Automatisierte Zubereitung von Medikamenten in spezifischen Dosierungen

Tylent Technologies hat ein innovatives System für die automatisierte Zubereitung von injizierbaren Medikamenten in patientenspezifischen Dosierungen entwickelt. Das Herzstück des Projekts bildet XPlanar von Beckhoff, das Systementwicklern neue Anwendungshorizonte eröffnet hat.

Die Zubereitung von Infusionsmedikamenten in personalisierten Dosierungen ist einer der komplexesten und kritischsten Prozesse im klinischen Umfeld. Dosiergenauigkeit, mikrobiologische Sicherheit, lückenlose Rückverfolgbarkeit und Betriebskontinuität sind wesentliche Anforderungen, insbesondere für hochkritische Therapien wie Onkologie, Biologika und patientenspezifische Behandlungen.

In den letzten zwanzig Jahren basierten Lösungen zur Automatisierung der intravenösen Compounding-Verfahren weitgehend auf Architekturen, die aus der traditionellen industriellen Automatisierung abgeleitet wurden: monolithische Systeme, hoch serialisierte Prozesse und der umfangreiche Einsatz anthropomorpher Roboterarme. In vielen Fällen wurden auch pneumatische Lösungen eingesetzt, um die Komplexität der Aktuatoren und die Bewegungssteuerung zu vereinfachen. Diese bewährten Konstruktionslösungen bringen jedoch strukturelle Einschränkungen in Bezug auf Skalierbarkeit, Prozessparallelität, Feinbewegungssteuerung sowie den Betrieb in Umgebungen mit kritischer Kontrolle und Regulierung von Luftpartikeln mit sich, was zu schwer zu beseitigenden Engpässen führt. Aus diesem traditionellen Designansatz entstand das Projekt Lyvra™. Es wurde von Tylent Technologies, einem Unternehmen der GPI S.p.A. Gruppe, entwickelt und zielt darauf ab, die Architektur automatisierter Compounding-Systeme von Grund auf neu zu überdenken.

End-to-End-Automatisierung, Sicherheit und Rückverfolgbarkeit

Das gesamte System ist als vollautomatischer End-to-End-Prozess konzipiert, von der ersten Materialzuführung bis zum endgültigen, verpackten und verabreichungsfertigen Produkt, ohne dass manuelle Eingriffe zur Vervollständigung des Arbeitsablaufs erforderlich sind.

Jede Zubereitung wird während des gesamten Prozesses nahtlos und eindeutig identifizierbar verfolgt. Informationen zu Medikament, Dosierung, Patient und Station werden automatisch auf dem Endprodukt vermerkt. Die Abfallentsorgung erfolgt durch selbstverschließende Behälter, wodurch die Exposition des Bedieners und das Kontaminationsrisiko verringert werden.

Dieser Ansatz bietet konkrete und bewährte Vorteile: weniger Medikamentenabfälle und erhöhte Sicherheit für Patienten und Bediener. Hinzu kommt eine deutliche Entlastung hochqualifizierter Mitarbeiter, die bislang häufig noch manuelle Tätigkeiten ausführen müssen oder nur durch unvollständige oder veraltete Automatisierungstechnologien unterstützt werden.

Modularität und Parallelität als architektonische Prinzipien

Der Ansatz von Tylent Technologies basiert auf einem zentralen Prinzip: der Abkehr von der seriellen Automatisierung hin zu einer nativ modularen Architektur. Diese besteht aus replizierbaren und rekonfigurierbaren Arbeitsstationen, die parallel arbeiten und sich dynamisch an unterschiedliche Arbeitslasten, Prioritäten und Vorbereitungstypen anpassen können. Das entscheidende Element ist hierbei das intelligente Transportsystem XPlanar von Beckhoff mit Magnetschwebetechnologie. Die kontaktlose und unabhängige Bewegung der XPlanar-Mover auf einer zweidimensionalen Ebene ermöglicht es, den Prozessablauf von festen Pfaden und starren Abläufen zu entkoppeln. Dies ermöglicht eine dynamische Weiterleitung einzelner Mover und die gleichzeitige Ausführung mehrerer Vorgänge. „Mit XPlanar konnten wir ein wirklich paralleles System entwerfen, in dem jede Prozesseinheit unabhängig verwaltet und weitergeleitet werden kann, ohne die für lineare Architekturen typischen Einschränkungen“, erklärt Alessandro Jurman, F&E-Manager bei Tylent Technologies.

Vollelektrisches Systemdesign mit drahtloser Kommunikation

Bei der Automatisierung der intravenösen Compounding-Prozesse wurde häufig auf Pneumatik zurückgegriffen, um die Komplexität und Anzahl der erforderlichen Aktoren zu reduzieren. Dieser Ansatz bringt jedoch erhebliche Herausforderungen in Bezug auf Kalibrierung, Stabilität und Kontaminationsmanagement mit sich, insbesondere bei Anwendungen, die eine hohe Präzision und Wiederholbarkeit erfordern.

