基于动态价值流的层流手术中心流程优化研究

黄 丽，叶春明，刘文值，罗 群，董学文，曹琬琳

(1.上海理工大学 管理学院，上海 200093；2.攀枝花学院 经济与管理学院，四川 攀枝花 617000；3.攀枝花学院 附属医院，四川 攀枝花 617000；4.攀枝花学院 智能制造学院，四川 攀枝花，617000)

“两升一降”是医院精细化运营持续追求的目标，即提升“患者安全”和“满意度”，降低“患者医疗费用”。作为医院枢纽部门的层流手术中心[1]，通过为患者创造安全洁净的手术环境降低手术感染率，但同时也给医院带来巨大的能耗成本，具有典型的“高安全”、“高能耗”特点[2-3]。在层流手术流程中，患者抱怨最多的是术前等待时长[1]。因此，如何缩短患者在手术流程中的术前等待时长，减少手术中心的超时开放时长，以及提高手术中心的利用率，对促进“两升一降”，建立节能型手术中心具有重要意义。

价值流程图 (value stream mapping,VSM)是一项“消除浪费，创造价值”的精益管理工具，主要用于流程浪费分析[4-5]，识别瓶颈流程[6]，挖掘延误总流程的关键子流程[7]，评价流程改善前后的效果[8]等。然而，价值流图所记录的流程时间是观测期内的静态数据，不能动态反映流程时间的不确定性，而不确定性对成本有重大影响，并可能导致更多的浪费[9]。基于此，价值流技术常与仿真技术结合，用于动态模拟系统浪费及验证改善效果。Xie等[10]以提高资源利用率为目标，运用价值流技术和仿真技术对手术室进行动态规划，并模拟和验证规划效果。Nuri等[11]以土耳其某公立医院的物理治疗和复健部门为研究对象，从患者的角度定义浪费和无价值活动，应用价值流图和仿真方法对此进行系统模拟，消除无价值活动，缩短患者诊疗时长。李跃宇[6]以中国四川省内某三甲大型医院放射科病人就诊流程为研究对象，运用价值流技术找出瓶颈流程，运用仿真技术动态模拟瓶颈流程中的无价值活动对流程效率的影响，为流程重构提供策略支持。此外，运用随机系统或模糊理论[9]方法来刻画流程数据的动态性是对不确定性研究的另一种思路。随机VSM是基于统计分析，运用概率密度函数而不是确定性值来描述生产服务过程中每个活动所花费的时长；而模糊VSM是基于模糊理论，运用模糊数来描述其不确定时长。潘欲成[12]以某企业明星产品的生产过程为研究对象，将价值流与三角模糊数结合，刻画其生产提前期的不确定性，由此发现更多的浪费活动，为改进提供了更多的策略和方向。医院属于强烈规避风险的决策机构，为挖掘手术过程中更多的浪费现象，本文采用基于三角模糊数的动态价值流方法分析层流手术中心的流程设计对流程绩效的影响，结合精益改善技术，降低手术流程中的不确定性，从而降低手术中心的能耗成本，减少手术室的使用浪费，缩短患者术前等待时长，为层流手术中心的“两升一降”提供流程支持。

1 基于三角模糊数的动态价值流刻画

1.1 三角模糊数

三角模糊数通常定义为有序三元组A≡(l,m,u)，其中，m为三角模糊数A的主值，表示可能性最大的值，而区间[l,u]为A的变化范围，表示A的最小值和最大值；当(u-l)的数值越大，则A越模糊。根据扩展定理，两个三角模糊数α=(l1,m1,u1)和β=(l2,m2,u2)的加、减运算表达式为

其中，α和 β 为两个三角模糊数，l1和l2为两个三角模糊数α 和 β 的最小值，m1和m2为两个三角模糊数α和 β 的主值，u1和u2为 两个三角模糊数 α和 β的最大值。

1.2 动态价值流

考虑到流程数据的动态性和数据大量采集的成本，针对每项活动的时长，采用专家评分法得到每项活动的3个估值，即乐观值lA，主值mA和悲观值uA。三元组A≡(l,m,u)中l,m,u的值由以下归属函数计算得到[12]。

动态价值流中的增值时长 (AT)、非增值时长(UT)、增值比 (MCE)计算表达式为

其中，li、mi、ui分别表示第i道增值程序的3种时长值；n1表示增值程序的数量；分别表示第i道非增值程序的3种时长值；n-n1表示非增值程序的数量，包括相邻两道程序之间的“移动”或“等待”。

