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全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化，英文簡(jiǎn)稱TLA(Total Laboratory Automation)，其目的是為了實(shí)現(xiàn)臨床實(shí)驗(yàn)室內(nèi)某一個(gè)或幾個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)如臨床化學(xué)、免疫學(xué)、血液學(xué)等檢驗(yàn)的檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)化整合，將相同或不同的分析儀器與實(shí)驗(yàn)室分析前和分析后的分析系統(tǒng)，通過(guò)自動(dòng)化流水線和信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的過(guò)程，構(gòu)成全自動(dòng)化的流水線作業(yè)環(huán)境，覆蓋整個(gè)檢驗(yàn)過(guò)程，形成大規(guī)模的全檢驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)化。TLA的自動(dòng)化包括樣本自動(dòng)化前處理、樣本傳輸、樣本自動(dòng)分析、樣本自動(dòng)化后處理四大部分。全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化流水線可以體現(xiàn)IVD行業(yè)技術(shù)發(fā)展水平，隨著醫(yī)療市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)不斷進(jìn)步，全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化流水線已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展趨勢(shì)。 2017年12月，國(guó)家在《高端醫(yī)療器械和藥品關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化實(shí)施方案》中首次提到，重點(diǎn)支持和鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)空白的全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化檢驗(yàn)分析流水線(TLA)等創(chuàng)新設(shè)備產(chǎn)業(yè)化，這為T(mén)LA在我國(guó)的全面發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，主要用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)最大的特點(diǎn)是速度快、信息量大、功能多。本質(zhì)上，機(jī)器視覺(jué)是圖像分析技術(shù)在自動(dòng)化中的應(yīng)用，通過(guò)使用光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)字相機(jī)和圖像處理工具，來(lái)模擬人的視覺(jué)能力，并做出相應(yīng)的決策，最終通過(guò)指揮某種特定的裝置執(zhí)行這些決策。

RFID技術(shù)，是支持物聯(lián)網(wǎng)能夠快速普及的核心技術(shù)。RFID標(biāo)簽，通過(guò)存放被標(biāo)識(shí)物體的信息，在各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了物與物的信息交流，是物聯(lián)網(wǎng)中主要的信息獲取方式。近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的社會(huì)接受度越來(lái)越高，以UHF RFID為代表的智能系統(tǒng)已經(jīng)在零售，物流，制造，醫(yī)療，安防，汽車(chē)，航空，軍事等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為提升人們的生活便利，實(shí)現(xiàn)智慧物聯(lián)起到了關(guān)鍵作用。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，RFID技術(shù)是利用無(wú)線射頻信號(hào)發(fā)送和獲取相關(guān)信息，從而對(duì)物體加以識(shí)別的一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID技術(shù)在對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行處理時(shí)，不需要與目標(biāo)直接接觸，具有迅速、即時(shí)、精確地對(duì)目標(biāo)的信息進(jìn)行收集和操作, 同時(shí)因?yàn)槠涔ぷ鬟^(guò)程不需要人為干涉，故可以節(jié)約大量時(shí)間。RFID技術(shù)最獨(dú)特的地方是在任意一個(gè)標(biāo)簽中都具有一個(gè)全世界獨(dú)一無(wú)二的ID標(biāo)識(shí)碼，這個(gè)標(biāo)識(shí)碼只能通過(guò)具有權(quán)限的讀寫(xiě)器來(lái)進(jìn)行識(shí)別，在讀取RFID中的數(shù)據(jù)后，其包含的信息與ID標(biāo)識(shí)碼一同發(fā)送到具有防偽數(shù)據(jù)庫(kù)的終端來(lái)進(jìn)行認(rèn)證。如果標(biāo)簽遭受到損壞，那么標(biāo)簽內(nèi)包含的信息將不能夠通過(guò)讀寫(xiě)器讀取，同時(shí)也無(wú)法對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行偽造。

