JP2006333710A - Automatic system for judging quality of cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、細胞の良否を自動的に判定するシステムに関するものである。 The present invention relates to a system for automatically determining the quality of a cell.
従来の細胞培養装置は、細胞の画像から培養状態の良否を判断する自動画像解析機能を持っていない。したがって、実験者が自分自身で培養装置から培養容器を取出し、別に設置された顕微鏡を利用して細胞の発育状態を観察する必要があった。 The conventional cell culture apparatus does not have an automatic image analysis function for judging the quality of the culture state from the cell image. Therefore, it was necessary for the experimenter to take out the culture vessel from the culture apparatus by himself and observe the growth state of the cells using a separately installed microscope.
さらに、細胞を培養する際には、世代を経るに従い、培養細胞の特性が変化して行く場合(亜種が発生する場合)があり、亜種を増殖させてしまうということが注意点として知られている。これを防止するために細胞培養実験者は、自らの使用している細胞がその細胞の基本となる特性を失っていないか、形状を保っているかなどを、過去の文献で調べたり、細胞の購入先(細胞バンクなど)に問い合わせ、細胞の変化に注意しなければならなかった。また、それを防ぐために細胞バンクなどから入手した細胞をすぐに増殖しそれらを早い段階で冷凍保存し、数ヶ月ごとに新しい細胞を溶解・培養し、比較確認する必要があった。 In addition, when cultivating cells, it is known that the characteristics of the cultured cells may change as the generation progresses (when subspecies are generated), causing the subspecies to proliferate. It has been. In order to prevent this, cell culture experimenters have examined past cells to determine whether the cells they are using have lost their basic characteristics or have maintained their shape. I had to contact the supplier (cell bank, etc.) and pay attention to cell changes. In addition, in order to prevent this, it was necessary to immediately proliferate cells obtained from cell banks and the like, store them in a frozen state at an early stage, lyse and culture new cells every few months, and compare and confirm them.
近年、バイオテクノロジーの研究分野が多岐にわたるため、専門分野の教育に多くの時間が取られ、細胞培養に関する教育がおざなりにされており、培養細胞の良否を的確に判断できない研究者が増加している。又、大量の細胞や、多種類の細胞を培養している場合、個々の細胞の良否判定を実験者が実施するのに、多くの時間がさかれてしまう。また、判断基準が不明確であるため、実験者ごとに、培養細胞の品質にばらつきが発生し、培養細胞を用いた実験の再現性が問題となっている。 In recent years, biotechnology research fields have been diversified, so a lot of time has been spent in education in specialized fields, and there has been a lot of research on cell culture, and the number of researchers who cannot accurately judge the quality of cultured cells has increased. Yes. In addition, when a large number of cells or many types of cells are cultured, it takes a lot of time for the experimenter to determine the quality of each cell. In addition, since the criteria for determination are unclear, the quality of cultured cells varies for each experimenter, and the reproducibility of experiments using cultured cells is a problem.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、細胞の良否判定を自動化することを実現可能な細胞の自動良否判定システムを提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, and makes it a subject to provide the automatic quality determination system of the cell which can implement | achieve automation of the quality determination of a cell.
前記課題を解決するための第1の手段は、撮像された細胞の画像の特徴を抽出する複数の特徴抽出手段と、
抽出された特徴又は、複数の特徴の組合せから、前記細胞の良否を判定する複数の良否判定手段と、
前記細胞の種類に応じて使用する、前記特徴抽出手段及び前記良否判定手段の組み合わせを解析レシピとして記憶する解析レシピ記憶手段と、
前記解析レシピ記憶手段から前記細胞の種類に対応する前記解析レシピを選択し、その解析レシピに記憶された前記特徴抽出手段を駆動して、細胞の特徴を抽出させ、続いて、その解析レシピに記憶された良否判定手段を駆動して、細胞の良否を判断させる解析手段
とを有することを特徴とする細胞の自動良否判定システムである。
The first means for solving the above-mentioned problem is a plurality of feature extraction means for extracting the features of the image of the captured cell,
A plurality of quality determination means for determining quality of the cell from the extracted features or a combination of a plurality of features;
An analysis recipe storage means for storing a combination of the feature extraction means and the pass / fail judgment means as an analysis recipe to be used according to the type of the cell;
The analysis recipe corresponding to the cell type is selected from the analysis recipe storage means, the feature extraction means stored in the analysis recipe is driven to extract the characteristics of the cell, and then the analysis recipe An automatic quality determination system for cells, comprising analysis means for driving the stored quality determination means to determine the quality of the cells.
