Zahlreiche Beispiele aus Industrie und Forschung zeigen, dass Simulation ein nützliches Instrument zur Prozessoptimierung ist. Multiagentensimulation ist insbesondere auch zur Abbildung dynamischer Wechselwirkungen und flexibler Interaktionen geeignet. Diese spielen im Bereich der verteilten Terminplanung im Krankenhaus eine große Rolle und sind mit traditionellen Simulationsmethoden nur ungenügend zu realisieren. Ein spezialisiertes Baukastensystem basierend auf der Entwicklungsumgebung SeSAm soll das Erstellen von Simulationsmodellen im klinischen Bereich erleichtern. Erste Resultate werden anhand der Simulation einer Strahlentherapieklinik illustriert.
Die Organisation und Optimierung von Terminen ist eine der wichtigsten
NebenAufgaben im klinischen Alltag [
Abhängig von der Fragestellung bieten sich verschiedene Simulationstechniken an.
Warteschlangenmodelle sind bei einfachen Ressourcenfragen geeignet, bieten jedoch
in komplexeren Szenarien mit individuellen Patientenpräferenzen, und
unterschiedlichen Planungsstrategien zu wenig Flexibilität [
Die Organisationsstruktur und die Abläufe in Kliniken unterscheiden sich nicht nur von Fachbereich zu Fachbereich sondern ebenso zwischen den einzelnen Standorten sehr stark. Simulationsergebnisse können deshalb in der Regel nicht verallgemeinert werden und es sind angepasste Modelle für verschiedene Kliniken notwendig.
Dieser Betrag beschreibt wie mit Hilfe der Simulationsumgebung SeSAm (http://www.simsesam.de) ein Modell für eine Strahlentherapie-Klinik erstellt wurde und welche Untersuchungsfragen damit realisiert werden können. Das Simulationsmodell wurde in einer Kooperation der Klinik für Strahlentherapie und dem Lehrstuhl für künstliche Intelligenz der Universität Würzburg erstellt. Im Weiteren werden Erweiterungen vorgestellt, die das allgemeine Entwicklungswerkzeug SeSAm zu einem einfachen „Klinikbaukasten“ erweitern, der die Grundzüge der Domäne bereits berücksichtigt, jedoch auch den Unterschieden der Kliniken gerecht wird.
In der Behandlung bösartiger Erkrankungen hat die Strahlentherapie heute neben der Operation und der Chemotherapie ihren festen Platz. Die Patienten werden meist vom Hausarzt eingewiesen und ambulant behandelt. Nach dem ersten Erscheinen werden zunächst einige Termine für Untersuchungen und Einstellungen gemacht, bevor die Patienten nach etwa 8 Tagen zu täglichen Bestrahlungen bestellt werden. Die Planung der ersten Untersuchungen ist dabei am kritischsten, da die sie kurzfristig erfolgen muss und viele Randbedingungen (z.B. Zeitabstand zw. Untersuchungen) beachtet werden müssen. Nach der ärztlichen Aufnahme in der Poliklinik wird entschieden, welcher von drei möglichen Behandlungspfaden durchgeführt wird. Der Behandlungspfad gibt vor, welche medizinischen Aktionen (siehe Abbildung 1) in welcher Reihenfolge durchgeführt werden sollen. Dabei gibt es verschiedene Ressourcen zur Durchführung der Aktionen: ein spezielles Durchleuchtungsgerät (Simulator), in dem eine geeignete Lagerung des Patienten bestimmt wird, ein CT zur Ermittlung der Lage von Organen und vier Bestrahlungsgeräte zur Behandlung. Die erste Bestrahlung (auch genannt Neueinstellung) dauert etwas länger als die nachfolgenden und sie wird deshalb zu speziell reservierten Planungszeiten durchgeführt. Sobald die Patienten den Einstellungsprozess durchlaufen haben, kommen sie zur täglichen Bestrahlung, wobei im Schnitt 30 Behandlungen durchgeführt werden.
Die Planung wird unter Berücksichtigung von Reihenfolge- und Zeitconstraints nach der ärztlichen Aufnahme von einer MTA durchgeführt. Bei der Planung wird von den durchschnittlichen Zeitdauern aus Abbildung 2 ausgegangen, die in der Durchführung jedoch abweichend sein kann. Abbildung 1. Tabelle mit Informationen über Zeitdauern und Ressourcen Basierend auf dem in Abschnitt 3 dargestelltem Szenario wurde in der Modellierungsumgebung SeSAm ein Simulationsmodell erstellt, das die Planungsvorgänge und die Patientenbehandlung nachbildet (siehe Abbildung 2).
