ITMI20120902A1 - Apparato di automazione distribuita per diagnostica di laboratorio. - Google Patents

Apparato di automazione distribuita per diagnostica di laboratorio. Download PDF

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Description

DESCRIZIONE
“Apparato di automazione distribuita per diagnostica di laboratorioâ€
La presente invenzione riguarda un apparato di automazione distribuita per diagnostica di laboratorio.
Oggigiorno, nei laboratori di analisi di campioni di materiale biologico, à ̈ tipico l’uso di impianti motorizzati lungo cui i campioni viaggiano, aH’intemo di appositi contenitori di prodotti biologici, incontrando lungo il loro percorso diversi dispositivi, o moduli, atti a realizzare sui campioni stessi diversi trattamenti (stappatura, ritappatura dei contenitori stessi, centrifugazione del loro contenuto e così via) oppure altri moduli aventi una differente funzione, ossia quella di interfacciare i contenitori di prodotti biologici ai dispositivi di analisi vera e propria del campione stesso.
La gestione automatizzata dell’ indirizzamento, lungo i vari moduli, dei campioni presenti à ̈ comandata attraverso un’unità di controllo centrale, ovvero un computer dotato di un software adibito a smistare opportunamente i campioni secondo le specifiche esigenze operative di ognuno di essi; tale software contiene appunto tutte le informazioni necessarie in merito alle operazioni di cui necessita ogni singolo campione nel suo percorso lungo l’intera automazione.
L’architettura di sistema à ̈ in questo senso una architettura centralizzata, dato che il compito di soprassedere all’intero flusso di operazioni, nonché la gestione passo dopo passo delle varie fasi di azionamento di ogni singolo modulo, à ̈ appannaggio esclusivamente di tale unità di controllo centrale. Ognuno dei moduli presenti lungo l’automazione (siano essi di pre-analisi, post-analisi oppure moduli di interfacciamento con analizzatori) à ̈ un semplice esecutore di istruzioni che gli arrivano dall’unità di controllo centrale, e deve dunque essere guidato da quest’ultima nell’ espletamento di ogni minimo passo operativo.
Si manifestano dei problemi, in un’architettura centralizzata di questo tipo, in quanto l’unità di controllo centrale à ̈ deputata alla gestione delle componenti (sia hardware che software) che caratterizzano ogni istanza operativa di uno specifico modulo.
L’ introduzione di più istanze di uno stesso modulo lungo un impianto di automazione comporta sostanziali modifiche progettuali sull’unità di controllo centrale, che deve essere configurata in base alla presenza contemporanea di più moduli identici in grado di svolgere le stesse operazioni.
Perciò avendo ogni impianto, in base alle esigenze specifiche di ogni laboratorio, diversi moduli nonché un diverso numero di istanze per ogni modulo, le modifiche progettuali riguardanti l’unità di controllo centrale sono specifiche per ognuno dei suddetti impianti, ovvero non riproducibili né riutilizzabili da uno all’altro.
Per di più, in caso di guasto oppure di avvio di una procedura di manutenzione anche su uno solo dei moduli presenti lungo l’impianto automatizzato, deve essere messo in pausa l’intero sistema, poiché la gestione centralizzata da parte dell’unità di controllo riconosce il modulo guasto come “collo di bottiglia†del sistema e, poiché le operazioni ad esso legate sono strettamente legate a quelle degli altri moduli (ovvero, esso non à ̈ indipendente dagli altri dal punto di vista software), il sistema non à ̈ in grado di isolare temporaneamente solo il modulo guasto proseguendo con il processamento dei campioni da parte degli altri moduli.
Infine, la gestione da parte di un operatore dei comandi manuali da impartire alle vaile componenti dell’automazione à ̈ possibile grazie alla presenza di una singola Interfaccia Utente Grafica (GUI) residente in loco nei pressi dell’automazione; ciò presuppone in ogni momento la presenza fisica di un operatore nei pressi dell’impianto, per svolgere le operazioni di controllo ed eventualmente di indirizzamento di campioni e riassegnazione dinamica di compiti ai vari moduli componenti il sistema.
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un apparato di automazione che, dal punto di vista architetturale, consenta di superare i problemi sopra esposti, assicurando comunque una gestione dinamica dell’ indirizzamento di campioni di materiale biologico lungo l’apparato stesso, e facendo in modo che i campioni scorrano in maniera più fluida rispetto alle soluzioni note.
Un ulteriore scopo consiste nell’ evitare che l’intero apparato di automazione si blocchi in caso di guasto o manutenzione a uno o più dei moduli coinvolti nell’automazione.
