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Gebiet der
Erfindung
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Arrays
von biologischem Gewebe können
erzeugt werden, indem Kerne aus interessierenden Bereichen in einer
Serie von Spenderblöcken
eingebetteter Gewebe entfernt werden. Die entfernten Kerne werden
in einem Aufnahmeblock in einem gleichförmigen Array angeordnet. Dies
erfolgt typischerweise mit zwei unterschiedlichen Stanzen, nämlich einer zum
Erhalt der interessierenden Kerne und einer zur Erzeugung der Aufnahmeöffnungen
in dem Aufnahmeblock. Die vorliegende Erfindung betrifft ein vereinfachtes
und ökonomisches
System und eine Vorrichtung für
die automatisierte Erzeugung von Gewebearrays.
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Hintergrund
der Erfindung
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Biologische
Gewebearrays bestehen aus gleichförmigen Arrays von Kernen eingebetteten
biologischen Gewebes, angeordnet in einem schneidbaren Block, der
typischerweise aus dem gleichen Einbettungsmaterial gemacht ist,
welches ursprünglich für das Gewebe
der Kerne verwendet wurde. Die neuen Blöcke können mittels herkömmlicher
Mittel (Mikrotome etc.) geschnitten werden, um eine Vielzahl von
annähernd
identischen Abschnitten zu erzeugen, von denen jeder dutzende, hunderte
oder sogar über
tausend unterschiedliche Gewebetypen enthält. Diese Abschnitte können für eine histochemische
oder andere Untersuchungen verwendet werden. Jeder an einem dieser
Abschnitte durchgeführte Test
wird wirksam an hunderten von Proben gleichzeitig durchgeführt. Das
Ergebnis ist eine erhebliche Einsparung an Aufwand und Zeit und
ein gewisser Anstieg in der Verfügbarkeit
und Genauigkeit von Kontrollproben. Gewebearrays wurden vollständig manuell
hergestellt (Battifora, H., "The
Multitumor (sausage) tissue block: novel method for immunohistochemical
antibody testing",
Laboratory Investigation Vol. 55, pp. 244–248, 1986) und mit der Unterstützung mechanischer
Mechanismen (Kononen et al., "Tissue
microarrays for high-throughput molecular profiling of tumor specimens", Nature Medicine
Vol. 4, Number 7, July 1998, pp. 844–847), und zwar für eine Vielzahl
von biologischen Anwendungen.
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Ein
manuelles Instrument wurde in der
US-PS
6,103,518 (Leighton) mit dem Titel "Instrument for constructing tissue arrays" beschrieben. Manuelle
Verfahren wurden von denjenigen, welche instrumenten unterstützt sind,
im großen
Umfang überholt,
und zwar aufgrund der Geschwindigkeit, Präzision und erhöhten Dichte.
Bei diesen Vorrichtungen werden zwei hohle nadelartige Stanzen verwendet. Eine
etwas kleinere wird verwendet, um ein Loch in einem Aufnahmeblock,
typischerweise aus Paraffin oder einem anderen Einbettungsmedium,
zu erzeugen. Die andere, etwas größere Stanze wird verwendet,
um eine Kernprobe von einem Spenderblock eines eingebetteten biologischen
interessierenden Gewebes zu erhalten. Die Stanzen sind in ihrer
Form so, dass die von dem Spenderblock erhaltene Probe genau in
das Loch passt, welches in dem Aufnahmeblock erzeugt wurde. Somit
befindet sich die Probe in einem Passsitz in dem Aufnahmeblock und
ein präzises
Array kann erzeugt werden.
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Der
Aufnahmeblock wird während
des gesamten Vorgangs in einer geeigneten Befestigung gehalten,
obgleich er entfernt werden kann und durch einen oder mehrere andere
Aufnahmeblöcke
ausgetauscht werden kann, um aus einem Satz von Spenderblöcken mehr
als ein Array zu erzeugen. Mikrometerantriebe oder andere lineare
Präzisions-Positioniermittel
positionieren die Stanzen bezüglich
des Aufnahmeblocks oder den Aufnahmeblock bezüglich der Stanzen. Es ist klarerweise
wünschenswert,
dass die Spenderstanze exakt die gleiche x,y-Position erreicht,
welche die Aufnahmestanze an dem Aufnahmeblock für eine gegebene Einstellung
der Mikrometerantriebe erreicht. Wenn dies nicht der Fall ist, passt
die erhaltene Probe nicht glatt in das soeben für sie erzeugte Loch, sondern
wird anstelle hiervon beschädigt
oder geht verloren. Es ist weiterhin wünschenswert, dass diese Bewegung
zuverlässig
und preiswert erzeugt werden kann.
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In
Kononen et al. wird gelehrt, Gleiter und Antriebsmechanismen zu
verwenden, um die Aufnahmestanze oder alternativ die Spenderstanze
zuerst in eine Mittenposition zu bewegen. Dieser Mechanismus ist
umständlich,
teuer, langsam und neigt zu Fehlausrichtungen. Die Verwendung von
Gleitern in einem Zwischenwinkel, beispielsweise 45 Grad, wie von
Kononen et al. vorgeschlagen, ist besonders problematisch, da kleine
Fehler in der Höhenpositionierung
zu entsprechenden Fehlern in der Seitenposition führen können und
umgekehrt.
