JP2005337920A - Light signal analyzing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光信号解析方法に関するものである。 The present invention relates to an optical signal analysis method.
従来、光信号解析方法として以下のような文献がある。これらの光信号解析方法において、自己相関関数を推定する場合には、1ヶ所のみの測定点について蛍光の強度の時系列信号を取得し、取得したすべての時系列信号を使用して計算により自己相関関数を推定していた。
上記した従来の方法で標本内の複数の測定点で一定時間間隔ごとに自己相関関数の推定を行おうとした場合、まず一つの測定点で自己相関関数の推定を行い、次に他の測定点に移動して、同様に自己相関関数を推定する。更にまた、別の測定点に移動し、同様に自己相関関数を推定するという作業をすべての測定点について、順次行わなければならず、推定全体に時間がかかると共に、作業も繁雑であった。また、測定点を逐次移動していくために、測定点間の時間差は大きく長時間を要し、同時に複数点について、自己相関関数を推定することが実質的に困難であった。 When attempting to estimate the autocorrelation function at a certain time interval at multiple measurement points in the sample using the conventional method described above, first estimate the autocorrelation function at one measurement point, and then estimate the other correlation points. To estimate the autocorrelation function in the same way. Furthermore, the operation of moving to another measurement point and estimating the autocorrelation function in the same manner has to be performed sequentially for all measurement points, so that the entire estimation takes time and the work is complicated. In addition, since the measurement points are sequentially moved, the time difference between the measurement points is long and requires a long time, and it is substantially difficult to estimate the autocorrelation function for a plurality of points at the same time.
すなわち、測定点ごとに測定時刻のずれ(時間遅れ)が生じ、細胞内外で生じる速い反応、例えば、たんぱく質―たんぱく質相互作用、細胞内のシグナル伝達などをリアルタイムで測定することができなかった。 That is, a measurement time shift (time delay) occurs at each measurement point, and fast reactions occurring inside and outside the cell, such as protein-protein interaction, intracellular signal transmission, etc., could not be measured in real time.
本発明は、このような課題に着目して行ったものであり、その目的とするところは、簡単な手順でほぼリアルタイムで標本内の複数の測定点について信号解析を行うことができる光信号解析方法を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to such problems, and the purpose of the present invention is to perform optical signal analysis capable of performing signal analysis on a plurality of measurement points in a sample in a substantially real-time with a simple procedure. It is to provide a method.
上記の目的を達成するために、第1の発明は、光信号解析方法であって、試料に関して指定された測定点から発せられる光を光検出器により検出する検出ステップと、前記光検出器より出力される時系列信号を複数の時系列信号に時間分割する時分割ステップと、前記時間分割された時系列信号毎に信号解析を行い、前記測定点の物理的性質を求める解析ステップと、を具備する。 In order to achieve the above object, a first invention is an optical signal analysis method, comprising: a detection step of detecting light emitted from a measurement point designated with respect to a sample by a photodetector; and A time division step of time-dividing an output time-series signal into a plurality of time-series signals; and an analysis step of performing signal analysis for each of the time-division time-series signals and obtaining physical properties of the measurement points. It has.
また、第2の発明は、第1の発明に係る光信号解析方法において、前記試料に関する複数の点を測定点として順次選択し、前記光が照射される位置を前記複数の測定点について順次移動し、前記光検出器より出力される時系列信号を前記複数の測定点毎に時分割して取り出し、前記時分割したデータ毎に時系列信号解析を行い、前記複数の測定点毎の物理的性質を求める。 According to a second invention, in the optical signal analysis method according to the first invention, a plurality of points relating to the sample are sequentially selected as measurement points, and the position irradiated with the light is sequentially moved with respect to the plurality of measurement points. The time-series signal output from the photodetector is time-divided for each of the plurality of measurement points, and time-series signal analysis is performed for each of the time-divided data, Find the nature.
また、第3の発明は、第2の発明に係る光信号解析方法において、前記光検出器より出力される時系列信号を前記複数の測定点毎に時分割して記憶し、必要に応じて前記複数の測定点毎の時系列信号を読み出して解析を行い、前記試料に関する複数の測定点毎の物理的性質を求める。 According to a third aspect of the present invention, in the optical signal analysis method according to the second aspect of the invention, the time-series signal output from the photodetector is time-divided and stored for each of the plurality of measurement points. A time-series signal for each of the plurality of measurement points is read and analyzed, and physical properties for each of the plurality of measurement points regarding the sample are obtained.
また、第4の発明は、第3の発明に係る光信号解析方法において、前記複数の測定点の位置情報を取得して位置情報テーブルを作成し、前記位置情報テーブルを参照して前記時系列信号の解析を行い、前記試料に関する複数の測定点毎の物理的性質を求める。 According to a fourth aspect of the present invention, in the optical signal analysis method according to the third aspect of the present invention, the position information table is created by acquiring position information of the plurality of measurement points, and the time series is referred to with reference to the position information table. The signal is analyzed to determine the physical properties of each of the plurality of measurement points related to the sample.
また、第5の発明は、第1〜第4のいずれか1つの発明に係る光信号解析方法において、前記測定点から発せられる光は、螢光、燐光、化学発光、生物発光、反射光または散乱光である。 The fifth invention is the optical signal analysis method according to any one of the first to fourth inventions, wherein the light emitted from the measurement point is fluorescence, phosphorescence, chemiluminescence, bioluminescence, reflected light or Scattered light.
また、第6の発明は、第1〜第5のいずれか1つの発明に係る光信号解析方法において、前記光検出器より出力される時系列信号の解析は自己相関分光解析、または光強度分布解析である。 The sixth invention is the optical signal analysis method according to any one of the first to fifth inventions, wherein the analysis of the time-series signal output from the photodetector is an autocorrelation spectroscopy analysis or a light intensity distribution. It is analysis.
