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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Schneiden von Präparaten
gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Schneiden von Präparaten,
insbesondere ein Mikrotom oder ein Ultramikrotom, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 8.
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Zur optischen Untersuchung von Präparaten werden
oftmals Dünnschnitte
der Präparate
hergestellt, die dann mit einem Mikroskop, etwa einem Licht- oder
Elektronenmikroskop untersucht werden. Besonders bei biologischen
Präparaten
ist es oftmals günstig,
diese in ein Kunststoff einzubetten, um sie ausreichend zu fixieren.
Zur Herstellung eines Dünnschnittes
des Präparates
muss dann das Präparat
an der gewünschten
Anschnittsfläche
freigelegt werden. Dies kann beispielsweise manuell mit einer Rasierklinge
durchgeführt
werde. Diese Methode erfordert zwar wenig technischen Aufwand, jedoch
lässt sich das
Präparat
oftmals nicht exakt genug trimmen. Insbesondere können keine
ebenen Anschnittsflächen erzeugt
werden.
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Zum exakten Trimmen wird daher eine Trimmvorrichtung
benutzt. Hierzu wird das Präparat mit
seiner Kunststoffummantelung in einem Präparathalter eingespannt. Der
Präparathalter
wird dann in der Trimmvorrichtung befestigt. Ein motorgetriebener Fräser trägt dann
unter Beobachtung mit einem Stereomikroskop so lange Material ab,
bis eine gefräste Oberfläche des
Präparates
an der zu untersuchenden Stelle freigelegt ist.
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Nach dem Fräsen können die Dünnschnitte oder Ultradünnschnitte
des Präparates
hergestellt werden. Hierzu wird die Präparathalterung zusammen mit
dem Präparat
in einer Schneideeinrichtung, insbesondere dem Mikrotom oder Ultramikrotom
befestigt. Anschließend
muss in der Schneideeinrichtung das zu schneidende Präparat positionsgenau und
rasch exakt zum Messer positioniert werden. 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.
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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.
Eine Lichtquelle unterhalb des Messers lässt dabei den Abstand zwischen Messer
und Präparat
als hellen Spalt erscheinen. Eine Annäherung auf etwa einen μm ist erforderlich, um
bei einem Diamantmesser, das maximal etwa 0,3 μm Schnittdicke erlaubt, nicht
zu lange auf den ersten Schnitt warten zu müssen.
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Diese Genauigkeit ist auch für die Justierung der
Messerschwenkung und der Präparatschwenkung
erforderlich. Denn bei einem Winkelfehler führen die ersten Schnitte lediglich
zu Fragmenten der ganzen getrimmten Fläche. Diese Vorgehensweise beim
Anstellen erfordert viel Übung
seitens des jeweiligen Benutzers und ist außerdem äußerst zeitaufwändig.
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Aus der
DE 4111689 ist 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.
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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 0,3 μm. 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 vorgese hen 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, in einer Einrichtung zum Schneiden eines Präparates
ein Verfahren zum Anstellen des Präparates an ein Messer vorzuschlagen,
das ein rasches und berührungsfreies
Anstellen ermöglicht.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Durchführung des
Verfahrens vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein
Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 sowie eine Einrichtung zum Schneiden eines Präparates mit den Merkmalen gemäß Anspruch
8 gelöst.
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Mit dem Verfahren und der Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung damit eine Möglichkeit
geschaffen, die Zeit zum Anstellen des Präparates an eine Messer in einer
Schneideeinrichtung zu verkürzen
und zu automatisieren. Gleichzeitig wird gewährleistet, dass weder das Präparat noch
das Messer beim Anstellen Schaden nehmen. Im Hinblick auf das Verfahren
wird also in einem ersten Schritt der Abstand zwischen der getrimmten
Fläche des
Präparates
und dem Präparathalter
ermittelt. Danach wird dieser ermittelte Abstand an die Schneideeinrichtung übergeben.
Wenn nun der Präparathalter in
der Schneideeinrichtung und das Messer definiert eingesetzt werden,
ist deren Abstand bekannt.
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Mit der Übergabe des Abstandes zwischen dem
Präparathalter
und der getrimmten Fläche
des Präparats
lässt sich
auf einfache Weise der Weg berechnen, um den die relative Entfernung
zwischen dem Präparat
und dem Messer in der Schneideeinrichtung geändert werden muss, bis das
Messer seine Anstellposition am Präparat erreicht hat.
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Vorteilhafterweise wird der Abstand
zwischen dem Präparathalter
und der getrimmten Fläche
des Präparates
in der Trimmeinrichtung während des
Trimmens des Präparates
ermittelt. Hierzu wird die Trimmeinrichtung mit einem Wegmesssystem versehen.
Der Abstand des Trimmmessers zum Präparathalter ohne eingesetztes
Präparat
wird einmalig bestimmt und gespeichert. Die Position des Trimmmessers
vor Beginn des Trimmens wird als sogenannte Nullposition erfasst.
