litceysel.ru
добавить свой файл
1
Компьютеризация при построении системы обеспечения качества аналитических лабораторий: современное состояние


и перспективы1


Дворкин В.И.


Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН

119991 ГСП-1 Москва, Ленинский проспект 29. E-mail: dvorkin@ips.ac.ru


Изучено современное состояние и тенденции использования компьютеров в российских аналитических лабораториях, ведущих рутинные исследования.

Необходимость соответствовать современным требованиям заставляет лаборатории применять компьютерные программы при построении систем обеспечения качества результатов анализов. Помимо использование компьютеров и программ, являющихся неотъемлемой частью аналитических приборов, можно выделить три направления компьютеризации лабораторий: LIMS; специализированные общелабораторные компьютерные программы; не специализированные или кустарные программы.

Использование LIMS ограничено их высокой стоимостью, сложностью и необходимостью специального обучения персонала. В России их используют единичные лаборатории, число которых растет очень медленно. «Офисные» программы не позволяют в полной мере решать задачи обеспечения качества. Оптимальным для большинства лабораторий является использование специализированных программ, с помощью каждой из которых компьютеризируются тот или иной «блок» деятельности лаборатории. Помимо требований с качеству самих программ, они должны быть дешевыми, простыми и удобными в работе.

Общепризнано, что компьютеризация наряду с разработкой новых и совершенствованием имеющихся методов анализа является магистральным путем развития аналитических и других лабораторий. Однако конкретные пути использование компьютеров в различных лабораториях могут сильно отличаться, и вопрос выбора того или иного из них становится весьма актуальным. Ниже сделана попытка проанализировать современную ситуацию в этой области, а также изложена наша точка зрения на перспективы применения вычислительной техники в аналитических и других лабораториях. При этом мы будем в основном рассматривать компьютерные программы, предназначенные для решения общелабораторных задач.


Прежде всего, необходимо понять: для каких целей могут применяться (и применяются) компьютерные программы?

Исходя из природы лабораторных исследований, а также с учетом современных требований к обеспечению их качества, сформулированных в [1,2], можно выделить следующие основные виды лабораторной деятельности, которые могут подлежать компьютеризации:


  1. Управление аналитическими приборами и получение аналитического сигнала;

  2. Градуировка методик выполнения измерений (МВИ);

  3. Расчет результатов измерений;

  4. Оценка метрологических характеристик методик при их постановке в лаборатории («валидация» методик);

  5. Проверка приемлемости результатов;

  6. Контроль стабильности результатов;

  7. Другие способы внутрилабораторного контроля;

  8. Регистрация поступающих в лабораторию проб и отслеживание их движения внутри лаборатории;

  9. Подготовка протоколов и их передача заказчикам исследований.

  10. Учет и хранение документов (включая методики выполнения измерений), изменений и дополнений к ним, архивных копий;

  11. Хранение и использование перечней определяемых показателей и объектов исследований;

  12. Ведение списков заказчиков и субподрядчиков;

  13. Учет реактивов, материалов и стандартных образцов;

  14. Учет и контроль состояния оборудования (средств измерений, испытательного и вспомогательного оборудования); Регистрация претензий и предпринятых корректирующих действий;

  15. Учет сотрудников и слежение за своевременностью повышения ими квалификации;

  16. Планирование и контроль результатов внутреннего аудита и анализа со стороны руководства;

  17. Печать сведений о лаборатории для использования как самой лабораторией, так и внешними организациями (например, органами по аккредитации);
  18. Хранение информации.


Этот список не является полным (в него не включены, например, планирование в тех или иных формах, взаимодействие с органами по аккредитации и потребителями результатов и т.д.), однако он вполне достаточен для наших целей.

Рассмотрим вышеперечисленные задачи по пунктам с позиций возможности и необходимости их компьютеризации.

Управление аналитическими приборами и получение аналитического сигнала (1) – традиционная сфера применения вычислительной техники. Компьютеризация приборов, включающая в себя управление аналитическими приборами, регистрацию аналитического сигнала (а также, во многих случаях, расчет результатов измерений) получила в последние годы огромное развитие. Используются как специализированные чипы и компьютеры, так и обычные персональные компьютеры. В большинстве случаев эти устройства является неотъемлемой частью того или иного аналитического прибора или устройства. Мы не будем здесь рассматривать их детальнее, поскольку они не играют определяющей роли в построении системы качества лаборатории в целом.

