2002_78_821_131.8.5x10.875.qxd
9/6/02
3:47 PM
Page 1
Customer Solutions
Använda produkter: LabVIEW™ • IMAQ™ Vision • IMAQ Vision Builder
Measurement & Automation Explorer • IMAQ PCI-1408 Image Acquisition Board
Monitorering i realtid av homogenitet i industriella
blandningsförlopp med avbildande spektroskopi i
NIR-området samt multivariat bildanalys
Av Bengt Lagerholm, Senior Engineer
Jonas Johansson, Associate Professor
Staffan Folestad, Professor
Analytical Development, Pharmaceutical
Analytical R&D, AstraZeneca R&D,
Mölndal Sweden
Utmaning: Utveckla ett system som
kontinuerligt följer homogenitet
blandningsförlopp och beskriver detta i ett
trenddiagram. Systemet skall vara uppbyggt
som en OPC (OLE for Process Control)-server.
Lösning: Belysa blandningsprocessen med
infrarött (IR) ljus och samla in bilder med en
kamera känslig i det nära infraröda (NIR)
området. Med hjälp av multivariat metodik
(principal component analysis, PCA) kan
blandningsprocessen följas via trenddiagram
och slutpunkten bestämmas.
Figur 1. Operatörsinterface inställd för beräkning och visning av scores från första principalkomponenten. En bild per
sekund samlas in. Antal beräknade komponeneter och visning av dessa i grafen kan ändras under processens gång.
Introduktion
Metodik
Programvara
Inom farmaceutisk industri är det viktigt
att ha kontroll över homogeniteten i
blandningssprocesser. För att få kontroll
on-line i processen, är det nödvändigt att
bestämma homogenitet i realtid. Brist i
homogenitet och därmed även brist i “content
uniformity” (samma mängd aktiv substans
i varje producerad enhet i en batch) i
farmaceutiska formuleringar, tabletter, kapslar
etc, leder till kassation av hela batchen.
För att undvika detta är kunskap om och
kontroll av blandningsprocessen nödvändig.
Även om nya metoder för att bestämma
medelinnehåll av kemiska komponenter har
demonstrerats med NIR-spektroskopi (som
använder integrerande detektorer) ges ingen
eller väldigt lite information om rumslig
fördelning i provet dvs kemisk homogenitet.
Syftet med detta arbete var att utveckla
metodik för att monitorera och följa
blandningsprocesser on-line vid tillverkning
av fasta beredningsformer samt att visa när
blandningen är homogen. Arbetet är fokuserat
på NIR som ett spektroskopiskt verktyg för
realtidsvisualisering av kemiskt innehåll med
hjälp av avbildande reflektansspektroskopi.
De flesta organiska föreningar i
farmaceutiska blandningar/formuleringar
påverkas mer eller mindre av ljus i det nära
infraröda området beroende på deras
fysikalisk/kemiska egenskaper. Genom att
belysa ett specifikt område i processkärlet
med nära infrarött ljus och regelbundet samla
in bilder via en NIR-kamera uppnås
visualisering i realtid av kemiskt innehåll.
Vi valde att använda NI LabVIEW vid
programutvecklingen för dess intuitiva
och direkta sätt att lösa datainsamling
och automatisering av extern utrustning.
Speciellt snabb är NI LabVIEW vid
hanteringen av stora vektorer och matriser
och dess algebra, vilket var en förutsättning
för tillämpningen. Programmet IMAQ Vision
Builder förkortade utvecklingstiden
väsentligt då man där snabbt kunde pröva
bildbehandlingsmetodik utan tidskrävande
programmering. NI LabVIEW tillsammans
med IMAQ Vision Builder och Advanced
IMAQ Vision gjorde att vi snabbt kunde
uppnå alla våra krav och möjliggjorde en
kort utvecklingstid till färdig programvara.
Bildinsamlingen innefattar tre metoder:
1.Manuellt – bild tas varje gång operatören
trycker på en knapp.
2.Tidsinställt – bilder tas kontinuerligt med
ett tidsintervall mellan bilderna bestämt
av operatör.
3.Trigg – en triggsignal från
blandningsutrustningen eller
processkontrollsystemet initierar
bildinsamlingen.
Utrustning
• NIR CCD kamera (320*240 pixels) med
spektral bandbredd mellan 900 nm och
1,700 nm. Selektiviteten av komponenterna
av intresse kan öka kraftigt genom att
använda ett optiskt bandpassfilter
framför kameralinsen
• Provytan som studerades belystes med
en reglerad 55 W halogenlampa
• Bildinsamlingen gjordes med ett
PCI-1408 som är ett 8-bitars
monokromt bildinsamlingskort. Direkt på
bildinsamlingskortet definierades en bildyta
via Measurement & Automation Explorer
för att säkerställa att en representativ del
av bilden skickades vidare till mjukvaran
2002_78_821_131.8.5x10.875.qxd
9/6/02
3:47 PM
Page 2
Customer Solutions
X3
PC1
X2
projection of
observation i
X1
Figur 2. En punktsvärm med första
principalkomponenten, PC1, utritad.
