JP2009211030A - マニピュレータシステム及び微小な操作対象物の操作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】細胞や卵等の微小な操作対象物に関する３次元画像を表示可能なマニピュレータシステム及び微小な操作対象物の操作方法を提供する。
【解決手段】このマニピュレータシステムは、微小な操作対象物Ｂを操作するために電動により３軸方向に駆動可能なマニピュレータと、微小な操作対象物を観察可能な顕微鏡と、顕微鏡による顕微鏡画像を撮像するカメラと、顕微鏡画像を表示可能な表示部と、カメラから集録した顕微鏡画像情報に基づいて３次元画像情報を画像処理により得る画像処理部と、を備え、画像処理により得た画像情報を表示部に３次元表示する。
【選択図】図８

Description

本発明は、細胞等の微小な操作対象物を操作するマニピュレータシステム及び微小な操作対象物の操作方法に関する。

バイオテクノロジ分野において顕微鏡観察下で卵や細胞に精子やＤＮＡ溶液を注入（インジェクション）するなどのように細胞等の微小な対象物に操作を行うマニピュレータが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献２は、操作者が頭部装着型ディスプレイを装着し、顕微鏡画像を立体表示しながらマニピュレータを操作するようにしたマイクロマニピュレータを開示する。特許文献３は、顕微鏡画像上にマイクロマニピュレータの先端の高さ位置情報をあわせて表示するマニピュレータを操作するようにしたマイクロマニピュレータシステムを開示する。
特開２００４−３２５８３６号公報 特開平０６−２０２００４号公報 特開平０６−１０９９７９号公報

特許文献２では、頭部装着型ディスプレイを使用し顕微鏡画像を立体表示させているが、顕微鏡に取り付けているカメラ以外に左右両眼用コンバイナが眼前に配置されたヘルメット等の特別な機器を使用しなければならない。特許文献３の顕微鏡画像上に高さを表示する方法は、数値情報のみであり、特に操作に不慣れなものにとって顕微鏡視野下の位置関係が分かり難いといった問題点がある。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、特別な機器を使用することなく、細胞や卵等の微小な操作対象物に関する３次元画像を表示可能なマニピュレータシステム及び微小な操作対象物の操作方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態によるマニピュレータシステムは、微小な操作対象物を操作するために電動により３軸方向に駆動可能なマニピュレータと、前記微小な操作対象物を観察可能な顕微鏡と、前記顕微鏡による顕微鏡画像を撮像するカメラと、前記顕微鏡画像を表示可能な表示部と、前記カメラから集録した顕微鏡画像情報に基づいて３次元画像情報を画像処理により得る画像処理部と、を備え、前記画像処理により得た画像情報を前記表示部に３次元表示することを特徴とする。

このマニピュレータシステムによれば、カメラから集録した顕微鏡画像情報に基づいて画像処理により３次元画像情報を得て、その画像情報を表示部に３次元表示できるので、特別な機器を使用することなく、細胞や卵等の微小な操作対象物に関する画像を３次元表示可能となる。この３次元表示により、平面（ＸＹ）情報に加えて高さ情報（Ｚ）を画像表示から知ることができるので、マニピュレータによる微小な操作対象物に関する操作を確認し易くなり、マニピュレータの微小な操作対象物に対する調整が容易となる。

上記マニピュレータシステムにおいて、前記表示部の画面を分割し、各分割された画面に前記画像処理前の画像情報を２次元表示するとともに前記画像処理後の画像情報を３次元表示することで、微小な操作対象物についての２次元表示画像と３次元表示画像とを対比しながら微小な操作対象物に関する操作を行うことができる。

また、前記マニピュレータには前記微小な操作対象物を操作するためのキャピラリが装着され、前記キャピラリの少なくとも先端部分を前記微小な操作対象物とともに３次元表示することが好ましい。

また、前記マニピュレータを一対備え、一方のマニピュレータには前記微小な操作対象物をインジェクション操作するためのインジェクション用キャピラリが装着され、他方のマニピュレータには前記微小な操作対象物を保持するためのホールディング用キャピラリが装着され、前記インジェクション用キャピラリ及び前記ホールディング用キャピラリの少なくとも先端部分の画像を前記微小な操作対象物の画像とともに３次元表示することが好ましい。

なお、本実施形態によるマニピュレータシステムは、前記キャピラリの動作を制御する制御部と、前記制御部に対し前記キャピラリの動作を指示するために操作者により操作される操作部と、を備え、前記操作部が、前記指示の少なくとも一部を押されることで実行するボタン操作部を有し、前記ボタン操作部を押すことで、前記キャピラリによる操作の少なくとも一部の動作が行われるように構成することができる。

