陳 捷 宿 翀

基于遺傳算法的吞咽功能障礙智慧中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度方法研究*

陳 捷①宿 翀②*

目的：探討面向腦卒中后吞咽功能障礙的智慧中醫(yī)康復(fù)學(xué)醫(yī)療資源調(diào)度方法，以節(jié)省患者就診時(shí)間，合理安排醫(yī)務(wù)人員的治療流程。方法：設(shè)計(jì)智慧中醫(yī)康復(fù)系統(tǒng)的框架，建立包含針灸、推拿及康復(fù)訓(xùn)練在內(nèi)的醫(yī)療資源調(diào)度模型；基于遺傳算法給出在調(diào)度時(shí)間最優(yōu)為目標(biāo)下的調(diào)度方法。結(jié)果：①通過對(duì)5例吞咽障礙患者的康復(fù)治療資源進(jìn)行調(diào)度，其總治療時(shí)間與未經(jīng)調(diào)度時(shí)相比節(jié)省42.5%；②針對(duì)20例虛擬吞咽障礙患者的康復(fù)治療過程進(jìn)行仿真調(diào)度，總治療時(shí)間節(jié)省71%。該方法明顯提高了醫(yī)院的診療效率。結(jié)論: 智慧中醫(yī)康復(fù)醫(yī)療資源調(diào)度方法可用于腦卒中后吞咽功能障礙患者的輔助康復(fù)治療，能夠提升醫(yī)院的診療效率，節(jié)約大量醫(yī)療資源。

智慧中醫(yī)康復(fù)；吞咽功能障礙；康復(fù)醫(yī)療資源；調(diào)度；遺傳算法

陳捷,女,(1984- ),博士，主治醫(yī)師。北京市中關(guān)村醫(yī)院針灸推拿科，從事中醫(yī)學(xué)、針灸推拿學(xué)及智慧醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究工作。

智慧醫(yī)療的建設(shè)是我國智慧城市發(fā)展的要素之一，是大數(shù)據(jù)理論與應(yīng)用的重要領(lǐng)域[1-3]。針對(duì)醫(yī)療資源緊張、患者眾多等現(xiàn)實(shí)問題，醫(yī)師治療和醫(yī)療資源優(yōu)化調(diào)度是醫(yī)院管理中的一項(xiàng)重要組織手段。隨著我國老齡化社會(huì)的到來，中醫(yī)康復(fù)保健科室的醫(yī)療資源凸顯匱乏，亟需構(gòu)建智慧中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度方法這項(xiàng)重要工作[4]?；诖?，本研究通過提煉智慧中醫(yī)康復(fù)系統(tǒng)所需要素和功能，構(gòu)建系統(tǒng)框架模型，提出基于遺傳算法的中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度方法，并應(yīng)用于吞咽功能障礙治療的中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度中。

1 腦卒中后吞咽功能障礙的智慧中醫(yī)康復(fù)系統(tǒng)

1.1 智慧中醫(yī)康復(fù)系統(tǒng)

中風(fēng)后吞咽功能障礙的康復(fù)治療通常依據(jù)患者的吞咽功能障礙診斷分型結(jié)果(口期、舌期、咽期和喉期)對(duì)患者的舌、咽及喉等部位的肌肉群和所涉及的風(fēng)府穴、廉泉穴，配合風(fēng)池、翳風(fēng)、列缺、照海及太溪穴等穴位進(jìn)行針灸針刺，涉及吞咽功能的神經(jīng)系統(tǒng)恢復(fù)往往采用藥物導(dǎo)入、相關(guān)肌肉理療、舌肌訓(xùn)練、咽收縮訓(xùn)練以及轉(zhuǎn)頭訓(xùn)練等方法進(jìn)行康復(fù)治療[5-8]?？祻?fù)治療方案的確定，涉及多個(gè)肌肉群與神經(jīng)系統(tǒng)群的治療目標(biāo)和針灸、肌肉推拿、神經(jīng)系統(tǒng)刺激及肌肉理療等多種屬性的治療。然而，目前缺乏從宏觀診療框架到各醫(yī)療資源的系統(tǒng)性描述方法。

智慧中醫(yī)康復(fù)系統(tǒng)是涉及到多要素、多層次動(dòng)態(tài)和開放的復(fù)雜龐大系統(tǒng)[9]。采用傳統(tǒng)的機(jī)制建立模型或圖形建模等方法難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確搭建。目前，伴隨大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，智慧中醫(yī)康復(fù)醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的容納能力會(huì)顯著提升。因此，智慧中醫(yī)康復(fù)系統(tǒng)的模型建立要以人為中心，以問題求解為目標(biāo)，進(jìn)行有效組織設(shè)計(jì)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)框架模型設(shè)計(jì)