2 层流手术中心现状及动态价值流现状图

2.1 层流手术中心现状

A医院是一家位于攀枝花市的三级甲等医院，拥有一个分布在两层楼共16间层流手术室的层流手术中心，其标准开放时间为周一～ 周五8:00～ 16:00。其中，F1层开放万级手术室6间，备用3间暂未开放；F2层开放万级3间、千级2间、百级2间，如图1所示。

图1 层流手术中心布局图Figure 1 Layout of laminar flow operation center

根据《洁净层流手术室2014年建筑规范》和《全国医疗服务项目规范》，百级手术室主要安排大型复杂的手术，如关节置换、器官移植等手术；千级手术室主要安排中型较复杂的手术，如骨科一类等手术；万级手术室主要安排小型简单手术，如妇产科、普外科等手术。为研究方便，由于百级手术量较少，这里只收集2019.07.01～ 07.31安排在11间非百级层流手术室的非百级 (千级、万级)手术流程数据作为月度代表数据，如图2所示。

患者从病房出发，到达层流手术中心完成手术，然后离开层流手术中心，整个过程共分为7道程序，其工作地分别为：1) 病房；2) 手术中心内外交接处；3) 手术中心内的换床区；4) 手术中心内的手术室。如图2所示。每道程序的平均时长均取自采集月的数据均值mA，其乐观时长lA和 悲观时长uA，则邀请手术中心主任等有经验的医护专家，基于数据均值mA，分别估计并取其均值得到。最后，再根据式(3)～ (5)得到每道程序的模糊时间三角数，如表1所示。

2.2 层流手术中心动态价值流现状图

根据现场实地调研，结合图2和表1数据，再根据式(6)～ (8)得到流程数据，由此绘制手术中心动态价值流现状图，如图3所示。

图2 层流手术流程图Figure 2 Laminar flow operation flow chart

在图3中，每两道程序间的移动或等待时长均由三角模糊数表达，其数据采集和计算方法同表1。值得一提的是，患者从麻醉到麻醉恢复，整个过程必须是连续的，中间不能停留，否则会加大手术风险，因此中间的等待时间都为0 min；层流手术室每完成一台手术都必须进行空气净化，千级和万级的净化时间均为15 min。

图3 层流手术中心动态价值流现状图Figure 3 Current situation of dynamic value flow of laminar flow operation center

表1 层流手术流程动态时间表Table 1 Dynamic timetable of laminar flow operation process min

从图3可以看出，每道程序的不确定性累加，加大了系统的波动性。层流手术总流程时间为(143.4，193，244.5)，其波动时长为101.1 min，占主值时长193 min的52.4%。在整个流程中，被患者认定为增值的程序为：1) 麻醉；2) 手术；3) 麻醉恢复。其增值时间为 (106.5，142，175.3)，波动时长为68.8 min，占总流程波动时长101.1 min的68%，为不确定性的主要构成部分。增值程序的工作地均在“手术室”，每服务一位患者，手术室的占用时长为 (121.5,157,190.3)，其时长主值157 min和波动时长68.8 min分别占总流程时长主值193 min的81.3%和35.6%，成为影响手术流程时长的瓶颈之地。由于每间手术室一次只能服务一位患者，手术室的占用时长及其变动范围越大，给手术排程管理者开展精细化排程带来的挑战越大。

2.3 层流手术中心主要问题

根据动态价值流程图所暴露的问题和现场调研，发现层流手术中心出现的问题主要有以下3个方面。

1) 层流手术中心超时开放时长。

层流手术中心标准开放时间为工作日8:00～ 16:00，标准开放时长为8 h。在统计的7月中，共有23个工作日。由于层流手术中心的中央空调由楼层F1和F2分别控制，其连续开放时长如图4所示。

图4 层流手术中心7月份工作日连续开放时长Figure 4 Continuous opening hours of laminar flow operation center on July working day

由图4可知，层流手术中心F1在工作日的连续开放时长均超过了8 h，最短超时1.5 h，最长超时7.8 h，日均开放时长为13 h，日均超负荷率达62.5%；层流手术中心F2有少数工作日未超时，日均开放时长为11 h，日均超负荷率达37.5%。值得一提的是，由于分布在连续开放时长外的急诊手术数据未统计在内，实际的超负荷率高于本文数据。超负荷不仅意味着硬件设施设备因超长时间运转而加速折旧，也意味着相关医护人员的加班工作。这不仅增加了医院的运营成本和医护疲劳，还降低了手术的安全性。

