Flotte Fahrt durchs Labor

Automatisierung in der medizinischen Labordiagnostik: Die meisten von uns mussten vermutlich schon einmal als Patient beim Arzt für Vorsorge­untersuchungen, vor Operationen oder zu Diagnosezwecken Blut oder Urin abgeben. Die Proben kommen in kleine Reagenzgläser, werden beschriftet, ins Labor gebracht und ein paar Tage später informiert man uns Patienten über das Ergebnis; wir erfahren also z. B. unsere Blut-, Zucker-, Leber- oder Nierenwerte. Doch wo ist eigentlich dieses Labor, in dem unsere Gesundheit bewertet wird, und was genau passiert dort?

Unser Arzt betreibt wohl kaum noch ein eigenes Labor. Die Analyse unserer Blut- oder Urinproben haben stattdessen hochspezialisierte Laborbetriebe übernommen, die pro Tag viele Tausend Analysen durchführen. Auch sie können heute von modernster Automatisierungstechnik profitieren. Wie bei vielen anderen Automatisierungsaufgaben spielen auch hier leistungsfähige Kleinstantriebe eine Schlüsselrolle. Sie überzeugen vor allem durch gute Wirkungsgrade, hohes Drehmoment bei kleiner Bauweise, Zuverlässigkeit und geringen Stromverbrauch.

Viele Labore, die medizinische Probenanalysen durchführen, arbeiten heute noch mit manuellen Verteilsystemen. Das heißt, die eingehenden Proben werden zunächst datentechnisch erfasst, dann batchweise in Racks gesetzt, von Mitarbeitern zu den unterschiedlichen Analyse-Stationen getragen und gegebenenfalls auch noch zwischendurch für weitere Analysen umsortiert. Bei Tausenden oder sogar Zehntausenden von Materialproben pro Tag ist das nicht nur eine anstrengende und monotone Tätigkeit, sondern sie ist auch fehleranfällig. Die Fehler­be­hebung erfordert dann zusätzlichen Aufwand. Weitere Zeit kostet es, wenn einzelne Proben eine Sonderbehandlung erfahren müssen, z. B. weil sie für eine Stufendiagnostik mehrere Stationen durchlaufen sollen. Das Gleiche gilt für die Verdünnung von Proben für bestimmte Analysen oder für die Probenaufteilung für unterschiedliche Analysen; die sogenannte Aliquotierung. Störungen des geordneten Arbeitsablaufs sind hier vorprogrammiert. Erschwerend kommt dazu, dass der Trend heute dazu geht, vom Patienten für alle notwendigen Untersuchungen möglichst nur eine Materialprobe anzuliefern. Es ist keines­wegs eine Entspannung der Situation in Sicht, sondern die Problematik wird sich zukünftig insbesondere durch die Zentralisierung von Labor­leistungen noch verschärfen.

Was muss ein automatisches Proben­verteilsystem leisten?

Am Einsatz praxisgerechter Automatisierungstechnik, die Mitarbeiter von monotonen Tätigkeiten befreit und Fehlerquellen beseitigt, wird deshalb im modernen Laborbetrieb kein Weg vorbei führen. Ein automatisches Probentransportsystem transportiert die Proben idealerweise direkt zum entsprechenden Analysesystem und übernimmt dabei quasi nebenbei weitere Aufgaben: Anhand der Identifikation der Probe nach der Anlieferung kann der Weg durchs Labor geplant und optimiert werden, wobei sich viele Parameter berücksichtigen lassen, z. B. die Art des Gefäßes, die Aufbereitung, der Füllstand und natürlich die Abfolge der einzelnen Analyseschritte. Für die Dauer der Analyse und die Bewertung sollten dann alle aktuell zu bearbeitenden Proben im Zugriff bleiben, d. h. mehrere hundert Proben sind idealerweise gleichzeitig im Verteilsystem unterwegs. Dann lassen sich Analysen schnell wiederholen oder zusätzlich durchführen und eventuell nachträglich erforderliche Begutachtungen realisieren. Ist die Analytik ab­geschlossen, sollten dann die Proben automatisch ausgeschleust, nach einer Aufbewahrung von ein paar Tagen entsorgt oder für eine Langzeitarchi­vierung gegebenenfalls in geeignete Gefäße umgefüllt werden.Die Anforderungen an ein automatisches Probenverteilsystem sind damit hoch, neben Kapazität und Zuverlässigkeit vor allem auch im Hinblick auf die Flexibilität, und das gleich in zweierlei Hinsicht: Das Verteilsystem muss mit wechselnden Arbeitsaufgaben und Ablaufänderungen zurechtkommen, gleichzeitig aber auch einfach erweiterbar sein, damit beispielsweise neue oder andere Analysegeräte auch nachträglich und ohne großen Aufwand integriert werden können. Dass diese Anforderungen heute erfüllbar sind, hat GLP Systems mit der Entwicklung des vollautomatischen Probenverteilsystems lab.sms® bewiesen. Es befördert jede Probe (Specimen) separat, da nur so eine flexible, individuelle und optimierbare Organisation einzelner Proben möglich ist. Es unterscheidet sich deshalb grundlegend von Systemen, die Racks mit fünf oder zehn Specimen fördern.

Hohe Flexibilität bei Transport und Verteilung

Beim Probenverteilsystem der Hamburger Spezialisten wird nach der Anlieferung im Zuordnungspunkt die Identifikation des Specimens mit der Identifikation des fahrbaren Probenträgers verknüpft. Das Verteilsystem kennt also die Probe und „weiß“, auf welchem Wägelchen sie aktuell unterwegs ist und welche Analysen notwendig sind. Dabei sind auch nachträgliche Ablaufänderungen unproblematisch, weil ein wahlfreier Zugriff (Random access) möglich ist. Dazu wird während des Transports an Identifikationspunkten immer wieder die Position der Specimen und die Zuordnung zum Wägelchen überprüft. Über Kunststoffbahnen fahren die Wägelchen mit den Blutproben dann vollautomatisch die jeweiligen Analysestationen an. Die Weichen, die sie unterwegs passieren, werden von der übergeordneten Steuerung entsprechend gestellt.Jede Weiche schafft durchschnittlich 4.500 Sortierungsprozesse pro Stunde: Es können also 4.500 Specimen in der Stunde erkannt und individuell in eine von zwei Richtungen geleitet werden. Da alle Weichen in der Lage sind, gleichzeitig zu arbeiten, ergibt dies beispielsweise in einem System mit 50 divergenten Weichen eine Sortierkapazität von 225.000 Sortierungsvorgängen pro Stunde oder mehr als 60 pro Sekunde; eine Leistung, die durchaus benötigt wird, da sich viele Specimen vor und nach der Analytik in der Warteschleife befinden und dadurch Weichen häufig durchfahren werden. Die hohe Sortierleistung der Weichen liefert damit eine wichtige Voraussetzung für die organisatorische Flexibilität im Laborbetrieb. Ebenso wichtig für den reibungslosen Ablauf sind die „Wägelchen“, mit denen die Proben durchs Labor reisen. Schnelligkeit und Zuverlässigkeit haben hier oberste Priorität.

Kompakte Antriebe für einen schnellen, zuverlässigen Transport

Die kompakten Wägelchen, also die „Proben-Taxis“, sind eigentlich recht einfach aufgebaut. Integriert sind Antrieb, Akku, Elektronik und Näherungsschalter, damit die Taxis punktgenau beschleunigen, abbremsen oder stoppen können, z. B. vor den Analysestationen. Bei den Antrieben fiel die Wahl auf bürstenlose DC-Getriebemotoren. Die Motoren aus dem umfangreichen FAULHABER-Programm sind für hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer ausgelegt; können also ohne Weiteres in den automatischen Verteilsystemen viele, viele Kilometer zurücklegen, ohne dass Verschleiß zu befürchten ist. Darüber hinaus überzeugen sie auch in dieser Anwendung durch ihre ruhigen, rastmomentfreien Laufeigenschaften, was besonders wichtig ist, weil meist offene Blutproben zu transportieren sind. Außerdem arbeiten die Antriebe leise. Der Seltenerdenmagnet des Rotors und die eisenlose Wicklung sorgen zudem für hohe Leistung und Dynamik bei kleinem Bauvolumen.Die Antriebe, die bei ca. 15 mm Durchmesser und 15 mm Länge etwa 0,3 W und ein Drehmoment von bis zu 6 mNm liefern, treiben über ein durchmesserkonformes Stirnradgetriebe (Untersetzung 1 : 10) das Rad des „Proben-Taxis“ im idealen Arbeitspunkt an. Dank ihrer kompakten Abmessungen ließen sie sich gut integrieren und ihr geringer Strombedarf kam der Anwendung ebenfalls entgegen; die Auflade­intervalle des Akkus sind entsprechend lang. Damit die Wägelchen stets einsatzbereit sind, überwacht die in ihnen integrierte Elektronik ständig den Ladezustand, sodass rechtzeitig nachgeladen wird, bevor es zum Stillstand kommt. Die Elektronik hat aber noch weitere Aufgaben. So ist hier die Identifikations­nummer des „Taxis“ hinterlegt und sie wertet die Signale des Näherungsschalters aus. Die Motor­elektronik kann dann die Drehzahl der bürstenlosen Gleichstrommotoren entsprechend anpassen, also z. B. die Geschwindigkeit reduzieren oder stoppen.Die Lösung hat sich bereits in einem großen medizinischen Labor in Hamburg im praktischen Einsatz bewährt. Verarbeitet werden hier täglich 3.000 hämatologische Specimen mit 19 Online-Analyse­geräten. Weitere Anwendungen werden folgen. Moderne Kleinantriebe haben damit einmal mehr ihre Vielseitigkeit bewiesen. Das Prinzip „Proben-Taxi“ könnte aber durchaus auf andere Anwendungsbereiche übertragbar sein. Ähnliche automatisierte Verteilsys­teme sind beispielsweise überall dort denkbar, wo Kleinteile separat unterschiedliche Fertigungs- oder Prüfstationen durchlaufen.

Die Weichen werden von der übergeordneten Steuerung gestellt. Jede Weiche schafft durchschnittlich 4.500 Sortierungsprozesse pro Stunde
Automatisches Probenverteilsystem mit hoher Flexibilität: Es befördert jede Probe (Specimen) einzeln, da nur so eine flexible, individuelle und optimierbare Organisation einzelner Proben möglich ist
Unterwegs mit dem Proben-Taxi: Über Kunststoffbahnen fahren die Wägelchen mit den Specimen dann vollauto­matisch die jeweiligen Analysestationen an