Non ultimo scopo, deve essere quello di liberarsi dalla necessità che sia sempre presente un operatore nei pressi dell’apparato di automazione.
Questo ed altri scopi vengono raggiunti da un apparato di automazione distribuita per diagnostica di laboratorio comprendente moduli per la realizzazione di operazioni di vario genere su contenitori di prodotti biologici e moduli di interfacciamento con dispositivi di analisi di campioni di prodotti biologici, entrambi detti tipi di moduli essendo connessi ad un convogliatore automatico adibito al trasporto di detti contenitori da un modulo all’altro, caratterizzato dal fatto che ognuno di detti moduli à ̈ autonomo nella gestione del proprio processo locale, indipendentemente dalla specificità delle operazioni compiute da detto modulo, essendo guidato nella realizzazione di dette operazioni da una propria scheda di controllo collegata ad un’unità di controllo centrale.
Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione saranno rese maggiormente evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione illustrata a titolo non limitativo nei disegni allegati, in cui:
la figura 1 mostra uno schema a blocchi con gli elementi principali di un apparato secondo l’invenzione;
la figura 2 illustra più in dettaglio l’interfacciamento tra l’unità di controllo centrale e i vari moduli.
Un apparato di automazione di laboratorio à ̈ composto da un convogliatore automatico adibito al trasporto, per mezzo di opportuni nastri trasportatori, di contenitori di prodotti biologici, ad esempio provette inserite in appositi dispositivi di trasporto, da un punto all’altro dell’apparato stesso e in particolar modo da uno all’altro di moduli presenti nell’apparato. Più precisamente, si tratta di moduli 1 in grado di realizzare le più disparate operazioni tipiche di sistemi di laboratorio di questo tipo (e dunque ad esempio stappatura, ritappatura delle provette, centrifugazione del loro contenuto, separazione del contenuto della provetta madre in più provette figlie e così via) oppure di moduli 2 che non realizzano alcuna operazione sulle provette, ma sono invece dei moduli di interfacciamento del sistema di automazione con i dispositivi 20 di analisi vera e propria di campioni di prodotti biologici.
Naturalmente ciascuno dei moduli 1 , 2 viene chiamato in causa solo per un certo numero di provette in base ai diversi trattamenti o analisi di cui necessita ogni campione; le provette dunque, inserite in appositi dispositivi di trasporto (detti anche “carrier†) viaggiano lungo il nastro trasportatore venendo indirizzate presso gli opportuni moduli 1, 2.
A ognuno dei moduli 1, 2 presenti lungo l’automazione corrisponde un nodo 3, 4 (figura 1, rispettivamente in riferimento ai moduli 1, 2) che a livello software ha il compito di coordinare tutte le operazioni proprie del modulo 1, 2, comprendendo in tal senso anche lo smistamento o meno di ciascuno dei dispositivi di trasporto in arrivo verso il modulo stesso, e quindi ad esempio le operazioni di deviazione di campioni da una corsia principale a una secondaria del convogliatore oppure di indirizzamento dei campioni verso porzioni del convogliatore sagomate ad U oppure a T, per far sì che si interfaccino con il modulo.
L’intero flusso di operazioni à ̈ gestito da un’unità di controllo centrale 5 la quale si interfaccia con ogni nodo 3, 4 presente nell’apparato (e dunque, per estensione, con i relativi moduli 1, 2) mediante la fornitura al nodo 3, 4 stesso di una lista di lavoro 6 (WorkList) contenente l’elenco dei dispositivi di trasporto che il modulo 1, 2 deve processare, nonché una serie di variabili che rappresentano vari attributi e/o codici identificativi riferiti ad ogni dispositivo di trasporto e/o relativa provetta all’intemo della stazione.
Ogni nodo 3, 4 ha per ogni istante una precisa fotografìa dello stato di ognuno dei dispositivi di trasporto (e dell’eventuale relativa provetta contenuta in ognuno di essi) con i quali si deve interfacciare, e in conseguenza di ciò può realizzare, secondo la più opportuna successione di operazioni, il processamento uno ad uno dei dispositivi di trasporto stessi.
Naturalmente l’intelligenza propria dell’intero apparato, presieduta dall’unità di controllo centrale 5, indirizza i dispositivi di trasporto e le relative provette solo verso gli opportuni moduli 1 che realizzano le operazioni di cui ogni provetta ha bisogno e/o verso i moduli 2 di interfacciamento con gli opportuni dispositivi di analisi 20 del campione.
