全流程核酸检测管理服务信息系统的设计与应用

黄钊，马力，陈平，殷伟东，李刚

1.南京市卫生信息中心 a.办公室；b.规划科，江苏 南京 210003；2.东软集团股份有限公司 临床医疗事业部，辽宁 沈阳 110000

引言

新冠病毒感染给社会和人们的生活带来了巨大的影响，是继SARS疫情之后的第6次疫情，成为国际高度关注的突发公共卫生事件[1]。核酸检测是新型冠状病毒感染患者诊断、临床治疗效果评估、人群筛查、疫情流行病学调查的重要手段[2-3]。需要支持千万级人口的大规模核酸检测来应对突发情况。核酸结果是目前判断是否为新冠病毒感染者的重要判断指标[4]，面对国内外复杂的形势，很多城市开展大规模核酸检测工作，从而在最短时间内找出阳性患者，达到社会面清零。随着工作开展也产生了一些问题，核酸检测工作在人口量较大的城市开展起来比较困难，利用纸质表格手工录入人员信息对于一线疫情防控的医护和工作人员压力巨大[5]。而且纸质记录单容易丢失、遗漏、损坏，从而无法对阳性患者进行溯源，管理人员也无法获得准确的核酸检测信息数据，导致无法进行研判抉择，给防疫工作带来了巨大挑战。传统的纸质单手工登记的方法无法满足现有工作需要[6]，因此亟须开发一套核酸检测的信息系统来进行管理。

核酸检测信息化建设在整个疫情防控中发挥了巨大的作用，各地建立的核酸检测信息系统取得了一定的效果，但是基本无法做到全流程闭环管理监督，因此本文提出全流程核酸检测管理服务信息系统，以解决上述问题。

1 研究分析

目前核酸检测信息系统主要分为3大类：面向实验室、面向医疗机构和大规模核酸检测。面向实验室的主要是核酸检测结果自动分析系统，王艺芳等[7]使用的浩源核酸检测系统14 h即可完成1488份标本的检测，且在灵敏度验证中也取得较好结果；程卫芳等[8]系统地对不同核酸检测系统常用性能监控指标进行了比较。面向实验室主要是以核酸检测结果判定为主，使用较为局限。面向医疗机构的系统主要是为了满足医院自身个性化需求的系统[9]，叶颖等[10]提出了发热门诊的简易核酸检测信息系统建设，解决了发热门诊核酸检测登记繁琐的问题。为了更好地防控疫情，大规模检测系统也越来越多[11]，夏寒等[12]以上海为例，提出了面向大型群体的全流程核酸检测管理系统，该系统融合了预约登记、采样、结果查询等多个功能，实现了对大规模人群采样的需求，具有一定的借鉴意义。王路露等[13]对江苏省建设的新冠病毒核酸检测系统进行了描述和探讨，该系统可以满足一般人群、重点人群和环境的核酸检测，并可以在移动端和PC端实现。王子心等[14]提出全员核酸检测信息系统，该系统可支持辖区内全部居民进行快速核酸检测工作，网格员也可进行后台管理。赵莹德[15]利用基于B/S结构开发的核酸检测系统满足医疗机构和医院的日常需求，减少医护被感染的风险。目前的核酸检测系统可以满足大部分的检测需求，但是缺少1类健壮性高、从核酸登记采集到结果呈现的全流程系统。

本研究为满足大规模居民应急监测预登记、生成预置码、核酸检测结果查询和筛查、中高风险地区核酸检测人员排查和特殊人群核酸筛查的需求，建立涵盖核酸检测相关的人员身份登记、标本采集、转运、实验室检测全过程的核酸检测信息系统，以提升核酸采集和检测效率，并且通过与健康码等外部系统对接，实现核酸检测预约及核酸检验结果查询的功能，从而更好地服务居民。

