Zelena Zsombor, a Renishaw szakembereként a 3DHISTECH Kft.-vel együttműködve a kórtani eszközökre és szolgáltatásokra szakosodott cég termékeit a legmodernebb útmérő rendszerekkel szerelte fel. A teljes történetért nézze meg az alábbi videót és olvassa el a cikket!
Háttér
Az első mikroszkóp, amelyet a 16. században találtak fel, még optikai nagyító rendszert alkalmazott a minták elemzéséhez. Ezek a rendszerek vagy a nap, vagy egy reflektor fényerejét felhasználva megvilágították a vizsgált mintákat, amikről az eszköz kezelője rajzokat készített. Azóta számos különböző változatot készítettek, így ma már léteznek többek között fluoreszcencia-, elektron- vagy pásztázó mikroszkópok is.
Az első mikrofotográfiát 1900-ban készítették el – a mintát egy mikroszkóp lencséin keresztül fényképeztek le. Ezek a fotomikroszkóp rendszerek azóta hatalmas fejlődésen estek át, a jelenlegi eszközök több felvételt készítenek egy mintáról, majd ezekből egy ultranagy felbontású képet illesztenek össze. Az ilyen képek készítését a folyamatosan fejlődő optika, az automatizáció és a hihetetlen pontos helyzet-visszacsatolási adatok teszik lehetővé.
A Budapesten található 3DHISTECH vállalatnál tervezik és gyártják a világ egyik leggyorsabb és legnagyobb kapacitású autonóm digitális panoráma tárgylemez-szkennerét, a P1000-et.
P1000 digitális tárgylemez-szkenner egy kórtani laboratóriumban
A P1000 egy nagy pontosságú pásztázó mikroszkóp, amely lehetővé teszi az orvosi minták ultranagy felbontású leképezését a nagy kórtani laboratóriumok számára. A mikroszkópok ráadásul akár 2 napig is működtethetők emberi közbeavatkozás nélkül. A 3DHISTECH nagysikerű termékpalettájára építve, a digitális szkennerek eme új generációja az első, amely beépített optikai és mágneses útmérő rendszerrel is rendelkezik a nagyobb digitalizáló teljesítmény érdekében.
Varga Viktor, a 3DHISTECH műszaki vezérigazgatója kifejti: “A P1000 egy műszakban 1000 tárgylemezt képes digitalizálni. Két fő összetevője van: egy digitális tárgylemez-szkenner (mikroszkóp) és egy nagy kapacitású tárgylemez betöltő. Ez a két modul párhuzamosan működik a rendszer digitalizáló teljesítményének növelése érdekében. A mikroszkópnak három tárgylencséje van, amely az immerziót és a száraz szkennelést is lehetővé teszi. A rendszert úgy terveztük, hogy bármely kórtani vagy biológiai laboratórium igényeinek megfeleljen.”
A mikroszkóp három tengelyére a VIONiC digitális útmérő rendszert telepítették. Ez az inkremens optikai rendszer az RTLC-S rozsdamentes acélskálán található jeleket számolja. A tárgylemez betöltő pick-and-place robotot pedig az LA11 mágneses útmérő rendszerrel szerelték fel. Ezeknek az útmérőknek köszönhetően a P1000 gyorsabb működési sebességet kínál a versenytársak termékeihez képest, mindezt pontos, ismételhető módon.
Kihívások
A P1000 mögött álló csapatot egyetlen, tiszta cél vezérelt: jelentősen növelni a nagy kórtani laborok átmenő teljesítményét. Arra a következtetésre jutottak, hogy e cél elérése érdekében a rendszernek nagy kapacitásúnak és autonómnak kell lennie.
A szkennelési eljárás során, a mintát egy állvánnyal mozgatják vízszintes síkban az X és Y tengely mentén, a lencsét pedig eközben függőlegesen pozicionálják a fókusz megtartásához. Minél nagyobb a nagyítás, annál pontosabban kell az egyes mikrofotókat összeilleszteni a nagy felbontású képhez.
Kórtani szövetminta egy tárgylemezen
A digitális mikroszkópok többségének egyetlen, függőleges tengelyre (Z-tengely) szerelt útmérője van. Amikor a mintát mozgató állvány útmérő nélkül működik, nincs közvetlen visszacsatolás a vezérlőhöz. A P1000-et tervező mérnökök azonban, az útmérő pozicionálási folyamatból származó visszacsatolási adatait felhasználva, nagyobb működési sebességet értek el, anélkül, hogy az a pontosság rovására ment volna: a nagyobb fokú automatizáció csökkenti a kezelői beavatkozás mértékét két mikrofotográfia elkészítése között, tehát kevesebb időt igényel tárgylemezenként és magasabb teljesítményt biztosít.
