Mehr Durchsatz
Laborautomatisierungslösung mit USB- und GigE-Industriekameras von IDS
Auch in Laboren geht es zunehmend darum, wissenschaftliche Erkenntnisse schneller und leichter zu erzielen und gleichzeitig den Kosten- und Personalaufwand zu reduzieren. Der Einsatz von automatisierten Lösungen ist gefragt: ständig größer werdende Probenumfänge bei gleichzeitiger Verkürzung der angestrebten Prozesszeiten machen Roboter-basierte Untersuchungen in der Bioanalysetechnik immer interessanter. Das gilt auch für die Automatisierung sogenannter Hochdurchsatzverfahren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde dafür ein modulares Laborrobotersystem entwickelt, das monotone, manuelle Einzeltätigkeiten übernimmt. Die üblicherweise vom Menschen zu erbringende Wahrnehmungs- und Analyseleistung erbringen Industriekameras von IDS in Verbindung mit LabView und modernster Bildverarbeitung.
Anwendung
Hochdurchsatzverfahren sind in der Bioanalysetechnik von großer Bedeutung. Sie helfen bei der Entschlüsselung biologischer Prozesse und deren Steuerungsmechanismen, bei toxikologischen Untersuchungen in Medikamentenzulassungsverfahren oder bei Untersuchungen von Umweltstoffen auf ihre Schädlichkeit.
Diese Verfahren bestehen aus nacheinander auszuführenden Einzeltätigkeiten. In der Regel werden zu Beginn der Untersuchungen die Proben in die Untersuchungsgefäße vorbereitet. Anschließend erfolgt die eigentliche Untersuchung durch die Zugabe von Substanzen oder das Einwirken chemischer oder physikalischer Einflüsse, die eine Reaktion in den Proben auslösen. Die Proben werden anschließend begutachtet und die Prozesse abschließend analysiert.
Als Proben dienen meist Modellorganismen, wie z.B. Zebrabärblinge. Die Embryonen dieses ca. 5 cm langen Fisches verfügen über eine Reihe von Eigenschaften, die sie als Modellorganismus prädestinieren: Ihre Haltung ist nicht aufwändig, sie legen regelmäßig eine große Menge Eier, entwickeln sich außerhalb der Mutter, sind durchsichtig und groß genug, um daran viele klassische biologische Experimente durchzuführen. Daraus gewonnene Erkenntnisse können einfach auf den Menschen übertragen werden.
Aktuelle Untersuchungen mit Zebrabärblingen, wie auch mit anderen Modellorganismen, sind aufgrund manuell auszuführender Prozessschritte im Durchsatz erheblich eingeschränkt. Daher wird nach Automatisierungslösungen für biologische Untersuchungen gesucht, die zur Erhöhung der Effizienz beitragen und gleichzeitig Kosten sparen. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat Dr.-Ing. Alexander Pfriem im Rahmen eines Entwicklungsprojekts ein neues Konzept für eine vollautomatische Hochdurchsatzuntersuchung mit Zebrabärblingen entwickelt, das manuelle Eingriffe komplett überflüssig macht und den Durchsatz signifikant erhöht.
Die Teilprozesse des Untersuchungsablaufs werden in seinem modularen Anlagenkonzept durch vier Laborroboter automatisiert. Diese Stationen können – je nach Untersuchungsmethode – als Stand-alone-Lösung eingesetzt oder individuell kombiniert werden. Verkettet sind die Einzelstationen mit einem Transportsystem, um Mikrotiterplatten zwischen den Robotern weiterzureichen. Diese Kunststoffplatten enthalten voneinander isolierte Kammern, um darin Proben aufzunehmen. Der automatische Ablauf der Prozesskette wird durch leistungsstarke Kameras und entsprechende Bildverarbeitungssoftware ermöglicht. Die Wahrnehmungs- und Analyseleistungen, wie die Aus- und Bewertung von Probenzuständen, muss somit nicht mehr zeitaufwändig von Labormitarbeitern erbracht werden.
Hier kommen Industriekameras der SE Serie mit USB- bzw. GigE-Anschluss von IDS zum Einsatz. Die Kameras dieser Baureihe sind echte „Allrounder“: Klein, kompakt und robust sowie mit einem breiten Angebot an Sensoren und Auflösungen erhältlich. Da die Gehäuse der Kameras verschraubbar sind, lassen sie sich einfach und universell montieren. Neben dem verschraubbaren RJ45-Stecker besitzen sie einen 6-poligen Hirose-Anschluss für die Stromversorgung und die digitalen Ein-/Ausgänge zur Trigger- und Blitzsteuerung. Diese sind optisch entkoppelt und verarbeiten Signale bis zu 30 V, was die Modelle insbesondere auch für den Einsatz in der Automatisierungstechnik empfiehlt.
