JP2007501959A - 顕微鏡を用いて結像された位置の座標を装置非依存的に決定する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、顕微鏡により表示された位置（Ｐ）の座標を装置非依存的に決定する方法および装置に関するものであり、最初に、ＤＩＣＯＭ座標系内の少なくとも１個の基準位置の所与の対物レンズに関連付けられた基準座標（Ｘ_１、Ｙ_１、Ｚ_１）に対応する装置依存座標系において、表示された基準位置（Ｅ_１）について装置座標（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）と、装置依存座標（ｘ、ｙ、ｚ）をＤＩＣＯＭ座標系の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）へ変換するための変換規則（Φ）とが決定される。最後に、装置非依存座標決定を完了すべく、決定された変換規則（Φ）により、表示された位置（Ｐ）の装置座標（ｘ_ｐ、ｙ_ｐ、ｚ_ｐ）がＤＩＣＯＭ座標系の装置非依存座標（Ｘ_ｐ、Ｙ_ｐ、Ｚ_ｐ）に変換される。

Description

本発明は、顕微鏡を用いて結像された位置の座標を装置非依存的に決定する方法およびシステム、並びにそのために用いる較正スライドに関する。

顕微鏡は、肉眼では識別できない微細構造を検出して、そのような構造の顕著な特徴を発見すべく頻繁に使用されている。細胞学、組織学、および病理学における顕微鏡検査の基本的な使用目的は、標本を調べて、関心対象である構造、細胞、または細胞の組合せ等を確認するためにある。これらの構造の箇所が標本で見つかった場合、各種の理由でそれらを記録することが望ましい。例えば、見つかった構造を、更なる検査または品質管理のために、同一または異なるユーザにより、後の段階で再び特定する必要がある。このために、多くの顕微鏡は、装置依存座標系内での位置の座標を決定する装置を備えている。これらの座標を電気機械的に決定することにより、発見した位置に後の段階で戻ることが可能である。

しかし、これらの座標は通常、装置に依存する。すなわち、ある装置での座標が正確に再現できるのは、顕微鏡の調整に一切変更がなされず、且つ公差がない場合だけである。しかし、例えば、顕微鏡台が修理のために持ち出されて、再び設置された場合、標本の同一位置の座標が当初決定されたものとは異なってしまう。さらに、同じ機種であっても異なる顕微鏡の座標系は（正確には）同一ではない。

任意の２台の顕微鏡間に、例えば第二のユーザが自分のシステムで、第一のユーザが識別して保存した標本の領域にアクセスすることができる相互運用性を持たせる必要がある。

上記の問題は、顕微鏡を用いて結像された位置の座標を装置非依存的に決定する本発明による方法およびシステムにより解決される。本発明による方法では、最初に、ＤＩＣＯＭ座標系内の少なくとも１個の基準位置Ｅ_１の所与の対物レンズに関連付けられた基準座標（Ｘ_１、Ｙ_１、Ｚ_１）において、装置依存座標系内の少なくとも１個の結像された基準位置Ｅ_１に対応する装置座標（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）が決定され、これらから、装置依存座標（ｘ、ｙ、ｚ）をＤＩＣＯＭ座標系の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に変換する変換規則Φが得られる。次いで、装置非依存的に座標を決定すべく、結像位置Ｐの装置座標（ｘ_ｐ、ｙ_ｐ、ｚ_ｐ）が、発見された変換規則ΦによりＤＩＣＯＭ座標系の装置非依存座標（Ｘ_ｐ、Ｙ_ｐ、Ｚ_ｐ）に変換される。

