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Die Erfindung betrifft ein Stativsystem
zum Positionieren und Halten eines Mikroskops, insbesondere eines
Operationsmikroskops.
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Mikroskopstative ermöglichen
das Positionieren eines Mikroskops und das anschließende Halten
des Mikroskops in einer bestimmten Position und Orientierung. Je
nach Anwendungszweck ergeben sich dabei unterschiedliche Anforderungen
an die Positionierbarkeit und Orientierbarkeit des Mikroskops. Insbesondere
in der HNO-Chirurgie und der Neurochirurgie werden höchste Anforderungen
an die Positionierung eines Operationsmikroskops und damit an die
Verstellbarkeit des Stativs gestellt. Herkömmliche Stative, insbesondere
solche im medizinischen Einsatz, bieten daher die Möglichkeit,
das Mikroskop in bis zu 6 Freiheitsgraden manuell zu positionieren.
Ein derartiges Stativ ist beispielsweise in
EP 0 023 003 beschrieben.
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Während
des Arbeitens mit einem Mikroskop ist dieses auf einen Punkt bzw.
eine Ebene des zu betrachtenden Objektes (sog. Fokuspunkt bzw. Fokusebene)
fokussiert. Zum Verändern
des Betrachtungswinkels auf den Fokuspunkt oder die Fokusebene muss
der Benutzer die Bremsen des Stativs lösen und das Mikroskop durch
geeignetes Bewegen in den bis zu 6 Freiheitsgraden in die gewünschte Position
bringen. Dabei geht der Fokuspunkt des Mikroskops in der Regel verloren.
Das Wiederfinden des Fokuspunktes bzw. der Fokusebene erfordert
vom Benutzer oft viel Feingefühl
und beansprucht eine relativ lange Zeit.
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Bisherige Ansätze, das Verstellen des Mikroskops
zu erleichtern, bestehen im Einsatz von Robotern, z.B. motorisch
angetrieben Stativen, in denen von einem Computer Steuersignale
an Verstellmotoren ausgegeben werden. Die Ausgabe der Steuersignale
kann dabei entweder manuell oder automatisch vom Computer, z.B.
anhand vorgegebener Daten, ausgelöst werden.
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Ein motorisches Stativ, das den stereotaktischen
Einsatz verschiedener Diagnose- und Therapiegeräte ermöglicht und insbesondere zum
Einsatz in Verbindung mit einem Operationsmikroskop geeignet ist,
ist in
DE 42 02 922 beschrieben.
Das Stativ besteht aus einem Mehrgelenkmechanismus mit einer Steuereinheit
und Motoren zum Bewegen der einzelnen Gelenke.
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Daneben beschreibt die
US 5,351,925 eine motorisch gesteuerte
Deckenaufhängung
für ein Operationsmikroskop.
Die Steuerung der Motoren wird dabei von einem Computer übernommen.
Als Funktion einer mittels Steuergriffen oder einem Steuerpedal
erfolgenden Bedienung durch den Arzt kann das Operationsmikroskop
in einem langsamen Bewegungsmodus (slow displacement mode) computergesteuert
auf einer Sphäre
um seinen Fokuspunkt bewegt werden.
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Der Einsatz eines motorisch angetriebenen Stativs
ermöglicht
das genaue Positionieren und Orientieren des Mikroskops in einem
großen
Arbeitsraum. Um dies zu erreichen ist das Stativ mit Motoren auszustatten,
welche die Stativarme präzise über relativ
große
Strecken verfahren können.
Der Einsatz derartiger Motoren macht solche Stative jedoch relativ
teuer.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
ein Stativsystem zum Positionieren und Halten eines Mikroskops zur
Verfügung
zu stellen, welches das Verstellen des Mikroskops vereinfacht und
gleichzeitig kostengünstig
ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Stativsystem nach
Anspruch 1 gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche enthalten
weitere Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Stativsystem zum
Positionieren und Halten eines Mikroskops eine Mikroskophalterung
und Stativglieder, welche derart ausgestaltet und angeordnet sind,
dass sie das Positionieren, insbesondere das manuelle Positionieren, eines
an der Mikroskophalterung befestigten Mikroskops ermöglichen.
