Verfahren zur automatischen Annäherung eines dünn zu schneidenden Präparates an das Messer eines Mikrotoms

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Annäherung eines dünn zu schneidenden Präparates an das Messer eines Mikrotoms gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Beim Betreiben von Mikrotomen ist es regelmäßig erforderlich, das zu schneidende Präparat positionsgenau und rasch exakt zum Messer zu positionieren. Bei diesem sog. Zustellvorgang muss darauf geachtet werden, dass weder das Messer noch das Präparat beschädigt werden. Es ist daher erforderlich, dass es zu keinem unbeabsichtigten Kontakt zwischen Messer und Präparat kommt. Seit langem ist es daher beim Anstellvorgang zwischen Messer und Präparat üblich, die Annäherung zwischen dem Präparat und der Schneidkante des Messers durch ein Stereomikroskop zu beobachten. Diese Beobachtung führt jedoch nicht immer zu einer verlässlichen Einschätzung des Abstandes zwischen dem Präparat und der Schneidkante. Daher werden weiterhin seit langem auch technische Anstellhilfen wie beispielsweise eine Unterflurbeleuchtung verwendet, mit deren Hilfe es möglich ist, einen Spalt zwischen dem Messer und dem Präparat auszuleuchten und anhand der Breite des ausgeleuchteten Spaltes den Abstand zwischen Präparat und Schneidkante besser beurteilen zu können. üblicherweise ist jedoch die Anschnittfläche des Präparates vor dem ersten Anschnitt unregelmäßig geformt, so dass auch diese Maßnahme nur zum Teil zum Ziel führt.

Zudem wird bei einem Präparatwechsel aus Sicherheitsgründen ein möglichst großer Abstand zwischen dem Messer und dem Präparat eingestellt. Dazu wird der Zustellantrieb in eine Endposition bewegt. Bei der ersten Annäherung eines zu schneidenden Präparates an das Messer muss daher ein relativ großer Weg zurückgelegt werden. Da in den meisten Fällen der Abstand zwischen dem Präparat und dem Messer unbekannt ist, wird die Verfahrgeschwindigkeit entsprechend niedrig gehalten, um unbeabsichtigte Kollisionen des Präparates mit dem Messer zu vermeiden. Es besteht der Wunsch, die erste Annäherung zu beschleunigen und dabei die fehlerbehaftete manuelle bzw. visuelle Beurteilung des Abstandes zwischen Präparat und Schneidkante durch eine automatische, schnellere erste Annäherung zu ersetzen und gleichzeitig eine unbeabsichtigte Berührung zwischen Präparat und Schneidkante vor dem ersten Schneidevorgang zu vermeiden.

Um eine unbeabsichtigte Kollision des Objektes mit dem Schneidmesser zu vermeiden, ist es bekannt, im Verfahrweg Sensoren anzuordnen, die beim Ansprechen den Zustellantrieb abschalten.

Aus der DE 42 05 256 A1 ist es bekannt, als Sensor einen Mikroschalter mit einer damit verbundenen Auslösefahne im Verfahrweg zwischen Objekt und Messer anzuordnen, der beim Ansprechen den Zustellantrieb abschaltet. Eine derartige Anordnung muss durch den geringen Platz im Zustellbereich sehr filigran ausgebildet sein. Dies hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, da während des laufenden Schnittbetriebs am Mikrotom Schnittgut anfällt, welches die filigrane Anordnung blockieren kann.

Damit ist kein sicheres Schalten des Sensors gewährleistet.

Aus der WO 00/62035 A1 ist ein Mikrotom mit automatischem Funktionsablauf bekannt. Die in eine Kassette eingebettete Probe wird mit einem individuellen Identifikations-Code versehen, automatisch aus einem Vorratsmagazin mittels einer seitwärts arbeitenden Verschiebevorrichtung, ähnlich wie bei einem Diaprojektor entnommen und auf einer Probenaufnahme an der Zustelleinrichtung befestigt. Die Zustelleinrichtung führt die Probe an das Messer des Mikrotoms in nicht weiter beschriebener Weise heran. Die geforderte Menge von Dünnschnitten wird angefertigt und auf einem Objektträger abgelegt. Danach wird die Kassette von der Probenaufnahme entnommen und in einem Sammelbehälter aufbewahrt. Die auf dem Objektträger befindlichen Dünnschnitte werden weiter präpariert und nacheinander bildanalytisch ausgewertet. Es nicht ersichtlich, auf weiche Weise eine automatische Probenannäherung erfolgt. Aus der DE 102 58 555 B4 ist ein Verfahren und ein System zum automatischen Zustellen und Schneiden eines Präparates in einem Mikrotom bekannt. Die Oberfläche des Präparates muss zunächst in einer Trimmeinrichtung getrimmt werden, wobei gleichzeitig der Abstand zwischen der getrimmten Fläche des Präparates und dem Präparathalter ermittelt und durch eine übermittlungseinrichtung an das Mikrotom übergeben wird. Anschließend wird der Präparathalter in eine Aufnahme des Mikrotoms eingesetzt, die in eine oszillierende Bewegung versetzt wird. Zur Erzeugung von dünnen Schnitten wird der Messerhalter in definierten Schritten an den oszillierenden Präparathalter herangeführt. Verschmutzungen in der

