JP2010014964A - Living body observation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体観察装置に関する。 The present invention relates to a living body observation apparatus.
近年、生物学の研究において、標本として実験動物の一個体を用い、生きたままその臓器等を光学顕微鏡により観察するいわゆるインビボ観察が行われるようになっている。インビボ観察においては、観察対象が拍動、呼吸動などの動きを有するために観察位置のズレや焦点のボケが生じやすい。このような観察位置の変位や焦点ボケを解消するために、撮像手段を備えた顕微鏡全体を観察対象の動きに合わせて追従させる装置(例えば、特許文献1)、或いは、観察対象の動きに合わせて対物レンズを追従させる装置(例えば特許文献2)などが知られている。特許文献2では、観察対象の動きを検出するために、観察用のカメラとは別に検出用カメラを備えている。
通常、生体を観察する場合には光源をあまり強くはできない。そのため、撮像する際のフレームレートは小さくなる。図2に、フレームレートと読み出し速度を模式的に示した。図2における低速読み出しとはフレームレートが小さいことを意味する。観察用の画像を得るためには一般に、低速読み出しを行うことが必要である。一方、図2における高速読み出しとはフレームレートが大きいことを意味し、生体の変位を検出するためにはこのようにフレームレートを大きくする必要がある。 Usually, when observing a living body, the light source cannot be so strong. For this reason, the frame rate when imaging is reduced. FIG. 2 schematically shows the frame rate and the reading speed. The low speed reading in FIG. 2 means that the frame rate is small. In order to obtain an image for observation, it is generally necessary to perform low-speed reading. On the other hand, the high-speed reading in FIG. 2 means that the frame rate is high, and in order to detect the displacement of the living body, it is necessary to increase the frame rate in this way.
そこで従来の生体観察用顕微鏡装置は、フレームレートが異なる観察用と検出用の2台のカメラを備えていた。しかしながら、2台のカメラを使用することにより、構成が複雑になり、またコストも上昇するという問題があった。 Therefore, a conventional biological observation microscope apparatus includes two cameras for observation and detection having different frame rates. However, the use of two cameras has a problem in that the configuration becomes complicated and the cost increases.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、生体を生きたまま観察する生体観察装置において、検出用画像と観察用画像を一つの撮像装置で撮像することを可能にし、これによって、構成が簡略化された生体観察装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a living body observation apparatus for observing a living body alive, it is possible to capture a detection image and an observation image with a single imaging apparatus, An object of the present invention is to provide a living body observation apparatus having a simplified configuration.
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、試料に近接配置される対物レンズと、前記対物レンズを介して試料を撮像する撮像装置と、前記試料の変位を補正する方向に前記対物レンズを駆動する対物レンズ駆動装置と、前記試料の観察用画像と前記試料の変位を検出するための検出用画像を取得するように前記撮像装置の制御を行う制御装置とを備える生体観察装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The present invention includes an objective lens disposed close to a sample, an imaging device that images the sample via the objective lens, an objective lens driving device that drives the objective lens in a direction to correct the displacement of the sample, There is provided a living body observation apparatus including a sample observation image and a control device that controls the imaging device so as to acquire a detection image for detecting displacement of the sample.
本発明によれば、一つの撮像装置で検出用画像と観察用画像を撮像することが可能である。これにより、観察装置の構成を単純化することができる。 According to the present invention, it is possible to capture a detection image and an observation image with a single imaging device. Thereby, the structure of an observation apparatus can be simplified.
上記発明においては、前記撮像装置がXYアドレス式の撮像素子であり、前記制御装置が、観察用画像の撮像と検出用画像の撮像において前記撮像素子の読み出し画素を切り変えることができる。 In the above-described invention, the imaging device is an XY address type imaging device, and the control device can switch a readout pixel of the imaging device in imaging of an observation image and imaging of a detection image.
また上記発明においては、前記撮像装置が、長時間露光用画素と短時間露光用画素から構成される撮像素子を具備することができる。 In the above invention, the image pickup apparatus may include an image pickup device including long exposure pixels and short exposure pixels.
また上記発明においては、前記撮像装置が、前記長時間露光用画素と短時間露光用画素が1列置きに配置された撮像素子を具備することができる。或いは、前記撮像装置が、前記長時間露光用画素と短時間露光用画素が互い違いに配置されることができる。 In the above invention, the imaging device may include an imaging device in which the long-time exposure pixels and the short-time exposure pixels are arranged in every other column. Alternatively, in the imaging device, the long exposure pixels and the short exposure pixels may be alternately arranged.
