Laborautomation mit Vision

Dank des technischen, wissenschaftlichen und medizinischen Fortschritts ist die Lebenserwartung von Menschen in den letzten Jahrzehnten deutlich gestiegen. In großen Kliniken und Laboratorien leisten heutzutage präzise, hochtechnische und zunehmend automatisierte Geräte wertvolle Unterstützung in vielfältigen Mess- und Analyseaufgaben.

Vielfältige Laboraufgaben

Laborautomation im Allgemeinen ist ein weit interpretierbarer Begriff und umfasst vielfältige Aufgaben: von einfachen Anwendungen wie wiegen bis hin zu komplexen Roboter- und Analysesystemen, Prozessverfolgungs- und Lagersystemen. Daraus ergeben sich eine Vielzahl möglicher Anwendungen von Kameras im medizinischen, wissenschaftlichen, pharmazeutischen und analytischen Bereich. Einige davon sind offensichtlich erkennbar wie z. B. in einem bildgebenden Urin-Sediment-Analysegerät, andere laufen im Hintergrund und liefern Informationen für den medizinischen Befund, den wir vom Arzt erhalten. Wieder andere unterstützen geräteinterne Prozesse, die nicht in direktem Zusammenhang mit dem eigentlichen Detektionsvorgang stehen. Das reicht vom einfachen Einlesen eines Barcodes bis zur Unterstützung von Laser-Technologien; vom Weg, den das Blut nach einem kleinen Piks bei der Blutabnahme durch unterschiedliche Prüfprozesse zum Ergebnis nimmt, bis hin zu komplexen zelltechnischen Prozessen, die Forschern Einblicke in die Entstehung von Krankheiten ermöglicht und dadurch Diagnostik- und Therapiemöglichkeiten vorantreibt.

Trend zu Automation in Medizin und Forschung

Labore in Klinik und Forschung unterliegen zunehmend dem Trend zur Automatisierung. Die wesentlichen Treiber für diese Entwicklung sind:

1. Steigender Kostendruck:

Gesundheitssysteme und Forschungseinrichtungen unterliegen stärker werdenden wirtschaftlichen Belastungen und versuchen daher durch Kosteneinsparung bei ihren Leistungen diesem Druck entgegenzuwirken. Automatisierung durch moderne Technologien mit kostengünstigen System-Komponenten ermöglicht Kostenreduzierung bei der Laborausstattung, entlastet Personal und setzt Kapazitäten frei, die anderweitig eingesetzt werden können.

2. Höhere Geschwindigkeit:

Eine schnellere Abarbeitung von Analysen ermöglicht klinischen und analytischen Auftragslaboren mehr Analysen pro Zeit und gibt ihnen einen Vorteil gegenüber Mitbewerbern, da sie ihre Kunden schneller bedienen können. In der Forschung können durch Automatisierung ebenfalls mehr Ergebnisse pro Zeit generiert werden, was Projektzeiten verkürzt und neue Entwicklungen bzw. Technologien schneller verfügbar macht.

3. Besseres Qualitätsmanagement und Standardisierung:

Vielfach noch manuell durchgeführte Untersuchungen werden zunehmend von Maschinen übernommen, mit denen aufgrund ihrer technologischen Möglichkeiten diese Aufgaben mit höherer Präzision und verbesserter Reproduzierbarkeit erledigt werden können. So kann sich ein Forscher zum Beispiel dank eines eingesetzten Vision Systems und automatisierter Mikroskopie detaillierte und präzise Bilddaten direkt auf seinem Monitor im Büro anschauen, ohne in einer Dunkelkammer durch Okulare blicken zu müssen. Die erfassten Bilddaten bieten darüber hinaus die Möglichkeit der Dokumentation und Archivierung, was den steigenden Anforderungen in Qualitätsmanagement-Systemen entgegenkommt. Automatisierte Systeme unterliegen zudem nicht den prozessbedingten Varianzen manueller Arbeitsschritte, haben dadurch eine höhere Reproduzierbarkeit und ebnen den Weg zu fortschreitender Standardisierung. Auf Wunsch sind digitale Bilddaten standortübergreifend einsehbar, z. B. zum wissenschaftlichen Austausch oder einer externen diagnostischen Konsultation. Die Bedingungen für eine sichere, diagnostische Aussage werden also dank kameragestützter Untersuchung und Analyse verbessert.

4. Breitere Verfügbarkeit:

Laborautomation macht neue Technologien effizient für viele Anwender verfügbar. In der Forschung können so Entstehungsprozesse von Krankheiten schneller ermittelt werden. In der In-Vitro-Diagnostik könnten dann z.B. mit Hilfe von molekularbiologischen Analysen Krankheiten früher identifiziert werden, wodurch ggf. deren Ausbruch und damit verbundene kostenintensive und patientenbelastende Therapien reduziert oder gar verhindert werden können. Einfach zu bedienende und kostengünstige Geräte ermöglichen eine Diagnostik auch in wirtschaftlich und infrastrukturell schwachen Regionen. Dadurch kann die medizinische Versorgung in epidemischen Gebieten verbessert werden, da oftmals das Personal weniger gut ausgebildet, die Laborausstattung insgesamt einen niedrigeren Standard hat, und die finanziellen Mittel der betroffenen Patienten niedrig sind. Sogenannte PoC- Systeme (PoC=Point of Care) und Lab-on-a-chip-Technologien sind hier zunehmend zu erwarten.

