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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Slide
Scanner zur Digitalisierung von Objektträgern mit
- a)
einem Gerät
zur automatischen Zuführung
von Objektträgern
in den Scanner;
- b) einem Transportband zur automatischen Führung der Objektträger durch
das Gerät;
- c) einer maschinellen Sortiervorrichtung zur Ablage fertig gescannter
Objektträger
in ein Archiv;
- d) einem Identifikationssystem zur Detektion einer eindeutigen
Codierung eines Objektträgers;
- e) mindestens einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung
der Präparate
während
des Scanvorgangs;
- f) mindestens einem Scanelement bestehend aus einem Objektiv
und einem CCD-Detektor;
- g) Mitteln zur Übertragung
der digitalen Bildudaten von den Scanelementen in einen zentralen Rechner;
- h) einem Computersystem zur Verwaltung der eingehenden digitalen
Bilddaten, zum Zusammenfügen
der Daten zu einem Gesamtbild und Anbringen von Zusatzinformationen
wie dem Barcode an das Bild und zur Übertragung der fertigen Digitalbilder
an ein Serversystem.
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In der medizinischen und biologischen
Forschung und Routine sowie in vielen weiteren Gebieten der Naturwissenschaften
werden sehr häufig
so genannte Objektträger
(engl. Slides) verwendet, um Gewebeproben, Wasserproben, Kleintiere
oder Pflanzenmaterial als dünne
Schicht unter dem Mikroskop in starker Vergrößerung beobachten zu können. Dabei
werden die Proben zum Teil auf chemischem oder biologischem Weg
gefärbt
oder bearbeitet, um bestimmte Informationen, beispielsweise über die Existenz
oder Menge enthaltener Bestandteile, optisch einfacher erkennen
zu können.
Besonders in der Pathologie spielen Objektträger die entscheidende Rolle.
Sie sind das Medium, auf das Gewebeproben gebracht werden, um sie
weiter zu begutachten. In einem mittelgroßen pathologischen Institut
können so
bis zu 2000 Objektträger
pro Tag entstehen. Diese Objektträger werden traditionell unter
ein Mikroskop gelegt, um sie unter starker Vergrößerung beobachten zu können. Seit
einigen Jahren setzen sich jedoch mehr und mehr elektronische Verfahren
durch. Dabei kommt Bildverarbeitungssoftware zum Einsatz, die auf
verschiedene Weisen die Arbeit des Betrachters vereinfachen oder
unterstützen,
in einigen Fällen
sogar ersetzen kann. Solche Software kann Bilder verändern (beispielsweise
Kontrast-, Farb- und Helligkeitsverbesserung), Objekte detektieren (beispielsweise
durch Klassifikation, Mustererkennung oder Matching), Bildbeschreibungen
unterstützen
(Anmerkungen und Zeichnungen im Bild) und die Bilder in Datenbanken
verwalten. Solche Systeme gehören
mittlerweile zur Standardausstattung von Firmen und Instituten,
die Objektträger
bearbeiten. Grundlage für
die Nutzung solcher Systeme ist jedoch die vollständige Übertragung
eines Objektträgers
in ein digitales Bild – das
Scannen. Dabei stellt sich jedoch ein alles entscheidendes Problem.
Das Bild eines Präparates
muss in stark vergrößerter Form
digitalisiert werden, denn die Bildinformationen, die ein Betrachter
interpretieren will, oder eine Bildbearbeitungssoftware verarbeiten
soll, eröffnen
sich erst bei einer Vergrößerung von
100 bis 600-fach, gemessen am Auflösungsvermögen des menschlichen Auges
(etwa 0,2 mm). Eine direkte Digitalisierung, wie etwa vom Flachbettscanner
bekannt, ist nicht möglich,
da die CCD-Chips, also die Detektoren, keine Pixeldichte besitzen,
die eine so hochauflösende Digitalisierung
erlaubt, dass das resultierende Bild unter Einhaltung einer angemessenen
Qualität
noch mehr als 65-fach vergrößert werden
könnte.
Solche Detektoren sind zudem technisch nicht realisierbar, und werden
auch in den nächsten
Jahren nicht möglich
sein, da zum einen der gewünschte
Pixelabstand bereits zu nahe an die Wellenlänge des sichtbaren Lichts rückt, und
zum anderen eine kontinuierlich scharfe Abbildung der in diesem
Größenbereich
viel zu unebenen Präparate
und Glasabdeckplättchen unmöglich bzw.
technisch zu aufwendig ist. Das bedeutet, dass die Objekte beim
Scannen optisch vergrößert werden
müssen.
Dies hat wiederum zur Folge, dass die gescannte Fläche (gemessen
an der Fläche „in der
Natur", also am realen Objekt) eines Aufnahmevorgangs mit Zunahme
der Vergrößerungsstufe
mit dem Quadrat der Vergrößerung abnimmt.
Beispielsweise würde
ein Detektor, der bei der Vergrößerung 1:1
das gesamte Objekt in einem Bild digitalisieren kann, bei der Vergrößerung 2:1
4 Bilder benötigen,
bei 10:1 100, bei 100:1 10.000, und bei 400:1 16.000 Bilder. Zwischen
dem Objekt und dem Detektor muss also eine Vergrößerungsoptik liegen. Geräte wie herkömmliche
Flachbettscanner scheiden damit beispielsweise aus. Die bisherige technische
Lösung
ist eine simple Digitalkamera, die über einen so genannten Cmount-Adapter
an ein Mikroskop angeschraubt werden kann. Diese Technik hat die
Vorteile, dass sie sehr preiswert ist, da die Digitalkamera lediglich
als Zusatzgerät
für das
ohnehin vorhandene Mikroskop angeschafft werden kann, und die vorhandene
Mikroskopoptik genutzt wird, um Bilder eines Objektträgers in
verschiedenen bestimmten Vergrößerungsstufen
aufzunehmen. Das System hat jedoch den großen Nachteil, dass immer nur
einzelne Teilbilder aufgenommen werden können.
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Eine Weiterentwicklung dieser Technik
sind steuerbare Mikroskope, die einen so genannten „Scanningtisch"
besitzen. Diese ermöglichen
das Verschieben des Objektträgers
unter dem Objektiv in der Ebene. Die Ansteuerung geschieht dabei
automatisch über
eine Software oder manuell über
den Rechner. Dies ermöglicht
die systematische Aufnahme von mehreren Teilbildern. Eine sinnvolle
Anwendung mit diesem System ist beispielsweise das Scannen eines
ganzen Objektträgers
in der Vergrößerung 16:1,
oder das Digitalisieren eines Teilbereiches von beispielsweise 20 × 20 Bildern
in der Vergrößerungsstufe
400:1. Höhere
Vergrößerungen
bzw. größere Bereiche
sind dagegen kaum sinnvoll, da der Scanvorgang aufgrund der großen Anzahl
von Teilbildern und der damit zusammenhängenden Anzahl an Verschiebe-
Fokussier- und Aufnahmevorgängen
eine inakzeptable Zeitspanne in Anspruch nähme. Die Digitalisierung eines
einzigen Präparates
unter 400-facher Vergrößerung nimmt
mit einem solchen System ca. 8 Stunden in Anspruch.