Градуировка методик выполнения измерений и расчет их результатов (2, 3) во многих случаях компьютеризируются вместе с аналитическим прибором. Однако в большинстве лабораторий применяются (и будут применяться в обозримом будущем) методики, в которых не используются компьютеризированные приборы. В таких случаях соответствующие расчеты выполняются отдельно, и их трудоемкость не слишком велика. Тем не менее использование вычислительной техники и в этих случаях желательно из-за особенностей обычно используемого при градуировке метода наименьших квадратов Гаусса [3].

Оценку метрологических характеристик методик, проверку приемлемости и контроль стабильности результатов измерений (4-6), рекомендованные в [2, часть 6], практически невозможно выполнять без использования компьютера. Помимо достаточно сложных статистических расчетов, при которых необходимо использовать табличные значения статистических функций и приписанных характеристик методик, необходимо вести множество контрольных карт, при этом отслеживая состояние каждой из них, и периодически уточнять нанесенные на карты контрольные пределы [4, 5]. Многочисленные попытки делать это вручную (а карты рисовать на миллиметровой бумаге) почти всегда заканчиваются неудачей. При проверке приемлемости результатов измерений по современным алгоритмам [2] без компьютера необходимо постоянно использовать калькулятор, держа в памяти показатели повторяемости (сходимости) для разных диапазонов определяемых концентраций используемых методик. Также сложно использование без компьютера и других способов внутрилабораторного контроля (7) («оперативный», «статистический», контроль с применением метода добавок и т.д.) [6].


Регистрация поступающих в лабораторию проб, их кодирование, отслеживание движения пробы в лаборатории (особенно в случаях, когда для ее исследования применяются разные методики выполнения измерений (МВИ)), подготовка протоколов (8, 9) - не слишком сложные процедуры при их выполнении вручную. Как показывает практика, количество так называемых пре- и постаналитических ошибок (то есть ошибок, происходящих на этапах поступления проб в лабораторию и выписки результатов), при использовании бумажных форм ведения этой документации невелико. Более того, среди практиков бытует мнение, что дополнительный контроль, который автоматически происходит, например, при выписывании результатов, даже полезен. Резкий скачек в производительности труда может происходить при переходе на кодирование проб магнитными либо штрих-кодовыми метками и последующем автоматическом считывании этой информации при измерениях, что требует больших затрат и, если и имеет смысл, то только в очень больших лабораториях с огромным потоком проб.

Ведение лабораторной документации, связанной с системой качества лаборатории, хранение и печать содержащейся в ней информации (10-18) не слишком трудоемко. Однако сложность этой работы резко возрастает при увеличении размеров лаборатории. При отсутствии компьютеризации этого вида деятельности основную сложность представляет необходимость централизованного ведения достаточно большого числа журналов при децентрализации многих функций (работа с документами, учет реактивов и стандартных образцов, поверка приборов и т.д.). Отдельная проблема – необходимость своевременности действий по закупке свежих реактивов, поверке средств измерений, обучению сотрудников и пр. Фактически в достаточно крупных лабораториях в отсутствие компьютеризации для выполнения этих функций приходится выделять специальных сотрудников. Заметим, что трудоемкость этих видов деятельности резко возрастает при внедрении современных требований [1, 7].

Таким образом, практически все виды деятельности современной лаборатории, выполняющей рутинные исследования, в той или иной степени поддаются компьютеризации, и, как известно, процесс оснащения лабораторий компьютерной техникой идет весьма активно. Попытаемся рассмотреть состояние и основные тенденции этого процесса.


Прежде всего мы попытались выяснить количество лабораторий, использующих компьютерную технику в любом виде. Для этого были собраны более или менее полные сведения о более чем 400 лабораториях (здесь мы не рассматриваем информацию о клинико-диагностических лабораториях, поскольку медицина представляет собой весьма изолированную область лабораторного дела)2. Оказалось, что доля лабораторий, использующих компьютеры тем или иным способом, превышает 80%.

