立了手術(shù)組工作流程仿真模型；蘇強等[8]使用Med-Model軟件建立了醫(yī)院門診掛號服務(wù)仿真分析模型；周麗梅[9-10]運用MedModel軟件分別建立了抗洪搶險醫(yī)療隊疾病救治流程仿真模型與門診輸液中心流程仿真模型。

2.2 模型描述

2.2.1 location

本模型中設(shè)置了11個location，分別對應(yīng)各功能艙室，其中，傷員分類場可對5名傷員同時分類，詳見表1。

表1 仿真模型location設(shè)置

2.2.2 entity

本模型的 entity為傷員。傷員分別到達3個傷員分類區(qū)，隨即開始在醫(yī)療系統(tǒng)內(nèi)各個位置之間移動，接受相應(yīng)的醫(yī)療處置，最后收治在病房。

參考陸上野戰(zhàn)醫(yī)療所內(nèi)傷員的移動速度80m/min[9]，并考慮到艦船的特殊環(huán)境，定義傷員在本系統(tǒng)內(nèi)的移動速度為60m/min。

2.2.3 arrival

根據(jù)傷員乘坐交通工具的運行特點，設(shè)置傷員批量到達3個傷員分類區(qū)的分布情況，具體見表2。并設(shè)置傷員的傷情比例為輕傷40%、中度傷35%、重傷25%。

表2 傷員批量到達傷員分類區(qū)分布情況

2.2.4 processing

當(dāng)模型運行時，傷員產(chǎn)生并到達3個傷員分類區(qū)進行一次分類，然后轉(zhuǎn)送至傷員分類場進行二次分類。根據(jù)分類去向傷員到達相關(guān)位置接受救治，最終收治在病房，傷員的處理流程如圖1所示，各個位置所需的操作時間見表3[11]。

圖1 醫(yī)療系統(tǒng)救治流程仿真模型中傷員的處理情況

表3 各個位置所需的操作時間

為便于分析排隊情況，模型中還設(shè)置了若干緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)等。在MedModel軟件中建立仿真模型如圖2所示。

圖2 某大型艦船醫(yī)療系統(tǒng)救治流程仿真模型

3 仿真與分析

3.1 仿真結(jié)果

由于傷員到達和服務(wù)時間具有隨機性，每次仿真運行的結(jié)果會有所差異，所以，將仿真運行次數(shù)設(shè)為100次，取100次仿真結(jié)果的平均值，以減小仿真結(jié)果的誤差。傷員排隊情況見表4，傷員通過情況見表5。

表4 傷員排隊情況表

表5 傷員通過情況表

3.2 排隊指標分析

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)顯示，在傷員分類場每名傷員的平均等待時間為6.65min，傷員到達較集中時，最多排隊人數(shù)達到了22.21人。首先，在醫(yī)療救護組織方面，需要在傷員集中到達時段抽調(diào)醫(yī)護力量加強分類組；其次，在分類實施過程中，要按照戰(zhàn)傷救治原則，先重后輕、先急后緩，縮短危重傷員的分類等待時間；最后，在醫(yī)療區(qū)艙室設(shè)計方面，要充分考慮傷員分類場的面積，以滿足20～30名傷員的停留空間。

搶救室、術(shù)前準備室的排隊時間和排隊傷員數(shù)較少，醫(yī)療資源相對充足；外科包扎室、監(jiān)護病房的排隊時間和排隊傷員數(shù)較多，可考慮增加床位、加快傷員處理時間等手段進行優(yōu)化。

3.3 衛(wèi)生資源利用率指標分析

根據(jù)表5的數(shù)據(jù)顯示，搶救室的利用率最低（13.01%），其次是術(shù)前準備室（21.42%），主要是因為到達的傷員中危重患者比例較少，現(xiàn)有搶救室和術(shù)前準備室的資源可滿足需求。監(jiān)護病房、外科包扎室的利用率最高，分別為76.10%、70.76%，表明這2個科室的床位緊張。