2 核酸检测系统设计

2.1 总体架构设计

2.1.1 设计思路

（1）终端全覆盖。当疫情爆发时，为了满足短期内全员核酸检测的任务，需要派遣大量的医护人员到采集点进行标本采集，数量从几千到上万不等。信息系统的性能和部署便捷性应可满足所有人员使用的要求，覆盖所有采集终端[16]。

（2）快速化部署。信息系统可按照应急预案要求，快速完成南京市所有采集点、核酸检测实验室的部署，不影响核酸标本采集和检测工作。

（3）轻量化配置。考虑到大范围核酸检测工作机动性强、灵活性高，终端系统尤其是采集点信息系统的设计应采用轻量化的设计方案，在保证完成正常检测任务的情况下选择最简便的硬件和外部设备配置，减少工作现场终端设备安装调试的时间和降低复杂度。

（4）简便易上手。系统设计必须尽量简便易上手，操作简单，任何人均可在短时间内通过自学或集中培训的方式掌握系统操作要领，投入实战。

（5）流程全闭环。核酸检测标本从采集、封箱、转运到实验室接收、结果审核与发布全流程实现信息化记录，全闭环监控。

（6）数据可视化。核酸检测的过程数据可以实时发送至市、区联防联控指挥中心进行汇总分析，包括各环节工作量、工作效率、质量和资源投入情况通过趋势图、地图等可视化方式在大屏幕上实时展现，助力政府抗疫工作精准决策。

2.1.2 架构设计

全流程核酸检测信息系统整体采用开放式架构，这种架构中的应用系统具有可移植、可剪裁性等特性，可以避免由于应用过于集中，导致高并发而引起服务无法正常使用的情况[17]。系统采用最先进的云计算、大数据、互联网技术搭建，前后端分离，前端Web网页采用Angular框架、AntDesign组件，App采用Ionic框架，后端采用SpringBoot框架。

架构使用统一的标准规范体系和信息安全体系，符合三级等保要求[18]，主要分为交互层、应用层和基础设施层。交互层利用各类终端实现与各个部门和角色之间的数据互通和共享；应用层包含3大模块，分别是面向居民、工作人员和决策机构，利用后台权限控制管理，实现对不同角色权限配置；基础设施层主要包含网络、存储、算力等基础软硬件配置。数据实现与健康码、公安、卫健委等各部门之间的互联互通、联防联控，从而更好地控制疫情。系统的总体架构如图1所示。

图1 全流程核酸检测信息系统整体架构

2.2 逻辑架构设计

系统设计3个逻辑区域：对外接入的Internet区域（公有网络）、部署系统服务的应用区域（私有网络）、部署系统服务的数据库区域（私有网络），区域间通过防火墙等安全设备进行防护[19]。

（1）Internet区域（共有网络）：部署硬件负载均衡器（客户数据中心提供），对外暴露服务IP（或者域名），对内实现系统前端服务层负载均衡，为高并发提供技术支撑。

（2）应用区域（私有网络）：部署Nginx服务，提供系统的前端服务，可根据并发情况进行前端服务自动伸缩，保障业务的服务品质协议；部署Tomcat服务，提供系统的后端服务，可根据并发情况进行伸缩。

（3）数据存储区域（私有网络）：部署Redis集群，提供数据缓存，减小数据库访问量，提升数据存取性能；部署MySQL数据库，配置主备模式，保障数据库高可用；部署MongoDB数据库，配置主备模式，保障数据库高可用。

系统的所有服务需要通过网络时间协议进行时间同步，使用域名系统进行域名解析，平台收集的数据需要备份服务进行备份，防止脏数据写入以及数据丢失，逻辑架构图如图2所示。

图2 逻辑架构图

2.3 系统功能

2.3.1 业务流程分析

被采集人通过预约登记选择采样点后到达采集点，采集护士通过扫描被采集者身份码进行信息登记，标本混合采集完成，入箱，等待送检，区域巡检车扫描箱码进行送检，实验室扫描箱码进行批量接收，上机检测完成后将核酸结果传至平台，居民通过健康码查询自己的核酸检测记录和结果。指挥中心通过大屏幕实时监测各类资源，根据智能预警提示，做出决策，进行实时资源调度，各资源通过APP获取消息，并进行确认，形成全链路信息化闭环管理，业务流程示意图如图3所示。