Präparathalteraufnahme des Mikrotoms oder Vertauschungen beim Wechsel zwischen Trimmeinrichtung und Mikrotom und damit verbundene Fehlfunktionen in Bezug auf die Abstandsbestimmung sind nicht ausgeschlossen.

Aus der DE 199 11 173 C2 ist ein Mikrotom mit einem motorischen Zustellantrieb bekannt, bei dem mithilfe eines druckempfindlichen Sensors durch schrittweise Annäherung der Probe beim Schalten des Sensors die Position des Zustellantriebs abgespeichert wird. Die auf diese Weise ermittelte Position wird sodann zur Ermittlung und

Einstellung der Lage des angeschnittenen Objektes zur Schnittebene benutzt. Verschmutzungen auf der taktilen Oberfläche des Sensors können das Messergebnis beeinflussen und die Positioniergenauigkeit verschlechtern. Aus der DE 102 58 553 B4 ist ein Verfahren zum automatischen

Annähern eines Präparates an ein Messer eines Mikrotoms bekannt, bei dem zwischen Messer und Präparat eine Lichtschranke angeordnet ist. Das Präparat muss während der Vorschubbewegung eine Auf- und Abwärtsbewegung durchführen bis die Lichtschranke durch das Präparat unterbrochen wird, anschließend wird auf eine andere

Vorschubgeschwindigkeit umgeschaltet. Die Vorschubbewegung muss bis zur Unterbrechung der Lichtschranke in mehreren Schritten erfolgen und ist daher langsam. Der Abstand der Lichtschranke zum Messer muss bekannt sein und nach einem Messerwechsel erneut ermittelt werden. Erfolgt dies nicht, sind Fehlfunktionen aufgrund ungenauer Kenntnis über den Abstand zwischen Lichtschranke und Messer nicht zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung war es daher, die Nachteile der bekannten Verfahren zur automatischen Annäherung von Präparaten bei Mikrotomen zu überwinden, die Annäherung zu beschleunigen, gleichzeitig eine genaue Annäherung des Präparates an das Messer des Mikrotoms auch nach einem Messer- oder Präparatwechsel zu ermöglichen bzw. dabei auftretende Fehlfunktionen zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der weiteren Ansprüche. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur automatischen und berührungslosen Annäherung eines Präparates, welches in einem Präparathalter fixiert ist und an ein Messer eines Mikrotoms herangeführt werden soll, zunächst der höchste Punkt des Präparates ermittelt wird. Der Präparathalter ist dabei an einer Antriebseinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Messer und dem Präparat befestigt. Die Antriebseinrichtung ist Bestandteil des Mikrotoms und treibt den Präparathalter relativ zum Messerhalter zur Durchführung einer Grob- und Schnittdickenzustellbewegung in einer ersten Raumrichtung an. Auf diese Weise wird das Präparat auf das Messer zu bewegt. Selbstverständlich ist es ebenso möglich, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Messer und Präparat das Messer zur Durchführung der Grob- und Schnittdickenzustellbewegung relativ zu dem Präparathalter in der ersten Raumrichtung anzutreiben. Gleichzeitig führt die

Antriebseinrichtung Schnittbewegungen in einer zu der ersten Raumrichtung senkrecht stehenden zweiten Raumrichtung aus. Bei einem Rotationsmikrotom besteht diese Schnittbewegung aus einer Abwärtsbewegung in der zweiten Raumrichtung parallel zu einer Schneideebene. Zur Durchführung einer weiteren Schnittbewegung muss anschließend eine Aufwärtsbewegung in der zweiten Raumrichtung unter gleichzeitiger Zustellbewegung in der ersten Raumrichtung durchgeführt werden. Bei einem Scheibenmikrotom besteht die Schnittbewegung ebenfalls aus einer Abwärtsbewegung in

der zweiten Raumrichtung parallel zur Schneideebene. Zur Durchführung einer weiteren Schnittbewegung wird das Präparat auf einer Kreisbahn erneut an dem Messer zugeführt.

