Simulation for Investigating Impact of Dependent and Independent Factors on Emergency Department System Using High Performance Computing and Agent-based Modeling

Abstract

S'ha suggerit que l'augment de la vida útil i l'envelliment de la població a Espanya, juntament amb les seves condicions de salut corresponents, com les Malalties No Transmissibles (ENT), contribueixen a una major demanda en els Serveis d'Urgències Hospitalàries (SUH). Espanya és un d'aquests països on els SUH suporta una càrrega molt alta de pacients amb ENT. Aquests pacients sovint necessiten accedir als sistemes de salut i molts d'ells han de ser readmesos, encara que no es trobin en una situació d'emergència o perillosa.

A més, moltes ENT són conseqüència de l'elecció de l'estil de vida que poden ser controlables. En general, les condicions de vida de cada pacient crònic afecten a les variables de salut i modifiquen els valors d'aquestes variables, per la qual cosa poden canviar la situació d'estabilitat dels pacients amb ENT, a la d'inestabilitat i la seva consegüent visita al Servei d'Urgències. En aquest estudi, es presenta un nou mètode per a preveure el futur rendiment i la demanda als Serveis d'Urgències Hospitalàries (SUH) a Espanya.

Aquesta predicció i quantificació del comportament dels SUH són tot un desafiament, ja que els SUH són una de les parts més complexes dels hospitals. El futur del comportament dels SUH a Espanya es preveu mitjançant l'ús d'enfocaments computacionals detallats, integrats amb dades clíniques. En primer lloc es van desenvolupar models estadístics per a preveure com, la distribució de la població i l'edat dels pacients amb malalties no transmissibles (ENT), variarien a Espanya en els pròxims anys. Seguidament, es va usar un enfocament de modelatge basat en agents, per a la simulació dels Serveis d'Urgències Hospitalàries (SUH), amb l'objectiu de predir els impactes que els canvis en la distribució de la població i l'edat dels pacients amb ENT, tindrien en el rendiment als SUH, reflectit en l'indicador del (Temps d'estada del pacient) al SUH, entre els anys 2019 i 2039.

Una altra part d'aquest estudi, és la proposta d'un model que ajuda a analitzar el comportament dels pacients amb malalties cròniques (ENT), amb un enfocament específic en pacients amb insuficiència cardíaca, en funció del seu estil de vida. Considerem que les condicions de vida afecten els signes i símptomes de les malalties cròniques i, en conseqüència, com aquestes acaben afectant a l'estabilitat de les malalties cròniques. Utilitzem el modelatge basat en agents, màquines d'estats i un sistema de lògica difusa per a desenvolupar el nostre model. Específicament, modelem els paràmetres requerits de ""condició de vida"" que poden influir en les variables mèdiques requerides. Aquestes variables determinen la classe d'estabilitat de la malaltia crònica.

Aquesta tesi també investiga els impactes del Tele-SUH en el comportament, el temps d'atenció i l'eficiència dels SUH i el fet de fer ús dels hospitals. També es proposa un model pel Tele-SUH, que proporciona serveis mèdics d'atenció "en línia". La simulació i el modelatge basat en agents són eines poderoses que ens permeten modelitzar i preveure el comportament dels SUH, com un sistema complex, pel conjunt d'entrades desitjades. Cada agent, fonamentat en un conjunt de regles, interacciona amb el seu entorn i amb la resta dels agents.

Així mateix, aquesta tesi pot respondre a diverses qüestions al respecte de la demanda i el rendiment dels SUH en un futur i proporciona als proveïdors d'atenció mèdica informació quantitativa sobre l'impacte econòmic, l'assequibilitat, el personal requerit i els recursos físics necessaris. La predicció del comportament dels pacients amb ENT també pot ser beneficiosa, perquè la política de salut planifiqui l'increment de l'educació sanitària a la comunitat, reduint els comportaments de risc i ensenyant a prendre decisions de vida saludables.

Se ha sugerido que el aumento de la vida útil y el envejecimiento de la población en España, junto con sus condiciones de salud correspondientes, como las Enfermedades No Transmisibles (ENT), contribuyen a una mayor demanda en el Servicio de Urgencias Hospitalarias (SUH). España es uno de esos países donde los SUH soportan una carga muy alta de pacientes con ENT. Estos pacientes a menudo necesitan acceder a los sistemas de salud y muchos de ellos deben ser readmitidos, aunque no se encuentren en una situación de emergencia o peligrosa.

