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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Mikrotom-Schneideeinrichtung, die eine Schneide aufweist, die zum Schneiden einer Probe mittels einer Schwingungserzeugungseinheit in Schwingung versetzt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Ein derartiges Mikrotom dient zum Schneiden von dünnen Schnittpräparaten, insbesondere empfindlichen Gewebeproben, die unter dem Mikroskop untersucht werden sollen, und weist eine Schneideeinrichtung mit einer auswechselbaren Schneide oder Klinge und einen Probenhalter mit der Probe auf. Das Schneiden dieser Proben erfolgt mittels der Schneide, die in horizontaler Richtung mit einer einstellbaren Frequenz von 30 Hz bis 100 Hz schwingt. Die Schwingung ist eine lineare, sinusförmige Schwingung mit einer einstellbaren Amplitude von 0,1 mm bis 1,2 mm. Die Schneide wird mittels eines Vorschubmechanismus in Y-Richtung verschoben, um einen durchgängigen Schnitt durch die gesamte Probe zu gewährleisten.
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Bei bestimmten Anwendungsfällen ist es erforderlich, die Zellen des geschnittenen Gewebes so lange wie möglich am Leben zu erhalten. Die mechanische Kraftwirkung auf die Zellmembranen muss daher so gering wie möglich gehalten werden, was eine möglichst parallele Bewegung der Schneide oder Klinge zum Probenhalter notwendig macht. Weiterhin müssen die Zellen möglichst geringen Vibrationen ausgesetzt werden, da sie andernfalls unsichtbare Schäden davontragen können und sich die Qualität des erhaltenen Gewebeschnitts zu schnell verschlechtert, um für die gewünschten Untersuchungen verwendet werden zu können.
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Je nach Einstellung der Frequenz und Amplitude der Schwingung wird die Auslenkung der Schneide in Z-Richtung, der sogenannte Höhenschlag, verstärkt. Auch können Schwingungen einzelner Bauteile des Mikrotoms sich verstärken und zu nicht parallelen Bewegungen zwischen Probenhalter und Schneide führen. Dies führt dazu, dass der Höhenschlag sich verstärkt. Die Folge kann nicht nur ein Schaden an der Probe, sondern auch ein Schaden am Gerät durch sich lösende oder brechende Teile sein. Um Schäden zu verhindern, werden Mikrotome bisher manuell überwacht, wobei ein Bediener den Schnittvorgang durchgehend beobachtet und bei sich veränderndem Schnittrhythmus oder Problemen manuell eingreift. Dies ist aufwändig und mühsam.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Mikrotom derart zu überwachen, dass der Höhenschlag und Schwingungen anderer Bauteile schnell minimiert werden, um Schäden an der Probe und/oder am Mikrotom zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der vorgenannten Art dadurch gelöst, dass die Schwingung der Schneide mittels wenigstens eines akustischen Sensors berührungsfrei detektiert wird, der ein Frequenzspektrum erfasst, das mittels einer Signalverarbeitungseinrichtung und/oder einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgewertet wird, wobei in Abhängigkeit von der Auswertung ein Alarmsignal an eine Alarmeinrichtung und/oder ein Korrektursignal an eine Steuerungseinrichtung abgegeben wird, die einen Betriebszustand der Schneideeinrichtung verändert.
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Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Überwachung eines Mikrotoms gelöst, wobei der Schneideeinrichtung wenigstens ein akustischer Sensor zugeordnet ist, mit dem die Schwingung der Schneide berührungsfrei detektierbar ist, wobei mittels des akustischen Sensors ein Frequenzspektrum erfassbar ist, das mittels einer Signalverarbeitungseinrichtung und/oder einer Datenverarbeitungseinrichtung auswertbar ist, wobei in Abhängigkeit von der Auswertung ein Alarmsignal an eine Alarmeinrichtung und/oder ein Korrektursignal an eine Steuerungseinrichtung abgebbar ist, wodurch ein Betriebszustand der Schneideeinrichtung veränderbar ist.
