基于5G技术的血液冷链监控系统应用探讨

潘登，吴康乐，张淑贤，李树顺，张支凤

甘肃省红十字血液中心 a.业务科；b.信息科，甘肃 兰州 730046

引言

近年来，疫苗、生物制品、血液制品、体外诊断试剂等需要低温储存和运输的医药冷链产品的数量呈逐年上升的趋势，医药冷链具有时效性和复杂性等特点[1]。为避免血液制品中的各种有效成分在离开身体后相应的活性降低，达到临床治疗的目的[2]，应使用冷链对血液转运及储存过程进行管理，规范血液运输过程。控制温度是确保血液在完整的冷链中安全运输的关键[3-4]，通过冷链监控系统实现对血液采集、存储、制备、运输全过程的温度监控。目前冷链监控系统的监控重点是温度，对于储血冰箱等固定监测点位监测较便利，发生问题的概率较低。但对于移动取送血车、送血箱等移动储血设备不能很好地实现实时的数据监控；同时不同血站之间、血站与用血医院之间由于监控软件和硬件的不同，连续监测数据不能实现共享。随着物联网、5G传输技术、物联网无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术及其无线传感设备的快速发展[5]，本研究基于原有冷链监控系统，升级并开发新一代血站冷链监控系统，在实现所有血液冷链实时监控的基础上，构建系统监控云平台和多客户端管理平台，充分利用5G信息技术传输优势，利用5G网络大宽带、低时延等特性，突破固定模式，以期实现采血点到血站、血站到用血医院、跨区血站之间的冷链温度全程监测，实现对运输血液车辆运动轨迹的实时监控以及对异常情况的实时干预。

1 材料与方法

1.1 冷链监控系统构建

我单位原冷链监控过程基本构架为：温度计、储血设备自带屏显温度（感知层）、储血设备打印记录和手工监控记录（应用层），总体框架如图1所示。

更新冷链监控系统后，实现系统管理功能，增设了中间层，其中感知层增加RFID标签和GPS功能，中间层包含各类码的信号识别和读取功能，应用层突出监控、控制管理和系统自动记录功能，同时在冷链监控系统构架中增加网络传输层，并基于5G技术实现数据共享功能，总体框架如图2所示。

图2 加入网络管理技术的血站冷链监控管理系统构建

1.2 冷链监控系统技术特点

1.2.1 感知层

感知层是监控系统的基础，以血液储存温度为核心，通过温度检测探头实现温度监测，通过RFID标签实现对温度传感器的绑定，通过5G物联网卡实现对运血箱、车辆运输轨迹的GPS定位。

（1）温度监测探头：用于血液温度监测，NTC探头[温度范围（-40±80）℃，即0～65℃误差±0.5℃；-40～0℃误差±1℃]使用前经北京市计量检测科学研究院校验，检测上报周期最低为1 min，可根据要求调整上报周期。

（2）RFID标签：用于实现血箱温度监测探头和传感器绑定的功能，能够在不开箱的情况下迅速核对血液温度，与手持终端（手机APP）相关联便携式读写，承载血箱内血液产品信息。RFID标签根据工作需要随机与送血箱进行绑定，同时绑定送血箱内血液产品信息，通过扫码仪扫码的方式实现绑定功能，RFID标签要求耐-196℃深低温，采用超高频（920～925 MHz）。工作情况如图3所示。

图3 RFID标签绑定送血箱传感器

（3）GPS定位：用于运血箱、运血车辆运行轨迹的监测，硬件为基于5G物联网卡的通信装置，选取移动或联通5G服务，并向下与4G、3G、2G信号兼容实现信号无缝隙切换。工作情况如图4所示。

图4 GPS绑定监测点位和车辆

1.2.2 中间层

中间层的功能是通过信号读取、识别、传输、收集汇总感知层的数据信息，以无线（WiFi）、通用无线分组业务、局域网采集、多路联合的方式向应用层传输数据，实现对温度和运行轨迹的实时监控，主要硬件有温度采集器、车载手持终端等。

