Renishaw útmérők a 3DHISTECH mikroszkópja alatt
A Renishaw részéről Zelena Zsombor működik együtt a patológiai eszközökre és szolgáltatásokra specializálódott 3DHISTECH Kft.-vel, hogy az útmérőtechnológia legújabb vívmányaival vértezze fel a céget. Tekintse meg az alábbi összefoglaló videót, majd olvassa el a teljes cikket, amelyben bővebb információkat és a témával kapcsolatos linkeket is talál.
Háttér
A 16. században megalkotott első mikroszkóp egy optikai rendszeren alapult, amely az analizálandó minták nagyítására szolgált. Ezek a rendszerek természetes napfényt vagy lámpafényt használtak egy minta megvilágításához, miközben a felhasználó szabadkézi rajzokat készített a mintáról. Azóta számos változatot fejlesztettek ki, mint például a fluoreszcens mikroszkóp, az elektronmikroszkóp és a szkennelő mikroszkóp.
1900-ban aztán az első optikai mikrofelvétel is elkészült úgy, hogy egy mintáról egy mikroszkóp lencséjén keresztül készítettek fényképet. Azóta ezek a mikrofényképezési rendszerek odáig fejlődtek, hogy most már egyszerre több mikrofelvétel készül, amelyeket kombinálva az ultra nagy felbontású képek nyerhetők. Ezeket az ultra nagy felbontású multi-mikrofelvételeket az optika és az automatizálás folyamatos fejlődése, valamint a kimagaslóan pontos pozíció-visszacsatolás teszi lehetővé.
A budapesti központú 3DHISTECH tervezi és gyártja a világ egyik leggyorsabb és legnagyobb kapacitású, autonóm, digitális panoráma metszetszkennerét, a P1000-est.
A P1000 egy rendkívül pontos szkennelő mikroszkóp, amely lehetővé teszi a nagy patológiai laboratóriumok számára az orvosi mintákról történő, rendkívül nagy felbontású képek készítését, miközben akár 2 napig is kezelő nélkül, teljesen automatikusan képes működni. A digitális metszetszkennereknek a 3DHISTECH eddigi sikeres termékcsaládjára alapuló új generációjába elsőként építették be az optikai és mágneses pozíció-visszacsatoló útmérőket a nagyobb hatékonyság érdekében.
Varga Viktor, a 3DHISTECH technológiai igazgatója így ismerteti az újdonságot:
„A P1000 egy műszak során 1000 tárgylemez digitalizálására képes. Két fő részegysége van: egy digitális metszetszkenner [mikroszkóp] és egy nagy teljesítményű tárgylemez-adagoló. Ezek egymással párhuzamosan működnek a rendszer hatékonyságának növelése céljából. A mikroszkóp három objektívvel rendelkezik, amelyek lehetővé teszik a folyadékba merítéses és a száraz szkennelést is. A rendszert úgy terveztük meg, hogy egy tipikus patológiai vagy biológiai laboratórium bármely igényét kielégítse.”
A mikroszkóp három tengelyét az RTLC-S rozsdamentes acél szalagskálával rendelkező VIONiC™ digitális inkrementális optikai útmérő rendszerrel szereltük fel, a tárgylemez-adagoló beültető robotjához pedig az LA11 mágneses abszolút útmérő rendszert választottuk. Ezek az útmérők lehetővé teszik, hogy a P1000 a versenytársaknál nagyobb sebességgel működjön, ugyanakkor a rendszer pontossága és ismétlőképessége is kiváló maradjon.
P1000 digitális metszetszkenner patológiai laboratóriumban
Kihívások
A P1000 fejlesztéséért felelős csapat egyetlen világos célt tartott szem előtt: jelentősen növelni a nagy patológiai laboratóriumok hatékonyságát. Arra a következtetésre jutottak, hogy a rendszernek nagy kapacitásúnak és automatikusnak kell lennie ennek a célnak az eléréséhez.
A szkennelési eljárás során a mintát tartalmazó tárgyasztalt a vízszintes síkban, az X és Y tengelyek mentén mozgatja el a gép, miközben a lencse függőleges helyzetét is beállítja, hogy a kép fókuszban maradjon. Minél nagyobb mértékű a nagyítás, annál pontosabb működés szükséges a mikrofelvételek pontos összefűzésének biztosításához egy nagy felbontású kép létrehozása érdekében.
