Sick WTB4 Miniatur-Lichtschranke: Auf dem Weg zum Krankenhaus 4.0:

In den intelligenten Transportboxen sind RFID-Datenlogger von Sick integriert, über die sich die Temperaturkonstanz der Proben messen lässt.

Das Universitätsklinikum Aalborg ist das größte Krankenhaus in der dänischen Region Nordjütland. Bis zu 3.000 Blutproben kommen hier täglich im Labor an. Sie müssen geprüft und sortiert und an verschiedenen Maschinen analysiert werden – ein zeitaufwendiger und monotoner Prozess, der bisher manuell erledigt wurde.

2019 hat das Klinikum das Verfahren automatisiert: Eine roboterbasierte Anlage und intelligente Transportboxen gewährleisten die Qualität der Proben und zeigen, wie Arbeitsabläufe in Krankenhäusern durch Automatisierung vereinfacht werden können. So bleibt dem Fachpersonal mehr Zeit für Patienten – was gerade bei Fachkräftemangel oder in Zeiten intensiver Belastungen für die Krankenhäuser ein Vorteil sein kann.

Heute sortiert ein Kuka-Laborroboter die ausgepackten Glasröhrchen nach der Farbe ihrer Deckel. Mithilfe der WTB4 Miniatur-Lichtschranke detektiert der Roboter, ob ein Objekt – unabhängig von seiner Farbe – präsent ist.

Lasse Thomsen
CEO und Eigentümer der LT Automation

„Erkennt der RFID-Scanner, dass die Temperatur einer Box zu irgendeinem Zeitpunkt auf ihrer Reise von der vorgeschriebenen Temperatur abgewichen ist, sendet er automatisch eine Information an den Roboter.“

Mitarbeiter entlasten und Qualität der Blutproben besser kontrollieren

Der manuelle Prozess lief bisher so ab: Die Labormitarbeiter öffneten die ankommenden Transportboxen, entnahmen die Blutproben und sortierten sie für die weitere klinische Analyse. Aufgrund der hohen Zahl an Boxen klagten die Angestellten des Krankenhauses häufig über Verletzungen der Sehnen und Muskeln. Die Idee, diesen Arbeitsschritt zu automatisieren, kam vom Krankenhaus selbst, das eine Innovationsabteilung betreibt und zu diesem Arbeitsvorgang einen Wettbewerb veranstaltete. Im Zuge dieses Wettbewerbes wurden einige gute Ideen eingereicht. „Wir wollten diesen Prozess automatisieren, um unsere Angestellten zu entlasten“, berichtet Annebirthe Bo Hansen, Abteilungsleiterin im Universitätsklinikum Aalborg, über die Ziele des Projekts. „Zudem haben wir nach einer Möglichkeit gesucht, wie man die Qualität der Blutproben und deren Temperatur besser kontrollieren kann.“

Um die Abläufe zu optimieren, wurden zwei lokale Unternehmen aus Dänemark ausgewählt: LT Automation und Intelligent Systems – ersteres Unternehmen entwickelte die Roboterlösung und Intelligent Systems die innovative Transportbox. In der Pick & Place-Anwendung sind zwei Kuka-Roboter aus der KR AGILUS Baureihe, einer vom Typ KR 3 und einer vom Typ KR 10, verbaut. „Dass die Wahl auf Roboter von Kuka fiel, hatte mehrere Gründe“, erklärt Lasse Thomsen, CEO bei LT Automation: „Die Roboter erfüllen die notwendigen technischen Voraussetzungen. Außerdem entsprechen sie mit ihrem weißen Äußeren der Optik, die man in einem sterilen Umfeld erwartet.“

Die Besonderheit der intelligenten Transportbox liegt in dem integrierten RFID-Datenlogger von Sick, über den nicht nur der Transportweg der einzelnen Box nachverfolgt werden kann. Der Logger speichert auch, welche Temperatur zu welcher Zeit im Inneren der Box geherrscht hat. Ein entscheidender Faktor, wie Annebirthe Bo Hansen erklärt: „Um die Qualität der Blutproben zu gewährleisten, muss die Temperatur konstant 21° C, betragen. Lediglich eine Abweichung um maximal +/- 1° C ist erlaubt.“

