实验室信息管理系统的技术与应用进展

(重庆市食品药品检验所，重庆 401121)

实验室信息管理系统(laboratory information management system，LIMS)是将实验室的分析仪器通过计算机网络连接起来，将现代管理思想与网络技术、数据存储技术、快速数据处理技术、自动化仪器分析技术有机结合，实现以实验室为核心的整体环境的全方位管理。LIMS集样品管理、资源管理、业务管理、数据管理及报告管理等要素为一体，组成一套完整的实验室综合管理和产品质量监控体系，以实现科学的质量管理为目的，保证对实验室分析数据的严格管理和控制[1]。

1 现代化实验室实施LIMS的意义

LIMS作为现代信息技术、现代管理科学与现代分析技术完美结合的产物，过去30年中，在世界范围内取得了令人惊叹的技术进展和应用成就，为各种规模实验室的高效、科学运作，以及各类信息的存储、交流和二次加工利用提供了强有力的平台，从而促进了实验室以及所在机构工作的各个环节能够实现全面量化评价和质量目标管理[2]。

我国的LIMS研究和应用虽然比国外滞后了10多年，但是经过近些年的努力，LIMS工程的实施和应用已取得了一定的经验和成果，并且对实验室的规范管理有很大的促进作用。LIMS的实施，能够实现实验室质量管理水平的全面提升，使实验室的业务工作与市场竞争机制接轨，与国际惯例接轨，与科学化规范化的管理体制接轨。目前，越来越多的实验室与检测机构认识到LIMS的巨大作用，已开始实施或者计划实施LIMS项目。

2 LIMS的技术发展

2.1 发展概况

LIMS形成于20世纪60年代末期[3]，20世纪90年代得到了飞速发展，到21世纪已出现采用Internet/Intranet和Web技术的LIMS。LIMS的设计是以美国试验与材料学会 (ASTM)制订的《实验室信息管理系统(LIMS)标准指南》(E1578－93)LIMS标准和实验室的质量管理体系为准则[4]，遵循国际通用的实验室认可准则 ISO/IEC 17025:2005《检测和校准实验室能力的通用要求》[5]，中国则等同转化为GB/T 15481—1999《检测和校准实验室能力的通用要求》[6]，以及中国合格评定国家认可委员会(CNAS)发布的CNAS－CL01:2006《检测和校准实验室能力认可准则》[7]。

2.2 LIMS的计算机软件架构模式

LIMS是随着计算机技术的进步而逐渐发展起来的。每一次计算机应用技术的革新必然会带来LIMS的革新。在计算机软件架构方面，主要历经了C/S和B/S两个不同的阶段。

C/S模式:C/S技术(C/S又称client/server或客户/服务器模式)于20世纪90年代初出现，至今已经相当成熟，并得到了非常广泛的应用，其结构经历了二层C/S、三层乃至多层C/S的演进。伴随着网络应用，应用程序的架构又开始流行集中式架构。集中式架构可将所有的运算能力与数据处理程序集中在Web服务器中进行，进而利用浏览器构建Web应用。出于成本的考虑，越来越多的系统采用这种集中式架构。通过Web应用程序，第一次将应用程序部署让给用户，使用的成本可近于零，且能比以往服务拥有更多的使用者。C/S模式只适用于局域网，其各部分模块中有一部分改变，就要关联到其他模块的变动，使系统升级成本加大。从技术角度来看，传统C/S架构的系统，胖客户端有执行体积大、部署不易且易与DLL版本出现冲突的缺点;而瘦客户端也有开发方式复杂，需建立网络连结，所能创造使用者操作经验较贫乏等缺陷。但是，随着C/S架构技术的不断成熟，其数据同步困难、部署麻烦等问题也逐渐通过很多方式得以缓解或解决;并且，C/S架构的软件还有其不可替代的优势，如人机互动、安全、客户端响应速度快等。

B/S模式:B/S技术则是伴随着Internet的普及而来。B/S是brower/server的缩写，客户机上只要安装一个浏览器(Browser)。从严格意义来说，B/S架构应该是基于浏览器的Web应用。B/S架构的系统有着C/S架构无法取代的优点，如维护成本低，安装和部署零成本，数据和业务逻辑可以保持同步。B/S最大的优点是应用于广域网，可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件，只要有一台能上网的电脑就能使用。特别是从用户的角度出发，B/S架构软件更受欢迎。

