JP2000111523A - 大規模画像分析装置 - Google Patents

大規模画像分析装置

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JP2000111523A
JP2000111523A JP11257184A JP25718499A JP2000111523A JP 2000111523 A JP2000111523 A JP 2000111523A JP 11257184 A JP11257184 A JP 11257184A JP 25718499 A JP25718499 A JP 25718499A JP 2000111523 A JP2000111523 A JP 2000111523A
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Matthew Adams
アダムズ マシュ−
Craig Mackay
マッケイ クレイグ
Jim Chen
チェン ジム
William Mason
メ−ソン ウィリアム
John Hoyland
ホイランド ジョン
Nick Nightingale
ナイチンゲ−ル ニック
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Wallac Oy
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Wallac Oy
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/447—Systems using electrophoresis
    • G01N27/44704—Details; Accessories
    • G01N27/44717—Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones
    • G01N27/44721—Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones by optical means

Abstract

(57)【要約】 【課題】 作業を簡素化しつつ良好な分析画像が得られ
る大規模画像分析装置を提供すること。 【解決手段】 ゲル中の蛍光標識付けされたサンプルの
電気泳動結果などの広範囲の標本から高解像度のデジタ
ル画像を取得するための装置１。波長の連続する範囲に
わたって可変で標本３に照射光を与える可変波長の光源
４を有する。画像取得手段５は照射された標本の高解像
度画像の光Ｄを取得する。画像分析手段であるパーソナ
ルコンピュータ２６は得られた画像を分析して標本のサ
ンプル位置を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、大規模画像分析装
置に関し、特にゲルの電気泳動、膜のブロット、オート
ラジオグラフィー及びその他の分析結果のスキャニング
ないしイメージング処理に用いることができる。
【０００２】
【背景技術】従来、化学的あるいは生物学的な物質を分
析あるいは分離する技術としては、クロマトグラフィー
及び分光分析法などと並んで、分子の帯電及び／または
質量を利用する電気泳動が知られている。
【０００３】電気泳動は、ポリペプチド等の比較的小さ
な分子から炭水化物及び二重螺旋DNAなどの非常に大き
な分子に至るまで、広範な対象を分離ないし分析するこ
とができる。このような適用範囲の広さから、種々の分
析技術の中でも特に利便性が高いものとされている。
【０００４】このために、電気泳動は、微生物学、疫
学、中毒学、臨床研究、診療、及び医薬品開発の分野と
いった多くの分析領域において、構成成分である分子に
対する理解を増し、向上するための日常的、基本的な技
術として用いられている。
【０００５】電気泳動の原理は極めて単純である。先
ず、サンプルとなる合成または天然の素材を含む透明な
ゲルを、一対のガラス板等に挟んでスラブを形成する。
更に、スラブの両端に液体槽を配置し、この中に電解質
を貯め、ガラス板等に開けた孔等を通して電解質がゲル
に接触するようにして、ゲル泳動システムを形成する。
【０００６】次に、スラブの一端にスロットを形成し、
このスロットに分析すべきサンプルを注入する。そし
て、スラブ両端の各液体槽間に電圧をかけ、スラブの両
端間に電界を生じさせる。この電界により、サンプル中
の個々の分子はスロットを離れ、ゲル中を移動する。各
分子の移動速度は、そのサイズ・電荷に応じて決まる所
定の速度で決る。一般的に、大きなサイズの分子および
電荷の小さな分子は、サイズの小さなまたは電荷の大き
な分子よりもゆっくりと移動する。
【０００７】従って、サンプル中の分子の種類によっ
て、スロットから離れて到達する位置は異なり、同じも
の同士があつまって縞状に分離されることになる。この
ような移動は、電圧印加を止めることや、分子が更なる
