基于RFID的病理标本管理系统设计与实现

范健威，傅 蓉

(南方医科大学 生物医学工程学院，广东 广州 510515)

0 引 言

目前大多数医院对送检的病理标本采用人工管理模式，不仅费时费力，而且容易出现标本错检漏检的情况。文献[1,2]指出，利用条形码追踪标本可以追溯标本在医院科室间的流转历史，降低标本标记错误率从而减少医疗事故发生的可能性。然而条形码技术本身也存在诸多缺陷，尤其在病理标本管理自动化方面的应用仍然差强人意。在病理实验室环境下，标本容器上所粘贴的条形码容易受到化学试剂的腐蚀与液体样本的污染，造成该条形码不能够被扫描枪顺利或正确地识别[1]。二维码虽然拥有数据储存密度高、能够全方位扫描等优点，但每次扫描都需要通过有对焦过程的图像识别过程才能读取二维码信息，扫描过程需要手工操作，而且不能同时识别多个目标对象，在识别对象数量很大、识别操作频繁的应用环境下二维码技术的识别效率远不及RFID技术[3]。因此，本文探索了一种可替代条形码和二维码的新型识别技术，即无线射频识别技术(radio frequency identification，RFID)的解决方案，并给出了利用RFID读写器和串口服务器搭建病理标本追踪与管理系统的实现方案，相比条形码和二维码，该项技术在耐用性、识别速度和使用效率方面具有明显的优势。

1 RFID技术简介

RFID是一种能提供识别、追踪和加密功能的自动识别和数据捕获技术，由RFID标签、读写器以及信息网络系统等部分组成。近年来RFID技术的应用优势极为显著，尤其在公共交通、智能楼宇、仓库自动化管理、医疗系统、结构健康监测中应用广泛[4,5]。与光学扫描识别技术相比，RFID识别过程无需直接接触、无需光学对焦、无需手工操作即可完成对象识别和信息录入，并且操作方便快捷。RFID按使用频率的不同分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、微波(MW)，相对应的工作频率可分为：低频段135 KHz、高频段13.56 MHz和超高频段860-960MHz以及微波频段2.45 GHz、5.8 GHz[6]。本文基于病理检验的需求，并综合考虑标签的读写距离、识别干扰、应用成本和维护成本等因素，采用了无源高频标签作为标本标识编码的载体[7]，其有效通信距离可达90 cm，可满足准确、重复、低成本识别标本的需求。表1集中列举了条形码与无源RFID标签在应用优势上的差异。利用大量无源RFID标签组成实时追踪与定位网络[8]，实现标签数据高速采集，提高数据的保密性和管理的高效性，使得标本追踪系统更加自动化[9]。

表1 条形码与无源RFID标签的对比

2 系统总体设计

病理标本的追踪与管理是病理科质量控制的一部分，需对标本的接收、流转、回收进行全程监控。南方医科大学傅蓉副教授研发的病理信息系统不仅实现了病理检验各个环节的数据录入和管理，而且重点强化病理技术质控、诊断质控和报告质控在病理科工作流程的中心地位[10]。本文在此基础上，利用RFID技术提出新的病理标本追踪与管理方案，加强对标本的识别和追踪，进一步规范病理标本的质量控制。

2.1 系统软件功能设计

依据病理科的工作流程和病理医生的工作需求将标本追踪和管理系统划分为登记、标本状态追踪、通信和回收4个主要功能模块：

(1)登记模块的主要功能是绑定标签ID号与病人ID号并写入到高频标签中、读取病人申请单信息、生成病理号。

(2)标本状态追踪模块可以针对标本处理流程中的每一个关键步骤实现对标本状态的实时追踪功能，病理技师可以随时查看任意标本的当前状态信息。

(3)通信模块包含串口通信和网络通信两个子模块，负责控制RFID读写器的行为、解释所接收到的串口数据以及与病理信息系统进行数据交互。

(4)回收模块分为标本回收与标签回收两部分，主要实现标本信息复核、标本回收和标签回收等等功能。

2.2 系统硬件布局

由于病理科对标本的处理包括登记、取材、脱水、包埋、切片、染色、诊断等一连串必不可少的步骤，为了保证病理大体标本管理流程中所需的人工干预程度达到最小，系统将管理流程分割成多个步骤，每个步骤都要求病理标本追踪与管理系统得到来自病理信息系统关于当前标本处理状态信息的反馈，系统因此能够实时追踪每个标本的处理状态，并集中显示在大尺寸显示器上。本文设计的整体硬件布局如图1所示。

