JP2007129971A - 培養装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 培養容器を取り巻く環境状態の変化や培養装置の故障等に起因する異常を検出できる培養装置を提供する。
【解決手段】 所定の環境条件に調整された恒温室を備え、該恒温室内で培養容器の試料を培養する培養装置であって、搬送装置と、撮像部と、画像解析部と、を備える。搬送装置は、恒温室において培養容器を搬送する。撮像部は、恒温室内で培養容器の全体を撮影する。画像解析部は、撮像部で撮像された培養容器の全体観察画像に基づいて培養装置の動作状態または試料の培養環境状態を解析するとともに、該解析結果に応じて動作状態または培養環境状態の異常を通知する異常信号を出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所定の環境条件に調整された恒温室内で培養容器の試料を培養する培養装置に関する。

従来から、各種の微生物や細胞を培養するために恒温室を備えた培養装置が一般に用いられている。一般に培養装置の恒温室には、例えば、温度、湿度、二酸化炭素濃度などの環境条件を検出するセンサと、上記の各パラメータを調整するための環境調整装置とが配置されており、恒温室の内部は所定の環境条件に調整されることとなる。
また、特許文献１には、撮影画像から細胞の面積や数を計測して試料の培養状態を判別し、培地交換などの処理を行う培養装置が開示されている。
特開２００４−１６１９４号公報

しかし、上記特許文献１の培養装置は、あくまで継代培養に伴う作業性の向上を目的とするものであって、培養容器内の試料の状態のみを解析対象とするにすぎない。したがって、上記特許文献１では、培養容器を取り巻く環境状態の変化や培養装置の故障等に起因する異常を検出できない点で問題があった。例えば、他の培養容器からの培地の飛散や培養装置の故障などがある場合は、試料の培養状態が時間経過とともに悪化する可能性が高まる。そのため、かかる異常を早期に検出できる手段が要望されていた。

本発明は上記従来技術の課題を解決するためのものであって、その目的は、培養容器を取り巻く環境状態の変化や培養装置の故障等に起因する異常を検出できる培養装置を提供することである。

第１の発明は、所定の環境条件に調整された恒温室を備え、該恒温室内で培養容器の試料を培養する培養装置であって、搬送装置と、撮像部と、画像解析部と、を備える。搬送装置は、恒温室において培養容器を搬送する。撮像部は、恒温室内で培養容器の全体を撮影する。画像解析部は、撮像部で撮像された培養容器の全体観察画像に基づいて培養装置の動作状態または試料の培養環境状態を解析するとともに、該解析結果に応じて動作状態または培養環境状態の異常を通知する異常信号を出力する。

第２の発明は、第１の発明において、画像解析部は、全体観察画像から抽出した培養容器の位置ズレに基づいて搬送装置の異常動作を検出し、該異常動作の検出時に異常信号を出力することを特徴とする。
第３の発明は、第１または第２の発明において、画像解析部は、培養容器内の透過光量の変化に基づいて培養容器内の結露を検出し、該結露検出時に異常信号を出力することを特徴とする。

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、画像解析部は、培養容器内の輝度および各色成分の比率に基づいて培養容器内の培地量を推定し、培地量の推定値が設定範囲から外れる場合に異常信号を出力することを特徴とする。
第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、画像解析部は、全体観察画像から培養容器外の色成分および輪郭の少なくとも一方を抽出して培地の飛散を検出し、培地の飛散がある場合に異常信号を出力することを特徴とする。

第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、画像解析部は、培養容器内の透過光量および色情報に基づいて培養容器内のカビの発生を検出し、カビの発生時に異常信号を出力することを特徴とする。
第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明において、搬送装置は、異常信号の入力時に全体観察画像に対応する培養容器を恒温室外に搬出することを特徴とする。

第８の発明は、第１から第６のいずれかの発明において、異常信号の入力時に培養装置の外部に警告動作を行う通知手段をさらに備えることを特徴とする。
第９の発明は、第１から第８のいずれかの発明において、異常信号の非出力時において、培養容器内の試料を顕微鏡観察した試料観察画像を所定時間ごとに撮影する顕微鏡ユニットと、試料観察画像を記録する記録部と、をさらに備えることを特徴とする。

本発明の培養装置では、培養容器を取り巻く環境状態の変化や培養装置の故障等に起因する異常を検出できる。

（本実施形態のインキュベータの構成）
以下、図面を参照しつつ本実施形態のインキュベータ（培養装置）を詳細に説明する。
インキュベータ１１は、試料の培養を行う第１筐体１２と、制御装置を構成する第２筐体１３とを有している。そして、第１筐体１２は第２筐体１３の上に配置された状態で使用される。

ここで、図１０に試料の培養を行う培養容器１４の構成を示す。本実施形態の培養容器１４としては、ウェルプレート、フラスコ、ディッシュなどが用いられる。この培養容器１４には、フェノールレッドなどのｐＨ指示薬が入った液体培地とともに、培養対象の試料（細胞など）が収納される。
上記の培養容器１４は透明なトレー状のホルダー１５に載置されて取り扱われる。このホルダー１５の両側面にはそれぞれ支持片１６が外向きに形成されている。また、ホルダー１５には、培養容器の識別を行うための識別マーカー１７が付されている。この識別マーカー１７の例としては、例えば、ＱＲコード（登録商標）などの二次元コードや、バーコードなどが挙げられる。

