臨床微生物室全流程信息管理系統建設與應用*

劉文靜，陳浩，楊文航，尹相龍，徐英春

(1. 中國醫學科學院北京協和醫院檢驗科 北京市侵襲性真菌病機制研究與精準診斷重點實驗室，北京100730；2. 景洪市第一人民醫院檢驗科，云南景洪 666100；3. 北京浩辰星月科技有限公司，北京 102488)

實驗室信息管理系統(laboratory information management system，LIMS)是指利用計算機網絡系統將條形碼應用于流程管理，實現檢驗標本分析前、分析中、分析后等各個環節的檢驗信息傳遞及質量控制，杜絕患者信息及檢測數據轉錄的差錯[1]。隨著現代網絡信息化技術的快速發展，醫院信息化的建設受到不斷的沖擊。在微生物實驗室的建設和發展、與臨床的交流和溝通中，實驗室全流程信息化管理系統起著至關重要的作用[2]。

目前，微生物檢驗除自動化血培養儀和藥敏檢測系統外，還無法實現全程自動化。微生物檢驗手工操作步驟多，涉及標本接收、接種、菌種的分純、鑒定、體外藥物敏感性試驗、結果讀取、報告發放、結果查詢及歷史結果比對、質量控制等多個環節，參與人員較多，不同小組分管不同任務單元,且標本的處理周期較長，因此，相比檢驗科其他自動化檢測平臺完善的專業組，微生物檢驗較易出現差錯。如何能有效地記錄整個操作過程，保存原始數據，以便溯源，保證整個過程的質量控制，北京協和醫院檢驗科微生物室自2011年開始不斷優化流程，建立了相應的微生物檢測系統，獲得了相應的專利[3]，配套的藥敏測量儀獲得了其他幾項專利[4-6]，可以測量分析紙片擴散法、微量肉湯稀釋法藥敏并進行菌落計數，現簡單介紹該系統的功能。

1 材料與方法

1.1常規設備 Intel(R)Core(TM)i3 CPU(內存4 G以上)、服務器(Windows Server 2003～2019，內存16 G以上，存儲空間1 T以上)、條形碼打印機、掃描槍(北京弘信晟達科技有限公司)。

1.2聯網儀器 Vitek 2 Compact細菌鑒定及藥敏儀、Vitek MS質譜儀、Bact/Alert 3D血培養儀、BACT/ALERT VIRTUO全自動血培養儀(法國生物梅里埃公司)，Bactec FX400全自動血液培養儀(美國BD公司)，普通光學顯微鏡和熒光顯微鏡(尼康株式會社)，XMVision機器視覺鑒定分析及藥敏鑒定儀(北京皓辰星月技術有限公司)。

1.3微生物LIMS研發及完善 北京協和醫院微生物室根據微生物檢驗特點、常規檢測和質量控制等需求不斷完善設計思路，由北京浩辰星月科技有限公司編制相應軟件，并不斷更新升級。

2 結果

常規設備和聯網儀器均可與LIMS實現數據傳輸，LIMS主要有任務管理、鑒定管理、質控管理、統計管理和系統設置五大模塊。

2.1任務管理模塊 主要有標本接收、不合格標本、當前任務、檢驗報告等界面。

2.1.1標本接收界面 接收標本時，使用條碼槍掃描標本容器上的醫囑項目條碼，LIMS會根據標本和檢驗項目進行分類編號并自動打印帶有實驗室內部唯一樣本編號檢驗ID的條形碼標簽紙，將該標簽紙貼于待接種的各種培養基瓊脂平板上或涂片檢查用的載玻片上，微生物檢驗工作人員在輸入檢測過程信息、檢驗結果或審核檢驗報告等操作時，直接掃描培養基或玻片上的條形碼即可實現標本快速定位。

