疫苗的冷链安全为全球性问题，电子疫苗热敏感标签（eVVM）可对疫苗温度进行实时监控，并进行“预警”提示。为综合评价 eVVM 的监测效能，本研究在不同产品批次中随机抽取 75 个 eVVM 标签，将其与四种不同类型共 600 个疫苗温度指示标签（VVM）平均分配到不同的实验环境中（2～8℃、−20℃ 以及 40℃），采用温度记录仪作为对照。结果显示，eVVM 标签、VVM 标签在高温温度监测方面的精确度与温度记录仪具有很好的一致性（P = 0.195），且 eVVM 标签在低温异常和高温异常的正确率均为 100%，优于 VVM 标签。因此，我们认为 eVVM 标签有较高的精确度，对于进一步提高冷链的监测效率及准确度均具有良好的应用前景。
引用本文： 陈小芳, 刘建忠, 姚千予, 陈贤义. 电子疫苗热敏感标签监测效果评价. 生物医学工程学杂志, 2021, 38(1): 154-160. doi: 10.7507/1001-5515.202011038 复制
引言
疫苗是预防、控制传染病传播和流行的重要生物制品[1-2]。绝大多数疫苗在制造、运输、储存及运输过程中均需要在 2～8℃ 的冷链中进行[3-4]。疫苗的储存和冷链管理作为免疫规划工作的重要内容，关系到疫苗的质量以及预防接种的效果和安全性[5-6]。2016 年 3 月曝光的“山东问题疫苗”事件曾引起了公众的恐慌并对疫苗的信任大打折扣。为了更好地监控疫苗的冷链，确保疫苗的质量，避免疫苗资源浪费，中义（北京）健康研究院研发了电子疫苗热敏感标签（electronic vaccine vial monitor，eVVM）以实时监测冷链温度异常现象。为评价 eVVM 的使用效果，本研究进行了三种不同温度下的实验，并将其监测结果与温度记录仪以及疫苗温度指示标签（vaccine vial monitor，VVM）[7]的检测结果进行比较，以综合评价 eVVM 的监测效能。
1 产品设计及工作原理
1.1 产品设计
eVVM 是由具有微电脑、近场通信（Near Field Communication，NFC）、存储单元、加密电路、传感器等五部分组成的单片机（见图 1）加天线和电池组成（见图 2）。
图1
芯片内部结构图
Figure1.
Internal structure of chip
图2
产品示意图
Figure2.
Product diagram
1.2 工作原理
芯片内置的微处理器按事先设定的时间间隔，定时给传感器发指令，采集传感器传回的温度数据，存储数据，按事先设定的时间间隔，时钟再次启动传感器，存储数据，循环往复，直至收到停止采集数据的指令。
权限密钥管理：授权的普通用户有效读取次数限 1 次，读取数据后设备停止工作。
数据采集和存储：标签自带二维编码，具备 NFC 无线通信功能的手机通过扫描标签上的二维码，下载应用程序。启动程序，读取标签唯一代码及温度数据，由手机程序用 WIFI 或 SIM 卡上传数据，自动生成温度-时间曲线 PDF 图，发送到用户指定的文件存储位置待查。
2 方法
2.1 材料
eVVM 标签由中义（北京）健康研究院研发提供，共 75 个；温度记录仪购买于深圳拓普瑞电子有限公司（型号：TP500V3.0），在实验前已获得国家颁发的校准证书，证书编号为 YC2027197560O10-07；VVM 标签由 TEMPTIME 公司出品，有 VVM2、VVM7、VVM14 和 VVM30 四种类型，每种类型 150 个。eVVM 标签和 VVM 标签均通过随机数字表法平均分配到 2～8℃ 冰箱、40℃ 烘箱、−20℃ 冰柜中，同时在实验环境中放置温度记录仪。
2.2 温度异常判断
如图 3 所示，eVVM 配套软件扫描标签后若界面显示“预警”则提示标签环境温度异常，若界面显示“通过”则表示标签环境温度符合要求；VVM 标签正方形活性区域颜色与参照圆圈颜色相同或深于参照圆圈颜色时，热敏标签到达终点，提示环境温度异常，若正方形颜色比圆圈浅则表示温度符合要求，见图 4。
图3
eVVM 配套软件扫描界面
Figure3.