「医療デジタル画像処理および通信」（ＤＩＣＯＭ）標準は、医療機器の画像をフォーマット化して交換すべく開発されたものであり、本機材に組み込まれている。特に、ＤＩＣＯＭは米国、欧州および日本で知られている。１９９９年７月２日、米国ヴァージニア州で開催されたＤＩＣＯＭ委員会で、内視鏡検査、顕微鏡検査、および結像において可視光により得られた画像用の基準を補追１５に設けた（補追１５：内視鏡検査、顕微鏡検査、および撮像における可視光画像）。本発明により、純粋に標本に固有の、従って装置非依存のＤＩＣＯＭ座標系を任意の顕微鏡に実装することができる。本発明による手順の技術的解決策は、二つのステップを含んでいる。最初に、装置依存座標をＤＩＣＯＭ座標系の装置非依存座標に変換するための変換規則を得るために、顕微鏡台標系を較正する。この較正ステップの後で、当該変換規則を使用して任意の結像位置の座標をＤＩＣＯＭ座標系の装置非依存座標に変換することができる。従って後者の座標は後の段階で、異なるユーザにより、たとえ異なる顕微鏡を用いても再びアクセスすることが可能である。但し、言うまでもなく他の機材がＤＩＣＯＭ座標系用の較正機能を含んでいる必要がある。

較正ステップにおいて、特に有利な実施形態では、較正スライドを用いて少なくとも１個の基準位置Ｅ_１の基準座標を設定する。この較正スライドは、ＤＩＣＯＭ標準の規定に従い、設定された基準位置にマークを付けるための十字形の較正照準を有する。

（ｘ、ｙ）平面において対象となる全ての変換、すなわち並進、回転および縮尺を数学的に最適に扱えるようにすべく、較正スライド上に少なくとも２．５個の基準位置または較正照準が必要である。ｚ方向でも較正を行なう場合、追加的な位置が必要なことがある。

顕微鏡検査において特定種類のスライドが使われるため、各種スライドに対応する較正スライドを製造して、本発明によるプロセスに従って使用することが好都合である。

較正を行なう目的で、例えば、基準位置Ｅ_１、Ｅ_２、およびＥ_３に対応する３個の較正照準が較正スライドに用意されている。これらの基準または較正位置Ｅ_１〜Ｅ_３の（Ｘ、Ｙ、Ｚ）座標は固定されている。これらはＤＩＣＯＭ座標系のゼロ位置に関係し、スライドの外側の隅に配置されていてよい。

顕微鏡台を用いて較正位置Ｅ_１〜Ｅ_ｎ（ｎ≧１）が選択され、各々の（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）、・・・、（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ、ｚ_ｎ）値を受け取って、使用する顕微鏡固有の、すなわち装置依存座標系に保存する。較正位置Ｅ_１〜Ｅ_ｎに対して、ＤＩＣＯＭ座標系内の（Ｘ、Ｙ、Ｚ）値、および測定の後で固有座標系内の（ｘ、ｙ、ｚ）値が既知であるため、装置依存座標をＤＩＣＯＭ座標系の装置非依存座標に変換する標準的な方法を用いて変換規則を計算することができる。

（ｘ、ｙ）座標について想起される変換方法に、過剰決定アフィン変換がある。一平面で生じる並進、回転、および縮尺係数による縮尺の変換に対して、上述の可能な較正を全て考慮に入れるならば、数学的には少なくとも２．５個、従って実用的には少なくとも３個の基準位置（較正は、交差する）が必要である。

ＤＩＣＯＭ座標系のＺ軸のゼロ位置は、スライドの平面に（ガラスカバー無しで）乗っている。固有Ｚ座標もまた、上述の較正に含まれているため、ｚ値もまたＤＩＣＯＭ座標系に変換することができる。Ｚ較正において、基本的に二つの場合が区別できる。

較正を行なっている間、較正スライドの表面のｚ値が（Ｘ、Ｙ）平面一方向へ増減した場合、これは較正スライドが正確に水平に置かれておらず、Ｚ方向に傾いた平面をなしていることを示唆している。この場合、精度を向上させるべく、傾いた平面でもＺ較正が行なわれるようにすべきであり、さもなければ（Ｘ、Ｙ）較正の精度が低下する。この場合、偏差Δｚは、スライドの表面に注目することにより、斜いた平面の勾配に沿って測定することができ、これによりｚ較正が実施できるが、数学的に少なくとも１．５個の位置が必要である。この種のＺ較正と、（Ｘ、Ｙ）平面において過剰決定アフィン変換とを合わせて、従って、較正スライドには少なくとも４個（２．５＋１．５＝４）の位置が必要である。

