全流程核酸檢測管理服務信息系統的設計與應用

黃釗，馬力，陳平，殷偉東，李剛

1.南京市衛生信息中心 a.辦公室；b.規劃科，江蘇 南京 210003；2.東軟集團股份有限公司 臨床醫療事業部，遼寧 沈陽 110000

引言

新冠病毒感染給社會和人們的生活帶來了巨大的影響，是繼SARS疫情之后的第6次疫情，成為國際高度關注的突發公共衛生事件[1]。核酸檢測是新型冠狀病毒感染患者診斷、臨床治療效果評估、人群篩查、疫情流行病學調查的重要手段[2-3]。需要支持千萬級人口的大規模核酸檢測來應對突發情況。核酸結果是目前判斷是否為新冠病毒感染者的重要判斷指標[4]，面對國內外復雜的形勢，很多城市開展大規模核酸檢測工作，從而在最短時間內找出陽性患者，達到社會面清零。隨著工作開展也產生了一些問題，核酸檢測工作在人口量較大的城市開展起來比較困難，利用紙質表格手工錄入人員信息對于一線疫情防控的醫護和工作人員壓力巨大[5]。而且紙質記錄單容易丟失、遺漏、損壞，從而無法對陽性患者進行溯源，管理人員也無法獲得準確的核酸檢測信息數據，導致無法進行研判抉擇，給防疫工作帶來了巨大挑戰。傳統的紙質單手工登記的方法無法滿足現有工作需要[6]，因此亟須開發一套核酸檢測的信息系統來進行管理。

核酸檢測信息化建設在整個疫情防控中發揮了巨大的作用，各地建立的核酸檢測信息系統取得了一定的效果，但是基本無法做到全流程閉環管理監督，因此本文提出全流程核酸檢測管理服務信息系統，以解決上述問題。

1 研究分析

目前核酸檢測信息系統主要分為3大類：面向實驗室、面向醫療機構和大規模核酸檢測。面向實驗室的主要是核酸檢測結果自動分析系統，王藝芳等[7]使用的浩源核酸檢測系統14 h即可完成1488份標本的檢測，且在靈敏度驗證中也取得較好結果；程衛芳等[8]系統地對不同核酸檢測系統常用性能監控指標進行了比較。面向實驗室主要是以核酸檢測結果判定為主，使用較為局限。面向醫療機構的系統主要是為了滿足醫院自身個性化需求的系統[9]，葉穎等[10]提出了發熱門診的簡易核酸檢測信息系統建設，解決了發熱門診核酸檢測登記繁瑣的問題。為了更好地防控疫情，大規模檢測系統也越來越多[11]，夏寒等[12]以上海為例，提出了面向大型群體的全流程核酸檢測管理系統，該系統融合了預約登記、采樣、結果查詢等多個功能，實現了對大規模人群采樣的需求，具有一定的借鑒意義。王路露等[13]對江蘇省建設的新冠病毒核酸檢測系統進行了描述和探討，該系統可以滿足一般人群、重點人群和環境的核酸檢測，并可以在移動端和PC端實現。王子心等[14]提出全員核酸檢測信息系統，該系統可支持轄區內全部居民進行快速核酸檢測工作，網格員也可進行后臺管理。趙瑩德[15]利用基于B/S結構開發的核酸檢測系統滿足醫療機構和醫院的日常需求，減少醫護被感染的風險。目前的核酸檢測系統可以滿足大部分的檢測需求，但是缺少1類健壯性高、從核酸登記采集到結果呈現的全流程系統。

本研究為滿足大規模居民應急監測預登記、生成預置碼、核酸檢測結果查詢和篩查、中高風險地區核酸檢測人員排查和特殊人群核酸篩查的需求，建立涵蓋核酸檢測相關的人員身份登記、標本采集、轉運、實驗室檢測全過程的核酸檢測信息系統，以提升核酸采集和檢測效率，并且通過與健康碼等外部系統對接，實現核酸檢測預約及核酸檢驗結果查詢的功能，從而更好地服務居民。

