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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Anschneiden von Präparaten,
insbesondere ein Mikrotom oder ein Ultramikrotom, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Anschneiden von Präparaten
gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 10.
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Beim Betreiben von Schneidvorrichtungen insbesondere
einem Mikrotom oder Ultramikrotom ist es regelmäßig erforderlich, das zu schneidende
Präparat
positionsgenau und rasch exakt zum Messer zu positionieren. Bei
diesem sog. Anstellvorgang muss darauf geachtet werden, dass weder
das Messer noch das Präparat
beschädigt
werden. Entsprechend muss verhindert werden, dass es zu einem unbeabsichtigten
Kontakt zwischen Messer und Präparat kommt.
Seit langem ist es daher beim Anstellvorgang zwischen Messer und
Präparat üblich, die
Annäherung
zwischen dem Präparat
und dem Messer durch ein Stereomikroskop zu beobachten. Diese Beobachtung
führt jedoch
nicht immer zu einer verlässlichen
Einschätzung
des Abstandes zwischen dem Präparat
und der Messerschneide. Daher werden weiterhin seit langem auch
technische Anstellhilfen wie beispielsweise eine Unterflurbeleuchtung
verwendet, mit deren Hilfe es möglich
ist, einen Spalt zwischen dem Messer und dem Präparat auszuleuchten und anhand
der Breite des ausgeleuchteten Spaltes den Abstand zwischen Präparat und
Messer besser beurteilen zu können. Üblicherweise
ist jedoch die Anschnittfläche
des Präparates
vor dem ersten Anschnitt unregelmäßig geformt, so dass auch diese
Maßnahme
nur zum Teil zum Ziel führt.
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Aus der
DE 4111689 ist zur Lösung dieses Problems
bereits bekannt, einen Kraftsensor vorzusehen, der am Präparat oder
Messer montiert ist. Mit Hilfe dieses Kraftsensors wird die Schnittkraft
erfasst, so dass es möglich
ist, festzustellen, wann der erste Schnitt erfolgt. Zur Durchführung des
Verfahrens wird nach einer anfangs erfolgten groben Positionierung des
Messers zum Präparat
der Abstand zwischen Präparat
und Messer mit großer
Vorschub- und Schneidgeschwindigkeit
verkürzt.
Sobald das Präparat
zum ersten Mal das Messer berührt,
spricht der Kraftsensor an. Von diesem Zeitpunkt an wird auf eine
wählbare,
meist langsamere Schnittgeschwindigkeit geschaltet und eine bestimmte,
gewünschte Schnittdicke
eingehalten. Um Präparat
und Messer zu schonen, dürfen
allerdings auch die ersten Schnitte nach dem Anstellen nicht zu
dick sein. Für
manche Diamantmesser gilt als Obergrenze eine Schnittdicke von 0,3μm. Dies bedeutet,
dass vor Beginn des Schneidebetriebes die Justierung von Messer
und Präparat
auf wenige μ-Meter
genau erfolgen muss, ohne dass sich Messer und Präparat berühren. Das in
der
DE 4111689 vorgeschlagene
Verfahren kann dies allerdings nicht gewährleisten. Der erste Kontakt zwischen
Messer und Präparat
erfolgt mit hoher Geschwindigkeit, so dass dadurch Schäden an Messer und
Präparat
entstehen können.
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Um den Anstellvorgang zu verbessern
und das Anstellen zu automatisieren, wobei gleichzeitig unkontrollierte
Berührungen
zwischen Messer und Präparat
vermieden werden sollen, wurde in der
EP 544181 ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Anstellen vorgeschlagen.
