國產自動化血液檢測實驗室檢測模塊的設計和應用

袁野，樸美花，孫繼堯

（1.吉林大學第一醫院檢驗科，吉林 長春 130000；2.延邊大學附屬醫院檢驗科，吉林 延吉 133000；3.長春賽諾邁德醫學技術有限責任公司，吉林 長春 130000）

血液實驗室的工藝流程先進而全面，是醫學檢測設備自動化的終極目標，也是表征一個國家生物醫學技術能力的準繩[1]。血液檢測實驗室產品于2009年左右開始進入中國，市場需求尚未完全釋放，卻也初步顯現出巨大的市場潛力。隨著分級醫療的推進，對于血液實驗室的需求已從大型三甲醫院逐步轉移到基層醫院，一些二級及以上醫院的送檢樣本量的增加使得二級醫院對血液實驗室的需求也很大。另一方面，國內血液流水線市場完全被外國公司所壟斷，比經濟利益更為寶貴的國民健康數據安全完全無法保證。令人欣喜的是，在這個領域由中國企業主導的設備研發和生產力量正在不斷增強。如果能夠實現中國人主導的實驗室自動化設備研發，就可以通過數字化管理建設規范、安全、精益、效率，同時為國家基因庫、區域高發病、流行病、傳染病的統計和分析提供管理預測和建議[2]；為國家老齡化時代節約醫藥資源，合理配置醫藥資源；建立合理的數學模型，通過云數據能分析出未來公共衛生、衛生管理、醫保范圍的科學性和保險業的保險傾向，從而幫助中國健康管理事業更快進入科學管理、理性決策的時代[3]。

經過多年的研究和實踐，我國目前部分實驗室流水線設備的國產化率已經超過了95%，本研究針對目前我國血液實驗室流水線生產技術的發展現狀，參考吉林省長春市某血液實驗室設備生產廠商在血液實驗室全套設備國產化過程中的實踐經驗，對血液實驗室的主要功能模塊和系統設計進行了歸納和總結，擬以此與同行分享。

1 研發血液實驗室設備的意義

1.1 實驗室流水線的功能定位 實驗室自動化流水線是為了在臨床實驗室（如臨床化學、免疫學和血液學）中實現一個或多個檢測系統的檢測系統的系統集成，通過自動化血液實驗室和信息網絡將相同或不同分析儀器與預分析和后分析系統連接的過程[4]。它構成了一個全自動的血液實驗室環境，涵蓋了整個檢測過程并可以自動完成大規模檢測過程，其在整個國民醫療體系中的功能和定位如圖1所示[5]。通過實驗室自動化設備的設計和安裝可以將眾多模塊化分析系統集成到一個自動化樣品處理、轉移、分析、數據處理和分析過程中。全實驗室自動化包括：自動化樣品處理、自動樣品轉移和分選到適當的分析工作站，自動分析和規格操作系統軟件檢查分析結果，存儲分析的樣本，并隨時重新測試存儲的樣本。血液制品實驗室具有最大比例的時間段處于樣品前處理階段[6]，實際樣品分析所花費的時間在總樣品周轉時間內非常低。可以說樣品預處理是最耗時的部分。建設血液實驗室的最大意義是為高通量需求實驗室節省TAT（報告周轉時間）。樣品在血液實驗室設備上的流動操作可以大大縮短單個樣品的處理時間，這使得整體TAT大大降低了實驗室的效率，減少手動操作引起的錯誤，同時降低總體成本[7]。

1.2 國內知名實驗室流水線產品 鑒于血液實驗室的巨大應用前景，醫用血液實驗室設備越來越先進和智能，各個公司也都推出了高適應性的實驗室自動化系列產品。在預處理自動化領域，Sinop品牌是國內自主研發的先行者。該品牌的產品提高了實驗室試驗、實驗工作的效率。Sanomaid自動化實驗室血液實驗室是由中國人獨立開發的全自動實驗室血液實驗室。Sanomed Labs預處理自動化生產線在模塊化設置下更加靈活，適用于不同實驗室的樣品和場地尺寸。在未來，它不會擴展功能模塊，連接各種儀器，并改進處理模塊沿著處理，以滿足用戶的個性化需求。Sanomed Milesumel自動化實驗室系列具有以下特點：根據實驗室的全部要求，可以選擇每個功能模塊，并且可以優化實驗室的要求并設置成各種功能。該公司產品采用了多核同步控制技術，核心技術和多軸聯動控制，以集體架構的形式嵌入多個CPU中。同時，產品還可以根據實驗室的需要開發了實驗室機器人，這使得醫生可以免于進行重復、危險、單一的預處理和后處理工作。

