DE3615715C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrotom zum Herstellen von Präparaten geringer Schichtdicke mit einem auf- und abbewegbaren Präparatarm, dessen vorderes Ende einen mit Hilfe eines Vorschubantriebs in Richtung auf ein Messer vorschiebbaren Präparathalter trägt, wobei das Präparat in einem von der Rückseite beleuchteten transparenten Objektblock eingebettet ist, der über das vordere Ende des Präparathalters hinausragt.

Ein derartiges Mikrotom ist aus der DE-OS 32 35 951 bekannt und verfügt über einen transparenten Objekt­ block, der aus einem transparenten Kunststoff, insbe­ sondere Epoxid oder Polyester besteht. Temperatur­ schwankungen in der Umgebung führen infolge der thermo­ expansiven Eigenschaften dieser zur Einbettung des jeweiligen Gewebematerials verwendeten Thermoplaste zur Ausdehnung oder Schrumpfung des Objektblockes und damit zu Verschiebungen des Präparates in Richtung auf das Messer zu oder von dem Messer weg. Diese thermisch bedingten Verschiebungen des eingeschlossenen Präpara­ tes können je nach den auftretenden Temperaturverän­ derungen sogar wesentlich höhere Vorschubbeträge be­ wirken als diejenigen, die vom Benutzer als Zustellweg für die Mikrotommechanik vorgegeben worden ist. Um die Temperaturveränderungen infolge einer Erwärmung durch Beleuchtungslicht zu vermeiden, ist beim Stand der Technik ein Faserlichtleiter vorgesehen, mit dessen Hilfe das Licht einer im Abstand vom Objektblock an­ geordneten Glühlampe in den Objektblock eingespeist wird. Weitere Vorkehrungen sind getroffen, um Ver­ änderungen der Umgebungstemperatur zu vermeiden. Da jedoch bereits sehr kleine Veränderungen der Umgebungs­ temperatur verhältnismäßig große thermische Ausdeh­ nungen mit sich bringen, ist es bei dem Mikrotom gemäß dem Stand der Technik nicht gewährleistet, daß die jeweiligen Schnittdicken den voreingestellten Vorschub­ beträgen entsprechen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikrotom der eingangs genannten Art zu schaffen, das auch bei sich ändernden Umgebungstemperaturen trotz der thermo­ expansiven Eigenschaften des Objektblockes einen prä­ zisen Vorschub des Präparates gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem vorderen Ende des Präparathalters und dem Messer eine Optik zur Abbildung des das Präparat ein­ schließenden Objektblockes auf einen optischen Sensor angeordnet ist, der an einen rückgekoppelten Regelkreis für den Vorschubantrieb angeschlossen ist.

Dadurch, daß gemäß der Erfindung ein Regelkreis vor­ gesehen ist, dessen Istwert direkt durch eine optische Abbildung auf den optischen Sensor erfaßt wird, stören Abstandsveränderungen zwischen dem im Objektblock eingeschlossenen Präparat und dem Präparathalter nicht mehr.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird das eingebettete Präparat direkt auf den optischen Sensor abgebildet. Bei einem weiteren Ausführungsbei­ spiel der Erfindung ist der Objektblock in der Nähe des Präparates mit einer optischen Markierung, beispiels­ weise einem Blendenring oder einem Drahtring versehen.

Infolge der Nachbarschaft zum eingeschlossenen Präparat erfährt die optische Markierung bei einer thermischen Expansion oder Kontraktion des Objektblockes die glei­ che Verschiebung wie das Präparat selbst.

Als Sensor kann eine Diodenzeile mit sehr eng benach­ barten lichtempfindlichen Dioden oder aber ein analog arbeitendes opto-elektronisches Potentiometer verwendet werden. Das Ausgangssignal des auf diese Weise gebil­ deten optischen Sensors steht dann dem Regelkreis des Mikrotoms zur Verfügung, um einen präzisen Vorschub und eine sehr genaue Steuerung der Bewegung des zu bearbei­ tenden Präparates zu erreichen.

