Imaginez pouvoir repenser l’organisation d’un service hospitalier, non pas à l’aveugle, mais en testant d’abord vos idées dans un hôpital virtuel. Et si ce patient attendait 15 minutes de moins ? Et si on ajoutait une salle ? Grâce à la modélisation et la simulation de flux, on peut visualiser, prédire, et optimiser… sans prendre le moindre risque pour les patients.
Mais c’est quoi, la simulation de flux ?
Dans un hôpital, tout est affaire de flux : de patients, de soignants, de médicaments, de lits, d’examens… Chaque étape du parcours de soin est reliée à une autre. La simulation de flux, c’est un moyen d’évaluer une organisation à partir d’un modèle (n’hésitez pas à consulter nos articles précédents à ce sujet !).
On utilise ensuite un ordinateur pour simuler différents scénarios sous la forme d’un plan d’expérience. Ces scénarios peuvent être imaginés par les professionnels de santé sous forme de question : que se passerait-il si un médecin de plus arrivait ? si la salle d’attente était réorganisée ? si un test devenait plus rapide ?
Il est aussi possible de simuler des milliers de scénarios en faisant varier les paramètres du modèle de simulation afin de trouver la meilleure organisation possible : cette recherche peut être exhaustive (mais c’est très parfois très long !) ou optimisée, grâce à des méthodes issues de la recherche opérationnelle.
Le logiciel permet alors de voir l’impact sur les indicateurs de performance : par exemple le temps d’attente, le nombre de passages aux urgences ou le coût total des soins.
Un exemple très concret : le service des urgences
Prenons le service des urgences. Chaque jour, des dizaines de patients arrivent sans rendez-vous. Certains sont rapidement repartis, d’autres doivent passer des examens ou être hospitalisés. La gestion des flux y est critique.
La première étape consiste à modéliser ce qui se passe. Pour cela, plusieurs approches existent : le modèle peut être créé à partir d’entretiens avec les soignants, à la main, ou bien automatiquement si des données sont disponibles à l’aide d’un outil de fouille de processus (process mining) par exemple. Un modèle très simplifié pour illustrer cette approche pourrait ressembler à ça :
Avec un logiciel de simulation comme AnyLogic, il est possible d’implémenter un tel modèle au moyen d’un outil graphique et de l’animer :
Enfin, un plan d’expérience permet d’obtenir et d’analyser les résultats en tenant compte d’un intervalle de confiance. Par exemple (ces résultats sont bien entendu fictifs !) :
| Scénario | Paramètres | Indicateurs de performance | ||
| Taux d’arrivée | Nombre de médecins | Durée de passage | Usage des ressources | |
| 1 | 10 patients/h | 2 | 4h +/- 10 min | 80% +/- 2% |
| 2 | 15 patients/h | 3 | 4h30 +/- 15 min | 85% +/- 3% |
En résumé, on peut simuler l’activité heure par heure, calculer les durées moyennes de passage, repérer les goulots d’étranglement à partir du taux d’utilisation des ressources, et surtout… tester des solutions. Par exemple : que se passe-t-il si on ajoute un infirmier d’accueil et d’orientation ? ou si l’on convoque un médecin en renfort ?
Il existe plusieurs types de simulation… selon ce que l’on cherche à comprendre
Dans le monde de la santé, toutes les situations ne se simulent pas de la même façon. Il est possible de chercher à prévoir l’encombrement d’un service, d’optimiser les ressources, ou d’observer le comportement d’une population de patients.
🎲 1. La simulation de Monte Carlo
Utilisée pour explorer des scénarios incertains ou aléatoires, elle repose sur des modèles de probabilité, souvent sous forme de chaînes de Markov (où l’état futur dépend uniquement de l’état actuel) ou de machines à états. Par exemple, on peut modéliser les différentes étapes d’évolution d’une maladie (état stable, aggravation, guérison, etc.) et simuler leur enchaînement sur des milliers de patients.
👉 Ces modèles de Markov couplés à la simulation de Monte Carlo sont très utilisés en médico-économie pour évaluer l’évolution d’une cohorte sur le long terme.
Dans l’exemple ci-dessous tiré de (Rui et al. 2020), un modèle de Markov très simple permet de représenter l’évolution d’un cancer pour une cohorte de patients avec trois états (progression, sans progression, décès). Chaque patient est simulé indépendamment en déterminant l’état suivant à partir de probabilités attachées aux transitions.
🧾 2. La simulation à événements discrets
C’est la méthode la plus utilisée pour l’optimisation de l’organisation d’un système par expérimentation. La simulation à événements discrets repose sur une succession d’événements ponctuels (ex. : arrivée d’un patient, début de consultation, fin de soin). On l’associe souvent à des modèles de files d’attente. Cette approche permet de tester l’impact d’un changement d’organisation (par exemple : “Et si on rajoute un médecin ?”).
👉 La simulation à événements discrets est utilisée depuis plus de 40 ans dans l’industrie pour optimiser l’usage de ressources humaines et matérielles. Elle s’applique parfaitement au domaine de la santé à condition de tenir compte de toutes les particularités (on parle de patients et non de produits !)
L’exemple ci-dessous présente le modèle le plus simple possible dans lequel des entités arrivent dans un système, font la queue pour accéder à une ressource (ou serveur), puis quittent le système après le service. Ce petit exemple représente parfaitement votre dernière visite au bureau de poste par exemple !