本実施形態による微小な操作対象物の操作方法は、上述のマニピュレータシステムを用いて微小な操作対象物を操作する方法であって、前記微小な操作対象物をホールディング用キャピラリに保持し、前記保持された微小な操作対象物に対しインジェクション用キャピラリによりインジェクション操作を行う際に、前記表示部に前記微小な操作対象物の画像情報を３次元表示しながら、前記微小な操作対象物に関する操作を行うことを特徴とする。

この微小な操作対象物の操作方法によれば、細胞や卵等の微小な操作対象物に関する画像情報を３次元表示して立体表示することでキャピラリの高さ方向の位置情報を画像表示で認識できるので、微小な操作対象物に関する操作の確認がし易くなり、微小な操作対象物に対する操作を実行し易くなる。また、インジェクション用キャピラリの高さ方向位置を３次元表示により確認でき容易に調整できるので、インジェクション操作前にインジェクション用キャピラリをホールディング用キャピラリに保持された微小な操作対象物に対し正確に位置決めできる。

上記微小な操作対象物の操作方法において前記マニピュレータシステムは前記インジェクション用キャピラリの動作を指示するために操作者により操作される操作部を備え、前記操作部が前記指示の少なくとも一部を押されることで実行するボタン操作部を有し、前記ボタン操作部を押すことで、前記インジェクション操作の少なくとも一部の動作が行われるようにすることが好ましい。これにより、細胞や卵等の微小な操作対象物に関する画像情報を３次元表示して立体表示することでキャピラリの高さ方向の位置情報を画像表示で認識しながら、操作部のボタン操作部を押すことでインジェクション操作の少なくとも一部の動作を行うことができるので、微小な操作対象物に関する操作の確認がし易くなり、微小な操作対象物に対する操作を実行し易くなる。

なお、上述のように、分割された表示部の画面に微小な操作対象物に関する画像情報を２次元表示及び３次元表示することで、２次元表示画像と３次元表示画像とを対比しながら操作できるので、微小な操作対象物に関する操作の確認がよりし易くなる。

本発明のマニピュレータシステムによれば、細胞や卵等の微小な操作対象物に関する画像情報を３次元表示することができ、微小な操作対象物に関する操作の確認が容易となり、微小な操作対象物に対する操作を行い易くなる。

また、本発明の微小な操作対象物の操作方法によれば、微小な操作対象物に関する画像情報を３次元表示することで微小な操作対象物に関する操作の確認がし易くなるので、微小な操作対象物に対する操作を実行し易くなる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態を示すマニピュレータシステムの構成図である。図１において、マニピュレータシステム１０は、顕微鏡観察下で試料に人口操作を実施するためのシステムとして、顕微鏡ユニット１２と、マニピュレータ１４と、マニピュレータ１６とを備えており、顕微鏡ユニット１２の両側にマニピュレータ１４、１６が分かれて配置されている。

顕微鏡ユニット１２は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる撮像素子を用いたカメラ１８、顕微鏡２０、試料台としてのベース２２を備えている。このベース２２の直上に顕微鏡２０が配置される構造となっている。なお、顕微鏡２０とカメラ１８とは一体構造となっており、図示は省略したが、ベース２２に向けて光を照射する光源を備えている。

ベース２２上には試料（図示せず）が乗せられるようになっている。この状態で、ベース２２上の試料に顕微鏡２０から光が照射され、ベース２２上の細胞で反射した光が顕微鏡２０に入射すると、細胞に関する光学像は、顕微鏡２０で拡大されたあとカメラ１８で撮像されるようになっており、カメラ１８の撮像による画像を基に試料を観察することができる。

マニピュレータ１４は、図１に示すように、Ｘ軸‐Ｙ軸‐Ｚ軸の３軸構成のマニピュレータとして、ピペット２４、Ｘ‐Ｙ軸テーブル２６、Ｚ軸テーブル２８、Ｘ‐Ｙ軸テーブル２６を駆動する駆動装置３０、Ｚ軸テーブルを駆動する駆動装置３２を備えて構成されている。ピペット２４の先端には、毛細管チップであるキャピラリ２５が取り付けられている。

ピペット２４は、Ｚ軸テーブル２８に連結され、Ｚ軸テーブル２８は、Ｘ‐Ｙ軸テーブル２６上に上下動自在に配置され、駆動装置３０、３２はコントローラ４３に接続されている。

Ｘ‐Ｙ軸テーブル２６は、駆動装置３０の駆動により、Ｘ軸またはＹ軸に沿って移動するように構成され、Ｚ軸テーブル２８は、駆動装置３２の駆動により、Ｚ軸に沿って（鉛直軸方向に沿って）移動するように構成されている。Ｚ軸テーブル２８に連結されたピペット２４は、Ｘ‐Ｙ軸テーブル２６とＺ軸テーブル２８の移動にしたがって３次元空間を移動領域として移動し、ベース２２上の細胞などをキャピラリ２５で保持するように構成されている。

