DE19911163C1 - Mikrotom - Google Patents

Mikrotom

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Bernd Guenther
Andreas Laudat
Juergen Vierling
Roland Walter
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Abstract

Es wird ein Mikrotom zur Herstellung von Dünnschnitten beschrieben, bei dem der Schneidvorgang durch eine Relativbewegung zwischen einem Schneidmesser und einem Objekt ausgeführt wird. Zur Erzeugung dieser Relativbewegung ist ein Antrieb (14) mit einem Antriebsmotor (17), einer Steuerschaltung (15) und einem Handrad (8) vorgesehen. Das Handrad (8) ist mit einem Encoder (16) verbunden, der beim Drehen des Handrades (8) entsprechende Signale an die Steuerschaltung (15) abgibt. Über diese Steuerschaltung (15) wird der Antriebsmotor (17) dann entsprechend angesteuert. Beim Fehlen von Encoder-Signalen wird der Antrieb (14) blockiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrotom zur Herstellung von Dünnschnitten, bei dem der Schneidvorgang durch eine Relativbewegung zwischen einem Schneidmesser und einem Objekt ausgeführt wird, wobei zur Erzeugung dieser Relativbewegung ein Antrieb mit einem Antriebsmotor, einer Steuerschaltung und einem Handrad vorgesehen ist.
Mikrotome werden in zunehmendem Maße automatisiert, um die Dauerbelastung für die Bedienperson zu minimieren und gleichzeitig eine vereinfachte Handhabung sicherzustellen. Außerdem wird mit einem entsprechend automatisierten Mikrotom der Durchsatz der zu schneidenden Proben erhöht. Bei automatisierten Mikrotomen ist man beispielsweise dazu übergegangen, neben einer automatischen Zustellung des Objektes auf das Schneidmesser, auch den Antrieb zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Objekt und dem Schneidmesser mit einem Motor auszustatten. Ein derartiges Mikrotom ist beispielsweise in der WO 98 04 898 A1 dargestellt und beschrieben.
Bei automatisch arbeitenden Mikrotomen hat es sich jedoch auch gezeigt, daß bei bestimmten Situationen nicht auf ein manuelles Eingreifen der Bedienperson verzichtet werden kann. So ist es beispielsweise nach einem Objektwechsel zur Ausrichtung des Objektes und beim erstmaligen Anschneiden des Objektes notwendig, den motorischen Antrieb möglichst langsam zu betreiben. Bei automatisierten Mikrotomen sind dazu jedoch nur Bedienpulte mit entsprechenden Schaltern vorgesehen. Über die Schalter kann nur in bedingtem Maße ein feinfühliger, manuell gesteuerter Antrieb realisiert werden.
Bei der Ausrichtung des Objektes ist es auch notwendig, daß das Objekt und das Schneidmesser aufeinander zugestellt werden, eine visuelle Kontrolle erfolgt, und dann eine geringe Rückstellung ausgeführt wird. Diese Freiheitsgrade werden zur Ausrichtung benötigt. Die erfolgte Ausrichtung wird dann durch erneutes Zustellen visuell überprüft und gegebenenfalls erneut korrigiert. Um einwandfreie Schnitte zu erhalten, muß diese Prozedur mit größtmöglicher Sorgfalt ausgeführt werden. Über einfache Kippschalter läßt sich ein motorisch angetriebenes Mikrotom für eine derartige Prozedur nur ungenügend genau ansteuern.
Die motorischen Antriebe sind außerdem mit dem Nachteil behaftet, daß sich im stromlosen Stand-by-Betrieb der Antrieb manuell bewegen läßt. Dies wird insbesondere bei einem Messer- oder Präparatwechsel gefährlich, da die Bedienperson mit der Hand an den Bauteilen Abrutschen und über den beweglichen Antrieb gegen die Messerschneide gezogen werden kann.
Aus der DE 31 27 266 A1 ist ein Ultramikrotom mit einem motorischen Antrieb und einer zugehörigen Steuerschaltung bekannt. Das Ultramikrotom ist mit einem Vorschubgetriebe mit Vorschubwahl zur Einstellung der Schneidbereichslänge ausgestattet. Die Einstellung erfolgt über ein Handrad. Eine Veränderung der Vorschubwahl bewirkt eine Änderung der Frequenz eines Ozillators, dessen Ausgangssignale einem Mikroprozessor aus der Steuerschaltung zugeführt werden. Es findet hier keine direkte Umsetzung der Bewegung des Handrades in eine Schneidbewegung statt.