移動を妨げるような摩擦力を受けまたは電磁気力が均衡
を保つような位置に到達することによって止められる。
【０００８】この後、ゲルは前述のように分離した分子
の正確な位置を決定するため分析される。分析は、例え
ばゲルを着色し、色の着いた帯域を観察することによっ
て行われる。必要に応じて、分析対象のサンプルの分析
と同時にリファレンスサンプルの分析が行われ、分析対
象サンプルの着色帯の位置がこのリファレンスと比較さ
れる。これは異なる色を用いて行われる「サンプル多重
化」または「差動ゲル電気泳動」と呼ばれる技術であ
る。
【０００９】多くの用途において、単一の化学着色剤が
用いられ、数時間のうちにあるパターンが表れる。別の
よく行われる技術では、ゲルが硝酸銀の中に浸され、タ
ンパク質が存在した場合には銀を取り込んで視認可能と
なる。同位体を用いる放射線技術も近年よく用いられる
ようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】前述した電気泳動技術
は、様々な利点及び欠点を有するものであった。特に、
従来は電気泳動処理したゲルの分析にあたって、着色部
分等を作業者が肉眼で目視したり、カメラで撮影したり
していた。このため、非常に時間を要し、多くの労働を
必要とするという問題があった。
【００１１】例えば、撮影のためにカメラ等を設置する
場合でも人手によるため、多くの調整等が必要であっ
た。また、観察の際の光についても着色方法等に応じて
照射方向などを適宜切替える必要があった。更に、従来
のカメラ撮影では、スラブの広い領域を高解像度でカバ
ーすることは難しかった。また、複数サンプルの同時分
析にあたって、個々のサンプルの検査を順次繰返す作業
が繁雑であった。
【００１２】本発明の目的は、作業を簡素化しつつ良好
な分析画像が得られる大規模画像分析装置を提供するこ
とにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】（基本構成）本発明は、
ゲル中の標識付けられたサンプルの電気泳動の結果など
の広範囲の標本から高解像度のデジタル画像を得るため
の大規模画像分析装置であって、前記標本に光を照射す
る光源と、前記光が照射された前記標本の高解像度の画
像を取得する画像取得手段と、前記取得した画像を分析
して前記標本におけるサンプルの位置を決定する画像分
析手段とを有することを特徴とする。
【００１４】このような本発明においては、光源ないし
画像取得手段により光の照射ないし標本の投影、撮影ま
でを行うことができ、更に画像分析手段により標本上の
サンプル位置を検出することができる。従って、投影な
いし分析までの一連の操作の自動化が可能であり、良好
な画像を確保しつつ作業性を大幅に向上できる。
【００１５】（光源）光源としては、既存の発光装置等
が利用できるが、なかでもキセノンランプや水銀灯等の
高強度の光源が好適である。あるいは、例えばモノクロ
メータ等の任意の波長選択装置を用いてもよい。光源に
は、照射する光の波長帯域を狭めたり拡げたり、あるい
は特定の範囲を選択するフィルタ（ないしフィルタの組
み合わせ）等を設けてもよい。
【００１６】光源の照射方向は標本の上方、下方または
側方など、画像取得手段の位置に応じて適宜な位置に設
置すればよい。各方向からの照射を行うために、予めゲ
ル上方、下方、側方に照射光路を設置しておき、外部操
作で何れかを選択するようにしてもよい。このような照
射方向選択手段を設けることで、照射方向切替えを容易
にできる。
【００１７】光源からの光の照射にあたっては、標本の
特定部位に対して、特定の励起波長あるいは放射波長を
含む異なる波長の光を照射して、その部位の詳細で立体
的な地図状に計測した画像が得られるようにしてもよ
い。このような計測には光源のコンピュータ制御等を用
いることが適当である。
【００１８】（画像取得手段）画像取得手段は、例えば
ＣＣＤ（電荷結合素子）方式のカメラ（固体撮像素子）
を利用することができる。前記カメラはアナログ方式で
もデジタルＣＣＤ装置でもよく、参考資料として本発明
の内容の一部に含められるアメリカ特許4874492号公
報、ヨーロッパ特許021471 B1公報、またはアメリカ特
許5672881号公報に開示されたタイプのものが利用でき
る。
【００１９】画像取得手段としてＣＣＤカメラを利用す
る場合、カメラは冷却されていることが望ましい。ＣＣ
Ｄカメラは冷却されていなくてもよいが、冷却すること
によってカメラの電気ノイズを低減し、Ｓ／Ｎ比の高い
画像を得たり、画像コントラストを向上させたり、チッ
プ上の積算時間を長くして非常に低い光レベルのサンプ
ルを得たりする事ができる。ＣＣＤカメラは、その画像
情報を取出すフレームグラバーに対してアナログ出力す
る方式でもよいが、12〜16ビットまたはそれ以上のデジ
タル出力する方式であることが望ましい。
【００２０】画像取得手段においては、標本からカメラ
に至る光路上にミラーその他の光学素子を介在させても