基于交互認(rèn)識(shí)論與復(fù)雜系統(tǒng)論，建立醫(yī)療資源的優(yōu)化調(diào)度方法及群體醫(yī)護(hù)人員的智慧涌現(xiàn)理論，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)問題求解的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。智慧中醫(yī)康復(fù)系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 智慧中醫(yī)康復(fù)系統(tǒng)的框架圖

智慧中醫(yī)康復(fù)系統(tǒng)框架主要分為研究對(duì)象和系統(tǒng)建模與方法研究?jī)纱蟛糠?。研究?duì)象主要分為要素、行為屬性及基本研究?jī)?nèi)容。在系統(tǒng)建模與方法研究中，主要分為系統(tǒng)建模與群體醫(yī)師智慧涌現(xiàn)方法研究。圖1中紅色虛線部分所顯示的智慧中醫(yī)康復(fù)系統(tǒng)建模部分中的醫(yī)療資源調(diào)度方法是本研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 基于啟發(fā)式遺傳算法的中醫(yī)醫(yī)療設(shè)備調(diào)度方法

2.1 調(diào)度方法

(1)加工車間(Job-shop，JSP)作業(yè)調(diào)度問題。JSP是一類典型的生產(chǎn)調(diào)度問題，常用αβγ三個(gè)參數(shù)描述調(diào)度問題，其中，α為機(jī)器類型和數(shù)量；β為工件工作性質(zhì)和加工的約束條件。如果β為空，則表示對(duì)工件無具體的加工約束。常見的約束條件包括加工的在線性(on-line)，工件準(zhǔn)備就緒時(shí)間的一致性(γ1)，工件加工截止期(deadline)，是否存在中斷加工情況(pmtn)等；γ為總調(diào)度任務(wù)的目標(biāo)函數(shù)。

(2)模型目標(biāo)與約束條件。JSP調(diào)度問題的模型通常描述：①加工系統(tǒng)有n個(gè)工件和m臺(tái)機(jī)器，每個(gè)工件均不需要經(jīng)過所有的機(jī)器加工；②加工的路線和加工時(shí)間事先已知；③約定每臺(tái)機(jī)器在任意時(shí)刻最多只能加工1個(gè)工件，每個(gè)工件在任意時(shí)刻最多只能由1臺(tái)機(jī)器加工，加工過程不能間斷，機(jī)器之間緩沖區(qū)無限大。要求合理的安排每臺(tái)機(jī)器上的加工過程，使某些生產(chǎn)指標(biāo)最優(yōu)。

(3)JSP調(diào)度作為單機(jī)調(diào)度問題研究時(shí)，往往被描述為如下模型：有n個(gè)工件J1，J2，…Jn在1臺(tái)機(jī)器上加工，工件Ji的加工時(shí)間為Pi，權(quán)重為ωi，預(yù)期完成時(shí)間di，目標(biāo)函數(shù)為加權(quán)完成時(shí)間，目標(biāo)函數(shù)計(jì)算為公式1：

(4)其調(diào)度過程需滿足如下條件：①不可中斷加工。一旦開始加工就不能中斷，直至加工完成；②機(jī)器唯一性。1臺(tái)機(jī)器在同一時(shí)刻只能加工1個(gè)工件；③工件唯一性。1個(gè)工件在同一時(shí)刻只能在1臺(tái)機(jī)器上加工。

(5)衡量JSP調(diào)度作業(yè)排序的指標(biāo)：①作業(yè)流程時(shí)間和平均作業(yè)流程時(shí)間；②完成一組作業(yè)所需的總時(shí)間。

2.2 智慧中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度方法

受上述JSP調(diào)度問題回顧的啟發(fā)，中醫(yī)康復(fù)科醫(yī)療設(shè)備調(diào)度方法可歸結(jié)為一類求解最優(yōu)診療序列的JSP多機(jī)優(yōu)化調(diào)度問題，即所有患者進(jìn)行完全部治療所用的時(shí)間最短。其數(shù)學(xué)描述為公式2：

式中n為患者數(shù)量，m為醫(yī)療設(shè)備數(shù)量，ωi表示第i為患者治療的優(yōu)先權(quán)重，Ci表示第i為患者在第i個(gè)醫(yī)療設(shè)備上治療的完成時(shí)間，目標(biāo)函數(shù)T表示全部患者在經(jīng)歷全部治療之后的總時(shí)間。約束條件M1表示假設(shè)經(jīng)醫(yī)師診斷，所有患者都需要使用所有的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行治療；約束條件M2表示：一旦患者開始治療就不能中斷，直至整體治療完成；約束條件M3表示：一種醫(yī)療設(shè)備在同一時(shí)刻只能針對(duì)1位患者進(jìn)行治療；約束條件M4表示：1位患者在同一時(shí)刻只能使用一種醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行治療。