一方、較正スライド上でいくつかの選択された基準位置のｚ座標が、互いに異なってはいるが傾いた平面を形成していないことが確認された場合、簡単な変換規則として平均を求める処理があり、これにより基準位置の上述のｚ座標の平均を求めて、この平均値をｚ方向でのゼロ位置と定義する。換言すれば、ｚ座標用に計算された平均値は、ＤＩＣＯＭ座標系のゼロ位置に対応する。

上述の２種の効果が組み合わせて生じることも考えられる。

本発明による方法で用いるべく、ＤＩＣＯＭ座標系で予め基準座標が設定されている少なくとも１個の基準位置を有する較正スライドを提案する。既に述べたように、較正照準が当該較正スライドに用意されており、本発明による方法の基準位置を構成する。ＤＩＣＯＭ座標系において、ゼロ位置は長方形の較正スライドの外側の１ヶ所の隅に配置されている。当該較正スライドが、顕微鏡検査で使用する既知のスライドと形状およびサイズにおいて一致する場合、特に有利である。

相互運用性を実現するには、本発明による方法を用いて各々のシステム（顕微鏡）で較正を実行することが必須である。この目的で、同一の較正スライドを用いることが最適である。

結像位置Ｐの装置座標（ｘ_ｐ、ｙ_ｐ、ｚ_ｐ）を決定するユニットを含む顕微鏡を用いて結像する位置の座標を装置非依存的に決定するシステムとして、本発明は、少なくとも１個の結像された基準位置Ｅ_１の装置座標（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）およびＤＩＣＯＭ座標系内の連関した所定の対物レンズに関連付けられた基準座標（Ｘ_１、Ｙ_１、Ｚ_１）から、装置依存座標をＤＩＣＯＭ座標系の座標に変換する変換規則Φを計算するコンピュータ・ユニットを提供する。変換規則を計算するコンピュータ・ユニットは、顕微鏡と一体化されていても、または周辺コンピュータの一部であってもよい。

本発明による当該システムを用いて、装置依存座標をＤＩＣＯＭ座標系の装置非依存座標に変換することができる。この目的で、計算された変換規則Φを、結像位置Ｐの座標（ｘ_ｐ、ｙ_ｐ、ｚ_ｐ）に適用して、装置非依存のＤＩＣＯＭ座標系において対応する座標（Ｘ_ｐ、Ｙ_ｐ、Ｚ_ｐ）を計算する。本発明による装置非依存座標の較正並びに計算方法を極力効率的に自動化するためには、特に、本発明によるシステムの上述のコンピュータ・ユニット上で起動されてから実行されるコンピュータ・プログラムを用いて本方法を実装することが有用である。当該コンピュータ・プログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭＳ、またはフラッシュメモリ等の形式であるデータ保持媒体に保存しても、あるいはイントラネットやインターネット等の各種コンピュータ・ネットワークを介して作業メモリへダウンロードしてもよい。

当該コンピュータ・プログラムが、例えばＤＩＣＯＭ座標系の較正スライドが顕微鏡台に配置された後で実行された場合、較正照準の形式で適用される基準位置を装置依存座標系において（自動的に）測定し、対応する座標を決定する。好適にはそのような基準位置を３個以上測定した後で、コンピュータ・プログラムが変換規則を計算し始める。次いで、顕微鏡を用いてサンプルを調べて、関心対象位置の装置座標をコンピュータ・プログラムにより、変換規則を用いて自動的にＤＩＣＯＭ座標系の装置非依存座標に変換する。

当該コンピュータ・プログラムは、ユーザとの対話により、上述の手順全体を制御することも、またはプログラム・モジュールの形式で本方法の特定の部分を自動的に実行することができる。

