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Mikroskopie im Labor der Zukunft Mikroskopie 4.0: automatisiert und digital

Digitalisierung und Vernetzung sind der rote Faden, der sich durch alle Tätigkeiten im Labor der Zukunft zieht. Die Mikroskopie bildet hier keine Ausnahme. Egal, ob künstliche Intelligenz oder ergonomische Verbesserung, es wurden in den vergangenen Jahren zahlreiche Lösungen für eine Mikroskopie 4.0 gefunden.

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Digitalisierung und Vernetzung in der Mikroskopie ermöglichen bessere Aufnahmen.
Digitalisierung und Vernetzung in der Mikroskopie ermöglichen bessere Aufnahmen.
(Bild: Zeiss Microscopy;)

Bereits seit mehreren Jahrhunderten gehört die Mikroskopie zu den wichtigsten Techniken für den wissenschaftlichen Fortschritt. Ohne mikroskopische Aufnahmen wären viele Entdeckungen wie das Penicillin oder der Hochleistungswerkstoff Graphen nicht möglich gewesen. Doch die Mikroskopie hat sich in dieser Zeit drastisch weiterentwickelt. Um Prozesse im Labor effizienter und sicherer zu gestalten, ist ein gewisser Grad an Digitalisierung notwendig.

Schnittstellen

Labor-Geräte und damit auch Mikroskop-Systeme sollten miteinander vernetzt sein und über Schnittstellen verfügen, über die sie mit anderen Geräten kommunizieren können. Eine Standardschnittstelle ist das Twain-Plug-In. Die Mikroskopkamera Zeiss Axiocam 208 color z. B. verfügt über diese Schnittstelle. Mit dem Plug-In können Bilder mithilfe einer Twain-kompatiblen Software, wie zahlreichen Laborinformationssystemen, aufgenommen und gespeichert werden. Über die grafische Benutzeroberfläche (GUI) der Kamerasoftware können Belichtungszeit, Weißabgleich sowie Ausgabebildformat eingestellt werden. Die Speicherung der Bilder erfolgt direkt in der Datenbank der Software oder einem definierten gemeinsamen Ordner.

Abb.1: Mithilfe von KI-Algorithmen wird die Probe automatisch ausgerichtet.
Abb.1: Mithilfe von KI-Algorithmen wird die Probe automatisch ausgerichtet.
(Bild: Zeiss)

Datenverwaltung

Auch Barcodes helfen, große Probenmengen oder sensible Daten einfach und zuverlässig zu bearbeiten. Die präzise Datenverwaltung ist entscheidend: Schnelligkeit und absolute Datengenauigkeit sind Schlüsselelemente. Mit smarten Mikroskopen wie Zeiss Axiolab 5 oder Zeiss Axioscope 5 und der Mikroskopkamera Zeiss Axiocam 208 color scannt man den Barcode der Probe z. B. direkt mit der eingebauten Kamera eines iPads oder eines externen Barcode-Scanners und ordnet dem automatisch korrekt skalierten Bild die Probe per ID zu. Bei der Aufnahme mehrerer Bilder von einer Probe wird der Dateiname mit der Barcode-ID beim Scannen desselben Barcodes automatisch um einen Zähler erweitert.

Abb.2: Ein spezieller Rahmen für Probenhalter ermöglicht die sichere Identifizierung der einzelnen Proben.
Abb.2: Ein spezieller Rahmen für Probenhalter ermöglicht die sichere Identifizierung der einzelnen Proben.
(Bild: Zeiss)

Besonders effizient arbeitet man mit Smart Microscopy von Zeiss. Smart Microscopy ist ein neues Konzept zur digitalen Dokumentation mikroskopischer Proben, bei dem das Zeiss Routinemikroskop direkt mit der Zeiss Axiocam Mikroskopkamera kommuniziert. Wechselt man zwischen verschiedenen Objektiven, übernimmt der Lichtmanager die Helligkeitsanpassung automatisch. Die Mikroskopkamera erkennt diese Einstellungen. Sie passt die Helligkeit und andere Bildwerte wie den Weißabgleich automatisch an und bietet zusätzliche Live-Imag­ing-Funktionen wie Schärfen, Entrauschen und HDR. Dadurch erhält der Anwender immer detailreiche und farbechte Bilder, die – ohne zusätzlichen PC – direkt auf dem USB-Speichermedium in der Kamera gespeichert werden.