また、第7の発明は、第1〜第6のいずれか1つの発明に係る光信号解析方法において、前記試料に関する測定点の物理的性質は分子、または粒子の並進拡散係数、回転拡散係数、あるいは前記測定領域内に存在する分子、または粒子の個数、あるいは蛍光寿命である。 The seventh invention is the optical signal analysis method according to any one of the first to sixth inventions, wherein the physical property of the measurement point related to the sample is a translational diffusion coefficient, a rotational diffusion coefficient of a molecule or particle, Alternatively, it is the number of molecules or particles present in the measurement region, or the fluorescence lifetime.
本発明によれば、複数測定点の物理的性質の解析を同時に行い、複数点についての測定の順序を自由に組み合わせ、試料の反応、試料間の相互作用などを解析することができる。特に、マルチポイントFCSの場合は、シングルポイントFCSと比較して、同時に複数のポイント点を観察することができ、生体の細胞内外の多様な反応を捉えることができる。 According to the present invention, it is possible to simultaneously analyze the physical properties of a plurality of measurement points, freely combine the measurement order of the plurality of points, and analyze the reaction of the sample, the interaction between the samples, and the like. In particular, in the case of a multipoint FCS, a plurality of point points can be observed simultaneously as compared with a single point FCS, and various reactions inside and outside cells of a living body can be captured.
また、テーブル検索方式のマルチポイントFCSを採用することにより、汎用検索方式によるチャンネル位置判断のためのすべてのデータの繰り返しスキャンを避け、一回のみのスキャンで各測定点におけるすべてのデータを取得することができる。自己相関計算の各段階でこのチャンネル位置情報テーブルを参照するだけで、計算対象以外のチャンネルのデータを飛ばし、必要最小限のデータだけを計算に取り込むことで、計算時間の短縮が図れ、複数測定点をリアルタイムに測定、観察することができる。特に、測定点(チャンネル数)の数が増えるほど、読み飛ばすデータの量は増え、計算時間の短縮が著しく図れる。 In addition, by adopting multi-point FCS of table search method, it avoids repeated scanning of all data for channel position determination by general search method, and acquires all data at each measurement point by only one scan. be able to. By simply referring to this channel position information table at each stage of autocorrelation calculation, the data of channels other than the calculation target is skipped, and only the minimum necessary data is taken into the calculation, reducing the calculation time and making multiple measurements. Points can be measured and observed in real time. In particular, as the number of measurement points (number of channels) increases, the amount of data skipped increases, and the calculation time can be significantly shortened.
まず、本発明の概略を説明する。本発明では、マルチポイントFCSのデータ解析において、複数のポイントを繰り返し測定したデータを時系列チャンネル分割することにより、各ポイントに相当するデータだけを抽出して、自己相関関数の計算を行う。ここで、抽出方法は、すべてのデータを逐次スキャンする汎用検索方式である。 First, the outline of the present invention will be described. In the present invention, in multi-point FCS data analysis, data obtained by repeatedly measuring a plurality of points is time-series channel divided so that only data corresponding to each point is extracted and an autocorrelation function is calculated. Here, the extraction method is a general-purpose search method that sequentially scans all data.
また、マルチポイントFCSのデータ解析において、特に汎用検索方式は、相関関数の演算を行う際、常にすべてのデータを繰り返しスキャンし、チャンネルの位置を判断しなければならない。相関関数の演算においては、このチャンネル位置判断、すなわち、測定点の位置判断にかなりの時間を要する。特に、計算しようとするチャンネルと異なるチャンネルへの移動、データ取得にかなりの時間を費やすことになる。その改善方法として、一回の測定で得られた全データを利用して測定点すべてのチャンネルの位置情報を盛り込んだデータテーブル(位置情報テーブル)を作成し、これを相関関数の演算毎に参照して、計算時間の大幅な短縮を図るものである。 In multipoint FCS data analysis, in particular, the general-purpose search method must always scan all data repeatedly to determine the channel position when calculating the correlation function. In the calculation of the correlation function, it takes a considerable time to determine the channel position, that is, the position of the measurement point. In particular, it takes a considerable amount of time to move to a channel different from the channel to be calculated and to acquire data. As an improvement method, a data table (position information table) containing the position information of all channels at all measurement points is created using all the data obtained in a single measurement, and this is referenced for each correlation function calculation. Thus, the calculation time can be greatly reduced.