基于RFID的病理標本管理系統設計與實現

范健威，傅 蓉

(南方醫科大學 生物醫學工程學院，廣東 廣州 510515)

0 引 言

目前大多數醫院對送檢的病理標本采用人工管理模式，不僅費時費力，而且容易出現標本錯檢漏檢的情況。文獻[1,2]指出，利用條形碼追蹤標本可以追溯標本在醫院科室間的流轉歷史，降低標本標記錯誤率從而減少醫療事故發生的可能性。然而條形碼技術本身也存在諸多缺陷，尤其在病理標本管理自動化方面的應用仍然差強人意。在病理實驗室環境下，標本容器上所粘貼的條形碼容易受到化學試劑的腐蝕與液體樣本的污染，造成該條形碼不能夠被掃描槍順利或正確地識別[1]。二維碼雖然擁有數據儲存密度高、能夠全方位掃描等優點，但每次掃描都需要通過有對焦過程的圖像識別過程才能讀取二維碼信息，掃描過程需要手工操作，而且不能同時識別多個目標對象，在識別對象數量很大、識別操作頻繁的應用環境下二維碼技術的識別效率遠不及RFID技術[3]。因此，本文探索了一種可替代條形碼和二維碼的新型識別技術，即無線射頻識別技術(radio frequency identification，RFID)的解決方案，并給出了利用RFID讀寫器和串口服務器搭建病理標本追蹤與管理系統的實現方案，相比條形碼和二維碼，該項技術在耐用性、識別速度和使用效率方面具有明顯的優勢。

1 RFID技術簡介

RFID是一種能提供識別、追蹤和加密功能的自動識別和數據捕獲技術，由RFID標簽、讀寫器以及信息網絡系統等部分組成。近年來RFID技術的應用優勢極為顯著，尤其在公共交通、智能樓宇、倉庫自動化管理、醫療系統、結構健康監測中應用廣泛[4,5]。與光學掃描識別技術相比，RFID識別過程無需直接接觸、無需光學對焦、無需手工操作即可完成對象識別和信息錄入，并且操作方便快捷。RFID按使用頻率的不同分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、微波(MW)，相對應的工作頻率可分為：低頻段135 KHz、高頻段13.56 MHz和超高頻段860-960MHz以及微波頻段2.45 GHz、5.8 GHz[6]。本文基于病理檢驗的需求，并綜合考慮標簽的讀寫距離、識別干擾、應用成本和維護成本等因素，采用了無源高頻標簽作為標本標識編碼的載體[7]，其有效通信距離可達90 cm，可滿足準確、重復、低成本識別標本的需求。表1集中列舉了條形碼與無源RFID標簽在應用優勢上的差異。利用大量無源RFID標簽組成實時追蹤與定位網絡[8]，實現標簽數據高速采集，提高數據的保密性和管理的高效性，使得標本追蹤系統更加自動化[9]。

表1 條形碼與無源RFID標簽的對比

2 系統總體設計

病理標本的追蹤與管理是病理科質量控制的一部分，需對標本的接收、流轉、回收進行全程監控。南方醫科大學傅蓉副教授研發的病理信息系統不僅實現了病理檢驗各個環節的數據錄入和管理，而且重點強化病理技術質控、診斷質控和報告質控在病理科工作流程的中心地位[10]。本文在此基礎上，利用RFID技術提出新的病理標本追蹤與管理方案，加強對標本的識別和追蹤，進一步規范病理標本的質量控制。

2.1 系統軟件功能設計

依據病理科的工作流程和病理醫生的工作需求將標本追蹤和管理系統劃分為登記、標本狀態追蹤、通信和回收4個主要功能模塊：

(1)登記模塊的主要功能是綁定標簽ID號與病人ID號并寫入到高頻標簽中、讀取病人申請單信息、生成病理號。

(2)標本狀態追蹤模塊可以針對標本處理流程中的每一個關鍵步驟實現對標本狀態的實時追蹤功能，病理技師可以隨時查看任意標本的當前狀態信息。

(3)通信模塊包含串口通信和網絡通信兩個子模塊，負責控制RFID讀寫器的行為、解釋所接收到的串口數據以及與病理信息系統進行數據交互。

(4)回收模塊分為標本回收與標簽回收兩部分，主要實現標本信息復核、標本回收和標簽回收等等功能。

2.2 系統硬件布局

由于病理科對標本的處理包括登記、取材、脫水、包埋、切片、染色、診斷等一連串必不可少的步驟，為了保證病理大體標本管理流程中所需的人工干預程度達到最小，系統將管理流程分割成多個步驟，每個步驟都要求病理標本追蹤與管理系統得到來自病理信息系統關于當前標本處理狀態信息的反饋，系統因此能夠實時追蹤每個標本的處理狀態，并集中顯示在大尺寸顯示器上。本文設計的整體硬件布局如圖1所示。

