CN112862297B - 一种病原微生物物联网实时监测系统 - Google Patents

一种病原微生物物联网实时监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种病原微生物物联网实时监测系统，涉及病原微生物监测技术领域。包括荧光检测模块，对样本进行PCR扩增，并检测每一PCR扩增循环的荧光均值；数据传输模块，将检测到的荧光均值传输至数据处理模块；数据处理模块，基于移动窗口计算，动态计算每一移动窗口内荧光均值的扩增指数；第一判断模块，当扩增指数满足预先设定的阈值时，则判断该样本的检测结果为阳性；预警模块，当检测出样本为阳性时，发出警报并将检测结果上传至疾控中心。本发明采用将病原微生物的检测与物联网相结合，既免去了人工记录数据的繁琐性，又保证了数据的及时性，可以在最快时间内实现预警和防控措施。

Description

一种病原微生物物联网实时监测系统
技术领域
本发明涉及病原微生物监测技术领域，尤其涉及一种病原微生物物联网实时监测系统。
背景技术
病原微生物是引起感染甚至传染病的微生物，在传染病的防治体系中，监测病原微生物起着至关重要的作用。
当前的病原微生物监测系统都是通过检测设备对样品进行检测后，得到实验数据再人工录入系统进行上报。检测设备多是无网络功能，而且检测操作复杂，对人员专业要求较高；检测完成后，设备只能本地生成检测报告，不能实时传输数据；实验员需要一个个实验收集报告，整理后再人工录入进行汇报，整个监测体系流程受人为因素影响太大，数据的真实性和时效性很难保证。当前的病原微生物监测系统过于复杂，从实验操作到结果汇报都很容易受人为因素影响，难以保证收集到的检测结果真实有效，大大增加了传染病的及时防控的难度。因此，如何在病原微生物检测后，实现准确的判断，及时有效地实现疫情的监控预警，便于后期指导疫情防控是亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种病原微生物物联网实时监测系统，基于物联网实现病原微生物的实时监测，实现及时预警，指导疫情防控的效果。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种病原微生物物联网实时监测系统，包括荧光检测模块、数据传输模块、数据处理模块、第一判断模块、预警模块；
所述荧光检测模块，对样本进行PCR扩增，并检测每一PCR扩增循环的荧光均值；
所述数据传输模块，将检测到的荧光均值传输至数据处理模块；
所述数据处理模块，基于移动窗口计算，动态计算每一移动窗口内荧光均值的扩增指数；
第一判断模块，当扩增指数满足预先设定的阈值时，则判断该样本的检测结果为阳性；
预警模块，当检测出样本为阳性时，发出警报并将检测结果上传至疾控中心。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用将病原微生物的检测与物联网相结合，既免去了人工记录数据的繁琐性，又保证了数据的及时性；同时，本发明采用移动窗口的方式进行阳性判断，使得没输出一次荧光均值，便可以实现一次判断，可以在最快时间内实现预警和防控措施。
进一步的，所述数据处理模块的具体处理步骤如下：
CL1，取第i次荧光均值至第i+k次荧光均值作为第i组判断数据；
CL2，计算第j次荧光均值相对于第i次荧光均值的增量ΔRij：
ΔRij＝Ri+j-Ri
其中，Ri为第i次荧光均值，1≤j≤k；
CL3，另K＝[1,k]为横坐标，ln(ΔRij)为纵坐标作图；
CL4，求解第i组判断数据的扩增指数，包括变异指数CVi、斜率slopei和相关性指数ρi：
Figure BDA0002929607310000021
Figure BDA0002929607310000022
Figure BDA0002929607310000023
其中，Cov(K,ln(ΔRij))为K和ln(ΔRij)的协方差，Var[K]为K的方差，Var[ln(ΔRij)]为ln(ΔRij)的方差。
进一步的，所述第一判断模块的判断标准为：当变异指数CVi、斜率slopei、相关性指数ρi同时大于相应的阈值时，则判断该样本为阳性。
