疫苗冷鏈安全監控技術研究及應用進展

楊國梁，王建信，胥義*

(1-上海理工大學生物系統熱科學研究所，上海 200093；2-上海原能細胞生物低溫設備有限公司，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，需要嚴格保障其安全[1]。疫苗通常對溫度具有較強的敏感度，處于異常溫度下的疫苗活性有可能被破壞，失去預防或治療效果。為了將活性完好的疫苗從生產地安全有效轉移到接種地點為人們接種，需要在生產及運輸的過程中將疫苗保持在適應的低溫下，并且針對疫苗冷鏈的各個環節進行嚴格的監測和管理才能保證疫苗的品質安全。

傳統的疫苗冷鏈安全監測方法主要是采用未聯網的設備對疫苗的溫度及指標進行測量，并且通過手動將數據記錄在紙質文件上。這樣疫苗冷鏈的各個環節的信息無法進行共享，不能實現疫苗的實時監測和異常情況的及時發現與處理，且出現問題時難以溯源和確定責任，傳統的手段已遠遠不能保證公共衛生安全[2]。

隨著無線通訊技術、人工智能等信息化技術的發展，疫苗冷鏈的監控更加信息化和智能化，可實時監控疫苗的品質安全及狀態，并可向前回溯了解疫苗從生產到接種的所有信息。疫苗生產商、冷鏈運輸企業、接種醫院可以通過信息化疫苗冷鏈監控系統共享信息，多方共同監控疫苗品質安全，將疫苗安全風險不斷降低。因此，加快建設信息化疫苗冷鏈監控平臺對于保障我國人民生命健康，以及促進社會穩定發展具有重要意義。

本文從疫苗管理規定、現有疫苗冷鏈監控技術以及現有信息化監控平臺方面，對疫苗冷鏈信息化進程進行綜合闡述，并基于疫苗冷鏈的現有問題對未來疫苗冷鏈的信息化建設方向提出展望。

1 國內外對疫苗冷鏈的管理規定

針對疫苗冷鏈的安全管理，國際上和我國都出臺了相應的管理標準來對疫苗冷鏈的各個環節進行嚴格的質量把控。表1所示為部分國際社會以及我國近五年內新出臺的關于疫苗冷鏈管理的政策，對于疫苗冷鏈的管理我們需以其中的標準來開展工作。

表1 國內外疫苗冷鏈安全管理政策

國際社會多從工作人員和培訓、儲存和溫度監測設備、庫存管理、產品準備、產品運輸、緊急的儲存和處理等幾個方面對疫苗冷鏈進行規范管理。我國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下，我國嚴格按照現有的疫苗冷鏈管理政策對新冠疫苗冷鏈進行質量把控，并積極出臺新政策對疫苗冷鏈的前期準備、運輸過程以及應急響應處理等方面進行不斷完善，時刻在為長期打好新冠肺炎疫情攻防戰做好準備。

2 疫苗冷鏈需監控的環節及指標

2.1 疫苗冷鏈需監控環節

為了更好關注疫苗安全，需要對疫苗冷鏈的各個環節進行詳細的了解，我國疫苗冷鏈流通的總體流程為疫苗從生產企業進行合格的生產后，由各地疾控中心采購后再分配給下級疾控中心，其后再由下級疾控中心分發給各疫苗接種單位進行接種。在各地點之間的運輸工具通常采用的是疫苗冷藏車及保溫箱[12]。

由于疫苗在轉運的過程當中易受環境因素影響而造成疫苗的品質降低。因此，疫苗冷鏈監控主要針對疫苗運輸過程中的儲存情況以及到達中轉冷庫進行靜態保存的情況進行監控，并且在監控的過程當中將各個環節的監控信息實時上傳至信息化監控平臺，通過信息化的監控保證品質優良的疫苗安全到達接種點。

