| dc.description.abstract | Flere faktorer påvirker hvordan et akuttmottak fungerer, blant annet dyktige ansatte, tilstrekkelig kapasitet av ressurser og ansatte, fornuftig arbeidsfordeling samt gode planer for å håndtere kritiske situasjoner. Men, selv om alle disse faktorene skulle fungere tilfredsstillende, kan en ineffektiv planløsning fortsatt gi utfordringer knyttet til fullt mottak og lange ventetider. En planløsning har stor påvirkning på arbeidsprosedyrer, driftskostnader og pasientflyt. En forbedret planløsning kan gi bedre pasientsikkerhet, samt at forholdene ligger mer til rette for å redde livet til pasienter i kritiske situasjoner.
Denne masteroppgaven er skrevet i samarbeid med Sykehusbygg HF og Kalnes Sykehus. Sykehusbygg er et offentlig norsk helseforetak med ansvar for planleggingen av større sykehusbyggprosjekter i Norge. Kalnes Sykehus er et stort norsk sykehus som ligger sør-øst i Norge. Kalnes opplever i dag store problemer med fullt mottak og lange ventetider. Disse utfordringene kan observeres ved å se på nøkkeltallene (KPI’ene) som brukes for å måle hvordan akuttmottaket fungerer. Det mest brukte KPI’en er total tid på mottak (LOS), som er gjennomsnittstiden en pasient er på akuttmottaket. Da mottaket ble bygget var målet at LOS skulle være under 2 timer, men i dag er den over 4,5 timer.
Hovedfokuset til denne oppgaven er å løse planløsningsproblemet til et akuttmottak (EDLP) ved hjelp av operasjonsanalyse, med det overordnede målet å forbedre KPI’ene til akuttmottaket på Kalnes. EDLP er et viktig, men vanskelig problem å løse. Når dette problemet løses plasseres funksjonene til akuttmottaket, som for eksempel behandlingsrom, triage, og røntgen på bestemte steder. I denne oppgaven blir det totale arealet og fotavtrykket til akuttmottaket på Kalnes brukt som utgangspunkt. For å gjøre problemet lettere å løse, er lokasjonene i mottaket diskretisert til like store rektangler med størrelse lik et vanlig behandlingsrom.
En funksjon dekker et bestemt antall lokasjoner, og alle lokasjoner kan i utgangspunktet bli dekket av hvilken som helst funksjon. Imidlertid er det noen spesifikke regler knyttet til plasseringen av enkelte funksjoner. Slike regler er for eksempel at en funksjon må ligge nær en annen bestemt funksjon, eller at det må være et vindu på rommet der funksjonen er plassert. En lokasjon kan bare dekkes av én funksjon, og i tillegg kan ingen funksjoner overlappe hverandre. Funksjoner som dekker flere lokasjoner har en bestemt senterlokasjon, definert nær det geografiske sentrumet. I tillegg kan funksjoner som dekker flere lokasjoner ha forskjellige konfigurasjoner. Med en konfigurasjon menes ulike kombinasjoner av lokasjoner en funksjon dekker. Pasient- og personalflyten måler avhengighetene mellom funksjonene. I en godt fungerende planløsning bør svært avhengige funksjoner være i nærheten av hverandre, mens mindre avhengige funksjoner kan være plassert lengre fra hverandre.
Et akuttmottak har flere dynamiske aspekter. Pasientankomster endres over tid, og sesongvariasjoner i sykdommer og skader krever at ressursene er tilstrekkelig for å dekke behovene til pasientene. Når man analyserer et så komplekst system fremstår simulering som den mest fornuftige teknikken å bruke. Imidlertid beskriver Nolan (1972) at gjentatte eksperimentelle simuleringer av et akuttmottak krever stor datakraft. Til sammenligning kan det være vanskelig å løse EDLP med matematiske optimeringsmetoder der alle detaljer er tatt med i løpet av en fornuftig tid. Ved å kombinere simulering og optimering kan simuleringsmodellen ta hånd om den komplekse oppførselen til systemet, mens optimeringsmodellen er i stand til å finne gode løsninger på vanskelige kombinatoriske problemer.