Zwischen dem Messer und dem Präparat wird eine Lichtschranke mit Sender und Empfänger angeordnet, deren Lichtstrahl parallel zur Messerschneide verläuft. Die Lichtschranke wird erfindungsgemäß als Lichtband ausgeführt, das aus einer Vielzahl in einer Ebene parallel zueinander angeordneter, einzeln detektierbarer Lichtstrahlenbündel besteht. Ein detektorseitiger Nullpunkt des Lichtbandes wird durch ein erstes Lichtstrahlenbündel gebildet und ein letztes Lichtstrahlenbündel bildet den detektorseitigen Endpunkt des Lichtbandes. Sobald ein Objekt, beispielsweise das Präparat, in das Lichtband gefahren wird, wird der beleuchtete Bereich am Empfänger kleiner und kann in einen Längenwert umgerechnet werden. Wird das Lichtband als Lichtband- Mikrometer ausgebildet, ist es möglich einen sehr präzisen Längenwert zu ermitteln. Das Lichtband wird senkrecht zur zweiten Raumrichtung und in Richtung derselben beabstandet von der Messerschneide stationär gegenüber dem Mikrotom angeordnet. Der Nullpunkt des Lichtbandes wird einer Referenzposition der Messerschneide zugeordnet. Wird das Messer oder der Messerhalter zur Erzeugung der Grob- und Schnittdickenzustellbewegung auf das Präparat zu bewegt, wird das Lichtband in vorteilhafterweise am Messerhalter senkrecht zur zweiten Raumrichtung stationär angeordnet.

Die Position des höchsten Punktes des Präparates in der ersten Raumrichtung wird dadurch bestimmt, dass das Präparat mittels einer Schnittbewegung durch das Lichtband geführt wird. Das Präparat dunkelt beim Durchfahren des Lichtbandes ein oder mehrere Lichtstrahlenbündel im Bereich des detektorseitigen Endpunktes ab. Die Anzahl der abgedunkelten Lichtstrahlenbündel wird messtechnisch

erfasst und auf diese Weise die Position des höchsten Punktes des Präparates in der ersten Raumrichtung bestimmt.

Bei der Inbetriebnahme des Mikrotoms, nach einem Austausch des Messers oder allgemein bei Veränderungen im Verhältnis von Messer oder Messerhalter zum Lichtband, muss für eine präzise automatische Annäherung im späteren Betrieb die Referenzposition der Messerschneide in der ersten Raumrichtung und in Bezug auf den Nullpunkt des Lichtbandes bestimmt werden. Dazu wird ein Testpräparat, beispielsweise ein Paraffinblock, in Schritten vorbestimmter Schnittdicke unter Durchführung von Schnittbewegungen dem Messer zugeführt. Bei jeder Schnittbewegung wird die Position des höchsten Punktes des Präparates aus der Anzahl der abgedunkelten Lichtstrahlenbündel des Lichtbandes bestimmt. Sobald mit dem Messer vom Testpräparat Schnitte abgetragen werden, verändert sich die Position des höchsten Punktes des Testpräparates gegenüber der letzten Schnittbewegung nicht mehr. Die auf diese Weise bestimmte Position wird als Referenzposition der Messerschneide festgelegt.

Zur automatischen Schnitterzeugung wird ein zu schneidendes Präparat in einem Präparathalter dem Mikrotom zugeführt. Nach erfolgreicher Ermittlung des höchsten Punktes des neuen Präparates und in Kenntnis der Referenzposition der Messerschneide wird zur Beschleunigung der Schnitterzeugung der Präparathalter sodann in einer Grobzustellbewegung um den Wert der Differenz aus höchstem Punkt des Präparates und der Referenzposition der Messerschneide in schneller Bewegung in der ersten Raumrichtung zustellt und anschließend ein Schneidvorgang mit vorbestimmter Schnittgeschwindigkeit durchgeführt. Sofern die Antriebseinrichtung aus einem sogenannten Mikrometerwerk besteht, kann die schnelle Zustellung des Präparates auf diese Weise vorteilhaft ohne ständige

Schneidbewegungen in einem Vorgang erfolgen. Ständige Schneidbewegungen bei gleichzeitig schneller Zustellung sind die Ursache für unerwünschte Schwingungen des gesamten Mikrotoms die zu vermeiden sind. Nach der erfolgten schnellen Zustellung wird auf die Schnittdickenzustellung umgeschaltet und es kann gleich mit der Dünnschnitterzeugung begonnen werden.