2 血液實驗室設備共性技術研究

2.1 健康管理決策及決策分析數學模型 由于社會經濟系統錯綜復雜，決策因素縱橫交錯，任何決策者僅憑直觀和經驗，都難以作出最優的決策[8]。因此，在現代化的科學決策中，常常借助于自然科學的方法，運用數學的工具，建立各決策變量之間的關系公式與模型，它用于反映決策問題的本質，并簡化復雜的決策問題。決策模型的一般形式是V =F（Ai，Sj），式中：V——價值目標；Ai——可控的決策因素；Sj——不可控的決策因素[9]。健康決策模型是制定國民健康相關政策時使用的數學模型。其主要數據來自于醫院信息系統，包括電子病歷系統、實驗室信息系統、醫學影像存檔系統、放射信息管理系統、臨床決策支持系統等。但是，大量非結構化問題的解決方案和管理決策無法通過數學模型來解決，而是必須考慮人們在決策中的重要作用。這部分內容涉及到心理學、社會心理學和行為科學，同時需要大量的數據支撐[10]。由于目前非國產實驗室設備的大規模使用，實驗室信息系統的數據的收集和利用都較為困難，這對于未來通過數字化管理建設規范、安全、精益、效率得醫療體系、合理配置醫藥資源等數字化決策體系的建立無疑是一個巨大的損失。

2.2 健康管理決策軟件系統設計 Gartner確定了分析的六個關鍵要素：數據源、數據模式、處理過的應用程序、計算能力、分析模式以及結果的共享或存儲。Gartner認為，任何分析活動，只要“其中的一個或多個元素在云中實施”，它就可以稱得上云分析（Cloud Analytics）。基于云的社交媒體分析涉及遠程配置多種工具，包括選擇最適合社交網站的應用程序，獲取數據的獨立應用程序，存儲服務和數據分析軟件。一個中央存儲庫，用于托管數據倉庫企業數據，用戶可以通過服務提供商而不是企業自己的系統從遠程位置使用這些數據。具體來說，健康管理數據分析系統可以提供以下幾方面的重要功能模塊。（1）預測可能突發、多發的疾病，建議臨床關注，建議醫保關注。該系統集疾病預防與控制，健康監測與檢測，健康教育與推廣，技術管理與服務于一體。是南寧市疾病預防控制和衛生監測檢驗業務技術的指導，該系統的工作模式可以有助于開展重點疾病的預測、預報與分析工作；組織實施食品、環境、輻射、學校等與人口生活質量相關的衛生監測；該系統也可以用來可能突發、多發的疾病，建議臨床關注，建議醫保關注。（2）對監測數據進行分析，建議對醫保人群進行體驗項目、臨床用藥處置進行管理。該系統集疾病預防與控制，健康監測與檢測，健康教育與推廣，技術管理與服務于一體。是南寧市疾病預防控制和衛生監測檢驗業務技術的指導，該系統的工作模式可以有助于開展重點疾病的預測、預報與分析工作；組織實施食品、環境、輻射、學校等與人口生活質量相關的衛生監測；對監測數據進行分析，建議管理醫療保險人群的經驗項目和臨床藥物處置。（3）具有區域塊匯總、分析功能。為指導分級診療體系的建設，提出了總體要求的意見，強化以基層為基礎的分級診療服務體系，建立和完善分級診療保障機制，建立分級診療系統，有必要實現慢性病，常見病和多發病的初級保健和轉診。構建布局合理，水平優化，功能完善，聯動協調的城鄉醫療衛生服務體系。結合疾病診斷和治療的特點，圍繞患者預防、治療、康復和護理的不同需求，提供科學、適當、持續、高效的診療服務。該系統可以進行區域塊匯總、分析功能，從客觀上來說符合分診醫療的功能。該系統還能夠能向上級、下級檢測機構共享數據和結果，能將區域結果進行分析、預測；為衛生管理、醫保管理機構提供管理建議和預測；為公共健康管理機構提供管理預測和建議[11]。