充滿福爾馬林溶液的標本瓶或標本袋的上貼有內嵌線圈的RFID標簽[11]。要求該標簽的有效讀寫距離不能過大以避免受到鄰近標本的干擾，標簽粘貼所處位置不得影響標本的運轉與處理過程，能滿足抗化學腐蝕、耐高溫與耐低溫的要求。

圖1 系統硬件布局

RFID讀寫器通過串口或USB接口與上位機進行通信，由于標本登記前臺需要接收大量的標本，系統布置多臺RFID讀寫器并且都連接到串口-網口服務器，該服務器將串口數據通過TCP/IP協議轉發到控制主機。利用RFID讀寫器和串口-網口服務器搭建數據通信網絡有明顯的優勢：串口服務器將串口數據轉換為TCP/IP信號，使系統具有以太網通訊的高效和穩定的特點，因此可以實現多臺上位機分布式的實時監控與數據處理[12]。

系統同時連接了標簽打印機，標本登記后系統自動將生成的病理號打印在紙質標簽上。

3 系統的實現

3.1 串口服務器的應用模式及其參數設置

上位機(PC)與下位機(RFID讀寫器)之間的通信由四串口服務器實現。從邏輯功能上看，通信系統的上層由串口服務器的以太網接口部分與上位機組成，兩者之間通過TCP/IP協議通信；下層則由串口服務器的串口(RS-232/RS-385)接口部分與RFID讀寫器組成，兩者之間通過串口通信標準交換數據。可利用四串口服務器供應商配套提供的VCOM(虛擬串口)軟件建立PC端上的虛擬串口，并設置其工作模式為TCP Server模式，同時配置網絡和串口的通信參數，使得上位機程序可以接收指定串口的數據。VCOM軟件把串口的數據以網絡的形式發送出去，進而實現了傳統串口設備聯網通信的目的，實現無需修改上位機程序即可進行遠程數據傳輸和通信的功能。VCOM應用模式如圖2所示。

圖2 VCOM應用模式

RFID讀寫器識別標簽并獲取其卡內信息后，通過串口將所讀取的數據發送給串口服務器，串口服務器主動發起連接并連接到上位機，因此需將串口服務器的工作模式設置為TCP Client模式。由于RFID讀寫器與串口服務器在標本追蹤與管理應用環境中屬于固定設備，因此需要為串口服務器分配靜態IP地址以及設置同一網段的網關，對串口服務器上的每一個串口設定相應的本地端口號。同時也要為上位機設置相應的IP和網關，而這些參數設置都必須與醫院科室的局域網適配，避免出現網絡通信故障。

3.2 標簽數據存儲格式與讀寫指令

飛利浦(Philips)公司的Mifare系列智能卡具有較高的市場占有率，在較為惡劣的工作環境下有很大的優勢，因此本文選用Mifare 1(S50)卡作為高頻電子標簽。Mifare 1卡采用EEPROM作為存儲介質，其內部可分為16個扇區，每個扇區由4塊組成，每塊有16個字節。

本文所設計的扇區數據編碼格式如圖3所示。其中，第0扇區的塊0中的0-3個字節為卡的序列號即標簽ID號；每個扇區的塊0、塊1、塊2均為數據塊，可用于數據存儲以及數據讀寫；每個扇區的塊3為控制塊，其中儲存了訪問密碼和存取控制字，而且訪問密碼和存取控制字都是獨立的，可根據本系統的實際應用需求設定訪問密碼。本系統為簡單起見，統一設置讀寫密碼為(16進制)：FF,FF,FF,FF,FF,FF。

圖3 病人ID號和病理號在高頻標簽內部的存儲格式

本文所設定的病人ID號和病理號分別為8個字符和11個字符長度的字符串(最大長度分別為10個字節和13個字節)，所以每個病人ID號和病理號的存儲需要占用同一個扇區里的兩個塊。例如，病人ID號和病理號分別為21500834和08-05021246，因此應該依次向扇區1的塊0和塊1中寫入以下兩個指令數據(16進制)：19,A2,FF,FF,FF,FF,FF,FF,00,02,01,05,00,00,08,03,04,00,00,00,00,00,00,00,00以及19,A2,FF,FF,FF,FF,FF,FF,01,00,08,2D,00,05,00,02,01,02,04,06,00,00,00,00,00。