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Neueste Systeme wie zum Beispiel „Chroma Vision
ACIS" sind Komplettsysteme, die eine Objektträgerbatterie, ein mit einer
Digitalkamera ausgestattetes Mikroskop und einen Rechner vereinen.
Diese Systeme erleichtern und vereinfachen zwar die Handhabung,
entsprechen aber vom Leistungsumfang und von der Geschwindigkeit
her in etwa den steuerbaren Mikroskopen.
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Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle bisherigen
Systeme zur Digitalisierung von Objektträgern entweder zu langsam sind,
oder eine zu geringe Auflösung
erreichen. Sie erlauben lediglich ein Scannen von Teilbereichen
eines Präparates, oder
aber die Digitalisierung eines ganzen Objektträgers in geringer Auflösung. Damit
können
die bisherigen Systeme nur Zusatzgeräte zu einem herkömmlichen
Mikroskop sein, um Teilbilder digital mit Hilfe von Bildverarbeitungssoftware
bearbeiten zu können.
Anders wäre
die Situation, wenn es ein Gerät gäbe, welches
in hoher Geschwindigkeit einen ganzen Objektträger unter höchster Auflösung digitalisieren könnte. Das
würde den
Weg frei machen für
eine vollständig
digitale Bearbeitung und Begutachtung von Objektträgern, und
damit das Lichtmikroskop in diesem Bereich überflüssig machen. Dies wäre aus mehreren
Gründen
von hohem Nutzen für
die Anwender. Zum einen wäre
eine rein digitale Lösung
erheblich billiger als die teuren optischen Mikroskope, da durch
einen Scanner und eine Client-Server basierte Virtuelle Mikroskop
Software wie im Patent „Virtuelles
Mikroskop-Vorrichtung und Verfahren" (Aktenzeichen 102130698 des
DPMA vom 28.03.02) alle Mikroskope eines Betriebes ersetzt werden könnten, und
keine Mikroskope mehr notwendig wären. Zum anderen liefe das
ganze Verfahren schneller ab, und die Nutzung von Bildverarbeitungssoftware
für die
Bilder wäre
sofort und ohne die Verzögerung
des Teilscannens verfügbar.
Zudem ergeben sich erhebliche Verbesserungen in der Funktionalität und der
Verwaltung, wie im Patent „Virtuelles
Mikroskop-Vorrichtung und Verfahren" (Aktenzeichen 102130698 des
DPMA vom 28.03.02) vorgesehen.
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Aufgabe
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Der Stand der Technik in der Digitalisierung von
Objektträgern
und die Fortentwicklung der digitalen Bildbearbeitungs-, Visualisierungs-
und Archivierungssoftware offenbaren eine Lücke im Bereich der Bildakquisition.
Die zukünftigen
rein digitalen Systeme zur Bearbeitung und Begutachtung von Objektträgern benötigen ein
System zur schnellen, vollständigen,
und extrem hochauflösenden
Digitalisierung von Objektträgern.
Die benötigte
Zeit pro Objektträger
sollte im Bereich weniger Sekunden liegen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe
zu Grunde, ein hochautomatisiertes, bedienerfreundliches, kompaktes
und einfaches Gerät
zu entwickeln, welches mehrere hundert oder tausend Objektträger nacheinander
in extrem hoher Geschwindigkeit unter 400-facher Vergrößerung vollständig digitalisiert,
als eindeutig gekennzeichnete Bilder in einer Datenbank ablegt,
und die Archivierung der gescannten Objektträger unterstützt.
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Lösung der
Aufgabe
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Zur Lösung der genannten Aufgabe
umfasst die Erfindung einen Slide Scanner als Gerät zur Digitalisierung
von Objektträgern,
dadurch gekennzeichnet, dass so viele Scanelemente orthogonal zur Transportrichtung
nebeneinander oder quer versetzt angeordnet sind, dass zusammengenommen
die gesamte Breite eines Objektträgers während eines Durchlaufs in Transportrichtung
vollständig
digitalisiert werden kann.
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Das Grundprinzip der Erfindung ist
also ein Slide Scanner, bei dem die Spaltenrichtung des zu erzeugenden
Bildes durch nebeneinander angeordnete Zeilenscanner erzeugt wird,
die zusammengenommen die gesamte Breite des Objektträgers abdecken.
Die Zeilenrichtung wird durch den Vortrieb der Objektträger auf
dem Transportband erzeugt. Durch Anpassung der Transportgeschwindigkeit
an die Zeilenfrequenz der Zeilenscanner kann der Objektträger in konstanter
Geschwindigkeit unter den Zeilenscannern bewegt werden. Damit wird
eine lediglich durch die Zeilenfrequenz der Detektoren und die Leistungsfähigkeit
von Datentransport und -Speicherung beschränkte Geschwindigkeit erreicht.
Die Geschwindigkeit ist somit nicht mehr von mechanischen Komponenten
abhängig,
sondern wird eher von der, inzwischen sehr hoch anzusetzenden, Leistungsfähigkeit
moderner CCD-Detektoren begrenzt.
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Weitere Ausgestaltung
der Erfindung
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Ein entscheidender Vorteil der Erfindung
ist die konstante Bewegung des Transportbandes. Durch exakte Anpassung
der Geschwindigkeit an die Zeilenfrequenz der Scanelemente ist es
möglich, eine
fließende,
konstante Bewegung des Transportbandes zu erlauben. Damit ist keine
technisch aufwendige differentielle Bewegung nötig, wie es beim Scannen mit
einem Scanningtisch unter dem Mikroskop nötig ist. Dabei wird das Präparat um
einen bestimmten Betrag verschoben, eine Aufnahme gemacht, und wieder
weiter verschoben. Dieser Mechanismus ist zum einen zeitaufwendig
und stellt zum anderen hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Bewegung.
Für das
erfindungsgemäße Transportband
ist jedoch lediglich eine konstante Bewegung notwendig. Die Geschwindigkeit
darf dabei eine Abweichung von maximal 2% haben, ohne dass die Bilder
einen sichtbaren Qualitätsverlust
erleiden. Ein solches Transportband ist mit geringerem technischen
Aufwand realisierbar als ein komplexer Scanningtisch. Zudem ist
nur eine Bewegung in eine Richtung nötig, nicht in zwei wie beim
Scanningtisch.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung stellt die Integration eines Identifikationssystems zur
Detektion einer eindeutigen Codierung eines Objektträgers dar.
Für ein
solches System kommt vorzugsweise ein Barcodeleser in Frage. Aber
auch mit einem Mikrochip wäre
die Aufgabe lösbar.
Eine automatische Identifizierung ist von hoher Wichtigkeit, denn
ohne diese wäre
ein automatisches Scannen von mehreren Objektträgern direkt hintereinander
nicht möglich.