Ein Präparat
wird in den Präparathalter
eingesetzt und der Trimmvorgang kann begonnen werden. Dabei wird üblicherweise das
Trimmmesser auf das Präparat
zubewegt. Der zurückgelegte
Weg wird mit Hilfe eines Wegmesssystems erfasst. Sobald das Trimmen
des Präparates
beendet ist, ist auch der zurückgelegte
Weg des Trimmmessers bekannt. Aus der Differenz zwischen dem zurückgelegten
Weg und der bekannten Weglänge
zwischen der Nullposition des Trimmmessers und dem Präparathalter
lässt sich
der Abstand zwischen der Anschnittfläche des Präparates und dem Präparathalter
ermitteln.
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Der Präparathalter wird also mit dem
getrimmten Präparat
in eine Schneideeinrichtung, insbesondere ein Mikrotom oder Ultramikrotom
in einer definierten Position eingesetzt. Die zuvor ermittelten, insbesondere
in der Trimmeinrichtung gewonnenen Daten, werden an die Schneideeinrichtung
z. B. über eine
Schnittstelle übermittelt.
Damit kann in der Schneideeinrichtung eine automatische Anstellung des
Messers an das Präparat
erfolgen.
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Um das erfindungsgemäße Verfahren
durchführen
zu können,
muss also eine Möglichkeit
geschaffen werden, die Entfernung der getrimmten Fläche des
Präparates
zum Präparathalter
zu ermitteln und die gewonnen Daten an die Schneideeinrichtung zu übergeben.
Daher wird in der Trimmeinrichtung und in der Schneideeinrichtung
ein Wegmesssystem vorgesehen. In der Schneideeinrichtung ist weiterhin eine
Einrichtung zum Übermitteln
der Daten, insbesondere eine Schnittstelle vorgesehen. Die Schnittstelle
kann mit Hilfe von Datenkabeln oder drahtlos mit den Daten versorgt
werden.
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Erfindungsgemäß können die Trimmeinrichtung und
die Schneideeinrichtung ein System zum automatischen Anstellen eines
Präparates
in der Schneideeinrichtung bilden. Hierbei wird in der Trimmeinrichtung
der Abstand zwischen dem Präparathalter
und der getrimmten Fläche
des Präparates ermittelt.
Diese Daten werden an die Schneideeinrichtung übermittelt, sodass ein automatischer
Anstellvorgang in der Schneideeinrichtung durchgeführt werden
kann.
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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
Trimmeinrichtung in Prinzipdarstellung
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2 Schematische
Darstellung der Datenübermittlung
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3 eine
erfindungsgemäße Schneideeinrichtung
im Überblick
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4 einen
Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Schneideeinrichtung
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine Trimmeinrichtung 12.
Ein Präparat 14 ist
in einem Präparathalter 22 eingespannt.
Je nach beabsichtigter weiterer Untersuchung und je nach Art des Präparats wird
an der dem Trimmmesser oder Fräser 17 zugewandte
Fläche 15 des
Präparates 14 die
gewünschte
Oberfläche
erzeugt. Dabei wird die ausgewählte
Präparatfläche zentriert
und mit dem Fräser 17 flach
in Form eines Blocks gefräst.
Hierzu wird der Fräser 17 in
Drehrichtung 18 rotiert. Um die gewünschte Fläche 15 des Präparates 14 zu
erzeugen kann der Fräser
in Richtung 19 verschoben werden. Erfindungsgemäß wird die
Trimmeinrichtung 12 mit einem Wegmesssystem versehen, das
eine Bestimmung des Abstandes der getrimmten Fläche 15 vom Präparathalter 22 ermöglicht.
Der Abstand des Fräsers 17 zum
Präparathalter 22 ohne
eingesetztes Präparat 14 wird
einmalig bestimmt und gespeichert. Die Position des Fräsers 17 vor
Beginn des Trimmens wird als sogenannte Nullposition erfasst. Dann wird
ein Präparat 14 in
den Präparathalter 22 eingesetzt
und der Trimmvorgang begonnen. Dabei wird der Fräser 17 auf das Präparat 14 zubewegt
und der zurückgelegte
Weg mit Hilfe des Wegmesssystems erfasst. Nach dem Ende des Trimmens
des Präparates 14 ist
auch der zurückgelegte
Weg des Fräsers 17 bekannt.
Aus der Differenz zwischen dem zurückgelegten Weg und der bekannten
Weglänge
zwischen der Nullposition des Fräsers 17 und
dem Präparathalter 22 lässt sich
der Abstand zwischen der Anschnittfläche 15 des Präparates 14 und
dem Präparathalter 22 ermitteln.
Um die Ermittlung des Abstandes zu vereinfachen, kann die Trimmeinrichtung 12 so
gesteuert werden, dass sie bei jedem Einschalten die Nullposition
automatisch anfährt.
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Wie in 2 gezeigt
werden die so gewonnen Daten von der Trimmeinrichtung 12 über ein
Datentransfermittel 23 an die Schneideeinrichtung 10 übergeben.
Hierbei können
sowohl in der Trimmeinrichtung 12 wie auch in der Schneideeinrichtung 10 Datenübermittlungseinheiten 10a, 12a vorgesehen werden.
