Systematic review of factors influencing length of stay in ICU after adult cardiac surgery

Intensive care unit (ICU) care is associated with costly and often scarce resources. In many parts of the world, ICUs are being perceived as major bottlenecks limiting downstream services such as operating theatres. There are many clinical, surgical and contextual factors that influence length of stay. Knowing these factors can facilitate resource planning. However, the extent at which this knowledge is put into practice remains unclear. The aim of this systematic review was to identify factors that impact the duration of ICU stay after cardiac surgery and to explore evidence on the link between understanding these factors and patient and resource management.We conducted electronic searches of Embase, PubMed, ISI Web of Knowledge, Medline and Google Scholar, and reference lists for eligible studies.Twenty-nine papers fulfilled inclusion criteria. We recognised two types of objectives for identifying influential factors of ICU length of stay (LOS) among the reviewed studies. These were general descriptions of predictors and prediction of prolonged ICU stay through statistical models. Among studies with prediction models, only two studies have reported their implementation. Factors most commonly associated with increased ICU LOS included increased age, atrial fibrillation/ arrhythmia, chronic obstructive pulmonary disease (COPD), low ejection fraction, renal failure/ dysfunction and non-elective surgery status.Cardiac ICUs are major bottlenecks in many hospitals around the world. Efforts to optimise resources should be linked to patient and surgical characteristics. More research is needed to integrate patient and surgical factors into ICU resource planning

Taxonomic classification of planning decisions in health care: a review of the state of the art in OR/MS

We provide a structured overview of the typical decisions to be made in resource capacity planning and control in health care, and a review of relevant OR/MS articles for each planning decision. The contribution of this paper is twofold. First, to position the planning decisions, a taxonomy is presented. This taxonomy provides health care managers and OR/MS researchers with a method to identify, break down and classify planning and control decisions. Second, following the taxonomy, for six health care services, we provide an exhaustive specification of planning and control decisions in resource capacity planning and control. For each planning and control decision, we structurally review the key OR/MS articles and the OR/MS methods and techniques that are applied in the literature to support decision making

Operating room planning and scheduling: A literature review.

This paper provides a review of recent research on operating room planning and scheduling. We evaluate the literature on multiple fields that are related to either the problem setting (e.g. performance measures or patient classes) or the technical features (e.g. solution technique or uncertainty incorporation). Since papers are pooled and evaluated in various ways, a diversified and detailed overview is obtained that facilitates the identification of manuscripts related to the reader's specific interests. Throughout the literature review, we summarize the significant trends in research on operating room planning and scheduling and we identify areas that need to be addressed in the future.Health care; Operating room; Scheduling; Planning; Literature review;

Improving operating room schedule in a portuguese hospital : a machine learning approach to predict operating room time