进一步的，变异指数CVi的阈值为0.044，斜率slopei的阈值为0.235，相关性指数ρi的阈值为0.963。
进一步的，还包括定位模块，所述定位模块定时检测地理位置，并将所述地理位置随检测结果一同上传，实现阳性样本的定位统计。
进一步的，所述疾控中心设置行政区域划分模块、地图标记模块、第二判断模块、第三判断模块；便于对不同级别的行政区域进行预警提示。
所述行政区域划分模块，将电子地图按照不同级别的行政区域进行划分；
所述地图标记模块，提取检测结果对应的地理位置，将其标记在电子地图上对应的行政区域内；
所述第二判断模块，针对最低级别的行政区域，统计该行政区域内的阳性样本数量，若大于设定的最低级别阈值，则将该最低级别的行政区域标记为高风险区；
所述第三判断模块，统计其他级别的行政区域，统计该行政区域内的阳性样本数量，若大于设定的对应级别阈值，则计算其下属的次一级行政区域中高风险区分布的均度，若均度大于设定的均度阈值，则将该其他级别的行政区域标记为高风险区。
进一步的，所述均度的计算方法如下：
TP1：统计当前级别的行政区域中下属被标记为高风险区的次一级行政区域；
TP2：若存在相邻的两个或两个以上的次一级行政区域为高风险区，作其共同外接圆；
TP3：计算均度ρ：
Figure BDA0002929607310000041
其中，S0为当前级别的行政区域面积；Ssingle为单一被标记为高风险区的次一级行政区域的面积；Scommon为共同外接圆的面积；Σ为求和运算符，计算多个面积的并集。
进一步的，还包括试剂瓶、与试剂瓶绑定的二维码、二维码识别模块；有效避免非专业操作人员设置试验参数的误操作。
所述试剂瓶，装有用于荧光检测的试剂；
所述二维码，作为所述试剂的唯一标识码，记录有该试剂的实验步骤、参数、检测病原类型和试剂的生产日期；
所述二维码识别模块，用于识别二维码并显示该二维码的记录内容。
进一步的，还包括模数转换模块，将荧光检测模块检测到的荧光均值的模拟信号转化为数字信号。
附图说明
图1为本发明一实施例的整体结构示意图。
图2为本发明一实施例的均度计算示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种病原微生物物联网实时监测系统，包括本地监测终端和疾控中心；所述本地监测终端实现本地的病原微生物检测并将检测结果传输至疾控中心，所述疾控中心对各个本地监测终端输送的检测结果进行汇总分析，实现及时的区域预警。
所述本地监测终端包括荧光检测模块、模数转换模块、数据传输模块、数据处理模块、第一判断模块、预警模块和定位模块。
所述荧光检测模块，对样本进行PCR扩增，并检测每一PCR扩增循环的荧光均值。荧光检测模块采用的光学传导及其检测方式是通过光纤系统传导，具有良好的导光性，使得在PCR扩增后，检测的荧光值更准确。并且在荧光检测环节，采用了日本滨松的硅光二极管。此传感器可靠性好，稳定性高等特点，可以提供给本发明性能上的一种保证。
另外本硬件方案在性能控制上，主要是利用了主控芯片的控制温度算法以及荧光采集的转换算法，使得性能稳定，具体体现在孔间差控制在3％以内，稳定性CV控制在3％以内。温度控制精度高达到1度偏差范围，主要是采用了成熟的传感器PT100(A级偏差)，可提供给系统更好的控制温度。操作系统上选择的是安卓4.4系统，具有性能稳定，技术成熟等优点，可提供给用户优越的操作体验。
本硬件方案所有模块单独具备控制芯片，模块间通过UART串口进行通信，使得系统稳定，连接线材数量少等优点。合计控制模块有3个，一个是温度控制模块，一个是LED灯激发光控制模块，一个是中控板模块，包括了荧光采集模组以及热盖温度控制模组。
实验过程中，每一PCR扩增循环读取6次荧光值，并对这6次荧光值取均值以减小数据误差。
