DE3620887C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine autonom arbeitende Mikroskopierein­ richtung zum Untersuchen von Proben im Weltraum.

Die Untersuchung biologischer Proben, die den Einflüssen der Mi­ krogravitation und der erhöhten Strahlenbelastung im Weltraum ausgesetzt sind, erfolgt zur Zeit im wesentlichen nach der Rück­ kehr zur Erde, durch direkte Beobachtung durch Astronauten oder durch Kamerasysteme. Als Beispiel sei hier das makroskopische Wachstums- und Vermehrungsverhalten von Pflanzen und Tieren ange­ führt.

Insbesondere Untersuchungen humanbiologischer Proben, wie zum Beispiel das Verhalten des Immunsystems (Lymphozyten) im Blut eines Menschen während des Aufenthaltes im Weltraum, machen eine sofortige mikroskopische Untersuchung der den Astronauten während des Raumfluges entnommenen Blutproben notwendig. Da bei solchen Experimenten nur umfangreiche Untersuchungen des Blutes unter­ schiedlicher Astronauten (und nach unterschiedlicher Flugdauer) aussagekräftige Ergebnisse liefern, stellt sich die rein manuelle Durchführung der mikroskopischen Untersuchung durch die Astronau­ ten als zu zeitaufwendig dar.

Damit wird deutlich, daß ein Bedarf nach einer autonom arbeitende Mikroskopiereinrichtung zum Untersuchen von Proben im Weltraum besteht, insbesondere wenn berücksichtigt wird, daß für Langzeit­ raumflüge (interplanetar und im Erdorbit) die genaue Kenntnis zum Beispiel der Arbeitsweise des menschlichen Immunsystems von großer Bedeutung ist.

In der Druckschrift "Bild der Wissenschaft, Mai 1986, Heft 5, S. 136-143" wird beispielsweise darauf hingewiesen, daß ein Bedarf an einer Mikroskopiereinrichtung besteht, welche selbstständig Zellen in genauer Fokussierung hält und eine Übertragung dieser Bilder in ausreichender Qualität zur Bodenstation gewährleistet.

Aus der DE-OS 33 13 789 ist zudem eine selbsttätige mikroskopi­ sche Untersuchungseinrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung und Wiederfindung von Objekten in einem Mikroskopierbild bekannt, mit deren Hilfe beispielsweise Leukozyten nach bestimmten Gruppen automatisch klassifiziert und ggf. bestimmte individuelle Objekte in einem späteren Untersuchungsablauf wiedergefunden werden kön­ nen.

Nachteilig bei dieser Einrichtung für einen Betrieb im Weltraum ist, daß die Bildschärfe eines Objektes bei jedem Objektträger ma­ nuell neu eingestellt werden muß und daß die Mikroskopierbilder in dieser Einrichtung ausgewertet werden. Dies bedeutet erstens, daß die Untersuchungen einer Vielzahl von auf Objektträgern be­ findlichen Proben nicht automatisch erfolgen kann, und zweitens, daß für die Auswertung der Mikroskopierbilder leistungsfähige Computer und elektronische Speicherkapazitäten zur Verfügung stehen müssen. Dies ist für den Einsatz in einem Raumfahrzeug aus Gewichts- und Volumengründen nicht sinnvoll. Ein weiterer Nach­ teil ist, daß zur Untersuchung einer Probe erhebliche Zeit ver­ streicht, in der die Einrichtung nicht für die Untersuchung von Proben auf anderen Objektträgern zur Verfügung steht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine autonom arbeitende Welt­ raum-Mikroskopiereinrichtung zu entwickeln, die erzeugte Mikros­ kopierbilder erfaßt und zur Erde sendet, wo sie mit Bildverarbei­ tungsanlagen aufbereitet und von Experimentatoren und/oder Raum­ fahrtmedizinern ausgewertet werden können.

Diese Aufgabe ist durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Erfindung wird anhand der beigelegten Zeichnung näher erläu­ tert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der im Raumfahr­ zeug befindlichen Mikroskopier- , Bildanalyse- und Bilddatensendeeinrichtungen und

Fig. 2 die bodenseitigen Bilddatenempfangs-, -ver­ arbeitungs- und -ausgabegeräte.

