JP2005300278A - Living body observation device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば、生体を生きたまま(in vivo)観察する生体観察装置に関するものである。 The present invention relates to a living body observation apparatus that observes a living body in a living state (in vivo), for example.
近年、光学顕微鏡を用いて蛍光プローブによるイオン濃度、膜電位などの可視化が行われるようになっており、例えば標本として神経細胞などの生体機能観察、特に動的挙動の観察が行われるようになっている。
このような動的挙動を観察するものとしては、顕微鏡写真撮影装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
As a device for observing such a dynamic behavior, a microphotographing device is known (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、このような従来の顕微鏡写真撮影装置は、標本の動的な挙動に合わせて写真を撮影するものであるが、カメラの焦点距離を一定に保ちながら、標本の動的な挙動の内の、ピントの合う静止状態を選択的に撮影するものであるため、得られる画像は細切れになり、特に、動いている状態の標本の様子を観察することができないという問題がある。 However, such a conventional microphotographing apparatus takes a photograph in accordance with the dynamic behavior of the specimen. However, while keeping the focal length of the camera constant, the dynamic behavior of the specimen is within the range. Since the in-focus still state is selectively photographed, the obtained image is fragmented, and in particular, there is a problem that the state of the moving sample cannot be observed.
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、動的な挙動を示す生体から鮮明な画像を得ることのできる顕微鏡画像撮影装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a microscopic image capturing apparatus that can obtain a clear image from a living body exhibiting dynamic behavior.
上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、動的な挙動を示す生体の観察対象部位を撮像する撮像手段と、該撮像手段と観察対象部位との間に配置される撮像光学系と、該撮像光学系の焦点位置を調節する焦点調節手段と、前記生体の動的な挙動を検出する挙動検出手段と、該挙動検出手段により検出された生体の動的な挙動に基づいて前記焦点位置が観察対象部位に一致するように前記焦点調節手段を制御する制御装置とを備える観察装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The present invention relates to an imaging unit that images a biological observation target region that exhibits a dynamic behavior, an imaging optical system disposed between the imaging unit and the observation target region, and a focal position of the imaging optical system is adjusted. Focus adjusting means, behavior detecting means for detecting the dynamic behavior of the living body, and based on the dynamic behavior of the living body detected by the behavior detecting means, the focus position matches the observation target site. An observation apparatus comprising a control device for controlling the focus adjusting means is provided.
この発明によれば、挙動検出手段の作動により、生体の拍動や脈動、あるいは蠕動のような生理現象による動的な挙動が検出される。生体が動的な挙動を示す場合に、撮像光学系の焦点位置を一定に保つと、画像がブレたり、深さ方向の観察位置が変動してしまったりするが、本発明によれば、挙動検出手段により検出された生体の動的な挙動に基づいて、制御手段が焦点調節手段を制御するので、撮像光学系の焦点位置を生体の観察対象部位に一致させた状態に維持することができる。その結果、生体が静止している状態の画像のみならず、動作している状態の鮮明な画像をも得ることができる。 According to this invention, the dynamic behavior due to physiological phenomena such as pulsation and pulsation of the living body or peristalsis is detected by the operation of the behavior detecting means. When the living body exhibits dynamic behavior, if the focus position of the imaging optical system is kept constant, the image may be blurred or the observation position in the depth direction may fluctuate. Since the control means controls the focus adjustment means based on the dynamic behavior of the living body detected by the detection means, the focus position of the imaging optical system can be maintained in a state where it matches the observation target part of the living body. . As a result, not only an image in which the living body is stationary but also a clear image in the operating state can be obtained.
上記発明においては、前記挙動検出手段が生体の表面位置を検出するセンサであることとしてもよい。センサにより表面位置を検出することで、生体の動的な挙動による変位量を直接得ることができる。したがって、撮像光学系の焦点位置の制御に複雑な演算が不要であり、生体の動的な挙動に、撮像光学系の焦点位置を遅れなく追従させることが可能となる。 In the above invention, the behavior detecting means may be a sensor that detects a surface position of a living body. By detecting the surface position by the sensor, the displacement amount due to the dynamic behavior of the living body can be directly obtained. Therefore, complicated calculation is not required for controlling the focal position of the imaging optical system, and the focal position of the imaging optical system can follow the dynamic behavior of the living body without delay.
