基于物聯(lián)網(wǎng)的大型生物樣本庫全流程管理

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生物樣本庫又稱生物銀行，是針對特定人群展開生物大分子、組織、信息等樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的收集、處理、保存和研究的平臺。隨著轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究的不斷深入，生物樣本庫的規(guī)模不斷擴(kuò)大，也日益受到各個國家的重視[1-3]。而生物樣本庫的管理如同一個簡化的物聯(lián)網(wǎng)模型，離不開管理系統(tǒng)和標(biāo)識化的信息。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對于推動生物樣本庫信息化管理也起到巨大的推動作用。

1 生物樣本庫管理面臨的問題

目前，生物樣本庫一般使用唯一編號對樣本進(jìn)行標(biāo)識，樣本的位置和出入庫通過樣本管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。限于成本問題，絕大多數(shù)生物樣本庫在日常運(yùn)行中沒有或沒有全程使用自動化設(shè)備，因此對于樣本的實(shí)體管理與樣本相關(guān)記錄操作就無法在同一時間或同一地點(diǎn)完成，導(dǎo)致樣本庫管理系統(tǒng)無法實(shí)時對樣本的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和記錄。在樣本庫質(zhì)量控制的諸多因素中，樣本收集和處理最為關(guān)鍵，其中收集和處理過程中樣本的溫度、環(huán)境、離體時間和處理方式都是主要影響因素。樣本質(zhì)量自離體開始就受這些因素的干擾，將這些因素科學(xué)有效的記錄下來，能夠克服單純手工登記不能連續(xù)記錄的弊端，對樣本的均一性和質(zhì)量控制都至關(guān)重要。

2 物聯(lián)網(wǎng)在生物樣本庫管理中的優(yōu)勢

物聯(lián)網(wǎng)被視為確立未來信息社會競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵。作為計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)、移動通訊網(wǎng)之后的第三次產(chǎn)業(yè)浪潮，各種智能傳感設(shè)備，可穿戴設(shè)備，都逐步應(yīng)用到社會方方面面[4-6]。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 射頻識別技術(shù) 射頻識別技術(shù)(radio frequency identification，RFID)又稱無線射頻識別技術(shù)，可通過無線電信號給芯片提供能量并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，兩者不需要直接接觸和使用額外的識別設(shè)備，RFID具有識別快、傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)容量大、耐用、可讀寫等特點(diǎn)，但是RFID芯片價格昂貴，限制了其大規(guī)模應(yīng)用[7]。

2.2.2 二維碼技術(shù) 同樣是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵核心技術(shù)，二維碼由一個二維碼點(diǎn)陣圖形和一個編號組成，配以對應(yīng)的說明文字，通過專用讀碼設(shè)備或攝像頭讀取二維碼中的大量信息。二維碼具有信息量大、糾錯能力強(qiáng)、識別速度快的特點(diǎn)。作為一種準(zhǔn)確、高效、價格低廉的數(shù)據(jù)獲取方式，已在金融、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、自動化等許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與RFID相比，二維碼除了印刷，幾乎不需要增加成本[8]。所以基于二維碼的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)管理生物樣本庫已成為行業(yè)發(fā)展的趨勢。

2.2 二維碼技術(shù)在生物樣本庫中的應(yīng)用 近年來，生物樣本庫開始大規(guī)模使用二維碼。與傳統(tǒng)的條形碼相比，二維碼占用體積小，可以打印在細(xì)小的凍存管上而不因管壁的弧度影響識別。將其印刷到凍存管底部，通過掃描設(shè)備進(jìn)行整盒掃描批量出入庫。二維碼包含的樣本信息量大，內(nèi)容可以包括字母、數(shù)字和中文等信息，也能夠通過掃描二維碼實(shí)現(xiàn)特定的功能，例如將特定的命令信息寫入二維碼中，通過掃描傳入到系統(tǒng)而完成特定的快捷操作。因此使用二維碼技術(shù)能夠方便快捷地管理樣本信息。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的生物樣本庫全流程管理

基于現(xiàn)有生物樣本庫管理的經(jīng)驗(yàn)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用二維碼技術(shù)研發(fā)的生物樣本庫管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)移動終端管理生物樣本庫流程。