3.3 標本信息與標簽ID號管理

本系統采用Microsoft SQL Server 2005建立標本信息數據庫，包含6張表格：已申請標本信息表格tb_appInfo、已登記標本信息表格tb_speciInfo、閑置標簽信息表格tb_idleID、順序號信息表格tb_order、已回收標本信息表格tb_archiveInfo以及用戶信息表格tb_userLoader。

首先將一批新的(未被使用的)RFID高頻標簽ID號錄入到數據庫的tb_idleID表格中。在檢查申請環節中，系統會將當前識別的標簽ID號與tb_idleID表格中的ID號逐一匹配，若匹配成功則會將該ID號從tb_idleID表格里剔除掉，然后使之與當前標本信息進行綁定。標本被回收后該標簽ID號重新儲存到這個表格中，以供下一輪流轉使用。通過清空標簽內部的寫入數據實現標簽的循環使用，從而節約使用成本。對標本進行編號排序所需的順序號從病理號中提取，儲存在tb_order表格里，大量的標本信息實體按照順序號在系統中以鏈表的形式進行排序，系統因而能夠高效地訪問各個環節中的標本信息。

3.4 標本追蹤與管理

基于RFID技術的病理標本追蹤與管理系統的上位機程序是一個基于MFC的對話框程序，能夠控制RFID讀寫器批量地讀寫標簽信息、顯示正在追蹤的標本的狀態信息以及管理暫存的大體標本，系統通過公用數據接口接入到現有的病理信息系統[10]，實現兩者的數據交互與共享，如圖4所示。

圖4 標本追蹤與管理過程

3.4.1 檢查申請

在門診或手術室內布置一臺PC和一臺高頻RFID讀寫器，醫生登錄標本追蹤與管理系統，進入病理檢驗申請模式。醫生采集病人的組織標本后，取一片高頻RFID標簽黏貼在標本袋上，并將標本袋放在讀寫器上進行識別，系統讀取標簽ID號并將該ID號與tb_idleID表格中的ID號逐一匹配，從而判別該ID號是否已被占用；通過識別后，只需在程序界面上輸入病人姓名、標本名稱和病人ID號，系統會將病人ID號通過RFID讀寫器寫入到標本袋上的高頻標簽中。醫生將填寫好的電子申請單提交到HIS系統，標本由工作人員送到病理科標本接收前臺。

3.4.2 標本信息登記

病理科接到標本后，進入登記步驟。在病理科取材室布置一臺PC和3臺(或4臺)高頻RFID讀寫器，這3臺讀寫器分別用于標本登記、標本查詢以及標本回收。病理技師登錄賬號后，系統進入登記模式。將帶有高頻標簽的樣本袋或樣本瓶放在讀寫器上進行識別，讀取標簽ID號和病人ID號，并判斷該標簽ID號是否已被占用。通過識別后系統自動向病理信息系統發送病人ID號，根據該ID號從HIS系統中下載該標本的申請單信息，返回到系統界面上顯示，病理技師因而可以核對紙質標簽和申請單上的信息。核對無誤后，系統則會為當前標本生成唯一的病理號并使其與標簽ID號、病人ID號和病人姓名綁定在一起，提交到本地數據庫中，此時標本的處理狀態從“未接收”(not accepted)更新為“已接收”(accepted)。同時，本系統一方面通過讀寫器將病理號寫入到標本袋上的高頻標簽內，另一方面將病理號發送到病理信息系統。系統通過標簽打印機將病理號打印在多張紙質標簽上，病理醫生對該大體標本進行取材后將標簽依次粘貼在申請單、標本袋和載玻片上。

