全實驗室自動化，英文簡稱TLA(Total Laboratory Automation)，其目的是為了實現臨床實驗室內某一個或幾個檢測系統如臨床化學、免疫學、血液學等檢驗的檢測系統系統化整合，將相同或不同的分析儀器與實驗室分析前和分析后的分析系統，通過自動化流水線和信息網絡進行連接的過程，構成全自動化的流水線作業環境，覆蓋整個檢驗過程，形成大規模的全檢驗過程的自動化。TLA的自動化包括樣本自動化前處理、樣本傳輸、樣本自動分析、樣本自動化后處理四大部分。全實驗室自動化流水線可以體現IVD行業技術發展水平，隨著醫療市場規模不斷擴大、醫學檢驗技術不斷進步，全實驗室自動化流水線已經成為實驗室的發展趨勢。 2017年12月，國家在《高端醫療器械和藥品關鍵技術產業化實施方案》中首次提到，重點支持和鼓勵國內空白的全實驗室自動化檢驗分析流水線(TLA)等創新設備產業化， 這為TLA在我國的全面發展提供了前所未有的機遇。
機器視覺技術，主要用計算機來模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制。機器視覺技術最大的特點是速度快、信息量大、功能多。本質上，機器視覺是圖像分析技術在自動化中的應用，通過使用光學系統、數字相機和圖像處理工具，來模擬人的視覺能力，并做出相應的決策，最終通過指揮某種特定的裝置執行這些決策。
RFID技術，是支持物聯網能夠快速普及的核心技術。RFID標簽，通過存放被標識物體的信息，在各種物聯網應用中實現了物與物的信息交流，是物聯網中主要的信息獲取方式。近年來，隨著物聯網技術的社會接受度越來越高，以UHF RFID為代表的智能系統已經在零售，物流，制造，醫療，安防，汽車，航空，軍事等諸多領域廣泛應用，為提升人們的生活便利，實現智慧物聯起到了關鍵作用。本質上來說，RFID技術是利用無線射頻信號發送和獲取相關信息，從而對物體加以識別的一種非接觸式的自動識別技術。RFID技術在對目標信息進行處理時，不需要與目標直接接觸，具有迅速、即時、精確地對目標的信息進行收集和操作, 同時因為其工作過程不需要人為干涉，故可以節約大量時間。RFID技術最獨特的地方是在任意一個標簽中都具有一個全世界獨一無二的ID標識碼，這個標識碼只能通過具有權限的讀寫器來進行識別，在讀取RFID中的數據后，其包含的信息與ID標識碼一同發送到具有防偽數據庫的終端來進行認證。如果標簽遭受到損壞，那么標簽內包含的信息將不能夠通過讀寫器讀取，同時也無法對標簽進行偽造。
本文通過介紹和闡述機器視覺技術和RFID技術在全實驗室自動化系統中的詳細應用，為實現全實驗室自動化在中國的發展提供了一條切實可行的思路，為設計全實驗室自動化流水線提供技術參考。
醫療設備自動化流水線的概念是由日本在上世紀八十年代提出的。因為當時日本的醫療檢測室人力資源緊張且檢測的工作量較大，為應對這一狀況，他們創造性的提出了將自動化產業鏈引入實驗室的新思路，利用一些簡單的醫療器械及傳送裝置搭建了最初的醫療自動化流水線系統。上世紀九十年代，歐美發達國家也開始開發此類產品，各大儀器檢測公司陸續推出了自動化醫療檢測流水線產品，全實驗室自動化設備的市場重心也因此轉向歐美市場。
對比于傳統常規的醫療檢驗實驗室，全實驗室自動化檢測系統通過自身特有的模塊化模式、簡潔流程、合理分配布置儀器、實時信息讀取等功能，使得其擁有以下多種優點：①極大的提高工作效率。相比于傳統的人工實驗室檢測，自動化流水線產品大大加快樣品的處理速度，更高效、更便捷。②檢測試劑的通用化和檢測方法的標準化，使得檢測的項目大大增加。同時也大幅度地提高了測試結果的精確度，從而使得實驗室間的檢驗結果更加具有對比性，更方便各機構之間的交流和檢測技術的改進和提高。③減少了產生差錯的因素，特別是減少人的參與，極大提升樣本檢測的可靠性。④進一步改進了分析方法。許多先進精確的分析方法(例如連續監測法)仍難由人工完成，全實驗室自動化使得許多先進精確的分析方法得到廣泛的應用。⑤實驗室自動化設備具有多方面的自身監測功能?？梢詫崟r反饋樣本的信息及位置，方便查取樣本的信息及檢測結果。⑥大大減小了樣品的檢測成本，實驗室流水線系統中的設備只需極少的樣品就可檢測出該項的結果，節省了檢測費用，同時也大大降低了整個系統的成本，減輕了醫院和患者的經濟負擔。一個典型的TLA(全實驗室自動化)系統如圖1所示。
圖1： 一個典型的TLA(全實驗室自動化)系統，摘自朱業勤的《采血管回收存儲一體化處理系統研究》
全實驗室自動化檢測系統主要包括下面四個部分：
1)樣本前處理。樣本前處理系統的主要作用就是快速的將雜亂無序的樣本管分類、自動裝載離心、樣本去蓋，方便樣本檢測設備進行分析。其中最容易出錯的樣本管分類功能，卻是機器視覺系統的強項。
傳統的機器視覺系統是通過工程師的經驗，找到分類的特征，通過不同的機器視覺算法來實現特征的區分，從而實現分類的目的。但是這種傳統的方法已經不再適合大規模的分類，因為很多時候我們無法窮舉所有的分類特征，往往一些不經意的變化，會導致分類的失敗。比如樣本標簽的翹起，標簽的破損，樣本位置擺放的異常，以及試管廠家及批次的變化等等。這時候我們就需要更加魯棒的機器視覺算法來實現樣本管分類，深度學習技術因為其多層的神經網絡結構，大大提升了分類算法的穩定性，是目前實現樣本管分類的最優算法。傳統分類算法與深度學習分類算法的比較如圖2所示。