Scanning interface of eVVM label supporting software
图4
VVM 标签变色示意图
Figure4.
Color change diagram of VVM label
2.3 统计学分析
采用 Excel 2007 建立数据库，使用 SAS 9.4 统计软件对数据进行描述及分析。因数据不服从正态分布，故温度值均用中位数（四分位数间距）表示，eVVM 标签记录的数据及温度记录仪记录的数据之间的差异用 Wilcoxon 符号秩和检验进行比较，P < 0.05 则认为差异有统计学意义。
3 结果
3.1 eVVM 监测的精准度评价
3.1.1 冷藏温度（2～8℃）监测情况
对 eVVM 标签监测冷藏温度与温度记录仪监测冷藏温度的结果绘制曲线并进行比较，eVVM 标签监测的平均温度、温度最低值、温度最高值均高于温度记录仪监测的温度（W 值 = 29 126.5，P < 0.001），但仍然在规定范围内（2～8℃）。需要提出的是，eVVM 标签记录数据的四分位数间距小于温度记录仪记录数据的四分位数间距，从图中也可看出标签记录数据的波动范围小于温度记录仪记录数据的波动范围，提示标签记录温度的稳定性良好。结果见图 5 及表 1。
表1
2～8℃ 环境下 eVVM 标签与温度记录仪监测结果比较
Table1.
Comparison of monitoring results between eVVM lables and temperature recorder（2–8℃）
图5
2～8℃ 环境下 eVVM 标签与温度记录仪监测结果的曲线图
Figure5.
Monitoring results of eVVM labels and temperature recorder (2–8℃)
3.1.2 冷冻温度（−20℃）监测情况
如图 6 及表 2 所示，eVVM 标签监测的平均温度、温度最低值、温度最高值均高于温度记录仪监测的温度，统计分析显示二者间具有显著差异（W 值 = 28 476.5，P < 0.001）。与前述结果类似，eVVM 标签记录数据的四分位数间距小于温度记录仪记录数据的四分位数间距，且在曲线图中也可看出 eVVM 标签监测数据的波动范围小于温度记录仪，提示标签记录温度的稳定性良好。
表2
eVVM 标签与温度记录仪监测冷冻温度结果比较（−20℃）
Table2.
Comparison of monitoring results between eVVM lables and temperature recorder (−20℃)
图6
−20℃ 环境下 eVVM 标签与温度记录仪监测结果的曲线图
Figure6.
Monitoring results of eVVM labels and temperature recorder (−20℃)
3.1.3 高温温度（40℃）监测情况
对 eVVM 标签监测高温温度与温度记录仪监测高温温度的结果绘制曲线并进行比较，两种测量手段所记录的最低值和最高值均很接近，统计分析结果显示两组之间无明显差异（W 值 = 2 322.5，P = 0.195）。说明 eVVM 标签在高温温度监测方面精确度与温度记录仪一致，结果见图 7 及表 3。
表3
eVVM 标签与温度记录仪监测高温温度结果比较（40℃）
Table3.
Comparison of monitoring results between eVVM lables and temperature recorder (40℃)
图7
40℃ 环境下 eVVM 标签与温度记录仪监测结果的曲线图
Figure7.
Monitoring results of eVVM labels and temperature recorder (40℃)
3.2 eVVM 标签及 VVM 标签的环境温度监测结果比较
3.2.1 eVVM 标签异常事件（标签异常、温度记录时间不足、标签无响应）的发生情况及环境温度监测结果
eVVM 标签每 20～30 min 自动记录上传一次环境温度信息，共模拟了三个环境温度，每个环境模拟一周。在 75 个标签中出现了 5 个标签异常的情况，概率为 6%，其他可能出现的设备异常事件如温度时间记录不足、标签无响应等均未发生。在设定正常温度为 2～8℃ 的条件下，辨别出低温异常和高温异常的正确率均为 100%，结果见表 4。
表4
不同温度环境下 eVVM 标签的异常事件发生情况
Table4.