2.2 疫苗冷鏈監控主要指標

由于疫苗是一種特殊的生物制品，因此其對環境條件的變化較為敏感，參考《新冠病毒疫苗貨物道路運輸技術指南》[6]以及《中華人民共和國藥典2020版》[7]，監控疫苗冷鏈時需要注意的指標包含溫度、濕度、地理位置、光照、容器、化學反應和震動等因素。其中溫度和疫苗運送的地理位置是現今疫苗冷鏈的首要監控指標。

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行運輸。如表2所示，現有的幾類疫苗保存溫度多為2～8 ℃[13]。現今我國使用的新冠疫苗同樣也在2～8 ℃下進行保存。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 ℃以下進行保存且可保存約1年時間；美國輝瑞公司生產的mRNA新冠疫苗由于其自身特點，正常情況下需要在-70 ℃的低溫進行保存，實驗室中常見的超低溫冰箱可以實現該類保存溫度，但許多不發達國家或地區的醫療中心并沒有適用于超低溫的儲存設備，這對于疫苗冷鏈的儲運條件具有巨大的挑戰。

表2 常見類型疫苗的保存溫度

2.2.2 地理位置

為避免疫苗在運送過程中出現意外，還需要對疫苗的實施地理位置進行監控。通過監控位置不但可以清晰了解疫苗的運送情況，出現問題時進行緊急處理，也可以為運送車輛提供路況信息，規劃最優路線從而提高疫苗運送的效率，使疫苗安全及時地到達接種地點。

3 常用疫苗冷鏈監控技術及發展

為了實時監控疫苗在冷鏈中的信息，并將數據及時反饋到管理部門進行處理，疫苗冷鏈的監控技術主要分為數據采集技術和數據傳輸技術，數據采集技術負責精準的采集疫苗在運輸及儲存過程中的狀態數據；數據傳輸技術負責將數據采集終端采集的數據及時反饋給監控平臺及管理部門，再由管理部門對疫苗冷鏈的運行作出指示。

3.1 冷鏈信息采集技術

3.1.1 溫度采集技術

疫苗冷鏈中監控疫苗保存溫度的主要技術方法有兩種，即時間-溫度記錄儀和時間-溫度指示器。

時間-溫度記錄儀即指日常生活中常用的溫度計，根據使用目的的區別，目前已有多種溫度計，傳統用于冷鏈的溫度計有指針式溫度計和玻璃管溫度計，這兩種溫度計指示溫度直觀，但測量精度不高且無法實時聯網將數據儲存至平臺，只能通過手動記錄，非常耗時。為了能夠實時將溫度數據記錄并上傳至數據庫進行分析處理，現今疫苗冷鏈安全監控首選的溫度監測裝置是數字溫度計，其讀數方便、測量時間短以及測量精度高，且某些類型具有溫度報警功能、可聯網實時將數據上傳至監控平臺等優點。

時間-溫度指示器（Time-Temperature Indicator，TTI）是一種用于實時監測食品、藥物等產品安全性的新型指示劑，也可稱為溫度指示標簽[14]。其可以實時監控疫苗本身溫度變化，獲取疫苗品質，解決了傳統標定保質期的做法所帶來的不能實時監測產品質量的問題。當前疫苗冷鏈用到的TTI主要有聚合型TTI標簽和電子TTI標簽。

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

上海理工大學胥義教授團隊[16-20]在熱敏感標簽方面進行了擴散型TTI標簽、量子點標簽、新型二維碼標簽等相關研究，表明TTI標簽、量子點標簽以及新型二維碼標簽都可以準確的指示溫度變化，具有充足的冷鏈監管能力。

傳統TTI溫度指示標簽雖指示溫度直觀，但不能獲得實時溫度數據進行儲存管理。現今多采用可實時記錄疫苗溫度數據的電子TTI標簽，如RFID標簽和電子VVM標簽。

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

3.1.2 地理位置監控技術

疫苗在運輸過程中需要實時監控疫苗的位置，以保證在規定時間內將疫苗安全的轉運到疫苗接種地。因此，疫苗冷鏈中用于監控疫苗運送的地理位置的技術主要是全球衛星定位系統（Global Positioning System，GPS）技術。