Als Stativglieder sind hierbei auch die Glieder einer evtl. vorhandenen
verstellbaren Mikroskopaufhängung
anzusehen. Zwischen den Stativgliedern und der Mikroskophalterung
ist eine Feinpositionierungsvorrichtung mit mindestens einem Verstellantrieb
angeordnet. Außerdem
ist eine Steuereinheit zum Steuern des mindestens einen Verstellantriebs
derart, dass die Feinpositionierung des Mikroskops bahngesteuert
oder zwangsgeführt
erfolgt, mit der Feinpositionierungsvorrichtung verbunden.
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Sowohl mit der Bahnführung als
auch mit der Zwangsführung
der Mikroskopbewegung, bzw. der entsprechenden Steuerung des mindestens
einen Verstellantriebs, lassen sich bestimmte Bewegungsabläufe beim
Verstellen der Mikroskopposition realisieren. Die Zwangsführung ermöglicht darüber hinaus
ein manuelles Verstellen des Mikroskops auf mindestens einer vorgegebenen
Bahn.
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Die bahngesteuerte oder zwangsgeführte Feinpositionierung
ermöglicht
es, das Mikroskop beim Verstellen der Mikroskopposition mittels
der Feinpositionierungsvorrichtung so zu bewegen, dass der Fokuspunkt
bzw. die Fokusebene des Mikroskops erhalten bleibt. Der Benutzer
muss in dieser Ausgestaltung den Fokuspunkt nach dem Verändern der
Mikroskopposition nicht erst wiederfinden, was das Verstellen des
Mikroskops deutlich vereinfacht.
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Gegenüber einem motorisch angetriebenen Stativ
nach Stand der Technik bietet das erfindungsgemäße Stativsystem den Vorteil,
dass nur die Feinpositionierungsvorrichtung motorisch anzutreiben
ist und nicht das gesamte Stativ. Dies ermöglicht den Einsatz leistungsärmerer und
damit kostengünstigerer
Verstellantriebe.
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Vorteilhafterweise kann die Steuereinheit oder
eine weitere Steuereinheit derart ausgestaltet sein, dass sie ein
Fokussiersignal für
eine Fokussiereinheit eines Mikroskops ausgibt. Das Fokussiersignal
führt zu
einer Anpassung des Mikroskopfokus an die Mikroskopposition. Die
Anpassung kann dabei je nach Anforderung entweder am Ende des Feinpositionierungsprozesses
erfolgen, d.h. nachdem das Mikroskop seine Position eingenommen
hat, oder aber während
des Feinpositionierungsprozesses kontinuierlich erfolgen. Letzteres
ist besonders dann sinnvoll, wenn auch während des Feinpositionierungsprozesses
eine Beobachtung mittels des Mikroskops erfolgen soll.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung
ist eine Koordinatenerfassungseinrichtung zum Erfassen der Koordinaten
des Mikroskops in Bezug auf den Fokuspunkt bzw. die Fokusebene vorhanden.
Die Koordinatenerfassungseinrichtung ist mit einer Transformationseinheit
zum Ausführen
einer Koordinatentransformation verbunden, welche wiederum zur Abgabe eines
Bahnsignals mit der Steuereinheit in Verbindung steht. Die Transformationseinheit
berechnet anhand der erfassten Koordinaten mindestens eine Bahn
für die
Bewegung des Mikroskops insbesondere derart, dass der Fokuspunkt
bzw. die Fokusebene erhalten bleibt. Die berechnete Bahn bzw. die
berechneten Bahnen werden dann als Bahnsignal an die Steuereinheit
weitergegeben, welche die Feinpositionierungsvorrichtung dann derart
steuert, dass sich das Mikroskop auf den berechneten Bahnen bewegt
oder dass einer Bewegung außerhalb
der berechneten Bahnen ein Widerstand entgegengesetzt wird.
