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    TLA，即全实验室自动化系统（Total Laboratory Automation System）,从这一概念问世之日起，该技术的发展就得到了广大学者和商家的密切关注，并由此产生了一个巨大商业市场和明显的社会效应。

    我国的TLA正处于起步阶段，毫无疑问已成为医院试验室未来发展的主要目标。医院建设TLA能有效地提升医疗水平，而对于厂商，特别是IT企业这无疑是一个等待开发的巨大的高附加值市场。

一  实验室自动化的概念

    1992年，Georg Hoffmann提出了“Consolidation”和“Integrate”概念，也即“合并”和“整合”。所谓合并是将不同的分析技术或方法集成到一台或一组相互连接的仪器中；整合则是将一种分析仪器或多种分析仪器与分析前设备和分析后设备相互连接。根据这两个概念，美国ALA协会主席Robin Felder又进一步将实验室自动化涉及的概念细分为；分析合并（Analytical Consolidation）；合并仪器（Consolidated Instrument）；任务合并（Task Integration）；样品管理器（Specimne Manager）；单元（Workcell）；模块单元（Modular Workcell）；前处理单元（Preanalyticl Workcell）；整合单元（Integrated Workcell）；全实验室自动化系统（Total Laboratory Automation System）九个实验工作流程。其中TLA，即全实验室自动化系统最为重要，它能与此同时样品管理系统、传送系统和控制软件相匹配，是合并仪器、单元、整合单元或整合模块单元的复合系统，实现实验室绝大部分工作的自动化。

    在我国，将TLA简明地描述为：从检验标本处理开始，即标本的识别、传输、处理（分离血清等）、分注、分类（按项目分类）、检测和收费的自动化流水作业，到分析后自动贮存标本，检验结果的自动分析、报告与传送，自动提示异常值或危险值，申请检验医师随时查询检验结果的全过程实现自动化、网络化。

    发达国家自动化实验室的出现有力地提高了整个工作效率，减少了因各种因素造成的错误和分析误差，并大大减轻了实验室工作人员的劳动强度。从这一概念问世之日起，该技术的发展就得到了广大学者和商家的密切关注，并由此产生了一个巨大商业市场和明显的社会效应。我国的TLA正处于起步阶段，毫无疑问已成为医院试验室未来发展的主要目标。医院建设TLA能有效地提升医疗水平，而对于厂商，特别是IT企业这无疑是一个等待开发的巨大的高附加值市场。

二  市场需求

    常规实验室工作可分为三个部分：分析前、分析过程、分析后。如果完全以手工操作，分析过程所占总工作量的比例最大（50-90%，视标本数量和测试项目而定）。自60年代初开始，各种现代工程学的技术和方法被不断引入医学领域，使得临床检测在自动化方面有了长足发展。

    1981年，日本由于劳动生产力的快速提高，实验室人员出现了短缺现象。为弥补人员的匮乏，1981年，日本高知（Kochi）医学院的Masahide Sasaki博士应用标本传送系统和自动控制技术，配合自动化的分析仪器，建立了第一个全自动实验室，检验人员只需将处理后的标本放入传送带，分析仪器就可根据检测项目自动从传送带上取到待测样品进行检测，大大提高了工作效率。

    如果说全实验室自动化在日本产生之初是为了弥补人力的不足，那么在其后仅20年的迅速发展就不仅仅是由于这一个原因了。如今，自动血液分析、自动生化分析、自动免疫分析已经完全取代了手工操作。甚至对于某些传统上一直是用肉眼进行观察的形态学检查，如细菌鉴定、尿沉渣分析等，也都有了全自动化的检测仪器。在此情况下，分析前、分析后部分所占总工作量的比例越来越大。

    如果说数字、网络技术的进步，使检验室自动化成为可能，那么世界各国正面临的医疗费用削减压力、工作人员要求减轻劳动强度以及患者对检验质量提高呼声则是市场对TLA的实际需求。