次に、第１筐体１２の構成を図２から図４に基づいて説明する。第１筐体１２の内部には断熱材で覆われた恒温室２１が形成されている。この恒温室２１は、第１筐体１２の正面に形成された正面開口２２と、第１筐体の左側面に形成された搬出入口２３とによって外部と連絡している。第１筐体の正面開口２２は、一枚扉または観音開きの正面扉２４によって開閉可能に閉塞される。なお、図２から図４では、正面扉２４が観音開きの構成となっている例を示す。また、搬出入口２３は培養容器１４が通過可能な程度の大きさに設定されている。この搬出入口２３は、駆動機構２５によりスライドする自動扉２６で開閉可能に閉塞される。なお、自動扉２６は手動で開閉する扉で代替してもよい。さらに、第１筐体１２の底面には、正面からみて右寄りの位置に開口２７が形成されている。なお、後述の観察ユニット（３８）は、開口２７を介して恒温室２１内に配置される。

第１筐体１２の恒温室２１には、温度調整装置３１と、噴霧装置３２と、ガス導入部３３と、環境センサユニット３４とが内蔵されている。温度調整装置３１はペルチェ素子を備えており、ペルチェ素子の通電極性を反転させることでペルチェ効果による加熱または冷却を行う。なお、温度調整装置３１は、例えば、ヒータユニットと冷媒循環システムの組み合わせ等の構成による公知の装置で代替してもよい。

恒温室２１には複数の温度調整装置３１が各壁面に内蔵されており、各温度調整装置３１はそれぞれ独立して温度制御を行うことが可能である。噴霧装置３２は、恒温室２１内に噴霧を行って恒温室２１内の湿度を調整する。ガス導入部３３は二酸化炭素ボンベ（不図示）と接続されている。このガス導入部３３は恒温室２１に二酸化炭素を導入し、恒温室２１内の二酸化炭素濃度を調整する。環境センサユニット３４は、恒温室２１内における温度、湿度、二酸化炭素濃度を検出する。

また、第１筐体１２の恒温室２１内には、ストッカー３５と、容器搬出入機構３６と、容器搬送機構３７と、観察ユニット３８とが収納される。
ストッカー３５は、第１筐体１２の正面からみて恒温室２１の左側に配置される。ストッカー３５は複数の棚で上下に区画されている。そして、ストッカー３５には培養容器１４を水平に収納できるようになっている。また、ストッカー３５の最下段は第１筐体１２の搬出入口２３の位置に対応する。そして、ストッカー３５の最下段には容器搬出入機構３６を配置するスペースが形成されている。

容器搬出入機構３６はストッカー３５の最下段に設置される。容器搬出入機構３６は、ホルダーを載置可能な搬送テーブル３６ａと、搬送テーブル３６ａを搬出入口２３の外部へ往復動させるモータユニット３６ｂとを有している。
容器搬送機構３７は、第１筐体１２の正面からみて恒温室２１の中央に配置される。容器搬送機構３７は、長方形状の基台４１と、上下方向に延長する垂直フレーム４２と、ホルダー１５を支持する搬送アーム部４３とを有している。

基台４１には、垂直フレーム４２が前後方向（Ｙ方向）に移動可能に取り付けられている。基台４１の外側には垂直フレーム４２をＹ方向に駆動させるための第１モータ４４が固定されている。また、垂直フレーム４２のＹ方向位置は第１モータ４４に取り付けられた位置センサ（不図示）によって検出される。
垂直フレーム４２は平行配置された２本のガイドレールで構成されている。垂直フレーム４２の間には搬送アーム部４３が上下方向（Ｚ方向）に移動可能に取り付けられている。この搬送アーム部４３は垂直フレーム４２に内蔵されたネジ軸（不図示）の回動によって移動する。さらに、垂直フレーム４２には、搬送アーム部４３をＺ方向に駆動させるための第２モータ４５が基台４１側に取り付けられている。なお、搬送アーム部４３のＺ方向位置は第２モータ４５に取り付けられた位置センサ（不図示）によって検出される。

搬送アーム部４３は、容器支持部４６と、摺動機構部４７と、第３モータ４８と有している。容器支持部４６の本体は、支持片１６を含めたホルダー１５の全体の幅よりも若干幅広に設定されている。この容器支持部４６の両側縁には、１組の引掛爪４６ａが下側に対向配置されている。各引掛爪４６ａの先端は容器支持部４６の内側に向いており、引掛爪４６ａの先端部同士の相互間隔は、支持片を１６除いたホルダー１５の本体部分の幅よりもわずかに大きく設定されている。したがって、支持片１６と引掛爪４６ａとの係合により、容器支持部４６がホルダー１５を支持できるように構成されている。

摺動機構部４７は容器支持部４６の上面側に配置されている。この摺動機構部４７は上記のネジ軸と螺合するナット部（不図示）を有している。摺動機構部４７は第３モータ４８の駆動によって容器支持部４６を左右方向（Ｘ方向）に摺動させる。かかる摺動機構部４７の動作により、ストッカー３５、容器搬出入機構３６または観察ユニット３８と容器搬送機構３７との間で培養容器１４を載置したホルダー１５の受け渡しが可能となる。なお、容器支持部４６のＸ方向位置は第３モータ４８に取り付けられた位置センサ（不図示）によって検出される。

