机器学习算法在手术室管理中的应用进展_祁海鸥.pdf

作者简介:祁海鸥(1 9 7 4-),女,硕士,副主任护师,护理部副主任.收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 2 基金项目:浙江省医药卫生健康科技计划(临床研究应用项目),编号2 0 2 2 KY 1 8 2机器学习算法在手术室管理中的应用进展祁海鸥,徐 欣,薛子豪浙江大学医学院附属邵逸夫医院,浙江杭州 3 1 0 0 1 6摘 要:从手术时长预测与手术资源规划、手术相关性压力性损伤预测与评估、手术部位感染以及术中低体温风险预测等方面,对机器学习算法在手术室管理中的应用进行介绍,旨为提升手术室运营效率、优化手术患者的安全管理提供参考。关键词:人工智能;机器学习;手术室管理;手术室护理 D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 6 7 1-9 8 7 5.2 0 2 3.0 6.0 2 2中图分类号:R 1 9 7.3 2 3.2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 1-9 8 7 5(2 0 2 3)0 6-0 0 9 2-0 5 机器学习算法是实现人工智能的关键技术。在医疗护理领域中,机器学习已被广泛应用于疾病预测与辅助诊断、医学影像识别、疾病预后评价和慢病健康管理等环节。随着医疗技术进步和医院规模扩张,手术室的运营与护理管理也迎来了新的挑战,借助机器学习算法实现手术室护理工作的智能化已成为发展趋势。当前,已有研究者在宏观层面提出手术室大数据系统框架用于优化手术室护理质量1,但尚缺乏研究总结如何利用大数据实现手术室护理的智能化。本文通过总结机器学习算法在手术时长预测与手术资源规划、手术相关压力性损伤(s u r g e r y-r e l a t e dp r e s s u r e i n j u-r y,S R P I)预测与评估、手术部位感染(s u r g i c a l s i t ei n f e c t i o n,S S I)与术中低体温风险预测中的应用,以期为提升手术室运营效率、优化手术患者的安全管理提供参考。1 机器学习概述人工智能是通过机器模拟人类的方式,记录、积累、再现和运用知识的学科,本质是对人类意识与思维信息过程的模拟2。人工智能的主要技术体系包括机器学习、自然语言处理、计算机视觉、人机交互等。机器学习是实现人工智能最重要的分支之一,其本质在于通过算法解析数据之间的关系并从中学习,以实现预测和决策的功能。与传统统计分析方法不同,机器学习不需要人为决定预测因素的组合方式,算法自身将测试出最优交互项组合以优化目标函数。因此,机器学习相比于传统统计更侧重于提升数据分析的精确度以及算法效率。机器学习可分为监督学习、非监督学习、强化学习三类3。常用的机器学习算法包括支 持 向 量 机 算 法(s u p p o r t v e c t o r m a c h i n e s,S VM)、决策树算法(d e c i s i o nt r e e,D T)、随机森林算法(r a n d o mf o r e s t,R F)、朴素贝叶斯算法(n a i v eb a y e s)、梯度增强算法(g r a d i e n tb o o s t i n g)、神经网络算法(n e u r a ln e t w o r k s)、l o g i s t i c回归等。2 机器学习算法在手术室管理中的应用现状2.1 手术时长预测提高手术室效率、优化手术室管理,是提升医院整体运行效率和效益的重要环节。准确预测手术时长,合理安排手术计划,提高手术效率并减少手术室资源浪费,是医院管理者关注的重点。考虑到外科手术有较强的不确定性,越来越多的学者借助机器学习算法对手术时间进行预测。