辅助生殖实验室智慧化环境管理模式探究

周德富， 陈 瑛

（1.苏州市职业大学艺术学院，江苏苏州215104；2.无锡市妇幼保健院优生优育遗传医学研究所，江苏无锡214002）

0 引 言

人类辅助生殖实验室是一个特殊的高标准的洁净实验室，体外受精-胚胎移植（IVF-ET）实验操作，是将人的卵、精子、受精卵和早期胚胎在体外培养箱中进行培养观察和评估再将胚胎移植到母体子宫中，需要针对各个环节进行有效监控。随着人工智能和物联网技术在医学领域的广泛应用，定制的人工智能平台可为高端辅助生殖实验室提供泛在互联、实时监测、智能控制、动态展示、灵活交互的全程质量管理。本文从建设期的设计及施工、实验室运转中对环境、电力系统、新风系统、安防等的实时监控方面探究基于人工智能的智慧医疗在辅助生殖实验室中的战略信息管理模式以及所涉及的信息管理逻辑规则进行探讨。基于JAVA SSH2 架构开发，采用系统工程模式整体设计规划、结构化分解协调、优化综合。以实现对实验室的门禁视频安防系统、远程交互、电力系统、环境监测等进行网络化、信息化和智能化的实时监控和管理。

1 建设期设计及施工

在设计施工期就要充分考虑新风系统分组、洁净级别分区域、设备安置定位、操作流程定点、监控采样位置确定、不间断电源配置、烟雾报警和水淹报警安放、管线走向、探头端口定位等诸多细节。

环境影响胚胎发育潜能［1-3］，IVF实验室对洁净度要求很高，增加洁净度相应会大幅度增加建设和维护成本，因此，需要对各区域洁净级别进行合理规划和质量控制［4-5］。一般可根据不同区域最低洁净度要求，采用梯度洁净级别。每一等级的洁净间对每m3空气中大于一定直径灰尘的数量有严格的规定，净化级别分为I级（百级）、II级（千级）、III级（万级）、IV级（十万级），洁净度逐级降低（见表1）。比如，以人员出入路线为例，进入更衣室（建设为10 万级），在入口更换本室干净的无菌衣服、鞋、帽，向前通向手消准备间（万级），工作人员在准备间洗手、戴口罩，更换实验室专用鞋，至少通过2 道门，才进入实验室房间。人需要通过风淋室（为特殊设备）全身除尘除静电才能进入胚胎实验室（千级），不能通过风淋进入实验室的材料、用品、设备，要通过设有双门或者通气间的遏制屏障才可以进入。胚胎实验室需设置为正压，即出风大于进风速度，新风及空调系统需独立于其他洁净间，培养室与手术室相邻，实验室与手术室间的门是单方向的，即只能从实验室一面可以开启，取卵（千级）和移植在手术室进行，传递窗是传递卵和胚胎的唯一通道，通过传递窗与培养室交换物品，该门仅作为应急情况使用，仅能从培养室一方打开，避免在胚胎处理过程中，实验室的门突然被打开。检卵、受精操作和胚胎处理均在超净工作台（百级）中进行。此外，取精室，人工授精室及洁净功能用房和洁净走廊净化级别为（10万级）。移植手术室净化级别为（万级），冷冻室净化级别为（万级）。

表1 洁净室／区空气悬浮粒子洁净度等级［6-8］

实验室卵子及胚胎操作区、单精子注射区、卵裂球活检区必须为百级净化区，手术室台面局部、麻醉机区需高级空气净化，有条件的可局部设置为百级净化区。多数生殖中心过分依赖于建设期设计或者仅凭超净工作台耗材更换间隔时间来控制，在实际使用过程没有能力实时监控各区是否洁净达标。

实验室、更衣间、通气间的新风系统送风至少经过粗效、中效和高效3 级过滤，供气和排气均需通过HEPA 0.22 μm 高效过滤器，过滤率要求≥99.97%。下水道开口和其他管道也要有HEPA 过滤器，防止任何微小动物及有害微生物进入。在空气入口处为唯一风速进气口，从所用空间排气。HEPA 过滤器离供应源应尽可能近，以缩短管道长度，减少管道可能出现的污染。所有HEPA 过滤器需要每年测试和确证。HEPA过滤器装置，应选用过滤器取下前可消毒的类型，或更换时立即将过滤器转入密封容器中消毒后废弃。要监控过滤器更换周期并提醒。万级及以上的洁净间每小时换气25 次以上，百万级洁净间每小时换气15 次以上。百级洁净区要求水平风速≥0.54 m／s，垂直风速≥0.36 m／s。