2.1.2不合格標本界面 對于不合格標本，來自住院患者則電話通知醫生，來自門診患者則電話通知門診辦公室，由專職人員通知患者，同時在系統內直接設置不合格，登記不合格原因，接聽電話人員工號和時間。升級系統擬實現醫生工作站和患者手機APP端可同步接受到相關信息，建議重新留取標本送檢或退費，醫生可根據病情需要及時指導患者正確留取合格標本，或者撤銷醫囑。LIMS、醫生工作站和患者手機APP端可通過服務器接口實現對接，并定期驗證數據傳輸的準確性和安全性。不合格標本登記之后，可自動在標本鑒定界面標注為“不合格標本”的過程記錄，方便溯源。可按月、季度或年，對不同科室標本不合格率和不合格原因進行統計分析，定期反饋，提升檢測質量。

2.1.3當前任務界面 主要有過程記錄和患者列表2個任務單元，可快速實現切換。選擇不同的字段實現不同的功能，常用的字段為檢驗ID、病案號、病人ID和患者。每個檢驗ID下均有其對應的培養、涂片鏡檢、鑒定、藥敏、既往藥敏、檢驗報告和收費管理，掃描培養基瓊脂平板上檢驗ID的條形碼，可快速定位到該標本的相關檢測。標本過程記錄界面下可實現以上不同模塊的切換。在病案號、病人ID和患者下輸入患者信息，在患者列表中可檢測到該患者所有微生物檢測項目，可按照時間、標本類型、檢測項目等進行排序。臨床咨詢時，可在電腦端快速準確回復相關內容。常規工作使用頻率高的幾項功能如下。

(1)涂片檢查：LIMS與顯微鏡成像系統連接，可直接獲取顯微鏡下圖像，將圖像文件轉換成數字文件存儲至服務器內，便于隨時調閱。也可通過成像系統將圖像儲存到本地，以加載圖像的方式生成圖文報告。若同一份標本同時具有涂片和培養項目，鑒定步驟界面會顯示該標本涂片結果，利于檢驗者根據涂片結果修正擴展正確鑒定思路，例如：不合格痰標本則沒必要繼續進行相關的菌種鑒定和體外藥敏；無菌標本若涂片提示存在大量細菌，而需氧培養無菌生長，則考慮聯系臨床加送厭氧培養；弱抗酸染色陽性但常規未送檢諾卡菌培養的患者，則可在其相同類型標本的普通細菌培養過程記錄中錄入“該標本弱抗酸陽性，請延長培養”的提示，避免漏檢。

(2)微生物培養鑒定：微生物鑒定過程記錄字典包含了菌數、鑒定方法、藥敏組合、繼續培養等常用字段，培養陰性、分純模塊、顯微鏡檢、各種菌特殊鑒定模塊，尤其是真菌模塊、血培養模塊、結核模塊更具特征性。檢驗人員根據平板上的生長情況，在過程記錄字典中快速選擇所需要的記錄信息，比如：菌落大小、數量、形態、輔助試驗、無菌生長、無致病菌生長、繼續培養、分純、藥敏板卡等信息，同時會記錄操作者和操作時間。實現整個檢測流程的信息完整傳遞，方便不同的檢驗人員在替班或周末及節假日時處理標本。