以下に本発明およびその効果を、図面に示す例証的な実施形態を参照しつつ、更に詳述する。

図１は、スライド６に載せられた構造を拡大して結像する対物レンズ７を有する顕微鏡１を極めて模式的に示す。これらの構造は、細胞または細胞の集合体であってよいが、あるいは半導体構造等の工業製品であってもよい。従って、顕微鏡検査の応用は、医学分野（細胞学、組織学、病理学）から工業分野（例えばウェハー生産またはナノテクノロジー）にわたる。これらの分野において、構造におけるいかなる顕著な特徴または欠陥もマーク付けでき、後の段階で、または異なるユーザにより検索できることが必須である。

多くの場合、顕微鏡画像を更に処理して保存できるように、コンピュータ・ユニット２が顕微鏡１または顕微鏡カメラ１１に接続されている。簡便のため、以下では、顕微鏡画像８はコンピュータ・ユニット２のモニタ１０で閲覧可能であること、および装置座標（顕微鏡画像の座標）を決定するユニット４の少なくとも一部もコンピュータ・ユニット２に存在するものと仮定する。

スライド６は、しばしば真空吸入により顕微鏡台５に適用され、顕微鏡台５の３次元位置は一般に調節可能である。対象の構造は、ワンショットまたはスキャナを用いて調べることができる。

顕微鏡１から、または顕微鏡カメラ１１からコンピュータ・ユニット２へ送信された画像データは、本実施形態において、コンピュータ・ユニット２のモニタ１０に装置依存座標系で表示されるが、例えばマウス１２を用いて表示画像の特定の位置をクリックすることにより、当該位置の対応する座標を顕微鏡システムにおいて決定して表示し、保存することができる。

この場合、コンピュータ・ユニット２は、１個以上の結像された基準位置の座標と、これに関連付けられた、スライド６のＤｌＣＯＭ座標系に基づく既知の所定基準座標から変換規則Φを導くことが可能であるコンピュータ・プログラムを有し、これにより装置依存座標をＤＩＣＯＭ座標系に変換することができる（この種のコンピュータ・プログラムの例を本明細書の末尾に示す）。基準位置または結像位置を用いて変換規則を計算するために、スライドとしてＤＩＣＯＭ座標系に少なくとも１個の基準位置を有する較正スライド３を用いてシステムを較正することが好都合である。

例えば、欠陥、顕著な特徴または誤差を表わす結像位置の座標を装置非依存的に決定することは、当該位置を確実に検索するために極めて好都合である。これにより、例えば引き続き同一装置または同一構造の装置を用いて監視している間のように同一または類似の装置での公差にかかわらず、更には後で異なる機材または遠隔顕微鏡検査（遠隔病理学または遠隔診断または手術）によっても、確実に発見可能になる。

図２に、ＤＩＣＯＭ（ＸＹ）座標系を有する較正スライド３と、これに関連付けられた、装置依存（ｘｙ）座標系を有する顕微鏡画像８を示す。変換規則Φは、２種の座標系間の対応関係を与える。

本発明による較正スライド３は本実施形態において、ＤＩＣＯＭ座標系Ｘ、Ｙ、ＺにおいてＥ_１〜Ｅ_６に対応する６個の較正照準９を有し、ゼロ位置は較正スライド３の左上隅にある。簡便のため、以下の記述ではＺ座標を考慮しない。Ｚ較正に可能なオプションは、本明細書において既に述べている。図１に示すシステムを較正すべく、最初に、較正スライド３を顕微鏡台５に配置して、顕微鏡画像８が顕微鏡１およびコンピュータ・ユニット２により生成される。図２の下半分に、装置依存座標系ｘ、ｙを有するこの種の顕微鏡画像８を示し、一方、図に示す較正照準（Ｅ_１〜Ｅ_６）における対応装置座標（ｘ_１、ｙ_１）〜（ｘ_６、ｙ_６）は、ユニット４を用いて決定することができる。較正用に６個の較正照準９の全部を使う必要はなく、要求される精度に応じてより少ない個数の較正照準で済む場合があることを述べておく必要がある。しかし、上述のように、過剰決定アフィン変換により変換規則を導くために３個の較正照準を用いれば好都合である。

