JP2011017620A - Shape measuring method, image processing program, and observation device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shape measuring method having a constitution capable of measuring a three-dimensional shape of a biosample with high accuracy, and to provide an image processing program and an observation device.SOLUTION: In this shape measuring method, two kinds of images are acquired, namely, a plurality of first images acquired by photographing a fertilized ovum sequentially from one side by a first image capturing apparatus, while changing an optical distance between the fertilized ovum which is a biosample and a first observation optical system for forming an image of the fertilized ovum, and a plurality of second images acquired by photographing the fertilized ovum sequentially from the other side by a second image capturing apparatus, while changing an optical distance between the fertilized ovum and a second observation optical system for forming the image of the fertilized ovum; and a focusing measure is calculated in a pixel unit based on the plurality of first images and second images; and a focusing point of each pixel is determined by applying preferentially focusing measure information acquired from the first images relative to a domain on one side of the fertilized ovum, and by applying preferentially focusing measure information acquired from the second images relative to a domain on the other side of the fertilized ovum; and a three-dimensional shape of the fertilized ovum is organized based on the focusing point position.

Description

本発明は、例えば受精卵等の生体試料の三次元形状を構築することが可能な構成の形状測定方法、画像処理プログラム、及び観察装置に関する。   The present invention relates to a shape measuring method, an image processing program, and an observation apparatus having a configuration capable of constructing a three-dimensional shape of a biological sample such as a fertilized egg.

近年、生殖補助医療技術(ART)の発展に伴い、体外受精による受精卵を培養しながらその生育状態を観察することが行われている。受精卵などの培養物の状況を観察する装置の例として、培養顕微鏡が挙げられる(例えば、特許文献1を参照)。培養顕微鏡は、受精卵の培養に好適な環境を形成する培養装置(インベキュータ)と、培養装置に収容された培養容器内の受精卵の状態を顕微観察する顕微観察系とを備え、予め設定された一定時間ごとに受精卵の観察画像を取得し、受精卵の生育状態の観察、記録、管理等を自動で行うことができるように構成される。   In recent years, with the development of assisted reproduction technology (ART), it has been practiced to observe the growth state of cultured fertilized eggs by in vitro fertilization. A culture microscope is mentioned as an example of the apparatus which observes the conditions of cultures, such as a fertilized egg (for example, refer patent document 1). The culture microscope includes a culture apparatus (invecutor) that forms a suitable environment for culturing fertilized eggs, and a microscopic observation system that microscopically observes the state of the fertilized eggs in the culture container housed in the culture apparatus. An observation image of a fertilized egg is acquired at regular intervals, and the growth state of the fertilized egg can be automatically observed, recorded, managed, and the like.

受精卵等のほぼ無色透明な生体試料を染色することなく生きたまま観察が可能な顕微観察系としては例えば位相差顕微鏡が挙げられる。位相差顕微鏡においては、生体試料を開口絞りで輪帯状に制限された照明光で照明し、対物レンズにより生体試料を通過させた光を集光させ、位相を変換するとともに透過する光の光量を調節する位相リングを上記開口絞りと共役位置に備えるものが周知となっている(例えば、特許文献2を参照)。生体試料を通過する光は、直接光と0次以外の回折光に変換されて位相差が生じ、この位相差を像の明暗として可視化することによりコントラストを上げて生体試料を観察できるようになっている。   An example of a microscopic observation system that can be observed alive without staining a substantially colorless and transparent biological sample such as a fertilized egg is a phase contrast microscope. In a phase contrast microscope, a biological sample is illuminated with illumination light limited in a ring shape with an aperture stop, the light that has passed through the biological sample is collected by an objective lens, the phase is converted, and the amount of transmitted light is It is well known that a phase ring to be adjusted is provided at a position conjugate with the aperture stop (see, for example, Patent Document 2). The light passing through the biological sample is converted into direct light and diffracted light other than the 0th order to produce a phase difference. By visualizing this phase difference as the brightness of the image, the biological sample can be observed with an increased contrast. ing.

特開2004−229619号公報JP 2004-229619 A 特許第3663920号公報Japanese Patent No. 3663920

さて、受精卵の良否(生育状態)を評価する一手法としては、受精卵の卵内全ての細胞が同時期のタイミングで卵割(細胞分裂)することが好ましいとされている。初期の卵割においては観察方向に対して重なる細胞も少ないため卵割タイミングを容易に観察できるものの、卵割が進むにつれて細胞数も倍増していき観察方向に対して細胞が重なってしまうため(オクルージョンが生じるため)、上記のような位相差顕微鏡での2次元観察では、卵内全ての細胞が同時期に卵割したか否かを定量的に評価するのは困難であった。なお、3次元形状を観察する手法としては、自家蛍光を用いた共焦点顕微観察法があるが、この観察法には、観察に時間が掛かる(1つの画像を取得するのにスキャン時間が長い)上、細胞へのダメージが大きいという弊害があるため、受精卵の観察には不適である。   Now, as one method for evaluating the quality (growth state) of a fertilized egg, it is preferable that all cells in the egg of the fertilized egg undergo cleavage (cell division) at the same timing. In early cleavage, there are few cells overlapping in the observation direction, so the cleavage timing can be easily observed, but as the cleavage proceeds, the number of cells doubles and the cells overlap in the observation direction ( Because of the occurrence of occlusion), it has been difficult to quantitatively evaluate whether or not all the cells in the egg have cracked at the same time in the two-dimensional observation with the phase contrast microscope as described above. As a method for observing a three-dimensional shape, there is a confocal microscopic observation method using autofluorescence, but this observation method takes time for observation (a scan time is long for acquiring one image). ) Above, it is not suitable for observing fertilized eggs because it has a harmful effect on cells.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、生体試料の三次元形状を高精度に測定することが可能な構成の形状測定方法、画像処理プログラム、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 such a problem, and provides a shape measuring method, an image processing program, and an observation apparatus having a configuration capable of measuring a three-dimensional shape of a biological sample with high accuracy. Objective.

本発明を例示する第1の態様に従えば、生体試料と生体試料の像を結像する第1観察光学系との光学的距離を変化させながら第1撮像装置により生体試料を一方側から順次撮影した複数の第1画像と、生体試料と生体試料の像を結像する第2観察光学系との光学的距離を変化させながら第2撮像装置により生体試料を一方側に対向する他方側から順次撮影した複数の第2画像とを取得し、複数の第1画像及び第2画像に基づいて合焦測度を画素単位で算出し、生体試料の一方側の領域については第1画像より得られた合焦測度情報を優先適用し、生体試料の他方側の領域については第2画像より得られた合焦測度情報を優先適用して各画素の合焦点を求め、合焦点位置に基づいて生体試料の三次元形状を構築することを特徴とする形状測定方法が提供される。   According to the first aspect of the present invention, the biological sample is sequentially moved from one side by the first imaging device while changing the optical distance between the biological sample and the first observation optical system that forms an image of the biological sample. While changing the optical distance between the plurality of first images taken and the second observation optical system that forms an image of the biological sample and the biological sample, the second imaging device causes the biological sample to be opposed to the one side from the other side. A plurality of second images taken sequentially are acquired, a focus measure is calculated in pixel units based on the plurality of first images and the second image, and an area on one side of the biological sample is obtained from the first image. The focus measurement information obtained is preferentially applied, and the focus measure information obtained from the second image is preferentially applied to the other region of the biological sample to obtain the focal point of each pixel. Shape measurement method characterized by constructing 3D shape of sample There is provided.