Tylent Technologies hat stattdessen eine vollelektrische Architektur eingeführt, bei der alle Bewegungen durch integrierte elektromechanische Lösungen ausgeführt und über EtherCAT deterministisch gesteuert werden. Insbesondere durch den Einsatz von zwei Beckhoff Motorfamilien mit integrierten Antrieben und absoluten Multiturn-Encodern konnte die Anzahl der Sensoren deutlich reduziert und die Systemkomponenten sowohl hinsichtlich des Designs als auch der Wirtschaftlichkeit optimiert werden. Dazu gehören die kompakten integrierten Schrittmotorantriebe ASI8100 für Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit und begrenztem Platzangebot sowie die kompakten integrierten Servoantriebe AMI8100 mit integrierter Bremse für vertikale Bewegungen. Durch diese Konstruktionsentscheidungen bietet das Lyvra™-System anspruchsvolle Bewegungsfunktionen bei gleichzeitiger Kompaktheit, Zuverlässigkeit und einfacher Integration.

Ergänzt wird dieser Ansatz durch ein umfassenderes Konzept für das Design drahtloser Systeme. Die durch planare XPlanar-Kacheln gebildete Oberfläche eliminiert nicht nur mechanische Verbindungen und Reibung, sondern auch die elektronische Ausrüstung selbst wird auf innovative Weise verteilt.

Tylent Technologies hat originelle elektronische Lösungen entwickelt, die derzeit zum Patent angemeldet sind und direkt auf den XPlanar-Movern zum Einsatz kommen. Dadurch entwickeln sich die Mover von einfachen Transportelementen zu intelligenten mobilen Arbeitsstationen, die in der Lage sind, Prozessfunktionen auszuführen, Daten zu erfassen, mit Bildverarbeitungssystemen zu interagieren und aktiv zur gesamten Prozessorchestrierung beizutragen. Dieses Design erhöht die Systemeffizienz, Skalierbarkeit und Rekonfigurierbarkeit erheblich und reduziert gleichzeitig die Verkabelung, kritische Verbindungspunkte und die Gesamtkomplexität der Integration.

PC-based Control und funktionale Integration

Die Verwaltung einer hohen Variabilität an Formaten, Volumina und dynamischen Verhaltensweisen – von kleinen Spritzen bis hin zu flexiblen Beuteln mit einem Volumen von mehr als einem Liter – erfordert eine eng integrierte Steuerung von Bewegung, Bildverarbeitung und Prozesslogik. Tylent Technologies hat sich hier für die PC-basierte Architektur von Beckhoff entschieden, bei der Bewegungssteuerung, Bildverarbeitung, Sicherheit und HMI mit TwinCAT in einer einzigen Entwicklungs- und Laufzeitumgebung integriert sind. Insbesondere der Embedded-PC CX2062 und der Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6032, auf denen TwinCAT läuft, steuern die gesamte Maschine, während EtherCAT die deterministische Echtzeitkommunikation zwischen dem XPlanar-System, den integrierten Antrieben, den Bildverarbeitungssystemen und den Feldgeräten gewährleistet.

Dieser Integrationsgrad ermöglicht adaptive Bewegungsprofile, die sichere Handhabung von teilweise gefüllten Lasten und variablen Geometrien bei gleichbleibender Präzision und Sicherheit – auch unter komplexen dynamischen Bedingungen. Die für das klinische Compounding typische Variabilität wird daher nicht durch spezielle Lösungen oder Prozessausnahmen berücksichtigt, sondern ist integraler Bestandteil der Steuerungsarchitektur. Um die Flexibilität des mechatronischen Systems voll auszuschöpfen, ergänzt Tylent Technologies die herkömmliche Steuerungssoftware durch eine Orchestrierungsplattform, die auf Algorithmen für maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz basiert und jeden Prozessschritt koordiniert und optimiert. Ziel ist es, die Gesamtleistung des Systems zu maximieren, indem die Betriebsabläufe dynamisch an verschiedene klinische und Produktionsszenarien angepasst werden, während gleichzeitig eine strenge Kontrolle über Sicherheit, Rückverfolgbarkeit und Prozessqualität gewährleistet bleibt.

Neue Generation des automatisierten intravenösen Compounding

Das von Tylent Technologies entwickelte Projekt stellt eine wesentliche Weiterentwicklung in der Automatisierung des intravenösen Compounding dar. „Die Eigenschaften von XPlanar und dem TwinCAT-Automatisierungssystem sowie die Zusammenarbeit mit einem Partner wie Beckhoff, der sich stark auf Forschung und Entwicklung konzentriert, waren ausschlaggebend für unsere Wahl der Lösung“, fasst Alessandro Jurman zusammen. Die Kombination aus nativer Modularität, Prozessparallelität, intelligenten mobilen Arbeitsplätzen und tiefer Integration in das Beckhoff Ökosystem ermögliche es, die Grenzen traditioneller Architekturen zu überwinden und die Komplexität der modernen klinischen Compounding-Prozesse auf strukturierte und skalierbare Weise anzugehen.