(3)藥敏試驗：LIMS可根據美國臨床和實驗室標準協會(CLSI)的藥敏標準更新設置折點和相應的專家規則，系統可根據細菌鑒定結果和標本來源等患者相關信息進行合理邏輯判斷，自動勾選應報告的藥敏譜，進行藥敏結果耐藥(R)或中介(I)或敏感(S)的判讀，自動屏蔽天然耐藥和根據標本類型不該報的藥敏結果(如：非尿液標本不報告“呋喃妥因”、“磷霉素”等)，對一些耐萬古霉素腸球菌(vancomycin resistant Enterococcus，VRE)、耐萬古霉素金黃色葡萄球菌(vancomycin resistantStaphylococcusaureus，VRSA)、碳青霉烯類抗菌藥物耐藥的腸桿菌科細菌(carbapenem resistant Enterobacteriaceae，CRE)等特殊藥敏及其他罕見的藥敏結果會用紅色背景標識，以期提醒報告發布者注意復核，發放準確報告。紙片瓊脂擴散法(Kirby Bauer paper dispersion method，K-B法)自動化藥敏成像系統，工作原理基于計算機視覺與機器學習等人工智能(artificial intelligence，AI)技術的應用，AI系統攝像頭自動感應培養皿置放動作，識別速度小于1 s，采集設備自動拍攝檢測圖像，對藥敏紙片類型與劑量進行自動識別，同時自動測量抑菌圈直徑。測量精度：重復精度<0.02 mm，旋轉精度<0.05 mm。獲得檢測數據后，數據傳入檢測專家系統，系統根據CLSI折點，自動給出藥敏結果判定。此AI系統內置機器學習系統，在更換藥敏紙片類型或有新抗菌藥物紙片應用后，仍可以通過機器學習獲得認知。對CRE、VRE、甲氧西林耐藥/敏感、多重耐藥等的情況會自動識別，確認耐藥預警后，會直接傳輸到院感監測系統，對CRE、VRE還需電話通知院感辦和臨床，落實院感防控。采集的圖像可保存在藥敏試驗界面上，隨時調閱審查。

(4)既往藥敏：患者7 d內藥敏結果(銅綠假單胞菌或其他臨床關注藥敏變化的菌除外)，不分標本類型，通過系統設置均可在既往藥敏模塊顯示，掃描標本號時定位在既往藥敏模塊，則可直接看到該患者7 d內的藥敏結果，檢驗人員識別同一標本類型分離出的相同菌株，避免同一患者同一部位同一細菌短時間內重復做藥敏，實現節約成本和減少患者的醫療負擔。

(5)“快捷報告發布”和“批量鑒定報告發布”界面：各種涂片檢查和培養陰性結果分別可通過“快捷報告發布”和“批量鑒定報告發布”界面進行快速發布，在各自界面下選擇對應的陰性報告模板；在條碼掃描位置掃描標本二維碼信息，即可快速生成并發布檢驗結果，同時可在過程記錄中記錄相應的檢測結果、操作者和操作時間等信息。并且涂片結果可自動化審核，自動審核與報告發放間隔時間可根據實驗室內部流程等情況進行設置，遇到急查等情況可個性化處理，直接審核并發放，審核后可發布到醫生工作站和患者手機APP端。這兩項功能實現前，所有涂片及培養陰性常規報告均需分別在涂片鏡檢和鑒定模塊，選擇相應報告模板，至少需要鼠標點擊打開相應界面選擇相應字段操作5步才能發布報告，過程繁瑣，且有可能手誤發錯報告。批量報告則可避免這種問題，并且在報告模板與醫囑不符時會自動進行錯誤提示，極大提高了工作效率。

(6)血培養的聯機模式：臨床送檢血培養標本，通過掃描醫院管理信息系統(hospital information system，HIS)的醫囑條碼、血培瓶身序號，LIMS可自動提取患者信息、醫囑信息和血培養瓶信息打印檢驗ID條形碼，粘貼在血培養瓶上，進行上機。LIMS可實現與自動化血培養儀的雙向傳輸，實時接收血培養儀上血培養瓶的相關信息：包括血培養陽性的報陽時間、普通血培養3 d、真菌血培養14 d、結核血培養42 d等初步陰性報告等。LIMS對血培養陰性結果，可選擇批量生成報告及自動審核，極大節省了陰性瓶報告發放的時間。培養模塊可快速查詢標本對應的培養瓶序號，最終培養結果及陽性報警時間。