本発明を例示する第2の態様に従えば、コンピュータにより読み取り可能であり、撮像装置により撮影されて画像を取得して画像処理する画像処理装置としてコンピュータを機能させるための画像処理プログラムであって、生体試料と生体試料の像を結像する第1観察光学系との光学的距離を変化させながら第1撮像装置により生体試料を一方側から順次撮影した複数の第1画像と、生体試料と生体試料の像を結像する第2観察光学系との光学的距離を変化させながら第2撮像装置により生体試料を一方側に対向する他方側から順次撮影した複数の第2画像とを取得するステップと、複数の第1画像及び第2画像に基づいて合焦測度を画素単位で算出するステップと、生体試料の一方側の領域については第1画像より得られた合焦測度情報を優先適用し、生体試料の前記他方側の領域については第2画像より得られた合焦測度情報を優先適用して各画素の合焦点を求めるステップと、合焦点位置に基づいて生体試料の三次元形状を構築するステップとをコンピュータに実現させることを特徴とする画像処理プログラムが提供される。   According to a second aspect exemplifying the present invention, there is provided an image processing program for causing a computer to function as an image processing device that can be read by a computer and that is captured by an imaging device and acquires an image and performs image processing. A plurality of first images obtained by sequentially photographing the biological sample from one side by the first imaging device while changing an optical distance between the biological sample and the first observation optical system that forms an image of the biological sample; A plurality of second images obtained by sequentially capturing the biological sample from the other side facing one side are acquired by the second imaging device while changing the optical distance from the second observation optical system that forms an image of the biological sample. A step, a step of calculating a focus measure in units of pixels based on the plurality of first images and second images, and a focus measure information obtained from the first image for a region on one side of the biological sample. Applying in advance the focus measurement information obtained from the second image to obtain the focal point of each pixel for the region on the other side of the biological sample, and the tertiary of the biological sample based on the focal position An image processing program is provided that causes a computer to implement the step of constructing an original shape.

本発明を例示する第3の態様に従えば、生体試料を保持する試料台と、生体試料を一方側から撮像する第1撮像装置及び一方側に対向する他方側から撮像する第2撮像装置と、試料台を生体試料の像を第1撮像装置の撮像面に結像させる第1観察光学系に対して相対移動させるとともに、第2撮像装置の撮像面に結像させる第2観察光学系に対して相対移動させる移動制御部と、相対移動部により試料台を第1及び第2観察光学系に対して相対移動させながら第1及び第2撮像装置により撮像して得られた、生体試料の複数の第1画像及び第2画像に対して画像処理を行う画像処理装置とを備え、画像処置装置が、複数の第1画像及び第2画像に基づいて合焦測度を画素単位で算出し、生体試料の一方側の領域については第1画像より得られた合焦測度情報を優先適用し、生体試料の他方側の領域については第2画像より得られた合焦測度情報を優先適用して各画素の合焦点を求め、合焦点位置に基づいて生体試料の三次元形状を構築する画像解析部を備えていることを特徴とする観察装置が提供される。   According to a third aspect illustrating the present invention, a sample stage for holding a biological sample, a first imaging device that images a biological sample from one side, and a second imaging device that images from the other side facing the one side, The sample stage is moved relative to the first observation optical system that forms an image of the biological sample on the imaging surface of the first imaging device, and the second observation optical system that forms an image on the imaging surface of the second imaging device. A biological movement sample obtained by imaging with the first and second imaging devices while moving the sample stage relative to the first and second observation optical systems by the movement control unit that moves relative to the first and second observation optical systems. An image processing device that performs image processing on a plurality of first images and second images, and the image treatment device calculates a focus measure in units of pixels based on the plurality of first images and second images, The region on one side of the biological sample is obtained from the first image The focus measure information is preferentially applied, and the focus measure information obtained from the second image is preferentially applied to the other region of the biological sample to obtain the focal point of each pixel, and the biological sample is obtained based on the focus position. An observation apparatus is provided that includes an image analysis unit that constructs a three-dimensional shape.

本発明によれば、生体試料の三次元形状を高精度に構築することができる。   According to the present invention, a three-dimensional shape of a biological sample can be constructed with high accuracy.

本発明の適用例として示す培養観察システムの概要構成図である。It is a general | schematic block diagram of the culture observation system shown as an example of application of this invention. 上記培養観察システムのブロック図である。It is a block diagram of the said culture observation system. (A)は培養容器の平面図であり、(B)はディッシュを示す斜視図である。(A) is a top view of a culture container, (B) is a perspective view which shows a dish. 受精卵の卵割の過程を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the process of cleavage of a fertilized egg. 位相差顕微鏡装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a phase-contrast microscope apparatus. 第1位相差顕微鏡による位相差観察を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the phase difference observation by a 1st phase contrast microscope. 第2位相差顕微鏡による位相差観察を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the phase difference observation by a 2nd phase contrast microscope. 画像処理装置の概要構成を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an image processing apparatus. 形状測定方法の概要を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline | summary of the shape measuring method. パラメータ取得方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the parameter acquisition method. 従来のSFF方式を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the conventional SFF system. 本実施形態のSFF処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the SFF process of this embodiment. SFF処理による合焦点算出を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the focal point calculation by SFF process. 位相差顕微鏡装置の構成の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of a structure of a phase-contrast microscope apparatus.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る観察ユニット(観察装置)を適用したシステムの一例として、培養観察システムの概要構成図及びブロック図を、それぞれ図1及び図2に示す。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. As an example of a system to which an observation unit (observation apparatus) according to this embodiment is applied, a schematic configuration diagram and a block diagram of a culture observation system are shown in FIGS. 1 and 2, respectively.

培養観察システムBSは、大別的には、筐体1の上部に設けられた培養室2と、複数の培養容器10を収容保持する棚状のストッカー3と、培養容器10内の試料を観察する観察ユニット(観察装置)5と、培養容器10をストッカー3と観察ユニット5との間で搬送する搬送ユニット4と、システムの作動を統括的に制御する制御ユニット6と、画像表示装置を備えた操作盤7などから構成される。   The culture observation system BS roughly observes the culture chamber 2 provided in the upper part of the housing 1, the shelf-like stocker 3 that accommodates and holds a plurality of culture containers 10, and the sample in the culture container 10. An observation unit (observation device) 5, a transport unit 4 for transporting the culture vessel 10 between the stocker 3 and the observation unit 5, a control unit 6 for comprehensively controlling the operation of the system, and an image display device. The operation panel 7 and the like.