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Das
US-PS 6,103,518 von Leighton
mit dem Titel "Instrument
for constructing tissue arrays" lehrt einen
Turm oder eine andere Vorrichtung, welche ermöglicht, dass zwei Stanzen einen
einzelnen z-Achsengleiter
oder -antrieb teilen. Dieser Mechanismus ist geeignet für ein einfaches,
von Hand betriebenes Instrument, kann jedoch bei einem automatisierten Instrument,
bei dem alle Bewegungen von angetriebenen Stellgliedern (pneumatisch,
elektrisch etc.) angetrieben werden, problematisch sein. Spezielle
Mechanismen müssen
hergestellt und zusammengebaut werden, und Standardbauteile stehen
nicht zur Verfügung.
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Obgleich
die obigen Systeme betreibbar sind, verbleibt eine Notwendigkeit
für ein
System, welches vollständig
automatisiert sein kann und dennoch weniger robotische Teile als
die oben beschriebenen Systeme hat.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist Zweck der vorliegenden Erfindung, die problematische Qualität und geringe
Geschwindigkeit im Stand der Technik zu überwinden und eine einfache
präzise
Vorrichtung zum abwechselnden Positionieren der beiden Stanzen in
jedem Gewebearrayinstrument zu schaffen. Zusätzlich ist es Zweck der vorliegenden
Erfindung, eine Vorrichtung zum Aufbau eines robusten automatisierten
Instruments zu schaffen.
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Die
Erfindung umfasst die vollständige
Trennung der beiden Stanzen (Spender und Aufnahme), wobei jede ihre
eigene Senknadel (im Gegensatz zur oben beschriebenen Vorrichtung)
und jede ihre eigenen z-Antrieb (im Gegensatz zu Leighton) hat.
Die x- und y-Antriebe, die vorhanden sein müssen, um unterschiedliche Bereiche
der Spender- und Aufnahmeblöcke
in eine Position unter den Stanzen in jeder Arrayvorrichtung zu
bringen, können
einfach mit geeigneten Versatzwerten programmiert werden, um den
interessierenden Punkt bei Bedarf unter jede Stanze zu bringen.
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Da
dieser Versatzwert nun in der Steuerung verwendet wird, kann er
auch für
eine weitere Verbesserung verwendet werden: Die Positionen der Spitzen
der beiden Stanzen können
periodisch automatisch durch Sensoren gemessen werden, welche auf
der gleichen Palette wie die Spender- und Aufnahmeblöcke angeordnet
sind. Wann immer ihre Positionen sich bewegt haben können (zum
Beispiel vielleicht aufgrund der Verwendung eines dichteren Blocks
oder einer Ungenauigkeit oder vielleicht aufgrund einer Störung durch
eine Bedienungsperson oder einen Fremdkörper oder einfach durch Änderung
aufgrund des Einbaus einer neuen Stanze), können die neuen Positionen gemessen
und automatisch verwendet werden, um den Versatzwert zu erneuern.
Diese neue Kombination aus
- a) Erfassen der
Spitzenpositionen mit einem Sensor, der an der Blockhaltepalette
angeordnet ist, zusammen mit
- b) zwei unterschiedlichen z-Antrieben
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erlaubt
ein System, welches mit Standardbauteilen aufgebaut werden kann
und welches robust ist, um Umgebungsbelastungen und einer mechanischen
Drift zu widerstehen.
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Jeder
z-Antrieb bewegt seine entsprechende Stanze entlang der Achse der
Stanze. Zuerst kann jeder Antrieb seine Stanze vollständig aus
dem Weg der Aufnahme- und Spenderblöcke herausbewegen, beispielsweise
wenn die andere Stanze verwendet wird oder wenn die x- und/oder
y-Antriebe verwendet werden, um unterschiedliche Punkte auf den
Blöcken unter
die Stanzen zu bewegen oder für
eine Beobachtung. Zweitens kann jeder Antrieb seine Stanze bewegen,
um die Oberfläche
des Blocks gerade eben oder annähernd
zu berühren,
beispielsweise zum Absetzen eines Spenderkerns in einem Aufnahmeblock.
Drittens kann jeder Antrieb seine Stanze in die Blöcke hineinbewegen,
beispielsweise zum Erhalten und Entfernen eines leeren Kerns aus
einem Aufnahmeblock oder eines Gewebekerns aus einem Spenderblock.
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Da
jeder der beiden Antriebe seine Stanze in den Weg hinein- und aus
diesem herausbewegen kann und auch veranlassen kann, dass sie den
geeigneten Block berührt
oder in diesen eindringt, sind nur zwei Antriebe für zwei Stanzen
notwendig. In der mit anhängigen
Anmeldung, bei der der vorliegende Erfinder Miterfinder ist, sind
vier Antriebe notwendig, nämlich
zwei zum Bewegen der beiden Stanzen in und aus der Position und
zwei zum Bewegen der Stanzen in die Blöcke hinein und aus diesen heraus. Bei
Leighton ist ein Handbetrieb angedacht, wenn die Systeme jedoch
automatisiert werden sollten, wären zwei
Antriebe notwendig, aber sie müssten
notwendigerweise von zwei unterschiedlichen Typen sein, nämlich einem
zum Bewegen des Turms von einer Position zu einer anderen und einem
anderen zum Bewegen des Turms nach oben und unten. Dies würde zu größeren Kosten
führen,
da zwei unterschiedliche Antriebstypen für die beiden unterschiedlichen Bewegungstypen
ausgelegt und hergestellt werden müssten. Bei der vorliegenden
Erfindung können
die beiden Antriebe identisch sein, was zu verringerten Kosten und
zu einer Einfachheit führt.
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Es
liegt im Rahmen dieser Erfindung, mehr als zwei Stanzen, jede mit
ihrem eigenen Antrieb, zu verwenden, um beispielsweise rasche Änderungen zwischen
unterschiedlichen Stanzengrößen für unterschiedliche
Anwendungsfälle
zu ermöglichen.