(7)危急值管理：血培養陽性涂片后，目前為電話通知臨床并記錄到LIMS中，內容包括：血培養類型、報陽時間、涂片結果、通知時間、接收人、報告人、臨床目前經驗使用抗菌藥物等信息。這些信息可保存在LIMS中，隨時調閱核實，并可定期導出相關數據進行統計分析。LIMS正在升級，以后可實現以上相關信息直接網絡回報，但此功能的實現一定得確保臨床醫生能夠及時收到相關信息，并反饋LIMS，如未在規定的時間內反饋則需再次進行電話回報。血培養報陽后立即通知臨床，此為一級報告，如果第2天初步藥敏結果支持患者目前的抗菌藥物使用，可不做二級電話報告，只在過程記錄中登記，若初步藥敏結果不支持患者目前的抗菌藥物使用，則必須做二級報告，再次電話通知臨床，并將接聽電話人員工號等信息錄入過程記錄。最終向臨床正式報告細菌種或屬鑒定結果及標準抗菌藥物敏感試驗結果。分級報告結果不一致的處理：如在標本處理過程中，發現前一級回報結果錯誤，或標本延長培養呈陽性，經確認后應盡快與臨床進行溝通，如實說明前一級報告結果存在的問題，并進行更正。

(8)檢驗樣本周轉時間(turnaround time，TAT)管理：LIMS后臺專家系統提前設置好每一類檢測項目的TAT，當標本接近或超過TAT時間時，在標本過程記錄左下方的小模塊會出現帶顏色的患者信息提示，分為TAT預警和TAT超期。TAT時間管理功能的設計，有效地保證了檢驗結果回報的及時性，避免了報告的漏審。

(9)檢驗報告可瀏覽該份標本正式的涂片、鑒定和藥敏報告。

(10)收費管理可補收或者減去多收費用，為醫保自查提供依據。自動根據鑒定和藥敏的實際數據,按照相應物價進行計算，初始若這些自動劃價的項目被刪除了，會自動產生一條負數計費，通過接口將計費項目、計費人員等信息發送給HIS完成相應患者的計費。相關記錄需人工進行退費處理，并進行審核后才能實現退費。

(11)檢驗報告界面：可按報告發放日期、發布報告者等進行報告的批量查詢、審核、打印等。

2.2質控管理模塊 可實現對K-B法藥敏按照不同質控菌株對不同抗菌藥物允許的質控范圍，按月繪制月質控報表等可視化管理，質控菌株藥敏結果讀取同標本，出現失控情況即用紅色背景進行提示，以方便操作者及時查找原因，進行復核更正。細菌室相關的其他質控，尚為填寫紙質表格，按月進行匯總統計。有待進步開發為LIMS管理。

2.3統計管理模塊 統計功能集成到系統內的全部查詢檢索模塊，系統內的臨床檢驗數據均可進行排序、交叉表統計、分組計算、匯總等操作。鑒定管理模塊可實現按菌名進行不同菌種、藥敏等數據的查詢統計管理。統計管理模塊可計算工作量和血培養送檢、陽性率及污染率等，導出TAT超期、危急值和不合格標本等相關指標。可進行WHONET數據格式導出進一步進行藥物敏感性分析。接口設置：按照菌屬分類、WHONET實驗室方案自動配置導出規則。通過日期區間、病區、性別、年齡區間等條件組合篩選藥敏數據，對藥敏檢測結果進行分類計數，并導出到對應的WHONET實驗室文件，為國家耐藥監測網提供監測數據。

2.4字典管理和系統管理 可實現對新增細菌、藥物等數據字典、過程記錄字典、微生物分類和人員權限等進行維護，對系統日志、報告打印日志等進行查詢，以便出現問題時能回顧解決。并對自定義的規則，如涂片和血培養陰性報告從生成到自動化審核之間的時間、非敏感菌株及多重耐藥的菌株的預警提示等規則，進行設置。