综上可以看出，B/S架构和C/S架构的优缺点互补。现在，国内外的LIMS以及成熟的LIMS产品大多采用三层C/S与B/S混合的架构进行部署。实验室内部的数据采集、处理、分析以及数据查询应用C/S架构，对实验室外部的任务下达、样品登记、实验分包和数据查询等多采用B/S架构。

2.3 国内主要采用的模式

目前国内实验室的LIMS主要采用C/S模式。因为客户端上安装有应用程序，软件的升级、病毒、人为因素等造成的系统破坏都需要到现场维护，使得维护工作复杂化。近年来信息技术的发展，对LIMS的发展起到了巨大的推动作用，已经有实验室的LIMS采用B/S模式。B/S模式是一种以Web技术为基础的新型信息系统平台模式，它把传统C/S模式中的服务器部分分解为一个数据服务器与一个或多个应用服务器(Web服务器)，从而构成一个三层结构的客户服务器体系，简化了客户端。各个用户通过Http请求在权限范围内调用Web服务器上不同处理程序，从而完成对数据的查询或修改，使用户的操作变得更简单，无需培训，就可以直接使用。采用Web方式，以浏览器作为用户界面已经是目前唯一的选择。B/S模式具有快速的应用更新、易于维护、集成的资源共享等特点。

3 国内实验室管理存在的问题和实施LIMS系统的预期目标

3.1 国内实验室管理存在的问题

各种类型的实验室，无论是研究开发型、过程控制型还是分析测试型，其主要功能都是接受样品、执行分析任务与报告分析结果。作为实验室，其追求的目标包括:人力与设备资源的有效使用，样品的快速分析处理，高质量的分析数据结果。因此，实验室数据结果的质量以及获得数据的速度，就充分反映了该实验室的资源利用效率。

但是随着实验室业务量的迅速膨胀，业务规则的日趋复杂，以及历史数据的不断积累，实验室信息往往数量上非常庞大，逻辑上又非常复杂。在传统的人工管理模式下，实验室维护这些信息需要耗费大量的人力和物力，但管理效率却相当低下，而且总是不可避免地会出现很多错误，因此无法进行实验室信息的快速科学分析。

原来的管理模式不能适应质量管理和检测的要求，主要存在的问题有[8]:由人工记录和采集的数据不能确保其准确性，自动化水平不高;质量信息传递不够及时，数据不能共享;由人工记录和传递分析数据出错率较高，不易控制造假行为，数据保存和溯源非常困难，从而造成管理人员的管理困难，容易出现分析事故;对数据进行加工、处理、统计、分析的过程不够准确而且缓慢，很难把数据变为有价值的决策信息，不利于管理者和决策者分析问题、解决问题;在传统的人工管理模式下，实验室需要为维护和保存信息而耗费大量的人力和物力，管理效率低下，成本较高;不能有效控制实验所用的各种试剂、溶液和标准物质的消耗，以及仪器设备维护和维修成本等。

3.2 实施LIMS的预期目标

面向整体工作环境，联接管理层、业务部门、质量管理部门及实验室，通过Web发布质量数据，建立起快速高效的检测数据共享平台。

对实验室按照国家标准体系进行管理，以程序化方式规范检验和管理工作流程，提高实验室综合检测能力和分析水平，建立起快速高效的质量监督信息化平台，确保分析检测工作更好地为生产、科研及客户服务。

通过LIMS，将具有标准硬件和软件接口的分析仪器与LIMS直接连接起来，实现分析数据的自动化采集，减少人工干预，确保数据的原始性和准确性，同时极大地缩短分析数据的产生周期，节约人力成本。自动采集的数据不但是分析结果，而且包括原始数据及图谱数据，为确保每个分析数据的可溯性提供技术保障。

通过LIMS，为每个分析样品在实验室的流转建立严格程序，实现分析检测工作流程化，包括样品登记、采样、分样、检测、审核、出报告等各个环节。流程式管理方法及工作痕迹记忆功能，可使管理人员改进和规范实验室工作流程。

