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LIMS

Integrierte flexible Datenverarbeitung in einem webbasierten LIMS

| Autor/ Redakteur: Bernd Göde*, ilke Holzmüller-Laue**, Kristina Rimane* und Kerstin Thurow** / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Flexibilität von LIMS betrifft neben der Abbildung von Laborgeschäftsprozessen die wahlfreie Verknüpfung und Berechnung von Prozessdaten und kann durch das Konzept eines Fachsprachprozessors erreicht werden.

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Abb. 1 Anwendung des Excel-Prozessors (EP) in einem Pilotsystem openLIMS.
Abb. 1 Anwendung des Excel-Prozessors (EP) in einem Pilotsystem openLIMS.
( Archiv: Vogel Business Media )

Ein leistungsfähiges und zugleich bedarfsgerechtes Laborinformationsmanagementsystem (LIMS) ist eine entscheidende Voraussetzung für die Effizienz eines modernen Labors. Durch zunehmende Laborautomatisierung (HTS, HCS) fallen immer größere Datenmengen an, deren zentrales Management für Qualitätssicherung und Informationsverfügbarkeit von entscheidender Bedeutung ist.

Klassische Aufgabe eines LIMS ist die datenbankbasierte Verwaltung aller im Laborbetrieb anfallenden Geschäftsprozessinformationen. So beispielsweise eine vollständige probenbezogene Workflow-Dokumentation mit Messwerten, die von angekoppelten Analysegeräten automatisiert oder manuell erfasst und aufbereitet werden. Hinzu kommt ein umfassendes Stammdaten- und Ressourcenmanagement. Mit der Datenübernahme von der Laborprozessseite ist oft eine individuelle Datenverarbeitung verbunden. So werden z.B. Rohdaten analytischer Messsysteme durch Filterung verdichtet oder aus erfassten Prozessparametern werden neue Prozessparameter errechnet bzw. Planungsdaten gewonnen.

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Das zentrale Dilemma der alltäglichen Anwendungspraxis sind bezüglich des Prozessdatenimports immer noch die vielen herstellerspezifischen Ablageformate (Datenbankstrukturen, Dateiaufbau). Sinnvoll ist eine Übernahme von Prozessdaten ins LIMS nicht nur in Form von indizierten Files, sondern auch als weiterverwertbare, recherchierbare Parameter aus den herstellerspezifischen Prozessfiles. Vor diesem Hintergrund spielen Middleware-Lösungen eine wichtige Rolle. Sie wandeln die Informationsformate auf verbreitete und langzeitstabile Standards um und vernetzen diese Informationen mit Vorgangsprozessen eines Laborinformationsmanagementsystems (LIMS).

Die meisten LIMS stellen vorgefertigte Statistikfunktionen für häufige, routinemäßig anfallende Abfragen (u.a. Mittelwertberechnungen [1, 2]) zur Verfügung. Dabei ist der Nutzer auf einen bestimmten Funktionsumfang festgelegt. Weniger gebräuchliche Vorschriften sind naturgemäß nicht direkt im LIMS verfügbar. Zur Definition einfacher applikationsspezifischer Berechnungsvorschriften wird im LIMS teilweise ein Formeleditor bereitgestellt, der dem Nutzer eine Eingabe rudimentärer Formeln erlaubt (z.B. PDV-LIS [3]). Wer mehr will, exportiert seine Ausgangsdaten und wertet sie außerhalb des LIMS mit der entsprechenden Software aus. Die dort berechneten Ergebnisse werden dann meist manuell zurück ins LIMS auf die entsprechenden Prozessparameter übertragen.

Als Standardapplikation für Desktop-Computer hat sich der Einsatz von Tabellenkalkulationssoftware bewährt. Mit hoher Verbreitung kommt dabei MS-Excel zum Einsatz. So entstanden in den zurückliegenden Jahren unzählige interaktive Arbeitsblätter der Tabellenkalkulation, die meist der Versuchsplanung oder der Berechnung von Zwischen- und Ergebniswerten sowie ihrer grafischen Präsentation dienen. Für ein branchenübergreifendes, insbesondere an der Forschung & Entwicklung orientiertes LIMS ist ein freier Umgang mit integrierten Berechnungsvorschriften wünschenswert. Daher wurde eine Datenverarbeitungsmöglichkeit (DV) entwickelt, die in LIMS serverseitig integrierbar ist und für den Nutzer den Charakter eines offenen Werkzeugs annimmt. Diese Offenheit bezieht sich auf den operativen Einsatz mathematischer und logischer Algorithmen zwischen Workflow-Parametern bzw. Prozessgrößen im LIMS. Darüber hinaus beinhaltet sie die Möglichkeit, Informationen von Gerätesystemen einfach und dateibasiert auf Prozessgrößen des LIMS zu übernehmen. Die Lösung eines Excel-Prozessors (EP) wurde in das webbasierte openLIMS integriert und an zahlreichen analytischen Messsystemen erprobt [4, 5].

Zur Systematik des Einsatzes eines Excel-Prozessors (EP) in LIMS

Analysiert man die Integrationsmöglichkeiten einer nutzeroffenen und zugleich komfortablen Datenverarbeitung beispielsweise mit MS-Excel in ein LIM-System, so ergeben sich vielseitige Varianten. Abbildung 1 gibt hierzu einen Überblick. Die Varianten betreffen sowohl den Import von berechneten Planungsgrößen auf Prozessparameter des LIMS (F1), die Unterstützung der Berechnung von Planungsparametern aus erfassten Planungsgrößen eines LIMS (F2) als auch die Berechnung von abgeleiteten Ist-Prozessgrößen zur Verfolgung von Prozessdurchführungen in einem LIMS (F3). Darüber hinaus betrifft dies die Nutzung des EP als Interfacemodul zur Ansteuerung von Laborgeräten/-systemen (F4), den Import von Ist- bzw. Ergebnisparametern aus Prozessdatenfiles in das LIMS (F5), die Nachbereitung von Ergebnissen in der Prozessauswertung (F6) sowie den Export von LIMS-Ist- und -Ergebnisparametern für die externe Nachbereitung mit Drittprodukten (F7).