Abnormal events occurrence of eVVM lables in different temperature environments
3.2.2 VVM 标签的环境温度监测结果
VVM2、VVM7、VVM14 及 VVM30 四种类型的疫苗热敏标签 37℃ 下理论失效时间分别为 2、7、14、30 天，如表 5 所示，在冷藏温度下，四种标签均 100% 分辨正确；在冷冻温度下，四种标签均未能识别环境温度的异常；在高温温度下，除了 VVM30，其余三种标签均正确识别出了环境温度的异常。
表5
不同温度环境下 VVM 标签的监测结果
Table5.
Monitoring results of VVM labels under different temperature conditions
4 讨论
传染性疾病传播性强，传播途径多样，一旦暴发，严重影响人民群众的健康与生活，造成的危害不可估量。2019 年底，新冠肺炎疫情暴发，该疫情的全球风险级别在短短两个月内就被世界卫生组织（World Health Organization，WHO）上调到了“非常高”，并于 2020 年 3 月 12 日被定义为“大流行”[8-9]。面对紧张的疫情防控形势，虽然各国采取了“阻隔”作为短期防控措施，但从长远角度来讲，一种安全有效的疫苗对于控制疫情和防止再次暴发具有重要意义[10-11]。据 WHO 的统计显示，截至 2020 年 3 月 21 日，全球进行新冠疫苗的研发项目已有 50 个疫苗，几乎涵盖了目前疫苗研究的所有形式，包括灭活疫苗、重组蛋白疫苗、病毒载体疫苗等[12-13]。作为一种对温度敏感的生物制剂，过冷或过热均可能降低疫苗效价，增加人体接种的风险[14-15]，因此，对疫苗冷链监测系统的研究及改良，不仅是疫苗领域的研究热点，也是疫情防控下的当务之急。2008 年，李伟松团队[16]提出了运用信息化手段建设疫苗冷链监测系统来完善疫苗流通监管的设想。随后，越来越多的监测手段被研发出来用于监测疫苗的质量，其中 WHO 制定的 VVM2、VVM7、VVM14 与 VVM30 最为常用[17]。VVM 通过热敏变色标签使工作人员通过观察标签颜色判定疫苗是否可继续使用[18]，但该类非电子型疫苗温度监测标签仅能监测疫苗累积的超温暴露结果，无法识别低温暴露，且对于超温暴露的环节和时间及高风险因素无法知晓，无法为提高冷链运转效率提供证据[19-20]。此外，VVM 不能做到实时监测，在发生温度异常时，不能报警。中义（北京）健康研究院研发了 eVVM 电子疫苗热敏感标签，该产品可以记录具体的温度数值，不仅可以监测疫苗冷链环境温度是否存在高低温异常，还能够定量监测温度，追溯整个疫苗冷链运输过程中出现的薄弱环节而加以改善。
为了综合评价 eVVM 的温度监测效果，本文首先比较了 eVVM 标签与温度记录仪记录的数据，结果显示，在冷藏温度（2～8℃）及冷冻温度（− 20℃）下，eVVM 标签所记录的温度均略高于温度记录仪，但冷藏环境所记录的温度波动均在规定范围内。高温温度下，eVVM 标签所记录的数据和温度记录仪相比，差异无统计学意义，说明 eVVM 标签在高温温度监测方面具有良好的精确度。
本文还对 eVVM 标签可能出现的设备异常情况进行了评判，在实验所使用的 75 个标签中，仅 5 个（6%）出现了标签异常情况。与此同时，eVVM 标签对于低温温度及高温温度的正确辨别能力均为 100%。而相比之下，四种 VVM 标签在冷冻环境下均未正确辨别环境异常，在高温环境下，VVM30 也未正确判断环境异常。因此，我们认为 eVVM 标签不仅适用于普通环境，也适用于气温较为严峻的环境，因此在提高冷链监测效率及准确度方面具有良好的应用前景。