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Vorteilhafterweise umfasst das Stativsystem eine
Speichereinheit zum Speichern mindestens eines Bahnsignals, welche
mit der Steuereinheit verbunden ist. Die Speichereinheit ermöglicht das
Speichern häufig
genutzter Bahnsignale, was insbesondere von Vorteil ist, wenn bestimmte
Mikroskoppositionen häufig
eingestellt werden oder wenn häufig zwischen
verschiedenen Mikroskoppositionen zu wechseln ist, weil die Bahnen
dann nicht jedesmal neu berechnet werden müssen.
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In einer weiteren Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Stativsystems
ermöglichen
die Stativglieder das Positionieren in einem ersten, insbesondere
großen
Arbeitsraum. Außerdem
ist die Feinpositionierungsvorrichtung derart ausgestaltet, dass sie
das Positionieren in einem zweiten Arbeitsraum, der kleiner ist,
als der erste Arbeitsraum, ermöglicht. Dies
ermöglicht
das Verwenden einer relativ kleinen Feinpositionierungsvorrichtung.
Je kleiner die Feinpositionierungsvorrichtung gehalten werden kann, desto
leistungsärmer
und kostengünstiger
können die
Verstellantriebe ausgebildet sein. Beispielsweise in der Neurochirurgie
muss die Feinpositionierung nur ein kleinen Arbeitsraum abdecken
können.
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Um ein präzises Positionieren des Mikroskops,
insbesondere im zweiten, kleinen Arbeitsraum, zu ermöglichen,
ist die Feinpositionierungsvorrichtung vorzugsweise derart ausgestaltet,
dass sie eine Bewegung des Mikroskops in sechs Freiheitsgraden gestattet.
Hohe Anforderungen an die Positionierbarkeit und Orientierbarkeit
des Mikroskops im ersten, großen
Arbeitsraum können
erfüllt
werden, wenn die Stativglieder ein Bewegen des Mikroskops in sechs Freiheitsgraden
ermöglichen.
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Es ist insbesondere vorteilhaft,
wenn sowohl für
den großen
Arbeitsraum als auch für
den kleinen Arbeitsraum sechs Freiheitsgrade zur Verfügung stehen,
da dann in beiden Arbeitsräumen
hohe Anforderungen an die Positionierbarkeit erfüllbar sind. Im großen Arbeitsraum
ist dann ein beliebiges Positionieren und Orientieren des Mikroskops
wie bei einem herkömmlichen
Stativ möglich.
Die Mikroskopposition kann daher rasch an die gewünschte Endposition angenähert werden.
Die Feinpositionierungsvorrichtung ermöglicht dann zusammen mit der
Steuereinheit das präzise
Anfahren der gewünschten
Position aus der angenäherten
Position heraus. Dieses Anfahren lässt sich aufgrund dessen, dass
die den Ausgangspunkt bildende Mikroskopposition bereits weitgehend
an die gewünschte
Endposition angenähert ist,
rasch bewerkstelligen. Die Kombination von sechs Freiheitsgraden
im großen
Arbeitsraum mit sechs Freiheitsgraden im kleinen Arbeitsraum ist nicht
nur in einem Stativsystem mit bahngesteuerter oder zwangsgeführter Feinpositionierung
vorteilhaft, sondern ist insbesondere auch bei freier Feinpositionierungsmöglichkeit
von Vorteil.
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Im erfindungsgemäßen Stativsystem kann als Feinpositionierungsvorrichtung
insbesondere ein kinematisches System mit einer Parallelkinematik Verwendung
finden. Die Parallelkinematik eignet sich aufgrund ihrer hohen Genauigkeit
und Steifigkeit zum Feinpositionieren des Mikroskops.
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Alternativ kann im erfindungsgemäßen Stativsystem
als Feinpositionierungsvorrichtung auch ein Roboterarm oder mehrere
Roboterarme mit Kippmechanismus nach dem Scara-Prinzip zum Einsatz kommen.
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Bestehende, nicht motorisch angetriebene Stative
können
einfach in erfindungsgemäße Stativsysteme
umgerüstet
werden. Die als Feinpositionierungsvorrichtung verwendbaren kinematischen
Systeme sind billig und sind einfach am Stativ zu montieren.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und
Vorteile des erfindungsgemäßen Stativsystems
werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
ein konventionelles Stativ in einer schematischen Darstellung.
