Software für effizientes Labormanagement

Datenhandling und Geräteintegration in Zeiten von Labor 4.0

  • Abb. 1: Skalierbare Middleware als Bindeglied zwischen Geräte- bzw. Laborebene und höheren Managementebenen. © infoteam Software AGAbb. 1: Skalierbare Middleware als Bindeglied zwischen Geräte- bzw. Laborebene und höheren Managementebenen. © infoteam Software AG
  • Abb. 1: Skalierbare Middleware als Bindeglied zwischen Geräte- bzw. Laborebene und höheren Managementebenen. © infoteam Software AG
  • Abb. 2: Praxisnahe Struktur für modular aufgebaute Middlwarelösungen. © infoteam Software AG

Der Trend der Digitalisierung ist auch im Labor unter dem Begriff „Labor 4.0“ allgegenwärtig und bietet Laborbetreibern enorme Potentiale zur Steigerung der Effizienz. Zwei wichtige Bereiche sind hierbei die Automatisierung von Arbeitsabläufen sowie das vernetzte und intelligente Datenmanagement über alle IT-Ebenen hinweg – also von der Geräteintegration auf Laborebene bis zur Anbindung an Managementsysteme (z. B. LIMS). Dabei zeigen sich in der Praxis je nach Anforderungen und Voraussetzungen durchaus unterschiedliche Ansätze.

Labore arbeiten effizient, wenn die Prozesse schlank und geradlinig sind und eine valide Datenbasis leicht zugänglich ist. Durch zunehmende Digitalisierung und Netzwerkintegration im Rahmen von Labor 4.0 bieten sich vielfältige Möglichkeiten, dies umzusetzen. In der Praxis sind die Betriebsgröße und der Anspruch an die Skalierbarkeit entscheidende Paramater, um Effizienzpotentiale von vornherein richtig einzuschätzen und später auch zu nutzen.

LIMS als Top-Down-Lösung bei hochgradiger Standardisierung

Gerade Labore mit hochgradig standardisierten Abläufen, wie sie beispielsweise im Produktionsumfeld oder der In-Vitro-Diagnostik zu finden sind, setzen in diesem Kontext häufig auf Labor-Informations- und Management-Systeme (LIMS). Als Standardsoftware für das Labormanagement ist ein LIMS zunächst einmal schnell verfügbar. Die Implementierung eines solchen Systems benötigt dabei einen vergleichsweise geringen, initialen zeitlichen Aufwand. Zudem können anfallende Wartungsarbeiten ausgelagert werden. Fällt die Entscheidung auf ein LIMS als Plattform zur Laborsteuerung sind jedoch besondere Rahmenbedingungen zu beachten. Laborinformationssystemen liegt der sogenannte Top-Down-Ansatz zu Grunde. Für eine schnelle Implementierung müssen Strukturen und Abläufe im Labor an die Vorgaben der Software angepasst werden, im anderen Fall steigt der initial niedrige Aufwand mit der Anzahl der Anpassungen erheblich. Im Umkehrschluss sind Änderungen im Prozessablauf nur auf höherer IT-Ebene realisierbar. Das System ist damit wenig flexibel und individuellen Laboranforderungen kann nur eingeschränkt Rechnung getragen werden.
Neben der Betrachtung der reinen Abläufe im Labor ist die Bereitstellung einer validen Datenbasis von entscheidender Bedeutung.

Im Zusammenhang mit LIMS werden Proben auf dem Laborgerät verarbeitet und klassifiziert. Für die Berechnung zur Validierung erfolgt ein Upload der Messdaten in das LIMS. Problematisch: Auch nicht validierte Daten gelangen somit in das LIMS. Um das Ziel einer sauberen Datenbasis zu erreichen, sind deshalb weitere Maßnahmen zur Bereinigung notwendig. Dies führt zu einer zusätzlichen Ressourcenbindung, oft ist dies nachträglich auch nur schwer zu erreichen.