充满福尔马林溶液的标本瓶或标本袋的上贴有内嵌线圈的RFID标签[11]。要求该标签的有效读写距离不能过大以避免受到邻近标本的干扰，标签粘贴所处位置不得影响标本的运转与处理过程，能满足抗化学腐蚀、耐高温与耐低温的要求。

图1 系统硬件布局

RFID读写器通过串口或USB接口与上位机进行通信，由于标本登记前台需要接收大量的标本，系统布置多台RFID读写器并且都连接到串口-网口服务器，该服务器将串口数据通过TCP/IP协议转发到控制主机。利用RFID读写器和串口-网口服务器搭建数据通信网络有明显的优势：串口服务器将串口数据转换为TCP/IP信号，使系统具有以太网通讯的高效和稳定的特点，因此可以实现多台上位机分布式的实时监控与数据处理[12]。

系统同时连接了标签打印机，标本登记后系统自动将生成的病理号打印在纸质标签上。

3 系统的实现

3.1 串口服务器的应用模式及其参数设置

上位机(PC)与下位机(RFID读写器)之间的通信由四串口服务器实现。从逻辑功能上看，通信系统的上层由串口服务器的以太网接口部分与上位机组成，两者之间通过TCP/IP协议通信；下层则由串口服务器的串口(RS-232/RS-385)接口部分与RFID读写器组成，两者之间通过串口通信标准交换数据。可利用四串口服务器供应商配套提供的VCOM(虚拟串口)软件建立PC端上的虚拟串口，并设置其工作模式为TCP Server模式，同时配置网络和串口的通信参数，使得上位机程序可以接收指定串口的数据。VCOM软件把串口的数据以网络的形式发送出去，进而实现了传统串口设备联网通信的目的，实现无需修改上位机程序即可进行远程数据传输和通信的功能。VCOM应用模式如图2所示。

图2 VCOM应用模式

RFID读写器识别标签并获取其卡内信息后，通过串口将所读取的数据发送给串口服务器，串口服务器主动发起连接并连接到上位机，因此需将串口服务器的工作模式设置为TCP Client模式。由于RFID读写器与串口服务器在标本追踪与管理应用环境中属于固定设备，因此需要为串口服务器分配静态IP地址以及设置同一网段的网关，对串口服务器上的每一个串口设定相应的本地端口号。同时也要为上位机设置相应的IP和网关，而这些参数设置都必须与医院科室的局域网适配，避免出现网络通信故障。

3.2 标签数据存储格式与读写指令

飞利浦(Philips)公司的Mifare系列智能卡具有较高的市场占有率，在较为恶劣的工作环境下有很大的优势，因此本文选用Mifare 1(S50)卡作为高频电子标签。Mifare 1卡采用EEPROM作为存储介质，其内部可分为16个扇区，每个扇区由4块组成，每块有16个字节。

本文所设计的扇区数据编码格式如图3所示。其中，第0扇区的块0中的0-3个字节为卡的序列号即标签ID号；每个扇区的块0、块1、块2均为数据块，可用于数据存储以及数据读写；每个扇区的块3为控制块，其中储存了访问密码和存取控制字，而且访问密码和存取控制字都是独立的，可根据本系统的实际应用需求设定访问密码。本系统为简单起见，统一设置读写密码为(16进制)：FF,FF,FF,FF,FF,FF。

图3 病人ID号和病理号在高频标签内部的存储格式

本文所设定的病人ID号和病理号分别为8个字符和11个字符长度的字符串(最大长度分别为10个字节和13个字节)，所以每个病人ID号和病理号的存储需要占用同一个扇区里的两个块。例如，病人ID号和病理号分别为21500834和08-05021246，因此应该依次向扇区1的块0和块1中写入以下两个指令数据(16进制)：19,A2,FF,FF,FF,FF,FF,FF,00,02,01,05,00,00,08,03,04,00,00,00,00,00,00,00,00以及19,A2,FF,FF,FF,FF,FF,FF,01,00,08,2D,00,05,00,02,01,02,04,06,00,00,00,00,00。