3.1 系統(tǒng)介紹 通過手持終端實(shí)現(xiàn)樣本管理操作，相對于在電腦上手動操作樣本庫管理系統(tǒng)，能夠提升管理效率，提高樣本管理的精確度[9]。圖1所示，新開發(fā)的樣本管理系統(tǒng)增加了對手持終端的支持，通過無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，能夠在樣本庫的任意位置對樣本進(jìn)行操作。增加各類二維碼標(biāo)識，不僅對樣本進(jìn)行標(biāo)識化管理，并對各種設(shè)備和流程進(jìn)行標(biāo)識化，做到了標(biāo)識即流程。使用有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的便攜式測溫條碼掃描儀，獲取標(biāo)識信息和被掃描樣本表面的溫度。將設(shè)備標(biāo)識信息與操作流程相關(guān)聯(lián)，樣本管理系統(tǒng)獲得標(biāo)識信息的同時啟動樣本流程管理模式，自動記錄當(dāng)前操作人信息、操作時間、樣本信息等。實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)流程與虛擬流程的同步操作，減少了操作人員的工作量，也避免了因不同步導(dǎo)致的記錄偏差[11]。新系統(tǒng)與隨訪系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)、醫(yī)院信息管理系統(tǒng)連接，從醫(yī)院接收的樣本可以直接獲取相關(guān)的信息，并實(shí)時更新。

3.2 二維碼流程管理 生物樣本庫使用二維碼標(biāo)識代替流程管理。目前使用二維碼管理的類型有各種耗材、設(shè)備、流程和標(biāo)記，如表1所示。其中樣本類和設(shè)備類的標(biāo)識主要是用于樣本和設(shè)備的識別，如凍存管采用底部二維碼設(shè)計，每支凍存管都有唯一的編號，可用于批量掃描獲取信息。手持終端掃描樣本類和設(shè)備類的標(biāo)識可以激活樣本管理系統(tǒng)中與之相關(guān)的操作。流程和標(biāo)記類二維碼包含了可以被生物樣本庫管理系統(tǒng)解析的快捷命令，每個命令按照一定的語法編寫，通過掃描傳遞給生物樣本庫管理系統(tǒng)，用于執(zhí)行一系列樣本操作。

圖1 基于二維碼技術(shù)的生物樣本庫管理系統(tǒng)架構(gòu)

類型標(biāo)識名稱說明樣本類標(biāo)識凍存管標(biāo)識凍存盒標(biāo)識樣本和凍存盒唯一標(biāo)識,掃描可以獲取樣本和凍存盒信息,并可以根據(jù)樣本目前狀態(tài)選擇完成該樣本或整個凍存盒的出入庫等操作設(shè)備類標(biāo)識冰箱標(biāo)識液氮罐標(biāo)識離心機(jī)標(biāo)識操作臺標(biāo)識分裝設(shè)備標(biāo)識核酸提取標(biāo)識凍存設(shè)備的唯一標(biāo)識,掃描可以獲取該設(shè)備的信息,包括溫度監(jiān)控信息,瀏覽冰箱存儲情況和快速存入冰箱離心機(jī)、操作臺等操作設(shè)備唯一標(biāo)識,掃描后可以進(jìn)行操作設(shè)備的相關(guān)操作,也可與相關(guān)流程類標(biāo)識結(jié)合使用。流程類標(biāo)識開始分裝標(biāo)識分裝過程開始時,掃描該標(biāo)識,開始分裝流程離心標(biāo)識離心前,掃描該標(biāo)識,確認(rèn)離心條件,完成樣本離心流程暫存標(biāo)識樣本類標(biāo)識和暫存標(biāo)識結(jié)合使用,完成樣本暫存接收標(biāo)識轉(zhuǎn)運(yùn)單和接收標(biāo)識結(jié)合使用,完成樣本接收標(biāo)記類標(biāo)識溶血標(biāo)記標(biāo)識污染標(biāo)記標(biāo)識樣本類標(biāo)識和標(biāo)記類標(biāo)識結(jié)合使用,完成樣本的標(biāo)記

掃描標(biāo)識進(jìn)行樣本管理的基本流程如圖2所示。操作人員使用時首先掃描流程類標(biāo)識，激活該管理流程。部分設(shè)備只對應(yīng)一種流程，因此掃描該設(shè)備的標(biāo)識也能激活相應(yīng)的管理流程。然后根據(jù)手持終端的提示輸入流程的補(bǔ)充信息，并確認(rèn)處理的樣本信息完成流程操作。也可以掃描快捷方式標(biāo)識激活預(yù)先定制好的流程信息，并將符合要求的樣本統(tǒng)一處理。

圖2 掃描管理流程圖

3.3 物聯(lián)網(wǎng)管理 生物樣本庫管理樣本的流程由樣本的采集、運(yùn)輸、處理、出入庫、搬移、外送、提取和檢測等組成，每個流程都涉及多個步驟及操作[12]，新的樣本管理系統(tǒng)運(yùn)用二維碼和手持終端將所有流程納入管理。

3.3.1 接收階段 樣本接收人員查看樣本狀態(tài)、數(shù)量、有無破損，掃描樣本轉(zhuǎn)運(yùn)箱的標(biāo)識和接收單標(biāo)識，完成樣本接收。系統(tǒng)將自動記錄接收時間、轉(zhuǎn)運(yùn)箱編號和接收單編號，同時樣本狀態(tài)從運(yùn)輸狀態(tài)更新為待登記狀態(tài)。