Anwendungsbereiche der Laborautomation

Zu typischen Einsatzfeldern für automatisierte, kamerabasierte Anwendungen in Laboren zählen unter anderem folgende Beispiele:

1. Prozessautomation

Hierzu zählen allgemeine Kamera-Anwendungen, die Bildgebung und Daten nicht für rein analytische, sondern für prozessunterstützende Zwecke generieren, also z.B. Barcode-/Matrixcode-Erfassung, wie sie in den allermeisten Geräten in der In-Vitro-Diagnostik (IVD) eingesetzt wird.
Dabei kann es sich um eine schlichte Identifizierung des Probenröhrchens eines Patienten handeln oder auch um die Übertragung von Daten des verwendeten Reagenzes, die von dem Gerät zur Berechnung der Analysen und einer das Qualitätsmanagement unterstützenden Chargen-Dokumentation benötigt werden. Im automatischen Austausch mit einem Laborinformationssystem werden so die richtigen Ergebnisse den Anforderungen einer Patientenprobe zugeordnet und digital verwaltet.

Sehr viele Geräte im Labor arbeiten mit flüssigem Probenmaterial. Je nach Einsatzgebiet müssen verschiedene Parameter in diesem sogenannten Liquid Handling-Prozess erfasst und/oder überprüft werden. Dies kann z. B. der Flüssigkeitstand sein (es darf keine Luft pipettiert werden, was das Analyse-Ergebnis verfälschen würde), der verwendete Röhrchentyp, die Farbe des Deckels zur Kodierung des enthaltenen Probenmaterials (z. B. ob es ein Serum- oder Vollblutröhrchen ist) oder auch Farbeigenschaften / Schichten oder Unregelmäßigkeiten (Blasen, Schaum) der Flüssigkeit.
Kameras bieten ggf. Vorteile, da sie im Gegensatz zu anderen Methoden wie der kapazitiven Flüssigkeitstand-Bestimmung keinen Kontakt mit der Probe benötigen und ein Entfernen des Deckels nicht notwendig macht. Dies verhindert z.B. Kontaminationen und ermöglicht höhere Durchsätze.

2. Automatisierte Mikroskopie

Die automatisierte Mikroskopie umfasst z.B. Anwendungen der Licht- und Fluoreszenz-Mikroskopie in der In-Vitro-Diagnostik (IVD), in Life Sciences und Pharmaforschung und in der digitalen Pathologie.

Verschiedene Hersteller nutzen Kamerasysteme in ihren Geräten zur Diagnose von Autoimmunerkrankungen, in der Hämatologie zur Diagnostik von Krankheiten des Blutes und der blutbildenden Organe, sowie in der digitalen Pathologie. Pathologen untersuchen Gewebestücke oder Zellproben auf krankhafte Veränderungen und fertigen dafür Schnittpräparate an, die unter dem Mikroskop Rückschlüsse auf Krankheiten und wertvolle Hinweise für die Diagnose und Therapiemöglichkeiten geben können, die zum Beispiel durch radiologische Verfahren nicht erkennbar sind.

Die Auswahl an weiteren automatischen Mikroskop-Systemen und deren Verwendungszwecken ist breit. Vom kleinen Gerät in Größe eines halben Schuhkartons, welches zur einfachen Zellzählung verwendet wird, über Systeme, die direkt in Inkubatoren eingesetzt werden und zeitabhängiges Life Cell-Imaging ohne manuellen Eingriff ermöglichen bis zu den sogenannten High-Content Screening-Systemen, die z. B. im pharmazeutischen Wirkstoff-Screening eingesetzt werden, ist alles möglich.

Welche Kamera für welche Laboranwendung?

Natürlich findet man neben den beiden genannten Bereichen noch eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten für Kameras in bio- bzw. naturwissenschaftlichen Laborumgebungen, so z. B. in der Protein- und Nukleinsäureanalytik, der Mikrobiologie oder auch der Partikelanalyse. Für die breite Anwendungspalette in den unterschiedlichen Ausrichtungen ist es wichtig, Kameras mit den dazu passenden Eigenschaften anbieten zu können. Unabhängig von den spezifischen Produkteigenschaften der Kamera sollte sie mit einem effizienten und komfortablen SDK einfach und flexibel integrierbar sein und natürlich hohe Qualität und Zuverlässigkeit aufweisen. Ein schneller und technisch exzellenter Support machen den Integrationsprozess ebenfalls einfach für den Systementwickler.