また、上記発明においては、前記焦点調節手段が、前記制御装置からの制御信号に基づいて焦点距離を変化させる可変焦点レンズを備えることが好ましい。可変焦点レンズによれば、簡易な構成で撮像光学系の焦点位置の調節速度を十分に確保することができる。 Moreover, in the said invention, it is preferable that the said focus adjustment means is provided with the variable focus lens which changes a focal distance based on the control signal from the said control apparatus. According to the variable focus lens, it is possible to sufficiently secure the adjustment speed of the focus position of the imaging optical system with a simple configuration.
また、上記発明においては、前記焦点調節手段が、前記撮像光学系の焦点位置を移動させるリニアアクチュエータからなることとしてもよい。
また、上記発明においては、生体を載置するステージを備え、前記焦点調節手段が、前記制御装置からの制御信号に基づいて前記ステージを変位させるリニアアクチュエータからなることとしてもよい。
リニアアクチュエータとしては、ピエゾモータやボイスコイルモータ等の高速アクチュエータがあり、簡易な構成で撮像光学系の焦点位置の調節速度を十分に確保することができる。
Moreover, in the said invention, the said focus adjustment means is good also as comprising a linear actuator which moves the focus position of the said imaging optical system.
In the invention described above, a stage on which a living body is placed may be provided, and the focus adjustment unit may be a linear actuator that displaces the stage based on a control signal from the control device.
As the linear actuator, there are high-speed actuators such as a piezo motor and a voice coil motor, and a sufficient adjustment speed of the focal position of the imaging optical system can be secured with a simple configuration.
また、上記発明においては、前記制御手段が、前記センサにより検出された生体の表面位置から所定距離だけずれた深さ方向位置に撮像光学系の焦点を維持するよう焦点調節手段を制御することとしてもよい。
観察対象部位が生体の表面下にある場合に、焦点調節手段を制御してセンサによる検出位置から深さ方向に所定距離だけずれた位置に焦点位置を維持することにより、生体の表面の変動に追随して変位する観察対象部位に焦点を合わせた状態に維持して、画像を取得することができる。
In the above invention, the control means controls the focus adjustment means to maintain the focus of the imaging optical system at a position in the depth direction that is deviated by a predetermined distance from the surface position of the living body detected by the sensor. Also good.
When the observation target site is below the surface of the living body, the focus adjustment means is controlled to maintain the focal position at a position shifted by a predetermined distance in the depth direction from the detection position by the sensor. It is possible to acquire an image while maintaining the focused state on the observation target portion that follows and follows.
また、上記発明においては、前記制御手段が、前記挙動検出手段により検出された生体の動的挙動の履歴を記憶する履歴記憶手段と、該履歴記憶手段に記憶された履歴に基づいて、生体の動的挙動を推定する挙動推定手段とを備え、推定された動的挙動に基づいて前記焦点調節手段を制御することとしてもよい。
例えば、拍動のように所定の周期で発生する振動の場合には、履歴記憶手段に記憶された履歴に基づいて推定することで、撮像光学系の焦点位置をさらに高速に観察対象部位に追随させて、より鮮明な画像を取得することが可能となる。
In the above invention, the control means stores a history storage means for storing a history of the dynamic behavior of the living body detected by the behavior detection means, and a history of the living body based on the history stored in the history storage means. It is good also as a behavior estimation means which estimates a dynamic behavior, and controlling the said focus adjustment means based on the estimated dynamic behavior.
For example, in the case of vibration that occurs at a predetermined cycle such as a pulsation, the focal position of the imaging optical system can be tracked at a higher speed by estimating based on the history stored in the history storage means. Thus, a clearer image can be acquired.
