輔助生殖實驗室智慧化環境管理模式探究

周德富， 陳 瑛

（1.蘇州市職業大學藝術學院，江蘇蘇州215104；2.無錫市婦幼保健院優生優育遺傳醫學研究所，江蘇無錫214002）

0 引 言

人類輔助生殖實驗室是一個特殊的高標準的潔凈實驗室，體外受精-胚胎移植（IVF-ET）實驗操作，是將人的卵、精子、受精卵和早期胚胎在體外培養箱中進行培養觀察和評估再將胚胎移植到母體子宮中，需要針對各個環節進行有效監控。隨著人工智能和物聯網技術在醫學領域的廣泛應用，定制的人工智能平臺可為高端輔助生殖實驗室提供泛在互聯、實時監測、智能控制、動態展示、靈活交互的全程質量管理。本文從建設期的設計及施工、實驗室運轉中對環境、電力系統、新風系統、安防等的實時監控方面探究基于人工智能的智慧醫療在輔助生殖實驗室中的戰略信息管理模式以及所涉及的信息管理邏輯規則進行探討?；贘AVA SSH2 架構開發，采用系統工程模式整體設計規劃、結構化分解協調、優化綜合。以實現對實驗室的門禁視頻安防系統、遠程交互、電力系統、環境監測等進行網絡化、信息化和智能化的實時監控和管理。

1 建設期設計及施工

在設計施工期就要充分考慮新風系統分組、潔凈級別分區域、設備安置定位、操作流程定點、監控采樣位置確定、不間斷電源配置、煙霧報警和水淹報警安放、管線走向、探頭端口定位等諸多細節。

環境影響胚胎發育潛能［1-3］，IVF實驗室對潔凈度要求很高，增加潔凈度相應會大幅度增加建設和維護成本，因此，需要對各區域潔凈級別進行合理規劃和質量控制［4-5］。一般可根據不同區域最低潔凈度要求，采用梯度潔凈級別。每一等級的潔凈間對每m3空氣中大于一定直徑灰塵的數量有嚴格的規定，凈化級別分為I級（百級）、II級（千級）、III級（萬級）、IV級（十萬級），潔凈度逐級降低（見表1）。比如，以人員出入路線為例，進入更衣室（建設為10 萬級），在入口更換本室干凈的無菌衣服、鞋、帽，向前通向手消準備間（萬級），工作人員在準備間洗手、戴口罩，更換實驗室專用鞋，至少通過2 道門，才進入實驗室房間。人需要通過風淋室（為特殊設備）全身除塵除靜電才能進入胚胎實驗室（千級），不能通過風淋進入實驗室的材料、用品、設備，要通過設有雙門或者通氣間的遏制屏障才可以進入。胚胎實驗室需設置為正壓，即出風大于進風速度，新風及空調系統需獨立于其他潔凈間，培養室與手術室相鄰，實驗室與手術室間的門是單方向的，即只能從實驗室一面可以開啟，取卵（千級）和移植在手術室進行，傳遞窗是傳遞卵和胚胎的唯一通道，通過傳遞窗與培養室交換物品，該門僅作為應急情況使用，僅能從培養室一方打開，避免在胚胎處理過程中，實驗室的門突然被打開。檢卵、受精操作和胚胎處理均在超凈工作臺（百級）中進行。此外，取精室，人工授精室及潔凈功能用房和潔凈走廊凈化級別為（10萬級）。移植手術室凈化級別為（萬級），冷凍室凈化級別為（萬級）。

表1 潔凈室／區空氣懸浮粒子潔凈度等級［6-8］

實驗室卵子及胚胎操作區、單精子注射區、卵裂球活檢區必須為百級凈化區，手術室臺面局部、麻醉機區需高級空氣凈化，有條件的可局部設置為百級凈化區。多數生殖中心過分依賴于建設期設計或者僅憑超凈工作臺耗材更換間隔時間來控制，在實際使用過程沒有能力實時監控各區是否潔凈達標。