4 優(yōu)化與分析

4.1 優(yōu)化措施

針對仿真過程中傷員到達較集中時，傷員分類場、外科包扎室和監(jiān)護病房的排隊時間與排隊傷員數(shù)較多的瓶頸，采取以下措施進行優(yōu)化：

（1）抽調(diào)醫(yī)護力量加強分類組，使傷員分類場可對6名傷員同時分類；并根據(jù)先重后輕、先急后緩的原則，按照重、中、輕的優(yōu)先順序?qū)Σ煌瑐榈膫麊T進行分類。

（2）外科包扎室增加1個床位。

（3）參考野戰(zhàn)醫(yī)療所大、中、小手術(shù)的傷員比例[12]，對艦上實施的手術(shù)進一步劃分為大、中、小手術(shù)。小手術(shù)由外科包扎室承擔(dān)，大、中手術(shù)由2個手術(shù)室承擔(dān)，大、中手術(shù)的比例為3∶7。為緩解戰(zhàn)時監(jiān)護病房的排隊壓力，設(shè)置大手術(shù)傷員術(shù)后進入監(jiān)護病房、中手術(shù)傷員術(shù)后進入普通病房或擴充病房進行術(shù)后監(jiān)護。

4.2 優(yōu)化后的仿真結(jié)果

采用上述3項優(yōu)化措施重復(fù)仿真實驗，實驗環(huán)境與數(shù)據(jù)統(tǒng)計方式相同，得到優(yōu)化后傷員排隊情況見表6，優(yōu)化后傷員通過情況見表7。

表6 優(yōu)化后傷員排隊情況表

表7 優(yōu)化后傷員通過情況表

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析

4.3.1 傷員分類場排隊指標有所改善

對比表4與表6可以看出，優(yōu)化后傷員分類場傷員的平均等待時間由6.65min縮短到5.61min，平均排隊傷員數(shù)由2.08減少到1.75，加快了傷員分類速度。

4.3.2 外科包扎室、監(jiān)護病房排隊指標顯著改善，各科室工作負載均衡

對比表4與表6可以看出，外科包扎室傷員的平均等待時間和最長等待時間由優(yōu)化前的24.25和69.16min縮短到優(yōu)化后的5.41和28.45min，分別減少了77.69%和58.86%；監(jiān)護病房傷員的平均等待時間和最長等待時間由優(yōu)化前的10.62和44.85min縮短到優(yōu)化后的0.12和2.12min，分別減少了98.87%和95.27%，基本消除了這2個擁堵節(jié)點。

同時，根據(jù)表7的數(shù)據(jù)顯示，除手術(shù)室1之外，各科室的利用率均降至50%以下，達到了負載均衡的目的。若將2個手術(shù)室平均調(diào)度，效果更好。

4.3.3 優(yōu)化后對搶救室、術(shù)前準備室的排隊指標產(chǎn)生了局部影響

對比表4與表6可以看出，搶救室傷員的平均等待時間和最長等待時間由優(yōu)化前的0.50和4.66 min增加到優(yōu)化后的0.93和7.40min，術(shù)前準備室傷員的平均等待時間和最長等待時間由優(yōu)化前的 1.25和 16.00 min增加到優(yōu)化后的 2.47和23.74min。原因是根據(jù)先重后輕、先急后緩的原則進行分類后，需搶救的重傷傷員（占重傷傷員的15%）轉(zhuǎn)送至搶救室較為集中，而80%的搶救傷員需進一步手術(shù)，進而占用了手術(shù)室資源，于是造成了術(shù)前準備室排隊指標的增加。

進一步分析表明，優(yōu)化后重傷員得到了更及時的處置，優(yōu)先級較低的中度傷、輕傷員的排隊現(xiàn)象是造成搶救室、術(shù)前準備室排隊指標增加的主要原因，這基本符合戰(zhàn)傷救治的原則。

5 結(jié)論

本文使用MedModel建立了某大型艦船醫(yī)療系統(tǒng)救治流程仿真模型，并對模型進行定量分析與優(yōu)化，仿真結(jié)果表明：

（1）該醫(yī)療系統(tǒng)的艙室布局功能完善，能夠滿足傷員救治需求，系統(tǒng)傷員平均等待時間最長不超過30min，流程設(shè)計相對合理，能夠滿足戰(zhàn)時每日收治300名傷員的需要。

