DE60224016T2

DE60224016T2 - Gewebe-array-instrument

Info

Publication number: DE60224016T2
Application number: DE60224016T
Authority: DE
Inventors: Stephen B. Silver Spring Leighton
Original assignee: Beecher Instruments
Current assignee: Beecher Instruments
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: SG144710A1; DE60207614D1; JP4093182B2; CN1552844A; CN1294251C; CA2441905A1; EP1930405A1; KR20060030919A; EP1466967B1; CY1109893T1; CN100413955C; DK1466967T3; EP1370639A1; DE60207614T2; EP1370639A4; KR20030090682A; ES2298409T3; WO2003010280A1; DE60224016D1; JP2004215667A

Description

Gebiet der Erfindung
Arrays biologischen Gewebes können dadurch erstellt werden, dass aus einer Reihe von Spenderblöcken Kernstücke aus besonderen Regionen eingebetteten Gewebes entnommen werden. Diese entnommenen Kernstücke werden in einem regelmäßigen Array in einen Empfängerblock eingesetzt. Dies wird typischerweise mittels zweier unterschiedlicher Stanzeinheiten bewerkstelligt, die eine für die Entnahme der besonderen Kernstücke, die andere zur Herstellung der Vertiefungen im Empfängerblock. Die vorliegende Erfindung betrifft ein vereinfachtes und wirtschaftliches System und Gerät zur automatisierten Erstellung von Gewebe-Arrays.
Hintergrund der Erfindung
Biologische Gewebe-Arrays bestehen aus regelmäßigen Arrays von Kernstücken eingebetteten biologischen Gewebes, angeordnet in einem aufteilbaren Block, typischerweise hergestellt aus dem gleichen Aufnahmematerial, das ursprünglich für das Gewebe der Kernstücke verwendet wurde. Die neuen Blöcke können mittels herkömmlicher Methoden (Mikrotome, etc.) so aufgeteilt werden, dass eine Anzahl nahezu identischer Teilbereiche entsteht, wobei jeder Teilbereich dutzende, hunderte oder sogar tausende verschiedener Gewebetypen beinhaltet. Diese Teilbereiche können für histochemische und andere Proben verwendet werden. Jeder Test in einem der Teilbereiche wird effektiv auf hunderten von Proben gleichzeitig ausgeführt. Hierdurch ergibt sich eine außerordentliche Aufwands- und Zeitersparnis und eine leichte Verbesserung der Verfügbarkeit und Genauigkeit von Kontrollproben. Die Herstellung von Gewebe-Arrays erfolgte bisher vollständig manuell (Battifora, H., „The Multitumor (sausage) tissue block: novel method for immunohistochemical antibody testing," Laboratory Investigation Vol. 55, pp. 244–248, 1986) und unter der Zuhilfenahme 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) im Bereich unterschiedlicher Anwendungen in der Biologie.
Ein manuelles Instrument wurde im US-Patent 6,103,518 (Leighton) mit dem Titel „Instrument for constructing tissue arrays" beschrieben. Die manuellen Verfahren sind weitgehend abgelöst worden durch den Gebrauch von Instrumenten aus Gründen der Geschwindigkeit und Präzision und erhöhten Dichte der letzteren. In diesen Geräten werden zwei Stanzen verwendet, die Hohlnadeln ähnlich sind. Eine der beiden Nadeln ist etwas kleiner und wird dazu verwendet, eine Vertiefung in einem Empfängerblock zu erzeugen, der typischerweise aus Paraffin oder einem anderen Aufnahmemedium besteht.
Die andere Stanze ist etwas größer und wird dazu verwendet, eine Probe aus einem Spenderblock zu entnehmen, der besonderes biologisches Gewebe beinhaltet. Die Größen der Stanzen sind so bemessen, dass die Probe aus dem Spenderblock gerade in das entsprechende Loch im Empfängerblock passt. Daher passt die Probe genau in den Empfängerblock und ein präzises Array kann erstellt werden.
Der Empfängerblock wird während des gesamten Prozesses in einer angemessenen Befestigung gehalten, obwohl dieser entfernt werden und mit einem oder mehreren Empfängerblöcken alterniert werden kann, um von einem Satz Spenderblöcke mehr als ein Array zu erstellen. Mikrometerantriebe oder andere präzisen linearen Positionierungsmittel positionieren die Stanzen relativ zum Empfängerblock, oder den Empfängerblock relativ zu den Stanzen. Es ist offensichtlich wünschenswert, dass die Spenderstanze exakt die selbe x, y-Position erreicht, die die Empfängerstanze relativ zum Empfängerblock erreicht, hinsichtlich einer gegebenen Einstellung der Mikrometerantriebe. Ist dies nicht der Fall, gelangt die entnommene Probe nicht reibungslos in das entsprechende Loch, sondern wird beschädigt oder geht verloren. Des Weiteren ist wünschenswert, diese Bewegung zuverlässig und kostengünstig ermöglichen zu können.
In Kononen et al wird gelehrt, Schieber und Antriebe zu benutzen, um zunächst die Empfängerstanze in eine zentrale Position zu bewegen, und alternierend die Spenderstanze. Dieser Mechanismus ist beschwerlich, teuer, langsam und anfällig für Ausrichtungsfehler. Die Verwendung von Schiebern unter einem Zwischenwinkel von beispielsweise 45°, wie von Kononen et al gelehrt, ist besonders problematisch, da bereits kleine Fehler in der Höhenpositionierung zu entsprechenden Fehlern in der lateralen Positionierung führen können, und umgekehrt.