實驗室、更衣間、通氣間的新風系統送風至少經過粗效、中效和高效3 級過濾，供氣和排氣均需通過HEPA 0.22 μm 高效過濾器，過濾率要求≥99.97%。下水道開口和其他管道也要有HEPA 過濾器，防止任何微小動物及有害微生物進入。在空氣入口處為唯一風速進氣口，從所用空間排氣。HEPA 過濾器離供應源應盡可能近，以縮短管道長度，減少管道可能出現的污染。所有HEPA 過濾器需要每年測試和確證。HEPA過濾器裝置，應選用過濾器取下前可消毒的類型，或更換時立即將過濾器轉入密封容器中消毒后廢棄。要監控過濾器更換周期并提醒。萬級及以上的潔凈間每小時換氣25 次以上，百萬級潔凈間每小時換氣15 次以上。百級潔凈區要求水平風速≥0.54 m／s，垂直風速≥0.36 m／s。

還需要注意的是取卵、移植、附睪穿刺手術室和胚胎實驗室需要用2 套獨立送風系統，把他們區分開，使手術室和胚胎培養室獨立運行與工作，互不干預。有條件的生殖中心以及年工作量超過5 000 個IVF周期的實驗室取卵、培養是建議設立雙套取卵、移植、附睪穿刺手術室，各自新風系統均需分別設立，使用和清潔維護交替進行。

除此外，早期胚胎卵裂和發育經歷精密的調控［9］，環境內外暴露和環境微小波動對胚胎的生長產生壓力、生理和遺傳產生不利影響［10-12］，實驗表明裝修材料釋放的有機化合物、揮發性物質會對胚胎產生影響［13］，IVF中心對裝修材料有嚴格要求，因此，在裝修過程中不能使用常規的材料，所用材料具備不釋放揮發性有機化合物、揮發性有害氣體、重金屬放射源，具有防火、容易清洗、耐腐蝕、不產塵積塵和防霉特性。地面應采用聚乙烯材料，便于積塵的清洗，墻面應該用特定的醫用無毒、無味、無揮發性、防霉的涂料，既便于清掃，又最大程度減少有毒有害氣體的釋放。才能維持一個高標準，真正適合胚胎生長的環境。

2 實驗室運轉實時監控

2.1 環境監測

人卵母細胞從母體中取出后，胚胎培養技術員在百級超凈臺內的解剖顯微鏡下將其與卵泡液、卵泡細胞、血細胞等分離，置培養箱中培養一段時間后與精子受精，再放到培養箱，在倒置顯微鏡下觀察發育的各項指標，期間器皿多次暴露在空間，因此，對其操作空間及周圍環境要求非常高，而常規管理無法做到實時監控，因此，對環境實施智慧化信息戰略管理十分必要。

環境監測目的是維持一個適合胚胎學技術人員長時間操作的環境及人卵細胞和胚胎在體外能良好生長的潔凈空間。環境溫濕度、新風系統的流入流出速度、空氣凈化過濾情況、懸浮顆粒粒子密度、氧氣濃度、二氧化碳濃度、病原體濾過情況等環境因素對胚胎的存活和生長至關重要［14-16］，潔凈實驗室環境指標得到嚴格的控制是IVF-ET成功的關鍵。要求室內溫度恒定在20 ～24 ℃、濕度恒定在45% ～60%，在操作和觀察中的配子或胚胎確保處于37 ℃、40% ～60%濕度下［17］，空氣凈化達標，無塵、無菌、無毒、無靜電、低噪音（設備運行時＜75 dB）。監測的參數指標包括溫濕度、新風送風量、空氣質量、塵埃粒子、粉塵、室間正負壓壓差值、噪音分貝等以及針對一些關鍵儀器設備的質量控制參數［18］。檢測區域內距離地面0.8 ～1.5 m空間的塵埃粒子數、浮游菌數、沉降均數，評價凈化效果。支持對普通空調的遙控和監控，通過對其控制電路的分析，實現狀態監控，通過學習型紅外遙控器實現對其停啟、溫度等的控制。