3.3.2 登記階段 樣本登記人員操作計算機(jī)，掃描樣本編號，測量樣本表面溫度，通過樣本管理系統(tǒng)獲取該編號的捐獻(xiàn)者信息、采集時間，分配凍存管編號，關(guān)聯(lián)凍存盒信息和接收階段信息。系統(tǒng)根據(jù)樣本類型判斷是否需要離心，需要離心的樣本將更新為待離心狀態(tài)，否則更新為待分裝狀態(tài)。

3.3.3 離心階段 離心人員掃描離心機(jī)上標(biāo)識，在手持終端上選擇要離心的樣本編號，默認(rèn)全選(最大40個)，選擇離心條件、離心時間，進(jìn)入離心流程。也可以掃描快速離心標(biāo)識，按照預(yù)定的離心條件將所有待離心狀態(tài)的樣本變成離心狀態(tài)。離心狀態(tài)的樣本會根據(jù)離心時間自動更新為待分裝狀態(tài)。

3.3.4 分裝階段 分裝人員掃描分裝設(shè)備標(biāo)識或操作臺標(biāo)識，選擇分裝方式，掃描待分裝存入的凍存管或凍存盒，掃描凍存盒默認(rèn)會將所有保存在該凍存盒中的處于待處理的樣本進(jìn)行分裝，完成分裝流程。也可以掃描預(yù)設(shè)好的快速分裝標(biāo)識，按照預(yù)定的規(guī)則完成分裝。

3.3.5 入庫階段 入庫人員掃描凍存設(shè)備，一般是要存入的冰箱標(biāo)識，在掃描凍存盒，凍存盒將存入該冰箱的待存區(qū)，之后需要在計算機(jī)上進(jìn)行冰箱內(nèi)的定位，完成入庫。也可以掃描凍存設(shè)備上的快速存儲，凍存盒將自動存入該冰箱中的順序空位置。如果掃描的是暫存冰箱的標(biāo)識，樣本則會變成暫存狀態(tài)，等待管理員取出和入庫。與其他操作設(shè)備不同，凍存設(shè)備的信息將會長期與其保存的樣本信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如冰箱的設(shè)定溫度就是樣本的保存溫度或暫存溫度，溫度監(jiān)控系統(tǒng)也會將冰箱的溫度情況進(jìn)行長期記錄。

物聯(lián)網(wǎng)管理樣本流程的實(shí)質(zhì)就是管理樣本的狀態(tài)，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取每個樣本狀態(tài)的相關(guān)信息，加以匯總，在一個樣本完成實(shí)際入庫的同時，完成樣本管理系統(tǒng)對樣本入庫的管理。樣本入庫階段，樣本狀態(tài)、樣本流程和操作之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 樣本過程與狀態(tài)圖

4 物聯(lián)網(wǎng)在生物樣本庫管理中的意義

4.1 與傳統(tǒng)的生物樣本庫管理比較 使用掃描二維碼的記錄操作方式代替了紙質(zhì)記錄和專人在計算機(jī)上操作，提高了記錄的實(shí)時性、準(zhǔn)確性，簡化了操作流程，提升了樣本的出入庫效率，使得樣本管理系統(tǒng)可以覆蓋更多的操作流程。使用自主開發(fā)的手持終端管理樣本庫流程，操作者使用前需要登錄個人賬號，每次掃描都會對標(biāo)識表面進(jìn)行測溫，系統(tǒng)會根據(jù)流程自動判斷是否保存溫度記錄，每次操作的操作人、時間和設(shè)備都會記錄到各個流程中。

4.2 與全自動化的樣本庫管理比較 使用掃描二維碼的記錄操作方式仍然屬于人工操作為主，沒有節(jié)約人力，但是設(shè)備成本低廉，易于成型。自動化設(shè)備限于規(guī)模和成本無法集成更個性化的操作流程，而掃描二維碼的流程只要設(shè)計好相應(yīng)的流程和功能就能實(shí)現(xiàn)，因此可以覆蓋更多的操作流程[13-14]。

4.3 提高生物樣本信息準(zhǔn)確性 生物樣本的準(zhǔn)確性需要確保信息來源、優(yōu)化信息獲取途徑，減少手工錄入或書寫引起的錯誤。新的生物樣本庫系統(tǒng)與醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)、醫(yī)院信息管理系統(tǒng)連接，直接獲取相關(guān)信息，保證了信息來源的準(zhǔn)確性。所有流程的記錄由操作人現(xiàn)場掃描二維碼替代了手工登記或者第三方記錄，提高了記錄的效率，增強(qiáng)了時效性，避免了手工記錄引起的的字跡不清和不規(guī)范等錯誤。