Dr.-Ing. Alexander Pfriem fasst die Anforderungen im Hinblick auf die vorliegende Applikation zusammen: „Die Kameras müssen kompakt sein, um auf engstem Raum innerhalb der Portalroboter einsetzbar zu sein. In Verbindung mit entsprechenden Objektiven muss die Auflösung auch sehr kleine Strukturen mit einer Ausdehnung von 0,3 bis 3 mm bei einem Arbeits-abstand von nur 5 bis 15 cm genügend detailliert abbilden können.“
Am Anfang der automatisierten Untersuchung steht ein Fischsortierer. Hier werden wahllos in einer Petrischale verteilte Fischlarven mit einer Pipette in eine Mikrotitierplatte sortiert und dabei von einer Kamera aufgenommen. Die Bilderfassung erfolgt über das Industriekamera-Modell UI-5480SE von IDS. Diese Kamera verfügt über eine Gigabit-Ethernet-Schnittstelle und ist mit einem onsemi CMOS-Sensor mit 5 Megapixel Auflösung ausgestattet.
Anschließend wird die Mikrotiterplatte zur nächsten Station weiter transportiert, wo weitere Untersuchungen automatisiert durchgeführt werden können. Zur Verfügung stehen ein Parallelmikroskop, ein Herzschlagmikroskop und ein Fluoreszenzmodul. Auf dem Parallelmikroskop nehmen gleich vier Kameras die Fischlarven in den Kammern der Mikrotiterplatten auf und erlauben so auch bei einer hohen Anzahl von Proben eine besonders schnelle Voruntersuchung.
Die Kameras des Typs UI-6240SE – ebenfalls mit GigE-Interface – verfügen über eine Auflösung von 1.3 Megapixeln (1280 x 1024 Pixel). „Mit dem Parallelmikroskop und den vier Kameras können schnell viele Mikrotiterplatten mit Einzelbildern oder Bildserien aufgenommen werden,“ schildert Pfriem die Vorteile der Station. „Das Modul benötigt ca. 30 Sekunden zur Aufnahme von 96 Bildern, also aller 96 Kammern einer Mikrotiterplatte. Die in Labors gängigen hochauflösenden Mikroskope brauchen dazu über zwei Minuten, zudem fallen unnötig hohe Datenmengen an.“
Das sich anschließende Herzschlagmikroskop ist mit zwei UI-5480SE GigE-Kameras ausgestattet. Die erste Kamera nimmt eine Kammer der Mikrotiterplatte auf, in der sich die Fischlarve befindet. Die Bildverarbeitung ermittelt die Herzposition der Fischlarve. Die zweite Kamera wird exakt unter der Fischlarve positioniert und erfasst in einem stark vergrößerten Ausschnitt eine Bildreihe des Herzschlags. Auch in diesem Fall wird eine deutlich höhere Effizienz erreicht. Denn das manuelle Ausrichten von 96 Larven zur Aufnahme von einzelnen Kurzvideos dauert in der Regel mehrere Stunden. Im Vergleich dazu benötigt das Herzschlagmikroskop laut Dr. Alexander Pfriem nur 18 Minuten für die Aufnahme der Bildreihen mit sechs Bildern pro Kammer der kompletten 96er-Mikrotiterplatte.
Im sogenannten Fluoreszenzmodul werden gezielt Zebrabärblinge mit einer bestimmten Fluoreszenzemissionen ausgewählt. Aufgrund der herausragenden Lichtempfindlichkeit des 1,3 Megapixel CMOS-Sensor von e2v wird hierfür die kompakte USB 2.0-Variante der SE Kameraserie eingesetzt. Um die Datenmenge zu reduzieren, werden von den Kameras lediglich Grauwertbilder eingelesen.
Modernste Bildverarbeitungssoftware extrahiert die gewünschten Informationen aus den Bildern, aufgrund derer Algorithmen über das weitere Verfahren entscheiden. Die Bildanalyse erfolgt mit der bekannten Standardsoftware LabView, die auch für die Steuerung der Roboter eingesetzt wird. Die Industriekameras sind über ein von IDS speziell für LabView angebotenes Plug-in angebunden. Es beinhaltet eine Sammlung sogenannter "Virtual Instruments", über die die Kameras einfach in die LabVIEW-Programmierung eingebunden und parametriert werden können. Das LabVIEW Vision Development Module eignet sich zur komfortablen Entwicklung von Bilderkennungs- und Bildverarbeitungsanwendungen und beinhaltet eine Bibliothek leistungsstarker Funktionen. Damit sind auch komplexere Auswertungen von Bildmaterial möglich.
Fazit
Das neue Konzept für eine automatische Prozesskette von Robotersystemen beinhaltet insgesamt acht Industriekameras von IDS. Sie unterstützen die bildgebende Untersuchung in diesem automatisierten, modularen Laborrobotersystem durch vereinfachte und beschleunigte Bildaufnahmen. Dies erhört den Durchsatz bildgebender Laboranalytik, steigert die Effizienz und spart somit Kosten. Da geraten sogar die Fische ins Schwärmen.