本発明によれば、動的な挙動を示す生体を生きたまま観察する際に、生体の動的な挙動に焦点位置を追従させて撮像し、より多くの情報を含む観察結果を得ることができるという効果を奏する。 According to the present invention, when observing a living body exhibiting dynamic behavior while alive, it is possible to obtain an observation result including more information by imaging with the focal position following the dynamic behavior of the living body. There is an effect that can be done.
以下、本発明の第1の実施形態に係る生体観察装置について、図1および図2を参照して説明する。
本実施形態に係る生体観察装置1は、図1に示すように、レーザ光源2と光検出器(撮像手段)3とを備える光学ユニット4と、該レーザ光源2からのレーザ光および光検出器3への蛍光を伝播する光ファイバ5と、該光ファイバ5により伝播されてきたレーザ光を実験小動物等の試料Aに走査し、試料Aから発せられた蛍光を受光して光ファイバ5まで導く測定ヘッド6と、測定ヘッド6の焦点位置を制御する制御装置7とを備えている。
Hereinafter, a living body observation apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
As shown in FIG. 1, the living
前記光学ユニット4には、コリメートレンズ8とダイクロイックミラー9とが備えられている。レーザ光源2から発せられたレーザ光は、コリメートレンズ8によって一旦平行光にされた後、ダイクロイックミラー9を透過させられて、再度コリメートレンズ8によって光ファイバ5の一端5aに集光させられるようになっている。一方、光ファイバ5の一端5aから発せられた蛍光は、ダイクロイックミラー9によって反射されて集光レンズ10によって光検出器3に集光され検出されるようになっている。
The
前記測定ヘッド6は、光ファイバ5により伝播されてきたレーザ光を平行光に変換するコリメート光学系11と、平行光を偏向して2次元方向に走査する光走査部12と、該光走査部12から発せられた光を中間像位置Bに結像させる瞳投影光学系13と、中間像を形成した光を再度平行光に変換する結像光学系14と、中間像を試料Aの観察対象部位に再結像させる対物光学系15と、測定ヘッド6と試料Aの表面との距離を測定する距離センサ16とを備えている。前記コリメート光学系11には、該コリメート光学系11を構成するレンズの一部または全部を光軸方向に移動させるリニアアクチュエータ17が備えられている。光走査部12は、例えば、相互に直交する2つの軸回りにそれぞれ回転可能な2枚のガルバノミラー12a,12bを備えている。
The
前記リニアアクチュエータ17は、例えば、ピエゾモータにより構成されている。
また、前記光検出器3は、例えば、光電子増倍管(Photomultiplier Tube)である。
なお、光検出器3はモニタ18に接続され、撮像された蛍光画像を表示するようになっている。
The
The photodetector 3 is, for example, a photomultiplier tube.
The photodetector 3 is connected to a
前記制御装置7は、前記距離センサ16からの検出信号を受けて、測定ヘッド6と試料A表面との距離をリアルタイムで演算し、リニアアクチュエータ17の変位指令をリニアアクチュエータ17に対して出力するようになっている。
また、制御装置7には、前記コリメート光学系11から対物光学系15までを含む撮像光学系19の焦点位置Cを所定距離だけオフセットさせるオフセット機能が備えられている。
The
The
このように構成された本実施形態に係る生体観察装置1の作用について以下に説明する。
レーザ光源2から発せられたレーザ光は光ファイバ5内を伝播させられて測定ヘッド6内に入り、コリメート光学系11によって平行光に変換された後、光走査部12によって偏向され、瞳投影光学系13、結像光学系14および対物光学系15を介して、試料Aに結像され、そこで蛍光を発生させる。試料Aにおいて発生した蛍光は、対物光学系15、結像光学系14、瞳投影光学系13、光走査部12およびコリメート光学系11を経て光ファイバ5内を光学ユニット4に戻り、ダイクロイックミラー9によってレーザ光源2方向に向かう光軸から分離されて光検出器3に検出され、モニタ18に表示されることになる。
The operation of the
Laser light emitted from the
この場合に、実験小動物等の試料Aの観察を開始するには、まず、レーザ光を試料Aに照射して、試料A表面における反射光を検出し、モニタ18に表示する。作業者は、モニタ18を見ながら撮像光学系19の焦点位置Cが試料A表面に一致するように操作する。試料A表面は脈動しているので、例えば、脈動の間の略静止状態において焦点位置Cを試料A表面に一致させればよい。そして、焦点位置Cが試料A表面に一致した時点で制御装置7による制御を開始する。
