实验室信息管理系统（LIMS）的发展与展望

S实验室管理系统（Laboratory Information Management System, LIMS）自上个世纪七十年代末出现以来，到如今已经历了20多年的发展。尤其是近七、八年来PC的普及和IT技术的爆炸性发展，以及生物科学领域所取得的举世瞩目的成果，对LIMS技术起到了巨大的推动作用。如今的LIMS早已经不再局限于传统意义上的样品管理，人员管理，仪器管理和报告打印等简单的功能。全球化（Globalization）浪潮，知识经济，基因工程，以及各种严格的行业规范（尤其是FDA发布的关于电子记录和电子签名的新规范），把LIMS的应用推向了一个前所未有的高度。本文就当前国际上LIMS技术的最新进展以及未来发展趋势作一个简要概述。
一、引言
1、LIMS概念
LIMS就是利用计算机网络技术、数据存储技术、快速数据处理技术来对实验室进行全方位管理的计算机软、硬件系统。通过它，实验室可以达到自动化运行、信息化管理和无纸化办公的目的，对实验室提高了工作效率、降低运行成本起到至关重要的作用。这里提到的实验室包括各种类型的检测和仪器实验室，分布于社会经济活动和社会公益活动的各个方面。
2、LIMS的起源
世界是最早的LIMS用户是石油、化工、制药和冶金等型生产企业。在这些企业中，LIMS只是其整个IT架构的一部分。在这种情况下，如何将实验室的质量检测数据迅速准确地传送到企业的其它相关部门并指导生产过程，而生产过程控制系统如何迅速可靠地将相关样品信息传送给LIMS，以及各个系统如何在ERP（企业资源规划系统）下完美地集成已成为这些企业使用LIMS成功与否的关键。LIMS的产生是随着分析测试仪器自动化程度的提高、实验室规模与处理能力的提高而逐步出现的。二十世纪80年代初，大规模集成电路的普及使得仪器的自动化水平大大增强，进而实验室单位时间内所能完成的测试任务大大增加，这就对实验室的管理提出了新的要求。同时随着计算机数据处理能力及数据吞吐量的极大提高，采用计算机信息系统来自动管理实验室成为可能。早期的LIMS以大中型计算机为主，造价比较高，进入九十年代后微型计算机的迅速普及及使得LIMS的造价得到极大的下降，LIMS在西方发达国家迅速得到推广。
3、国内LIMS现状
西方发达国家的LIMS市场在九十年代就已经完全打开，现在LIMS已经成为一个标准词汇被广为接受，在美国每年要召开一次LIMS大会，讨论LIMS的有关问题，国内LIMS在九十年代开始为人们所知道，并在石油化工等行业得到了一些初步推广，但总的来说还远没有达到普及的程度。这当然也受到了各种条件的制约：体制、观念、经费等等，但其中起根本作用的是研件基础条件和人们的观念，试想：如果连计算机都没见过，何谈使用软件？而市场、商品经济观念的落后也制药了LIMS的推广，如果一个企业不把追求经济效益放在第一位，他是不会考虑LIMS的。可喜的是，通过近几年的信息化建设，国内大部分实验室都配备了自己的局域网系统，各种计算机设备的配置也都是很高档的。但是运行于网上的软件系统却没有！这实际形成了这样一种局面：实验室花大量经费建好局域网后却不知道拿他来干什么！当然，更多的则是在考虑下一步如何上LIMS这一问题。特别是经过近几年互联网热潮的影响，网络、信息化等观念已经深入人心，甚至出现了诸如“不懂网络就是新文盲”的说法。随着全球经济一体化进程的加快，国家在大力提倡、资助各行业的信息化进程，可以说目前国内LIMS市场处于一种天时、地利、人和的最佳时机！
二、LIMS发展的热点
1、全球化趋势