T u-w a t a n a n u r a k等4基于1 50 0 0个手术案例构成的数据集,采用R F构建手术时长预测模型,模型纳入的预测因子包括患者因素、医务人员因素、设施设备因素、手术操作因素和前序事件要素共五大类。使用该模型对9 9 0例外科手术进行时长预测,实际时长和预测时长中位数的差异为2 0.0(9.0,3 9.8)m i n,该模型将预测准确率由3 1.2%提高至4 1.1%。研究4还将预测模型应用于手术排程,并在为期3个月的测试周期内累计为手术室节约了1 90 0 0m i n手术时间。B a r t e k等5基于2 0 1 4年至2 0 1 7年华盛顿大学医学中心的5万余例手术数据,采 用 极 端 梯 度 算 法(e x t r e m eg r a d i e n tb o o s-t i n g,X G B o o s t)为医院内每个外科专科和每位外科医生创建了手术时长预测模型。以实际手术时长的1 0%为阈值,该模型可将预测准确率由3 2%提升至3 9%,其中特定医生手术时长的预测准确率可达5 0%以上。与前述研究者不同,B o d e n s t e d t29护理与康复2 0 2 3年6月第2 2卷第6期等6采用卷积神经网络算法(c o n v o l u t i o n a ln e u r a ln e t w o r k s,C NN),利用腹腔镜手术的视频影像资料和手术设备的工作数据资料构建模型,以实现对手术剩余时长的实时预测。该模型预测时间的总体平均误差为3 7%,半程平均误差为2 8%,可为实现对手术排程的动态管理提供参考。在Z h a o等7借助机器学习算法构建的机器人辅助手术时长预测模型中,采用增强回归树算法(b o o s t e dr e-g r e s s i o nt r e e,B R T)构建的预测模型最优,与使用l o g i s t i c回归的基线模型相比,B R T可将预测时长的均方根误差(r o o tm e a ns q u a r e de r r o r,RM S E)由1 0 0.4 m i n降低至8 0.2 m i n。借助该算法在Z h a o等7所在的医院制定手术计划,可将日均手术量由1 4 8台提升至2 1 9台。基于机器学习算法的手术时长预测模型可辅助手术室护理管理人员进行手术排程与调度,提升手术间利用率和手术人员的工作平衡度5。由于预测准确性的判断标准相对主观,比如以绝对时长或实际手术时长的固定比例为阈值,因此在一定程度上影响了模型预测结果的说服力,在后续研究中应结合相对客观的评价指标如RM S E、平均绝对误差(m e a na b-s o l u t ee r r o r,MA E)等从多方面评价模型的预测准确性。2.2 手术资源规划手术资源合理规划是手术室管理的重点,而利用信息数据协同人工管理是提升手术室效率的重要手段。手术安排与手术调度通常由经验丰富的手术室护士进行规划,然而这一传统规划方式已不能适应现代化的手术室资源管理。R u n a r s-s o n8构建了基于神经网络与概率约束的手术安排模型,为解决手术安排过程中涉及的各种不确定约束条件(如手术时长、接台间隔、外科医生手术列表、手术间占用情况、病房容量与预期手术患者人数等),该学者采用混合整数规划(m i x e d i n t e g e rp r o g r a mm i n g)模型制定手术排程的解决方案,从而计算手术间每日手术计划的最优方案。赵亮等9同样构建了手术安排与调度的数学优化模型,在应用该模型进行手术调度后,住院患者术前等候时间缩短、手术台次稳步上升、手术室资源利用率得到提升。前期研究中手术时长的常见预测因子包括:性别、年龄、体重指数、手术危险分级、疾病史等患者因素;进行手术的外科医生、麻醉师等医务人员因素;手术种类、手术方式、麻醉方式、手术日期与手术顺次、手术设备、手术接台时间等手术流程因素。其中外科医生相关的预测因素是导致预测时间变异的首要因素,了解预测因子的可解释性可为后续研究开发模型纳入变量提供参考。