Для дальнейшего анализа была использована следующая классификация компьютерных программ (рис. 1). Хотя такая классификация, как и любая другая, является условной, она весьма удобна для рассмотрения проблемы.





Рис. 1. Классификация программ для компьютеризации лабораторий


LIMS (Laboratory Information Management Systems)3 - специализированные программные (иногда – программно-аппаратные) комплексы, при разработке которых ставится задача охватить все стороны деятельности лабораторий. При этом часто такие системы содержат не только собственно лабораторную часть, но и интегрируются в более крупные АСУ (например, заводские), либо содержат функции передачи информации в другие подразделения (например, технологам на производстве). Иногда LIMS предполагают непосредственное подключение к ним аналитических приборов.

Компьютеризация «блоками»4 предполагает наличие в лаборатории специализированных профессиональных программ, каждая из которых предназначена для решения тех или иных конкретных задач. Это могут быть программы для выполнения расчетов, ведения документации и т.д. Основное отличие этой группы программ от LIMS в том, что они не предназначены для решения всех задач, возникающих в лабораториях, в рамках одной программы или программного комплекса.


«Офисные» программы названы нами так потому, что они либо входят в состав пакета Microsoft office (Microsoft Corporation, США) – наиболее распространенного в России – либо сделаны средствами этих программ самими лабораториями. Так, программу Microsoft Word часто используют при подготовке протоколов исследований (предварительно создав соответствующие шаблоны), на основе приложений к Microsoft Excel создают мини-программу для ведения контрольных карт и т.д. Сюда же можно отнести относительно простые самодельные программы, изготавливаемые для конкретных лабораторий.

Рассмотрим достоинства и недостатки каждого класса программ.


LIMS


Литература по этому виду лабораторных компьютерных программ весьма обширна (например, для нашей страны [8-17]) и позволяет провести достаточно полный анализ.

На отечественном рынке представлены как адаптированные зарубежные «LabWare LIMS» фирмы LabWare, «SampleManager LIMS» фирмы Thermo Fisher Scientific и другие, так и отечественные программы (например, ЛИС "Химик-аналитик, НИИ ВН, Томск). Программы этого типа весьма разнообразны, однако все они претендуют на охват всех или большинства вышеперечисленных видов лабораторной деятельности. При этом разработчикам, помимо выполнения расчетов разного рода, приходится решать весьма сложные задачи, связанные с полным контролем за поступающими заявками на проведение работ, прохождением проб в лаборатории, подготовкой протоколов по результатам исследования одной пробы разными методами и т.д.

Действительно, прохождение пробы в лаборатории – весьма сложный с точки зрения отслеживания его в компьютере. После регистрации проб каждую из них чаще всего направляют на несколько видов исследований, иногда разделяя ее на части для ускорения измерений (параллельного исследования разными методами), выполняют измерения и рассчитывают их результаты, «сводят» их в протоколы и т.д. При этом в ходе каждой операции могут возникать нестандартные ситуации. Например: заказчик передумал выполнять исследование какой-либо пробы; какой-либо анализ «не получился», а вещества на повторение измерения уже нет - можно привести множество подобных случаев. Кроме того, при взаимодействии разных блоков программы возникает огромное число связей между ними. Все это не только приводит к очень сложным программам, но даже заставляет использовать специальную терминологию, не используемую обычно в лабораториях [9].


Вследствие этого LIMS, несомненным преимуществом которых является полная или почти полная компьютеризация деятельности лаборатории, имеют существенные недостатки. Это:

- высокая начальная стоимость системы (реально начинающаяся от 800 тысяч рублей и доходящая до нескольких миллионов);

- необходимость обучения сотрудников лаборатории пользованию программой, поскольку обычного владения компьютером на уровне пользователя для работы с ней недостаточно;

- необходимость существенной перенастройки программы при изменениях в работе лаборатории, например, при появлении новых методов исследований. Часто при этом необходимо участие специалистов фирмы-производителя, что выливается в существенные дополнительные расходы.

По мнению разработчиков LIMS, высокие затраты на их установку и эксплуатацию могут окупаться за счет следующих факторов [9, 14, 17]:

- сокращение персонала за счет более эффективного использования оставшихся сотрудников («перебрасывания» временно свободных работников на «узкие» места, которые можно оперативно выявлять с помощью LIMS);

- оптимизация использования оборудования.

