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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich in einem ersten Aspekt auf ein
Verfahren zum Simulieren von Abläufen in einem Mikroskopsystem
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In
weiteren Gesichtspunkten betrifft die Erfindung eine Vorrichtung
zum Simulieren von Abläufen in einem Mikroskopsystem nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 11, ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln
zum Simulieren von Abläufen in einem Mikroskopsystem sowie
ein Computerprogrammprodukt.
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Das
Mikroskopsystem, dessen interne Abläufe simuliert werden,
weist dabei jeweils ein Mikroskop und eine an das Mikroskop angeschlossene
Kamera zum Aufnehmen von mikroskopischen Bildern auf.
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Bei
einem gattungsgemäßen Verfahren wird zunächst
ein hoch aufgelöstes komplettes mikroskopisches Bild einer
Probe mit dem Mikroskopsystem gewonnen.
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Wesentliche
Komponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
ein Computer.
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Ein
Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogramm der genannten
Art sind beispielsweise aus
EP
1 490 832 B1 bekannt.
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Bildanalysen
auf mikroskopischen Proben wird in der Regel an einem oder mehreren
Einzelbildern durchgeführt, die von einer Kamera aufgenommen
wurden. Komplexe Probengeometrien und Analyseaufgabenstellungen
machen es dabei erforderlich, dass der Anwender die zu analysierenden
Stellen in oder auf der Probe auswählt, anfährt
und gegebenenfalls in einer Positionsliste ablegt. In einer klassischen
Bildanalyse- Software, die nach heutigem Stand der Technik auch in
der Lage ist, ein motorgetriebenes Mikroskop anzusteuern, stehen
dem Anwender hierzu vielfältige interaktive Möglichkeiten zur
Verfügung. Hierbei muss jeweils ein Mikroskop und die zu
analysierende Probe vorhanden sein. Möchte ein Anwender
die Möglichkeiten der Automatisierung von Analyseläufen
nutzen, benötigt er ein oder mehrere Probenexemplare und
das Mikroskop. Bei vielen Probenarten besteht die Gefahr, dass sie über
die Zeit Schaden nehmen, beispielsweise durch Beleuchtung mit intensivem
Licht einer bestimmten Wellenlänge zum Generieren eines
Fluoreszenzsignals. In anderen Situationen zerfallen die Proben oder
verlieren an Qualität allein aufgrund der verwendeten Materialien
oder der durchgeführten Prozessschritte.
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In
EP 1 490 832 B1 ist
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Simulieren eines Mikroskops
beschrieben.
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In
EP 1 341 023 B1 ist
ein im Wesentlichen softwarebasiertes Verfahren zum Benutzertraining für
ein Scan-Mikroskop beschrieben. Hierin werden einige Abläufe
des Mikroskops simuliert.
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Weiterhin
sind unter www.cs.umd.edu/projects/hpsl/chaos/ResearchAreas/vm/ zahlreiche
Details zu virtuellen Mikroskopen beschrieben.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein Computerprogramm
und ein Computerprogrammprodukt bereitzustellen, welche eine realitätsnahe
Simulation von Abläufen in einem Mikroskopsystem gestatten.
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Diese
Aufgabe wird in einem ersten Gesichtspunkt durch das Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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In
weiteren Aspekten wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 11, das Computerprogramm mit den Merkmalen
des Anspruchs 16 und durch das Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen
des Anspruchs 26 gelöst.
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Vorteilhafte
Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens und
des erfindungsgemäßen Computerprogramms sowie
bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das
Verfahren der oben genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch
weitergebildet, dass ein Bild, welches die Kamera bei realer Untersuchung der
Probe mit dem Mikro skop sehen würde, auf Grundlage des
hoch aufgelösten kompletten mikroskopischen Bilds der Probe
und abhängig von Parametereinstellungen des Mikroskops
und/oder der Kamera in einem Computer simuliert wird.