Hierzu wird am Messerhalter eine sog. Begrenzungseinrichtung montiert,
die dazu vorgesehen ist, die Annäherung des
Präparathalters
mit dem darin fixierten Präparat automatisch
festzustellen. Gleichzeitig soll die Antriebseinrichtung rechtzeitig abschalten,
so dass eine Beschädigung
der Messerschneide sowie des Präparates
zuverlässig
vermieden wird. Um dies zu gewährleisten,
wird am Messerhalter eine bewegliche Platte mit einem dahinterliegenden
Mikroschalter vorgesehen. Beim Anstellvorgang wird das Präparat gegen
diese Platte so lange bewegt, bis der Schaltpunkt des Mikroschalters
erreicht ist. Nachteilig bei diesem Verfahren ist allerdings, dass
eine Berührung des
Präparates
mit der Platte erforderlich ist. Darüber hinaus weist der Mikroschalter
nicht die nötige
Reproduzierbarkeit im Mikrometerbereich auf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, ein zuverlässiges
Messsystem vorzuschlagen, das eine berührungsfreie und genaue Messung des
Abstandes zwischen Messer und Präparat
erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine
Vorrichtung zum Schneiden von Präparaten
mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 gelöst.
Die verfahrenstechnische Lösung
besteht in einem Verfahren zum Schneiden von Präparaten mit den Merkmalen gemäß Anspruch
10. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand
der nachgeordneten Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird also zwischen dem Messer
und dem Präparat
eine Lichtschranke vorgesehen, die bei einer Annäherung des Messers zum Präparat, d.h.
also bei einer Verkürzung
des Abstandes zwischen Messer und Präparat durchbrochen wird. Dabei
wird die Lichtschranke zwischen dem Messer und dem Präparat so
angeordnet, dass beim Durchbrechen der Lichtschranke auf einen definierten
Abstand zwischen dem Messer und dem Präparat geschlossen werden kann.
Obwohl der Lichtstrahl der Lichtschranke grundsätzlich in einer beliebigen Richtung
in einer Ebene angeordnet werden kann, die senkrecht zu der Verschiebrichtung
der Vorschubeinrichtung liegt, ist es besonders vorteilhaft, wenn der
Lichtstrahl parallel zur Schneide des Messers verläuft. Gleichzeitig
wird die Lichtschranke so angeordnet, dass beim Unterbrechen der
Lichtschranke zwischen dem Messer und dem Präparat noch ein vorbestimmter
Abstand besteht. Bevorzugt wird dieser Abstand so gewählt, dass
beim Durchbrechen der Lichtschranke keine Berührung zwi schen dem Präparat und
dem Messer besteht, sondern das vorzugsweise einige μ-Meter Abstand
zwischen Präparat
und Messer eingehalten werden. Hierzu kann die Lichtschranke beispielsweise
mechanisch mit dem Messer gekoppelt und in einem definierten Abstand und
in einer definierten Richtung zur Messerkante ausgerichtet werden.
Damit ist es möglich,
dass entweder das Messer auf das Präparat hinzubewegt wird, das
Präparat
auf das Messer oder dass sich Präparat
und Messer aufeinander hinzubewegen. Die Lichtschranke kann auch
am Präparat
so angebracht werden, dass sie einen definierten Abstand zum Präparat aufweist.
Auch bei dieser Lösung
ist es möglich,
das Messer auf das Präparat,
das Präparat auf
das Messer oder Präparat
und Messer zueinander gegenseitig aufeinander hin zu bewegen. Schließlich ist
es auch möglich,
die Lichtschranke einstellbar in einer Seitenwand der Schneidevorrichtung
zu installieren, wobei es allerdings günstig ist, dass dann entweder
das Präparat
auf das Messer oder das Messer auf das Präparat zubewegt wird.
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Bei all den oben geschilderten Konstellationen
wird die Lichtschranke durch das Messer oder durch das Präparat durchbrochen.
Aus der Kenntnis der genauen Entfernung zwischen der Messerschneide
und dem Lichtstrahl ergibt sich dann auch der Abstand zwischen dem
Messer und dem Präparat,
der in diesem Falle bekannt und definiert ist. Der Anstellvorgang
ist beendet und es kann der Schneidevorgang eingeleitet werden.
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Der erfindungsgemäße Einsatz der Lichtschranke
ermöglicht
auch einen vollständig
automatisierten Anstellvorgang. Hierzu wird nach einer groben Positionierung
zwischen Messer und Präparat
in einigen Millimetern Abstand die motorische Schneidebewegung aktiviert.