In this case, in order to start observation of the sample A such as an experimental small animal, first, the sample A is irradiated with laser light, and the reflected light on the surface of the sample A is detected and displayed on the
距離センサ16は、測定ヘッド6と試料A表面との距離を測定しているので、制御装置7は、焦点位置Cが試料A表面に一致した状態の測定ヘッド6(本実施形態の場合は測定ヘッド6に固定された距離センサ16の先端面)と試料A表面との距離Lを基準として、そこからの試料A表面の脈動による変位量ΔLを得ることができる。そして、このΔLだけ、試料A表面の変位方向と同一方向に焦点位置Cを変位させるようにコリメート光学系11を移動させるようリニアアクチュエータ17を作動させることにより、焦点位置Cを試料A表面に一致させた状態に維持することができる。特に、本実施形態に係る生体観察装置1においては、リニアアクチュエータ17として高速のピエゾモータを使用しているので、脈動による変動にもかかわらず、焦点位置Cを試料A表面に高速かつ精度よく追従させることができる。
Since the
実際には、観察対象部位は、試料A表面から深さ方向に所定距離Dだけ深い位置に配置されているので、オフセット機能を利用してコリメート光学系11を移動させ、図2(a)に鎖線で示すように焦点位置をDだけずらす。これにより、試料Aの脈動により試料A表面がΔLだけ変位したことが制御装置7において算出されると、図2(b)に示されるように、リニアアクチュエータ17の作動により焦点位置CもΔLだけ変位させられるので、焦点位置Cは、試料A表面下、距離Dの位置に維持されることになる。
Actually, since the site to be observed is arranged at a position deeper than the surface of the sample A by a predetermined distance D in the depth direction, the collimating
すなわち、本実施形態に係る生体観察装置1によれば、試料Aの動的な挙動を距離センサ16により検出して、撮像光学系19の焦点位置Cを、試料A表面下、距離Dの位置に配される観察対象部位に一致するようにリアルタイムに調節するので、ブレを抑えた鮮明な画像を得ることができる。また、動的な挙動を示す試料Aの静止状態のみならず動作状態における画像を得ることもできるので、試料Aから得られる情報を無駄なく取得することができる。
That is, according to the living
なお、本実施形態に係る生体観察装置1においては、コリメート光学系11を移動させるリニアアクチュエータ17としてピエゾモータを採用したが、これに代えて、ボイスコイルモータ等の他の任意の高速リニアアクチュエータを採用してもよい。また、コリメート光学系11により焦点位置Cを調節することとしたが、これに代えて、図3に示されるように、対物光学系15をリニアアクチュエータ17により移動させることで焦点位置Cを調節することにしてもよい。
また、リニアアクチュエータ17により、光ファイバ5の先端部を光軸方向に移動させることにしてもよい。
In the living
Further, the tip of the optical fiber 5 may be moved in the optical axis direction by the
また、コリメート光学系11や対物光学系15をリニアアクチュエータ17により移動させる方法に代えて、図4に示されるように、コリメート光学系11または対物光学系15を構成するレンズの一部に、レンズ体内部に充填した液体の圧力を変化させてレンズ体表面の形状を変化させることで、焦点位置Cを変化させる可変焦点レンズ27を採用してもよい。この場合、可変焦点レンズ27に接続するピエゾ素子28のようなリニアアクチュエータを備え、制御装置7からの移動指令により可変焦点レンズ27への加圧力を制御することにより、焦点位置Cを変化させることにしてもよい。
Further, in place of the method of moving the collimating
また、反射型の対物光学系等を採用する場合には、可変焦点ミラー(図示略)を採用することにしてもよい。さらに、距離センサ16を対物光学系15外部に配置する例について説明したが、対物光学系15と同一のハウジング内に内蔵してもよい。
When a reflective objective optical system or the like is employed, a variable focus mirror (not shown) may be employed. Furthermore, although the example which arrange | positions the
