医学科研单位实验室数字化平台的研究和探索

2018-08-29陈浩宇张春宇

中国医学装备 2018年8期

袁征王强陈浩宇张春宇

[文章编号] 1672-8270(2018)08-0093-04 [中图分类号] R-058 [文献标识码] A

在当今的科研过程中，科研数据来源越来越广泛，数据量越来越庞大，数据类型越来越复杂[1-2]。在科研管理工作中，科研数据如何传输、存储和利用方能使其发挥更大的作用，如何促进科研创新和科研管理能力的提升，保证降低科研成本，有效控制项目风险，是科研管理工作的一项重要课题[3-9]。国外的科研工作者利用“大数据”进行科研工作，并取得了较好的科研成绩[10-16]。因此，本研究通过探讨医学科研单位实验室数字化平台建设，从而提升科研创新和管理能力。

1 实验室数字化建设思路

1.1 实验室管理现状

目前，医学科研单位实验室管理面临的主要难题为：①课题组之间相对独立；②科技资源共享的程度较低；③仪器设备比较分散，利用率不高；④纸质记录的科研数据很难统计和分析；⑤科研过程缺乏相关标准和高效的流程，信息不畅导致逐渐形成了“信息孤岛”，沟通的成本比较高；⑥科研管理依赖手工操作、口头沟通和纸质记录较多，缺乏有效的管理工具和手段。

1.2 构建网络科研管理平台

为了有效推动科研发展，为科技人员提供一个优质、高效和规范的创新环境，推动科研管理改革，突出以人为本的理念，以实验室为中心的建设思想，以规范科研流程为要求，以提高科研效率为目标，以资源全面整合为重点，构建一个规范、高效和共享的网络科研管理平台。

对于科研信息化而言，应以实验室的数字化建设为载体，收集各个基础平台在科研过程中产生结构化和非结构化数据，形成元数据，通过高性能计算和存储实现海量数据挖掘、分析，进而转化为信息，进一步对信息整理、研究形成科学知识，转而支持基础平台和研究数据的实时需求，实现数据挖掘的应用，从而打造具有国际水平的医学知识库。

2 实验室数字化建设方案

2.1 国内外调研

通过对哈佛大学、斯坦福大学、麻省理工学院、卡罗林斯卡医学院以及美国国立卫生研究院(National Institutes of Health，NIH)等世界一流的大学和科研院所的信息化情况进行相关文献调研，并进入学校内部网站进行浏览，进一步明确了对于科研单位信息化建设的必要性，掌握当前科研院所信息化建设的前沿动态和发展趋势。调研结果具有共同特点：①门户网站功能强大，链接实现了全覆盖，能够动态集成大学各种信息系统和管理、服务；②实现了“单点登录”功能；③网上信息传递多为双向化、交互化；④信息技术(information technology，IT)公共资源十分丰富，汇集大量科技信息资源，有公共高性能计算平台和公共计算机机房、公共软件资源库和设备共享网络系统，为学科交叉融合、研究创新提供重要支撑。

2.2 单位调研

通过走访调研、实地考察等形式，与机关、室主任、课题组长和部分科研人员座谈等形式，充分了解科室及课题组运行机制和实验室“人、机、料、法、环”等实时动态，收集了大量与数字化实验室建设相关的基础数据，分析整理了200余条建设需求。

2.3 数字化设计

根据调研产生的用户需求规范(user requirement specification，URS)，最终确定了科研需求和建设内容，切实围绕医学科研管理和运行展开系统设计和开发，其中包括对仪器设备、人员及样本加强信息化管理，科研项目跟踪管理，实验过程信息化管理，实验结果分析，简化工作流程，实现实验记录和技术方法在一定范围内共享的信息化管理等。实现系统功能覆盖医学科研全流程和全要素(如图1和图2所示)。

图1 实验室数字化工作要素图

图2 实验室数字化工作流程图

3 实验室数字化平台系统开发与应用

3.1 软件设计架构

实验室数字化平台系统开发在技术方法上注重先进性、开放性、安全性、规范性和成熟性。整套系统操作简便、配置灵活，不需要进行代码维护和修改，尽可能实现用户自定义方式进行配置即可使用。采用先进的技术路线客户机与服务器(client/server，C/S)结合浏览器与服务器(browser/server，B/S)架构，面向实验室内部用户提供C/S访问客户端，保证操作性能简便快捷。开放性上具有多种接口协议，提供常用的应用程序编程接口(application programming interface，API)，产品需要有发布的软件开发工具包(software development kit，SDK)，便于与当前实验室系统整合。安全性上基于利用严密的身份验证、访问控制、电子签名、审计追踪等安全性管理措施，确保系统和数据的安全和完整。保证在系统中传输数据的身份识别、预防篡改以及结果的长期可追溯性。系统采用.net frame work 4.5.2，利用C#语言进行编写，使用3层架构，其系统架构如图3和图4所示。

图3 实验室数字化平台系统架构图

图4 实验室数字化平台基础架构图

3.2 实验室数字化的构成

平台分为三大系统和10个模块。三大系统指实验室信息管理系统(laboratory information management system，LIMS)、电子实验记录本(electronic lab notebook，ELN)和科研条件服务保障系统；10个模块融于三大系统平台之中，包括仪器设备生命周期管理、仪器预约管理、实验动物管理、样品管理、试剂管理、标准法管理、文件共享平台管理、物资调剂管理、个人中心和课题管理。三大平台可以相互顺畅调取数据，实现数据的互融互通互用(如图5所示)。

图5 三大数字化平台关联图

(1)LIMS平台。该平台具备强大的实验室管理功能，通过灵活配置的工作流，规范实验室各要素管理，实现科研全过程自动化。仪器预约、项目预约、动物订购、物资订购等模块实现科研项目的高效流转；仪器管理、样品管理、试剂管理、笼位管理等模块实现科研项目的规范管理。通过技术平台、标准方法、科研信息以及稀缺资源来实现科研信息的共享。

(2)ELN平台。该平台主要用于实验记录、实验数据的规范管理和分析方法库的建立。可以实现对已有记录的有效检索和查询，方便利用以往方法和经验，可有效解决传统的实验记录或纸质书写录入报告时可能出现的数据不清楚、格式不规范、难以溯源等问题，避免因科研人员流动、基层管理疏漏及仪器设备更新引起的实验记录和数据流失、缺失、损失等问题。方便各级机关管理部门和导师对学生记录的实时审核，掌握课题进度情况。平台具备多数据汇总分析的功能，针对不同的图谱和数据开展统计分析以及导出报告的工作。

(3)科研保障平台。利用科研物资采购网公布设备类、试剂类及玻璃类等库存物资信息，科技人员不仅可以直接订购，同时可以根据试剂、设备等库存物资的基本信息，如价格、品牌等，在填写课题预算时有所参照。此外，可以查询到有关科研物资采购方面的政策、法规及新闻等。通过权限的设置，各位专家在平台可以及时了解到本课题组从供应站领取的试剂耗材的情况，改变了以往各课题组组长每季度、甚至每半年才能看到物资领用信息的状况。同时，平台内的数据统计可以提升服务保障的质量和水平，根据科技人员仪器预约、物资订购、动物领用等情况，实现保障单位通过系统平台掌握科研人员的需求，经过分析后提供适时、适地和适量的精确保障。