陈嘉 温颖 吴健 张建明

摘 要 本研究基于海关对生物样本存储的要求，探索构建口岸生物样本库信息管理系统。该系统采用云原生技术，构建了十大系统功能模块和五级权限工作台，并对含结核分枝杆菌、艾滋病毒和疟原虫等感染性生物样本的智慧管理进行有效性测试，可实现对样本全生命周期的信息化管理，适合口岸生物样本库的规范化、智慧化管理。

关键词 生物样本库；智慧管理；需求分析；系统架构设计

Establishing an Information Management System for Port Biobanks

CHEN Jia ¹ WEN Ying ^1* WU Jian ¹ ZHANG Jian-Ming ¹

Abstract This study explores the construction of an information management system for port biobanks based on the Customs requirements for the storage of biological samples. The system employs cloud-native technologies to construct ten major system functional modules and a five-level permission workbench. Furthermore, it tests the effectiveness of the intelligent management of infectious biological samples, including those containing Mycobacterium tuberculosis, HIV and malaria parasites. The system is designed to enable the informatized management of the entire sample lifecycle and is suitable for the standardized and intelligent management of port biobanks.

Keywords biobank; intelligent management; demand analysis; system architecture

临床生物样本和数据作为医学基础与临床研究不可再生的宝贵资源，是医学研究的基石，标准化、高质量的生物样本库则是实现医学研究转化的重要保障。生物样本库大体上分为湿库和干库，湿库是指临床采集或实验室提取的生物样本，干库是指这些生物样本的数据信息^[2]。生物样本库信息管理系统是以管理生物样本的数据信息为中心，实现样本及其相关数据从采集、接收、制备到分发、销毁全生命周期的管理^3]。如何根据海关监管要求和行业相关标准规范，结合口岸实际应用场景，构建生物样本库信息管理系统，从而通过信息管理系统，实现样本和相关数据的标准化、规范化和智慧化管理，是口岸相关业务领域的一项重要课题^[4]。本研究以构建口岸生物样本库信息管理系统为研究主体，对含结核分枝杆菌、艾滋病毒和疟原虫等感染性生物样本的智慧管理进行有效性验证。

1 口岸生物样本库信息化管理现状

生物样本库信息管理系统随信息技术的飞速发展而日新月异。从技术架构上，经历了CS单机版、基于本地局域网的BS架构以及广域网的云管理系统，如英国生物样本库（UK Biobank）^[5]、泛欧洲生物样本库与生物分子资源研究平台（BioBanking and Molecular Research Infrastructure，BBMRI）^6]。在系统功能上，从以管理样本库业务流程为核心，发展到以管理样本库数据为中心，并从精细化管理逐步向自动化、智能化管理发展。海关卫生检疫实验室检测工作中涉及血液、尿液、粪便、鼻咽拭子和痰液等样本，对生物样本及其衍生物的良好保藏，对样本信息的全生命周期管理，是海关实验室技术支撑工程的重要内容，可为技术研究攻坚和基础资源储备利用打下坚定基础^[7]。常亮^[8]、栗召辉^[9]等指出海关建立生物样本库应加强信息化管理，促进生物样本库的高效和持续发展。如何构建生物样本库信息管理系统以满足海关卫生检疫实验室发展需求^[10]，如何稳步提升样本库工作准确率和效率^[11]，这些对于样本库管理人员和软件开发工作者而言均是一项新的挑战¹²。

2 需求分析

遵循海关监管要求和行业相关标准规范，结合口岸生物样本库管理应用场景，本项研究经过样本库管理人员、样本库工作人员、样本使用者及信息系统开发工程师多轮次研讨，形成了建设十大功能模块、五级工作台的口岸生物样本库信息管理系统构建需求，具体见表1和表2。

