生物樣本管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)當(dāng)前中小型企事業(yè)單位生物樣本管理中存在的問(wèn)題，系統(tǒng)參照GLP管理規(guī)范和GMP審計(jì)追蹤要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)分布式計(jì)算結(jié)構(gòu)的輕型管理系統(tǒng)。系統(tǒng)包括樣本配置、樣本入庫(kù)、樣本領(lǐng)用、樣本歸還、樣本統(tǒng)計(jì)、樣本處置、庫(kù)位管理等功能模塊，基本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣本的全生命周期記錄。系統(tǒng)的應(yīng)用降低了傳統(tǒng)樣本管理工作強(qiáng)度和復(fù)雜度，提高了樣本的科學(xué)化管理水平。

關(guān)鍵詞：生物實(shí)驗(yàn)室；樣本管理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；生命周期

Design of biological sample management system

LI Dong

（Suzhou Institute of Trade and Commerce，" Suzhou，" Jiangsu 215009，" China）

Abstract：In view of the existing problems in the management of biological samples in small and medium-sized enterprises and institutions， a lightweight management system based on distributed computing structure of the Internet of Things is designed by referring to GLP management standards and GMP audit tracking requirements. The system includes sample configuration， sample storage， sample access， sample return， sample statistics， sample disposal， warehouse location management and other functional modules， which basically realizes the whole life cycle record of samples. The application of the system reduces the intensity and complexity of traditional sample management and improves the level of scientific sample management.

Keyword：Biological laboratory; Sample management; System design; Life cycle

一、引言

樣本是實(shí)驗(yàn)室重要的生產(chǎn)資料，是科研工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。生物實(shí)驗(yàn)室的樣本涵蓋了從細(xì)胞、組織到基因等多個(gè)層面，其種類(lèi)、數(shù)量以及復(fù)雜性在日益增加，對(duì)樣本管理的要求也越來(lái)越高。有效的樣本管理不僅能夠確保樣本自身的安全合規(guī)，也能保障實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，促進(jìn)科研成果產(chǎn)出。

在大量的成長(zhǎng)型醫(yī)藥企業(yè)的日常實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)中，囿于管理、人員、要求等客觀因素，樣本的管理往往依賴于傳統(tǒng)的手工記錄和低效的手工登記，沒(méi)有專用的信息管理系統(tǒng)，這種方式存在諸多弊端。例如，信息記錄不完整、不準(zhǔn)確、不及時(shí)，容易丟失、混淆，或信息殘缺、不一致；致使對(duì)樣本的流轉(zhuǎn)和使用難以監(jiān)控，追蹤和溯源困難，直接導(dǎo)致樣本質(zhì)量下降，影響實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性和科學(xué)性。這種傳統(tǒng)、低效的做法已經(jīng)沒(méi)法滿足當(dāng)前各類(lèi)生物實(shí)驗(yàn)對(duì)樣本的新標(biāo)準(zhǔn)和新要求。

目前，市面上有很多生物、醫(yī)藥類(lèi)的樣本管理系統(tǒng)，在這類(lèi)場(chǎng)景應(yīng)用時(shí)存在系統(tǒng)功能復(fù)雜、部署難度大、使用維護(hù)成本高、和業(yè)務(wù)集成不緊密等諸多的技術(shù)和管理困難。為此，通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和二維碼標(biāo)識(shí)，集成特定企業(yè)的生物實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)和管理，實(shí)現(xiàn)分散和集中管理相結(jié)合、覆蓋樣本全工作生命周期（Sample Work Life-cycle Management）的管理，對(duì)于保障樣本的質(zhì)量和安全，高質(zhì)量完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，解決該類(lèi)企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)字化痛點(diǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、樣本的生命周期概述