GPS技術于1938—1995年間投入商用，并在1995—2015年間逐漸覆蓋全球市場。1995—2005年期間，GPS技術主要應用于科學研究、測量學、軍事和旅行等多個方面；到了2005—2015年十年間，GPS技術已廣泛應用在手機、無人機等智能設備之上，并且至今仍在不斷革新技術，隨著2020年中國北斗導航系統的全球覆蓋，GPS技術的應用會更加廣泛[23]。

在疫苗冷鏈中，通常采用GPS技術實時監控疫苗冷冷藏車位置及運行狀況，了解疫苗在途中是否安全，是否能快速有效的到達，以及提供路線分析、路線優化、記錄車輛的歷史軌跡，以供運行評估，進行指揮調度。鄒金成等[24]開發了一種基于北斗/GPS導航定位的冷鏈物流監控系統，包括北斗/GPS雙模定位模塊、車載監控模塊以及遠程監控模塊。北斗/GPS雙模定位將定位信息傳輸到車載監控模塊，車載監控模塊中可實時檢測并儲存冷鏈物流運輸車中的溫濕度數據，所有數據通過北斗數據傳輸模塊發送到遠程監控模塊進行管理，該系統能夠保證疫苗冷鏈全程處于監控之下，將疫苗安全風險降到最低。

3.2 冷鏈數據傳輸技術

為及時了解疫苗冷鏈的情況，冷鏈數據傳輸技術需快速、準確且安全，包含近距離數據傳輸技術和遠距離數據傳輸技術。近距離有RFID、Zigbee、NFC等數據傳輸技術，其主要對疫苗在中轉冷庫靜態儲存以及運輸過程的數據進行采集。遠距離有GSM、GPRS、CDMA、4G/LTE和LORA等數據傳輸技術，將溫度數據傳輸至云監控平臺提示管理部門監控并處理冷鏈的異常問題。

4 國內信息化疫苗冷鏈監控平臺

基于現有的溫度監控技術及網絡傳輸技術，國內目前也建立了幾項較為成熟的疫苗冷鏈監控平臺，為疫苗安全保駕護航。如美的智慧疫苗接種場景，其依托于物聯網技術，將智能技術應用于疫苗冷鏈輸送及疫苗接種工作上，實現了數字化門診系統的對接和數據交互，確保了疫苗冷鏈、接種臺與疾控中心信息數據共享，實現了疫苗接種自動化管理、智能盤點和安全接種。類似的較為成熟的疫苗云監控平臺還有海爾智慧疫苗網、中科美菱疫苗冷鏈監控平臺等。

鄒金成等[24]進行了可用于疫苗冷鏈監控的平臺開發，開發了一項基于GPRS和ZigBee傳輸技術的血液冷鏈及信息化管理系統，可通過血袋標簽來獲取血袋的溫濕度信息傳輸給網絡協調器，再通過GPRS網絡上傳至數據庫以供管理部門后臺管理冷鏈。鄒金成等[25-28]研究了基于無線傳感網絡的多溫共配冷鏈信息監測系統，包括無線傳感網絡、車載終端和遠程監控系統幾部分，其中傳感網絡內包含多個傳感器節點來獲取溫濕度信息轉發至協調器，協調器將數據轉發至車載終端，最后GPRS和Internet網絡將數據儲存進數據庫以供冷鏈管理。

5 結論與展望

保證疫苗安全是疫苗冷鏈中的首要任務，本文針對疫苗冷鏈的信息化監管問題進行總結，得出如下結論：

1）現今疫苗冷鏈監控平臺種類繁多，但監控能力參差不齊；

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

3）對于疫苗的監控指標只局限于溫度，監控指標較少，措施不成熟。

針對以上問題，未來疫苗冷鏈的監管可以申請政府介入管理疫苗冷鏈平臺；同時抓緊培養疫苗冷鏈相關的專業人員投入疫苗冷鏈管理；開發信息化、高精度、多功能的裝置監控影響疫苗品質的更多指標；不斷將新興技術如5G技術應用于疫苗冷鏈的應用，提高平臺的運行速度，高效率保證疫苗冷鏈的安全。