还需要注意的是取卵、移植、附睾穿刺手术室和胚胎实验室需要用2 套独立送风系统，把他们区分开，使手术室和胚胎培养室独立运行与工作，互不干预。有条件的生殖中心以及年工作量超过5 000 个IVF周期的实验室取卵、培养是建议设立双套取卵、移植、附睾穿刺手术室，各自新风系统均需分别设立，使用和清洁维护交替进行。

除此外，早期胚胎卵裂和发育经历精密的调控［9］，环境内外暴露和环境微小波动对胚胎的生长产生压力、生理和遗传产生不利影响［10-12］，实验表明装修材料释放的有机化合物、挥发性物质会对胚胎产生影响［13］，IVF中心对装修材料有严格要求，因此，在装修过程中不能使用常规的材料，所用材料具备不释放挥发性有机化合物、挥发性有害气体、重金属放射源，具有防火、容易清洗、耐腐蚀、不产尘积尘和防霉特性。地面应采用聚乙烯材料，便于积尘的清洗，墙面应该用特定的医用无毒、无味、无挥发性、防霉的涂料，既便于清扫，又最大程度减少有毒有害气体的释放。才能维持一个高标准，真正适合胚胎生长的环境。

2 实验室运转实时监控

2.1 环境监测

人卵母细胞从母体中取出后，胚胎培养技术员在百级超净台内的解剖显微镜下将其与卵泡液、卵泡细胞、血细胞等分离，置培养箱中培养一段时间后与精子受精，再放到培养箱，在倒置显微镜下观察发育的各项指标，期间器皿多次暴露在空间，因此，对其操作空间及周围环境要求非常高，而常规管理无法做到实时监控，因此，对环境实施智慧化信息战略管理十分必要。

环境监测目的是维持一个适合胚胎学技术人员长时间操作的环境及人卵细胞和胚胎在体外能良好生长的洁净空间。环境温湿度、新风系统的流入流出速度、空气净化过滤情况、悬浮颗粒粒子密度、氧气浓度、二氧化碳浓度、病原体滤过情况等环境因素对胚胎的存活和生长至关重要［14-16］，洁净实验室环境指标得到严格的控制是IVF-ET成功的关键。要求室内温度恒定在20 ～24 ℃、湿度恒定在45% ～60%，在操作和观察中的配子或胚胎确保处于37 ℃、40% ～60%湿度下［17］，空气净化达标，无尘、无菌、无毒、无静电、低噪音（设备运行时＜75 dB）。监测的参数指标包括温湿度、新风送风量、空气质量、尘埃粒子、粉尘、室间正负压压差值、噪音分贝等以及针对一些关键仪器设备的质量控制参数［18］。检测区域内距离地面0.8 ～1.5 m空间的尘埃粒子数、浮游菌数、沉降均数，评价净化效果。支持对普通空调的遥控和监控，通过对其控制电路的分析，实现状态监控，通过学习型红外遥控器实现对其停启、温度等的控制。

综合环境监控系统由服务器、软件、配套插件、配套设备、可兼容探测器等组成。其中服务器为单一Web界面，对外使用单一IP，兼容性和系统稳定性好，满足Internet设备所有标准，可个性化定制，数据可连入SQL等大型数据库。通过人工智能平台的泛在互联、实时监测、动态展示、智能控制、灵活交互等特色应用，对环境质量、新风系统、设备运行和维保以及局域场地信息等进行综合统一的网络化、信息化和智能化实时监控管理。具体工作流程见图1。通过实时采集传感器、探头、环监仪的数据，进行分析、管理、控制。在有异常迹象出现时，以及重大事故发生之前，可以通过邮件、手机短信、声光等多种方式提示管理员处理，从而确保监控系统网络和被监控设备的正常运行。

组成综合环境监控系统的配套设备可随插即用，易扩充，兼容性好，环境监控是通过数采仪、温湿度仪、烟感探测器、水淹探测探头、摄像头等设备支持自动化和可视化地进行水质、空气、灰尘、有毒气体等的监测，数采仪设备可以接入传统的水质、空气等监测仪，还能够接入摄像机、环境传感器、温度传感器、气体监测传感器。新风系统监控，主要通过对新风机控制电路的分析，实现对其工作状态的监测及启停控制。环境监控服务器报警方式支持以声光、邮件、短信报警灯等多种方式，通过声光报警器、信号接收机自动发送短信进行报警或预警。为达到理想的温湿度，可通过主机对继电器发出指令，通过继电器、电力开关等控制空调、加湿器、除湿器等电气设备的启闭，完成温湿度自动调节。

图1 环境监测信息网络检测

2.2 安防消防监控

生物安全实验室安防、消防管理一直是重中之重。利用人工智能平台的泛在互联，对实验室的门禁系统和视频安防进行分区域、分场地信息实时采集、播报、人员联动，对安防设备自身运行和维保进行动态监测。