圖2： 傳統分類算法與深度學習分類算法的比較
利用深度學習分類算法來實現樣本管分類功能，就需要合適的軟件和硬件的配合使用。軟件上，諾萬特(Novanta) 集團下的JADAK公司是醫療信息采集專家，開發了專門針對全實驗室自動化檢測系統需要的樣本管分類深度學習網絡，該深度學習神經網絡采用了大量的樣本管完成了網絡預訓練，在保證樣本管分類質量的同時，提升了分類的魯棒性，并且壓縮了神經網絡，使其可以在智能相機上實現快速邊緣計算。通過觀察JADAK 深度學習試管神經網絡熱力圖(如圖3所示)，我們可以看到該樣本管分類深度學習神經網絡關注了各個試管的專有特征，實現了類人的思維模式。
圖3： JADAK 深度學習試管神經網絡熱力圖
硬件上， JADAK公司有專門為IVD客戶開發的Allegro IVD智能相機，不僅可以完美的運行樣本管分類深度學習神經網絡，同時可以滿足醫療客戶對于長生命周期及醫療認證(例如ISO13485)的要求，是全實驗室自動化檢測系統中機器視覺硬件的最佳選擇。JADAK Allegro IVD智能相機如圖4所示。
圖4： JADAK Allegro IVD智能相機
2)樣本傳輸。
樣本管的高效，準確，可靠的傳輸是全實驗室自動化檢測系統的基本要求。一般來說，我們可以通過條碼掃描和射頻識別來實現樣本傳輸的信息采集。條碼掃描指的是利用貼在樣本管上的條碼來追蹤樣本的位置，以實現精準的樣本管位置定位。射頻識別是指將樣本管與底座配對，利用嵌入底座中的RFID標簽來實現樣本信息的采集。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標簽來實現樣本信息的采集
JADAK公司有專門為醫療客戶設計的條碼掃描器FM8及FM9系列(如圖6所示)，以及完美契合全實驗室自動化的HF 射頻識別系統(如圖7所示)。這些系統為樣本傳輸提供了堅實可靠的信息采集渠道。
圖6： JADAK FM8及FM9 條碼掃描器
圖7： JADAK M3e模組及開發套件
3)樣本分析。
樣本分析是全實驗室自動化系統的核心，目前包括了血球，生化及免疫，尿液，血凝等多個項目的分析(如圖8所示)。目前的趨勢是 逐步的開放化，即一條全實驗室自動化流水線可以兼容不同廠家的設備及試劑，實現強強聯合。
圖8： 全實驗室自動化中樣本分析的多個項目，摘自李秀霞的《臨床全實驗室自動化系統應用的初步評價》
4)樣本后處理。在整個流水線系統中，樣本后處理模塊主要是對開蓋檢測后的樣本試管進行加蓋處理，以便于其在存儲柜中進行恒溫儲存;存儲模塊的主要作用是對樣本試管進行低溫存儲，柜子內的溫度是恒溫，便于樣本試管的儲藏，當儲藏柜內的試管樣品的存儲時間過了儲藏期限(大部分為七天)，會從存儲柜內移出，隨后移送至回收桶回收。樣本后處理存儲回收一體化處理系統將試管加蓋模塊和試管儲藏模塊進行一體化設計，與整體流水線進行契合，完成全實驗室自動化的整個過程，這種設計簡化整個系統的結構，節省空間，降低了成本，縮小整個樣本檢測的時間，提高檢測效率。
目前樣本后處理中的智能化存儲柜越來越多的受到青睞，因為其對于樣本追蹤的精確定位，為我們快速找到儲存樣本提供了方便。智能化存儲柜采用了UHF RFID 技術，每一層都有天線來讀取本層的UHF RFID標簽，當帶有UHF標簽的樣本試管架需要儲存到存儲柜時，一旦樣本試管架放入存儲柜并關上柜門，智能化存儲柜就會進行實時的盤點，確保每層的UHF標簽都能夠被讀取。當我們需要尋找特定的樣本試管時，系統會告訴我們該樣本在存儲柜的第幾層。如圖9所示是一個典型的RFID 智能柜。
圖9： 一個典型的RFID 智能柜，圖片摘自網絡
全實驗室自動化中使用到的UHF智能柜系統，需要一個能覆蓋全球大部分國家和地區認證的UHF RFID模組來實現，其成功的關鍵就在于 RFID 模組的選擇。諾萬特(Novanta) 集團的ThingMagic 品牌UHF(超高頻)模組系列，不僅獲得了絕大部分國家和地區的認證，其穩定，安全的性能獲得了全球客戶的一致好評。 最新上市的UHF M7e模組繼承了ThingMagic模組的一貫的優良特性，包括：
1)支持寬范圍的射頻傳輸功率(讀取和寫入功率可獨立設置)
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定)
3)射頻傳輸功率調節步長小(可以滿足精細調節)
4)經過優化的標簽讀取和寫入算法，使得讀寫速度達到協議的最高速度;
5)支持全球的大部分地區的頻率范圍;
6)擁有大多數國家和地區的無線射頻認證，可以協助客戶獲取指定地區的認證。
7)支持定制化標簽(例如溫度標簽，濕度標簽等)存儲擴展區域的讀取和寫入;
8)不同模組使用統一的API(應用程序接口)可以大大方便客戶的持續研發。
圖10：M7e-PICO模組及M7e-DEKA模組
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