 |
Kidney exchange programmes: computational, game theoretical, and economic aspects
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
129086 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Biró, Péter |
| Title in Hungarian |
Vesecsereprogramok közgazdasági, játékelméleti és algoritmikus vizsgálata |
| Title in English |
Kidney exchange programmes: computational, game theoretical, and economic aspects |
| Keywords in Hungarian |
vesecsere, egészségügyi közgazdaságtan, játékelmélet, optimalizálás, szimuláció |
| Keywords in English |
kidney exchange, health economics, game theory, optimisation, simulations |
| Discipline |
| Economics (Council of Humanities and Social Sciences) | 50 % | | Ortelius classification: Applied economics | | Operational Research (Council of Physical Sciences) | 40 % | | Ortelius classification: Operations research | | Public health, health services, environmental and occupational medicine, epidemiology, medical ethics
(Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % | | Ortelius classification: Public health |
|
| Panel |
Economics |
| Department or equivalent |
Institute of Economics, (Centre for Economic and Regional Studies) |
| Participants |
Burka, Dávid
Druzsin, Kristóf
Ferkai, András
Gyetvai, Márton
Kulcsár, Fruzsina
|
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2021-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
33.852 |
| FTE (full time equivalent) |
8.18 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A vesecsereprogramok célja, hogy a krónikus vesebetegségben szenvedők elcserélhessék a nekik segíteni szándékozó, de velük immunológiailag inkompatibilis donorjaikat egymással. Európában mintegy tíz országban működik már vesecsereprogram. Az Egyesült Királyságban például átlagosan 250 beteg-donor pár van regisztrálva, és háromhavonta történnek a párosító futtatások. Ezek alkalmával egy algoritmus számítja ki az optimális cseréket jól meghatározott feltételek és optimalitási kritériumok szerint. Kutatásunk célja az optimalitási kritériumok és a vesecserében megengedett modularitások hatásának vizsgálata operációkutatási technikákkal, elméleti kutatás és szimulációk révén. Három konkrét kutatási témánk a következő: a) vesecsereprogramok hatékonyságának elemzése minőségi faktorok figyelembevételével b) az optimális megoldások keresésének és a laboratóriumi kompatibilitási vizsgálatának harmonizálása a párosító futtatáskor c) nemzetközi együttműködések vizsgálata játékelméleti modellekkel. A javasolt kutatásunk tehát interdiszciplináris. Alapvetően operációkutatási módszerekre építve végzünk elméleti kutatásokat és szimulációkat, de a nemzetközi programok vizsgálatában játékelméleti modelleket és megoldási koncepciókat is használunk. Végül az orvosi szakirodalom és valós adatok alapján becsüljük a megoldások minőségét, és ez által a vesecsereprogramok hatékonyságát.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A nemzeti vesecsereprogramok különböző megkötésekkel és optimalitási kritériumokkal működnek. A kutatásunk fő célja, hogy ezek hatását vizsgáljuk vesecsereprogramok eredményességére, vagyis a transzplantációk számára és minőségére nézve. Ehhez egy vesecsere szimulátort fogunk fejleszteni és az alternatív eljárásokat ezen teszteljük. A lehetséges modalitásokra példa a cserekörök hosszának növelése, az altruisztikus donorok kezdeményezte donációs láncok használata, a kompatibilis párok bevétele a programba, és az inkompatibilis párok deszenzitizációs eljárást követő transzplantálásának lehetővé tétele a programon belül. Feltételezésünk, hogy ezek a modalitások, és a cserék kiválasztásánál használt optimalitási kritériumok erősen befolyásolják a vesecsereprogramok eredményeit. Az eljáráson belül külön figyelmet fordítunk az előzetes szűrés alapján kiválasztott cserék laboratóriumi tesztelésének és a megoldás újraoptimalizálásának kérdésére. Végül vizsgálni fogjuk a nemzetközi együttműködések lehetséges módozatait, amelyek hipotézisünk szerint nagyban befolyásolják az együttműködés sikerességét és fenntarthatóságát.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatásunk eredményei közvetlenül hasznosulhatnak a nemzeti és nemzetközi vesecsereprogramok (újra-)tervezésében, és a hazai program kialakításában is. A transzplantációk számának és minőségének hosszú távú javulása természetesen minden programnak célja, viszont a különböző modalitások (pl. hosszabb cserék és altruisztikus láncok) számos gyakorlati kivívást rejtenek, és gyakran a jogi szabályozás sem teszi őket lehetővé. Ezért is fontos számszerűsíteni az alternatív eljárások és optimalizálási kritériumok várható hasznát. A nemzetközi cserék az elmúlt években ad-hoc módon történtek az európai országokban, a szervezett együttműködések megtervezése, ezek etikai és jogi megalapozása jelenleg zajlik. Kutatásunkban a kölcsönösen előnyös, kiegyensúlyozott és a résztvevő országok betegeinek legjobb lehetőséget nyújtó megoldási koncepciók kidolgozása a célunk.