综上所述，eVVM 标签有较高的监测精确度，且相比传统的人工管理及 VVM 标签，具有定量、直观以及 24 小时不间断记录数据的优势，对避免由于冷链过程异常温度导致的疫苗效价降低等均具有良好的监测作用。因此 eVVM 标签不仅有利于进一步保证疫苗接种安全，而且也能够为相关部门对疫苗储存及流转进行全流程的精准监管提供依据，值得推广与应用。
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
引言
疫苗是预防、控制传染病传播和流行的重要生物制品[1-2]。绝大多数疫苗在制造、运输、储存及运输过程中均需要在 2～8℃ 的冷链中进行[3-4]。疫苗的储存和冷链管理作为免疫规划工作的重要内容，关系到疫苗的质量以及预防接种的效果和安全性[5-6]。2016 年 3 月曝光的“山东问题疫苗”事件曾引起了公众的恐慌并对疫苗的信任大打折扣。为了更好地监控疫苗的冷链，确保疫苗的质量，避免疫苗资源浪费，中义（北京）健康研究院研发了电子疫苗热敏感标签（electronic vaccine vial monitor，eVVM）以实时监测冷链温度异常现象。为评价 eVVM 的使用效果，本研究进行了三种不同温度下的实验，并将其监测结果与温度记录仪以及疫苗温度指示标签（vaccine vial monitor，VVM）[7]的检测结果进行比较，以综合评价 eVVM 的监测效能。
1 产品设计及工作原理
1.1 产品设计
eVVM 是由具有微电脑、近场通信（Near Field Communication，NFC）、存储单元、加密电路、传感器等五部分组成的单片机（见图 1）加天线和电池组成（见图 2）。
图1
芯片内部结构图
Figure1.
Internal structure of chip
图2
产品示意图
Figure2.
Product diagram
1.2 工作原理
芯片内置的微处理器按事先设定的时间间隔，定时给传感器发指令，采集传感器传回的温度数据，存储数据，按事先设定的时间间隔，时钟再次启动传感器，存储数据，循环往复，直至收到停止采集数据的指令。
权限密钥管理：授权的普通用户有效读取次数限 1 次，读取数据后设备停止工作。
数据采集和存储：标签自带二维编码，具备 NFC 无线通信功能的手机通过扫描标签上的二维码，下载应用程序。启动程序，读取标签唯一代码及温度数据，由手机程序用 WIFI 或 SIM 卡上传数据，自动生成温度-时间曲线 PDF 图，发送到用户指定的文件存储位置待查。
2 方法
2.1 材料
eVVM 标签由中义（北京）健康研究院研发提供，共 75 个；温度记录仪购买于深圳拓普瑞电子有限公司（型号：TP500V3.0），在实验前已获得国家颁发的校准证书，证书编号为 YC2027197560O10-07；VVM 标签由 TEMPTIME 公司出品，有 VVM2、VVM7、VVM14 和 VVM30 四种类型，每种类型 150 个。eVVM 标签和 VVM 标签均通过随机数字表法平均分配到 2～8℃ 冰箱、40℃ 烘箱、−20℃ 冰柜中，同时在实验环境中放置温度记录仪。
2.2 温度异常判断
如图 3 所示，eVVM 配套软件扫描标签后若界面显示“预警”则提示标签环境温度异常，若界面显示“通过”则表示标签环境温度符合要求；VVM 标签正方形活性区域颜色与参照圆圈颜色相同或深于参照圆圈颜色时，热敏标签到达终点，提示环境温度异常，若正方形颜色比圆圈浅则表示温度符合要求，见图 4。
图3
eVVM 配套软件扫描界面
Figure3.
Scanning interface of eVVM label supporting software
图4
VVM 标签变色示意图
Figure4.