I denne oppgaven utvikles et simulering-optimering-rammeverk for å løse EDLP på Kalnes. Simuleringsmodellen evaluerer planløsninger ved å måle noen spesielle KPI’er, og i tillegg blir personal- og pasientstrømmer laget. Optimeringsmodellen generer en ny og forbedret planløsning ved å minimere objektivet, som er de vektede gangavstandene til pasientene og ansatte. Simulering og optimeringsmodellen kjøres iterativt til stoppkriteriet er oppfylt.
Objektivet i optimeringsmodellen har likheter med det kvadratiske tildelingsproblemet (QAP), der funksjoner blir plassert basert på avhengighetene mellom dem. Selv om simuleringsmodellen fanger opp stokastisiteten, blir problemet vanskelig å løse på grunn av det kvadratiske objektivet. På grunn av den store kompleksiteten i problemet, blir optimeringsmodellen linearisert og delt inn i flere steg. I denne formuleringen løses bare en mindre del av problemet i de forskjellige stegene. I hvert steg er noen spesielle funksjoner låst på forhånd, mens andre funksjoner blir låst i dette eller i et senere steg. Når en funksjon er låst, får denne funksjonen den samme senterlokasjonen og konfigurasjonen i alle de følgende stegene. Funksjonene som skal låses i et senere steg er bare med for å plassere de funksjonene som skal plasseres og låses i dette steget til bedre lokasjoner, og de tilhørende variablene til disse funksjonene blir relakseres fra binære til kontinuerlige.
Flere aspekter av simulering-optimerings rammeverket testes på både små instanser og på hele akuttmottaket ved Kalnes. Siden rammeverket utnytter seg av en flerstegsmodell, skal fornuftige undergrupper av funksjoner låses i de forskjellige stegene. Forskjellige låsestrategier testes, med det formål å finne en best mulig planløsning. Andre interessante perspektiver er prioritering av de forskjellige triagenivåene samt prioriteringen mellom pasienter og ansatte. Når man tester forskjellige prioriteringsnivåer, blir de generelle resultatmålene, men også sikkerheten til de mest akutte pasientene tatt i betraktning.
Rammeverket blir brukt til å produsere tre forskjellige planløsninger for akuttmottaket på Kalnes. Sammenlignet med dagens situasjon, viser de nye planløsningene store forbedringer i KPI’ene. Disse forbedringene er et resultat av at funksjoner med stor avhengighet plasseres nærme hverandre mens mindre avhengige funksjoner blir plassert lenger fra hverandre.
Denne masteroppgaven er et konseptbevis, som viser hvordan matematiske optimeringsmetoder kan brukes til å løse problemer innen helsevesenet, og nærmere bestemt et akuttmottak. Rammeverket kan benyttes som et beslutningsverktøy ved framtidige strategiske beslutninger rundt planløsninger på mottaket. | |
| dc.description.abstract | \chapter{Abstract} \label{abstract}
Several factors affect the functioning of an ED, among others, talented staff, sufficient staff capacity, reasonable distribution of work, and plans to handle a variety of urgent situations. However, without a satisfactory internal layout, various challenges, like overcrowding and long waiting times, may still exist. To avoid these challenges, sufficient room capacity of different functions is essential. Besides, the internal layout and room placement have a significant influence on efficient working procedures, operational costs, reduced walking-distances for patients and staff, and improved patient flow. A consequence of these improvements is the ability to save more lives, which is the main purpose of every ED.
This master thesis is written in collaboration with Sykehusbygg HF and Kalnes Hospital. Sykehusbygg is the public enterprise responsible for the planning of major hospital construction and rebuilding projects in Norway. Kalnes Hospital is a large Norwegian hospital situated in the southeast of Norway. At this hospital, and more specifically, its ED, there are problems with overcrowding and long waiting times. These challenges are observable by looking at the Key Performance Indicators (KPIs) used to measure the performance at this ED. The most widely used KPI is Length of Stay (LOS), which is the consumed time from a patient arrives at the ED until the patient leaves the ED. When planned and built, the goal for the ED Kalnes was having an average LOS under 2 hours for all patients. However, today this metric is above 4.5 hours.
