文章来源：中华检验医学杂志, 2024, 47(5): 526-535.
作者：赵晓晴 牛爱军 王小玲 任灵杰 毛海婷
摘要
目的
探讨患者数据实时质量控制（PBRTQC）的指数加权移动均值法（EWMA）在甲状腺功能检测质量控制中的应用价值。
方法
收集2022年12月1日至2023年4月30日山东大学第二医院住院及门诊患者的甲状腺功能检测结果进行数据的正态修正、参数设置、程序建立和实时运行。以2023年5月1日至8月31日所有进行甲状腺功能检测患者的结果作为验证数据集，统计患者甲状腺功能检测结果的EWMA估计值以及4个月的累积变异系数（ CV），将累积 CV与精密度质量目标（取1/3TEa）和室内质量控制（IQC）的 CV进行比较，采用Westgard 2-2s、1-3s规则进行警报设定，通过现场质量记录和仪器信息验证来监控EWMA实时控制图在甲状腺功能相关项目检测中的预警情况，并分析预警原因。所有数据采用DxLab Mind软件进行正态分布统计，对检测结果进行Kolmogorov-Smirnov检验。
结果
患者血清甲状腺功能相关项目均呈正偏态分布，通过Box-Cox方法对数据进行修正后，游离三碘甲状腺原氨酸（FT3）、游离甲状腺素（FT4）的PBRTQC数据呈正态分布，其4个月内EWMA的累积 CV分别为6.26%和2.86%，均小于该项目的精密度质量目标8.33%。但促甲状腺激素（TSH）、甲状腺过氧化物酶抗体（TPOAb）和甲状腺抗球蛋白抗体（TgAb）的数据经修正后仍呈正偏态分布，EWMA累积 CV分别为13.16%、15.31%和16.77%，分别大于TSH、TPOAb和TgAb的精密度质量目标8.33%、10%和10%。通过EWMA实时控制图可发现不同情况的失控报警，包括由于样本来源集中导致的FT4假报警以及试剂性能变化引起TSH结果偏移出现的失控报警。此外，EWMA实时控制图也能够发现不同仪器之间FT3结果的差异。
结论
基于PBRTQC专业智能软件工具建立的患者数据EWMA程序可实时、连续监控检测系统的患者数据，动态识别和监测分析过程中造成的误差并进行智能预警。可作为甲状腺功能项目，特别是FT3、FT4日常质控品质量控制的有益补充，具有较好的应用价值。
为患者的临床疾病诊断和治疗提供准确的实验数据以及对实验结果进行正确解释是临床医学实验室首先要保证的 ［ 1 ］ 。而贯穿临床检验全过程的质量控制是保证最终试验数据准确性、保护受试者安全和权利的重要途径和手段 ［ 2 ］ 。目前实验室的室内质量控制（internal quality control，IQC）主要是通过购买多浓度水平的质控品，在标本检测前对其上机分析，分析结果可自动呈现在控制图上，根据Westgard质控规则对其进行判读，符合规则要求表明质控品检测时间点的检测系统符合预想要求 ［ 3 ］ 。
然而适合所有项目的质控品是难以获得的，并且质控品本身成本相对较高，这就会导致质量成本的大幅增加。另外与真实的患者标本情况相比，质控品存在基质效应。目前临床实验室的绝大部分误差来源于检测过程的分析前和分析后阶段，而质控品针对的是分析中的误差并且无法连续监测质量 ［ 4 ］ 。从完善质量体系和降低质量成本等方面考虑，需要发展和设计提高质量控制监测成本效益的方法。
近几年，为了补充传统IQC的不足，一些实验室已经开始使用基于患者数据的实时质量控制（patient-based real-time quality control，PBRTQC）方法 ［ 5 , 6 ］ 。半个世纪以来，随着统计方法和信息技术的发展，PBRTQC不断改进，已经可以实现PBRTQC系统与检测系统和实验室信息系统交互，实现实时监控检测系统的稳定性 ［ 7 ］ 。PBRTQC包括多种运算程序，指数加权移动均值法（exponentially weighted moving average，EWMA）作为常见的方法之一，其主要是根据同一个移动段内不同时间的数据对预测值的影响程度，分别给予不同的权数，然后再进行平均移动以预测未来值 ［ 8 ］ 。加权移动平均法不像简单移动平均法那样，在计算平均值时对移动期内的数据同等看待，而是根据愈是近期数据对预测值影响愈大这一特点，不同地对待移动期内的各个数据。对近期数据给予较大的权数，对较远的数据给予较小的权数，这样来弥补简单移动平均法的不足 ［ 9 ］ 。然而，受限于准确性不足和算法复杂，指数加权移动均值法难以被医学实验室广泛采用。