Da aber erfindungsgemäß jeder
Slide vor dem Scanvorgang unter einem Identifikationssystem hindurchgeführt wird,
kann das resultierende Digitalbild eines Slides gleich mit der entsprechenden
Identifizierungsnummer in der Datenbank abgelegt werden. Da mit
diesem Verfahren weitere Umbenennungen oder Zwischenspeicherungen vermieden
werden können,
verringert dies die Gefahr einer Verwechslung. Zudem kann insgesamt
der Automatisierungsgrad des Workflows erhöht werden, denn in vielen Bereichen,
in denen Objektträger
eingesetzt werden, so zum Beispiel in der Pathologie, kommen bereits
Codierungen wie zum Beispiel Barcodes auf den den Objektträgern beigefügten Laufzetteln
mit zusätzlichen
Informationen zu einem Fall zum Einsatz. Für die Identifikation eines
Objektträgers
bedarf es in einem solchen Fall lediglich der Herstellung eines
weiteren Barcodes als Aufkleber, der dann auf den Objektträger aufgebracht
wird. Somit ist die Identifikation mit maximal geringem Arbeitsaufwand
gewährleistet.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung ist der Einschub für
Objektträger.
Das Gerät
ist dazu konzipiert, und macht nur dann Sinn, wenn eine große Anzahl
von Objektträgern
digitalisiert werden soll. Um dies mit möglichst geringer Interaktion
und Überwachung
durch einen Anwender zu realisieren, bedarf es eines Objektträger-Einschubs.
Für das
Scannen eines Objektträgers
kann mit ca. 25 Sekunden Dauer (im Falle eines vollständig belegten
Objektträgers)
für den
Scanvorgang gerechnet werden. Ohne Einschub müsste also in diesem Zeitintervall
ein neuer Objektträger
eingelegt werden. Um diesen Aufwand zu sparen, soll ein Einschub
Bestandteil des erfindungsgemäßen Geräts sein,
in den mehrere Objektträger
eingelegt werden können.
Durch eine einfache Mechanik kann realisiert werden, dass ein Objektträger unmittelbar
hinter den anderen vom Einschub auf das Transportband fällt, beziehungsweise
mitgeführt
wird. So kann ohne weitere Interaktion eine große Menge an Objektträgern automatisch
digitalisiert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung ist ein Mechanismus zur automatischen Detektion der
Lage eines Objektträgers
auf dem Transportband. Hier soll die Möglichkeit einbezogen werden,
dass ein Objektträger
durch einen Anwender versehentlich in falscher Lage in den Objektträgereinschub
eingelegt wurde. Für
eine falsche Lage gibt es theoretisch drei Möglichkeiten: Zum einen Quer statt
Längs.
Diese Möglichkeit
wird einfach durch die Form des Einschubs ausgeschlossen, die es
nicht erlauben wird, einen Objektträger versehentlich quer zur
Transportrichtung anstatt längs
einzulegen. Eine weitere Möglichkeit
des fehlerhaften Einsetzens ist mit dem Präparatbereich voran statt mit
dem Barcode voran. In diesem Fall stünde der Barcode, oder eine anders
geartete Codierung, auf dem Kopf. Ein Barcodeleser ließe sich
so einstellen, dass der Code in diesem Fall nicht gelesen werden
kann. Damit könnte dafür gesorgt
werden, dass dieses Präparat
als nicht identifizierbar erkannt wird, und aussortiert wird. Die dritte
Möglichkeit
der fehlerhaften Lage eines Präparats
ist, wenn der Objektträger
mit dem Präparatbereich
nach unten zeigt, statt nach oben. In diesem Fall zeigt auch der
Barcode, bzw. die Codierung, nach unten, und ist für den Barcodeleser
bzw. das Identifikationssystem ebenfalls nicht zu erkennen. Damit
würde auch
dieser Objektträger
als nicht identifizierbar aussortiert. Damit ist gewährleistet,
dass Objektträger,
die falsch liegen und damit zu einem fehlerhaften Ergebnis führen würden, zum
einen aussortiert werden, und zum anderen auch sicher erkannt werden.
Auf diese Weise ist gleichzeitig gewährleistet, dass auch kein Objektträger einfach „übersehen"
wird, und trotz fehlerhafter oder fehlender Digitalisierung in die
Archivierung gelangt. Das Aussortieren der Objektträger soll
durch einen simplen mechanischen Hebel realisiert werden, der zwischen
Scanbereich und Archivierungsmodul liegt, und die auszusortierenden
Objektträger
in einen Behälter
schiebt. Von dort können
die Objektträger durch
einen Anwender auf Fehler untersucht und in der richtigen Lage erneut
eingelegt werden.
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Nach einer besonderen Ausgestaltung
der Erfindung enthält
das System mechanische Komponenten, die eine Fehlstellung eines
Objektträgers nach
Erkennung korrigieren, bevor es in den Scanbereich gelangt. Die
Korrektur bedeutet in diesem Fall schlicht das mechanische Drehen
des Objektträgers um
die Achse und den Betrag der Fehlstellung. Auf diese Weise kann
die Rate an auszusortierenden Slides erheblich gesenkt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung bildet das Archivierungs-Modul. Die fertig digitalisierten
Objektträger
werden durch das Transportband in eine Kassette geführt, und übereinander gestapelt.
Das Übereinanderstapeln
wird durch die Bewegung der an einer beweglichen Schiene aufgehängten Kassette
nach unten gewährleistet.
Die Bewegung wird vom Rechner gesteuert. Dieser kann die zeitliche
Ankunft eines Objektträgers
anhand der von den Scanelementen detektierten Trennbalken, der Transportgeschwindigkeit,
und der Entfernung zwischen den Scanelementen und dem Archivierungsmodul
berechnen. Eine Kassette soll mehrere Objektträger fassen. Wenn sie voll ist,
soll sie automatisch abgelegt werden, und eine weitere Kassette in
das Archivierungsmodul eingelegt werden. Die abgelegten Kassetten
können
von einem Anwender in ein Archiv gestellt werden. Zur Identifikation
wird auf die Kassetten eine Codierung, vorzugsweise ein Barcode,
und ein lesbarer Zahlencode aufgebracht. Zudem wird in der Datenbank
des Rechners gespeichert, welche Objektträger in welcher Kassette lagern.
Damit ist es später
möglich,
einen Objektträger anhand
Kassetten- und Slide-Codierung im Archiv wieder aufzufinden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung stellen
die Beleuchtungseinheiten unter den Scanelementen dar. Für das Scannen
einzelner Zeilen eines Objektträgers
ist eine punktgenaue Beleuchtung des aufzunehmenden Objektbereiches
wichtig. Dazu werden unter dem Präparat Beleuchtungseinheiten jeweils
genau in einer gedachten Linie mit den Scanelementen installiert.
Die Beleuchtung erfolgt dabei mittels einer Lampe und eines Kondensors,
der das Licht der Lampe auf den Bereich, der von einem Zeilenscanner
abgedeckt wird, konzentriert wird. Wegen der Beleuchtung von unten
werden im Bereich der Scanelemente Transportschienen benutzt, die
einen Objektträger
von beiden Seiten mit maximal 0,25 mm Breite einfassen. Auf diese
Weise ist der Präparatbereich
nach oben und unten offen. Das gewährleistet die freie Sicht für die Scanner
von oben, und Platz für die
Beleuchtungseinheiten von unten. Zwischen den Transportschienen
und dem Präparat
befindet sich ein Transportband, das für den Vortrieb der Objektträger sorgt.