Ein Leichtbaumikroskop 19 ist über einem Drehtisch 1 so angeord­ net, daß eine der auf diesem Drehtisch 1 befestigten und kodierten Proben a, b, c von dem Objektiv des Leichtbaumikroskopes 19 optisch erfaßt wird. Das von dem Mikroskop erzeugte Bild wird von einer Kamera 2 mit ladungsgekoppeltem Bildsensor (CCD-Kamera) aufgenom­ men und in digitale Bildsignale umgewandelt. Diese Bildsignale werden einem Bildschärfen-Analysiergerät 5 zugeleitet, mit dem der Kontrast der Objektkonturen bestimmt und das Bild abgespeichert wird. Anschließend wird ein als Mikroskoptrieb dienender Schritt­ motor 3 angesteuert, der den Abstand zwischen dem Mikroskopobjek­ tiv und der zu untersuchenden Probe um einen vorher festgelegten und von der gewählten Vergrößerung abhängigen Abstand verändert. Das nun von der CCD-Kamera 2 aufgenommene Bild wird wieder dem Bildschärfen-Analysiergerät 5 zugeleitet, in einem zweiten Bild­ speicher abgelegt und mit dem zuvor abgespeicherten Bild vergli­ chen. Hat sich eine Verbesserung des Bildkontrastes und damit der Bildschärfe ergeben, so wird der Schrittmotor 3 erneut aktiviert und der Abstand zwischen Mikroskopobjektiv und Probe um den glei­ chen Betrag in gleicher Richtung vergrößert. Anschließend wird das nun aufgenommene dritte Bild im Bildschärfen-Analysiergerät 5 ab­ gespeichert, mit dem zweiten abgespeicherten Bild verglichen und eine Verbesserung oder Verschlechterung der Bildschärfe festge­ stellt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis das Bild­ schärfen-Analysiergerät 5 eine Verschlechterung der Bildschärfe feststellt. Ist dies der Fall, so wird das vorletzte und damit kontrastreichste Bild in digitaler Form einer Bildsignal-Aufbe­ reitungsanlage 6 zugeleitet und gelangt von dieser über eine Sen­ deeinrichtung 7 des Raumfahrzeuges zu einer Erdempfangsstation 8.

Für den Fall, daß nach der ersten Veränderung des Abstandes zwi­ schen Untersuchungsobjekt und Mikroskopobjektiv eine Verschlech­ terung des Bildkontrastes eintrat, wird mit Hilfe des Schrittmo­ tors 3 dieser Abstand nach dem oben beschriebenen Optimierungs­ verfahren solange in die entgegengesetzte Richtung verändert, bis das kontrastreichste Bild zur Übermittlung zur Erde zur Verfügung steht.

Nach dem Empfang der Bilddaten auf der Erde werden diese von an sich bekannten Bilddatenverarbeitungsanlagen zu normalen und/oder Falschfarbenaufnahmen verarbeitet, auf geeigneten Datenspeicher­ geräten 10, 11 abgespeichert und wahlweise als Papierkopie 12 ausgegeben, auf Kontrollmonitoren 13 abgebildet sowie auf Bild­ aufzeichnungsgeräten 14 aufgezeichnet und zu probenspezifischen Videofilmen zusammengefügt.

Nach dem Sendevorgang der bestmöglichen Objektabbildung erhält die Ansteuerelektronik 16 des Schrittmotors 15 ein Signal zur Positionierung des nächsten Untersuchungobjektes unter dem Mi­ kroskop. Damit wird die nächste Probe beobachtbar und anschlie­ ßend ihr bestes mikroskopiertes Bild zur Erde gesandt. Auf diese Weise lassen sich alle auf dem Drehtisch 1 befindlichen Proben in ständiger Wiederholung untersuchen, oder nach einem automatischen Auswechseln einer Probenbefestigungsplatte auf der Drehtisch­ scheibe mit anderen Proben zusätzliche Untersuchungsobjekte be­ obachten.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist diese Mikroskopiereinrichtung mit einer automatischen Objektiv- und Filterwechseleinrichtung sowie mit einer Einrichtung zum auto­ matischen Wechseln und Archivieren der Probenbefestigungsplatten mit auf diesen befestigten Proben versehen. Zudem sind alle Funk­ tionen von der Erde aus fernsteuerbar sowie im Falle eines tech­ nischen Fehlers von Astronauten manuell bedienbar. Als Mikros­ koptyp ist ein Lichtmikroskop vorgesehen, welches für Auf- und Durchlichtuntersuchungen geeignet ist. Für diese Aufgaben verfügt es über geeignete Beleuchtungseinrichtungen 17.