2) 层流手术室日空转时长。

在层流手术中心工作日连续开放时长中，层流手术室存在着空转时长，即层流手术中心的中央空调开着，但其手术室没有手术可做的时长，如图5所示。

图5 层流手术室7月份工作日平均空转时长Figure 5 Average idling time of laminar flow operating room in July

层流手术室的空转正如机器开着却无产品加工。从图5可以看出，在层流手术室工作日平均空转时长中，最长为9.31 h，最短为1.31 h，这不仅意味着层流手术室的利用不足，还意味着层流手术室的手术负荷分配不均衡。

3) 层流手术中心的能耗浪费。

层流手术中心的超时开放与层流手术室的利用不足都会导致能耗浪费[13-14]。本层流中心采取的是新风负荷系统，主要能耗是电能，分为新风负荷和室内负荷，每小时能耗与面积有关，并受季节气候影响。根据文献[3]和实地调研，层流手术中心夏季能耗粗略统计如表2所示。

表2 层流手术中心夏季单位能耗统计Table 2 Energy consumption statistics of laminar flow operation center in summer

由图5统计，层流手术中心7月份工作日手术室累计空转时长为1 137.81 h，空转单位能耗为55 kW，则月空转能耗约为6.26万 kWh。由此推算，年空转能耗约为75万 kWh，即为手术室利用不足带来的能耗浪费。由于层流手术中心超时开放导致的浪费尚未统一定义，这里暂不讨论。

在动态价值流分析中发现，手术室资源是手术流程中的瓶颈资源，也是导致手术周转率下降的主要因素，手术室的占用时长越长，患者的术前等待平均时长就越长，手术室里的患者周转率就越低；手术室占用时长的波动范围越宽，对手术室占用时长的预测准确度就越低，则安排下一台手术的衔接性就越差。因此，手术室的占用时长及其波动范围成为问题解决并优化的关键。

3 层流手术中心优化及动态价值流未来图

3.1 层流手术中心优化

基于攀枝花市A医院的问题调研，结合国内外文献研究，运用5W1H提问技术和ECRS优化原则，对层流手术中心提出以下优化策略。

1) 设置麻醉准备室PHU，并与换床区合并。

在不影响手术程序和确保医疗质量和安全的情况下，将在手术室完成的麻醉工作转移至麻醉准备室PHU，以减少手术室的占用时长。

2) 设置麻醉复苏室PACU。

同理，将在手术室完成的苏醒工作转移至麻醉苏醒室PACU，以减少手术室的占用时长。

3) PHU和PACU均设置可移动床位。

此方法是为了节省医院的空间利用率和床位利用率，降低医护人员的劳动强度，降低医疗设施成本。

4) 通知下一位患者的时刻提前。

优化前，通知下一位患者的时刻是在患者手术刚刚结束后；优化后，通知下一位患者的时刻是在患者手术进展中。

3.2 动态价值流未来图

根据优化后的流程安排，绘制动态价值流未来图，如图6所示。从图6可以看出，优化后变化最明显的是每服务一位患者的手术室占用时长及其变动范围显著缩短，其主值为90 min，波动时长为44.4 min，分别占总流程时长主值192.5 min的46.8%和23.1%，瓶颈的制约作用和不确定性被大大削弱。增值率比优化前都有一定提升，且更趋于稳定。为了对比优化前后流程绩效，且使优化效果可视化，接下来用蒙特卡洛-甘特图进行仿真评价。

图6 层流手术中心动态价值流未来图Figure 6 The future of dynamic value flow of laminar flow operation center

4 基于蒙特卡洛-甘特图的优化评价

4.1 蒙特卡洛方法

蒙特卡罗方法又称统计实验法，是一种离散事件仿真法。在仿真过程中，通过设定随机过程，利用随机变量反复生成时间序列，模拟可能出现的随机现象，以获得问题的近似解。

基于实地调研数据，以F1层手术中心为例，假设其平均日手术量有22位患者，且已经按手术优先级排好序，运用蒙特卡洛法仿真患者手术流程。假设患者每道程序的时长服从正态分布，R=normrnd(μ,σ)，其中，μ表示均值；σ表示方差。用Matlab生成正态随机数，根据模糊数的分布情况，μ和σ为[12]