よい。例えば、標本からカメラに至る光路上にミラーを
配置して光路を屈曲させるようにすれば装置構成をコン
パクト化することができる。このような光学素子として
は、画像を拡大するレンズ等のズーム手段等であっても
よい。また、標本の画像をカメラにフォーカスする手動
または自動の手段を設置しても良い。
【００２１】（画像取得位置の調整）画像取得手段は、
取得する画像として前記標本の所定領域が選択できるよ
うな画像取得位置調整手段を含むことが望ましい。画像
取得位置調整手段としては、前述のミラー及びカメラの
配置を調整する高精度の駆動機構により実現できる。
【００２２】例えば、前述のミラー及びカメラを既存の
Ｘ−Ｙ移動ステージ等に設置すれば、標本に対する移動
により標本の任意領域をカメラに収めることができる。
このような位置制御はマイクロプロセッサ等で制御され
ることが望ましい。このような画像取得位置調整手段を
含むことで、撮影位置合わせ等を容易にできる。
【００２３】（画像のフィルタ）画像取得手段は、カメ
ラに向けて透過する光の波長を選択する一つないしそれ
以上のフィルタを有してもよい。このようなフィルタに
より、特定の波長領域の光のみの画像を取得し分析する
ことで、例えば一回の分析において異なる色での観察等
が可能となり、複数のサンプルの分析を同時に行うこと
ができる。
【００２４】（画像分析手段）画像分析手段は、既存の
画像認識技術や画像処理技術を用いて実現することがで
きる。すなわち、所定のサンプルの画像を検出目標とし
て追跡する処理、検出した位置を座標で割出す処理、検
出した座標から画像合成する処理等を適宜組合わせるこ
とで必要な機能を実現できる。この際、既存のセンサや
カメラ等のハードウェアを用い、既存のソフトウェア技
術により処理を組立てることができる。
【００２５】具体的には、一般的なパーソナルコンピュ
ータシステムにおいてこれらの画像分析処理を実行する
ことができる。この際、パーソナルコンピュータには前
述した画像取得位置調整手段および照射方向選択手段、
さらにはシステムで制御が必要な各部を一括して制御す
る機能を集約してもよく、システムを一層簡便かつ簡素
な構成とすることができる。
【００２６】（画像の分割取得）本発明において、前記
画像取得手段は前記光が照射された前記標本の一連の高
解像度の画像を取得するものであり、前記画像取得手段
には前記画像取得手段で取得された一連の画像から単一
の画像を再構築する画像再構築手段が接続され、前記画
像分析手段は前記再構築された単一の画像を分析するも
のとすることができる。
【００２７】このような構成においては、標本が広い領
域にわたっていても、この領域全体を幾つかの画像に区
分し、各区画を画像取得手段で撮影した上で、後から画
像再構築手段で合成することにより、全体の画像を確保
することができる。つまり、画像取得手段を高解像度に
したうえその撮影領域を広く確保することはコスト的に
も機械的にも困難が伴うが、このような構成によれば画
像取得手段のカバー範囲が小さくても広い撮影領域を確
保することができ、画像取得手段を高解像度化した場合
でも実現が容易である。
【００２８】（画像の補正）本発明において、前記画像
取得手段には前記画像取得手段で取得された画像の光学
的歪みまたは機械的歪みのうち少なくとも一つを補正す
る画像補正手段を有する構成とすることができる。
【００２９】このような構成において、画像補正手段と
しては、既存の手法で光学的歪みまたは機械的歪みを補
正できるものが採用でき、具体的にはレンズ歪み、偏心
歪み、ミラー歪み等を補正する公知の手法が採用でき
る。このような画像補正手段により、高解像度化に伴っ
て問題となる画像上の歪みを補正することにより、高解
像度化した場合でも正確な分析画像が得られるととも
に、従来人手で補正していたような無駄な作業を省くこ
とができる。
【００３０】（ラベリング）なお、本発明において、サ
ンプルの標識付け（ラベリング）としては、アメリカ特
許公報番号4874492号ないしヨーロッパ特許0214713B1公
報（これらはここに参考資料として本発明の一内容に含
められる）に開示のようなその他の予め標識付けされた
蛍光性マーカを含有可能な着色剤を用いることができ、
これらによりタンパク質、DNAまたはその他の素材を標
識付けてもよい。
【００３１】更に、その他の電気泳動後の標識蛍光着色
剤、またはその他の発光性ないし非蛍光性または非発光
性のその他の着色剤、すなわちクマシーブルー（coomas
sieblue）等の着色剤、または銀、またはアビジン−ビ
オチン（avidin-biotin）またはホースラディッシュペ
ルオキシダーゼ（horseradish peroxidase）などの濃度
の高い反応生成物を生成する着色剤、またはその他の非
公知文献及び市場で入手可能な多くのその他のものを含
んでいてもよい。
【００３２】また、ゲルのオートラジオグラフないしブ
ロットまたはその他の標本を含んでいてもよく、この場
合に標識付けに用いられるのはフィルム上または放射線