US-Patent 6,103,518 und die entsprechende internationale Patentanmeldung WO-A-00/052132 , beide mit dem Titel „Instrument for constructing tissue arrays", offenbaren ein Instrument, das mehrere Stanzen hat, die auf einer Stanzplattform montiert sind, welche zwischen präzise definierten Positionen beweglich ist. Mechanische Feststeller oder Anschläge werden bereitgestellt, die die Bewegung der Stanzplattform in präzise definierten Positionen mechanisch arretieren. Ein Drehturm oder andere Mittel, welche es zwei Stanzen erlauben, einen einzigen z-Achsen Schieber zu teilen, werden bereitgestellt. Dieser Mechanismus ist geeignet für ein einfaches, manuell bedientes Instrument, ist jedoch möglicherweise ungeeignet für ein automatisiertes Instrument, in dem alle Bewegungen durch angetriebene Aktuatoren (pneumatisch, elektrisch, etc.) getrieben werden. Spezielle Mechanismen müssen bearbeitet und montiert werden, und Standardkomponenten stehen nicht zur Verfügung.
Während vorgenannte Systeme betriebsfähig sind, verbleibt ein Bedarf nach einem System, das vollautomatisiert werden kann, und trotzdem aus weniger Robotik-Teilen besteht, als die vorgenannten Systeme.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Überwindung der schwerfälligen Qualität und langsamen Geschwindigkeit des Standes der Technik und die Bereitstellung von einfachen und präzisen Mitteln zur alternierenden Positionierung der beiden Stanzen in einem beliebigen Gewebe-Array-Instrument. Zusätzlich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mittel zur Konstruktion eines robusten automatisierten Instrumentes bereitzustellen.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Instrument, wie in Anspruch 1 beschriebenen, bereitgestellt.
Jeder z-Antrieb bewegt seine entsprechende Stanze entlang der Achse der Stanze. Erstens kann jeder Antrieb seine Stanze vollständig aus dem Bereich der Empfänger- und Spenderblöcke herausbewegen, beispielsweise wenn die andere Stanze genutzt wird, oder wenn der x- und/oder y-Antrieb genutzt wird, um verschiedene Punkte auf den Blöcken unter die Stanzen zu bewegen, oder zur Beobachtung. Zweitens kann jeder Antrieb seine Stanze derart bewegen, sodass diese die Oberfläche eines Blocks gerade berührt oder beinahe berührt, beispielsweise zur Ablage eines Spenderkernstücks einen Empfängerblock. Drittens kann jeder Antrieb seine Stanze in die Blöcke hineinbewegen, beispielsweise zum Erhalten und Entnehmen eines leeren Kernstücks aus einem Empfängerblock oder eines Gewebekernstücks aus einem Spenderblock.
Da jeder der zwei Antriebe seine Stanze in den und aus dem Bereich heraus bewegen, sowie sie in Berührung mit dem geeigneten Block bringen oder eindringen lassen kann, werden nur zwei Antriebe für zwei Stanzen benötigt. Für die parallel anhängige Anmeldung, in der der Erfinder Miterfinder ist, werden vier Antriebe benötigt, zwei, um die zwei Stanzen in die Position und heraus zu bewegen, und zwei, um die Stanzen in die Blöcke hinein und heraus zu bewegen. In Leighton wird manueller Betrieb betrachtet, würde das System jedoch automatisiert, würden zwei Antriebe benötigt, aber diese müssten von zwei unterschiedlichen Typen sein, einer, um den Drehturm von einer Position zur anderen hin und her zu schalten, und ein anderer, um den Drehturm auf und ab zu bewegen. Das würde zu höheren Kosten führen, da es erforderlich wäre, zwei verschiedene Typen von Antrieben zu entwerfen und herzustellen werden müssten, für die zwei verschiedenen Typen von Bewegung. In der vorliegenden Erfindung können die zwei Antriebe identische sein, was zu reduzierten Kosten und Vereinfachung führt.
Der Rest eines Systems, das diese Verbesserung nutzt, kann ähnlich sein zu dem, das bereits im Stand der Technik beschrieben ist. Beispielsweise können angetriebene oder manuelle Mikrometerantriebe oder dergleichen genutzt werden, um den Stanzmechanismus über den Blöcken, oder die Blöcke unter dem Stanzmechanismus zu positionieren. Eine abnehmbare Brücke kann genutzt werden, um die Spenderblöcke über den Empfängerblöcken zu tragen, oder die Spenderblöcke können auf der gleichen Plattform befestigt werden, die die Empfängerblöcke hält. Die letztgenannte Anordnung ermöglicht die Verwendung der selben x- und y-Antriebe und Schieber sowohl für Spender- als auch Empfängerblöcke.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisierte der vorliegende Erfinder, dass im gesamten Stand der Technik die herkömmliche Denkweise war, dass die zwei unterschiedlichen Stanzen dauerhaft an einem Teil des Mechanismus oder des Antriebs gehalten werden sollten. Offensichtlich wurde möglicherweise gedacht, dass dauerhaftes Halten der Stanzen in entsprechenden Haltern notwendig war, um Genauigkeit und eine korrekte Ausrichtung zu garantieren, oder dass die primären Ziele einfachen Betriebs und Geschwindigkeit in einer einzigen dedizierten Maschine die Fachleute von der Möglichkeit abgelenkt haben, einen einzigen Satz an x-y-z-Achsen zu verwenden und diesem einen Mechanismus hinzuzufügen, zur alternierenden Platzierung, erst einer und dann der anderen, von zwei oder mehreren Stanzen, in eine Position am Kopfende einer Achse.
Der vorliegende Erfinder hat nun überraschenderweise entdeckt, dass die zweifache Robotik des Standes der Technik nicht notwendig ist und hat ein einfaches und präzises Mittel entwickelt, Gewebe-Arrays zu formen, durch alternierendes Positionieren der zwei unterschiedlichen Stanzen in einem beliebigen Gewebe-Array Instrument.
