Air pollution and meteorological drivers of hospital medical consumables demand: a hybrid forecasting approach for inventory optimization

Krankenhäuser sind riesige, komplexe Ökosysteme, in denen der Fluss von Menschen und der Fluss von Vorräten in perfekter Harmonie aufeinander abgestimmt sein müssen. Wenn ein Patient mit einer plötzlichen Erkrankung eintrifft, benötigt das Krankenhaus sofort die richtigen Werkzeuge. Doch genau vorherzusagen, wann diese Werkzeuge benötigt werden, ist ein schwieriges Rätsel, da die Nachfrage nach medizinischem Bedarf nicht nur durch die Anzahl der Patienten, sondern auch durch die Welt außerhalb der Krankenhausmauern angetrieben wird. Die Luft, die wir atmen, und das Wetter, das wir erleben, können die Anzahl der Menschen, die medizinische Hilfe suchen, subtil und manchmal auch drastisch verändern. Jahrelang haben sich Krankenhausadministratoren auf einfache Vermutungen basierend auf vergangenen Monaten verlassen, um ihren Lagerbestand zu bestellen – eine Methode, die oft dazu führt, dass entweder kritische Artikel ausgehen oder teure Vorräte ungenutzt in den Regalen liegen bleiben. Die Frage, ob der Himmel und die Luft selbst zur Vorhersage dieser Bedürfnisse genutzt werden könnten, blieb im Kontext der Krankenhauslogistik weitgehend unerforscht.

Ein Team von Forschern am Air Force Medical Center in Peking beschloss, diesen Zusammenhang zu untersuchen, indem es zwei sehr unterschiedliche Arten von medizinischen Gütern betrachtete: interventionelle Führungsdrähte und Desinfektionsmittel. Führungsdrähte sind dünne, flexible Werkzeuge, die Ärzte verwenden, um während komplexer Eingriffe durch Blutgefäße zu navigieren; es sind teure, hochwertige Artikel, die typischerweise bei geplanten Operationen verwendet werden. Desinfektionsmittel hingegen sind die alltäglichen Materialien, die zum Reinigen und Sterilisieren von Geräten und Räumen verwendet werden; sie sind kostengünstiger, werden aber in massiven, unvorhersehbaren Mengen verbraucht, sobald das Infektionsrisiko steigt. Die Forscher sammelten tägliche Aufzeichnungen darüber, wie viele dieser Artikel über einen Zeitraum von Januar 2023 bis Juli 2025 verwendet wurden. Sie kombinierten diese Daten mit detaillierten Aufzeichnungen über das Wetter und die Luftqualität in Peking, einschließlich Temperatur, Windgeschwindigkeit und den Werten verschiedener Schadstoffe wie Stickstoffdioxid und Feinstaub. Ihr Ziel war es zu sehen, ob die Umwelt erklären konnte, warum das Krankenhaus an einem gegebenen Tag mehr oder weniger dieser Artikel verbrauchte, und ein System zu entwickeln, das diese Bedürfnisse genauer vorhersagen kann als bisherige Methoden.

Die Forscher fanden heraus, dass sich diese beiden Arten von Vorräten völlig unterschiedlich verhalten. Die Nachfrage nach Führungsdrähten war bemerkenswert stabil und vorhersehbar und folgte einem stetigen Rhythmus, der die geplanten Operationen des Krankenhauses widerspiegelte. Im Gegensatz dazu war der Verbrauch von Desinfektionsmitteln chaotisch und volatil und schwankte von Tag zu Tag heftig. Im Durchschnitt verbrauchte das Krankenhaus etwa 15,6 Führungsdrähte pro Tag, wobei die höchste Nutzung an einem einzelnen Tag 49 Einheiten erreichte. Das für diese Drähte ausgegebene Geld war erheblich und betrug durchschnittlich über 10.000 Yuan täglich. Der Verbrauch von Desinfektionsmitteln war jedoch weitaus unberechenbarer, mit durchschnittlich 165,2 Einheiten pro Tag, aber mit täglichen Spitzenwerten, die auf bis zu 3.400 Einheiten ansteigen konnten. Diese große Lücke zwischen dem Durchschnitt und dem Spitzenwert deutete darauf darauf hin, dass während Führungsdrähte in einer konsistenten, geplanten Weise verwendet wurden, Desinfektionsmittel massiven, groß angelegten Ereignissen unterworfen waren, die wahrscheinlich durch Infektionsausbrüche oder dringende Änderungen in den Krankenhausprotokollen ausgelöst wurden.