本研究基于独立的PBRTQC专业智能软件工具监测患者的甲状腺功能检测结果，将PBRTQC与内部质控品质量控制相结合，以更低的成本和更高的效率评价患者数据对甲状腺功能项目进行实时、连续的室内质量监测的临床应用价值。该方法的使用不仅可以了解临床检验质量中存在的问题，还可以推进管理水平的提高和质监体系的完善，为进一步做好临床试验工作奠定了坚实的基础。
材料与方法
一、材料
收集来自山东大学第二医院就诊的门诊和住院患者甲状腺功能相关项目检测结果，患者样本在贝克曼全自动化学发光仪上检测分析。甲状腺功能相关项目包括：游离三碘甲状腺原氨酸（free triiodothyronine，FT3）、游离甲状腺素（free thyroxine，FT4）、促甲状腺激素（thyroid-stimulating hormone，TSH）、甲状腺过氧化物酶抗体（thyroid peroxidase antibodies，TPOAb）和甲状腺抗球蛋白抗体（thyroglobulin antibody，TgAb）。每日常规标本检测前测定双水平质控，当质控在控后检测当日临床样本。以2022年12月1日至2023年4月30日20 741份TSH样本、21 033份FT4样本、21 014份FT3样本、8 134份TgAb样本、8 091份TPOAb样本检测结果作为练习数据集，用于PBRTQC方法的参数设置和程序建立；以2023年5月1日至8月31日21 911份TSH样本、22 291份FT4样本、22 271份FT3样本、9 671份TgAb样本、9 638份TPOAb样本检测结果作为验证数据集，用于对PBRTQC实时质量控制程序的性能验证和实施效果评价。程序建立数据集与验证数据集总体分布一致。
二、主要设备与试剂
1.设备：美国贝克曼库尔特DXA5000自动化流水线，线上配备3台DXI800型全自动化学发光仪。
2.试剂：FT3试剂盒：贝克曼库尔特实验系统，批号338440；FT4试剂盒：贝克曼库尔特实验系统，批号338002；TSH试剂盒：贝克曼库尔特实验系统，批号338352；TPOAb试剂盒：贝克曼库尔特实验系统，批号338726；TgAb试剂盒：贝克曼库尔特实验系统，批号338432。
3.质控品：FT3、FT4、TSH质控品均购买自美国伯乐公司。美国伯乐多项目混合质控血清1、3（批号40421，40423），FT3浓度范围：2.64~4.83 pmol/L、8.84~18.1 pmol/L，FT4浓度范围：7.18~12.2 pmol/L、40.9~61.5 pmol/L，TSH浓度范围：0.325~0.449 mIU/L、25.1~41.6 mIU/L。
4.软件平台：PBRTQC专业智能软件系统患者数据实时质量控制智能监控平台（简称Remisol智能监控平台）。
三、统计学分析
1.患者数据统计方法：将检测结果从实验室信息系统对接至Remisol智能监控平台，采用其中的EWMA控制图和Z分数图进行验证和实时动态监控。EWMA控制图的计算公式为：
Y(r) = λ X(r) + (1-λ) ×Y(r-1)
公式（1） 式中λ为加权系数，0<λ≤1。X(r)为当前患者测得的数据，Y(r-1)为上一个EWMA值。