前記課題を解決するための第2の手段は、撮像された細胞の画像の特徴を抽出する特徴抽出手段と、
抽出された特徴又は、複数の特徴の組合せから、前記細胞の良否を判定する複数の良否判定手段と、
前記細胞の種類に応じて、特徴抽出手段が抽出すべき特徴及び使用すべき前記良否判定手段の組み合わせを解析レシピとして記憶する解析レシピ記憶手段と、
前記解析レシピ記憶手段から前記細胞の種類に対応する前記解析レシピを選択し、その解析レシピに記憶された特徴抽出手段が抽出すべき特徴を前記特徴抽出手段に渡して、細胞の特徴を抽出させ、続いて、その解析レシピに記憶された良否判定手段を駆動して、細胞の良否を判断させる解析手段
とを有することを特徴とする細胞の自動良否判定システムである。
The second means for solving the above-mentioned problem is a feature extraction means for extracting the characteristics of the image of the imaged cell,
A plurality of quality determination means for determining quality of the cell from the extracted features or a combination of a plurality of features;
According to the type of the cell, an analysis recipe storage unit that stores a combination of the feature to be extracted by the feature extraction unit and the quality determination unit to be used as an analysis recipe;
The analysis recipe corresponding to the cell type is selected from the analysis recipe storage means, and the feature extraction means stored in the analysis recipe is passed to the feature extraction means to extract the features of the cells. Subsequently, an automatic quality determination system for cells, comprising: analysis means for driving the quality determination means stored in the analysis recipe to determine the quality of the cells.
前記課題を解決するための第3の手段は、前記第1の手段又は第2の手段であって、前記特徴が、生育状態、細胞の数、細胞のサイズ、細胞の外形の特徴、細胞間の接着性、隣接間結合性、核の数、核の形状、核の大きさ、核小体の数、核小体の大きさ、核小体の濃度、細胞質顆粒の量、細胞質顆粒の輝度、空胞の大きさ、空胞の数、細胞質突起の形状、占有面積、密集状況のうちいずれかであることを特徴とするものである。 A third means for solving the above-mentioned problem is the first means or the second means, wherein the characteristics are a growth state, the number of cells, a cell size, a feature of a cell outline, a cell-to-cell Adhesion, Adjacent Adhesion, Nucleus Number, Nucleus Shape, Nucleus Size, Nucleolus Number, Nucleolus Size, Nucleolus Concentration, Cytoplasmic Granule Amount, Cytoplasmic Granule Luminance The size of the vacuole, the number of vacuoles, the shape of the cytoplasm, the occupied area, and the crowded state.
本発明によれば、細胞の良否判定を自動化することを実現可能な細胞の自動良否判定システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the automatic quality determination system of the cell which can implement | achieve automation of the quality determination of a cell can be provided.
以下、本発明の実施の形態である細胞の自動良否判定システムを、図を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態の1例である細胞の自動良否判定システムの概要を示す図である。なお、以下の説明で「特徴量」という語を用いる。多くの場合特徴は量で表されるのでこのようにするが、これらの「特徴量」は、量で表さないもの(例えば有無のようなもの)を含む概念である。 Hereinafter, an automatic quality determination system for cells according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an overview of an automatic quality determination system for cells, which is an example of an embodiment of the present invention. In the following description, the term “feature amount” is used. In many cases, the feature is represented by a quantity, and thus, this is done. However, these “feature quantities” are concepts including those not represented by a quantity (for example, presence or absence).