在成長(zhǎng)型醫(yī)藥企業(yè)的生物實(shí)驗(yàn)室中，樣本的全工作生命周期覆蓋樣本的采集、登記、存儲(chǔ)、領(lǐng)用、歸還、運(yùn)維、審計(jì)、處置等過(guò)程。樣本管理的水平和精細(xì)度是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵因素。

樣本的采集包括樣本的簽收（項(xiàng)目負(fù)責(zé)人）、加工（稱重、分解、計(jì)量、分裝）、樣本容器和冷凍盒（眾多樣本集中存放載體）選擇等。

登記：樣本的編碼、標(biāo)簽生成和打印、樣本信息登錄項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)等。為了滿足不同的樣本管理粒度和使用等級(jí)，樣本的編碼可以單獨(dú)使用一維條碼或二維碼，也可以兩者同時(shí)使用。具體工作中，常常會(huì)為冷凍盒也分配固定的編碼，便于樣本的批處理，提高樣本流轉(zhuǎn)的效率。樣本編碼粘貼在樣本容器的和樣本冷凍盒指定的位置。

存儲(chǔ)：樣本存儲(chǔ)設(shè)備（液氮冷柜、罐等）管理、存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)空間布局管理（按照行、列、層三個(gè)維度標(biāo)定存儲(chǔ)空間）和編碼規(guī)則，為樣本（或冷凍盒）選定存儲(chǔ)空間，把加工好的樣本（或冷凍盒）按照流程放入存儲(chǔ)空間，

領(lǐng)用和歸還：授權(quán)的使用人從存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)空間中領(lǐng)取樣本，使用完畢后歸還到原位置。

運(yùn)維：樣本存放空間位置的調(diào)整、樣本批次管理、樣本容器的更新和標(biāo)簽破損更換、樣本重量的記錄和更新。樣本品質(zhì)

審計(jì)：按照設(shè)備或項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)的樣本登陸、批次、領(lǐng)用、歸還原始情況記錄，以及樣本的使用次數(shù)、時(shí)常、責(zé)任人員、樣本對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和報(bào)告，根據(jù)客戶要求提供樣本的使用報(bào)告等。

處置：樣本的歸還、留置、銷(xiāo)毀或轉(zhuǎn)移他用，根據(jù)項(xiàng)目要求終結(jié)樣本生命周期。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與要點(diǎn)

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

在生物實(shí)驗(yàn)室樣本管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，樣本的生命周期內(nèi)涉及系統(tǒng)管理員、樣本管理員、樣本實(shí)驗(yàn)員三類(lèi)角色，他們對(duì)樣本安全、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和科學(xué)性都有重要的影響。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要堅(jiān)持一下四個(gè)原則：

第一，準(zhǔn)確性。參考GLP（Good Laboratory Practice ）和GMP（Good Manufacturing Practice）的審計(jì)追蹤要求，對(duì)樣本接收、加工，樣本信息的采集、編碼、錄入和存儲(chǔ)，以及后續(xù)的使用等全生命周期都要建立嚴(yán)格的責(zé)任和校驗(yàn)機(jī)制，確保每一個(gè)（尤其是由人直接參與的）原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。

第二，安全性。生物樣本往往涉及企業(yè)商業(yè)機(jī)密和研究成果，所以系統(tǒng)的軟硬件都必須具有較強(qiáng)的安全防護(hù)能力，包括用戶認(rèn)證、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)加密等措施，以防止數(shù)據(jù)泄露、篡改或非法訪問(wèn)等。

第三，易用性?？紤]到樣本的管理只是實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)的非核心事務(wù)，所以系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一定要堅(jiān)持簡(jiǎn)單易用，功能設(shè)置和布局合理，交互和操作界面簡(jiǎn)潔明了，讓使用者經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)就能夠上手，減少數(shù)字化帶來(lái)的事務(wù)處理介質(zhì)的不適應(yīng)。