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Die
Vorrichtung der oben genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch
weitergebildet, dass der Computer dazu eingerichtet ist, ein Programm
auszuführen, bei dem ein Bild, welches die Kamera bei realer
Untersuchung der Probe mit dem Mikroskop sehen würde, auf
Grundlage eines vorab gewonnenen hoch aufgelösten kompletten
mikroskopischen Bilds der Probe und abhängig von Parametereinstellungen
des Mikroskops und/oder der Kamera in dem Computer simuliert wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Computerprogramm wird ein
Bild, welches die Kamera bei realer Untersuchung einer Probe mit
dem Mikroskop sehen würde, auf Grundlage eines vorhandenen
hochaufgelösten kompletten mikroskopischen Bild der Probe und
abhängig von Parametereinstellungen des Mikroskops und/oder
der Kamera simuliert.
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Das
erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt nach
Anspruch 25 beinhaltet Programmcodemittel, die auf einem computerlesbaren Datenträger
gespeichert sind, um das erfindungsgemäße Computerprogramm
auf einem Computer auszuführen.
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Als
Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, nicht nur das Mikroskop
als solches, sondern das gesamte Mikroskopsystem, also insbesondere
auch eine mit dem Mikroskop verbundene Kamera zu simulieren.
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Eine
Grundidee der Erfindung besteht somit darin, zunächst ein
hochwertiges Bild der kompletten mikroskopischen Probe zu erstellen
und sodann dieses hochwertige Bild, welches auch als virtuelle Probe
bezeichnet wird, in ein virtuelles Mikroskop, also ein in einem
Rechner simuliertes Mikroskop, einzubinden, welches sich gegenüber
der Analyse-Software genauso verhält, wie ein echtes Mikroskop.
Weiterhin wird gemäß der Erfindung die virtuelle
Probe in eine virtuelle Kamera eingebunden, also eine simulierte
Kamera, die sich wiederum gegenüber der Analyse-Software
genauso verhält, wie eine echte Kamera.
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Als
wesentlicher Vorteil der Erfindung kann angesehen werden, dass eine
Analyse einer Probe praktisch so durchgeführt werden kann,
als ob das komplette, aus Mikroskop, Kamera und Steuereinheit bestehende
System vorhanden wäre. Für einen Benutzer besteht
in der Bedienung und Funktionalität von Mikroskopsteuereinheit,
Bildaufnahme, Bildverarbeitung und Bildauswertung mit dem virtualisierten System
sehr weitgehend kein Unterschied im Vergleich zum Arbeiten mit den
realen Hardwarekomponenten.
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In
besonders vorteilhafter Weise kann mit Hilfe der Erfindung die Leistungsfähigkeit
von Bildanalysemöglichkeiten in Kombination mit einem Mikroskop
demonstriert werden, ohne dass ein Mikroskop verwendet werden oder
tatsächlich vorhanden sein muss. Das besonders kostenintensive
Vorhalten von Ausstellungs- und Vorführgeräten
kann deshalb weitgehend entfallen. Ein Vertriebsmitarbeiter benötigt
typischerweise nur noch einen Computer, beispielsweise ein Notebook.
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Weitere
vorteilhafte Anwendungen beinhalten das Training und die Ausbildung
von Anwendern der Analyse-Software. Außerdem wird auch
die Ausbildung und das Training von Anwendern der Analyse-Software
in Forschung und Lehre, also im Hinblick auf eine wissenschaftliche
Ausbildung, gegebenenfalls mit konkretem Bezug auf die untersuchten
Proben, erheblich vereinfacht.
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Weiterhin
ermöglicht die Erfindung erhebliche Vereinfachungen bei
Untersuchungsabläufen. Beispielsweise können einfache
Wiederholungen von Untersuchungsabläufen und/oder alternative Analyseansätze
durchgeführt werden, ohne dass eine Probe erneut aufgelegt
werden muss.