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明が適用される光信号解析装置の構成を示す図である。本実施形態では、試料の螢光像観察を行うためにレーザ走査型共焦点光学顕微鏡に適用した場合について説明する。装置の基本的な構成として、レーザ走査型共焦点光学顕微鏡本体10、CCDカメラ11、試料ステージ12、試料ステージコントローラ13、コンピュータ(PC)14、TVモニタ15、レーザ光源16を備える。レーザ光源16の波長によっては励起する螢光物質の種類が異なる。本実施形態では、励起波長の一つとして波長488nmのアルゴンレーザを用いたが、蛍光物質のローダミン・グリーンを励起するのに適していることがわかった。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical signal analyzing apparatus to which the present invention is applied. In the present embodiment, a case where the present invention is applied to a laser scanning confocal optical microscope in order to observe a fluorescent image of a sample will be described. The basic configuration of the apparatus includes a laser scanning confocal optical microscope
レーザ光源16から発せられたレーザ光をレーザ走査型共焦点光学顕微鏡本体10に導き、試料ステージ12上の試料50に照射し、CCDカメラ11で試料50からの螢光を受光し、TVモニタ15、あるいは顕微鏡接眼部を通して試料50の螢光顕微鏡観察を行う。
The laser light emitted from the
レーザ走査型共焦点光学顕微鏡本体10の試料ステージ12には2個のステッピングモータ20がそれぞれ90°方向に取り付けられており、それぞれのステッピングモータ20は試料ステージコントローラ13に接続されている。コンピュータ14からの指令により、2個のステッピングモータ20を駆動し、試料ステージ12をX方向及びY方向に移動させる。
Two stepping motors 20 are respectively attached to the
次に走査系の構成について説明する。レーザ光源16より発せられたレーザ光を2個のレンズ23−1、23−2から構成される拡大光学系(ビームエクスパンダ)に通してビーム直径を拡げてコリメート光とし、プレフォーカシングレンズ24を介してダイクロイックミラー25に導く。
Next, the configuration of the scanning system will be described. The laser light emitted from the
ダイクロイックミラー25は波長488nm付近以下の波長の光を反射し、488nm付近以上の波長の光を透過させるように形成されている。ダイクロイックミラー25により反射されたレーザ光はXYスキャナ22に入射する。レーザ光はXYスキャナ22でX軸、Y軸方向に2次元走査されて対物レンズ21に導かれる。レーザ光はランダムに試料50内をスキャンされ、試料50内に存在する蛍光物質を励起することができる。
The
試料50内で微小な共焦点領域を形成させるためにここではNA(開口数)1.0の対物レンズ21を用いる。これにより得られる共焦点領域の大きさとして、直径0.6μm程度、長さ2μm程度の中央部がくびれた略円筒状となり、測定領域に存在する蛍光分子は平均して数個程度となる。試料50内の所望の蛍光物質から発せられた蛍光は励起光と同じ光路を通り、ダイクロイックミラー25により入射光路から分離された後、ピンホール26、ハーフミラー27を介して光検出器28により受光される。光検出器28としてはアバランシェ・フォトダイオード(APD)、あるいは光電子増倍管などの微弱光検出器を用いれば良い。なお、ピンホールの直径は200μmとなっている。
In order to form a minute confocal region in the sample 50, the
光検出器28で受光した螢光出力信号を図示せぬ画像処理装置に導き、コントラスト向上、輪郭強調などの画像処理を行った後、コンピュータ14を通してTVモニタ15上に試料50の2次元画像、あるいは3次元画像を得る。
A fluorescent output signal received by the
各XYスキャナ22は互いに直交する方向に走査できるように互いに垂直方向の向きに配置されており、コンピュータ14によって制御されたそれぞれのXYスキャナ駆動装置(不図示)により回動運動を精確に制御される。 The XY scanners 22 are arranged in vertical directions so that they can be scanned in directions orthogonal to each other, and the rotational movement is accurately controlled by respective XY scanner driving devices (not shown) controlled by the computer 14. The
XYスキャナー駆動装置にはXYスキャナ角度検出装置(図示しない)が装備されており、リアルタイムで走査角度が精度良く検知され、コンピュータ14にフィードバック制御される。本実施形態ではXYスキャナ22としてガルバノスキャナを用いている。なお、レーザ光をXY走査する手段、すなわちXYスキャナとしてガルバノスキャナに限らず、音響光学変調素子(AOM)やポリゴン鏡、ホログラムスキャナなどを用いても良い。 The XY scanner driving device is equipped with an XY scanner angle detection device (not shown), and the scanning angle is accurately detected in real time and feedback controlled by the computer 14. In this embodiment, a galvano scanner is used as the XY scanner 22. The means for XY scanning with laser light, that is, the XY scanner is not limited to a galvano scanner, and an acousto-optic modulation element (AOM), a polygon mirror, a hologram scanner, or the like may be used.
光検出器28に入射した光強度信号は電気信号に変換され、信号処理装置(不図示)で波形整形され、on-offの2値化パルスに変換されて、コンピュータ14に導かれる。コンピュータ14は、入力された2値化パルス信号に対して相関演算を行って自己相関関数を算出する。さらには得られた自己相関関数から、蛍光物質の並進拡散速度や測定領域内に存在する蛍光分子の数の変化などを求める。
The light intensity signal incident on the
光検出器28に入射する光強度信号が比較的大きい場合は、光検出器28から出力される電気信号はアナログの時系列信号となる。この場合は信号処理装置でA/D変換し、波形整形を行い、先と同様に2値化パルス信号に変換する。
When the light intensity signal incident on the
また対物レンズ21を光軸方向に移動させることにより、レーザ光のフォーカス位置を光軸方向に沿って上下させることができる。これにより、3次元画像をTVモニタ15上に生成させることができる。
Further, by moving the
なお、螢光物質についてはローダミン・グリーンに限ることなく、例えば、TMR(Tetrame-hylrhodamine)、サイファイブ(Cy5)、FITC(Fluorescein-isothiocyanate)、TOTO1、Acridine-Orange、Texas-Redなどを用いても良い。 Note that the fluorescent substance is not limited to rhodamine / green, but using, for example, TMR (Tetrame-hylrhodamine), Cyfive (Cy5), FITC (Fluorescein-isothiocyanate), TOTO1, Acridine-Orange, Texas-Red, etc. Also good.