2.3 中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度流程

基于遺傳算法的中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度流程具體的調(diào)度步驟描述：①步驟1。t=0，在全局搜索區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生初始種群-xl(t)，每代種群包含1個(gè)個(gè)體，設(shè)定收斂閾值q或停止迭代步長；②步驟2。本研究論文中初始設(shè)置每個(gè)患者治療的優(yōu)先權(quán)重相等()，并給出初始調(diào)度序列，得到1個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度指標(biāo)T (公式1)；③步驟3。進(jìn)入選擇優(yōu)秀個(gè)體、交叉及變異等遺傳操作，由算法產(chǎn)生新的種群；④步驟4。循環(huán)至步驟2，進(jìn)行迭代計(jì)算；⑤步驟5。當(dāng)算法得到的收斂閾值≤q或停止迭代步長，算法執(zhí)行完畢?；谶z傳算法的中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度流程如圖2所示。

圖2 基于遺傳算法的中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度流程圖

3 智慧中醫(yī)康復(fù)系統(tǒng)臨床應(yīng)用

3.1 一般資料

選取北京市中關(guān)村醫(yī)院中醫(yī)理療康復(fù)的5例腦卒中后吞咽功能障礙患者，按照治療方法的不同，將其分為患者A、患者B、患者C、患者D和患者E。

(1)患者A，男性，46歲。2014年4月20日夜右側(cè)顳葉、枕葉大面積腦梗塞，致使左側(cè)肢體不利，左上肢肌力1級(jí)，左下肢肌力3級(jí)，言語不利，伴飲水嗆咳。

(2)患者B，女性，60歲。2014年5月10日腦干梗塞，致使四肢不利，左上肢肌力1級(jí)，右上肢肌力2級(jí)，左下肢肌力3級(jí)+，右下肢肌力3級(jí)+，言語不利，伴飲水嗆咳。

(3)患者C，男性，70歲。2014年4月26日丘腦，右側(cè)枕葉梗塞，致使左側(cè)肢體不利，左上肢肌力0級(jí)，左下肢肌力2級(jí)，言語不利，伴飲水嗆咳。

(4)患者D，男性，65歲。2014年3月15日左側(cè)額葉、顳葉大面積腦梗塞，致使右側(cè)肢體不利，右上肢肌力2級(jí)，右下肢肌力2級(jí)，言語不利，伴飲水嗆咳。

(5)患者E，女性，75歲。2014年4月15日左側(cè)額葉、顳葉腦梗塞，致使右側(cè)肢體不利，右上肢肌力2級(jí)，右下肢肌力3級(jí)，言語不利，伴飲水嗆咳。

3.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

(1)納入標(biāo)準(zhǔn)：①符合腦卒中的臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)，可參照《中國腦血管病防治指南》；②確有腦卒中的表現(xiàn)；③病程在發(fā)病2周至6個(gè)月；④年齡在20～85歲；⑤所有參與研究的患者均簽署患者知情同意書。

(2)排除標(biāo)準(zhǔn)：①除外其他疾病引起的腦卒中；②中風(fēng)后嚴(yán)重癡呆、精神障礙以及不能理解的失語和無法合作者；③對(duì)于本部分臨床研究針刺嚴(yán)重暈針者。

3.3 儀器與材料

使用6805D電針儀(上海)，電針刺激強(qiáng)度為2，波形為疏密波，連續(xù)刺激。所有穴位均加電刺激，刺激量以患者可耐受為度。針灸所用針具為一次性無菌針灸針(華佗牌，規(guī)格為0.25 mm×0.30 mm)。療程：每周一至周五進(jìn)行針灸治療，每日1次，10個(gè)工作日為一療程。

3.4 診療原則及治療終止標(biāo)準(zhǔn)

(1)診療原則。治療房間相對(duì)固定，每個(gè)治療環(huán)節(jié)由1名醫(yī)者進(jìn)行，且此醫(yī)者為方便就診在固定房間進(jìn)行治療，僅患者進(jìn)行自行調(diào)換房間進(jìn)行相應(yīng)的治療。

(2)終止標(biāo)準(zhǔn)。①觀察過程中提出自行退出者；②觀察過程中患者死亡，或出現(xiàn)不良事件，如心梗復(fù)發(fā)等；③不符合納入標(biāo)準(zhǔn)而被誤入的病例。