感応型フィルムまたはエマルジョン等によってその後視
認可能となる放射性のマーカである。
【００３３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を、図
面に基づいて説明する。本実施形態は、サンプルが一つ
でなく複数で、蛍光性ないし発光性または組織化学的な
マーカによって予め標識付けられた電気泳動ゲルを映し
出すための広範囲画像装置に関する。
【００３４】図1において、本発明に係る大規模画像分
析装置１は標本であるゲルスラブ３が戴置されるスタン
ド２を有する。スタンド２上のゲルスラブ３に光を照射
するために、キセノンないし水銀灯、または多くの製造
業者から入手可能な白色光源などの高強度可変波長の光
源４が設けられている。
【００３５】光源４は可変波長を有することの意味は、
この大規模画像分析装置１が、単に光源４の波長出力を
変えるだけで、多様な電気泳動技術により形成されたゲ
ルスラブ３に関連する画像を分析するのに利用可能とな
るということである。特に、分析対象となるゲルを生成
するのに蛍光標識付け技術が用いられた場合には非常な
効果を有する。
【００３６】光源４は、スタンド２上のゲルスラブ３へ
と照射光を導くための光路として光ファイバ１１を備え
ている。光源４と光ファイバ１１入口との間には、フィ
ルタホイール１４が配置されている。このフィルタホイ
ール１４にはレンズ、色フィルタ等が適宜セットされて
いる。
【００３７】光ファイバ１１は３系統に分岐され、各系
統の光ファイバ１１の先端はそれぞれ先端ホルダ２１〜
２５に接続されている。これらの分岐系統のうち、第１
の系統は更に2つに分岐され、ゲルスラブ３の下方の先
端ホルダ２１，２２に接続されている。第２の系統は、
更に２つに分岐され、ゲルスラブ３の斜め上方の先端ホ
ルダ２３，２４に接続されている。第３の系統は、ゲル
スラブ３の側方（端面に面した位置）の先端ホルダ２５
に接続されている。これらにより、３つの各系統からは
図１中の矢印Ａ、Ｂ、Ｃの各方向へ光を照射可能であ
る。
【００３８】各先端ホルダ２１〜２５は、光ファイバ１
１で送られてきた光の向きを適宜調整するレンズ等を備
えていてもよく、あるいは単に光りファイバ１１の端部
を所定方向へ保持して端面から光を直接出射させるもの
でもよい。これらの複数系統の先端ホルダ２１〜２５お
よび光ファイバ１１は、これらの分岐部分に設置された
光学スイッチ１０により何れかが選択されるように切替
え可能である。この光学スイッチ１０により照射方向選
択手段が構成されている。
【００３９】図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）に
は、本実施形態で実行可能な光の照射状態が示されてい
る。各図のように、標本であるゲルスラブ３は、イメー
ジング処理の間透明プレート１２の間に保持される。こ
のプレート１２は、好ましくはガラス板である。
【００４０】図２（Ａ）では、照射光Ａはゲルスラブ３
を透過し、画像を表す光Ｄとして画像取得手段５上に投
影される。これはよく「横照射」と呼ばれ、可変光源又
はフィルタ、あるいは波長変換リン被覆プレートを用い
て白色光または帯域の狭い波長励起光を照射し、サンプ
ルを通過することにより波長を変化させ、画像に反映さ
せる。
【００４１】図２（Ｂ）では、照射光Ｂはゲルスラブ３
の画像取得手段５と同一側からゲルスラブ３に向けて照
射される。これはしばしば「トップ照射」または「エピ
照射」として知られる。この照射光Ｂは、上方からいく
つかの手段（画像取得手段上の焦点レンズを通じて、ま
たはレンズ及び光学軸からオフセットされた一以上の光
ガイドを通じて、または光学経路中に位置する二色ミラ
ーを通じてのテレセントリック照射）により伝達され
る。
【００４２】ゲルスラブ３に到達した照射光Ｂは、ゲル
中の蛍光性分子によって吸収され、画像取得手段５の方
向に蛍光（光Ｄ）を放つ。ゲルスラブ３を透過する照射
光を画像取得手段５に補完して反射するために、ゲルス
ラブ３の下面側に更に反射板１３を設けても良い。
【００４３】図２（Ｃ）の例は蛍光性物質で標識付けら
れたゲルの例である。光源４はフィルタホイール１４の
一枠にセットされた円筒状レンズによってゲルスラブ３
に集光され、ガラスプレート１２は光ガイドとして働
く。本構成により最大の照射効率が得られる。
【００４４】照射光（Ａ，Ｂ，Ｃ）は、電気泳動法が実
行された時点でゲルスラブ３の内容物によって変調さ
れ、サンプルを示す画像となる。この画像の光Ｄはミラ
ー６、フィルタホイール７、冷却されたＣＣＤ式のカメ
ラ８からなる画像取得手段５に入射する。カメラ８はア
ナログでもデジタルＣＣＤカメラ装置でもよく、ここに
参考資料として本願の一内容に含められるアメリカ特許
公報4874492号、ヨーロッパ特許0214713B1号公報または
アメリカ特許公報5672881号に開示されたタイプのもの
であってもよい。
【００４５】ＣＣＤカメラ８は、Ｘ軸およびＹ軸に移動