培養室2は、培養環境を形成する部屋であり、環境変化やコンタミネーションを防止するためサンプル投入後は密閉状態に保持される。培養室2に付随して、培養室2内の温度を昇温・降温させる温度調整装置21、湿度を調整する加湿器22、COガスやNガス等のガスを供給するガス供給装置23、培養室2全体の環境を均一化させるための循環ファン24、培養室2の温度や湿度、二酸化炭素濃度等を検出する環境センサ25などが設けられている。各機器の作動は制御ユニット6により制御され、培養室2の温度や湿度、二酸化炭素濃度等により規定される培養環境が、操作盤7において設定された培養条件に合致した状態に維持される。 The culture chamber 2 is a chamber for forming a culture environment, and is kept sealed after the sample is charged in order to prevent environmental changes and contamination. Along with the culture chamber 2, a temperature adjustment device 21 that raises and lowers the temperature in the culture chamber 2, a humidifier 22 that adjusts humidity, and a gas supply device 23 that supplies a gas such as CO 2 gas or N 2 gas. A circulation fan 24 for making the entire environment of the culture chamber 2 uniform, an environmental sensor 25 for detecting the temperature, humidity, carbon dioxide concentration, etc. of the culture chamber 2 are provided. The operation of each device is controlled by the control unit 6, and the culture environment defined by the temperature, humidity, carbon dioxide concentration, etc. of the culture chamber 2 is maintained in a state that matches the culture conditions set on the operation panel 7.

ストッカー3は、図1における紙面直行の前後方向、及び上下方向にそれぞれ複数に仕切られた棚状に形成されている。各棚にはそれぞれ固有の番地が設定されており、例えば前後方向をA〜C列、上下方向を1〜7段とした場合に、A列5段の棚がA−5のように設定される。   The stocker 3 is formed in a shelf shape that is partitioned into a plurality of parts in the front-rear direction and the up-down direction in FIG. A unique address is set for each shelf. For example, when the front-rear direction is A to C rows and the vertical direction is 1 to 7 rows, the A-row 5 rows shelf is set as A-5. The

培養容器10は、培養物の種類や目的等に応じてフラスコやディッシュ、ウェルプレートなど適宜なものが選択され、本実施形態では、図3(A)に示すように、直径約35mmの5つのディッシュ10aと、ディッシュ10aを保持するホルダ10bとを備えた構成を例示しており、図3(B)に示すように、培養物たる受精卵Jは、フェノールレッドなどのpH指示薬が入った培地ドロップDとともに各ディッシュ10aに注入される。ディッシュ10aの底面には、ピペット等により滴下された20μl程度の培地ドロップDが1〜複数個形成されており(図3(B)では1個のみを図示)、培地ドロップDはディッシュ10a内において無色透明のミネラルオイルOによって浸された状態となっている。それぞれの培地ドロップD内には、例えば対外受精のために同一母体から同時期に採卵された受精卵Jが1個ずつ挿入されている。また、培養容器10にはコード番号が付与され、ストッカー3の指定番地に対応づけて収容される。   As the culture vessel 10, an appropriate one such as a flask, a dish, or a well plate is selected according to the type and purpose of the culture. In this embodiment, as shown in FIG. The structure provided with the dish 10a and the holder 10b holding the dish 10a is illustrated, and as shown in FIG. 3 (B), the fertilized egg J as a culture is a medium containing a pH indicator such as phenol red. It is injected into each dish 10a together with the drop D. On the bottom surface of the dish 10a, one or more medium drops D of about 20 μl dropped by a pipette or the like are formed (only one is shown in FIG. 3B), and the medium drop D is contained in the dish 10a. It is in a state immersed in colorless and transparent mineral oil O. In each medium drop D, for example, one fertilized egg J collected at the same time from the same mother for external fertilization is inserted. The culture vessel 10 is assigned a code number and is stored in association with the designated address of the stocker 3.

搬送ユニット4は、培養室2の内部に設けられて上下移動可能なZステージ41、前後移動可能なYステージ42、左右移動可能なXステージ43などからなり、Xステージ43の先端側に培養容器10を持ち上げ支持する支持アーム45が設けられている。搬送ユニット4は、支持アーム45がストッカー3の全棚と観察ユニット5との間を移動可能な移動範囲を有して構成される。   The transfer unit 4 includes a Z stage 41 that is provided inside the culture chamber 2 and can move up and down, a Y stage 42 that can move back and forth, an X stage 43 that can move left and right, and the culture container on the tip side of the X stage 43. A support arm 45 that lifts and supports 10 is provided. The transport unit 4 has a moving range in which the support arm 45 can move between the entire shelf of the stocker 3 and the observation unit 5.

観察ユニット(観察装置)5は、試料台15の試料を照明するバックライト照明部51、顕微観察系の光軸に沿って試料台15の試料を照明する透過照明部52、試料のマクロ観察を行うマクロ観察系54、試料のミクロ観察を行う顕微観察系55、及び画像処理装置100などから構成される。試料台15は、透光性を有する材質で構成されるとともに観察領域に透明な窓部16が設けられている。また、試料台15は、制御ユニット6からの作動制御によりXY方向(水平面内方向)およびZ方向(上下方向)に移動可能な微細駆動ステージからなり、その上面部に載置された培養容器10をXY方向に移動させることにより、培養容器10をマクロ観察系54もしくは顕微観察系55の光軸上へ挿入したり、培養容器10をZ方向に移動させることにより、各観察系54,55の観察光学系と試料との光軸方向の相対位置(光学的距離)を変化させることが可能になっている。   The observation unit (observation apparatus) 5 includes a backlight illumination unit 51 that illuminates the sample on the sample stage 15, a transmission illumination unit 52 that illuminates the sample on the sample stage 15 along the optical axis of the microscopic observation system, and macro observation of the sample. A macro observation system 54 for performing the micro observation of the sample, an image processing apparatus 100, and the like are included. The sample stage 15 is made of a light-transmitting material and has a transparent window 16 in the observation area. The sample stage 15 is composed of a fine drive stage that can be moved in the XY direction (horizontal plane direction) and the Z direction (vertical direction) by operation control from the control unit 6, and the culture vessel 10 placed on the upper surface thereof. Is moved in the XY direction so that the culture vessel 10 is inserted on the optical axis of the macro observation system 54 or the microscopic observation system 55 or by moving the culture vessel 10 in the Z direction. It is possible to change the relative position (optical distance) between the observation optical system and the sample in the optical axis direction.

バックライト照明部51は、下部フレーム1b側に設けられた面発光の光源からなり、試料台15の下側から培養容器10全体をバックライト照明する。透過照明部52は、LED等の光源81,91(図5を参照)と、位相リングやコンデンサレンズ等からなる照明光学系82a,92a(図5を参照)とを有して培養室2内及び下側フレーム1b内にそれぞれ設けられており、顕微観察系55の光軸に沿って培養容器10中の試料を照明する。   The backlight illumination unit 51 includes a surface-emitting light source provided on the lower frame 1b side, and backlight-illuminates the entire culture vessel 10 from the lower side of the sample stage 15. The transmitted illumination unit 52 includes light sources 81 and 91 (see FIG. 5) such as LEDs, and illumination optical systems 82a and 92a (see FIG. 5) composed of a phase ring, a condenser lens, and the like. And provided in the lower frame 1b, and illuminates the sample in the culture vessel 10 along the optical axis of the microscopic observation system 55.