图3 业务流程示意图

2.3.2 功能模块

（1）预约登记：通过本地智能对外门户支持居民为自己进行预约登记。预约登记功能采集预约人员身份信息和预约的采样点信息，预约成功后向居民生成核酸预约登记码，并能为居民导航，让居民快速找到采样点进行采样。

（2）标本采集。面向采集点核酸标本采集人员提供一个独立的安卓、鸿蒙APP应用。标本采集人员通过该应用可以快速完成被检测人员的身份信息识别和登记，以及被检测人员身份与采集管条码的绑定。基于APP提供开箱、登记试管、封管、封箱、匹配等功能，采样人员可自助注册选择实施采样的具体地点，采样模式（20混1、10混1、5混1、单采）。

（3）标本转运。标本转运人员使用APP扫描采集点已经封箱的转运箱条码，进行送检确认操作，使转运箱进入“送检中”状态，并进行计时。可对已转运的转运箱信息进行浏览查看，当转运箱状态长时间无变化时自动提醒转运和管理人员。

（4）标本接收。实验室人员使用标本接收APP，扫描转运箱条码并获取箱内信息，包括开箱及封箱信息、转运箱来源等，并核对试管数量是否一致。如发现不一致，逐管接收，系统主动报警，同时反馈给采样点和市区疫情防控指挥部，并安排专人追踪处置。

（5）结果上传。系统提供相关人员信息接口，实验室信息管理系统可通过接口调取试管码对应的人员信息，并将完成检测标本的结果进行审核上传。对于阳性结果，提供单独的阳性人员上报模块，里面除了基础的人员信息外还包括检测试剂、新冠靶基因、CT值等专业数据，方便检测专家进行研判统计分析。

（6）居民结果查看。系统将核酸检测结果统一定时上传国家大疫情网、省平台等核酸结果上报平台，居民通过登录本地智能对外门户或者健康码等渠道查看自己的核酸检测结果和信息。

（7）大屏和统计查询。市、区疫情防控指挥部可以通过大屏查看全市各轮和当日累计标本采集、送检、接收、实验室检测情况，通过多维度可视化展示，进行疫情分析与研判。查询与统计可以实时导出采样明细数据，方便督促居民进行核酸检测、资源调度等工作的开展。核酸检测系统大屏展示示意图如图4所示。

图4 核酸检测系统大屏展示示意图

（8）全流程管理后台。管理后台通过分配不同权限，即可看到全市和全区各轮累计标本采集、送检、接收、实验室检测情况。通过采样模块可以看到每个采集点采集了哪些人员，由哪些医院进行封管操作；送检模块可以看出标本送检人员和送检的时间；接收模块可以看到每个实验室接收的标本数量；实验室模块可以看到每个机构样本上传情况，里面包含上传时间、结果、个人信息等。通过全流程管理后台可以追踪到每个人的核酸采样情况，同时可将全市全区的工作进度、各环节工作量、工作效率、差错情况、资源匹配等统计数据及时反馈给管理人员，以便及时发现问题、调配资源等。

3 应用及成效

3.1 压力测试

核酸检测信息系统由于涉及人员范围广、数量大，一旦发生故障则会引起较大的社会影响，因此需在上线前对设计的全流程核酸检测信息系统进行压力测试。选取了“数据采集-扫描身份证”核心业务作为测试用例进行了性能测试。针对上述业务功能，使用http协议利用Loadrunner脚本录制、调试以及场景设计、运行、资源数据采集和分析统计工具。整个性能测试过程中，共编制测试脚本1个、设计测试场景1个。