2 核酸檢測系統設計

2.1 總體架構設計

2.1.1 設計思路

（1）終端全覆蓋。當疫情爆發時，為了滿足短期內全員核酸檢測的任務，需要派遣大量的醫護人員到采集點進行標本采集，數量從幾千到上萬不等。信息系統的性能和部署便捷性應可滿足所有人員使用的要求，覆蓋所有采集終端[16]。

（2）快速化部署。信息系統可按照應急預案要求，快速完成南京市所有采集點、核酸檢測實驗室的部署，不影響核酸標本采集和檢測工作。

（3）輕量化配置。考慮到大范圍核酸檢測工作機動性強、靈活性高，終端系統尤其是采集點信息系統的設計應采用輕量化的設計方案，在保證完成正常檢測任務的情況下選擇最簡便的硬件和外部設備配置，減少工作現場終端設備安裝調試的時間和降低復雜度。

（4）簡便易上手。系統設計必須盡量簡便易上手，操作簡單，任何人均可在短時間內通過自學或集中培訓的方式掌握系統操作要領，投入實戰。

（5）流程全閉環。核酸檢測標本從采集、封箱、轉運到實驗室接收、結果審核與發布全流程實現信息化記錄，全閉環監控。

（6）數據可視化。核酸檢測的過程數據可以實時發送至市、區聯防聯控指揮中心進行匯總分析，包括各環節工作量、工作效率、質量和資源投入情況通過趨勢圖、地圖等可視化方式在大屏幕上實時展現，助力政府抗疫工作精準決策。

2.1.2 架構設計

全流程核酸檢測信息系統整體采用開放式架構，這種架構中的應用系統具有可移植、可剪裁性等特性，可以避免由于應用過于集中，導致高并發而引起服務無法正常使用的情況[17]。系統采用最先進的云計算、大數據、互聯網技術搭建，前后端分離，前端Web網頁采用Angular框架、AntDesign組件，App采用Ionic框架，后端采用SpringBoot框架。

架構使用統一的標準規范體系和信息安全體系，符合三級等保要求[18]，主要分為交互層、應用層和基礎設施層。交互層利用各類終端實現與各個部門和角色之間的數據互通和共享；應用層包含3大模塊，分別是面向居民、工作人員和決策機構，利用后臺權限控制管理，實現對不同角色權限配置；基礎設施層主要包含網絡、存儲、算力等基礎軟硬件配置。數據實現與健康碼、公安、衛健委等各部門之間的互聯互通、聯防聯控，從而更好地控制疫情。系統的總體架構如圖1所示。

圖1 全流程核酸檢測信息系統整體架構

2.2 邏輯架構設計

系統設計3個邏輯區域：對外接入的Internet區域（公有網絡）、部署系統服務的應用區域（私有網絡）、部署系統服務的數據庫區域（私有網絡），區域間通過防火墻等安全設備進行防護[19]。

（1）Internet區域（共有網絡）：部署硬件負載均衡器（客戶數據中心提供），對外暴露服務IP（或者域名），對內實現系統前端服務層負載均衡，為高并發提供技術支撐。

（2）應用區域（私有網絡）：部署Nginx服務，提供系統的前端服務，可根據并發情況進行前端服務自動伸縮，保障業務的服務品質協議；部署Tomcat服務，提供系統的后端服務，可根據并發情況進行伸縮。

（3）數據存儲區域（私有網絡）：部署Redis集群，提供數據緩存，減小數據庫訪問量，提升數據存取性能；部署MySQL數據庫，配置主備模式，保障數據庫高可用；部署MongoDB數據庫，配置主備模式，保障數據庫高可用。

系統的所有服務需要通過網絡時間協議進行時間同步，使用域名系統進行域名解析，平臺收集的數據需要備份服務進行備份，防止臟數據寫入以及數據丟失，邏輯架構圖如圖2所示。

圖2 邏輯架構圖

2.3 系統功能

2.3.1 業務流程分析

被采集人通過預約登記選擇采樣點后到達采集點，采集護士通過掃描被采集者身份碼進行信息登記，標本混合采集完成，入箱，等待送檢，區域巡檢車掃描箱碼進行送檢，實驗室掃描箱碼進行批量接收，上機檢測完成后將核酸結果傳至平臺，居民通過健康碼查詢自己的核酸檢測記錄和結果。指揮中心通過大屏幕實時監測各類資源，根據智能預警提示，做出決策，進行實時資源調度，各資源通過APP獲取消息，并進行確認，形成全鏈路信息化閉環管理，業務流程示意圖如圖3所示。