L’ indirizzamento tuttavia può riguardare più in generale anche dispositivi di trasporto vuoti, ossia non contenenti provette, poiché ad esempio può essere necessario deviare i dispositivi di trasporto da una corsia principale ad una corsia secondaria del convogliatore indipendentemente dal fatto che tali dispositivi di trasporto contengano una provetta o meno.
L’unità di controllo centrale 5 à ̈ un computer dotato di un software 7 che à ̈ in grado di comunicare con i singoli nodi 3, 4 della stazione ed anche di aggiornare dinamicamente le liste di lavoro 6 (WorkList) relative ad ogni nodo 3, 4 in base alle esigenze mutevoli di processamento di provette, le quali possono cambiare da un momento all’ altro all'inteo della stazione. Questi aggiornamenti possono riguardare ad esempio l’aggiunta o la cancellazione di dispositivi di trasporto (e dei relativi campioni) ad una lista di lavoro 6, oppure la modifica del livello di priorità di processamento di un campione, e così via.
Parimenti, le informazioni e gli aggiornamenti sullo stato corrente di ogni dispositivo di trasporto che viaggia lungo l’automazione devono essere passate all’unità di controllo centrale 5.
In sostanza, la comunicazione tra l’unità di controllo 5 e i vari nodi 3, 4 (e di conseguenza moduli 1, 2) à ̈ bidirezionale; Γ interfacciamento avviene mediante una rete CAN 8, e il protocollo usato à ̈ il CANopen (figura 2).
L’unità di controllo centrale 5 à ̈ dunque connessa da un lato ai nodi 3, 4, e dunque ai rispettivi moduli di automazione 1 oppure moduli di interfacciamento 2 ad analizzatori 20, mediante una Rete di Automazione 9 (figura 1), dall’altro invece à ̈ collegata mediante Ethernet 10 alle varie Interfacce Utente Grafiche (GUI) 11 adibite alla gestione da parte di un operatore dei comandi da imprimere manualmente (mediante un pratico touch-screen) a ciascuno dei moduli 1, 2 oppure ancora ad attività di analisi dei log o di diagnostica dei singoli moduli. Tale collegamento può avvenire direttamente mediante cavo LAN oppure da remoto attraverso Internet.
Inoltre i risultati delle varie analisi sui campioni condotte dagli analizzatori 20 presenti nel sistema, e che possono essere visualizzati sullo schermo di ciascuna delle suddette GUIs 11, vengono poi passati al Laboratory Information System (LIS) 12, ovvero il sistema che gestisce l’anagrafica dei pazienti e, attraverso il processamento e la memorizzazione delle informazioni generate dai vari macchinari presenti lungo l’apparato di automazione, à ̈ in grado di assemblare tutti questi dati ed emettere un referto medico. A sua volta il LIS 12 può interfacciarsi, in senso più ampio, con l’intero Hospital Information System (HIS) 13, inteso come l'insieme di tutti gli strumenti informatici utilizzati in ambito sanitario per gestire i flussi sia amministrativi che clinici di un ospedale.
Considerando l’apparato di automazione nel suo complesso, Γ ottenimento di una frequenza desiderata di trattamento (throughput) di un certo numero di campioni nell’unità di tempo prestabilita à ̈ determinato dall’azione congiunta della pluralità di moduli 1, 2 facenti parte dell’intera stazione. E’ dunque opportuno massimizzare sia il throughput del singolo modulo sia, in senso più ampio, sincronizzare l’azione congiunta di tutti i moduli presenti per massimizzare il throughput globale della stazione.
La caratteristica innovativa dell’invenzione à ̈ determinata dal fatto che ognuno dei moduli 1, 2 impiegati all’intemo dell’apparato di automazione à ̈ in un certo senso indipendente dagli altri, essendo dotato di una propria scheda di controllo 50 che gli consente di gestire autonomamente il flusso dei campioni di materiale biologico e le operazioni da effettuare sugli stessi. L’interfacciamento con l’unità di controllo centrale 5 avviene nel momento in cui l’unità di controllo 5 dialoga con il modulo 1, 2 in questione ordinandogli di entrare in azione, e successivamente nella fase in cui à ̈ invece il modulo 1, 2 a comunicare all’unità di controllo 5 i risultati della propria elaborazione sui campioni. In aggiunta, per mantenere la tracciabilità relativa all’evoluzione del dispositivo di trasporto, ed eventualmente della relativa provetta, all’intemo del modulo 1 , 2 durante il suo processament à ̈ prevista la fornitura di continui aggiornamenti dal modulo 1, 2 all’unità di controllo centrale 5 circa lo stato logico/fisico di ogni dispositivo di trasporto.
