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

病院は、人々の流れと物資の流れが完璧に同期して動かなければならない、広大で複雑なエコシステムです。患者が突然の病気で到着したとき、病院は即座に適切な道具を必要とします。しかし、それらの道具がいつ必要になるかを正確に予測することは、非常に難しいパズルです。なぜなら、医療用品の需要は単に患者の数によって決まるだけでなく、病院の外にある世界によっても左右されるからです。私たちが吸う空気や経験する天候は、医療を求める人々の数を、微妙に、時には劇的に変化させることがあります。長年、病院の管理者たちは、過去数ヶ月のデータに基づいた単純な推測に基づいて在庫を発注してきましたが、この手法は、重要な品目の不足を招くか、あるいは高価な備品を棚に未使用のまま放置させてしまうかのどちらかにつながることがよくありました。空や空気そのものが、これらのニーズを予測するために利用できるのかという問いは、病院のロジスティクスの文脈において、これまでほとんど探求されてきませんでした。

北京の空軍医科大学の研究チームは、これら二つの非常に異なる種類の医療用品に着目することで、この関連性を調査することに決めました。それは、インターベンショナル・ガイドワイヤーと消毒用品です。ガイドワイヤーは、複雑な処置中に医師が血管内をナビゲートするために使用される細く柔軟な道具であり、高価で価値の高い品目であり、通常は計画された手術で使用されます。一方、消毒用品は、機器や部屋を清浄・殺菌するために使用される日常的な資材であり、コストは低いものの、感染リスクが高まると極めて大量かつ予測不可能な量で消費されます。研究者たちは、2023年1月から2025年7月までの期間にわたる、各品目の毎日の使用記録を集めました。彼らはこのデータを、気温、風速、そして二酸化窒素や粒子状物質といった様々な汚染物質のレベルを含む、北京の詳細な気象および大気質記録と組み合わせました。彼らの目的は、環境がなぜその日に病院での使用量の増減を引き起こすのかを解明し、現在の手法よりも正確にこれらのニーズを予測できるシステムを構築することでした。

研究の結果、これら二種類の用品は全く異なる挙動を示すことが分かりました。ガイドワイヤーの需要は非常に安定しており、予測可能であり、予定された手術の一定のリズムを反映していました。対照的に、消毒用品の使用量は混沌としており、揮発性が高く、日ごとに激しく変動していました。平均して、病院では1日に約15.6本のガイドワイヤーが使用され、単日の最高使用量は49本に達しました。これらのワイヤーに費やされる金額は相当なもので、1日平均で1万元を超えていました。しかし、消毒用品の使用量ははるかに不安定で、1日平均165.2個でしたが、単日のピーク時には3,400個まで急増することがありました。この平均とピークの間の巨大なギャップは、ガイドワイヤーが一定かつ計画的な方法で使用されている一方で、消毒用品は感染症の発生や病院のプロトコルの緊急な変更などに起因する、突発的で大規模な事象の影響を受けやすいことを示唆しています。

チームが環境がこれらの用品にどのように影響を与えるかを調査したところ、驚くべき結果が出ました。ガイドワイヤーについては、空気の質や天候はほとんど影響を与えず、たとえ大気汚染がひどい日であっても、これらの外科用ツールの使用量は2パーセント未満しか減少しませんでした。これは、計画された手術が天候によって容易に中断されないことを裏付けています。しかし、消毒用品については全く異なる物語がありました。空気の質が悪い日には、病院でのこれらの品目の使用量は大幅に減少し、10パーセント以上の減少が見られました。この直感に反する発見は、空気が悪いときには人々が外出を控えたり、病院での処置が遅れたりすることで、消毒の必要性が一時的に減少することを示唆しています。研究者たちは、LASSOと呼ばれる統計ツールを使用して、数十の環境要因を精査し、各用品タイプの特定の要因を特定しました。その結果、消毒用品については大気質指数や風速を含む5つの要因が鍵であり、ガイドワイヤーについては気温や降水量を含む8つの要因が影響していることが判明しました。

これらの知見を実用的なツールへと変えるために、研究者たちは将来の需要を予測するためのいくつかのコンピュータモデルを構築しました。彼らは、標準的な時系列モデル、季節的なパターンを扱うために設計された新しいモデル、そして両方の強みを組み合わせたハイブリッドモデルをテストしました。ガイドワイヤーについては、ハイブリッドモデルが素晴らしい成果を上げました。このモデルはデータの規則的でリズムのあるパターンを学習することに成功し、他のモデルを大きく上回る高い精度で将来の使用量を予測できました。それは、従来のモデルでは到達できなかった精度で、外科活動の週単位および月単位のサイクルを予測することができたのです。しかし、消毒用品という混沌とした世界においては、結果はより控えめなものでした。高度なモデルは基本モデルと比較してエラー率を約30パーセント減少させたものの、需要の極端なスパイク（急増）を予測することには依然として苦戦しました。これらの用品のデータはあまりにもランダムで突発的なショックに支配されており、歴史に基づいたいかなる数学的公式をもってしても、完璧に予見することはできなかったのです。

また、本研究は環境の影響が時間の経過とともにどのように展開するかについても明らかにしました。ある曝露が数週間にわたって結果にどのように影響するかを追跡する手法を用いた結果、汚染と用品使用の関係は即時的ではないことが分かりました。消毒用品については、二酸化窒素のような特定の汚染物質は数日以内に強い影響を示す一方で、風速のような他の要因は数週間にわたって影響が残りました。ガイドワイヤーについては、天候への即時的な反応ではなく、手術のより長い計画サイクルを反映して、ラグ（遅延）のパターンが異なっていました。研究者たちはまた、複数の汚染物質がどのように相互作用するかについても調査しました。その結果、大気の質が良い時期にはそれぞれ異なる要因が需要を支配しているものの、汚染が発生している局面では、二酸化窒素が消毒用品の使用量の変化の主要な要因になることが分かりました。これは、個々の要素と同じくらい、環境要因の組み合わせが重要であることを示唆しています。

結局のところ、この研究は、単一の戦略ではすべての病院用品を管理できないことを浮き彫りにしています。本研究は、病院に対してこれら二つのカテゴリーを異なる方法で扱うべきであると提言しています。ガイドワイヤーのような安定した高価値の品目については、環境データを取り入れた高度な予測モデルを活用することで、過剰な在庫に資本を縛り付けることなく、必要な時に高価な道具を確実に確保できるよう在庫を最適化できます。しかし、消毒用品のような変動の激しい低コストの品目については、予測モデルだけに頼ることは不十分です。研究者たちは、モデルでは捉えきれない予測不可能な急増に対処するために、病院は代わりに強固な緊急備蓄を構築することに焦点を当てるべきだと提案しています。空と空気が、ツールに応じて異なる形で病院に影響を与えるということを理解することで、管理者は「一律の」在庫管理から、患者の安全を守り物資の流れを維持するための、より洗練された応答性の高いシステムへと移行することができるのです。