また、観察の開始時に目視でピント合わせを行うこととしたが、例えば、検出した画像のコントラストを演算し、コントラストが最も高い位置にリニアアクチュエータ17を変位させることにより、自動焦点合わせを行うことにしてもよい。
さらに、試料Aの動的挙動を検出する手段として距離センサ16を採用したが、これに代えて、他の脈動検出手段、例えば、心電検出器、超音波検出器、音センサ(エレクトレッド・コンデンサ・マイク:ECM)、光干渉断層計(Optical
Coherence Tomography:OCT)、スペックルを用いた面外変位計測装置等を採用してもよい。
In addition, the focus is visually adjusted at the start of the observation. For example, the contrast of the detected image is calculated, and the
Further, the
Coherence Tomography (OCT), an out-of-plane displacement measuring device using speckles, etc. may be employed.
次に、本発明の第2の実施形態に係る生体観察装置について、図5を参照して説明する。
本実施形態の説明において、上述した第1の実施形態に係る生体観察装置1と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を簡略化する。
Next, a living body observation apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the description of the present embodiment, the same reference numerals are given to the portions having the same configuration as the
本実施形態に係る生体観察装置20は、水平に配されるベース21と、該ベース21から鉛直方向に延びる支柱22と、該支柱22に取り付けられ、前記測定ヘッド6を支持するアーム23と、ベース21に固定され、試料Aを載置するステージ24とを備えている。ステージ24試料Aを水平2方向に移動させるXYテーブル25と、該XYテーブル25を上下方向に移動させる昇降機構26とを備えている。前記測定ヘッド6は、ステージ24の上方に間隔をあけて光軸を鉛直下向きに配置している。
The
本実施形態に係る生体観察装置20においては、測定ヘッド6側に焦点調節手段を備えておらず、ステージ24の昇降機構26により焦点調節手段が構成されている点において第1実施形態に係る生体観察装置1と相違している。
前記制御装置7は、測定ヘッド6に設けられた距離センサ16からの情報を受け取って、該距離センサ16からの出力変動がゼロになるように、前記昇降機構26に上下方向の移動指令を出力するようになっている。
In the living
The
このように構成された本実施形態に係る生体観察装置20によれば、第1の実施形態に係る生体観察装置1と同様に、試料Aの動的な挙動に関わらず、動作状態の試料Aのブレを抑えた鮮明な画像を得ることができる。また、これに加えて、測定ヘッド6側において焦点位置Cを調節する第1の実施形態とは異なり、試料Aの動的挙動に応じて焦点位置Cにおける動的挙動をキャンセルするようにステージ24を上下動させるので、振動を嫌う撮像光学系19を固定したままで済むという利点がある。
According to the
次に、本発明の第3の実施形態に係る生体観察装置30について、図6を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る生体観察装置30は、制御装置7において上記第1、第2の実施形態に係る生体観察装置1,20と相違している。
Next, a living
The
本実施形態に係る生体観察装置30の制御装置7は、図5に示されるように、距離センサ16からの位置情報を逐次受け取って、所定の基準距離Lに対する試料A表面の変動距離ΔLnを算出する変動距離算出部31と、該変動距離算出部31において算出された変動距離ΔLnと、クロック32から発せられる時刻情報tnとを受け取って、両者を対応づけて記憶することにより試料Aの動的挙動の履歴を記憶する履歴記憶手段33と、該履歴記憶手段33に記憶された履歴に基づいて、次のステップにおける変動距離の推定値ΔLn+1を算出する変動距離推定部34と、前記実際の変動距離ΔLnまたは変動距離の推定値ΔLn+1のいずれかを選択する切替手段35と、これら変動距離ΔLnまたは変動距離推定値ΔLn+1のいずれかに基づいて焦点位置移動指令を算出する移動指令算出部36とを備えている。
As shown in FIG. 5, the
このように構成された本実施形態に係る生体観察装置30によれば、距離センサ16からの位置情報が制御装置7に入力されると、変動距離算出部31において該位置情報に基づいて試料A表面の変動距離ΔLnが算出される。試料Aの動的挙動の履歴が作成される迄の間、変動距離算出部31において算出された変動距離ΔLnはそのまま、リニアアクチュエータ17等の焦点調節手段への焦点位置移動指令の算出の基礎とされ、焦点位置移動指令算出部36からΔLnに基づいて算出された移動指令が出力される。この場合において、変動距離算出部31において算出された変動距離ΔLnはその変動距離ΔLnが発生した時刻tnとともに履歴記憶手段33に入力されて図6に示されるような動的挙動の履歴として記憶される。