マクロ観察系54は、観察光学系54aと、この観察光学系54aにより結像された試料の像を撮影するCCDカメラ等の撮像装置54cとを有し、バックライト照明部51の上方に位置して培養室2内に設けられている。マクロ観察系54は、バックライト照明部51により照明された培養容器10の上方からの全体観察画像(マクロ画像)を撮影する。   The macro observation system 54 includes an observation optical system 54 a and an imaging device 54 c such as a CCD camera that takes an image of the sample imaged by the observation optical system 54 a and is positioned above the backlight illumination unit 51. Provided in the culture chamber 2. The macro observation system 54 captures an entire observation image (macro image) from above the culture vessel 10 illuminated by the backlight illumination unit 51.

顕微観察系55は、対物レンズや位相リング等からなる観察光学系82b,92b(図5を参照)と、観察光学系82b,92bにより結像された試料の像を撮影する冷却CCDカメラ等の撮像カメラ89,99(図5を参照)とを有し、培養室2内及び下部フレーム1b内にそれぞれ配設されている。上記の透過照明部52と顕微観察系55とにより位相差顕微鏡装置56が構成されている。顕微観察系55は、透過照明部52により照明されて試料を透過した透過光を顕微鏡観察した顕微観察画像(ミクロ画像)を撮影する。   The microscopic observation system 55 includes observation optical systems 82b and 92b (see FIG. 5) including an objective lens, a phase ring, and the like, and a cooled CCD camera that captures an image of the sample imaged by the observation optical systems 82b and 92b. Imaging cameras 89 and 99 (see FIG. 5) are provided in the culture chamber 2 and the lower frame 1b, respectively. The transmission illumination unit 52 and the microscopic observation system 55 constitute a phase contrast microscope device 56. The microscope observation system 55 captures a microscope observation image (micro image) obtained by observing the transmitted light that is illuminated by the transmission illumination unit 52 and transmitted through the sample.

画像処理装置100は、マクロ観察系54の撮像装置54c及び顕微観察系55の撮像カメラ89,99から入力された信号をA/D変換するとともに、各種の画像処理を施して全体観察画像または顕微観察画像の画像データを生成する。また、画像処理装置100は、これらの観察画像(全体観察画像及び顕微観察画像)の画像データに対して画像解析を施し、受精卵Jの三次元形状の構築等を行う。画像処理装置100は、具体的には、次述する制御ユニット6のROMに記憶された画像処理プログラムが実行されることにより構築される。なお、この画像処理装置100については、後に詳述する。   The image processing apparatus 100 performs A / D conversion on signals input from the imaging device 54c of the macro observation system 54 and the imaging cameras 89 and 99 of the micro observation system 55, and performs various image processing to perform an entire observation image or microscopic observation. Image data of an observation image is generated. Further, the image processing apparatus 100 performs image analysis on the image data of these observation images (entire observation image and microscopic observation image), and constructs a three-dimensional shape of the fertilized egg J. Specifically, the image processing apparatus 100 is constructed by executing an image processing program stored in the ROM of the control unit 6 described below. The image processing apparatus 100 will be described in detail later.

制御ユニット6は、処理を実行するCPU61、培養観察システムBSの制御プログラムや制御データ等が設定記憶されたROM62、観察条件や画像データ等を一時記憶するRAM63などを有し、培養観察システムBSの作動を制御する。そのため、図2に示すように、培養室2、搬送ユニット4、観察ユニット5、操作盤7の各構成機器が制御ユニット6に接続されている。RAM63には、観察プログラムに応じた培養室2の環境条件や、観察スケジュール、観察ユニット5における観察種別や観察位置、観察倍率等が設定され記憶される。また、RAM63には、観察ユニット5により撮影された画像データを記録する画像データ記憶領域が設けられ、培養容器10のコード番号や撮影日時等を含むインデックス・データと画像データとが対応付けて記録される。   The control unit 6 includes a CPU 61 that executes processing, a ROM 62 that stores and stores control programs and control data of the culture observation system BS, a RAM 63 that temporarily stores observation conditions and image data, and the like. Control the operation. Therefore, as shown in FIG. 2, the constituent devices of the culture chamber 2, the transport unit 4, the observation unit 5, and the operation panel 7 are connected to the control unit 6. In the RAM 63, the environmental conditions of the culture chamber 2 according to the observation program, the observation schedule, the observation type and observation position in the observation unit 5, the observation magnification, and the like are set and stored. Further, the RAM 63 is provided with an image data storage area for recording image data photographed by the observation unit 5, and index data including the code number of the culture vessel 10 and photographing date / time are associated with the image data and recorded. Is done.

操作盤7には、キーボードやスイッチ等の入出力機器が設けられた操作パネル71、操作画面や画像データ等を表示する表示パネル72が設けられ、操作パネル71において観察プログラムの設定や条件選択、動作指令等の入力が行われる。通信部65は有線または無線の通信規格に準拠して構成されており、この通信部65に外部接続されるコンピュータ等との間でデータの送受信が可能になっている。   The operation panel 7 is provided with an operation panel 71 provided with input / output devices such as a keyboard and a switch, and a display panel 72 for displaying an operation screen, image data, and the like. An operation command or the like is input. The communication unit 65 is configured in accordance with a wired or wireless communication standard, and data can be transmitted to and received from a computer or the like externally connected to the communication unit 65.

このように概要構成される培養観察システムBSでは、操作盤7において設定された観察プログラムの設定条件に従い、CPU61がROM62に記憶された制御プログラムに基づいて各部の作動を制御するとともに、培養容器10内の試料の撮影を自動的に実行する。すなわち、操作パネル71に対するパネル操作(または通信部65を介したリモート操作)によって観察プログラムがスタートされると、CPU61が、RAM63に記憶された環境条件の各条件値を読み込むとともに、環境センサ25から入力される培養室2の環境状態を検出し、条件値と実測値との差異に応じて温度調整装置21、加湿器22、ガス供給装置23、循環ファン24等を作動させて、培養室2の温度や湿度、二酸化炭素濃度などの培養環境についてフィードバック制御が行われる。   In the culture observation system BS schematically configured as described above, the CPU 61 controls the operation of each part based on the control program stored in the ROM 62 according to the setting conditions of the observation program set on the operation panel 7, and the culture vessel 10 The sample inside is automatically captured. That is, when the observation program is started by a panel operation on the operation panel 71 (or a remote operation via the communication unit 65), the CPU 61 reads each condition value of the environmental conditions stored in the RAM 63, and from the environment sensor 25. The environmental state of the culture chamber 2 to be input is detected, and the temperature adjustment device 21, the humidifier 22, the gas supply device 23, the circulation fan 24, etc. are operated according to the difference between the condition value and the actual measurement value. Feedback control is performed on the culture environment such as temperature, humidity, and carbon dioxide concentration.

