SmarAct TotalAlign – Multimodale Bildgebungsplattform

Bildgebungsverfahren, die in der biologischen oder medizinischen Forschung eingesetzt werden, darunter optische Kohärenztomographie (OCT), Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) sowie multimodale Anwendungen einschließlich PET/CT und PET/MRT, basieren auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien, um anatomische Strukturen wie Organe, Knochen und Gefäße zu visualisieren. Während jede dieser Bildgebungsmethoden eigene Stärken aufweist, haben sie wichtige Gemeinsamkeiten, da sie nicht invasiv sind und nur mit minimalen Nebenwirkungen verbunden sind.

Moderne Bildgebungs-Workflows erfordern eine stabile Probenpositionierung, eine konsistente Orientierung und eine flexible Systemintegration. Insbesondere in multimodalen Aufbauten muss die Probenausrichtung über verschiedene Messschritte hinweg zuverlässig bleiben, um eine hohe Bildqualität und Vergleichbarkeit sicherzustellen. Gleichzeitig müssen Bildgebungsplattformen unterschiedliche Probengeometrien aufnehmen und anwendungsspezifische Umgebungsanforderungen erfüllen.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, bietet SmarAct einen modularen Positionierungsansatz für die Ausrichtung und Manipulation von Proben sowie optischen und funktionalen Komponenten in Bildgebungssystemen. Durch die Kombination individuell konfigurierter Freiheitsgrade mit anwendungsspezifisch angepassten Positioniererkonfigurationen und Probenhaltern kann das System an ein breites Spektrum von Bildgebungsaufgaben angepasst werden. Je nach Anwendung kann die Plattform für den Betrieb unter Umgebungsbedingungen sowie im (Ultra-)Hochvakuum und in kryogener Umgebung konfiguriert und aus unmagnetischen Materialien gefertigt werden.

Abbildung 1 SmarAct TotalAlign – Multimodale Bildgebungsplattform. a) Repräsentatives TotalAlign-System – multimodale Bildgebungsplattform mit 6 Freiheitsgraden; b) 3D-Modell mit hervorgehobenen beispielhaften Freiheitsgraden: SR-17522C-Rotationspositionierer (1), SR-3211-Rotationspositionierer mit montiertem SLC-1730-Linearpositionierer (2), einzelner SLC-1739-Positionierer (3), SLC-24180-Linearpositionierer (4) und SR-5714C (5).

Ein repräsentatives Beispiel ist die SmarAct TotalAlign – Multimodale Bildgebungsplattform (Abbildung 1a,b). Das System ist darauf ausgelegt, ein breites Spektrum von Probentypen aufzunehmen, und kann an verschiedene Bildgebungsverfahren angepasst werden. In der in Abbildung 1 gezeigten Konfiguration sind zwei komplexe Positionierplattformen mechanisch voneinander getrennt. Durch diese Architektur wird eine hohe Flexibilität erreicht, da die Probe unabhängig ausgerichtet werden kann, während zusätzliche Werkzeuge oder Komponenten relativ zu ihr positioniert werden können.

Die Basisplattform des Subsystems für die Werkzeughandhabung ist ein vertikal montierter SR-17522C-Rotationspositionierer (1) mit einem Gesamtdurchmesser von 200 mm. Dieser Rotationspositionierer mit großem Durchmesser dient als Träger für stabile Rotationsbewegungen von Komponenten um die Probe. Um weitere Freiheitsgrade hinzuzufügen, werden zusätzliche kompakte Positionierachsen direkt an diesem SR-17522C-Rotationspositionierer montiert. In der gezeigten Konfiguration umfassen diese einen SR-3211-Rotationspositionierer in Kombination mit einem SLC-1730-Linearpositionierer (2) sowie einen zweiten SLC-1730-Positionierer (3). Diese Anordnung ermöglicht eine flexible Ausrichtung für die kontrollierte Positionierung von Werkzeugen in der Nähe der Probe.

Die Probenhandhabung wird unabhängig von der rotativen SR-17522C-Werkzeugplattform umgesetzt. Ein SLC-24180-Linearpositionierer (5) wird horizontal durch die zentrale Apertur des SR-17522C geführt und ausschließlich für die Probenbewegung verwendet. Auf dieser Linearachse montiert, stellt ein SR-5714C-Rotationspositionierer (4) zusammen mit einem Probenhalter einen zusätzlichen rotativen Freiheitsgrad für die Ausrichtung bereit. Im gezeigten Beispiel wurden alle Positionierer aus unmagnetischen Materialien gefertigt, wodurch die Konfiguration ideal für den Einsatz in externen Magnetfeldern wie PET/MRT oder MRT ist.
Das zentrale Merkmal dieser Architektur ist ihre Konfigurierbarkeit in Bezug auf den verfügbaren Einbauraum und die erforderlichen Bewegungsfunktionen. Unterschiedliche Bildgebungsverfahren stellen unterschiedliche Anforderungen an Probenzugang, Ausrichtung, Stabilität und Umgebungskompatibilität. Durch die Kombination kompakter Linear- und Rotationspositionierer in einer modularen Anordnung kann die Plattform an anwendungsspezifische Anforderungen angepasst werden und gleichzeitig eine reproduzierbare Positionierung über mehrere Messschritte hinweg gewährleisten.

Das System kann mit dem SmarAct MCS2 Control System betrieben werden. Das MCS2 ist ein modularer Controller für SmarAct-Positionierlösungen und in Konfigurationen für 3 bis 18 Positionierer erhältlich. Es unterstützt den manuellen Betrieb über ein Handbedienmodul sowie synchronisierte Mehrachsbewegungen und komplexe Bewegungstrajektorien. Der Controller stellt die für anspruchsvolle Positionieraufgaben erforderliche dynamische Leistungsfähigkeit bereit. Zu den Standard-Kommunikationsschnittstellen gehören USB, Ethernet und EtherCAT®. Softwareintegration ist für C/C++, Python und LabVIEW verfügbar. Damit eignet sich das System sowohl für den eigenständigen Betrieb als auch für die Integration in übergeordnete Bildgebungs-, Mess- oder Laborautomatisierungsumgebungen.

Für automatisierte Workflows kann die Hardware durch die SmarAct Control & Process Environment (SCoPE) ergänzt werden. SCoPE kombiniert Hardwareintegration, Entwicklung von Benutzeroberflächen, grafisches Workflow-Design und Python-Scripting in einer Umgebung. Dadurch können kundenspezifische Steuerungsanwendungen effizient umgesetzt werden, von frühen Funktionsaufbauten bis hin zu unabhängig einsetzbaren Systemen. Im Kontext der multimodalen Bildgebung kann diese Softwareschicht die Implementierung wiederholbarer Positioniersequenzen, koordinierter Messroutinen und anwendungsspezifischer Steuerungs-Workflows vereinfachen.

Die modulare SmarAct TotalAlign Plattform kombiniert Skalierbarkeit und Kompaktheit für moderne Bildgebungsanwendungen, die präzise Probenpositionierung, flexible Systemkonfiguration und zuverlässige Integration in bestehende experimentelle Umgebungen erfordern. Durch die Kombination kompakter Positionierkomponenten, mit der Zielumgebung kompatibler Positionierervarianten, modularer Steuerungshardware und anpassbarer Softwaretools unterstützt die Plattform reproduzierbare und anwendungsspezifische Bildgebungsprozesse in Forschungs- und Instrumentierungsumgebungen.