綜合環境監控系統由服務器、軟件、配套插件、配套設備、可兼容探測器等組成。其中服務器為單一Web界面，對外使用單一IP，兼容性和系統穩定性好，滿足Internet設備所有標準，可個性化定制，數據可連入SQL等大型數據庫。通過人工智能平臺的泛在互聯、實時監測、動態展示、智能控制、靈活交互等特色應用，對環境質量、新風系統、設備運行和維保以及局域場地信息等進行綜合統一的網絡化、信息化和智能化實時監控管理。具體工作流程見圖1。通過實時采集傳感器、探頭、環監儀的數據，進行分析、管理、控制。在有異常跡象出現時，以及重大事故發生之前，可以通過郵件、手機短信、聲光等多種方式提示管理員處理，從而確保監控系統網絡和被監控設備的正常運行。

組成綜合環境監控系統的配套設備可隨插即用，易擴充，兼容性好，環境監控是通過數采儀、溫濕度儀、煙感探測器、水淹探測探頭、攝像頭等設備支持自動化和可視化地進行水質、空氣、灰塵、有毒氣體等的監測，數采儀設備可以接入傳統的水質、空氣等監測儀，還能夠接入攝像機、環境傳感器、溫度傳感器、氣體監測傳感器。新風系統監控，主要通過對新風機控制電路的分析，實現對其工作狀態的監測及啟停控制。環境監控服務器報警方式支持以聲光、郵件、短信報警燈等多種方式，通過聲光報警器、信號接收機自動發送短信進行報警或預警。為達到理想的溫濕度，可通過主機對繼電器發出指令，通過繼電器、電力開關等控制空調、加濕器、除濕器等電氣設備的啟閉，完成溫濕度自動調節。

圖1 環境監測信息網絡檢測

2.2 安防消防監控

生物安全實驗室安防、消防管理一直是重中之重。利用人工智能平臺的泛在互聯，對實驗室的門禁系統和視頻安防進行分區域、分場地信息實時采集、播報、人員聯動，對安防設備自身運行和維保進行動態監測。

安防綜合監控系統可與環境監測系統整合為一，成為其中一個模塊。通過安防模塊可以靈活交互和智能控制，利用基于電子地圖與圖示定位技術的用戶場所管理功能，自定義對所在的區域、樓層、房間等各級場所和各監控點進行圖文定位和逐級的信息管理，可通過樹形列表來查看每個站點下監控場地的詳細信息，監控軟件能實現電子地圖上監控場地位置和實時監測數據的顯示。為安防信息提供直觀、立體、全面、動態的地理信息支撐。網絡用戶通過權限授權進行管理，管理員經過嚴格的分時段授權對實驗室內多角度多維度監視、對圖像、數據進行查詢、錄像、回放。支持視頻顯示，對實驗室內現場的視頻狀況進行切換顯示。針對IVF-ET實驗室，支持用于工作任務核對的高清局部放大監控和圖片截屏采集。支持分場地門禁授權管理，人員出入場地權限管理，提供人員出入情況的統計；支持人臉識別和指紋識別。支持對實驗室內的消防系統、滲漏（漏水、漏油）、普通水浸、定位水浸監控等進行遠程集中監控，包括對空調、窗戶、水管、頂棚等附近漏水的發生的監控，并實現異常情況的實時報警，并設置110 聯動。支持消防類檢測，當檢測到有煙霧、火情，有消防聯動需求可接入聯動系統。支持雙鑒探測器，具有紅外功能，為了克服單一技術探測器的缺陷，通常將2 種不同技術原理的探測器整合在一起，只有當2 種探測技術的傳感器都探測到人體移動時才報警，當未經授權的人進入探測器的探測范圍內時，探測器報警指示燈點亮，同時發射出無線信號，并按用戶預定的布防、撤防時段與告警通告策略對相應狀況進行告警、通告或僅僅軟件界面反映進行本地報警和手機短信報警，及時通知管理員對事件做出相應處理。避免授權人在未授權區域、未授權時段內不合適的出現，流程見圖2。支持遠程監控管理功能，可在本次或遠程進行現場參數配置。