近几年来，随着IT业界的持续升温和各大公司并购狂潮的加剧，如何在全球范围内保证相同的产品质量和服务，降低生产成本，提高竞争力，以完成“全球化”的梦想，成为每个跨国公司CIO（首席信息官）的首要任务。作为质量保证的主要系统，LIMS站在了“全球化”大潮的前沿。各大跨国公司为此投入巨资，以在全球范围内保证其产品质量和加速新产品开发的进程。在LIMS的全球化应用方面，世界上最大的感光材料制造商，伊士曼柯达（EastmanKodak）公司走在了最前面。该公司在全球范围内全部采用同一套LIMS，这样，伊士曼柯达下属的所有工厂的产品都采用完全相同的质量标准和检验流程。同时，公司总部也能对下属的所有工厂的质量进行全方位的监控，并可同时下发统一的质量标准。公司的研究与开发中心可以随时访问其全球几十个实验室内的任何一个数据，以供研究之需。像柯达这样完成或正在进行LIMS全球化工作的跨国公司还有很多，如艾克森美孚（Exxon-Mobil）石油公司，壳牌（Shell）石油公司和葛兰素史克（GlaxoSmithKline）制药公司等。在LIMS的全球化方面还有一个关键问题，那就是LIMS界面所使用的语言。因为跨国公司的人员来自世界各地，使用不同的语言，为此，有的厂商推出了能同时支持多种语言r的LIMS以满足这些跨国公司的需求。如英国实验室系统公司的Nautilus LIMS就带有一种称为国际化（Internationalization）的功能，允许每个用户根据自己的需求选择独特的语言界面。Nautilus LIMS目前支持22种语言。
2、面向实验室工作人员
LIMS的出现，无疑为实验室管理人员带来了巨大的方便，但同时也带来了一个不大不小的烦恼。原因在于几乎所有的LIMS在安装之后都需要作大量的用户化（Customerization）工作，即编写一些程序满足用户特定的需求，如映射实验室的工作流程以及联结各种分析仪器等。而且用户的这些要求往往是需要经济改变的，也就是说需要IT专业人员为LIMS用户随时编写相关程序。由此就带来了两个问题：首先是IT专业人员的流动性很大（国际上IT人员）的平均年流动率起过25%），使得LIMS系统的稳定性不高。因编程人员的离职造成LIMS无法正常运行的情况在国内外都是屡见不鲜的。其次是IT出身的编程人员很难完全理解实验室运作的详细机制，为LIMS的用户化带来了一定的难度，尤其是在研究与开发实验室（其工作性质要求LIMS的工作流程能被科研人员随时修改）。因此，大多数实验室管理人员都希望能有一套不需要IT专业人员就能完好运行的LIMS。新的LIMS要求在安装后不需要用户化工作，只需要按照用户的具体要求进行简单的设置（Configuration），就可将整个系统正式投用。在设置过程中，用户不需要编写任何程序，而只需要进行鼠标的点击。任何熟悉Windows操作的实验室工作人员在接受简单的培训以后就可完成诸如工作流程（Workflow）的设计和仪器联结等工作，并按照实验室工作要求的变化随时更改系统的设置。
3、仪器联结与控制
20多年来，LIMS的仪器联结功能一直是广大用户所关注的焦点。如何直接采集各种分析仪器的数据是LIMS技术的关键之一。在过去，仪器联结需要由LIMS厂商的技术服务人员编写复杂的程序以达到目的（有的比较原始的LIMS甚至不切实际地要求用户提供仪器与计算机的通讯协议和文件格式等），这使得仪器联结成为LIMS实施过程中最昂贵和最艰难的一环。近几年出现的技术已经完好地解决了这个问题。如采用先进的电子数据俘获（Electronic Data Capture）技术，联结仪器不仅不需要编写程序，而且联结过程简单到可以和在Windows中联结打印机相比，一个完全不懂编程的实验室工作人员就可轻而易举地完成。能够远程用统一
的界面控制不同厂家，不同型号的分析仪器一直是实验室工作人员的梦想。随着以英国实验室系统公司为主组成的全球最大的实验室软件开发部门Thermo Informatics发布My Instrument仪器控制标准以来，这一梦想正在逐步变为现实，LIMS已可以控制多个厂家，多个型号的色谱仪和光谱仪。