3.5 治療方法

(1)肢體訓(xùn)練。通過主動(dòng)運(yùn)動(dòng)和被動(dòng)運(yùn)動(dòng)來改善運(yùn)動(dòng)障礙的治療方法總稱。主要內(nèi)容包括關(guān)節(jié)活動(dòng)度訓(xùn)練、增強(qiáng)肌力訓(xùn)練、姿勢(shì)矯正訓(xùn)練和神經(jīng)生理學(xué)療法等。主要進(jìn)行體位轉(zhuǎn)換、被動(dòng)運(yùn)動(dòng)、保持良肢位、起坐訓(xùn)練以減少壓瘡、以及關(guān)節(jié)攣縮等并發(fā)癥，為日后康復(fù)訓(xùn)練打好基礎(chǔ)；在離床期應(yīng)進(jìn)行坐位訓(xùn)練、平衡訓(xùn)練及起立訓(xùn)練等促使患者肢體功能得到提高；在步行期則主要以步行訓(xùn)練改善步態(tài)為主。為了增進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，常采用多種治療技術(shù)的綜合方法及運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)療法，以達(dá)到恢復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)的目的。

(2)言語訓(xùn)練。①呼吸訓(xùn)練：聲門上吞咽又叫做自主氣道保護(hù)法，醫(yī)者囑咐患者吸氣，屏住，之后吞咽；②冷刺激：醫(yī)師將冰棉棒和0℃冰水混合物配合，輕輕刺激患者咽喉壁、舌根部、腭弓及軟腭，并囑咐患者進(jìn)行空吞咽；③腹式呼吸技術(shù)：指導(dǎo)患者處于放松坐位的位置進(jìn)行鍛煉，醫(yī)者可將兩手分別置于患者胸部與腹部，吸氣時(shí)患者可將置于腹部手抬起，而在呼氣結(jié)束時(shí)則由指導(dǎo)人員迅速對(duì)患者的膈肌進(jìn)行震動(dòng)及伸張干預(yù)；④空吞咽技術(shù)；囑患者每次吞咽后，反復(fù)做幾次空吞咽，因?yàn)楦纳仆萄使δ茏钪匾挠?xùn)練方式是空吞咽；⑤唇、舌及下頜吞咽肌訓(xùn)練：為了增強(qiáng)唇、舌及下頜的運(yùn)動(dòng)功能，唇、下頜運(yùn)動(dòng)使用壓舌板與水平面平行平放在兩唇之間，治療師上下左右運(yùn)動(dòng)壓舌板，患者雙唇緊閉咬住壓舌板，使之不掉落，之后用壓舌板作阻力阻止下頜的閉合和打開。不能伸舌運(yùn)動(dòng)的患者，訓(xùn)練師采用手夾紗布，幫助舌部拉伸?？傮w訓(xùn)練控制在20 min左右，由專門一位治療師進(jìn)行訓(xùn)練。

(3)電針結(jié)合點(diǎn)剌放血。取穴選用：風(fēng)池、完骨、翳風(fēng)、旁廉泉、廉泉、金津、玉液。合谷、肩俞、手三里、梁丘、血海、足三里、太沖、腎俞、大腸俞、環(huán)跳。金津、玉液用清潔的紗布夾住舌頭拉出，棱針點(diǎn)刺舌下靜脈，使血流出。

(4)按摩手法治療。由按摩醫(yī)師操作，按摩頸、上肢和下肢，穴位有廉泉、翳風(fēng)、合谷、風(fēng)池、肩俞、手三里、梁丘、血海、足三里、太沖。采用指揉法，按法，擦法，每日1次，每次每穴20次，保證手法的柔和，協(xié)調(diào)，力度和速度的均勻連續(xù)。

3.6 具體治療方案

(1)患者A治療方案：制定康復(fù)訓(xùn)練40 min，包括上肢10 min，下肢20 min，活動(dòng)度訓(xùn)練10 min。言語訓(xùn)練30 min，包括呼吸訓(xùn)練，飲水訓(xùn)練，認(rèn)知訓(xùn)練。針灸治療平臥位肢體與頭部針灸20 min，側(cè)臥腰部針灸10 min。按摩治療上、下肢體各10 min。

(2)患者B治療方案：患者四肢癱瘓，康復(fù)訓(xùn)練60 min，包括上肢20 min，下肢20 min，活動(dòng)度訓(xùn)練20 min。言語訓(xùn)練30 min，包括呼吸訓(xùn)練，飲水訓(xùn)練，認(rèn)知訓(xùn)練。針灸治療平臥位肢體與頭部針灸20 min。按摩治療左右上、下肢體各20 min。

(3)患者C治療方案：制定康復(fù)訓(xùn)練40 min，包括上肢10 min，下肢20 min，活動(dòng)度訓(xùn)練10 min。言語訓(xùn)練20 min，包括呼吸訓(xùn)練，飲水訓(xùn)練，認(rèn)知訓(xùn)練。針灸治療平臥位肢體與頭部針灸20 min，側(cè)臥腰部針灸10 min。按摩治療上、下肢體各10 min。

(4)患者D治療方案：制定康復(fù)訓(xùn)練40 min，包括上肢10 min，下肢20 min，活動(dòng)度訓(xùn)練10 min。言語訓(xùn)練20 min，包括呼吸訓(xùn)練，飲水訓(xùn)練，認(rèn)知訓(xùn)練。針灸治療平臥位肢體與頭部針灸20 min。按摩治療上、下肢體各10 min。