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Schließlich
können bestehende Analysemodule, welche eigentlich ein
Mikroskop und ein Livebild benötigen, auch auf virtuelle
Proben angewendet werden, die mit anderen Mitteln, beispielsweise
mit anderen Probenscannern oder anderer Aufnahme-Software gewonnen
werden.
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Die
Erfindung ermöglicht außerdem eine effiziente
und ergonomische Analyse von so genannten virtual slides, ohne hierfür
spezielle Algorithmen entwickeln zu müssen, die normalerweise
im Umgang mit sehr großen Bilddateien notwendig wären.
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Die
Kombination einer virtuellen Kamera, also einer simulierten Kamera,
und einem virtuellen Mikroskop, also einem simulierten Mikroskop,
bildet eine Einheit und präsentiert als diese Einheit der Analyse-Software
stets den korrekten Bildausschnitt. Veränderungen an der
Mikroskopseite, beispielsweise eine geänderte Positionierung
in den Raumkoordinaten oder ein Objektiv- und/oder Filterwechsel,
führen zu einer entsprechend veränderten Darstellung der
virtualisierten Probe.
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Eine
solche virtuelle oder virtualisierte Probe kann insbesondere einen
Skalierungswert aufweisen, mit dessen Hilfe kleinere Repräsentationen
der Probe oder kleine Ausschnittsbereiche zur Darstellung berechnet
werden können. Dadurch kann beispielsweise bei einem Objektivwechsel
mit Hilfe der virtuellen Kamera ein entsprechend angepasster Bildausschnitt
abgebildet werden. Ebenso kann das Positionieren einer virtuellen
Probe mit Hilfe von Verfahranweisungen an den Tisch des virtuellen
Mikroskops durch die virtuelle Kamera abgedeckt werden.
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Bei
besonders bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung werden demnach
ein X-Y-Verschiebetisch des Mikroskops und/oder eine Objektivwechseleinrichtung
des Mikroskops simuliert. Dabei ist es vorteilhaft, die gleichen
Bedienelemente des Mikroskops hierfür zu verwenden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens und des erfindungsgemäßen Computerprogramms
werden für die Simulation des Bilds, welches die Kamera
bei realer Untersuchung der Probe mit dem Mikroskop sehen würde, Einstellungen
an externen Bedieneinrichtungen des Mikroskops und/oder an externen
Bedieneinrichtungen der Kamera so berücksichtigt, als ob
diese Einstellungen im Realbetrieb vorgenommen würden.
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Die
erfindungsgemäß zu berücksichtigenden Parametereinstellungen
des Mikroskops und/oder der Kamera können insbesondere
von einem Benutzer an dem Computer vorgenommen werden. Das Mikroskop
und die Kamera müssen hierzu nicht konkret vorhanden sein.
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Spezielle
Eingabegeräte, die den üblichen Bedienelementen
eines Mikroskops nachempfunden sind oder mit diesen identisch sind,
erhöhen den Realitätsgrad der Simulation. Beispielsweise
können die in Mikroskopen verwendeten Bedienelemente, wie Kreuztisch-Steuerung,
Z-Trieb-Steuerung oder ein Handrad für den Z-Trieb und/oder
eine Objektivrevolver-Steuerung oder ein TFT-Display mit integriertem Touchscreen über
so genannte Satelliten am Mikroskop angeschlossen und frei auf einem
Arbeitsplatz des Anwenders positioniert werden. Eine vorteilhafte Weiterentwicklung
beinhaltet ein direktes Ansprechen des Mikroskopsystems vom Computer
aus.