（2）傷員到達較集中的情況下，增強傷員分類場的分類能力（由5名分類醫(yī)生增加到6名）能夠改善傷員的排隊指標，削弱分類能力會使傷員分類場的排隊指標惡化（這在更多的仿真實驗中得到了證實）。因此，在醫(yī)療區(qū)艙室設(shè)計方面，要充分考慮傷員分類場的面積，以滿足傷員的停留空間。

（3）優(yōu)化后的救治流程能夠使醫(yī)療系統(tǒng)的功能得到進一步利用，如：為緩解監(jiān)護病房的排隊壓力，設(shè)置大手術(shù)傷員術(shù)后進入監(jiān)護病房、中手術(shù)傷員術(shù)后進入普通病房（或擴充病房）進行術(shù)后監(jiān)護；外科包扎室排隊傷員較多時，借用鄰近空閑的內(nèi)科診室、眼耳鼻喉診室進行骨折固定、更換敷料等操作將縮短該位置的排隊時間。

（4）外科包扎室床位由2個增加到3個，能顯著緩解該位置的排隊壓力。

本研究顯示，MedModel仿真分析軟件用于大型艦船醫(yī)療系統(tǒng)救治流程的仿真與優(yōu)化是便捷、有效的，其流程的合理性依賴于對目標系統(tǒng)的理解與抽象，其結(jié)果的正確性依賴于對輸入數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析。

[1]張孝強，褚新奇，胡家慶，等.大型船舶醫(yī)療平臺設(shè)計研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2012，33（7）：14-15，28.

[2]吳國平，吳勝.商業(yè)銀行排隊服務(wù)系統(tǒng)與顧客等待關(guān)系研究[J].上海金融，2012（8）：110-111.

[3]謝珊.醫(yī)院資源優(yōu)化配置的應(yīng)用研究及其計算機仿真[D].長沙：湖南大學(xué)，2011.

[4]李強.機場航站樓旅客流程系統(tǒng)仿真及優(yōu)化[D].天津：中國民航大學(xué)，2008.

[5]楊磊.醫(yī)藥物流中心作業(yè)系統(tǒng)Arena仿真優(yōu)化應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué)，2009.

[6]秦超，李瑞興，吳小松，等．衛(wèi)勤系統(tǒng)仿真導(dǎo)論[M]．上海：第二軍醫(yī)大學(xué)出版社，2007：164-166.

[7]趙建軍，江雷，王重，等．基于MedModel的野戰(zhàn)醫(yī)療所手術(shù)流程仿真模型及應(yīng)用[J]．解放軍醫(yī)院管理雜志，2009，16（6）：529-531.

[8]蘇強，姚曉耘，施京華．基于MedModel的醫(yī)院掛號流程仿真與優(yōu)化[J]．工業(yè)工程與管理，2006（6）：59-63.

[9]周麗梅．抗洪搶險醫(yī)療隊疾病救治流程仿真與優(yōu)化研究[D]．上海：第二軍醫(yī)大學(xué)，2010.

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[11]阮曉茹．前沿外科手術(shù)隊的手術(shù)時間概率分布及其應(yīng)用研究[D]．上海：第二軍醫(yī)大學(xué)，2011.

[12]中國人民解放軍總后勤部衛(wèi)生部．軍隊醫(yī)院機動衛(wèi)勤分隊訓(xùn)練教材[M]．北京：解放軍出版社，2005：185-186.

（收稿：2013-10-18 修回：2013-11-25）

仿人生物醫(yī)學(xué)工程的近期進展

1 DEKA手臂系統(tǒng)

DEKA手臂系統(tǒng)（DEKA Arm System）于2014年5月9日獲美國FDA批準上市。與以往的意識控制助殘機械臂不同的是，DEKA手臂系統(tǒng)可以接收患者殘肢處肌肉收縮的電信號，將肌電圖（EMG）電極傳輸信號轉(zhuǎn)換成多達10種的肢體動作，完成使用鑰匙和鎖、料理食物、吃飯、使用拉鏈和梳頭等動作。美國國防部高級研究項目局（DARPA）曾指出，“為了接近人類手臂的自然狀態(tài)，這個手臂系統(tǒng)具有與一個成年人相同的大小、質(zhì)量、形狀和握力”。

