CN117203514A - 评价值的获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种针对根据评价对象的物体的相位图像导出的评价值能够抑制由该物体的朝向引起的影响的评价值的获取方法。评价值的获取方法包括如下步骤：生成表示透射了物体的光的相位分布的相位图像，根据相位图像导出所述物体的评价值，并使用根据相位图像中的所述物体的朝向规定的校正系数来校正评价值。

Description

评价值的获取方法
技术领域
发明的技术涉及一种用于评价物体的评价值的获取方法。
背景技术
作为与使用了数字全息技术的细胞的评价方法有关的技术，已知有以下的技术。例如，在国际公开第2019/176427号中记载有一种判定方法，其根据拍摄了作为多个细胞的凝聚体的细胞的全息图生成细胞的相位差图像，并根据相位差图像和与细胞的形状相对应的形状指标值来判定细胞的状态。
在日本特表2012-531584号公报中记载有一种方法，其包括如下步骤：根据通过重叠物光和参考光而形成的干涉条纹重建物体波前的相位和/或振幅信息；及根据相位和/或振幅信息测定表示胚胎或卵子的品质的参数。
发明内容
发明要解决的技术课题
根据通过透射了细胞的物光和与物光相干的参考光的干涉而形成的干涉图像来生成的相位图像为表示透射了细胞的物光的相位分布的图像，反映了细胞的状态。因此，根据相位图像，能够进行细胞的品质评价。例如，能够将相位图像的每个像素的相位量相加而得到的总相位量用作该细胞的评价值。
然而，当细胞为非球体时，判明了总相位量根据相位图像中的细胞的朝向(取向角)而变化。图1是表示根据2细胞阶段的胚胎细胞的相位图像导出的总相位量的相对值与相位图像中的胚胎细胞的朝向(取向角)的关系的一例的图表。另外，在本说明书中，取向角是指相位图像的像素延伸的平面与构成胚胎细胞的两个细胞排列的方向所成的角。在图2中例示出取向角为0°、45°、90°时的、相对于胚胎细胞的视线方向。从图1能够理解，总相位量根据相位图像中的胚胎细胞的朝向(取向角)的变化而变化。
由于相位图像中的细胞的朝向(取向角)为随机，因此若总相位量根据取向角而变化，则总相位量的偏差变大。其结果，基于总相位量的细胞的品质评价的精度下降。当在细胞的评价中使用总相位量时，针对同一细胞导出的总相位量优选为不依赖于取向角的恒定值。
发明的技术是鉴于上述的点而完成的，其目的在于针对根据评价对象的物体的相位图像导出的评价值，抑制由该物体的朝向引起的影响。
用于解决技术课题的手段
发明的技术所涉及的评价值的获取方法包括如下步骤：生成表示透射了物体的光的相位分布的相位图像，根据相位图像导出物体的评价值，并使用根据相位图像中的物体的朝向规定的校正系数来校正评价值。
相位图像可以根据干涉图像来生成，所述干涉图像通过透射了物体的物光和与物光相干的参考光的干涉来形成。评价值可以为将相位图像的每个像素的相位量相加而得到的总相位量。
可以根据相位图像制作模拟了物体的形状、尺寸及折射率的虚拟物体，并使用虚拟物体导出校正系数。可以生成表示透射虚拟物体的光的相位分布的虚拟相位图像，导出将虚拟相位图像的每个图像的相位量相加而得到的虚拟总相位量，导出将虚拟物体的体积和虚拟物体的折射率相乘而得到的标准总相位量，并导出虚拟总相位量与标准总相位量之比作为校正系数。
可以针对虚拟物体的朝向不同的情况，分别导出校正系数，并通过将与导出评价值时所使用的相位图像中的物体的朝向对应的校正系数和该评价值相乘来获取该评价值的校正值。
物体可以为细胞。物体可以为胚胎细胞的2细胞阶段，虚拟物体具有两个椭圆体连结而成的立体结构。
发明效果
根据发明的技术，能够针对根据评价对象的物体的相位图像导出的评价值，抑制由该物体的朝向引起的影响。