值得一提的是，在病原微生物检测时，对于所采用试剂有严格的要求，通常需要经长时间训练的工作人员进行辨别和操作，在大面积出现疫情的情况下，难免会出现专业人员短缺的情况。于本发明另一实施例中，还包括试剂瓶、与试剂瓶绑定的二维码、二维码识别模块；有效避免非专业操作人员设置试验参数的误操作。所述试剂瓶，装有用于荧光检测的试剂；二维码，作为所述试剂的唯一标识码贴覆于试剂瓶上，记录有该试剂的实验步骤、参数、检测病原类型和试剂的生产日期；二维码识别模块，用于识别二维码并显示该二维码的记录内容。从而使非专业人员亦能够通过简单的培训便可使用病原微生物检测仪器，还可通过试剂的生产日期，筛选出长时间未使用的试剂将之作废，避免因使用失效试剂导致实验失误的情况。
所述模数转换模块，将荧光检测模块检测到的荧光均值的模拟信号转化为数字信号。
所述数据传输模块，将检测到的荧光均值传输至数据处理模块。
所述数据处理模块，基于移动窗口计算，动态计算每一移动窗口内荧光均值的扩增指数；
具体的，所述数据处理模块的具体处理步骤如下：
CL1，取第i次荧光均值至第i+k次荧光均值作为第i组判断数据；例如，完成一次实验大概需要40-50分钟，每次实验会通过串口传输40次的荧光均值，k取4。则从第1次荧光均值开始到第5个荧光均值作为第1组判断数据，以此类推2-6次的荧光均值作为第2组判断数据，3-7次的荧光均值作为第3组判断数据，一直到36-40次的荧光均值作为第36组判断数据，一共有36组判断数据。针对每一组判断数据依次进行如下CL2至CL4的处理步骤：
CL2，计算第j次荧光均值相对于第i次荧光均值的增量ΔRij：
ΔRij＝Ri+j-Ri
其中，Ri为第i次荧光均值，1≤j≤k；
CL3，另K＝[1,k]为横坐标，ln(ΔRij)为纵坐标作图；
CL4，求解第i组判断数据的扩增指数，包括变异指数CVi、斜率slopei和相关性指数ρi：
Figure BDA0002929607310000071
Figure BDA0002929607310000072
Figure BDA0002929607310000073
其中，Cov(K,ln(ΔRij))为K和ln(ΔRij)的协方差，Var[K]为K的方差，Var[ln(ΔRij)]为ln(ΔRij)的方差。
至此，在每次传输一次荧光均值，会得到一组扩增指数。
第一判断模块，当变异指数CVi、斜率slopei、相关性指数ρi同时大于相应的阈值时，则判断该样本的检测结果为阳性。优选的，变异指数CVi的阈值为0.044，斜率slopei的阈值为0.235，相关性指数ρi的阈值为0.963。因此，在每一个PCR扩增循环输出一个荧光均值的时候，便可输出一次检测结果，可在第一时间将检测结果为阳性的样本数据筛选出，进行及时的预警的防控措施。
预警模块，当检测出样本为阳性时，发出警报并将检测结果上传至疾控中心。
定位模块，定时检测地理位置，并将所述地理位置随检测结果一同上传，用于实现阳性样本的定位统计，便于后期的区域预警。
所述疾控中心设置电子地图、行政区域划分模块、地图标记模块、第二判断模块、第三判断模块；便于对不同级别的行政区域进行预警提示。
所述行政区域划分模块，将电子地图按照不同级别的行政区域进行划分，具体行政区域划分内容根据不同地区为准，以下以省、市、县、镇、乡、村的级别划分为例进行说明。
所述地图标记模块，提取检测结果对应的地理位置，将其标记在电子地图上对应的行政区域内。
所述第二判断模块，针对最低级别的行政区域(村)，统计该行政区域内的阳性样本数量，若大于设定的最低级别阈值，则将该最低级别的行政区域标记为高风险区。如，设定的最低级别阈值为5，则当某一个村内病原微生物检测结果为阳性的样本数量达到6人时，则将该村标记为高风险区。
所述第三判断模块，统计其他级别的行政区域，统计该行政区域内的阳性样本数量，若大于设定的对应级别阈值，则计算其下属的次一级行政区域中高风险区分布的均度，若均度大于设定的均度阈值，则将该其他级别的行政区域标记为高风险区。如，某乡的乡级阈值设定为20人，均度阈值设置为0.5。则当下属于该乡的所有村的阳性样本总数达到21人，并且该些村的高风险区分布的均度达到0.5以上时，将该乡标记为高风险区；镇、县、市、省的高风险标记亦同理。
于本实施例中，所述均度用于表征该行政区域内下属的次一级行政区域中高风险区的均匀度。均度越小，反映了病原微生物的阳性样本越集中，仅发生于几个特定的村，此时不宜将该乡标记为高风险区，否则会造成防控人员和物资分配不当。反之，均度越大，反映了病原微生物的阳性样本分布越广，此时，仅集中对几个村进行防控显然是不够的，而应当对整个乡进行防控。