(5)患者E治療方案：患者年老體弱，訓(xùn)練時(shí)間相對(duì)減少。康復(fù)訓(xùn)練30 min，包括上肢10 min，下肢20 min。言語訓(xùn)練20 min，包括呼吸訓(xùn)練，飲水訓(xùn)練。針灸治療平臥位肢體與頭部針灸20 min，側(cè)臥腰部針灸10 min。按摩治療上下肢體各10 min。

3.7 醫(yī)療資源簡(jiǎn)介

(1)中醫(yī)康復(fù)醫(yī)療資源。提供肢體康復(fù)訓(xùn)練(Ⅰ)、言語康復(fù)訓(xùn)練(Ⅱ)、針灸(Ⅲ)、按摩(Ⅳ)。共4位醫(yī)師在4個(gè)房間分別進(jìn)行4項(xiàng)治療。

(2)假設(shè)條件。①每位患者均需要進(jìn)行4個(gè)康復(fù)治療環(huán)節(jié)；②每位患者都在某一時(shí)刻只能進(jìn)行一種康復(fù)治療，且每個(gè)治療師在某一時(shí)刻只能進(jìn)行一種康復(fù)治療；③每個(gè)治療師在固定房間某一時(shí)刻只能為一個(gè)患者進(jìn)行一種康復(fù)治療，且該房間的器械某一時(shí)刻僅供該治療師、該患者使用。治療師治療時(shí)間安排按治療方案執(zhí)行。5例患者的具體治療策略和治療時(shí)間見表1、表2。

表1 患者每個(gè)治療環(huán)節(jié)所占用醫(yī)療資源

注：某患者進(jìn)行某環(huán)節(jié)治療時(shí)所占用的醫(yī)療設(shè)備：如表的第2行第1個(gè)數(shù)據(jù)為“Ⅱ”，表示第2位患者的第1個(gè)康復(fù)治療環(huán)節(jié)需要占用的第Ⅱ個(gè)治療環(huán)節(jié)-言語康復(fù)。

表2 患者每個(gè)治療環(huán)節(jié)所需醫(yī)療資源的占用時(shí)間(min)

3.8 仿真研究方法

基于上述5例患者的臨床治療方法，本研究另選取20例虛擬吞咽障礙患者的數(shù)據(jù)作為仿真研究資料，其患者的具體治療策略和治療時(shí)間見表3、表4。

表3 20例虛擬患者每個(gè)治療環(huán)節(jié)所占用醫(yī)療資源

表4 20例虛擬患者每個(gè)治療環(huán)節(jié)所需醫(yī)療資源占用時(shí)間(min)

4 結(jié)果

4.1 智慧中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度

采用遺傳算法優(yōu)化式，建立調(diào)度優(yōu)化模型。設(shè)遺傳算法執(zhí)行過程中的種群規(guī)模為每代種群20個(gè)個(gè)體，優(yōu)化迭代步長為20代。遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)為求解公式(2)最小化情況下的最優(yōu)調(diào)度序列。其中，初始種群(調(diào)度序列)由醫(yī)師根據(jù)治療經(jīng)驗(yàn)給出。圖3為基于遺傳算法的最優(yōu)治療序列收斂圖，圖4為基于本研究所提調(diào)度方法的中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度甘特圖。

圖3 基于遺傳算法的最優(yōu)治療序列搜索過程收斂圖

圖4 中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度甘特圖

圖4顯示，縱軸“1”代表第4種療法(即按摩療法)，縱軸“1”所在第一行的治療序列表示：第(3)例患者在第30～50 min進(jìn)行按摩療法治療，第(1)例患者在第130～150 min時(shí)進(jìn)行按摩療法治療，第(4)例患者在第150～170 min時(shí)進(jìn)行按摩療法治療，第(5)例患者在第170～190 min時(shí)進(jìn)行按摩療法治療，第(2)例患者在第190～230 min時(shí)進(jìn)行按摩療法治療。其余以此類推。

4.2 康復(fù)資源調(diào)度結(jié)果分析

圖3表明，本研究所提出調(diào)度方法最終在遺傳算法進(jìn)行到第5次循環(huán)時(shí)收斂。經(jīng)整理北京市中關(guān)村醫(yī)院的診療記錄，治療上述5位患者的平均總用時(shí)為400 min，而采用本研究所提調(diào)度方法之后，總治療用時(shí)為230 min(圖4所示)，節(jié)約原用時(shí)的42.5%。

基于上述討論與分析，本研究所提出的調(diào)度方法滿足了患者的治療需求，節(jié)約了患者就醫(yī)的時(shí)間，并合理的安排工作人員的時(shí)間，避免了患者在同一時(shí)間進(jìn)行治療的矛盾，滿足了醫(yī)患雙方的共同利益。此外，該方法在處理患者數(shù)量大于醫(yī)療設(shè)備數(shù)量的問題時(shí)，具有明顯的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，且實(shí)施簡(jiǎn)便。