Color change diagram of VVM label
2.3 统计学分析
采用 Excel 2007 建立数据库，使用 SAS 9.4 统计软件对数据进行描述及分析。因数据不服从正态分布，故温度值均用中位数（四分位数间距）表示，eVVM 标签记录的数据及温度记录仪记录的数据之间的差异用 Wilcoxon 符号秩和检验进行比较，P < 0.05 则认为差异有统计学意义。
3 结果
3.1 eVVM 监测的精准度评价
3.1.1 冷藏温度（2～8℃）监测情况
对 eVVM 标签监测冷藏温度与温度记录仪监测冷藏温度的结果绘制曲线并进行比较，eVVM 标签监测的平均温度、温度最低值、温度最高值均高于温度记录仪监测的温度（W 值 = 29 126.5，P < 0.001），但仍然在规定范围内（2～8℃）。需要提出的是，eVVM 标签记录数据的四分位数间距小于温度记录仪记录数据的四分位数间距，从图中也可看出标签记录数据的波动范围小于温度记录仪记录数据的波动范围，提示标签记录温度的稳定性良好。结果见图 5 及表 1。
表1
2～8℃ 环境下 eVVM 标签与温度记录仪监测结果比较
Table1.
Comparison of monitoring results between eVVM lables and temperature recorder（2–8℃）
图5
2～8℃ 环境下 eVVM 标签与温度记录仪监测结果的曲线图
Figure5.
Monitoring results of eVVM labels and temperature recorder (2–8℃)
3.1.2 冷冻温度（−20℃）监测情况
如图 6 及表 2 所示，eVVM 标签监测的平均温度、温度最低值、温度最高值均高于温度记录仪监测的温度，统计分析显示二者间具有显著差异（W 值 = 28 476.5，P < 0.001）。与前述结果类似，eVVM 标签记录数据的四分位数间距小于温度记录仪记录数据的四分位数间距，且在曲线图中也可看出 eVVM 标签监测数据的波动范围小于温度记录仪，提示标签记录温度的稳定性良好。
表2
eVVM 标签与温度记录仪监测冷冻温度结果比较（−20℃）
Table2.
Comparison of monitoring results between eVVM lables and temperature recorder (−20℃)
图6
−20℃ 环境下 eVVM 标签与温度记录仪监测结果的曲线图
Figure6.
Monitoring results of eVVM labels and temperature recorder (−20℃)
3.1.3 高温温度（40℃）监测情况
对 eVVM 标签监测高温温度与温度记录仪监测高温温度的结果绘制曲线并进行比较，两种测量手段所记录的最低值和最高值均很接近，统计分析结果显示两组之间无明显差异（W 值 = 2 322.5，P = 0.195）。说明 eVVM 标签在高温温度监测方面精确度与温度记录仪一致，结果见图 7 及表 3。
表3
eVVM 标签与温度记录仪监测高温温度结果比较（40℃）
Table3.
Comparison of monitoring results between eVVM lables and temperature recorder (40℃)
图7
40℃ 环境下 eVVM 标签与温度记录仪监测结果的曲线图
Figure7.
Monitoring results of eVVM labels and temperature recorder (40℃)
3.2 eVVM 标签及 VVM 标签的环境温度监测结果比较
3.2.1 eVVM 标签异常事件（标签异常、温度记录时间不足、标签无响应）的发生情况及环境温度监测结果
eVVM 标签每 20～30 min 自动记录上传一次环境温度信息，共模拟了三个环境温度，每个环境模拟一周。在 75 个标签中出现了 5 个标签异常的情况，概率为 6%，其他可能出现的设备异常事件如温度时间记录不足、标签无响应等均未发生。在设定正常温度为 2～8℃ 的条件下，辨别出低温异常和高温异常的正确率均为 100%，结果见表 4。
表4
不同温度环境下 eVVM 标签的异常事件发生情况
Table4.
Abnormal events occurrence of eVVM lables in different temperature environments
3.2.2 VVM 标签的环境温度监测结果
VVM2、VVM7、VVM14 及 VVM30 四种类型的疫苗热敏标签 37℃ 下理论失效时间分别为 2、7、14、30 天，如表 5 所示，在冷藏温度下，四种标签均 100% 分辨正确；在冷冻温度下，四种标签均未能识别环境温度的异常；在高温温度下，除了 VVM30，其余三种标签均正确识别出了环境温度的异常。
表5
不同温度环境下 VVM 标签的监测结果
Table5.