(第1実施形態)
図2は、汎用検索方式によるマルチポイントFCS演算の手順を説明するためのフローチャートである。まず、図1による構成により試料50についての測定データを取得する(ステップS1)。これにより、図3(A)に示すような時系列信号が得られる。次に、この時系列信号を時分割して多チャンネル化(ここではチャンネルch0〜ch4)する(ステップS2、図3(B))。図3(B)において、ch0は、レーザ光をXY走査する手段としてのガルバノスキャナの移動時のランダム測定データ範囲である。ch1は、測定ポイント1の測定データ範囲である。ch2は、測定ポイント2の測定データ範囲である。ch3は、測定ポイント3の測定データ範囲である。ch4は、測定ポイント4の測定データ範囲である。図3(C)は、各測定ポイント1〜4の一例を示している。
(First embodiment)
FIG. 2 is a flowchart for explaining the procedure of multipoint FCS calculation by the general-purpose search method. First, the measurement data about the sample 50 is acquired by the configuration shown in FIG. 1 (step S1). Thereby, a time series signal as shown in FIG. Next, this time-series signal is time-divided into multi-channels (here, channels ch0 to ch4) (step S2, FIG. 3B). In FIG. 3B, ch0 is a random measurement data range during movement of the galvano scanner as means for XY scanning the laser light. ch1 is the measurement data range of
次に、チャンネル番号CH_NOに初期値としての1を代入して計算を開始する(ステップS3、S4)。次に、FCS演算の第1の部分として、以下の式(2−1)を用いて、汎用検索方式による平均値計算用の有効データ数Ma の統計計算を行う(ステップS5)。
ここでは、単純にすべての測定データをスキャンして、チャンネル1においては、チャンネルデータが1の場合のみ+1の統計計算を行う。チャンネル1について実際の計算に用いる有効データは、図4において、
に相当する部分だけである。この部分を抽出するために、測定したすべてのデータMmax (図4参照)を逐次スキャンしてチャンネル番号を判断する。つまり、チャンネル1においては、すべてのデータMmax を逐次スキャンしながら、チャンネル番号が1になるごとに、Ma の値を+1して統計計算し、スキャンによってその他のチャンネル番号と判断した場合は、Ma の統計計算は行わない。
Only the part corresponding to. In order to extract this portion, all the measured data M max (see FIG. 4) are sequentially scanned to determine the channel number. That is, in the
チャンネル2、3と4においても同様な処理が行われ、結果的には、4チャンネルマルチポイントFCS汎用検索方式の平均値計算用有効データ数Ma の統計計算は、一つのMτ(相関計算時の遅延時間)に対して、測定したすべてのデータMmax を合計4回スキャンする。つまり、p(相関計算時遅延時間の総数)個のMτに対しては、それぞれMmax 個のデータをp×4回スキャンして結果を得る。
Similar processing is also in the
次に、FCS計算の第2の部分として、汎用検索方式による平均値の計算を、以下の式(2−2)を用いて行う(ステップS6)。
チャンネル1については、実際の計算に用いる有効データは、図4において、
に相当する部分だけである。この部分を抽出するために、同じく測定したすべてのデータMmax (図4参照)を逐次スキャンしてチャンネル番号を判断することになる。つまり、すべてのデータMmax を逐次スキャンしながら、チャンネル番号が1になるごとに、Ma の値を合計計算し、スキャンによってその他のチャンネル番号と判断した場合は、Ma の合計計算は行わない。チャンネル2、3と4においても同様な処理が行われ、結果的には、4チャンネルマルチポイントFCS汎用検索方式の平均値の計算は、一つのMτに対して、測定したすべてのデータMmax を合計4回それぞれスキャンする。つまり、p個のMτに対しては、それぞれMmax 個のデータをp×4回スキャンして結果を得る。
Only the part corresponding to. In order to extract this part, all the data M max (see FIG. 4) measured in the same manner are sequentially scanned to determine the channel number. In other words, while sequentially scanning all data M max, each time a channel number is 1, the value of M a total calculated, if it is determined that the other channel numbers by the scan, the total calculation of M a is performed Absent. The same processing is performed for
次に、FCS計算の第3の部分として、自己相関関数計算用有効データ数Mc の統計計算を、以下の式(2−3)を用いて行う(ステップS7)。この部分は、自己相関関数の計算に必要なデータ数を統計する部分である。
チャンネル1については、実際の計算に用いる有効データは、図4において、
に相当する部分だけである。自己相関計算は
個のデータをそれぞれMτ個ずつずらして掛け算をした結果を合計する。Mc の値は自己相関計算に用いるデータの数である。Mc において、掛け算に用いる元のデータD[i]と、MτだけずらしたデータD[i+Mτ]は同一チャンネルのデータでなければならない。 The results obtained by multiplying each piece of data by M τ are summed. The value of M c is the number of data used for autocorrelation calculation. In M c, the original data D [i] used in the multiplication, M tau shifted by data D [i + M τ] must be the data of the same channel.
しかし、この部分を抽出するために、まず、測定したすべてのデータMmax (図4参照)を逐次スキャンしてチャンネル番号を判別する。つまり、チャンネル1においては、すべてのデータMmax を逐次スキャンしながら、D[i]と、D[i+Mτ]のチャンネル番号が1になるごとに、Mc の値を+1計算し、スキャンによってD[i]と、D[i+Mτ]とのいずれかがその他のチャンネル番号と判断した場合は、Mc の統計計算は行わない。チャンネル2、3と4においても同様な処理が行われ、結果的には、4チャンネルマルチポイントFCS汎用検索方式の自己相関関数計算用有効データMc の統計計算は、一つのMτに対して、測定したすべてのデータMmax を合計4回スキャンする。つまり、p個のMτに対しては、それぞれMmax 個のデータをp×4回スキャンして結果を得る。
However, in order to extract this portion, first, all the measured data M max (see FIG. 4) are sequentially scanned to determine the channel number. That is, in
次に、FCS計算の第4の部分として、自己相関関数を、以下の式(2−4)を用いて計算する(ステップS8)。
上記のステップS7でのMc の計算と同様に、チャンネル1については、実際の計算に用いる有効データは、図4において、
に相当する部分だけである。自己相関計算は、
個のデータをそれぞれMτ個ずつずらして掛け算をした結果を合計する。同様に、掛け算に用いる元のデータD[i]と、MτだけずらしたデータD[i+Mτ]は同一チャンネルのデータでなければならない。しかし、この部分を抽出するために、まず、測定したすべてのデータMmax (図4参照)を逐次スキャンしてチャンネル番号を判別する。 The results obtained by multiplying each piece of data by M τ are summed. Similarly, the original data D [i] used in the multiplication, M tau shifted by data D [i + M τ] must be the data of the same channel. However, in order to extract this portion, first, all the measured data M max (see FIG. 4) are sequentially scanned to determine the channel number.
つまり、チャンネル1においては、すべてのデータMmax を逐次スキャンしながら、D[i]と、D[i+Mτ]のチャンネル番号が1になるごとに、D[i]と、D[i+Mτ]の掛け算をし、合計計算をする。
That is, in the
スキャンによってD[i]と、D[i+Mτ]とのいずれかがその他のチャンネル番号と判断した場合は、相関計算(掛け算と合計計算)は行わない。 When one of D [i] and D [i + M τ ] is determined to be another channel number by scanning, correlation calculation (multiplication and total calculation) is not performed.