2.患者数据正态分布检验分析：正态系数修正：针对各项目如果存在较为偏态的数据，根据Box-Cox变算算法，对选定时间段内历史数据进行统计，得到正态修正系数用于分析。Box-Cox变换是统计建模中常用的一种数据变换，用于连续地响应变量不满足正态分布的情况。Box-Cox变换之后，可以一定程度上减小不可观测的误差和预测变量的相关性。Box-Cox变换的主要特点是引入一个参数，通过数据本身估计该参数进而确定应采取的数据变换形式，Box-Cox变换可以明显地改善数据的正态性、对称性和方差相等性，对许多实际数据都是行之有效的。
3.EWMA质控参数设置及程序建立：参数包括加权系数(λ)、均值、SD、Low User Define、Low_error、Low_warning、High_warning、High_error、High User Define。在这里，λ取0.2，因为λ越大，表示过去EWMA数值影响越小，λ的取值取决于计算的窗口周期，可简单归纳为
λ=2/(n+1)
公式（2），n表示用近多少个数值用于计算，根据同批次进样数目及检测，用近9个点，即λ取0.2计算；均值、SD参考基准：对2022年12月1日至2023年4月30日的数据进行均值、SD计算，然后将偏离4SD的数据进行剔除后，重新计算均值、SD，得到基准参考值；
n表示用近多少个数值用于计算，根据同批次进样数目及检测，用近9个点，即λ取0.2计算；均值、SD参考基准：对2022年12月1日至2023年4月30日的数据进行均值、SD计算，然后将偏离4SD的数据进行剔除后，重新计算均值、SD，得到基准参考值；
公式（3），
Low User Define=均值-4*SD 公式（4），可以自定义。
Low_error=均值-3*SD＇ 公式（5）；
Low_warning=均值-2*SD＇公式（6）；
High_warning=均值+2*SD＇公式（7）；
High_error=均值+3*SD＇公式（8）；
High User Define=均值+4*SD 公式（9）；可以自定义。
在对项目做正态修正后，回顾分析统计患者数据累积变异系数（coefficient of variation， CV），并与精密度质量标准（取1/3TEa）进行比较，根据报警率情况结合科室实际，对正态修正后的项目暂不做超4SD样本剔除。对于正态修正后的EWMA数据采用Westgard 2-2s、1-3s规则进行警报设定，对于1-2s仅进行提示，不用于警报，此处s代表SD′。
应用EWMA实时控制图与外部质控品L-J质控图进行趋势性相关分析，通过现场质量记录和仪器信息验证来确认Remisol智能监控平台发生分析性能变化预警的原因、变化趋势及时间节点是否相符。
结果
一、患者数据分布和EWMA参数
采用Remisol智能监控平台统计了FT3、FT4、TSH、TPOAb和TgAb这5个测试项目的患者数据，发现均呈正偏态分布。采用Box-Cox方法对患者数据进行转换，发现FT3、FT4的PBRTQC数据在转换后呈正态分布，但TSH、TPOAb和TgAb仍呈现正偏态分布（ 图1 ）。甲功项目正态修正前后EWMA的质控参数见 表1 。对比5个甲功项目EWMA累积 CV值及同期质控品 CV值，对甲功数据正态修正前，所有项目的EWMA实际累积 CV均明显大于不同浓度质控品的 CV值，且都大于该项目精密度质量目标。而甲功数据正态修正后，FT3和FT4的EWMA累积 CV均小于该项目精密度质量目标且与不同浓度质控品的 CV值相差不大。但TSH、TPOAb和TgAb的EWMA累积 CV仍大于不同浓度质控品的 CV值且都大于该项目精密度质量目标。甲功项目患者数据EWMA累积结果和IQC结果见 表2 、 3 。
图1 患者5个数据正态修正前后对比（1A~1E分别是FT3、FT4、TSH、TPOAb和TgAb修正前后对比）
二、患者数据PBRTQC出现FT4假报警以及处理措施