（1）温度采集器：用于实时采集运血箱的温度信息（包含温度、状态等），采用内嵌定制化数据处理软件，将数据信息上传至管理系统中，报文格式采用JSON数据格式，温度使用范围为-80～65℃，温度精准度为±0.2℃，同时兼有报警功能，通过声音+指示灯的方式进行报警提醒。

（2）车载手持终端：用于扫描、上传数据信息，同时可以记录、监测冷链温度，对温度异常、运行轨迹暂停等情况进行声音预警提示。具备提醒和功能显示屏、扫描键、功能键、摄像头，支持语音播报，至少包括1套传输信号和存储系统[1个SIM卡槽和Micro SD （TF）卡槽]，其内置GPS全球定位系统，支持2G、3G、4G、5G及WiFi，操作频段 ：865～868 MHz或 902～928 MHz，支持 EPC C1 GEN2/ISO18000-6C协议。

1.2.3 应用层

应用层主要是实现管理和监控功能，是监控系统的核心内容，以血液储存温度为监控要素，将管理者和管理要求（人员管理、温度监测范围设定、超温报警设定、GPS运行轨迹异常报警）、储血设备、送血车辆、送血箱与各类血液制品温度相关联，通过管理系统对数据进行统筹整合，实现对血液温度全过程以及血液运输过程轨迹的监控，确保血液温度在控制的范围内。主要硬件包括电脑、监控显示器（手机APP）、打印机等，主要软件包括冷链监控管理系统及各个管理界面，主要功能有温度监测点位设置、管理及查询、报警及设备管理、用户管理、系统对接及拓展等。管理系统完全开放可以与全站业务科室使用的智慧血液全程安全监控管理平台无缝对接，工作示意图如图5所示。

1.2.4 云平台数据共享

云平台数据共享是在不同的操作者之间、不同的血站之间、血站与医疗机构之间实现对同一关联冷链监控数据（血液温度、血液运输轨迹）的共享和管理，在电脑云平台管理界面同步实现实时监控，工作情况如图5所示。

图5 冷链监控系统应用界面工作示意图

注：a.电脑客户端温度监测界面；b.手机客户端操作界面。

血液转运箱是运输各采血点至血站、血站到医院血液的运送装备，按照血液产品运输温度要求进行实时监控，工作情况如图6所示。同时血站到血站之间共享血液的运输轨迹可实时监测。

图6 血箱温度监测界面

1.3 冷链监控系统的流程设计

本研究对冷链全过程进行温度监控，依托物联网RFID技术将运血箱、储血冰箱的温度实时上传，保障血液存储及冷链运输温度符合要求；通过物联网RFID技术绑定血液位置，实现精准定位，保证血液从捐献者到患者全过程中的血液质量跟踪溯源管理，实现24 h全温域全品类无盲点的实时监控。平台采用“物联网+信息化”方式，应用无线温度传感器、GPS以及RFID技术，以“智能设备+智能系统+中间件/软件云平台”为架构，改变传统人工记录温度监控模式，实现血液在存储和冷链运输过程中24 h全温域全品类无盲点的实时监控和数据实时上传，切实把控血液存储及运输环节中的温度监测，确保不同种类的血液在适宜的冷链监控环境中存储及运输。监控系统工作情况如图8所示。

1.4 评价指标

对10个关键指标设计满意度评分，每项的满分为10分，邀请熟悉该冷链监控系统的10名专家对各个指标采用问卷模式进行打分，8～10分为优秀（含8分及10分），6～8分为及格（含6分），3～6分为一般（含3分），0～3分为差。以各个指标的平均分计算最终得分；同时记录其录入用时及错误率。

1.5 统计学分析

数据统计分别比较5G血液冷链监控系统应用前后的10个关键指标，采用SPSS 25.0对数据进行统计分析，计量资料以±s表示，采用t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 基于5G技术的血液冷链监控系统关键性能指标

如表1所示，对10个关键性指标进行评价比较，升级后的系统综合得分为88分，其中6项优秀，4项及格；原系统综合得分为37分，其中1项及格，5项一般，4项差。比较升级前后系统的10项关键指标，满意度评分表明升级后的系统优于升级前的系统。