また上記発明においては、前記撮像装置が、1つの画素内に2つの光感部を有し、高速読み出しと低速読み出しの両方が可能である画素から構成される撮像素子を具備することができる。
上記発明においては、前記撮像装置が、低速読み出し領域及び高速読み出し領域を有する撮像素子を具備することができる。
また上記発明においては、前記制御装置が、短時間露光による検出用画像の撮像と、長時間露光による観察用画像の撮像を交互に行うように前記撮像装置を制御することができる。
In the above invention, the imaging apparatus may include an imaging device including two light-sensitive portions in one pixel and including pixels that can perform both high-speed reading and low-speed reading.
In the above invention, the imaging device may include an imaging element having a low-speed readout region and a high-speed readout region.
Moreover, in the said invention, the said control apparatus can control the said imaging device so that the imaging of the image for a detection by short-time exposure and the imaging of the image for an observation by long-time exposure may be performed alternately.
また、上記生体観察装置は、生体観察用の顕微鏡であってよく、或いは内視鏡やその他の観察装置であってもよい。
上記生体観察装置において観察される試料は、生体中の細胞、組織又は内臓であってよく、生体の動的挙動が補正されることによって、生きたままの試料中の極微細な対象を観察することが可能である。
Further, the living body observation apparatus may be a living body observation microscope, or may be an endoscope or other observation apparatus.
The sample observed in the living body observation apparatus may be a cell, tissue, or internal organ in the living body, and the minute behavior in the living sample is observed by correcting the dynamic behavior of the living body. It is possible.
本発明によれば、検出用の撮像と観察用の撮像を一つの撮像装置で行うことが可能であり、より構成が簡略化された生体観察装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the imaging for a detection and the imaging for an observation can be performed with one imaging device, and the biological observation apparatus with the more simplified structure can be provided.
本発明の生体観察装置は、顕微鏡観察装置として好適に用いられるが、これに限定されず、例えば内視鏡観察装置やその他の適切な装置として用いられることもできる。以下、説明の便宜のため、顕微鏡観察装置を例として詳細に説明する。 The biological observation apparatus of the present invention is suitably used as a microscope observation apparatus, but is not limited to this, and can be used as, for example, an endoscope observation apparatus or other appropriate apparatus. Hereinafter, for convenience of explanation, a microscope observation apparatus will be described in detail as an example.
本発明の第1実施形態に係る顕微鏡観察装置1について、図1を参照して説明する。
本実施形態に係る顕微鏡観察装置1は、試料Sを搭載するステージ2と、励起光Eを出射する励起光源3と、該励起光源3からの励起光Eを導く照明レンズ(照明光学系)4と、該照明レンズ4により導かれた励起光Eを試料Sに導く一方、試料Sにおいて発生した蛍光Fをコリメートする対物レンズ5と、該対物レンズ5によりコリメートされた蛍光Fを励起光Eから分岐するダイクロイックミラー6と、蛍光Fを検出するCCDのような撮像装置(光検出部)9とを備えている。図中符号20は結像レンズである。
A
A
前記励起光源3、照明レンズ4、ダイクロイックミラー6、および撮像装置9は、顕微鏡本体10に備えられている。一方、前記対物レンズ5は、顕微鏡本体10から切り離され、対物レンズ駆動装置11により支持されている。
The excitation light source 3, the illumination lens 4, the
対物レンズ駆動装置11は、前記対物レンズ5をステージ2と顕微鏡本体10との間に配置するアーム12と、該アーム12により保持された対物レンズ5を鉛直方向に移動させる第1の駆動機構13と、前記対物レンズ5を水平2方向に移動させる第2、第3の駆動機構14,15と、前記対物レンズ5を該対物レンズ5の光軸に直交する2方向に沿う軸線回りに揺動させる第4、第5の駆動機構16,17とを備えている。第1〜第3の駆動機構13〜15は、例えば、モータ13a〜15aと、該モータ13a〜15aに接続された図示しないボールネジ等の直線移動機構とを備えている。第4、第5の駆動機構16,17は、例えば、モータ16a,17aと、該モータ16a,17aに接続された減速機構16b,17bとを備えている。
The objective
撮像装置9には、該撮像装置9により取得された画像を処理して試料Sの変位量とその方向を算出するとともに、前記対物レンズ駆動装置11の各駆動機構13〜17に対し、試料Sの変位による対物レンズ5の光軸のズレを補正する方向に対物レンズ5を駆動する駆動指令を出力する駆動制御装置18が接続されている。