観察ユニット３８は、第１筐体１２の正面からみて恒温室２１の右側に配置される。この観察ユニット３８は第１筐体１２の底面の開口２７に嵌め込まれて配置される。この観察ユニット３８は、試料台３９と、試料台３９の上方に張り出したアーム３８ａと、本体部分３８ｂとを有している。そして、試料台３９およびアーム３８ａは第１筐体１２の恒温室２１内に配置される一方で、本体部分３８ｂは第２筐体に収納される。

図９は観察ユニット３８の構成を示す概略図である。観察ユニット３８は、試料台３９と、第１照明部５１および第２照明部５２と、ＬＥＤユニット５３ａを有する顕微観察系５３と、容器観察系５４と、画像処理部５５と、を有している。
試料台３９は透光性の材質で構成されており、その上に培養容器１４がホルダー１５ごと載置される。また、第１照明部５１およびＬＥＤユニット５３ａはアーム３８ａに配置されており、試料台３９の上側から培養容器１４を照明する。一方、第２照明部５２は本体部分３８ｂに内蔵されており、試料台３９の下側から培養容器１４を照明する。

顕微観察系５３は本体部分３８ｂに内蔵されており、顕微光学系および撮像素子（いずれも不図示）を有している。この顕微観察系５３は、ＬＥＤユニット５３ａの照明による培養容器１４の透過光で試料を顕微鏡観察した画像（試料観察画像）を撮影する。
容器観察系５４はアーム３８ａに収納されており、撮影光学系および撮像素子（いずれも不図示）を有している。この容器観察系５４は、第１照明部５１または第２照明部５２の照明光によって培養容器１４の全体観察画像を撮影する。

画像処理部５５は、顕微観察系５３および容器観察系５４の出力をＡ／Ｄ変換するとともに各種の画像処理を施し、試料観察画像または全体観察画像のカラー画像データを生成する。また、画像処理部５５は全体観察画像の画像データに画像解析を施す。
次に、第２筐体１３の構成を説明する。第２筐体１３には、上記の観察ユニット３８の本体部分３８ｂと、制御ユニットとが格納される。

制御ユニットは、ＣＰＵ６１と、動作指示部６２と、データベース部６３と、表示パネル６４と、通信部６５と、を有している。
ＣＰＵ６１は、駆動機構２５、温度調整装置３１、噴霧装置３２、ガス導入部３３、環境センサユニット３４、容器搬出入機構３６、容器搬送機構３７、観察ユニット３８、動作指示部６２、データベース部６３、表示パネル６４および通信部６５と接続されている。そして、ＣＰＵ６１は所定のシーケンスプログラムに従って上記各部を制御する。なお、ＣＰＵ６１はスケジュール管理のための時計機能を有している。

動作指示部６２はキーボード等の入力手段を有しており、ＣＰＵ６１を介してインキュベータ１１の各部を動作させる。すなわち、ＣＰＵ６１は動作指示部６２からの入力に基づき、恒温室２１内の環境条件の調整、恒温室２１内外への培養容器１４の搬出入、培養容器１４の試料の観察、恒温室２１内での培養容器１４の搬送などを実行する。ここで、動作指示部６２の指示には、ユーザーの直接入力による指示と、予めプログラムで設定された指示とのいずれもが含まれる。

データベース部６３は、培養容器１４の管理データや、画像解析に必要とされる各種データなどが記録される。上記の管理データには、例えば、培養容器１４の識別コード、培養容器１４の種類および形状、培養容器１４の収納位置、動作指示部６２で設定された各培養容器１４の観察スケジュールのデータなどが含まれる。また、培養容器１４の収納位置のデータはユーザーが入力して登録してもよい。あるいは、ホルダー１５の識別マーカー１７をカメラ等で読み込んで、ＣＰＵ６１が自動的に培養容器１４の収納位置を設定するようにしてもよい。

また、データベース部６３には、試料観察画像および全体観察画像の画像データを記録することができる。ここで、データベース部６３に記録される画像データは、培養容器１４の識別情報と撮影日時とを含むインデックスデータにそれぞれ対応付けされて記録される。さらに、データベース部６３には、恒温室２１内での環境条件（温度、湿度、二酸化炭素濃度）の変化履歴も記録できる。

表示パネル６４は、ＣＰＵ６１から出力された恒温室２１の環境条件の値や、異常発生時の警告などが表示される。通信部６５は、公知の無線または有線の通信規格に準拠して、外部のコンピュータ（不図示）等とのデータ送受信を制御する。
（本実施形態のインキュベータの動作）
以下、図１１の流れ図に沿って本実施形態に特有のインキュベータの動作を説明する。本実施形態のインキュベータ１１は、予め設定された観察スケジュールに基づいて、試料観察画像および全体観察画像の撮影を自動的に実行する。そして、インキュベータ１１は、全体観察画像に基づいて、培養容器１４を取り巻く環境状態の変化や培養装置の故障等に起因する異常を検出する。なお、図１１の例では便宜的に１つの培養容器の管理に限定して説明を行うが、実際のインキュベータ１１では各培養容器ごとの観察スケジュールに基づいて複数の培養容器１４を同時に管理する。