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Besonders
bevorzugt sind diese externen Bedienelemente oder Eingabegeräte
des Mikroskops in einer separaten, mit dem Mikroskop und dem Computer
verbindbaren Ein heit untergebracht. Insbesondere kann es sich hierbei
um eine Bedieneinheit handeln, welche identisch ist mit der im konkreten
Messbetrieb verwendeten, auch als Satellitensteuerung bezeichneten
Bedieneinheit. Die externen Bedieneinrichtungen des Mikroskops können
insbesondere eine Kreuztisch-Steuerung, einen Z-Trieb und/oder eine
Objektivrevolversteuerung beinhalten. Prinzipiell kann auch ein
Mikroskopdummy verwendet werden, der praktisch alle für
einen Benutzer relevanten oder jedenfalls die wichtigsten Bedienelemente
eines realen Mikroskops umfasst.
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Grundsätzlich
kann es sich bei dem verwendeten Computer um denselben Computer
handeln, der auch im konkreten Messbetrieb eingesetzt wird, d. h.
der verwendete Computer ist dann dazu eingerichtet, als Teil des
Mikroskopsystems zu arbeiten. Insbesondere für Anwendungen
im Bereich des Vertriebs und der Kundenbetreuung kann der Einsatz von
Laptops aufgrund des geringen Platzbedarfs vorteilhaft sein. Hierbei
kommen die erfindungsgemäßen Vorteile in besonderer
Weise zum Tragen, da an Stelle eines kompletten Mikroskopsystems
mit einem Mikroskop, einer Kamera, den entsprechenden Peripheriekomponenten
und einem Computer, nur der Computer selbst, beispielsweise eben
ein Laptop, zur Demonstration der gesamten Funktionalität
erforderlich ist. In diesem Sinn wird durch die vorliegende Erfindung
ein gesamtes Mikroskopsystem und nicht nur das Mikroskop als solches
simuliert.
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Wenn
eine virtuelle Probe aufgrund der verwendeten Aufnahmetechnik mehrere
Z-Ebenen aufweist, lässt sich beim Laden der Probe nicht
nur die X- und Y-Achse, sondern auch die Z-Achse abbilden und virtualisieren
oder simulieren. Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens und des erfindungsgemäßen Computerprogramms wird
demnach ein Z-Trieb des Mikroskops simuliert.
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Wenn
die virtuelle Probe nur in einer Ebene aufgenommen wurde, so lässt
sich durch Bildverarbeitung eine Bewegung in Z-Richtung simulieren. Dies
kann beispielsweise durch einen Schärfungs- und/oder einen
Weichzeichnungsfilter erfolgen.
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Eine
weitere Erhöhung der Funktionalität kann erzielt
werden, wenn ein hoch aufgelöstes komplettes mikroskopisches
Bild der Probe in mehreren Farbkanälen aufgenommen wird
und Farbfilter des Mikroskops simuliert werden. Hat also eine virtuelle Probe
aufgrund der verwendeten Aufnahmetechnik mehrere Farbkanäle,
beispielsweise für unterschiedliche Fluoreszenzkanäle,
lässt sich beim Laden der Probe das simulierte Mik roskop
mit den zugehören Fluoreszenzfiltern bestücken.
Einschwenken eines solchen Filters führt dann zu einer
Darstellung des damit erstellten Farbkanals der Probe.
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Wenn
eine virtuelle Probe aufgrund der verwendeten Aufnahmetechnik eine
hohe Dynamik, also eine hohe Bit-Tiefe, aufweist, lässt
sich durch Auswahl der relevanten Bits auch eine Variation der Beleuchtungsintensität
simulieren. Ein ähnlicher Effekt kann mit einfacher Bildverarbeitung,
beispielsweise durch Variation der Helligkeit oder durch Kontrastmanipulation
erzielt werden. Verfahrensmäßig wird also das
hoch aufgelöste komplette mikroskopische Bild der Probe
mit einer hohen Bit-Tiefe, beispielsweise mit der gesamten Tiefe
eines 12-Bit-AD-Wandlers, aufgenommen und sodann kann eine Variation
einer Beleuchtungsintensität durch Auswahl der relevanten
Bits simuliert werden.