表1 基于5G技术的血液冷链监控系统关键指标对比

基于5G技术的血液冷链监控系统具备对血液从捐献者到患者全过程的血液质量跟踪溯源管理要求，易于操作和管理，实现24 h全温域全品类无盲点的实时监控，信息可以追溯、安全性高，同时在管理层面具有传输快、可拓展、多客户端监测等优势。

图7 5G血液冷链监测系统工作的示意图

2.2 基于5G技术的血液冷链监控系统关键指标数据分析

2.2.1 冷链监控范围及监测项目

如表2所示，升级后的系统实现了对所有冷链点位的监测，覆盖率达到100%，特别是对运输过程的冷链和运输轨迹实现了全过程覆盖，通过对血液运输箱安装GPS和报警装置，实时传输数据至客户端，防止长途运输中温度和位置不明确，对出现的异常情况可以及时进行报警提醒，进一步强化了对血液产品冷链的实时监控，能够更快地发现异常情况，进行实时调整。比较升级前后监测数量和项目的情况，发现升级后的系统覆盖了血液从采集到发放到用血医院的全过程，能够显现出监控的效果和过程，更具有实操性和普遍适用性。

表2 监控系统应用前后温度监测范围情况[n（%）]

2.2.2 温度监控要求和监测频率

如表3所示，升级后的系统严格按照血液产品储存及运输温度进行监测，实现24 h连续测温，并对失温情况进行设置，一旦失温超过一定时间，即可通过短信、声音等方式进行提醒，实施干预，确保血液产品温度符合要求。

表3 各类血液产品温度监测要求及监测频率情况

2.2.3 升级前后的冷链监控系统的工作效率和错误率

RFID标签可以使血液监测温度直接与每袋血液产品进行关联，确保每袋血液的温度均符合冷链要求。本研究比较了RFID监控系统和原监测系统的工作效率和容错率，分为20组，每组30袋不同种类血液产品，分别进行手工录入和RFID标签扫描录入的方式记录每袋血的温度，手工录入用时最短为183 s，最长为288 s ；使用RFID标签进行录入，登记相关信息时间为6～12 s；RFID标签在关联血液信息，特别是关联温度监测数据方面具有快速、便捷、准确等优势，通过扫描RFID标签录入温度数据无任何差错，而手工记录时间长，差错率为1.49%，且手工录入与RFID标签扫描的用时与错误率的差异有统计学意义（P＜0.001）（表4）。

表4 手工录入与RFID标签扫描录入工作效率和错误率比较（±s）

表4 手工录入与RFID标签扫描录入工作效率和错误率比较（±s）

组别 录入用时/s 错误率/%手工录入 233.65±39.13 1.49±0.80 RFID标签扫描录入 8.70±1.63 0 t值 26.02 8.33 P值 ＜0.001 ＜0.001

2.2.4 运血箱监控报警系统的验证

模拟从甘肃省红十字血液中心运送30 U红细胞到兰州大学第二人民医院输血科。夏天（室外温度＞30℃）在运输途中打开运输箱造成运输箱内温度迅速升高，超过报警限温度1 min系统自动启动报警提示功能，验证其超温报警功能。结果表明，血液运输箱温度超限后，云平台会以短信、PDA、手机APP和电脑端等形式紧急提醒并显示具体位置，实现运输过程中各环节的监控功能。

3 讨论与总结

输血可以挽救病情严重且需要他人血液患者的生命，因此保证血液和血液制品的安全供应显得尤为重要。血液采集、制备、储存、运输和发放的各个环节都需严格控制温度，以此保障临床的输注效果[6]。RFID已广泛应用于医疗保健领域，如血液采集的追踪、输注血液的类型和数量、医院药品的跟踪、跟踪和定位医疗设备的资本管理，通过优化设计和流程，极大地提高成本效益和减少了流程低效[7-8]。杨桂林[9]通过使用RFID标签对血液冷链进行监测，分析血液制备储存温度对血液冷链的影响，表明RFID标签能够降低血液因非检测的报废率，具有可行性和实用性。郭文艳等[10]利用互联网和监控平台建立的血液和血液标本全程冷链运输标准化质量管理模式，能够建立采血场所到采供血机构之间的运输、采供血机构到医疗结构之间的运输、采供血机构之间的血液调配的冷链监控，透明化、可视化、可控性的操作平台可进行更直观、更优化、更便捷的服务采供血工作。本研究结合这些研究的技术特点，进一步完善血液采集点到血站、血站内、血站到医院3个环节的冷链控制，同时可实现对委托第三方实施跨行政区域运输血液的监控，该技术还依托5G技术，应用RFID标签与自动监控系统无缝连接实现无盲区数据监控和信息传递，并通过云平台实现数据共享，以及出现异常时的及时干预。