Die Erfindung umfasst die vollständige Separierung der zwei Stanzen (Spender und Empfänger), das Bereitstellen eines eigenen Stiletts für jede Stanze (im Gegensatz zu Kononen et al) und die Verwendung eines einzigen z-Antriebs (im Gegensatz zum doppelten z-Antrieb, der in der Patentanmeldung von Leighton offenbart ist), ohne schwerfällige Drehturm- oder Schieber-Mittel zu gebrauchen (wie offenbart beispielsweise im Leighton US-Patent 6,103,518 „Instrument for constructing tissue arrays"). Die Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik beinhalten die Verwendung von wechselbaren Stanzen, die automatisch und alternierend von einem sich bewegenden Greifer und Aktuator gehalten werden können.
Die x-, y- und z-Antriebe, die für allgemeine Positionierung in den meisten Laborrobotern zu finden sind, können einfach programmiert werden, nicht nur, um die aktive Stanze in die geeignete Position relativ zu einem Spender- oder Empfängerblock zu bringen und das Stanzen durchzuführen, sondern auch, um den Stanzenhalter in einen Magazin- oder Ablagebereich zu bringen, eine Stanze abzugeben, und eine andere aufzunehmen.
Die Positionen der Spitzen der zwei Stanzen können periodisch automatisch gemessen werden von Sensoren, die auf der selben Plattform wie die Spender- und Empfängerblöcke montiert sind. Wann immer sich deren Positionen bewegt haben können (vielleicht auf Grund des Zusammenstoßes mit einem etwas dichteren Block oder mit einer Ungleichmäßigkeit, oder auf Grund einer Störung durch einen Anwender oder ein fremdes Objekt, oder einfach weil sie verändert werden auf Grund dessen, dass eine neue Stanze angebracht wird), dann können die neuen Positionen gemessen und die Messung automatisch zum Aktualisieren des Offset-Wertes verwendet werden.
Die Abtastung der Positionen der Spitzen mit einem Sensor, der auf der Blockhalterplattform montiert ist, erlaubt einem System mit Standardkomponenten konstruiert zu werden und angesichts von Umwelteinflüssen und mechanischer Abdrift robust zu sein. Die Positionsabtastung kann zur automatischen Überwindung jeglicher Abweichung der Position der Spitze, hervorgerufen durch den alternierenden Austausch der Stanzen, verwendet werden.
Typischerweise werden die Stanzen in einfachen Halter aufbewahrt, die an dem selben Träger befestigt sind, der die Spender- und Empfängerblöcke hält, und ein komplementärer Halter oder Greifmittel ist an einem Glied oder Arm befestigt, das bzw. der sich in x-, y- und z-Richtung bewegen kann, relativ zu besagtem Träger. (Natürlich gibt es viele Kombinationen von Bewegungen, die für den Fachmann offensichtlich sind, beispielsweise solche, die einen relativ zum Laborbezugsrahmen festen Träger und einen sich in x-, y- und z-Richtung bewegenden Arm haben, oder einen sich in x- und y-Richtung bewegenden Träger und einen sich nur in z- Richtung bewegenden Arm, oder einen sich in x-Richtung bewegenden Träger und einen sich in y- und z-Richtung bewegenden Arm, etc. Der Verweis auf Bewegung entlang der z-Achse sollte verstanden werden als relative Bewegung zwischen Stanze und Spender- oder Empfängerblock). Die Halte- oder Greifmittel können zwischen einem Halte- und Lösemodus umgeschaltet werden mit dem selben Computer oder Controller, der auch den Rest der Operationen des Instruments steuert, oder das Halten und Lösen kann gänzlich mechanisch sein, aktiviert durch die Annäherungs- und Rückzugsbewegungen des Greifers in Bezug auf die Halteposition.
Sobald die geeignete Stanze fest im Greifmittel gehalten wird, kann der Bewegungsantrieb die Stanze in die geeignete Position bringen, um Löcher in einen Empfängerblock zu stanzen, Abfall in einen Abfallaufnahmebehälter abzuführen, Gewebe von einem Spenderblock aufzunehmen, oder Gewebe in einen Empfängerblock einzusetzen. Ein Gerät zur Abtastung von Oberflächen könnte entweder dauerhaft am sich bewegenden Arm befestigt sein, oder könnte ein alternatives Werkzeug sein, dass, wenn es benötigt wird, anstelle einer der Stanzen aufgenommen wird.
Da jede der zwei Stanzen von der selben Achse aufgenommen und genutzt werden kann, wird nur ein x-, y-, z-Antrieb benötigt. Im Vergleich dazu werden von Kononen et al sechs Antriebe benötigt, zwei, um die zwei Stanzen zur Position hin und aus der Position heraus zu bewegen, einer, um die Stanzen in die Blöcke hinein und heraus zu bewegen und zwei für die x-, y-Bewegungen der Blöcke. In Leighton ( US-Patent 6,103,518 „Instrument for constructing tissue arrays") wird manuelle Bedienung betrachtet, würde das System jedoch automatisiert, würden vier Antriebe benötigt, und diese müssten von zwei unterschiedlichen Typen sein, einer, um den Drehturm von einer Position zur anderen hin und her zu schalten, und ein anderer, um den Drehturm auf und ab zu bewegen. Das würde zu höheren Kosten führen, da es erforderlich wäre, zwei verschiedene Typen von Antrieben zu entwerfen und herzustellen, für die zwei verschiedenen Typen von Bewegung.
In der vorliegenden Erfindung kann ein herkömmlicher Laborroboter verwendet werden, was zur Reduzierung von Kosten und Vereinfachung führt.