圖3 業務流程示意圖

2.3.2 功能模塊

（1）預約登記：通過本地智能對外門戶支持居民為自己進行預約登記。預約登記功能采集預約人員身份信息和預約的采樣點信息，預約成功后向居民生成核酸預約登記碼，并能為居民導航，讓居民快速找到采樣點進行采樣。

（2）標本采集。面向采集點核酸標本采集人員提供一個獨立的安卓、鴻蒙APP應用。標本采集人員通過該應用可以快速完成被檢測人員的身份信息識別和登記，以及被檢測人員身份與采集管條碼的綁定?；贏PP提供開箱、登記試管、封管、封箱、匹配等功能，采樣人員可自助注冊選擇實施采樣的具體地點，采樣模式（20混1、10混1、5混1、單采）。

（3）標本轉運。標本轉運人員使用APP掃描采集點已經封箱的轉運箱條碼，進行送檢確認操作，使轉運箱進入“送檢中”狀態，并進行計時?？蓪σ艳D運的轉運箱信息進行瀏覽查看，當轉運箱狀態長時間無變化時自動提醒轉運和管理人員。

（4）標本接收。實驗室人員使用標本接收APP，掃描轉運箱條碼并獲取箱內信息，包括開箱及封箱信息、轉運箱來源等，并核對試管數量是否一致。如發現不一致，逐管接收，系統主動報警，同時反饋給采樣點和市區疫情防控指揮部，并安排專人追蹤處置。

（5）結果上傳。系統提供相關人員信息接口，實驗室信息管理系統可通過接口調取試管碼對應的人員信息，并將完成檢測標本的結果進行審核上傳。對于陽性結果，提供單獨的陽性人員上報模塊，里面除了基礎的人員信息外還包括檢測試劑、新冠靶基因、CT值等專業數據，方便檢測專家進行研判統計分析。

（6）居民結果查看。系統將核酸檢測結果統一定時上傳國家大疫情網、省平臺等核酸結果上報平臺，居民通過登錄本地智能對外門戶或者健康碼等渠道查看自己的核酸檢測結果和信息。

（7）大屏和統計查詢。市、區疫情防控指揮部可以通過大屏查看全市各輪和當日累計標本采集、送檢、接收、實驗室檢測情況，通過多維度可視化展示，進行疫情分析與研判。查詢與統計可以實時導出采樣明細數據，方便督促居民進行核酸檢測、資源調度等工作的開展。核酸檢測系統大屏展示示意圖如圖4所示。

圖4 核酸檢測系統大屏展示示意圖

（8）全流程管理后臺。管理后臺通過分配不同權限，即可看到全市和全區各輪累計標本采集、送檢、接收、實驗室檢測情況。通過采樣模塊可以看到每個采集點采集了哪些人員，由哪些醫院進行封管操作；送檢模塊可以看出標本送檢人員和送檢的時間；接收模塊可以看到每個實驗室接收的標本數量；實驗室模塊可以看到每個機構樣本上傳情況，里面包含上傳時間、結果、個人信息等。通過全流程管理后臺可以追蹤到每個人的核酸采樣情況，同時可將全市全區的工作進度、各環節工作量、工作效率、差錯情況、資源匹配等統計數據及時反饋給管理人員，以便及時發現問題、調配資源等。

3 應用及成效

3.1 壓力測試

核酸檢測信息系統由于涉及人員范圍廣、數量大，一旦發生故障則會引起較大的社會影響，因此需在上線前對設計的全流程核酸檢測信息系統進行壓力測試。選取了“數據采集-掃描身份證”核心業務作為測試用例進行了性能測試。針對上述業務功能，使用http協議利用Loadrunner腳本錄制、調試以及場景設計、運行、資源數據采集和分析統計工具。整個性能測試過程中，共編制測試腳本1個、設計測試場景1個。