A digitális mikroszkópok többsége egyetlen útmérővel rendelkezik a függőleges tengely (Z tengely) mentén. Azokban az esetekben, ahol a tárgyasztal mozgatása útmérő nélkül történik, nincs közvetlen visszacsatolás a vezérlő felé. A P1000 berendezést kifejlesztő mérnökök a pozicionálási folyamat ellenőrzését lehetővé tevő útmérős visszacsatolásban találták meg a megoldást arra, hogy a berendezés sokkal nagyobb sebességgel, de változatlanul nagy pontossággal üzemelhessen: a nagyobb fokú automatizálás csökkenti a szükséges gépkezelői beavatkozás mértékét az egyes mikrofelvételek készítése között, ami tárgylemezenként kevesebb időt tesz szükségessé, és fokozza a folyamat hatékonyságát.
Az ezekben a mikroszkópokban használt lencsék mélységélessége (az a fókusztartomány, amelyben a kép jól fókuszált) több száz nanométert (nm) tesz ki, és ezért nagyon érzékeny a mozgásvezérlés minőségére. A lencse és a minta közötti optimális távolságot egy képfeldolgozó szoftver számítja ki a rögzített fényképek elmosódottsága alapján. A P1000 az egyes szkennelések lefuttatása előtt megméri a minta legkülönfélébb helyein található pontok Z-irányú magasságát, majd ebből egy „térképet”, vagyis egy jellegmezőt készít a helyes fókusztávolság meghatározásához, és extrapolálja a begyűjtött adatokat a teljes mintára. Ez gyorsabbá, egyszerűbbé, stabilabbá és pontosabbá teszi a szkennelési folyamatot.
A 3DHISTECH-nek nagy felbontású útmérőre, ultra-precíz mechanikára és rövid vezérlési válaszidővel bíró, finomhangolt folyamatvezérlő rendszerre volt szüksége. Ezek a követelmények gépész- és villamosmérnöki szempontból is komoly kihívást jelentenek. A mérnököknek minimalizálniuk kellett az akadozó csúszás (stick-slip) mértékét, és olyan precíz visszacsatolással rendelkező vezérlőhurkot kellett létrehozniuk, amely képes egy 100 nm-es lépésközű piezomotor vezérlésére. Az olvasófej felbontása és zajszintje (véletlenszerű hibák) voltak a legfontosabb teljesítményparaméterek, amelyek befolyásolták az útmérő rendszer kiválasztását.
A tárgylemez-adagoló beültető robotjához nem volt szükség nagy pontosságú útmérőre, mivel a széles beállítási tűrések és a könnyű telepítés fontosabbak voltak, mint a megbízhatóság. A mikroszkóp tervezésekor a mérnökök ugyanazt az útmérő-specifikációt választották az összes tengelyhez, hogy egyszerűsítsék a telepítést és a szervizelést. A skálák terén a méretre vágható skálákra esett a választásuk, ami lehetővé teszi a kompakt szalagskála-tekercsek raktáron tartását.
Patológiai szövetminta tárgylemezen
Az útmérő rendszereket meglepően könnyű telepíteni és beállítani ahhoz képest, hogy milyen nagy teljesítményűek.
3DHISTECH (Magyarország)
Megoldás
Az egyes rögzített képek pixelmérete 0,25 és 0,08 µm közötti. A gép egy körülbelül 10 µm-es alapértelmezett átfedést használ, és a több ezernyi kép pontos összefűzéséhez pontos útmérő-visszacsatolásra van szükség.
Mivel a választott piezomotor lépésköze 100 nm, a megfelelő szervosávszélesség eléréséhez 50 nm felbontású útmérőre van szükség. A legnagyobb nagyításra képes lencse mélységélessége 0,2 µm, így minden tervezési paraméterre jelentős biztonsági ráhagyás jut. A mintatartó egy gránittömbön csúszik, hogy minimalizálják a súrlódási erőket és a kívülről átadott rezgést.
VIONiC útmérő a beépítési helyén a metszetszkennerben
A 3DHISTECH mérnökei a metszetszkennernél a VIONiC inkrementális útmérők használata mellett döntöttek, hogy kiküszöböljék az abszolút pozíció soros kommunikációs jelekké történő átalakításával járó latenciát (késlekedést). Az útmérő kimenetét közvetlenül a tengelyek mozgatásáért felelős mikrokontrollerhez csatlakoztatták, hogy lehetővé tegyék a „valós idejű” visszacsatolást. A kiválasztott útmérőnek magas felbontású pozíció-visszacsatolást kell biztosítania alacsony ciklikus hibával (SDE), zajjal és rezgéssel.