Durante il processamento dei campioni, ogni modulo 1, 2 lavora in modo autonomo e slegato dall’unità di controllo centrale 5; infatti, una volta che il dispositivo di trasporto à ̈ preso in carico dal modulo 1 , 2, la logica di processo à ̈ appannaggio del modulo 1, 2 stesso, al contrario di quanto avviene per i moduli dei sistemi noti in cui la logica à ̈ proprietà dell’unità di controllo centrale 5. In questo senso si à ̈ dunque passati da una architettura centralizzata ad una distribuita.
In altre parole, il codice sorgente relativo alla gestione di ogni modulo 1, 2 connesso all’apparato à ̈ ora contenuto direttamente nel modulo 1, 2 stesso, o meglio nella sua scheda di controllo 50, mentre negli apparati noti il codice relativo alla gestione di ogni singolo modulo à ̈ parte integrante dell’unico codice risiedente nell’unità di controllo centrale 5.
In questo modo ora ogni modulo 1, 2, una volta ricevuta (attraverso la rete CAN 8 e il relativo protocollo di comunicazione CANopen) dall’unità di controllo centrale 5 la propria lista di lavoro 6, à ̈ in grado poi di gestire autonomamente il flusso di operazioni che gli competono e dunque la propria capacità di processare i campioni; ciò invece non accade nelle soluzioni note dove ancora ogni modulo deve essere istruito passo passo dall’unità di controllo centrale 5 nell’espletamento di ogni operazione, anche minima.
Ciò porta con sé un ulteriore importante aspetto legato ad una architettura distribuita come quella dell’invenzione: infatti nel caso in cui, per un qualunque motivo, si renda necessaria una modifica ad una parte del codice sorgente riferito ad uno dei moduli 1, 2 dell’apparato, tale modifica interessa come detto un codice sorgente che à ̈ slegato ed indipendente da quello degli altri moduli 1, 2 e dall’unità di controllo centrale 5; invece nelle soluzioni note, qualunque sia il modulo su cui si debba andare ad agire, il codice globale da modificare à ̈ sempre quello risiedente nell’unità di controllo centrale 5, con evidenti complicazioni nella stesura della modifica al codice stesso, visto che si deve sempre tener conto delle interrelazioni esistenti tra il modulo in questione e tutti gli altri, anche quelli eventualmente non interessati da alcuna modifica.
Tutto ciò si traduce in un ulteriore evidente vantaggio pratico: secondo la presente invenzione, nel caso si debbano effettuare delle operazioni di manutenzione oppure di risoluzione di problemi su uno dei moduli 1, 2 facenti parte dell’apparato di automazione, esso può essere messo in pausa e provvisoriamente isolato dal resto dell’apparato di automazione, che continua a funzionare normalmente. Nelle soluzioni note invece ciò non à ̈ possibile, perché essendo caratterizzate da una architettura centralizzata, come si à ̈ detto, à ̈ come se i moduli 1, 2 fossero tutti legati in qualsiasi momento l’uno all’altro, e dunque metterne in pausa uno equivale a mettere in pausa l’intero apparato di automazione.
Con una architettura distribuita à ̈ inoltre possibile interfacciare all’apparato di automazione un numero teoricamente illimitato di moduli 1, 2, anche eventualmente diverse unità di moduli atti a svolgere la stessa funzione, ad esempio in punti diversi lungo l’apparato di automazione. In tal modo si supera il problema precedentemente evidenziato e riferito alle soluzioni note, ossia la difficoltà di interfacciare ad un unico impianto più istanze dello stesso modulo, per via delle modifiche progettuali che ciò implica a livello di unità di controllo centrale 5. Nella soluzione appena esposta invece l’eventuale aggiunta di nuovi moduli 1, 2 non implica tali modifiche, e se ne possono dunque aggiungere liberamente a seconda delle esigenze di ogni impianto.
L’apparato secondo la presente invenzione à ̈ inoltre configurabile per poter essere gestito mediante Ethernet 10, attraverso un collegamento diretto con cavo LAN oppure da remoto connettendosi ad Internet, da una pluralità di Interfacce Utente Grafiche 11. Esse possono essere presenti in numero variabile, e posizionate ovviamente in punti diversi del laboratorio o anche al di fuori dello stesso. Anche questa à ̈ una caratteristica assolutamente innovativa rispetto agli apparati di automazione noti, i quali possono essere gestiti soltanto mediante una singola Interfaccia Utente Grafica presente in loco dove à ̈ situata l’automazione.