Oft werden die Präparate mit einem Osmiumsalz (OsO₄) fixiert, wodurch das Präparat schwarz wird und als solches durch die transparente Einbettmasse erkennbar ist. In diesem Fall kann gemäß einem weiteren Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung auch das Präparat selbst abgebildet werden. Für den durch das optoelektronische Potentiometer gebildeten Detektor selbst ist die Wahl des jeweiligen Signals unerheblich, da lediglich die Wanderung des schwarzen oder hellen Punktes ermittelt wird und die Differenzstrecke der Ermittlung des ei­ gentlichen "wahren" Vorschubes dient.

Die Ausgangssignale der an das optoelektronische Po­ tentiometer angeschlossenen Verstärkerelektronik werden über eine Schnittstelle dem für die Mikrotomsteuerung vorgesehenen Rechner zugeführt.

Wird die Vorschubsteuerung durch den Objektblock ein­ gesetzt (erforderlich bei Schnittflächen unter 50 nm, da die Thermoexpansionseffekte der Probe in diesem Bereich präzisionsbestimmend sind), erfolgt lediglich die Grobsteuerung des Vorschubantriebs über die Po­ sitionsausgabe des Motormikrometers.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Mikrotom gemäß der Erfindung im Schnitt,

Fig. 2 den optischen Wegstreckensensor für das Mikrotom gemäß einem ersten Ausführungsbei­ spiel in einer vergrößerten Darstellung,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für den optischen Wegstreckensensor,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für den Wegstrecken­ sensor, bei dem das Präparat als Markierung dient und

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Veran­ schaulichung der Vorschub- und Retraktions­ bewegungen des Präparatarmes.

In Fig. 1 erkennt man schematisch im Schnitt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Mikrotoms 1. Das Mikro­ tom 1 ruht auf Füßen 2, die eine untere Trägerplatte 3 abstützen. Auf der unteren Trägerplatte 3 ist eine Zwischenschicht 4 zur Dämpfung von Schwingungen aufge­ bracht, die die Unterlage für eine obere Trägerplatte 5 bildet.

Auf der oberen Trägerplatte 5 ist das Gehäuse 6 des Mikrotoms 1 aufgebaut. Das Gehäuse 6 hat eine Wandung aus einem Schichtwerkstoff, beispielsweise Polyste­ rol-Aluminium-Polysterol. Auf diese Weise ist das Gehäuse 6 thermisch nach außen gut isoliert, wenn mit Hilfe von Heizfolien 7 der Innenraum 8 des Gehäuses 6 auf beispielsweise eta 30°C aufgeheizt wird.

In den Innenraum 8 des Gehäuses 6 ragt ein Thermosensor 9 hinein, der es gestattet, mit einer quasi-hysterese­ freien Proportionalregelung die Heizfolien 7 so zu steuern, daß die Temperatur im Innenraum 8 des Gehäuses 6 konstant bleibt. Auf diese Weise wird eine Stabili­ sierung der Umgebungsbedingungen im Innenraum 8 er­ zielt.

Im Innenraum 8 des Gehäuses ist auf der oberen Träger­ platte 5 ein Lagerbock 10 hoher Masse angeordnet, an dem ein Objektarm 11 über ein Federlager schwingungs­ frei beweglich montiert ist. Auf der Oberseite des Objektarmes 11 ist eine Lasche 12 mit einer Öffnung 13 befestigt, durch die ein Stahldraht 14 hindurchragt, mit dessen Hilfe der Objektarm 11 auf- und abbewegt werden kann. Der Stahldraht 14 ist mit seinem oberen Ende mit einer Scheibe 15 verbunden, die die Dreh­ bewegung einer in der Zeichnung nicht dargestellten Welle in eine Hubbewegung für den Objektarm 11 umsetzt.

Der Objektarm 11 enthält einen Vorschubantrieb für einen Präparatarm 18, an dessen vorderem Ende ein Präparathalter 19 aus Keramik befestigt ist.

Im Bereich des Präparatarmes 18 ist im Gehäuse 6 ein Fenster 20 vorgesehen, das so gestaltet ist, daß Wärme­ strömungen vermieden werden.

Im Innenraum 8 ist weiterhin ein Lüfter 21 mit einem Motor 22 angeordnet.

Das dem Präparathalter zugeordnete Messer 31 ist wäh­ rend des Schneidens feststehend, wobei die zum Schutz der Schneidkante 32 des Messers 31 notwendige Retrak­ tion durch eine Rückzugsbewegung des Präparatarmes 18 ersetzt ist.