„Den Auftragszuschlag bezüglich der sensortechnischen Ausstattung der Roboteranlage erhielt Sick deshalb, weil wir mittels unserer 3D-Kamera sämtliche Positionsinformationen orten können, welche z. B. für die Vermeidung evtl. Beschädigungen der Blutproben durch die Robotergreifer nötig sind. Darüber hinaus gab auch unser RFID-System den Ausschlag, welches in den intelligenten Transportboxen die Temperatur, Herkunft und Patientenzugehörigkeit der Blutproben protokolliert“, erklärt Torben Hyllested, Sales Engineer bei Sick Dänemark und Projektbetreuer der Krankenhaus-Applikation.

Der Sick-KTS Kontrastsensor am Kuka-Robotergreifer liest an dieser Stelle die RGB-Daten aus und sendet sie via IO-Link zum Controller, wo die Daten visualisiert und mit der Datenbank abgeglichen werden.

Der lange Weg der Blutproben zurück ins Labor

Entnommen werden die Blutproben in den allgemeinmedizinischen Arztpraxen im Umkreis der Klink. Bei der Abholung scannt der Kurierfahrer die Boxen, damit ihr Weg nachverfolgt werden kann. Er bringt die Blutproben ins Klinikum, wo sie bei ihrer Ankunft wiederum gescannt und registriert werden.

Im Labor platziert dann eine Mitarbeiterin die Transportboxen auf dem Zuführband der Roboteranlage. In diesem Moment liest ein im Raum montierter RFID-Scanner den Datenlogger aus. „Wenn der Scanner erkennt, dass die Temperatur einer Box zu irgendeinem Zeitpunkt auf ihrer Reise von der vorgeschriebenen Temperatur abgewichen ist, sendet er automatisch eine Information an den Roboter“, erklärt Lasse Thomsen. „Der Roboter schleust die betreffende Box aus der Anlage aus, so dass sie auf dem Arbeitsplatz des Labormitarbeiters landet, der dann entscheidet, ob die Blutproben noch verwendbar sind.“

Weist der Datenlogger keine falschen Temperaturen auf, öffnet der erste Labor-Roboter die Box, entnimmt die Blutproben und stellt sie zur Sortierung ab. Der zweite Labor-Roboter sortiert die ausgepackten Glasröhrchen nach der Farbe ihrer Deckel, die er mithilfe eines Scanners erkennt. Die vorsortierten Proben werden so aus der Anlage ausgegeben, dass der Labormitarbeiter die Blutuntersuchung durchführen kann. Im Schnitt benötigt die Anlage pro Box 1,5 Minuten und schafft so bis zu vierzig Boxen in einer Stunde.

Die Automatisierung im Detail

Die Hauptkomponenten der Lösung – zwei Roboter aus dem Hause Kuka – sind ein KR 3 AGILUS und ein KR 10 AGILUS. Diese beiden Roboter ermöglichen einen sehr modularen Roboterzellen-Aufbau: So sorgt ein Modul für das Handling der Boxen, ein weiteres ist für die Handhabung der Schablonen zuständig, das nächste öffnet die Boxen und schlussendlich ist ein Modul für das Sortieren der Proben verantwortlich.

„Das ist möglich, weil wir Kuka-Roboter haben, die direkt auf die Module passen und die Steuerung in die Zelle eingebaut werden kann. Das bedeutet auch, dass sich das Design einfach und komfortabel an unterschiedliche Kundenanforderungen anpassen lässt“, definiert Anders Kjergaard Madsen, Technical Manager und Inhaber von LT Automation, die Roboterzelle.