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2 zeigt
die sechs Freiheitsgrade, die das in 1 dargestellte
Stativ zur Verfügung
stellt.
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3 zeigt
ein erfindungsgemäßes Stativsystem
mit Feinpositionierungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung.
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4 zeigt
die Feinpositionierungsvorrichtung aus 3 in einer schematischen Darstellung.
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5 zeigt
schematisch ein Blockschaltbild der elektronischen Umgebung der
Steuereinheit des Mikroskops
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Ein herkömmliches Stativ 1 mit
einem daran befestigten Mikroskop 3, das im Ausführungsbeispiel ein
Operationsmikroskop ist, ist in 1 dargestellt. Das
Stativ 1 ruht auf einem Stativfuß 5, an dessen Unterseite
Rollen 6 vorhanden sind, die ein Verfahren des Stativs 1 ermöglichen.
Um ein ungewolltes Verfahren des Stativs 1 zu verhindern,
besitzt der Stativfuß 5
außerdem
eine Fußbremse 7.
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Das eigentliche Stativ 1 umfasst
als Stativglieder eine höhenverstellbare
Stativsäule 8,
einen Tragarm 9, einen Federarm 10, und eine Mikroskopaufhängung 11,
welche ihrerseits ein Verbindungselement 13, einen Schwenkarm 15 und
einen Haltearm 14 umfasst. Die Freiheitsgrade, welche die
Stativglieder zum Positionieren des Operationsmikroskops 3 zur
Verfügung
stellen, sind in 2 gezeigt. Der
Tragarm 9 ist an seinem einen Ende um eine Achse A drehbar
mit der Stativsäule 8 verbunden. Am
anderen Ende des Tragarms 9 ist ein Ende des Federarms
10 um eine zur Achse A parallele Achse B drehbar befestigt, so das
der Tragarm 9 und der Federarm 10 einen Gelenkarm
bilden. Das andere Ende des Federarms 10 ist von einem
Kippmechanismus gebildet (nicht dargestellt), an dem die Mikroskopaufhängung 11 befestigt
ist und der ein Verkippen der Mikroskopaufhängung 11 um die Achse C ermöglicht.
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Die Mikroskopaufhängung 11 weist eine Drehachse
D, eine Schwenkachse E sowie eine Kippachse F auf, um die sich das
Mikroskop drehen, schwenken bzw. verkippen lässt. Mit einem Verbindungselement 13 ist
die Mikroskopaufhängung
11 am äußeren Ende
des Federarms 10 um die Drehachse D drehbar befestigt.
Die Drehachse D erstreckt sich entlang des Verbindungselementes 13.
An das Verbindungselement 13 schließt sich ein Schwenkarm 15 an,
mit dessen Hilfe sich das Mikroskop 3, genauer gesagt ein
am Schwenkarm 15 angebrachter Haltearm 14, an
dem das Mikroskop 3 mittels einer Mikroskophalterung (nicht
dargestellt) befestigt ist, um die Schwenkachse E schwenken läßt. Die
Schwenkachse E erstreckt sich durch den Schwenkarm 15. Der
Winkel zwischen Schwenkarm 15 und Verbindungselement 13,
d.h. der Winkel zwischen der Schwenkachse E und der Drehachse D,
kann mittels einem zwischen dem Verbindungsteil 13 und
dem Schwenkarm 15 angeordneten Verstellmechanismus variiert
werden.
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Durch den Haltearm 14 verläuft senkrecht zur
Darstellungsebene die Kippachse F, die ein Verkippen des Operationsmikroskops 3 ermöglicht.
Das Operationsmikroskop 3 ist mittels einer nicht dargestellten
Mikroskophalterung am Haltearm 14 befestigt.
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Um ein ungewolltes Verstellen des
Mikroskops 3 aus einer gewählten Position zu verhindern, sind
die Stativglieder bzw. die Gelenke zwischen den Stativgliedern mit
Bremsen (nicht dargestellt) versehen, welche nach dem Positionieren
des Mikroskops 3 fixiert werden. Als Bremsen kommen sowohl
manuell als auch elektrisch zu betätigende Bremsen in Frage.