Damit wird der Abstand zwischen Präparat und Messer verringert.
Der Vorschub kann sowohl präparatseitig
als auch messerseitig erfolgen. Der Vorschub bleibt solange aktiv,
bis zum ersten Mal eine Unterbrechung der zuvor positionierten Lichtschranke
(30) erfolgt. Nachdem die Lichtschranke durchbrochen ist,
ist ein definierter Abstand zwischen Messer und Präparat detektiert,
so dass die erste Annäherung
beendet ist. Der Vorschub lässt sich
nun abschalten. Alternativ hierzu kann auch automatisch auf eine
gewünschte
Schnittdicke und/oder Geschwindigkeit umgeschaltet werden. So erfolgt
nach einigen Zyklen ohne Schnitt der Anschnitt des Präparates
in der gewünschten
Schnittdicke.
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Die Lichtschranke kann mit jedem
beliebigen Lichtsender und einem darauf abgestimmten Empfänger verwirklicht
werden. Dabei kann an sich jede beliebige und geeignete elektromagnetische
Strahlung eingesetzt werden. Bevorzugt wird jedoch ein Laserstrahl
eingesetzt, um wegen der erforderlichen Genauigkeit einen möglichst
geringen Strahlquerschnitt zu haben. Auch ein gebündelter
LED-Strahl lässt
sich verwenden.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Abstandsmessung kann der komplette Anstellvorgang automatisiert
werden. Darüber
hinaus wird zuverlässig
verhindert, dass sich Präparat
und Messer zufällig
oder unerwünscht
berühren,
womit eine Beschädigung
des Messers und des Präparates ausgeschlossen
ist.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren
Beschreibungen.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1.
eine Vorrichtung zum Schneiden von Präparaten nach dem Stand der
Technik
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2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Schneiden von Präparaten
mit einer Lichtschranke
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3 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Schneiden von Präparaten
mit einer Lichtschranke
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1 zeigt
eine Schneidevorrichtung 10, mit deren Hilfe ein Präparat 14 mit
einem Messer 16 geschnitten werden soll. Das Präparat 14 ist
dabei in einem Präparathalter 22 eingespannt,
während
das Messer 16 in einem Messerhalter 24 fixiert
ist. Zum Schneiden wird das Präparat 14 an
das Messer 16 herangeführt,
wobei der Messerhalter 24 mit Hilfe des Schlittens 26 auf
einer Schlittenebene 28 bewegt wird. Damit wird eine Relativbewegung
zwischen dem Messer 16 und dem Präparat 14 erzeugt.
Somit kann das Präparat 14 an
das Messer 16 angestellt werden. Um das Präparat 14 und
das Messer 16 zu schonen, dürfen auch die ersten Schnitte
nach dem Anstellvorgang nicht allzu dick sein. Für manche Diamantmesser kann
als Obergrenze der Schnittdicke 0,3μm angenommen werden. Dies bedeutet,
dass vor Beginn des Schneidebetriebes die Justierung des Messers 16 auf
das Präparat 14 bis
auf wenige μ-Meter
erfolgen muss. Dabei dürfen
sich das Messer 16 und das Präparat 14 nicht berühren. Dieser
Justiervorgang wird unter Beobachtung im Stereomikroskop 12 durchgeführt. Der
Abstand zwischen dem Präparat 14 und
dem Messer 16 erscheint durch die Beleuchtung von unten
im Stereomikroskop 12 als heller Lichtspalt. Die Beleuchtung
wird dabei beispielsweise durch eine Lampe 20 verwirklicht,
deren Licht mit Hilfe des Lichtleiters 18 an die gewünschte Stelle geführt wird.