ステップ１０１：ＣＰＵ６１は、データベース部６３の観察スケジュールと現在日時とを比較して、培養容器１４の観察時間が到来したか否かを判定する。観察時間となった場合（ＹＥＳ側）にはＳ１０２に移行する。一方、培養容器１４の観察時間ではない場合（ＮＯ側）には、ＣＰＵ６１は培養容器の観察時間を待機する。
ステップ１０２：ＣＰＵ６１は、観察対象となる培養容器１４の収納位置のデータをデータベース部６３から取得する。次に、ＣＰＵ６１は、容器搬送機構３７に対して、観察対象の培養容器１４をストッカー３５から観察ユニット３８へ搬送する指示を行う。そして、容器搬送機構３７は指示された培養容器１４をストッカー３５から搬出し、その培養容器１４を観察ユニット３８の試料台３９に載置する。

ステップ１０３：ＣＰＵ６１は、観察スケジュールに基づいて、今回の撮影で全体観察画像の撮影を行うか否かを判定する。全体観察画像を撮影する場合（ＹＥＳ側）にはＳ１０４に移行する。一方、試料観察画像のみを撮影する場合（ＮＯ側）にはＳ１１１に移行する。
ステップ１０４：ＣＰＵ６１は、観察ユニット３８に対して全体観察画像の撮影を指示する。観察ユニット３８は、第１照明部５１および第２照明部５２の少なくとも一方を点灯させて培養容器１４を照明するとともに、容器観察系５４の撮像素子で培養容器１４の全体観察画像を撮影する。

ステップ１０５：観察ユニット３８の画像処理部５５は、全体観察画像に対して画像解析を施す。画像処理部５５は、上記の画像解析の結果から異常状態であれば異常信号を出力する一方で、異常状態に該当しない場合には正常信号を出力する。ここで、Ｓ１０５では、（１）培地量の推定、（２）培地の飛散の検出、（３）培養容器内でのカビの検出、（４）培養容器の位置ズレの検出、（５）培養容器内の結露の検出、を行うことができる。なお、上記の（１）から（５）の具体的な内容についてはそれぞれ後述する。

ステップ１０６：ＣＰＵ６１は、観察ユニット３８の画像処理部５５から異常信号が入力されたか否かを判定する。異常信号が入力された場合（ＹＥＳ側）にはＳ１０７に移行する。一方、正常信号が入力された場合（ＮＯ側）にはＳ１１０に移行する。
ステップ１０７：ＣＰＵ６１は、異常信号の入力時に恒温室２１から培養容器１４を排出する設定がされているか否かを判定する。培養容器１４を排出する場合（ＹＥＳ側）にはＳ１０８に移行する。一方、培養容器１４を排出しない場合（ＮＯ側）にはＳ１０９に移行する。

ここで、培養容器１４を排出するか否かの設定は、Ｓ１０５の（１）から（５）の各ケースごとに予めユーザーが個別的に設定できる。例えば、培地の飛散やカビが検出された場合には、他の培養容器１４の試料に悪影響が及ぶため、観察対象の培養容器１４を恒温室から迅速に排出することが特に望ましい。その一方で、推定される培地量が適正でない場合や容器搬送機構３７や温度調節装置３１などに異常がある場合は、培養容器１４を恒温室外に排出することが適切な処置とならない可能性があるからである。

ステップ１０８：ＣＰＵ６１は、容器搬出入機構３６および容器搬送機構３７に対して、観察対象の培養容器１４を恒温室外へ排出する指示を指示を行う。容器搬送機構３７は、指示された培養容器１４を試料台３９から容器搬出入機構３６に受け渡す。そして、ＣＰＵ６１は搬出入口２３の自動扉２４を開放するとともに、容器搬出入機構３６が培養容器１４を恒温室２１外に排出する。

ステップ１０９：ＣＰＵ６１は、異常発生を通知する警告動作を実行する。ここで、警告動作としては、例えば、表示パネル６４への警告表示、通信部６５による外部のコンピュータへの異常通知メールの送信、不図示のブザーによる音声出力、などが挙げられる。なお、この警告動作の内容は、ユーザーが動作指示部６２に指定して予め設定しておくことができる。

ステップ１１０：ＣＰＵ６１は、観察スケジュールに基づいて、今回の撮影で試料観察画像の撮影を行うか否かを判定する。試料観察画像を撮影する場合（ＹＥＳ側）にはＳ１１１に移行する。一方、試料観察画像を撮影しない場合（ＮＯ側）にはＳ１１２に移行する。
ステップ１１１：ＣＰＵ６１は、観察ユニット３８に対して試料観察画像の撮影を指示する。観察ユニット３８は、ＬＥＤユニット５３ａで培養容器１４を照明するとともに、顕微観察系５３の撮像素子で試料観察画像を撮影する。なお、試料観察画像の画像データは、上記のインデックスデータと対応付けされてデータベース部６３に記録される。