Im Gegensatz zu den anderen Transportbändern kommen im Bereich der
Scanelemente schmale Transportbänder
in der maximalen Breite der Transportschienen zum Einsatz, um so
freie Sicht nach oben (für
die Scanelemente) und nach unten (Für die Beleuchtungseinheiten)
zu gewährleisten.
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Nach einer besonderen Ausgestaltung
der Erfindung wird statt zwei Transportbändern und einer Transportschiene
lediglich eine Transportschiene benutzt, mit der die Objektträger durch
das gesamte System geführt
werden. Die Transportschiene ist wie oben beschrieben gestaltet.
Dadurch wird eine Übergabe
von einem Transportsystem auf ein anderes vermieden.
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Eine weitere, besonders vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung stellt die Ausführung des Gerätes als
speziellen Biopsie-Scanner dar. Im Gegensatz zu Resektaten (aus
der Pathologie) oder vergleichbaren Proben, die potenziell auch
die gesamte Größe des Präparatbereichs
ausfüllen
können,
sind Biopsiepräparate
in der Pathologie Präparate
mit einer maximalen Breite von 5 mm. Für diesen Sonderfall soll entsprechend
einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung die zulässige Breite
des Präparates
auf 5 mm beschränkt
werden. Dadurch werden erheblich weniger (Nach den heutigen Zeilenscannern
etwa 1 bis 2, siehe 8)
Scanelemente benötigt.
Das macht den Scanner erheblich billiger.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung
ist der Rechner, der in dem Gerät
integriert ist. Der Rechner übernimmt
mehrere Aufgaben. Dies ist zum einen die Steuerung der Komponenten
des Gerätes. Zu
Steuern sind insbesondere der Aussortierungs-Mechanismus und das
Archivierungsmodul. Zur Steuerung des Aussortierungs-Mechanismus wertet
der Rechner ständig
die eingehenden Daten des Identifikationssystems aus. Dabei wird
die Zeit zwischen der Einlesung zweier Codes mit einbezogen. Weicht
diese Zeit um einen Betrag oberhalb eines Schwellenwertes ab, so
wird ein nicht identifizierter Objektträger vermutet, und dieser gelangt
durch den Mechanismus zur Aussortierung nicht in das Archiv, sondern
in einen Behälter
zur Kontrolle. Für
das Archivierungsmodul muss insbesondere der Augenblick gesteuert
werden, in dem der Archivbehälter eine
Stufe nach unten verschoben wird, um Platz für den nächsten Objektträger zu machen.
Dieser Augenblick wird anhand des Identifikationssystems (zur Detektion
eines gültigen,
zu archivierenden Objektträgers)
und der Trennbalkendetektion der Scanelemente, der Distanz zwischen
Scanelementen und Archivierung und der Transportgeschwindigkeit
berechnet. Eine weitere Aufgabe des Rechners ist die Erzeugung des
Digitalbildes. Dazu erhält
der Rechner die Daten des Identifikationssystems und der Scanelemente.
Mit dem eingelesen Code des Identifikationssystems, der Transportgeschwindigkeit,
und dem Abstand zu den einzelnen Scanelementen lässt sich jede Scanzeile der
Scanelemente eindeutig einem Objektträger zuordnen. Zur Kontrolle
und zur Erhöhung
der Genauigkeit dienen darüber
hinaus die Trennbalken auf den Objektträgern, anhand derer die Software
des Rechners mit Mitteln der Bildverarbeitung die exakte Position
des Objektträgers
in Transportrichtung ermitteln kann. Auf diese Weise erhält der Rechner
den Code des Objektträgers,
die diesem zugeordneten Bilddaten der Scanelemente, sowie die Zuordnung
der Bilddaten in Bezug auf die Lage auf dem Objektträger. Aus
diesen Daten berechnet die Software des Rechners ein Digitalbild,
welches als Namen oder als Zusatzinformation zu dem Bild den Code
(also eine Indexnummer) erhält.
Das so erzeugte Bild wird inklusive der Indexnummer in einer Datenbank
abgelegt.
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Eine weitere, besonders vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung ist die Möglichkeit der variablen Einstellung
der Fokusebene. Die Präparate
auf den Objektträgern
können
unterschiedliche Schichtdicken haben, je nach Anwendung und Präparattyp. Bei
dickeren Präparaten
ist es mit einem Mikroskop möglich,
unterschiedliche Ebenen eines Präparates zu
fokussieren, und so möglicherweise
verschiedene Details eines Präparates
darzustellen. Der Slide Scanner ist auf eine Fokusebene im Bereich
von etwa 1 μm
oberhalb des Objektträgerglases
voreingestellt. Um jedoch auch andere Fokusebenen bei dickeren Präparaten
zu ermöglichen,
ist diese Einstellung veränderbar.
Dabei hat der Anwender insbesondere zwei Möglichkeiten. Zum einen kann
er die Fokusebene der Scanelemente generell verändern. Hat ein Anwender beispielsweise
hauptsächlich
Präparate
mit einer Dicke von 6 μm,
und will die obere Schicht fokussieren, so würde er eine Fokusebene von
5 μm oberhalb
des Objektträgerglases
fest einstellen. Eine weitere Möglichkeit
wäre, die
Fokusebene für
ein einzelnes Präparat
manuell einzustellen. Dazu kann der Anwender mit Hilfe eines Kontrollmonitors
die optimale Fokusebene visuell suchen, und für ein einzelnes Präparat einstellen.
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Einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung zufolge können
die resultierendert Bilddaten auch im DICOM-Format (Digital Imaging
and Communications in Medicine) abgelegt werden. Dazu erfolgt im Computersystem
eine Generierung des DICOM-Formats für die Bilddaten. Dieses Format
vereint die Bilddaten mit medizinisch relevanten Metadaten, und gilt
in vielen Bereichen des digitalen Bildaustausches innerhalb der
Medizin als Standard. Dies ermöglicht eine
hohe Kompatibilität
mit anderen Archivierungs- und Bildaustauschsystemen (PACS – Picture
Archiving and Communications System) innerhalb der Medizin.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
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Erläuterung
der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 die
Aufsicht einses Objektträgers
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2 die
Aufsicht eines Objektträgers
für den
Spezialfall Biopsie
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3 eine
schematische Seitenansicht
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4 eine
schematische Aufsicht
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5 die
Anordnung der Scanelemente
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6 die
Seitenansicht eines Scanelements
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7 den
Fokusbereich
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8 den
Vergleich einiger Zeilenscanner
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9 Mögliche Fehlstellungen
von Detektor und Beleuchtung
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10 Fehlstellungen
und Kalibrierung 1
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11 Fehlstellungen
und Kalibrierung 2
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1 zeigt
einen Objektträger
von oben. Die Maße
des Objektträgers
(76 × 26
mm2, ISO 8073/I) und des Abdeckplättchens
(46 × 24
mm2, DIN 58884) sind Standardmaße. Das
Präparat
kann maximal die Größe des Abdeckplättchens
annehmen, also 46 × 24
mm2. In der Regel ist es etwas kleiner.