Claims (12)

1. Autonom arbeitende Mikroskopiereinrichtung zum Unter­ suchen von Proben im Weltraum, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mikroskopiereinrichtung einen von einem Schrittmotor (15) angetriebenen Drehtisch (1), ein Leichtbaumi­ kroskop (19) mit CCD-Kamera (2), ein Bildschärfen-Analysiergerät (5) und eine Bildsignal-Aufbereitungsanlage (6) aufweist, wobei die Bildsignal-Aufbereitungsanlage (6) und die Ansteuerungselek­ tronik (16) des Schrittmotors (15) an eine Sendeeinrichtung (7) des Raumfahrzeuges angeschlossen sind, daß zu untersuchende Pro­ ben (a, b, c) mit einer Probenbefestigungsplatte auf dem Drehtisch (1) angebracht sind, daß die Proben (a, b, c) unter dem Leichtbau­ mikroskop (19) positionierbar sind, an dessen Okularseite die das erzeugte Bild aufnehmende CCD-Kamera (2) befestigt ist, daß die digitalen Bilddaten der CCD-Kamera (2) dem Bildschärfen-Analy­ siergerät (5) zugeleitet sind, das den Kontrastgehalt der abge­ bildeten Objektkonturen bestimmt und das Bild in einem ersten elektronischen Bildspeicher abspeichert, daß eine Ansteuerungs­ elektronik (4) einen Mikroskoptrieb (3) zu einer von der gewähl­ ten Vergrößerung abhängigen Abstandsänderung zwischen Objekt und Mikroskopobjektiv ansteuert, daß das nach der Abstandsänderung von der CCD-Kamera (2) erzeugte Bild im Bildschärfen-Analysier­ gerät (5) einem zweiten elektronischen Bildspeicher zum Vergleich mit dem zuvor abgespeicherten Bild zugeführt wird, um in Abhän­ gigkeit des Vergleiches den Mikroskoptrieb (3) zur Einstellung auf optimale Bildschärfe anzusteuern, daß das so erzeugte kon­ trastreichste Bild zu der Bildsignal-Aufbereitungsanlage (6) ge­ langt und über die Sendeeinrichtung (7) zu einer Empfangsstation (8) auf der Erde übermittelt wird, und daß von der Sendeeinrich­ tung (7) ein Steuersignal für die Ansteuerelektronik (16) des Schrittmotors (15) des Drehtisches (1) gesendet wird, wodurch eine andere Probe unter das Objektiv der Mikroskopiereinrichtung positioniert und beobachtbar wird.

2. Mikroskopiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zur Erde gesendeten Bilddaten von geeigneten Datenverarbeitungsanlagen zu normalen und/oder Falschfarbenauf­ nahmen verarbeitet werden, und daß diese Bilder direkt und/oder nach einer Zwischenspeicherung auf Datenträgern zur Auswertung zur Verfügung stehen.

3. Mikroskopiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das verwendete Mikroskop ein Lichtmikroskop ist.

4. Mikroskopiereinrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils zu untersuchenden Probe von einer geeigneten Beleuchtungseinrichtung (17) ausgeleuchtet wird.

5. Mikroskopiereinrichtung nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Mikroskop eine fern­ gesteuert arbeitende Objektiv-Wechseleinrichtung aufweist.

6. Mikroskopiereinrichtung nach den Ansprüch 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Mikroskop eine fern­ gesteuert arbeitende Filter-Wechseleinrichtung aufweist.

7. Mikroskopiereinrichtung nach den Ansprüchen 1, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehtisch (1) eine auto­ matisch auswechselbare Probenbefestigungsplatte aufweist, die je­ weils mit einer Anzahl von kodierten Proben bestückt ist.

8. Mikroskopiereinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die von der Empfangsstation (8) empfan­ genen und von der Datenverarbeitungsanlage (9) verarbeiteten Bilddaten als digitale Daten auf Datenspeichergeräten (10, 11) ab­ gespeichert werden.

9. Mikroskopiereinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die von der Empfangsstation (8) empfan­ genen und von der Datenverarbeitungsanlage (9) verarbeiteten Bilddaten von geeigneten Geräten als Papierbilder (12) ausgegeben werden.

10. Mikroskopiereinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die von der Datenverarbeitungsanlage (9) verarbeiteten Bilddaten auf Videoaufzeichnungsgeräten (13) als aufeinanderfolgende Einzelbilder zu probenspezifischen Video­ filmen aufgezeichnet werden.

11. Mikroskopiereinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Datenverarbeitungsanlage (9) verarbeiteten Bilddaten auf Bilddarstellungsgeräten (14) wie­ dergegeben werden.

12. Mikroskopiereinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß alle automatischen Funktionen der Mikroskopiereinrichtung von der Erde aus fernsteuerbar und/oder von Astronauten manuell betätigbar sind.