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Der
Rest eines Systems, das diese Verbesserung verwendet, kann ähnlich zu
demjenigen sein, der bereits im Stand der Technik beschrieben worden ist.
Beispielsweise können
angetriebene oder von Hand betätigte
Mikrometerantriebe oder dergleichen verwendet werden, um den Stanzmechanismus über den
Blöcken
oder die Blöcke
unter den Stanzmechanismen zu positionieren. Eine entfernbare Brücke kann
verwendet werden, um die Spenderblöcke über den Aufnahmeblöcken zu
lagern, oder die Spenderblöcke
können
auf der gleichen Palette angebracht werden, welche die Aufnahmeblöcke hält. Die
letztere Anordnung erlaubt, dass gleiche x- und y-Antriebe und -Gleiter
sowohl für
die Spender- als auch Aufnahmeblöcke
verwendet werden.
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Bei
einer Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung hat der vorliegende
Erfinder erkannt, dass im gesamten Stand der Technik die übliche Überlegung
war, dass die beiden unterschiedlichen Stanzen permanent in einem
Teil des Mechanismus oder der Antriebe zu halten sind. Offensichtlich
wurde gedacht, dass das permanente Halten der Stanzen in entsprechenden
Haltern notwendig war, um Genauigkeit und korrekte Ausrichtung zu
garantieren, oder dass die Hauptziele nach einfachem Betrieb und
Geschwindigkeit bei einer einzelnen ausgesuchten Maschine diejenigen,
die an dieser Technik gearbeitet haben, blind für die Möglichkeit gemacht haben, einen
einzelnen Satz von x-y-z-Achsen zu verwenden und ihm einen Mechanismus
zum abwechselnden Anordnen zunächst
einer und dann der anderen von zwei oder mehr Stanzen in Position
am Arbeitsende einer der Achsen hinzuzufügen.
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Der
vorliegende Erfinder hat nun überraschenderweise
erkannt, dass die Duplex-Robotik im Stand der Technik nicht notwendig
ist, und hat eine einfache und präzise Vorrichtung zur Ausbildung
von Gewebearrays entwickelt, indem die beiden unterschiedlichen
Stanzen in jedem Gewebearrayinstrument abwechselnd angeordnet werden.
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Die
Erfindung umfasst die vollständige
Trennung der beiden Stanzen (Spender und Aufnahme) voneinander,
wobei jede ihre eigene Senknadel (im Gegensatz zu Kononen et al.)
erhält
und einen einzelnen z-Antrieb verwendet (im Gegensatz zu dem Doppel-z-Antrieb,
wie er in der Patentanmeldung von Leighton beschrieben ist), wobei
jedoch nicht auf eine umständliche
Turm- oder Gleitervorrichtung zurückgegriffen wird (wie es z.
B. in der
US-PS 6,103,518 von
Leighton "Instrument
for constructing tissue arrays" beschrieben
ist). Die Verbesserungen über
den Stand der Technik hinaus enthalten die Verwendung von austauschbaren
Stanzen, welche automatisch und abwechselnd von einem sich bewegenden
Greifer und Stellglied gehalten werden können.
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Die
x-, y- und z-Antriebe, welche zur allgemeinen Positionierung in
den meisten Laborrobotern vorhanden sind, können einfach programmiert werden,
um nicht nur die aktive Stanze in die geeignete Position gegenüber einem
Spender- oder Aufnahmeblock zu bringen und um den Stanzvorgang durchzuführen, sondern
auch, um den Stanzenhalter zu einem Magazin oder Speicherbereich
zu bringen, um eine Stanze freizugeben und um eine andere aufnehmen.
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Die
Positionen der Spitzen der beiden Stanzen können periodisch automatisch
durch Sensoren gemessen werden, welche auf der gleichen Palette wie
die Spender- und Aufnahmeblöcke
angeordnet sind. Wann immer ihre Positionen sich bewegt haben können (vielleicht
aufgrund der Verwendung eines dichteren Blocks oder durch eine Unregelmäßigkeit oder
aufgrund einer Störung
durch eine Bedienungsperson oder einen Fremdkörper oder einfach durch Änderungen
aufgrund einer neu eingebauten Stanze), können die neuen Positionen gemessen
werden und die Messung kann automatisch verwendet werden, um den
Versatzwert zu erneuern. Die Erfassung der Spitzenpositionen mit
einem Sensor an dem Block, der die Palette hält, erlaubt den Aufbau eines Systems
mit Standardbauteilen, welches robust ist, um Umgebungsanforderungen
und mechanischer Drift zu widerstehen. Die Positionserfassung kann verwendet
werden, um jegliche Änderungen
in der Spitzenposition aufgrund der abwechselnden Austauschung der
Stanzen automatisch zu beseitigen.
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Typischerweise
werden die Stanzen in einfachen Haltern aufbewahrt, welche an dem
gleichen Substrat angebracht sind, welches die Spender- und Aufnahmeblöcke hält, und
eine komplementäre
Halter- oder Greifvorrichtung
ist an einem Bauteil oder Arm angebracht, der sich bezüglich des
Substrats in Richtung x, y und z bewegen kann. (Natürlich gibt
es verschiedene Kombinationen von Bewegungen, welche sich dem Fachmann
auf dem Gebiet ergeben, beispielsweise indem das Substrat bezüglich des
Arbeitsrahmens als Referenz festgelegt ist und sich der Arm in x,
y und z bewegt, oder das Substrat wird in x und y bewegt und der
Arm bewegt sich nur in z, oder das Substrat bewegt sich in x und
der Arm bewegt sich in y und z etc. Die Bezugnahme auf eine Bewegung
in der z-Achse sei als Relativbewegung zwischen Stanze und Spender-
oder Aufnahmeblock verstanden.) Der Halter oder die Greifvorrichtung kann
zwischen einem Greif- und einem Freigabemodus durch den gleichen
Computer oder die Steuerung umgeschaltet werden, welche den Rest
der Arbeitsweisen des Instruments steuert, oder das Greifen und
Freigeben kann vollständig
mechanisch erfolgen, aktiviert durch Annäherungs- und Zurückziehbewegungen
des Greifers bezüglich
des Halteorts.