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Am Stativ 1 sind außerdem eine
Lichtquelle 16 zur Objektbeleuchtung sowie ein Netzanschlußgerät und ein
Bedienelement 17 für
elektrische Komponenten des Mikroskops 3 und ggf. des Stativs 1 angeordnet.
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In 3 ist
ein erfindungsgemäßes Stativsystem
mit einem daran befestigten Operationsmikroskop 3 dargestellt.
Das Stativsystem umfasst ein herkömmliches Stativ 1,
wie es mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben worden ist,
eine Feinpositionierungsvorrichtung 20, welche zwischen
dem Haltearm 14 und der das Operationsmikroskop 3 haltenden
Mikroskophalterung angeordnet ist, und eine Steuereinheit 21 zum
Steuern der Feinpositionierungsvorrichtung 20. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
ist die Feinpositionierungsvorrichtung 20 ein kinematisches
System mit einer Parallelkinematik, sie kann jedoch auch anders
realisiert sein, bspw. als Roboterarm oder Roboterarme mit Kippmechanismus
nach dem Scara-Prinzip. Als Verstellantriebe der Feinpositionierungsvorrichtung
kommen alle gängigen
Antriebsarten, bspw. hydraulische, pneumatische oder elektromotorische
Antriebe, in Frage .
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Das im Ausführungsbeispiel verwendete kinematisches
System mit einer Parallelkinematik ist in 4 genauer dargestellt. Es bildet zusammen
mit der Steuerung 21 einen Miniroboter, der auch unter dem
Namen Hexapod bekannt ist. Die Parallelkinematik umfasst eine erste
Grundplatte 22, die am Haltearm 14 der Mikroskopaufhängung 11 zu
befestigen ist, und eine zweite Grundplatte 23, an der
die Mikroskophalterung zu befestigen ist. Beide Grundplatten 22, 23 können mit
mindestens einer Durchführung
für Kabel
ausgestattet sein, durch die Versorgungskabel des Mikroskops 3 hindurchgeführt werden
können. Alternativ
können
anstelle der Grundplatten 22, 23 auch ringförmige Träger verwendet
werden.
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Die beiden Grundplatten 22, 23 sind über Hydraulikzylinder 24a – 24f,
die jeweils mittels Gelenken 25a – 25f und 26a – 26f mit
der ersten und der zweiten Grundplatte 22, 23 verbunden
sind miteinander verbunden. Die Hydraulikzylinder 24a – 24f bilden
die Verstellantriebe der Feinpositionierungsvorrichtung 20.
Sie ermöglichen
ein Verstellen der Position der zweiten Grundplatte 23 gegenüber der
ersten Grundplatte 22 in sechs Freiheitsgraden.
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Die Feinpositionierungsvorrichtung 20 stellt zum
Positionieren des Operationsmikroskops ebenso wie das Stativ 1 sechs
Freiheitsgrade zur Verfügung.
Der mit Hilfe der sechs Freiheitsgrade der Feinpositionierungsvorrichtung 20 erreichbare
Arbeitsraum ist jedoch deutlich kleiner als der mit Hilfe des sechs
Freiheitsgrade des Stativs 1 erreichbare Arbeitsraum. Zum
Feinpositionieren im kleinen Arbeitsraum müssen jedoch im Gegensatz zum
Positionieren im großen
Arbeitsraum die Bremsen des Stativs 1 nicht gelöst werden,
d.h. beim Feinpositionieren bleiben alle Stativglieder fixiert.
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Alternativ zum Hexapod mit sechs
Hydraulikzylindern können
auch kinematische Systeme mit weniger als sechs Hydraulikzylindern
als Feinpositionierungsvorrichtung Verwendung finden. Entsprechende
kinematische Systeme sind bspw. unter den Namen „Pentapod" oder „Tripod" bekannt.
