더 높은 처리량
IDS의 USB 및 GigE 산업용 카메라를 사용한 실험실 자동화 솔루션
비용과 노동력을 줄이는 동시에, 과학적 발견을 이전보다 더 빠르고 쉽게 제공해야 하는 요구가 실험실에 점점 더 커지고 있습니다. 자동화 솔루션에 대한 필요성이 증가하고 있으며, 표본의 수가 지속적으로 증가하고 공정 시간을 단축하기 위한 동시 구동으로 인해 로봇 기반 분석이 바이오 분석 기술에서 점점 더 매력적으로 변하고 있습니다. 이는 높은 처리량 프로세스를 자동화하는 경우에도 마찬가지입니다. Karlsruhe Institute for Technology (KIT)는 단조로운 수동 작업을 수행하기 위해 모듈식 실험실 로봇 시스템을 개발했습니다. 사람에 의해 일반적으로 수행되는 감지 및 분석 작업은 LabView 및 최첨단 머신 비전 기술과 결합된 IDS 산업용 카메라로 수행됩니다.
높은 처리량 프로세스는 바이오 분석 기술에서 매우 중요합니다. 이들은 생물학적 과정과 그 제어 메커니즘을 해독하고, 약물 승인 과정의 일부인 독성학적 분석, 유해성 물질 분석에서 역할을 합니다. 이러한 프로세스는 모두 차례로 수행되는 일련의 개별 활동들을 포함합니다. 일반적으로, 표본은 분석 시작 시 분석 용기에서 준비됩니다. 그런 다음 물질을 추가하거나 표본에서 반응을 유발하는 화학적 또는 물리적 영향에 노출하여 실제 분석을 수행합니다. 그런 다음 표본을 검사하고 프로세스에 대한 최종 분석이 있습니다.
어플리케이션
사용된 표본은 주로 제브라피쉬와 같은 모델 유기체입니다. 이 5cm 길이의 물고기의 배아는 모델 유기체로 이상적인 다양한 특성을 가지고 있습니다. 그들은 보관하는 데 비싸지 않고, 정기적으로 많은 양의 알을 낳고 모체 외부에서 발달하고 투명하며 다양한 고전적인 생물학적 실험을 수행하기에 충분히 큽니다. 얻은 결과는 인간에게 쉽게 적용될 수 있습니다.
다른 모델 유기체와 마찬가지로 제브라피쉬를 포함하는 현재 연구는 수동으로 수행해야 하는 작업 수로 인해 처리량이 매우 제한적입니다. 결과적으로, 효율성 향상과 동시에 비용 절감에 기여할 생물학적 분석을 위한 자동화 솔루션에 대한 요구가 있습니다. Karlsruhe Institute for Technology (KIT)의 개발 프로젝트의 일환으로 Dr. Alexander Pfriem은 제브라피쉬를 포함하는 완전 자동 고처리량 분석을 위한 새로운 개념을 제시했습니다. 이는 수동 개입을 완전히 제거하고 처리량을 크게 증가시킵니다.
그의 모듈식 시스템 개념에서 분석의 하위 프로세스는 4개의 실험실 로봇을 사용하여 자동화됩니다. 분석 방법에 따라 이러한 스테이션은 독립형 솔루션으로 사용하거나 필요에 따라 결합할 수 있습니다. 개별 스테이션들은 한 로봇에서 다른 로봇으로 마이크로 플레이트를 전송하는 운송 시스템으로 연결됩니다. 이 플라스틱 플레이트에는 표본을 보관하는 격리된 챔버(chamber)가 있습니다. 프로세스 체인의 자동적인 동작은 고성능 카메라와 해당 머신 비전 소프트웨어로 가능합니다. 표본 상태의 평가 및 평가와 같은 탐지 및 분석 작업을 더 이상 실험실 직원이 수행할 필요가 없으며, 이는 오랜 시간이 소요됩니다.
이 시스템은 IDS의 USB 또는 GigE 연결이 있는 SE 시리즈의 산업용 카메라를 사용합니다. 이 시리즈의 카메라는 작고 컴팩트하고 견고하며 다양한 센서와 해상도로 사용할 수 있는 진정한 만능 제품입니다. 카메라 하우징에는 나사 체결식 피팅이 있기 때문에 거의 모든 곳에 쉽게 장착할 수 있습니다. 나사 고정식 RJ45 커넥터 외에도 전원 공급 장치를 위한 6-핀 Hirose 연결과 트리거 및 플래시 제어를 위한 디지털 입력/출력이 있습니다. 이들은 광학적으로 분리되어 있으며, 최대 30V의 신호를 처리할 수 있으므로 이 모델은 자동화에 사용하기에 이상적입니다.