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Sobald
die geeignete Stanze fest in der Greifvorrichtung gehalten ist,
kann der Bewegungsantrieb die Stanze zur geeigneten Position zum
Ausstanzen von Löchern
in einem Aufnahmeblock, zum Abgeben von Abfall in eine Abfallaufnahme,
zur Entnahme von Gewebe aus einem Spenderblock oder zum Einsetzen
von Gewebe in einen Aufnahmeblock bewegen. Eine Oberflächenerfassungsvorrichtung kann
entweder permanent an dem Bewegungsarm angebracht sein oder sie
kann ein anderes Werkzeug sein, welches anstelle einer der Stanzen
bei Bedarf aufgenommen wird.
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Da
jede der beiden Stanzen durch die gleiche Achse aufgenommen und
verwendet werden kann, ist nur ein x-, y-, z-Antriebssystem notwendig. Dies
im Vergleich zu Kononen et al., wo sechs Antriebe notwendig sind,
nämlich
zwei zur Bewegung der beiden Stanzen in Position und aus dieser
heraus, einer zur Bewegung der Stanzen in die Blöcke hinein und aus diesen heraus
und zwei für
x-, y-Bewegungen der Blöcke.
In Leighton (
US-PS 6,103,518 "Instrument for constructing
tissue arrays")
wird ein Handbetrieb angedacht, wenn jedoch das System zu automatisieren
ist, wären
vier Antriebe notwendig und sie müssten von zwei unterschiedlichen
Typen sein, nämlich
einer zur Bewegung des Turms von einer Position zur anderen und
ein anderer zur Bewegung des Turms nach oben und unten. Dies würde zu größeren Kosten
führen,
da zwei unterschiedliche Antriebstypen für die beiden unterschiedlichen
Bewegungstypen ausgestaltet und hergestellt werden müssten.
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Bei
der vorliegenden Erfindung kann ein Standard-Laboratoriumsroboter
verwendet werden, was zu verringerten Kosten und zu Einfachheit
führt.
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Obgleich
in der obigen Beschreibung aus Gründen der Einfachheit zwei Stanzen
verwendet werden, versteht sich ohne weiteres, dass es problemlos
im Rahmen dieser Erfindung möglich
ist, mehr als zwei Stanzen zu verwenden, von denen jede in einem ähnlichen
Halter an dem Substrat aufgenommen ist, beispielsweise um rasche Änderungen
zwischen unterschiedlichen Stanzengrößen für unterschiedliche Anwendungsfälle zu ermöglichen. Es
ist auch möglich,
den Stanzenhalter zu verwenden, um ein Werkzeug zur Bewegung der
Blöcke,
ein Werkzeug zur Etikettierung von Blöcken oder andere Werkzeuge
oder Vorrichtungen zu halten.
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Der
Rest des Systems kann ähnlich
zu einem sein, welches bereits im Stand der Technik beschrieben
wurde. Beispielsweise können
angetriebene oder von Hand zu betätigende Mikrometerantriebe
oder dergleichen verwendet werden, um den Stanzmechanismus über den
Blöcken
oder um die Blöcke
unter den Stanzmechanismen anzuordnen. Eine entfernbare Brücke kann
verwendet werden, um die Spenderblöcke über den Aufnahmeblöcken zu
lagern, oder die Spenderblöcke
können
an der gleichen Palette angebracht werden, welche die Aufnahmeblöcke hält. Die
letztere Anordnung erlaubt gleiche x-, y-Antriebe und -Gleiter zur
Verwendung sowohl bei den Spender- als auch Aufnahmeblöcken. Alternativ
können
separate x-, y-Systeme für
die Aufnahmeblöcke
und die Spenderblöcke
verwendet werden. Dies ist komplizierter, kann jedoch einen rascheren
Betrieb bei Systemen mit hohem Durchsatz ermöglichen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Für ein besseres
Verständnis
des Wesens und der Einzelheiten der vorliegenden Erfindung wird Bezug
genommen auf die folgende detaillierte Beschreibung in Zusammenschau
mit der beigefügten Zeichnung,
in der:
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1 eine
perspektivische halbschematische Darstellung der Erfindung, gesehen
aus der Perspektive einer Bedienungsperson, ist;
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2 eine
Längsschnittdarstellung
durch eine der Stanzen/Senknadelanordnungen ist;
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3 eine
vergrößerte Ansicht
einer der Stanzen und ihrer Beziehung zu dem Sensor von 1 ist;
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4 eine
perspektivische halbschematische Darstellung des Gewebearrayinstruments
mit Stanzenaustausch ist;
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5 eine
detaillierte Darstellung des Greifmechanismus vom Klemmtyp ist;
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6 eine
detaillierte Ansicht des Greifmechanismus vom Öffnungstyp ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Erzeugen von
Gewebearrays, welche einfach, schnell und leicht zu automatisieren
ist. Die Verbesserungen über
dem Stand der Technik sind gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung der Verwendung separater z-Achsen zuzuschreiben,
nämlich
einer für
jede Stanze, und/oder dass die Duplex-Robotik nach dem Stand der
Technik nicht notwendig ist, was zur Entwicklung einer einfachen
und präzisen
Vorrichtung zur Ausbildung von Gewebearrays führt, indem die beiden unterschiedlichen
Stanzen abwechselnd in jedem Gewebearrayinstrument angeordnet werden.
In einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung wird die Vereinfachung der Automatisierung erreicht,
in dem die beiden Stanzen (Spender und Aufnahme) vollständig voneinander getrennt
werden, jede eine eigene Senknadel (im Gegensatz zu Kononen et al.)
erhält
und einen einzelnen oder doppelten z-Antrieb verwendet, jedoch keine problematische
Turm- oder Gleitervorrichtung benötigt (wie z. B. in der
US-PS 6,103,518 von Leighton "Instrument for constructing
tissue arrays")
beschrieben. Die Verbesserungen über
dem Stand der Technik enthalten somit auch die Verwendung austauschbarer
Stanzen, welche automatisch und abwechselnd durch einen beweglichen
Greifer und ein Stellglied gehalten werden.
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Zusätzliche
neue Merkmale werden nachfolgend erläutert.
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Füllung oder
Verpackung am Ende der Senknadeln
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Eine
Füllung
oder Verpackung kann am Ende der Senknadeln vorgesehen sein, um
den Spalt zwischen der Senknadel und der Stanze zu verschließen, so
dass der Kern an einem Ausziehen entlang der Senknadel und an einer
Beschädigung und/oder
einem Verlust gehindert ist.
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In
Stand der Technik sind die Senknadeln Metalldrähte, welche in den metallischen
Stanzröhren
gleiten. Diese ziemlich grobe Anordnung ist funktionell, jedoch
können
abhängig
von dem Gewebetyp, der Temperatur und Dichte des Passsitzes zwischen
Draht und Röhre
Gewebeteile zwischen Draht und Röhre
austreten, was zu unvorhersehbaren Verlusten an Gewebe führt. Zusätzlich zu
den einfachen Gewebe verlusten erzeugt dies das zusätzliche
Problem eines unterschiedlichen Gewebevolumens unterhalb der Senknadel
und Arrays werden mit ungleichförmigen
Tiefen erzeugt. Diese Ungleichförmigkeit
führt zu
einer erheblich verringerten Ausbeute verwendbarer Abschnitte, welche
aus dem Arrayblock geschnitten werden können.
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Die
vorliegende Erfindung weist die Verwendung kleiner Teile von Füllungen
oder Verpackungen an den Spitzen der Senknadeln auf, um diesen Austritt
nach außen
zu verhindern. Diese Stücke
können bevorzugt
aus elastomerem Material sein, beispielsweise Polyurethan, Naturgummi,
Polyvinylchlorid etc. Sie können
so gestaltet sein, dass sie exakt auf die Stanzen passen, indem
die Stanze als Werkzeug verwendet wird, um die Scheibe korrekter
Größe aus einer
Schicht des gewählten
Materials exakt auszustanzen.
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Kraftsteuerung
der Senknadel
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Ein
Antrieb für
eine oder beide Senknadeln kann so gestaltet werden, dass er vorgeschriebene Kräfte und
eine Bewegung auf präzise
Positionen bewirkt, um ein Ausstopfen der Kerne für einen
besseren Griff durch die Stanzen und ein einfacheres Entfernen der
Kerne aus den Blöcken
zu ermöglichen.
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Das
nächstkommende
System, das der Erfinder für
automatisierte Gewebearrays kennt, verwendet nur eine Positionssteuerung
der Senknadel. Dies hat den Nachteil, dass die Senknadel nur vollständig aus
dem Gewebe oder den Wachskernen herausgezogen werden kann, während sie
gewonnen oder in einer Ebene mit dem Ende der Stanze heruntergeschoben
werden, um den Gewebekern in einen Aufnahmeblock einzuführen. Obgleich
in der Theorie Zwischenpositionen möglich sind, sind sie nicht
verwendbar, da eine automatisierte Maschine keine Informationen über die
exakte Länge
des Wachsstopfens hat, mit welcher eine geeignete Zwischenposition
für die
Senknadel zu berechnen ist. Es gibt Kombinationen aus Gewebetyp,
Wachstyp, Temperatur und Stanzengeometrie, für welche es ein Problem war,
den Kern zuverlässig
aus dem Block zu entnehmen. Obgleich die Stanze einen Kern herausgeschnitten
haben kann, wird dieser nicht entfernt, da er nach wie vor von dem
Block am Boden festgehalten wird und es nicht genug Reibung entlang
der Seiten der Stanze gibt, um den Kern zu ergreifen und die Verbindung
mit dem Block am Boden zu brechen.
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Die
vorliegende Erfindung enthält
die Steuerung der auf die Senknadel aufgebrachten Kraft, beispielsweise
mittels eines pneumatischen oder hydraulischen Zylinders. Diese
gesteuerte Kraft kann hoch genug gemacht werden, um den Kern vollständig aus
einer Stanze in einen Gewebeblock zu schieben, oder auf einen Zwischenwert,
um den Kern zu stopfen, unmittelbar bevor er herausgezogen wird. Dieses
Stopfen komprimiert den Kern axial und erweitert ihn somit gegen
die Zylinderwände
der Stanze radial. Diese erhöhte
Radialkraft bewirkt einen stärkeren
Griff der Stanze am Kern und ermöglicht, dass
die Stanze den Kern entnimmt. Dieses Phänomen ist zwar irgendwie gegen
die Intuition, da manche Benutzer früherer automatisierter Maschinen dachten,
dass die Axialkraft den Kern vollständig aus der Stanze schieben
würde.
