基于MedModel的大型舰船医疗系统仿真与优化

王 猛，于东方，沈俊良，赵红旗，倪 健

基于MedModel的大型舰船医疗系统仿真与优化

王 猛，于东方，沈俊良，赵红旗，倪 健

目的：分析某大型舰船医疗系统的战时内部救治流程，对其救治能力进行评价并提出优化方案。方法：使用MedModel仿真分析软件，根据医疗系统现有配置及救治方案建立医疗系统救治流程仿真模型，运行模型并分析结果，找出仿真模型中的低效和瓶颈环节，据此提出优化措施。结果：针对伤员到达较集中时伤员分类场、外科包扎室和监护病房的排队时间与排队伤员数较多的瓶颈，采取了增加床位、改进救治流程等优化措施，优化后伤员分类速度加快，各科室的利用率均降至50%以下，达到了负载均衡的目的。结论：MedModel用于大型舰船医疗系统救治流程的仿真与优化是便捷、有效的，可以推广应用。

医疗系统；仿真；优化；MedModel

0 引言

大型舰船医疗系统的设计要综合考虑其平战时的勤务定位，根据救治范围合理设计救治流程，并结合舰船实际条件设置功能舱室、配置医疗资源[1]，无异于设计一所医院。随着舰船规模的日趋增大，针对其医疗系统设计合理性的分析与优化显得十分重要而复杂。以往的实兵演练、图上演算等方法需要耗费大量的人力、物力，且缺少进一步精确验证的手段，而计算机仿真工具的应用可以使建模仿真工作变得更加高效[2-5]。

1 问题提出

本文重点研究某大型舰船医疗系统的战时内部救治流程。该舰船设有3个伤员分类区，对3种不同方式接收到的伤员进行一次分类；在主医疗区设有1个伤员分类场，对收治的伤员进行二次分类；设有隔离病床8张、监护病床8张、普通病床40张，普通病床满占用状态时可最多开设240张扩充病床。

医疗系统从零床位占用状态运行至接收300名伤员为止，暂不考虑后送及人力资源因素，并假定系统中医务人员的编配满足需要。

2 模型建立

2.1 MedModel软件简介

MedModel是美国某公司为医疗系统提供的一款用于建立系统模型的仿真和动画工具软件。其基本要素有：位置（location）指对实体进行处理、停留、存储或进行决策等活动的固定地点、场所和位置。实体（entity）是模型要处理的事物，可以是人类或生命体，如医院里就诊的患者；也可以是无生命体，如原材料和产品等。到达（arrival）定义多少entities如何进入模型系统。处理（processing）描述了发生在某一location上的操作，如实体在这一location上花费的时间、完成处理所需的资源和选择entity要到达的下一个location。资源（resource）是完成活动所需的物质，如设备和执行活动的人员。在MedModel中，processing的定义过程最为关键，提供了20多种常见和常用的经验概率分布，为精确模拟提供基础和保障。MedModel的运行结果允许直接用数据表示，也可以用图形或图表表示，如柱状图、球状图等[6]。

近年来，该软件在医疗服务流程的研究方面逐渐得到了应用，如赵建军等[7]采用MedModel软件，根据现行野战医疗所的手术组编成和工作流程，建立了手术组工作流程仿真模型；苏强等[8]使用Med-Model软件建立了医院门诊挂号服务仿真分析模型；周丽梅[9-10]运用MedModel软件分别建立了抗洪抢险医疗队疾病救治流程仿真模型与门诊输液中心流程仿真模型。

2.2 模型描述

2.2.1 location

本模型中设置了11个location，分别对应各功能舱室，其中，伤员分类场可对5名伤员同时分类，详见表1。

表1 仿真模型location设置

2.2.2 entity

本模型的 entity为伤员。伤员分别到达3个伤员分类区，随即开始在医疗系统内各个位置之间移动，接受相应的医疗处置，最后收治在病房。

参考陆上野战医疗所内伤员的移动速度80m/min[9]，并考虑到舰船的特殊环境，定义伤员在本系统内的移动速度为60m/min。

2.2.3 arrival

根据伤员乘坐交通工具的运行特点，设置伤员批量到达3个伤员分类区的分布情况，具体见表2。并设置伤员的伤情比例为轻伤40%、中度伤35%、重伤25%。

表2 伤员批量到达伤员分类区分布情况

2.2.4 processing

当模型运行时，伤员产生并到达3个伤员分类区进行一次分类，然后转送至伤员分类场进行二次分类。根据分类去向伤员到达相关位置接受救治，最终收治在病房，伤员的处理流程如图1所示，各个位置所需的操作时间见表3[11]。

图1 医疗系统救治流程仿真模型中伤员的处理情况

表3 各个位置所需的操作时间

为便于分析排队情况，模型中还设置了若干缓冲区、数据显示区等。在MedModel软件中建立仿真模型如图2所示。

图2 某大型舰船医疗系统救治流程仿真模型

3 仿真与分析

3.1 仿真结果

由于伤员到达和服务时间具有随机性，每次仿真运行的结果会有所差异，所以，将仿真运行次数设为100次，取100次仿真结果的平均值，以减小仿真结果的误差。伤员排队情况见表4，伤员通过情况见表5。