可能な移動ステージ９に支持されている。この移動ステ
ージ９は既存の電動モータと駆動機構（ボールねじ、ラ
ックピニオン、ベルトプーリ等）を利用したものであ
る。この移動ステージ９は、オペレータによるマニュア
ル操作とともに、後述するパーソナルコンピュータ２６
からの動作指令に基づいてＸＹ方向へ精密移動が可能で
ある。このような移動ステージ９により画像取得位置調
整手段が構成されている。
【００４６】カメラ８の出力側には画像分析手段として
のパーソナルコンピュータ２６が接続され、多くのフォ
ーマットで得られた画像に応じたデータを出力する。上
述したように、ゲル、ブロット(blot)その他の広範囲の
標本は数百ないし数千の類似タンパク質またはDNAを含
んでいる可能性があり、できるだけ高解像度を保った画
像を得ることが重要となる。このような広範囲にわたる
イメージング処理を容易にするためには、標本の多数の
画像を、それぞれ高解像度で得ることが必要となる。
【００４７】本実施形態においては、それぞれＸ方向お
よびＹ方向に少なくとも50μｍの解像度を有する一つな
いし複数のイメージを得ることができる。本発明は、ま
た画像取得手段５がＸ方向およびＹ方向に機械的に移動
可能に構成され、これにより限られた容量のＣＣＤ素子
であっても非常な広範囲にわたって高解像度が維持され
るようにしている（画像の分割取得）。
【００４８】このような画像取得手段５の移動による画
像の分割取得は、標本（ゲルスラブ３）と画像取得手段
５との何れの側を高精度に動かすことによって実現して
もよい。本発明では、画像取得手段５の側を段階的に移
動することで標本の全領域が映し出されるようにするの
が簡便であると考えられた。収集された個々の画像は、
少なくとも５０μｍの空間的解像度を維持したまま、画
像分析手段５あるいはパーソナルコンピュータ２６に内
蔵されたソフトウェアスティッチング（画像合成、画像
縫合）技術により、一つの画像に再構成される。異なる
光学的構成ないし異なるレンズ倍率を用いることでより
高い解像度も達成可能である。
【００４９】パーソナルコンピュータ２６で構成された
画像分析手段には、次のような特徴が備えられている。 （ＣＣＤの読出し）第１の特徴として、スキャン時間及
び解像度をＣＣＤチップの標準的な特徴を用いて制御可
能である。すなわち、1)ＣＣＤチップのうち高解像度が
必要な特定の領域を限定し、この領域に対応する部分配
列(subarray)のデータ読み出す、または、2)ＣＣＤチッ
プの領域を区分(binning)し、重要でない区画ではより
早い読み出しを行い、重要な領域では個々のＣＣＤピク
セルの解像度（深度；well-depth）を高めるようにす
る、という手法が採用できる。
【００５０】このことで、特定の重要区画だけを高解像
度化することで、全体的には低い解像度とすることがで
き、必要な部分には高解像度を確保しつつ全体的なイメ
ージング処理のスループット、処理時間を高めることが
可能となる。
【００５１】（サンプル多重化）第２の特徴として、フ
ィルタホイール７でＣＣＤカメラ８への入射光の波長帯
域を切替えることで、サンプル多重化処理を容易に行う
ことができる。従来、「サンプル多重化」（または差動
ゲル電気泳動）は、二種類以上の蛍光性、発光性ないし
類似のマーカの画像を取得することで、単一のゲル上で
数種類のサンプルを同時ないし順次映し出すものであ
る。これら二つのサンプルは、未知のサンプル及び校正
用の基準の何れかであってもよいし、あるいは二種類ま
たはそれ以上の未知のサンプルであってもよい。
【００５２】本実施形態においては、二種類またはそれ
以上のサンプルを光学プローブまたはその波長スペクト
ルによって区分されたマーカによって標識付け可能であ
る。例えば、赤色発光マーカ及び緑色発光マーカが二つ
の別々のサンプルの分子成分を標識付けるために用いら
れてもよい。赤色及び緑色の発光サンプルを単一のゲル
上で同時に実行することで、分子成分をサンプル登録及
び同時位置推定可能となる。
【００５３】本発明では、励起ないし発光波長を自動的
に制御することによって、赤色および緑色双方の発光サ
ンプルを同時又は順次得ることが可能となる。画像取得
手段５は、このようにして得られた二つのサンプルをデ
ジタル的または可視的に重ね合わせて、定量的または準
定量的にそれぞれの分子成分を比較してもよい。画像分
析手段（パーソナルコンピュータ２６）は、二つの多重
化サンプルを比較して特定の分子成分の上方ないし下方
変動率を測定する目的で標本上の各々の分子成分の程度
を明らかにする処理を実行する。
【００５４】このようなサンプル多重化または差動ゲル
電気泳動と呼ばれる単一のゲル上の二つまたはそれ以上
のサンプルを泳動させて化学的に標識付ける方法は、ア
メリカ特許4874492号公報、ヨーロッパ特許0214713B1公
報またはPCT国際公開WO96/33406号公報に開示があり、
これらを参照することで容易に実施できよう。