第四，可擴(kuò)展性。由于樣本存儲(chǔ)設(shè)備的多樣和獨(dú)立的，所以系統(tǒng)的前端智能終端匹配了不同性能的觸摸交互一體機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的獨(dú)立和個(gè)性化管理。這些前端設(shè)備可以通過(guò)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)樣本和存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)共享。

第五，穩(wěn)定性。在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，前端智能終端一旦產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)，就會(huì)及時(shí)上傳到企業(yè)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，備份樣本的全生命周期情況。系統(tǒng)采用成熟、穩(wěn)定的Ubuntu18.x技術(shù)和架構(gòu)，對(duì)代碼需要進(jìn)行充分的測(cè)試和優(yōu)化，確保系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中穩(wěn)定可靠。當(dāng)然，在斷網(wǎng)（有線和無(wú)線）的情況下，前端智能終端會(huì)把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在自有存儲(chǔ)內(nèi)，在網(wǎng)絡(luò)接通后再備份到企業(yè)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。

總之，準(zhǔn)確性、安全性、易用性、可擴(kuò)展性、兼容性和穩(wěn)定性這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則相互關(guān)聯(lián)、相互支撐，共同為生物實(shí)驗(yàn)室樣本管理系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)和有效運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1．總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的分層架構(gòu)，軟件采用主流的開(kāi)發(fā)平臺(tái)vscode+ Anaconda + pytorch組合。系統(tǒng)的硬件拓?fù)淙鐖D1所示。

按照企業(yè)的管理要求，樣本是項(xiàng)目的一部分，所以，項(xiàng)目的設(shè)置和合同信息是樣本的原點(diǎn)，樣本按照項(xiàng)目冷凍盒進(jìn)行管理，批量配置、領(lǐng)用、歸還盒處置。系統(tǒng)的功能設(shè)置和硬件設(shè)備約定如下：

（1）樣本的配置、領(lǐng)用和歸還按照獨(dú)立的項(xiàng)目（冷凍盒）進(jìn)行組織，樣本處置可以一次處理多個(gè)項(xiàng)目。

（2）系統(tǒng)部署在企業(yè)現(xiàn)有的服務(wù)器上，采用數(shù)據(jù)庫(kù)記錄（MongoDB）每個(gè)項(xiàng)目的樣本冷凍盒生命周期情況。每個(gè)項(xiàng)目（冷凍盒）有一個(gè)增量的使用日志，詳細(xì)記錄項(xiàng)目樣本的使用和變化情況。

（3）儲(chǔ)存冷凍盒的冷凍設(shè)備支持目前主流的冷凍冰箱和不超過(guò)6個(gè)扇區(qū)的液氮罐，存放樣本和樣本冷凍盒的空間位置可以采用（扇，行，列，格）四元數(shù)據(jù)唯一確定。其中冷凍冰箱只有1扇，默認(rèn)編碼0；液氮罐有多個(gè)扇區(qū)，也從0開(kāi)始編碼，最大扇區(qū)是5。

（4）用戶管理機(jī)（PC）配備標(biāo)準(zhǔn)的條碼和二維碼打印機(jī)、條碼和二維碼掃碼器、IC卡讀寫(xiě)部件。智能終端采用電容觸摸工控一體機(jī)（內(nèi)嵌式12.1寸，安卓RK3399/4G+G，配有的條碼/二維碼掃碼器，IC卡讀寫(xiě)部件和嵌入式打印機(jī)）。

2.具體功能模塊

以項(xiàng)目冷凍盒為具體管理對(duì)象的主要功能模塊如下：

第一，人員角色管理模塊。確立系統(tǒng)管理員、樣本管理員和樣本使用人三種角色，可以對(duì)這些人員進(jìn)行基本的信息維護(hù)和權(quán)限設(shè)置，以及樣本管理員對(duì)樣本使用人的分樣本冷凍盒授權(quán)。