ステップ１１２：ＣＰＵ６１は、容器搬送機構３７に対して、観察対象の培養容器１４を観察ユニット３８からストッカー３５へ搬送する指示を行う。そして、容器搬送機構３７は指示された培養容器１４を試料台３９から搬出し、その培養容器１４をストッカー３５の所定位置に戻す。その後、ＣＰＵ６１はＳ１０１に戻って上記動作を繰り返す。
（培地量の推定）
次に、上記Ｓ１０５での「培地量の推定」を、図１２の流れ図に沿って詳細に説明する。Ｓ１０５で「培地量の推定」を行うのは、培地量が適正な範囲にあるか否かの情報があれば、培地交換や培養中止の判断などがより容易となるからである。

ステップ２０１：画像処理部５５は、全体観察画像のカラー画像データ（Ｓ１０４）に対してエッジの抽出処理を行い、培養容器１４の輪郭を抽出する。
ステップ２０２：画像処理部５５は、培養容器１４の輪郭データ（Ｓ２０１）と、培養容器１４の輪郭テンプレートとのパターンマッチングを行い、培養容器１４の内側を撮影した領域（試料の培養領域）を特定する。１つの培養容器が複数の独立した小容器を有する場合、画像処理部５５は各小容器に対応する培養領域をそれぞれ特定する。なお、この場合には、以下のステップで個々の培養領域ごとに同様の動作を行うことを前提として説明を行う。

ステップ２０３：画像処理部５５は、試料の培養領域（Ｓ２０２）のうちから複数の測定点を決定する。培養領域における測定点の位置は予め決定されていてもよい。そして、画像処理部５５は、全体観察画像のカラー画像データに基づいて、各測定点ごとに赤緑青の三色成分の信号値をそれぞれ取得する。なお、各色成分の信号値は、測定点においてその色成分の輝度が高いほど値が大きくなる。

ステップ２０４：画像処理部５５は、各測定点ごとに青色成分の信号値と緑色成分の信号値との比率（Ｂ／Ｇ比）を求める。そして、画像処理部５５は、例えば以下の式（１）により、各測定点でのｐＨ値をＢ／Ｇ比に基づき推定する。
Ｂ／Ｇ＝０．５６×ｐＨ＾２−７．４８×ｐＨ＋２５．４ ・・・（１）
上記の式（１）は、ｐＨ値とＢ／Ｇ比との変化の関係を近似的に示す２次関数である。上式の「Ｂ／Ｇ」はＢ／Ｇ比を示す。また、上式の「ｐＨ」は推定されるｐＨ値を示す。

ここで、本実施形態においてＢ／Ｇ比に基づきｐＨ値を推定するのは以下の理由による。本発明者らは、培地に添加されるｐＨ指示薬（フェノールレッド）と画像の各色成分の信号値との関係につき、研究の結果、以下の知見を得た。
培地の濃度が同じであることを前提として、フェノールレッドの変色と各色成分の信号値の比率とを比較すると、ｐＨ値の増加に伴って青色成分の比率が高まる一方で、逆に緑色成分の比率が低下する。また、ｐＨ値が変化しても赤色成分の信号値にはさほど大きな変化はない。すなわち、フェノールレッドの色によるｐＨ値の判定は、青色と緑色との比を判定することと同義であることが分かる。また、フェノールレッドの色（青色と緑色との比）はｐＨ値に応じて一義的に変化する。以上の理論に基づいて、画像処理部５５はＢ／Ｇ比により培養容器１４内のｐＨ値を推定している。

ステップ２０５：画像処理部５５は、赤色成分の信号値（Ｓ２０３）と推定したｐＨ値（Ｓ２０４）とに基づいて、測定点での培地の濃度を推定する。具体的には、データベース部には「赤色成分の信号値」と「培地の濃度」との対応関係を示すデータと、ｐＨ値による校正データとが格納されている。そして、画像処理部５５は上記の各データをデータベース部６３から読み出すとともに、上記データに基づいて赤色成分の信号値から培地の濃度を算出する。

ここで、赤色成分の信号値に基づき培地の濃度を推定するのは以下の理由による。ｐＨ値が同じであることを前提として培地の濃度に差がある培養容器１４の画像を比較すると、培地の濃度が高いと培地の色も濃くなることから、培地の濃度増加に比例して赤色成分の信号値は大きくなる。そのため、赤色成分の信号値によって培地の濃度を推定することが可能となる。このとき、ｐＨ値に応じて赤色成分の信号値と培地の濃度との変化率が異なるため、画像処理部５５はｐＨ値による校正を行っている。

ステップ２０６：画像処理部５５は、培養容器１４の種類から特定される容器形状と、培地の濃度（Ｓ２０５）に基づいて培養容器１４内の培地量を推定する。なお、このＳ２０６での培地の濃度は、画像処理部５５が複数の測定点での測定結果に基づいて決定する。
ステップ２０７：画像処理部５５は、培養容器１４内の培地量の推定値（Ｓ２０６）が所定の範囲以内であるか否かを判定する。推定値が所定範囲内にある場合（ＹＥＳ側）にはＳ２０８に移行する。一方、推定値が所定範囲から外れる場合（ＮＯ側）にはＳ２０９に移行する。