マニピュレータ１６は、直交３軸構成のマニピュレータとして、ピペット（インジェクションピペット）３４と、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６と、Ｚ軸テーブル３８と、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６を駆動する駆動装置４０と、Ｚ軸テーブル３８を駆動する駆動装置４２を備え、ピペット３４は、Ｚ軸テーブル３８に連結され、Ｚ軸テーブル３８は、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６上に上下動自在に配置され、駆動装置４０、４２は、コントローラ４３に接続されている。ピペット３４の先端にはキャピラリ（ガラスキャピラリ）３５が取り付けられている。

Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６は、駆動装置４０の駆動により、Ｘ軸またはＹ軸に沿って移動するように構成され、Ｚ軸テーブル３８は、駆動装置４２の駆動により、Ｚ軸に沿って（鉛直軸方向に沿って）移動するように構成されている。Ｚ軸テーブル３８に連結されたピペット３４は、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８の移動にしたがって３次元空間を移動領域として移動し、ベース２２上の試料に人工操作を行うように構成されている。このように、マニピュレータ１４、１６はほぼ同一構成であり、以下、ピペット３４が連結されたマニピュレータ１６を例に挙げて説明する。

Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６は、駆動装置４０の駆動（モータ）により、Ｘ軸またはＹ軸に沿って移動するように構成され、Ｚ軸テーブル３８は、駆動装置４２の駆動（モータ）により、Ｚ軸に沿って（鉛直軸方向に沿って）移動するように構成されているとともに、ベース２２上の細胞などを、針を挿入するための挿入対象とするピペット３４を連結している。

すなわち、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８は、駆動装置４０、４２の駆動により、ベース２２上の細胞などを含む３次元空間を移動領域として移動し、ピペット３４を、例えば、ピペット３４の先端側からベース２２上の細胞（試料）に対して、針を挿入するための挿入位置まで粗動駆動する粗動機構（３次元軸移動テーブル）として構成されている。

また、Ｚ軸テーブル３８とピペット３４との連結部は、ナノポジショナとしての機能を備えている。ナノポジショナは、ピペット３４を設置している方向へ自在に移動可能に支持するとともに、さらに、ピペット３４をその長手方向（軸線方向）に沿って微動駆動するように構成されている。

具体的には、Ｚ軸テーブル３８とピペット３４との連結部には、ナノポジショナとして、微動機構４４を備えている。

微動機構４４は、図２乃至図４に示すように、圧電アクチュエータの本体を構成するハウジング４８を備えており、ほぼ筒状に形成されたハウジング４８内には、ピペット３４を駆動対象として、外周側にねじ部を有するねじ軸５２と、ねじ軸５２を囲む中空状の回転軸５４が挿通されている。ハウジング４８はその底部がベース５６に固定されている。

ねじ軸５２の先端側には、治具５８を介してピペット３４の根元側が連結されており、ねじ軸５２の中程には、ねじ軸５２外周のねじ部とねじ結合されるねじ要素としてのボールねじナット（ＢＳナット）６０が装着され、治具５８とねじ軸５２との間にはスライダ６２が連結されている。スライダ６２はベース５６とほぼ直交する方向に配置され、切り欠き６４を間にしてリニアガイド６６に連結されている。リニアガイド６６はベース５６底部側に配置され、ベアリング６８を介して、ねじ軸５２の軸方向に沿って移動自在にベース５６に連結されている。

すなわち、リニアガイド６６は、ねじ軸５２の軸方向の移動に合わせて、ねじ軸５２の先端側を支持したスライダ６２を、ベース５６に沿って往復動させるようになっている。この際、ねじ軸５２のうちボールねじナット６０よりもピペット３４側の部位が、スライダ６２を介してリニアガイド６６でスライド自在に支持されるので、ねじ軸５２の直線運動をピペット３４へ伝達することができる。

ボールねじナット６０は、回転軸５４の軸方向一端側（先端側）の段部５４ａに固定されているとともに、ねじ軸５２外周のねじ部とねじ結合され、ねじ軸５２がその軸方向に沿って往復動（直線運動）するのを自在に支持するようになっている。すなわち、ボールねじナット６０は、回転軸５４の回転運動をねじ軸５２の直線運動に変換するための要素として構成されている。

回転軸５４の軸方向他端側は、中空モータ７０内の回転部に連結している。中空モータ７０のハウジング７４は、その底部側がベース５６に弾性体としてのゴムワッシャ７６を介してボルト７８が固定されている。中空モータ７０が駆動されると回転軸５４が回転し、回転軸５４の回転運動がボールねじナット６０を介してねじ軸５２に伝達され、ねじ軸５２がその軸方向に沿って直線運動するようになっている。なお、モータ７０と回転軸５４との連結にカップリングを使用してもよい。