The
撮像装置9にはさらに、該撮像装置9を制御して検出用画像と観察用画像を取得する、制御装置19が接続される。
The
次に、撮像装置9に備えられる撮像素子23について説明する。
撮像装置9にはCMOS等のXYアドレス方式の撮像素子23が備えられる。XYアドレス方式の撮像素子は、任意の位置の信号を任意のタイミングで読み出すことが可能である。ここで、撮像素子23は、長時間露光用画素21と短時間露光用画素22の2種類の画素から構成される。長時間露光用画素21とは、図2に示すような低速読み出しが可能な画素を指す。一方、短時間露光用画素22とは、図2に示すような高速読み出しが可能な画素を指す。
Next, the
The
本実施形態においては、検出用画像と観察用画像を撮像する際に用いる画素が制御装置19により指定される。
In the present embodiment, the
第1の実施例において、長時間露光用画素21及び短時間露光用画素22は、図3に示すように一列おきに配置される。第2の実施例において、長時間露光用画素21及び短時間露光用画素22は、図4に示すように、互い違いに配置される。
In the first embodiment, the
さらに第3の実施例においては、長時間露光と短時間露光の双方が可能な画素から構成される撮像素子が用いられる。このような画素は、長時間露光用と短時間露光用の2つの光感部を有するものである。長時間露光が可能な画素と短時間露光が可能な画素では撮像する波長が異なるが、例えば、長時間露光用の光感部と短時間露光用の光感部を重ね合わせ、それぞれの波長を検出できる画素が使用可能である。 Furthermore, in the third embodiment, an image pickup device composed of pixels capable of both long time exposure and short time exposure is used. Such a pixel has two photosensitive parts for long exposure and short exposure. The wavelength for imaging differs between pixels that can be exposed for a long time and pixels that can be exposed for a short time.For example, a light sensitive part for long exposure and a light sensitive part for short time exposure are overlapped, Pixels that can be detected can be used.
以上の各実施例において、長時間露光用画素21及び短時間露光用画素22は、それぞれの機能に適した異なる画素を用いてもよい。また、長時間露光と短時間露光のいずれの機能も満たす機能特性を有する画素であれば、長時間露光用画素21及び短時間露光用画素22に同じ画素を用いてもよい。長時間露光用画素21及び短時間露光用画素22は、さらに、それぞれが検出する波長に適した光学フィルターを備える。
In each of the above embodiments, the long-
このように構成された本実施形態に係る顕微鏡観察装置1においては、図5に示されるように、対物レンズ駆動装置11の作動により、対物レンズ5が、光軸に沿うZ軸方向、光軸に直交するX軸,Y軸方向および、X軸およびY軸回りのA,B方向にそれぞれ移動できるようになっており、対物レンズ5が生体の変位を追従することができる。
In the
このように構成された本実施形態に係る顕微鏡観察装置1の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡観察装置1においては、制御装置19からの指令に従って、短時間露光用画素22を用いて試料の変位を検出するための画像が撮像される。撮像装置9により短時間露光用画素22を用いて取得された検出用画像情報は、駆動制御装置18に送られ、駆動制御装置18において画像処理されることにより、変位の方向、変位量、および揺動角度等が検出される。駆動制御装置18はこの検出結果に基づいて対物レンズ駆動装置11の各駆動機構13〜17に送る指令信号を演算し、該指令信号に基づいて各駆動機構13〜17が駆動させられ、生体変位の追従制御が行われる。一方、制御装置19からの指令に従って、撮像装置9により長時間露光用画素21を用いて試料の観察用画像が取得される。
The operation of the
In the
本実施形態において、長時間露光用画素21及び短時間露光用画素22の読み出しは、制御装置19によって制御され、それぞれ独立して並列に行われる。或いは、制御装置19が上記撮像素子の読み出し画素を切り変え、交互に撮像されてもよい。
In the present embodiment, the reading of the long-
なお、上記第1の実施例のように、長時間露光用画素21及び短時間露光用画素22が一列おきに配置される場合、画素密度が高い方が、検出分解能が高くいため、検出される振動方向が同種の画素からなる列と平行に配置されることが好ましい。
When the long-
以上のような構成とすることによって、1台の撮像装置で高速読み出しと低速読み出しの双方を行うことができる。従って、高速読み出しの場合は例えば1000 fpsのフレームレートで撮像でき、生体変位を高精度で検出することができる。また、低速読み出しの場合は長時間露光で撮像でき、S/N比の良い明るい画像を得ることができる。 With the above-described configuration, both high-speed reading and low-speed reading can be performed with a single imaging device. Therefore, in the case of high-speed reading, for example, imaging can be performed at a frame rate of 1000 fps, and biological displacement can be detected with high accuracy. Further, in the case of low-speed reading, it is possible to take an image with long exposure, and a bright image with a good S / N ratio can be obtained.