Aus der WO 9115746 A1 ist ein Ultramikrotom mit einem Antriebsmotor und einer elektronischen Steuereinrichtung mit einem Speicher bekannt. Eine drehbar ge­ lagerte Antriebswelle trägt ein Handrad, einen Encoder und eine Riemenscheibe. Diese ist über eine elastische Transmission mit dem Antriebsmotor verbunden. Über das Handrad wird manuell ein Einstellzyklus abgefahren, der Geschwindig­ keitsverlauf vom Encoder erfaßt und im Speicher abgelegt. Bei einem motorisch gesteuerten Einstellzyklus wird die Motordrehzahl über die elektronische Steuereinrichtung, die abgespeicherten Werte und den Encoder gesteuert.
Aus der US 5 671 648 ist ein Mikrotom zur Herstellung von Dünnschnitten für die Mikroskopie bekannt. Dieses Mikrotom weist ein feststehendes Schneidmesser und einen auf einer drehbar gelagerten Scheibe angeordneten Objektträger mit dem zu schneidenden Objekt auf. Die Scheibe kann zur Zustellung des Objektes auf das Schneidmesser in ihrer Höhe verändert werden. Die Zustelleinrichtung ist mit einem Motor und einer Steuerschaltung ausgestattet. Als Antriebseinrichtung ist für die drehbare Scheibe eine getriebliche Verbindung mit einem Handrad vorgesehen. Zusätzlich kann im Mikrotom noch ein Antriebsmotor angeordnet werden, der mit dem Getriebe verbunden wird. Es bleibt in dieser Schrift offen, ob der Antriebsmotor das Handrad ersetzt und wie der Antriebsmotor angesteuert wird.
Aus der DE 88 09 096 U1 ist ein Mikrotom mit versenkbaren Bedienknöpfen vorgesehen, die mit einem Getriebe zur manuellen Einstellung der am Mikrotom wählbaren Parameter, wie Schnittdicke, Messerwinkel etc. verbunden sind. Das Getriebe ist hier mit einem elektronischen Generator verbunden, der die Drehbewegung an den Bedienknöpfen in entsprechende elektrische Signale umwandelt. Über eine Steuereinrichtung werden die Antriebsmotore zur Einstellung der Parameter gesteuert. Bei diesem Mikrotom ist kein motorischer Antrieb für die Paräparatschnitt vorgesehen, sondern lediglich ein herkömmlicher getrieblicher Antrieb über Handrad dargestellt.
Ausgehend vom bekannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den motorischen Antrieb eines Mikrotoms so weiterzubilden, daß auch ein feinfühliger, manuell gesteuerter Antrieb möglich wird und dabei auch im Stand-by-Betrieb eine hohe Bedienungssicherheit gegeben ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikrotom mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Mikrotom zeichnet sich dadurch aus, daß ein motorischer Antrieb zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen dem Objekt und dem Schneidmesser über ein herkömmliches Handrad manuell gesteuert werden kann. Dazu wird das Handrad nicht über ein mechanisches Getriebe mit dem Motor gekoppelt, sondern es ist lediglich ein Encoder vorgesehen, der die Drehung am Handrad in entsprechende Signale umsetzt und an eine Steuerschaltung weiterleitet. In der Steuerschaltung werden die Signale ausgewertet und der Antriebsmotor entsprechend angesteuert. Mit dieser Ausgestaltung kann also weiterhin die gewohnt feinfühlige Bedienung des Antriebs erfolgen. Dies ist insbesondere dann von besonderem Vorteil, wenn nach einem Proben- oder Messerwechsel beide neu aufeinander ausgerichtet werden müssen. Durch geringfügige Handradbewegungen kann der Antrieb so feinfühlig vor und rückwärts bewegt werden. Außerdem wurde über die Steuerschaltung eine Blockierung des Antriebs immer dann realisiert, wenn vom Encoder keine Signale geliefert werden. In diesem Stand-by-Betrieb werden von der Bedienperson Eingriffe am Mikrotom vorgenommen und es besteht eine erhebliche Verletzungsgefahr am Schneidmesser. Durch ein automatisches Blockieren des Antriebs wird diese Gefahr minimiert.