一方、回転軸５４の段部５４ａに隣接して、軸受８０、８２が内輪間座８４を間にして収納されている。軸受８０、８２は、それぞれ内輪８０ａ、８２ａと、外輪８０ｂ、８２ｂと、内輪と外輪間に挿入されたボール８０ｃ、８２ｃを備え、各内輪８０ａ、８２ａが回転軸５４の外周面に嵌合され、各外輪８０ｂ、８２ｂがハウジング４８の内周面に嵌合され、回転軸５４を回転自在に支持するようになっている。軸受８０、８２は、内輪間座８４を間にし、回転軸５４にロックナット８６により固定されている。軸受８０は、ハウジング４８内の段部５４ａと円環状のスペーサ９０と当接することにより、回転軸５４の軸方向への移動が規制されるようになっている。軸受８２の外輪８２ｂとハウジング４８の蓋８８との間に、円環状の圧電素子９２と円環状のスペーサ９０が圧入されている。

また、各軸受８０、８２、圧電素子９２は、スペーサ９０の長さを調節し、蓋８８を閉めることにより、予圧が付与される。

具体的には、スペーサ９０の長さを調整し、蓋８８を閉めると、その位置に応じた締結力が軸受８２と軸受８０の外輪８２ｂ、８０ｂに、軸方向に沿った押圧力として予圧が付与されるとともに、同時に圧電素子９２にも予圧が付与される。これにより、軸受８０、８２および圧電素子９２に所定の予圧が付与され、軸受８０、８２の外輪間に軸方向間の距離としての間隙９４が形成される。

圧電素子９２は、リード線（図示せず）を介して制御回路としてのコントローラ４３に接続されており、コントローラ４３からの電圧に応じて回転軸５４の長手方向（軸方向）に沿って伸縮する圧電アクチュエータの一要素として構成されている。すなわち、圧電素子９２は、コントローラ４３からの印加電圧に応答して、回転軸５４の軸方向に沿って伸縮し、回転軸５４をその軸方向に沿って微動させるようになっている。回転軸５４が軸方向に沿って微動すると、この微動がねじ軸５２を介してピペット３４に伝達され、ピペット３４の位置が微調整されることになる。

圧電素子９２に印加する電圧の電圧波形としては、正弦波、矩形波、三角波などを用いることができる。また圧電素子９２に電圧を印加する方法としては、操作者がボタン４３Ｂを押している間、信号波形を連続して出力して駆動してもよいし、バースト波形を使用してもよい。

本実施形態においては、軸受８０、８２のうち軸受８０の内輪８０ａと外輪８０ｂの変位量であって、圧電素子９２の変位の半分の変位量がピペット３４の変位量に設定されているため、圧電素子９２には微動変位量の２倍の変位を与えるための制御電圧と初期設定電圧とを加算した微動用電圧を印加することになる。

例えば、圧電素子９２に２ｘの伸びが生じたときには、この伸びによる押圧力は微動制御を行う前の予圧荷重に加えて軸受８２の外輪８２ｂを押圧し、軸受８０の外輪８０ｂを軸方向に移動させ、軸受８０、８２の各外輪間の間隙９４が２ｘ分更に狭くなって圧電素子９２の軸方向の伸びを吸収する。

この間隙９４の変位は、弾性変形に伴って軸受８０、８２がそれぞれ軸方向にｘずつ変位し、軸受８０の外輪８０ｂが軸方向に合わせて２ｘ変位することにより生じる。

逆に、圧電素子９２が２ｘ縮むと、押圧力が減少し、軸受８０、８２の弾性変形がそれぞれｘずつ減少し、間隙９４が広がる方向に、軸受８０の外輪８０ｂが軸方向に合わせて２ｘ変位することになり、圧電素子９２の縮む分を吸収する。

このように、間隙９４の変位ｘを軸受８０、８２がｘずつ分けて吸収するので、軸受８０、８２を互いに押圧する力がバランスしたときに、軸受８０、８２の内輪８０ａ、８０ｂが回転軸５４と共に軸方向にｘ変位する。これにより、回軸軸５４にねじ軸５２を介して連結されたピペット３４が軸方向にｘだけ変位する。つまり、圧電素子９２の２ｘの半分の変位量がピペット３４の微動変位量となってピペット３４が挿入位置に挿入される。ピペット３４が挿入位置に位置決めされたあと、圧電素子９２にインジェクション用電圧を印加すると、ピペット３４がインジェクション動作を行うことになる。

本実施形態によれば、中空モータ７０の駆動に伴う回転軸５４の回転運動をボールねじナット６０を介して直線運動に変換してねじ軸５２に伝達し、中空モータ７０の粗動駆動に伴うねじ軸５２の直線運動によってピペット３４をその軸方向に沿って粗動駆動し、微動機構４４の微動駆動に伴うねじ軸５２の直線運動によってピペット３４をその軸方向に沿って微動駆動させるようにしたため、ピペット３４にガラスキャピラリ３５を取り付けるだけで、ピペット３４を直線運動させることができ、顕微鏡作業箇所に配置されたベース２２へ向けてピペット３４を移動させたり、ベース２２からピペット３４を退避させたりする際に、煩雑な作業を不要とすることができる。