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Der akustische Sensor ist in einem bestimmten Abstand von der Klinge und vorzugsweise in dem Mikrotom angeordnet, wobei die Erfindung bevorzugt vorsieht, dass der akustische Sensor ein Mikrofon und/oder ein anderer piezoelektrischer Sensor ist. Letzterer kann z. B. ein Klopfsensor sein, wie er im Automobilbereich zur Überwachung von Motoren verwendet wird. Als Mikrofone sind Richtmikrofone verwendbar, wobei unterschiedliche Wandlertypen, z. B. Bändchen- oder Kondensatormikrofone, verwendbar sind. Für eine umfassende Überwachung ist es möglich, mehrere akustische Sensoren in dem Mikrotom anzuordnen.
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Zur Überwachung des Mikrotoms ist bevorzugt vorgesehen, dass der akustische Sensor Frequenzspektren erfasst, wobei der akustische Sensor kontinuierlich und/oder in einstellbaren Zeitintervallen misst. Es ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass der akustische Sensor zur Erfassung und Auswertung von Daten mit einer Signalverarbeitungseinrichtung, einer Datenverarbeitungseinrichtung, einer Steuerungseinrichtung und/oder einer Alarmeinrichtung verbunden ist. Hierbei können diese mittels eines Bedienpanels, das in das Mikrotom integriert ist, oder über einen externen Computer bedienbar sein. Die Komponenten sind durch Kabelverbindungen und/oder Funkverbindung miteinander verbindbar.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die vorgenannten Frequenzspektren von der Signalverarbeitungseinrichtung erfasst und zur weiteren Auswertung in der Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert werden.
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Besonders bevorzugt sieht ein erfindungsgemäßes Überwachungsverfahren vor, dass vor Beginn eines Schneidevorgang ein Eichfrequenzspektrum erfasst wird und in der Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert wird, wobei ein Eichfrequenzspektrum z. B. durch Messung der im Labor üblichen Hintergrundgeräusche (andere Geräte, leise Gespräche, etc.) erzeugt werden kann. Die Eichmessung kann ohne Probe oder mit einer Eichprobe (unproblematisches Schnittmaterial) erfolgen. Ein Eichspektrum kann zur Definition eines Untergrundes dienen, der zur weiteren Auswertung der gemessenen Frequenzspektren abgezogen werden kann.
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Weiterhin kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass ein Sollfrequenzspektrum in der Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert ist. Dieses kann vor einer Inbetriebnahme des Mikrotoms aus einer Eichmessung sowie vorbekannten Frequenzspektren erstellt sein, die insbesondere Frequenzcharakteristiken unterschiedlicher Probenarten berücksichtigen, wie z. B. Knochen oder Weichgewebe.
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Ein Sollfrequenzspektrum soll vor allem als zu erreichendes Optimum dienen, um die Minimierung von Abweichungen während des Schnittvorgangs zu erreichen. Es kann auch dazu dienen, bestimmte Frequenzcharakteristiken, insbesondere unterschiedliche Probentypen und/oder immer wieder auftretende Umgebungsgeräusche mit zu berücksichtigen. Die Überwachung wird somit nicht bei jedem Geräusch, das in der Umgebung des Mikrotoms entsteht, sofort eine Maßnahme einleiten. Insbesondere Laufgeräusche von Personen im Labor, Straßenlärm oder andere plötzlich auftretenden Geräusche, wie das Zuschlagen einer Tür, können im Eich- und/oder Sollfrequenzspektrum berücksichtigt werden. Neben Geräuschen von außen können erfindungsgemäß auch bestimmte vom Mikrotom erzeugte Geräusche, wie z. B. das Schaben der Klinge auf dem Probenträger, berücksichtigt und bei ihrem Auftreten sofort erkannt werden. All diese Geräusche weisen eine für sie charakteristische Frequenz bzw. bestimmtes Frequenzspektrum auf, welches bei einem Vergleich zu einem aktuell erfassten Frequenzspektrum hinzugezogen werden kann. Erfindungsgemäß können damit schädliche von unschädlichen Frequenzen unterschieden und vermieden werden.