チャンネル2、3と4においても同様な処理が行われ、結果的には、4チャンネルマルチポイントFCS汎用検索方式の自己相関関数の計算は、一つのMτに対して、測定したすべてのデータ を合計4回それぞれスキャンする。つまり、p個のMτに対しては、それぞれMmax 個のデータをp×4回スキャンして結果を得る。
The same processing is performed for
次に、FCS計算の第5の部分として、ステップS5〜S8により得られた結果を以下の式(2−5)に代入して、総合計算(最終結果)を求める(ステップS9)。
ステップS5での平均値計算用有効データ数Ma の統計計算、ステップS6での平均値計算、ステップS7での自己相関関数計算用有効データ数Mc の統計計算およびステップS8の自己相関関数計算において、いずれも一つのMτに対して、測定したすべてのデータMmax を合計4回それぞれスキャンする。つまり、p個のMτに対しては、合計Mmax 個の全測定データをp×4×4回スキャンして結果を得る。 Statistical calculation of the average value calculation valid data number M a in step S5, the average value calculated in step S6, statistical calculations and the autocorrelation function calculation in step S8 in the valid data number M c for the auto-correlation function calculated in step S7 In each case, all the measured data M max are scanned a total of four times for one M τ . That is, for p Mτ , a total of Mmax total measurement data is scanned p × 4 × 4 times to obtain a result.
具体的には、ビンタイムを12.5 μsecに設定して10sec測定したデータを扱う場合は、計算用測定データの総数は7.3×105 個以上に及ぶ。 Specifically, when handling data measured for 10 seconds with a bin time set to 12.5 μsec, the total number of measurement data for calculation reaches 7.3 × 10 5 or more.
4チャンネルのマルチポイントFCSの場合は、一つのMτに対して、測定したすべてのデータ7.3×105 を合計4×4回スキャンし、p個のMτに対しては、7.3×105 個のデータをp×4×4回スキャンして結果を得る。
4 For multipoint FCS channels for one M tau, all data 7.3 × 10 5 as measured by scanning a total of 4 × 4 times, for p number of
なお、上記の演算は、チャンネル番号CH_NOを1インクリメント(ステップS10)しながら行われるが、CH_NO=4になったときに(ステップS11)、FCS演算を終了する(ステップS12)。 The above calculation is performed while incrementing the channel number CH_NO by 1 (step S10), but when CH_NO = 4 (step S11), the FCS calculation ends (step S12).
(第2実施形態)
図5は、テーブル検索方式によるマルチポイントFCS演算の手順を説明するためのフローチャートである。まず、図1による構成により試料50についての測定データを取得する(ステップS21)。これにより、図6(A)に示すような時系列信号が得られる。次に、この時系列信号を時分割して多チャンネル化(ここではチャンネルch0〜ch4)する(ステップS22、図6(B))。図6(B)において、ch0〜ch4については、図3(B)を参照して説明したとおりである。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a flowchart for explaining the procedure of multipoint FCS calculation by the table search method. First, the measurement data about the sample 50 is acquired by the configuration according to FIG. 1 (step S21). Thereby, a time series signal as shown in FIG. 6A is obtained. Next, this time-series signal is time-divided into multi-channels (here, channels ch0 to ch4) (step S22, FIG. 6B). In FIG. 6B, ch0 to ch4 are as described with reference to FIG.
次に、多チャンネル化した時系列信号(図7)をもとにして、チャンネル位置情報テーブルを作成する(ステップS22−1)。図7における各パラメータの内容は図8に示すとおりである。 Next, a channel position information table is created based on the multi-channel time-series signal (FIG. 7) (step S22-1). The contents of each parameter in FIG. 7 are as shown in FIG.
ここでのチャンネル位置情報テーブルは、チャンネル分割後、データファイルの一回限りのスキャンにより作成できる。まず、図9に示すような位置情報変換テーブルを作成し、この位置情報変換テーブルの各パラメータ(図7参照)を統計計算し、配列として格納すると、図10に示すような位置情報データテーブルになる。 The channel position information table here can be created by one-time scanning of the data file after dividing the channel. First, a position information conversion table as shown in FIG. 9 is created, and each parameter (see FIG. 7) of the position information conversion table is statistically calculated and stored as an array. Become.
次に、チャンネル番号CH_NOに初期値としての1を代入して計算を開始する(ステップS23、S24)。次に、FCS演算の第1の部分として、以下の式(2−6)を用いて、テーブル検索方式による平均値計算用の有効データ数Ma の統計計算を行う(ステップS25)。
チャンネル1については、式中の各変数は上記の位置情報データテーブル(図10)により読込み、
のデータだけを平均値計算に用いる。その他の
個のデータ、つまり、その他のチャンネルに相当する部分は飛ばして統計計算しない。ここでは、マルチポイントFCS汎用検索方式のような長い配列の測定データの逐次スキャンは必要としない。従って、計算時間の短縮が図れる。 The data corresponding to other channels, that is, portions corresponding to other channels are skipped and statistical calculation is not performed. Here, a sequential scan of measurement data having a long array as in the multipoint FCS general-purpose search method is not required. Therefore, calculation time can be shortened.
次に、FCS計算の第2の部分として、テーブル検索方式による平均値の計算を、以下の式(2−7)を用いて行う(ステップS26)。
チャンネル1においては、式中の各変数は上記の位置情報データテーブル(図10)により読込み、
個の測定値の合計を算出する。同時に、その他のチャンネルに相当するデータの部分、つまり、
個のデータは飛ばす。これにより、上記のステップS25と同様に計算時間を短縮することができる。 The data is skipped. Thereby, calculation time can be shortened similarly to said step S25.
次に、FCS計算の第3の部分として、自己相関関数計算用有効データ数Mc の統計計算を、以下の式(2−8)を用いて行う(ステップS27)。この部分は、自己相関関数の計算に必要なデータ数を統計する部分である。
チャンネル1において、式中の各変数は上記の位置情報データテーブル(図10)により読込む。チャンネル1において、自己相関関数の計算は
個のデータをそれぞれMτ個ずつずらして掛け算をした結果を合計する。Mc の値は自己相関計算に用いるデータの数である。Mc において、掛け算に用いる元のデータD[i]とMτだけずらしたデータD[i+Mτ]は同一チャンネルのデータでなければならない。掛け算を行う際に、上記の位置情報データテーブル(図10)を随時に参照し、式(2−8)により、同一チャンネルのデータ
個だけをMc として統計する。そして、その他のチャンネルに相当する部分の
個のデータは飛ばす。つまり、一つのMτに対して、その他のチャンネルに相当する
個のデータを飛ばし、p個のMτに対しては、同じくその他のチャンネルに相当する
個のデータを飛ばすことになる。従って、Mτの数が多いほど計算時間の短縮効果が図れる。 Data will be skipped. Therefore, it can be shortened effect of computation time as the number of M tau often.