また、CPU61は、RAM63に記憶された観察条件を読み込む、観察スケジュールに基づいて搬送ユニット4のX,Y,Zステージ41,42,43を作動させてストッカー3から観察対象の培養容器10を観察ユニット5の試料台15に搬送して、観察ユニット5による観察を開始させる。例えば、観察プログラムにおいて設定された観察がマクロ観察である場合には、搬送ユニット4によりストッカー3から搬送してきた培養容器10をマクロ観察系54の光軸上に位置決めして試料台15に載置し、バックライト照明部51の光源を点灯させて、バックライト照明された培養容器10の上方から撮像装置54cにより全体観察像を撮影する。撮像装置54cから制御ユニット6に入力された信号は、画像処理装置100により処理されて全体観察画像が生成され、その画像データが撮影日時等のインデックス・データなどとともにRAM63の画像データ記憶領域に記憶される。   Further, the CPU 61 reads the observation conditions stored in the RAM 63 and operates the X, Y, Z stages 41, 42, 43 of the transport unit 4 based on the observation schedule to observe the culture vessel 10 to be observed from the stocker 3. The sample is transported to the sample stage 15 of the unit 5 and observation by the observation unit 5 is started. For example, when the observation set in the observation program is macro observation, the culture vessel 10 transported from the stocker 3 by the transport unit 4 is positioned on the optical axis of the macro observation system 54 and placed on the sample stage 15. Then, the light source of the backlight illumination unit 51 is turned on, and the entire observation image is taken by the imaging device 54c from above the culture vessel 10 illuminated by the backlight. The signal input from the imaging device 54c to the control unit 6 is processed by the image processing device 100 to generate a whole observation image, and the image data is stored in the image data storage area of the RAM 63 together with index data such as the shooting date and time. Is done.

また、観察プログラムにおいて設定された観察が、培養容器10内の特定位置の試料のミクロ観察である場合には、搬送ユニット4により搬送してきた培養容器10内の特定位置を顕微観察系55の光軸上に位置決めして試料台15に載置し、透過照明部52の光源を点灯させて、透過照明による顕微観察像を撮像カメラ89,99に撮影させる。撮像カメラ89,99により撮影されて制御ユニット6に入力された信号は、画像処理装置100により処理されて顕微観察画像(位相差画像)が生成され、その画像データが撮影日時等のインデックス・データなどとともにRAM63の画像データ記憶領域に記憶される。   In addition, when the observation set in the observation program is micro observation of the sample at a specific position in the culture vessel 10, the specific position in the culture vessel 10 that has been transported by the transport unit 4 is indicated by the light of the microscopic observation system 55. The sample is positioned on the axis and placed on the sample stage 15, the light source of the transmission illumination unit 52 is turned on, and the microscopic observation images by the transmission illumination are taken by the imaging cameras 89 and 99. Signals photographed by the imaging cameras 89 and 99 and input to the control unit 6 are processed by the image processing apparatus 100 to generate a microscopic observation image (phase difference image), and the image data is index data such as photographing date and time. And the like are stored in the image data storage area of the RAM 63.

CPU61は、上記のような全体観察像の撮影や顕微観察像の撮影を、観察プログラムに設定された観察スケジュールに基づいて順次実行する。RAM63に記憶された画像データは、操作パネル71から入力される画像表示指令に応じてRAM63から読み出され、例えば指定時刻の全体観察画像や顕微観察画像、画像解析の解析結果などが表示パネル72に表示される。   The CPU 61 sequentially executes the above-described whole observation image photographing and microscopic observation image photographing based on the observation schedule set in the observation program. The image data stored in the RAM 63 is read from the RAM 63 in response to an image display command input from the operation panel 71. For example, an entire observation image, a microscopic observation image at a specified time, an analysis result of image analysis, and the like are displayed on the display panel 72. Is displayed.

ここで、観察対象である受精卵の卵割(受精卵の細胞分裂)の経時的変化について図4を参照して説明する。なお、図4は、人の受精卵の卵割の様子を模式的に示す図であり、図中では第3世代までを例示しており、左から右に向かって時間が経過していくものとする。卵割前の受精卵Jの胚Hを第0世代とすると、第0世代の胚Hの表面にくびれが生じて2つに分裂され、第1世代の2つの細胞C,Cが生成される。さらに第1世代の各細胞Cが2つに分裂されて第2世代の4つの細胞C,C,…が生成され、第3世代、…と進むにつれて細胞Cの数が倍々に増えていく。このように卵割を経るごとに細胞Cの数は倍増するとともに、個々の細胞C自体の大きさは小さくなっていく。   Here, the time-dependent change of the cleavage of the fertilized egg to be observed (cell division of the fertilized egg) will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram schematically showing the state of cleavage of a human fertilized egg. In the figure, examples up to the third generation are illustrated, and time elapses from left to right. And If the embryo H of the fertilized egg J before cleavage is the 0th generation, the surface of the 0th generation embryo H is constricted and divided into two, and two cells C and C of the first generation are generated. . Further, each cell C of the first generation is divided into two to generate four cells C, C,... Of the second generation, and the number of cells C increases twice as it proceeds to the third generation. In this way, the number of cells C doubles as the cleavage occurs, and the size of each cell C itself decreases.

受精卵Jの良否の評価手法としては、卵内の全ての細胞Cにおいて卵割がほぼ同じタイミングで起こるか否かに基づいて行われる。すなわち、正常な受精卵Jの卵割については、同じ世代の各細胞Cはほぼ同時期のタイミングで分裂し、胚H内には同じ世代の細胞Cのみが存在する。一方、異常な受精卵Jの卵割については、同じ世代の細胞Cであっても分裂するタイミングがずれて、胚H内には異なる世代の細胞Cが混在してしまう。   A method for evaluating the quality of the fertilized egg J is performed based on whether or not cleavage occurs in almost all cells C in the egg at substantially the same timing. That is, regarding the cleavage of the normal fertilized egg J, the cells C of the same generation divide at almost the same timing, and only the cells C of the same generation exist in the embryo H. On the other hand, regarding the cleavage of the fertilized egg J that is abnormal, even when the cells C are of the same generation, the timing of division is shifted, and cells C of different generations are mixed in the embryo H.

このように受精卵Jの生育状態を評価するには、受精卵Jの卵割のタイミングを適正に観察することが必要である。初期の卵割に対しては分裂した細胞数も比較的少ないため所定の観察方向に対して細胞Cが重なることも殆どなく卵割のタイミングを観察できるものの、卵割が進むにつれて細胞数が増えるため、観察方向に対して細胞Cが重なったり細胞Cのくびれが隠れたりする(所謂オクルージョンが生じる)ことがある。そのため、各細胞に対して卵割のタイミングを適切に観察して、定量的な評価を行うことが困難であるという問題がある。   Thus, in order to evaluate the growth state of the fertilized egg J, it is necessary to appropriately observe the timing of cleavage of the fertilized egg J. Since the number of divided cells is relatively small with respect to the initial cleavage, the cell C hardly overlaps in a predetermined observation direction, and the timing of cleavage can be observed, but the number of cells increases as the cleavage proceeds. Therefore, the cell C may overlap with the observation direction or the constriction of the cell C may be hidden (so-called occlusion occurs). Therefore, there is a problem that it is difficult to perform a quantitative evaluation by appropriately observing the timing of cleavage for each cell.