4.3 仿真研究結(jié)果分析

采用遺傳算法優(yōu)化式，建立的調(diào)度優(yōu)化模型。設(shè)遺傳算法執(zhí)行過程中的種群規(guī)模為每代種群20個(gè)個(gè)體，優(yōu)化迭代步長為20代。遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)為求解公式(2)最小化情況下的最優(yōu)調(diào)度序列。其中，初始種群(調(diào)度序列)由醫(yī)師根據(jù)治療經(jīng)驗(yàn)給出。圖5為基于遺傳算法的最優(yōu)治療序列搜索過程收斂圖，圖6為基于本研究所提調(diào)度方法的中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度甘特圖。

圖5 基于遺傳算法的最優(yōu)治療序列搜索過程收斂圖

圖6 20位虛擬患者的中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度甘特圖

圖6顯示，縱軸“1”代表第4種療法(即按摩療法)，縱軸“1”所在第一行的治療序列表示：第(20)例患者在第1～30 min進(jìn)行按摩療法治療，第(12)例患者在第30～70 min時(shí)進(jìn)行按摩療法治療，第(10)例患者在第70～100 min時(shí)進(jìn)行按摩療法治療，第(11)例患者在第100～130 min時(shí)進(jìn)行按摩療法治療，第(19)例患者在第130～150 min時(shí)進(jìn)行按摩療法治療。參照?qǐng)D4的圖注，其余以此類推。

通過對(duì)20個(gè)虛擬吞咽功能障礙患者進(jìn)行治療資源調(diào)度，總用時(shí)為660 min，對(duì)比未使用調(diào)度的20個(gè)患者理論最大治療任務(wù)總完成時(shí)間(2320 min)節(jié)約71%。

5 討論

在以往的醫(yī)療資源調(diào)度研究中，多數(shù)關(guān)注手術(shù)室或醫(yī)院急救設(shè)備的優(yōu)化調(diào)度，為此眾多學(xué)者做了大量的工作。Spyropoulos[10]針對(duì)醫(yī)院管理組織中基礎(chǔ)設(shè)施昂貴、需要迅速提供給不同患者的專業(yè)化服務(wù)以及應(yīng)對(duì)緊急情況的復(fù)雜性等特點(diǎn)，應(yīng)用人工智能和相應(yīng)的規(guī)劃調(diào)度方法以支持醫(yī)院的管理，給出了此類醫(yī)院管理調(diào)度的路線圖。Oddi等[11]提出醫(yī)院設(shè)施調(diào)度中的2個(gè)基本問題：①不同要求和實(shí)施步驟之間的協(xié)同；②面向動(dòng)態(tài)的、不確定型管理調(diào)度，需要滿足當(dāng)約束變化時(shí)的醫(yī)療需求變化。同時(shí)，闡述了基于約束變化的交互式醫(yī)院管理調(diào)度技術(shù)。

5.1 醫(yī)療資源調(diào)度應(yīng)用

Chen等[12]針對(duì)康復(fù)治療中的局部問題，開發(fā)了一種基于遺傳算法的康復(fù)患者調(diào)度問題，以提高服務(wù)質(zhì)量，減少患者等待時(shí)間和增加治療設(shè)備利用率；Roland等[13]認(rèn)為，手術(shù)室是衛(wèi)生保健管理的重要資源，將手術(shù)室的規(guī)劃過程分解為2個(gè)連續(xù)的階段：即規(guī)劃階段和調(diào)度階段，并提出一種基于遺傳算法的啟發(fā)式求解方法來對(duì)手術(shù)室調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化求解；Gilleskie[14]分析了急性疾病發(fā)作期間，男性和女性患者的缺勤偏好及醫(yī)療消費(fèi)行為，并提出以類動(dòng)態(tài)評(píng)估優(yōu)化決策模型，其中包括：缺勤與治療偏好、康復(fù)的有效性及經(jīng)濟(jì)誘因在確定缺席的次數(shù)和時(shí)間的作用；Vijayakumar等[15]針對(duì)當(dāng)?shù)毓⑨t(yī)院手術(shù)資源緊張的情況，基于優(yōu)先級(jí)的情況，采用混合整數(shù)規(guī)劃模型，對(duì)多周期、多資源的復(fù)雜手術(shù)調(diào)度問題進(jìn)行了解決；Desser[16]針對(duì)挪威的醫(yī)療機(jī)構(gòu)在治療罕見病與常見病之間的資金分配問題進(jìn)行了調(diào)研，其結(jié)果表明，在治療大量常見病的同時(shí)，政策制訂者會(huì)保留部分資金用于罕見疾病患者的治療；Range等[17]針對(duì)患者入院調(diào)度(PAS)的問題，考慮患者床位分配等約束條件，提出了一種啟發(fā)式優(yōu)化的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法；Marques等[18]總結(jié)了葡萄牙國家衛(wèi)生計(jì)劃中對(duì)醫(yī)院?jiǎn)挝惶岢龅?個(gè)主要原則：即提高效率的利用現(xiàn)有資源和減少輪候手術(shù)。然而，上述研究對(duì)中醫(yī)康復(fù)醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建要素缺乏系統(tǒng)性描述，并且針對(duì)系統(tǒng)中的復(fù)雜醫(yī)療資源調(diào)度問題少有文獻(xiàn)進(jìn)行報(bào)道。