自動良否判定システムを有する自動培養装置1は、解析プログラム12を有する。解析プログラム12は、撮像された細胞の画像から、その特徴(特徴量)を抽出するための画像処理プログラムである特徴量抽出プログラム13を駆動して、細胞の特徴を抽出する。続いて、抽出された特徴又は、複数の特徴の組合せから細胞の良否を判定する識別プログラム15を駆動して、細胞の良否を判定する。
An
撮像された細胞の画像から抽出すべき特徴量は、細胞の種類に応じて、生育状態(単独、コロニー形成、シート状)、細胞の数、細胞のサイズ、細胞の外形の特徴(球形、泡立ち形状、ぎざぎざ形状),細胞間の接着性、隣接間結合性,
核の数、核の形状,核の大きさ、核小体の数、核小体の大きさ、核小体の濃度、細胞質顆粒の量、細胞質顆粒の輝度,空胞の大きさ、空胞の数、細胞質突起の形状(数、長さ、太さ)、占有面積、密集状況等がある。
The amount of features to be extracted from the captured cell image depends on the cell type, growth state (single, colony formation, sheet-like), number of cells, cell size, and features of cell outline (spherical, foaming). Shape, jagged shape), adhesion between cells, connectivity between adjacent areas,
Number of nuclei, shape of nuclei, size of nuclei, number of nucleolus, size of nucleolus, concentration of nucleolus, amount of cytoplasmic granules, brightness of cytoplasmic granules, size of vacuoles, vacuoles Number, length of cytoplasm projections (number, length, thickness), occupied area, crowded state, etc.
これらの特徴は、既存の画像処理プログラムを適宜使用することにより抽出される。例えば、核の大きさは、ラプラシアンによる画像のエッジ抽出や、ヒストグラム特徴量によるテクスチャ解析で抽出できる。又、核の数は、例えば、フーリエ変換を実施すると、核の内外で高周波成分のスペクトル振幅に違いが生じるので、これにより核の領域を抽出し、核の数を決定することができる。 These features are extracted by appropriately using existing image processing programs. For example, the size of the nucleus can be extracted by image edge extraction by Laplacian or texture analysis by histogram feature amount. For example, if the Fourier transform is performed on the number of nuclei, a difference occurs in the spectrum amplitude of the high-frequency component inside and outside the nuclei. Thus, the number of nuclei can be determined by extracting the region of the nuclei.
また、細胞質突起は、位相差光学系で観察すると、細胞質突起の部分が黒く浮き上がって観察される。従って、バックグラウンドの階調付近で2値化した後に、ごま塩ノイズの除去を実施すると、細胞質突起の部分のみを抽出することができる。その直線部分の長さの平均値を求めると、「細胞質突起の平均長」が計測できる。 In addition, when the cytoplasmic projection is observed with a phase difference optical system, the cytoplasmic projection portion is observed to be blackened. Therefore, if binarization is performed in the vicinity of the background gradation and then the sesame salt noise is removed, only the cytoplasmic protrusions can be extracted. When the average value of the lengths of the straight line portions is obtained, the “average length of cytoplasmic projections” can be measured.
また、ブライトコントラストの位相差光学系で観察すると、細胞とバックグラウンドの階調を分けることが可能になる。したがって、予め計測しておいたバックグラウンドの閾値で2値化した後に、ごま塩ノイズの除去を実施すると、細胞の輪郭を抽出できる。連結画像について、「複雑度」を計算し、それがある閾値よりも大きいものを、死細胞として除去する。また、基準となる大きさより、明らかに大きい連結画像(例えば3倍〜4倍)は、複数の細胞の塊とみなして、画像骨格を抽出し、そこを起点に画像を分割し、それを個々の細胞画像とみなす。最後に、連結画像の面積を求めれば、細胞サイズを求めることができる。 When observed with a bright contrast phase difference optical system, it is possible to separate the gradation of cells and background. Therefore, the cell outline can be extracted by removing the sesame salt noise after binarization with the background threshold value measured in advance. For the connected images, “complexity” is calculated, and those larger than a certain threshold are removed as dead cells. In addition, connected images that are clearly larger than the standard size (for example, 3 to 4 times) are regarded as a mass of multiple cells, and an image skeleton is extracted. Cell image. Finally, if the area of the connected image is obtained, the cell size can be obtained.