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Sehr
komfortable Möglichkeiten ergeben sich außerdem,
wenn eine virtuelle Probe aufgrund der verwendeten Aufnahmetechnik
zu mehreren Zeitpunkten aufgenommen wird. Hierbei spricht man auch
von Timelapse-Aufnahmen. Die zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen
hoch aufgelösten kompletten mikroskopischen Bilder der
Probe können in der simulierten Kamera abgespielt werden. Dabei
kann die Aufnahme für unterschiedliche Richtungen und Geschwindigkeiten
simuliert werden.
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Ein
Durchlauf oder ein Test von simulierten Untersuchungsabläufen
kann dabei mit höherer Geschwindigkeit erfolgen als bei
realer Durchführung. Hierin liegt ebenfalls ein wichtiger
Vorteil der Erfindung, da man die mitunter komplexen Untersuchungsabläufe
erheblich schneller, sozusagen im Zeitraffer, testen kann und somit
Zeit gewinnt.
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Grundsätzlich
ist auch möglich auf Grundlage von zwei Bildern, die mit
einem zeitlichen Abstand zu einander aufgenommen oder simuliert
wurden und die beispielsweise mit Hilfe einer elastischen Registrierung
verknüpft werden, durch Interpolieren Zwischenbilder zu
erzeugen.
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Die
virtuelle Probe, also das vorab aufgenommene hoch aufgelöste
komplette mikroskopische Bild der Probe, kann alle oben aufgeführten
Eigenschaften in sich vereinen. Beispielsweise kann in vertretbarer
Zeit eine Mehrkanal-Aufnahme eines Mosaiks in vielen Z-Ebenen bei
hoher Dynamik verwirklicht werden. Eine solche virtuelle Probe bietet äußerst
weitgehende Möglichkeiten der gezielten erfindungsgemäßen
Informationsreduzierung.
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Ein
erheblicher Vorteil der Erfindung besteht auch darin, dass Applikationslösungen
mit dem virtuellen System völlig unabhängig vom
Mikroskop und der Kamera, sozusagen theoretisch, entwickelt werden
können und diese können sodann auf einem System
mit realen Komponenten und real zu untersuchenden Proben umgesetzt
werden. Dies erleichtert erheblich die Entwicklung von Methoden
und komplexen Analyselösungen, bei denen eine komplette Probe
bzw. deren Geometrie berücksichtigt werden soll. Zum Beispiel
kann das Auffinden von relevanten Bereichen in einer Probe, welche
in hoher Auflösung analysiert werden sollen, erheblich
vereinfacht und beschleunigt werden.
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Die
Erfindung ermöglicht somit eine experimentelle Ermittlung
und Optimierung von Analysemethoden und -lösungen im Hinblick
auf die Genauigkeit, das Zeitverhalten, die statistische Zuverlässigkeit
und die Signifikanz der Untersuchungen. Diese Vorgehensweisen werden
durch die digitale Natur und die Unzerstörbarkeit der virtuellen
Probe ermöglicht.
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Bei
bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
und des erfindungsgemäßen Computerprogramms werden
demnach Untersuchungsabläufe durch einen Benutzer interaktiv
anhand des hoch aufgelösten kompletten mikroskopischen
Bilds der Probe festgelegt.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nachstehend
mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Hierin
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Mikroskopsystems sowie der wesentlichen
Bestandteile der Analyse-Software; und
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2 eine
schematische Ansicht der wesentlichen Blöcke für
ein erfindungsgemäßes Computerprogramm.
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Die
wesentlichen Bestandteile der Erfindung werden mit Bezug auf die 1 und 2 weiter
erläutert. Äquivalente Komponenten sind dort jeweils mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
schematisch der Aufbau eines Mikroskopsystems 10 dargestellt,
dessen Abläufe mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Verfahrens simuliert werden sollen. Der Aufbau besteht aus Hardware-Bestandteilen,
die links der gestrichelten Linie 90 dargestellt sind,
sowie einem rechts der Linie 90 gezeigten Computer 40 mit
blockartig veranschaulichten Programm-Modulen.
