DE102008016165B4

DE102008016165B4 - Mikrotom mit variablem Schneidehub unter Verwendung eines Linearmotors als Antrieb

Info

Publication number: DE102008016165B4
Application number: DE102008016165A
Authority: DE
Inventors: Roland Walter
Original assignee: Leica Biosystems Nussloch GmbH
Current assignee: Leica Biosystems Nussloch GmbH
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2028-03-29
Also published as: GB2458565B; GB0904872D0; US20090241751A1; DE102008016165A1; GB2458565A; JP2009244265A

Abstract

Mikroton (10) zum Erzeugen von Dünnschnitten eines Objekts (28)
mit einem Schneidmesser (18) mit zugehöriger Messerkante (19), die bei der Erzeugung des Dünnschnitts entlang einer Schnittebene mit dem Objekt (28) in Eingriff gelangt,
einer Vorschubeinheit (34), die unter einem Winkel zur Schnittebene zwischen zwei Dünnschnitten einen Vorschub erzeugt, der die Dicke des Dünnschnitts festlegt,
mit einem Linearmotor (38), umfassend einen Linearstator (22) und einen Linearrotor (24), zum Erzeugen einer linearen Relativbewegung zwischen der Messerkante (19) und dem Objekt (28) zum Erzeugen des Dünnschnitts, wobei der Linearstator (22) mittels eines mehrphasigen Wicklungssystems ein wanderndes Magnetfeld erzeugt, das den Linearrotor (24) antreibt,
und mit einer Steuereinheit (30) zum Ansteuern des Linearmotors (38) für eine relative Hin- und Herbewegung entlang eines vorbestimmten Verfahrwegs (L) und zum Ansteuern der Vorschubeinheit (34) zwischen zwei Dünnschnitten,
wobei der Schneidvorgang mit dem vorbestimmbaren Verfahrweg (L) über die Steuereinheit (30) einstellbar ist,...

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrotom zum Erzeugen von Dünnschnitten für die Mikroskopie.
Mikrotome werden in zunehmendem Maße mit motorischen Antriebseinheiten ausgestattet. Aus der DE 196 30 382 C2 ist ein Mikrotom bekannt, bei dem auf einer rotierbar gelagerten Scheibe mindestens ein Objekthalter mit dem zu schneidenden Objekt angeordnet ist. Der Schneidvorgang zwischen Objekt und Schneidmesser erfolgt durch Drehen der Scheibe, wobei das Objekt über das Schneidmesser geführt wird. Für die Erzeugung der Rotationsbewegung der Scheibe ist ein motorischer Rotationsantrieb vorgesehen.
Bei dem beschriebenen Mikrotom ist aufgrund der mechanischen Konstruktion der Schneidehub nicht veränderbar. Das hat den Nachteil, dass ein großer Schneidehub, der bei großen Objekten und bei einem Objektwechsel zwar geeignet ist, bei kleinen Objekten jedoch den Probendurchsatz verringert. Dieser Probendurchsatz gibt an, wie viele Dünnschnitte einer Probe bzw. eines Objekts pro Zeiteinheit über einen vorbestimmten Weg, dem Verfahrweg, hergestellt werden können. Bei einem Schneidvorgang zum Schneiden von kleinen Objekten mit nicht veränderbarem Schneidehub und mit großem Verfahrweg ist demnach eine große Schnittgeschwindigkeit erforderlich, um Dünnschnitte in angemessen kurzer Zeit herzustellen. Dadurch wird der Verschleiß des Schneidmessers erhöht und die Schnittqualität der Dünnschnitte deutlich verschlechtert.