この実施の形態においては、これらの特徴ごとに、特徴量抽出プログラム13が用意されており、どの特徴量抽出プログラム13を使用するかが、レシピデータベース11内に格納された解析レシピ14に記憶されている。解析レシピ14は、細胞ごとに作成されている。すなわち、全ての細胞について、これらの全ての特徴を抽出する必要はなく、細胞の種類に応じて、良否判定に必要な特徴だけを抽出すればよい。解析レシピ14には、良否判定に必要な特徴量を抽出するための特徴量抽出プログラム13のみが記憶されている。 In this embodiment, a feature quantity extraction program 13 is prepared for each of these features, and which feature quantity extraction program 13 is used is stored in the analysis recipe 14 stored in the recipe database 11. ing. The analysis recipe 14 is created for each cell. That is, it is not necessary to extract all these features for all the cells, and only the features necessary for the pass / fail judgment need be extracted according to the cell type. The analysis recipe 14 stores only a feature quantity extraction program 13 for extracting feature quantities necessary for quality determination.
このようにすると、新しい細胞が判定の対象として追加されたり、良否判定の基準が新しくなった場合に、解析レシピ14を書き換えるだけで、抽出される特徴量を決定したり、更新したりすることができる。又、新しい特徴を抽出する必要が生じた場合には、特徴量抽出プログラム13を追加することにより対応することができる。 In this way, when a new cell is added as a determination target or when a criterion for pass / fail determination becomes new, the extracted feature amount is determined or updated only by rewriting the analysis recipe 14. Can do. Further, when it becomes necessary to extract a new feature, it can be dealt with by adding a feature amount extraction program 13.
このようにして、良否判定に必要な特徴(単独でよいこともあるが、多くの場合は複数の特徴の組合せである)が抽出されると、解析プログラム12は、解析レシピ14を参照して、そこに記憶されている識別プログラム15を起動する。識別プログラム15は、抽出された特徴又は、複数の特徴の組合せから、細胞の良否を判定するものであるが、通常、判定すべき細胞に対応して一つ定まるようになっている。但し、複数種の細胞に対して共通の識別プログラム15が使用できる場合も考えられる。この場合は、細胞ごとに識別プログラム15を作る必要が無く、それぞれの細胞に対する解析レシピ14に、共通の識別プログラム15を使用することが記憶されるだけである。 When the features necessary for the pass / fail judgment are extracted in this way (there may be a single feature, but in many cases, a combination of a plurality of features), the analysis program 12 refers to the analysis recipe 14. Then, the identification program 15 stored therein is started. The identification program 15 is for determining the quality of a cell from the extracted feature or a combination of a plurality of features, but usually one is determined corresponding to the cell to be determined. However, there may be a case where a common identification program 15 can be used for a plurality of types of cells. In this case, it is not necessary to create the identification program 15 for each cell, and only the use of the common identification program 15 is stored in the analysis recipe 14 for each cell.
識別プログラム15は、多変量解析などの統計解析手段や、ニューラルネットワークなどパターン認識アルゴリズムを用いて、その細胞の良否を判定する。 The identification program 15 determines the quality of the cell using a statistical analysis means such as multivariate analysis or a pattern recognition algorithm such as a neural network.
図2は、以上説明した細胞の自動良否判定システムの動作をまとめたフローチャートである。まず、ステップS1において細胞の種類を手動入力する。すると、自動良否判定システムは、ステップS2で細胞の種類に対応する解析レシピ14を選択する。そして、ステップS3で、解析レシピ中に記憶されている特徴量を一つ選択する。そして、ステップS4で、それに対応する特徴量抽出プログラム13を選択し、ステップS5で起動する。すると、特徴量抽出プログラム13は、特徴量を抽出して記録する(ステップS6)。ステップS7で、解析レシピ14に記憶されている特徴量を全て検出したかどうかを判断し、未検出のものがあればステップS3に戻る。 FIG. 2 is a flowchart summarizing the operation of the above-described cell automatic quality determination system. First, in step S1, the cell type is manually input. Then, the automatic quality determination system selects the analysis recipe 14 corresponding to the cell type in step S2. In step S3, one feature quantity stored in the analysis recipe is selected. In step S4, the feature quantity extraction program 13 corresponding to the selected program is selected and activated in step S5. Then, the feature quantity extraction program 13 extracts and records the feature quantity (step S6). In step S7, it is determined whether or not all the feature values stored in the analysis recipe 14 have been detected. If there are undetected ones, the process returns to step S3.