3 系统架构分析

系统技术架构基于Spring Boot微服务技术框架，采用当前主流的JAVA平台，搭建B/S架构应用系统平台，实现系统的统一部署、数据的集中管理要求。采用中心授权管理，具备统一身份验证后台，支持主任、工作点管理员、技术员、文员以及访问用户的分层分级管理。系统支持Windows、Unix、Solaris、Linux多种操作。系统访问采用HTML5承载丰富的Web内容，无须插件，用户端直接通过浏览器访问系统。系统支持Chrome浏览器、IE浏览器、360浏览器、Firefox浏览器等。支持Tomcat、WebLogic、WebSphere、Jboss等应用服务中间件，如图1所示。

4 管理和技术创新

4.1 样本入库双流程多节点审核管理

口岸生物样本库管理工作具有所需专职人员少、工作点多，且需要处理含结核分枝杆菌、艾滋病毒、疟原虫等感染性生物样本的特点。因此，在构建生物样本库信息管理系统的研究中，采用了样本入库多流程多节点审核的管理思路，以确保符合海关监管要求和行业相关标准规范，工作流程如图2所示。常规样本入库以整体信息导入为主，流程相对简洁，可大幅提高工作效率。

4.2 口岸生物样本出库管理创新

口岸生物样本库管理的样本主要为含结核分枝杆菌、艾滋病毒和疟原虫以及其他（流感等）感染性生物样本，而且存在多个存储分点，在监管要求下，对样本出库需有严格的审批流程，在需求分析过程中，本文作者设计了一套出库管理机制，并在系统中构建自动工作流程。

4.3 样本数据质量控制技术创新

生物样本的质量是指实体样本的质量和样本相关数据的质量，两者是高质量样本必不可少的前提^[13-14]。样本相关数据可能因为数据采集、数据存储等多种原因产生问题数据，如样本存储位置错误，供体信息数据不准确、不完整或者缺失等^[15]。吴健等^[16]利用实验室生物样本库智能管理系统（RuRo FreezerPro）对样本资料信息进行系统的分类管理，但未提及样本数据的质量控制。本文遵照GB/T 37864—2019《生物样本库质量和能力通用要求》，根据口岸生物样本的特征，对影响生物样本质量的关键数据建立数据校验规则，开发数据质控管理模块，对数据的准确性、完整性和一致性进行自动校验，自动生成质控报告。根据质控报告，对问题数据进行追溯，发现问题并制定措施，对问题数据进行处理，对产生问题数据的原因通过管理进行整改，从而大幅提高样本数据的质量。

5 有效性验证

5.1 测试环境

通过在测试环境中运行软件，可以发现并修复潜在的错误和问题，从而提高软件的质量和可靠性。目前测试环境配备了一个8核处理器，拥有32 GB内存容量和150 GB存储空间。此外，该环境支持5 MB/s网络连接速度，以确保数据传输效率。

5.2 核心功能模块有效性验证

5.2.1 入库

工作人员先完成留样申请，经工作点管理员审批通过后，再完成样品的处理及分装入库，并在系统中展示，系统截图及工作照片如图3所示，展示了样品经过信息管理系统录入生成条码、条码贴管、样本分装、放入相应盒位置完成入库流程。

5.2.2 出库

工作人员在出库管理界面输入出库理由和用途等信息，挑选样品，经工作点管理员审批通过后，再完成样品的出库及反馈等信息，并在系统中展示，系统截图及工作照片如图4所示。展示了样品经过信息管理系统出库申请、找相应盒位置、挑选样品完成出库的流程。