Aus der DE 199 11 005 A1 ist ein Scheibenmikrotom bekannt, bei dem die motorisch verstellbaren Parameter des Mikrotoms über eine Steuerschaltung eingestellt werden. Eine Einstellung der erforderten Schnittgeschwindigkeit erfolgt beispielsweise über eine automatische Ermittlung der Distanz zwischen dem zu schneidenden Objekt und der Schnittebene. Je näher das Objekt der Schneidekante kommt, umso niedriger ist die Schnittgeschwindigkeit. Die automatisierte Ermittlung der Distanz zwischen Schnittebene und Objekt lässt sich somit zur Regelung der Schnittgeschwindigkeit verwenden.
Aus der DE 27 55 479 C2 ist ein Mikrotom mit einer elektrisch betriebenen Antriebsvorrichtung bekannt, um eine Relativbewegung zwischen einem Schneidmesser und einem zu schneidenden Objekt zu erzeugen. Die elektrische Antriebsvorrichtung umfasst eine bewegliche Tauchspule, deren Linearbewegung in Bezug auf einen feststehenden Magneten durch eine Steuerspannung einstellbar ist. Die Bewegung der Tauchspule wird über einen Hebel auf das zu schneidende Objekt übertragen.
Aus der DE 1 039 254 A ist ein Mikrotom zum Herstellen von Dünnschnitten mit einer Stärke kleiner als ein Mikrometer bekannt, bei denn ein Objekthalter einen Dauermagneten trägt, der in eine Tauchspule ragt. Bei Beaufschlagung der Tauchspule mit elektrischem Strom führt der Objekthalter eine Linearbewegung aus, wodurch der Dünnschnitt erfolgt. Die Rückbewegung wird mit Hilfe einer Blattfeder vorgenommen, die den Objekthalter hält. Der Vorschub zum Erstellen von Dünnschnitten kleiner als ein Mikrometer wird durch eine weitere Linearbewegung des Objekthalters erreicht, bei dem der technische Effekt der Magnetostriktion ausgenutzt wird, wobei ein Metall in einem Magnetfeld seine Lage verändert.
Die EP 1 316 790 A2 beschreibt ein Mikrotom, bei dem ein Linearmotor, umfassend einen antreibenden Elektromagneten und einen Permanentmagneten, ein Schneidmesser antreibt. Das Schneidmesser ist auf einer bewegbaren Baueinheit angeordnet und über federnde Koppelelemente mit einer Basis verbunden. Durch die Verwendung des antreibenden Elektromagneten und des Permanentmagneten nach dem Prinzip eines Linearmotors, wird eine mechanische Entkopplung zwischen der Basis und der bewegbaren Baueinheit erreicht. Zur Herstellung von Dünnschnitten wird zunächst die Basis auf Schienen so bewegt, dass die Baueinheit und damit das Schneidmesser sich nahe dem Objekt befindet. Danach wird der antreibende Elektromagnet angesteuert und in Zusammenwirkung mit dem Permanentmagneten erfolgt eine Linearbewegung der beweglichen Baueinheit, so dass das Schneidmesser Dünnschnitte von der Probe herstellt. Nach dem Herstellen der Dünnschnitte wird das Schneidmesser durch Bewegen der Basis wieder in einen Abstand von der Probe gebracht.
Die DE 196 53 634 C2 betrifft ein Mikrotour, mit dessen Hilfe Dünnschnitte im Nanometer-Bereich hergestellt werden können. Hierzu ist ein Mikro-Vorschubmechanismus angegeben, der zwei Linearmotorstufen umfasst. Die beiden Linearmotorstufen sind in einer sich kreuzenden Beziehung zueinander angeordnet, so dass extrem kleine Vorschubdistanzen bis in den Nanometer-Bereich hinein eingestellt werden können. Zur Herstellung der Relativbewegung zwischen Schneidmesser und Probe werden herkömmliche Antriebe eingesetzt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Mikrotom mit variablem Schneidehub zu schaffen, das einen raschen Schneidvorgang von Objekten unterschiedlicher Größen ermöglicht und einfach aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Mikrotom mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird zum Erzeugen einer linearen Relativbewegung zwischen der Messerkante des Schneidmessers und dem zu schneidenden Objekt ein Linearmotor eingesetzt. Dieser ermöglicht auf einem direkten Wege eine Hin- und Herbewegung zum Durchführen der Dünnschnitte. Der Verfahrweg des Linearmotors kann mit Hilfe einer Steuereinheit leicht eingestellt werden. Beispielsweise kann der Verfahrweg so gewählt werden, dass er knapp größer als das zu schneidende Objekt ist. Der Schneidvorgang zwischen Objekt und Schneidmesser erfolgt dann längs des Verfahrwegs, der im wesentlichen auch dem Schneidhub entspricht. Auf diese Weise kann ein hoher Probendurchsatz bei relativ geringer Schnittgeschwindigkeit erreicht werden.