Monitoring results of VVM labels under different temperature conditions
4 讨论
传染性疾病传播性强，传播途径多样，一旦暴发，严重影响人民群众的健康与生活，造成的危害不可估量。2019 年底，新冠肺炎疫情暴发，该疫情的全球风险级别在短短两个月内就被世界卫生组织（World Health Organization，WHO）上调到了“非常高”，并于 2020 年 3 月 12 日被定义为“大流行”[8-9]。面对紧张的疫情防控形势，虽然各国采取了“阻隔”作为短期防控措施，但从长远角度来讲，一种安全有效的疫苗对于控制疫情和防止再次暴发具有重要意义[10-11]。据 WHO 的统计显示，截至 2020 年 3 月 21 日，全球进行新冠疫苗的研发项目已有 50 个疫苗，几乎涵盖了目前疫苗研究的所有形式，包括灭活疫苗、重组蛋白疫苗、病毒载体疫苗等[12-13]。作为一种对温度敏感的生物制剂，过冷或过热均可能降低疫苗效价，增加人体接种的风险[14-15]，因此，对疫苗冷链监测系统的研究及改良，不仅是疫苗领域的研究热点，也是疫情防控下的当务之急。2008 年，李伟松团队[16]提出了运用信息化手段建设疫苗冷链监测系统来完善疫苗流通监管的设想。随后，越来越多的监测手段被研发出来用于监测疫苗的质量，其中 WHO 制定的 VVM2、VVM7、VVM14 与 VVM30 最为常用[17]。VVM 通过热敏变色标签使工作人员通过观察标签颜色判定疫苗是否可继续使用[18]，但该类非电子型疫苗温度监测标签仅能监测疫苗累积的超温暴露结果，无法识别低温暴露，且对于超温暴露的环节和时间及高风险因素无法知晓，无法为提高冷链运转效率提供证据[19-20]。此外，VVM 不能做到实时监测，在发生温度异常时，不能报警。中义（北京）健康研究院研发了 eVVM 电子疫苗热敏感标签，该产品可以记录具体的温度数值，不仅可以监测疫苗冷链环境温度是否存在高低温异常，还能够定量监测温度，追溯整个疫苗冷链运输过程中出现的薄弱环节而加以改善。
为了综合评价 eVVM 的温度监测效果，本文首先比较了 eVVM 标签与温度记录仪记录的数据，结果显示，在冷藏温度（2～8℃）及冷冻温度（− 20℃）下，eVVM 标签所记录的温度均略高于温度记录仪，但冷藏环境所记录的温度波动均在规定范围内。高温温度下，eVVM 标签所记录的数据和温度记录仪相比，差异无统计学意义，说明 eVVM 标签在高温温度监测方面具有良好的精确度。
本文还对 eVVM 标签可能出现的设备异常情况进行了评判，在实验所使用的 75 个标签中，仅 5 个（6%）出现了标签异常情况。与此同时，eVVM 标签对于低温温度及高温温度的正确辨别能力均为 100%。而相比之下，四种 VVM 标签在冷冻环境下均未正确辨别环境异常，在高温环境下，VVM30 也未正确判断环境异常。因此，我们认为 eVVM 标签不仅适用于普通环境，也适用于气温较为严峻的环境，因此在提高冷链监测效率及准确度方面具有良好的应用前景。
综上所述，eVVM 标签有较高的监测精确度，且相比传统的人工管理及 VVM 标签，具有定量、直观以及 24 小时不间断记录数据的优势，对避免由于冷链过程异常温度导致的疫苗效价降低等均具有良好的监测作用。因此 eVVM 标签不仅有利于进一步保证疫苗接种安全，而且也能够为相关部门对疫苗储存及流转进行全流程的精准监管提供依据，值得推广与应用。
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
