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Tipo: Tese de Doutorado
Título: Designing and building an interactive simulation-based decision support system in healthcare industry
Autor(es): Milad Yousefi
primer Tutor: Ricardo Poley Martins Ferreira
primer miembro del tribunal : Denilson Laudares Rodrigues
Segundo miembro del tribunal: Henrique Pacca Loureiro Luna
Tercer miembro del tribunal: Henrique Oswaldo da Gama Torres
Cuarto miembro del tribunal: Ricardo Luiz U de Freitas Pinto
Quinto miembro del tribunal: Eduardo Bauzer Medeiros
Resumen: O Longo período de permanência e superlotação em departamentos de emergência, são dois problemas comuns no setor de saúde. Para diminuir o tempo médio de permanência e combater a superlotação, é necessário ajustar inúmeros recursos, incluindo o número de médicos, enfermeiros e recepcionistas, ao mesmo tempo que devem ser consideradas várias restrições. Na primeira parte desta tese, foi implementada uma nova abordagem de tomada de decisão de grupo. Cada agente de pessoal participou do processo de alocação de recursos com base em sua observação em suas respectivas seções, o que deu ao sistema a vantagem de utilizar todos os recursos humanos disponíveis durante a jornada de trabalho, sendo alocada para uma seção diferente. Nesta simulação, ao contrário dos estudos anteriores, todos os agentes do pessoal participaram do processo de tomada de decisão para re-alocar os recursos no departamento de emergência. A simulação modelou o comportamento de pacientes, recepcionistas, enfermeiros de triagem, enfermeiros de emergência e médicos. Os pacientes foram capazes de decidir se deveriam permanecer no sistema ou deixar o departamento em qualquer fase do tratamento. Para avaliar o desempenho desta abordagem, foram introduzidos 6 cenários diferentes. Em cada cenário, vários indicadores-chave de desempenho foram investigados antes e depois de aplicar a tomada de decisão do grupo. As saídas de cada simulação foram número de mortes, número de pacientes que deixaram o serviço de emergência sem serem atendidos, tempo de permanência, tempo de espera e número total de pacientes descarregados do departamento de emergência. A aplicação da abordagem auto-organizada na simulação mostrou uma média de 12,7 e 14,4% de redução no tempo total de espera e número de pacientes que deixaram sem ser vistos, respectivamente. Os resultados mostraram um aumento médio de 11,5% no número total de pacientes descarregados do serviço de emergência. A segunda parte do estudo, implementou um método eficiente baseado em simulação por agentes e algoritmos evolutivos para determinar a alocação de recursos quase que ideal em um departamento de emergência no Hospital Risoleta Tolentino Neves (HRTN), um hospital de ensino na capital do estado de Minas Gerais, Belo Horizonte. O sistema de apoio à decisão proposto, pode efetivamente explorar todo o domínio de todas as 19 variáveis e identificar uma melhor alocação de recursos. Um modelo do sistema precisa ser executado milhares de vezes através do processo de evolução dos algoritmos para avaliar cada solução, portanto, o processo é computacionalmente caro. Para superar esta desvantagem, um metamodelo robusto é construído inicialmente baseado em uma simulação de sistema baseada em agentes. A simulação exibe o desempenho do departamento de emergência com várias alocações de recursos e treina o metamodelo. O metamodelo é criado com um conjunto do sistema de adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS), feedforward neural network (FFNN) e recurrent neural network (RNN) usando o algoritmo de ajuste de adaptive boosting (Adaboost). A abordagem proposta de otimização baseada em simulação é testada em um departamento de emergência público, e é mostrado para diminuir o tempo médio de permanência neste estudo de caso de departamento de emergência em 14%. Adicionalmente, o metamodelo proposto apresenta melhora de 26,6% em relação aos resultados médios de ANFIS, FFNN e RNN em termos de erro médio absoluto de porcentagem (MAPE).
Abstract: Long length of stay and overcrowding in emergency departments (EDs) are two common problems in the healthcare industry. To decrease the average length of stay (ALOS) and tackle overcrowding, numerous resources, including the number of doctors, nurses and receptionists need to be adjusted, while a number of constraints are to be considered at the same time. In the first part of this thesis, a novel group decision making approach is implemented and each staff agent took part in the process of allocating resources based on their observation in their respective sections, which gave the system the advantage of utilizing all the available human resources during the workday by being allocated to a different section. In this simulation, unlike previous studies, all staff agents took part in the decision-making process to re-allocate the resources in the emergency department. The simulation modeled the behavior of patients, receptionists, triage nurses, emergency room nurses and doctors. Patients were able to decide whether to stay in the system or leave the department at any stage of treatment. In order to evaluate the performance of this approach, 6 different scenarios were introduced. In each scenario, various key performance indicators were investigated before and after applying the group decision-making. The outputs of each simulation were number of deaths, number of patients who leave the emergency department without being attended, length of stay, waiting time and total number of discharged patients from the emergency department. Applying the self-organizing approach in the simulation showed an average of 12.7 and 14.4% decrease in total waiting time and number of patients who left without being seen, respectively. The results showed an average increase of 11.5% in total number of discharged patients from emergency department. The second part of the study, we implemented an efficient method based on agent-based simulation, machine learning and evolutionary algorithms (EAs) to determine near optimum resource allocation in an emergency department in Hospital Risoleta Tolentino Neves (HRTN), a teaching hospital in the capital of Minas Gerais state of Brazil, Belo Horizonte. The proposed decision support system (DSS) can effectively explore the entire domain of all 19 variables and identify an improved resource allocation. A model of the system needs to be run several thousand times through the algorithms evolution process to evaluate each solution, hence the process is computationally expensive. To overcome this drawback, a robust metamodel is initially constructed based on an agent-based system simulation. The simulation exhibits ED performance with various resource allocations and trains the metamodel. The metamodel is created with an ensemble of the adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS), feedforward neural network (FFNN) and recurrent neural network (RNN) using the adaptive boosting (AdaBoost) ensemble algorithm. The proposed simulation-based optimization approach is tested in a public ED, and it is shown to decrease the ALOS in this ED case study by 14%. Additionally, the proposed metamodel shows a 26.6% improvement compared to the average results of ANFIS, FFNN and RNN in terms of mean absolute percentage error (MAPE).
Asunto: Algoritmos
Otimização matemática
Processo decisório
Engenharia mecânica
Pacientes
Idioma: Inglês
Editor: Universidade Federal de Minas Gerais
Sigla da Institución: UFMG
Tipo de acceso: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AN6MD9
Fecha del documento: 7-abr-2017
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