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Die Erfindung kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorsehen, dass ein akustischer Sensor ein Frequenzspektrum erfasst, welches von der Signalverarbeitungseinrichtung zur weiteren Auswertung an die Datenverarbeitungseinrichtung gesendet wird, und dass ein vom akustischen Sensor aktuell erfasstes Frequenzspektrum in der Datenverarbeitungseinrichtung mit dem Eichfrequenzspektrum und/oder dem Sollfrequenzspektrum verglichen wird.
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Weiterhin kann bevorzugt vorgesehen sein, dass ein vom akustischen Sensor aktuell erfasstes Frequenzspektrum in der Datenverarbeitungseinrichtung mit einem zeitlich vorangegangenen, erfassten Frequenzspektrum verglichen wird. Möglich sind hierbei aufeinanderfolgende Frequenzspektren oder Frequenzspektren aus unterschiedlichen Zeitbereichen, z. B. zu Beginn und während eines Schnitts, miteinander zu vergleichen.
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Auch kann die Erfindung vorsehen, dass der akustische Sensor Frequenzspektren in zeitlich vorbestimmten Intervallen erfasst, wobei jeweils die einander zeitlich nachfolgenden Frequenzspektren miteinander verglichen werden.
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Den vorgenannten Ausführungsformen gemeinsam kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass von der Datenverarbeitungseinrichtung im Falle einer oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegenden Abweichung des aktuell erfassten Frequenzspektrums von den zu vergleichenden Frequenzspektren diese Abweichung bestimmt wird und eine vorzunehmende Korrektur der Werte ”Frequenz” und/oder ”Amplitude” berechnet wird, daraufhin ein Korrektursignal mit zu ändernden Werten an die Steuereinrichtung gesendet wird, wobei die Steuereinrichtung die Schwingung der Schneide in der Schwingungserzeugungseinheit schrittweise verändert, dass die Abweichung miniert wird. Hierzu verändert die Steuereinrichtung die Frequenz und/oder die Amplitude der Schwingung der Schneide.
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Es kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass von der Datenverarbeitungseinrichtung bei einer oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegenden Abweichung des aktuell erfassten Frequenzspektrum zu den verglichenen Frequenzspektren von der Datenverarbeitungseinrichtung ein Stoppsignal an die Steuerungseinrichtung gegeben wird, wonach die Steuerungseinrichtung die Schneideeinrichtung stoppt und/oder das Mikrotom abschaltet. Auch kann vorgesehen sein, dass bei einer Abweichung des aktuell erfassten Frequenzspektrums zu den verglichenen Frequenzspektren von der Datenverarbeitungseinrichtung ein Signal an die Alarmeinrichtung abgegeben wird, die daraufhin ein akustisches und/oder optisches Warnsignal ausgibt. Ein Bediener kann hierbei mittels des Bedienpanels den Schneidevorgang manuell verändern oder stoppen.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass nur bestimmte Frequenzbereiche des erfassten Frequenzspektrums betrachtet werden. So können insbesondere niedrige Frequenzbereiche ausgeblendet werden, um nicht bei jedem zusätzlichen Geräusch um das Mikrotom herum ein Stopp des Schneidevorgangs oder eine nicht benötigte Korrektor vorzunehmen. Hierzu kann auch ein akustischer Sensor nach entsprechender Empfindlichkeit ausgewählt werden.