A pályázat egyedisége, hogy a vizsgálatunk komplex és multidiszciplináris lesz. Az európai alkalmazások gyakorlatát vesszük alapul az 2016 óta működő vesecsere COST Action által szolgáltatott információk szerint. Az orvosi adatokra építve adunk becslést a minőségi mérőszámokra, ezeket beépítjük a vesecsere szimulátorba, amelyet a Glasgow-i partnereinkkel együtt fejlesztünk ki. A szimulátor adataira megoldásokat fejlett operációkutatási módszerekkel fogunk számítani, a glasgow-i és portói csoporttal együttműködve, különböző feltételrendszerek és optimalitási kritériumok szerint. Végül a nemzetközi csereprogramok vizsgálatánál a matematikai módszerek mellett játékelméleti modelleket is használni fogunk. Mindegyik fenti területen rendelkezik gyakorlattal a csoportunk. A szimulátor kidolgozását Burka Dávid fogja végezni, aki a doktorijában az ilyen rendszert fejlesztett. Az operációkutatási modellek kidolgozása és egészértékű megoldók használata Gyetvai Márton feladata lesz, aki az elmúlt években több területen alkalmazott ilyen módszereket. Az európai COST Action egyik vezetőjeként Biró Péternek első kézből van rálátása a jelenlegi alkalmazások működésére, és a legrelevánsabb kérdésekre, emellett operációkutatási, párosításelméleti és játékelméleti tudással is rendelkezik, amelyek a tervezett kutatáshoz mind fontosak lesznek.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A krónikus vesebetegségben szenvedők dialízissel rövid távon kezelhetők, de hosszú távon csak a transzplantáció jelent nekik gyógyulást. Cadaver donorból nagy hiány van, az USA-ban több, mint 100,000-en vannak a várólistán, ezért a fejlett nyugati országokban az élődonoros transzplantáció került előtérbe. Amennyiben a betegnek segíteni szándékozó donor (legtöbbször a házastársa) immunológiailag nem kompatibilis a beteggel, akkor több országban is lehetősége van arra, hogy elcserélje a donorját egy másik kompatibilis donorral egy szervezett vesecsereprogram keretében. Európában már több, mint tíz országban működik ilyen program, és hazánkban is tervezés alatt áll. A vesecsereprogramok legfontosabb lépése, amikor tipikusan háromhavonta a regisztrált beteg-donor párokra optimális cseréket keres egy párosító algoritmus, jól meghatározott feltételek és optimalitási kritériumok szerint. Kutatásunkban ezen feltételeket és kritériumrendszereket fogjuk vizsgálni, és célunk annak megállapítása szimulációk segítségével, hogy az alternatív eljárások milyen hatással vannak a transzplantációk számára és ezek minőségére nézve. Emellett vizsgálni fogjuk a nemzetközi együttműködések lehetséges formáit, ezek várható hatékonyságát. Vizsgálatunkban az orvosi szakirodalomra, az európai gyakorlat jellemzőire, illetve operációkutatási technikákra és játékelméleti modellekre építünk.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The patients with end-stage kidney disease may exchange their willing, but immunologically incompatible donors with each other in kidney exchange programmes (KEPs). There are operating KEPs in at least ten countries already in Europe. In the UK programme an average number of 250 patient-donor pairs are registered and the matching runs are conducted in every three months. At each matching run an algorithm computes the optimal exchanges under a set a well-defined constraints and optimisation criteria. The main goal of our proposed project is to study the effects of various modularities and optimisation criteria with operational research techniques, conducting theoretical research and also simulations. Our three main research lines are the following: a) the study of the effectiveness of kidney exchange programmes by considering quality factors as well b) the harmonisation of the optimisation and the laboratory testing at the matching runs c) the study of international co-operations with game-theoretical models. Thus our proposed research in interdisciplinary. Essentially we conduct theoretical research and simulations based on operations research techniques, but for the study of international co-operations we will also use game-theoretical models and solution concepts. Finally, we will build on the medical literature and data analyses when estimating the quality of the transplants and thus the effectiveness of the KEPs.