Ett problem med att samla och behandla
bilder i realtid är den stora mängd data som
forceras genom systemet under en ytterst
begränsad tid. Beroende på dynamiken i
processen, kan bildgenomströmningen vara
i storleksordning 1-10 bilder per sekund.
I bilden är varje pixelvärde korrelerad till
NIR-reflektans för ingående substanser i
blandningsprocessen. Ett histogram kommer
därför att summera bildens kemiska information.
Varje 8-bitars bild ger en histogramvektor
som innehåller 256 tal dvs en datareduktion
från 76,800 bildpixelvärden till 256 tal.
Varje vektor lagras som en tidsstämplad rad
i en matris.
För att få relevant information från
den snabbt växande histogrammatrisen
används PCA. PCA är en multivariat
projektionsmetod som extraherar systematisk
variation i datamatriser och ger oss en
överblick över dominerande mönster och
trender i datamändgen. PCA betraktar varje
bitnivå i histogrammet som en variabel och
därför kan varje histogram betraktas som en
punkt i ett 256-dimensionell variabelrymd.
Varje ny bild med tillhörande histogramvektor
blir ytterligare en punkt i variabelrymden. För
varje punkt som tillkommer i punktsvärmen
beräknas en linje (minsta kvadratmetoden) i
variabelrymden som bäst beskriver punkterna.
Denna linje är principalkomponent 1, PC1.
Ytterligare komponenter, PC2, PC3 etc kan
beräknas vinkelrätt mot sin föregångare
och på så sätt förklara mer av variationen
i datamängden.
Varje punkt i svärmen projiceras nu ned
på principalkomponenten och ger ett nytt
värde kallat score.
En grafisk förklaring till begreppet
principalkomponent för tre variabler visas i
figur 2. En LabVIEW-lösning för beräkning
av principal-komponenter ges i figur 3.
Scorevärdena kan presenteras på olika sätt:
• Scores presenterade mot löpande
observationer ger en graf med information
om hur processen utvecklas i tiden;
övergripande trender och dynamik i
data avslöjas. Operatören kan följa
blandningförloppet och besluta när
homogenitet är uppnådd.
• Två principalkomponenter bildar ett plan
i den flerdimensionella variabelrymden.
Genom att projicera observationers
scorevärden för PC1 och PC2 på detta
plan ges ett (tvådimensionellt) fönster i
variabelrymden. Två observationer med
samma egenskaper tenderar att ligga
nära varandra. Scorediagrammet för PC1
mot PC2 ger observationer som ju längre
processen pågår tenderar att krypa närmare
varandra. Detta område är processens
slutpunkt. Storleken på området kan
bestämmas.
• För att få mer rumslig information om
blandningförloppet kan bilderna delas
upp i mindre delar och PCA utförs på varje
del. En graf över scorevärden för alla delar
ger ökad information om processdynamik
och slutpunkt kan lättare bestämmas.
Slutsats
LabVIEW tillsammans med National
Instruments produkter för bildbehandling
och bildinsamling möjliggjorde snabb
utveckling och genomförande av ny och
avancerad metod för kemisk processanalys
i realtid genom nära infraröd bildanalys. ■
Figur 3. Beräkning av PC. I subVI Center centreras variablerna runt dess medelvärde. SubVI PC-iter innehåller en
itereringsprocess som beräknar bästa aproximationen för PC vektorn.
ni.com/success
För mer information, kontakta,
Bengt Lagerholm, AstraZeneca R&D Mölndal,
Tel:+46 31 776 10 00 (vxl)
+46 31 776 13 49 (direkt)
E-Mail: [email protected]
(512) 683-0100 • Fax (512) 683-9300 • [email protected]
Branch Offices: Australia (03) 9879 5166 • Austria 0662 / 45 79 90 0 • Belgium 02/757 00 20 • Brazil 55 11 3262-3599 • Canada 514 694 8521 • China 86 21 6555 7838
Czech Republic 02 2423 5774 • Denmark 45 76 26 00 • Finland (09) 725 725 11 • France 01 48 14 24 24 • Germany 089 / 741 31 30 • Greece (01) 42 96 427 • Hong Kong 2645 3186
India 91 80 4190000 • Israel 03 6393737 • Italy 02 413091 • Japan (03) 5472 2970 • Korea 02-3451-3400 • Malaysia (603) 9596711 • Mexico 001-800-010-0793 • Netherlands (0348) 433466
New Zealand (09) 914 0488 • Norway 32 27 73 00 • Poland 22 3390 150 • Portugal 210 311 210 • Russia 095 238 7139 • Singapore (65) 6 2265886 • Slovenia 3 425 4200
South Africa 11 805 8197 • Spain (91) 640 0085 • Sweden 08 587 895 00 • Switzerland 056 / 200 51 51 • Taiwan 02-2528-7227 • U.K. 01635 523545 • Venezuela 800-1-4466
© 2002 National Instruments Corporation. All rights reserved. Product and company names listed are trademarks or trade names of their respective companies.
