基于物聯網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、信息等樣本進行標準化的收集、處理、保存和研究的平臺。隨著轉化醫學研究的不斷深入，生物樣本庫的規模不斷擴大，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網模型，離不開管理系統和標識化的信息。物聯網的發展，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行標識，樣本的位置和出入庫通過樣本管理系統進行管理。限于成本問題，絕大多數生物樣本庫在日常運行中沒有或沒有全程使用自動化設備，因此對于樣本的實體管理與樣本相關記錄操作就無法在同一時間或同一地點完成，導致樣本庫管理系統無法實時對樣本的狀態進行監控和記錄。在樣本庫質量控制的諸多因素中，樣本收集和處理最為關鍵，其中收集和處理過程中樣本的溫度、環境、離體時間和處理方式都是主要影響因素。樣本質量自離體開始就受這些因素的干擾，將這些因素科學有效的記錄下來，能夠克服單純手工登記不能連續記錄的弊端，對樣本的均一性和質量控制都至關重要。

2 物聯網在生物樣本庫管理中的優勢

物聯網被視為確立未來信息社會競爭優勢的關鍵。作為計算機和互聯網、移動通訊網之后的第三次產業浪潮，各種智能傳感設備，可穿戴設備，都逐步應用到社會方方面面[4-6]。

2.1 物聯網關鍵技術

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

2.2.2 二維碼技術 同樣是物聯網的關鍵核心技術，二維碼由一個二維碼點陣圖形和一個編號組成，配以對應的說明文字，通過專用讀碼設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、識別速度快的特點。作為一種準確、高效、價格低廉的數據獲取方式，已在金融、醫療衛生、工業、自動化等許多領域得到了廣泛應用。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網技術管理生物樣本庫已成為行業發展的趨勢。

2.2 二維碼技術在生物樣本庫中的應用 近年來，生物樣本庫開始大規模使用二維碼。與傳統的條形碼相比，二維碼占用體積小，可以打印在細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，通過掃描設備進行整盒掃描批量出入庫。二維碼包含的樣本信息量大，內容可以包括字母、數字和中文等信息，也能夠通過掃描二維碼實現特定的功能，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而完成特定的快捷操作。因此使用二維碼技術能夠方便快捷地管理樣本信息。

3 基于物聯網的生物樣本庫全流程管理

基于現有生物樣本庫管理的經驗和物聯網技術，利用二維碼技術研發的生物樣本庫管理系統可以實現移動終端管理生物樣本庫流程。

3.1 系統介紹 通過手持終端實現樣本管理操作，相對于在電腦上手動操作樣本庫管理系統，能夠提升管理效率，提高樣本管理的精確度[9]。圖1所示，新開發的樣本管理系統增加了對手持終端的支持，通過無線網絡的覆蓋，能夠在樣本庫的任意位置對樣本進行操作。增加各類二維碼標識，不僅對樣本進行標識化管理，并對各種設備和流程進行標識化，做到了標識即流程。使用有獨立知識產權的便攜式測溫條碼掃描儀，獲取標識信息和被掃描樣本表面的溫度。將設備標識信息與操作流程相關聯，樣本管理系統獲得標識信息的同時啟動樣本流程管理模式，自動記錄當前操作人信息、操作時間、樣本信息等。實現了現實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致的記錄偏差[11]。新系統與隨訪系統、實驗室信息管理系統、醫院信息管理系統連接，從醫院接收的樣本可以直接獲取相關的信息，并實時更新。

3.2 二維碼流程管理 生物樣本庫使用二維碼標識代替流程管理。目前使用二維碼管理的類型有各種耗材、設備、流程和標記，如表1所示。其中樣本類和設備類的標識主要是用于樣本和設備的識別，如凍存管采用底部二維碼設計，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備類的標識可以激活樣本管理系統中與之相關的操作。流程和標記類二維碼包含了可以被生物樣本庫管理系統解析的快捷命令，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，用于執行一系列樣本操作。

圖1 基于二維碼技術的生物樣本庫管理系統架構

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

掃描標識進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識，激活該管理流程。部分設備只對應一種流程，因此掃描該設備的標識也能激活相應的管理流程。然后根據手持終端的提示輸入流程的補充信息，并確認處理的樣本信息完成流程操作。也可以掃描快捷方式標識激活預先定制好的流程信息，并將符合要求的樣本統一處理。

圖2 掃描管理流程圖

3.3 物聯網管理 生物樣本庫管理樣本的流程由樣本的采集、運輸、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]，新的樣本管理系統運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、數量、有無破損，掃描樣本轉運箱的標識和接收單標識，完成樣本接收。系統將自動記錄接收時間、轉運箱編號和接收單編號，同時樣本狀態從運輸狀態更新為待登記狀態。