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The national kidney exchange programmes operate under different constraints and optimisation criteria. The main aim of our research is to study the effects of these policies with regard to the number of transplantations and their qualities. In order to test the alternative procedures we will develop a new kidney exchange simulator. Examples for the alternative modalities are the upper bounds on the lengths of exchange cycles, the chains triggered by altruistic donors, the inclusion of compatible pairs in the programmes, and allowing the immunologically incompatible transplantations after the desensitisation treatment within the kidney exchange programmes. Our hypothesis is that these modalities and the optimisation criteria used for selection the exchanges strongly influences the results of the kidney exchange programmes. We will consider in particular the laboratory testing procedure for the transplantations selected in the exchanges after the virtual compatibility testing and the re-optimisation of the solution in case of failure. Finally, we will study the alternatives of international co-operations, which we also expect to have crucial effect on the long term success of the joint programmes.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The results of our research will be directly applicable in the (re-)design of the national and international kidney exchange programmes, also in the Hungarian one. It is a natural goal of every programme to improve the number of transplantations and the quality of the transplants, but the alternative modalities (such as the long exchanges, and the altruistic chains) may cause practical challenges and so these are sometimes not permitted in the regulation. That is why it is important to quantify the benefits of alternative processes and optimisation criteria. The international exchanges have been organised in an ad-hoc way in the last few years, the design of the established co-operations, and the development of ethical and legal framework is under progress. One of the goals of our research is to develop solution concepts for mutually beneficial, balanced co-operations that also provide the best options for the patients of the participating countries.
We base our multidisciplinary research on the current European practices. We will give estimations for the quality measures from medical data, and we will build this into our simulator, that we will develop in collaboration with the Glasgow group. We will compute the solutions for the simulated data by sophisticated operations research methods with the help of the Glasgow and Porto research groups. Finally, besides the mathematical methods, we will also use game theoretical models in the study of international kidney exchange programmes. Our research group has experience in all of the above research lines. Dávid Burka, who will be responsible for developing the simulator, has been working on a similar system in his PhD research. Márton Gyetvai will work on the formalisation of IPs and their solutions. He has been using IP methods in his MSc thesis and also in his recently started PhD research. As one of the leader of the COST Action on kidney exchanges, Péter Biró has gained a good knowledge on the operation of the European programmes, the selection of the most relevant issues. Besides, has a strong background in operations research, matching theory, and game theory, which will be all useful in the proposed research.