【００５５】（画像の補正）画像分析手段（パーソナル
コンピュータ２６）は、広範囲の標本画像を忠実かつ高
解像度で達成するため、光学的ないし機械的な歪み及び
人為的結果(artifact)を補正するためのソフトウェアア
ルゴリズムを含み、これが画像補正手段を兼ねている。
【００５６】例えば、「レンズ歪み」は、ラジアルまた
は偏心の二つの種類がある。「ラジアル歪み」はカメラ
８の主点から放射状に直線上の画像ポイントの位置に影
響する。これは、放射距離にのみ関するものであり、主
点周囲のどの角度からも同一であることから、対称歪み
としても知られている。
【００５７】「偏心歪み」は、しばしばレンズがうまく
製造されなかったことにより生じ、接線状及び放射状の
非対称な成分を有する。接線方向歪みは、画像の各点に
平行に延びるようにして生じ、放射距離及び参考距離に
関して前記各点から主点への線の延伸により変化する。
【００５８】（レンズ歪みの補正）これらの歪みを画像
分析手段で補正するため、ラジアル及び偏心歪みの双方
が無限距離に焦点をあてられたレンズの放射歪みの大き
さとしてモデリングされたものを奇数乗された項を有す
る多項式として用いられる。
【００５９】
【数１】
【００６０】以上において、k1,k2,k3はラジアル歪みの
係数として知られ、r,x,x0,y,y0はそれぞれ放射距離、
画像平面座標及び画像平面の原点である。レンズ偏心歪
みの大きさxd,ydも多項式によって近似して表すことが
できる。
【００６１】
【数２】
【００６２】以上で、p1,p2は偏心歪みのパラメータで
ある。xd,ydは、画像ポイントx,yにおける偏心歪みの成
分である。ラジアル歪み及び偏心歪みの補正は相互に独
立しており、双方の補正は単純に足すことができる。
【００６３】
【数３】
【００６４】以上において、xlens,ylensはラジアルお
よび偏心歪み補正を合計した補正である。これらのk1,k
2,k3,p1,p2は「鉛直線」法に基づく。水平線及び垂直線
を有する二つの画像が本実施形態のセットアップにおい
て得られる。原理は、ラジアル及び偏心歪みがなけれ
ば、対象物スペースの直線は、画像取得手段で得られた
画像中の直線となるはず、というものである。直線から
のずれは、すべてレンズ歪みによるものとすることがで
きる。これらのずれは、少なくとも直線パラメータの平
方推定値(square estimation)を用いることにより歪み
パラメータk1-p2を推定するのに用いることができる。
【００６５】本発明において、得られたk1,k2,k3,p1,p2
のパラメータは、操作の全段階で装置を初期化及びセッ
トアップするのに用いられる基準ファイルに保持され
る。実際の標本につき単一または複数の画像が得られた
場合、レンズ歪み成分はピクセル毎にパラメータを適用
することによって補正される。整数ではないため、双一
次補間アルゴリズムが補正されたピクセルを平滑化する
のに適用される。
【００６６】（ミラー歪みの補正）画像分析手段におい
て扱われなくてはならない別のイメージングエラー源
は、画像取得手段及び標本の間に介装されるミラーない
し類似の光学式伝達要素に関する。本発明に関しては、
これは「ミラー歪み」補正と呼ばれる。ミラー歪みは三
次多項式変換の数学的モデルを用いて補正可能である。
数式は以下の通り：
【００６７】
【数４】
【００６８】以上において、x、yは得られた画像平面に
おける点の座標であり、X、Yはこの点の理想的な位置の
座標である。A1-A10、B1-B10は多項方程式の係数であ
る。このX、Yはグリッド上の理想的点であることから正
確に知られる。x0及びy0はサブピクセル位置アルゴリズ
ム（次節参照）によってサブピクセル精度まで測定可能
である。もし、n個のドットがあるとすれば、2*n個の上
記方程式があることとなる。A1-A10、B1-B10の20個の係
数は、最小限の矩形演算（squares fitting）により算
出することができる。
【００６９】
【数５】
【００７０】以上において、ＡtはＡの転置行列（trans
pose matrix）を示す。また、Ｗは通常分散行列として
捉えられる重み行列（weight matrix）である。q0はグ
ローバル変数（global variance）であり、qi(i=1,2,・・
・10)はローカル変数である。
【００７１】ミラー歪み補正の具体例として、平らなプ
ラスチック紙で5*5＝25個の理想グリッドに平均して分
散される黒ドット（通常イメージャミラー補正；imager
mirror correctionとして用いられる）を考える。これ
らの25個の黒ドット位置（X1,Y1,・・・X25,Y25）が前もっ
て正確に知られていることから、想定された画像（X1,Y
1,・・・X25,Y25）の25個のドットを補正するための制御点
として用いられる。
【００７２】三次多項方程式の係数（全部で20個）は反
復最小平方推定（iterative leastsquares estimatio