1.技术发展的必然趋势
    从技术角度讲，自动控制技术、机械传送技术、自动机械装置早已在工业生产领域使用多年，处于比较成熟的应用阶段，只需稍加改动就可以用于临床实验室，因此开发起来并不困难。而对大多诊断仪器的生产厂家来说，开发针对全过程的实验室自动化系统，不仅可以开拓一个日益成熟的广大市场，更可以在日趋激烈的诊断仪器市场竞争中显示技术实力，占据领先地位。据统计，到2000年，美国TLA产品的市场达到5000万至1亿美元，每年正已相当的比率快速增长。

2.医院经费削减的压力
    由于西方国家医院的社会经济属性所致，医院的经费预算是同当时的社会经济状况和医院的收入密切相关的。近年来，尽管临床实验室仍然不断发展新的检测项目以保持与医学知识的发展相同步，但处于经费不断削减的环境中，员工的工资支出占据了相当大的比例，如何提高实验室的服务质量同时使实验室的支出降低，成为各实验室间进行竞争的主要内容。
    在实验室面临日益困难的市场竞争时，TLA就成为不可替代的有力工具。全自动化系统可大大提高实验室的工作效率，有效消除人为因素所造成的干扰，更主要的是它可以减少工作人员数量从而降低实验室的总体支出。以首次试验全实验室自动化系统的高知医学院实验室为例，在Masahide Sasaki博士的全自动系统投入使用后，所用工作人员只占美国同等规模实验室人员的五分之一。在美国，一个有500张床位的医院，采用TLA技术之后，只需20人就可以满足整个临床实验室的工作需要。除去设备的初期投入，所节省的人工费用在3-5年之后将会非常可观。

3.改善实验室的工作环境
    传统实验室的工作环境一直以“3D”著称，即沉闷、肮脏、危险（Dull,Dirty,Dangerous）。检验人员不得不以手工方式处理各种标本，尽管有防护措施，但仍然存在被感染的潜在危险。而且，传统上以“纸笔”为基础的报告方式，还可能通过报告单将疾病传播给其他病人和医护人员。这样的状况，不能满足现代社会随着经济的发展对工作环境越来越高的要求。
    随着实验室自动化程度的提高，检验人员的工作环境也在不断得到改善。如果我们把完全手工操作的时期看作第一代实验室，采用自动分析仪器进行标本测定的时期看作第二代实验室，那么大约在90年代初，以TLA技术为主要特征的第三代实验室开始出现了。在第三代实验室中，全自动化的仪器设备覆盖了实验室工作流程中分析前、分析过程、分析后的绝大部分。除个别项目外，检验人员只需面对仪器和数据而不必接触标本，所有的标本都封闭于仪器和传送系统中，排除了潜在的污染。全自动化的系统使得工作人员致力于更高水平的工作，如结果的确认、新项目的开发等。

4.为患者提供更好的服务所需
    在激烈的市场竞争中，如何为患者提供更好的医护服务已成为决定医院能否存在与发展的主要因素。对于临床实验室来说，为病人的诊断、治疗提供准确的结果、完备的实验项目、快速的检测报告就成为提高工作质量的首要目标，TLA技术在这方面大有可为。
    在分析过程不断自动化的今天，分析前因素对结果的影响显得日益突出。实现全实验室自动化后，由于标本的处理完全由仪器自动完成，可排除人为因素或非标准化的操作对结果可能造成的影响，提高结果的准确性。
    在TLA系统中，标本处于一个由多台检测仪器组成的循环体系中，使得TLA系统具有智能检测功能（Reflex Test）。智能检测是指TLA系统在标本的测定结果满足某个预置的条件时自动增加其它相关的检测项目。例如，对于血色素结果低于设定范围的标本，系统自动加入预设的结合铁蛋白和VB12的测定。无需人工介入，标本就可重新传送到另一台分析仪器进行测定。智能检测的意义在于可根据实际情况灵活地决定检测项目，从而降低病人的费用和实验室的支出。
    毫无疑问，TLA系统可大大缩短从标本接收到报告结果所用的时间。除此之外，由于提高了工作效率，TLA都使一些检验人员转而从事发展床边检测，进一步为患者提供快捷方便的服务。