このような不具合を是正するため、培養観察システムBSにおいては、観察ユニット5の位相差顕微装置56(透過照明部52及び顕微観察系55)をほぼ上下対称に配置した2つの位相差顕微鏡から構成して上下2方向から受精卵Jを観察可能にし、この2方向からの観察画像に対して画像処理装置100による画像解析を施すことより受精卵Jの三次元形状を構築して、受精卵Jの卵割を適正に観察することができるように構成されている。   In order to correct such problems, the culture observation system BS includes two phase contrast microscopes in which the phase difference microscope 56 (the transmission illumination unit 52 and the microscope observation system 55) of the observation unit 5 are arranged substantially symmetrically. Then, the fertilized egg J can be observed from two directions, and a three-dimensional shape of the fertilized egg J is constructed by performing image analysis by the image processing apparatus 100 on the observation images from the two directions. It is comprised so that the cleavage of can be observed appropriately.

それでは、観察ユニット5における位相差顕微鏡装置56の構成について図5〜図7を追加参照して説明する。前述の観察ユニット5において、透過照明部52と顕微観察系55とからなる位相差顕微鏡装置56は、第1位相差顕微鏡80と第2位相差顕微鏡90との2つの顕微鏡から構成されており、これら位相差顕微鏡80,90は試料台15の試料面に対してほぼ上下対称に配置されている。   Now, the configuration of the phase-contrast microscope apparatus 56 in the observation unit 5 will be described with reference to FIGS. In the observation unit 5 described above, the phase contrast microscope device 56 including the transmission illumination unit 52 and the microscopic observation system 55 includes two microscopes, a first phase contrast microscope 80 and a second phase contrast microscope 90. These phase-contrast microscopes 80 and 90 are arranged substantially symmetrically with respect to the sample surface of the sample stage 15.

第1位相差顕微鏡80は、透過照明部52において培養室2内に設けられた光源81及び照明光学系82aと、顕微観察系55において下部フレーム1b内に設けられた観察光学系82b及び撮像カメラ89とを有して構成される。   The first phase contrast microscope 80 includes a light source 81 and an illumination optical system 82a provided in the culture chamber 2 in the transmission illumination unit 52, and an observation optical system 82b and an imaging camera provided in the lower frame 1b in the microscopic observation system 55. 89.

照明光学系82aは、光源側から順に、コレクタレンズ83、輪帯絞り84、可動式折り返しミラー85、及びコンデンサ兼対物レンズ86を備えて構成される。観察光学系82bは、光源側から順に、コンデンサ兼対物レンズ96、位相リング87、及び結像レンズ88を備えて構成される。   The illumination optical system 82a includes a collector lens 83, an annular diaphragm 84, a movable folding mirror 85, and a condenser / objective lens 86 in order from the light source side. The observation optical system 82b includes a condenser / objective lens 96, a phase ring 87, and an imaging lens 88 in this order from the light source side.

一方、第2位相差顕微鏡90は、透過照明部52において下部フレーム1b内に設けられた光源91及び照明光学系92aと、顕微観察部55において培養室2内に設けられた観察光学系及92b及び撮像カメラ99とを有して構成される。   On the other hand, the second phase-contrast microscope 90 includes a light source 91 and an illumination optical system 92a provided in the lower frame 1b in the transmission illumination unit 52, and an observation optical system and 92b provided in the culture chamber 2 in the microscope observation unit 55. And an imaging camera 99.

照明光学系92aは、光源側から順に、コレクタレンズ93、輪帯絞り94、可動式折り返しミラー95、及びコンデンサ兼対物レンズ96を備えて構成される。観察光学系92bは、光源側から順に、コンデンサ兼対物レンズ86、位相リング97、及び結像レンズ98を備えて構成される。   The illumination optical system 92a includes a collector lens 93, an annular diaphragm 94, a movable folding mirror 95, and a condenser / objective lens 96 in order from the light source side. The observation optical system 92b includes a condenser / objective lens 86, a phase ring 97, and an imaging lens 98 in order from the light source side.

このような位相差顕微80,90において、一方の可動式折り返しミラー85から他方の可動式折り返しミラー95までの光路は共通している。各位相差顕微鏡80,90の光源81,91としては、例えばLEDやハロゲンランプ、高圧水銀ランプ等が用いられる。コンデンサ兼対物レンズ86は、照明光学系82aにおいてはコンデンサレンズとして機能し、観察光学系92bにおいては対物レンズとして機能する。同様に、コンデンサ兼対物レンズ96は、照明光学系92においてはコンデンサレンズとして機能し、観察光学系82bにおいては対物レンズとして機能する。また、各位相差顕微鏡80,90には、可動式折り返しミラー85,95を照明光学系82a,92a及び観察光学系82b,92bの光軸上にそれぞれ進退自在に移動させるミラー駆動部57(図2を参照)が設けられている。ミラー駆動部57は、制御ユニット6からの駆動信号に応じて駆動するようになっている。   In such phase difference microscopes 80 and 90, the optical path from one movable folding mirror 85 to the other movable folding mirror 95 is common. As the light sources 81 and 91 of the phase contrast microscopes 80 and 90, for example, an LED, a halogen lamp, a high-pressure mercury lamp, or the like is used. The condenser / objective lens 86 functions as a condenser lens in the illumination optical system 82a, and functions as an objective lens in the observation optical system 92b. Similarly, the condenser / objective lens 96 functions as a condenser lens in the illumination optical system 92 and functions as an objective lens in the observation optical system 82b. Further, in each of the phase contrast microscopes 80 and 90, a mirror driving unit 57 (see FIG. 2) that moves the movable folding mirrors 85 and 95 on the optical axes of the illumination optical systems 82a and 92a and the observation optical systems 82b and 92b, respectively. Is provided). The mirror drive unit 57 is driven in accordance with a drive signal from the control unit 6.

なお、上述の構成において、可動式折り返しミラー85,95に替えてビームスプリッタを用いて構成してもよい。その場合には、照明光学系82a,92a及び観察光学系82b,92bに進退移動させるミラー駆動部57を省略することができるが、その代わりに、位相リング87,97の直前に補償光学系を挿入することが必要になる。   In the above configuration, a beam splitter may be used instead of the movable folding mirrors 85 and 95. In this case, the mirror drive unit 57 that moves forward and backward to the illumination optical systems 82a and 92a and the observation optical systems 82b and 92b can be omitted, but instead, a compensation optical system is provided immediately before the phase rings 87 and 97. It is necessary to insert.