3.3.2 登記階段 樣本登記人員操作計算機，掃描樣本編號，測量樣本表面溫度，通過樣本管理系統獲取該編號的捐獻者信息、采集時間，分配凍存管編號，關聯凍存盒信息和接收階段信息。系統根據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，否則更新為待分裝狀態。

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

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

3.3.5 入庫階段 入庫人員掃描凍存設備，一般是要存入的冰箱標識，在掃描凍存盒，凍存盒將存入該冰箱的待存區，之后需要在計算機上進行冰箱內的定位，完成入庫。也可以掃描凍存設備上的快速存儲，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識，樣本則會變成暫存狀態，等待管理員取出和入庫。與其他操作設備不同，凍存設備的信息將會長期與其保存的樣本信息進行關聯，如冰箱的設定溫度就是樣本的保存溫度或暫存溫度，溫度監控系統也會將冰箱的溫度情況進行長期記錄。

物聯網管理樣本流程的實質就是管理樣本的狀態，使用物聯網技術獲取每個樣本狀態的相關信息，加以匯總，在一個樣本完成實際入庫的同時，完成樣本管理系統對樣本入庫的管理。樣本入庫階段，樣本狀態、樣本流程和操作之間的關系如圖3所示。

圖3 樣本過程與狀態圖

4 物聯網在生物樣本庫管理中的意義

4.1 與傳統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記錄和專人在計算機上操作，提高了記錄的實時性、準確性，簡化了操作流程，提升了樣本的出入庫效率，使得樣本管理系統可以覆蓋更多的操作流程。使用自主開發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，每次掃描都會對標識表面進行測溫，系統會根據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，沒有節約人力，但是設備成本低廉，易于成型。自動化設備限于規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計好相應的流程和功能就能實現，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確性 生物樣本的準確性需要確保信息來源、優化信息獲取途徑，減少手工錄入或書寫引起的錯誤。新的生物樣本庫系統與醫院實驗室信息管理系統、醫院信息管理系統連接，直接獲取相關信息，保證了信息來源的準確性。所有流程的記錄由操作人現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，增強了時效性，避免了手工記錄引起的的字跡不清和不規范等錯誤。

樣本在樣本庫中的狀態，受到系統的嚴格控制，為不同種類的樣本設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節，系統會提示操作失敗，需要在操作系統中登記，進行相關操作。嚴格的流程控制，保證了樣本記錄的準確性，也規范了樣本收集的流程。

4.4 提供生物樣本標準化信息 保證樣本的質量，提高樣本的均一性和準確性是樣本庫管理的重點，傳統手工登記無法精確到每個樣本，一般按照處理批次來統一記錄。對于樣本流程的管理根據記錄的詳細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，系統將自動記錄每次操作的時間，根據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構化的數據。

4.5 提高生物樣本管理效率 將人工從繁復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 實現生物樣本管理流程的自動化 通過手持終端和二維碼標簽系統使樣本管理系統覆蓋更多的樣本管理流程，讓管理系統突破主機和空間的限制。通過嚴格的樣本管理系統的流程設計，使樣本管理系統更加適應實際的管理需要，更好的輔助工作人員進行樣本管理。

4.7 不增加成本 與大量的引進自動化設備相比，手持終端和二維碼標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 物聯網在生物樣本庫管理中的不足

5.1 無統一的標準 目前物聯網在生物樣本庫管理中的應用還只是單獨的系統，沒有形成統一的網絡體系。在跨樣本庫、跨地區推廣時，由于沒有統一的標準管理流程，在使用時會因為實際流程與系統設計流程不匹配，產生管理沖突，如果不對系統進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技術標記樣本管，RFID技術可以獲取一定區域內所有RFID標簽信息，并向RFID標簽寫入信息，這是二維碼技術無法替代的，這就導致了在部分樣本管理流程中，系統無法準確地獲取當前樣本管信息，而是只能手動選擇或者按默認批次選擇樣本，造成了樣本管理系統獲取數據的不準確。

5.3 無法真正掌握樣本狀態 無論使用RFID還是二維碼標簽，系統管理的都只是樣本管信息而不是樣本自身狀態，由于操作不當引起的樣本變質(溶血、凝血、污染等)和編號與捐獻者對應錯誤等只能靠操作人員自己發現和改正。這還需要進一步開發一套圖像識別技術，可以對整版分裝的樣本進行拍照，根據樣本的圖像自動判斷樣本狀態，獲取凝血溶血的樣本信息。配合可穿戴設備[15]，將會給樣本管理人員更多的幫助和便利，系統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。如果與自動化設備相結合，可以大大擴展樣本庫管理系統的自動化監測范圍，提供更多的監測數據，覆蓋更多的流程，真正實現樣本庫全流程管理的自動化。