Tatsächlich
würde sie ihn
herausschieben, wenn größere Kräfte verwendet werden
würden,
um die Senknadel den gesamten Weg bis zum Ende des Stanzenhubs zwangszubewegen.
Frühere
Beschreibungen von automatisierten Maschinen lehren einfache Zyklen,
bei denen die Senknadel entweder an einem Ende ihres vollen Hubs
ist oder an dem anderen.
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Die
gesteuerte Kraft kann durch eine beliebige Anzahl von Möglichkeiten
aufgebracht werden, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, beispielsweise
Pneumatiken, Hydrauliken, stromgesteuerte Motoren, Rückkopplungssysteme
mit Kraftsensoren oder durch irgendeine Art von Stellglied oder
Kombinationen aus Federn und verschiedenen Mechanismen.
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Die
Erfindung wird nun genauer unter Bezugnahme auf die in den Figuren
dargestellte Ausführungsform
beschrieben.
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In 1 werden
Stanzen 1 und 2 durch Arme 3 und 4 gehalten
und vertikal durch Antriebe 5 und 6 bewegt. Senknadeln 7 bzw. 8 sind
für jede
der beiden Stanzen vorgesehen. Sie werden durch Stellglieder 9 und 10 bezüglich der
Stanzen vertikal bewegt. Für
die Senknadel-Stellglieder sind Antriebe 11 und 12 vorgesehen.
Ein Computer 13 steuert alle Antriebe oder Stellglieder.
Eine Palette 14 wird durch Stellglieder 17 und 18 in
x- und y-Richtungen bewegt. Die Palette hält Aufnahmeblöcke 15,
Spenderblöcke 16,
eine Abfallaufnahme 19 und Sensoren 20. Die Sensoren 20 erkennen
die Senknadeln, was es dem Computer erlaubt, die Position der Stanzen
bezüglich der
Palette herauszufinden. Weitere Sensoren, Endschalter, Encoder und
Rückkopplungselemente
können
notwendig sein, sind jedoch aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt,
da ihre Anwendung im Stand der Technik bekannt ist. Zu diesem Zweck
wird auf die US-PSen 6,103,518 und 6,136,592 vollinhaltlich Bezug
genommen.
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Bezugnehmend
auf 2, so ist eine Stanze 21, eine Senknadel 22 innerhalb
der Stanze, ein Stück
einer Füllung
oder Verpackung 23 und ein Gewebe oder Wachskern 24 gezeigt.
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3 ist
eine vergrößerte Darstellung
einer der Stanzen von 1 und zeigt besser das hydraulische
oder pneumatische Zweiwege-Stellglied 9 bezüglich der
Sensoren 20.
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Obgleich
es viele Wege gibt, eine Vorrichtung innerhalb der Überlegungen
des Erfinders zu bauen, wird hier eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben.
Zwei Stanzen, nämlich
eine Aufnahmestanze 1 und eine Spenderstanze 2,
sind jeweils auf einem separaten elektromechanisch betriebenen Gleiter 5 bzw. 6 angeordnet.
Die jeweiligen Senknadeln 7 und 8 werden unabhängig durch
einfache Pneumatikzylinder 9 und 10 angetrieben.
Die Pneumatikzylinder erlauben eine präzise Positionierung der Senknadeln
entweder in der voll angehobenen oder voll abgesenkten Position
und erlauben auch gesteuerte Kräfte
an Zwischenpositionen zum Stopfen der Kerne, einfach indem der Luftdruck
eingestellt wird.
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Es
wäre auch
innerhalb des Umfangs der Erfindung, elektromechanische Stellglieder – bei Bedarf mit
Kraftsensoren – anstelle
der Pneumatikzylinder zu verwenden. Auf ähnliche Weise können pneumatische
oder hydraulische Zylinder bei Bedarf zur Positionierung der Stanzen
verwendet werden.
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Bevorzugt
positionieren elektromechanisch angetriebene Gleiter eine Palette 14 auf
x- und y-Achsen, um eine präzise
Positionierung eines Satzes von einem oder mehreren Aufnahmeblöcken 15 und
Spenderblöcken 16 unter
den Stanzen zu ermöglichen.
Alternativ kann die Palette kreisförmig sein und kann mit einer
Kreisbewegung angetrieben werden. Alles, was notwendig ist, ist,
dass eine präzise
vorhersagbare Repositionierung der Spender- und Aufnahmeblöcke relativ
zu den Stanzen bewirkt werden kann. Alle Bewegungen können unter
elektronischer Steuerung oder Computersteuerung durch irgendeine
bekannte Maßnahme
sein – Endschalter, Sensoren,
Positionsrückkopplung,
Schritt- und/oder Servomotoren etc.
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Ein
typischer Zyklus besteht aus: Die gewünschte Aufnahmeposition wird
unter die Aufnahmestanze durch die x-y-Antriebe gebracht; die Aufnahmestanze
wird durch den z-Antrieb bewegt, um einzudringen und einen leeren
Kern zu entfernen, was eine Tasche für den späteren Gebrauch erzeugt; die
Aufnahmestanze wird (durch die x-y-Antriebe) nahe einer Abfallaufnahme
gebracht (welche auf der gleichen x-y-Palette wie die Blöcke angeordnet
sein kann) und die Aufnahmesenknadel wird bewegt, um den leeren
Kern in die Abfallaufnahme zu entsorgen; die gewünschte Position eines Spenderblocks
wird durch die x-y-Antriebe unter die Spenderstanze gebracht; die
Spenderstanze wird durch den z-Antrieb bewegt, um einzudringen und
einen gewünschten Gewebekern
zu entfernen; die vorher erzeugte Tasche in einem der Aufnahmeblöcke wird
durch die x-y-Antriebe unter die Spenderstanze gebracht; und schließlich wird
die Spenderstanze in Kontakt mit dem Aufnahmeblock durch ihren z-Antrieb
gebracht oder nahe hieran gebracht und dann wird ihre Senknadel
bewegt, um den Gewebekern in die Tasche zu implantieren, der in
dem Aufnahmeblock erzeugt wurde. Nachfolgend wird die laterale Position
durch Antriebe X und/oder Y zur nächsten Position inkrementiert
und der Zyklus wird wiederholt.