现代化的冷链及冷链管理是保障血液质量的关键环节，是影响血液质量的增量或者变量，冷链的发展与信息化、智能化的发展密切相关，从人工观察冷链温度并手工记录到24 h冷链系统自动监控，从只对血站内部几个科室的冷链进行监控逐步发展到从献血者血管到患者血管全过程冷链监控。《血站技术操作规程》（2019版）[11]明确规定应建立血液运输温度控制系统，使不同种类的血液在转运的过程中处于适宜的环境中，应定期对血液运输过程的温度控制情况实施监控。目前冷链监控系统已普遍使用，冷链监控系统的监控重点是温度[12]，对于移动取送血车、送血箱等移动储血设备不能很好地实现实时监控数据的功能，同时不同血站之间、血站与用血医院之间由于监控软件和硬件不同，连续监测数据不能实现共享。目前通过升级系统，对采集的血液粘贴献血码RFID标签，通过智能读取PDA或手机专用APP扫描箱内血液RFID标签信息，并与对应粘贴RFID标签的血液运输箱绑定建立关联关系，通过无线传输设备，借助5G物联网卡，可以在网络覆盖的血液存储、运输场所的任何区域综合利用磁感应技术、温度采集技术、地理定位技术实时地对箱内血液进行封闭性温度检测和地理定位[13]，并将每袋血液的冷链过程记录自动传输至系统中，使用者可以根据工作需要实时调取温度记录、血液发往医院情况、运输轨迹等数据，温度异常、运输轨迹异常时通过声音、短信、语音电话等形式予以报警和干预，以便进行及时处理。同时通过数据云平台可以实现数据共享，省血液中心负责总体管理和授权，对相关调剂血液的血站和用血医院根据工作需要进行数据查看等功能授权，进一步提升了数据管理的准确性和安全性，减少人工核对带来的风险。

近几年信息数据安全受到越来越广泛的关注，使用5G技术传输在数据安全性方面得到显著提高[14]。随着“健康中国”战略的实施，国家、省、市、县四级医疗中心不断建设和完善，对于血液的需求呈上升趋势[15]，特别是突发公共卫生事件对血液保障带来新的挑战，区域间血液调配成为解决血液供应问题的一个必不可少的策略，血液冷链管理显得愈发重要。在系统使用过程中，由于应急工作需要通过租用民用车辆、采用物流公司进行血液运输时也体现出很好的便利性和安全性，通过绑定RFID标签和血液运输箱，并关联温度监测探头和物联网卡专用设备，可以实现血液发出方和接收方在云平台实时监控冷链温度和车辆行驶轨迹。

在系统使用过程中，还存在一些不足之处：① 目前通过航空运输血液时，由于航空运输安全要求[16-18]，血液运输箱自带锂电池在航空运输过程中必须取出，造成冷链监控盲区；② 从医院输血科到患者最终使用这个环节如何实现冷链监控还需进一步探讨。随着可穿戴设备的技术进步、5G通讯技术的大范围覆盖以及相关管理细则的制定，这些问题会迎刃而解。

4 结论

随着RFID标签的普及使用，冷链监测温度记录设备功能越来越智能化、信息化和微型化，以及随着可移动物联网系统的快速发展，借助5G移动数据传输平台，冷链监控系统的功能必将更加完善，在实现温度监控的同时，数据的安全性、共享性和便利性得到更多体现；同时，对于异常情况的干预及纠错能力和方式也更加多样。