Das Messer 31 ist in an sich bekannter Weise in der Halterung 33 in Längsrichtung des Präparatarmes 18 verschiebbar, was beispielsweise mit Hilfe einer Spin­ del 34 erreicht werden kann, die über ein Betätigungs­ rad 35 verdrehbar ist. Die Schneidkante 32 ist vorteil­ hafterweise in der Höhe angeordnet, die der Lage der Stirnseite des Präparates entspricht, wenn der Präpa­ ratarm 18 in der Horizontalen liegt.

Der Objektarm 11 besteht aus einem Block 40 aus spongi­ öser Keramik, in dem die den Vorschub und die Retrak­ tion des Präparathalters 19 bewirkenden Teile unter­ gebracht sind.

Im Block 40, der im wesentlichen einen quadratischen Querschnitt besitzt, ist eine Aufnahemausnehmung 41 für das bereits erwähnte Federlager vorgesehen. Die Arre­ tierung der Feder des Federlagers erfolgt mit Schrauben 42, die sich durch den Block 40 bis zur Aufnahmeaus­ nehmung 41 erstrecken.

Im Block 40 ist mit Klemmschrauben 44 ein Motormi­ krometer befestigt. Das Motormikrometer ist über in der Zeichnung nicht dargestellte Leitungen mit dem Rechner des Mikrotoms 1 verbunden. Die Stellung der Mikrometer­ spindel des Motormikrometers wird optoelektronisch erfaßt und digital ausgegeben. Das vordere Ende der Mikrometerspindel dient als Stempel zur Verschiebung und zum Erzeugen eines Vorschubs für den Präparatarm 18. Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Schrauben­ feder ist mit ihren Enden so abgestützt, daß sie den Präparatarm 18 fest gegen das vordere Ende der Spindel des computergesteuerten Motormikrometers andrückt. Unter der Steuerung des Rechners kann daher mit Hilfe des Motormikrometers ein äußerst präziser Vorschub und Rückzug des Präparatarms 18 durchgeführt werden.

Der Präparatarm 18, dessen vorderes Ende mit dem Präpa­ rathalter 19 verbunden ist, hat einen Teflonüberzug.

Der Teflonüberzug des Präparatarmes 18 ist in einer Teflonführungshülse gleitend gelagert, so daß eine ruckfreie Bewegung des Präparatarmes 18 erreicht wird.

Um die hohen Temperaturdifferenzen zwischen dem Objekt von beispielsweise -160° im Kryobetrieb und dem Mikro­ tom in der Größenordnung von 20°C abzufangen und eine Bereifung des Blockes 40 zu vermeiden, ist der Block 40 auf der in Fig. 1 rechts dargestellten Seite mit einem vorderen Lagerschild 55 versehen, dessen Querschnitt dem Querschnitt des Blockes 40 entspricht. Der vordere Lagerschild 55 besteht ebenfalls aus spongiöser Keramik und ist über Schrauben 56 mit dem Block 40 verbunden. Zwischen dem Block 40 und dem vorderen Lagerschild 55 ist eine Dehnfuge 57 vorgsehen, die mit graphitiertem PU-Schaum 58 ausgefüllt ist.

Das Messer 31 ist wie bereits erwähnt feststehend angeordnet, da auf diese Weise die erreichbare Rück­ stellpräzision im Verhältnis zur Vorschubpräzision bei einer Bewegung des Präparatarmes 18 wesentlich ge­ steigert werden kann. Die zum Schutz der Schneidkante 32 des Messers 31 notwendige Retraktion wird bei dem beschriebenem Mikrotom 1 nur noch durch eine Bewegung des Präparathalters 19 bzw. des Präparatarmes 18 be­ wirkt. In Verbindung mit der in der Zeichnung nicht dargestellten Steuerelektronik stellt die beschriebene Vorrichtung einen hochpräzisen Linearantrieb für Ultramikrotome dar.