5.2 相關(guān)生產(chǎn)調(diào)度方法

如何更加合理高效地建立醫(yī)療資源調(diào)度模型，是目前醫(yī)療管理中的研究熱點(diǎn)。醫(yī)療資源的管理與調(diào)度在一定程度上可歸結(jié)為一類廣義的生產(chǎn)調(diào)度問題[19]。生產(chǎn)調(diào)度是NP完全問題(非多項(xiàng)式確定問題)，其研究目標(biāo)是在有限的資源條件下，根據(jù)生產(chǎn)的目標(biāo)與約束，為每個(gè)加工對(duì)象合理分配資源。生產(chǎn)調(diào)度具有計(jì)算度復(fù)雜、隨機(jī)不確定、多約束以及多目標(biāo)等特點(diǎn)。目前，眾多學(xué)者對(duì)生產(chǎn)調(diào)度的方法進(jìn)行了詳細(xì)的研究，肖志嬌等[20]指出在實(shí)際調(diào)度工作中，要考慮實(shí)際任務(wù)的動(dòng)態(tài)特性，并設(shè)置以總?cè)蝿?wù)延遲時(shí)間最小化和總?cè)蝿?wù)提前時(shí)間最大化的多目標(biāo)優(yōu)化問題，來進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。雖然上述討論從不同角度給出了生產(chǎn)調(diào)度策略，而面向中醫(yī)康復(fù)醫(yī)療資源的調(diào)度問題，目前還缺乏統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化描述，鮮有文獻(xiàn)明確給出中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度中的目標(biāo)函數(shù)及其約束條件。

6 結(jié)論

本研究針對(duì)中醫(yī)康復(fù)醫(yī)療資源(康復(fù)訓(xùn)練、針灸、推拿等)均需醫(yī)師陪同的時(shí)間調(diào)度問題進(jìn)行建模，明確提出了中醫(yī)康復(fù)醫(yī)療資源調(diào)度的目標(biāo)為時(shí)間最優(yōu)，并給出了調(diào)度過程的約束條件。采用遺傳算法來求解最優(yōu)的調(diào)度序列，為中醫(yī)康復(fù)醫(yī)療資源調(diào)度提供一條可行的途徑。同時(shí)，針對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)院管理調(diào)度研究中少有針對(duì)中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度建模及優(yōu)化的情況，給出了智慧中醫(yī)康復(fù)系統(tǒng)的框架。在建立智慧中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出一類基于遺傳算法的智慧中醫(yī)康復(fù)資源調(diào)度方法。本研究中的5例吞咽功能障礙患者康復(fù)治療調(diào)度過程以及20例虛擬患者的仿真調(diào)度模擬，驗(yàn)證了本研究所提方法的正確性與有效性。

然而，本研究是非常基礎(chǔ)性研究，有眾多研究?jī)?nèi)容急待探討與解決，如在醫(yī)護(hù)人員休息、治療設(shè)備故障等不確定型約束的條件下的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法，以及所提優(yōu)化調(diào)度方法的軟件可視化方法等。在未來的工作中，將側(cè)重研究上述問題的解決方法，努力完善并實(shí)現(xiàn)相關(guān)調(diào)度研究的臨床應(yīng)用，為患者和醫(yī)療資源的有效配置提供可靠的方法。

[1]吳越，裘加林，程韌.智慧醫(yī)療[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2]王珊，王會(huì)舉，覃雄派，等.架構(gòu)大數(shù)據(jù)：挑戰(zhàn)、現(xiàn)狀與展望[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2011，34(10)：1741-1752.

[3]李國杰，程學(xué)旗.大數(shù)據(jù)研究：未來科技及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略領(lǐng)域——大數(shù)據(jù)的研究現(xiàn)狀與科學(xué)思考[J].中國科學(xué)院院刊，2012，27(6)：5-15.

[4]張愷梯，郭平.中國人口老齡化與老年人狀況藍(lán)皮書[M].北京：中國社會(huì)出版社，2010.