Zahlreiche Sensoren von Sick ermöglichen die automatische Handhabe der Boxen. Erreichen die Boxen das Labor, liest der im Raum installierte RFID-Scanner RFU630 die Daten aus den mit Transpondern bestückten Transportboxen aus und überprüft dabei, ob die Temperatur innerhalb der Boxen konstant auf 21 Grad gehalten wurde, von welchem Arzt die Blutproben kommen und welche Blutprobe zu welchem Patienten gehört. Der RFU630 wurde deshalb verwendet, weil in der vorliegenden Applikation eine große Lesedistanz erforderlich war, um die Transponder in den Plastikboxen erfassen zu können. Anders Kjergaard Madsen bestätigt dazu: „Über diese Sick-Sensoren erhalten wir alle jene Informationen, um sämtliche weiterführenden Entscheidungen treffen zu können, die notwendig sind, wenn die Boxen in der Roboterzelle eintreffen.“

Treffen die Boxen in der Roboterzelle ein, nimmt einer der Roboter die Transportboxen auf, die aus einer äußeren und inneren Box bestehen, ladet die Boxen aus und öffnet diese. Damit der Robotergreifer im richtigen Abstand zur Box positioniert ist, kommt ein OD1000 Distanzsensor von Sick zum Einsatz. Ein äußerst kompakter magnetischer Zylindersensor mit wenig Platzbedarf und schneller Montagemöglichkeit – der MZT8 – zeichnet für die genaue Positionserkennung am Zylinder verantwortlich. Und ein weiterer im Robotergreifer verbauter KTS Kontrastsensor liest an dieser Stelle dann die RGB-Daten aus und sendet sie via IO-Link zum Controller, wo die Daten visualisiert und mit der Datenbank abgeglichen werden.

Mit Hilfe der 3D-Kamera TriSpector1060 wird nun einerseits überprüft, ob sämtliche Blutproben – die alle unterschiedliche Höhen haben – korrekt platziert sind. Darüber hinaus ist die 3D-Kamera aber auch für sämtliche Positionsinformationen zuständig, um evtl. Beschädigungen der Blutproben durch die Robotergreifer zu vermeiden.

Dann entnimmt der zweite Roboter die Proben und legt sie in eine Schablone, wo die Farben der Deckel überprüft werden und sortiert sie dann für die weitere Analyse in zwei verschiedene Behälter. Auch diese Überprüfung erfolgt mittels eines Sick-Sensors, der WTB4 Miniatur-Lichtschranke, die detektiert, ob ein Objekt – unabhängig von seiner Farbe – präsent ist. Nachdem in der Roboterzelle mannigfaches technisches Equipment vorherrscht, bedurfte es dazu einer hochwertigen Hintergrundausblendung mit geringer Schwarzweißverschiebung. Die WTB4 Miniatur-Lichtschranke meistert diese Anforderungen allesamt bravourös.

Im letzten Schritt checkt das GL6 Automatisierungslichtgitter per PinPoint-Lichtfleck, ob die Trays präsent sind.

Fehlerquellen reduzieren, mehr Zeit für Patienten

Im März 2019 wurde das neue System erstmals getestet, im August ging es schließlich in den Vollbetrieb. Den Labormitarbeitern bleibt nun mehr Zeit für die Analysen der Blutproben. Zudem wurden durch die automatisierte Sortierung sowie durch die permanente Kontrolle der Temperatur in der Transportbox mögliche Fehlerquellen reduziert.

„Mit der neuen Anlage ist das Universitätsklinikum Aalborg Vorreiter auf dem Weg zum ‚Krankenhaus 4.0‘“, erklärt Lasse Thomsen und ergänzt um einen weiteren Vorteil: „Automatisierung kann gerade auch in Zeiten des Fachkräftemangels Arbeitsabläufe vereinfachen und die hohen Qualitätsanforderungen gewährleisten." Deswegen hat die Roboterlösung seiner Meinung nach großes Potenzial: „Sie ist in dieser oder ähnlicher Art für alle Krankenhäuser mit einem Labor für klinische Biochemie interessant.“

www.kuka.com www.lt-automation.dk www.intelligentsystems.dk/en