全流程實驗室檢測及相應LIMS功能流程，見圖1。

圖1 全流程實驗室檢測及相應LIS功能流程

3 討論

隨著數字信息化的快速發展，微生物信息管理數字化平臺為微生物檢驗流程的優化和發展提供了堅實的技術基礎[7]。相比大部分基層醫院的內部條形碼為一維碼，只能橫向、縱向或定點一個方向識別信息，本實驗室使用的二維條形碼是以平面規律分布的黑白色幾何圖形來記錄信息，信息容量大、編碼范圍廣，可表示漢字及圖像等多種信息，條碼部分損壞也不影響信息的讀取[8]，極大地提高了工作效率。另外，大部分基層醫院尚未實現對不合格標本的LIMS管理，只能電話通知并手工記錄，給后續不合格標本科室與原因等統計帶來諸多不便，嚴重影響了該指標的持續改進。

細菌鑒定過程包含多個檢測步驟，耗時長，可能要經過不同的檢驗人員才能完成。本實驗室微生物LIMS可按時間節點記錄不同的操作者的操作步驟，任一操作者通過標本的過程記錄信息可實時查看標本狀態并完成后續相關操作。將檢驗周期長、檢驗流程復雜、操作人員個性化強的檢測全過程有條理地、完整地記錄下來，實現了檢測流程的實時監控，有效地保證了工作質量和患者安全[9]。

鑒定和藥敏模塊可與生物梅里埃MS、Vitek 2、BD鳳凰鑒定藥敏系統數據傳輸，避免人工錄入導致的誤差。藥敏系統設置為只接受自動化藥敏儀器的數值結果，不接收其藥敏判讀結果，因其沒有考慮標本類型及是否為最新藥敏折點等問題。部分特殊情況例如：非腦脊液標本分離的肺炎鏈球菌青霉素、頭孢吡肟等藥敏結果需要分別按照腦脊液折點和非腦脊液折點進行判斷后發放報告。系統可以進行個性化設置。

將計算機圖像識別、機器學習等先進的人工智能技術引入實驗室，如XMVision紙片擴散法藥敏測量儀的應用。實驗室科研在用的XMVision MIC法藥敏機器視覺鑒定分析系統和紫外熒光法菌落智能識別及拍照系統：前者對標準微量肉湯稀釋法及Sensititre YeastOne藥敏板卡MIC結果自動判讀，后者可進行菌落計數及拍照，及對常見絲狀真菌的基于深度神經網絡的人工智能識別功能檢測(系統研發中)可解決由人工視覺疲憊后造成的漏診和錯診，大幅降低勞動強度，提高工作效率。基于微生物影像大數據與卷積神經網絡的機器學習系統與圖像理解技術，使機器可以獲得與人近似甚至高于人的圖像鑒別能力，通過復制可快速普及到各級醫院，利于國家分級診療政策的執行，減少人員投入，降低診療成本，實現精準醫療等目標。

LIMS在實驗室質量管理方面具有重大作用[10]。本實驗室微生物LIMS可以實現對TAT、不合格標本、危急值通知率、K-B法質控電子月報表、血培養污染率、血培養采血量等指標的統計。另外，圖像檔案管理、日志管理、過程記錄等功能為檢驗結果溯源提供了數據基礎，特殊耐藥表型的預警提示、細菌和藥敏等方面的統計功能及與WHONET軟件的對接為科研和院感防控等提供了基礎。

總之，如果臨床微生物LIMS能夠規范優化微生物全過程的工作流程，包括自動化接種系統、自動化鑒定系統和質量控制系統等[11-13]，實現全流程信息化、智能化的精準管理，可提高工作效率和質量，降低人工操作的錯誤發生率,可將微生物工作人員解放更多的時間開展其他業務，如疑難菌株的鑒定和藥敏，加強臨床溝通、參加臨床感染病例會診、指導床旁采樣等，或進行與臨床密切相關的一些科研等。微生物LIMS的有效開發和升級非常有意義，本實驗室將在實際工作中不斷總結、創新、改進,以求更好滿足臨床微生物實驗室檢測的需求。