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Die Erfindung hat die besonderen Vorteile, dass die Überwachung eines Mikrotoms nicht mehr rein manuell erfolgen, sondern automatisch ablaufen kann. Bei Störungen muss ein Bediener nicht mehr direkt eingreifen, die Abweichungen werden von der Steuerungseinrichtung minimiert oder bei überhöhten Abweichungen, wie dem Erreichen einer Resonanzfrequenz der Probe, des Probenhalters oder weiterer Bauteile, die Mikrotom-Schneideeinrichtung ausgeschaltet. Dabei soll stets das Augenmerk darauf gelegt werden, beginnende Veränderungen in der Schwingungscharakteristik frühzeitig zu erkennen und das Erreichen von Resonanzfrequenzen zu verhindern. Die empfindlichen Proben können so effektiv vor Beschädigungen und Fehlschnitten geschützt werden, was die Zuverlässigkeit des Mikrotoms sowie die Schnittqualität der erzeugten Proben verbessert.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:
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1 ein Mikrotom mit einer erfindungsgemäßen Überwachungseinheit;
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2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines alternativen erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 ist ein Mikrotom 1 in einer perspektivischen Vorderansicht dargestellt. Das Mikrotom 1 weist eine Schneideeinrichtung 2 mit einer Schneide 3 in einer Schneidenhalterung 4 auf. Mittels der Schneideeinrichtung 2 kann eine nicht dargestellte Probe geschnitten werden, die mit einer ebenfalls nicht dargestellten Probenhalterung in einer Pufferwanne 5 sitzt. Dem Mikrotom 1 zugeordnet ist eine Datenverarbeitungseinrichtung 11 sowie eine Steuerungseinrichtung 12. Die Datenverarbeitungseinrichtung 11 und die Steuerungseinrichtung 12 können sowohl in dargestellter Weise in einem externen Gehäuse oder auch innerhalb des Mikrotoms 1 angeordnet sein.
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Im Inneren des Mikrotoms 1 ist weiterhin eine Schwingungserzeugungseinheit angeordnet, mit der die Schneideeinrichtung 2 und damit die Schneide 3 in Schwingung versetzt werden kann. Mittels eines Bedienpanels 6 ist die Steuerungseinrichtung 12 und damit das Mikrotom 1 bedienbar, wobei die Frequenz der Schneide 3 zwischen 30 Hz und 100 Hz und die Amplitude zwischen 0,1 mm und 1,2 mm vorzugsweise in 0,1 mm – Schritten einstellbar sind.
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Dem Mikrotom 1 zugeordnet ist eine Überwachungseinheit 7, die einen akustischen Sensor 8 sowie eine Signalverarbeitungseinrichtung 9 aufweist. Der akustische Sensor 8 kann hierbei ein Mikrofon oder ein piezoelektrischer Sensor sein. Der akustische Sensor 8 ist mit der Signalverarbeitungseinrichtung 9 mittels eines Kabels 10 verbunden und in einem bestimmten Abstand zur Schneide 3 angeordnet. Der akustische Sensor 8 ist mit seiner Sensorfläche der Probe zugewandt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst der Probenträger mit einer Gewebeprobe auf dem Probenteller 5 montiert, die Schneide 3 in Schwingung versetzt und auf eine bestimmte Höhe bzw. Dicke der Probe eingestellt. Der akustische Sensor 8 erfasst ein erstes Frequenzspektrum, wobei die gemessenen Signale mittels der Signalverarbeitungseinheit 9 der Datenverarbeitungseinrichtung 11 zugeführt werden und dort ausgewertet werden. In Abhängigkeit der Auswertung wird der Steuerungseinrichtung 12 ein Korrektursignal gesendet, wonach die Steuerungseinrichtung gegebenenfalls eine Korrektur vornimmt. Der Ablauf dieses Überwachungsverfahrens wird mittels eines Ablaufdiagramms anhand 2 näher erläutert.
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In Schritt A wird mittels des akustischen Sensors 8 zu Beginn der Inbetriebnahme des Mikrotoms 1 ein Leer- oder Eichfrequenzspektrum erfasst, mit welchem bspw. die derzeitigen, gleichmäßigen Umgebungsgeräusche mit aufgenommen werden. Dies kann mit dem Probenträger und eventuell einer Eichprobe vorgenommen werden, wobei über einen bestimmten Zeitraum mehrere Frequenzspektren erfasst werden und gemittelt werden können. Dieses Eichspektrum wird in der Datenverarbeitungseinrichtung 11 gespeichert. Zusätzlich zu einem Eichspektrum kann eventuell auf dessen Basis ein Sollfrequenzspektrum eingegeben werden, welches neben den optimalen Werten auch mögliche äußere Grundstörungen oder unterschiedliche Arten an Gewebeproben berücksichtigt.