Das Präparat
kann als dünne
Gewebeschicht (oder anderes Material) mit einer Dicke von üblicherweise
2 bis 4 μm
verstanden werden, welches zwischen dem Objektträger und dem Abdeckplättchen mit
einer Flüssigkeit
fixiert wird. Ein Ende des Objektträgers besteht aus einem 20 mm
breiten Streifen, an dem das Glas des Objektträgers aufgeraut ist, um per
Hand Kennziffern darauf zu notieren. Dieser Bereich soll erfindungsgemäß anders
genutzt werden, nämlich zur
Aufprägung
eines Codes, vorzugsweise eines Barcodes (Strichcode). Der Code
soll in digitaler Form die sonst per Hand aufgebrachten Daten enthalten,
also eine Identifizierungsnummer des Slides. Weiterhin soll am äußersten
Rand, neben den Code, ein schwarzer Balken aufgetragen werden, der
eine festgelegte Breite von 1 mm hat (Trennbalken). Dieser dient
später
beim Scannen zur Detektion des Präparatbereichs auf dem Objektträger.
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2 zeigt
erneut einen Objektträger
von oben, jedoch für
den speziellen Fall eines Biopsiepräparates. Biopsien sind Gewebeproben
mit einer maximalen Größe von 5 × 5 mm2. Bei Biopsiepräparaten wird nicht wie bei
den meisten anderen Gewebe- oder Materialproben ein einzelner Schnitt
des Präparates
angefertigt, und auf einen Objektträger aufgebracht. Vielmehr ist
hier auch die dritte Dimension, also die Höhenachse, entscheidend, denn
das Ziel einer Biopsie ist die Untersuchung einer Probe auch in
der Tiefe. Zur Umsetzung dieses Ziels in der Ebene werden daher
mehrere (bis zu 10) so genannte Stufen (also einzelne Schnittebenen)
nebeneinander auf einem Objektträger
aufgebracht. Meistens werden mehrere Objektträger mit jeweils mehreren Stufen angefertigt,
um ein Biopsiepräparat
vollständig
in der Ebene abzubilden. Da Biopsiepräparate eine maximale Breite
von 5 mm haben, soll für
diesen Fall eine spezielle Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Slide
Scanners angewandt werden. Die kostenintensivsten Komponenten des
Slide Scanners bilden die Scanelemente. Die Anzahl der Scanelemente
wird bestimmt durch die maximale Breite des zu scannenden Objektes.
Da Biopsiepräparate
nun aber eine Breitenbegrenzung von 5 mm aufweisen, kann ein wesentlich
günstigerer
Scanner konstruiert werden, der mit einem oder höchstens zwei Zeilenscannern auskommt,
um die gesamte Breite eines Biopsiepräparates abzudecken. Da Biopsienpräparate (gemessen
an der Anzahl von Objektträgern)
in einem pathologischen Institut 60 bis 80% der Objektträger ausmachen,
ist die Entwicklung eines preiswerteren Spezialgerätes für Biopsien
sinnvoll.
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3 zeigt
schematisch die Seitenansicht des Slide Scanners. Am linken Rand
der Zeichnung ist der Objektträgereinschub
abgebildet. Dabei handelt es sich um einen Schacht, in den eine
große Menge
von Objektträgern
eingelegt werden kann. Die Slides sollen dabei mit der Längsachse
in Richtung des Transportweges, mit dem Ende des Codes voran und
dem Abdeckplättchen
nach oben zeigend eingelegt werden. Ein irrtümliches Einlegen in Querrichtung
wird durch die Form des Objektträgereinschubs
verhindert. Sollte der Slide irrtümlich mit dem Abdeckplättchen nach
unten eingelegt werden, kann keine fehlerfreie Digitalisierung durchgeführt werden. Der
Fehler kann jedoch beim Codelesen und Scanbereich detektieren durch
die interne Software erkannt werden, und ein Aussortieren des Objektträgers eingeleitet
werden. Ein irrtümliches
Einlegen eines Slides mit dem Präparatbereich
statt mit dem Code voran kann ebenfalls detektiert, und auf gleiche Weise
behandelt werden. Dieser Fehler führt also nicht zu einer fehlerhaften
oder fehlenden Digitalisierung. Die große Menge an Objektträgern im
Einschub soll einen kontinuierlichen Betrieb des Slide Scanners
gewährleisten.
Der Einschub ist daher gleichsam als Vorrat zu verstehen, der vom
Slide Scanner in konstanter Geschwindigkeit abgearbeitet wird. Unter
dem Objektträgereinschub
verläuft
ein Transportband, welches einen Slide nach dem anderen in konstanter
Geschwindigkeit durch die Maschine führt. Dabei liegt ein Slide
immer direkt hinter dem anderen. Eine Leitschiene sorgt dafür, dass
die Slides zu Beginn an eine Seitenbegrenzung geschoben werden,
so dass die Slides in exakt definierter Position durch die Maschine
gefahren werden. In dieser Position werden die Slides unter einem
Identifikationssystem hinweggeführt,
der ständig
nach Codes scannt, und detektierte Codes per Datenkabel an den Rechner überträgt. Anschließend kommen
die Slides unter den Scanbereich. In diesem Bereich ist der weitere Einsatz
des bisherigen Transportbandes unmöglich, da die Slides hier von
unten beleuchtet werden müssen.
Daher werden die Slides, die durch das erste Transportband in eine
exakte Position gebracht wurden, nun in seitliche Transportschienen
eingefasst. Diese Schienen bieten an beiden Seiten nur eine minimale
Auflagefläche
(max. 0,25 mm). Der Halt der Slides wird durch Einhaltung des exakten,
der Breite der Slides entsprechenden, Abstandes zwischen den Transportschienen
gewährleistet.
Daher muss für
die Maschine auch eine Standardbreite für die Objektträger verwendet
werden. Zur zusätzlichen
Fixierung der Slides im Scanbereich besteht an dieser Stelle ein
Unterdruck unter den Slides, so dass diese nach unten hin fest auf
die Transportschienen gepresst werden. Dadurch sind die Slides in
der Höhe
und Lage fixiert, und bewegen sich lediglich durch Vortrieb der
schmalen Transportbänder
in den Transportschienen in konstanter Geschwindigkeit in Richtung
des Transportweges. Der Unterdruck wird durch Abdichtung des Bereiches
unter den Slides im Scanbereich und Anbringung einer Luft Ansauge
Vorrichtung gewährleistet.
Dies unterstützt
gleichzeitig die Kühlung
der Beleuchtungseinheiten, die sich in diesem Bereich befinden.
Im Scanbereich befinden sich nun mehrere Scanelemente über den
Slides, und in gleicher Lage unter den Slides jeweils die Beleuchtungseinheiten.