Gemäß der Erfindung ist der Verfahrweg über die Steuereinheit einstellbar. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Bedienpultes erfolgen, wobei eine Bedienperson die Endpunkte des Verfahrwegs in die Steuereinheit eingibt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, mit Hilfe eines Handrads die Endpunkte des Verfahrwegs festzulegen. Diese Endpunkte definieren dann das Schneidefenster. Das Handrad ist mit einen Inkrementalgeber verbunden, welcher den Verdrehwinkel des Handrads erfasst und entsprechende elektrische Signale an die Steuereinheit abgibt. Die Steuereinheit steuert den Linearmotor dann entsprechend dem Verdrehwinkel des Handrads, so dass die Endpunkte des Verfahrwegs angesteuert werden können.
Es ist möglich, das zu schneidende Objekt auf dem beweglichen Linearrotor des Linearmotors anzuordnen, wobei das Schneidmesser auf der feststehenden Vorschubeinheit gelagert ist. In diesem Fall führt das Objekt die erforderliche Bewegung zum Erzeugen des Dünnschnitts aus. Alternativ kann das Schneidmesser auf dem beweglichen Linearrotor gelagert sein und das zu schneidende Objekt ist auf der feststehenden Vorschubeinheit angeordnet. In diesem Fall führt das Schneidmesser die erforderliche Bewegung zum Erzeugen des Dünnschnitts aus. Bei einer weiteren Variante ist die Vorschubeinheit mit dem Schneidmesser auf dem beweglichen Linearrotor gelagert. Das zu schneidende Objekt ist ortsfest angeordnet. In diesem Fall führen Vorschubeinheit und Schneidmesser die erforderliche Bewegung zum Erzeugen des Dünnschnitts aus. Durch die Verwendung eines Linearmotors ist kein mechanisches Getriebe zur Umsetzung einer Rotationsbewegung in einer Linarbewegung erforderlich. Der vom Linearrotor zurückgelegte Weg und seine Geschwindigkeit wird allein durch die Steuereinheit und deren Antriebssignale bestimmt. Demgemäß ergibt sich ein vereinfachter Aufbau für das motorisch angetriebene Mikrotom.
In Richtung des Verfahrwegs außerhalb des Schneidfensters ist in Wartungsbereich angeordnet, in welchen der Linearrotor für Servicearbeiten und Arbeiten an dem Objekt verfahrbar ist. Dieser Wartungsbereich liegt außerhalb des Schneidebereichs in linearer Verlängerung des Verfahrwegs. Beispielsweise wird in die sein Wartungsbereich der Objektaustausch vorgenommen, oder es ist im Wartungsbereich eine separate Blockkühlungseinheit angeordnet, mit deren Hilfe das Objekt gekühlt werden kann.
Das Mikrotom wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
1 den Aufbau eines Mikrotoms in einer Prinzipdarstellung,
2 eine Prinzipdarstellung eines Linearmotors,
3 eine schematische Darstellung einer eingebetteten Probe in einem mit Paraffin gefüllten Probenbett, und
4 eine schematische Skizze des Verfahrwegs zum Schneiden des Objekts sowie das Verfahren in einen Wartungsbereich.