图3 样本入库系统界面截图及工作照片展示

Fig.3 Sample storage completion interface and workflow

display

图4 样本出库系统界面截图及工作照片展示

Fig.4 Sample retrieval completion interface and workflow display

5.3 辅助功能模块有效性验证

5.3.1 课题管理

技术人员或访问用户在课题管理界面提交课题名称、课题来源等信息后，经工作点管理员审核，课题相关信息生成正确，可与样本产生关联，且搜索结果准确。

5.3.2 质控管理

技术人员在质控管理界面录入本次质控目的、检测内容和检测数量等信息后，按随机或指定方式进行样本出库，质控试验完成后，填写质控结果，形成质控报告。

6 应用绩效评估体系初步设想

是否具有可持续发展能力是评估生物样本库的重要指标，生物样本库可持续发展还需要关注到社会、运营、财务及发展模式等方面。本项目为基于信息管理系统的数字化绩效评估体系，全程监督和控制口岸生物样本库的运行。绩效指标分为三个层级、四类：成本指标、产出指标、效益指标、满意度指标，每类分设二级指标和末级指标，按成本指标20%、产出指标50%、效益指标20%、满意度指标10%设置分值权重进行赋分评价。未来，该口岸生物样本库还将负责协调和管理内部工作，并拓展外部科研项目共同参与和共享样本资源。与此同时，以口岸生物样本资源为基础，向社会提供多维度、多途径的技术服务等新的运营模式，从而有力地推动样本库的未来发展，发挥其公益性效能。

7 结语

本研究所构建的口岸生物样本库信息管理系统不仅可以对生物样本的留样申请、入库、出库、质控和销毁等进行全生命周期的智慧化管理，同时也可对样本库相关科研项目的执行实施动态监管，既满足了法规和行业规范的要求，也实现了系统的统一部署、数据的集中管理和各类用户的分层分级管理。该生物样本库不仅能够用于管理感染性生物样本及其衍生物（如分离培养的菌种、提取的核酸等），未来还将扩展至非感染性临床样本的信息化系统管理。目前，已通过结核分枝杆菌、艾滋病毒和疟原虫感染性生物样本对整个生物样本库信息管理系统的各模块和工作台进行了运行流畅度测试和评估。下一步，将进一步完善系统，扩展到其他感染性及非感染性疾病的有价值样本进行测试评估，更加充分合理地利用样本资源和数据资源，为筑牢卫生检疫防线和健康中国建设作出贡献。

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基金项目：广州市科技协同创新平台科研项目（2023B04J0211）

第一作者：陈嘉（1991—），男，汉族，广东梅州人，本科，检验主管技师，主要从事卫生检疫实验室检测工作，E-mail: 497175801@qq.com

通信作者：温颖（1979—），女，汉族，陕西西安人，博士，副主任技师，主要从事卫生检疫、结核病检测工作，E-mail: yingw07@126.com

1. 广州国际旅行卫生保健中心（广州海关口岸门诊部） 广州 510635

1. Guangzhou International Travel Health Care Center, Guangzhou 510635

表1 口岸生物样本库信息管理系统功能模块

Table 1 System funcitonal modules of the information management system for port biobanks

表2 口岸生物样本库信息管理系统工作台

Table 2 Workbench of the information management system for port biobanks

业务功能

管理中心

监控中心

运维中心

应用端

服务治理

与配置

OAuth2.0

安全认证

服务监控

Zuul

统一网关

网关

Hystrix

熔断保护

微服务集群 (SpringBoot)

NACOS

注册发现

用户中心

组织中心

流程中心

认证中心

人员管理

组织架构

流程定义

单点登录

Security

安全控制

角色管理

安全管理

流程配置

认证服务

NACOS

统一配置

Skywalking

链路跟踪

机构管理

授权管理

流程授权

授权服务

ELK

日志中心

支撑

服务

用户

服务

权限

配置

流程

引擎

GIS

服务

电子

证照

AI

服务

数据

服务

NACOS

服务治理

Monitor

监控告警

数据

访问

Open Feign

Http客户端

Mybatis

数据访问

Ribbon

客户端负载均衡

Mysql

关系数据库

Redis

缓存数据库

MQ

消息队列

ES

检素数据库

OSS

文件存储

基础设施

图1 口岸生物样本库信息管理系统技术架构图

Fig.1 Technical architecture diagram of the information management system for port biobanks

图2 口岸生物样本库信息管理系统工作流程图

Fig.2 Technical architecture diagram of the information management system for port biobanks