4.2 甘特图

按照层流手术中心的手术室患者排序，将手术室占用时长与患者联系起来，描绘手术室的使用和空闲时长，以可视化瓶颈资源手术室的使用效率。

4.3 优化前后手术过程的模拟程序设计

优化前后患者手术流程变化的关键点主要有两个方面：1) 优化前的3道程序“麻醉”、“手术”和“麻醉恢复”均在一个工作地“手术室”内完成；优化后分别在3个工作地“麻醉准备室”、“手术室”，“麻醉复苏室”完成；2) 通知下一位患者，优化前是在手术结束时刻，优化后是手术进行到50%的时刻。如图7所示。

图7 优化前后手术过程模拟程序设计图Figure 7 Simulation program design of operation process before and after improvement

4.4 流程绩效评估

为评估流程优化效果，将患者在手术流程中的关键时点及手术室使用的关键时刻依次记录下来，如图8所示。采用的流程绩效评估指标为：1) 层流手术中心日能耗Ec；2) 手术患者术前等待时长tw；3) 层流手术中心超时时长tc；4) 手术室空转累计时长tk。其数学表达式如式 (11)～ (14)所示。

图8 手术流程中的关键时点Figure 8 Key time points in the operation process

1) 层流手术中心日能耗Ec。

式 (11)中，第1个加项表示层流中心公共区域能耗，第2和第3个加项分别表示万级和十万级室内使用能耗。c1、c2、c3分别表示公共区域、万级室内、十万级室内的单位能耗。( tw+max(T(j,3)))表示层流手术中心开放总时长。其中tw表示层流中心在首台手术前的层流时长，max (T(j,3))表示最后一台手术结束至首台手术开始间的时长。Δt1(i)为患者i在十万级室内的累计时长，优化前是在换床区的时长，优化后是在换床区、麻醉准备室和麻醉复苏室的总时长。Δt2(i)为患者i在万级手术室的实际使用时长，包括手术后的空气净化时长；n为患者位数。

2) 手术患者术前等待时长tw。

患者的术前等待可认定为患者在手术候选名单中的逗留时间[15]，即手术当日患者术前等待时长。式 (12)中，m表示手术室个数，即第一批m位患者术前等待时长认定为零。

3) 层流手术中心手术效率pc

式 (13)中，层流手术中心的手术效率衡量为平均每位患者占用的服务时长。

4) 层流手术中心超时时长tc

式 (14)中，8表示层流手术中心的标准开放时长。

5) 手术室空转累计时长tk。

式 (15)中，手术室空转累计时长由手术室接台空隙和每间手术室当日使用结束时刻距层流中心使用结束时刻的差值构成。其中，j、j′均为手术室编号。

4.5 仿真结果

仿真实验运行30次，结果取均值。优化前后流程绩效比较如表3所示。

表3 优化前后流程绩效比较Table 3 Comparison of process performance before and after improvement

通过流程再设计，流程绩效均得到了明显提升，提升最明显的是层流中心的加班时长和手术患者的等待时长，由于时长的缩短，层流中心的手术效率和能耗均得到了明显改进。

为了对比同一组患者在流程优化前后的实验效果，从30次仿真实验中随机选取一组22位患者的流程数据，运行实验，输出流程绩效，并绘制手术室使用甘特图，见表4和图9。

表4 同一组流程数据下的优化前后绩效对比表Table 4 Comparison of performance before and after improvement under the same set of process data

图9 同一组流程数据下的层流手术室使用甘特图Figure 9 Gantt chart of laminar flow operating room under the same set of process data

表4从定量角度对比了同一组患者在优化前后两种流程模式下的流程绩效。图9从可视化角度对比了同一组患者在流程优化前后的手术室占用和释放情况。在患者流程数据确定的前提下，优化后的手术室使用时长明显缩短。在不影响手术安全和手术程序可行的前提下，手术室内的工作分解相当于将手术室内的顺序串行作业改成了手术室和麻醉准备室、麻醉复苏室的交叉并行作业，从而缩短了时长，提高了效率，降低了能耗。数值仿真实验表明，流程优化为层流手术中心的“两升一降”提供了有效支持。

5 结束论

价值流图是精益医疗中分析流程浪费现象的可视化工具，但是无法反映流程中的不确定性，基于三角模糊数的动态价值流能很好地弥补这一缺陷。利用动态价值流识别流程瓶颈和不确定性浪费等问题并提出缩短瓶颈流程时长及其波动范围的优化策略，并运用蒙特卡洛法生成基于调研数据的仿真数据，动态模拟优化前后的流程绩效，系统仿真结果可以作为医院层流手术中心流程优化的决策参考和评价依据。