このように構成される第1位相差顕微鏡80において、図6に示すように、光源81から射出された照明光は、コレクタレンズ83により略平行光束に変換され、輪帯形状(リング形状)のスリットが設けられた輪帯絞り84に入射する。輪帯絞り84のスリットを通過した光は、可動式折り返しミラー85によって略垂直下方へ(折り曲げられるように)反射された後、コンデンサ兼対物レンズ86によって集光され、試料台15に載置された培養容器10内の試料(受精卵J)に照射される。   In the first phase contrast microscope 80 configured as described above, as shown in FIG. 6, the illumination light emitted from the light source 81 is converted into a substantially parallel light beam by the collector lens 83, and has an annular shape (ring shape). The light enters the annular zone stop 84 provided with a slit. The light that has passed through the slit of the annular diaphragm 84 is reflected substantially vertically downward (so that it can be bent) by the movable folding mirror 85, then condensed by the condenser / objective lens 86, and placed on the sample stage 15. The sample (fertilized egg J) in the culture vessel 10 is irradiated.

試料に照射された照明光は、試料を透過する直接光と、位相物体である試料により回折される回折光とに分かれる。この回折現象は屈折率に違いのある部位で発生するため、当該回折光は、位相物体(受精卵J)と培地ドロップDとの境界部分、位相物体の内部構造等の位相物体の形状情報を含んでおり、この回折により照明光に対して位相が1/4波長だけ遅れることとなる。これら直接光及び回折光はコンデンサ兼対物レンズ96に集光されて、輪帯絞り84と共役な位置に配置された位相リング87に入射する。   The illumination light applied to the sample is divided into direct light that passes through the sample and diffracted light that is diffracted by the sample that is a phase object. Since this diffraction phenomenon occurs at a part where the refractive index is different, the diffracted light uses the shape information of the phase object such as the boundary part between the phase object (fertilized egg J) and the medium drop D and the internal structure of the phase object. The phase is delayed by ¼ wavelength with respect to the illumination light due to this diffraction. These direct light and diffracted light are condensed on the condenser / objective lens 96 and are incident on the phase ring 87 arranged at a position conjugate with the annular zone stop 84.

位相リング87に入射する光のうち直接光は、輪帯絞り84のスリットとほぼ同じ形状(リング状)に形成された位相板87aに入射して、位相板87aによって光の一部が吸収されて光量が弱められるとともに、位相が照明光の1/4波長だけずらされる。一方、位相リング87に入射する光のうち回折光は、位相板87a以外の部分をそのまま透過する。位相リング87を通過した直接光及び回折光は結像レンズ88により結像されて、撮像カメラ89の撮像面上で干渉する。このとき、直接光の位相は位相板87aによって1/4波長だけずれているため、直接光と回折光との位相差は1/2波長若しくは0になっており、その干渉によって位相の変化を光の明暗として可視化されている。これにより、撮像カメラ89の撮像面上には明暗のコントラストがついた試料(受精卵J)の拡大像が形成され、撮像カメラ89により撮像されることになる。なお、第1位相差顕微鏡80による観察のときには、第2位相差顕微鏡90の可動式折り返しミラー95はミラー駆動部57により観察光学系82bの光路上から退避されている。   Direct light out of the light incident on the phase ring 87 is incident on the phase plate 87a formed in the same shape (ring shape) as the slit of the annular diaphragm 84, and a part of the light is absorbed by the phase plate 87a. Thus, the amount of light is weakened and the phase is shifted by a quarter wavelength of the illumination light. On the other hand, of the light incident on the phase ring 87, the diffracted light passes through the portion other than the phase plate 87a as it is. The direct light and diffracted light that have passed through the phase ring 87 are imaged by the imaging lens 88 and interfere on the imaging surface of the imaging camera 89. At this time, since the phase of the direct light is shifted by ¼ wavelength by the phase plate 87a, the phase difference between the direct light and the diffracted light is ½ wavelength or 0, and the phase change is caused by the interference. It is visualized as light brightness. As a result, an enlarged image of the sample (fertilized egg J) having a contrast of light and dark is formed on the imaging surface of the imaging camera 89 and is captured by the imaging camera 89. When observing with the first phase-contrast microscope 80, the movable folding mirror 95 of the second phase-contrast microscope 90 is retracted from the optical path of the observation optical system 82b by the mirror driving unit 57.

このとき上述したように、培養容器10を載置する試料台15は観察光学系82bの光軸方向に沿った方向(Z方向)に往復移動可能であり、試料と観察光学系82bとの相対位置(光学的距離)が変化することで、光学系の焦点位置が連続的に変化するようになっている。これに対し、撮像カメラ89は試料の下方からの撮像を連続的に行うため、試料台15の往復移動に応じてコントラストが変化する複数の画像を所定の撮像ピッチ(観察対象の受精卵の大きさによって適宜なピッチが選択されるようになっており、例えばミクロンピッチ)で撮像することが可能である。   At this time, as described above, the sample stage 15 on which the culture vessel 10 is placed can reciprocate in the direction (Z direction) along the optical axis direction of the observation optical system 82b, and the relative relationship between the sample and the observation optical system 82b. As the position (optical distance) changes, the focal position of the optical system changes continuously. On the other hand, since the imaging camera 89 continuously performs imaging from below the sample, a plurality of images whose contrast changes according to the reciprocating movement of the sample stage 15 are displayed at a predetermined imaging pitch (the size of the fertilized egg to be observed). Accordingly, an appropriate pitch is selected. For example, it is possible to take an image at a micron pitch).

以上に第1位相差顕微鏡80の光学系の作用を概略説明したが、第2位相差顕微鏡90に関してもほぼ同様であるため(図7を参照)、第2位相差顕微鏡90についてのその説明は省略することとするが、第2位相差顕微鏡90でも、試料台15を観察光学系92bの光軸方向に沿った方向に往復移動させながら撮像カメラ99によって試料の撮像を上方から連続的に行うことで、試料台15の往復移動に応じてコントラストが変化する複数の画像を所定の撮像ピッチで撮像することが可能である。   Although the operation of the optical system of the first phase-contrast microscope 80 has been roughly described above, the second phase-contrast microscope 90 is substantially the same (see FIG. 7), so the explanation of the second phase-contrast microscope 90 is as follows. Although omitted, also in the second phase contrast microscope 90, the imaging camera 99 continuously images the sample from above while reciprocating the sample stage 15 in the direction along the optical axis direction of the observation optical system 92b. Thus, it is possible to capture a plurality of images whose contrast changes according to the reciprocation of the sample stage 15 at a predetermined imaging pitch.