4．光谱采集与处理 很多的分析仪器不仅提供各种传统意义上的简单数据，还提供更有价值的各种类型的光谱。但每个厂家，每种型号的仪器所提供的光谱文件格式个不相同，如何通过LIMS自动采集这些光谱，是20余年来LIMS行业最大的难点之一。而这一难点直到这两年才得以突破。新一代LIMS均可以自动采集来自110多个厂家的仪器的150多种格式的光谱，如紫外/可见（UV/Vis）\红外（IR）、近红外（NIR）、拉曼（Raman）、荧光（FL）、色谱（GC/LC）、质谱（MS）和核磁共振（NMR）等，并将其自动化成工业标准的XML格式储存在LIMS数据库内，以便于网络上的用户随时进行远程查询和处理。如果需要，网络上的用户还可以对这些光谱进行谱库检索和三维图处理等操作，而完全不必回到这些仪器专用的工作站上。LIMS的光谱采集与处理功能不仅极大地丰富了“大型仪器专管共享”的内涵，方便了广大科学工作者和实验室管理人员，更重要的是完全满足美国食品与药品管理局关于电子记录的要求（FDA 21 CFR Part 11）。
5．化学结构与多媒体支持 随着IT业的迅猛发展，越来越多的实验室工作人员希望LIMS能提供更多的信息，包括化合物的化学结构和理化性质，并能够以多媒体的方式记录相关信息等。新的研究同样也完好地解决了这一问题。系统不仅能够显示化合物的结构方式，还能自动给出分子式、分子量、元素百分比等内容。如果需要，还能提供化合物的理化性质，IUPAC名称，CAS注册号，分子模型和相关光谱等，同时也能用多媒体记录分子模型或各个检验项目的标准操作过程等。
6．在生物科学中的应用 众所周知，当今世界上发展最快，最具有潜力的两个行业是IT和生物科学。二者的结合诞生了一个崭新的科学——生物信息学（Bioinformatics）。该行业被认为是未来IT业界最具发展潜力的部分，将很快拥有数百亿美元的市场。而我们知道，生物科学最重要的部分都是在实验室内完成的，因此，如果说LIMS在传统行业的各大企业中是在幕后运行的话，那么在生命科学领域中则一跃到了前台。进入生命科学领域后，LIMS的发展将从此揭开新的篇章。面向生物科学的LIMS必然将是未来LIMS发展的方向。
三．检验医学实验室信息系统简介
随着检验医学水平和检测手段日新月异，临床检验工作日趋自动化、规范化、众多的临床实验室建立了实验室信息系统来满足实际工作的需要，LIMS已成为现代化医院必不可少的基础设施。经过多年的发展，以数据的后期处理为主要任务LIMS系统已在我国各级医院实验室广泛使用。如今的LIMS早已不再局限于标本管理、数据采集、报告打印等简单的功能。实验技术，信息技术，医疗改革以及各种严格的行业规范（如Health Level Seven,HL 7）,把LIMS推向了一个前所未有的高度。
1. 检验科信息管理系统的构成 主要由硬件部分、操作软件、数据库管理软件、应用软件四个部分组成。每个部分又由多个组成部分共同动作，生成了可运行的LIMS系统。
（1） 硬件部分 硬件部分主要为计算机服务器、计算机工作站、打印机、条码打印机、条码扫描仪等外部设备。
（2） 操作软件 操作系统（OS）软件是连接硬件组织和应用软件之间的桥梁。OS提供输入和输出信息交流，光盘存贮管理，备份和修复机械结构和其他用于应用程式的普遍计算。通常使用的操作系统有：Microsoft Windows98，ME。XP；Microsoft Windows NT，2000；UNIX；LINUX。
（3） 数据库管理软件
数据库管理软件是为系统内储存设置复杂数据和文件的定义、构造及使用而提供的。这个软件可根据不同用户的特殊标准存取数据，例如：查询、管理数据分配、重组、备份和修复。目前有各种各样的数据库结构，每一个都有优点和缺点。一些普遍的数据库管理软件包括：Microsoft Access；Microsoft SQL Server；Informix；Sybase；Unify。