According to the living
例えば、心臓の拍動のように略一定の周期で発生する動的挙動は、急激に変化するものではなく、ある程度の履歴を考慮することにより次の挙動を予測することができる。変動距離推定部34においては、履歴記憶手段33に記憶された履歴に基づいて、次の変動距離推定値ΔLn+1を算出して出力する。推定は、例えば、過去数周期分の変動距離の平均や、周波数の増減等に基づいて行われることとすればよい。
For example, a dynamic behavior that occurs at a substantially constant cycle, such as a heartbeat, does not change abruptly, and the next behavior can be predicted by considering a certain history. The fluctuation
そして、所定の時間が経過した後、あるいは、必要に応じて切替手段35が作動させられて、変動距離推定値ΔLn+1を選択することにより、変動距離推定値ΔLn+1が焦点調節手段への移動指令の算出の基礎とされることになる。すなわち、本実施形態に係る生体観察装置30によれば、試料Aの動的挙動の履歴に基づいて予め次の動的挙動を推定するので、機構部の遅れや演算の遅れ等により、実際の動的挙動に対して焦点位置の調節動作がずれることを防止して、試料Aの動的挙動に、さらに精度よく焦点位置を追従させることができる。
Then, after a predetermined time has elapsed, or when necessary, the switching means 35 is operated to select the fluctuation distance estimated
A 試料(生体)
C 焦点位置
1,20,30 生体観察装置
3 光検出器(撮像手段)
7 制御装置
16 距離センサ(挙動検出手段)
17 リニアアクチュエータ(焦点調節手段)
19 撮像光学系
24 ステージ
33 履歴記憶手段
34 挙動推定手段
A Sample (living body)
7
17 Linear actuator (focus adjustment means)
19 imaging
Claims (7)
該撮像手段と観察対象部位との間に配置される撮像光学系と、
該撮像光学系の焦点位置を調節する焦点調節手段と、
前記生体の動的な挙動を検出する挙動検出手段と、
該挙動検出手段により検出された生体の動的な挙動に基づいて、前記焦点位置が観察対象部位に一致するように前記焦点調節手段を制御する制御装置とを備える生体観察装置。 An imaging means for imaging an observation target part of a living body exhibiting dynamic behavior;
An imaging optical system disposed between the imaging means and the observation target site;
Focus adjusting means for adjusting the focus position of the imaging optical system;
Behavior detecting means for detecting the dynamic behavior of the living body;
A living body observation apparatus comprising: a control device that controls the focus adjustment means so that the focus position coincides with an observation target site based on the dynamic behavior of the living body detected by the behavior detection means.
前記焦点調節手段が、前記制御装置からの制御信号に基づいて前記ステージを変位させるリニアアクチュエータからなる請求項1または請求項2に記載の生体観察装置。 Equipped with a stage for placing a living body,
The living body observation apparatus according to claim 1, wherein the focus adjustment unit includes a linear actuator that displaces the stage based on a control signal from the control apparatus.
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