Dabei kann der Antriebsmotor als Schrittmotor ausgebildet sein und die Blockierung des Antriebs durch eine ständige Bestromung des Schrittmotors über die Steuerschaltung erfolgen.
Es kann natürlich auch ein einfach aufgebauter DC-Antriebsmotor vorgesehen sein, wobei hier zur Blockierung des Antriebs der Motor über die Steuerschaltung entweder im Kurzschluß betrieben oder mit einem Haltestrom beaufschlagt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, im Antrieb eine über die Steuerschaltung schaltbare elektromagnetische Bremse anzuordnen. Diese Bremse spricht grundsätzlich dann an, wenn der Antrieb stromlos geschaltet ist bzw. wenn kein Encodersignal vorliegt. Diese Bremse kann auch zusätzlich zu den bereits beschriebenen Blockierungen des Antriebs über den Antriebsmotor vorgesehen sein.
Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Leistung des Antriebsmotors über die Steuerschaltung begrenzt wird. So kann die Leistung des Motors beispielsweise in Abhängigkeit von der zu schneidenden Probe durch eine manuelle Vorgabe über ein Bedienpult eingestellt werden. Über diese Vorgabe wird dann in der Steuerschaltung der Maximalstrom des Antriebsmotors auf das notwendige Maß begrenzt.
Zur gewohnten Handhabung des Handrades kann diesem eine mechanische Schwungmasse zugeordnet sein. Das Handrad kann ferner mit einer mechanischen Bremse versehen sein, damit ein drehendes Handrad nicht über einen längeren Zeitraum nachlaufen kann. Dazu ist es vorgesehen, dem Handrad eine mechanische Bremse mit einer gegen das Mikrotom vorgespannten Feder zuzuordnen. Es können selbstverständlich auch andere kraftschlüssige Verbindungen eingesetzt werden.
Es ist ferner vorgesehen, über das Bedienpult einen Faktor vorzuwählen, der in der Steuerschaltung das Verhältnis der Encodersignale zur Motordrehzahl ändert. Selbstverständlich kann das Bedienpult auch Schalter für den motorischen Antrieb aufweisen, so daß nach der Einstellung und Justage des Schneidmessers zum Objekt, in die Betriebsart Serienschnitt umgeschaltet werden kann. In diesen Fällen wird der Antriebsmotor nicht mehr über eine Bewegung am Handrad gesteuert. Als Sicherheitsmaßnahme kann es jedoch auch vorgesehen sein, daß die Betriebsart Serienschnitt immer dann abgeschaltet wird, wenn der Encoder durch eine Handradbewegung wieder Signale an die Steuereinrichtung abgibt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Antrieb des Mikrotoms zusätzlich einen Winkelcodierer aufweisen oder der Encoder als Inkrementalgeber mit Referenzsignal ausgebildet sein. Damit wird erreicht, daß sich die Stellung des Schneidmessers zum Objekt eindeutig identifizieren läßt. Dadurch ist es dann auch möglich, die Motordrehzahl und/oder die Motorleistung während eines Schneidzyklus über die Steuerschaltung zu variieren. So ist es von Vorteil, wenn während der motorischen Zustellung des Objektes zum Schneidmessers bzw. umgekehrt, eine hohe Motordrehzahl und/oder eine geringe Motorleistung gewählt wird und während des eigentlichen Schneidvorganges die Motordrehzahl verringert und/oder die Motorleistung erhöht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Motordrehzahl und/oder die Motorleistung von der Steuerschaltung auf ein Minimum reduziert, wenn manuelle Eingriffe am Mikrotom, z. B. durch einen Objekt- oder Messerwechsel, notwendig werden. Diese Funktion kann durch die Steuereinrichtung immer dann realisiert werden, wenn beispielsweise über das Bedienpult eine entsprechende Eingabe vorgenommen wird, oder wenn durch eine Rückwärtsbewegung des Handrades entsprechende Encodersignale von der Steuereinrichtung empfangen werden.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: eine Ansicht des Mikrotoms mit einem Handrad und einem extern angeordneten Bedienpult