Außerhalb des Gehäuses 6 ist auf der oberen Träger­ platte 5 ein in den Fig. 1 bis 4 schematisch darge­ stelltes optoelektronisches Potentiometer 61 angeord­ net, mit dessen Hilfe die genaue Lage einer Markierung 62 auf einem Objektblock 63 aus transparentem Kunst­ stoff mit einem eingebetteten zu schneidenden Präparat erfaßt wird. Durch Auswerten der Signale des optoelek­ tronischen Potentiometers 61 ist es dem Rechner des Mikrotoms 1 möglich, die tatsächlichen Bewegungen des Präparathalters 19 und des Präparates mit großer Ge­ nauigkeit zu erfassen. Auf diese Weise kann die Steue­ rung des Vorschubes des Präparatarmes 18 sehr genau durchgeführt werden, da mit Hilfe des optoelektroni­ schen Potentiometers 61 immer die tatsächliche Lage des Präparates unabhängig von Thermoexpansionseffekten erfaßt wird. Lediglich die Grobsteuerung des Vorschub­ antriebs erfolgt über die Positionsausgabe des Motor­ mikrometers.

Für die Funktionen der Vorrichtung ist es von Bedeu­ tung, daß die Umgebung des Präparates und des Sensors keine reflektierenden Bauelemente mit störenden Re­ flexionen enthält. Vorteilhafterweise werden der Präpa­ rathalter 19 und der Messerhalter schwarz mattiert und die Messerkante des Mikrotoms mit einer Punktlicht­ quelle beleuchtet.

Das optoelektronische Potentiometer 61 wird von der Silicon Detector Corporation, Newbury Park in Cali­ fornien unter der Nr. SD-1166-21-11-391 vertrieben. Es arbeitet wie ein Potentiometer, dem ein Strom über seinen Abgriffkontakt zugeführt wird. Ein Lichtpunkt auf dem optoelektronischen Potentiometer erzeugt durch den Fotoeffekt einen intensitätsabhängigen Strom, der sich in einer Zwischenschicht des Detektors in zwei Teilströme zu den Endkontakten aufteilt. Auf diese Weise kann die Position eines Lichtfleckes mit sehr großer Genauigkeit erfaßt werden, wenn die sehr kleinen Ströme des Potentiometers mit einem rauscharmen Ope­ rationsverstärker ausgewertet werden.

Wie man in den Fig. 1 bis 4 erkennt, ist dem vor dem Messer 31 des Mikrotoms 1 angeordneten optoelektroni­ schen Potentiometer 61 eine abbildende Optik 63 zuge­ ordnet. Die abbildende Optik 63 bildet die Markierung 62 auf das optoelektronische Potentiometer 61 ab.

Wie man in den Fig. 1 und 2 erkennt, ist dem Objekt­ block 63 ein Lichtwellenleiter 65 zugeordnet, durch den das Licht einer Glühbirne 66 oder einer sonstigen Lichtquelle in den Objektblock 63 eingespeist wird. Der aus transparentem Kunststoff bestehende Objektblock 63 wirkt ähnlich wie ein Lichtwellenleiter und beleuchtet die Markierung 62 von der Innenseite her, so daß diese mit Hilfe der Optik 64 auf dem optoelektronischen Potentiometer 61 abgebildet werden kann, um ein dem wahren Vorschub des eingebetteten Präparats entspre­ chendes Signal zu erzeugen.

Während Fig. 1 den Gesamtaufbau des Mikrotoms 1 zeigt, ist in den Fig. 2 bis 4 der mit dem optoelektronischen Potentiometer 61 realisierte optische Wegstreckensensor vergrößert dargestellt. Außerdem zeigt Fig. 2 die Probenbeleuchtungseinrichtung in vergrößerter Dar­ stellung.

In Fig. 2 erkennt man, wie über den Lichtwellenleiter 65, der sich durch das vordere Ende des Präparatarmes 18 und durch den hinteren Teil des Präparathalters 19 erstreckt, Licht in den transparenten Objektblock 63 aus transparenter Einbettmasse eingestrahlt wird. Am vorderen Ende des Objektblockes 63 ist das zu schnei­ dende Präparat 67 zu erkennen. Infolge des äußerst geringen Abstandes zwischen dem Präparat 67 und einem lichtdurchlässigen Spalt 68 in einem den Objektblock 63 einklemmenden Federring 69 ergibt sich eine präzise Erfassung der genauen Lage des Präparates 67, weil auf der kurzen Entfernung Thermoexpansionseffekte wesent­ lcih kleiner sind als sie für einen langen Präparatarm wären.