過剰決定アフィン変換の方法（本明細書の末尾の例を参照）は、当然公知であり、従って以下では詳述しない。当業者には公知の変換規則Φを導く他の可能な方法もある。装置座標決定ユニット４は、適切な個数の結像された較正照準、すなわちｘ、ｙ座標系内の対応基準位置Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３・・・の座標を決定する。ＤＩＣＯＭのＸＹ座標系での較正スライド３の対応する較正照準９（基準位置）の座標は事前に与えられる。これらから、コンピュータ・ユニット２、またはより正確には、当該コンピュータ・ユニット２で動作している対応コンピュータ・プログラムは、装置依存座標（ｘ、ｙ）をＤＩＣＯＭ座標系の座標（Ｘ、Ｙ）に変換する変換規則Φを計算することができる。

現在のスライド・フォーマットに対応する較正スライドが生成されたならば有用であり、上述のように、これを用いて連関した変換規則Φを計算することができる。

発見された変換規則Φを用いて、図３に示すように結像位置Ｐの装置座標（ｘ_ｐ、ｙ_ｐ）を、ＤＩＣＯＭ座標系の装置非依存座標（Ｘ_ｐ、Ｙ_ｐ）に変換することができる。位置Ｐは、例えば細胞構造における顕著な特徴、または半導体構造における欠陥を表わしている場合がある。位置Ｐの座標は、装置座標決定ユニット４で測定されて、既知の変換規則Φを用いてＤＩＣＯＭ座標系の装置非依存座標に変換される。後続する監視または再検査のために、標本と共に位置Ｐの装置非依存座標が再検査にかけられる。再検査を行なうシステムも無論、ＤＩＣＯＭ座標系用の較正機能を備えていなければならない。特に、本システムは、当該位置が顕微鏡画像８で再びアクセスできるように、逆変換規則Φ^−１を用いて位置Ｐに与えられたＤＩＣＯＭ座標から、位置Ｐの関連付けられた装置依存座標を計算する必要がある。

以下は、Ｃプログラミング言語で書かれたコンピュータ・プログラムの例であり、これにより、過剰決定アフィン変換方法を用いて、顕微鏡固有座標系およびＤＩＣＯＭ座標から、座標の順および逆変換を実行することができる。

以下のテキストは、６個の較正位置がＥ_１〜Ｅ_６が予め設定され、次いで２種の試験を実施した場合に上記のプログラムにより生成されたプリントアウトを示す。第一の試験（試験１）は較正位置Ｅ４についてＤＩＣＯＭ座標系への逆変換を行なうのに対し、第二の試験（試験２）は与えられた試験位置（Ｐ）の順変換および逆変換を行なう：
顕微鏡固有座標系からＤＩＣＯＭ座標系へのアフィン変換
ゲージ位置の座標

順計算係数

逆計算係数

計算の試験
ゲージ位置Ｅ４の顕微鏡台標を入力として用いる試験１

試験１の終了
試験位置に順変換および逆変換を適用する試験２

試験２の終了

プログラムが生成した上記のテキストのプリントアウトは、容易に理解できるよう（可能な限り）ドイツ語で以下に再現する。

顕微鏡で結像する位置の座標の装置非依存的に決定する、本発明によるシステムを模式的に示す 変換規則Φを計算するための装置座標を決定するユニットの一部を模式的に示した状態で、本発明による較正スライドおよび顕微鏡画像を示す。 結像位置Ｐを、装置依存座標系、およびＤＩＣＯＭ座標系で示す。

符号の説明

１ 顕微鏡
２ コンピュータ・ユニット
３ 較正スライド
４ 装置座標決定ユニット
５ 顕微鏡台
６ スライド
７ 対物レンズ
８ 顕微鏡画像
９ 較正照準、スライド上の位置
１０ モニタ
１１ カメラ
１２（コンピュータ）マウス
Ｐ 結像位置
Φ 変換規則
Ｘ、Ｙ、Ｚ ＤＩＣＯＭ座標系の座標、基準座標
ｘ、ｙ、ｚ 顕微鏡システムの座標、装置座標
Ｅ_１、．．．、Ｅ_６ 較正照準、位置、基準位置