Ebenso ist es möglich, bei entsprechender Auslegung des Lichtbandes als Lichtband-Mikrometer und dessen schneller Auswertung, bei einer schnellen Zustellung permanent die Position des höchsten Punktes des Präparates zu überwachen und gezielt vor der Referenzposition der Messerschneide auf die Schnittdickenzustellung umzuschalten. Auf diese Weise kann auf ein aufwändiges Mikrometerwerk in der Antriebseinrichtung verzichtet werden.

Vorteilhaft können nach der schnellen Grobzustellung auch zunächst Schneidvorgänge mit ein- oder mehrmalig durchgeführten größeren Zustellschritten als Trimmschnitte zu Erzeugung einer ebenen Schnittoberfläche durchgeführt werden. Dies dient einer weiteren Automatisierung der Arbeitsabläufe, da auf zusätzliche externe Geräte zur Trimmschnitterzeugung verzichtet werden kann. Unebene Präparatoberflächen werden mit dem Lichtband überwacht und solange weitere Trimmschnitte durchgeführt, bis während der gesamten Schnitterzeugung am Lichtband detektorseitig keine Veränderungen mehr festgestellt werden.

Erfindungsgemäß kann ferner während einer Schneidbewegung ein Schneidfenster automatisch eingestellt werden, indem eine durch das Präparat während einer Schneidbewegung erzeugte Unterbrechung und anschließende Freigabe eines Lichtstrahlenbündels des Lichtbandes zur Codierung einer Codiereinrichtung in der Antriebseinrichtung verwendet wird. Beispielsweise kann dadurch ein in

der Antriebseinrichtung für die Schneidbewegung integrierter Inkrementalgeber getriggert werden und anhand der gezählten Inkremente die Länge bzw. Ausdehnung des Präparates in Schneidrichtung ermittelt und somit ein Schneidfenster eingestellt werden. Je näher das Lichtband in der ersten Raumrichtung in Bezug auf die Messerschneide angeordnet ist, desto genauer wird das Schneidfenster eingestellt.

Alternativ ist es ebenfalls möglich, ein Schneidfenster während einer Schneidbewegung automatisch einzustellen, indem eine durch das Präparat während einer Schneidbewegung erzeugte zeitliche Unterbrechung bis zur anschließenden Freigage eines Lichtstrahlenbündels des Lichtbandes in Verbindung mit der vorbestimmten und bekannten Schnittgeschwindigkeit verwendet wird.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird nach Ermittlung des Schneidfensters eine schnellere, von der vorbestimmten

Schnittgeschwindigkeit abweichende, Rückholgeschwindigkeit automatisch gewählt. Besonders vorteilhaft ist die Kenntnis über das Schneidfenster bei einem Scheibenmikrotom nutzbar, indem nach erfolgtem Schnitt bis zum nächsten Schneidfensteranfang auf eine schnellere Rotationsgeschindigkeit umgestellt wird. Auf diese Weise wird der Probendurchsatz bzw. die Schnitterzeugung weiter erhöht.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der Zeichnung und werden nachfolgend beispielhaft anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Rotationsmikrotoms beschrieben.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Mikrotom zum Schneiden von Präparaten mit einem Lichtband eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2a ein Mikrotom mit einem Präparat vor Beginn der Schneidbewegung,

Fig. 2b ein Mikrotom während der Schneidbewegung, Fig. 2c ein Mikrotom kurz vor Ende der Schneidbewegung.