Remisol智能监控平台数据结果显示2023年9月11日11∶04贝克曼库尔特全自动化学发光仪DXI800-2号机的FT4的患者数据呈现明显下降的趋势，呈负偏移（ 图2 ）。此时仪器未提示任何报警信息，室内质控也均在控。在对FT4的患者数据进行正态修正后，EWMA实时控制图则没有出现报警信息（ 图3 ）。为了探究发生此假报警的原因，首先检查患者标本质量的问题，排除了标本存在脂血或溶血等异常情况，分析系统也没有任何异常，继续观察发现EWMA实时控制图恢复正常，通过查阅患者信息及历史结果，分析原因可能是该时段核医学甲状腺癌术后患者人群所占的比例较高导致。由于甲状腺癌患者会不同程度切除甲状腺，甚至是切除全部甲状腺，会减少甚至没有甲状腺素的分泌，这一部分患者的集中送检，会引起FT4出现明显下降的趋势。
图2 血清FT4项目PBRTQC的EWMA实时控制图预警
图3 FT4正态修正前后EWMA实时控制图
三、患者数据PBRTQC灵敏识别TSH试剂性能变化导致的潜在质量风险
Remisol智能监控平台数据结果显示2023年9月7日12∶47贝克曼库尔特全自动化学发光仪DXI800-1号机的TSH的患者数据呈现明显下降的趋势，呈负偏移（ 图4 ）。在对TSH的患者数据进行正态修正后，发现EWMA实时控制图上仍呈下降趋势（ 图5 ）。此时仪器未提示任何报警信息，查看当日的室内质控均在控，未发生明显的趋势性变化。为探究原因，首先检查并排除患者标本质量的问题，查阅患者信息及历史结果发现存在明显异常，与患者临床诊疗及历史结果明显不符；随即对TSH两个水平的质控品进行了检测，结果显示TSH的IQC均失控。在重新装载同批号的TSH试剂后，质控结果在控。后续重新检测，偏移得到了纠正；最终原因是TSH试剂变质导致该性能变化。
图4 血清TSH项目PBRTQC的EWMA实时控制图预警
图5 TSH正态修正后EWMA实时控制图
四、患者数据PBRTQC和质控品IQC整合在仪器比对中的应用
2023年9月4日，通过查阅Remisol智能监控平台中FT3的患者数据，发现DXI800-2号机的患者数据大部分分布到均值上侧，集中在4.83~5.56 pmol/L范围内（ 图6 ），而DXI800-3号机的患者数据则在设定的均值附近上下浮动（ 图7 ）。在对FT3的患者数据进行正态修正后，发现EWMA实时控制图上DXI800-2号机的患者累积的移动均值要高于DXI800-3号机。针对这一现象，首先通过查阅标本患者信息，排除了异常患者导致结果漂移的可能，随后查看两台DXI800的FT3室内质控图，发现FT3两个水平质控品均在控，且没有发生趋势性偏移及漂移，进一步比较两台DXI800的FT3的室内质控数据，发现存在一定系统性偏差，DXI800-2号机室内质控累积均值要高于DXI800-3号机，与正态修正后EWMA实时控制图趋势一致。为进一步确定原因，又采用5份新鲜样本对两台DXI800进行了仪器间比对，比对结果见 表4 。虽然显示两台仪器的比对结果满足要求（≤12.5%），符合率80%（4份样本符合要求），比对合格。但存在一定系统性偏差，且通过比较两台仪器每月室内质控累积均值，这种差异有加大趋势，通过EWMA实时控制图变化有可能比室内质控更及时发现仪器间的结果差异。
图6 DXI800-2号机血清FT3项目PBRTQC的EWMA实时控制图
图7 DXI800-3号机血清FT3项目PBRTQC的EWMA实时控制图
讨论
质量控制对于医学实验室来说至关重要，因为只有准确、可靠的无差错结果才能被认为对诊断、监测和风险评估有价值 ［ 10 ］ 。尽管现在许多医学实验室都引入了实验室自动化系统，而且部分实验室还实现了自动室内质控测定，但确保准确和精确的实验室结果仍然是一个挑战。越来越多的实验室已经意识到传统IQC的局限性 ［ 11 ］ ，如许多实验室每日只在标本分析前测定一次室内质控，对实验过程的检测质量无法控制，对分析前的误差也无法监测等。实验室采用PBRTQC，可以在失控发生时很快发现，能更及时地捕捉系统误差，并且能更准确锁定需要留样再检的标本。更重要的是，PBRTQC将分析系统的性能与患者结果直接联系起来，并使用信息系统中已有的数据。换言之，它是基于风险的，临床相关且具有成本效益的 ［ 12 ］ 。PBRTQC方法已被证明是成熟的常规采用的强大工具。