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Es
liegt im Umfang der Erfindung, dass entweder die Blöcke oder
die Stanzen in x-, y- und z-Richtungen
relativ zu dem Laborrahmen als Referenz bewegt werden; lediglich
eine Relativbewegung ist in dieser Erfindung von Relevanz.
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Beispielsweise
kann anstelle der steifen Anbringung an einer festen Basis oder
einem Rahmen entweder einer oder es können z-Achsen-Antriebe an horizontalen
Positionierantrieben angeordnet sein, um sie bezüglich der festen Basis und
damit bezüglich
der Palette zu bewegen, anstatt dass die Palette bezüglich der
festen Basis bewegt wird. Alternativ könnte die Palette beispielsweise
in x-Richtung bewegt werden und eine oder beide Antriebe in y-Richtung.
Alternativ könnte
ein Positioniersystem basierend auf Polarkoordinaten verwendet werden, wobei
eine der Bewegungen eine Rotationsbewegung ist und die andere eine
Radialbewegung. Tatsächlich
könnten
beispielsweise die Spenderblöcke an
einem computerbetriebenen Drehtisch angeordnet werden und die Aufnahmeblöcke an einem
anderen Drehtisch, wobei die z-Antriebe sich linear horizontal von
einem Drehtisch zum anderen bewegen. Diese Linearbewegung würde auch
dazu dienen, die Radialpositionen von Interesse an jedem Drehtisch auszuwählen. Alternativ
kann ein Satz von Block auf einem x-y-Tisch sein und der andere
auf einem Drehtisch oder jeder kann auf seinem eigenen x-y-Tisch sein.
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Man
erkennt, dass es viele Kombinationen und Abwandlungen gibt, jeweils
mit Vorteilen für
unterschiedliche Anwendungsfälle.
Das Schlüsselelement,
welches alle gemeinsam haben, ist die Verwendung von wenigstens
zwei separaten z-Antrieben.
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Um
weiterhin den Kapazitätsbereich
eines nicht beteiligten Instruments zu erhöhen, ist es möglich, weiterhin
ein Magazin vorzusehen, welches Spender- und/oder Aufnahmeblöcke, entweder
frisch oder ausgestanzt, enthält,
wobei das Magazin betrieblich dem Instrument zur Bereitstellung
von Blöcken
an das Instrument und/oder zum Empfang von Blöcken aus dem Instrument zugeordnet
ist.
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In 4 ist
ein Gewebearrayinstrument mit Stanzenwechsel dargestellt, wo ein
Stanze 31 durch einen Arm 33 gehalten und durch
einen Antrieb 35 vertikal bewegt wird. Koaxial innerhalb
der Stanze befindet sich eine Senknadel 37, welche von
einem Antrieb 41 als Senknadelstellglied betrieben wird
und vertikal relativ zu den Stanzen durch ein Stellglied 39 bewegt
wird. Ein Computer 43 steuert alle Antriebe oder Stellglieder.
Eine Palette 44 wird in x- und y-Richtungen durch Stellglieder 47 und 48 bewegt. Die
Palette hält
Aufnahmeblöcke 45,
Spenderblöcke 46,
eine Abfallaufnahme 49 und einen Sensor 50. Der
Sensor erlaubt dem Computer, die Position der Stanzen bezüglich der
Palette zu finden. Andere Sensoren, Endschalter, Encoder und Rückkopplungselemente
können
verwendet werden, sind jedoch aus Gründen der Einfachheit der Darstellung nicht
gezeigt, weiterhin ist ihre Anwendung im Stand der Technik allgemein
bekannt.
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5 zeigt
einen dualen Klemmmechanismus als eine mögliche Art eines Greifmechanismus. Computergesteuerte
Solenoide 70 und 73 sind über Betätigungsarme 72 und 75 mit
Klemmklauen 71 und 74 verbunden. Die obere Klemmklaue
greift die Senknadelwelle und ist mit dem Senknadelantrieb verbunden,
und die untere Klemmklaue greift die Stanzenwelle und ist mit dem
Stanzenantrieb verbunden.
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6 zeigt
einen anderen dualen Greifmechanismus. Der Senknadelgreifer 80 hat
eine Öffnung
etwas größer als
die Senknadelwelle. Der Stanzengreifer 81 hat eine Öffnung etwas
größer als
die Stanzenwelle. Bei Betätigung
von hydraulischen (z. B. Ballondichtungs-Hydraulikklemmbacken),
elektromagnetischen oder Unterdrucksaugvorrichtungen ergreift der
Senknadelgreifer bzw. der Stanzengreifer die Senknadel bzw. Stanze.
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Es
ist bevorzugt, dass der Greifer mit einem Register, beispielsweise
in einfacher V-Form, ausgestattet ist, gegen das die Senknadel oder
Stanzenwelle für
eine präzise
Ausrichtung positioniert wird.
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Es
ist offensichtlich, dass die Greifer ähnlich gestaltet und betrieben
werden können,
oder die Greifer können
von unterschiedlichem Typ sein.
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Obgleich
es viele Wege gibt, das Gewebearrayinstrument mit Stanzenwechsel
aufzubauen, wird nun eine bevorzugte Ausführungsform näher beschrieben.