附图说明
图1是表示根据胚胎细胞的相位图像导出的总相位量的相对值与相位图像中的胚胎细胞的朝向的关系的一例的图表。
图2是表示取向角为0°、45°、90°时的、相对于相位图像中的胚胎细胞的视线方向的图。
图3是表示发明的技术的实施方式所涉及的评价值的获取方法的流程的一例的流程图。
图4是表示发明的技术的实施方式所涉及的全息装置的结构的一例的图。
图5是表示2细胞阶段的胚胎细胞的干涉图像的一例的图。
图6是表示根据图5所示的干涉图像生成的细胞的相位图像的一例的图。
图7是表示发明的技术的实施方式所涉及的相位图像的概念的图。
图8是表示导出发明的技术的实施方式所涉及的校正系数的方法的一例的流程图。
图9是表示在制作中使用虚拟物体的相位图像的一例的图。
图10是表示针对从0°至90°为止以10°刻度改变虚拟物体的取向角的情况分别生成的虚拟相位图像及振幅图像的一例的图。
图11是表示发明的技术的实施方式所涉及的每个取向角的校正系数的一例的图表。
图12是表示在胚胎细胞的相位图像中确定了取向角的结果的一例的图。
图13A是表示校正处理前的总相位量的偏差的状态的一例的图表。
图13B是表示校正处理后的总相位量的偏差的状态的一例的图表。
具体实施方式
以下，参考附图对发明的技术的实施方式的一例进行说明。另外，在各附图中对相同或等价的构成要件及部分标注相同的参考符号，而省略重复的说明。
发明的技术的实施方式所涉及的评价值的获取方法包括如下步骤：生成表示透射了评价对象的物体的光的相位分布的相位图像，根据相位图像导出上述物体的评价值，并使用根据相位图像中的上述物体的朝向规定的校正系数来校正上述评价值。
图3是表示本实施方式所涉及的评价值的获取方法的流程的一例的流程图。在步骤S1中，获取通过透射了评价对象的物体的物光和与物光相干的参考光的干涉而形成的干涉图像(全息图)。在步骤S2中，根据在步骤S1中所获取的干涉图像生成相位图像。在步骤S3中，根据在步骤S2中所生成的相位图像导出用于评价评价对象的物体的状态的评价值。在步骤S4中，导出用于校正评价值的校正系数。在步骤S5中，使用在步骤S4中所导出的校正系数校正在步骤S3中所导出的评价值。以下，对上述的各步骤进行详细说明。
(干涉图像的获取：步骤S1)
以下，对干涉图像的获取方法进行说明。图4是表示用于针对评价对象的物体生成干涉图像的全息装置10的结构的一例的图。以下，以评价对象的物体为2细胞阶段的胚胎细胞的情况为例子进行说明。
全息装置10包含分波器21、反射镜22、24、物镜23、成像透镜25、合波器26及摄像装置30而构成。评价对象的细胞60以与培养液一同容纳于容器61内的状态配置于反射镜22与物镜23之间。
激光光源20例如能够使用波长632.8nm的HeNe激光。作为从激光光源20射出的直线偏振光的激光束L0由分波器21分割为两个激光束。两个激光束中的其中一个成为物光L1，另一个成为参考光L2。作为分波器21，能够使用分束器。物光L1入射到反射镜22。行进方向被反射镜22弯曲的物光L1照射到细胞60。
基于透射了细胞60的物光L1的图像被物镜23放大。透射了物镜23的物光L1的进行方向被反射镜24弯曲并介由成像透镜25入射到合波器26。另一方面，参考光L2也入射到合波器26。物光L1及参考光L2由合波器26进行合波，并成像在摄像装置30的摄像面上。作为合波器26，能够使用分束器。
通过物光L1和参考光L2的干涉而产生的干涉图像(全息图)被摄像装置30拍摄。摄像装置30具备CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor：互补金属氧化物半导体)图像传感器等摄像元件，其生成干涉图像的图像数据。图5是表示2细胞阶段的胚胎细胞的干涉图像的一例的图。