Die Positionen der Scanelemente veranschaulichen die 4 und 5. Der Abstand in der Höhe zwischen
Scanelementen und Slide sowie zwischen Slide und Beleuchtungseinheit
bleibt, nach einer einmaligen Voreinstellung, konstant. Dadurch können diese
drei Komponenten optimal auf einen Fokusbereich eingestellt werden.
Dies veranschaulichet auch 7.
Die Daten der Scanelemente werden per Datenkabel an den Rechner übertragen. Nach
dem Scanbereich werden die Slides durch die Transportschienen wieder
auf ein zweites Transportband geschoben. Dieses wiederum schiebt
die Slides in das Archivierungsmodul. Das Archivierungsmodul ist
eine Objektträgerkassette,
in die mehrere Slides übereinander
gestapelt werden. Die Kassette ist an einer vertikalen Schiene befestigt, und
kann rechnergesteuert nach unten bewegt werden. Dadurch können die
Slides durch den Vortrieb des Transportbandes bei gleichzeitigem
Verschub der Objektträgerkassette
nach unten übereinander gestapelt
werden. Ist eine Kassette voll, muss sie durch einen Anwender ersetzt
werden, oder durch ein weiteres Maschinenmodul automatisch ausgetauscht
werden. 4 zeigt schematisch
ebenfalls den kompletten Slide Scanner, allerdings in der Ansicht
von oben. Der obere Teil der Figur zeigt die Maschine, der untere
exemplarisch die Position einiger Slides in der Maschine. Besser
als in 3 lässt sich hier
die Lage des Identifikationssystems erkennen, das über dem
Transportband befestigt ist. Auch wird in dieser Figur die Anordnung
der Scanelemente deutlich. Diese Anordnung soll dabei jedoch nur
das Grundprinzip wiedergeben. Die Scanelemente decken jeweils einen
bestimmten Teil der Gesamtbreite des Objektträgers ab. Alle Scanelemente
zusammen decken die gesamte Breite ab (Vergleiche hierzu auch 5). Bei der Anordnung muss
dabei berücksichtigt
werden, dass die Vergrößerungsoptik,
die zwischen dem Objektträger
und dem Detektor liegt, eine größere Fläche einnimmt.
Das verhindert eine direkt angrenzende Anordnung der Scanelemente. Um
dennoch auf geringer Länge
alle Scanelemente unterzubringen, bietet sich eine Anordnung auf
mehreren schräg
zur Transportrichtung verlaufenden, parallelen Geraden an, wie in
der Figur schematisch dargestellt. Da ein Objektträger der
Länge nach
unter den Scanelementen durchfährt,
ist die Position der Scanelemente in Längsrichtung unerheblich. Es muss
lediglich gewährleistet
sein, dass alle gescannten Zeilen der Scanelemente demselben Objekt
zugeordnet werden, und ein gemeinsamer Bezugspunkt in Längsrichtung
existiert. Die Zuordnung zum Objekt kann anhand des Abstandes vom
Scanelement zum Identifikationssystem, der Zeit zwischen Codelesung
und Scanbeginn und der Transportgeschwindigkeit im Rechner eindeutig
berechnet werden. Für
den gemeinsamen Bezugspunkt in Längsrichtung
wird der Trennbalken eingeführt,
der jeweils am Ende eines jeden Objektträgers aufgebracht ist (Vergleiche 1 und 2). Der Trennbalken ist ein schwarzer
Balken mit der Breite 1 mm, der über
die gesamte Breite eines Objektträgers geht. Dieser Balken kann
mit einfachen Mitteln der Bildverarbeitung von der Software, die
die Signale der Scanner verarbeitet, erkannt werden. Zwischen den
Trennbalken und dem Präparatbereich
liegt der Bereich mit dem aufgeprägten Code. Das heißt, es wird
eine feste Distanz gewählt,
nach der die Software die Signale des Scanners nach der Detektion
eines Trennbalkens abspeichern soll. Diese Strecke entspricht nach 1 und 2 17 mm. Danach werden wieder für eine feste Distanz
(Nach 1 und 2 sind dies 46 mm) die Signale
gespeichert. Dann wird das Speichern wieder unterbrochen, bis für den nächsten Objektträger der nächste Trennbalken
detektiert wurde. Auf diese Weise werden tatsächlich nur die Signale gespeichert,
die auch den Präparatbereich
abbilden, und zwar unabhängig
von der Lücke
zwischen zwei Objektträgern.
Die untere Hälfte
von 4 zeigt schematisch
die Präparate
an bestimmten Positionen innerhalb des Slide Scanners.
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5 veranschaulicht
noch einmal, wie mit den Scanelementen ein Objektträger abgedeckt
wird. Die Scanelemente sind Zeilenscanner, und scannen bei jedem
einzelnen Scanvorgang immer genau einen bestimmten Teil der Breite
(also der Spaltenrichtung) eines Objektträgers. Pro Scanvorgang entsteht also
eine Pixelreihe, die auf dem Objektträger einem Teil einer Spalte
entspricht. Jedes Scanelement scannt kontinuierlich, während die
Transportschienen den Objektträger
unter den Scanelementen voran schieben. Dadurch scannt ein Scanelement
benachbarte Spalten eines Objektträgers, immer in der gleichen
Breitenbegrenzung. Zusammengenommen ergeben also alle Spalten eines
Scanelements eine Reihe von vollständigen Zeilen eines Objektträgers. Alle
Zeilen aller Scanelemente decken somit das gesamte Präparat ab.
Aus der Anordnung der Scanelemente wird allerdings deutlich, dass
die Spalten nicht gleichzeitig begonnen und beendet werden. Durch das
Identifikationssystem und den Trennbalken, der aufgrund der Sichtbarkeit
in jeder Breitenbegrenzung von jedem Scanelement erkannt werden
kann, ist jedoch trotzdem eine Zuordnung zum Objektträger möglich. Allerdings
kann das zu erzeugende Digitalbild eines Objektträgers erst
dann vollends zusammengesetzt werden, wenn der (bezogen auf die Transportrichtung)
vorderste Scanner die hinterste Spalte des Präparates aufgezeichnet hat.
Dies wird von der Software des Rechners bewältigt. Weiterhin ist zu bedenken,
dass während
noch die hinteren Bereiche eines Präparates aufgezeichnet werden,
bereits auch Daten der vorderen Bereiche des nächsten Präparates von den hinteren Scannern
ankommen. Diese Daten müssen
von der Software des Rechners richtig zugeordnet werden, was aber
rechnerisch leicht lösbar
ist.
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6 veranschaulicht
ein einzelnes Scanelement. Ein Scanelement besteht aus einem Objektiv (also
einer konvexen Linse), und einer CCD-Detektorzeile. Das Objektiv
bewirkt eine Erhöhung
der Scanauflösung.
Gleichzeitig hat es aber zur Folge, dass der Scanbereich auf dem
Objekt um den Faktor der Vergrößerung kleiner
ist als der CCD-Detektor. Wenn ein CCD-Zeilendetektor beispielsweise
40 mm abdeckt, aber eine 5-fach Vergrößerungsoptik zwischengeschaltet
ist, dann kann mit diesem Scanelement nur ein Bereich von 8 mm auf
dem Präparat
gescannt werden. Dadurch wird auch deutlich, dass ein Scanelement
einen größeren Bereich
einnimmt, als den Bereich, den es auf dem Präparat scannt. Durch dieses
große
Volumen der einzelnen Scanelemente können diese nicht unmittelbar
nebeneinander platziert werden. Daher die komplizierte Anordnung
der Scanelemente wie in 4 oder 5.