Middleware für flexible Prozesse

Für Labore mit flexiblen Anforderungen an Prozessmodellierung und Datenverarbeitung bietet der Einsatz einer skalierbaren Middleware als verbindendes Element zwischen Laborebene und der höheren Managementebene meist den höchsten Nutzen (Abb.1). Skalierbarkeit bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Middleware häufig auf vorentwickelten Modulen bzw. Frameworks basiert, die gängige Grundfunktionalitäten zur Verfügung stellen und sich individuell gemäß den Anforderungen einzelner Labore zusammensetzen lassen. Spezielle Anforderungen und Funktionalitäten können zudem passend entwickelt und in die Middleware integriert werden. Eine praxisnahe Struktur lässt sich über vier grundlegende Aspekte beschreiben (Abb. 2):

  • Steuerung: Geräteintegration, Konsolidierung und Weitergabe von Prozess-, Mess- sowie Metadaten an übergeordnete IT-Systeme (Monitoring) und Ablaufsteuerung (Workflows):
  • Analyse: Verarbeitung von Messdaten zu Resultaten, Abbildung von Messreihen und zusammengehörigen Werten (Datenaggregation)
  • Handhabung: Digitale Dokumentation, elektronisches Laborbuch (ELN), digitale und interaktive Arbeitsanweisungen (SOP)
  • Optimierung: Prozessanalyse und -verbesserung, Inventarisierung und Auslastungssteuerung von Laborgeräten, Datenexploration (Design of Experiments, Deep Learning)
Dadurch können Middleware-Lösungen grundsätzlich sowohl Funktionalität auf Laborebene als auch auf LIMS-Ebene übernehmen und sind somit für kleine Labore mit einer rudimentären Labor-IT-Infrastruktur besonders interessant. Dieser sogenannte Bottom-Up-Ansatz setzt zwar höhere Entwicklungszeiten im Vergleich zur Verwendung von Standardsoftware voraus, bietet dafür im Gegenzug aber genau passend abgestimmte Softwarelösungen. Zudem vereinfacht bzw. verkürzt dies langfristig die Arbeitsabläufe im Labor, denn Laboranten können nun selbständig Laborgeräte flexibel in das Gesamtsystem einbinden, über die Middleware ansteuern und in die verschiedenen Versuchsanordnungen und Arbeitsabläufe integrieren – ohne auf langwierige Anpassungen von LIMS-Experten angewiesen zu sein. Sämtliche Versuche, Prüfungen und die Dokumentation können so digital gesteuert und normenkonform rückverfolgbar direkt am Laborarbeitsplatz erfolgen. Zudem übernimmt die Middleware als Schnittstelle zu höheren IT-Systemen auch die Vorverarbeitung von Daten und den Transfer in einheitliche oder gar standardisierte Datenformate. Das LIMS stellt somit nur noch geprüft valide Daten aus der Middleware bereit.

Labor-IT: Anforderungen entscheidend

Die Wahl der geeigneten Labor-IT orientiert sich stark an den Anforderungen der jeweiligen Laborumgebung. Klassische LIMS bieten vor allem für Labore mit hochgradig standardisierten Laborabläufen Vorteile. Oft sind hier Warenwirtschafts- und Kundenpflege-Systeme bereits integriert, die Kundenstammdatenpflege und Rechnungstellung unterstützen. Für flexible Laborabläufe mit Fokus auf die Abläufe im Labor selbst bieten sich moderne Middleware-Lösungen an. Sie stellen eine Verbindungen zwischen Laborebene und Managementebene her, indem sie die Datenverarbeitung oder Aufgaben in der Laborsteuerung ohne Eingriffe ins LIMS ermöglichen. Der Einsatz von Frameworks zur Entwicklung laborspezifischer Middleware-Lösungen bietet Skalierbarkeit im höchsten Maße bei gleichzeitig schnellem Prototyping und ist somit auch für kleinere Labore mit heute schmaler Labor-IT geeignet, um individuelle Anforderungen passgenau abbilden zu können. Dank ihrer Modularität wachsen diese Systeme zusammen mit den Anforderungen der Nutzer. Zukünftig steigende Analysekapazitäten oder veränderte regulatorische Anforderungen lassen sich so meist effizient innerhalb des bestehenden Systems realisieren.

Autoren
Alexandra Brendel1, Patrick Kraus1
 

Zugehörigkeit
1infoteam Software, Bubenreuth, Deutschland

Kontakt
Alexander Brendel
Business Segment Manager Lab Automation,
infoteam Software AG
Bubenreuth, Deutschland
alexander.brendel@infoteam.de
www.infoteam.de
 

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