疫苗冷链信息化发展现状及展望

姚剑波，江俊波，陈中嵘，程跃，赵刚*,

（1-安徽医科大学生命科学学院，安徽合肥 230032；2-安徽医科大学生物医学工程学院，安徽合肥230032；3-中国科学技术大学电子科学与技术系，安徽合肥 230027）

0 引言

疫苗是指用各类病原微生物制作的用于预防接种的生物制品，接种疫苗是世界公认的预防、控制或消除与疫苗针对性疾病最简便、经济和有效的措施[1]。疫苗作为生物制品，对温度极具敏感，温度过高使其中的蛋白质结构遭到破坏、保质期缩短、功效降低，甚至彻底失效。而在冷链的运输过程中，意外冷冻也会对疫苗效价造成不可逆的影响[2]。这就使得冷链成为疫苗从生产到接种过程中不可或缺的一环。

作为世界上最大的疫苗生产国，我国是世界上为数不多的可以独立自主解决全部计划免疫疫苗的国家[3]。但是，坐拥庞大的疫苗市场，我国的疫苗冷链行业仍处于发展初期[4]，冷链运输设备相对落后，监管体系不够完善，导致近年来我国疫苗安全事件屡见不鲜[5-7]。这些疫苗事件的发生引起社会的广泛关注，让许多群众谈“苗”色变，严重影响了人们对于疫苗接种工作的信任度。

本文对我国当前疫苗冷链存在的问题进行了分析，整理归纳了其如何实现信息化，同时列出了基本框架，并指出了现阶段的不足以及未来的发展方向。

1 行业背景

1.1 疫苗冷链

疫苗，简而言之就是起到预防或治疗作用的免疫制剂，其生产过程主要通过人工减毒、灭活或基因工程的办法对病原微生物和代谢产物进行处理得到[8]。疫苗冷链是指在疫苗流通的全过程中，用于储存、运输和冷藏的设施以及装备[9-10]。对于疫苗接种，按照不同的疫苗保存温度，可将疫苗冷链分为低温冷链、冷冻链、冷藏链三种。低温冷链，也称作深冻冷链，对于疫苗保存的温度要求是-70 ℃，埃博拉疫苗、一些动物疫苗例如鸡的疫苗以及辉瑞的mRNA新冠疫苗就需要在此温度下进行保存；冷冻链，要求-20 ℃进行疫苗保存，水痘、带状疱疹疫苗的保存都要求在此级别下进行；冷藏链的保存要求在2～8 ℃下进行，大部分的流感疫苗只需要冷藏保存即可。完整的疫苗冷链包含疫苗在哪里收集、记录、检查和分析数据以及疫苗流向卫生设施的情况。遵循这一顺序可以确保冷链性能得到适当监控，并为疫苗预测收集必要的信息。

疫苗冷链的配套设备包括贮存疫苗的低温冷库、冰排速冻器、普通冷库、运送疫苗专用冷藏车、疫苗运输车、冰箱、冷藏箱、冷藏背包以及计算机和零配件等，其在全国30个省市自治区所有县（区）已基本完成冷链装备配备[12]。由于生物疫苗对温度的敏感性，因此在疫苗运输的每一个环节都要保证疫苗处于合适的温度下，一旦发生冷链断链，便会严重影响疫苗功效。为保证疫苗全程的安全运输，需要“软硬皆施”，软件、硬件同时发挥作用，运输专用车以及温度监控系统的配合使用[13]，才能确保疫苗运输处于规定的温度范围，保证疫苗功效不受影响。

1.2 疫苗冷链信息化的发展现状及问题分析

近年来，国内疫苗冷链的发展十分迅速，但在快速发展的过程当中，也暴露了许多问题。

1.2.1 疫苗冷链的信息数据不健全

2016年3月，涉案金额5.7亿，涉及省份24个的山东特大非法疫苗案震惊世人[14]。疫苗无法溯源造成流向不明，物流企业监管不力导致疫苗冷链信息无从查询，问题疫苗的召回成为空谈。

1.2.2 疫苗冷链易出现断裂

疫苗冷链的环节众多，任何一个环节稍有不慎便可能出现断链的情况，政府部门的监管不力也会一定程度上影响疫苗冷链[15]。若对疫苗冷链没有给予足够的重视，冷链断链的可能性便会大大增加。

1.2.3 疫苗冷链预警机制不完善

在疫苗冷链的流通过程中，任意环节监管的失责都将导致无法挽回的后果。预警机制的存在可在突发情况下立即反馈给监管人员，及时处理，可有效避免疫苗事件的频发。现阶段，我国仍缺乏行之有效的预警机制。基于此，2019年第十三届全国人民代表大会常务委员会第十一次会议通过《中华人民共和国疫苗管理法》[16]。其中第一章第十条提到，国家要实行疫苗全程电子追溯制度，通过全国建立疫苗电子追溯协同平台，实现疫苗的全程可追溯，可核查。