成功实施基于患者的连续质量控制策略的关键是采用清晰的程序及算法，使实验室技术人员可以顺利运行样品，并从中发现明显的错误。以往的研究中，对数据有重大影响的疾病标本往往会被排除在纳入的研究数据之外。虽然这对减少异常结果对数据的影响很有帮助，但也增加了实验室人员筛选标本的工作量 ［ 13 ］ 。甲状腺功能检测标准化委员会建议使用两个在线应用程序“Percentiler”和“Flagger”来比较样本数据的中位数 ［ 14 ］ 。近期有研究使用箱形图方法从正态分布变换数据中排除异常值，从大量每日患者结果中获取稳定的平均值或其他统计值，以模拟IQC测试结果以进行质量控制 ［ 15 ］ 。本研究通过Remisol智能监控平台的EWMA运算程序，对患者甲状腺功能相关项目数据提供了质量监控和质量风险预警等多方面的质控效能。EWMA实时控制图不仅纳入了历史数据，引进了能够调节偏移灵敏度的加权系数，还采用Box-Cox方法对患者数据进行正态分布转换，这些数据和算法的使用极大地保证了EWMA实时控制图的可靠性和实用性。
EWMA实时控制图可实时、连续监控检测系统的患者数据，动态识别和监测分析过程中因患者因素、仪器和试剂的状态等改变造成的误差，并进行智能预警，帮助实验室人员及时采取预防和纠正措施。比如在TSH试剂性能发生改变的时候，即使仪器没有报警提示，但是此时系统的检测性能明显改变，EWMA实时控制图提示移动均值明显下降并且此时追加的IQC也出现失控。这一结果提示PBRTQC作为IQC的补充，可以更早、更灵敏地发现检测系统的变化。此外，为探究PBRTQC和IQC质控图不一致的可能原因，我们进行了仪器间比对。虽然并未发现两者结果差异的具体因素，但仍需要进一步关注该项目患者数据后续变化，并考虑全球质控结果和实验室设定质控靶值是否存在差异等。当然PBRTQC也会存在假报警现象，比如实验室对患者群体设置不当或者某个病种患者群体所占比例较高也会引起移动均值的大幅改变，但结合Box-Cox方法对数据的正态修正，则可以大大降低假报警的提示。总之，将开机质控品法联合PBRTQC使用可监测开机时和分析中失控，达到节约成本和实时监控的作用。
已有研究表明在PBRTQC方法建立时，应该对不同患者群体进行不同范围的设置 ［ 16 ］ 。在选择甲状腺功能相关项目作为研究对象时也发现EWMA实时控制图并不适用于TPOAb和TgAb项目，因为在正常患者体内是不存在这2种抗体的，抗体检测值也往往低于检测下限。即使对TPOAb和TgAb患者数据进行正态修正，其EWMA积累的 CV也远远大于精密度质量目标。此时EWMA实时控制图并不能及时预警及辅助检验人员的工作。尽管如此，本研究也证明了FT3和FT4这两个化学发光项目适合PBRTQC。在实践中，虽然PBRTQC并不适合所有测试，但从几个典型的测试开始，然后扩展到大多数测试似乎是可行的。比如PBRTQC在TSH中的变异系数较大，数据仍呈现正偏态分布，但EWMA实时控制图也能及时识别TSH试剂性能变化导致的质量风险。虽然本研究存在一定的局限性，但是以往的PBRTQC应用主要集中在常规生化项目，我们将PBRTQC用于部分化学发光项目上。对于其他化学发光项目及患者人群的适用性，仍需进一步探究和优化。
综上所述，PBRTQC程序可用于通过计算机软件和实验室中患者标本的大数据，以较低的成本监测TSH、FT3和FT4的分析变化或趋势。PBRTQC可作为常规IQC的补充程序，尤其是在分析批次的中间或末尾，用于当天的质量控制。
参考文献（略）
《中华检验医学杂志》2024年报道计划