樣本在樣本庫中的狀態(tài)，受到系統(tǒng)的嚴(yán)格控制，為不同種類的樣本設(shè)置了不同的流程順序，彼此不會交叉，也不能跳過固有的流程順序。如果操作人員遺漏其中某一環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會提示操作失敗，需要在操作系統(tǒng)中登記，進(jìn)行相關(guān)操作。嚴(yán)格的流程控制，保證了樣本記錄的準(zhǔn)確性，也規(guī)范了樣本收集的流程。

4.4 提供生物樣本標(biāo)準(zhǔn)化信息 保證樣本的質(zhì)量，提高樣本的均一性和準(zhǔn)確性是樣本庫管理的重點(diǎn)，傳統(tǒng)手工登記無法精確到每個樣本，一般按照處理批次來統(tǒng)一記錄。對于樣本流程的管理根據(jù)記錄的詳細(xì)程度只能精確到天或者小時，而且記錄松散難以量化。每次使用手持終端掃描流程，系統(tǒng)將自動記錄每次操作的時間，根據(jù)需要也可以自動記錄操作的溫度，一次完整的樣本入庫系統(tǒng)將會自動記錄12次流程的操作和7次溫度，將每個樣本流程管理精確到分鐘，同時為樣本管理提供結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。

4.5 提高生物樣本管理效率 將人工從繁復(fù)的信息記錄和樣本管理軟件操作中解放出來，簡化樣本管理中每個流程的記錄工作，使管理人員更專注于樣本管理本身，提升工作效率。

4.6 實(shí)現(xiàn)生物樣本管理流程的自動化 通過手持終端和二維碼標(biāo)簽系統(tǒng)使樣本管理系統(tǒng)覆蓋更多的樣本管理流程，讓管理系統(tǒng)突破主機(jī)和空間的限制。通過嚴(yán)格的樣本管理系統(tǒng)的流程設(shè)計，使樣本管理系統(tǒng)更加適應(yīng)實(shí)際的管理需要，更好的輔助工作人員進(jìn)行樣本管理。

4.7 不增加成本 與大量的引進(jìn)自動化設(shè)備相比，手持終端和二維碼標(biāo)簽的成本幾乎可以忽略，適合向目前依然用手工管理的樣本庫推廣。

5 物聯(lián)網(wǎng)在生物樣本庫管理中的不足

5.1 無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) 目前物聯(lián)網(wǎng)在生物樣本庫管理中的應(yīng)用還只是單獨(dú)的系統(tǒng)，沒有形成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)體系。在跨樣本庫、跨地區(qū)推廣時，由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)管理流程，在使用時會因?yàn)閷?shí)際流程與系統(tǒng)設(shè)計流程不匹配，產(chǎn)生管理沖突，如果不對系統(tǒng)進(jìn)行深度定制則無法起到樣本庫自動化管理的效果。

5.2 投入成本問題 目前生物樣本庫限于成本問題未使用RFID技術(shù)標(biāo)記樣本管，RFID技術(shù)可以獲取一定區(qū)域內(nèi)所有RFID標(biāo)簽信息，并向RFID標(biāo)簽寫入信息，這是二維碼技術(shù)無法替代的，這就導(dǎo)致了在部分樣本管理流程中，系統(tǒng)無法準(zhǔn)確地獲取當(dāng)前樣本管信息，而是只能手動選擇或者按默認(rèn)批次選擇樣本，造成了樣本管理系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。

5.3 無法真正掌握樣本狀態(tài) 無論使用RFID還是二維碼標(biāo)簽，系統(tǒng)管理的都只是樣本管信息而不是樣本自身狀態(tài)，由于操作不當(dāng)引起的樣本變質(zhì)(溶血、凝血、污染等)和編號與捐獻(xiàn)者對應(yīng)錯誤等只能靠操作人員自己發(fā)現(xiàn)和改正。這還需要進(jìn)一步開發(fā)一套圖像識別技術(shù)，可以對整版分裝的樣本進(jìn)行拍照，根據(jù)樣本的圖像自動判斷樣本狀態(tài)，獲取凝血溶血的樣本信息。配合可穿戴設(shè)備[15]，將會給樣本管理人員更多的幫助和便利，系統(tǒng)會分析操作人員的動作，判斷樣本操作流程，識別正在處理的樣本，判斷和記錄樣本處理的情況。如果與自動化設(shè)備相結(jié)合，可以大大擴(kuò)展樣本庫管理系統(tǒng)的自動化監(jiān)測范圍，提供更多的監(jiān)測數(shù)據(jù)，覆蓋更多的流程，真正實(shí)現(xiàn)樣本庫全流程管理的自動化。