Además, muchas ENT son consecuencia de elecciones de estilo de vida que pueden ser controlables. Por lo general, las condiciones de vida de cada paciente crónico afectan las variables de salud y modifican los valores de estas variables, por lo que pueden cambiar la situación de estabilidad de los pacientes con ENT, a la de inestabilidad y su consiguiente visita al Servicio de Urgencias. En este estudio, se presenta un nuevo método para la predicción del futuro rendimiento y la demanda en el Servicio de Urgencias Hospitalarias (SUH) en España. Esta predicción y cuantificación del comportamiento del SUH son todo un desafío, ya que el SUH es una de las partes más complejas de los hospitales. El futuro del comportamiento del SUH en España se predice mediante el uso de enfoques computacionales detallados, integrados con datos clínicos. En primer lugar se desarrollaron modelos estadísticos para predecir cómo, la distribución de la población y la edad de los pacientes con enfermedades no transmisibles (ENT), cambiarían en España en los próximos años. A continuación, se usó un enfoque de modelado basado en agentes, para la simulación del Servicio de Urgencias Hospitalarias (SUH), con el objetivo de predecir los impactos que los cambios en la distribución de la población y la edad de los pacientes con ENT, tendrían en el rendimiento del SUH, reflejado en el indicador LoS (Tiempo de estancia del paciente) del SUH, entre los años 2019 y 2039.

Otra parte de este estudio, es la propuesta de un modelo que ayuda a analizar el comportamiento de los pacientes con enfermedades crónicas (ENT), con un enfoque específico en pacientes con insuficiencia cardíaca, en función de su estilo de vida. Consideramos cómo las condiciones de vida afectan los signos y síntomas de las enfermedades crónicas y, en consecuencia, cómo acaban afectando la estabilidad de estas enfermedades crónicas. Utilizamos el modelado basado en agentes, máquinas de estados y un sistema de lógica difusa para desarrollar nuestro modelo. Específicamente, modelizamos los parámetros requeridos de ""condición de vida"" que pueden influir en las variables médicas requeridas. Estas variables determinan la clase de estabilidad de la enfermedad crónica.

Esta tesis también investiga los impactos del Tele-SUH en el comportamiento, el tiempo de atención y la eficiencia del SUH y la utilización del hospital. También se propone un modelo para el Tele-SUH, que proporciona servicios médicos de atención "en línea". La simulación y el modelizado basado en agentes son herramientas poderosas que nos permiten modelizar y predecir el comportamiento del SUH, como un sistema complejo, para el conjunto de entradas deseadas. Cada agente, basado en un conjunto de reglas, interacciona con su entorno y con el resto de los agentes.

Esta tesis puede responder a varias preguntas con respecto a la demanda y el rendimiento del SUH en el futuro y proporciona a los proveedores de atención médica información cuantitativa sobre el impacto económico, la asequibilidad, el personal requerido y los recursos físicos necesarios.

Increased life expectancy, and population aging in Spain, along with their corresponding health conditions such as non-communicable diseases (NCDs), have been suggested to contribute to higher demands on the Emergency Department (ED).

Spain is one of such countries which an ED is occupied by a very high burden of patients with NCDs. They very often need to access healthcare systems and many of them need to be readmitted even though they are not in an emergency or dangerous situations.

Furthermore many NCDs are a consequence of lifestyle choices that can be controllable. Usually, the living conditions of each chronic patient affect health variables and change the quantity of these health variables, so they can change the stability situation of the patients with NCDs to instability and its resultant will be visiting ED.

In this study, a new method for the prediction of future performance and demand in the emergency department (ED) in Spain is presented. Prediction and quantification of the behavior of ED are, however, challenging as ED is one of the most complex parts of hospitals. Future years of Spain's ED behavior was predicted by the use of detailed computational approaches integrated with clinical data. First, statistical models were developed to predict how the population and age distribution of patients with non-communicable diseases change in Spain in future years. Then, an agent-based modeling approach was used for simulation of the emergency department to predict impacts of the changes in population and age distribution of patients with NCDs on the performance of ED, reflected in hospital LoS, between years 2019 and 2039.

Then in another part of this study, we propose a model that helps to analyze the behavior of chronic disease patients with a focus on heart failure patients based on their lifestyle. We consider how living conditions affect the signs and symptoms of chronic disease and, accordingly, how these signs and symptoms affect chronic disease stability. We use an agent-based model, a state machine, and a fuzzy logic system to develop the model. Specifically, we model the required 'living condition' parameters that can influence the required medical variables. These variables determine the stability class of chronic disease.

This thesis also investigates the impacts of Tele-ED on behavior, time, and efficiency of ED and hospital utilization. Then we propose a model for Tele-ED which delivers the medical services online.

Simulation and Agent-based modeling are powerful tools that allow us to model and predict the behavior of ED as a complex system for a given set of desired inputs. Each agent based on a set of rules responds to its environment and other agents. This thesis can answer several questions in regards to the demand and performance of ED in the future and provides health care providers with quantitative information on economic impact, affordability, required staff, and physical resources. Prediction of the behavior of patients with NCDs can also be beneficial for health policy to plan for increasing health education in the community, reduce risky behavior, and teaching to make healthy decisions in a lifetime. Prediction of behavior of Spain's ED in future years can help care providers for decision-makers to improve health care management.