Während zwei Stanzen in der obigen Diskussion aus Gründen der Vereinfachung angewendet werden, wird es leicht verständlich sein, dass es leicht im Rahmen dieser Erfindung liegt mehr als zwei Stanzen zu verwenden, jede gehalten in einem ähnlichen Halter auf dem Träger, beispielsweise, um schnelle Wechsel zwischen verschiedenen Größen von Stanzen für verschiedene Anwendungen zu erlauben. Es ist auch möglich, den Stanzenhalter zu nutzen, um ein Werkzeug zur Bewegung von Blöcken, ein Werkzeug zur Beschriftung von Blöcken, oder andere Werkzeuge oder Geräte zu halten.
Der Rest des Systems, kann ähnlich sein zu dem, das bereits im Stand der Technik beschrieben ist. Beispielsweise können angetriebene oder manuelle Mikrometerantriebe oder dergleichen genutzt werden, um den Stanzmechanismus über den Blöcken, oder die Blöcke unter dem Stanzmechanismus zu positionieren. Eine abnehmbare Brücke kann genutzt werden, um die Spenderblöcke über den Empfängerblöcken zu tragen, oder die Spenderblöcke können auf der gleichen Plattform befestigt werden, die die Empfängerblöcke hält. Die letztgenannte Anordnung ermöglicht die Verwendung der selben x- und y-Antriebe und Schieber sowohl für Spender- als auch Empfängerblöcke. Wechselweise könnten separate x-, y-Systeme für die Empfängerblöcke und die Spenderblöcke verwendet werden. Dies ist komplizierter, kann aber schnelleren Betrieb für Hochdurchsatzsysteme erlauben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein vollständigeres Verständnis des Wesens und der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, sollte Bezug genommen werden auf die folgende detaillierte Beschreibung zusammengenommen mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen
1 ist eine isometrische, halbschematische Zeichnung der Erfindung aus Sicht des Anwenders; und
2 ist ein Längsschnitt durch den Aufbau einer der Stanzen/Stiletts.
3 ist eine vergrößerte Ansicht einer der Stanzen und deren Verhältnis zu den Sensoren, wie gezeigt in 1.
4 ist eine isometrische, halbschematische Zeichnung des stanzenwechselnden Gewebe-Array-Instruments.
5 ist eine detaillierte Ansicht eines klammerartigen Greifmechanismus.
6 ist eine detaillierte Ansicht eines öffnungsartigen Greifmechanismus.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Mittel zur Konstruktion von Gewebe-Arrays bereit, das einfach, schnell und leicht zu automatisieren ist. Die Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik sind nach einem ersten Aspekt der Erfindung der Verwendung separater z-Achsen, eine für jede Stanze, zurechenbar und/oder, dass die doppelte Robotik des Standes der Technik nicht benötigt wird, und hat ein einfaches und präzises Mittel zur Formung von Gewebe-Arrays entwickelt, durch alternierendes Positionieren der zwei verschiedenen Stanzen in einem beliebigen Gewebe-Array-Instrument. In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Vereinfachung der Automatisierung dadurch erreicht, dass die beiden Stanzen (Spender und Empfänger) vollständig separiert sind, jeder Stanze ihr eigenes Stilett (im Gegensatz zu Kononen et al) gegeben wird und dass ein einfacher oder doppelter z-Antrieb verwendet wird, aber kein schwerfälliger Drehturm oder Schiebermittel gebraucht werden (wie offenbart beispielsweise in Leighton US-Patent 6,103,518 , „Instrument for constructing tissue arrays"). Die Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik beinhalten daher auch die Verwendung von wechselbaren Stanzen, die automatisch und alternierend von einem sich bewegenden Greifer und Aktuator gehalten werden können.
Zusätzliche neue Eigenschaften sind unten diskutiert.
Füll- oder Packmaterial am Ende des Stiletts
Füll- oder Packmaterial kann am Ende der Stiletts bereitgestellt werden, um die Lücke zwischen dem Stilett und der Stanze zu versiegeln, damit der Kern nicht entlang des Stiletts herausgezogen werden und beschädigt werden und/oder verloren gehen kann.
Im Stand der Technik sind die Stiletts Metalldrähte, die in metallenen Stanzröhren gleiten. Diese ziemlich simple Anordnung ist funktional, jedoch kann, in Abhängigkeit des Gewebetyps, Temperatur und Passgenauigkeit des Drahtes und der Röhre, etwas des Gewebes zwischen den Draht und die Röhre durchgedrückt werden, was zu einem nicht vorhersagbaren Verlust an Gewebe führt. Zusätzlich zum einfachen Verlust des Gewebes wird das zusätzliche Problem eines unterschiedlichen Volumens von Gewebe unter dem Stilett verursacht und die Konstruktion von Arrays mit ungleichmäßigen Tiefen. Diese Ungleichmäßigkeit führt zu einer weitaus reduzierten Ausbeute an brauchbaren Sektionen, die von dem Array-Block abgeschnitten werden können.
Die vorliegende Erfindung umfasst den Gebrauch kleiner Stücke von Füll- oder Packmaterial an den Spitzen der Stiletts, um diese äußere Extrusion zu verhindern. Diese Stücke können vorzugsweise elastomeres Material sein, wie zum Beispiel Polyurethan, natürlicher Gummi oder Polyvinylchlorid oder dergleichen. Diese können den Stanzen exakt anpasst sein, durch den Gebrauch der Stanze als ein Werkzeug, um exakt die Scheibe korrekter Größe aus einer Schicht des gewählten Materials auszustanzen.
Kraftkontrolle des Stiletts
Ein Antrieb für ein oder beide Stiletts kann entworfen werden, der vorgeschriebene Kräfte ausübt sowie Bewegungen in präzise definierte Positionen ausführt, um das Stampfen von Kernstücken für besseres Haftvermögen durch die Stanzen und einfacheres Entfernen der Kernstücke aus den Blöcken zu erlauben.