具体的，所述均度的计算方法如下：
TP1：统计当前级别的行政区域中下属被标记为高风险区的次一级行政区域。如图2所示，某乡包括A1至A12共计12个村，其中A3、A6、A7、A12为高风险区。
TP2：若存在相邻的两个或两个以上的次一级行政区域为高风险区，作其共同外接圆；图2中的A3、A6、A7存在相互接壤的地理关系，因此作其共同外接圆。
TP3：计算均度ρ：
Figure BDA0002929607310000091
其中，S0为当前级别的行政区域面积；Ssingle为单一被标记为高风险区的次一级行政区域的面积；Scommon为共同外接圆的面积；Σ为求和运算符，计算多个面积的并集。于本实施例中，先独立计算所有单一被标记为高风险区的次一级行政区域的面积的第一并集，再独立计算所有共同外接圆的面积的第二并集，然后将该第一并集和第二并集再次求得第三并集。最后将该第三并集与该乡的总面积的交集作为分子，该乡的总面积作为分母求解得到均度ρ。此处之所以采用外接圆的面积表征相邻的两个或两个以上的次一级行政区域为高风险区的风险程度，是基于相邻的两个或两个以上的高风险区相互之间接壤，有潜在的大面积传染的隐患，因此以外接圆的面积代替其高风险区的面积总和，提高了其风险程度。
疾控中心可根据电子地图中标记的高风险区，按照实际情况进行合理的防控物资及人员的分配，避免疫情的进一步扩散。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (5)

1.一种病原微生物物联网实时监测系统，其特征在于，包括荧光检测模块、数据传输模块、数据处理模块、第一判断模块、预警模块；
所述荧光检测模块，对样本进行PCR扩增，并检测每一PCR扩增循环的荧光均值；
所述数据传输模块，将检测到的荧光均值传输至数据处理模块；
所述数据处理模块，基于移动窗口计算，动态计算每一移动窗口内荧光均值的扩增指数；
第一判断模块，当扩增指数满足预先设定的阈值时，则判断该样本的检测结果为阳性；
预警模块，当检测出样本为阳性时，发出警报并将检测结果上传至疾控中心；
所述数据处理模块的具体处理步骤如下：
CL1，取第i次荧光均值至第i+k次荧光均值作为第i组判断数据；
CL2，计算第j次荧光均值相对于第i次荧光均值的增量ΔRij：
ΔRij＝Ri+j-Ri
其中，Ri为第i次荧光均值，1≤j≤k；
CL3，另K＝[1,k]为横坐标，ln(ΔRij)为纵坐标作图；
CL4，求解第i组判断数据的扩增指数，包括变异指数CVi、斜率slopei和相关性指数ρi：
Figure FDA0003261956120000021
Figure FDA0003261956120000022
Figure FDA0003261956120000023
其中，Cov(K,ln(ΔRij))为K和ln(ΔRij)的协方差，Var[K]为K的方差，Var[ln(ΔRij)]为ln(ΔRij)的方差。
2.根据权利要求1所述的病原微生物物联网实时监测系统，其特征在于，所述第一判断模块的判断标准为：当变异指数CVi、斜率slopei、相关性指数ρi同时大于相应的阈值时，则判断该样本为阳性。
3.根据权利要求2所述的病原微生物物联网实时监测系统，其特征在于，变异指数CVi的阈值为0.044，斜率slopei的阈值为0.235，相关性指数ρi的阈值为0.963。
4.根据权利要求1所述的病原微生物物联网实时监测系统，其特征在于，还包括试剂瓶、与试剂瓶绑定的二维码、二维码识别模块；
所述试剂瓶，装有用于荧光检测的试剂；
所述二维码，作为所述试剂的唯一标识码，记录有该试剂的实验步骤、参数、检测病原类型和试剂的生产日期；
所述二维码识别模块，用于识别二维码并显示该二维码的记录内容。
5.根据权利要求1所述的病原微生物物联网实时监测系统，其特征在于，还包括模数转换模块，将荧光检测模块检测到的荧光均值的模拟信号转化为数字信号。
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