Diese sind üblicherweise
als Schnittstellen ausgebildet und ermöglichen die Übertragung
der Daten mit dem Datentransfermittel 23. Dabei können die
Datentransfermittel als Datenleitung, insbesondere als Flachbadleitung
oder als drahtlose Kommunikationseinrichtung, insbesondere als IR-Wellen ausgebildet
werden.
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3 zeigt
eine Schneideeinrichtung 10 im Überblick. Sie weist ein Stereomikroskop 20 auf,
mit dem der Schneidevorgang beobachtet werden kann. Das gefräste Präparat 14 wird
mit dem Präparathalter 22 in
einen Schwenkarm 26 in definierter Lage eingesetzt. Zum
Schneiden ist ein Messer 16 vor gesehen, das auf einem drehbar
gelagerten Messerhalter 24 fixiert ist. Die Anordnung lässt sich
mit Hilfe des translatorisch bewegbaren X-Y-Tisches 28 verschieben. Weiterhin
ist ein Wegmesssystem zum Messen des Weges des X-Y-Tisches vorgesehen.
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In 4 ist
ein vergrößerter Ausschnitt
der Schneideeinrichtung 10 dargestellt. Das Präparat 14 wird
nach dem Trimmen zusammen mit dem Präparathalter 22 auf
Anschlag in der Schneideeinrichtung 10 befestigt. Der Messerhalter 24 wird
in den X-Y-Tisch 28 auf Anschlag eingeschoben und geklemmt,
sodass eine feste Verbindung zwischen dem Messerhalter 24 mit
dem X-Y-Tisch 28 besteht.
Die Messerschwenkung 30 wird auf 0° eingestellt. Gleichzeitig entfällt die
Schwenkbewegung des Präparates 14 durch
den Schwenkarm 26 bzw. wird hier ebenfalls auf 0° eingestellt.
Die in der Trimmvorrichtung ermittelten Messdaten werden, wie oben
beschrieben an die Schneideeinrichtung 10 übermittelt. Somit
kann der automatische Anstellvorgang des Messers 14 an
die getrimmte Präparatfläche 15 gestartet
werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist für
die Schneideeinrichtung 10 ein Lernmodus vorgesehen. In
diesem Modus kann die Schneideeinrichtung 10 auf die Trimmeinrichtung 12 abgestimmt
werden. Hierzu wird ein Präparat 14,
das in einer Trimmeinrichtung 12 bereits befräst worden ist,
zusammen mit dem Präparathalter 22 in
der Schneideeinrichtung 10 eingesetzt. Manuell, d. h. ohne
automatischen Vorschub wird ein gewünschter Abstand zwischen dem
Messer 16 und der getrimmten Präparatfläche 15 eingestellt.
Dieser Wert wird anschließend
in einer Speichereinrichtung gespeichert. Damit ist die Abstimmung
zwischen Trimmeinrichtung 12 und Schneideeinrichtung 10 erfolgt.
Bei jedem neu getrimmten Präparat 14,
das nach dem Trimmen in die Schneideeinrichtung 10 eingesetzt wird,
kann dann nach dem Übermitteln
der Abstandsdaten von der Trimmeinrichtung 12 an die Schneideeinrichtung 10 genau
diese Abstandsposition wieder angefahren werden.
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Dieser Lernmodus lässt sich
auch dahingehend erweitern, dass mehrere gewünschte Positionen eingelernt
werden, so dass der Benutzer nach dem Ein lernen die Möglichkeit
hat, eine der eingelernten Position zum Anfahren auszuwählen.
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Weiterhin kann in der Schneideeinrichtung 10,
ebenso wie in der Trimmeinrichtung 12 vorgesehen werden,
dass die Nullposition, die einem definierten Abstand zwischen dem
Messer 14 und dem Präparathalter 22 bzw.
dem Fräser 17 und
dem Präparathalter 22 entspricht
bei jedem Einschalten automatisch angefahren wird. So kann eine
sicher Messung des absolut zurückgelegten
Weges mit dem Wegmesssystem in der Schneideeinrichtung 10 gewährleistet
werden.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle
der Trimmvorrichtung eine separate Einrichtung zum Messen des Abstandes
zwischen dem Präparathalter 22 und
der getrimmten Präparatfläche 15 zu
verwenden. Allerdings müssen
auch in diesem Falle die Daten an die Schneideeinrichtung übergeben
werden.
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- 10
- Schneideeinrichtung
- 10a
- Datenübermittlungseinheit
der Schneideeinrichtung
- 12
- Trimmeinrichtung
- 12a
- Datenübermittlungseinheit
der Trimmeinrichtung
- 13
- Abstand
- 14
- Präparat
- 15
- getrimmte
Präparatfläche
- 16
- Messer
- 17
- Fräser
- 18
- Fräser-Drehrichtung
- 19
- Fräser-Verschiebung
- 20
- Stereomikroskop
- 22
- Präparathalter
- 23
- Datentransfermittel
- 24
- Messerhalter
- 26
- Schwenkarm
- 28
- X-Y-Tisch
- 30
- Messerschwenkung