Das nächstverwandte System für automatisierte Gewebe-Arrayer, das dem Erfinder bekannt ist, verwendet nur Positionssteuerung des Stiletts. Dies hat den Nachteil, dass das Stilett nur vollständig aus dem Bereich des Gewebe- oder Wachskernstücks zurückgezogen werden kann, während diese aufgenommen werden, oder vollständig hinunter fluchtend bis zum Ende der Stanze gedrückt werden kann, um das Gewebekernstück in den Empfängerblock einzusetzen. Obwohl dazwischen liegende Positionen theoretisch möglich sind, sind diese nicht nutzbar, da die automatisierte Maschine keine Information über die exakte Länge des Wachsstopfens hat, mit der eine geeignete Zwischenposition für das Stilett berechet werden kann. Es existieren Kombinationen von Gewebetypen, Wachstypen, Temperatur und Stanzgeometrie, für die eine zuverlässige Entnahme des Kernstücks aus dem Block problematisch gewesen ist. Obwohl die Stanze ein Kernstück ausgeschnitten haben kann, wird dieses nicht entfernt, da es noch immer unten von dem Block gehalten wird und die Stanze an der Seite nicht genügend Reibung aufbringen kann, um das Kernstück zu fassen und die Verbindung zum Block zu brechen.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Steuerung der Kraft, die auf das Stilett ausgeübt wird, wie zum Beispiel mittels eines pneumatischen oder hydraulischen Zylinders. Diese kontrollierte Kraft kann hoch genug eingestellt werden, um den Kern vollständig aus einer Stanze in einen Gewebeblock zu drücken, oder kann auf einen Zwischenwert eingestellt werden, um das Kernstück zu stampfen, kurz bevor es entnommen wird. Das Stampfen verdichtet das Kernstück axial und weitet es daher radial auf, gegen die zylindrischen Wände der Stanze. Diese erhöhte radiale Kraft erzeugt ein stärkeres Haftvermögen der Stanze auf das Kernstück und ermöglicht der Stanze, das Kernstück zu extrahieren. Dieses Phänomen ist in gewisser Weise wenig eingängig, da einige Benutzer früherer automatisierter Maschinen dachten, dass die axiale Kraft das Kernstück vollständig aus der Stanze drücken würde. In der Tat würde sie es herausdrücken, wenn große Kräfte gebraucht würden, um das Stilett vollständig bis zum Ende der Stanzröhre zu zwingen. Frühere Beschreibungen automatisierter Maschinen lehren einfache Zyklen, die damit einhergehen, dass sich das Stilett entweder in der einen oder anderen Endstellung des gesamten Hubs befindet.
Die kontrollierte Kraft kann auf eine beliebige Anzahl von Arten ausgeübt werden, die im Stand der Technik bekannt sind, beispielsweise pneumatisch, hydraulisch, Motoren kontrollierter Ströme, Kräftesensoren umfassende Rückkopplungssysteme oder jegliche Art von Aktuatoren oder Kombinationen von Federn und verschiedenartigen Mechanismen.
Die Erfindung wird nun mit Verweis auf die Ausführungsform genauer beschrieben, illustriert in den Figuren.
In 1 werden die Stanzen 1 und 2 von den Armen 3 und 4 gehalten und vertikal von den Antrieben 5 und 6 bewegt. Stiletts 7 und 8 werden jeweils für eine der zwei Stanzen bereitgestellt. Sie werden von den Aktuatoren 9 und 10 vertikal bewegt, relativ zu den Stanzen. Antriebe 11 und 12 werden für die Aktuatoren der Stiletts bereitgestellt. Ein Computer 13 steuert alle Antriebe oder Aktuatoren. Eine Plattform 14 wird in x- und y-Richtung von den Aktuatoren 17 und 18 bewegt. Die Plattform hält Empfängerblöcke 15, Spenderblöcke 16, einen Abfallaufnahmebehälter 19 und Sensoren 20. Die Sensoren 20 erkennen die Stiletts und erlauben dem Computer, die Position der Stanzen relativ zur Plattform zu finden. Andere Sensoren, Endschalter, Kodierer und Rückkopplungselemente sind vielleicht notwendig, werden aber wegen Klarheit nicht gezeigt, da ihr Gebrauch im Stand der Technik gut bekannt ist. Zu diesem Zweck werden hier die US-Patente mit den Nummern 6,103,518 und 6,136,592 per Verweis aufgenommen.
Jetzt Bezug nehmend auf 2, dort wird Stanze 21 gezeigt, ein Stilett 22 innerhalb der Stanze, ein Stück Füll- oder Packmaterial 23 und ein Gewebe- oder Wachskern 24.
3 ist eine vergrößerte Ansicht einer der Stanzen aus 1 und zeigt eine bessere Darstellung des Zweiwege-Hydraulik- oder -Pneumatikaktuators 9 in Relation zu den Sensoren 20.
Obwohl es viele Wege gibt, eine Vorrichtung zu konstruieren, die dem Gedankengang des Erfinders entspricht, wird hier eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Zwei Stanzen, eine Empfängerstanze 1 und eine Spenderstanze 2, werden positioniert, jede auf einem separaten elektromechanisch betätigten Schieber 5, 6. Die entsprechenden Stiletts 7, 8 werden unabhängig von einfachen pneumatischen Zylindern 9, 10 angetrieben. Die pneumatischen Zylinder erlauben präzise Positionierung der Stiletts, in der Position entweder ganz oben oder ganz unten, und erlauben ebenfalls die Ausübung kontrollierter Kräfte an dazwischen liegenden Positionen, um die Kernstücke zu stampfen, lediglich indem die Druckluft entsprechend justiert wird.
Ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung wäre die Verwendung von elektromechanischen Aktuatoren – nötigenfalls mit Kraftsensoren – anstatt der pneumatischen Zylinder. Ähnlicherweise wäre die Verwendung pneumatischer oder hydraulischer Zylinder für die Positionierung der Stanzen denkbar.
Vorzugsweise positionieren elektromechanisch betriebene Schieber eine Plattform 14 entlang der x- und y-Achsen, um präzise Positionierung eines Satzes einer oder mehrerer Empfänger- 15 und Spenderblöcke 16 unter den Stanzen zu erlauben. Alternativ kann die Plattform kreisförmig sein und in einer zirkulären Bewegung angetrieben sein. Notwendig ist nur, dass eine präzise, vorhersagbare Re-Positionierung der Spender- und Empfängerblöcke relativ zu den Stanzen bewirkt werden kann. Alle der Bewegungen können unter elektronischer und Computersteuerung durch eines von vielen gut bekannten Mitteln stehen – Endschalter, Sensoren, Positionsrückkopplung, Schritt- und/oder Servomotoren und dergleichen.
Ein typischer Zyklus besteht daraus, die gewünschte Empfängerposition mit den x-y-Antrieben unter die Empfängerstanze zu bringen; die Empfängerstanze durch ihren z-Antrieb in den Empfängerblock eindringen zu lassen und ein leeres Kernstück zu entnehmen, zur Erzeugung einer Aussparung für den späteren Gebrauch; die Empfängerstanze (durch die x-y-Antriebe) in die Nähe des Abfallaufnahmebehälters zu bringen (der auf der selben x-y-Plattform wie die Blöcke angebracht sein kann) und das Empfängerstilett so zu bewegen, dass das leere Kernstück in den Abfallaufnahmebehälter abgegeben wird; die gewünschte Position eines Spenderblocks mit den x-y-Antrieben unter die Spenderstanze zu bringen; die Spenderstanze durch ihren z-Antrieb in das Gewebe eindringen zu lassen und ein gewünschtes Kernstück des Gewebes zu entnehmen; die zuvor erzeugte Aussparung in einem der Empfängerblöcke von den x-y-Antrieben unter die Spenderstanze zu bringen; und schließlich die Spenderstanze durch ihren z-Antrieb in Kontakt oder nahezu in Kontakt mit dem Empfängerblock zu bringen und dann sein Stilett so zu bewegen, dass das Gewebekernstück in die erzeugte Aussparung im Empfängerblock eingepflanzt wird. Als nächstes wird die laterale Position mit den Antrieben X und/oder Y in die nächste Position inkrementiert und der Zyklus wird wiederholt.
Es ist im Rahmen dieser Erfindung, dass entweder die Blöcke oder die Stanzen in x-, y- und z-Richtung bewegt werden können, relativ zum Laborbezugsrahmen – lediglich relative Bewegung ist in dieser Erfindung von Bedeutung.
Zum Beispiel können, anstatt an einer fixierten Basis oder einem Rahmen starr montiert zu sein, eine oder beide z-Achsenantriebe auf horizontalen Positionierungsantrieben montiert sein, um diese relativ zu der fixierten Basis und somit relativ zur Plattform zu bewegen, anstatt die Plattform relativ zur fixierten Basis zu bewegen. Alternativ könnte die Plattform beispielsweise in die x-Richtung bewegt werden und einer oder beide Antriebe in die y-Richtung. Alternativ könnte ein Positionierungssystem auf Basis von Polarkoordinaten verwendet werden, wobei eine der Bewegungen rotational ist und die andere eine radiale Bewegung. In der Tat könnten beispielsweise die Spenderblöcke auf einem computergesteuerten Drehtisch montiert sein und die Empfängerblöcke auf einem unterschiedlichen Drehtisch, wobei die z-Antriebe linear horizontal von einem Drehtisch zum anderen bewegt werden. Diese lineare Bewegung würde auch dazu dienen, besondere radiale Positionen auf beiden Drehtischen auszuwählen. Alternativ könnte ein Satz Blöcke auf einem x-y-Tisch sein, der andere auf einem Drehtisch, oder jeder auf seinem eigenen x-y-Tisch.
Es ist ersichtlich, dass es viele Kombinationen und Permutationen gibt, mit Vorteilen für verschiedene Anwendungen. Das Schlüsselelement, das alle gemein haben, ist der Gebrauch von mindestens zwei separaten z-Antrieben.
Des Weiteren ist es möglich, um die Reichweite oder Kapazität des unbeaufsichtigten Instruments zu erhöhen, ein Magazin, Spender- und/oder Empfängerblöcke beinhaltend, entweder frisch, oder gestanzt, weiter bereitzustellen, wobei das Magazin operativ dem besagten Instrument zugehörig ist, um Blöcke für das besagte Instrument bereitzustellen und/oder Blöcke von besagtem Instrument aufzunehmen.
In 4 ist ein stanzewechselndes Gewebe-Array-Instrument illustriert, in dem Stanze 31 von Arm 33 gehalten und von Antrieb 35 vertikal bewegt wird. Koaxial innerhalb der Stanze befindet sich Stilett 37, das von Antrieb 41 für den Stilettaktuator bewegt wird und relativ zu den Stanzen vertikal durch Aktuator 39 bewegt wird. Ein Computer 43 steuert alle Antriebe oder Aktuatoren. Eine Plattform 44 wird in die x- und y-Richtungen von Aktuatoren 47 und 48 bewegt. Die Plattform hält Empfängerblock 45, Spenderblock 46, einen Abfallaufnahmebehälter 49 und einen Sensor 50.
