[論文レビュー] An Integer Linear Programming Model for the Radiotherapy Treatment Scheduling Problem

Edmund Burke, Pedro Leite Rocha+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2011

Healthcare Operations and Scheduling OptimizationHealth Professions参考文献 19被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、ノッティンガム大学病院NHS Trustにおける放射線治療スケジューリングのための新しい整数線形プログラミング（ILP）モデルを提案し、患者の待機時間とスケジュール品質を最適化する。実際のデータとCPLEXを用いて、通常の患者に対してはリリース日から7日前程度にスケジュール作成を延期することで、遅延患者数の削減や目標日への準拠度の向上を含む、主要なパフォーマンス指標が顕著に改善されることを示している。

ABSTRACT

Radiotherapy represents an important phase of treatment for a large number of cancer patients. It is essential that resources used to deliver this treatment are employed effectively. This paper presents a new integer linear programming model for real-world radiotherapy treatment scheduling and analyses the effectiveness of using this model on a daily basis in a hospital. Experiments are conducted varying the days on which schedules can be created. Results obtained using real-world data from the Nottingham University Hospitals NHS Trust, UK, are presented and show how the proposed model can be used with different policies in order to achieve good quality schedules.

研究の動機と目的

• 英国における治療技術の進歩にもかかわらず長期間の待機時間が続く放射線治療スケジューリングの非効率性に取り組むこと。
• 病院の放射線治療部門における現実の制約を反映する、実用的で数学的に厳密なスケジューリングモデルを構築すること。
• 特にスケジュール作成のタイミングを含む、さまざまなスケジューリングポリシーがスケジュール品質と患者待機時間に与える影響を評価すること。
• 線形加速器（linac）の割り当てにおける公平性と効率性を向上させるために、最適化を活用した意思決定支援ツールを提供すること。
• 今後のモデルへのロバストネス、再スケジューリング、患者の好みの制約の統合の基盤を築くこと。

提案手法

• 4つの最適化基準（違反日、JCCOが許容する最大目標日、JCCOの好ましい実践目標日、二乗待機時間）を備えた新しい整数線形プログラミング（ILP）モデルを定式化する。
• 患者のカテゴリ（緊急、通常）、リリース日、治療期間、線形加速器（linac）の利用可能状況を含む、ノッティンガム大学病院NHS Trustの実際のデータを用いる。
• 予測を考慮せず、現在の患者の利用可能状況に基づいて毎日スケジュールを作成する「短視眼的」スケジューリングアプローチを採用する。
• CPLEXを最適化エンジンとして採用し、高品質な毎日のスケジュールを生成する。
• リリース日から何日前にスケジュールを作成するか（MNDA）を変化させることで、さまざまなスケジューリングポリシーをテストする。
• 非連続治療日、linacの資格、固定間隔の決定的治療期間などの制約を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 患者のリリース日からどのタイミングでスケジュールを作成するのが最適か（違反日を最小化し、スケジュール品質を向上させるか）？
• RQ2 患者の緊急度とリリース日との近接度に基づく異なるスケジューリングポリシーが、待機時間や目標日準拠度といった主要なパフォーマンス指標にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ILPモデルは、linacの資格、非連続治療、変動するリリース日といった現実の制約を効果的に扱えるか？
• RQ4 スケジュールをリリース日から14日前に作成するのではなく、リリース日に近づいてから作成する場合、スケジュールの品質はどのように変化するか？
• RQ5 ロバストネスと患者待機時間の観点から、即時スケジューリングと遅延スケジューリングの間にはどのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• 通常の患者に対しては、リリース日から7日前（MNDA = 7）にスケジュールを作成することで、違反基準において最良の結果が得られ、目標日を過ぎて治療を受ける患者数が顕著に削減された。
• 緊急患者はリリース日から14日以上前、通常患者はリリース日以降にスケジュールを作成する（MNDA = 14/0）というポリシーが、JCCOが許容する最大目標日および好ましい実践目標日基準において最良の値を達成した。
• 二乗待機時間基準は、緊急患者を14日以上前、通常患者をリリース日以降にスケジュール作成する（MNDA = 14/0）ことで最小化され、極端に長い待機時間を経験する患者が減った。
• MNDA値を∞/7（緊急患者は無限の見通し、通常患者は7日間の見通し）に設定することで、違反日基準の最良性能が得られ、他の基準についてもほぼ最適な結果が得られ、これが推奨ポリシーとなった。
• 患者到着と同時にスケジュールを作成する（MNDA = 0）というポリシーは、すべての基準において最悪のパフォーマンスを示し、特に違反基準とJCCO好ましい実践目標基準で顕著に劣った。
• 実験結果から、スケジュール作成を延期することで全体的なスケジュール品質が向上することが確認され、患者が早期確認を希望するにもかかわらず、即時スケジューリングを避けるべきであるという結論が支持された。