次に、FCS計算の第4の部分として、自己相関関数を、以下の式(2−9)を用いて計算する(ステップS28)。自己相関関数の計算は、Mc の統計計算時と類似している。
式中の各変数は上記の位置情報データテーブル(図10)により読込む。チャンネル1において、自己相関関数の計算は
個のデータをそれぞれMτ個ずつずらして掛け算をした結果を合計する。同様に掛け算に用いる元のデータD[i]とMτだけずらしたデータD[i+Mτ]は同一チャンネルのデータでなければならない。 The results obtained by multiplying each piece of data by M τ are summed. Similarly original data D used for the multiplication [i] and only M tau shifting data D [i + M τ] must be the data of the same channel.
チャンネル1においては、位置情報テーブル(図10)の参照により、式(2−9)のように、同一チャンネルのデータ
個だけを計算に取り扱い、その他のチャンネルに相当する
個のデータは飛ばすことが可能である。 Individual data can be skipped.
つまり、一つのMτに対して、その他のチャンネルに相当する
個のデータを飛ばし、最も計算時間を要する掛け算の回数を減らすことができる。 It is possible to skip the number of pieces of data and reduce the number of multiplications that require the most calculation time.
FCS演算では、Mτの数が多いほどカーブフィッティングの誤差が小さい。すなわち、データの密度が高くなるためにカーブフィッティングの精度があがる。しかし、Mτを増やすことで、ステップS25〜S28の計算を繰り返し行うことになる。 In the FCS computation, the error number is enough to curve fitting many of M τ is small. That is, the accuracy of curve fitting increases because the data density increases. However, by increasing the M tau, thereby repeating the calculation of steps S25 to S28.
従って、すべてのデータを計算に用いるのは計算時間の増加につながる。その他のチャンネルデータの部分を飛ばすのは演算スピードのアップに非常に有効である。つまり、一つのMτに対して、その他のチャンネルに相当する
個のデータを飛ばすことは、p個のMτに対しては、
個のその他のチャンネルデータを飛ばすことになり、Mτの数が多いほど計算時間の短縮が図れる。 Will be to skip the other channel data of the individual, it can be shortened calculation time as the number of M τ.
次に、FCS計算の第5の部分として、ステップS25〜S28により得られた結果を以下の式(2−10)に代入して、総合計算(最終結果)を求める(ステップS29)。
ステップS25での平均値計算用有効データ数Ma の統計計算、ステップS26での平均値計算、ステップS27での自己相関関数計算用有効データ数Mc の統計計算およびステップS28の自己相関関数計算において、チャンネル1において、いずれも一つのMτに対して、その他のチャンネルに相当する
個のデータは飛ばすことになり、p個のMτに対しては、
個のその他のチャンネルのデータを飛ばすことになる。 The data of other channels will be skipped.
具体的には、10 sec測定したデータを扱う場合は、ビンタイムを12.5μsecに設定すると、計算用の測定データの総数は7.3×105 個以上に及ぶ。 Specifically, when handling data measured for 10 seconds, if the bin time is set to 12.5 μsec, the total number of measurement data for calculation reaches 7.3 × 10 5 or more.
4チャンネルのマルチポイントFCSの場合は、p個のMτに対しても、測定したすべてのデータ7.3×105 を一回限りのスキャンで位置情報テーブル(図10)を作成することで済む。7.3×105個のすべての測定データを繰り返しp×4×4回スキャンする汎用検索方式に比べ、計算速度は少なくともp×4×4倍速くなる。 In the case of a 4-channel multipoint FCS, a position information table (FIG. 10) can be created by scanning only all measured data 7.3 × 10 5 even for p M τ . That's it. The calculation speed is at least p × 4 × 4 times faster than the general-purpose search method in which all 7.3 × 10 5 measurement data are repeatedly scanned p × 4 × 4 times.
図11は、FCS演算の結果を示すFCSグラフである。 FIG. 11 is an FCS graph showing the result of the FCS calculation.
(第3実施形態)
図12は、2つの測定データを用いたFCCS演算の手順を説明するためのフローチャートである。まず、図1による構成により試料50について2つの測定データを取得する(ステップS41)。これにより、図13(A)、(B)に示すような時系列信号が得られる。次に、この時系列信号を時分割して多チャンネル化(ここではチャンネルch0〜ch4)する(ステップS42、図14(A)、(B))。図14(A)、(B)において、ch0は、レーザ光をXY走査する手段としてのガルバノスキャナの移動時のランダム測定データ範囲である。ch1は、測定ポイント1の測定データ範囲である。ch2は、測定ポイント2の測定データ範囲である。ch3は、測定ポイント3の測定データ範囲である。ch4は、測定ポイント4の測定データ範囲である。
(Third embodiment)
FIG. 12 is a flowchart for explaining the procedure of the FCCS calculation using two measurement data. First, two measurement data are acquired about the sample 50 by the structure by FIG. 1 (step S41). Thereby, a time series signal as shown in FIGS. 13A and 13B is obtained. Next, this time-series signal is time-divided into multi-channels (here, channels ch0 to ch4) (step S42, FIGS. 14A and 14B). 14A and 14B, ch0 is a random measurement data range during movement of the galvano scanner as means for XY scanning laser light. ch1 is the measurement data range of
次に、チャンネル番号CH_NOに初期値としての1を代入して計算を開始する(ステップS43、S44)。次に、FCCS演算の第1の部分として、以下の式(3−1)を用いて、汎用検索方式による平均値計算用の有効データ数Ma の統計計算を行う(ステップS45)。
ここでは、二つの測定データにおいて、それぞれ以下の方法で各自の平均値計算用有効データ数MAaとMBaを計算する部分である。ここではMAaの計算を例として説明する。 Here, it is a part which calculates the number of effective data M Aa and M Ba for each average value by the following method in the two measurement data. Here, calculation of M Aa will be described as an example.