Damit eine leichte Anpassung des Modells an andere Szenarien nach dem „Baukastenprinzip“ möglich wird, wurde SeSAm um spezialisierte Dialoge und Editoren erweitert. Simulationsparameter wie Anzahl, Art und Öffnungszeiten der Geräte können hier ohne aufwendigere Modelländerungen eingegeben werden. Behandlungspfade für verschiedene Krankheiten können definiert werden und eine Verteilungsfunktion bestimmt den Patientenmix und die Ankunftsrate von neuen Patienten. Abbildung 2. Laufendes Modell der Strahlentherapie. Patienten besuchen die Funktionseinheiten zu vorgeplanten Terminen. Die Auslastung der Geräte wird protokolliert. Das Simulationsmodell ermöglicht, mit den Modellparametern als „Stellschrauben“ zu experimentieren und es können geänderte Alternativmodelle erstellt werden. Mögliche Untersuchungsfragen für vergleichende Evaluationen sind: • • •
Ermittlung der Auslastungsgrenzen für bestimmte Szenarien Das Patientenaufkommen kann durch die Änderung der Ankunftsverteilung gesteuert werden. Durch kann ermittelt werden, bis zu welchem Patientenaufkommen Planung und Ressourcenaustattung ausreichend sind.
Auswirkungen von Pufferzeiten Zeitpuffer zwischen den geplanten Terminen ermöglichen ein flexibleres Reagieren auf ungeplante Anforderungen (Notfälle). Zugleich können sich Zeitpuffer negativ auf die Auslastung auswirken.
Umgang mit Geräteausfall Bei Ausfall eines der vier Bestrahlungsgeräte verknappen sich die verfügbaren Termine, so dass für Ausgleich gesorgt werden muss. Hier boten sich in der Strahlentherapie zwei Möglichkeiten: Zum einen könnte ZweiSchichtbetrieb an einem weiteren Gerät eingeführt werden oder leicht verlängerte Arbeitszeiten an allen Geräten durchgeführt werden.
In SeSAm bereitgestellte Analysefunktionen ermöglichen das Speichern von Zeitreihen zu Parametern oder die Ausgabe von Parameterwertern in Diagrammen. Auswirkungen von Modelländerungen auf die durchschnittliche Wartezeit eines Patienten und die Auslastung der Geräte sind deshalb gut zu beobachten.
Zur Optimierung eines Systems mit Hilfe der Simulation sind drei Schritte durchzuführen: 1. Ist-Zustand als Modell nachbilden. 2. Modell validieren.
3. Optimierungen im Modell erproben.
Bei der Simulation mit dem IST-Modell der Strahlentherapie konnten auch in der Realität auftretende Phänomene, wie periodisches Schwanken der Auslastung bestimmter Geräte, beobachtet werden. Auch die in der Simulation ermittelten Auslastungsgrenzen stimmen mit der Realität überein. In dem so validierten Modell sollen als nächster Schritt oben erwähnte Optimierungsfragen untersucht werden.
Entscheidungsträger im Krankenhauswesen sind ständig damit konfrontiert, die Qualität der Versorgung zu garantieren als auch ein wirtschaftliches Arbeiten des Krankenhauses zu sorgen. Folgen von Optimierungsansätzen sind jedoch meist schwer zu kalkulieren. Durch die intuitive und realitätsnahe Modellierung eignet sich die MultiAgenten-Simulation sehr gut zum Experimentieren mit solchen verteilten Systemen. Die Realisierung eines spezialisierten Werkzeuges für den klinischen Bereich ermöglicht einen einfachen und effizienten Zugang zum Thema Simulation. Natürlich ist zu überprüfen, ob die Ergebnisse des abstrahierten Modells auch der Realität entsprechen, bei Benutzung eines gut validierten Ausgangsmodells kann man jedoch zuverlässige Aussagen über die Realität machen.
Die Anwendung des entwickelten Grundsystems auf andere Kliniken soll zeigen, welche weiteren Anforderungen an solch ein Werkzeug gestellt werden müssen. Dabei steht die Repräsentation und Simulation klinischer Pfade im Vordergrund, da das Spektrum von Krankheiten in vielen Kliniken sehr heterogen ist.