n）によって求められる。これらのパラメータはイメー
ジャ初期ファイル（imager initialization file）に記
録される。画像が得られると、三次多項変換がこの画像
に適用されてミラー歪みが補正される。双一次補間（bi
linear interpolation）が補正されたピクセルを整数配
列に補間するのに用いられる。
【００７３】本実施形態の画像分析手段（パーソナルコ
ンピュータ２６）では、自動サブピクセル初期設定を呼
び出して高解像度での処理及び分析能力を向上させるの
が便宜である。画像上のラインが測定されたとき、肉眼
ではハーフピクセルレベルの解像度でその位置をおよそ
推定することのみ可能である。自動サブピクセル位置ア
ルゴリズムは画像の小さな要素の解像度を向上するのに
有効である。
【００７４】ここで利用可能なアルゴリズムの一例は
「加重重心サブピクセル位置」アルゴリズムと呼ばれ
る。このアルゴリズムでは、ドットまたは線の周囲の小
さな矩形ウィンドウがドット全体または関連するライン
セグメントを覆うように設けられる。適当な閾値がウィ
ンドウから背景上方を除くのに用いられる。適切なウィ
ンドウの大きさは、実際のドットサイズないし関連する
ラインセグメントによって選択可能である。このウィン
ドウ内で強度値を用いることで、ドットないしラインの
正確な中心は以下の方程式をもちいて計算可能である。
【００７５】
【数６】
【００７６】gijは1（ドットまたはラインピクセル）ま
たは0（背景）であり、wijは各ピクセルのグレイスケー
ル値であり、n,mはウィンドウサイズを規定する。この
アルゴリズムは加重重心サブピクセル位置アルゴリズム
と呼ばれる。
【００７７】このアルゴリズムはラインの位置を自動的
にピクセルの50分の1まで位置決めできる。このアルゴ
リズムは画像の正確なライン分布を得たり、または画像
中の小さなサブピクセルの特徴を映し出したりするのに
便宜である。分布グラフ（profile graph cross a lin
e）が表示されたとき、正確なサブピクセルのライン重
心が自動的に分布グラフの上部に表示される。この機能
は画像スティッチング、形状精度及びその他の関連する
特徴の補正精度を照合するのにも使用可能である。
【００７８】本実施形態においては、光の経路の全体に
わたって光学的な非均一性をなくすために、更に画像全
体の標準的な明暗歪み補正及び平面フィールディング補
正を搭載してもよい。これは、標本のない状態でフィー
ルドのブランク画像を得ておき、これを画像全体に均一
な光を当てる目的で標本画像にあてはめることにより達
成可能である。
【００７９】更に、分析データを理解しやすくするため
に、画像分析手段であるパーソナルコンピュータ２６に
おいてデータを三次元レンダリング処理しても良い。図
３は、蛍光性エンド標識DNAサンプルの分析結果出力を
示す。立体的な３次元グラフ３０からは、本実施形態の
構成によって、相対的強度が良好、正確かつ定量的な形
で示されていることが解るが、これは手動処理によって
は達成不可能なことである。
【００８０】なお、本発明は前記実施形態に限定される
ものではなく、各要素は各々について説明したような他
の形態を採用してもよく、あるいは付加的な要素は適宜
省略してもよい。前記実施形態において、ゲルスラブ３
は縦置きとしてもよいし、光ファイバ１０の配置等も適
宜変更してよい。光源４、ＣＣＤカメラ８等も適宜他の
手段に置換えてもよい。
【００８１】さらに、画像分析手段としてのパーソナル
コンピュータ２６において、前述した画像の分割取得と
その合成、レンズ歪みやミラー歪みの補正、その他の演
算処理は既存のプログラミング技術で適宜実現すればよ
い。また、パーソナルコンピュータ２６において光の照
射方向選択手段（光学スイッチ１０）の制御、画像取得
位置調整手段（移動ステージ９）の制御、フィルタホイ
ール７、１４の制御などを行うようにしたが、これらは
他の手段によって行ってもよく、例えばオペレータが手
動で行ってもよい。
【００８２】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
光源ないし画像取得手段により光の照射ないし標本の投
影から撮影までを行うことができ、さらに画像分析手段
により標本上のサンプル位置を検出することができる。
従って、投影ないし分析までの一連の操作の自動化が可
能であり、良好な画像を確保しつつ作業性を大幅に向上
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略図である。
【図２】前記実施形態で使用可能な照射機構の例を示す
概略図である。
【図３】前記実施形態による画像分析手段の出力例を示
すグラフである。
【符号の説明】