2.3 微生物監控

IVF 潔凈實驗室是一個恒溫恒濕的潔凈空間，不但適合胚胎生長，而且適合細菌生長繁殖，常規方法消毒、滅菌會造成第二次污染，不利于胚胎生長，因此不能采用常規方法消毒、滅菌來消除細菌，只能用更有效的方法來消除細菌，通過層流凈化空氣過濾和定期清潔的方法維持和保證環境潔凈。凈化程度實時監控可以通過智慧系統，設置定期不同區域樣本自動抽樣采集檢測，可接入微生物檢驗MYLA 系統。遵循ISO15189 質量標準，全面滿足質控要求。也可以手動用無菌拭子采集臺面、設備內外、器具外、耗材、水源等不同位置的表面，進行病原體熒光定量PCR檢測或者質譜檢測。

2.4 生化物質及有害氣體監控

圖2 人員安防監測聯動流程

潔凈實驗室是一個密閉的環境，靠新風層流系統換氣，其他類型的潔凈室內微量的有害氣體對于實驗結果的作用微不足道，基本上不作監控，但是在IVFET潔凈實驗室則務必加以控制，以降低有害氣體、生化物質對胚胎生長、發育潛能的損害。維持實驗室內優質的空氣質量有利于培養箱內的空氣質量，因為，培養箱內空氣大部分還是來源于實驗室，依賴于實驗室內氣體環境。有害污染源來自建筑裝修材料、管道材料、上下水、用具外包裝材料、耗材、試劑氣溶膠、消毒液、儀器釋放的氣體、液氮氣化物、培養液揮發物、紫外燈照射產生的聚合物以及人為帶入等引入和積聚在實驗室的氣體，成分較為復雜，有害物質包括：一氧化碳、氨氣、甲醛、二甲苯、硫化物、芳香族化合物、揮發性有機物（TVOC）等。

可以通過空氣質量傳感器捕獲空氣質量變化，當傳感器所處環境中出現污染氣體積聚時，傳感器的電導率發生變化，電導率隨污染氣體濃度的增加而增大，其中二氧化錫等高靈敏度的氣敏材料是傳感器核心材料，由氣敏材料捕獲并輸出的感應信號經過放大器放大和微控制器轉換，進行數據實時采樣，再通過無線通信模塊，使控制系統具有網絡功能，連入互聯網，同時通過顯示模塊在PC端、LCD監控屏、安卓移動端等顯示出來。

2.5 工作氣體釋放監控

人胚胎培養箱一般采用三氣厭氧條件培養箱，三氣培養箱采用超純（99.9999%）的氧氣、二氧化碳和氮氣三種氣體，雖然培養箱面板能夠顯示所測箱內氣體濃度，但是自帶測量系統并非高精度，可能存在一定偏差，也可能發生故障，需要第三方設備并行實時監控濃度變化，記錄無人值守情況下濃度變化趨勢以及異常預警非常重要。此外，在培養箱使用過程中頻繁開啟培養箱的門，會使培養箱內氣體泄露到室內，使室內整體或局部相對含氧量降低，不利于工作人員身心健康，所以需要從不同區域進行多點、多維度采樣測試。

2.6 電力監測

實驗室設備種類多、數量大、使用地點分散、資產價值高，多數設備使用須全時段運轉。傳統的人工管理模式依靠輪流值守、抽查、人工巡回等方式查看，人員工作量大，時間長，監控不到位，而且容易出錯。人工維護缺乏完整的管理模式，易造成事故隱患。因此，智能有效的電力綜合監控尤為重要。

實驗室供電情況通過電力監控主機進行監控，既可以對電路設備進行監控，也可以對自身機柜微環境及周圍環境進行綜合監控。電力監控主機采用雙路供電結構，并內置后備電源，任何一路供電中斷都不會影響系統正常運行，并可監控主機設備自身的供電，任何一路斷開都可通過上位機軟件進行報警。內置的后備電源，在系統外的市電及UPS 全部中斷的情況下可啟動后備電源支持系統延時運行。支持雙路電源供電，且停電后，主機仍可連續工作8 h。主機硬件接口豐富，各種被監控設備，可通過傳感器直接端子插拔式安裝，即插即用，也可通過接收射頻信號接收終端信息。設備配置靈活擴展性好，可隨時根據需求進行系統擴展。采用了強弱電分離的設計架構。