次に、図１〜図６のマニピュレータシステム１０のコントローラ４３による制御について図７〜図９を参照して説明する。図７は図１のコントローラ４３による制御系要部を示すブロック図である。図８は図９の表示部４５に表示される画面例を示す図であり、画像処理前の顕微鏡画像の例（ａ）及び画像処理後の顕微鏡画像の例（ｂ）である。

図１，図７のコントローラ４３は、例えば、パーソナルコンピュータ（パソコン、ＰＣ）から構成することができ、演算手段としてのＣＰＵ（中央演算処理装置）及び記憶手段としてのハードディスク、ＲＡＭ、ＲＯＭなどのハードウエア資源を備え、所定のプログラムに基づいて各種の演算を行い、演算結果に従って各種の制御を行うように駆動指令を出力する。すなわち、コントローラ４３は、マニピュレータ１４の駆動装置３０，３２，マニピュレータ１６の駆動装置４０，４２，微動機構４４のモータ７０，圧電素子９２等を制御し、必要に応じて設けられたドライバやアンプ等を介してそれぞれに駆動指令を出力する。

また、コントローラ４３には、情報入力手段としてキーボードの他にジョイスティック４７，マウス４３Ａ，ボタン４３Ｂ（図１）が接続されており、さらに、ＣＲＴや液晶パネルからなる表示部４５が接続されている。表示部４５には、カメラ１８で撮像したキャピラリ２５，３５の顕微鏡画像を含めて卵等の微小な操作対象物の顕微鏡画像や演算結果に関する情報や各種制御ボタンを含む制御用画面などが表示されるようになっている。

コントローラ４３は、カメラ１８で集録した顕微鏡画像情報を画像処理して３次元画像情報を得る画像処理部４６を備える。画像処理部４６は、カメラ１８から集録した２次元画像情報について各画素のＸＹ（ＸＹ平面）情報と各画素の数値情報とを用いて高さ（Ｚ）方向の情報を演算することで３次元画像情報を得て、その３次元画像情報に基づいて表示部４５にカメラ１８で集録した顕微鏡画像を３次元表示する。画像処理部４６における画像処理は、ＣＰＵによるソフトウエア的処理で実行可能であるが、集積素子を用いたハードウエア的処理でも実行可能である。

カメラ１８から集録した顕微鏡画像（２次元画像）の例を図８（ａ）に示すが、この顕微鏡画像は、ホールディング用キャピラリ２５に操作対象物の卵の代わりに同程度のサイズのガラスビーズＧＢを保持し、その近傍にインジェクション用キャピラリ３５をセッティングした状態を示す画像であり、表示部４５に２次元表示される。図８（ｂ）の３次元画像は、図８（ａ）の顕微鏡画像を図７の画像処理部４６で画像処理して３次元画像情報を得て、表示部４５に３次元表示したものであり、ホールディング用キャピラリ２５にガラスビーズＧＢを保持し、その近傍にインジェクション用キャピラリ３５をセッティングした状態の画像である。

図８（ａ）の画像処理前の２次元表示画像ではキャピラリ２５に保持されたガラスビーズＧＢ（操作対象物の模型）に対するキャピラリ３５の高さ方向位置（図８（ａ）の紙面垂直方向位置）を認識することが難しいのに対し、図８（ｂ）の画像処理後の３次元表示画像によれば、３次元表示によりガラスビーズＧＢに対するキャピラリ３５の高さ方向位置を認識でき、キャピラリ３５の高さ方向位置を容易に調整できる。

図８（ｂ）の例では、顕微鏡画像を画像情報の輝度情報に基づき３次元表示しているが、その他の情報を用いてもよい。また、画像情報の数値の大きさに対し色付けした色分け表示により３次元表示をしてもよい。また、図８（ｂ）の画像はモノクロ画像であるが、カラー画像でもよい。

次に、コントローラ４３の表示部４５に表示される画面例について図９を参照して説明する。図９は図１，図７のコントローラ４３の表示部４５に表示される画面例を示す図である。

図９のように、コントローラ４３の表示部４５には、制御用画面４５ａと、顕微鏡画像表示用の画像表示部４５ｂ、４５ｃとが表示される。制御用画面４５ａには、例えば、マニピュレータシステム１０の停止ボタン４５ｄ、マニピュレータ１４，１６の電動と手動との切り替えボタン４５ｅ等が表示され、これらのボタンは、例えば、マウス４３Ａにより操作されるようになっている。

