疫苗冷鏈安全監(jiān)控技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展

楊國(guó)梁，王建信，胥義*

(1-上海理工大學(xué)生物系統(tǒng)熱科學(xué)研究所，上海 200093；2-上海原能細(xì)胞生物低溫設(shè)備有限公司，上海 201203)

0 引言

疫苗是為了保障人民健康不受傳染病影響的一類特殊生物制品，需要嚴(yán)格保障其安全[1]。疫苗通常對(duì)溫度具有較強(qiáng)的敏感度，處于異常溫度下的疫苗活性有可能被破壞，失去預(yù)防或治療效果。為了將活性完好的疫苗從生產(chǎn)地安全有效轉(zhuǎn)移到接種地點(diǎn)為人們接種，需要在生產(chǎn)及運(yùn)輸?shù)倪^程中將疫苗保持在適應(yīng)的低溫下，并且針對(duì)疫苗冷鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和管理才能保證疫苗的品質(zhì)安全。

傳統(tǒng)的疫苗冷鏈安全監(jiān)測(cè)方法主要是采用未聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備對(duì)疫苗的溫度及指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，并且通過手動(dòng)將數(shù)據(jù)記錄在紙質(zhì)文件上。這樣疫苗冷鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)的信息無法進(jìn)行共享，不能實(shí)現(xiàn)疫苗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和異常情況的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理，且出現(xiàn)問題時(shí)難以溯源和確定責(zé)任，傳統(tǒng)的手段已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能保證公共衛(wèi)生安全[2]。

隨著無線通訊技術(shù)、人工智能等信息化技術(shù)的發(fā)展，疫苗冷鏈的監(jiān)控更加信息化和智能化，可實(shí)時(shí)監(jiān)控疫苗的品質(zhì)安全及狀態(tài)，并可向前回溯了解疫苗從生產(chǎn)到接種的所有信息。疫苗生產(chǎn)商、冷鏈運(yùn)輸企業(yè)、接種醫(yī)院可以通過信息化疫苗冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)共享信息，多方共同監(jiān)控疫苗品質(zhì)安全，將疫苗安全風(fēng)險(xiǎn)不斷降低。因此，加快建設(shè)信息化疫苗冷鏈監(jiān)控平臺(tái)對(duì)于保障我國(guó)人民生命健康，以及促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

本文從疫苗管理規(guī)定、現(xiàn)有疫苗冷鏈監(jiān)控技術(shù)以及現(xiàn)有信息化監(jiān)控平臺(tái)方面，對(duì)疫苗冷鏈信息化進(jìn)程進(jìn)行綜合闡述，并基于疫苗冷鏈的現(xiàn)有問題對(duì)未來疫苗冷鏈的信息化建設(shè)方向提出展望。

1 國(guó)內(nèi)外對(duì)疫苗冷鏈的管理規(guī)定

針對(duì)疫苗冷鏈的安全管理，國(guó)際上和我國(guó)都出臺(tái)了相應(yīng)的管理標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)疫苗冷鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量把控。表1所示為部分國(guó)際社會(huì)以及我國(guó)近五年內(nèi)新出臺(tái)的關(guān)于疫苗冷鏈管理的政策，對(duì)于疫苗冷鏈的管理我們需以其中的標(biāo)準(zhǔn)來開展工作。

表1 國(guó)內(nèi)外疫苗冷鏈安全管理政策

國(guó)際社會(huì)多從工作人員和培訓(xùn)、儲(chǔ)存和溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備、庫存管理、產(chǎn)品準(zhǔn)備、產(chǎn)品運(yùn)輸、緊急的儲(chǔ)存和處理等幾個(gè)方面對(duì)疫苗冷鏈進(jìn)行規(guī)范管理。我國(guó)也極為重視疫苗冷鏈的安全管理，尤其是在新冠肺炎疫情形勢(shì)下，我國(guó)嚴(yán)格按照現(xiàn)有的疫苗冷鏈管理政策對(duì)新冠疫苗冷鏈進(jìn)行質(zhì)量把控，并積極出臺(tái)新政策對(duì)疫苗冷鏈的前期準(zhǔn)備、運(yùn)輸過程以及應(yīng)急響應(yīng)處理等方面進(jìn)行不斷完善，時(shí)刻在為長(zhǎng)期打好新冠肺炎疫情攻防戰(zhàn)做好準(zhǔn)備。

2 疫苗冷鏈需監(jiān)控的環(huán)節(jié)及指標(biāo)