The focus of this thesis is to propose solutions to the Emergency Department Layout Problem (EDLP), with the overall aim to improve KPIs of the Kalnes ED by producing better layouts. EDLP is the planning of the internal layout of an ED, a problem of great importance and high complexity. When solving an EDLP, the functions of the ED, such as care rooms, triage, x-ray, and trauma, are placed at some particular locations. In this thesis, the total area and footprint of the ED are considered known, including the placement of hallways, as well as other static structures, such as stairs and elevators. The ED consists of locations where the different functions can be placed. In the model, the locations are discretized into blocks of equal size with the size of a normal-sized care room.
A function covers a discrete set of locations, and every location within the ED is assumed to be able to host any function. However, there are requirements for certain areas within the ED and other function-specific placement rules. Such rules are, for example, requirements for proximity to the entry or a specific function, access to a hallway, or the need for windows. A location can only be covered by one function, and consequently, no functions can overlap. Functions covering several locations are, like the functions covering one location, given only one center-location, close to its geographic center. Dependent on the center-location, these functions can take on different configurations. Patients and staff move between different functions, creating flows, and thereby dependencies between the functions. In a well-working layout, functions that are highly dependent on each other should be located close, while less connected functions may be located farther apart.
EDs have several dynamic aspects of their nature. Patient arrivals change over time, and seasonal variations in diseases and damages demand a vast variety of resources. When analyzing such a complex system, like an ED, simulation stands out as the preferred technique. However, Nolan (1972) outlines that simulating an ED with multiple experimental layouts may require considerable computational power. In comparison, optimizing an ED with complete details may be challenging to solve in a reasonable time. By combining simulation and optimization, the simulation model captures the complex behavior of the system, while the optimization model is able to find promising solutions to large-scale combinatorial problems.
In this thesis, a simulation-optimization framework is developed to solve the EDLP for the Kalnes ED. The simulation model evaluates layouts by measuring some particular KPIs and creates staff and patient flows. Following this, the optimization model creates a new and improved layout by minimizing the walking distances of the patients and staff, weighted by the priority of the patients acuity, and an emphasis on either patients or staff walking distances. The simulation and optimization model are run iteratively until a convergence criterion is reached.
The objective in the optimization model has similarities to the quadratic assignment problem, where functions are allocated while still considering the connection between them. Even though the simulation model captures the stochasticity, the quadratic nature of the problem makes solving it a challenging task. As a result, the optimization model is linearized and divided into several stages. In this formulation, only a smaller part of the problem is solved in the different stages. In every stage, some particular functions are locked before the stage, while other functions are locked in this or in a later stage. When a function is locked, this function is given a specific center-location and configuration in all the following stages. Since the functions to be locked in a later stage are only included in the stage to help to locate the functions of interest, the binary constraints on their respective variables are relaxed.
Several different aspects of the simulation-optimization framework are tested on both small instances and the Kalnes ED. When introducing a multi-stage optimization model, reasonable subsets of functions are to be locked in the various stages. Therefore, several different locking strategies are tested, with the purpose of finding the best possible layout. Other interesting perspectives are the prioritization of the different triage levels and among patients and staff. When testing different prioritization levels, overall performance measures, but also the safety of the most acute patients are taken into consideration.
Following this, the developed framework is utilized to produce three different layouts at the Kalnes ED. Compared to today's situation, the new layouts show significant improvements in the KPIs. These improvements are a result of having functions with high interaction close, and less dependent functions farther apart.
This master thesis is a proof of concept, showing how Operation Research (OR) can be utilized to solve problems within the health care sector, and more specifically, an ED. By taking advantage of this framework, the management at the ED Kalnes will receive more insight when considering strategic layout decisions. | |