本文通過(guò)介紹和闡述機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和RFID技術(shù)在全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化系統(tǒng)中的詳細(xì)應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化在中國(guó)的發(fā)展提供了一條切實(shí)可行的思路，為設(shè)計(jì)全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化流水線提供技術(shù)參考。

醫(yī)療設(shè)備自動(dòng)化流水線的概念是由日本在上世紀(jì)八十年代提出的。因?yàn)楫?dāng)時(shí)日本的醫(yī)療檢測(cè)室人力資源緊張且檢測(cè)的工作量較大，為應(yīng)對(duì)這一狀況，他們創(chuàng)造性的提出了將自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)鏈引入實(shí)驗(yàn)室的新思路，利用一些簡(jiǎn)單的醫(yī)療器械及傳送裝置搭建了最初的醫(yī)療自動(dòng)化流水線系統(tǒng)。上世紀(jì)九十年代，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家也開(kāi)始開(kāi)發(fā)此類產(chǎn)品，各大儀器檢測(cè)公司陸續(xù)推出了自動(dòng)化醫(yī)療檢測(cè)流水線產(chǎn)品，全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化設(shè)備的市場(chǎng)重心也因此轉(zhuǎn)向歐美市場(chǎng)。

對(duì)比于傳統(tǒng)常規(guī)的醫(yī)療檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)自身特有的模塊化模式、簡(jiǎn)潔流程、合理分配布置儀器、實(shí)時(shí)信息讀取等功能，使得其擁有以下多種優(yōu)點(diǎn)：①極大的提高工作效率。相比于傳統(tǒng)的人工實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，自動(dòng)化流水線產(chǎn)品大大加快樣品的處理速度，更高效、更便捷。②檢測(cè)試劑的通用化和檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)化，使得檢測(cè)的項(xiàng)目大大增加。同時(shí)也大幅度地提高了測(cè)試結(jié)果的精確度，從而使得實(shí)驗(yàn)室間的檢驗(yàn)結(jié)果更加具有對(duì)比性，更方便各機(jī)構(gòu)之間的交流和檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)和提高。③減少了產(chǎn)生差錯(cuò)的因素，特別是減少人的參與，極大提升樣本檢測(cè)的可靠性。④進(jìn)一步改進(jìn)了分析方法。許多先進(jìn)精確的分析方法(例如連續(xù)監(jiān)測(cè)法)仍難由人工完成，全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化使得許多先進(jìn)精確的分析方法得到廣泛的應(yīng)用。⑤實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化設(shè)備具有多方面的自身監(jiān)測(cè)功能。可以實(shí)時(shí)反饋樣本的信息及位置，方便查取樣本的信息及檢測(cè)結(jié)果。⑥大大減小了樣品的檢測(cè)成本，實(shí)驗(yàn)室流水線系統(tǒng)中的設(shè)備只需極少的樣品就可檢測(cè)出該項(xiàng)的結(jié)果，節(jié)省了檢測(cè)費(fèi)用，同時(shí)也大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本，減輕了醫(yī)院和患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。一個(gè)典型的TLA(全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1：一個(gè)典型的TLA(全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化)系統(tǒng)，摘自朱業(yè)勤的《采血管回收存儲(chǔ)一體化處理系統(tǒng)研究》

全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)主要包括下面四個(gè)部分：

1)樣本前處理。樣本前處理系統(tǒng)的主要作用就是快速的將雜亂無(wú)序的樣本管分類、自動(dòng)裝載離心、樣本去蓋，方便樣本檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行分析。其中最容易出錯(cuò)的樣本管分類功能，卻是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的強(qiáng)項(xiàng)。

傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是通過(guò)工程師的經(jīng)驗(yàn)，找到分類的特征，通過(guò)不同的機(jī)器視覺(jué)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)特征的區(qū)分，從而實(shí)現(xiàn)分類的目的。但是這種傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不再適合大規(guī)模的分類，因?yàn)楹芏鄷r(shí)候我們無(wú)法窮舉所有的分類特征，往往一些不經(jīng)意的變化，會(huì)導(dǎo)致分類的失敗。比如樣本標(biāo)簽的翹起，標(biāo)簽的破損，樣本位置擺放的異常，以及試管廠家及批次的變化等等。這時(shí)候我們就需要更加魯棒的機(jī)器視覺(jué)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)樣本管分類，深度學(xué)習(xí)技術(shù)因?yàn)槠涠鄬拥纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大大提升了分類算法的穩(wěn)定性，是目前實(shí)現(xiàn)樣本管分類的最優(yōu)算法。傳統(tǒng)分類算法與深度學(xué)習(xí)分類算法的比較如圖2所示。

圖2：傳統(tǒng)分類算法與深度學(xué)習(xí)分類算法的比較

利用深度學(xué)習(xí)分類算法來(lái)實(shí)現(xiàn)樣本管分類功能，就需要合適的軟件和硬件的配合使用。軟件上，諾萬(wàn)特(Novanta) 集團(tuán)下的JADAK公司是醫(yī)療信息采集專家，開(kāi)發(fā)了專門(mén)針對(duì)全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)需要的樣本管分類深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，該深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用了大量的樣本管完成了網(wǎng)絡(luò)預(yù)訓(xùn)練，在保證樣本管分類質(zhì)量的同時(shí)，提升了分類的魯棒性，并且壓縮了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其可以在智能相機(jī)上實(shí)現(xiàn)快速邊緣計(jì)算。通過(guò)觀察JADAK 深度學(xué)習(xí)試管神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱力圖(如圖3所示)，我們可以看到該樣本管分類深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)注了各個(gè)試管的專有特征，實(shí)現(xiàn)了類人的思維模式。

圖3： JADAK 深度學(xué)習(xí)試管神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱力圖

硬件上， JADAK公司有專門(mén)為IVD客戶開(kāi)發(fā)的Allegro IVD智能相機(jī)，不僅可以完美的運(yùn)行樣本管分類深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)可以滿足醫(yī)療客戶對(duì)于長(zhǎng)生命周期及醫(yī)療認(rèn)證(例如ISO13485)的要求，是全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)中機(jī)器視覺(jué)硬件的最佳選擇。JADAK Allegro IVD智能相機(jī)如圖4所示。

圖4： JADAK Allegro IVD智能相機(jī)

2)樣本傳輸。

樣本管的高效，準(zhǔn)確，可靠的傳輸是全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的基本要求。一般來(lái)說(shuō)，我們可以通過(guò)條碼掃描和射頻識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)樣本傳輸?shù)男畔⒉杉l碼掃描指的是利用貼在樣本管上的條碼來(lái)追蹤樣本的位置，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的樣本管位置定位。射頻識(shí)別是指將樣本管與底座配對(duì)，利用嵌入底座中的RFID標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)樣本信息的采集。這兩種方法都有廣泛的使用，如圖5所示。

圖5：利用樣本管上的條碼或者嵌入樣本管底座中的RFID標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)樣本信息的采集

JADAK公司有專門(mén)為醫(yī)療客戶設(shè)計(jì)的條碼掃描器FM8及FM9系列(如圖6所示)，以及完美契合全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化的HF 射頻識(shí)別系統(tǒng)(如圖7所示)。這些系統(tǒng)為樣本傳輸提供了堅(jiān)實(shí)可靠的信息采集渠道。

圖6： JADAK FM8及FM9 條碼掃描器

圖7： JADAK M3e模組及開(kāi)發(fā)套件

3)樣本分析。

樣本分析是全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化系統(tǒng)的核心，目前包括了血球，生化及免疫，尿液，血凝等多個(gè)項(xiàng)目的分析(如圖8所示)。目前的趨勢(shì)是逐步的開(kāi)放化，即一條全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化流水線可以兼容不同廠家的設(shè)備及試劑，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。

圖8：全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化中樣本分析的多個(gè)項(xiàng)目，摘自李秀霞的《臨床全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用的初步評(píng)價(jià)》