采用智能電源分配單元（PDU）設備，支持無人值守的電源的遠程智能化管理，通過局域網、廣域網即可對電源進行實時在線電力監控及設備的通斷電管理，支持對其下聯端口的各設備的供電進行用電量、耗能情況查詢、對設備的功率因數滯后或超前等參數進行管理，對連通、斷開或重啟進行控制和監視，用戶只需通過客戶端，就可對電源設備進行遠程管理。

電力監控主機通過轉換器，連入Internet，同時也可采用嵌入式斷網監控，支持脫網工作，具有獨立數據處理及數據存儲能力，用于將現場設備采集層傳輸來的各種信息進行存儲、實時處理、分析和輸出，處理所有的報警信息，記錄報警事件，并負責將控制命令發往前端設備，實現對現場設備的遠程控制。支持在中控室、實驗室現場、管理員桌面、移動終端均可查詢供電情況。支持基于無線射頻技術的斷電報警、發送短信給客戶端。

電力監測對象包括UPS、電池組、配電箱、動力監測管控系統，針對實驗室設備的供配電進行監測，對實驗室內的通訊電源、配電柜、UPS、蓄電池組、發電機、防雷系統等動力設備實施遠程集中監測管控，充分保障了實驗室內動力系統的正常運行。針對配電柜，支持監測交流配電柜主供電的電壓、電流、頻率、有功功率、功率因數、無功功率、視在功率、電能計量等。支持監測機組運行狀態、支持遠程操控發電機組的啟停，支持實時檢測發電機組的輸出電壓、電流、油壓、油位、水溫等安全性能參數。支持監測UPS 輸入／輸出電壓、電流、功率，蓄電池組直流電源的電壓、剩余電量、后備時間、溫度等參數，監控整流器、逆變器、電池、旁路、負載等部件的狀態。支持對開關和熔斷器狀態進行監測。支持重要設備內外微環境不同位點溫度測定反饋；滿足各種用戶對電力分配節點的靈活控制，安全監控、預警和管理等，以短信、閃爍音效報警等方式告警。PDU采用機架式電源分配方案，使機柜中的電源分配更加專業、安全和美觀，電源的維護安全便利。保障用電設備乃至整個實驗室的安全。實現了電力的科學管理。通過總控制室的交換機轉化成警示信號傳到互聯網再進入監控面板終端。如，北京融智興華RZ-PC08智能PDU 新一代IT 電源管理產品，可以同時兼備遠程電源監視器，和電源分配和管理功能。它既可以監測供電電壓、供電電壓頻率、每路輸出電流等參數，還能夠實現遠程控制、集中式管理、自動周期控制、安全性管理、可靠性管理等。

規模較大的生殖中心除了少數2 ～3 年建立起質量保障，一般來講都需要8 ～10 年才能建立一套有效的質量保障［4］。制定和不斷完善生殖中心輔助生殖實驗室智慧化標準和參數指標，建立規范化、智能化、一體化的智慧醫療平臺，以更好地服務于生殖醫學質控管理者、實驗室胚胎學家、生殖醫學醫師和患者。

3 結 語

建設一個高標準的泛在普適互聯智能輔助生殖實驗室，是生殖醫學臨床醫生和實驗室胚胎學家共同努力的方向。質量控制與質量保障體系是長期的過程，通過復雜的信息戰略管理，可以進一步縮短實驗室升級到精益管理的年限，不僅實現對實驗室場地、門禁、人員、環境、電力、安防的綜合化智能化管理，還可對設備設施的運行使用、保養、維護、授權管理、試劑耗材質控、實驗流程監管等常規業務流程進行網絡化、數字化管理。從而實現實驗室的全面智能管理和安全生產，減輕實驗室管理人員的工作負擔，提高工作效率和服務水平。