Als das Team untersuchte, wie die Umwelt die Vorräte beeinflusste, waren die Ergebnisse bemerkenswert. Für die Führungsdrähte hatten die Luftqualität und das Wetter fast keinen Einfluss; selbst an Tagen mit starker Verschmutzung sank der Einsatz dieser chirurgischen Werkzeuge um weniger als 2 Prozent. Dies bestätigte, dass geplante Operationen nicht leicht durch das Wetter gestört werden. Bei den Desinfektionsmitteln war die Geschichte jedoch eine völlig andere. An Tagen mit schlechter Luftqualität verbrauchte das Krankenhaus signifikant weniger dieser Artikel, mit einem Rückgang von mehr als 10 Prozent. Dieser kontraintuitive Befund legt nahe, dass bei schlechter Luft die Menschen vielleicht zu Hause bleiben oder Krankenhausprozeduren verzögert werden, was zu einem vorübergehenden Rückgang des Bedarfs an Sterilisation führt. Die Forscher nutzten ein statistisches Werkzeug namens LASSO, um Dutzende von Umweltfaktoren zu sichten und die spezifischen Treiber für jede Art von Vorrat zu identifizieren. Sie fanden heraus, dass fünf Faktoren, darunter der Luftqualitätsindex und die Windgeschwindigkeit, entscheidend für Desinfektionsmittel waren, während acht Faktoren, darunter Temperatur und Niederschlag, die Führungsdrähte beeinflussten.

Um diese Erkenntnisse in ein praktisches Werkzeug zu verwandeln, bauten die Forscher mehrere Computermodelle, um die zukünftige Nachfrage zu prognostizieren. Sie testeten ein Standard-Zeitreihenmodell, ein neueres Modell, das für saisonale Muster entwickelt wurde, und ein Hybridmodell, das die Stärken beider kombiniert. Für die Führungsdrähte funktionierte das Hybridmodell hervorragend. Es lernte erfolgreich die regelmäßigen, rhythmischen Muster der Daten und sagte den zukünftigen Verbrauch mit hoher Genauigkeit voraus, wobei es die anderen Modelle um eine signifikante Marge übertraf. Es konnte die wöchentlichen und monatlichen Zyklen der chirurgischen Aktivität mit einer Präzision antizipieren, die die älteren Modelle nicht erreichen konnten. Doch als es um die chaotische Welt der Desinfektionsmittel ging, waren die Ergebnisse bescheidener. Obwohl die fortgeschrittenen Modelle die Fehlerrate im Vergleich zum Basismodell um etwa 30 Prozent senkten, hatten sie immer noch Schwierigkeiten, die extremen Spitzen in der Nachfrage vorherzusagen. Die Daten für diese Vorräte wurden so stark von zufälligen, plötzlichen Schocks dominiert, dass keine mathematische Formel, die allein auf der Geschichte basiert, sie perfekt vorhersehen konnte.

Die Studie deckte auch auf, wie sich die Auswirkungen der Umwelt im Laufe der Zeit entfalten. Unter Verwendung einer Methode, die verfolgt, wie eine Exposition heute die Ergebnisse in den nächsten Wochen beeinflusst, entdeckten sie, dass die Beziehung zwischen Verschmutzung und Vorratsverbrauch nicht unmittelbar ist. Für Desinfektionsmittel zeigten bestimmte Schadstoffe wie Stickstoffdioxid einen starken Effekt innerhalb weniger Tage, während andere Faktoren wie die Windgeschwindigkeit Auswirkungen hatten, die Wochen andauerten. Für die Führungsdrähte waren die Verzögerungsmuster anders und spiegelten die längeren Planungszyklen der Chirurgie wider, statt unmittelbarer Reaktionen auf das Wetter. Die Forscher untersuchten auch, wie mehrere Schadstoffe zusammenwirken. Sie fanden heraus, dass während Perioden guter Luftqualität unterschiedliche Faktoren die Nachfrage für jeden Vorrat dominierten, aber während Verschmutzungsphasen Stickstoffdioxid zum primären Treiber für Veränderungen beim Verbrauch von Desinfektionsmitteln wurde. Dies deutet darauf hin, dass die Mischung der Umweltfaktoren genauso wichtig ist wie die einzelnen Elemente.

Letztendlich unterstreicht diese Forschung, dass eine einzige Strategie nicht alle Krankenhausvorräte verwalten kann. Die Studie legt nahe, dass Krankenhäuser diese zwei Kategorien unterschiedlich behandeln sollten. Für stabile, hochwertige Artikel wie Führungsdrähte können fortschrittliche Prognosemodelle, die Umweltdaten einbeziehen, helfen, den Bestand zu optimieren, um sicherzustellen, dass teure Werkzeuge verfügbar sind, wenn sie benötigt werden, ohne zu viel Kapital in überschüssigem Lagerbestand zu binden. Für die volatilen, kostengünstigen Artikel wie Desinfektionsmittel ist das Verlassen auf reine Prognosemodelle jedoch unzureichend. Die Forscher schlagen vor, dass Krankenhäuser stattdessen darauf fokussieren sollten, robuste Notfallreserven aufzubauen, um die unvorhersehbaren Spitzen abzufangen, die Modelle nicht erfassen können. Indem sie verstehen, dass der Himmel und die Luft das Krankenhaus auf unterschiedliche Weise und für unterschiedliche Werkzeuge beeinflussen, können Administratoren von einem Einheitsmodell der Lagerverwaltung zu einem differenzierteren, reaktionsfähigeren System übergehen, das die Patienten schützt und den Fluss der Vorräte aufrechterhält.