(相位图像的生成：步骤S2)
以下，对根据干涉图像获取相位图像的方法的一例进行说明。首先，对由摄像装置30获取的细胞60的干涉图像(全息图)例如以成为2048×2048的尺寸的方式进行修剪之后，进行二维傅里叶变换。通过该处理而得到的傅里叶变换图像可以包含基于直接光、物光、共轭光的图像。
接着，通过确定傅里叶变换图像中的物光相对于直接光的偏移量来确定物光的位置，例如通过使用了半径250pixel的圆形开口的掩模的频率滤波处理来提取仅物光的复振幅成分。
接着，例如适用角谱法使表示任意的空间位置的细胞60的相位的图像复原。具体而言，求出在摄像装置30的摄像面上捕获的波前u(x，y；0)的傅里叶变换图像的角谱U(fx，fy；0)。接着，如下述的(1)式所示，通过对角谱U(fx，fy；0)乘上传递函数H(fx，fy；z)，再现光轴方向(z方向)的任意位置z处的波前。其中，传递函数H(fx，fy；z)为频率响应函数(脉冲响应函数(格林函数)的傅里叶变换)。
[数式1]
接着，如下述的(2)式所示，通过针对光轴方向(z方向)的位置z处的波前U(fx，fy；z)实施傅里叶逆变换，导出位置z处的解u(x，y；z)。
[数式2]
接着，如下述的(3)式所示，通过导出针对u(x，y；z)的相位φ来生成相位图像。
[数式3]
通过上述的处理而得到的展开前的相位图像中的相位卷积成0～2π的值。因此，例如，通过适用Unweighted Least Squares(未加权最小平方法)或Flynn's Algorithm(费林算法)等相位解缠(展开)方法还连接2π以上的部分，能够得到最终的相位图像。另外，展开方法提出有多种，适当选择不会产生相位失配的方法即可。图6是表示根据图5所示的干涉图像生成的细胞60的相位图像的一例的图。
图7是表示相位图像IP的概念的图。图7的下段三维显示相位图像IP的各像素k处的相位量。图7的上段将相位图像IP的各像素k处的相位量以灰度表示在平面上。
其中，在将存在于相位图像IP的同一焦平面内的背景(不存在细胞60的区域)的相位设为PB、将存在细胞60的区域的相位设为PS时，相位图像IP中的相位量P由下述的(4)式表示。并且，本说明书中的“相位”这一术语为将光视为电磁波时的电场振幅的相位，以更一般的含义使用。
[数式4]
P＝PS-PB…(4)
相位图像IP的各像素k处的相位量Pk能够由下述(5)式表示。但是，nk为与相位图像IP的各像素k对应的部位处的细胞60的折射率与细胞周围的折射率之差，dk为与相位图像IP的各像素k对应的部位处的细胞60的厚度，λ为全息图光学系统中的物光的波长。
[数式5]
(评价值的导出：步骤S3)
细胞60的相位图像为表示透射了细胞60的物光L1的相位分布的图像，也是表示透射了细胞60的物光的光路长度分布的图像。细胞60内的光路长度相当于细胞60的折射率与细胞周围的折射率之差和细胞60的厚度之积，因此细胞60的相位图像还如(5)式所示包含细胞60的折射率及厚度(形状)的信息。细胞60的相位图像中反映了细胞60的状态，因此能够根据相位图像进行细胞60的品质评价。具体而言，能够将总相位量PA用作细胞60的评价值。
总相位量PA由下述的(6)式表示。其中，s为相位图像的各像素k的面积，vk为与相位图像的各像素k对应的部位处的细胞60的体积。如(6)式所示，总相位量PA相当于针对所有像素k将细胞60的相位图像的每个像素的相位量Pk进行了相加的值。相位图像的像素值对应于相位量Pk。
[数式6]
(校正系数的导出：步骤S4)