2.1 疫苗冷鏈需監(jiān)控環(huán)節(jié)

為了更好關(guān)注疫苗安全，需要對(duì)疫苗冷鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的了解，我國(guó)疫苗冷鏈流通的總體流程為疫苗從生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行合格的生產(chǎn)后，由各地疾控中心采購(gòu)后再分配給下級(jí)疾控中心，其后再由下級(jí)疾控中心分發(fā)給各疫苗接種單位進(jìn)行接種。在各地點(diǎn)之間的運(yùn)輸工具通常采用的是疫苗冷藏車及保溫箱[12]。

由于疫苗在轉(zhuǎn)運(yùn)的過程當(dāng)中易受環(huán)境因素影響而造成疫苗的品質(zhì)降低。因此，疫苗冷鏈監(jiān)控主要針對(duì)疫苗運(yùn)輸過程中的儲(chǔ)存情況以及到達(dá)中轉(zhuǎn)冷庫進(jìn)行靜態(tài)保存的情況進(jìn)行監(jiān)控，并且在監(jiān)控的過程當(dāng)中將各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)控信息實(shí)時(shí)上傳至信息化監(jiān)控平臺(tái)，通過信息化的監(jiān)控保證品質(zhì)優(yōu)良的疫苗安全到達(dá)接種點(diǎn)。

2.2 疫苗冷鏈監(jiān)控主要指標(biāo)

由于疫苗是一種特殊的生物制品，因此其對(duì)環(huán)境條件的變化較為敏感，參考《新冠病毒疫苗貨物道路運(yùn)輸技術(shù)指南》[6]以及《中華人民共和國(guó)藥典2020版》[7]，監(jiān)控疫苗冷鏈時(shí)需要注意的指標(biāo)包含溫度、濕度、地理位置、光照、容器、化學(xué)反應(yīng)和震動(dòng)等因素。其中溫度和疫苗運(yùn)送的地理位置是現(xiàn)今疫苗冷鏈的首要監(jiān)控指標(biāo)。

2.2.1 溫度

由于疫苗在高溫下容易失活，因此需要將疫苗保持在低溫下進(jìn)行運(yùn)輸。如表2所示，現(xiàn)有的幾類疫苗保存溫度多為2～8 ℃[13]?，F(xiàn)今我國(guó)使用的新冠疫苗同樣也在2～8 ℃下進(jìn)行保存。但也有需要在較低溫度下保存的疫苗，如冷凍真空干燥疫苗需在-15 ℃以下進(jìn)行保存且可保存約1年時(shí)間；美國(guó)輝瑞公司生產(chǎn)的mRNA新冠疫苗由于其自身特點(diǎn)，正常情況下需要在-70 ℃的低溫進(jìn)行保存，實(shí)驗(yàn)室中常見的超低溫冰箱可以實(shí)現(xiàn)該類保存溫度，但許多不發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)的醫(yī)療中心并沒有適用于超低溫的儲(chǔ)存設(shè)備，這對(duì)于疫苗冷鏈的儲(chǔ)運(yùn)條件具有巨大的挑戰(zhàn)。

表2 常見類型疫苗的保存溫度

2.2.2 地理位置

為避免疫苗在運(yùn)送過程中出現(xiàn)意外，還需要對(duì)疫苗的實(shí)施地理位置進(jìn)行監(jiān)控。通過監(jiān)控位置不但可以清晰了解疫苗的運(yùn)送情況，出現(xiàn)問題時(shí)進(jìn)行緊急處理，也可以為運(yùn)送車輛提供路況信息，規(guī)劃最優(yōu)路線從而提高疫苗運(yùn)送的效率，使疫苗安全及時(shí)地到達(dá)接種地點(diǎn)。

3 常用疫苗冷鏈監(jiān)控技術(shù)及發(fā)展

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控疫苗在冷鏈中的信息，并將數(shù)據(jù)及時(shí)反饋到管理部門進(jìn)行處理，疫苗冷鏈的監(jiān)控技術(shù)主要分為數(shù)據(jù)采集技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，數(shù)據(jù)采集技術(shù)負(fù)責(zé)精準(zhǔn)的采集疫苗在運(yùn)輸及儲(chǔ)存過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集終端采集的數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給監(jiān)控平臺(tái)及管理部門，再由管理部門對(duì)疫苗冷鏈的運(yùn)行作出指示。

3.1 冷鏈信息采集技術(shù)

3.1.1 溫度采集技術(shù)