図９のように、２つの画像表示部４５ｂ、４５ｃは横方向に並んでおり、各画像表示部４５ｂ、４５ｃにはカメラ１８で集録した顕微鏡画像情報をそれぞれ２次元表示及び３次元表示できる。図１０の例は、図８（ａ）、（ｂ）と同様に、ホールディング用キャピラリ２５にガラスビーズＧＢ（操作対象物の模型）を保持し、その近傍にインジェクション用キャピラリ３５をセッティングした状態を示す顕微鏡画像情報を画像表示部４５ｂに２次元表示し、画像表示部４５ｃに３次元表示したものである。これにより、２つの画像表示部４５ｂ、４５ｃに、細胞や卵等の微小な操作対象物に関する２次元表示画像と３次元表示画像とを並べて表示して対比しながら、微小な操作対象物に関する操作を行うことができる。このように、画像処理をしていない２次元表示画像と、画像処理をした３次元表示画像と、を対比しながらマニピュレータ１４，１６による操作が可能となり、３次元情報を立体的に表示するため、操作者がマニピュレータ１４，１６を操作する際の高さ方向の調整を容易に行うことが可能となる。

図１のマニピュレータシステム１０の操作のため、図１，図７のように、コントローラ４３に接続されたジョイスティック４７を主に用いることができ、マニピュレータ１４，１６に対し１つずつ用意する。ジョイスティック４７の具体例について図１０を参照して説明する。図１０は図１，図７のジョイスティックの具体例を示す斜視図である。

ジョイスティック４７は、図１０のように、複数のボタン４７ａ〜４７ｇとハンドル４７ｈとを有する。ハンドル４７ｈは、右方向Ｒ、左方向Ｌに傾斜させる（倒す）ことで図１の駆動装置３０，４０を駆動しマニピュレータ１４，１６をＸ軸方向、Ｙ軸方向に駆動でき、回転させる（ひねる）ことで駆動装置３２，４２を駆動しＺ軸方向に駆動できる。また、各ボタン４７ａ〜４７ｇに各機能の操作を割り当てることができ、例えば、ボタン４７ａ，４７ｂに図２〜図４の圧電アクチュエータ（微動機構４４）の圧電素子９２，モータ７０の駆動を割り当て、ボタン４７ｃにインジェクションの実行を割り当てることができるが、これらの割り当ては、操作者の好みに応じて適宜変更可能である。

上記構成において、インジェクション用マニピュレータ１６を駆動するに際しては、ジョイスティック４７のハンドル４７ｈを操作して、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８を粗動駆動し、インジェクションピペット３４をベース２２上の細胞に近づけて位置決めした後、微動機構４４を用いてピペット３４を微動駆動することができる。

具体的には、ピペット３４にガラス製のキャピラリ３５を装着するに際しては、図５に示すように、顕微鏡作業箇所に配置されたベース２２からピペット３４を退避させる状態になるように、マニピュレータ１４，１６を駆動する。これにより、ピペット３４にキャピラリ３５を装着する際、十分な作業スペースが得られる。

キャピラリ３５をピペット３４に装着した後は、ジョイスティック４７の操作等に基づくコントローラ４３からの指令により、マニピュレータ１４を駆動し、図６に示すように、キャピラリ３５が装着されたピペット３４を顕微鏡作業箇所であるベース２２に向けて移動させる。

キャピラリ３５を顕微鏡作業箇所に移動させる際、１回目（初めての）の操作の場合、表示部４５に表示される画像の顕微鏡視野倍率を低倍にし、マニピュレータ１６の駆動装置４０，４２や微動機構４４を駆動することで、顕微鏡２０の視野内にキャピラリ３５が確認でき次第、駆動装置４０，４２や微動機構４４の駆動を停止する。

このあと、コントローラ４３の画像処理を利用し、駆動装置４０，４２や微動機構４４を駆動することで、顕微鏡２０の視野内において、キャピラリ３５を最適位置へ移動し、駆動装置４０，４２や微動機構４４の駆動を停止する。このとき、１回目の操作の際に駆動した各テーブル３６，３８や微動機構４４による移動量をコントローラ４３に記憶させる。なお、上記キャピラリの最適位置への移動は、駆動装置４０，４２によるＸＹＺの駆動系（Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６，Ｚ軸テーブル３８）及び微動機構４４の両方または一方を適宜用いる。

次に、マニピュレータ１６を操作し、シャーレの交換あるいはキャピラリ３５の交換が必要になった場合、駆動装置４０，４２や微動機構４４を駆動し、顕微鏡作業箇所からキャピラリ３５を退避させるための操作を行う。このときジョイスティック４７の操作により、キャピラリ３５をセッティングした位置まで駆動する。なお、ボタン４３Ｂを用いて任意の位置まで退避するようにしてもよい。

一方、再度、顕微鏡作業箇所へキャピラリ３５を移動する場合、１回目にセッティングした際の位置をコントローラ４３が記憶しているため、マニピュレータ１６で、容易にキャピラリ３５の位置を調整可能になる。

また、一連の細胞操作作業中にキャピラリ３５を交換する必要があった場合でも、ピペット３４をマニピュレータ１６から外すことなく、キャピラリ３５をセッティングすることが可能となるので、作業効率を向上することができる。