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7 zeigt
den Fokusbereich der Präparate. Die
Objektträger
und Abdeckplättchen
(Vergleiche 1 und 2), die im Slide Scanner
verwendet werden, haben ungefähr
festgelegte Maße.
Ein Objektträger
hat eine Dicke von ca. 1000 μm,
ein Abdeckplättchen
von ca. 150 μm.
Ein Schnitt (also ein Präparat)
hat üblicherweise
eine Dicke von 2 bis 4 μm. Da
die Präparate
hintereinander durch den Slide Scanner gefahren werden, und jeweils
eine unterschiedliche Dicke aufweisen können, muss ein Bereich festgelegt
werden, der für
den Scanner scharf abgebildet wird (Fokusbereich). Um für jede mögliche Präparatdicke
immer ein scharfes Bild zu bekommen, wird der Fokusbereich bei ca.
1 μm festgelegt. Das
bedeutet, die scharf abgebildete Ebene liegt 1 μm über dem Objektträger. Ist
ein Präparat
nun wesentlich dicker, so wird eben nicht die mittlere, sondern
eher die untere Ebene scharf abgebildet. Es ist für die Helligkeit
und Bildqualität
aber unerheblich, ob über
der scharfen Ebene nach einige μm
Präparat
liegen. Es soll mit dem erfindungsgemäßen Slide Scanner jedoch auch
möglich
sein, den Fokusbereich selbst voreinzustellen. Dies macht beispielsweise Sinn,
wenn ausschließlich
besonders dicke (beispielsweise 20 μm) Präparate gescannt werden, die vielleicht
sogar noch in einer oberen Ebene scharf abgebildet werden sollen.
In diesem Fall können
die Scanner auf einen anderen Fokusbereich eingestellt werden.
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Zur genaueren Erklärung wird
noch einmal auf das Transportband eingegangen. Hierbei muss zwischen
den Transportbändern
von Objektträgereinschub
bis zum Scanbereich und vom Scanbereich bis zum Archivierungsmodul,
und dem Transportband im Scanbereich unterschieden werden. Für die ersten
beiden Transportbänder
gelten keine hohen Genauigkeitsanforderungen in Bezug auf die Lage der
Präparate
im Raum, denn das Identifikationssystem bedarf keiner hohen Positionierungsgenauigkeit für eine erfolgreiche
Detektion des Codes. Gleiches gilt für das Archivierungsmodul. Anders
jedoch ist dies für
das Transportband im Bereich der Scanelemente. Hier muss eine exakte
Positionierung in Transportrichtung und orthogonal dazu erzielt
werden, denn die Zeilenscanner sollen genau die Spaltenrichtung
des Bildes erzeugen. Die Anordnung der Scanelemente und die Erzeugung
des Bildes im Rechner basieren auf diesem Grundprinzip. Auch die Position
in der Höhe
muss äußerst exakt
sein, denn der Abstand zwischen Präparat und Scanelement ist die
Brennweite und entscheidet damit über die Fokusebene. Die Höhenpositionierung
muss daher im Bereich unter einem μm exakt sein. Eine weitere Anforderung
im Scanbereich ist der gleichzeitige freie Zugang des Präparatbereiches
von oben und unten, denn direkt über
dem Objektträger
befinden sich die Scanelemente und direkt darunter die Beleuchtungseinheiten.
Um alle drei Forderungen zu erfüllen,
werden im Scanbereich statt eines Transportbandes Transportschienen
mit integrierten Bändern
eingesetzt. Diese fassen einen Objektträger von beiden Seiten ein,
mit einer Auflagefläche
von maximal 0,25 mm auf beiden Seiten. Dadurch wird der Präparatbereich
auf dem Objektträger
nicht überdeckt.
Das Präparat
wird mit geringem Druck zwischen den Transportschienen eingespannt,
um eine sichere und feste Lage zu gewährleisten. Zur Gewährleistung
der Lagefestigkeit in Höhenrichtung
soll unter den in die Transportschiene eingespannten Objektträgern mit einer
Saugvorrichtung ein leichter Unterdruck erzeugt werden, der dafür sorgt,
dass die Objektträger mit
leichtem Druck auf die Transportschienen gepresst werden, und so
ihre Höhenlage
exakt beibehalten. Dafür
ist es natürlich
nötig,
dass der Raum unter den Transportschienen im Scanbereich möglichst
gut abgedichtet ist, um so einen Unterdruck mit geringem technischen
Aufwand halten zu können.
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Als Abschätzung der Leistungsfähigkeit
des erfindungsgemäßen Systems
dient folgendes exemplarisches Rechenbeispiel, nachzuvollziehen
anhand 8: Gescannt werden
soll ein Präparat
in der Größe 40 × 24 mm2. Die Auflösung soll so hoch sein, dass
das Bild bei 400-facher Vergrößerung immer noch
mit einem Punktabstand von 0,26 mm auf dem Monitor dargestellt werden
kann. Demnach sollen also (1/0,26) × 400 = 1539 Pixel pro mm gescannt werden.
Zum Vergleich wurde dieser Scan mit einem Mikroskop mit rechnergesteuertem
Scanningtisch durchgeführt.
Dabei wird der Objektträger,
abhängig von
der verwendeten Kamera, in mehreren Teilbildern aufgenommen, die
anschließend
zu einem Bild zusammengesetzt werden. Für die Aufnahme eines jeden
Teilbildes muss der Scanningtisch verschoben werden. Für die geforderte
Auflösung
bei der genannten Präparatgröße wurden
ca. 8500 Teilbilder benötigt.
Der Scanvorgang dauerte ca. 8 Stunden. Für das erfindungsgemäße System
wird exemplarisch die Dauer beim Einsatz folgender Scanner für die gleiche
Präparatgröße und geforderte
Auflösung berechnet.
Als Zeilenscanner nehmen wir beispielsweise den Typ „SUK 45"
der Firma „Schäfter und Kirchhoff
Hamburg". Dieser Zeilenscanner hat einen Pixelabstand von 8 μm. Für die geforderte
Auflösung ist
daher ein Objektiv mit der Vergrößerung 12,3-fach in
jedem Scanelement notwendig. Um mit diesen Scanelementen die gesamte
Breite des Präparats (24
mm) abzudecken, sind 14 Scanelemente notwendig. Die Zeilenfrequenz
des Detektors beträgt 2470
Hertz. Damit würde
der Scan dieses Objektträgers
ca. 25 Sekunden in Anspruch nehmen. Dies wäre 1150-mal schneller als mit
dem Mikroskop mit Scanningtisch. Und eine Einrichtung, die beispielsweise
2000 Objektträger
am Tag zu scannen hat (wie ein mittelgroßes pathologisches Institut),
brauchte 14 Stunden, um alle Objektträger zu scannen. Wenn das Gerät also unterbrechungsfrei
im Einsatz wäre,
würde eines
Ausreichen, um den Tagesbedarf zu decken. 9 verdeutlicht das Verfahren zur Kalibrierung
des Systems. Das erfindungsgemäße Gerät ist ein
aufwendiges System mit mechanischen und optischen Komponenten, die
extrem genau aufeinander abgestimmt sein müssen. Eine starke Erschütterung oder
der Transport des Geräts
können
zu einer Fehlstellung von Komponenten führen, die durch Kalibrierung
kompensiert werden muss. An Fehlstellungen sind insbesondere die
Folgenden denkbar:
- – fehlende Symmetrie einer
Detektorachse orthogonal zur Transportrichtung. Verdrehung in drei Raumwinkeln.