ステップ２０８：この場合には、画像処理部５５はＣＰＵ６１に対して「培地量が適正である」旨の正常信号を出力する。
ステップ２０９：この場合には、画像処理部５５はＣＰＵ６１に対して「培地量が少ない」または「培地量が多い」旨の異常信号を出力する。
（培地の飛散の検出）
次に、上記Ｓ１０５での「培地の飛散の検出」を、図１３の流れ図に沿って詳細に説明する。培地の飛散がある場合には他の培養容器へのコンタミネーションが生じる可能性が高い。そのため、培地の飛散は早期に検出する必要があるからである。なお、図１３のＳ３０１は、上記したＳ２０１に対応するので重複説明を省略する。

ステップ３０２：画像処理部５５は、培養容器１４の輪郭データ（Ｓ３０１）と、培養容器１４の輪郭テンプレートとのパターンマッチングを行い、培養容器の内側を撮影した領域（試料の培養領域）を特定する。なお、１つの培養容器１４が複数の独立した小容器を有する場合、各小容器ごとに上記の培養領域を特定する。そして、画像処理部５５は、培養容器１４の内側において試料の培養領域を除いた部分を判定領域に設定する（図１４参照）。

ステップ３０３：画像処理部５５は、判定領域においてｐＨ指示薬の色成分を示す領域を検出する。なお、判定領域内に上記の色成分を有する領域がある場合には、培地の飛散があるものと判断できる。
ステップ３０４：画像処理部５５は、判定領域から培地の飛散が検出されたか否かを判定する。検出された場合（ＹＥＳ側）にはＳ３０５に移行する。一方、検出されない場合（ＮＯ側）にはＳ３０６に移行する。

ステップ３０５：この場合には、画像処理部５５はＣＰＵ６１に対して「培地の飛散がある」旨の異常信号を出力する。
ステップ３０６：一方、この場合には、画像処理部５５はＣＰＵ６１に対して「培地の飛散は認められない」旨の正常信号を出力する。
（培養容器内でのカビの検出）
次に、上記Ｓ１０５での「培養容器内でのカビの検出」を、図１５の流れ図に沿って詳細に説明する。ある培養容器内にカビが発生した場合には他の培養容器にもカビが繁殖する可能性が高い。そのため、カビの発生は早期に検出する必要があるからである。

ここで、培養容器１４内でのカビの検出を行う場合、Ｓ１０４において容器観察系５４の反対側から第２照明部５２で培養容器１４を照明して全体観察画像を撮影する必要がある。なお、図１５のＳ４０１およびＳ４０２は、上記したＳ２０１およびＳ２０２にそれぞれ対応するので重複説明を省略する。
ステップ４０３：画像処理部５５は、試料の培養領域（Ｓ４０２）の全体での透過光量を算出する。このＳ４０３での透過光量のデータは、カビによる透過光量の落ち込みを画像処理部５５が判定する場合の基準となる。

ステップ４０４：画像処理部５５は、試料の培養領域（Ｓ４０２）を一定方向に走査し、透過光量が閾値以上に落ち込んでいる領域を検出する。そして、画像処理部５５は、検出した領域の色情報を確認してカビの発生領域を特定する。カビの発生時には培地の透過光量が著しく減少するとともに、例えば白カビであれば培地が白くなるなどの色変化が認められるため、画像処理部５５は上記の動作でカビの発生を検出できる。

ステップ４０５：画像処理部５５は、培養容器１４内でカビが検出されたか否かを判定する。カビが検出された場合（ＹＥＳ側）にはＳ４０６に移行する。一方、カビが検出されていない場合（ＮＯ側）にはＳ４０８に移行する。
ステップ４０６：画像処理部５５は、カビの発生領域（Ｓ４０４）の大きさと培養容器１４の形状とから、培養容器１４に対するカビの領域比を演算する。なお、このＳ４０６の工程は、動作指示部６２での設定に応じて画像処理部が省略することもある。

ステップ４０７：画像処理部５５はＣＰＵ６１に対して「培養容器内でカビが発生した」旨の異常信号を出力する。このとき、Ｓ４０６でのカビの領域比のデータも同時にＣＰＵ６１へ出力してもよい。
ステップ４０８：一方、この場合には、画像処理部５５はＣＰＵ６１に対して「培養容器内にカビの発生は認められない」旨の正常信号を出力する。

（培養容器の位置ズレの検出）
次に、上記Ｓ１０５での「培養容器の位置ズレの検出」を、図１６の流れ図に沿って詳細に説明する。容器搬送機構が正常に動作していない状態では培養容器の搬送時に事故を起こす可能性が高くなる。そのため、培養容器の位置ズレの有無により容器搬送機構の動作状態を確認することが必要となる。なお、図１６のＳ５０１は、上記したＳ２０１に対応するので重複説明を省略する。

ステップ５０２：画像処理部５５は、位置ズレ判定用テンプレートのデータをデータベース部６３から読み出す。この位置ズレ判定用テンプレートは、正常な容器設置位置における培養容器１４の輪郭に相当する。したがって、容器搬送機構３７が正常に動作している状態では、全体観察画像から抽出した培養容器１４の輪郭と、位置ズレ判定用テンプレートの輪郭とは一致することとなる。そして、画像処理部５５は、培養容器１４の輪郭データ（Ｓ５０１）と、位置ズレ判定用テンプレートとのマッチングを行い、正常な容器設置位置と現在の培養容器の位置とのズレ量を取得する（図１７参照）。