なお、生体振動の検出には蛍光や化学発光等の高輝度の光を発生するマーカーを使用する。この場合、長時間露光用画素21には生体観察に適した波長選択性を有する光学フィルターを貼り付ける。また、短時間露光用画素22には、マーカーの検出に適した波長選択性を有する光学フィルターを貼り付ける。それぞれに適した波長選択性を有する光学フィルターを使用することにより、取得する波長を選択する。
For detection of biological vibration, a marker that generates high-luminance light such as fluorescence or chemiluminescence is used. In this case, an optical filter having wavelength selectivity suitable for living body observation is attached to the long-
また或いは、生体振動の検出にマーカーを使用せず、ナチュラルテクスチャのパターンマッチングを用いてもよい。この手法では、観察された画像をパターン化し、マッチング(ずれをあわせる)により、フレーム間での画像の移動量(変位量)を求める。この手法によれば、マーカーを検出する必要がないため、長時間露光用画素と短時間露光用画素とで同じ光学フィルターを用いることができる。よって、撮像素子を製造する際の手間を簡略化することができる。 Alternatively, natural texture pattern matching may be used without using a marker for detection of biological vibration. In this method, the observed image is patterned, and the movement amount (displacement amount) of the image between frames is obtained by matching (adjusting the deviation). According to this method, since it is not necessary to detect a marker, the same optical filter can be used for the long-time exposure pixel and the short-time exposure pixel. Therefore, the trouble at the time of manufacturing an image sensor can be simplified.
次に、本発明の第2の実施形態に係る顕微鏡観察装置1を、図6を参照して説明する。本実施形態においては、撮像装置9が具備する撮像素子24の構成が異なる他は、上述した第1の実施形態に係る顕微鏡観察装置1と同じ構成を有する。
Next, a
第2の実施形態においては、撮像装置9は、低速読み出し領域25及び高速読み出し領域26を有する撮像素子24を具備する。好ましくは、撮像素子24の一部領域を高速読み出し領域26とし、その他の領域を低速読み出し領域25とする。低速読み出し領域25は、長時間露光用画素を用い、高速読み出し領域26は、短時間露光用画素を用いてもよい。しかし、長時間露光での撮像と短時間露光での撮像の何れも実施可能な画素であれば、両領域で同じ画素を用いてもよい。
In the second embodiment, the
本実施形態では、高速読み出し領域26においてマーカーが検出され、低速読み出し領域25において観察用画像が取得される。従って、観察用の視野からマーカーの画像を排除することができる。 In the present embodiment, a marker is detected in the high-speed reading area 26 and an observation image is acquired in the low-speed reading area 25. Therefore, the marker image can be excluded from the viewing field.
以上のような構成とすることにより、一台の撮像装置で検出用画像と観察用画像が同時に得られると共に、マーカーによる影響のない観察用画像を取得することができる。 With the configuration described above, it is possible to obtain a detection image and an observation image at the same time with a single imaging device, and obtain an observation image that is not affected by the marker.
次に、本発明の第3の実施形態に係る顕微鏡観察装置1を、図7を参照して説明する。本実施形態においては、撮像装置9が具備する撮像素子が異なる他は、上述した第1の実施形態に係る顕微鏡観察装置1と同じ構成を有する。
Next, a
第3の実施形態においては、全て同じ画素で構成された撮像素子が用いられる。この画素は、高速読み出し及び低速読み出しの何れにも適用できる画素である。 In the third embodiment, an image sensor composed of the same pixels is used. This pixel is a pixel applicable to both high-speed reading and low-speed reading.