3.3 标本信息与标签ID号管理

本系统采用Microsoft SQL Server 2005建立标本信息数据库，包含6张表格：已申请标本信息表格tb_appInfo、已登记标本信息表格tb_speciInfo、闲置标签信息表格tb_idleID、顺序号信息表格tb_order、已回收标本信息表格tb_archiveInfo以及用户信息表格tb_userLoader。

首先将一批新的(未被使用的)RFID高频标签ID号录入到数据库的tb_idleID表格中。在检查申请环节中，系统会将当前识别的标签ID号与tb_idleID表格中的ID号逐一匹配，若匹配成功则会将该ID号从tb_idleID表格里剔除掉，然后使之与当前标本信息进行绑定。标本被回收后该标签ID号重新储存到这个表格中，以供下一轮流转使用。通过清空标签内部的写入数据实现标签的循环使用，从而节约使用成本。对标本进行编号排序所需的顺序号从病理号中提取，储存在tb_order表格里，大量的标本信息实体按照顺序号在系统中以链表的形式进行排序，系统因而能够高效地访问各个环节中的标本信息。

3.4 标本追踪与管理

基于RFID技术的病理标本追踪与管理系统的上位机程序是一个基于MFC的对话框程序，能够控制RFID读写器批量地读写标签信息、显示正在追踪的标本的状态信息以及管理暂存的大体标本，系统通过公用数据接口接入到现有的病理信息系统[10]，实现两者的数据交互与共享，如图4所示。

图4 标本追踪与管理过程

3.4.1 检查申请

在门诊或手术室内布置一台PC和一台高频RFID读写器，医生登录标本追踪与管理系统，进入病理检验申请模式。医生采集病人的组织标本后，取一片高频RFID标签黏贴在标本袋上，并将标本袋放在读写器上进行识别，系统读取标签ID号并将该ID号与tb_idleID表格中的ID号逐一匹配，从而判别该ID号是否已被占用；通过识别后，只需在程序界面上输入病人姓名、标本名称和病人ID号，系统会将病人ID号通过RFID读写器写入到标本袋上的高频标签中。医生将填写好的电子申请单提交到HIS系统，标本由工作人员送到病理科标本接收前台。

3.4.2 标本信息登记

病理科接到标本后，进入登记步骤。在病理科取材室布置一台PC和3台(或4台)高频RFID读写器，这3台读写器分别用于标本登记、标本查询以及标本回收。病理技师登录账号后，系统进入登记模式。将带有高频标签的样本袋或样本瓶放在读写器上进行识别，读取标签ID号和病人ID号，并判断该标签ID号是否已被占用。通过识别后系统自动向病理信息系统发送病人ID号，根据该ID号从HIS系统中下载该标本的申请单信息，返回到系统界面上显示，病理技师因而可以核对纸质标签和申请单上的信息。核对无误后，系统则会为当前标本生成唯一的病理号并使其与标签ID号、病人ID号和病人姓名绑定在一起，提交到本地数据库中，此时标本的处理状态从“未接收”(not accepted)更新为“已接收”(accepted)。同时，本系统一方面通过读写器将病理号写入到标本袋上的高频标签内，另一方面将病理号发送到病理信息系统。系统通过标签打印机将病理号打印在多张纸质标签上，病理医生对该大体标本进行取材后将标签依次粘贴在申请单、标本袋和载玻片上。