まず、単純にすべての測定データをスキャンして、チャンネル1については、チャンネルデータが1の場合のみについて、+1の統計計算を行う。
First, all the measurement data is simply scanned, and for
平均値計算用有効データ数MAaの統計計算は、式(3−1)により行われる。チャンネル1については、実際の計算に用いる有効データは、図14(A)において、
に相当する部分だけである。この部分を抽出するために、測定したすべてのデータMA max (図14(A)参照)を逐次スキャンしてチャンネル番号を判断する。つまり、チャンネル1においては、すべてのデータMA max を逐次スキャンしながら、チャンネル番号が1になるごとに、MA a の値を+1して統計計算し、スキャンによってその他のチャンネル番号と判断した場合は、MA a の統計計算は行わない。
Only the part corresponding to. In order to extract this portion, all the measured data M A max (see FIG. 14A) are sequentially scanned to determine the channel number. In other words, in
チャンネル2、3と4においても同様な処理が行われ、結果的には、4チャンネルマルチポイントFCCS汎用検索方式の平均値計算用有効データ数MA a の統計計算は、一つのMτ(相関計算時の遅延時間)に対して、測定したすべてのデータMA max を合計4回スキャンする。つまり、p(相関計算時遅延時間の総数)個のMτに対しては、それぞれMA max個のデータをp×4回スキャンして結果を得る。
The same processing is performed for
次に、FCCS計算の第2の部分として、二つの測定データの平均値を計算する。測定データAにおいて、計算は、以下の式(3−2)を用いて行う(ステップS46)。
チャンネル1については、実際の計算に用いる有効データは、図15、図16において、
に相当する部分だけである。この部分を抽出するために、同じく測定したすべてのデータMmax (図15、図16参照)を逐次スキャンしてチャンネル番号を判断することになる。つまり、チャンネル1においては、すべてのデータMA max を逐次スキャンしながら、チャンネル番号が1になるごとに、MA aの値を合計計算し、スキャンによってその他のチャンネル番号と判断した場合は、MA aの合計計算は行わない。チャンネル2、3と4においても同様な処理が行われ、結果的には、4チャンネルマルチポイントFCCS汎用検索方式の平均値の計算は、一つのMτに対して、測定したすべてのデータMA maxを合計4回それぞれスキャンする。つまり、p個のMτに対しては、それぞれMA max個のデータをp×4回スキャンして結果を得る。
Only the part corresponding to. In order to extract this portion, all the data M max (see FIGS. 15 and 16) measured in the same manner are sequentially scanned to determine the channel number. That is, in
次に、FCCS計算の第3の部分として、相互相関関数計算用有効データ数Mc の統計計算を、以下の式(3−3)を用いて行う(ステップS47)。この部分は、相互相関関数の計算に必要なデータ数を統計する部分である。
チャンネル1については、実際の計算に用いる有効データは、図15、図16において、
に相当する部分だけである。相互相関計算は
個のデータをそれぞれMτ個ずつずらして掛け算をした結果を合計する。MABcの値は相互相関計算に用いるデータの数である。MABcにおいて、掛け算に用いる元のデータDA [i]と、MτだけずらしたデータDB [i+Mτ]は同一チャンネルのデータでなければならない。 The results obtained by multiplying each piece of data by M τ are summed. The value of M ABc is the number of data used for cross-correlation calculation. In M ABc, the original data D A [i] to be used for multiplication, M tau shifted by data D B [i + M τ] must be the data of the same channel.
この部分の抽出は、測定したすべてのデータを逐次スキャンしてチャンネル番号を判別する。つまり、チャンネル1においては、すべてのDA [i]と、DB [i+Mτ]のチャンネル番号が1になるごとに、Mc の値を+1計算し、スキャンによってDA [i]と、DB [i+Mτ]とのいずれかがその他のチャンネル番号と判断した場合は、MAbc の統計計算は行わない。
In this part extraction, all measured data are sequentially scanned to determine the channel number. That is, in
チャンネル2、3と4においても同様な処理が行われ、結果的には、4チャンネルマルチポイントFCCS汎用検索方式の相互相関関数計算用有効データMABc の統計計算は、一つのMτに対して、測定したすべてのデータMAmax(MBmax)を合計4回スキャンする。つまり、p個のMτに対しては、それぞれMmax (MBmax )個のデータをp×4回スキャンして結果を得る。
The same processing is performed for
次に、FCCS計算の第4の部分として、相互相関関数を、以下の式(3−4)を用いて計算する(ステップS48)。
上記のステップS47でのMAbc の計算と同様に、チャンネル1については、実際の計算に用いる有効データは、図15、図16において、
に相当する部分だけである。相互相関計算は、
個のデータをそれぞれMτ個ずつずらして掛け算をした結果を合計する。同様に、掛け算に用いる元のデータDA [i]と、MτだけずらしたデータDB [i+Mτ]は同一チャンネルのデータでなければならない。 The results obtained by multiplying each piece of data by M τ are summed. Similarly, the original data D A [i] to be used for multiplication, M tau shifted by data D B [i + M τ] must be the data of the same channel.
この部分の抽出は、まず、測定したすべてのデータMAmax (MBmax)(図15参照)を逐次スキャンしてチャンネル番号を判別する。 To extract this portion, first, all the measured data M Amax (M Bmax ) (see FIG. 15) are sequentially scanned to determine the channel number.
つまり、チャンネル1においては、すべてのデータMAmax を逐次スキャンしながら、DA [i]と、DB [i+Mτ]のチャンネル番号が1になるごとに、DA [i]と、DB [i+Mτ]の掛け算をし、合計計算をする。
That is, in the
スキャンによってDA [i]と、DB [i+Mτ]とのいずれかがその他のチャンネル番号と判断した場合は、相関計算(掛け算と合計計算)は行わない。 When it is determined by scanning that either D A [i] or D B [i + M τ ] is another channel number, correlation calculation (multiplication and total calculation) is not performed.