Fig. 2: einen Prinzipdarstellung des Antriebs mit dem Handrad und der Steuerschaltung
Die Fig. 1 zeigt ein Mikrotom 1 mit einem Mikrotomgehäuse 2, einem Messerhalter 3 zur Aufnahme eines Schneidmessers 4. Ein Objekt 7 ist mit seinem Objekthalter 6 auf einem in Doppelpfeilrichtung beweglichen Schlitten 5 angeordnet. Am Mikrotom 1 ist ein drehbar gelagertes Handrad 8 mit einem Handgriff 9 angeordnet. Durch Drehen am Handrad 8 wird der Objektschlitten 5 bewegt und das Objekt 7 über die Schneide des Messers 4 geführt. Das Handrad 8 ist im Gegensatz zu herkömmlichen Mikrotomen nicht über ein Getriebe mit dem Objektschlitten 5, sondern mit einem im Innern des Mikrotoms 1 angeordneten Encoder 16 (Fig. 2) und einer dem Encoder nachgeordneten Steuerschaltung 15 (Fig. 2) verbunden. Die Steuerschaltung ist über eine Steuerleitung 22 an ein externes Bedienpult 10 angeschlossen. Das Bedienpult 10 weist ein Tastenfeld 11 für numerische Eingaben, einen Drehregler 13 für kontinuierlich veränderbare Eingaben und Schalter 12 zur Eingabe bestimmter Schaltstellungen und Betriebszustände auf.
Die Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung des Antriebs 14 mit dem Handrad 8 und der Steuerschaltung 15. Das Handrad 8 ist auf einer Handradachse 25 angeordnet, die durch das Mikrotomgehäuse 2 geführt ist und an ihrem anderen Ende den Encoder 16 trägt. Auf der Handradachse 25 ist eine Feder 19 befestigt, die gegen das Mikrotomgehäuse 2 gespannt ist. Die als Bremse wirkende Feder 19 ist notwendig, damit das bewegte Handrad 8 nach einer gewissen Zeitspanne zum Stillstand kommt und das Nachlaufen des Handrads auf ein sinnvolles Maß beschränkt wird.
Außerdem trägt die Handradachse 25 eine Schwungmasse 18. Die auf der Handradachse 25 angeordnete Schwungmasse 18 ist notwendig, um einen möglichst gleichmäßigen Lauf des Handrades 8 bzw. des Encoders 16 zu gewährleisten.
Durch Drehung am Handrad 8 werden vom Encoder 16 entsprechende Signale über eine Steuerleitung 21 an die Steuerschaltung 15 abgegeben. Die Steuerschaltung 15 ist über eine Steuerleitung 23 mit einem Antriebsmotor 17 zur Bewegung des Objektschlittens 5 (Fig. 1) über ein nicht mit dargestelltes Getriebe verbunden. Entsprechend den Encodersignalen wird der Antriebsmotor 17 von der Steuerschaltung mit Strom beaufschlagt. Die Steuerschaltung 15 ist so ausgebildet, daß im Stand-by-Betrieb, es werden keine Encodersignale empfangen, der Antrieb 14 über die Steuerschaltung 15 blockiert wird. Dazu kann der Antriebsmotor 17 beispielsweise als Schrittmotor ausgebildet sein und ständig bestromt werden, oder der Antriebsmotor 17 ist als DC-Motor ausgebildet und wird mit einem Haltestrom beaufschlagt oder mit im Kurzschluß betrieben.
Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, daß eine, über eine Steuerleitung 27, an die Steuerschaltung 15 angeschlossene elektromagnetische Bremse 26 aktiviert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist an die Steuerschaltung 15 ein Winkelcodierer 20 über eine Steuerleitung 24 angeschlossen. Über den Winkelcodierer 20 läßt sich die Stellung des Objekts zum Schneidmesser ermitteln.
Über das an die Steuerschaltung 15 angeschlossene Bedienpult 10 lassen sich verschiedene Parameter eingeben. So kann beispielsweise eine Leistungsbegrenzung und/oder eine Drehzahlbegrenzung des Antriebsmotors eingestellt werden. Diese Begrenzungen können auch innerhalb eines einzigen Schneidvorganges unterschiedliche Einstellungen haben. So soll der eigentliche Schneidvorgang langsam und mit großer Kraft ausgeführt werden, während bei der anschließenden erneuten Zustellung des Objektes auf das Schneidmesser die Leistung des Antriebsmotors begrenzt und die Drehzahl erhöht wird.