Alexander Pfriem 박사는 자신의 특정 어플리케이션에 대한 요구 사항을 요약합니다. “갠트리 로봇의 매우 좁은 공간에서 사용할 수 있도록 카메라는 컴팩트해야 합니다. 적절한 렌즈와 함께 사용할 때, 해상도는 단 5 ~ 15cm의 동작 거리에서 0.3 ~ 3mm의 매우 작은 구조를 충분히 자세하게 재현할 수 있어야 합니다.”
자동 분석은 어류 분류기로부터 시작됩니다. 이것은 페트리 접시에 무작위로 분포된 물고기 유충을 피펫을 사용하여 마이크로 플레이트로 옮기는 것을 포함합니다. 이것은 카메라로 캡처됩니다. 이미지는 IDS의 UI-5480SE 산업용 카메라 모델로 캡처됩니다. 이 카메라에는 기가비트 이더넷 인터페이스가 있으며 5메가 픽셀 해상도의 반도체 CMOS 센서가 장착되어 있습니다.
그런 다음 마이크로 플레이트는 다음 스테이션으로 전송되어, 추가 분석이 자동으로 수행될 수 있습니다. 병렬 현미경, 심장 박동 현미경 및 형광 모듈을 사용할 수 있습니다. 병렬 현미경에서 네 대의 카메라는 마이크로 플레이트의 챔버에서 어류 유충을 캡처하여 많은 수의 표본으로 매우 빠른 예비 분석을 수행할 수 있습니다.
UI-6240SE 유형 카메라 (또한 GigE 인터페이스 포함)의 해상도는 1.3 메가 픽셀 (1280 x 1024 픽셀)입니다. Pfriem은 “병렬 현미경과 4개의 카메라를 사용하면 단일 이미지 또는 이미지 시퀀스를 사용하여 많은 수의 마이크로 플레이트를 빠르게 캡처할 수 있습니다.”라고 스테이션의 주요 이점을 설명합니다. “이 모듈은 96개의 이미지를 캡처하는 데 약 30초가 필요합니다. 모든 96개 챔버는 마이크로 플레이트에 있습니다. 기존의 고해상도 실험실 현미경은 2분 이상 걸리며 불필요하게 많은 양의 데이터를 생성합니다.”
후속 심장 박동 현미경에는 두 대의 UI-5480SE GigE 카메라가 장착되어 있습니다. 첫 번째 카메라는 물고기 유충이 들어있는 마이크로 플레이트의 챔버를 캡처합니다. 머신 비전 시스템은 어류 유충의 심장 위치를 결정합니다. 두 번째 카메라는 어류 유충 아래에 정확하게 배치되어 심장 박동을 캡처하기 위해 상당히 확대된 이미지 시퀀스를 생성합니다. 다시 한번 여기에서 상당한 효율성 향상이 달성될 수 있습집니다. 개별 잛은 비디오를 캡처하기 위해 96개의 유충들을 수동으로 정렬하는 데에는 일반적으로 몇 시간이 걸립니다. 이에 비해, Alexander Pfriem 박사에 따르면 심장 박동 현미경은 마이크로 플레이트의 96개 챔버 모두에 대해 챔버당 6개의 이미지 시퀀스를 생성하는 데 18분 밖에 걸리지 않는다고 합니다.
형광 모듈은 특정 형광 방출 패턴을 가진 특정 제브라피시를 선택합니다. e2V의 1.3 메가 픽셀 CMOS 센서의 뛰어난 감광도 덕분에 SE 카메라 시리즈의 컴팩트 USB 2.0 버전이 사용됩니다. 데이터 볼륨을 줄이기 위해, 카메라에서 그레이 스케일 이미지만 가져옵니다.
최첨단 머신 비전 소프트웨어는 이미지에서 필요한 정보를 추출하고 알고리즘을 기반으로 후속 프로세스를 결정합니다. 이미지 분석은 로봇 제어에도 사용되는 잘 알려진 표준 소프트웨어인 LabView를 사용하여 수행됩니다. 산업용 카메라는 IDS에서 LabView 용으로 특별히 개발한 플러그인을 사용하여 연결됩니다.
이 플러그인에는 카메라를 쉽게 구성하고 LabView 프로그래밍에 통합할 수 있는 "가상 기기" 컬렉션이 포함되어 있습니다. LabVIEW Vision Development Module은 이미지 인식 및 머신 비전 어플리케이션의 편리한 개발에 이상적이며 강력한 함수 라이브러리를 포함합니다. 이를 통해보다 복잡한 이미지 자료 평가를 수행할 수 있습니다.
결론
로봇 시스템을 기반으로 한 자동 프로세스 체인의 새로운 개념에는 총 8개의 IDS 산업용 카메라가 포함됩니다. 이 자동화된 모듈식 실험실 로봇 시스템에서 이미지를 더 쉽고 빠르게 캡처하여 이미징 분석을 지원합니다. 이를 통해 이미징 실험실 분석 처리량이 증가하고 효율성이 향상되며 비용이 절감됩니다.