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Als
wesentliche Hardware-Komponenten sind bei dem Mikroskopsystem 10 in
einer Mikroskopeinheit 11 ein Mikroskop 14 mit
einer daran angeschlossenen Kamera 12 vorgesehen. Weiterhin
sind eine Mikroskopsteuereinheit 16 sowie Bedienelemente 18 des
Mikroskops 14 vorhanden. Schematisch ist darüber
hinaus eine im Mikroskop 14 befindliche Probe 13 gezeigt.
Doppelpfeile 15, 17 veranschaulichen die Wechselwirkungen
zwischen der Mikroskopeinheit 11 und der Mikroskopsteuereinheit 16 sowie
zwischen der Mikroskopsteuereinheit 16 und den externen
Bedienelementen 18.
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Die
rechts der Linie 90 dargestellten Programmblöcke
beinhalten im Wesentlichen eine Treiberschicht 50 mit einem
Mikroskoptreiber 54 und einem Kameratreiber 52 sowie
eine Analyse-Software 60. Die Software insgesamt wirkt
vielfältig mit den Hardware-Komponenten, insbesondere mit
der Kamera 12, der Mikroskopsteuereinheit 16 und
den externen Bedienelementen 18 zusammen. Dies ist durch
Doppelpfeile 22, 24, 26 veranschaulicht.
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Der
konkrete Kameratreiber 52 interagiert mit einem als Kamera-Objekt 62 bezeichneten
Programm-Modul, welches eine vereinheitliche Kommunikation mit nachgeordneten
Programmbestandteilen ermöglicht. Entsprechend wirkt der
konkrete Mikroskoptreiber 54, der hardwareseitig im Wesentlichen mit
der Mikroskopsteuereinheit 16 in Verbindung steht, mit
einem als Mikroskopobjekt 68 bezeichneten Programm-Modul
zusammen, welches wiederum für eine vereinheitlichte Kommunikation
mit den übrigen Komponenten sorgt. Die funktionellen Beziehungen
zwischen dem Kameraobjekt 62 und dem Kameratreiber 52 einerseits
sowie zwischen dem Mikroskopobjekt 68 und dem Mikroskoptreiber 54 andererseits
sind in 1 durch Doppelpfeile 56, 58 veranschaulicht.
Von der Kamera 12 aufgenommene Bilddaten einer im Mikroskop 14 angeordneten
Probe 13 werden über das Kameraobjekt 62 zu
einem Bild 64 aufbereitet, welches zum Beispiel an einem
Computermonitor angezeigt und mit weiteren Analyseroutinen 66 weiterverarbeitet
werden kann.
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Die
entsprechenden funktionellen Zusammenhänge sind durch einen
Pfeil 63 und einem Doppelpfeil 65 angedeutet.
Gegebenenfalls kann ein Resultat einer Analyseroutine 66 rückwirken
auf Abläufe der Datenbearbeitung im Kameraobjekt 62,
was in 1 durch einen Pfeil 72 veranschaulicht
ist.
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Das
Kameraobjekt 62 stellt generische Kameraschnittstellen
zur Verfügung. Das Kameraobjekt 62 registriert
Anweisungen an das simulierte Mikroskop, wie z. B. Tischbewegung,
Objektivwechsel usw., und verändert, sofern die entsprechenden
Bilddaten vorliegen, entsprechend den sichtbaren Bildausschnitt
des zugrundeliegenden Bilds. Wenn das simulierte Mikroskop Reflektorblöcke
oder Fluoreszenzfilter aufweist, die ebenfalls im Bild vorkommen, kann
der zugehörige Bildkanal angezeigt werden. Objektiv- oder
Skalierungswechsel führen im Allgemeinen zu einer Neuberechnung
des gezeigten Bildausschnitts.