第二，樣本配置模塊。查詢可以存放樣本的存儲(chǔ)設(shè)備位置，并選取（支持行、列、格三維可視化觸摸）；錄入項(xiàng)目信息（包括項(xiàng)目號(hào)、委托單位、項(xiàng)目起始時(shí)間、大致結(jié)束時(shí)間等）、樣本特征信息（包括樣本形狀、形態(tài)、質(zhì)量、標(biāo)志等情）、冷凍盒信息（包括樣本名稱，樣本數(shù)量，起始樣本編號(hào)，批次等）；生成冷凍盒標(biāo)識(shí)（包括條碼和二維碼，具體信息有存儲(chǔ)設(shè)備位置、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、委托單位、起始時(shí)間、項(xiàng)目編號(hào)、項(xiàng)目名稱、樣本名稱、樣本數(shù)量等）；然后把條碼和二維碼分別粘貼到樣本冷凍盒顯著位置和樣本報(bào)告冊(cè)封面。

第三，樣本入庫(kù)模塊。使用智能終端上的條碼和二維碼掃描設(shè)備掃描冷凍盒上的樣本信息，在對(duì)信息進(jìn)行確認(rèn)后把冷凍盒（內(nèi)含全部樣本）放入選定的樣本存儲(chǔ)設(shè)備存放位置。

第四，樣本領(lǐng)用模塊。包括樣本查詢樣本位置、樣本基本信息查詢，樣本領(lǐng)用申請(qǐng)和流轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)智能終端領(lǐng)用掃碼登記等。

第五，樣本歸還模塊。通過(guò)智能終端直接掃碼現(xiàn)實(shí)樣本（冷凍盒）原位置，用戶確認(rèn)并備注必要的信息后（樣本的變化，包括樣本的數(shù)量、重量、顏色、實(shí)驗(yàn)未結(jié)束留置等情況）完成歸還。

第六，樣本統(tǒng)計(jì)模塊。支持服務(wù)器端和智能終端生成樣本生命周期使用報(bào)告，包括項(xiàng)目名稱，樣本接收時(shí)間和入庫(kù)時(shí)間，樣本冷凍盒位置、樣本的使用次數(shù)和時(shí)間，每次樣本歸還的備注和時(shí)間等信息。

第七，樣本處置模塊。查詢和確認(rèn)需要處置的項(xiàng)目和樣本，輸入本次處置的原因（對(duì)話框輸入）和時(shí)間，從冷凍設(shè)備存放位置取出冷凍盒，智能終端掃描確認(rèn)，完成處置。

第八，其他模塊。智能終端的樣本位置的圖形化界面管理，樣本領(lǐng)用/歸還的憑證打印，服務(wù)器端和智能終端的通信，樣本生命周期使用報(bào)告的導(dǎo)出等。

部分主要交互界面如圖2所示。

四、結(jié)語(yǔ)

生物樣本的管理是生物和醫(yī)藥企事業(yè)單位共同面臨的基礎(chǔ)性問(wèn)題，系統(tǒng)參照GLP管理規(guī)范和GMP審計(jì)追蹤要求，采用物聯(lián)網(wǎng)分布式計(jì)算結(jié)構(gòu)，通過(guò)使用智能化的設(shè)備和信息化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本的全生命周期進(jìn)行記錄，設(shè)計(jì)了樣本配置、樣本入庫(kù)、樣本領(lǐng)用、樣本歸還、樣本統(tǒng)計(jì)、樣本處置、庫(kù)位管理等功能模塊。系統(tǒng)面向中小型的中小型企業(yè)，對(duì)樣本的安全和規(guī)范化管理具有重要意義。未來(lái)，本系統(tǒng)將利用成熟的AI算法，對(duì)樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析，優(yōu)化樣本的庫(kù)位布局，提高樣本存儲(chǔ)設(shè)備空間的高效使用。同時(shí)，加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成與協(xié)同，優(yōu)化用戶體驗(yàn)，提高工作效率。

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作者簡(jiǎn)介：李冬（1967—），男，江蘇銅山人，蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)。