三  TLA的发展历程

    1981年，Masahide Sasaki博士首先在日本高知（Kochi）医学院应用标本传送系统和自动控制技术建立了第一个实验室自动化系统，检验人员只需将处理后的标本放入传送带，分析仪器就可根据检测项目自动从送带上取到待测样品进行检测。当时，人们相信未来的实验室一定可以实现“无人化”的全机械化实验室，就把这样的系统命名为全实验室自动化系统（TLA）。

    进入90年代，商品化的实验室自动化系统开始进入劳动力缺乏的日本市场，发展非常迅速。目前，72%的日本国立大学医院都配备有或大或小的全实验室自动化系统，而且形成了一种趋势，即使在人员并缺乏的医院也纷纷引进TLA系统（例如病床少于100张的小型医院也准备购买这样的系统），可以提高工作效率，为病人提供更快、更好的服务。

    1995年，TLA技术开始发展到欧美各国。1996年，美国密苏里州圣路易斯的Quest实验室在David Hoover领导下，安装了北美第一台由日本制造的TLA系统，使得实验室自动化技术开始在西方迅速发展。此后，著名的纽约Beth Israel医院、纽约Mount Sinai医院、荷兰Leiden大学等相继引入了TLA系统，这些经典的TLA案例为北美许多大型医院所研究以提高医院未来的竞争力。据统计。目前约有220多个全实验室自动化系统。其中日本170个、北美22个、亚太地区25个、欧洲3个。除了TLA系统外，还有1500到2000台各种规模的自动系统。在此之中，大部分是血液分析系统，相对比较复杂的其它分析系统如临床生化、免疫化学、凝血和尿液分析只占了三分之一。在全球范围内的自动系统中，60%以上安装在日本，日本市场的已呈现饱和态势。根据美国病理协会（CAP）2002年的调查统计，共有13个生产厂家7种不同型号的自动化系统产品共计1332台安装在世界各地（表1）。

表1美国病理协会2002年5月关于实验室自动化系统产品的调查结果

制造厂商	型号	北美装 机数量	其它地区	总计
Ai Scientific	Pathfiner	——	——	——
A&T	Clinilog	0	50	50
Bayer	Labcell	1	6	7
	Workcell	3	9	12
Beckman Coulter	Power Processor	105	50	155
Dade Behring   Lab-Iterlink	Steam Lab Automation Lab-Frame	1 19	0 4	1 23
MDS	Autolab	13	0	13
Olympus	OLA 1500	0	3	3
	OLA 4000	0	40	40
	OLA 2501	0	0	0
Orfho-Clinical	enGen	17	2	19
Roche	Modular Preanalyuc	8	62	70
	PSD l/VS ll	0	0	0
Sysmex	HST/CST	180	700	880
Tecan-Abbott	FE500	28	20	48
Thermo	Thermo Clinical Automation	0	11	11
总计		375	957	1332

    在我国浙江大学医学院附属第一医院是较早开始TLA的建设的医院之一，从1988年开始，该院首先在自动化分析仪上试行计算机网络化管理，以后逐步完善。2001年开始与医院信息系统相连，实行从挂号、收费开始，到标本采集，一次性产生条码，标本的运输，处理、检测、报告及标本保存等全过程实行计算机管理系统协助。临床实验室信息系统的实施及标本前处理系统的应用，全面规范工作流程，提高工作率，减轻工作量，方便病人，方便医生。

