TopoScan

Modular-System für die automatisierte Mikroskopie

© Foto Fraunhofer FIT

TopoScan ist eine modulare Hard- / Softwareplattform zur Konstruktion von Scanning-Mikroskopen. Diese Architektur erlaubt den Bau kostengünstiger und auf den Kunden zugeschnittener Geräte.

TopoScan weist kurze Scanzeiten auf und reduziert den Zeitaufwand für das Daten- Handling. Die Planung von Experimenten und die Analyse der Daten werden beschleunigt. Die Geräte unterstützen zudem die Etablierung eines reproduzierbaren und verlässlichen Analyse-Workflows.

Im Fokus stehen vor allem biologische und medizinische Anwendungsbereiche, von der Einzelmoleküldetektion bis zu fluoreszenzmikroskopischen Gewebsanalysen. Erweitert durch eine Polarisationseinheit finden TopoScan-Geräte aber beispielsweise auch in der Mineralogie Anwendung.

Bei herkömmlichen Verfahren werden Proben vollständig mit einer hochauflösenden Optik gescannt, ohne Kenntnis, an welcher Stelle sich interessante Regionen befinden.

Adaptives Scanning

TopoScan verfolgt den Ansatz des adaptiven Scannings. Dabei wird die Probe in einem Prescan zunächst mit einer niedrigen Auflösung gescannt. Mithilfe von Bilderkennungsverfahren werden die Daten des Prescans auf Zielmuster untersucht, den Regions of Interest. Dies geschieht bereits parallel zum Prescan. In einem weiteren Scanning-Durchgang werden dann nur diejenigen Areale detailliert analysiert, in denen eine Region of Interest lokalisiert wurde. Dadurch werden die Scanning-Zeiten und die Probenbelastung deutlich reduziert.

1) Nur Areale, in denen das Zielmuster detektiert wurde, werden hochauflösend gescannt.
2) Detailscan eines Zielmusters.

Bedienoberfläche

Durch die Automatisierung der Mikroskopkomponenten und ihrer Steuerung läuft das adaptive Scanning-Verfahren ohne Nutzerintervention ab. Das Proben-Handling geschieht ebenfalls automatisch.

Eine benutzerfreundliche Bedienoberfläche erlaubt die Auswahl vorhandener oder die Definition neuer Workflows. Damit wird ein reproduzierbarer und vom Gerät dokumentierter Ablauf gewährleistet. Fehlerfaktoren werden reduziert.

Zur Weiterverarbeitung großer Datenmengen stehen spezialisierte Softwaremodule zum Datenmanagement und für zahlreiche Bildverarbeitungs- und Mustererkennungsaufgaben zur Verfügung, die ebenfalls nahtlos in die Workflows integriert werden können. Damit ist es möglich, auf Knopfdruck komplexe diagnostische Auswertungen durchzuführen.

Wesentliche Entwicklungspunkte

Eine besondere Herausforderung, die erfolgreich gelöst werden konnte, ist der Umgang mit zusammengesetzten Datensätzen: Die generierten Daten bestehen aus einem Übersichtsbild, das aus mehreren Aufnahmen zusammengesetzt wird, sowie aus hochaufgelösten Detailscans von ausgewählten Orten. Dies erfordert eine exakte Positionierung der Probe unter dem Objektiv, damit der Probenausschnitt bei PreScan und Detailscan identisch ist.

Alle Mikroskopmaschinen auf Basis der TopoScan Plattform verfügen über kontextspezifische Autofokusalgorithmen. Im Projektverlauf wurde ein Set von Autofokus-Algorithmen evaluiert und weiterentwickelt.