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Mit
dem Kameraobjekt 62 und dem simulierten Mikroskop können
sehr viele Anwendungsfälle simuliert und komplexe Analyseaufgaben,
formuliert in Skripten und Makros, entwickelt werden, ohne dass auf
ein reelles Mikroskop und reelle Proben zurückgegriffen
werden muss. Mit der vorliegenden Erfindung kann deshalb die volle
Leistungsfähigkeit der Bildanalyse demonstriert und einem
Kunden präsentiert werden, ohne dass ein Mikroskop vorgehalten werden
muss. Der zu Vertriebszwecken notwendige Bestand an Mikroskopen
kann deshalb deutlich verringert und die entsprechenden Kosten können
gespart werden.
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Über
eine graphische Benutzerschnittstelle 70 können
Parametereinstellungen des Mikroskops 14 und/oder der Kamera 12 sowie
eine Vielzahl sonstiger Einstellungen vorgenommen werden. Diese Einstellungen
wirken im Allgemeinen zurück auf das angezeigte Bild 64.
Beispielsweise können hiermit elementare Bildverarbeitungsfunktionen
realisiert werden. Die funktionellen Zusammenhänge sind schematisch
durch Doppelpfeile 65, 67, 69 dargestellt.
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Ausgehend
von dem in 1 gezeigten Aufbau eines realen
Mikroskopsystems 10 mit den entsprechenden Hardware-Komponenten
werden nun mit Bezug auf 2 eine erfindungsgemäße
Vorrichtung 100 sowie das erfindungsgemäße
Verfahren und das erfindungsgemäße Computerprogramm
erläutert.
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Hardwareseitig
besteht die in 2 gezeigte Vorrichtung 100 im
Unterschied zu dem Aufbau aus 1 im Wesentlichen
nur aus einem Computer 40 mit den entsprechenden funktionellen
Programmbestandteilen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
sind darüber hinaus in einer separaten Einheit 20 untergebrachte
externe Bedienelemente 18 vorhanden, die mit dem Computer 40,
veranschaulicht durch einen Pfeil 26, zusammenwirken.
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Die
funktionalen Programmbestandteile des Computers 40 sind
in 2 ebenfalls unterteilt in eine Treiberschicht 51 und
eine Analyse-Software 60. Die Wechselwirkung dieser Blöcke
ist durch Pfeile 56, 58 veranschaulicht. Während
die Abläufe und Funktionen im Bereich der Analyse-Software 60 weitestgehend
denjenigen im realen System aus 1 entsprechen
oder mit diesen identisch sind, bestehen im Bereich der Treiberschicht 51 wesentliche
Unterschiede.
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Ein
vorab aufgenommenes hoch aufgelöstes komplettes mikroskopisches
Bild einer Probe ist in 2 mit dem Bezugszeichen 80 gekennzeichnet. Dieses
Bild 80 wird auch als virtuelle Probe bezeichnet. Bei dem
Bild 80 handelt es sich typischerweise um einen gescannten
Datensatz der Probe mit einer Größe von einigen
Gigabyte. Die virtuelle Probe 80 kann ein internes Koordinatensystem,
also eine Skalierung, aufweisen.
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Anstelle
der Treiber für die konkreten Hardware-Komponenten wirkt
die Analyse-Software 60 bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 100 mit einem eine Kamera simulierenden Treiber 53 und
einem ein Mikroskop simulierenden Treiber 55 zusammen.
Hierbei handelt es sich um Programm-Module, welche zwischen der
virtuellen Probe 80 und der Analyse-Software 60 eine
Verbindung so herstellen, dass aus Sicht der Analyse-Software 60 kein
Unterschied besteht, ob sie mit einer realen Treiberschicht 50,
wie in 1 dargestellt, oder mit einer virtuellen Treiberschicht 51,
wie in 2 gezeigt, zusammenwirkt.
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Kernbestandteile
des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen
Computerprogramms sind demnach der virtuelle Kameratreiber 53 und
der virtuelle Mikroskoptreiber 55, welche beide, veranschaulicht
durch Pfeile 28, 82, mit der virtuellen Probe 80 zusammenwirken.