A mikroszkóp lencsék mélységélessége (az a tartomány, amelyen belül a kép jól fókuszált) csupán párszáz nanométeres, ezért kiváló mozgásvezérlésre van szükség. A lencse és a tárgylemez közti optimális távolságot a képfeldolgozó szoftver számolja ki, a rögzített képek elmosódottsága alapján. A P1000 minden szkennelés előtt készít egy “térképet”, úgy, hogy leméri a tárgylemez egyes pontjainak Z-tengely menti magasságát, ezáltal képes meghatározni a megfelelő fókusztávolságot. Az ily módon begyűjtött adatokat aztán kiterjeszti a minta egészére. Ezzel gyorsabbá, egyszerűbbé, stabilabbá és pontosabbá válik a szkennelés folyamata.
A 3DHISTECH egy nagyfelbontású útmérőt, ultrapontos mechanikát és egy rövid válaszidejű, finomhangolt vezérlőrendszert határozott meg. Ezek a követelmények mechanikai és elektrotechnikai szempontból is nagy kihívást jelentettek. A mérnököknek tehát minimálisra kellett csökkenteniük a tapadási súrlódási erőt és egy pontos visszacsatolásra képes szabályozó-hurkot kellett létrehozniuk a 100 nm-es lépésközű piezomotor meghajtása érdekében. Az olvasófej felbontása és zajszintje (nem ismétlődő hibák) voltak a legfontosabb technikai paraméterek, amelyek befolyásolták a megfelelő útmérő rendszer kiválasztását.
A tárgylemez betöltő robotjához felesleges volt a nagy pontosságú útmérő, a tág beállítási tűrések, a könnyű telepíthetőség és megbízhatóság sokkal fontosabb szempontok voltak. A mikroszkóp tervezésénél a mérnökök ugyanazokat az útmérő specifikációkat választották minden tengelyhez, hogy egyszerűbbé tegyék a telepítést és a szervizelést. Emellett egyedi hosszra vágható skálákat is alkalmaztak, lehetővé téve így akár nagy mennyiségű skála tárolását is, felszerelés előtti méretre vágással.
“Az útmérő rendszereket meglepően könnyű volt üzembe helyezni, főleg a mérési teljesítményük fényében.”
– 3DHISTECH
Megoldás
A rögzített képek pixeleinek mérete 0,25 és 0,08 mikron között van. A gép egy előre meghatározott kb. 10 mikronos átfedést használ, ehhez pedig az útmérő pontos visszacsatolási adataira is szükség van, hogy a több ezer fotó egyetlen nagy képpé álljon össze.
Tekintve, hogy a kiválasztott piezomotor lépésköze 100 nm, az útmérő szükséges felbontása 50 nm kellett legyen a kellő szervo-sávszélesség biztosításához. A legnagyobb nagyítás mellett a lencse mélységélessége 0,2 mikron, ami minden tervezési paraméterhez kellő biztonsági tartalékot jelentett. A mintákat tartó egység egy gránittömbön mozog, így a súrlódási erő és a külső rezgések átvitele is minimálisra csökkent.
A 3DHISTECH mérnökei azért döntöttek a VIONiC inkrementális útmérők használata mellett, hogy kiküszöböljék az abszolút pozíció soros kommunikációs jelekké való átalakításával járó késleltetést. Az útmérő kimenetét ezért közvetlenül a tengelyek mozgatásáért felelős mikrovezérlőhöz csatlakoztatták, hogy valós idejű visszacsatolást biztosíthassanak. A választott útmérőnek nagy felbontású helyzet-visszacsatolást kellett adnia alacsony osztás alatti hiba (SDE), zaj és remegés (jitter) mellett.
A VIONiC sorozat a Renishaw ultranagy pontosságú, kompakt, külső interpolátor nélküli digitális inkrementális útmérője, lineáris és forgó alkalmazásokhoz egyaránt. A VIONiC egyesít minden szükséges interpolációt és digitális jelfeldolgozást az olvasófejben kevesebb, mint ± 10 nm-es osztás alatti hibával, akár 2,5 nm-es felbontásig. Szinte az összes paramétere testreszabható, a felbontástól és a kimeneti órajeltől a csatlakozó típusokig és kábelhosszúságig. A páratlan egyszerűségű beállítást és kalibrálást az ADT (Advanced Diagnostic Tool = fejlett diagnosztikai eszköz) biztosítja, aminek része egy távvezérlésért és a beállítási, kalibrálási folyamat felügyeletéért felelős számítógépes szoftver.