１ 大規模画像分析装置 ２ スタンド ３ 標本であるゲルスラブ ４ 光源 ５ 画像取得手段 ６ ミラー ７ カメラ側のフィルタホイール ８ ＣＣＤカメラ ９ 画面取得位置調整手段である移動ステージ １０ 照射方向選択手段である光学スイッチ １１ 光ファイバ １２ ゲルスラブを挟むガラス板 １３ 反射板 １４ 光源側のフィルタホイール ２１〜２５ 先端ホルダ ２６ 画像分析手段であるパーソナルコンピュータ ３０ 三次元グラフ Ａ，Ｂ，Ｃ 標本に照射される光 Ｄ 標本からの光 Ｌ 光源からの光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 599128550 Ｐ．Ｂ．10 ＦＩＮ−20101 Ｔｕｒｋｕ Ｆｉｎｌａｎｄ (72)発明者 クレイグ マッケイ イギリス国 シ−ビ−２ ５エルキュ− ケンブリッジ グレ−トシェルフォ−ド グラハムズ ロ−ド アベレ−ハウス ラ イフ サイエンス リソ−シズ リミテッ ド内 (72)発明者 ジム チェン イギリス国 シ−ビ−２ ５エルキュ− ケンブリッジ グレ−トシェルフォ−ド グラハムズ ロ−ド アベレ−ハウス ラ イフ サイエンス リソ−シズ リミテッ ド内 (72)発明者 ウィリアム メ−ソン イギリス国 シ−ビ−２ ５エルキュ− ケンブリッジ グレ−トシェルフォ−ド グラハムズ ロ−ド アベレ−ハウス ラ イフ サイエンス リソ−シズ リミテッ ド内 (72)発明者 ジョン ホイランド イギリス国 シ−ビ−２ ５エルキュ− ケンブリッジ グレ−トシェルフォ−ド グラハムズ ロ−ド アベレ−ハウス ラ イフ サイエンス リソ−シズ リミテッ ド内 (72)発明者 ニック ナイチンゲ−ル イギリス国 シ−ビ−２ ５エルキュ− ケンブリッジ グレ−トシェルフォ−ド グラハムズ ロ−ド アベレ−ハウス ラ イフ サイエンス リソ−シズ リミテッ ド内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ゲル中の標識付けられたサンプルの電気
    泳動の結果などの広範囲の標本から高解像度のデジタル
    画像を得るための大規模画像分析装置であって、前記標
    本に光を照射する光源と、前記光が照射された前記標本
    の高解像度の画像を取得する画像取得手段と、前記取得
    した画像を分析して前記標本におけるサンプルの位置を
    決定する画像分析手段とを有することを特徴とする大規
    模画像分析装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載した大規模画像分析装置
    において、前記光源は前記標本に照射する光の波長が連
    続的に可変可能であることを特徴とする大規模画像分析
    装置。
  3. 【請求項３】 請求項1または請求項２に記載した大規
    模画像分析装置において、前記画像取得手段には前記標
    本の画像として入射する光のうち特定の波長領域を選択
    するフィルタが設けられていることを特徴とする大規模
    画像分析装置。
  4. 【請求項４】 請求項1から請求項３までの何れかに記
    載した大規模画像分析装置において、前記画像取得手段
    はミラー及びカメラを有し、前記ミラー及び前記カメラ
    の配置は当該カメラの画像として前記標本の所定領域が
    選択されるように調整されることを特徴とする大規模画
    像分析装置。
  5. 【請求項５】 請求項1から請求項４までの何れかに記
    載した大規模画像分析装置において、前記画像分析手段
    はパーソナルコンピュータシステムで構成されているこ
    とを特徴とする大規模画像分析装置。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載した大規模画像分析装置
    において、前記パーソナルコンピュータシステムは前記
    画像取得手段および前記光源を含む各部の制御を行う機
    能も備えていることを特徴とする大規模画像分析装置。
  7. 【請求項７】 請求項１から請求項６までの何れかに記
    載した大規模画像分析装置において、前記画像取得手段
    は前記光が照射された前記標本の一連の高解像度の画像
    を取得するものであり、前記画像取得手段には前記画像
    取得手段で取得された一連の画像から単一の画像を再構
    築する画像再構築手段が接続され、前記画像分析手段は
    前記再構築された単一の画像を分析するものであること
    を特徴とする大規模画像分析装置。
  8. 【請求項８】 請求項１から請求項７までの何れかに記
    載した大規模画像分析装置において、前記画像取得手段
    には前記画像取得手段で取得された画像の光学的歪みま
    たは機械的歪みのうち少なくとも一つを補正する画像補
    正手段を有することを特徴とする大規模画像分析装置。
JP11257184A 1998-09-10 1999-09-10 大規模画像分析装置 Withdrawn JP2000111523A (ja)

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