Der Sensor erlaubt dem Computer die Position der Stanzen relativ zur Plattform zu finden. Andere Sensoren, Endschalter, Kodierer und Rückkopplungselemente können verwendet werden, werden zur Klarheit der Illustration jedoch nicht gezeigt, da ihr Gebrauch im Stand der Technik gut bekannt ist.
5 zeigt einen doppelten Klammermechanismus als einen möglichen Typ von Greifmechanismus. Computergesteuerte Solenoide 70, 73 sind mit Klammern 71, 74 über betätigende Arme 72, 75 verbunden. Die obere Klemmbacke greift die Anlagefläche des Stiletts und ist mit dem Stilettantrieb verbunden, die untere Klemmbacke greift die Anlagefläche der Stanze und ist mit dem Stanzantrieb verbunden.
6 zeigt einen alternativen doppelten Greifmechanismus. Stilettgreifer 80 hat eine Öffnung, die geringfügig größer ist, als die Anlagefläche des Stiletts. Stanzengreifer 81 hat eine Öffnung, die geringfügig größer ist, als die Anlagefläche der Stanze. Auf Aktivierung hydraulischer (z. B. Ballondichtung, hydraulische Klemmbacken), elektromagnetischer, oder Unterdrucksaugmittel, greifen der Stilettgreifer und der Stanzengreifer das Stilett beziehungsweise die Stanze.
Vorzugsweise sind die Greifer mit einem Passer versehen, welcher eine einfache „V"-Form sein kann, gegen den die Anlagefläche des Stiletts oder der Stanze positioniert wird, für präzise Positionierung.
Offensichtlich können die Greifer ähnlich entworfen und betrieben werden, oder sie können von unterschiedlichem Typ sein.
Obwohl es viele Wege zur Konstruktion des stanzenwechselnden Gewebe-Array-Instruments gibt, wird jetzt eine bevorzugte Ausführungsform in größerem Detail beschrieben. Zwei Stanzen, eine Empfänger- und eine Spenderstanze, werden jede in einem separaten Halter auf einem Träger aufbewahrt, der auch die Spender- und Empfängerblöcke (4) hält. Jeder ist mit einem Stilett zum Herausdrücken von Wachs oder Gewebe aus der Stanze ausgestattet.
Jeder Stanze/Stilettaufbau kann mit dem selben x-, y-Verschiebesystem unter den Greifer der z-Achse (5) gebracht werden, das verwendet wird, um die Spender- und Empfängerblöcke zu bewegen. Die z-Achse wird dann dazu verwendet, den Greifer herunter zu bewegen und die Stanze zu greifen, die für die nächste Operation erforderlich ist. Wenn es nötig ist, zu einer unterschiedlichen Stanze zu wechseln, wird der leere Stanzenhalter 60 unter den Greifer des z-Achsenantriebs gebracht und der z-Achsenantrieb senkt und löst die Stanze, die nicht länger erforderlich ist. Der z-Achsenantrieb hebt dann den leeren Greifer, die andere Stanze wird unter den Greifer gebracht und der z-Achsenantrieb senkt den Greifer, um die Zielstanze zu aufzunehmen.
Während eine Stanze aufgenommen wird, wird ihr Stilett im selben Arbeitsgang mit dem Stilettantrieb verbunden. Das Stilett der aktiven Stanze kann von einem einfachen pneumatischen Zylinder angetrieben werden. Der pneumatische Zylinder erlaubt eine präzise Positionierung des Stiletts, entweder in der obersten oder untersten Position, und erlaubt auch kontrollierte Kräfte an dazwischen liegenden Positionen, um die Kernstücke zu stampfen, lediglich durch Justierung des Luftdrucks. Es wäre auch im Rahmen der Erfindung, einen elektromechanischen Aktuator (falls nötig mit Kräftesensor), anstatt des pneumatischen Zylinders, zu verwenden, oder pneumatische oder hydraulische Zylinder zur Positionierung der Stanze zu verwenden.
Vorzugsweise positionieren elektromechanisch angetriebene Schieber eine Plattform entlang der x- und y-Achsen, um die präzise Positionierung eines Satzes eines oder mehrerer Empfänger- und Spenderblöcke unter der Stanze zu erlauben. Alle der Bewegungen können unter elektronischer und Computersteuerung durch eines von vielen gut bekannten Mitteln stehen – beispielsweise Endschalter, Sensoren, Positionsrückkopplung, Schritt- und/oder Servomotoren und dergleichen.
Ein typischer Zyklus besteht daraus, die gewünschte Empfängerposition mit den x-y-Antrieben unter die Empfängerstanze zu bringen; die Empfängerstanze durch ihren z-Antrieb in den Empfängerblock eindringen zu lassen und ein leeres Kernstück zu entnehmen, zur Erzeugung einer Aussparung für den späteren Gebrauch; die Empfängerstanze (durch die x-y-Antriebe) in die Nähe des Abfallaufnahmebehälters zu bringen (der auf der selben x-y-Plattform wie die Blöcke angebracht sein kann) und das Empfängerstilett so zu bewegen, dass das leere Kernstück in den Abfallaufnahmebehälter abgegeben wird; die Empfängerstanze in ihren Halter zurückzuführen und die Spenderstanze zu aufzunehmen; die gewünschte Position eines Spenderblocks durch die x-y-Antriebe unter die Spenderstanze zu bringen; die Spenderstanze durch ihren z-Antrieb in das Gewebe eindringen zu lassen und ein gewünschtes Kernstück des Gewebes zu entnehmen; die zuvor erzeugte Aussparung in einem der Empfängerblöcke durch die x-y-Antriebe unter die Spenderstanze zu bringen; und schließlich die Spenderstanze durch den z-Antrieb in Kontakt oder nahezu in Kontakt mit dem Empfängerblock zu bringen und dann sein Stilett so zu bewegen, dass das Gewebekernstück in die erzeugte Aussparung im Empfängerblock eingepflanzt wird. Als nächstes wird die laterale Position mit den Antrieben X und/oder Y in die nächste Position inkrementiert und der Zyklus wird wiederholt.