（4） 应用软件 LIMS不是一个单一的系统，它与几个主要的模块结合在一起，这些模块提供不同的服务和功能。它们是临床化学、血液学、微生物学、免疫学、血凝学、血气分析、血库、尿液分析和质量控制，还有一些附属模块用来支持所用的主要模块，包括分析界面，标本读取，结果报告和管理报告。
2. 国内检验科信息管理系统的现状
（1） 采用国际标准HL7 目前国内众多的LIMS来自不同的软件开发商，并作为各自独立的系统进行开发和维护。数据格式相当混乱，这种状况严重妨碍了检验数据的合理利用和数据交换，也增加维护和开发的困难。一个不遵循标准设计的系统是一个没有生命力的信息系统，只能短期运行。因此LIMS是否采用国际标准化的数据格式，不仅对软件的生命周期至关重要，更关系着实验室的发展。国际上医疗行业推行的标准有HL7、ICD、LOINC、SNOM ED、DICOM等，其中HL7是医疗领域不同应用之间电子数据传输的协议，是目前医疗信息数据交换标准中应用最广泛的国际标准，是美国CDC规定的实验室数据格式和数据交换协议。HL7涉及LIMS方面定义的数据格式已经非常的详细，消息、段及字段的定义足够使用，建议国内的LIMS采用HL7标准。HL7在LIMS中的应用主要在：①LIMS的数据格式标准；②LIMS与HIMS的接口标准；③不同LIMS间的接口标准；④分析仪与LIMS通信接口标准。这些方面数据格式标准化后，LIMS的程序可以在不同的系统或分析仪中使用，使接口软件具有可重用性、可理解性、可维护性、可修改性，不需要花大量的时间去了解某个字段在不同系统或分析仪中所代表的不同的信息，提高了LIMS软件产品的质量和开发效率。
（2） 采用条形码技术，支持双向通信 在绝大多数的实验室里，识别标本的方法是把化验单上的联号帖在标本容器上和操作人员编标本号。限制了分析仪识别原始标本的能力，只能通过位置来识别。在这种传统的工作模式下，标本调错是实验室的最常见差错原因之一。采用条形码技术，在申请项目/收费/采集标本时生各科室门诊量等与挂号有关的信息，为医院的管理提供可靠的数据保证。大多数的分析仪支持条形码技术，根据条形码来识别原始标本上的条形码。可以取消标本编号、血清加样等分析前处理的工作，规范了实验室工作流程，提高了工作效率和自动化程度，并保证结果的可靠性。与分析仪通信是LIMS区别于HIMS中其它子系统的核心部分，是关键技术之一。因为不同的分析仪及型号通信协议不一样，要编写相应的LIMS接口。数据通讯方式有单向通信和双向通信两种，现在基本上都采用了LIMS从分析仪接收数据即单向通信。双向通信不仅仅是接收数据，还发送数据指令控制分析仪，即LIMS向分析仪传送病人资料、试验请求、标本信息、其它操作指令等，分析仪向LIMS传送分析仪状态、标本分析情况、分析结果、通讯状态等。LIMS采用条形码技术并支持双向通信，将彻底改变现有实验室工作流程，从根本上解决了标本调错、项目做错等差错。条形码作为标本的唯一标识，应用于整个标本的分析过程，完成分送标本、传送资料、核实和处理标本、分析仪双向通讯、查询结果、打印报告、保存标本等实验室的常规操作，方便医生和病人获取相关信息。LIMS可以如实地记录标本在实验室各个阶段的情况，提高了实验室的管理水平。因此，LIMS要提供这项功能成为目前最迫切的需求之一。
（3）从C/S向B/S模式转换