模擬穩定壓力發起持續“掃描身份證”業務請求，場景共持續1 h?！皰呙枭矸荽a”業務共執行3035640次。在壓力測試進行的1 h中，業務關鍵事務響應時間和系統處理能力未出現明顯的異常波動，說明系統在一定壓力下可以提供長時間穩定服務。負載壓力測試中關鍵業務的性能表現結果顯示，“掃描身份碼”業務的90%響應時間在0.02 s左右完成，單位時間內可以完成840筆以上的業務。按此處理能力計算，在3.5 h內便可處理完成1000萬人口規模的樣本采集相關信息的存儲。

負載壓力測試過程中，對整個系統中最關鍵的2個存儲層服務器（MySQL、MongoDB）進行了硬件使用率監控，從監控數據上看，各項硬件資源使用處于合理范圍狀態，服務器資源消耗在一定壓力之下表現良好。Web服務器、APP服務器、Redis服務器的資源消耗較低，屬于正常范圍。MySQL服務器資源消耗圖如圖5所示，MongoDB服務器資源消耗圖如圖6所示。

圖5 MySQL服務器資源消耗圖

圖6 MongoDB服務器資源消耗圖

3.2 應用效果

全流程核酸檢測管理服務信息系統在遼寧省、江蘇省、河南省、河北省、西藏自治區、福建省等17個省、109個地區進行了部署應用，累計采樣人次超過10億。系統后臺管理如圖7所示，可以通過管理后臺多維度查看實驗室、各區的核酸檢測各個環節的情況數據，其中的明細查詢可以精確查詢到每個人的核酸采樣狀態，確保閉環全流程跟蹤。該系統實現了居民預約登記、掃描身份碼采樣、掃碼送檢、掃碼接收樣本、檢測結果數據上傳、數據查詢統計和健康碼查詢顯示等關鍵功能，確保采運檢報信息完整、準確、及時、全程受控，大大提升了核酸檢測的效率和數據準確性，為基層一線的疫情防控工作提供了強力保障。

圖7 結算檢測信息系統管理后臺

對于人民群眾，能夠享受核酸檢測信息化建設帶來的便捷的、優質的檢測服務；對于核酸檢測機構，檢測信息化建設帶來了高效協同的工作效率和精細化、科學化的運營管理決策服務，提高機構的服務能力和醫療水平；對于政府機構，實現了數據共享和監管，提高了全市公共衛生應急處理的能力，提升了政府和行政部門對新冠疫情的監控管理能力。

4 討論

為了驗證本研究提出的全流程核酸檢測信息管理系統的有效性，從部署架構、應用功能、穩健性、應用場景等方面與已有的核酸檢測信息化系統進行對比分析，見表1。

表1 不同核酸檢測信息系統比較

從表1可以看出，本研究提出的系統使用了C/S架構，具有良好的移植性，在大規模檢測的時候不受硬件環境等因素的影響，靈活度較高；且使用了前后端分離技術，保證各業務之間互不影響，穩定性高；在功能方面，實現了采集、送檢、接收、檢測、結果查詢、全流程的閉環管理，相比其他系統，功能更為豐富；使用場景適合醫療機構、實驗室和大規模檢測，應用更為廣泛。

但系統也存在一定的不足，數據量大時查詢統計比較緩慢，也消耗大量的資源，需要在后續研究中進一步優化數據結構，采用分布式部署方式是一個解決方向。同時應該進一步引入大數據、人工智能等先進技術[21]，提高數據分析預測能力，從而更好輔助管理者進行決策。

5 結論

疫情防控是對城市治理體系和治理能力的一次重大考驗，本研究提出的全流程核酸檢測管理服務信息系統的建設實現了預約登記、核酸采集、標本送檢、標本接收、結果上傳、核酸查詢服務等功能，同時實現了整個核酸檢測的閉環管理。此外，在架構設計時考慮了整個系統的應用穩定，利用開放的架構和前后端分離的技術框架來應對高并發、高存儲等問題。數據底層實現了互聯互通、數據共享，實現了與公安、交通、疾控、健康碼等各條口系統的對接，充分發揮“大數據+網格化+鐵腳板”治理機制的作用，加大對中高風險地區、封閉區域、封控區域和黃碼人員的防控預警。