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Im
Ergebnis wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 ein
Bild 84 dargestellt, welches prinzipiell völlig
ununterscheidbar ist von dem Bild 64, was der in 1 gezeigte
Aufbau bei unterstellter physikalischer Identität der Probe
liefern würde.
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Wie
im Realbetrieb kann ein Nutzer sodann über die graphische
Benutzerschnittstelle 70 Parameter einstellen oder verändern.
Der Realitätsgrad der Simulierung wird außerdem
noch erhöht durch die in der separaten Einheit 20 untergebrachten
externen Bedienelemente. Im gezeigten Beispiel handelt es sich hierbei
um eine Kreuztisch-Steuerung 23, eine Z-Trieb-Steuerung
und eine Objektivrevolversteuerung 27. Diese Komponenten
können beispielsweise über einen TFT-Bildschirm
mit einer Touchscreen-Steuerung betätigt werden. Ergänzend
kann auch ein Navigationsgerät vorgesehen sein, welches ein Übersichtsbild
einer Probe zeigt. Anhand dieses Übersichtsbilds kann dann
ein Nutzer eine Position auswählen und der X-Y-Tisch erhält
sodann eine Anweisung, die virtuelle Probe entsprechend zu verfahren.
Der gewünschte Ausschnitt wird dann in der Kamera angezeigt.
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Wie
die virtuelle Probe auf Dateiebene im Detail aussieht spielt für
den Grundgedanken der Erfindung keine Rolle, da dies nur eine Frage
der Implementierung ist. Zweckmäßig werden Datenformate verwendet,
die mehrdimensionale Bilder ermöglichen und/oder Auflösungspyramiden
unterstützen. Da eine Kamera nur einen begrenzten Ausschnitt
aus einem potentiell sehr großen Bild anzeigt, ist grundsätzlich
auch denkbar, dass die Bilddaten über den fraglichen Ausschnitt über
ein Netzwerk, also ein LAN oder über das Internet, über
geeignete Protokolle der virtuellen Kamera zugeführt werden.
Die virtuelle Kamera muss sodann nur die Koordinaten und die Bildgrößen
in eine für das jeweils verwendete Protokoll gültige
Syntax umsetzen. Hierbei kann es sich gegebenenfalls auch um eine
eigene Serversoftware handeln. Kerngedanke der hier vorgestellten Erfindung
ist immer ein quasi – natürlicher Betrieb der Analsyse-Software,
so als wären Mikroskop und Kamera reell vorhanden. Die
Erfindung gestattet weiterhin die Simulierung einer mehrdimensionalen
Bildaufnahme. Darüber hinaus wird der Umgang mit virtuellen
Proben erheblich erleichtert und kann besser in bereits erlernte
Arbeitsschritte integriert werden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein neues Verfahren zur Bildanalyse
mit Hilfe einer virtualisierten Kamera und eines virtualisierten
Mikroskops bereitgestellt. Grundgedanke der Erfindung ist, nicht nur
die Abläufe in einem Mikroskop, sondern vielmehr ein komplettes
Mikroskopsystem, welches insbesondere auch eine Kamera enthält,
zu virtualisieren oder zu simulieren. Grundprinzip ist dabei immer der
natürliche Betrieb der Analysesoftware so, als ob das Mikroskop
die Kamera und die Mikroskopsteuereinheit reell vorhanden wären.
Hieraus ergeben sich erhebliche Vorteile, insbesondere für
die Schulung und für die Definition von Funktionsabläufen,
da die wesentlichen Hardware-Komponenten hierzu nicht mehr bereitgehalten
werden müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1490832
B1 [0006, 0008]
- - EP 1341023 B1 [0009]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - www.cs.umd.edu/projects/hpsl/chaos/ResearchAreas/vm/ [0010]