Si à ̈ in pratica constatato come l’apparato di automazione distribuita così descritta possa raggiungere gli scopi prefissati assicurando l’indipendenza, all’intemo dell’apparato, di ognuno dei moduli facenti parte dell’automazione nonché la possibilità di inserire all’intemo dell’apparato stesso un numero teoricamente illimitato di moduli, siano essi moduli 1 adibiti ad effettuare operazioni sulle provette contenenti i campioni oppure moduli 2 di interfacciamento con i dispositivi di analisi 20 dei campioni di materiale biologico contenuti nelle provette stesse.
L’architettura a logica distribuita consente, in caso di guasto o manutenzione su uno dei moduli, di mantenere comunque in funzione il resto della stazione, isolando provvisoriamente soltanto il modulo interessato dal guasto e assicurando la normale operatività degli altri moduli presenti.
Per di più la possibilità di impartire i comandi ad ognuno dei moduli presenti nella stazione da un certo numero di postazioni diverse consente di modificare l’ indirizzamento dei campioni nella stazione, in base a qualunque tipo di nuova esigenza che può emergere, senza che sia strettamente necessaria la presenza di un operatore nel laboratorio di analisi, bensì eventualmente da remoto attraverso un collegamento Internet, e quindi anche a migliaia di chilometri di distanza e in qualsiasi momento della giornata, ad esempio nelle ore notturne.
Oltretutto, dal momento che ora l’unità di controllo non deve più istruire passo passo ogni modulo nello svolgimento di ogni minima operazione, viene ridotto rispetto alle soluzioni note il flusso di informazioni da scambiare tra l’unità di controllo centrale e i vari moduli, essendo i moduli ora gestiti da una autonoma scheda di controllo e dunque indipendenti dall’unità di controllo centrale.
L’invenzione così concepita à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo.
In pratica i materiali impiegati nonché le forme e le dimensioni potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze.

Claims (6)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato di automazione distribuita per diagnostica di laboratorio comprendente moduli (1) per la realizzazione di operazioni di vario genere su contenitori di prodotti biologici e moduli (2) di interfacciamento con dispositivi di analisi (20) di campioni di prodotti biologici, entrambi detti tipi di moduli (1, 2) essendo connessi ad un convogliatore automatico adibito al trasporto di detti contenitori da un modulo all’altro, caratterizzato dal fatto che ognuno di detti moduli (1, 2) à ̈ autonomo nella gestione del proprio processo locale, indipendentemente dalla specificità delle operazioni compiute da detto modulo (1, 2), essendo guidato nella realizzazione di dette operazioni da una propria scheda di controllo (50) collegata ad un’unità di controllo centrale (5).
  2. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’unità di controllo centrale (5) si interfaccia a detti moduli (1, 2) mediante rispettivi nodi (3, 4) atti a ricevere rispettive liste di lavoro (6) contenenti l’elenco dei dispositivi di trasporto che il modulo (1, 2) deve processare, nonché una serie di variabili che rappresentano vari attributi e/o codici identificativi riferiti ad ogni dispositivo di trasporto e/o relativa provetta all’ interno di una stazione.
  3. 3. Apparato secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che l’unità di controllo centrale (5) à ̈ un computer dotato di un software (7) che à ̈ in grado di comunicare con i singoli nodi (3, 4) di una stazione ed anche di aggiornare dinamicamente le liste di lavoro (6) relative ad ogni nodo (3, 4) in base alle esigenze mutevoli di processamento di provette, le quali possono cambiare da un momento all’altro aH’interno della stazione.
  4. 4. Apparato secondo le rivendicazioni 2 o 3, caratterizzato dal fatto che il collegamento tra detti moduli (1, 2) e detta unità di controllo centrale (5) à ̈ realizzato mediante una rete CAN (8) ed un relativo protocollo di comunicazione di tipo CANopen.
  5. 5. Apparato secondo le rivendicazioni 3 o 4, caratterizzato dal fatto che unità di controllo centrale (5) à ̈ connessa ai nodi (3, 4) mediante una Rete di Automazione (9), ed à ̈ collegata mediante Ethernet (10) a varie Interfacce Utente Grafiche (11) adibite alla gestione da parte di un operatore dei comandi da imprimere manualmente a ciascuno dei moduli (1, 2) oppure ancora ad attività di analisi dei log o di diagnostica dei singoli moduli (1, 2).
  6. 6. Apparato secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che i risultati delle varie analisi sui campioni condotte dagli analizzatori (20) vengono passati al Laboratory Information System (12) atto ad interfacciarsi con l’intero Hospital Information System (13), inteso come l'insieme di tutti gli strumenti informatici utilizzati in ambito sanitario per gestire i flussi sia amministrativi che clinici di un ospedale.
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