安防综合监控系统可与环境监测系统整合为一，成为其中一个模块。通过安防模块可以灵活交互和智能控制，利用基于电子地图与图示定位技术的用户场所管理功能，自定义对所在的区域、楼层、房间等各级场所和各监控点进行图文定位和逐级的信息管理，可通过树形列表来查看每个站点下监控场地的详细信息，监控软件能实现电子地图上监控场地位置和实时监测数据的显示。为安防信息提供直观、立体、全面、动态的地理信息支撑。网络用户通过权限授权进行管理，管理员经过严格的分时段授权对实验室内多角度多维度监视、对图像、数据进行查询、录像、回放。支持视频显示，对实验室内现场的视频状况进行切换显示。针对IVF-ET实验室，支持用于工作任务核对的高清局部放大监控和图片截屏采集。支持分场地门禁授权管理，人员出入场地权限管理，提供人员出入情况的统计；支持人脸识别和指纹识别。支持对实验室内的消防系统、渗漏（漏水、漏油）、普通水浸、定位水浸监控等进行远程集中监控，包括对空调、窗户、水管、顶棚等附近漏水的发生的监控，并实现异常情况的实时报警，并设置110 联动。支持消防类检测，当检测到有烟雾、火情，有消防联动需求可接入联动系统。支持双鉴探测器，具有红外功能，为了克服单一技术探测器的缺陷，通常将2 种不同技术原理的探测器整合在一起，只有当2 种探测技术的传感器都探测到人体移动时才报警，当未经授权的人进入探测器的探测范围内时，探测器报警指示灯点亮，同时发射出无线信号，并按用户预定的布防、撤防时段与告警通告策略对相应状况进行告警、通告或仅仅软件界面反映进行本地报警和手机短信报警，及时通知管理员对事件做出相应处理。避免授权人在未授权区域、未授权时段内不合适的出现，流程见图2。支持远程监控管理功能，可在本次或远程进行现场参数配置。

2.3 微生物监控

IVF 洁净实验室是一个恒温恒湿的洁净空间，不但适合胚胎生长，而且适合细菌生长繁殖，常规方法消毒、灭菌会造成第二次污染，不利于胚胎生长，因此不能采用常规方法消毒、灭菌来消除细菌，只能用更有效的方法来消除细菌，通过层流净化空气过滤和定期清洁的方法维持和保证环境洁净。净化程度实时监控可以通过智慧系统，设置定期不同区域样本自动抽样采集检测，可接入微生物检验MYLA 系统。遵循ISO15189 质量标准，全面满足质控要求。也可以手动用无菌拭子采集台面、设备内外、器具外、耗材、水源等不同位置的表面，进行病原体荧光定量PCR检测或者质谱检测。

2.4 生化物质及有害气体监控

图2 人员安防监测联动流程

洁净实验室是一个密闭的环境，靠新风层流系统换气，其他类型的洁净室内微量的有害气体对于实验结果的作用微不足道，基本上不作监控，但是在IVFET洁净实验室则务必加以控制，以降低有害气体、生化物质对胚胎生长、发育潜能的损害。维持实验室内优质的空气质量有利于培养箱内的空气质量，因为，培养箱内空气大部分还是来源于实验室，依赖于实验室内气体环境。有害污染源来自建筑装修材料、管道材料、上下水、用具外包装材料、耗材、试剂气溶胶、消毒液、仪器释放的气体、液氮气化物、培养液挥发物、紫外灯照射产生的聚合物以及人为带入等引入和积聚在实验室的气体，成分较为复杂，有害物质包括：一氧化碳、氨气、甲醛、二甲苯、硫化物、芳香族化合物、挥发性有机物（TVOC）等。

可以通过空气质量传感器捕获空气质量变化，当传感器所处环境中出现污染气体积聚时，传感器的电导率发生变化，电导率随污染气体浓度的增加而增大，其中二氧化锡等高灵敏度的气敏材料是传感器核心材料，由气敏材料捕获并输出的感应信号经过放大器放大和微控制器转换，进行数据实时采样，再通过无线通信模块，使控制系统具有网络功能，连入互联网，同时通过显示模块在PC端、LCD监控屏、安卓移动端等显示出来。

2.5 工作气体释放监控

人胚胎培养箱一般采用三气厌氧条件培养箱，三气培养箱采用超纯（99.9999%）的氧气、二氧化碳和氮气三种气体，虽然培养箱面板能够显示所测箱内气体浓度，但是自带测量系统并非高精度，可能存在一定偏差，也可能发生故障，需要第三方设备并行实时监控浓度变化，记录无人值守情况下浓度变化趋势以及异常预警非常重要。此外，在培养箱使用过程中频繁开启培养箱的门，会使培养箱内气体泄露到室内，使室内整体或局部相对含氧量降低，不利于工作人员身心健康，所以需要从不同区域进行多点、多维度采样测试。