♻️ 3. La dynamique des systèmes
Ici, on ne regarde plus des événements individuels, mais l’évolution de grandes quantités dans le temps (nombre de lits occupés, niveau de stress d’une équipe, etc.) à l’aide d’équations différentielles. Cette méthode est utile pour les décisions stratégiques ou politiques, sur le long terme.
👉 Parfait pour modéliser l’impact global d’une réforme ou d’une épidémie sur plusieurs années.
L’exemple ci-dessous est tiré de la revue de littérature de (Darabi et Hosseinichimeh, 2020) et illustre l’évolution de l’état de santé d’un patient en fonction de plusieurs autres variables.
🧍🧍 4. La simulation multi-agents
Chaque “agent” (patient, soignant, logiciel…) est simulé avec son propre comportement. Les interactions entre agents permettent de faire émerger des dynamiques complexes. On l’utilise quand les comportements individuels influencent le système global (par exemple : la peur de la contamination ou un confinement change le comportement des patients).
👉 Utile pour simuler les comportements humains dans un hôpital ou dans une crise sanitaire. Le modèle est dirigé par les comportements individuels plutôt que par un modèle du système.
L’exemple ci-dessous tiré de (Castro et al. 2022) illustre l’utilisation d’un modèle multi-agent pour simuler l’évolution d’une épidémie telle le COVID-19. La localisation des personnes est prise en compte pour modéliser la transmission de la maladie selon plusieurs environnement (hôpital, école, etc.).
🧍⚕️ 5. La simulation en santé avec mannequins (ou en réalité virtuelle)
Ce petit panorama ne serait pas complet sans parler de simulation en santé pour la formation à l’aide de mannequins ou en réalité virtuelle. Contrairement aux simulations numériques, cette approche repose sur des situations cliniques reproduites dans un environnement physique. On utilise des mannequins haute fidélité, des jeux de rôles ou même la réalité virtuelle pour simuler des actes médicaux (réanimation, accouchement, gestes techniques…). Elle permet aux soignants de s’entraîner sans risque pour les patients, d’améliorer la communication en équipe, de gérer les situations d’urgence et de développer des réflexes face à l’imprévu.
👉 C’est une méthode validée et promue par la Haute Autorité de Santé (HAS) comme outil de formation, de prévention des erreurs et d’amélioration continue de la qualité des soins (source HAS).
Les différentes techniques de simulation en santé sont illustrées dans la figure ci-dessous, tirée de la même source.
En pratique, ces approches peuvent aussi se combiner dans des projets complexes. L’essentiel est de choisir la bonne méthode pour le bon problème, comme on choisirait un outil dans une boîte à outils !
Le mode d’emploi
Un mode d’emploi simplifié pour utiliser la simulation pourrait ressembler à cela :
- On collecte des données : si une base de données existe, c’est plus simple ! Sinon, il faut répondre à plusieurs questions : quel est le taux d’arrivée des patients ? combien de temps dure une consultation ? quelle est la capacité des locaux ?
- On modélise le parcours : on décrit chaque étape du processus à l’aide d’outils de simulation. Ne pas oublier d’identifier les paramètres du modèle (les leviers d’action) et les indicateurs de performance (qui permettent d’évaluer nos scénarios).
- On valide et on simule : après une validation (grâce à des méthodes quantitatives d’évaluation ou à dire d’expert) le logiciel fait tourner des scénarios.
- On analyse les résultats : on mesure les indicateurs de performance (délais, files d’attente, coûts…) grâce à un plan d’expérience.
- On décide en connaissance de cause : l’outil ne prend pas la décision seul ! Mais les professionnels de santé disposent de résultats objectifs pour prendre la décision.
En résumé
- La simulation de flux aide à comprendre, prédire et améliorer le fonctionnement des services de santé.
- Elle repose sur des données réelles et des outils mathématiques accessibles.
- Elle permet de tester avant d’agir, et donc de mieux décider.
- Elle est déjà utilisée dans de nombreux hôpitaux français et dans le monde : bloc opératoire, urgences…
Pour aller plus loin…
La conférence internationale Winter Simulation Conference propose une archive ouverte de ses actes avec un track santé comportant de nombreux exemples d’application. N’hésitez pas à y jeter un œil !
Références
(Augusto et al. 2015) Augusto, V., Murgier, M., and Viallon, A. A MODELLING AND SIMULATION FRAMEWORK FOR INTELLIGENT CONTROL OF EMERGENCY UNITS IN THE CASE OF MAJOR CRISIS. 2018 Winter Simulation Conference (WSC), Gothenburg, Sweden, pp. 2495-2506 (2018). doi: 10.1109/WSC.2018.8632438.
(Castro et al. 2022) Castro, B.M., Reis, M.d.M. and Salles, R.M. Multi-agent simulation model updating and forecasting for the evaluation of COVID-19 transmission. Sci Rep 12, 22091 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22945-z
(Darabi et Hosseinichimeh 2020) Darabi, N. and Hosseinichimeh, N. System dynamics modeling in health and medicine: a systematic literature review. Syst. Dyn. Rev., 36: 29-73 (2020). https://doi.org/10.1002/sdr.1646
(Rui et al. 2020) Rui, M., Shi, F., Shang, Y. et al. Economic Evaluation of Cisplatin Plus Gemcitabine Versus Paclitaxel Plus Gemcitabine for the Treatment of First-Line Advanced Metastatic Triple-Negative Breast Cancer in China: Using Markov Model and Partitioned Survival Model. Adv Ther 37, 3761–3774 (2020). https://doi.org/10.1007/s12325-020-01418-7