キャピラリ３５として、その形状が均一なものを使用する場合は、本実施形態に係るマニピュレータ１６を用いることで、従来のものよりも効率を向上させることができる。また、キャピラリ３５の形状にばらつきがある場合でもピペット３４をアクチュエータ（ねじ軸５２）の駆動によって直線往復運動させることができるため、キャピラリ３５の位置を微細に調整できる。

また、キャピラリ３５が細胞の挿入位置に位置決めされたときには、ジョイスティック４７を操作して圧電素子９２にインジェクション用の電圧を印加し、微動機構４４を微動駆動することで、ピペット３４によるインジェクション動作を行うことができる。この際、圧電素子９２からピペット３４を支持する治具５８までの間には弱いばね要素を配置していないため、高い応答性を得ることが可能である。

上述のインジェクション用キャピラリ３５をインジェクション操作前に最適位置へ移動させてセッテイングする際に、図８（ｂ）のように、キャピラリ２５，３５の各先端を含む顕微鏡画像を３次元表示することで、キャピラリ２５に保持された微小な操作対象物に対するキャピラリ３５の高さ方向位置を認識できるので、キャピラリ３５の高さ方向位置を容易に調整でき微小な操作対象物に対して正確に位置決めできる。または、図９のように、２つの画像表示部４５ｂ、４５ｃに２次元表示画像と３次元表示画像とを並べて表示して対比することで、キャピラリ２５，３５の平面位置を確認しながらキャピラリ３５の高さ方向位置を容易に調整でき微小な操作対象物に対して正確に位置決めできる。

次に、図１のマニピュレータシステム１０による微小な操作対象物（卵）に対するインジェクション操作について図１１を参照して説明する。図１１は、図１の顕微鏡２０による顕微鏡視野を模式的に示し、卵に対するインジェクションのための各ステップ（ａ）〜（ｄ）を説明するための図である。

図１１（ａ）のように、ホールディング用マニピュレータ１４を駆動し、ホールディング用キャピラリ２５によりベース２２上の卵Ｄを保持した状態で、図１０のジョイスティック４７のハンドル４７ｈを操作し、インジェクション用キャピラリ３５の先端３５ａを卵Ｄに接近させる。このとき、インジェクション用キャピラリ３５は、上述のようにしてホールディング用キャピラリ２５に保持された卵Ｄに対し位置決めされている。

次に、図１１（ｂ）のように、ジョイスティック４７のハンドル４７ｈを操作したりボタン４７ａ，４７ｂを押すことで、インジェクション用キャピラリ３５の先端３５ａを卵Ｄに当接させる。

次に、図１１（ｃ）のように、図１０のジョイスティック４７のボタン４７ｃを押すと、コントローラ４３からインジェクション用電圧を印加して圧電素子９２を駆動し、初期設定されたインジェクション用電圧の信号波形に基づいて圧電素子９２によりインジェクション用キャピラリ３５が先端３５ａで穿孔動作を行い、インジェクション用キャピラリ３５の先端３５ａが前進方向Ｂに卵Ｄの透明帯を通して卵Ｄ内へと挿入され、インジェクション用キャピラリ３５から精子の入った溶液を注入する。

次に、上述のインジェクション動作の後、図１１（ｄ）のように、図１０のジョイスティック４７のボタン４７ｄを押すと、モータ７０を駆動し、インジェクションピペット３４の軸長手方向に沿って駆動して、後退方向Ｃにインジェクション用キャピラリ３５を駆動することで細胞Ｄ内から抜く。

上述のように、本実施形態によれば、圧電素子９２による穿孔動作・インジェクション開始からインジェクション用キャピラリ３５を細胞（卵Ｄ）から抜くまでの操作を押しボタンスイッチ４７ａ〜４７ｄの押す動作だけで実行することができ、ジョイスティックのレバー操作の必要がなくなり、操作が容易になる。また、上記操作をボタン操作とすることで、初期設定した動作を安定して実行させることができ、このため、人為的な誤差が少なくなるとともに、各操作を安定して繰り返し行うことが可能となる。

上述の図１１（ａ）〜（ｄ）の各操作の際に、図８（ｂ）のように顕微鏡画像を３次元表示することで、または、図９のように２つの画像表示部４５ｂ、４５ｃに２次元表示画像と３次元表示画像とを並べて表示して対比することで、キャピラリ２５，３５の位置を確認しながら上述の各操作を確実に実行することができる。例えば、図１１（ｂ）の操作の際に、図８（ｂ）のように顕微鏡画像を３次元表示し、または、図９のように画像表示部４５ｂ、４５ｃに２次元表示画像と３次元表示画像とを表示し、ジョイスティック４７を操作して、インジェクション用キャピラリ３５の先端３５ａを卵Ｄに確実に当接させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、マニピュレータシステム１０の顕微鏡２０に装着されたカメラ１８で集録した微小な操作対象物に関する顕微鏡画像を表示部４５に３次元表示することで、操作者はコントローラの表示部４５をみながらジョイスティックによりマニピュレータ１４，１６を操作する際に、微小な操作対象物やキャピラリ２５，３５の各位置（特に高さ方向）の確認がし易くなり、その結果、微小な操作対象物に対するインジェクション操作が実行し易くなる。かかる３次元表示画像を、本実施形態では、特殊な機器を使用することなく、顕微鏡に装着のカメラからの画像を画像処理することで容易に得ることができるので、マニピュレータシステム１０を低コストでかつ簡単な構成で提供することができる。