本実施形態の顕微鏡観察装置1においては、制御装置19からの指令に従って、図7に示すように、短時間露光によって生体変位の検出用画像が撮像される。得られた検出用画像は、上記実施形態と同様に、駆動制御装置18に送られ、駆動制御装置18において画像処理されることにより変位が検出される。駆動制御装置18はこの検出結果に基づいて対物レンズ駆動装置11に送る指令信号を演算し、該指令信号に基づいて各駆動機構13〜17が駆動させられる。
In the
次に、制御装置19からの指令に従って、長時間露光によって観察用画像が撮像される。得られた画像が図示しない観察系表示部に表示されている間、さらに次の生体変位の検出用画像が撮像される。このように、検出用の短時間露光による撮像と、観察用の長時間露光による撮像を交互に実施する。観察用の画像を撮像している間は、前に検出された生体変位の結果に基づく変位の予測に従って追従制御を行ってもよい。
Next, in accordance with a command from the
このようにすることにより、従来と同様の単一の画素から構成される撮像素子を具備する撮像装置であっても、1台の撮像装置で検出用と観察用の画像を取得することができる。また、全画素を撮像に使用できるため、高精度の画像を取得することができる。 By doing in this way, even if it is an imaging device provided with the image sensor comprised from the single pixel similar to the past, the image for a detection and observation can be acquired with one imaging device. . Moreover, since all the pixels can be used for imaging, a highly accurate image can be acquired.
なお、短時間露光時と長時間露光時で撮像条件を変化させてもよい。例えば、短時間露光時に、マーカーを検出するための光量を増大させてもよい。これらの制御は制御装置19によって行うことができる。
Note that the imaging conditions may be changed between the short exposure and the long exposure. For example, the amount of light for detecting the marker may be increased during short-time exposure. These controls can be performed by the
以上、正立型の顕微鏡を例として本発明の構成及び作用を説明したが、これに限定されず倒立型であってもよい。また、生体観察とマーカーに対する光学系についても、照明光や蛍光による撮像以外の組合せであってもよい。本発明の範囲は顕微鏡に限定されず、撮像装置、対物レンズ等を備える対物ユニット、該対物ユニット駆動装置などを備える観察装置であれば何れのものでも本願発明に包含される。さらに、本発明はインビトロ観察にも適用できるだけでなく、上述したような露光時間を2種類または、それ以上組み合わせて追従を可能にする、あらゆる動態観察のために適用できる。 The configuration and operation of the present invention have been described above using an upright microscope as an example, but the present invention is not limited to this and may be an inverted type. Further, the living body observation and the optical system for the marker may be a combination other than imaging by illumination light or fluorescence. The scope of the present invention is not limited to a microscope, and any observation apparatus including an imaging unit, an objective unit including an objective lens, and the objective unit driving apparatus is included in the present invention. Furthermore, the present invention can be applied not only to in vitro observation but also to any dynamic observation that enables tracking by combining two or more exposure times as described above.
S…試料、E…励起光(光)、F…蛍光(戻り光)、1…顕微鏡観察装置、3…励起光源(光源)、4…照明レンズ(照明光学系)、5…対物レンズ、9…撮像装置、10…顕微鏡本体、11…対物レンズ駆動装置、18…駆動制御装置、19…制御装置。 S ... sample, E ... excitation light (light), F ... fluorescence (return light), 1 ... microscope observation device, 3 ... excitation light source (light source), 4 ... illumination lens (illumination optical system), 5 ... objective lens, 9 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Imaging device, 10 ... Microscope main body, 11 ... Objective lens drive device, 18 ... Drive control device, 19 ... Control device.
Claims (10)
前記対物レンズを介して試料を撮像する撮像装置と、
前記試料の変位を補正する方向に前記対物レンズを駆動する対物レンズ駆動装置と、
前記試料の観察用画像と前記試料の変位を検出するための検出用画像を取得するように前記撮像装置の制御を行う制御装置とを備える生体観察装置。 An objective lens placed close to the sample;
An imaging device for imaging a sample through the objective lens;
An objective lens driving device for driving the objective lens in a direction for correcting the displacement of the sample;
A biological observation apparatus comprising: an observation image of the sample; and a control device that controls the imaging device so as to acquire a detection image for detecting displacement of the sample.
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