然而在前期研究的变量中,大多仅涉及手术过程相关的医、患、设施层面的因素,而未将手术过程与患者复苏及转运视为整体,从而忽略了麻醉复苏室、重症监护室等科室的床位及运转情况,若相关护理单元的床位不足将迫使手术患者在手术间内复苏,从而增加了患者离室周转和手术接台时间,进而影响对手术时长预测的准确性和手术间利用效率。因此,基于已有的预测变量,不断探索完善模型以提高手术时长预测的准确性是后续研究的重点。2.3 S R P I预测与评估2.3.1 S R P I预测S R P I是衡量护理质量的敏感指标之一。由于手术时间延长、体位安置、手术器械应用以及术中体温变化等因素,手术患者是S R P I的高发人群。一项m e t a分析1 0提示,术中获得性S R P I的发生率高达1 8%。如何预防S R P I是手术室护理人员的关注要点,当前已有数项研究借助机器学习算法,协助护理人员对手术患者发生S R P I的风险进行预测。S u等1 1以不同的数据分析算法构建了术中S R P I的风险预测模型,其中以马田系统(m a-h a l a n o b i s-t a g u c h i s y s t e m,MT S)模型具有最优的灵敏度(0.8 3 3)、特 异 度(0.9 2 8)和G-m e a n s值(0.8 7 9),其预测变量包括7个:性别、体重、手术种类、手术体位、手术开始与结束体温、电刀器械的使用数量,相比基于支持向量机、决策树算法和l o-g i s t i c回归所构建的预测模型,MT S模型具有相对简洁 的 预 测 因 子 和 较 为 稳 健 的 预 测 结 果。C a i等1 2使用X G B o o s t算法,以手术时长、体重、年龄、体外循环持续时间和心脏疾病分类作为5个主要预测因子,构建了心血管外科手术的S R P I预测模型,通过对1 4 9例手术患者的测试,该模型的曲线下面积为0.8 0 6,提示具有较高的预测准确性。在S R P I预测模型的相关研究中,主要目的一是探索S R P I的危险因素,以便为手术室护士采取S R-P I预防的干预措施提供依据;二是比较不同算法在构建预测模型中的性能,从而精简模型、优化计算过程。以上研究可为后续学者开发S R P I预测模型在变量设计与算法选择中提供参考。然而,39护理与康复2 0 2 3年6月第2 2卷第6期上述研究在模型验证过程中多采用内部验证,缺少预测模型在多中心、前瞻性的外部验证过程可能影响模型的稳定性和可推广性,因此在后续研究中S R P I预测模型的外部验证将是研究重点。临床工作中,手术室护士往往通过B r a d e n量表、M u n r o量表或通过经验实现对S R P I发生风险的评估。这一方法依赖于护士的专业能力以及对量表内容的熟悉程度,同时使用量表进行评估无法探究不同影响因素之间的交互作用。基于机器学习算法的S R P I预测模型可提取患者病历信息及监护数据,从而实现风险预测的自动化和便捷化,因此将相关模型应用于临床护理工作可为减少护士工作量、开展优质的手术护理提供有效工具。2.3.2 S R P I评估除了对S R P I的预测之外,机器学习算法还应用于受损创面的测量与分析。Z a h i a等1 3基于卷积神经网络算法构建了端到端(e n d-t o-e n d)的框架,通过输入创面的二维图像和三维成像信息,即可实现创面的检测和分割,从而完成创面面积、深度、体积及轴线长度的计算,该模型的精确度可达8 7%。此外,还有数项研究基于卷积神经网络算法和S VM算法构建了创面的测量模型,以实现对S R P I组织分类和创面面积与深度的评估1 4-1 5。以上研究可为手术室护理人员开展S R P I质量管理项目提供便捷高效的工具,通过受损部位图像数据的采集自动获得客观、精确的创面资料,以替代传统创面评估过程中通过经验或使用钢尺、探针等工具进行侵入性操作获得的粗略结果,并为S R P I在手术间与其他临床科室的无缝交接与延续管理提供基础资料。2.4 S S I预测S S I是外科手术最常见的并发症之一。S S I可导致各类并发症和死亡率增加、进行二次手术