疫苗冷鏈中監(jiān)控疫苗保存溫度的主要技術(shù)方法有兩種，即時(shí)間-溫度記錄儀和時(shí)間-溫度指示器。

時(shí)間-溫度記錄儀即指日常生活中常用的溫度計(jì)，根據(jù)使用目的的區(qū)別，目前已有多種溫度計(jì)，傳統(tǒng)用于冷鏈的溫度計(jì)有指針式溫度計(jì)和玻璃管溫度計(jì)，這兩種溫度計(jì)指示溫度直觀，但測(cè)量精度不高且無法實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存至平臺(tái)，只能通過手動(dòng)記錄，非常耗時(shí)。為了能夠?qū)崟r(shí)將溫度數(shù)據(jù)記錄并上傳至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析處理，現(xiàn)今疫苗冷鏈安全監(jiān)控首選的溫度監(jiān)測(cè)裝置是數(shù)字溫度計(jì)，其讀數(shù)方便、測(cè)量時(shí)間短以及測(cè)量精度高，且某些類型具有溫度報(bào)警功能、可聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)。

時(shí)間-溫度指示器（Time-Temperature Indicator，TTI）是一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)食品、藥物等產(chǎn)品安全性的新型指示劑，也可稱為溫度指示標(biāo)簽[14]。其可以實(shí)時(shí)監(jiān)控疫苗本身溫度變化，獲取疫苗品質(zhì)，解決了傳統(tǒng)標(biāo)定保質(zhì)期的做法所帶來的不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量的問題。當(dāng)前疫苗冷鏈用到的TTI主要有聚合型TTI標(biāo)簽和電子TTI標(biāo)簽。

目前疫苗冷鏈最常用的聚合型TTI標(biāo)簽為疫苗溫度控制標(biāo)簽（Vaccine Vial Monitor，VVM），其內(nèi)部包含活性方塊和參照?qǐng)A圈，活性方塊的顏色隨著溫度變化，當(dāng)顏色與參照?qǐng)A圈接近時(shí)表明疫苗受到溫度影響，顏色越深受溫度損害越大[15]。

上海理工大學(xué)胥義教授團(tuán)隊(duì)[16-20]在熱敏感標(biāo)簽方面進(jìn)行了擴(kuò)散型TTI標(biāo)簽、量子點(diǎn)標(biāo)簽、新型二維碼標(biāo)簽等相關(guān)研究，表明TTI標(biāo)簽、量子點(diǎn)標(biāo)簽以及新型二維碼標(biāo)簽都可以準(zhǔn)確的指示溫度變化，具有充足的冷鏈監(jiān)管能力。

傳統(tǒng)TTI溫度指示標(biāo)簽雖指示溫度直觀，但不能獲得實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存管理?，F(xiàn)今多采用可實(shí)時(shí)記錄疫苗溫度數(shù)據(jù)的電子TTI標(biāo)簽，如RFID標(biāo)簽和電子VVM標(biāo)簽。

RFID主要包括天線、溫度傳感器、存儲(chǔ)單元和報(bào)警單元等幾部分。采用RFID讀寫器掃描疫苗包裝上的標(biāo)簽可以獲取疫苗溫度信息[21]。電子VVM標(biāo)簽自帶二維碼，采用具有NFC功能的手機(jī)掃描標(biāo)簽后可獲取標(biāo)簽記錄的溫度數(shù)據(jù)[22]。

3.1.2 地理位置監(jiān)控技術(shù)

疫苗在運(yùn)輸過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)控疫苗的位置，以保證在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將疫苗安全的轉(zhuǎn)運(yùn)到疫苗接種地。因此，疫苗冷鏈中用于監(jiān)控疫苗運(yùn)送的地理位置的技術(shù)主要是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）技術(shù)。

GPS技術(shù)于1938—1995年間投入商用，并在1995—2015年間逐漸覆蓋全球市場(chǎng)。1995—2005年期間，GPS技術(shù)主要應(yīng)用于科學(xué)研究、測(cè)量學(xué)、軍事和旅行等多個(gè)方面；到了2005—2015年十年間，GPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用在手機(jī)、無人機(jī)等智能設(shè)備之上，并且至今仍在不斷革新技術(shù)，隨著2020年中國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的全球覆蓋，GPS技術(shù)的應(yīng)用會(huì)更加廣泛[23]。