Es ist im Rahmen des Patents, dass entweder die Blöcke oder die Stanzen in x-, y- und z-Richtung bewegt werden können, relativ zum Laborbezugsrahmen – lediglich relative Bewegung ist in dieser Erfindung von Bedeutung.
Es ist ersichtlich, dass es viele Kombinationen und Permutationen gibt, mit Vorteilen für verschiedene Anwendungen.
Das Schlüsselelement, das alle gemein haben, ist der Gebrauch von mindestens zwei separaten z-Antrieben.
Des Weiteren ist es möglich, um die Reichweite oder Kapazität des unbeaufsichtigten Instruments zu erhöhen, ein Magazin, Spender- und/oder Empfängerblöcke beinhaltend, entweder frisch, oder gestanzt, weiter bereitzustellen, wobei das Magazin operativ dem besagten Instrument zugehörig ist, um Blöcke für das besagte Instrument bereitzustellen und/oder Blöcke von besagtem Instrument aufzunehmen.

Claims

Ein Instrument zum Erstellen von Arrays eines Gewebes in einem Empfängerblock; das Instrument umfasst: eine erste und eine zweite Ausstanzeinheit (1, 2), jede Stanzeinheit umfasst einen Stempel einschließlich einer Anlagefläche der Stanze und einem Stylet (7, 8) einschließlich einer Anlagefläche des Stylets, erste Haltemittel zum Halten wenigstens eines Spenderblockes (16); zweite Haltemittel zum Halten wenigstens eines Empfängerblockes (15), Mittel (17, 18) zur Positionierung für das wahlweise Neupositionieren des vorgenannten Empfängerblockes, wobei der vorgenannte Empfängerblock relativ zu der vorgenannten ersten und zweiten Stanze angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der ersten und der zweiten Stanzeinheiten ein eigener unabhängig arbeitender Stanzantrieb (9, 10) vorgesehen ist, so dass die erste und die zweite Stanzeinheit unabhängig bezüglich der ersten und der zweiten Stanzachse bewegbar ist, die erste und die zweite Stanzachse parallel verlaufen und auf Abstand voneinander getrennt sind.
Instrument gemäß Anspruch 1, wobei das vorgenannte erste Haltemittel eine Plattform (14) zum Halten von wenigstens einem Spenderblock umfasst; das vorgenannte zweite Haltemittel eine Plattform (14) zum Halten des vorgenannten Empfängerblockes umfasst, die vorgenannte erste Stanzeinheit an einem Stempelarm (5) befestigt ist und eine Empfängerstanze (1) und eine mit dieser verbundene Stylet (7) umfasst; und die vorgenannte zweite Ausstanzeinheit an einem Stempelarm (6) befestigt ist und eine Spenderstanze (2) und ein mit dieser verbundenen Stylet (8) umfasst, die vorgenannte Spenderstanze einen innere Durchmesser aufweist, der größer ist als die vorgenannte Empfängerstanze.
Instrument gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei ein oder mehrere Mittel zur Positionierung und des Stanzantriebes unter Kontrolle eines Computers gesteuert sind.
Instrument gemäß Anspruch 2, wobei die Halteplattform des Spenderblocks und die Halteplattform des Empfängerblocks unterschiedliche Plattformen sind.
Instrument gemäß Anspruch 4, wobei eine der vorgenannten Halteplattform des Spendeblocks und die Halteplattform des Empfängerblocks wenigstens in eine der X- und Y-Achsen beweglich ausgebildet sind und die andere der vorgenannten Plattformen durch einen Drehtisch gebildet wird, der um die Z-Achse drehbar ist.
Instrument gemäß Anspruch 2, wobei die Spenderblockhalteplattform und die Empfängerblockhalteplattform dieselbe Plattform sind.
Ein Instrument gemäß Anspruch 6, wobei die vorgenannten Halteplattform des Spenderblocks und die Halteplattform des Empfängerblocks entlang der X- und Y-Achse antreibbar sind und die vorgenannten Stanzen entlang der Z-Achse antreibbar sind.
Ein Instrument gemäß Anspruch 7, wobei die vorgenannte Halteplattform des Spenderblocks und die vorgenannte Halteplattform des Empfängerblocks einen Drehtisch ausbilden, der um die Z-Achse drehbar ist und wobei entweder die vorgenannten Stanzen oder die vorgenannten Plattformen mit Mitteln für die Bewegung in wenigstens eine der X- oder Y-Achsen versehen sind.
Ein Instrument gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Stanze und die zweite Ausstanze im Stande sind sich unabhängig und simultan in der Z-Achse zu bewegen.
Ein Instrument gemäß der Ansprüche 1 oder 2, wobei die vorgenannten Stylets (7, 8) durch einen Aktuator (9, 10) antreibbar sind, der geführte Kräfte ausüben kann.
Ein Instrument gemäß Anspruch 10, wobei die Hublänge der vorgenannten Stylets über die vorgenannten Styletaktuatoren kontrollierbar ist.
Ein Instrument gemäß Anspruch 11, wobei die Styletaktuatoren (9, 10) zur Hublänge über einen Computer kontrollierbar sind.
Ein Instrument nach einem der vorangehenden Ansprüche ferner umfassend ein Magazin das Blöcke beinhaltet, und die mit Mitteln zur Bereitstellung von Blöcken für das vorgenannte Instrument und/oder zur Bereitstellung von Empfängerblöcken für das vorgenannte Instrument wirkverbunden sind.