传统人工化的疫苗冷链虽然覆盖范围广，但早已无法满足人们日益增长的疫苗接种需求。对疫苗冷链进行全程可追溯，可核查，实现疫苗冷链的信息化势在必行。

2 基本架构

2.1 疫苗冷链设备

疫苗冷链信息化的实现要有标准化的冷链设备作为支撑。联合国儿童基金会根据应用级别将冷链设备分为中央国家级、区域地区级、卫生机构级（医院、社区卫生中心和卫生站）和拓展服务4个级别[17]。根据生产能力，中央国家级的冷链设备主要使用步入式冷藏和冷冻室（图1），以此来满足疫苗的生产、储存以及运输要求。

图1 步入式冷藏和冷冻室[18]

冷藏车、冰箱和冷冻柜（图2）则是区域地区级、卫生机构级的主力军，其中用于疫苗冷链的冰箱，按照能源种类的不同还可以划分为电冰箱和太阳能冰箱，具体使用可根据当地的实际情况进行选择[11]。

图2 冷藏车、冰箱和冷冻柜[19-21]

用于拓展服务级别的冷链设备冷藏箱是一种极佳的隔热容器，可以内衬冰排速冻器，在运输或是短期保存期间将疫苗和稀释剂保持在所需的温度范围内。在出现断电或是所在卫生机构的冰箱出现故障、需要解冻时，冷藏箱可以储存疫苗长达两天时间。

可根据下列情况选择最合适的冷藏箱[11]：1）在供应期间所需要的疫苗和稀释剂存量；2）疫苗在冷藏箱中所需要的最长储存时间；3）与冷藏箱相匹配的冰排速冻器的类型与数量。

另一个有趣的设备是疫苗携带箱（图3），比冷藏箱体积小、更便携。相关卫生机构选择疫苗携带箱需要参照以下因素[22]：1）运输的疫苗和稀释剂的类型和数量；2）计划最长的运输时间下所需要的冷藏条件；3）运输方式。

图3 冷藏箱、疫苗携带箱和冰排速冻器[23-25]

疫苗携带箱不仅是作为拓展服务级中的冷链设备这么简单，还具有以下用途：1）将疫苗和稀释剂运送到外展地点，并在卫生机构免疫期间储存；2）当卫生机构的冰箱出现故障或正在解冻时，临时储存疫苗；3）将供应的疫苗从地区商店运送到小型卫生机构。

每一级疫苗冷链设备协同合作，确保各级系统的常规运转，为完整冷链的运行奠定了基础。

2.2 疫苗冷链信息的采集与传输

在疫苗冷链的信息化中，冷链数据的采集与传输至关重要。在疫苗采集端采集完温度数据之后，需要将数据传输至疫苗接收端以供专业管理人员查看来及时处理冷链异常的问题[26]。在这一过程当中，要求数据快速且准确传输至疫苗接收端，因此，信息的采集与传输有不可替代的作用。当前疫苗冷链使用的主要采集与传输技术有：全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）、无线分组业务（General Packet Radio Service，GPRS）、北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）、近场通信（Near Field Communication，NFC）以及在快速发展的第五代通信（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）技术。

2.2.1 GPS技术

GPS技术依托人造地球卫星来实现高精度的无线电导航，可在全球任意地点提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息[27]。利用GPS技术，可以对冷藏车进行实时监控，可以准确了解车辆的实时位置以及运行状况和运输途中是否安全，疫苗能否按时到达等。基于此，确保疫苗冷链的整个环节都在监控之下，从而避免因为冷链断链造成的疫苗事故。

2.2.2 RFID技术

RFID技术是一种用于识别和跟踪物体、动物、人等的无线技术，通过阅读器与标签间进行非接触式的数据通信来达到识别目标的目的[28]。在疫苗冷链的物流过程中，除了识别运输车辆和疫苗的基本信息外，对疫苗温度的实时监控也不可或缺。RFID温度标签是在一般RFID电子标签上加入温度传感器来实时监测疫苗的实时温度，并通过无线传输的方式将信息传递至RFID阅读器，阅读器通过通信接口将数据信息传送至后台数据库[29]。将RFID温度标签应用到疫苗冷链物流中，可保障疫苗温度数据实时传输至冷链系统中，方便管理者进行监测以及后续的溯源工作。

2.2.3 GPRS技术

GPRS技术是基于GSM系统的2.5代通信技术，在数据传输速度方面有显著优势[30]。使用GPRS技术，可以将安装在冷链设备上的监控终端采集到的温湿度数据通过网络系统传输至监控平台，平台将数据再上传至应用服务器。当出现异常问题时，服务器会以短信的形式发送到相关联的手机或者电脑终端进行处理。通过GPRS技术，实现了疫苗冷链数据与互联网的结合，完成了信息交互，可使冷链的运输、定位、监控更加智能化。