1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung allgemein ein Mikrotom 10 mit einem Grundbett 12 und einem darauf angeordneten Messerblock 14, der einen Messerhalter 16 trägt. Dieser Messerhalter 16 hält ein Schneidmesser 18, das eine Messerkante umfasst.
Auf dem Grundbett 12 ist weiterhin ein Schienenelement 20 mit einem darauf angeordneten Linearstator 22 befestigt. Auf dem Schienenelement 20 ist ein in horizontaler Richtung bewegbarer Linearrotor 24, umfassend einen Objekthalter 26 und ein zugehöriges Objekt 28, verschiebbar gelagert, der durch Ansteuersignale einer Steuereinheit 30 Hin- und Herbewegungen in Richtung des x-Doppelpfeils ausführen kann, um im Zusammenwirken mit dem Schneidmesser 18 Dünnschnitte am Objekt 28 auszuführen. Das Objekt 28 ist zum Beispiel eine biologische Probe aus Gewebematerial, von dem mikrometerdünne Schnitte für die Mikroskopie hergestellt werden sollen.
Zur manuellen Steuerung der Bewegung des Linearrotors 24 dient ein Handrad 46 mit einem zugehörigen Handgriff 48. Das Handrad 46 ist mit einem Inkrementalgeber 50 mechanisch gekoppelt, der elektrische Signale entsprechend dem Verdrehwinkel des Handrads 46 erzeugt und diese an die Steuerung 30 weiterleitet. Die Steuerung 30 ist so ausgelegt, dass, wenn eine Bedienperson das Handrad 46 um einen Verdrehwinkel von 360° im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn verdreht, ein vorgewählter Schneidehub bzw. Verfahrweg des Linearrotors 24 ausgeführt wird, wobei die Mitte des Schneidehubs im Bereich der Messerkante liegt. Unter der Kontrolle der Bedienperson ist der Schneidehub frei einstellbar, wobei ein möglichst kleiner Schneidehub bei kleinen Proben eingestellt werden sollte, um einen hohen Probendurchsatz zu erreichen.
Das relative Verstellen des Schneidmessers 18 in y-Richtung in Bezug auf den Objekthalter 26 erfolgt durch eine Vorschubeinheit 34 in Richtung des y-Doppelpfeils 36, wodurch die Schnittdicke des Dünnschnitts festgelegt wird. Ein Vorschub erfolgt jeweils zwischen zwei Hin- und Herbewegungen des Linearrotors 24. Weiterhin ist zum Kühlen des Objekts 28 eine Blockkühlungseinheit 52 vorgesehen.
2 zeigt in einer Prinzipdarstellung den Aufbau des Linearmotors 38, umfassend den feststehenden Linearstator 22 mit einem mehrphasigen Wicklungssystem und dem bewegbaren Linearrotor 24 mit Permanentmagneten 25. Fließt in den Wicklungen 27 des Linearstators 22 ein Strom, so entsteht ein wanderndes Magnetfeld. Dies hat zur Folge, dass im Linearrotor 24 elektrische Wechselspannungen induziert werden. Bedingt durch diese induzierten Spannungen werden im Linearrotor 24 Wirbelströme erzeugt, die ein Magnetfeld erzeugen und dadurch eine elektro magnetische Kraft auf den Linearrotor 24 ausüben. Daraus resultiert die lineare Bewegung des Linearrotors 24 in Richtung des x-Doppelpfeils 32.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung das zu schneidende Objekt 28, beispielsweise eine Probe aus biologischem Gewebematerial, das in einem mit Paraffin 42 gefüllten Probenbett 40 aufgenommen ist.