[5]Huang KL，Liu TY，Huang YC，et al.Functional outcome in acute stroke patients with oropharyngeal dysphagia after swallowing therapy[J].J Stroke Cerebrovasc Dis，2014，23(10)：2547-2553.

[6]Hassan HE，Aboloyoun AI.The value of bedside tests in dysphagia evaluation[J].Egyptian Journal of Ear，Nose.Throat and Allied Sciences，2014，15(3)：197-203.

[7]Navaneethan U，Eubanks S.Approach to patients with esophageal dysphagia[J].Surg Clin North Am，2015，95(3)：483-489.

[8]Fields J，Go JT，Schulze KS.Pill properties that cause dysphagia and treatment failure[J].Curr Ther Res Clin Exp，2015，77：79-82.

[9]戴汝為，李耀東，李秋丹.社會(huì)智能與綜合集成系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[10]Spyropoulos CD.AI planning and scheduling in the medical hospital environment[J].Artif Intell Med，2000，20(2)：101-111.

[11]Oddi A，Cesta A.Toward interactive scheduling systems for managing medical resources[J].Artif Intell Med，2000，20(2)：113-138.

[12]Chien CF，Tseng FP，Chen CH.An evolutionary approach to rehabilitation patient scheduling：A case study[J].Eur J Oper Res，2008，189(3)：1234-1253.

[13]Roland B，Martinelly CD，Riane F，et al.Scheduling an operating theatre under human resource constraints[J].Computers and Industrial Engineering，2010，58(2)：212-220.

[14]Gilleskie D.Work absences and doctor visits during an illness episode：The differential role of preferences，production，and policies among men and women[J].J Econom，2010，156(1)：148-163.

[15]Vijayakumar B，Pratik PJ，Scott R，et al.A dual bin-packing approach to scheduling surgical cases at a publicly-funded hospital[J].Eur J Oper Res，2013，224(3)：583-591.

[16]Desser AS.Prioritizing treatment of rare diseases：A survey of preferences of Norwegian doctors[J]. Soc Sci Med，2013，94：56-62.

[17]Range TM，Lusby RM，Larsen J.A column generation approach for solving the patient admission scheduling problem[J].Eur J Oper Res，2014，235(235)：252-264.

[18]Marques I，Captivo ME，Pato MV.Scheduling elective surgeries in a Portuguese hospital using a genetic heuristic[J].Oper Res Health Care，2014，3(2)：59-72.

[19]王凌.車間調(diào)度及其遺傳算法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[20]肖志嬌，常會(huì)友，衣楊.啟發(fā)式規(guī)則與GA結(jié)合的優(yōu)化方法求解工作流動(dòng)態(tài)調(diào)度優(yōu)化問題[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2007，34(2)：157-160.

A research for scheduling method of rehabilitation medical resource for smart traditional Chinese medicine based on genetic algorithm and its application on the treatment for dysphagia

CHEN Jie, SU Chong//
China Medical Equipment,2017,14(3):6-12.

Objective: To explore a scheduling method of rehabilitation medical resource for smart traditional Chinese medicine(TCM) for dysphagia because of cerebral apoplexy in order to save diagnosis time for patient and reasonably arrange treatment process for medical personnel. Methods: We designed the framework of smart TCM rehabilitation system, and proposed the medical resource scheduling model including acupuncture, massage and rehabilitation training. In addition, the genetic algorithm was employed to establish the scheduling method under the optimal objective towards the scheduling time. Results: (1) The treatment time of five dysphagia patients by using rehabilitation resource scheduling in Beijing Zhongguancun Hospital were saved 42.5% from the total treatment time compared to without scheduling; (2)The rehabilitation process of twenty virtual dysphagia patients were treated by the simulation scheduling, and 71% of total treatment time was saved. The efficiency of diagnosis and treatment was improved obviously . Conclusion: Smart TCM rehabilitation resource scheduling method can be used in an assisted rehabilitation therapy for dysphagia because of cerebral apoplexy, and it can improve the efficiency of diagnosis and treatment for patient and save a lot of medical resources.

Smart rehabilitation of tradition chinese medicine; Dysphagia; Rehabilitation medical resource; Scheduling; Genetic algorithm

1672-8270(2017)03-0006-07

R2-03

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.03.002

2016-10-03

國家自然科學(xué)基金(61603023)“面向吞咽功能障礙康復(fù)診療的群體智慧學(xué)習(xí)進(jìn)化方法研究”；北京市優(yōu)秀人才資助計(jì)劃(2015000020124G041)“面向智慧中醫(yī)康復(fù)系統(tǒng)的群決策方法研究”

①北京市中關(guān)村醫(yī)院針灸推拿科 北京 100190

②北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100029

*通訊作者：suchong@mail.buct.edu.cn

[First-author’s address] Department of Acupuncture and Massage, Beijing Zhongguancun Hospital, Beijing 100190, China.