2.2.4 BDS技术

BDS技术是我国研制的全球卫星导航系统，可全天候提供高精度的定位、导航服务[31-32]。采用北斗卫星导航系统对疫苗冷链进行实时检测，可与RFID温度标签进行结合使用。RFID标签采集上传数据后，北斗导航对运输车辆进行实时定位，两者同时进行，确保冷链物流的各个环节得到充分保障。

2.2.5 NFC技术

NFC技术是一种短距离的无线通信技术，电子设备之间进行非接触式点对点的数据传输[33]。应用NFC技术于疫苗冷链中可以实现疫苗从生产、加工、运输到接种的各环节全程监控，有利于把控冷链的实时信息。

2.2.6 5G技术

5G技术是具有高速率、低延时和大连接特点的新一代宽带移动通信技术。5G技术的出现将会提高现有的信息传输能力，当疫苗冷链出现问题时，异常情况将会更快地被发现并解决，从而大幅提高冷链的监控水平。5G技术已经运用至远程手术治疗当中[34]，我们有理由期待未来5G与冷链的结合应用将会更加广泛。

2.3 疫苗追溯系统

有了标准化的冷链设备和多样化的信息采集与传输技术之后，建立疫苗追溯系统，实现疫苗从生产、出厂、流通、运输直至接种的全过程溯源便成了重中之重。通过建立疫苗追溯系统，药监部门、疾控中心、疫苗接种单位、接种医护人员和社会公众都可通过疫苗追溯查询平台对疫苗进行追溯或核查[35]，可确保疫苗产品安全、可靠，让社会公众放心接种，充分保障人身安全和确保疫苗对疾病的有效预防作用，最大程度避免疫苗安全事故的发生。

按照疫苗冷链的各环节功能，可将疫苗冷链追溯系统分为供给侧、物流和需求侧三大块。

在供给侧，覆盖范围广是保证疫苗追溯系统可靠与安全的必要条件。李建思等[28]提出覆盖范围从疫苗生产开始，至疫苗接种结束的全过程疫苗信息溯源系统。疫苗自生产完成便会以二维码的形式拥有一张“身份证”，其中包含了疫苗的生产信息及流通各环节的温湿度监测信息。在疫苗运输过程中，所有环节均会生成相应的疫苗码与包装码，并由此将疫苗的全部信息与后台关联。在按需分配给接种点后，生成流通二维码的同时打印疫苗二维码。

疫苗冷链的运输全程，冷链设备都应配备相应的温湿度监测采集、位置监控装置，并且设立安全预警机制，由此来掌控疫苗运输全过程的温湿度与地理位置状况[36]。当疫苗冷链进行流通时，温湿度和位置监控系统便会上传信息数据供工作人员查看。当出现异常情况，预警机制会马上启动，将异常状况发送至管理人员的终端设备便于及时处理，最大程度避免疫苗事故的发生。

“最后一公里”是疫苗冷链运输的关键环节，利用卫星进行定位并实现实时的通讯，是位置监测的必备功能[37]。运输途中，利用北斗卫星对冷链设备进行定位，通过地理信息系统（Geographic Information System，GIS）监管平台随时监控所有疫苗的情况避免丢失或是被盗情况的发生，最大程度确保每一只疫苗的安全接种。

在需求侧方面，到达各疾控中心的疫苗按需分配给各接种点。接种时，提供web界面，方便接种人员核查[38]。接种人员在确定受种者的健康码与疫苗码后才可进行接种。与此同时，疫苗流通、受种者、接种者的信息即刻关联，以供相关人员查看，实现疫苗全程可溯源。

通过将信息化技术应用于冷链设备完善疫苗追溯系统，可以采集与记录最小包装单位疫苗从生产、流通到接种各环节的数据与信息，实现疫苗冷链全过程的信息公开透明化，并结合安全预警机制，最大程度地避免疫苗事故的发生。

3 解决方案

基于疫苗冷链追溯系统架构，市面上有许多公司已经设计出多种解决方案，且已取得不错的成效。在这里，我们选取几个有代表性的解决方案进行介绍。

3.1 中科美菱智慧疫苗接种方案

美菱生物医疗智慧疫苗接种系统主要由疫苗储存箱和疫苗接种箱组成。在智慧疫苗接种系统下，可通过取号、登记、接种和留观4个环节的信息化、数据化和系统化，保障疫苗接种每一个环节不出差错[39]。同时，实施接种的工作人员可以通过扫描确认监管码，确认受种者姓名、疫苗名称、厂家、批号、有效期和接种部位等信息，实时显示，一码对一人，受种情况一目了然。