四  全实验自动化的组成与功能

（一）TLA的定义

    实现系统化的实验室或TLA实验室的定义很难统一，这主要对于TLA的实现标准还不明确，一般有三种意见：一种意见认为以是否具有传送带为标准，而不考虑传送带是否与分析仪器直接连接；第二种意见强调，TLA必须在某一诊断领域（如血液学检查）实现分析前和分析后处理过程的自动化；第三种意见认为，TLA系统必须严格限制在同一厂家产品的互联。通常的意见将TLA的定义限于以下系统：
1.可使临床常规实验室的大部分手工工作自动化
2.只在向仪器装入样品或取出样品时需手工操作
3.可以让检验人员有条件关注那些需要更高知识水平的工作，如结果的确认审核、解释、镜检和新项目的开发等。

    另外，TLA系统也应包括单纯的血常规或临床生化实验室，通常这两部分每天主要处理大量的常规检测。而且，TLA系统的定义也不应涉及整个系统是来自一个供应商（全包系统）或是来自多个供应商的系统集成（组装系统）。

（二）TLA的组成和功能

    大多数全实验室自动化的设备和方法在工业生产中已经经过20多年应用的考验，证明是可靠有效的，传送带、机械手、自动机械装置，配合进程控制成为TLA技术的核心。TLA的组成包括硬件和软件两部分，硬件包括标本处理和检测所需的全部设备，软件则主要是执行进程控制。根据标本的处理流程，又可将所有的设备划分为三个主要部分；标本前处理模块、检测流水线和独立检测单元，进程控制软件参与各部分的控制以及各部分间的协调。

    由于人工样品处理所用的时间占整个检测报告时间的70%以上，并且是造成报告错误的主要因素，因此实验室自动化的首要目标就是将整个分析周期中不具有增值效益的步骤减至最少，包括样品分类、开盖、离心、把样品装入分析仪器和分类存储，也就是实现样品前处理部分自动化。

    自动化的第二个目标就是尽可能地增加分析周期中具有增值效益步骤的可用时间，从而使检验人员有更多的时间和精力提高检测结果的质量，并最终提高医院医疗服务的质量。具有增值效益的步骤包括对危险结果的审核，并决定是否要进行复检或根据特定的结果增加其它检测项目。

1.前处理系统
    系统各组成部分工作流程如下：
（1）输入分类：在标本处理模块中，最重要的是原试管的分类以及标本的分装，不同的TLA系统处理方式不同。
（2）离心：样品架自动装入离心机离心，然后重新放入传送带中。该过程中有的系统中有血清的液面检测，即将检测每份标本的血清量，存储在计算机中以备分样时所需。
（3）去盖：自动除去样品管的盖子放入专用回收容器中，但在血液自动分析系统中不需要开盖机。为避免不同样品的不同盖帽方式所带来的复杂的机械装置，在选择开盖机时必须先要统一实验室试管的标准，减少试管种类。
（4）分样：日本和美国试验室的分样方式各不相同，在美国仍习惯于将与原标本检测项目相匹配的条码打印出来并贴在子样品管上，根据不同测试项目将血清从原试管中取出加入多个子样品管中进行，日本则是直接分样与不同的仪器上。
分类的自动化既可以用抓放式（Pick-and-place）的机械手实现，也可以通过在不同样品传送轨道间切换的方式实现。有些系统直接使用原试管/真空取血管，不经过标本的分装，原试管依次经过每台检测仪器。这种方式可省却分样单元（若仪器本身可以针刺取样还可省却去盖机），从而降低系统成本，简化工作流程，如Sysmex HS。有些系统则以专用仪器，根据标本的测试项目将原试管中的标本分装到多个测试管中，这种方法可大大提高处理速度并减少样品间的交叉污染，适用于不同厂家检测仪器的集成，如ACCELNET。
    关于前处理系统自动化的评价以国外一家医疗中心的统计为例，简单说明其效率。该院在没有增加人员，工作量增加了25%的情况下，使用了前处理系统后，急诊生化报告时间从35分钟减少到25分钟，平均报告时间从81分钟减少到37分钟，而且单项检测成本也大为降低了。系统起用不久就收到了良好的效果。

2.检测流水线
    检测流水线与标本前处理模块相联，进行各种检测的样品经前处理后直接入流水线。生化、血液、免疫等分析仪器连接在流水线上，可通过连接单元自动加载样品，测试完成后自动卸载，标本重新放回到流水线上供下一个仪器测试。样品进行完所设定的所有项目后被盖上一个新的盖子放入冷藏室供自动复检或智能测试。系统各组成部分工作流程如下：
    仪器连接：自动上样卸载，可连接多种仪器。
    次级分样：自动准备供其它不在流水线上的仪器所测定的样品。
    加盖：给每个检测完成的样品盖上盖子。
    输出：由多个存储单元组成，用于样品的冷藏。可供和自动复检或进行智能测试。
加载、卸载有手工处理、机械手处理和传送带直接传送三种方式，每种方案都有其各自的优点。

3.独立检测单元
    当某些第三方检测仪器不支持流水线时，可作为独立检测单元处理。这种情况下，可编程控制的机械手是对标本传送系统的最好补充。机械手有很好的动作可重复性，在优化条件下其定位重复性的SD值小于1mm，其活动范围仅限于一个往复区间或以机座为圆心的半圆区域内，这对于单机应用已足够了。如果不采用传送带，而以机械手为中心，为多台分析仪器提供标本，则可将机械手安装在移动机座上，可大大扩展其活动范围。其缺点在于要求实验室人员必需了解机械手的控制程序，以便根据实际需求进行修改。

（三）试验室信息自动化的技术现状

    实验室信息系统（LIS）在实验室自动化中的作用远比硬件设备更为重要。LIS系统内部的数据管理应包括数据采集和信息发布的自动化，包括：进程控制、系统规划、优化处理和系统整合。专业的检验人员在进行结果审核时还可得到系统内部辅助诊断软件的帮助，为临床医生提供更丰富的诊断信息，这种数据采集和信息发布的构架是实现实验室自动化的基础。

    实验数据在采集处理后经系统又传回给医院病房、社区医院（家庭病房、妇幼保健站等，称为双向处理，对大量数据的能力是衡量LIS系统功能的一个重要指标。有些数据甚至直接传送到病人家里。

    随着软件技术的发展，通过引入在制造在工业中近似的技术，过去许多由检验人员或实验室主任所作的决定现在都可以由软件决定了，这种决策生成软件也被称作进程控制软件，它是对样品处理流程和相应的信息流进行控制。LIS系统的决策能力是技术发展的一个重要方面，它可以引导样品进入分析过程或分析仪器，下载检测申请，根据检测结果决定是否重复检测或是添加其他相关的检测项目等等。另外，人工智能诊断也是一大热点。通过对以往病例的统计分析，系统可以自动对检测样品给出更具诊断性的评价。

    在未来，随着自动样品处理和自动信息处理技术的发展，LIS将会发展成为一种动态的系统知识库，它能够根据特殊情况和可确定的发展情况进行自我改变和自我调整。这将使实验室自动化过程中由过去的硬件推动发展到软件推动，最终实现虚拟实验室（Virtual Laboratory）。

（四）实验室模块自动化

    根据美国宾西法尼亚州Smith Kline Beecham公司自动化系统主任David o′Bryan的统计，在美国的5200个实验室中，只有441个实验室有条件安装TLA。而真正安装的在全美不过只有20-30家余个。这主要是因为全实验室自动化的投资巨大，并需要有大量的空间才能实施，因此是绝大多数中小实验室和参考实验室所不能负担的。

    为了解决普通用户无法负担的TLA高额费用，制造厂家开发出一种替代性的硬件组合系统，称之为“模块自动化”（Modular Auto-
mation），以满足大多数中小实验室对自动化的需求。在人工劳动量大，难以用手工精确完成的重复性部位上，一定程度地满足了需求。模块自动经由合并及整合的分析仪器、独立的工作单元和自动化的分析前处理系统、分析后处理系统组成。模块化的设备即可以独立于其它仪器单机运行，也可以相互连接形成工作单元，具有非常大的灵活性。
 
    对于大多数受到经费限制的小型实验室，或是不愿意冒投资风险的实验室来说，模块自动化可以以一种渐进的方式对实验室的检测能力和工作效率进行方便有效的改进，并可以随时把自动化的仪器加入到骨干系统中。

    模块自动化要求仪器设备的生产厂家在开发和生产时要考虑到系统中每个模块的互连性。由于实验室设备种类多，生产商采用的标准不一，已成为困扰模块自动化的重要原因之一。只有实现不同厂家产品间的互连才能充分发掘模块自动化设备的市场潜力，最终将不仅使用户受益，也会使生产厂家受益。

    随着分析仪器和自动化系统市场需求的扩大，一些厂家生产出了具有互联性的配套产品，例如，Sysmex所生产的全自动血液分析仪和凝血分析仪都有外置的样品传送系统，既可以单机使用，也可以集成到全自动血液检查流水线中作为一个工作单元，这样的全自动血液检查系统还可以接驳Roche/Hitachi公司生产的自动前处理系统和生化分析流水线。

    为了实现不同生产厂家多种产品的互连，必须为模块自动化产品建立一个标准，这样才能使模块自动化充分发挥其灵活的特点。美国临床化学实验室标准化委员会（NCCLS）、美国检测和材料协会（ASTM）、国际临床化学协会（IFCC）和日本临床实验室自动化协会（JSCLA）等标准化组织都在致力于标准的起草。当然，有人认为采用同一标准制造的模块化产品将会削弱其在市场上的竞争力，而事实上从行业角度来讲，标准化的实施有利于实验室的自动化建设，并最终促进试验仪器制造业的总体发展。

五  TLA的问题

    价格问题：从市场角度来看，TLA产品的实际使用并不尽如人意。其装机数量仅限于少数几个发达国家，在诊断产品市场中占有的份额不到1%。据估测，美国现在只有8%的实验室有能力负担TLA，其高达百万美金的售价让人望而却步。因此，全面降低TLA的价格是试验室全自动普及应用的关键，但从研发商的角度来看现阶段还不可能实现。为此开发所谓的“模块自动化”（Modular Automation）产品满足小型实验室的需要，是介于两者间的可行方案。其特点是针对用户需求生产出标准化的检测单元，可根据工作需要方便地接入集成系统。“即插即用”（Plug and Play,PnP）。尽管如此，人们还是对全实验室自动化的未来产生疑问。除了TLA给实验室带来的效率、质量以及减少人员支出外，其高昂的建设成本是否有必要呢？国内外也有很多专家对此提出质疑。

    结构的复杂性问题：美国一位资深管理人员M.H.Smy-the曾从15个方面揭示了实验室自动化应用中的误区：全实验室自动化投资巨大、维护复杂、应用不灵活、无效过程多（启动、质控、维护、故障排除等时间）、对工作人员素质要求高，只适用于标本量大的实验室。对于普通中小型试验室来讲，庞大的建设投入和维护费用，较之与需求之间有较大的矛盾，慎重考虑这些问题是项目成功运营的关键之一。

    国内试验室的使用注意事项：由于我国经济状况还远未达到发达国家的水平，实验室自动化水平有很大差距。但发展方向是没有错误的。有条件的国内大型临床实验室可以考虑诸如Sysmex公司的HST血液分析流水线、Roch/Hitachi公司的7600生化分析流水线等模块自动化系统。在决策购进自动化模块时应注意以下几个方面的问题：样品传输、样品处理流程、检测峰值、条码系统、急诊样品处理、操作人员素质、样品处理量、经费等，在充分考虑上述问题后，再确定模块设备的购进事项。

摘自《现代检验技术与设备》2003年第11期