如图1所示，总相位量PA根据相位图像中的细胞60的朝向(取向角)而变化。相位图像中的细胞60的朝向(取向角)对应于细胞60相对于物光L1的光轴的朝向(取向角)。针对同一细胞60导出的总相位量PA优选为不依赖于取向角的恒定值。本实施方式所涉及的评价值的获取方法包括如下步骤：使用根据相位图像中的细胞60的朝向(取向角)规定的校正系数来校正作为评价值的总相位量PA。以下，对校正系数的导出方法的一例进行说明。
图8是表示导出校正系数的方法的一例的流程图。在步骤S11中，根据在步骤S2中所生成的相位图像来制作模拟了评价对象的物体的形状、尺寸及折射率的三维模型即虚拟物体。具体而言，如图9所示，将构成包含于相位图像中的作为评价对象的物体的胚胎细胞的两个细胞分别视为椭圆体而制作具有两个椭圆体在短径方向上连结而成的立体结构的虚拟物体。根据相位图像测定椭圆体的长径、短径、中心间距离及折射率n，将这些适用于虚拟物体。折射率n为相对于背景(培养液)的折射率差，由(7)式表示。在(7)式中，PQ1为相位图像的点Q1处的相位量(像素值)，DL为点Q1处的厚度即椭圆体的长径。假设虚拟物体的折射率在整个区域中均匀。
n＝PQ1/DL…(7)
在步骤S12中，生成表示透射在步骤S11中所制作的虚拟物体的光的相位分布的虚拟相位图像。具体而言，使用FDTD法(Finite-difference time-domain method：时域有限差分法)等计算光传播的数值计算方法，针对虚拟物体生成干涉图像。即，在计算机上生成虚拟物体的干涉图像。然后，通过针对在计算机上生成的虚拟物体的干涉图像进行与步骤S2相同的处理来生成相位图像。在本说明书中，将针对虚拟物体生成的相位图像称为虚拟相位图像。另外，优选通过与规定针对评价对象的物体生成相位图像时的聚焦位置的情况相同的方法来规定生成虚拟相位图像时的聚焦位置。例如，能够将可根据干涉图像生成的振幅图像的方差成为最小的位置规定为聚焦位置。
针对改变了虚拟物体的朝向(取向角)的情况分别生成虚拟相位图像。图10是表示针对从0°至90°为止以10°刻度改变虚拟物体的朝向(取向角)的情况分别生成的虚拟相位图像及虚拟振幅图像的一例的图。
在步骤S13中，通过针对在步骤S12中所生成的虚拟相位图像进行与步骤S3相同的处理来导出总相位量。即，通过针对虚拟相位图像适用(6)式来导出总相位量。在本说明书中，将针对虚拟相位图像导出的总相位量称为虚拟总相位量PAV。针对改变了虚拟物体的朝向(取向角)的情况分别导出虚拟总相位量PAV。
在步骤S14中，针对虚拟物体导出标准总相位量PAS。标准总相位量PAS为虚拟物体中的总相位量的标准值，由下述的(8)式表示。在(8)式中，n为虚拟物体与周围的折射率之差，V为虚拟物体的体积。标准总相位量PAS不依赖于虚拟物体的朝向(取向角)而恒定。
PAS＝n×V…(8)
在步骤S15中，导出在步骤S13中所导出的虚拟总相位量PAV与在步骤S14中所导出的标准总相位量PAS之比作为校正系数C。即，校正系数C由下述的(9)式表示。使用针对改变了虚拟物体的朝向(取向角)的情况分别导出的虚拟总相位量PAV，针对改变了虚拟物体的朝向(取向角)的情况分别导出校正系数C。
C＝PAS/PAV…(9)
图11是表示通过进行上述的各处理而导出的每个取向角的校正系数的一例的图表。
(评价值的校正：步骤S5)
使用在步骤S4中所导出的校正系数C来校正作为在步骤S3中所导出的评价值的总相位量PA。具体而言，在针对评价对象的物体导出总相位量PA时所使用的相位图像中，确定该物体的朝向(取向角)。图12是表示在胚胎细胞的相位图像中确定了其朝向(取向角)的结果的一例的图。另外，物体的朝向(取向角)可以通过目视来确定，也可以使用公知的图像识别技术来确定。