解析レシピ14に記憶されている全ての特徴量が抽出された場合、ステップS8に移行して、解析レシピ14に記憶されている識別プログラム15を選択し、ステップS9において起動する。すると、識別プログラム15の作用により、細胞の良否が判定される(ステップS10)。 When all the feature values stored in the analysis recipe 14 are extracted, the process proceeds to step S8, the identification program 15 stored in the analysis recipe 14 is selected, and activated in step S9. Then, the quality of the cell is determined by the action of the identification program 15 (step S10).
なお、以上の実施の形態においては、特徴量抽出プログラム13を、抽出すべき特徴量に対応させて作成していたが、特徴量抽出プログラム13を一つとして、全ての特徴量を抽出可能なようにしておき、その中で解析レシピ14に記憶されていなかった特徴量の抽出の処理をバイパスさせるようにしても、同じ効果が得られる。又、一つの特徴量抽出プログラム13が、複数のまとまった特徴量(例えば細胞の数と大きさ、空胞の数と大きさ)を同時に抽出するようにしてもよい。この場合には、解析レシピ14中に抽出されたもので実際に使用されるものを記憶しておき、特徴量抽出プログラム13にその情報を渡して、使用されない特徴量を良否判定に使用しないようにするか、対応する特徴量抽出プログラム13が、これらの情報を受け取らなかったり、使用しないようにしておくようにすればよい。また、同じ特徴量抽出プログラム13でも、内部での処理方法に複数の方法があり、それらを選択して使用するような場合には、同様に、解析レシピ14中にどの処理を使用するかを記憶しておいて、特徴量抽出プログラム13を起動する際に、その情報を識別プログラム15に渡すようにしてもよい。 In the above embodiment, the feature quantity extraction program 13 is created in correspondence with the feature quantity to be extracted. However, all feature quantities can be extracted by using the feature quantity extraction program 13 as one. In this way, the same effect can be obtained by bypassing the process of extracting feature amounts that are not stored in the analysis recipe 14. Further, one feature amount extraction program 13 may simultaneously extract a plurality of feature amounts (for example, the number and size of cells and the number and size of vacuoles). In this case, what is extracted in the analysis recipe 14 and actually used is stored, and the information is passed to the feature quantity extraction program 13 so that unused feature quantities are not used for quality determination. Alternatively, the corresponding feature amount extraction program 13 may not receive or use such information. Also, even in the same feature quantity extraction program 13, there are a plurality of internal processing methods, and when these are selected and used, similarly, which processing is used in the analysis recipe 14 is determined. The information may be stored and passed to the identification program 15 when the feature amount extraction program 13 is activated.
MK細胞(猿の腎臓の細胞)とPC12(ラット褐色細胞種由来の細胞)の、解析レシピ14に記憶される特徴量抽出用のレシピを表1に、起動する識別プログラム15を表2に示す。MKの場合、特徴量としては核の数、細胞のサイズ、空胞の数となっているが、核数と細胞のサイズは同じ特徴量抽出プログラム13であるプログラムAで抽出されるようになっている。空胞の数は、特徴量抽出プログラム13であるプログラムBで抽出される。そして、識別プログラム15としてはプログラムXが使用される。 Table 1 shows the recipe for extracting feature values stored in the analysis recipe 14 for the MK cells (monkey kidney cells) and PC12 (cells derived from rat brown cell types), and Table 2 shows the identification program 15 to be activated. . In the case of MK, the feature quantity is the number of nuclei, the size of the cell, and the number of vacuoles. However, the number of nuclei and the size of the cell are extracted by the program A which is the same feature quantity extraction program 13. ing. The number of vacuoles is extracted by the program B which is the feature quantity extraction program 13. The program X is used as the identification program 15.