通过LIMS，将每个分析数据的原始信息全部记录下来，包括数据生成、修改、审核等每一环节，确保了数据的可靠性。

对实验室所有试剂、药品等材料的出入库，通过LIMS进行严格管理，建立合理的库存量，加强成本考核，降低实验费用。同时自动生成各类报表，如分析报告单、原始记录单、样品登记单等，并通过网络进行传送，提高自动化办公和数据传递的管理水平。

4 当前LIMS项目实施中存在的问题和应用前景

4.1 存在的问题

近年随着计算机的普及和IT技术的突破性发展，以及人们对实验室信息管理系统重要性的认识，LIMS得到了飞速的发展。在国内，LIMS已经有了越来越多的用户，逐渐成为一个高水平实验室的标志性因素。但是，并不是所有的LIMS项目都是成功的。LIMS项目的实施是一个跨行业、跨学科的工程，它涵盖了计算机硬件、软件、分析化学以及项目管理等多方面的内容，这导致影响其成败的因素也变得多元化。

从LIMS的定义来看，仪器数据的自动采集，即仪器接口，是LIMS中十分重要的模块，也是用户衡量LIMS实施成功与否的一个重要指标。但由于仪器种类众多，通讯协议纷繁复杂，仪器接口也成为LIMS实施的一个瓶颈，主要体现在以下两个方面[9]。

仪器数量及种类多，难以集中管理:目前，采用 RS232/RS485接口的仪器众多，而1台计算机通常只有1个RS232/RS485接口，如果用1台计算机控制1台仪器，这样会导致仪器控制成本太高。目前市场上也出现了RS232/RS485集线器，可以使用1台计算机控制多台RS232/RS485的仪器，但基于RS232/RS485集线器的布线复杂，影响实验室整体美观，而且由于连接线电器特性而导致长度的限制，这种方式在实际应用中也不多。

接口程序操作复杂:接口程序的操作较复杂，是很多用户不愿意使用的原因之一。其原因一是接口程序与LIMS系统之间没有无缝连接，造成了一些不必要的重复操作，如样品编号的重复输入等;二是接口程序没有与实验室的实际工作流程相结合，人为增加了用户操作的复杂度。

4.2 应用前景

LIMS经过了近30年的发展，在国内也即将普及。但总的说来，国内外各种LIMS产品的技术水平参差不齐。大多数LIMS产品还是停留在数据存储、工作任务安排水平上，仅少数LIMS产品达到了管理的层次，可以为实验室的管理者提供管理决策服务。

未来的实验室应当是高度专业化、智能化、系统化、自动化、空间跨距大以及多学科交叉的，因此现有的以信息管理为主题思想的LIMS将不断适应实验室发展的要求。结合信息技术、数字技术的发展，未来的实验室将是数字化的。数字化的实验室除了自身专业技术的数字化，实验室的管理、运行都将是数字化的。为顺应这种发展的潮流，数字化的LIMS首先要在专用分析方法上着手，为实验室提供更深层次的、专门的、结合其专业最新科研成果的分析方法。只有这样，才能真正把LIMS的应用提升到技术的最前沿，满足数字化时代的要求。

[1]杨海鹰，沈 彤，陆婉珍.从LIMS到Lims Solution[J].现代科学仪器，2002(2):4.

[2]王 群.实验室信息管理系统(LIMS):原理、技术与实施指南[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2003:1.

[3]杨双春，闰东波，刘焕彬，等.试验室信息管理系统的设计与应用展望[J].自动控制，2006，25(4):60－62.

[4]E1578－93.1999，Standard Guide for Laboratory Information Management Systems(LIMS)[S].

[5]ISO/IEC 17025.2005，General requirements for the competence of testing and calibration laboratories[S].

[6]GB/T 15481.1999，检测和校准实验室能力的通用要求[S].

[7]CNAS－CL01.2006，检测和校准实验室能力认可准则[S].

[8]丁照耘.LIMS在现代化实验室管理中的应用[J].甘肃科技，2009，1(25):95－96.

[9]唐国圣，金丽琼.LIMS仪器接口在实验室自动化管理中的应用[J].现代科学仪器，2007(2):125－127.