4 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Seitenansicht des Mikrotoms 10. In diesem Ausführungsbeispiel ist das eingebettete Objekt 28 in dem Probenbett 40, welches die Länge l aufweist, dargestellt. Der Schneidvorgang zwischen Objekt 28 und Messerkante 19 des Schneidmessers 18 erfolgt durch eine lineare Hin- und Herbewegung des Linearrotors 24 entlang eines vorbestimmten Verfahrwegs L. Der Verfahrweg L zum Schneiden des Objekts 28 sollte dabei nur geringfügig größer als die Länge l des Probenbetts 40 sein, damit ein möglichst großer Probendurchsatz erreicht werden kann.
In einem Betriebszustand, in dem keine Dünnschnitte hergestellt werden, sollte der Abstand zwischen der Messerkante 19 des Schneidmessers 18 und dem Objekt 28 relativ groß sein, um zum Beispiel einen Objektwechsel durchführen zu können. Der Linearrotor 24 und das darauf angeordnete Probenbett 40 werden hierzu durch die Steuereinheit 30 in Richtung rechts bis zu einem Wartungsbereich 44 bewegt. In diesem Wartungsbereich 44 kann dann beispielsweise auch die Blockkühlungseinheit 52 zum Kühlen der Probe angeordnet werden. Weiterhin können in dem Wartungsbereich 44 zum Beispiel eine automatische Blockwechseleinheit, eine Blockbefeuchtungseinheit und ein Datenleser vorgesehen sein.
Es sind weitere Varianten, abweichend von 1, als Ausführungsformen der Erfindung möglich. Beispielsweise kann das relative Verstellen des Schneidmessers 18 in Bezug auf den Objekthalter 26 mit dem Objekt 28 mittels der Vorschubeinheit 34 auch schräg unter einem Winkel oder senkrecht zur Schnittebene des Dünnschnitts erfolgen. Beispielsweise kann der Messerhalter 16 mit dem Schneidmesser 18 auf dem beweglichen Linearrotor 28 angeordnet sein, während der Objekthalter 26 mit dem Objekt 28 auf der feststehenden Vorschubeinheit 34 gelagert ist. Auch kann die Vorschubeinheit 34 auf dem beweglichen Linearrotor 24 zusammen mit dem Objekthalter 26 und dem Objekt 28 angeordnet sein, wobei das Schneidmesser 18 ortsfest gelagert ist. Bei einer anderen Variante der Erfindung kann die Vorschubeinheit 34 auf dem Linearrotor 28 angeordnet sein, wobei der Messerhalter 16 mit dem Schneidmesser 18 auf dieser Vorschubeinheit 34 gelagert ist. Das zu schneidende Objekt 28 ist dann ortsfest angeordnet.
In den 1 und 4 ist das Schienenelement 20 mit dem darauf angeordneten Linearstator 22 parallel zur Fläche des Grundbetts 12 angeordnet, wobei auf dem Linearstator 22 der Linearrotor 28 in horizontaler Richtung verschiebbar gelagert ist. Alternativ ist es auch möglich, das Schienenelement 20 mit dem darauf angeordneten Linearstator 22 in Richtung der Flächennormale des Grundbetts 12 oder schräg unter einem Winkel dazu anzuordnen, wodurch die Richtung des Verfahrwegs L des Linearrotors 28 festgelegt ist. Auf diese Weise kann die auf den Linearrotor 28 wirkende Gravitationskraft bei der Zustellbewegung mitgenutzt werden.
Es wird somit ein Schlittenmikrotom bereitgestellt, das in einer Ausführungsform einen beweglichen Objekthalter umfasst. Die Herstellung von Dünnschnitten un terschiedlicher Objektgrößen kann durch den Einsatz eines Mikrotoms unter Verwendung des linearen Antriebmotors deutlich schneller erfolgen, da der Verfahrweg, der zurückgelegt werden muss, der Objektgröße angepasst werden kann. Die lineare Hin- und Herbewegung des Schneidmessers beim Schneidvorgang kann daher mit einer verringerten Geschwindigkeit bei sonst gleichem Probendurchsatz erfolgen. Das Schneidmesser wird bei dieser Vorgehensweise geschont und die Qualität der Dünnschnitte wird verbessert.