Fig. 1 zeigt in einer übersicht ein schematisch dargestelltes Rotationsmikrotom 1. Auf einer Grundplatte 2 sind ein Messerhalter 3 und eine Antriebseinrichtung 4 angeordnet. An der Antriebseinrichtung 4 ist in dem, dem Messerhalter 3 zugeordneten vorderen Bereich ein Präparathalter 5 vorgesehen, in dem ein dünn zu schneidendes Präparat 6 fixiert ist. Die Antriebseinrichtung 4 bewegt das Präparat 6 in einer mit X gekennzeichneten ersten Raumrichtung, der sogenannten Zustellbewegung, auf ein in dem Messerhalter 3 fixiertes Messer 7 zu. Oberhalb des Messerhalters 3 ist ein Lichtband 8 mit mehreren in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Lichtstrahlenbündel 9 angeordnet. Die Lichtstrahlenbündel 9 verlaufen parallel zu einer von dem Lichtband verdeckten und daher in Fig. 1 nicht weiter dargestellten Messerschneide. Auf der einen Seite des Lichtbandes 8 befindet sich eine Sendereinheit 10 und auf seiner anderen Seite eine Empfangseinheit 11. Die Sendereinheit 10 erzeugt die Lichtstrahlenbündel 9 mit vorzugsweise kurzer Wellenlänge und besteht beispielsweise aus Galliumnitrid-LEDs, die ein stabiles und gleichförmiges Licht mit wenigen Störungen aussenden und eine hohe örtliche Auflösung bieten. Die Empfangseinheit 11 weist ein nicht weiter dargestelltes telezentrisches optisches System auf, welches nur paralleles Licht für die Bildformung verwendet. Auf diese Weise werden

Schwankungen der Linsenvergrößerung aufgrund einer änderung der Position des Präparates, vermieden. Als nicht weiter dargestellte Lichtempfänger kommt vorzugsweise ein Hochgeschwindigkeits-Linear- CCD zum Einsatz, welches bei einer gleichmäßigen Beleuchtung eine äußerst hohe Abtastgeschwindigkeit gestattet. Ein dem Messerhalter 3 zugewandtes erstes Lichtstrahlenbündel 9' bildet den detektorseitigen Nullpunkt Xo und ein dem Präparathalter 5 zugeordnetes letztes Strahlenbündel 9" bildet den detektorseitigen Endpunkt des Lichtbandes 8. Auf diese Weise wird ein präzises, in erster Raumrichtung X wirksames Längenmeßsystem realisiert.

Die zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 nachfolgend dargestellten Verfahrenszustände der Figuren 2a bis 2c zeigen, wie durch Einsatz des erfindungsgemäßen Lichtbandes alle zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Geräte- und Betriebsparameter, wie z.B. Grad der Annäherung des Präparates oder eine Schneidfensterbestimmung schnell und automatisch ermittelt werden können.

Dazu zeigt Fig. 2a zur Verdeutlichung der Bewegungsabläufe ein Mikrotom 1 mit einem Präparat 6 vor Beginn der Schneidbewegung in einer Ausgangsposition der Antriebseinheit 4. Zu Beginn der Schnitterzeugung befindet sich das Präparat 6 oberhalb des

Lichtbandes 8, so dass keine der Strahlenbündel 9 gegenüber der Empfangseinheit 11 abgeschattet werden.

Fig. 2b zeigt ein Mikrotom 1 während der Schneidbewegung. Das Präparat 6 verdeckt gegenüber der Empfangseinheit 11 das letzte Lichtstrahlenbündel 9" und weitere neben diesem angeordnete Lichtstrahlenbündel im endseitigen Bereich des Lichtbandes 8. Auf diese Weise wird der höchste Punkt des Präparates 6 in der ersten Raumrichtung X als Xpräparat bestimmt.

Fig. 2c zeigt ein Mikrotom 1 kurz vor Ende der Schneidbewegung. Das Präparat 6 befindet sich kurz vor dem Zeitpunkt, in dem die abgeschatteten Lichtstrahlenbündel in der Nähe des letzten Lichtstrahlenbündels 9" des Lichtbandes 8 wieder freigegeben werden. Ebenfalls dargestellt ist die Position Xschneide der nicht weiter dargestellten Messerschneide in Bezug auf den detektorseitigen Nullpunkt Xo des Lichtbandes 8. Aufgrund des Abstandes zwischen Xpräparat und Xschneide findet beim vorstehend beschriebenen Bewegungsablauf kein Materialabtrag bzw. keine Dünnschnitterzeugung an dem Präparat 6 statt.

Bezugszeichenliste

1 Rotationsmikrotom

2 Grundplatte

3 Messerhalter 4 Antriebseinrichtung

5 Präparathalter

6 Präparat

7 Messer

8 Lichtband 9 Lichtstrahlenbündel

9 ¹ erstes Lichtstrahlenbündel

9" letztes Lichtstrahlenbündel

10 Sendereinheit

11 Empfangseinheit X erste Raumrichtung

Y zweite Raumrichtung

Xo detektorseitiger Nullpunkt des Lichtbandes

Xschneide Position der Messerschneide im Lichtband

Xpräparat Position des Präparates im Lichtband