Кроме того, часто утверждается, что при использовании LIMS уменьшается количество ошибок при вводе данных.

К сожалению, критический анализ показывает, что ожидаемой экономии после внедрения LIMS обычно не происходит либо она весьма незначительна. В стабильно работающей лаборатории не происходит сокращения персонала, так как все и так более или менее загружены (а имеющаяся специализация исполнителей не позволяет абсолютно свободно перебрасывать их с одного вида исследований на другой), а экстренные ситуации успешно «разруливаются» опытными руководителями среднего звена без всяких компьютеров. Не удается и уменьшить количество приборов – измерения все равно надо проводить, есть LIMS или нет. К тому же эксплуатация LIMS обычно требует специального персонала. Даже если в результате внедрения LIMS в очень крупных лабораториях и удастся сократить рядового сотрудника, при существующем уровне оплаты труда это практически не повлияет на окупаемость; такая ситуация сохранится и в обозримом будущем.


Отдельно необходимо рассмотреть вопрос об уменьшении ошибок ввода. Действительно, при непосредственном подключении всех приборов к LIMS (что чрезвычайно дорого и не всегда возможно в принципе) вводить данные вручную не надо. Однако количество ошибок при вводе данных, записанных на бумаге, невелико, и они в большинстве случаев выявляются при проверке приемлемости результатов измерений либо при подготовке протоколов (этот этап, по сути, является дополнительной формой контроля – опытный сотрудник может обнаружить грубые ошибки, не замеченные ранее). Кроме того, во многих случаях (например, в фармакологических лабораториях) фиксация первичных результатов измерений на бумаге с подписью исполнителя обязательна.

Из вышесказанного очевидно, что внедрение LIMS в абсолютном большинстве случаев достаточно сложна и экономически не эффективно. Вероятно, это и является причиной того, что их реально использует небольшой процент лабораторий (в нашей выборке – менее 2%). Причем во всех случаях это – лаборатории крупных предприятий, то есть имеющих богатого «спонсора».


Специализированные профессиональные программы (компьютеризация «блоками»)

Такие программы весьма распространены. Из обследованных нами лабораторий более 23% используют программы этого класса. Это либо самостоятельные программы, либо «усеченные» варианты LIMS. Как уже было сказано, эти программы предназначены для решения лишь части перечисленных выше видов деятельности лабораторий. С учетом специфики разных видов деятельности в лаборатории, перечисленных выше, можно объединить их в группы, каждая из которых «естественно» компьютеризируется в рамках одной программы (рис. 2).





БЛОК РАБОТЫ С ПРИБОРАМИ





БЛОК РАСЧЕТА РЕЗУЛЬТАТОВ И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА



БЛОК ВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ





БЛОК РЕГИСТРАЦИИ ПРОБ


Рис. 2. Группы задач, «естественно» решаемых в рамках одной программы, включены в один прямоугольник


При этом, конечно, учитывается в первую очередь удобство использования каждой программы, а не простота ее написания. Стоимость отечественных программ этого класса в настоящее время лежит в диапазоне 25 – 70 тыс. руб. (данные на май 2008 г.).

К сожалению, литература по этому виду программ весьма разрозненна и не информативна. Рассмотрим возможности этого пути для каждого блока задач в общем виде и на примере наиболее распространенных в Росси программ серии Control (QControl и DControl).

Блок работы с приборами нет смысла детально обсуждать в данной статье, поскольку соответствующие программы являются составной частью приборов (см. выше). Заметим только, что часто такие программы приобретаются отдельно у независимых производителей, например, при компьютеризации хроматографов (например, [18, 19]).

Блок задач расчета результатов и контроля качества в полной мере реализован в программе QControl [20-22]. Основой версии QControl, версия 5.0 является электронный лабораторный журнал (блок-схема которого показана на рис. 3), в который вводятся первичные данные (например, аналитический сигнал при химическом анализе).





Рис. 3. Блок-схема Лабораторного журнала в программе QControl, v. 5.0.