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Bei einem derartigen Ultramikrotom
lässt sich
oft, trotz der Lampe 20 und des Lichtleiters 18 als
Hilfsmittel der Spalt zwischen dem Präparat 14 und dem Messer 16 mit
dem Stereomikroskop 12 nicht exakt einschätzen. Darüber hinaus
ist eine Automatisierung des Anstellvorganges äußerst schwierig.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Schneiden von Präparaten,
wie sie beispielsweise an einem Mikrotom oder Ultramikrotom verwirklicht
sein kann. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gilt es wiederum, das Präparat 14 an
das Messer 16 anzunähern,
wobei durch eine Relativbewegung zwischen dem Präparat 14 und dem Messer 16 der
Abstand zwischen Präparat 14 und
Messer 16 verkürzt
wird. Zwischen dem Präparat 14 und
dem Messer 16 ist eine Lichtschranke 30 angeordnet,
die einen Lichtsender 29 und einen Lichtempfänger 30 aufweist.
Der Sender 29 und der Empfänger 30 wer den dabei
so zueinander justiert, dass der von dem Sender 29 ausgehende
Lichtstrahl auf den Empfänger 30 fällt. Die
Lichtschranke kann an ein externes Gehäuse (nicht gezeigt) den Präparathalter 22,
bevorzugt jedoch an den Messerhalter 24 oder den Schlitten 28 mechanisch
gekoppelt, d.h. daran befestigt sein. Bei der Annäherung des
Präparates 14 an das
Messer 16 wird die Lichtschranke 30 an einer definierten
Position durchbrochen. Dabei kann die Unterbrechung entweder durch
das Messer 16 oder das Präparat 14 erfolgen.
In dem in 2 gezeigten
Beispiel ist die Lichtschranke mechanisch an den Messerhalter 24 gekoppelt.
Somit besteht ein definierter fester Abstand zwischen der Lichtschranke 30 und dem
Messer 16, der sich auch durch eine translatorische Bewegung
des Messers 16 nicht ändert.
Entsprechend wird bei einer Änderung
des Abstandes zwischen dem Präparat 14 und
dem Messer 16 die Lichtschranke 30 durch das Präparat 14 unterbrochen.
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Wie in 3,
in einer Ausschnittsvergrößerung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Schneiden
von Präparaten 14 dargestellt,
wird die Lichtschranke 30 zwischen dem Messer 16 und
dem Präparat 14 bevorzugt
so angeordnet, dass der Lichtstrahl 32 parallel zur Messerschneide 15 des
Messers 16 verläuft.
Aus der genauen Kenntnis des Abstandes 25 zwischen der
Messerschneide 15 und dem Lichtstrahl 32 lässt sich
beim Durchbrechen der Lichtschranke durch das Präparat 14 feststellen, wann
das Präparat 14 genau
diesen Abstand 25 zur Messerschneide 15 hat. Entsprechend
ist es wichtig, den Abstand 25 möglichst genau einzustellen.
Dies kann einerseits durch eine exakte mechanische Fixierung der
Lichtschranke 30 zur Messerschneide 15 erreicht
werden. Andererseits sollte der Querschnitt des Lichtstrahls möglichst
klein gehalten werden, wozu sich ein gebündelter LED-Lichtstrahl oder
das Licht eines Lasers anbietet. Für die Verwendung des eingesetzten
Lichtes bestehen grundsätzlich
keinerlei Einschränkungen.
Lediglich Sender und Empfänger
müssen
aufeinander abgestimmt sein, so dass das Durchbrechen der Lichtschranke 30 erkannt
werden kann.
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Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung
lässt sich
der Anstellvorgang automatisieren. Hierzu werden zunächst das
Messer 16 und das Präparat 14 relativ zueinander
grob positioniert, was bevorzugt in einem Abstand von einigen Millimetern
erfolgt. Anschließend
wird eine motorische Schneidebewegung 33 aktiviert, die
im Wesentlichen in einer Auf- und Abbewegung des Präparathalters 22 besteht.
Gleichzeitig wird der Abstand zwischen dem Präparat 14 und dem Messer 16 durch
eine Vorschubeinheit verringert, die eine Relativbewegung zwischen
dem Präparat 14 und
dem Messer 16 erzeugt. Hierzu kann beispielsweise ein Schrittmotor
und eine Spindel verwendet werden, die das Messer 16 zusammen
mit dem Messerhalter 24 auf einem Schlitten 28 in
Richtung des Präparates 14 bewegen.