在疫苗冷鏈中，通常采用GPS技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控疫苗冷冷藏車位置及運(yùn)行狀況，了解疫苗在途中是否安全，是否能快速有效的到達(dá)，以及提供路線分析、路線優(yōu)化、記錄車輛的歷史軌跡，以供運(yùn)行評(píng)估，進(jìn)行指揮調(diào)度。鄒金成等[24]開發(fā)了一種基于北斗/GPS導(dǎo)航定位的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)，包括北斗/GPS雙模定位模塊、車載監(jiān)控模塊以及遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊。北斗/GPS雙模定位將定位信息傳輸?shù)杰囕d監(jiān)控模塊，車載監(jiān)控模塊中可實(shí)時(shí)檢測(cè)并儲(chǔ)存冷鏈物流運(yùn)輸車中的溫濕度數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)通過北斗數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊進(jìn)行管理，該系統(tǒng)能夠保證疫苗冷鏈全程處于監(jiān)控之下，將疫苗安全風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

3.2 冷鏈數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

為及時(shí)了解疫苗冷鏈的情況，冷鏈數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)需快速、準(zhǔn)確且安全，包含近距離數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。近距離有RFID、Zigbee、NFC等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其主要對(duì)疫苗在中轉(zhuǎn)冷庫靜態(tài)儲(chǔ)存以及運(yùn)輸過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。遠(yuǎn)距離有GSM、GPRS、CDMA、4G/LTE和LORA等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將溫度數(shù)據(jù)傳輸至云監(jiān)控平臺(tái)提示管理部門監(jiān)控并處理冷鏈的異常問題。

4 國(guó)內(nèi)信息化疫苗冷鏈監(jiān)控平臺(tái)

基于現(xiàn)有的溫度監(jiān)控技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，國(guó)內(nèi)目前也建立了幾項(xiàng)較為成熟的疫苗冷鏈監(jiān)控平臺(tái)，為疫苗安全保駕護(hù)航。如美的智慧疫苗接種場(chǎng)景，其依托于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將智能技術(shù)應(yīng)用于疫苗冷鏈輸送及疫苗接種工作上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化門診系統(tǒng)的對(duì)接和數(shù)據(jù)交互，確保了疫苗冷鏈、接種臺(tái)與疾控中心信息數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)了疫苗接種自動(dòng)化管理、智能盤點(diǎn)和安全接種。類似的較為成熟的疫苗云監(jiān)控平臺(tái)還有海爾智慧疫苗網(wǎng)、中科美菱疫苗冷鏈監(jiān)控平臺(tái)等。

鄒金成等[24]進(jìn)行了可用于疫苗冷鏈監(jiān)控的平臺(tái)開發(fā)，開發(fā)了一項(xiàng)基于GPRS和ZigBee傳輸技術(shù)的血液冷鏈及信息化管理系統(tǒng)，可通過血袋標(biāo)簽來獲取血袋的溫濕度信息傳輸給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)庫以供管理部門后臺(tái)管理冷鏈。鄒金成等[25-28]研究了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多溫共配冷鏈信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)、車載終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)幾部分，其中傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)包含多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)來獲取溫濕度信息轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至車載終端，最后GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存進(jìn)數(shù)據(jù)庫以供冷鏈管理。

5 結(jié)論與展望

保證疫苗安全是疫苗冷鏈中的首要任務(wù)，本文針對(duì)疫苗冷鏈的信息化監(jiān)管問題進(jìn)行總結(jié)，得出如下結(jié)論：

1）現(xiàn)今疫苗冷鏈監(jiān)控平臺(tái)種類繁多，但監(jiān)控能力參差不齊；

2）現(xiàn)今疫苗冷鏈的管理人員大部分不是專業(yè)人員，不可避免出現(xiàn)冷鏈操作以及管理問題；

3）對(duì)于疫苗的監(jiān)控指標(biāo)只局限于溫度，監(jiān)控指標(biāo)較少，措施不成熟。

針對(duì)以上問題，未來疫苗冷鏈的監(jiān)管可以申請(qǐng)政府介入管理疫苗冷鏈平臺(tái)；同時(shí)抓緊培養(yǎng)疫苗冷鏈相關(guān)的專業(yè)人員投入疫苗冷鏈管理；開發(fā)信息化、高精度、多功能的裝置監(jiān)控影響疫苗品質(zhì)的更多指標(biāo)；不斷將新興技術(shù)如5G技術(shù)應(yīng)用于疫苗冷鏈的應(yīng)用，提高平臺(tái)的運(yùn)行速度，高效率保證疫苗冷鏈的安全。