- – Verschub
einer Detektorachse zu den anderen. Verschub in drei Raumrichtungen.
- – fehlende
Symmetrie einer Beleuchtungsachse mit einer Detektorachse. Verdrehung
in drei Raumwinkeln.
- – Verschub
einer Beleuchtungsachse zu den anderen. Verschub in drei Raumrichtungen.
- – Transportgeschwindigkeit
ist nicht an die Zeilenfrequenz der Zeilenscanner angepasst.
- – Die
Zeilenscanner überlappen
oder lassen Lücken.
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9 zeigt
die möglichen
Rotationen und Translationen eines Detektors. In gleicher Weise können Fehlstellungen
bei einer Beleuchtungseinheit entstehen.
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10 und 11 zeigt die Auswirkung von
bestimmten Fehlstellungen auf das gescannte Bild eines Testobjektträgers (Testslide).
Die bezeichneten Winkel und Verschieberichtungen entsprechen den Bezeichnungen
aus 9. Als Testslide
dient ein Glasobjektträger
mit parallelen schwarzen Strichen in Quer- und Längsrichtung. Der Einfachheit
halber wurden hier gleich dicke Striche in gleichem Abstand zueinander
dargestellt. In der Praxis mag eine andere Zusammensetzung aus Quer-
und Längslinien sinnvoller
sein. Die schematisch dargestellten gescannten Bilder bei bestimmten
Fehlstellungen basieren auf einem gedachten Modell aus drei Zeilenscannern,
wobei der mittlere Scanner, bzw. dessen Beleuchtungseinheit, die
Fehlstellung aufweist. Im Folgenden wird jede dargestellte Auswirkung
einer Fehlstellung näher
erläutert: Bei
einem sauber kalibrierten System soll das gescannte Bild des Testslides genau
dem Testslide entsprechen. Liegt eine Verdrehung eines Detektors
um alpha vor, so sind die gescannten Linien in der richtigen Lage,
aber die Horizontalen sind verkürzt
abgebildet und gestreckt. Liegt eine Verdrehung um Beta vor, so
sind die gescannten Linien in Längsrichtung
nach links oder rechts verschoben und horizontal leicht gestreckt.
Bei einer Verdrehung um gamma erscheinen die Linien ebenfalls verdreht,
und zwar wie die Verdrehung des Detektors selbst. Ein Verschub eines
Detektors um x wirkt sich durch einen Verschub der Linien nach links oder
rechts in Längsrichtung
aus. Liegt ein Verschub in y-Richtung vor, so erscheinen die horizontalen
Linien nach unten oder oben verschoben. Ein Verschub in z-Richtung
führt zu
einer unscharfen Abbildung der Linien aufgrund der veränderten
Brennweite.
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Die 11 zeigt
die Auswirkungen auf das gescannte Bild bei Fehlstellungen der Beleuchtungseinheit.
Ist diese um den Winkel alpha gedreht, so erscheint der Bereich
um die Linien dunkler, da weniger Licht durch das Präparat scheint
(in der Figur schematisch dargestellt). Liegt eine Verdrehung um
beta vor, so erscheint der Bereich um die Linien ebenfalls dunkler.
Zudem kann ein Schatteneffekt eintreten. Eine Verdrehung um gamma
kann dazu führen,
dass der obere und untere Teil eines Detektors überhaupt kein Licht mehr empfängt, und
der Bereich daher schwarz erscheint. Ein Verschub der Beleuchtungseinheit
in x-Richtung hat ebenfalls einen schwarzen Bereich im oberen oder
unteren Teil eines Detektors zur Folge. Ein Verschub in y-Richtung
führt dazu, dass überhaupt
kein Licht den Detektor erreicht (ein geringer Verschub verringert
das Licht lediglich). Der gesamte Bereich erscheint schwarz. Bei
einem Verschub in z-Richtung ist eine schwächere Beleuchtung und damit
ein dunklerer Bereich um die Linien zu erwarten.
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Eine weitere fehlerhafte Einstellung
des Systems stellt die Anpassung der Transportgeschwindigkeit an
die Zeilenfrequenz dar. Dies führt
zu einem Schatteneffekt in horizontaler Richtung.
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Schließlich muss eine Überlappung
der Scanzeilen beseitigt werden. Die Anzahl überlappender Pixel kann durch
einfache Mittel der Bildverarbeitung detektiert werden. Liegt eine Überlappung
vor, so kann diese durch Verschub des Scanelements in y-Richtung
beseitigt werden, bzw. durch Berücksichtigung
der Überlappung
beim nachfolgenden Bildausbau im Rechner, bei dem dann die überlappenden
Zeilen einfach ausgelassen werden. Die Auswirkungen der Fehlstellungen
auf das gescannte Bild des Testslides sind für die jeweilige Fehlstellung jeweils
typisch. Es ist daher gut möglich,
den Vorgang der Kalibrierung zu automatisieren. Dazu wird der Testslide
in das System eingelegt, und der Kalibrierungsprozess gestartet.
Der Slide wird dazu einmalig gescannt, und das gescannte Bild mittels
einer Bildverarbeitungssoftware auf die möglichen, durch Fehlstellungen
verursachten, Abweichungen untersucht. Durch Detektion der Art der
Abweichung und der Lage im Bild kann bestimmt werden, welcher Detektor
oder welche Beleuchtungseinheit in welcher Art und um welchen Betrag
falsch eingestellt ist. Die Einstellung wird dann automatisch korrigiert,
und der Testslide wird erneut eingeführt. In einem iterativen Vorgang
wird dieser Prozess wiederholt, bis die Abweichungen hinreichend
minimiert wurden. Da in einem Durchgang aufgrund der verschiedenartigen Auswirkungen
der Fehlstellungen und der geringen Korrelation der Auswirkungen
miteinander alle Fehlstellungen aller Beleuchtungseinheiten in einem Durchgang,
sowie alle Fehlstellungen aller Detektoren sowie die Transportgeschwindigkeit
in einem weiteren Durchgang kalibriert werden können, sollte die gesamte Kalibrierung
inklusive eines Kontrolldurchlaufs mit drei Scanvorgängen zu
bewältigen
sein. In seltenen Fällen
wäre ein
weiterer Iterationsschritt mit weiteren drei Durchläufen nötig.