3.4.3 标本处理状态追踪

由于病理信息系统具有针对病理检验流程的质控管理机制[10]，在随后所进行的取材(grossing)、脱水(proces-sing)、包埋/切片(embedded & cutting)和染色(staining)4个处理步骤中，病理技师每完成一项标本处理工作后都在病理信息系统中进行确认，此时系统会记录标本的处理状态，并通过公用数据接口向标本追踪与管理系统发送当前步骤“已完成”消息，本系统会根据该消息更新本地数据库中对应的标本的处理状态信息。例如在取材步骤(如图5所示)，标本被取材后病理信息系统向本系统发送“取材已完成”消息，然后本系统将本地数据库中对应的标本的“取材”状态更新为“脱水”。病理技师可通过读取大体标本上的标签信息从而获知该标本当前的处理状态，从而实现了对标本处理状态的追踪。

图5 标本处理状态追踪

3.4.4 重取材与标本回收

进入到诊断步骤时，病理诊断医生根据标本的实际情况判断是否需要进行重取材；若需要，则在病理信息系统程序界面上向本系统发送“重取材”请求，同时发送相应的病理号和病人姓名；技师接收到该请求后根据病理号找出对应的正在冷藏的大体标本，将标本放在查询信息的读写器上进行识别，确认重取材操作后系统在数据库中向对应的标本信息写入“重取材”标志，并将标本状态信息复位为“已接收”(accepted)，重复标本处理状态追踪的工作流程。若不需要重取材，则由病理医生撰写病理诊断报告，确认报告打印后病理信息系统自动向本系统发出“已诊断”信息，本系统接收到该信息后将标本状态信息从“染色/制片”(staining)更新为“已诊断”(diagnosed)，并提示技师对大体标本进行回收处理。技师在回收标本期间，需要将附有高频标签的样本袋置于标签回收读写器上识别，识别成功后系统将该标本的信息转移到tb_archiveInfo表格中永久保存，以供日后查询统计之用。同时系统还自动将该高频标签里的写入信息(包括病人ID和病理号)全部清空，并将标签ID号登记到tb_idleID表格中。技师对已回收的高频标签进行集中消毒处理，以供下次重复使用。

4 系统的应用

本系统以Visual Studio C++为前台开发平台、SQL Server 2005为后台数据库、TCP/UDP测试工具和串口调试助手为系统通信测试工具。此系统的交互界面分为两部分，一部分为系统管理主界面，另一部分为操作主界面，前者面向标本信息和用户信息的管理，后者面向标本登记、识别、追踪等操作。该系统共设两个工作点，分别是门诊/手术室工作点和病理科工作点，每个点设置一台PC和一台(多台)高频RFID读写器(包括串口服务器)。目前已经实现了病理标本的检验申请、登记、查询、追踪、回收等基本功能，其中标本的登记和识别是系统的核心功能，其操作界面如图6所示。

图6 系统操作界面

当系统识别了一个带有RFID高频标签的标本后，在显示区域提示用户输入病人姓名、病人ID号以及标本名称，然后点击“录入标本信息”按钮，系统将所输入的信息与当前标签ID号绑定并储存到本地数据库中。点击窗口左侧的“标本数量”按钮可以统计当前已登记或已申请的标本数量；点击“打印标本信息”按钮则在显示区域打印所有已登记的标本的详细信息；点击“查找标本信息”按钮则可以根据病人姓名、病人ID号或病理号查找对应的标本信息并在显示区域打印出来。若标本信息存在错误时，可以先找出该份错误的标本信息，然后填入正确的信息，点击“确认修改”按钮确认修改当前标本的信息。点击“标本回收”按钮可以回收标签ID号，清空标签内部储存的信息并将标签ID号录入到tb_idleID表格中，以供下一轮重复使用。对话框窗口下部的操作区域属于系统调试专用区域，普通用户无需涉及这部分的操作。在标本ID的识别过程中若有个别标签未能被正确识别，则还可以通过点击“手工录入ID号”按钮的方式手工录入标签ID号。

5 结束语

本系统利用无源RFID高频标签对大量的病理标本进行追踪与管理，降低由于手工操作导致的标本标记错误的发生率；通过接入现有的病理信息系统，有效地预防病理标本与病人身份不匹配的错误发生，提高医务人员尤其是病理技师和病理医师的工作效率，进而提升了病理科标本管理与处理的自动化水平。另外，该系统允许重复使用RFID高频标签，因此病理科为该系统的日常运行所付出的必要成本能够维持在较低的水平上。

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