Предварительно в программу вводятся все нужные сведения о методике: способ расчета окончательно приводимого результата, стандартные отклонения повторяемости (сходимости) и воспроизводимости, методы проверки приемлемости результатов и контроля стабильности и т.д. Программа автоматически рассчитывает окончательно приводимые результаты измерений по формуле либо по градуировочной зависимости, проводит проверку приемлемости каждого результата и контроль стабильности измерений в соответствии с [2]. Кроме того, с помощью программы QControl можно проводить и другие расчеты, которые могут оказаться необходимыми в лаборатории [23].


Блок задач, связанных с ведением лабораторной документации полностью охватывается программой DControl (Document Control) [23]. Поскольку перечисленные в описании этого блока задач функции в основном соответствуют ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2006 [1], программа имеет несколько разделов, каждый из которых соответствует одному из разделов этого документа (рис. 4).




Рис. 4. Программа DControl, версия 1.02. Страница меню с перечнем блоков программы, соответствующих разделам документа [1].


При этом с помощью программы DControl удается решить следующие основные задачи, связанные с документацией:

- хранение информации по всем разделам;

- контролировать своевременность закупок, поверок и профилактики средств измерений, заключения договоров, обучения сотрудников, аудитов;

- создавать формы печати, содержащие сведения по всем разделам программы и соответствующие требованиям внешних организаций (органы по аккредитации, вышестоящие и контролирующие организации) и т.д.

Другими словами, на основе программы DControl можно построить систему качества лаборатории. Примеров таких систем достаточно много (программа DControl используется более чем в 200 лабораториях). Нам неизвестны другие программы, специально предназначенные для решения этого блока задач.

Задачи, связанные с регистрацией проб и отслеживанием их движения внутри лаборатории, обычно не решаются с помощью специальных программ. По-видимому, это связано с тем, что регистрацию проб легко вести в стандартных программах Microsoft Office (Word, Excel), а заниматься отслеживанием прохождения проб в лаборатории в отсутствие LIMS достаточно сложно. Тем не менее нельзя исключить появления специализированных программ для решения задач этого блока в будущем.

«Офисные» программы


Как указано выше, сюда можно отнести два основных вида программ:

- собственно программы, входящие в пакет Microsoft Office (Word, Excel и др.);

- самодельные программы, созданные в лабораториях. Если раньше такие программы часто писались с помощью базовых инструментов программирования (языки программирования общего назначения С++, Pascal и их модификации), то сейчас чаще используется приложение к Microsoft Excel.

Нет смысла обсуждать здесь использование в лабораториях собственно офисных программ – они общеизвестны, а их использование для подготовки протоколов и других документов (Word) и целей учета (Excel) очевидно. Следует отметить, однако, что эти программы гораздо менее удобны, чем специализированные программы, используемые при компьютеризации «блоками» - они охватывают лишь малую часть задач, возникающих в лаборатории.

Самодельные программы, написанные в лабораториях, чаще всего решают весьма узкие задачи (например, ведение контроля стабильности с помощью контрольных карт). Обычно разработку таких программ оправдывают их дешевизной. Однако очевидно, что это не так – работа программиста в любом случае стоит немалых денег, и на поверку оказывается, что стоимость таких «бесплатных» программ превышает стоимость специализированных программ, разработанных для компьютеризации «блоками». Но не это главное. Для того, чтобы сделать удобную и надежную программу, лабораторный специалист должен пройти весь путь, который проходят разработчики коммерческих программ. Этого никогда не происходит, и кустарные «офисные» программы по качеству сильно уступают специализированным коммерческим программам. Действительно, никому не приходит в голову, например, разрабатывать для собственных нужд оригинальный фотометр – несмотря на то, что в продаже есть все нужные компоненты, а в лаборатории – инженер.

Следствием этого является процесс исчезновения самодельных программ из обихода лабораторий - пик использования таких программ пришелся на 1990-е годы, и с тех пор их число быстро уменьшается.


------------ ” ------------

Таким образом, проведенный анализ рассмотренных классов программ, используемых при построении системы обеспечения качества аналитических лабораторий, позволяет прийти к следующим основным выводам.