Mit dem EP können I/O-Datenformate von strukturierten Textfiles, über XML-Dateien und ODBC-Datenbankquellen bis zu kompatiblen Originalformaten erreicht werden.

Praxis des EP in einem webbasierten LIMS

Die Anwendung des Excel-Prozessors kann in allen Arbeitsphasen erfolgen. In dem in Abbildung 2 gezeigten typischen Anwendungsbeispiel (Parallelreaktorsystem zum Screening von Katalysatoren) wird er im Zusammenspiel mit dem automatisierten Import von Messergebnissen von Analytikgerätesystemen vorgestellt. Der EP-Befehl beinhaltet hier den Import von Rohdaten und berechneten Stoffmengen analytischer Messungen sowie die Ableitung von Ergebnisparametern als Zielprozessgrößen eines Experiments (z.B. Ausbeuten, Umsatz, Mittelwerte, Standardabweichungen).

Grundsätzlich lassen sich alle erarbeiteten MS-Excel-Vorlagen, die bislang im Offline-Verfahren eingesetzt wurden, auch als Vorlage eines EP verwenden. Einfache EP-Anwendungen, wie im Beispiel, kommen mit einer Tabelle aus. Die Tabellenkalkulation für einen EP-Befehl kann aber auch mehrere Tabellen einer MS-Excel-Arbeitsmappe umfassen. Auch Excel-VBA-Makros können Bestandteil eines EP-Befehls für die LIMS-Datenverarbeitung sein. Der verallgemeinerte Aufbau einer Vorlage für automatisierte EP-Vorgänge entspricht Abbildung 3.

Die Initiierung des EP-Befehls erfolgt in der dynamischen Versuchsdokumentation im LIMS. Zunächst wird der EP-Befehl aktiviert und mit einer Abtastfunktion (Autoscan) mit einem Datenverzeichnis verknüpft. Diese Ausgangsdaten werden durch den EP eingelesen, im EP-Befehl verarbeitet und Ergebnisparametern der Versuchsprozessabbildung im LIMS zugewiesen. Im genannten Beispiel werden mit dem Befehl des EPs die Messergebnisse nach einem parallelen Experiment mit einer 8-fach-Reaktorbank von einem Analysesystem (z.B. GC oder GC/MS) in Form von Stoffkonzen-trationen eingelesen. Diese werden dann weiter verarbeitet und als Ergebnisparameter (hier prozentuale Ausbeuten sowie deren Standardabweichungen) in die LIMS-Versuchsdokumentation importiert.

In der mit Online-Prozessdaten aktualisierten Versuchsdokumentation werden alle Vorgänge des EP protokolliert und als Verknüpfung verfügbar gemacht. Diese Workflow-Informationen betreffen

  • Rohdatenfiles der analytischen Messung,
  • Zwischenwerte der Datenvorverarbeitung auf der Seite des Analytiksystems (z.B. HP-ChemStation-Datenverarbeitung),
  • Befehlsumsetzung des EP sowie
  • berechnete LIMS-Parameter (z.B. der Prozessergebnisparameter „Ausbeuten“).

Alle Files und Dokumente werden mit den zutreffenden Laborprozessen eines LIMS vernetzt. Viele dieser automatisiert indizierten Files lassen sich auch über den Standard-Webbrowser, ggf. unter Nutzung installierter Anwendungssoftware, abrufen und auswerten. Insgesamt ergibt sich eine vollständige Informationsbündelung und zugleich hohe Informationsverfügbarkeit, die gleichzeitig Grundlage für überschaubare Langzeitarchivierungen im LIMS sind. Die Kommunikation zwischen den Laborgeräten und dem EP erfolgte im Feldversuch über einen separaten Rohdatenserver, der mit dem Web-Applikationsserver openLIMS über das Netzbetriebssystem verbunden ist.

In kleineren Systemlösungen kann auf einen separaten Rohdatenserver verzichtet werden, indem der LIMS-Anwendungsserver mit eingebettetem EP direkt auf die Netzbetriebssysteme der Geräte-PCs im Labor zugreift.

Zusammenfassung und Ausblick auf zukünftige Projekte

Mit dem Konzept eines Excel-Prozessors wird eine große Gruppe von Anwendern einer verbreiteten Desktop-Applikation angesprochen. Die offene Datenverarbeitung kann an verschiedenen Stellen des LIMS-Workflows zum Einsatz kommen. Mit dem Excel-Prozessor lassen sich zusätzlich auf Grundlage verbreiteter Datei-Standards Kommunikationsaufgaben automatisieren. Durch die hohe Import-Flexibilität von MS-Excel kann z.B. eine Vielzahl von Problemstellungen der Systemintegration von Laborsystemen in LIMS rationell gelöst werden.

Ein weitergehendes Konzept der flexiblen und schnellen bidirektionalen Online-Geräteintegration für LIMS setzt auf XML- bzw. Datenbankkopplungen [6]. Beide Konzepte und Lösungen lassen sich kombinieren.

*PD Dr.-Ing. habil. B. Göde, K. Rimane Institut für Automatisierungstechnik, Universität Rostock, 18119 Rostock

**Dr.-Ing. S. Holzmüller-Laue, Prof. Dr.-Ing. habil. K. Thurow, Center for Life Science Automation – celisca, 18119 Rostock

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