Clinical Laboratory Optimization

Optimisation de laboratoires médicaux

Sohrab Faramarzi Oghani (1, 2)

1 CRIStAL - Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille - UMR 9189
2 BONUS - Optimisation de grande taille et calcul large échelle

This thesis focuses on the optimization of clinical laboratory design and operating decisions. A clinical laboratory is an organization gathering human and machinery resources to analyze blood samples. In this thesis, a decision support tool including mathematical models, a heuristic algorithm and a customized simulation model is developed to aid decision makers for the main strategic, tactical and operational problems in clinical laboratory design and operations management. This decision support tool follows a top-down stepwise framework starting from strategic problems and ending with operational ones, including a recursive loop for modification and improvement. In this thesis, machine selection and facility layout are studied as the main strategic problems, analyzer configuration problem as the tactical problem, and assignment, aliquoting, and scheduling as the principal operational problems. In order to deal with machine selection problem for clinical laboratory, a mathematical model is proposed which aids to select the most appropriate machines to equip the system. To tackle physical arrangement of instruments within the laboratory area, a heuristic approach is developed. The proposed heuristic comprises the key constraints of laboratory layout design. To address the analyzer configuration problem which mainly deals with the assignment of chemical materials to the analyzers in clinical laboratory, a bi-objective mathematical model is developed. In addition, to determine an efficient assignment of sample tubes to the analyzers, a mathematical model with three objectives is proposed. A customized, flexible, and fine-grained simulation model is developed in FlexSim to study the clinical laboratory designed through the outputs of developed mathematical models and layout algorithm. Simulation model plays a key role in the proposed framework as it is used for many purposes. The simulation model helps the designer to construct and analyze a complete clinical laboratory taking into account all major features of the system. This simulation attribute provides the ability to scrutinize the system behaviour and to find out whether the designed system is efficient. System performance analysis through simulation and resulting key performance indicators give helpful feedbacks for system improvement. Furthermore, simulation model can be fruitful to decide on scheduling, aliquoting and staffing problems through the evaluation of various scenarios proposed by decision maker for each of these problems. To verify the validity of the proposed framework, data extracted from a real case is used. The output results seal on the applicability and the efficiency of the proposed framework as well as competency of proposed techniques to deal with each optimization problem. To the best of our knowledge, this thesis is one of the leading studies on the optimization of clinical laboratories.

Cette thèse porte sur l'optimisation de la conception et des décisions opérationnelles des laboratoires d'analyses médicales. Dans cette thèse, un outil d'aide à la décision comprenant des modèles mathématiques, un algorithme heuristique et un modèle de simulation personnalisé est développé pour aider les décideurs à résoudre les principaux problèmes stratégiques, tactiques et opérationnels en conception et gestion des opérations des laboratoires d'analyses médicales. Dans cette thèse, la sélection des machines et la disposition des instruments sont étudiées en tant que principaux problèmes stratégiques, le problème de configuration des analyseurs en tant que problème tactique et l’affectation, l’aliquotage et l'ordonnancement en tant que principaux problèmes opérationnels. Un modèle de simulation personnalisé et flexible est développé dans FlexSim pour étudier le laboratoire d'analyse médicale conçu à l'aide des résultats de modèles mathématiques et d'un algorithme de layout développés. Le modèle de simulation aide le concepteur à construire et à analyser un laboratoire complet en tenant compte de toutes les principales caractéristiques du système. Cet attribut de simulation permet d'analyser le comportement du système et de déterminer si le système conçu est efficace. Pour vérifier la validité du cadre proposé, les données extraites d’un cas réel sont utilisées. Les résultats de sortie scellent l'applicabilité et l'efficacité du cadre proposé ainsi que la compétence des techniques proposées pour traiter chaque problème d'optimisation. À notre connaissance, cette thèse est l’une des principales études sur l’optimisation des laboratoires d'analyses médicales.

Mots clés: Clinical laboratory; optimization; machine selection problem; facility layout problem; analyzer configuration problem; assignment problem; aliquoting problem; scheduling problem; mathematical modeling; heuristic algorithm; computer simulation; FlexSim.

Mots clés: Laboratoire d'analyses médicales; Prise de décision; Simulation par ordinateur; Systèmes d'aide à la décision; Optimisation mathématique; Recherche opérationnelle; Problème d'aliquotage; algorithme heuristique; FexSim

Domaines: Recherche opérationnelle [math.OC]

Sohrab Faramarzi Oghani. Clinical Laboratory Optimization. Operations Research [math.OC]. Université Lille 1 - Sciences et Technologies, 2018. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02005590⟩