チャンネル2、3と4においても同様な処理が行われ、結果的には、4チャンネルマルチポイントFCCS汎用検索方式の相互相関関数の計算は、一つのMτに対して、測定したすべてのデータMAmax (MBmax ) を合計4回それぞれスキャンする。つまり、p個のMτに対しては、それぞれMAmax(MBmax)個のデータをp×4回スキャンして結果を得る。
Similar processing is also in the
次に、FCCS計算の第5の部分として、ステップS45〜S48により得られた結果を以下の式(3−5)に代入して、総合計算(最終結果)を求める(ステップS49)。
ステップS45での平均値計算用有効データ数Ma の統計計算、ステップS46での平均値計算、ステップS47での相互相関関数計算用有効データ数Mc の統計計算およびステップS48での相互相関関数計算結果を式(3−5)に代入して、総合計算(最終結果)を求める。 Average statistical calculation of calculation valid data number M a in step S45, the average value calculation, the cross-correlation function of the statistical calculation and step S48 of the cross-correlation function calculation valid data number M c in step S47 in step S46 Substituting the calculation result into Expression (3-5), the total calculation (final result) is obtained.
上記した実施形態によれば、マルチポイントFCS、FCCSのデータ解析において、同時に複数測定点の自己相関関数、相互相関関数の推定を行い、複数点についての測定の順序を自由に組み合わせ、細胞の反応、たんぱく質間の相互作用などを解析することができる。特に、シングルポイントFCS、FCCSと比較する場合、マルチポイントFCS、FCCSの場合は、同時に複数のポイント点を観察することができ、生体の細胞内外の多様な反応を捉えることができる。 According to the embodiment described above, in multi-point FCS and FCCS data analysis, autocorrelation functions and cross-correlation functions at a plurality of measurement points are estimated at the same time, and the order of measurement at a plurality of points is freely combined, and the cell response The interaction between proteins can be analyzed. In particular, when compared with single point FCS and FCCS, in the case of multipoint FCS and FCCS, a plurality of point points can be observed at the same time, and various reactions inside and outside the living cells can be captured.
また、テーブル検索方式マルチポイントFCS、FCCSを採用することにより、汎用検索方式によるチャンネル位置判断のためのすべてのデータの繰り返しスキャンを避け、一回のみのスキャンで各測定点におけるすべてのデータを取得することが可能になる。自己相関、相互相関計算の各段階でこのチャンネル位置情報テーブルを参照するだけで、計算対象以外のチャンネルのデータを飛ばし、必要最小限のデータだけを計算に取り込むことで、計算時間の短縮が図れ、複数測定点をリアルタイムに測定、観察することができる。特に、測定点(チャンネル数)の数が増えるほど、読み飛ばすデータの量は増え、計算時間の短縮が著しく図れる。 In addition, by adopting table search method multipoint FCS and FCCS, it avoids repeated scanning of all data for channel position judgment by general search method, and acquires all data at each measurement point with only one scan. It becomes possible to do. By simply referring to this channel position information table at each stage of autocorrelation and cross-correlation calculation, the data of channels other than the calculation target can be skipped, and only the minimum necessary data can be taken into the calculation, thereby shortening the calculation time. Multiple measurement points can be measured and observed in real time. In particular, as the number of measurement points (number of channels) increases, the amount of data skipped increases, and the calculation time can be significantly shortened.
さらに、従来の単一点での自己相関関数、相互相関関数を推定する方法と同様な原理で構成された測定装置で、複数測定点について短時間交替測定し、逐次測定データの解析を行うことで、単一の測定点でありながら、ほぼリアルタイムで標本内の複数の測定点について、分子挙動、反応などを捉えることができる。すなわち、測定する点を順次細胞内外で移動し、得られた測定データを各測定点ごとに一連の時系列データに時分割し、時分割された測定データごとに自己相関関数、相互相関関数を推定し、ほぼ同時に複数の測定点での自己相関関数、相互相関関数の値を推定することができる。 Furthermore, with a measuring device configured based on the same principle as the conventional method of estimating the autocorrelation function and cross-correlation function at a single point, it is possible to perform alternating measurement at multiple measurement points for a short time and analyze the sequential measurement data. Although it is a single measurement point, it is possible to capture molecular behavior, reaction, etc. at a plurality of measurement points in the specimen in real time. In other words, the points to be measured are sequentially moved inside and outside the cell, and the obtained measurement data is time-divided into a series of time-series data for each measurement point, and autocorrelation functions and cross-correlation functions are set for each time-division measurement data. The values of the autocorrelation function and the cross-correlation function at a plurality of measurement points can be estimated almost simultaneously.
さらにまた本発明により、得られた時系列信号から光強度分布解析を行うこともできる。これにより異なる蛍光分子の結合状態や密度分布を求めることができる。 Furthermore, according to the present invention, light intensity distribution analysis can be performed from the obtained time series signal. As a result, the binding state and density distribution of different fluorescent molecules can be obtained.
10…レーザ走査型共焦点光学顕微鏡本体、11…CCDカメラ、12…試料ステージ、13…試料ステージコントローラ、14…コンピュータ(PC)、15…TVモニタ、16…レーザ光源。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記光検出器より出力される時系列信号を複数の時系列信号に時間分割する時分割ステップと、
前記時間分割された時系列信号毎に信号解析を行い、前記測定点の物理的性質を求める解析ステップと、
を具備することを特徴とする光信号解析方法。 A detection step of detecting light emitted from a measurement point designated with respect to the sample by a photodetector;
A time division step of time-dividing the time-series signal output from the photodetector into a plurality of time-series signals;
Analyzing the time-divided time series signal for each time series, and analyzing the physical properties of the measurement points;
An optical signal analysis method comprising:
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2004-05-27 JP JP2004157934A patent/JP2005337920A/en active Pending
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