3 血液實驗室自動化分級標準設計

實驗室自動化系統（LAS）無疑是一些醫學實驗室發展的目標。重要的一步是在分析之前和之后自動執行一系列步驟，例如：標記、包裝、移除、離心、分類、裝載、蓋帽、存儲等自動化系統通常包括以下組件：樣品原管入口區，自動識別樣品原管條碼站，自動離心機，自動開蓋器，自動樣品液位檢測器，自動分配樣品組，自動分選單元，轉移系統和樣品存儲區。理想的LAS應該具有以下特點：①開放性：它不限于與該制造商的儀器連接，并應與任何其他制造商的分析儀連接；②完整性：具有完整的“分析前-分析中-分析后”硬件及軟件支持，信息系統完整；③靈活性：整個系統可根據現場要求以多種方式放置；④智能性：高度智能和用戶友好的系統設計，以最大限度地協助實驗室；⑤獨立性：每個功能單元是協作的，相對獨立的，每個單元可以獨立運行；⑥完備性：一種自動處理冷藏存儲的系統。但要滿足以上全部條件還相當困難[12]。

圖1 全自動實驗室流水線的功能定位

根據自動化的規模和程度，LAS可分為以下幾類：（1）定制自動化：為不同的檢測項目使用不同的自動分析儀，如自動生化分析儀、自動血細胞分析儀、自動凝血分析儀、自動尿液分析儀、自動化學發光免疫分析儀、自動酶聯免疫分析儀、自動血氣分析儀、自動細菌鑒定儀等。自動分析儀連接到實驗室信息管理系統（LIS）以形成工作空間管理系統。目前，國內已經可以制造擁有全部自主知識產權的自動生化免疫分析儀、血細胞分析推線血液實驗室、尿沉渣分析血液實驗室等設備，并在設備中集成了一些檢測項目。自動分析系統大多數實驗室相對容易實施，投資回報快，但尚未涉及過程前后處理的自動化。（2）虛擬自動化：在工作管理系統軟件的支持下，通過手動工作流程管理樣本。通過讀取樣本條形碼，信息系統可以告訴您樣本的項目狀態，例如杯子數量、測試儀器、專業組、檔案等。然后將其發送給相應的專業組和儀器進行自動化測試，測試結果將被送回信息系統進行分析和后處理。虛擬自動化適用于中小型醫院。（3）靈活性實驗室自動化（Task Targeted Automation）：使用獨立樣本分析前后處理系統，有選擇地解決離心、加蓋、分選和分支的問題。為各種分析儀裝載樣品架、條形碼、蓋子、檔案、樣品等。減少重復性手工勞動。靈活的實驗室自動化系統適用于大中型實驗室，適用于整個實驗室的所有分析系統。它可用于精細拔罐，使用軟件管理樣品過程，數據審查，并在實驗室中自動處理80%的樣本。然而，該系統缺乏運輸樣本的軌道，并且需要將各種樣本架手動運送到每個測試分析儀進行測試。測試完成后，將樣品架返回系統進行后處理和存檔。（4）血清工作站自動化（Serum Working-Station Automation，SWA）：實驗室中70%的標本都是血清標本，主要是生化標本和免疫標本。SWA主要用于血清樣品處理，是一種本地自動化。該系統可以流線型處理血清樣品，從離心、分類到分析和一次性歸檔，具有高度自動化。然而，不能進行非血清樣品的分類和檢測，并且制造商占用的空間相對較大。（5）全實驗室自動化（total laboratory automation，TLA）：TLA主要由預處理系統、樣本傳輸系統、樣本分析系統、實驗數據/結果處理系統、樣本存儲系統和計算機硬件組成。它的特點是實驗室工作的自動化、標準化、系統化、集成和網絡化。在血液實驗室中處理標本的方法更便于統一和系統的管理。自動變速箱系統在整個實驗室自動化系統中起著至關重要的作用，因為它也負責將處理過的樣品輸送到每個分析儀，并組合各種自動分析儀。TLA系統適用于大型臨床實驗室實驗室，覆蓋整個實驗室的大多數樣本。但成本昂貴，占地空間大。

4 血液實驗室流水線和各模塊研發

本部分以吉林省長春市某血液實驗室設備生產廠商在血液實驗室全套設備國產化過程中的實踐經驗，對血液實驗室的主要功能模塊和系統設計進行歸納和總結。在該型設備中，實驗室自動化功能被細分為若干子功能，各個子功能都通過單獨的模塊來實現。具體來說，該型血液實驗室流水線分為以下幾大模塊。

4.1 前處理系統模塊 ①輸入分類：在標本處理模塊中，最重要的是采血管的選擇、分類以及標本的分裝，不同的TLA系統處理方式不同。②離心：樣品架自動裝入離心機離心，然后重新放入傳送帶中。無論是在流水線上還是樣本前處理系統離心機都是必需的，也是最貴的。建議根據經濟實力和樣本需求，流水線上可配置1-2臺離心機，其余在線下離心，解決高峰期樣本離心問題。③脫蓋：這是生物安全最重要的，可自動除去樣品管的蓋子放入專用回收容器中。為避免不同樣品的不同蓋帽方式所帶來的復雜機械裝置，在選擇開蓋機時必須先要統一采血管的標準，減少試管種類。④分樣：應根據本實驗室的工作流程選擇。

