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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Annähern eines
Präparates
an ein Messer eines Mikrotoms oder Ultramikrotoms.
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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 A1 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 A1 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
A1 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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Die
DE 3615713 C1 offenbart
ein Mikrotom. Bei dem Mikrotom wird die Stellung der Mikrometerspindel
optoelektronisch erfasst und digital ausgegeben. Ein automatischen
Anstellen des Präparats
zum Messer ist hier nicht vorgeschlagen.
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Die
AT 386791 B offenbart
eine Aufschnittschneidemaschine. Mittels einer Lichtschranke kann der
Hub eines Schnittwagens, auf dem sich das Schnittgut befindet eingestellt
werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein zuverlässiges Verfahren
vorzuschlagen, das ein berührungsfreies
und genaues Annähern zwischen
Messer und Präparat
erlaubt.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1. Weitere Vorteile und Weiterbildungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird zwischen
dem Messer und dem Präparat
eine Lichtschranke angeordnet, 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 Prä parat geschlossen werden kann.
Der Lichtstrahl verläuft
parallel zur Schneide des Messers. Gleichzeitig wird die Lichtschranke
so angeordnet, dass beim Unterbrechen der Lichtschranke zwischen
dem Messer und dem Präparat
noch ein vorbestimmter Abstand besteht. Dabei wird dieser Abstand
so gewählt,
dass beim Durchbrechen der Lichtschranke keine Berührung zwischen
dem Präparat
und dem Messer besteht, sondern 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 zubewegen. 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 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
Einsatz der Lichtschranke ermöglicht
einen voll ständig
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
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 erfordelichen Genauigkeit
einen möglichst
geringen Strahlquerschnitt zu haben. Auch ein gebündelter
LED-Strahl lässt
sich verwenden.
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Mit
Hilfe des Verfahrens wird der komplette Anstellvorgang automatisiert.
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 Weiterbildungen des Verfahrens 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
Vorrichtung zum Schneiden von Präparaten
mit einer Lichtschranke zur Durchführung des Verfahrens.
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3 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus der 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 Vorrichtung zum Schneiden von Präparaten, wie sie beispielsweise
an einem Mikrotom oder Ultramikrotom verwirklicht sein kann. Bei der
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 Empfänger 31 aufweist.
Der Sender 29 und der. Empfänger 31 werden dabei
so zueinander justiert, dass der von dem Sender 29 ausgehende
Lichtstrahl auf den Empfänger 31 fällt. Die
Lichtschranke 30 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 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 29 und Empfänger 30 müssen aufeinander
abgestimmt sein, so dass das Durchbrechen der Lichtschranke 30 erkannt
werden kann.
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Mit
dem Verfahren wird der Anstellvorgang automatisiert. 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 des Verfahrens 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.