«Офисные» и простые кустарные программы постепенно вымываются из обихода. Конечно, использование основных программ пакета Microsoft Office (Word, Excel и др.) в обозримом будущем не прекратится, но будет носить все более ограниченный характер.

LIMS в обозримом будущем, как и сейчас, будут иметь весьма ограниченное применение - в лабораториях, имеющих богатого «спонсора» (главным образом лаборатории крупных успешных предприятий), в тех случаях, когда требование полной компьютеризации лаборатории в рамках одной программы (взаимосвязанного комплекса программ) вызвано производственной необходимостью.

Основным путем компьютеризации аналитических и других лабораторий останется использование специализированных программ (компьютеризация «блоками»), позволяющих полностью удовлетворять современным требованиям к системе обеспечения качества лабораторий при минимальных затратах финансовых и трудовых ресурсов.


Литература


  1. ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025 – 2006 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий».

  2. ГОСТ Р ИСО 5725-2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений.

  3. Дворкин В.И. / Партнеры и конкуренты. 2005, № 4, с.31-35

  4. Дворкин В.И. / Журнал аналитической химии.2001. т.56. №7. С. 690-702.
  5. Дворкин В.И. / Партнеры и конкуренты. 2003. №1. С. 26-39.


  6. РМГ 76-2004 ГСИ. Внутренний контроль качества результатов коли-чественного химического анализа. М.: Стандартинформ, 2006. 86 с.

  7. ISO/IEC 17011:2004. Оценка соответствия. Общие требования к органам по аккредитации, аккредитующим органы по оценке соответствия. М.: Стандартинформ. 36.с.

  8. Gibbon G. A. / Laboratory Automatiion and Information Management issue. V. 32. 1996.

  9. Куцевич И.В. / Мир компьютерной автоматизации. 2002. № 4. www.LimsSource.com .

  10. Нуцков В.Ю. / Промышленные АСУ и контроллеры. 2003. № 4. С. 48-50.

  11. Куцевич И.В. // Лабораторные информационные системы LIMS. Сборник статей: ООО “Маркетинг. Информационные технологии”. 2006. С. 266-276.

  12. Нуцков В.Ю., Дюмаева И.В. / Заводская лаборатория. 2004. № 10. С. 55-60.

  13. Савельев Е.В. // Партнеры и конкуренты. 2005. № 4. С. 41-43.

  14. Меркуленко Н.Н. // Лабораторные информационные системы LIMS. Сборник статей: ООО “Маркетинг. Информационные технологии”. 2006. С. 215-219.

  15. Самсонов А.В. / Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. № 10. С. 33-35.

  16. Терещенко А.Г., Терещенко В.А., Толстихина Т.В., Янин А.М. / Партнеры и конкуренты. 2005. № 4. С. 44-45.

  17. Терещенко А.Г., Янин А.М. Лабораторные информационные системы на отечественном рынке. http://www.lib.tpu.ru./fulltext/m/2007/m8.pdf

  18. Черепица С.В., Бычков С.М., Коваленко А.Н., Мазаник А.Л. /Партнеры и конкуренты. 2005. № 1. С. 24-30.

  19. Каламбет Ю.А. Пищевая промышленность. 2005. № 3. С. 2-3.

  20. Дворкин В.И. Партнеры и конкуренты. 2000. №4. С. 30-39.

  21. Р 50.2.003-2002. Рекомендации по метрологии. ГСОЕИ. Внутренний контроль качества результатов измерений. Пакет программ QСontrol . ИПК Издательство стандартов, 2000 (с поправкой, опубл. в ИУС №2, 2003 г.).
  22. Дворкин В.И. Партнеры и конкуренты. 2003. № 1. С. 26-39.


  23. www.qcontrol.ru .

1 Материал доложен на ХVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 23-28 сентября 2007 г.).

2 Хотя взятые рассмотренные лаборатории не представляли собой репрезентативную выборку, они относились к самым разным отраслям, были как крупными, так и небольшими и т.д.

3 В отечественной литературе используются аббревиатуры ЛИС (лабораторные информационные системы) и, реже, ЛИУС (лабораторные информационно-управляющие системы).

4 Иногда специализированные программы этой группы называю также «mini-LIMS», программами типа «Лабораторный журнал» и т.д..