模拟稳定压力发起持续“扫描身份证”业务请求，场景共持续1 h。“扫描身份码”业务共执行3035640次。在压力测试进行的1 h中，业务关键事务响应时间和系统处理能力未出现明显的异常波动，说明系统在一定压力下可以提供长时间稳定服务。负载压力测试中关键业务的性能表现结果显示，“扫描身份码”业务的90%响应时间在0.02 s左右完成，单位时间内可以完成840笔以上的业务。按此处理能力计算，在3.5 h内便可处理完成1000万人口规模的样本采集相关信息的存储。

负载压力测试过程中，对整个系统中最关键的2个存储层服务器（MySQL、MongoDB）进行了硬件使用率监控，从监控数据上看，各项硬件资源使用处于合理范围状态，服务器资源消耗在一定压力之下表现良好。Web服务器、APP服务器、Redis服务器的资源消耗较低，属于正常范围。MySQL服务器资源消耗图如图5所示，MongoDB服务器资源消耗图如图6所示。

图5 MySQL服务器资源消耗图

图6 MongoDB服务器资源消耗图

3.2 应用效果

全流程核酸检测管理服务信息系统在辽宁省、江苏省、河南省、河北省、西藏自治区、福建省等17个省、109个地区进行了部署应用，累计采样人次超过10亿。系统后台管理如图7所示，可以通过管理后台多维度查看实验室、各区的核酸检测各个环节的情况数据，其中的明细查询可以精确查询到每个人的核酸采样状态，确保闭环全流程跟踪。该系统实现了居民预约登记、扫描身份码采样、扫码送检、扫码接收样本、检测结果数据上传、数据查询统计和健康码查询显示等关键功能，确保采运检报信息完整、准确、及时、全程受控，大大提升了核酸检测的效率和数据准确性，为基层一线的疫情防控工作提供了强力保障。

图7 结算检测信息系统管理后台

对于人民群众，能够享受核酸检测信息化建设带来的便捷的、优质的检测服务；对于核酸检测机构，检测信息化建设带来了高效协同的工作效率和精细化、科学化的运营管理决策服务，提高机构的服务能力和医疗水平；对于政府机构，实现了数据共享和监管，提高了全市公共卫生应急处理的能力，提升了政府和行政部门对新冠疫情的监控管理能力。

4 讨论

为了验证本研究提出的全流程核酸检测信息管理系统的有效性，从部署架构、应用功能、稳健性、应用场景等方面与已有的核酸检测信息化系统进行对比分析，见表1。

表1 不同核酸检测信息系统比较

从表1可以看出，本研究提出的系统使用了C/S架构，具有良好的移植性，在大规模检测的时候不受硬件环境等因素的影响，灵活度较高；且使用了前后端分离技术，保证各业务之间互不影响，稳定性高；在功能方面，实现了采集、送检、接收、检测、结果查询、全流程的闭环管理，相比其他系统，功能更为丰富；使用场景适合医疗机构、实验室和大规模检测，应用更为广泛。

但系统也存在一定的不足，数据量大时查询统计比较缓慢，也消耗大量的资源，需要在后续研究中进一步优化数据结构，采用分布式部署方式是一个解决方向。同时应该进一步引入大数据、人工智能等先进技术[21]，提高数据分析预测能力，从而更好辅助管理者进行决策。

5 结论

疫情防控是对城市治理体系和治理能力的一次重大考验，本研究提出的全流程核酸检测管理服务信息系统的建设实现了预约登记、核酸采集、标本送检、标本接收、结果上传、核酸查询服务等功能，同时实现了整个核酸检测的闭环管理。此外，在架构设计时考虑了整个系统的应用稳定，利用开放的架构和前后端分离的技术框架来应对高并发、高存储等问题。数据底层实现了互联互通、数据共享，实现了与公安、交通、疾控、健康码等各条口系统的对接，充分发挥“大数据+网格化+铁脚板”治理机制的作用，加大对中高风险地区、封闭区域、封控区域和黄码人员的防控预警。