表4 伤员排队情况表

表5 伤员通过情况表

3.2 排队指标分析

根据表4的数据显示，在伤员分类场每名伤员的平均等待时间为6.65min，伤员到达较集中时，最多排队人数达到了22.21人。首先，在医疗救护组织方面，需要在伤员集中到达时段抽调医护力量加强分类组；其次，在分类实施过程中，要按照战伤救治原则，先重后轻、先急后缓，缩短危重伤员的分类等待时间；最后，在医疗区舱室设计方面，要充分考虑伤员分类场的面积，以满足20～30名伤员的停留空间。

抢救室、术前准备室的排队时间和排队伤员数较少，医疗资源相对充足；外科包扎室、监护病房的排队时间和排队伤员数较多，可考虑增加床位、加快伤员处理时间等手段进行优化。

3.3 卫生资源利用率指标分析

根据表5的数据显示，抢救室的利用率最低（13.01%），其次是术前准备室（21.42%），主要是因为到达的伤员中危重患者比例较少，现有抢救室和术前准备室的资源可满足需求。监护病房、外科包扎室的利用率最高，分别为76.10%、70.76%，表明这2个科室的床位紧张。

4 优化与分析

4.1 优化措施

针对仿真过程中伤员到达较集中时，伤员分类场、外科包扎室和监护病房的排队时间与排队伤员数较多的瓶颈，采取以下措施进行优化：

（1）抽调医护力量加强分类组，使伤员分类场可对6名伤员同时分类；并根据先重后轻、先急后缓的原则，按照重、中、轻的优先顺序对不同伤情的伤员进行分类。

（2）外科包扎室增加1个床位。

（3）参考野战医疗所大、中、小手术的伤员比例[12]，对舰上实施的手术进一步划分为大、中、小手术。小手术由外科包扎室承担，大、中手术由2个手术室承担，大、中手术的比例为3∶7。为缓解战时监护病房的排队压力，设置大手术伤员术后进入监护病房、中手术伤员术后进入普通病房或扩充病房进行术后监护。

4.2 优化后的仿真结果

采用上述3项优化措施重复仿真实验，实验环境与数据统计方式相同，得到优化后伤员排队情况见表6，优化后伤员通过情况见表7。

表6 优化后伤员排队情况表

表7 优化后伤员通过情况表

4.3 优化结果分析

4.3.1 伤员分类场排队指标有所改善

对比表4与表6可以看出，优化后伤员分类场伤员的平均等待时间由6.65min缩短到5.61min，平均排队伤员数由2.08减少到1.75，加快了伤员分类速度。

4.3.2 外科包扎室、监护病房排队指标显著改善，各科室工作负载均衡

对比表4与表6可以看出，外科包扎室伤员的平均等待时间和最长等待时间由优化前的24.25和69.16min缩短到优化后的5.41和28.45min，分别减少了77.69%和58.86%；监护病房伤员的平均等待时间和最长等待时间由优化前的10.62和44.85min缩短到优化后的0.12和2.12min，分别减少了98.87%和95.27%，基本消除了这2个拥堵节点。

同时，根据表7的数据显示，除手术室1之外，各科室的利用率均降至50%以下，达到了负载均衡的目的。若将2个手术室平均调度，效果更好。

4.3.3 优化后对抢救室、术前准备室的排队指标产生了局部影响

对比表4与表6可以看出，抢救室伤员的平均等待时间和最长等待时间由优化前的0.50和4.66 min增加到优化后的0.93和7.40min，术前准备室伤员的平均等待时间和最长等待时间由优化前的 1.25和 16.00 min增加到优化后的 2.47和23.74min。原因是根据先重后轻、先急后缓的原则进行分类后，需抢救的重伤伤员（占重伤伤员的15%）转送至抢救室较为集中，而80%的抢救伤员需进一步手术，进而占用了手术室资源，于是造成了术前准备室排队指标的增加。

进一步分析表明，优化后重伤员得到了更及时的处置，优先级较低的中度伤、轻伤员的排队现象是造成抢救室、术前准备室排队指标增加的主要原因，这基本符合战伤救治的原则。

5 结论

本文使用MedModel建立了某大型舰船医疗系统救治流程仿真模型，并对模型进行定量分析与优化，仿真结果表明：

（1）该医疗系统的舱室布局功能完善，能够满足伤员救治需求，系统伤员平均等待时间最长不超过30min，流程设计相对合理，能够满足战时每日收治300名伤员的需要。

（2）伤员到达较集中的情况下，增强伤员分类场的分类能力（由5名分类医生增加到6名）能够改善伤员的排队指标，削弱分类能力会使伤员分类场的排队指标恶化（这在更多的仿真实验中得到了证实）。因此，在医疗区舱室设计方面，要充分考虑伤员分类场的面积，以满足伤员的停留空间。

（3）优化后的救治流程能够使医疗系统的功能得到进一步利用，如：为缓解监护病房的排队压力，设置大手术伤员术后进入监护病房、中手术伤员术后进入普通病房（或扩充病房）进行术后监护；外科包扎室排队伤员较多时，借用邻近空闲的内科诊室、眼耳鼻喉诊室进行骨折固定、更换敷料等操作将缩短该位置的排队时间。

（4）外科包扎室床位由2个增加到3个，能显著缓解该位置的排队压力。

本研究显示，MedModel仿真分析软件用于大型舰船医疗系统救治流程的仿真与优化是便捷、有效的，其流程的合理性依赖于对目标系统的理解与抽象，其结果的正确性依赖于对输入数据的统计与分析。

[1]张孝强，褚新奇，胡家庆，等.大型船舶医疗平台设计研究[J].医疗卫生装备，2012，33（7）：14-15，28.