4.2 檢測系統模塊 檢測流水線與標本前處理模塊相連，樣品經前處理后直接入流水線。生化、血液、免疫等分析儀器連接在流水線上，可通過連接單元自動加載樣品。監測系統模塊中又可以根據客戶實驗室需求的不同在不同方向進行強化。同時，為了執行多種多樣的任務，監測系統模塊必須具備以下能力和結構特點。

①分析能力：生化分析儀需要考慮分析通道的開放程度，開放程度越高，使用者的自主性就越高，但是，在使用開放試劑降低成本的同時，可能會付出一定的質量損失的代價。因此，應在選購儀器設備的同時，獲得性價比高的試劑。

②檢測單元保持獨立：免疫測定儀所能檢測的免疫項目數也決定了流水線的實用性。各流水線生產廠家所能提供的免疫檢測試劑項目數何種類各有不同，但是，流水線上能夠檢測的項目越少，流水線的價值就越低。檢測單元保持獨立就能夠有效保證流水線的檢測能力。

③標本后處理模塊：樣品進行完所設定的所有項目后自動放入冷藏室供復檢及樣品保存。具體來說，標本后處理的可實現功能包括次級分樣：自動準備供其他不在流水線上的儀器所測定的樣品；加蓋：給每個檢測完成的樣品蓋上蓋子；在線冰箱：有多個存儲單元組成，用于樣品的冷藏及自動復檢或進行智能測試等。

需要注意的是，以上能力并不是越高越好，在設備生產設計之初就應該考慮到設備的可靠性、技術的可達性和性價比的競爭力問題，因此要根據實驗室的實際需要來設計產品。根據目前國內血液實驗室流水線的實際需要，標本后處理模塊的設計樣本存儲量一般是9000/15000試管，它的優點是可以自動儲存、自動復查、自動丟棄，但價格比較昂貴。各實驗室根據自己標本量、場地及經費情況進行選擇。一般建議采用小型的在線冰箱存儲1-2 d量的標本，便于當天或第二天復查，然后倒入普通冰箱或冷庫保存，節省經費何空間。也可以采用前處理系統的歸檔功能，進行標本歸檔，放入冰箱或冷庫，用LIS進行查找和管理。

整套系統的優點有以下幾項：①準確：通過管理軟件可使試管自進入流水線起即實現了全程監控，將誤差降至最低，特別是分杯和子條碼的準確無誤實現了在最低誤差時樣本使用的最大化；②標準化：通過設定參數，所有操作程序統一，為臨床實驗室標準化和質量管理提供了最好的保證；③效率顯著提高：由于實驗室流水線的高度自動化，帶來了工作效率的提高，同時還有節省人力；④生物安全：完全閉蓋的操作系統極大地降低了實驗室生物危害的風險。

4.3 人工智能機械手模塊 實驗室的多樣化需求不僅可以通過模塊化設計和功能強化來實現，也可以通過具有人工智能的設備接口來輔助實現。通過人工智能機械手模塊可以實現的功能有：①對血液（血清）品質識別；②對樣本狀態、連機接口模塊狀態識別；③對不同的體液樣本進行識別；④細小物體進行智能識別等。

4.4 后處理檢測和國家行為檢測模塊 如前文所述，這個模塊的設計是研發國產流水線設備的最關鍵環節。模塊中包含的基本功能是：①進行基因檢測，建立中華基因庫；②進行血清分類，為質控標準品廠家提供血清供應；③對紅細胞、血小板等進行分類，為不同廠家提供供應；④對傳染樣本進行分類，為疫苗藥廠提供實驗室研究。

總之，通過模塊化設計、特異功能強化、人工智能開放接口和信息數據的集中管理，國產實驗室流水線設備在為企業獲得一定的經濟效益為社會帶來一定的社會效益的同時，通過數字化管理建設規范、安全、精益、效率，同時為國家基因庫、區域高發病、流行病、傳染病的統計和分析提供管理預測和建議；為國家老齡化時代節約醫藥資源，合理配置醫藥資源；建立合理的數學模型，通過云數據能分析出未來公共衛生、衛生管理、醫保范圍的科學性和保險業的保險傾向，從而幫助中國健康管理事業更快進入科學管理、理性決策的時代。