Zentrales Thema dieser Arbeit ist eine Echtzeitumgebung für vollautomatisierte Mikroskopieanwendungen im Bereich der Life Sciences, in denen es u.a. darum geht, die in lebenden Zellen und Zellverbänden (wie z.B. Gewebe) ablaufenden komplexen Vorgänge zu erfassen und zu modellieren. Um dafür einen möglichst ganzheitlichen Einblick in die intra- und interzellulären Vorgänge zu erhalten, müssen eine Vielzahl unterschiedlichster Parameter parallel sowie räumlich und zeitlich aufgelöst betrachtet werden. Neben sensorbasierten stehen hier vor allem die vielseitigen lichtmikroskopischen Messtechniken im Vordergrund. In der vorliegenden Arbeit wird ein allgemeines elektronisches Steuerungskonzept vorgestellt, das die modulare Integration verschiedener, an sich autarker Komponenten in ein ganzheitliches System ermöglicht und gleichzeitig den zeitgenauen Betrieb aller Komponenten im Systemverbund gewährleistet. Basierend auf einer neuartigen, speziell für vollautomatisierten Betrieb konzipierten Lichtmikroskopie-Plattform erlaubt das Konzept den Aufbau modularer Mikroskop-basierter Analysesysteme, in denen alle System-Komponenten (z.B. Mikroskop, Beleuchtungseinheiten, Kamera oder Laser-Scan-Einrichtungen) miteinander synchronisiert betrieben werden. Die Modularität des Konzepts erlaubt die Integration weiterer Komponenten z.B. zur automatisierten Bestückung und Beprobung oder zur sensorischen Charakterisierung zellulärer Proben. Zentraler Bestandteil des Steuerungskonzepts ist die Hardwaresynchronisation aller Systemkomponenten mittels einer speziell konzipierten Echtzeit-Plattform. Auf einem Raster von 34µs ermöglicht diese die zeitlich deterministische Abarbeitung benutzerdefinierter Ablaufprotokolle. Zudem kann über die Definition entsprechender Abhängigkeiten die Ausführung von Protokollkommandos nahezu beliebig an sowohl hard- als auch firmwarebasierte Systemzustände gekoppelt werden. Anhand des Ablaufprotokolls können somit während der Laufzeit unterschiedliche Synchronisationsgeber (Master) ausgewählt werden (Multi-Master-System). Hierüber wird zeitoptimales Verhalten des Gesamtsystems mit minimalen Totzeiten erreicht. Über Protokolleigenschaften wie Schleifen und bedingte Ausführung von Protokollblöcken ist zusätzlich zum Zeitverhalten auch der Ablauf selbst beeinflussbar. Das Systemverhalten kann hierdurch auf während der Laufzeit auftretende veränderte Anforderungen adaptiert werden. Durch die zeitrichtige Abarbeitung deterministischer Abläufe einerseits und durch mannigfaltige Möglichkeiten der Adaption während der Laufzeit andererseits, stellt die Echtzeit-Plattform die Grundlage für ein Mikroskop-basiertes Machine-Vision-System dar, nach unserem Kenntnisstand das erste seiner Art weltweit. Die Validierung der Funktionalität und des Systemverhaltens im Rahmen von Beispielanwendungen bestätigen das Steuerungskonzept sowie das korrekte Verhalten von Hard- und Firmware der Echtzeit-Plattform. Die Messung der Ausführzeiten aller zeitkritischen Protokollkommandos verifiziert das Leistungsverhalten im angestrebten Rahmen und liefert zugleich die Grundlage zur Optimierung benutzerdefinierter Ablaufprotokolle.      «

Zentrales Thema dieser Arbeit ist eine Echtzeitumgebung für vollautomatisierte Mikroskopieanwendungen im Bereich der Life Sciences, in denen es u.a. darum geht, die in lebenden Zellen und Zellverbänden (wie z.B. Gewebe) ablaufenden komplexen Vorgänge zu erfassen und zu modellieren. Um dafür einen möglichst ganzheitlichen Einblick in die intra- und interzellulären Vorgänge zu erhalten, müssen eine Vielzahl unterschiedlichster Parameter parallel sowie räumlich und zeitlich aufgelöst betrachtet wer...     »

This work’s central topic is a real-time environment for fully automated microscope-based applications within the field of the life sciences. Here - among other things - the complex processes of living cells and tissue are to be monitored, examined and modeled. To obtain an optimal insight into the intra- and intercellular processes, a variety of different parameters have to be considered in special and timely resolution. Besides sensor-based methods, the versatile optical measuring techniques play a central role. The presented work proposes a generic, electronic control concept that enables the modular integration of different - in principal autarkic - components into a comprised system and – at the same time - ensures the timely correct operation of all system components. Based on a novel light-microscopy platform the concept enables the setup of modular microscope-based analysis systems, in which all devices within the system (e.g. microscope, illumination devices, cameras of laser scanning devices) are operated fully synchronized to one another. The modularity of the concept allows the integration of further components e.g. for automatic probe placement or for sensor-based characterization of cellular samples. A central element of the control concept is the hardware-based synchronization of all system components by means of a specially designed real-time platform. On a real-time basis of 34µs this hardware achieves timely deterministic control of user defined experiment protocols. Moreover, by defining adequate dependencies the execution of protocol commands can be linked almost arbitrarily to hard- as well as firmware-based system states. Therefore, depending on the experiment protocol, different masters of synchronization can be selected during run-time (multi-master-system) so that system idle times can be minimized. In addition to the control of the deterministic behavior, the protocol flow can be controlled by utilizing protocol properties such as loops or conditional execution of protocol blocks. This way, the system behavior can be adapted to changing requirements and constraints during run-time. With the possibility to control deterministic protocol parts on one side and the manifold opportunities of adaptation during run-time on the other side, the proposed real-time platform builds the basis for microscope-based machine-vision systems – up to our knowledge, for the first time worldwide. Conducting several test-applications the validation of the functionality and the system behavior verify the control concept as well as the correct behavior of the hard- and firmware of the real-time platform. Measurements of the execution times of all time critical protocol commands verify the performance within the targeted time base and - at the same time - provide the basis for the optimization of user defined experiment protocols prior to execution.      «

This work’s central topic is a real-time environment for fully automated microscope-based applications within the field of the life sciences. Here - among other things - the complex processes of living cells and tissue are to be monitored, examined and modeled. To obtain an optimal insight into the intra- and intercellular processes, a variety of different parameters have to be considered in special and timely resolution. Besides sensor-based methods, the versatile optical measuring techniques p...     »