[2]吴国平，吴胜.商业银行排队服务系统与顾客等待关系研究[J].上海金融，2012（8）：110-111.

[3]谢珊.医院资源优化配置的应用研究及其计算机仿真[D].长沙：湖南大学，2011.

[4]李强.机场航站楼旅客流程系统仿真及优化[D].天津：中国民航大学，2008.

[5]杨磊.医药物流中心作业系统Arena仿真优化应用研究[D].西安：长安大学，2009.

[6]秦超，李瑞兴，吴小松，等．卫勤系统仿真导论[M]．上海：第二军医大学出版社，2007：164-166.

[7]赵建军，江雷，王重，等．基于MedModel的野战医疗所手术流程仿真模型及应用[J]．解放军医院管理杂志，2009，16（6）：529-531.

[8]苏强，姚晓耘，施京华．基于MedModel的医院挂号流程仿真与优化[J]．工业工程与管理，2006（6）：59-63.

[9]周丽梅．抗洪抢险医疗队疾病救治流程仿真与优化研究[D]．上海：第二军医大学，2010.

[10]周丽梅，秦超，王军青.基于MedModel的门诊输液中心流程仿真与优化[J].护士进修杂志，2010，25（10）：879-881.

[11]阮晓茹．前沿外科手术队的手术时间概率分布及其应用研究[D]．上海：第二军医大学，2011.

[12]中国人民解放军总后勤部卫生部．军队医院机动卫勤分队训练教材[M]．北京：解放军出版社，2005：185-186.

（收稿：2013-10-18 修回：2013-11-25）

仿人生物医学工程的近期进展

1 DEKA手臂系统

DEKA手臂系统（DEKA Arm System）于2014年5月9日获美国FDA批准上市。与以往的意识控制助残机械臂不同的是，DEKA手臂系统可以接收患者残肢处肌肉收缩的电信号，将肌电图（EMG）电极传输信号转换成多达10种的肢体动作，完成使用钥匙和锁、料理食物、吃饭、使用拉链和梳头等动作。美国国防部高级研究项目局（DARPA）曾指出，“为了接近人类手臂的自然状态，这个手臂系统具有与一个成年人相同的大小、质量、形状和握力”。

除机械手臂系统外，该公司还研发了iBot疾病人行动机器人轮椅（为强生设计）和Homechoice洗肾机产品（为百特设计）等医疗产品。其中，iBot轮椅可仿人上下楼梯，而Homechoice是腹膜血液透析仪器，十分小巧，可带上飞机或汽车。

2 第四代达·芬奇手术系统

新一代（第四代）达·芬奇Xi手术系统于2014年4月1日被FDA批准投入使用。达·芬奇全自动手术系统由总部位于美国加利福尼亚州的Intuitive Surgical公司研发，由外科医生通过控制台控制，采用微创方式完成复杂的外科手术。该系统的3D高清影像技术可以为主刀医生提供高清晰、全方位立体式手术视野，通过医生控制台操控机器手臂来极大程度地解放外科医生，而仿真手腕手术器械则消除了颤动，减低手术风险，降低失败几率。截至2012年为止，由达·芬奇机器人辅助完成的手术超过20万台。

与之前的达·芬奇全自动手术系统相比，达·芬奇Xi系统采用了4个微创手术刀的设计，且为影像和器械提供了更为强大的可扩展性。得益于此，该手术系统的应用领域也从前列腺切除手术、心脏瓣膜修复和妇科手术扩展至更为复杂的手术。例如，在手术的过程中同时完成切除以及检查。

3 仿人生物医学工程的发展

仿人生物医学工程中涉及的核心元器件的开发也在飞速发展，芯片企业正在参与这一领域的研发。例如，英特尔投资公司（Intel Capital）就曾向世界顶尖的欧洲仿人机器人研制企业Aldebaran Robotics投资1 300万美元，后者面向个人服务、医疗护理及自闭症儿童辅助治疗等领域，研制并销售先进的可编程仿人机器人。这些机器人可执行包括面部与语音识别、定位感知功能等功能。

（张晓蜂 刘训勤 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

海军科研项目

王 猛（1979—），男，博士，助理研究员，主要从事海上平台医疗系统设计和海军专用医疗装备研发方面的工作，E-mail：wangmeng1499@ 163.com。

200433上海，海军医学研究所（王 猛，于东方，沈俊良，赵红旗，倪 健）

于东方，E-mail：dongfang_yu@163.com