ステップ５０３：画像処理部５５は、上記のズレ量（Ｓ５０２）が許容誤差の範囲に収まるか否かを判定する。ズレ量が許容誤差の範囲に収まる場合（ＹＥＳ側）にはＳ５０４に移行する。一方、ズレ量が許容誤差の範囲に収まらない場合（ＮＯ側）にはＳ５０５に移行する。
ステップ５０４：この場合には、画像処理部５５はＣＰＵ６１に対して「容器搬送機構が正常動作している」旨の正常信号を出力する。

ステップ５０５：一方、この場合には、画像処理部５５はＣＰＵ６１に対して「容器搬送機構の動作に異常がある」旨の異常信号を出力する。
（培養容器内の結露の検出）
次に、上記Ｓ１０５での「培養容器内の結露の検出」を、図１８の流れ図に沿って詳細に説明する。温度調整装置などの故障やモータ等の動作による温度ムラが発生すると、培養容器内に結露が発生する。この結露を検出すれば試料の培養状態を確認でき、培養精度をより向上させることが可能となる。

ここで、培養容器内の結露の検出を行う場合、Ｓ１０４において容器観察系５４の反対側から第２照明部５２で培養容器１４を照明して全体観察画像を撮影する必要がある。また、培養容器１４内の結露の検出では、異なる時間に撮影された複数の全体観察画像を用いて解析が行われる。なお、図１８のＳ６０１およびＳ６０２は、上記したＳ２０１およびＳ２０２にそれぞれ対応するので重複説明を省略する。

ステップ６０３：画像処理部５５は、試料の培養領域（Ｓ６０２）の全体での透過光量を算出する。このＳ６０３での透過光量のデータは、結露による透過光量の落ち込みを画像処理部５５が判定する場合の基準となる。また、このとき画像処理部５５は、全体観察画像においてホルダーの所定位置にある測定基準点（不図示）の輝度レベルを取得する。
ステップ６０４：画像処理部５５は、試料の培養領域（Ｓ６０２）を一定方向に走査し、透過光量が閾値以上に落ち込んでいる領域を検出する。また、画像処理部５５は、Ｓ６０４での検出処理後に、今回の検出結果と測定基準点の輝度レベルとをデータベース部６３に記録する。

ステップ６０５：画像処理部５５は、データベース部６３から前回の検出結果を読み出して、今回の検出結果（Ｓ６０４）との比較を行う。このとき、画像処理部５５は、測定基準点の輝度レベルに基づいて、複数の画像間での透過光量の値を正規化した上で比較を行う。
ステップ６０６：画像処理部５５は、培養容器１４内に結露が発生したか否かを判定する。具体的には、画像処理部５５は透過光量の落ち込みが前回よりも大きくなっている場合には結露が発生したものと判定する。勿論、画像処理部５５は前回以前の判定結果をも用いて判定を行ってもよい。なお、結露の場合における透過光量の減衰はカビの場合よりも小さく、かつカビのような色変化は起こらないことから、両者を判別することは十分可能である。

そして、結露が発生した場合（ＹＥＳ側）にはＳ６０７に移行する。一方、結露が発生していない場合（ＮＯ側）にはＳ６０８に移行する。
ステップ６０７：この場合には、画像処理部５５はＣＰＵ６１に対して「結露が発生した」旨の異常信号を出力する。このとき、画像処理部５５は、全体観察画像での輝度値の変化や培地量の推定などにより、培養容器内での水滴量を推定するようにしてもよい。

ステップ６０８：一方、この場合には、画像処理部５５はＣＰＵ６１に対して「結露の発生はない」旨の正常信号を出力する。
（本実施形態の効果）
本実施形態のインキュベータ１１は、培地量の変化、カビの発生、培地の飛散などを自動的に検出するとともに、培養容器１４を取り巻く環境状態に異常がある場合には培養容器１４の搬出や所定の警告動作を行う。そのため、人手による試料の培養状態の確認の手間が著しく軽減するとともに、恒温室２１における試料の培養状態を良好な状態に保つことが容易となる。

また、本実施形態のインキュベータ１１は、容器搬送機構３７の異常による培養容器１４の位置ズレや、恒温室２１の温度ムラによる培養容器１４の結露を自動的に検出し、所定の警告動作を行うことができる。そのため、培養装置の異常に起因する事故の発生を大幅に抑制できる。
さらに、本実施形態のインキュベータ１１は、試料を顕微鏡観察した画像を所定のスケジュールに従って撮影し、その画像データをデータベース化して記録する。そのため、人手による試料の培養状態の確認の手間が著しく軽減するとともに、画像データに基づいてユーザーが培地交換や継代のタイミング等を判断できる。