Außerdem kann über den Schalter 12 am Bedienpult 10 das Mikrotom 1 unabhängig von einer Betätigung des Handrades 8 in den Betriebszustand kontinuierlicher Serienschnitt versetzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf ein Rotationsmikrotom beschränkt, sondern kann selbstverständlich auch in einem Scheibenmikrotom oder einem Schlittenmikrotom verwendet werden.

Claims (18)

1. Mikrotom (1) zur Herstellung von Dünnschnitten, bei dem der Schneidvorgang durch eine Relativbewegung zwischen einem Schneidmesser (4) und einem Objekt (7) ausgeführt wird, wobei zur Erzeugung dieser Relativbewegung ein Antrieb (14) mit einem Antriebsmotor (17), einer Steuerschaltung (15) und einem Handrad (8) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Handrad (8) mit einem Encoder (16) verbunden ist, wobei der Encoder (16) beim Drehen des Handrades (8) entsprechende Signale an die Steuerschaltung (15) abgibt und die Steuerschaltung (15) den Antriebsmotor (17) den Signalen entsprechend ansteuert, um den Schneidvorgang auszuführen, und daß die Steuerschaltung (15) beim Fehlen von Encodersignalen den Antrieb (14) blockiert.
2. Mikrotom (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (17) als Schrittmotor ausgebildet ist und der Schrittmotor zur Blockierung des Antriebs (14) über die Steuerschaltung (15) ständig bestromt wird.
3. Mikrotom (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (17) als DC-Motor ausgebildet ist und der DC-Motor zur Blockierung des Antriebs (14) über die Steuerschaltung (15) entweder im Kurzschluß betrieben oder mit einem Haltestrom beaufschlagt wird.
4. Mikrotom (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Antriebsmotors (17) über die Steuerschaltung (15) begrenzt wird.
5. Mikrotom (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Leistung des Antriebsmotors (17), in Abhängigkeit vom Material des zu schneidenden Objektes (7), über einen einstellbaren Maximalstrom begrenzt wird.
6. Mikrotom (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Blockierung des Antriebs (14) eine über die Steuerschaltung (15) schaltbare elektromagnetische Bremse (26) vorhanden ist.
7. Mikrotom (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Handrad (8) mindestens eine Schwungmasse (18) zugeordnet ist.
8. Mikrotom (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (14) eine mechanische Bremse (19) mit einer kraftschlüssigen Verbindung aufweist.
9. Mikrotom (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kraftschlüssige Verbindung eine gegen das Mikrotomgehäuse (2) vorgespannte Feder (19) aufweist.
10. Mikrotom (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Encodersignale zur Motordrehzahl über die Steuerschaltung (15) einstellbar ist.
11. Mikrotom (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (14) zusätzlich einen Winkelcodierer (20) aufweist oder der Encoder (16) als Inkrementalgeber ausgebildet ist und so die Stellung des Schneidmessers (4) zum Objekt (7) über die Steuerschaltung (15) eindeutig identifizierbar ist.
12. Mikrotom (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Motordrehzahl und/oder die Motorleistung während eines Schneidzyklus über die Steuerschaltung (15) variierbar ist.
13. Mikrotom (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß über die Steuerschaltung (15) die Motordrehzahl während des Schneidvorganges gesenkt und nach dem Schneidvorgang wieder erhöht wird.
14. Mikrotom (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß über die Steuerschaltung (15) die Motorleistung während des Schneidvorganges erhöht und nach dem Schneidvorgang wieder begrenzt wird.
15. Mikrotom (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (15) mit einem Bedienpult (10) zur manuellen Eingabe von veränderbaren Parametern zur Mikrotomsteuerung verbunden ist.
16. Mikrotom (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Bedienpult (10) einen Schalter (12) für Serienschnitt ausweist und der Antriebsmotor (17) über diesen Schalter (12) und die Steuerschaltung (15) direkt angesteuert wird.
17. Mikrotom (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß über die Steuerschaltung (15) die Leistung und die Drehzahl des Antriebsmotors (17) auf ein Minimum einstellbar sind.
18. Mikrotom (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrotom (1) als Scheibenmikrotom oder als Rotationsmikrotom oder als Schlittenmikrotom oder als Vibratom ausgebildet ist.
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