2.6 电力监测

实验室设备种类多、数量大、使用地点分散、资产价值高，多数设备使用须全时段运转。传统的人工管理模式依靠轮流值守、抽查、人工巡回等方式查看，人员工作量大，时间长，监控不到位，而且容易出错。人工维护缺乏完整的管理模式，易造成事故隐患。因此，智能有效的电力综合监控尤为重要。

实验室供电情况通过电力监控主机进行监控，既可以对电路设备进行监控，也可以对自身机柜微环境及周围环境进行综合监控。电力监控主机采用双路供电结构，并内置后备电源，任何一路供电中断都不会影响系统正常运行，并可监控主机设备自身的供电，任何一路断开都可通过上位机软件进行报警。内置的后备电源，在系统外的市电及UPS 全部中断的情况下可启动后备电源支持系统延时运行。支持双路电源供电，且停电后，主机仍可连续工作8 h。主机硬件接口丰富，各种被监控设备，可通过传感器直接端子插拔式安装，即插即用，也可通过接收射频信号接收终端信息。设备配置灵活扩展性好，可随时根据需求进行系统扩展。采用了强弱电分离的设计架构。

采用智能电源分配单元（PDU）设备，支持无人值守的电源的远程智能化管理，通过局域网、广域网即可对电源进行实时在线电力监控及设备的通断电管理，支持对其下联端口的各设备的供电进行用电量、耗能情况查询、对设备的功率因数滞后或超前等参数进行管理，对连通、断开或重启进行控制和监视，用户只需通过客户端，就可对电源设备进行远程管理。

电力监控主机通过转换器，连入Internet，同时也可采用嵌入式断网监控，支持脱网工作，具有独立数据处理及数据存储能力，用于将现场设备采集层传输来的各种信息进行存储、实时处理、分析和输出，处理所有的报警信息，记录报警事件，并负责将控制命令发往前端设备，实现对现场设备的远程控制。支持在中控室、实验室现场、管理员桌面、移动终端均可查询供电情况。支持基于无线射频技术的断电报警、发送短信给客户端。

电力监测对象包括UPS、电池组、配电箱、动力监测管控系统，针对实验室设备的供配电进行监测，对实验室内的通讯电源、配电柜、UPS、蓄电池组、发电机、防雷系统等动力设备实施远程集中监测管控，充分保障了实验室内动力系统的正常运行。针对配电柜，支持监测交流配电柜主供电的电压、电流、频率、有功功率、功率因数、无功功率、视在功率、电能计量等。支持监测机组运行状态、支持远程操控发电机组的启停，支持实时检测发电机组的输出电压、电流、油压、油位、水温等安全性能参数。支持监测UPS 输入／输出电压、电流、功率，蓄电池组直流电源的电压、剩余电量、后备时间、温度等参数，监控整流器、逆变器、电池、旁路、负载等部件的状态。支持对开关和熔断器状态进行监测。支持重要设备内外微环境不同位点温度测定反馈；满足各种用户对电力分配节点的灵活控制，安全监控、预警和管理等，以短信、闪烁音效报警等方式告警。PDU采用机架式电源分配方案，使机柜中的电源分配更加专业、安全和美观，电源的维护安全便利。保障用电设备乃至整个实验室的安全。实现了电力的科学管理。通过总控制室的交换机转化成警示信号传到互联网再进入监控面板终端。如，北京融智兴华RZ-PC08智能PDU 新一代IT 电源管理产品，可以同时兼备远程电源监视器，和电源分配和管理功能。它既可以监测供电电压、供电电压频率、每路输出电流等参数，还能够实现远程控制、集中式管理、自动周期控制、安全性管理、可靠性管理等。

规模较大的生殖中心除了少数2 ～3 年建立起质量保障，一般来讲都需要8 ～10 年才能建立一套有效的质量保障［4］。制定和不断完善生殖中心辅助生殖实验室智慧化标准和参数指标，建立规范化、智能化、一体化的智慧医疗平台，以更好地服务于生殖医学质控管理者、实验室胚胎学家、生殖医学医师和患者。

3 结 语

建设一个高标准的泛在普适互联智能辅助生殖实验室，是生殖医学临床医生和实验室胚胎学家共同努力的方向。质量控制与质量保障体系是长期的过程，通过复杂的信息战略管理，可以进一步缩短实验室升级到精益管理的年限，不仅实现对实验室场地、门禁、人员、环境、电力、安防的综合化智能化管理，还可对设备设施的运行使用、保养、维护、授权管理、试剂耗材质控、实验流程监管等常规业务流程进行网络化、数字化管理。从而实现实验室的全面智能管理和安全生产，减轻实验室管理人员的工作负担，提高工作效率和服务水平。