（実施形態の補足事項）
（１）本発明のインキュベータの各部構成は上記実施形態に限定されることはない。例えば、本発明は、二酸化炭素濃度に加えて、酸素濃度および窒素濃度の少なくとも一方を調整可能なマルチガスインキュベータにも応用することが可能である。また、加湿水を貯溜する加湿皿と、加湿皿の水温を制御する温度調整装置とで湿度の調整を行うようにしてもよい（いずれも図示を省略する）。

（２）上記実施形態の観察ユニットには、顕微観察系よりも低倍率の顕微鏡観察を行うことのできるマクロ観察系を設けてもよい。そして、顕微鏡観察を行う場合において、マクロ観察系と顕微観察系とによる２種類の試料観察画像を一連のシーケンスで撮影するようにしてもよい。また、上記実施形態において、観察ユニットで画像解析を行わずに、ＣＰＵが画像解析を行うようにしてもよい。

（３）本発明のインキュベータは、培地量の推定、培地の飛散の検出、カビの検出、培養容器の位置ズレの検出、結露の検出、のいずれかを選択的に行う構成であってもよい。また、培養容器の位置ズレの検出や培地の飛散の検出では、抽出した輪郭で判定することも可能であるため、これらの判定のみを行う場合には全体観察画像はモノクロ画像であってもよい。なお、培養容器の位置ズレの検出では、培養容器の複数箇所にマーカーを配置して、このマーカーの位置ズレから容器搬送機構の異常を検出するようにしてもよい。

（４）上記実施形態のＳ１０８では、培養容器の排出とともに警告動作（Ｓ１０９）を同時に行うようにしてもよい。また、上記実施形態のＳ１０９では、警告動作後に培養容器をスタッカーに一時的に戻すようにしてもよい。

本実施形態のインキュベータのブロック図 インキュベータの正面図 図２において正面扉を開いた状態を示す図 第１筐体および恒温室を示す図 筐体側面方向からスタッカーの収納状態を示す図 （ａ）容器搬送機構を筐体正面方向から示す図、（ｂ）容器搬送機構を筐体平面方向から示す図 搬送アーム部の構成を示す正面図 搬送アーム部の構成を示す側面図 観察ユニットの概略構成図 試料の培養を行う培養容器の構成を示す図 本実施形態のインキュベータの全体動作を示す流れ図 「培地量の推定」での動作を示す流れ図 「培地の飛散の検出」での動作を示す流れ図 「培地の飛散の検出」での判定領域を示す説明図 「培養容器内でのカビの検出」での動作を示す流れ図 「培養容器の位置ズレの検出」での動作を示す流れ図 「培養容器の位置ズレの検出」の説明図 「培養容器内の結露の検出」での動作を示す流れ図

符号の説明

１１…インキュベータ、１４…培養容器、１５…ホルダー、２１…恒温室、２３…搬出入口、２５…駆動機構、２６…自動扉、３１…温度調整装置、３２…噴霧装置、３３…ガス導入部、３４…環境センサユニット、３６…容器搬出入機構、３７…容器搬送機構、３８…観察ユニット、５３…顕微観察系、５４…容器観察系、５５…画像処理部、６１…ＣＰＵ、６２…動作指示部、６３…データベース部、６４…表示パネル、６５…通信部

Claims (9)

1. 所定の環境条件に調整された恒温室を備え、該恒温室内で培養容器の試料を培養する培養装置であって、
   前記恒温室において前記培養容器を搬送する搬送装置と、
   前記恒温室内で前記培養容器の全体を撮影する撮像部と、
   前記撮像部で撮像された前記培養容器の全体観察画像に基づいて前記培養装置の動作状態または前記試料の培養環境状態を解析するとともに、該解析結果に応じて前記動作状態または前記培養環境状態の異常を通知する異常信号を出力する画像解析部と、
   を備えることを特徴とする培養装置。
2. 前記画像解析部は、前記全体観察画像から抽出した前記培養容器の位置ズレに基づいて前記搬送装置の異常動作を検出し、該異常動作の検出時に前記異常信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の培養装置。
3. 前記画像解析部は、前記培養容器内の透過光量の変化に基づいて前記培養容器内の結露を検出し、該結露検出時に前記異常信号を出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の培養装置。
4. 前記画像解析部は、前記培養容器内の輝度および各色成分の比率に基づいて前記培養容器内の培地量を推定し、前記培地量の推定値が設定範囲から外れる場合に前記異常信号を出力することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の培養装置。
5. 前記画像解析部は、前記全体観察画像から培養容器外の色成分および輪郭の少なくとも一方を抽出して培地の飛散を検出し、前記培地の飛散がある場合に前記異常信号を出力することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の培養装置。
6. 前記画像解析部は、前記培養容器内の透過光量および色情報に基づいて前記培養容器内のカビの発生を検出し、前記カビの発生時に前記異常信号を出力することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の培養装置。
7. 前記搬送装置は、前記異常信号の入力時に前記全体観察画像に対応する培養容器を前記恒温室外に搬出することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の培養装置。
8. 前記異常信号の入力時に前記培養装置の外部に警告動作を行う通知手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の培養装置。
9. 前記異常信号の非出力時において、前記培養容器内の試料を顕微鏡観察した試料観察画像を所定時間ごとに撮影する顕微鏡ユニットと、
   前記試料観察画像を記録する記録部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の培養装置。
   
   

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