Der Federring 69 besteht vorzugsweise aus Federbronze und bildet einen leicht auf das optoelektronische Potentiometer 61 abbildbaren Blendenring. Statt eines Federrings 69 können auch Lackringe der in Fig. 2 dargestellten Weise auf dem Objektblock 63 aufgebracht sein, um einen lichtdurchlässigen Spalt 68 zu schaffen.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf dem Objektblock 63 ein schmalter Ring 70 aus Lack oder Draht aufgebracht, der mit Hilfe der Optik 64 auf das optoelektronische Potentiometer 61 abgebildet wird.

Es ist auch möglich, das Präparat 67 selbst auf das optoelektronische Potentiometer 61 abzubilden, um auf diese Weise mit Hilfe des optoelektronischen Potentio­ meters 61 ein dem exakten Vorschub des Präparates 67 entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen, um in der von dem Signal gespeisten Steuereinrichtung für den Vorschub ein genaues Positionssignal zur Verfügung zu haben, so daß ein Regelkreis mit einer hohen Präzision zur Einstellung des Vorschubs bereitgestellt werden kann.

Der Bewegungsablauf des Präparatarmes 18 bzw. des Präparathalters 19 ist in Fig. 5 dargestellt, wo man erkennt, daß ausgehend von einem Startpunkt zunächst eine Retraktion erfolgt. Im Anschluß daran wird der Präparathalter 19 angehoben und um eine Vorschubstrecke in Richtung auf das Messer 31 bewegt, wobei die Länge der Vorschubstrecke gleich der Summe der Absolutbeträge des Retraktionsweges, des eingestellten Vorschubes und des Korrekturweges ist, der sich durch eine Rückkopp­ lungsregelung ergibt, die sicherstellt, daß das zu schneidende Präparat nach jedem Schritt genau um den eingestellten Vorschub in Richtung auf das Messer 31 ober die Schneidkante 32 bewegt wird. Nach dem Schneid­ vorgang während einer Abwärtsbewegung des Präparat­ halters 19 erfolgt wiederum eine Retraktionsbewegung, die etwa um den Betrag des eingestellten Vorschubs vor der Retraktionsbewegung des vorhergehenden Schrittes endet, wie in Fig. 5 zu erkennen ist.

Claims (8)

1. Mikrotom zum Herstellen von Präparaten geringer Schichtdicke mit einem auf- und abbewegbaren Präparatarm, dessen vorderes Ende einen mit Hilfe eines Vorschubantriebs in Richtung auf ein Messer vorschiebbaren Präparathalter trägt, wobei das Präparat in einem von der Rückseite beleuchteten transparenten Objektblock eingebettet ist, der über das vordere Ende des Präparathalters hinaus­ ragt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem oberen Ende des Präparathalters (19) und dem Messer (31) eine Optik (64) zur Abbildung des das Präparat einschließenden Objekt­ blockes (63) auf einen optischen Sensor (61) angeordnet ist, der an einen rückgekoppelten Regelkreis für den Vorschubantrieb angeschlossen ist.

2. Mikrotom nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der transparente Objektblock (63) über einen Lichtwellenleiter (65) mit Licht versorgt ist, dessen dem Objektblock (63) zuge­ ordnetes Ende sich durch den Präparatarm (18) bis zur Einspannöffnung im Präparathalter (19) er­ streckt und dessen vom Objektblock (63) wegwei­ sendes Ende mit einer Glühbirne (66) gekoppelt ist.

3. Mikrotom nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem kreiszylin­ drisch ausgebildeten Objektblock (63) ein Blen­ denring (69) mit einem umlaufenden Lichtspalt (68) aufgeschoben ist.

4. Mikrotom nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß auf dem Objektblock (63) ein lichtundurchlässiger schmaler Ring (70) aufgebracht ist.

5. Mikrotom nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ring (70) ein Lackring ist.

6. Mikrotom nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ring (70) ein Drahtring ist.

7. Mikrotom nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das durch die transparente Einbettmasse des Objektblockes (63) erkennbare Präparat (67) auf ein optoelektronisches Potentio­ meter (61) abgebildet ist.

8. Mikrotom nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Präparat (67) durch Fixie­ ren mit Osmiumsalz (OsO₄) fixiert und geschwärzt ist.