Tese de Mestrado, Engenharia Biomédica e Biofísica, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasFor most hospitals, the operating room (OR) is a significant source of expenses and income. A critical point of effective OR scheduling is the prediction of OR time for a patient procedure. An inefficient schedule results in two scenarios: underestimated or overestimated OR times. A solution reported in the literature is the implementation of machine learning (ML) models that include additional variables to improve the accuracy of these predictions. This project goal is to improve the OR schedule efficiency in a hospital center by achieving precise OR time predictions. This goal was accomplished by developing two ML models (Multiple Linear Regression (MLR) and Random Forest (RF)), through two different approaches. Firstly, for all the specialties on the dataset (All Specialties Model). Second, a specialty-specific model for each (Urology, General Surgery, and Orthopedics Models). This leads to eight models where the predictive features were identified based on the literature along with consultations with the professionals. The All Specialties Model presented a surgery median time of 115.0 minutes, with an R-squared surrounding 0.7. Urology had a median time of 70.0 minutes, with an R-squared of 0.822 and 0.831 and a MAE of 21.7 and 20.9 minutes for MLR and RF models, respectively. General Surgery had a median time of 110.0 minutes with an R-squared of 0.826 and 0.825 and a MAE of 26.2 and 26.1 minutes for MLR and RF, respectively. For Orthopedics, the RF was the only one able to model all the data with an R-squared of 0.683 and a MAE of 27.1 minutes. When compared with the current methods, considering a 10% threshold, the models achieved reductions in underestimation surgeries (41%), and an increase of within predictions (19%). However, with a 22% increase in overestimation predictions. We conclude that using ML approaches improve the accuracy of OR time predictions.O bloco operatório representa uma das unidades que gera maior despesas e receitas a nível hospitalar. Trata-se de um ambiente altamente complexo, onde é necessário alocar recursos materiais e humanos que são extremamente dispendiosos. Desta forma, o bloco operatório necessita de ser gerido de forma eficiente para garantir que o investimento inicialmente feito tem o seu retorno e é utilizado no seu máximo potencial. Paralelamente, os hospitais públicos, integrados no Serviço Nacional de Saúde, apresentam longas listas de espera às quais necessitam de dar resposta. Esta crescente demanda por serviços de saúde, que exige tratamento a nível de bloco operatório, é agravada pelo envelhecimento populacional, e leva a que todos os profissionais envolvidos neste ambiente coloquem os seus esforços no sentido de garantir que toda a população tem as suas necessidades asseguradas. Um ponto fulcral no problema descrito passa por, numa primeira instância, garantir um agendamento cirúrgico eficiente. Quando um paciente é eleito para uma cirurgia programável, cirurgia eletiva, é colocado em lista de espera e feito o seu agendamento, para mais tarde realizar o respetivo procedimento cirúrgico. No momento do agendamento é necessária a informação do tempo de sala de operação que o paciente irá requerer, para reservar o bloco de tempo de sala adequado ao seu procedimento cirúrgico. Um agendamento cirúrgico ineficiente pode gerar dois diferentes cenários que não são desejáveis. Por um lado, se existir uma subestimação do tempo de sala, situação em que o tempo previsto é inferior ao real, leva a que a cirurgia seja mais longa que o estimado e, consequentemente, atrase as operações seguintes. No pior dos cenários há operações que são canceladas. Por outro lado, se há uma sobrestimação, a cirurgia levou menos tempo que o estimado, não há um aproveitamento total dos recursos da sala de operação. Na maioria dos hospitais, esta previsão de tempo de sala é feita com base na experiência do cirurgião e a implementação de ferramentas de inteligência artificial para executar esta tarefa ainda é escassa. Este tipo de previsão leva a um elevado número de cirurgias subestimadas, pois o cirurgião, na sua maioria, não tem em consideração fatores do paciente e anestésicos que impactam o tempo de sala considerando, na maioria das vezes, somente o tempo necessário à cirurgia em si. Além disso, o cirurgião tende a alocar o maior número de cirurgias num curto bloco de tempo, o que leva a uma previsão irrealista. Uma solução apontada na literatura é a implementação de algoritmos de aprendizagem automática para o desenvolvimento de modelos que implementem variáveis associadas ao paciente, operacionais, anestésicas e relacionadas com o staff. Este tipo de abordagens mostrou melhorar a precisão na previsão do tempo de sala. O projeto apresentado foi baseado numa metodologia que, primeiramente, permitiu a compreensão dos métodos praticados no centro hospitalar abordado no projeto, o Centro Hospitalar Lisboa Central (CHULC), a validação da relevância do projeto e como objetivo principal, o aumento da eficiência do bloco operatório através da melhoria na precisão da predição do tempo de sala. Toda a metodologia foi desenvolvida tendo como fundamento a base de dados fornecida por esta instituição que contém todas as cirurgias relativas às especialidades de Urologia, Cirurgia Geral e Ortopedia realizadas nos últimos cinco anos (janeiro de 2017 a dezembro de 2021). Para alcançar o objetivo central de melhorar a predição do tempo de sala, foram propostos dois modelos de aprendizagem automática, cujo output é o tempo de sala, um modelo de regressão linear múltipla e de uma floresta aleatória (em inglês designado por Random Forest- RF) segundo duas abordagens. A primeira abordagem consistiu no desenvolvimento de um modelo único para todas as três especialidades apresentadas na base de dados e a segunda num modelo específico para cada especialidade individual. O que conduziu a um total de oito modelos, uma vez que em cada abordagem ambos os algoritmos de regressão linear múltipla e de RF foram implementados. As variáveis com potencial valor preditivo da base de dados do CHULC foram identificadas com base na revisão de literatura assim como em reuniões marcadas com os diretores de serviço das especialidades abordadas, administradores hospitalares e anestesiologistas. Uma vez abordada a metodologia atualmente implementada no CHULC para a previsão do tempo de sala, que é baseada na experiência do próprio cirurgião, foi avaliado o impacto do tempo controlado pelo cirurgião e relativo à anestesia no tempo de sala. O tempo controlado pelo cirurgião apresentou a maior correlação com o tempo de sala, com um coeficiente de Pearson de 0,966 seguido do tempo anestésico, com um coeficiente de 0,686. A elevada correlação do tempo controlado pelo cirurgião com o tempo de sala indica que, por um lado, a forma como a predição do tempo de sala é praticada atualmente não é totalmente errada, mas, por outro lado, não é tão realistas já que não considera todos os fatores que influenciam este tempo. Ao incluir as variáveis relativas ao paciente, hospital e anestesia nos oito modelos propostos, para uma mediana de tempo de sala de 115,0 minutos, o modelo de regressão linear relativo a todas as especialidades obteve um R-quadrado de 0,780 acompanhado por um erro médio absoluto de 26,9 minutos. Os modelos de Urologia apresentaram um R-quadrado de 0,822 e 0,831 e um erro médio de 21,7 e 20,9 minutos para o modelo de regressão linear e de RF, respetivamente, com uma mediana de cirurgia de 70,0 minutos. Para a Cirurgia Geral, a mediana de cirurgia é de 110,0 minutos com um R-quadrado de 0,826 e 0,825 e um erro médio de 26,2 e 26,1 minutos para os modelos de regressão linear e RF, respetivamente. No modelo de Ortopedia, o algoritmo de RF foi o único capaz de modelar todos os dados desta especialidade com um R-quadrado de 0,683 e um erro médio de 27,1 minutos, para uma mediana de cirurgia de 130,0 minutos. Nesta especialidade, a regressão linear conseguiu moldar todas as cirurgias com exceção das cirurgias relativas ao joelho e anca, com um R-quadrado de 0,685 e erro médio de 28,9 minutos. As possíveis causas foram levantadas e descritas em maior detalhe, a elevada variabilidade entre procedimentos e o perfil de doentes (polidiagnosticados e polimedicados) foram os pontos fulcrais apontados pelo diretor de cirurgia ortopédica do CHULC. Quando comparado com os métodos atuais do CHULC, todos os modelos alcançaram uma diminuição significativa no erro de predição do tempo de sala. Considerando uma margem de 10%, todos os modelos apresentaram uma redução na percentagem de cirurgias subestimadas, cerca de 41%, e um aumento nas percentagens das cirurgias estimadas corretamente, rondando os 19%. No entanto, os modelos registaram um aumento de 22% nas cirurgias sobrestimadas. Futuros estudos no sentido de traduzir o impacto de cirurgias subestimadas e sobrestimadas serão necessários para complementar estes resultados. A variável que apresentou um maior impacto em todos os modelos de RF foi a média do cirurgião com base no tipo de procedimento cirúrgico realizado. Dado o elevado grau de linearidade desta variável com o output do modelo, o tempo de sala, expresso por um coeficiente de Pearson de 0,865, levou a que o modelo de regressão linear conseguisse traduzir de forma precisa a relação entre estas variáveis, e, consequentemente, atingisse resultados semelhantes ao modelo de RF nas especialidades de Urologia e Cirurgia Geral. Conclui-se que a implementação de abordagens de aprendizagem automática melhora a precisão na predição do tempo de sala e podem servir como uma ferramenta de apoio à decisão clínica para o auxílio do agendamento cirúrgico. Para operacionalizar estes resultados a nível hospitalar é necessário trabalho futuro