利用物联网技术和智能化存储设备，该系统可以实现全程监控温湿度指标。采集的数据可实时上传独家菱云平台，信号强、不掉线，防篡改，确保监控数据安全可靠。还可以通过4G/WiFi连接到服务器，相关管理人员可在电脑、手机等终端上查看监控数据，实现可视化的远程管理。实时声光报警，短信、微信报警功能同步启动，多重预警保障样品安全。同时通过菱云云平台服务，可从Web直接查询、导出数据并打印，达到疫苗接种工作信息化、标准化、自动化、智慧化和准确化。

与传统的疫苗冷链相比，美菱的方案在冷链的运输、接种和追溯方面设计更完善，而且实现智能化疫苗管理，减少人工操作，效率高无误差，具有可推广性。

3.2 海尔智慧疫苗网

海尔集团推出了海乐苗智慧疫苗技术方案，实现了接种放心、医院省心和政府安心。通过信息自动匹配，实现疫苗不错以及人不错。接种人员也可以通过现场屏幕、手机端等进行信息核对，后期也能够对注射信息跟踪，确保了注射流程信息透明，实现由疫苗疑虑到疫苗接种信任的改观。在智能、信息化疫苗接种系统的帮助下，接种点人员不必在重复过去繁琐复杂的手工登记程序，避免了人为差错，实现更加高效准确的疫苗接种管理。政府通过物联网，实现疫苗、儿童和接种人员等五码合一，人苗匹配，追溯到最小包装单位，打通疫苗安全最后一公里，大大提高政府监管水平[40]。

海尔的智慧疫苗网不仅为我国的冷链安全做出了杰出的贡献，同时还辐射全球，在澳大利亚和菲律宾也取得了不错的成效，助力了当地疫苗冷链的发展与完善[41]。

3.3 澳柯玛疫苗冷链解决方案

澳柯玛的疫苗冷链解决方案从冷链源头的控制抓起，配备大型医用冷库，实现无线远程监控，确保物品的存放安全；在冷链的运输中保持控制，配备专业冷链运输车与冷藏运输箱，为所有冷链设备配备自适应温度记录仪，可以实时对接疫苗冷链监控平台，实时传输与接收数据，及时提醒因温度变化发生的异常情况，通过云系统实时全面地掌握疫苗流通过程的全部数据，确保疫苗冷链的追踪真实有效；在疫苗的使用上进行管控，配备疫苗专用医用冷藏箱，采用自主研发的智慧疫苗管理技术，实现对疫苗智慧存取的可追溯。

澳柯玛的方案针对冷链运输过程中可能出现断链的情况，做出了对应的解决方法，实现了全流程跟踪监控无缝对接，避免了因温控存储问题导致的疫苗失效。

4 前景展望

疫苗对温度十分敏感，高温会使疫苗效价迅速降低，或者使蛋白质变性，因此疫苗冷链在疫苗的生产、运输以及最后的接种过程中都不可或缺。过硬的冷链设备、精确的温湿度以及位置监控系统，确保疫苗实时处于规定的温度范围之中，才可使疫苗功效不受影响。加之国家出台的法规，这些都要求疫苗冷链朝着信息化的方向不断发展。快速发展的大数据、物联网、人工智能等信息技术[42-43]应用到疫苗冷链领域后，可实现疫苗冷链的全程可溯源。冷链设备中安装温湿度自动中央控制检测系统，可以自动实时检测记录温湿度数据，若是出现温度异常的情况，预警机制便发挥作用，现场蜂鸣报警、远程声光报警、短信报警同时启动，确保第一时间反馈问题给管理人员并立即处理。GIS、GPS和指纹等技术可以用于车辆的调度管理，监控冷链运输车辆的在途信息，保障车辆调度过程的安全。采用信息化的技术对疫苗冷链的全过程进行信息化追踪，通过信息反馈来维持疫苗的药效，可以使得生产、储存、运输更加可控。

疫苗相关软件的开发也将成为信息化过程中的重要一环[44]。人们可以通过手机APP查询相应疫苗，根据疫苗的作用效果，可能出现的不良反应实现在线选苗，使疫苗信息可视化。在接种完成之后，会通过疫苗信箱将信息反馈，并会定期对接种者进行身体状况的调查与回访，精确地实现疫苗接种的全过程溯源。

依靠信息化的优势，疫苗冷链已逐步完善，尽管还存在着诸如监管标准不统一，监控程度不够精确，安全性可以进一步提高等问题，但与传统的疫苗冷链相比，接入互联网，实现信息化的疫苗冷链已经在提升疫苗功效、降低安全事故方面取得了显著的成果。未来在万物互联走向成熟之后，有理由相信，疫苗冷链会朝着更加高效化、智慧化、简便化发展，可以让社会大众放心接种，充分保障人身安全和确保疫苗对疾病的有效防护作用，彻底避免疫苗安全事故的发生。