Telepített VIONiC útmérő
Ez az USB interfész ideális gyártósori telepítésére, hiszen távvezérlésű, fejlett kalibrációs funkciókat tesz elérhetővé. A 3DHISTECH az olvasófej telepítéséhez használja az ADT-t, a beállító LED láthatóságának elkerülhetetlen akadályozása miatt. Az ADT sokkal egyszerűbbé teszi a gyártósori telepítést: az olvasófej jelének és az üzembe helyezés megfelelőségének ellenőrzéséhez korábban a gép vezérlőjébe kellett kötni az útmérőt, majd további finomhangolást kellett rajta végezni. A diagnosztikai eszköz segítségével azonban az olvasófej USB-n keresztül egy laptop-hoz is csatlakoztatható teljes ellenőrzésre, még akkor is, ha a gép nincs áram alatt.
A gép tervezése közben a cél a mechanikai rezgések minimalizálása volt, ezért a mérnökök úgy döntöttek, hogy kétfázisú helyett ötfázisú léptetőmotort használnak. Az ötfázisú motorok, az alacsonyabb forgatónyomaték-ingadozás miatt kisebb rezgéseket gerjesztenek, ez pedig kulcsfontosságú az optimális szkennelési teljesítmény biztosításához. A mikroszkóp Z-tengelyét közvetlenül egy lineáris piezomotor vezérli a kívánt kisebb lépésközök, nagy sebesség és gyors irányváltások biztosítása érdekében. A súrlódást a kopásálló házzal ellátott, keresztgörgős csapágyaknak köszönhetően sikerült minimálisra csökkenteni.
A P1000 ezer tárgylemez befogadására képes, amelyeket egy műszak alatt képes digitalizálni
A rendszer pick-and-place, tárgylemezeket mozgató, tárazó része három, szíj-hajtású, útmérő visszacsatolással ellátott tengellyel rendelkezik. Ehhez a Renishaw társvállalata, az RLS cég LA11 könnyen üzembe helyezhető mágneses útmérő rendszere jelentette az ideális megoldást. A vezérlő SPI protokolt (Serial Peripheral Interface = Soros Periféria Interfész – abszolút jelprotokol) használ, így a robothoz az RS422 (digitális 5 V-os potenciál inkrementális jelprotokol csavart érpárokkal) párhuzamos kimenettel ellátott LA11 útmérő az optimális megoldás, a meghatározott ±0,1 mm-es pontosság elérése érdekében. A valódi abszolút mérési elv ráadásul váratlan leállás esetén is megóvja a mintákat: áramkimaradás után, a rendszer újraindításakor, az útmérő azonnal elküldi helyzetét, így nincs szükség az időigényes és esetenként az ütközés veszélyét is magába foglaló “home”-olásra.
Eredmények
A Renishaw technikai támogatásával a 3DHISTECH mérnöki csapata a gép minden tengelyére meg tudott határozni egy konkrét igényt, amely alapján megtalálták az alkalmazásukhoz legmegfelelőbb útmérőket. Az olyan modern útmérő rendszereknek hála, mint a Renishaw VIONiC sorozata és az RLS LA11, a P1000 képes volt elérni egy valóban piacvezető teljesítményt.
A 3DHISTECH-ről
Az 1996-ban alapított 3DHISTECH nagysebességű tárgylemez-szkennerek és digitális mikroszkópok gyártásával foglalkozik. Céljuk a hagyományos kórtani munkafolyamatok digitalizálása a 21. század egészségügyének folyamatosan növekvő igényeinek kielégítése érdekében. Székhelyük Budapesten van, de gépeik a világ minden táján megtalálhatók, Európától kezdve, az USA-n át egészen Ázsiáig, beleértve Koreát és Japánt.
Az RLS-ről
Az RLS d.o.o a Renishaw társvállalata. Robusztus, mágneses forgó és lineáris mozgásérzékelők széles választékát kínálják számos különböző alkalmazáshoz, az ipari automatizáció, fémmegmunkálás, textil- és csomagolóipar, lapka és áramkör gyártás, robotika és egyéb területek számára.
További információért az RLS mágneses útkeresők választékáról, kattintson ERRE A LINKRE!
ForrásRenishaw