4)樣本后處理。在整個(gè)流水線系統(tǒng)中，樣本后處理模塊主要是對(duì)開(kāi)蓋檢測(cè)后的樣本試管進(jìn)行加蓋處理，以便于其在存儲(chǔ)柜中進(jìn)行恒溫儲(chǔ)存;存儲(chǔ)模塊的主要作用是對(duì)樣本試管進(jìn)行低溫存儲(chǔ)，柜子內(nèi)的溫度是恒溫，便于樣本試管的儲(chǔ)藏，當(dāng)儲(chǔ)藏柜內(nèi)的試管樣品的存儲(chǔ)時(shí)間過(guò)了儲(chǔ)藏期限(大部分為七天)，會(huì)從存儲(chǔ)柜內(nèi)移出，隨后移送至回收桶回收。樣本后處理存儲(chǔ)回收一體化處理系統(tǒng)將試管加蓋模塊和試管儲(chǔ)藏模塊進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，與整體流水線進(jìn)行契合，完成全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化的整個(gè)過(guò)程，這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，節(jié)省空間，降低了成本，縮小整個(gè)樣本檢測(cè)的時(shí)間，提高檢測(cè)效率。

目前樣本后處理中的智能化存儲(chǔ)柜越來(lái)越多的受到青睞，因?yàn)槠鋵?duì)于樣本追蹤的精確定位，為我們快速找到儲(chǔ)存樣本提供了方便。智能化存儲(chǔ)柜采用了UHF RFID 技術(shù)，每一層都有天線來(lái)讀取本層的UHF RFID標(biāo)簽，當(dāng)帶有UHF標(biāo)簽的樣本試管架需要儲(chǔ)存到存儲(chǔ)柜時(shí)，一旦樣本試管架放入存儲(chǔ)柜并關(guān)上柜門(mén)，智能化存儲(chǔ)柜就會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的盤(pán)點(diǎn)，確保每層的UHF標(biāo)簽都能夠被讀取。當(dāng)我們需要尋找特定的樣本試管時(shí)，系統(tǒng)會(huì)告訴我們?cè)摌颖驹诖鎯?chǔ)柜的第幾層。如圖9所示是一個(gè)典型的RFID 智能柜。

圖9：一個(gè)典型的RFID 智能柜，圖片摘自網(wǎng)絡(luò)

全實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化中使用到的UHF智能柜系統(tǒng)，需要一個(gè)能覆蓋全球大部分國(guó)家和地區(qū)認(rèn)證的UHF RFID模組來(lái)實(shí)現(xiàn)，其成功的關(guān)鍵就在于 RFID 模組的選擇。諾萬(wàn)特(Novanta) 集團(tuán)的ThingMagic 品牌UHF(超高頻)模組系列，不僅獲得了絕大部分國(guó)家和地區(qū)的認(rèn)證，其穩(wěn)定，安全的性能獲得了全球客戶的一致好評(píng)。最新上市的UHF M7e模組繼承了ThingMagic模組的一貫的優(yōu)良特性，包括：

1)支持寬范圍的射頻傳輸功率(讀取和寫(xiě)入功率可獨(dú)立設(shè)置)

2)射頻傳輸功率精度高(在不同的頻率不同的溫度情況下精度保持穩(wěn)定)

3)射頻傳輸功率調(diào)節(jié)步長(zhǎng)小(可以滿足精細(xì)調(diào)節(jié))

4)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的標(biāo)簽讀取和寫(xiě)入算法，使得讀寫(xiě)速度達(dá)到協(xié)議的最高速度;

5)支持全球的大部分地區(qū)的頻率范圍;

6)擁有大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)的無(wú)線射頻認(rèn)證，可以協(xié)助客戶獲取指定地區(qū)的認(rèn)證。

7)支持定制化標(biāo)簽(例如溫度標(biāo)簽，濕度標(biāo)簽等)存儲(chǔ)擴(kuò)展區(qū)域的讀取和寫(xiě)入;

8)不同模組使用統(tǒng)一的API(應(yīng)用程序接口)可以大大方便客戶的持續(xù)研發(fā)。