接着，提取在步骤S4中所导出的校正系数C中与所确定的物体的朝向(取向角)对应的校正系数C。然后，通过将所提取的校正系数C和作为在步骤S3中所导出的评价值的总相位量PA相乘来获取校正值PX。即，总相位量PA的校正值由下述的(10)式表示。
PX＝C×PA…(10)
图13A、图13B分别是表示根据同一胚胎细胞的相位图像导出的总相位量的偏差的状态的一例的图表，图13A是校正处理前的图，图13B是校正处理后的图。另外，图表中的各标绘图根据图12所示的相位图像分别导出。如图13A与图13B的比较可明确，通过进行校正处理，总相位量的偏差变小。具体而言，校正处理前的总相位量的变动系数为0.031，相对于此，校正处理后的总相位量的变动系数为0.023。
如上，根据发明的技术所涉及的评价值的获取方法，能够针对根据评价对象的物体的相位图像导出的评价值抑制由该物体的朝向引起的影响。由此，能够稳定地获取评价值，从而能够抑制评价值的偏差。
另外，在本实施方式中，例示出了评价对象为细胞的情况，但并不限定于该方式。发明的技术并不限于细胞，能够将对物光具有透射性的、包括工业产品在内的所有物体作为评价对象。发明的技术在评价对象物体的形状为非球体时特别有效。并且，在本实施方式中，作为用于评价物体的状态的评价值，例示出了总相位量，但并不限定于该方式。例如，也能够将总相位量除以该物体的体积的相位密度、相位图像中的像素值的平均值即平均相位量、相位图像中的像素值的最大值即最大相位量、相位图像中的像素值的方差等用作评价值。
另外，2021年4月21日申请的日本专利申请2021-072083的所有公开内容通过参考而被并入本说明书中。并且，本说明书中所记载的所有文献、专利申请及技术标准与具体地且分别地记载通过参考而被并入的各个文献、专利申请及技术标准的情况相同程度地，通过参考而被并入本说明书中。

Claims (8)

1.一种评价值的获取方法，其中，
生成表示透射了物体的光的相位分布的相位图像，
根据所述相位图像导出所述物体的评价值，
使用根据所述相位图像中的所述物体的朝向规定的校正系数来校正所述评价值。
2.根据权利要求1所述的获取方法，其中，
所述相位图像根据干涉图像来生成，所述干涉图像通过透射了所述物体的物光和与所述物光相干的参考光的干涉来形成。
3.根据权利要求1或2所述的获取方法，其中，
所述评价值为将所述相位图像的每个像素的相位量相加而得到的总相位量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的获取方法，其中，
根据所述相位图像制作模拟了所述物体的形状、尺寸及折射率的虚拟物体，并使用所述虚拟物体导出所述校正系数。
5.根据权利要求4所述的获取方法，其中，
生成表示透射所述虚拟物体的光的相位分布的虚拟相位图像，
导出将所述虚拟相位图像的每个图像的相位量相加而得到的虚拟总相位量，
导出将所述虚拟物体的体积和所述虚拟物体的折射率相乘而得到的标准总相位量，
并导出所述虚拟总相位量与所述标准总相位量之比作为所述校正系数。
6.根据权利要求4或5所述的获取方法，其中，
针对所述虚拟物体的朝向不同的情况，分别导出所述校正系数，
并通过将导出所述评价值时所使用的与相位图像中的所述物体的朝向对应的校正系数和该评价值相乘来获取该评价值的校正值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的获取方法，其中，
所述物体为细胞。
8.根据权利要求4至6中任一项所述的获取方法，其中，
所述物体为2细胞阶段的胚胎细胞，
所述虚拟物体具有两个椭圆体连结而成的立体结构。
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