除機械手臂系統(tǒng)外，該公司還研發(fā)了iBot疾病人行動機器人輪椅（為強生設(shè)計）和Homechoice洗腎機產(chǎn)品（為百特設(shè)計）等醫(yī)療產(chǎn)品。其中，iBot輪椅可仿人上下樓梯，而Homechoice是腹膜血液透析儀器，十分小巧，可帶上飛機或汽車。

2 第四代達·芬奇手術(shù)系統(tǒng)

新一代（第四代）達·芬奇Xi手術(shù)系統(tǒng)于2014年4月1日被FDA批準投入使用。達·芬奇全自動手術(shù)系統(tǒng)由總部位于美國加利福尼亞州的Intuitive Surgical公司研發(fā)，由外科醫(yī)生通過控制臺控制，采用微創(chuàng)方式完成復(fù)雜的外科手術(shù)。該系統(tǒng)的3D高清影像技術(shù)可以為主刀醫(yī)生提供高清晰、全方位立體式手術(shù)視野，通過醫(yī)生控制臺操控機器手臂來極大程度地解放外科醫(yī)生，而仿真手腕手術(shù)器械則消除了顫動，減低手術(shù)風(fēng)險，降低失敗幾率。截至2012年為止，由達·芬奇機器人輔助完成的手術(shù)超過20萬臺。

與之前的達·芬奇全自動手術(shù)系統(tǒng)相比，達·芬奇Xi系統(tǒng)采用了4個微創(chuàng)手術(shù)刀的設(shè)計，且為影像和器械提供了更為強大的可擴展性。得益于此，該手術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也從前列腺切除手術(shù)、心臟瓣膜修復(fù)和婦科手術(shù)擴展至更為復(fù)雜的手術(shù)。例如，在手術(shù)的過程中同時完成切除以及檢查。

3 仿人生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展

仿人生物醫(yī)學(xué)工程中涉及的核心元器件的開發(fā)也在飛速發(fā)展，芯片企業(yè)正在參與這一領(lǐng)域的研發(fā)。例如，英特爾投資公司（Intel Capital）就曾向世界頂尖的歐洲仿人機器人研制企業(yè)Aldebaran Robotics投資1 300萬美元，后者面向個人服務(wù)、醫(yī)療護理及自閉癥兒童輔助治療等領(lǐng)域，研制并銷售先進的可編程仿人機器人。這些機器人可執(zhí)行包括面部與語音識別、定位感知功能等功能。

（張曉蜂 劉訓(xùn)勤 供稿）

MedModel-based medical system simulation and optimization on large-scale ships

WANG Meng,YU Dong-fang,SHEN Jun-liang,ZHAO Hong-qi,NIJian
（NavalMedical Research Institute,Shanghai200433,China）

Objective To analyze the interior rescue flow atwartime of themedical system of some large-scale ship to evaluate its rescue capabilities and propose optimized schemes.Methods By using simulation software MedModel,the medical system rescue flow model was set up according to medical facilities and rescue plans.Trials and analysis of the model were performed to find the bottlenecks,and then some optimization measures were put forward accordingly.Results It's found that queuing time was too long in triage area,dressing room and monitoring ward when massive casualty occurred,and then some measures were taken including increasing beds,improving treatment flow and etc.Therefore,the performance of the triage area was improved,and the use ratios of all departments were reduced to below 50%,by which the aim of load balancing was achieved.Conclusion MedModel is a convenient and effective tool formedical system simulation and optimization on large-scale ships.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（7）：9-12]

medical system;simulation;optimization;MedModel

R318；TP311.1

A

1003-8868（2014）07-0009-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.07.009

海軍科研項目

王 猛（1979—），男，博士，助理研究員，主要從事海上平臺醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計和海軍專用醫(yī)療裝備研發(fā)方面的工作，E-mail：wangmeng1499@ 163.com。

200433上海，海軍醫(yī)學(xué)研究所（王 猛，于東方，沈俊良，趙紅旗，倪 ?。?/p>

于東方，E-mail：dongfang_yu@163.com