Claims (12)

1. 顕微鏡を用いて結像された位置（Ｐ）の座標を装置非依存的に決定する方法であって、最初に、ＤＩＣＯＭ座標系内の少なくとも１個の基準位置（Ｅ_１）の所与の対物レンズに関連付けられた基準座標（Ｘ_１、Ｙ_１、Ｚ_１）において、装置依存座標系内の少なくとも１個の結像された基準位置（Ｅ_１）に対応する装置座標（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）を決定し、これらから、装置依存座標（ｘ、ｙ、ｚ）をＤＩＣＯＭ座標系の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に変換する変換規則（Φ）が取得され、次いで、装置非依存的に座標を決定すべく、結像位置（Ｐ）の装置座標（ｘ_ｐ、ｙ_ｐ、ｚ_ｐ）を、前記発見された変換規則（Φ）によりＤＩＣＯＭ座標系の装置非依存座標（Ｘ_ｐ、Ｙ_ｐ、Ｚ_ｐ）に変換する方法。
2. 較正スライドを用いて１個以上の基準位置（Ｅ_１）の基準座標（Ｘ_１、Ｙ_１、Ｚ_１）を予め設定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 特定種類のスライドの各々に対して、較正スライドを製造および／または使用することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 過剰決定アフィン変換を用いて、特に前記（ｘ、ｙ）座標に関する前記変換規則を決定することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 平均化および／または傾斜平面方式を用いて、特にｚ座標について前記変換規則を決定することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. ＤＩＣＯＭ座標系において予め設定されている基準座標（Ｘ_１、Ｙ_１、Ｚ_１）を備える少なくとも１個の基準位置（Ｅ_１）を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法で用いる較正スライド。
7. 既知の種類のスライドに形状と大きさが一致する、請求項６に記載の較正スライド。
8. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法のために、請求項６または７に記載の較正スライドを使用する法。
9. 顕微鏡を用いて結像する位置（Ｐ）の座標を装置非依存的に決定するシステムであって、前記顕微鏡が、結像位置（Ｐ）の装置座標（ｘ_ｐ、ｙ_ｐ、ｚ_ｐ）を決定するユニット（４）を備えて構成され、少なくとも１個の結像された基準位置（Ｅ_１）の装置座標（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）およびＤＩＣＯＭ座標系内の連関した所定の対物レンズに関連付けられた基準座標（Ｘ_１、Ｙ_１、Ｚ_１）から、装置依存座標（ｘ、ｙ、ｚ）をＤＩＣＯＭ座標系の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に変換する変換規則（Φ）を計算するコンピュータ・ユニットが設けられるシステム。
10. 前記コンピュータ・ユニットが、前記取得された変換規則（Φ）を用いて、前記結像位置（Ｐ）の装置座標（ｘ_ｐ、ｙ_ｐ、ｚ_ｐ）から、装置非依存のＤＩＣＯＭ座標系において対応する座標（Ｘ_ｐ、Ｙ_ｐ、Ｚ_ｐ）を計算すべく構成されている、請求項９に記載のシステム。
11. コンピュータまたは対応するコンピュータ・ユニット、特に請求項９に記載のシステムにおけるコンピュータ・ユニット上で実行された場合に、請求項１〜５の少なくとも一項に記載の方法を実行すべくプログラム・コーディング手段を備えたコンピュータ・プログラム。
12. コンピュータまたは対応するコンピュータ・ユニット、特に請求項９に記載のシステムにおけるコンピュータ・ユニット上で実行された場合に、請求項１〜５の少なくとも一項に記載の方法を実行すべくコンピュータ可読なデータ保持媒体に保存されている、プログラム・コーディング手段を備えたコンピュータ・プログラム製品。

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