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Der Steuereinheit 21 ist,
wie in 5 in einem Blockschaltbild
schematisch dargestellt, eine Erfassungseinheit 30 zum Erfassen
der Mikroskopkoordinaten in Bezug auf die Koordinaten des Fokuspunktes
bzw. der Fokusebene zugeordnet. Von der Erfassungseinheit 30 werden
die erfassten Mikroskopkoordinaten an eine Transformationseinheit 31 weitergegeben,
die mittels Koordinatentransformation aus den erfassten Koordinaten
diejenigen Bahnen berechnet, auf denen das Mikroskop 3 bewegt
werden kann, ohne dass sich der Fokuspunkt bzw. die Fokusebene ändert. Das
Ergebnis dieser Berechnung gibt die Transformationseinheit 31 in
Form eines Bahnsignals oder ggf. mehrerer Bahnsignale an die Steuereinheit 21 weiter,
welche dann die Verstellantriebe 24a – 24f der Feinpositionierungsvorrichtung 20 derart
mit Steuersignalen ansteuert, dass sich das Mikroskop 3 auf
einer der berechneten Bahnen bewegt.
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Statt die Feinpositionierungsvorrichtung 20 anhand
der Steuersignale derart anzutreiben, dass sich das Mikroskop 3 auf
einer der berechneten Bahnen bewegt, also eine bahngesteuerte Bewegung
erfolgt, können
die Verstellantriebe 24a – 24f von der Steuereinheit 21 auch
so gesteuert werden, dass sie eine Bewegung, die nicht entlang einer
der berechneten Bahn erfolgt, blockieren, ohne dem Mikroskop 3 aktiv
eine Bewegung zu vermitteln. Das Bewegen des Mikroskops 3 kann
dann manuell unter Zwangsführung
erfolgen, wobei die Steuerung durch die Steuereinheit 21 verhindert,
dass das Mikroskop 3 auf einer Bahn bewegt wird, auf welcher
der Fokuspunkt bzw. die Fokusebene des Mikroskops 3 nicht erhalten
bleibt.
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Während
einer Operation kann es Vorkommen, dass das Operationsmikroskop
zwischen zwei Positionen hin und her bewegt werden muss. Beispielsweise
wird das Operationsmikroskop zwischen einer Arbeitsposition und
einer Kontrollposition, in welcher der Arzt die Bedingungen in der
Umgebung des Operationsgebietes kontrolliert, oder zwischen verschiedenen
Beleuchtungspositionen, aus denen der Operationskanal unterschiedlich
beleuchtet wird, hin und her bewegt. In diesen Fällen kann das Verstellen des
Mikroskops wiederholt auf derselben Bahn erfolgen. Daher kann das
Stativsystem einen Speicher 32 umfassen, der mit der Transformations einheit 31 verbunden
ist und in dem von der Transformationseinheit 31 berechnete
Bahnen gespeichert werden können.
Die Steuereinheit 21, die ebenfalls mit dem Speicher 32 in
Verbindung steht, kann dann auf die im Speicher 32 gespeicherten
Bahnen zurückgreifen,
ohne dass die Bahnen jedesmal neu berechnet werden müssen.
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Die direkte Verbindung zwischen dem
Speicher 32 und der Transformationseinheit 31 kann
entfallen, wenn die zu speichernden Bahnen über die Steuereinheit 21 in
den Speicher 32 geschrieben werden.
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Je nach Bedarf kann die Steuereinheit 21 auch
weitere Steuertunktionen übernehmen.
Beispielsweise kann die Steuereinheit 21 ein Steuersignal
(Fokussiersignal) an eine Fokussiereinheit des Mikroskops 3 abgeben,
welches die Fokussiereinheit dazu veranlasst, den Fokus des Mikroskops 3 während der
Feinpositionierung an die jeweilige Position anzupassen. Statt von
der Steuereinheit 21 können die
weiteren Steuertunktionen auch von zusätzlichen Steuereinheiten, die
ebenfalls direkt oder indirekt mit der Transformationseinheit 31 in
Verbindung stehen, übernommen
werden.
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Das Stativ 1, an dem die
Feinpositionierungsvorrichtung 20 befestigt ist, kann insbesondere ein
ausschließlich
manuell zu betreibendes Stativ sein, d.h. ein Stativ ohne eigenen
Antrieb.