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Im nächsten Schritt B erfasst der akustische Sensor 8 zum aktuellen Zeitpunkt ein Frequenzspektrum, das von der Signalverarbeitungseinrichtung 9 zur Datenverarbeitungseinrichtung 11 gesendet wird.
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In Schritt C wird das aktuell erfasste Frequenzspektrum in der Datenverarbeitungseinrichtung mit dem im Schritt A gespeicherten Eich- bzw. Sollfrequenzspektrum verglichen.
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Der Vergleich der Spektren untereinander dient dazu, kritische Frequenzbereiche zu erkennen und deren Erreichen zu minimieren. Das jeweilige Vergleichsspektrum wird als zu erreichendes Spektrum angesehen, wobei ein gespeichertes Sollfrequenzspektrum als Optimum gelten soll. So kann bei einer kleinen Abweichung der Spektren zueinander eine geringfügige Anpassung der Werte nötig sein, bei einer hohen Abweichung, die auf das Erreichen einer Resonanzfrequenz hinweist, eine stärkere Anpassung bzw. ein vollständiger Stopp der Schneideeinrichtung veranlasst werden. Durch Vergleich mit dem Sollfrequenzspektrum kann auch der Bereich identifiziert werden, der von der Resonanz betroffen ist bzw. welches Bauteil betroffen ist, ob die Schneide anstatt über die Probe über den Probenträger schabt oder ob ein Bauteil beschädigt wurde.
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Anstatt eines Eich- oder Sollfrequenzspektrums kann auch ein Vergleich mit einem zeitlich vorangegangenen Spektrum erfolgen. Hierzu wird das entweder direkt zuvor oder vor einem bestimmten Zeitintervall gemessene Frequenzspektrum zum Vergleich mit dem aktuell erfassten Frequenzspektrum herangezogen und der Grad einer möglichen Abweichung bestimmt.
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Wird keine Abweichung oder eine in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegende Abweichung der zu vergleichenden Frequenzspektren berechnet (Schritt D), wird zurück zu Schritt B gesprungen und das nächste Frequenzspektrum mittels des akustischen Sensors 8 erfasst. Wird allerdings eine Abweichung detektiert (Zweig ”ja” von Schritt D), die außerhalb des Toleranzbereichs liegt, wird eine Korrektur für die Frequenz bzw. die Amplitude der Schneidenschwingung berechnet.
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Die Berechnung der neu einzustellenden Werte Frequenz und Amplitude erfolgt in der Datenverarbeitungseinrichtung 11 in Schritt E. Schritt F beinhaltet die Übersendung des Korrektursignals an die Steuerungseinrichtung 12, wonach in Schritt G die Steuerungseinrichtung 12 die einzustellende Frequenz bzw. die einzustellende Amplitude an die Schneideeinrichtung 2 weitergibt, die anschließend in Schritt H die Schwingung nach den vorgegebenen Werten an der Schwingungserzeugungseinheit verändert. Die Änderung der Werte kann hierbei von minimalen Anpassungen der Frequenz und der Amplitude bis zum völligen Stopp des laufenden Schneidevorgangs erfolgen.
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Um eine schnelle Minimierung auftretender Abweichungen zu erreichen, sind die Schritte B bis H in zeitlich fortlaufender Reihenfolge durchführbar.
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Alternativ zum gerade beschriebenen Verfahren ist in 3 eine weitere Ausführungsform als Ablaufdiagramm dargestellt. Die Schritte A–E folgen hierbei dem oben beschriebenen Verfahrensablauf. Wenn eine Abweichung des aktuell erfassten Frequenzspektrums zu den Vergleichspektren festgestellt wird, ist in Schritt F' ein Signal an die Steuerungseinrichtung 12 zu übersenden, die ihrerseits in Schritt G' einer Alarmeinrichtung ein Signal schickt, wonach die Alarmeinrichtung ein optisches oder ein akustisches Warnsignal ausgibt (Schritt H'). Der Bediener wird gewarnt und kann manuell eingreifen.