Vollautomatisiertes Imaging

In den letzten Jahrzehnten entwickelten sich aus einfachen Mikro­skopen so genannte Imaging-Systeme, die über eine unterschiedliche Ausprägung an automatisierten Komponenten verfügen. Teilweise wurden analoge Kameras durch digitale ersetzt, Komponenten kodiert und motorisiert und Fortschritte bei der Softwaresteuerung von Einzelkomponenten und Detektoren/Kameras gemacht. Solche Systeme verbessern die Genauigkeit, Qualität und Präzision und nicht zuletzt die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Doch trotz der immer stärkeren Automatisierung sind nach wie vor manuelle Schritte notwendig: das Platzieren der Probe, das Einstellen des Fokus und das Erkennen relevanter Probenbereiche. Der Bediener investiert hierbei viel Zeit in die Erfassung, Verarbeitung, Analyse und den Export von Bildern und Daten.

Abb.3: Der Anwender kann Bilder aufnehmen ohne die Hände vom Mikroskop zu nehmen.
Abb.3: Der Anwender kann Bilder aufnehmen ohne die Hände vom Mikroskop zu nehmen.
(Bild: Zeiss)

Ein Beispiel für die gelungene Automatisierung von vielen dieser Funktionen ist das System Zeiss Celldiscoverer 7, das mithilfe der ZEN-Software vollständig gesteuert wird und über diverse Automatisierungsfunktionen verfügt. Zeiss Celldiscoverer 7 ist eine automatisierte Plattform für das Live Cell Imaging. Sobald die Bildaufnahme gestartet wird, übernehmen automatische Kalibrierungsroutinen die Arbeit, um reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten. Mit der Barcode-Erkennung können die Probe, der Probenträger und sogar die Art des Experiments identifiziert werden. Sollte nicht mit Barcodes gearbeitet werden, identifiziert ein automatischer Vorschauscan den Probenträger und kalibriert ihn. Das funktioniert sowohl mit 2D- als auch mit 3D-Zellkulturen, Gewebeschnitten oder kleinen Modellorganismen. Auch für die Mikroskop-Plattform Zeiss Axio Observer gibt es eine automatisierte Lösung. Der AI Sample Finder optimiert die Benutzerführung und ermöglicht einen effizienteren Betrieb. Der AI Sample Finder erkennt den Objektträger automatisch, passt den Fokus an und findet die Probenregion. Selbst bei Proben mit wenig Kontrast erhält der Anwender schnell ein Übersichtsbild und kann mit nur einem Klick auf relevante Regionen zugreifen. Die Zeit bis zur Bildaufnahme wird von Minuten auf wenige Sekunden reduziert.

Datenspeicherung

Im Labor wird klassischerweise gleichzeitig an mehreren Projekten gearbeitet. Selbst bei Routineanwendungen, bei denen manuelle Mikroskope zum Einsatz kommen, entstehen pro Tag Hunderte von Aufnahmen. Diese massiven Datenmengen müssen auf bequeme Art und Weise gespeichert und verwaltet werden.

Abb.4: Durch Software-Programme wie Labscope lassen sich Mikroskopbilder leichter archivieren, durchsuchen und mit anderen Anwendern teilen.
Abb.4: Durch Software-Programme wie Labscope lassen sich Mikroskopbilder leichter archivieren, durchsuchen und mit anderen Anwendern teilen.
(Bild: Zeiss)

Der Zeiss ZEN Data Storage Server bildet die zentrale Datenbank, in der die Bilder, Vorlagen, Formulare und Berichte gespeichert werden. ZEN Data Storage baut auf der bestehenden Server-Infrastruktur im Labor auf und speichert Daten an einem Ort. Das macht die Realisierung von Backup- und Datensicherheitsplänen einfach. Auch Mehrbenutzerumgebungen und rollenbasierte Zugriffsrechte lassen sich auf effiziente Weise organisieren. Bestandteil von ZEN Data Storage ist der Zeiss ZEN Data Explorer. Mit ZEN Data Explorer können Bilder, die im ZEN Data Storage gespeichert sind, durchsucht, angezeigt, geteilt und bearbeitet werden. Dieser Bildbrowser ist kostenlos und ermöglicht es, angezeigte Bilder mit Annotationen zu versehen. In der Galerieansicht verschafft sich der Nutzer einen Überblick über das Bildmaterial und kann durch die einzelnen Bilder navigieren. Der ZEN Data Explorer funktioniert als Hybrid-App auf Smartphones und Tablets (iOS und Android) sowie auf Windows-PCs. Er ermöglicht das Arbeiten mit mehrdimensionalen Bildern auf einem Server von einem Remote­standort und verschiedenen Plattformen aus.

Vernetztes Labor der Zukunft

Das Labor 4.0 ist intelligent und vernetzt. Zahlreiche Lösungen gestalten die Abläufe effizienter, Systeme kommunizieren möglichst nahtlos miteinander und Abläufe laufen automatisiert ab.

Auch Mikroskopsysteme gehen diesen Weg: erleichterte Bedienung in Verbindung mit einer positiven Nutzererfahrung gestalten das Arbeiten schneller und sicherer. Die Systeme sind in die Laborumwelt integriert und auf die Daten kann ortsunabhängig zugegriffen werden.

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