目前国内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，使维护工作复杂化。近提来信息技术的发展，对LIMS的发展起到了巨大的推动作用，已经有LIMS采用B/S模式。B/S模式是一种以Web技术为基础的新型的信息系统平台模式，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，它简化了客户端。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，它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。采用B/S模式后，可以发布检验信息如：科室、人员、仪器、新项目、新技术的介绍以及各种通知。实验室及相关人员或病人可以利用Internet来访问LIMS。延伸了LIMS的服务范围，如病人可在网上查询检验报告和相关解释并打印，工作人员可在家里审核检验结果、安排工作进度等。
（4）与HIMS全面的无缝结合
LIMS与HIMS全面的无缝结合，才能真正实现信息资源共享，提高工作效率和实验室的自动化程度。LIMS不仅要求支持电子申请、自动实时记账、结果返回、远程护士站自动打印等功能，而且要求HIMS提供治疗、护理等临床信息。如：在报告细菌药敏结果时，能查询到该病人的有药情况等。随着医疗改革的深入，患者和医生要求降低医疗费用，要求“一次检测，普遍有效”。首先要求实验室之间相互认可，其次实验室的LIMS相互联网，这样才能满足未来的需求。也就是说，今后的LIMS不仅要求与HIMS全面的无缝结合，还要求在一定的范围内（如市区内的医院）LIMS间的互联，就像银行的通存通兑的存款业务。
（5）功能增强及高度的自定义LIMS从功能上可以划分为三层，依次是业务信息系统、管理信息系统、分析决策信息系统。最底层是业务信息系统，主要是针对实验室的日常工作。由实验室的工作流程和性质不同，LIMS相应分成通用（生化、临检、免疫）子系统、微生物子系统、血库子系统、骨髓子系统以及医嘱申请、标本采集子系统、查询子系统等。并开发有相应的专家系统，对技术或逻辑错误、历史结果等进行自动判断。第二层是管理信息系统，主要针对实验室各方面的管理工作，通过对原始数据的汇总，提供反映各方面运行状况的报表。第三层是分析决策系统，为领导提供决策信息和智能诊断功能等。第一层的功能现有LIMS已经基本上能够完成，今后更加着重发展和完善LIMS的第二、三层功能。LIMS要求功能强大，不仅能满足大规模、大标本量的实验室的需求，同样能适应县/镇级实验室的实际需求。90%的技术操作要求同一个界面内完成，减少来回切换界面的操作。操作步骤少，一些功能尽量让LIMS自动完成。用户自己能够定义工作流程和功能模块，以满足不同专业实验室的要求，如：像安装打印机一样地安装分析仪的通信程序。LIMS开发商提供不断升级的程序版本，可以满足你的不断变化的功能需求，并保证你的实验室永远走在实验室发展的前列。
（6）中国远程室间质量评价（EQA）系统的建立
中国的EQA计划存在诈多缺陷，整个系统（邮寄、数据输入、信息交换）完全是手工进行。除了数据统计分析外，几乎未使用现代技术。整个过程是慢的，其依赖于邮政服务，只在截止日后开始结果的评价，通常是已寄出样本后的两至三周了。系统在每一数据转换阶段都会产生误差。例如，参加者必须用国际单位交流结果，但在日常工作中常用mg/dl单位。这种转换导致了抄写错误。大约已有100多家单位已加入Internet，有自己的电子信箱。室间质评计划远程通讯比手工方法的优点使得大多数的参加者是信服的。这些包括极大地降低了手工操作的耗时，迅速的室间质评结果的收集，以及截止后统计报告的快速发出，消除了由于数据输入、多步骤的抄写、文档字迹不清楚等引起的错误，由于是实验室自已输入室间质评的数据，所以，显著地降低了管理人员的成本。因此，电子数据交换系统要求最少的人员的干预，提供了快速的信息交换，以及允许室间质评结果直接融入局域信息系统中。而且，它提高了室间质评计划的效率。从定性的观点看，远程通讯方式提供用户极大的灵活性和责任感。对于室间质评组织者，使用远程通讯解决方安可获得高效率，因此对取得室间质评预期目标可提供更及时和专业化方式，也就是说，控制实验室间变异性。由于无需增加额外人力资源和评价时间，增加室间质评试验数量将不再是问题。最后，更好地对室间质评结果进行挖掘将成为可能，特别是，关于基于不同标准[例如生物或分析（试剂盒、仪器、温度等）]室间质评结果的可接受性的长期追踪。