Optimising cardiac services using routinely collected data and discrete event simulation

Background: The current practice of managing hospital resources, including beds, is very much driven by measuring past or expected utilisation of resources. This practice, however, doesn’t reflect variability among patients. Consequently, managers and clinicians cannot make fully informed decisions based upon these measures which are considered inadequate in planning and managing complex systems. Aim: to analyse how variation related to patient conditions and adverse events affect resource utilisation and operational performance. Methods: Data pertaining to cardiac patients (cardiothoracic and cardiology, n=2241) were collected from two major hospitals in Oman. Factors influential to resource utilisation were assessed using logistic regressions. Other analysis related to classifying patients based on their resource utilisation was carried out using decision tree to assist in predicting hospital stay. Finally, discrete event simulation modelling was used to evaluate how patient factors and postoperative complications are affecting operational performance. Results: 26.5% of the patients experienced prolonged Length of Stay (LOS) in intensive care units and 30% in the ward. Patients with prolonged postoperative LOS had 60% of the total patient days. Some of the factors that explained the largest amount of variance in resource use following cardiac procedure included body mass index, type of surgery, Cardiopulmonary Bypass (CPB) use, non-elective surgery, number of complications, blood transfusion, chronic heart failure, and previous angioplasty. Allocating resources based on patient expected LOS has resulted in a reduction of surgery cancellations and waiting times while overall throughput has increased. Complications had a significant effect on perioperative operational performance such as surgery cancellations. The effect was profound when complications occurred in the intensive care unit where a limited capacity was observed. Based on the simulation model, eliminating some complications can enlarge patient population. Conclusion: Integrating influential factors into resource planning through simulation modelling is an effective way to estimate and manage hospital capacity.Open Acces

Data-driven surgical duration prediction model for surgery scheduling: A case-study for a practice-feasible model in a public hospital

Healthcare Automation Award Finalist</p

PREDICTING THE DURATION OF SURGERIES TO IMPROVE PROCESS EFFICIENCY IN HOSPITALS

Predicting the duration of surgeries is an important task because of the many dependencies between surgery processes and the hospital processes within other departments. Thus, accurate predictions allow for better coordinating patient processes throughout the hospital. Prior data-driven research provides evidence for accurate predictions of surgery durations enhancing the efficiency of surgery schedules. However, the current prediction models require large sets of features, which make their adoption more intricate. Moreover, prediction models focus on the surgery department and neglect potential effects on other departments. We use a unique dataset of about 17,000 surgeries to study how particular features and machine learning algorithms affect the prediction accuracy of major surgery steps. The prediction models that we study require few features and are easy to apply. The empirical findings can be useful for the design of surgery scheduling systems