3.4.3 標本處理狀態追蹤

由于病理信息系統具有針對病理檢驗流程的質控管理機制[10]，在隨后所進行的取材(grossing)、脫水(proces-sing)、包埋/切片(embedded & cutting)和染色(staining)4個處理步驟中，病理技師每完成一項標本處理工作后都在病理信息系統中進行確認，此時系統會記錄標本的處理狀態，并通過公用數據接口向標本追蹤與管理系統發送當前步驟“已完成”消息，本系統會根據該消息更新本地數據庫中對應的標本的處理狀態信息。例如在取材步驟(如圖5所示)，標本被取材后病理信息系統向本系統發送“取材已完成”消息，然后本系統將本地數據庫中對應的標本的“取材”狀態更新為“脫水”。病理技師可通過讀取大體標本上的標簽信息從而獲知該標本當前的處理狀態，從而實現了對標本處理狀態的追蹤。

圖5 標本處理狀態追蹤

3.4.4 重取材與標本回收

進入到診斷步驟時，病理診斷醫生根據標本的實際情況判斷是否需要進行重取材；若需要，則在病理信息系統程序界面上向本系統發送“重取材”請求，同時發送相應的病理號和病人姓名；技師接收到該請求后根據病理號找出對應的正在冷藏的大體標本，將標本放在查詢信息的讀寫器上進行識別，確認重取材操作后系統在數據庫中向對應的標本信息寫入“重取材”標志，并將標本狀態信息復位為“已接收”(accepted)，重復標本處理狀態追蹤的工作流程。若不需要重取材，則由病理醫生撰寫病理診斷報告，確認報告打印后病理信息系統自動向本系統發出“已診斷”信息，本系統接收到該信息后將標本狀態信息從“染色/制片”(staining)更新為“已診斷”(diagnosed)，并提示技師對大體標本進行回收處理。技師在回收標本期間，需要將附有高頻標簽的樣本袋置于標簽回收讀寫器上識別，識別成功后系統將該標本的信息轉移到tb_archiveInfo表格中永久保存，以供日后查詢統計之用。同時系統還自動將該高頻標簽里的寫入信息(包括病人ID和病理號)全部清空，并將標簽ID號登記到tb_idleID表格中。技師對已回收的高頻標簽進行集中消毒處理，以供下次重復使用。

4 系統的應用

本系統以Visual Studio C++為前臺開發平臺、SQL Server 2005為后臺數據庫、TCP/UDP測試工具和串口調試助手為系統通信測試工具。此系統的交互界面分為兩部分，一部分為系統管理主界面，另一部分為操作主界面，前者面向標本信息和用戶信息的管理，后者面向標本登記、識別、追蹤等操作。該系統共設兩個工作點，分別是門診/手術室工作點和病理科工作點，每個點設置一臺PC和一臺(多臺)高頻RFID讀寫器(包括串口服務器)。目前已經實現了病理標本的檢驗申請、登記、查詢、追蹤、回收等基本功能，其中標本的登記和識別是系統的核心功能，其操作界面如圖6所示。

圖6 系統操作界面

當系統識別了一個帶有RFID高頻標簽的標本后，在顯示區域提示用戶輸入病人姓名、病人ID號以及標本名稱，然后點擊“錄入標本信息”按鈕，系統將所輸入的信息與當前標簽ID號綁定并儲存到本地數據庫中。點擊窗口左側的“標本數量”按鈕可以統計當前已登記或已申請的標本數量；點擊“打印標本信息”按鈕則在顯示區域打印所有已登記的標本的詳細信息；點擊“查找標本信息”按鈕則可以根據病人姓名、病人ID號或病理號查找對應的標本信息并在顯示區域打印出來。若標本信息存在錯誤時，可以先找出該份錯誤的標本信息，然后填入正確的信息，點擊“確認修改”按鈕確認修改當前標本的信息。點擊“標本回收”按鈕可以回收標簽ID號，清空標簽內部儲存的信息并將標簽ID號錄入到tb_idleID表格中，以供下一輪重復使用。對話框窗口下部的操作區域屬于系統調試專用區域，普通用戶無需涉及這部分的操作。在標本ID的識別過程中若有個別標簽未能被正確識別，則還可以通過點擊“手工錄入ID號”按鈕的方式手工錄入標簽ID號。

5 結束語

本系統利用無源RFID高頻標簽對大量的病理標本進行追蹤與管理，降低由于手工操作導致的標本標記錯誤的發生率；通過接入現有的病理信息系統，有效地預防病理標本與病人身份不匹配的錯誤發生，提高醫務人員尤其是病理技師和病理醫師的工作效率，進而提升了病理科標本管理與處理的自動化水平。另外，該系統允許重復使用RFID高頻標簽，因此病理科為該系統的日常運行所付出的必要成本能夠維持在較低的水平上。

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