PC12の場合、特徴量としては核の数、細胞のサイズ、細胞質突起の平均長、空胞の数となっているが、細胞質突起の平均長と空胞の数は同じ特徴量抽出プログラム13であるプログラムDで抽出されるようになっている。核の数は、特徴量抽出プログラム13であるプログラムEで抽出される。プログラムCは、検細胞のサイズを抽出する。そして、識別プログラム15としてはプログラムYが使用される。
(表1)
In the case of PC12, the feature quantity is the number of nuclei, the size of the cell, the average length of the cytoplasm, and the number of vacuoles. It is extracted by a certain program D. The number of nuclei is extracted by the program E which is the feature quantity extraction program 13. Program C extracts the size of the test cell. The program Y is used as the identification program 15.
(Table 1)
(表2) (Table 2)
識別プログラムは、抽出された特徴量に基づいて、表3、表4のような基準により、細胞の良否を判断する。
(表3)
The identification program determines the quality of the cell based on the extracted feature values according to the criteria shown in Tables 3 and 4.
(Table 3)
(表4) (Table 4)
1…自動培養装置、11…レシピデータベース、12…解析プログラム、13…特徴量抽出プログラム、14…解析レシピ、15…識別プログラム
DESCRIPTION OF
Claims (3)
抽出された特徴又は、複数の特徴の組合せから、前記細胞の良否を判定する複数の良否判定手段と、
前記細胞の種類に応じて使用する、前記特徴抽出手段及び前記良否判定手段の組み合わせを解析レシピとして記憶する解析レシピ記憶手段と、
前記解析レシピ記憶手段から前記細胞の種類に対応する前記解析レシピを選択し、その解析レシピに記憶された前記特徴抽出手段を駆動して、細胞の特徴を抽出させ、続いて、その解析レシピに記憶された良否判定手段を駆動して、細胞の良否を判断させる解析手段
とを有することを特徴とする細胞の自動良否判定システム。 A plurality of feature extraction means for extracting features of the imaged cell image;
A plurality of quality determination means for determining quality of the cell from the extracted features or a combination of a plurality of features;
An analysis recipe storage means for storing a combination of the feature extraction means and the pass / fail judgment means as an analysis recipe to be used according to the type of the cell;
The analysis recipe corresponding to the cell type is selected from the analysis recipe storage means, the feature extraction means stored in the analysis recipe is driven to extract the characteristics of the cell, and then the analysis recipe An automatic quality determination system for cells, comprising: an analysis means for driving the stored quality determination means to determine the quality of the cells.
抽出された特徴又は、複数の特徴の組合せから、前記細胞の良否を判定する複数の良否判定手段と、
前記細胞の種類に応じて、特徴抽出手段が抽出すべき特徴及び使用すべき前記良否判定手段の組み合わせを解析レシピとして記憶する解析レシピ記憶手段と、
前記解析レシピ記憶手段から前記細胞の種類に対応する前記解析レシピを選択し、その解析レシピに記憶された特徴抽出手段が抽出すべき特徴を前記特徴抽出手段に渡して、細胞の特徴を抽出させ、続いて、その解析レシピに記憶された良否判定手段を駆動して、細胞の良否を判断させる解析手段
とを有することを特徴とする細胞の自動良否判定システム。 Feature extraction means for extracting features of the image of the imaged cell;
A plurality of quality determination means for determining quality of the cell from the extracted features or a combination of a plurality of features;
According to the type of the cell, an analysis recipe storage unit that stores a combination of the feature to be extracted by the feature extraction unit and the quality determination unit to be used as an analysis recipe;
The analysis recipe corresponding to the cell type is selected from the analysis recipe storage means, and the feature extraction means stored in the analysis recipe is passed to the feature extraction means to extract the features of the cells. Then, an automatic quality determination system for cells, comprising: analysis means for driving quality determination means stored in the analysis recipe to determine the quality of cells.
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