Der Vorschub bleibt solange aktiviert, bis zum ersten Mal eine Unterbrechung
der Lichtschranke 30 erfolgt.
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Die genaue Detektion des Unterbrechungspunktes
der Lichtschranke 30 kann nochmals dadurch verbessert werden,
dass die Vorschubeinheit nach dem erstmaligen Durchbrechen der Lichtschranke 30 in
kleinen Schritten in entgegengesetzter Richtung zurück bewegt
wird, um den Unterbrechungspunkt der Lichtschranke 30 nochmals
genau zu ermitteln. Hierzu kann auch die Vor- bzw. Rückschubgeschwindigkeit verändert, insbesondere
erniedrigt werden. Nach einer sicheren Detektion der Lichtschranke
wird anschließend
der komplette Abstand 25 abzüglich einiger weniger μ-Meter vorgeschoben.
Dies ist möglich,
da der exakte Abstand 25 bekannt ist. Nachdem der Abstand 25 abzüglich einiger μ-Meter vorgeschoben
worden ist, kann automatisch auf die gewünschte Schnittdicke und auf
die entsprechende Vorschubgeschwindigkeit umgeschaltet werden. Gleichzeitig
kann auch die Bewegung 33 des Präparates auf die gewünschte Schnittdicke
eingestellt werden. Nach einigen Zyklen ohne Schnitt stellen sich
dann die ersten Schnitte mit der gewünschten Schnittdicke ein.
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Mikrotome und Ultramikrotome sind üblicherweise
mit einem Wechselantrieb ausgestattet, bei dem das Objekt im sog.
Schneidefenster langsam mit der einstellbaren Schneidegeschwindigkeit
und außerhalb
des Schneidefensters mit einer höheren Rückholgeschwindigkeit
bewegt wird. Das Schneidefenster muss üblicherweise der Präparatposition
und der Präparatgröße angepasst werden.
Dabei gestattet eine Codiereinrichtung am Wechselantrieb die Einstellung
des Schneidefensters.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung kann dieses Schneidefenster ebenfalls automatisch eingestellt
werden. Hierzu wird die Lichtschranke 30 zwischen dem Präparat 14 und
dem Messer 16 so angeordnet, dass neben der Erkennung des
Abstandes 25 auch eine Positionserkennung des Präparates 14 während dessen
Auf- und Abbewegung 33 erkannt werden kann. Die Unterbrechung
der Lichtschranke 30 während
der Auf- und Abbewegung 33 des Präparates 14 kann mit
Hilfe der Codiereinrichtung des Wechselantriebes zur Bestimmung
der Präparatgröße und zum
Setzen des Schneidefensters benutzt werden. Dabei wird beispielsweise
der Zeitpunkt und die Dauer des Unterbrechens der Lichtschranke 30 durch
das Präparat 14 erfasst.
Diese Werte können
dann der Codiereinrichtung des Wechselantriebes zum Setzen des Schneidefensters zugeführt werden.
Somit kann die Unterbrechung der Lichtschranke 30 zur Erfassung
der Präparatgröße und -position
herangezogen werden, so dass ein Umschalten zwischen Schneidegeschwindigkeit
und Rückholgeschwindigkeit
und damit die Einstellung des Schneidefensters automatisch erfolgen
kann.
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- 10
- Schneidevorrichtung
- 12
- Stereomikroskop
- 14
- Präparat
- 15
- Messerschneide
- 16
- Messer
- 18
- Lichtleiter
- 20
- Lampe
- 22
- Präparathalter
- 24
- Messerhalter
- 25
- Abstand
- 26
- Schlitten
- 28
- Schlittenebene
- 29
- Sender
- 30
- Lichtschranke
- 31
- Empfänger
- 32
- Lichtstrahl
- 33
- Bewegung
Präparathalter