以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、図９では顕微鏡画像の１組の２次元表示画像及び３次元表示画像を表示するようにしたが、本発明はこれに限定されず、２組（またはそれ以上）を表示するようにしてもよく、この場合、別の１組は表示倍率を変えて表示するようにしてもよい。また、図９にもう１つ画像表示部を追加し、２次元表示画像または３次元表示画像を表示倍率を変えて表示してもよい。

本実施形態によるマニピュレータシステムの構成を概略的に示す図である。 図１のマニピュレータシステムに使用可能な圧電アクチュエータの正面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２の圧電アクチュエータの斜視図である。 図１のマニピュレータを顕微鏡作業箇所へ導入する前の状態を示す斜視図である。 図１のマニピュレータを顕微鏡作業箇所へ配置したときの状態を示す斜視図である。 図１のコントローラ４３による制御系要部を示すブロック図である。 図９の表示部４５に表示される画面例を示す図であり、画像処理前の顕微鏡画像の例（ａ）及び画像処理後の顕微鏡画像の例（ｂ）である。 図１，図７のコントローラ４３の表示部４５に表示されるもう１つの画面例を示す図である。 図１，図７のジョイスティックの具体例を示す斜視図である。 図１の顕微鏡２０による顕微鏡視野を模式的に示し、卵に対するインジェクションのための各ステップ（ａ）〜（ｄ）を説明するための図である。

符号の説明

１０ マニピュレータシステム、１４ ホールディング用マニピュレータ、１６ インジェクション用マニピュレータ、マニピュレータ、１８ カメラ、２０ 顕微鏡、２５ ホールディング用キャピラリ、キャピラリ、３５ インジェクション用キャピラリ、キャピラリ、４３ コントローラ、４５ 表示部、４５ｂ、４５ｃ 画像表示部、４６ 画像処理部、４７ ジョイスティック、７０ モータ、９２ 圧電素子、Ｄ 卵（微小な操作対象物）

Claims (6)

1. 微小な操作対象物を操作するために電動により３軸方向に駆動可能なマニピュレータと、
   前記微小な操作対象物を観察可能な顕微鏡と、
   前記顕微鏡による顕微鏡画像を撮像するカメラと、
   前記顕微鏡画像を表示可能な表示部と、
   前記カメラから集録した顕微鏡画像情報に基づいて３次元画像情報を画像処理により得る画像処理部と、を備え、
   前記画像処理により得た画像情報を前記表示部に３次元表示することを特徴とするマニピュレータシステム。
2. 前記表示部の画面を分割し、各分割された画面に前記画像処理前の画像情報を２次元表示するとともに前記画像処理後の画像情報を３次元表示する請求項１に記載のマニピュレータシステム。
3. 前記マニピュレータには前記微小な操作対象物を操作するためのキャピラリが装着され、前記キャピラリの少なくとも先端部分を前記微小な操作対象物とともに３次元表示する請求項１または２に記載のマニピュレータシステム。
4. 前記マニピュレータを一対備え、一方のマニピュレータには前記微小な操作対象物をインジェクション操作するためのインジェクション用キャピラリが装着され、他方のマニピュレータには前記微小な操作対象物を保持するためのホールディング用キャピラリが装着され、
   前記インジェクション用キャピラリ及び前記ホールディング用キャピラリの少なくとも先端部分の画像を前記微小な操作対象物の画像とともに３次元表示する請求項１または２に記載のマニピュレータシステム。
5. 請求項４に記載のマニピュレータシステムを用いて微小な操作対象物を操作する方法であって、
   前記微小な操作対象物をホールディング用キャピラリに保持し、前記保持された微小な操作対象物に対しインジェクション用キャピラリによりインジェクション操作を行う際に、前記表示部に前記微小な操作対象物の画像情報を３次元表示しながら、前記微小な操作対象物に関する操作を行うことを特徴とする微小な操作対象物の操作方法。
6. 前記マニピュレータシステムは前記インジェクション用キャピラリの動作を指示するために操作者により操作される操作部を備え、
   前記操作部が前記指示の少なくとも一部を押されることで実行するボタン操作部を有し、前記ボタン操作部を押すことで、前記インジェクション操作の少なくとも一部の動作が行われる請求項５に記載の微小な操作対象物の操作方法。