Claims

Mikroton (10) zum Erzeugen von Dünnschnitten eines Objekts (28) mit einem Schneidmesser (18) mit zugehöriger Messerkante (19), die bei der Erzeugung des Dünnschnitts entlang einer Schnittebene mit dem Objekt (28) in Eingriff gelangt, einer Vorschubeinheit (34), die unter einem Winkel zur Schnittebene zwischen zwei Dünnschnitten einen Vorschub erzeugt, der die Dicke des Dünnschnitts festlegt, mit einem Linearmotor (38), umfassend einen Linearstator (22) und einen Linearrotor (24), zum Erzeugen einer linearen Relativbewegung zwischen der Messerkante (19) und dem Objekt (28) zum Erzeugen des Dünnschnitts, wobei der Linearstator (22) mittels eines mehrphasigen Wicklungssystems ein wanderndes Magnetfeld erzeugt, das den Linearrotor (24) antreibt, und mit einer Steuereinheit (30) zum Ansteuern des Linearmotors (38) für eine relative Hin- und Herbewegung entlang eines vorbestimmten Verfahrwegs (L) und zum Ansteuern der Vorschubeinheit (34) zwischen zwei Dünnschnitten, wobei der Schneidvorgang mit dem vorbestimmbaren Verfahrweg (L) über die Steuereinheit (30) einstellbar ist, in einem Betriebszustand zum Schneiden des Objekts (28) in Dünnschnitte die Länge (L) des Verfahrwegs geringfügig größer als die Länge (l) eines Probenbetts (40) ist, das das Objekt (28) aufnimmt, und wobei in einem Betriebszustand zum Austausch des Objekts (28) die Verlagerung des Linearrotors (24) in einen Wartungsbereich (44) außerhalb des Verfahrwegs (L) erfolgt.
Mikroton nach Anspruch 1, bei dem das zu schneidende Objekt (28) auf dem beweglichen Linearrotor (24) gelagert ist und das Schneidmesser (18) auf der feststehenden Vorschubeinheit (34) angeordnet ist.
Mikrotom nach Anspruch 1, bei dem das Schneidmesser (18) auf dem beweglichen Linearrotor (24) gelagert ist und das zu schneidende Objekt (28) auf der feststehenden Vorschubeinheit (34) angeordnet ist.
Mikrotom nach Anspruch 1, bei dem die Vorschubeinheit (34) mit dem Schneidmesser (18) auf dem beweglichen Linearrotor (24) gelagert ist und das zu schneidende Objekt (28) ortsfest angeordnet ist.
Mikrotom nach Anspruch 1, bei dem die Vorschubeinheit (34) mit dem zu schneidenden Objekt (28) auf dem beweglichen Linearrotor (24) gelagert ist und das Schneidmesser (18) ortsfest angeordnet ist.
Mikrotom nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Objekt (28) von einem Objekthalter (26) gehalten ist.
Mikrotom nach Anspruch 6, bei dem das Objekt (28) in dem mit Paraffin (42) gefüllten Probenbett (40) aufgenommen ist.
Mikrotom nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorschubeinheit (34) den Vorschub zwischen zwei Dünnschnitten unter einen Winkel von annähernd 90° zur Schnittebene erzeugt.
Mikrotom nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Wartungsbereich (44) eine separate Blockkühlungseinheit (50) angeordnet ist, die das Objekt (28) kühlt.
Mikrotom nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Handrad (46), das mit einem Inkrementalgeber (50) verbunden ist, als Bedienelement für die Steuereinheit (30) vorgesehen ist.
Mikrotom nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Länge (L) des Verfahrwegs um das 1,5 bis 3 Fache, oder das 1,1 bis 1,3 Fache, größer als die Länge (l) des Probenbetts (40) ist.