A VIONiC sorozat a Renishaw különlegesen nagy pontosságú, mindent egy készülékházban egyesítő digitális, inkrementális útmérő lineáris és forgó alkalmazásokhoz. A VIONiC útmérőnél az összes szükséges interpolálás és digitális jelfeldolgozás az olvasófejen belül valósul meg, <±10 nm-es ciklikus hibával és akár 2,5 nm-es felbontással. Az útmérő számos paramétere igény szerint testre szabható, a felbontástól és a jelszintváltozás-érzékelési időköztől a csatlakozó típusáig és a kábelhosszúságokig. A páratlanul egyszerű beállítást és kalibrálást egy fejlett diagnosztikai eszköz (ADT) segíti elő, amely a VIONiC beállítási és kalibrálási rutinjainak távvezérlését és felügyeletét lehetővé tevő felhasználói szoftvert tartalmaz.
Fejlett távkalibrálási funkciói révén ez a beállító eszköz ideális a gyártósori telepítéshez. Az ADT eszközt a 3DHISTECH az olvasófej telepítése során használja, mivel a rendszer felépítése miatt a beállító LED-re a folyamat során nem lehet rálátni. Az ADT sokkal könnyebbé teszi a gyártósori telepítést; korábban az olvasófej jelének vagy optimális szabad magasságának az ellenőrzéséhez az útmérőrendszert be kellett kötni a gép vezérlőjébe, és a további finomhangolást sok lépésben kellett elvégezni. Az ADT segítségével az olvasófejet egy USB-csatlakozó segítségével egy laptophoz lehet csatlakoztatni, még akkor is, ha a gép nincs feszültség alatt.
A gépészeti tervezés tekintetében a cél a mechanikai rezgések minimálisra csökkentése volt, ezért a mérnökök úgy döntöttek, hogy 2 fázisú helyett 5 fázisú léptetőmotorokat használnak. Az 5 fázisú motorok a kisebb nyomatékingadozás miatt kevesebb rezgést produkálnak, és ez kritikus fontosságú az optimális szkennelési teljesítmény biztosításához. A mikroszkóp Z-tengelyét közvetlenül egy lineáris piezomotor hajtja, hogy a szükséges jellemzők, úgymint a kisebb lépésköz, a nagy sebesség és a gyors irányváltás biztosítható legyen. A súrlódást mindegyik tengelyen holtjáték-kiküszöbölő kosárral ellátott keresztgörgős csapágyak minimalizálják.
A beültető robotnak három szíjhajtású tengelye van, útmérős visszacsatolással. Ebben az esetben az RLS, a Renishaw társvállalata által gyártott LA11 mágneses útmérő az ideális megoldás, mivel ez egy valós abszolút útmérő rendszer nagy szabad magassági tűréssel. A vezérlő SPI protokollt (soros perifériás interfész - abszolút jelprotokoll) használ, így az RS422 (digitális, csavart érpárú, 5 V potenciálú inkrementális jelprotokoll) párhuzamos kimenettel rendelkező LA11 útmérő az optimális megoldás a robot számára a specifikált ±0,1 mm-es pontosság eléréséhez. A valós abszolút mérési elv továbbá megvédi a mintákat a váratlan leállások esetén: áramkimaradás után az útmérő az áramellátás helyreállítását követően azonnal jelzi a pozícióját, anélkül, hogy időigényes nullpont felvételre lenne szükség.
A P1000 berendezés 1000 tárgylemezes kapacitással rendelkezik, és egyetlen műszak alatt képes azok digitalizálására
Eredmények
A Renishaw műszaki támogatásával a 3DHISTECH mérnöki csapata képes volt mindegyik géptengelyhez útmérőt specifikálni, és megtalálni a céljainak megfelelő útmérő termékeket. A fejlett útmérők, mint például a Renishaw VIONiC sorozat, illetve az RLS LA11 mágneses útmérője képessé teszi a P1000 gépet arra, hogy valóban piacvezető teljesítményt érjen el.
A 3DHISTECH vállalatról
Az 1996-ban alapított 3DHISTECH nagy sebességű metszetszkennereket és digitális mikroszkópokat gyárt. Célkitűzésük, hogy teljesen digitalizálják a hagyományos patológiai munkafolyamatot, hogy megfeleljenek a 21. századi egészségügy folyamatosan növekvő igényeinek. A 3DHISTECH budapesti székhelyű, de a gépeit a világ számos pontján használják Európától és az Egyesült Államoktól Kelet-Ázsiáig, beleértve Koreát és Japánt is.
Az RLS-ről
Az RLS d.o.o a Renishaw társvállalata. Az RLS strapabíró mágneses forgó és lineáris mozgásérzékelők széles választékát gyártja olyan alkalmazásokhoz, mint az ipari automatizálás, a fémmegmunkálás, a textilipar, a csomagolás, az elektronikus chipek/áramköri kártyák gyártása, a robotika és még sok más terület.
Az RLS mágneses útmérősorozattal kapcsolatos bővebb információkért látogasson el a következő weboldalra: www.rls.si
