Laboranalyse im Griff
Die besondere Herausforderung im Bereich des Liquid-Handlings besteht in der schnellen und zielgenauen Ansteuerung vieler Positionen, z.B. auf Mikro- oder Tüpfelplatten. Dabei liegt eine Hauptschwierigkeit in der Dynamik des Prozesses. Die mit ein bis drei Kilogramm vergleichsweise hohen Massen der bewegten Aktoren müssen schnell beschleunigt und verzögert werden. Geschwindigkeiten bis zu 1 m/s sind sicher und punkt-genau zu beherrschen. Eine exakte und wiederholgenaue Positionierung ist für die Funktion ausschlaggebend. Um unterschiedliche Platten oder Probenmagazine gezielt anfahren zu können, ist eine frei programmierbare Positionierung Voraussetzung. Selbstverständlich sind alle für medizinische Apparate geltenden Sicherheitsbestimmungen und EMV-Vorschriften von der Elektronik und den hochbelasteten Antrieben einzuhalten. Auch muss der mechanische Antrieb den Start-Stopp-Betrieb im Dauereinsatz zuverlässig sicherstellen.
Laboralltag am Fließband
In praktisch jedem größeren Krankenhaus gehören Tests bei medizinischen Eingriffen zum Standard. Diese Analysen übernimmt das medizinische Labor. Aufgrund der Anzahl und der Vorgehensweise bei den Tests werden viele Schritte und Proben bzw. Reagenzien benötigt. So können für Probenaufbereitung, Verteilung, Verdünnungsreihen oder Reagenzienzugabe in einem Labor problemlos mehrere hundert exakt dosierte und punktgenau aufzubringende Flüssigkeitszugaben erforderlich sein. Von Hand oder teilautomatisiert ausgeführt erfordert dies eine sehr große Aufmerksamkeit und Zuverlässigkeit des Personals. Führt man diese Aufgaben vollautomatisch aus, so können die bisher schon verwendeten standardisierten Mikro- und Tüpfelplatten oder Küvetten auch maschinell mit den jeweils nötigen Verfahren behandelt werden. Die exakte und zuverlässige Mechanik des Analysensystems arbeitet dabei unermüdlich ohne Pausenzeiten mit gleicher Geschwindigkeit. Dies steigert die Sicherheit der Befunde und erhöht die Wirtschaftlichkeit im Labor. Flexibilität ist beim mechanischen Aufbau und der Steuerung Trumpf, denn die Anforderungen an die Probenvorbereitung fallen je nach Analyse sehr unterschiedlich aus. Allgemein gilt, dass ein Probenarm die Proben bzw. Reagenzien schnell aufnehmen und gezielt in unterschiedliche sehr eng beieinanderstehende kleine Behälter geben muss. Für die Qualität der Analyse ist dabei die exakte Positionierung des Armes, sprich die genaue Zuordnung von Probe und Reagenz ausschlaggebend. Neben Blutgruppenbestimmung oder immunologischen Analysen können auch biotechnologische Analysen somit sicher bearbeitet werden. Das Laborpersonal muss nur einmal die notwendigen Reagenzien und Proben einsetzen und das Programm vorgeben. Im Falle einer schnellen Notanalyse, z.B. für eine Blutuntersuchung bei Notoperationen können manche Systeme auch das Standardprogramm verlassen und die Einzelfalldaten schnell ermitteln. Somit ist trotz vollautomatischer Arbeitsweise ein flexibler Betrieb sichergestellt.
Klein, stark, zuverlässig
Um für die dynamische Funktion die bewegten Massen so gering wie möglich zu halten, kommen als Antriebselemente nur Kleinmotoren in Frage. Da die unterschiedlichen Analysensysteme natürlich auch viele unterschiedliche Ansprüche an den optimalen Antrieb stellen, ist ein möglichst breites Motorenprogramm wünschenswert. Aus diesem Grund arbeitet der Analysensystemspezialist mit dem Kleinmotorenspezialist FAULHABER zusammen. Das umfangreiche Programm an Motoren, zugehörigen Getrieben und Encodern für die Positionierung aus einer Hand erleichtert sowohl die Neuentwicklung wie auch die Standardproduktion enorm. In fast allen Produkten werden daher Motoren aus diesem Programm eingesetzt. Marcus Wolfinger, Mitglied des Stratec-Vorstands, erklärt dies so: "Die FAULHABER-Motoren sind bauartbedingt sehr dynamisch und im Verhältnis zur Leistung sehr klein. Die eingesetzten Getriebe sind spielarm und hochbelastbar. Die modular aufgebauten Antriebe lassen dabei einen großen konstruktiven Spielraum in der Entwicklung."
So verwendet das Unternehmen beispielsweise Glockenankermotoren der Serie 2657 und 2224 mit integriertem Encoder. Die eisenlosen hochdynamischen Antriebe bringen Hochleistung auf kleinstem Raum. Die graphit-kommutierten Motoren der Serie 2657 leisten bei nur 57mm Länge und 26mm Durchmesser 47,9W bei einem Wirkungsgrad von 85%. Mit 44mNm Dauerdrehmoment und 285mNm Anhaltemoment kann der 156 g schwere Antrieb auch kiloschwere Aktoren dynamisch in Bewegung setzen oder abbremsen. Die kleinen edelmetallkommutierten Antriebe der Serie 2224 bringen es bei nur 24,2 mm Länge und 22 mm Durchmesser auf 4,05W Abgabeleistung bei Drehzahlen bis zu 8000 U/min. Die Nenn-Betriebsspannung beträgt je nach Modell 3, 6, 12, 18, 24 oder 36 V, sodass für praktisch jede Anwendung ein geeigneter Spannungsbereich zur Verfügung steht.
Beide Serien können über Getriebe in Drehzahl und Drehmoment den Erfordernissen angepasst werden. Integrierbare Impulsgeber erzeugen bis zu 512 Impulse pro Motorumdrehung. Mit vorgeschaltetem Getriebe erweitert sich die Auflösung am Abtrieb enorm, eine exakte Positionsbestimmung der angetriebenen Anlagenteile ist dadurch sichergestellt. Die Einheiten aus Motor, Getriebe und Encoder bauen dennoch so klein, dass sie praktisch überall integriert werden können. Der weite Bereich der Versorgungsspannung erleichtert ebenfalls die schnelle Einbindung in Analysensysteme.
Im Zusammenspiel von Spezialistenwissen bei der Entwicklung medizinischer Apparate und Antriebs-Know-how im Kleinmotorenbau entstehen innovative Lösungen für den analytisch-diagnostischen Laborbetrieb. Hier wie auch in anderen Bereichen erlauben solche flexiblen Lösungen die Automatisierung ermüdender Standardverrichtungen und entlasten das Personal, welches sich dann wichtigeren Aufgaben zuwenden kann.