Zwei Stanzen, eine Aufnahme- und eine Spenderstanze, sind jeweils
in einem separaten Halter auf einem Substrat aufbewahrt, welches
auch die Spender- und Aufnahmeblöcke
hält (4).
Jede ist mit einer Senknadel zum Ausschieben von Wachs oder Gewebe
aus der Stanze heraus versehen. Jede Anordnung aus Stanze/Senknadel
kann unter den Greifer der z-Achse (5) mit dem
gleichen x-y-Bewegungssystem gebracht werden, welches verwendet
wird, die Spender- und Aufnahmeblöcke zu bewegen. Die z-Achse
wird dann verwendet, um den Greifer nach unten zu bewegen und die
Stanze zu ergreifen, welche für
den nächsten
Vorgang notwendig ist. Wenn es nötig
ist, zu einer anderen Stanze zu wechseln, wird der leere Stanzenhalter 60 unter
den Greifer des z-Achsen-Antriebs
gebracht und der z-Achsen-Antrieb senkt die Stanze ab, welche nicht länger notwendig
ist, und gibt sie frei. Der z-Achsen-Antrieb hebt dann den leeren
Greifer an, die andere Stanze wird unter den Greifer gebracht und
der z-Achsen-Antrieb senkt den Greifer ab, um die Zielstanze zu
erfassen.
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Wenn
die Stanze erfasst ist, wird ihre Senknadel im gleichen Vorgang
mit dem Senknadelantrieb verbunden. Die Senknadel der aktiven Stanze kann
durch einen einfachen Pneumatikzylinder angetrieben werden. Der
Pneumatikzylinder erlaubt eine präzise Positionierung der Senknadel
in entweder der vollständig
angehobenen oder vollständig
abgesenkten Position und erlaubt auch, dass gesteuerte Kräfte an Zwischenpositionen
zum Stopfen der Kerne möglich
sind, einfach indem der Luftdruck eingestellt wird. Es wäre auch
innerhalb des Umfangs der Erfindung, ein elektromagnetisches Stellglied
(bei Bedarf mit Kraftsensor) anstelle des Pneumatikzylinders zu
verwenden oder pneumatische oder hydraulische Zylinder zur Positionierung
der Stanze zu verwenden.
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Bevorzugt
positionieren elektromechanisch betriebene Gleiter eine Palette
in den x- und y-Achsen, um eine präzise Positionierung eines Satzes
von einem oder mehreren Aufnahme- und Spenderblöcken unter der Stanze zu ermöglichen.
Alle diese Bewegungen können
unter elektronischer Steuerung oder Computersteuerung durch irgendeine
bekannte Maßnahme
sein, z. B. Endschaltern, Sensoren, Positionsrückkopplung, Schritt- und/oder
Servomotoren etc.
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Ein
typischer Zyklus besteht aus: Die gewünschte Aufnahmeposition wird
durch die x-y-Antriebe unter die Aufnahmestanze gebracht; die Aufnahmestanze
wird durch ihren z-Antrieb bewegt, um einzudringen und einen leeren
Kern zu entfernen, was eine Tasche für den späteren Gebrauch erzeugt; die
Aufnahmestanze wird (durch die x-y-Antriebe) nahe einer Abfallaufnahme
gebracht (welche auf der gleichen x-y-Palette wie die Blöcke sein
kann) und die Aufnahmesenknadel wird bewegt, um den leeren Kern
in die Abfallaufnahme zu entsorgen; die Aufnahmestanze wird zu ihrem
Halter zurückgebracht
und die Spenderstanze wird aufgenommen, wobei die gewünschte Position
eines Spenderblock durch die x-y-Antriebe
unter die Spenderstanze gebracht wird; die Spenderstanze wird durch
ihren z-Antrieb bewegt, um einzudringen und einen gewünschten
Gewebekern zu entfernen; die vorher erzeugte Tasche in einem der
Aufnahmeblöcke
wird durch die x-y-Antriebe unter die Spenderstanze gebracht; und schließlich wird
die Spenderstanze in Kontakt mit dem Aufnahmeblock durch ihren z-Antrieb
gebracht oder nahe hieran gebracht und dann wird ihre Senknadel
bewegt, um den Gewebekern in die Tasche zu implantieren, die in
dem Aufnahmeblock erzeugt wurde. Nachfolgend wird die laterale Position
durch Antriebe X und/oder Y zur nächsten Position inkrementiert
und der Zyklus wird wiederholt.
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Es
liegt innerhalb des Rahmens des Patents, dass entweder die Blöcke oder
die Stanzen in x-, y-, und z-Richtungen relativ zu dem als Referenz
dienenden Laborrahmen bewegt werden; lediglich Relativbewegungen
sind bei der vorliegenden Erfindung von Relevanz.
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Man
erkannt, dass es viele Kombinationen und Abwandlungen gibt, welche
mit Vorteilen für
unterschiedliche Anwendungsfälle
möglich
sind. Das Schlüsselelement,
welches allen gemeinsam ist, ist die Verwendung von wenigstens zwei
separaten z-Antrieben.
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Um
weiterhin den Kapazitätsbereich
eines nicht beteiligten Instruments zu erhöhen, ist es möglich, noch
ein Magazin vorzusehen, welches Spender- und/oder Aufnahmeblöcke, entweder
frisch oder ausgestanzt, bevorratet, wobei das Magazin dem Instrument
zur Bereitstellung von Blöcken
an das Instrument und/oder zur Entnahme von Blöcken aus dem Instrument betrieblich
zugeordnet ist.
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Nun,
da die Erfindung beschrieben wurde: