基础医学实验室数字化管理系统的设计与实现

Design and realization of digital management system for basic medical laboratory

摘要

高校实验室是培养创新型人才的重要实践基地，伴随“互联网+教育”改革的不断深入，实验室的建设正在朝着规范化、智能化、信息化、开放化的方向发展，传统的实验室管理模式已经不能满足需求。文章立足于贵州医科大学基础医学实验室管理现代化需求，在分析国内外实验室建设与管理的基础上，通过深入走访调研，了解实际痛点问题，设计开发基础医学实验室数字化管理系统。首先，结合业务描述，采用UML建模技术进行分析，确定系统总体设计及各模块设计，使用ER图对数据库进行了详细设计；其次，系统采用B/S架构，以MySQL8作为数据库，Apache Tomcat作为服务器，HTML语言结合Javascript+Vue+CSS客户端技术，以Java为开发工具，进行了设计与开发；最后，对系统投入教学使用情况进行总结并对下一步工作进行了展望。该系统以用户中心、实验设备管理、实验耗材管理、实验课程管理和数据决策管理为核心功能模块，基本满足了学校基础医学实验室管理及实验教学需求，对学校教学质量的提高和数字化建设具有积极推动作用。

Abstract

University laboratory is an important practice base for cultivating innovative talents. With the continuous deepening of the reform of “Internet+education”, the construction of laboratory is developing in the direction of standardization, intelligence, information and openness. The traditional laboratory management mode has been unable to meet the demand. Based on the needs of the modernization of basic medical laboratory management in Guizhou Medical University, and the analysis of laboratory construction and management at home and abroad, this paper designs and develops a digital management system for basic medical laboratories through in-depth visits and investigations to understand the actual pain points. First, combined with business description, UML modeling technology is used to analyze and determine the overall design of the system and the design of each module, in which the ER diagram is used for detailed design of the database. Secondly, the system adopts B/S architecture, and takes MySQL8 as the database, Apache Tomcat as the server, HTML language combined with Javascript+Vue+CSS client technology, and Java as the development tool, to conduct design and development. Finally, the use of the system in teaching is summarized and the next work is prospected. This system takes user center, experimental equipment management, experimental consumables management, experimental course management and data decision management as the core functional modules, which basically meets the needs of basic medical laboratory management and experimental teaching in universities, and plays an active role in promoting the improvement of teaching quality and digital construction.

Graphical abstract

关键词

医学实验室 / 数字化管理系统 / 智能化

Key words

medical laboratory / digital management system / intellectualization

随着科技的不断发展，数字化管理已成为基础医学实验室的重要发展方向，《教育部关于加强新时代教育管理信息化工作的通知》文件中提出：“新时代教育管理信息化要以数据资源、信息系统、基础设施为基本要素，利用信息技术创新管理方式、转变管理理念、提高管理效率，支撑教育管理、决策和服务”^[1]。

基础医学实验室作为高校教学与科研的重要场地，是学校培养创新型人才的重要基地。然而，伴随高校实验室规模的扩大不断，实验室信息化管理意识缺乏，导致实验室教学管理中存在诸多问题，比如笔者所在的高校存在实验管理模式滞后、管理工作效率低、实验设备耗材缺乏动态监督等问题，已成为实验室管理人员亟须解决的课题之一^[2-4]。

因此，文章以贵州医科大学基础医学实验教学中心为研究对象，设计开发实验室数字化化管理系统具有较大的现实意义。

1 系统设计

此次研究通过前期深入调研，在分析国内外实验室建设和管理的基础之上，设计开发基础医学实验室数字化管理系统。结合业务描述及功能需求，采用UML建模技术用例图进行全面分析，确定系统总体设计和各功能模块设计，使用E-R图和数据库表结构对数据库进行了详细设计。系统采用B/S架构，使用MySQL8作为数据库存储数据^[5]，Apache Tomcat作为服务器，HTML语言以及结合Javascript+Vue+CSS客户端技术，以Java为开发工具，设计与开发该系统。如图1所示。

1.1 系统总体设计

系统采用以三层架构为基本结构的N层架构设计，N层架构具有三层架构的所有优势^[6]。在N层架构中，信息引擎封装在应用服务器的核心，一方面信息引擎为使用数据库后端系统提供了强大功能，另一方面信息引擎将信息服务以更便捷的方式，通过Web Server在Internet上发布出来，使得信息服务的功能在整个Internet范围中都可访问。平台网址为https://testmgr.runskey.com。

1.2 系统硬件环境

基础医学实验室数字化管理系统硬件环境如表1所示。

该系统采用Springboot开发，在项目中的Application.yml中配置好数据的IP及用户名、密码、数据库库名等，完成链接配置。移动端小程序开发完毕后，在微信开发者工具中进行代码提交，微信会将代码编译成小程序体验版；待相关测试完成后，在小程序管理后台提交该体验版为正式版本；待微信官方人员审核通过后，手动点击全量发布，即可完成小程序的更新。

1.3 系统功能模块设计

该系统包含用户管理、实验设备管理、实验耗材管理，实验课程管理、数据决策管理5个模块^[7]。系统总体功能架构图如图2所示。

1.3.1 用户管理

用户管理功能是由用户角色与功能管理、消息管理、权限管理三个子模块构成。用户角色与功能管理主要是对用户信息进行管理；消息管理是对系统内各用户获取的通知消息进行管理；权限管理是对各个用户的系统数据修改和查询权限进行管理，如图3所示。

1.3.2 实验设备管理

实验设备管理是由设备基本信息管理、使用记录管理、课程关联管理三个子模块构成。设备基本信息管理主要是对实验室设备信息进行管理；使用记录管理是对实验室设备使用记录进行管理；课程关联管理是对设备进行课程关联管理。实验设备管理类图如图4所示。

1.3.3 实验耗材管理

实验耗材管理模块中，实验室管理员、实验室主任、教师、学生通过资源管理界面类界面，管理耗材资源和危险化学品资源。耗材管理对耗材相关信息进行建档入库、修改、查询等操作，涉及耗材实体类。危险化学品管理对危险化学品相关信息进行建档入库、修改、查询等操作，涉及危险化学品实体类，如图5所示。

1.3.4 实验课程管理

实验课程模块中，教师、学生和实验室管理员通过课程管理界面类管理课程。课程管理对课程进行新建、修改、查询等操作，涉及课程数据实体类和课程消息实体类，如图6所示。

1.3.5 数据决策管理

数据决策管理模块中，实验中心管理员通过数据决策界面类界面管理物资、实验课程、耗材、决策预警，数据决策管理类图如图7所示。

2 关键技术

2.1 UML建模技术

UML (unified modeling language，UML)称为统一标准建模语言，是一种可视化、支持系统开发的图形化语言。UML支持面向对象的技术，能够将面向对象的概念准确地表达出来，在系统开发的不同阶段都适用，如需求分析、系统测试和维护^[8-9]。

在UML系统开发中有三个主要的模型：功能模型，从用户的角度展示系统的功能，比如用例图；对象模型，采用对象、属性、操作、关联等概念表现系统的结构和基础，包括类图、对象图、包图；动态模型，展示系统的内部行为，包括序列图、活动图、状态图。

2.2 Java技术

Java是一门面向对象编程语言，具有功能强大，简单易用特点，因为它具有C++语言的全部优点，同时去除了C++里多继承，指针等复杂且容易混淆的概念，使程序更加严谨、简洁。

2.3 数据库技术

MySQL是一种开放源代码的关系型数据库管理系统，因其性能高、可靠性好，所占的空间较小、运行的速度较快、开放源代码、使用成本低等优势，受到许多用户的青睐。本研究基于MySQL性能安全，容量小巧的优势，选用做系统数据库。

2.4 CDN技术

内容分发网络(content delivery network，CDN)是构建在现有互联网基础之上的一层智能虚拟网络，是由主服务器和全球范围内分布式网络各处部署节点组成，其目的是缩短访问延迟，提高响应速度和网站可用性，解决网点分布不均等问题，实现将源站内容分发至所有CDN节点并存储，使用户访问存储在地理位置最接近用户的位置上的数据^[10]。

3 系统设计与实现

3.1 数据库设计

数据库概念结构设计是以需求分析为基础，把用户的需求转化为数据模型或概念模型。数据库设计要做的基础工作是对数据的结构、功能等特性进行科学归纳和理论抽象化，抽象后的模型能反映数据间的关系，这种模型一般用E-R图来体现，它有助于开发者理清数据和操作的关系^[11]。该系统的实体关系如图8所示。

3.2 数据挖掘设计

3.2.1 数据仓库生成

该系统数据库采用MySQL作为实时并发运算库，使用SQL Server同步数据进行数据仓库决策运算支撑。使用双数据库架构，既具有MySQL高并发的优势，也具有SQL Server数据仓库决策运算的优势。构建步骤为^[13]：以最初建立的数据表作为原始数据构建数据仓库；将原始数据处理后形成数据库仓库中的基本数据；对基本数据进行规范数据处理后将有效数据传输到数据仓库。

3.2.2 技术选择

Analysis Services是微软公司在SQL Sever数据库中提供的具有较强数据分析功能的软件，该软件使构建复杂的联机分析处理和数据挖掘解决方法变得更加简单易行。Analysis Services有多种数据挖掘模型供用户选择，拥有较强的对数据仓库多维数据集进行创建、设计和管理的功能，最终以图形化的客户端界面呈现数据挖掘数据和OLAP数据^[13]。

3.2.3 数据决策算法

决策树分类是数据挖掘中分类分析的一种算法，决策树是一种类似流程图的树结构，其中每个内部节点（非树叶节点）表示在一个属性上的测试，每个分枝代表一个测试输出，而每个树叶节点存放一个类标号。一旦建立好了决策树，对于一个未给定类标号的元组，跟踪一条有根节点到叶节点的路径，该叶节点存放着该元组的预测。以实验室耗材为例，如图9所示。

为了提高决策准确性，借助C4.5决策树算法对实验课程数据分布、实验物资库存情况、危险化学品领用情况、耗材预警情况进行数据挖掘，建立决策树分类模型，以可视化的形式展示预警信息。

C4.5决策树算法的核心阶段是建树过程，假设数据以耗材数据为一个数据集，其所有属性集合表示为A，所有特征集合为D。为了提高C4.5决策树算法的有效性，提出一种改进的C4.5决策树算法，引入了分割阈值。其建树过程如下：

输入：属性集A，特征集D。阈值流程为：①初始化信息增益的阈值；②如果所有样本数据都属于同一类，则返回单节点决策树；③如果属性集A为空集，则直接选择特征集中占比最多的类为标记生成叶结点，返回单节点树；④如果不满足②、③，则计算中各个特征对输出的信息增益比；⑤如果信息增益比小于阈值，则返回单节点数，标记类别为特征集D中样本数最大的类；⑥如果大于阈值，则按照特征的不同取值把D分割成若干个子集，每个子集生成一个子节点，子节点对应特征值为递归调用②~⑥步，得到子树并返回，直到每个结点的待分类样本不可划分，返回一颗分类决策树。

输出：一颗分类决策树。

以上是C4.5决策树算法的建树过程，最后生成一颗决策树，决定是否提醒。通过对实验课程数据、实验物资库存情况、危险化学品领用情况、耗材预警情况的数据挖掘分析，能够更加准确地进行预警，及时提醒实验管理员分配实验耗材或及时补充。

3.3 系统实现

3.3.1 用户登录

通过系统需求分析与设计，系统用户包含学生、教师、实验室管理员、实验中心主任管理员、系统管理员。不同用户权限不同，所使用的功能与查看的范围也不同。登陆方式为在IE浏览器地址栏中输入服务器系统的IP地址，之后进入登录系统界面。登录界面如图10所示。

3.3.2 实验仪器设备管理

实验设备基本信息模块主要实现功能如下：

①仪器设备基本信息录入。根据实验室现有设备情况，录入设备名称、设备型号、设备类别、生产厂家等基本信息；设备状态停用、在用、启用、领用时间的设置；对仪器设备各种信息进行逐一录入即可实现仪器和设备维护。

②当设备基本信息录入或者修改完成后，点击“删除”“保存”按钮。完成设备信息的操作并将数据保存到系统数据库中，在页面上即可查看所有设备台账信息。

③当设备的信息存入系统后，实验室管理员输入设备编号或名称即可查询设备信息及使用状态。设备借用模块与维修模块，教师及学生可提交借用申请单，输入设备信息，实验室管理员可对信息进行查询。

3.3.3 实验耗材管理界面

实验耗材管理功能是系统的核心功能，尤其是危化品试剂耗材管理。实现对耗材的科学化管理，分析耗材管理的整个流程，从耗材的采购、入库、领用到归还，对此环节进行信息化的处理，真正实现耗材全流程的精细化、数字化管理。

3.3.4 实验课程管理界面

实验课程管理包括常规实验课程与开放性实验课程，常规实验课程管理模块可查看课程信息，可对课程进行二次排课，可通过微信端小程序或手机短信对教师及学生进行上课提醒；开放性实验课程管理模块，教师通过系统发布实验课程信息，学生可查看及预约课程，正式开课后为学生发送上课提醒信息。

3.3.5 数据决策管理界面

在数据决策管理方面，实验室中心主任管理人员、教务管理员可查询实验课程数据分布、实验物资库存情况、危险化学品领用情况、耗材预警情况，进行实验室实时动态控制和统计报告，及时做出重要决策。实验员对实验课程数据情况及实验耗材使用预警，掌握实验动态，及时做出调整。

4 总结与展望

4.1 总结

高校实验室是学校实践教学与科研的重要基地，承担着高校人才培养、技术创新、学科建设等多项重要任务，是学校高质量发展的重要力量。实验室运行与管理的科学性和高效性不仅影响人财物的投入，同时关系到人才培养，科研产出等方面。因此通过技术手段，实现实验室规范化管理，进一步优化资源配置，提升实验室管与服务效率，是目前高校实验室管理的需求。

笔者在实际调研中，前期对开发系统涉及的相关技术进行了研究，确定了以Java作为开发语言，Springboot为开发框架^[14]，结合HTML 语言以及Javascript+Bootstrap+CSS 客户端技术实现。结合基础医学实验室需求，使用用例建模方法对系统进行需求分析，绘制了系统的用例图并进行了详细的用例描述。依托以上工作成果进行系统功能模块设计与数据库设计。最后对系统各模块进行实现，测试了系统的主要功能。

该研究立足贵州医科大学基础医学实验中心，全面考察实验中心管理模式及需求，设计开发符合本学校特色需求的基础医学实验室信息化管理系统，是一次有意义的尝试。通过系统测试，基本解决笔者所在高校实验室管理方面存在的痛点问题，实现了实验室设备、耗材、流程等高效管理，满足了实验课程排课、实验数据决策等个性化需求，提升了实验课教学效果。

4.2 展望

目前基础医学实验室信息化管理系统，在开发过程中部分功能未能进行深入地研究和开发，尚有许多不足之处，许多功能还有待完善与加强。后续将从以下方面进行完善：

一方面从实验教学的角度，系统还需整合相关模块，比如实验教学平台、教务系统，为学生实验课教学提供更多资源。其次需广泛收集学生的反馈信息，建设系统和学生的信息通道，能够更好地为学生服务。

另一方面需要进一步扩大实验室系统应用范围，全面覆盖基础医学国家级实验教学示范中心其他实验室，如机能实验室、生化实验室、感染与免疫实验室等，更全面的实现信息共享、设备共享、数据共享,总结管理经验，在全校范围内推广，为学校实验教学提供更精准的数据决策。

参考文献

[1] 教育部. 教育部: 加强新时代教育管理信息化工作[J].现代教育技术, 2021, 31(3):1.

[2] 齐心, 孙剑萍. 双一流背景下高校实验室管理信息化平台的构建[J].信息记录材料, 2020, 21(5): 93-95.

[3] 吴小青. 基于B/S体系结构软件开发技术研究[D].无锡: 江南大学, 2008.

[4] 郭盛, 黄刚, 尹婵娟. 高校实验室信息管理系统的构建[J].实验技术与管理, 2019,36(5): 268-271.

[5] 丁美荣. 高校开放实验室管理系统的设计与实现[D].广州: 华南理工大学, 2011.

[6] 郭伟, 罗二平, 贾敏, 等. 医学计量实验室设备与教学管理系统设计与实现[J].中国医学装备, 2019, 16(5): 116-120.

[7] 刘文艳, 潘清, 杜菁, 等. 医学院校计算机教学实验室信息化建设的实践与探讨[J].中国医学教育技术, 2017, 31(4): 357-360.

[8] 邵维忠, 杨芙清. 面向对象的分析与设计[M].北京: 清华大学出版社, 2013: 65-90.

[9] 刁成嘉, 刁奕. UML系统建模与分析设计课程设计[M].北京: 机械工业出版社, 2008.

[10] 杨林海. 基于CDN的网站访问加速技术研究[J].江西科学, 2020, 38(2): 245-251.

[11] 王珊, 萨师煊. 数据库系统概论[M].北京: 高等教育出版社, 2006.

[12] 钟仙. 实验室管理信息系统的设计与实现[D].成都: 电子科技大学, 2018.

[13] 杜朋. 基于“互联网+”的高校开放实验室管理系统研究[D].淮南: 安徽理工大学, 2018.

[14] 王岩, 朱淼, 叶萌, 等. 基于企业微信的开课任务信息推送系统设计与应用[J].中国医学教育技术, 2022, 36(5): 575-580.

基金资助

2023年教育部“5G+智慧教育”应用试点项目“贵州医科大学融合运用‘5G+智慧医学教育’的创新与实践”(工信厅联通信函〔2022〕39号)

2020年贵州省高等学校教学内容和课程体系改革项目“对口支援条件下卓越医学人才培养体系的建设与实践”(2020074)

2023年贵州省高等学校教学内容和课程体系改革项目“教育数字化转型背景下，教师数字能力提升研修模式构建与实践”(2023126)