3、新时期对LIMS系统的主要要求
随着科学技术的进步及广大人民群众对医疗服务的要求不断提高，现有的LIMS系统极待提高，也应“与时俱进”。新一代LIMS系统的主要特点是：以病人标本为中心；要示数据传送有足够高的可靠性；实时性要求；对数据备份和数据安全提出了更高的要求。
（1）拓宽LIMS系统的管理范围，进一步简化工序
现有的LIMS系统使分析后的数据管理实现了计算机化，提高了工作效率，新一代的LIMS系统将把分析前的各环节纳入计算机管理。这些环节包括医生填写化验单，护士抽血，实验室对标本的重新分组编号，病人资料的录入，甚至分析仪器读取实验项目等。
（2）实验室的“无纸化”
“无纸化”一方面减轻了医生填写检验申请单的工作，另一方面又减少了实验室污染分析报告的机会，对防止院内感染有意义。这种“无纸化”是通过条形码来实现的。
（3）新的技术手段-条形码的引入
在抽血室，护士根据工作站调出的内容打出条形码贴在抽血试管上，检验申请单不再随标本进入实验室。实验室通过读取条码调用病人资料和所申请的检验项目。最终的实验结果也不在实验室打印出来，而是通过网络传送回服务器供医生查询。这就是所谓实验室“无纸化”的过程。但是要认识到，“无纸化”并不是目标，我们所需要的是“无纸化”所带来的好处。除了前述防止院内感染的意外外，“无纸化”还大大简化了工作流程，引起工作模式的改变。
（4）实验室工作模式的改变
a、 分析前 在原有模式下，实验室接到裹着检验申请单的标本后，将申请单与试管分开，重新分组，用记号笔在申请单和试管上分别编号。检验申请单送录入人员进行病人资料录入，再传给分析仪器操作人员输入待测项目。这个过程得以大大简化，标本只要在条形码读取装置上过一下，病人资料及待测项目已从网络上调入，分别送入检验服务器和自动分析仪器。
b、 分析后 在原有模式下，分析仪将分析数据传至服务器，实验室工作人员再将结果打印成一张张的检验报告，工人将这些报告送到临床科室。在新模式下，实验室工作人员在工作站上审核完报告，实行电子签名，医生终端上即可查询到结果。相关人员或病人可以利用Internet来访问LIMS，如病人可在网上查阅检验报告和相关解释并打印；工作人员在实验室外审核检验结果、安排工作等。
四、LIMS的展望
LIMS经过了二十多年的发展，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产品还是停留数据存储、工作任务安排水平上，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。再深层次的应用可以讲都没有。随着经济的飞速发展，特别是加入WTO后，各类实验室的业务在快速的发展。这就对LIMS提出了更高的要求。目前的LIMS产品在一个实验室应用超过五年甚至更短的时间就会失去作用。这还只是从实验室的管理角度来看。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将不断使用实验室发展的要求。结合信息技术、数字技术的发展，我们认为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，我们认为数字化的LIMS首先要在专用分析方法上着手，为实验室提供更深层次、专门的、结合其专业最新科研成果的分析方法。只有这样才真正把LIMS的应用提长到了技术的最前沿，满足数字化时代的要求。数字实验室的时代即将到来，其中涉及的技术也在其相关领域有了长足的发展。数字实验室的梦想肯定可以实现。希望各LIMS专业厂商、LIMS用户早日携起手来，共同构筑中国数字实验室。