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Patients with end-stage renal disease can be treated with dialyses in the short term, but in the long run their lives can be saved only with transplantation. However, there is a shortage of cadaver donors (e.g. there are more than 100.000 patients on the US waiting list for kidneys), so the living donation became the main alternative in the developed world. When the willing donor (most often the spouse) is immunologically incompatible with the patients then in many countries she/he can exchange her/his donor for a compatible one within a centrally organised kidney exchange programme. Such programmes are operating in more than ten European countries already, and it is under planning also in Hungary. The most important step of the kidney exchange programmes is when in the quarterly matching run an algorithm selects the set of optimal exchanges under well-defined conditions and optimisation criteria. In our proposed research we will study these conditions and criteria and test the effectiveness of alternative solutions with simulations, be measuring the number of transplantations and their qualities. Besides, we will also study various forms of international co-operations and their expected efficiency. In our study we will build on the existing medical literature, the details of the European practices, and we will use operations research techniques and game theoretical models as well.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Biró P, Gyetvai M, Klimentova X, Pedroso J P, Pettersson W, Viana A: Compensation scheme with Shapley value for multi-country kidney exchange programmes, In: Steglich, M; Mueller, C; Neumann, G; Walther, M (szerk.) Proceedings of the 34th International ECMS Conference on Modelling and Simulation - ECMS 2020, European Council for Modelling and Simulation (ECMS) (2020) pp. 129-136., 2020 | | Biró P, van de Klundert J, Manlove D, Pettersson W, Andersson T, Burnapp L, Chromy P, Delgado P, Dworczak P, Haase B, Hemke A, Johnson R, Klimentova X, Kuypers D, Nanni Costa A, Smeulders B, Spieksma F, Valentín M O, Viana A: Modelling and optimisation in European Kidney Exchange Programmes, EUROPEAN JOURNAL OF OPERATIONAL RESEARCH, 2020 | | Mincu R-S, Biró P, Gyetvai M, Popa A, Verma U: IP solutions for international kidney exchange programmes, CENTRAL EUROPEAN JOURNAL OF OPERATIONS RESEARCH, 2020 | | Biró P, Haase-Kromwijk B, Andersson T, Ásgeirsson E I, Baltesová T, Boletis I, Bolotinha C, Bond G, Böhmig G, Burnapp L, Cechlárová K, Di Ciaccio P, Fronek J, Hadaya K, Hemke A, Jacquelinet C, Johnson R, Kieszek R, Kuypers D, Leishman R, Macher M-A, Manlove D, Menoudakou G, Salonen M, Smeulders B, Sparacino V, Spieksma F, de la Oliva Valentín Muñoz M, Wilson N, vd Klundert J: Building kidney exchange programmes in Europe – an overview of exchange practice and activities, TRANSPLANTATION 103: (7) pp. 1514-1522., 2019 | | Biró P, Kern W, Pálvölgyi D, Paulusma D: Generalized Matching Games for International Kidney Exchange, In: IFAAMAS (szerk.) Proceedings of the 18th International Conference on Autonomous Agents and MultiAgent Systems (AAMAS 2019), IFAAMAS (2019) pp. 413-421., 2019 | | Biró P, van de Klundert J, Manlove D, Pettersson W, Andersson T, Burnapp L, Chromy P, Delgado P, Dworczak P, Haase B, Hemke A, Johnson R, Klimentova X, Kuypers D, Nanni Costa A, Smeulders B, Spieksma F, Valentín M O, Viana A: Modelling and optimisation in European Kidney Exchange Programmes, EUROPEAN JOURNAL OF OPERATIONAL RESEARCH X: (X) pp. X-X., 2019 | | Bíró Péter: Vesecsereprogramok matematikája = Mathematics of Kidney Exchange Programmes, ALKALMAZOTT MATEMATIKAI LAPOK 36: pp. 15-23., 2019 | | Biró P, Gyetvai M, Radu-Stefan Mincu, Alexandru Popa, Utkarsh Verma: IP solutions for international kidney exchange programmes, In: Friedler, Ferenc (szerk.) VOCAL 2018. 8th VOCAL Optimization Conference: Advanced Algorithms, Pázmány Péter Catholic University (2018) pp. 17-22., 2018 | | Biró P, Remport Á, Mihály S, Illésy L, Nemes B: Élődonoros vesecsereprogramok Európában. Hol tart Magyarország? Összefoglaló tanulmány az ENCKEP (European Network for Collaboration on Kidney Exchange Programmes) COST Action eddigi eredményei alapján, ORVOSI HETILAP 159: (46) pp. 1905-1912., 2018 | | Costa V, Klimentova X, Biró P, Viana A, Pedroso J P: New integer programming formulations for the stable exchange problem, In: Friedler, Ferenc (szerk.) VOCAL 2018. 8th VOCAL Optimization Conference: Advanced Algorithms, Pázmány Péter Catholic University (2018) pp. 26-31., 2018 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