このように位相差顕微鏡80,90では、試料と観察光学系との相対位置(光学系の焦点位置)を変化させながら、上下2方向から試料の観察画像を撮像カメラ89,99によってそれぞれ連続的に撮影することができる。なお、第1位相差顕微鏡80と第2位相差顕微鏡90とによる同時観察は行わず、光源81,91をオン/オフ切り換えて、所定の撮像ピッチ(試料台15の1ピッチ送り)ごとに撮像カメラ89,99で交互に撮像することが望ましい。これは、受精卵Jのような透明な試料を第1及び第2位相差顕微鏡80,90により上下から同時に観察すると、対向する光学系の照明光により位相コントラストを低下させてしまう虞があるからであり、後述するSFF方式による観察を行うためには位相差顕微鏡80,90を順次切り換えて観察することが好ましい。   As described above, in the phase contrast microscopes 80 and 90, the observation images of the sample are continuously captured by the imaging cameras 89 and 99 from the two upper and lower directions while changing the relative position between the sample and the observation optical system (focal position of the optical system). Can be taken. Note that simultaneous observation by the first phase contrast microscope 80 and the second phase contrast microscope 90 is not performed, and the light sources 81 and 91 are switched on / off, and images are taken at every predetermined imaging pitch (one pitch feed of the sample stage 15). It is desirable to take images alternately with the cameras 89 and 99. This is because if a transparent sample such as the fertilized egg J is observed simultaneously from above and below with the first and second phase contrast microscopes 80 and 90, the phase contrast may be lowered by the illumination light of the opposing optical system. In order to perform observation by the SFF method, which will be described later, it is preferable that the phase-contrast microscopes 80 and 90 are sequentially switched for observation.

撮像カメラ89,99は、CCDやCMOS等の撮像素子を有しており、撮像素子の撮像面上に形成された試料の拡大像を撮像して得られた画像信号を画像処理装置100へ出力する。また、画像処理装置100には、撮像カメラ88,89からの画像信号の他に、試料台(微細駆動ステージ)15に内蔵されたリニアエンコーダ17(図8を参照)からの検出信号が入力される。そのため、試料の表面を撮像したときの試料台15の光軸軸方向位置(Z方向位置)を知ることができる。   The imaging cameras 89 and 99 have imaging elements such as a CCD and a CMOS, and output to the image processing apparatus 100 an image signal obtained by capturing an enlarged image of the sample formed on the imaging surface of the imaging element. To do. In addition to the image signals from the imaging cameras 88 and 89, the image processing apparatus 100 receives detection signals from a linear encoder 17 (see FIG. 8) built in the sample stage (fine driving stage) 15. The Therefore, the optical axis direction position (Z direction position) of the sample stage 15 when the surface of the sample is imaged can be known.

本実施形態において、画像処理装置100は、撮像カメラ89,99から入力された試料表面の複数の画像に対し、所定の画像処理を行うことで、試料の三次元形状を求めることが可能である。ここで、図8に、画像処理装置100の概要構成をブロック図として示す。この画像処理装置100は、撮像カメラ89,99により所定の撮像ピッチ(サンプリング間隔)で観察対象の受精卵Jが撮影された複数の顕微観察画像を取得して記憶する画像記憶部110と、予め撮像カメラ89,99により撮影された画像に基づいて画像補正用のパラメータを求めて撮像カメラ89,99から取得した受精卵の観察画像に対して視野位置及び倍率差の補正を施す画像補正部120と、撮像取得された観察画像(顕微観察画像)と当該撮像取得が行われたときの試料台15の位置情報に基づいて所定の画像処理を施して受精卵の三次元形状を構築する画像解析部130と、画像解析部130により解析された結果を外部に出力する出力部140とを備え、画像解析部130により構築された受精卵の三次元形状データを、例えば表示パネル72に出力して表示させるように構成される。画像処理装置100は、ROM62に予め設定記憶された画像処理プログラムGPがCPU61に読み込まれ、CPU61によって画像処理プログラムGPに基づく処理が順次実行されることによって構成される。   In the present embodiment, the image processing apparatus 100 can obtain the three-dimensional shape of the sample by performing predetermined image processing on a plurality of images on the sample surface input from the imaging cameras 89 and 99. . Here, FIG. 8 shows a schematic configuration of the image processing apparatus 100 as a block diagram. The image processing apparatus 100 includes an image storage unit 110 that acquires and stores a plurality of microscopic observation images obtained by imaging the fertilized eggs J to be observed at a predetermined imaging pitch (sampling interval) by the imaging cameras 89 and 99, and a storage unit 110 in advance. An image correction unit 120 that obtains parameters for image correction based on the images taken by the imaging cameras 89 and 99 and corrects the visual field position and the magnification difference on the observed image of the fertilized egg acquired from the imaging cameras 89 and 99. And image analysis for constructing a three-dimensional shape of a fertilized egg by performing predetermined image processing based on an observation image (microscopic observation image) acquired and acquired and position information of the sample stage 15 when the acquisition and acquisition are performed. Unit 130 and an output unit 140 for outputting the result analyzed by the image analysis unit 130 to the outside, the three-dimensional shape data of the fertilized egg constructed by the image analysis unit 130 For example configured to display and output to the display panel 72. The image processing apparatus 100 is configured such that an image processing program GP preset and stored in the ROM 62 is read by the CPU 61 and processing based on the image processing program GP is sequentially executed by the CPU 61.

それでは、図9に示すフローチャートを参照して、受精卵Jの三次元形状を求めるための形状測定方法について説明する。記述したように、培養観察システムBSでは、観察プログラムにおいて設定された観察条件に従って、所定時間ごとに指定された培養容器10内の受精卵観察が行われる。   Now, a shape measurement method for obtaining the three-dimensional shape of the fertilized egg J will be described with reference to the flowchart shown in FIG. As described, in the culture observation system BS, fertilized eggs in the culture vessel 10 designated every predetermined time are observed according to the observation conditions set in the observation program.

ステップS1において、画像処理装置100は、第1位相差顕微鏡80と第2位相差顕微鏡90との観察視野及び観察倍率差を調節する(位相差顕微鏡80,90の観察画像をマッチングさせる)ための画像補正パラメータを取得する。ここで、図10のフローチャートを参照してパラメータ取得処理の詳細について説明する。   In step S1, the image processing apparatus 100 adjusts the observation field of view and the observation magnification difference between the first phase contrast microscope 80 and the second phase contrast microscope 90 (matching the observation images of the phase contrast microscopes 80 and 90). Obtain image correction parameters. Here, details of the parameter acquisition processing will be described with reference to the flowchart of FIG.

ステップS11では、位相差のある所定のマーカを予め試料台15に載置しておき、画像補正部120が、第1位相差顕微鏡80の撮像カメラ89にマーカを下側から撮像させるととともに、第2位相差顕微鏡90の撮像カメラ99にマーカを上側から撮像させて、上下2方向からのマーカ画像を得る。マーカには、卵細胞のモデルとなる高精度の球体からなる透明ビーズや、既知のパターンを持つ位相格子(垂直に切立った位相膜)などが用いられる。   In step S11, a predetermined marker having a phase difference is placed on the sample stage 15 in advance, and the image correction unit 120 causes the imaging camera 89 of the first phase contrast microscope 80 to image the marker from below, The imaging camera 99 of the second phase-contrast microscope 90 is caused to pick up an image of the marker from the upper side, and a marker image is obtained from two directions. As the marker, a transparent bead made of a high-precision sphere serving as a model of an egg cell, a phase grating (a vertically standing phase film) having a known pattern, or the like is used.

画像補正部120は、ステップS12において、取得した2つの画像を比較して第1位相差顕微鏡80と第2位相差顕微鏡90との観察視野位置のズレ量を算出するとともに、ステップS13において、2画像間の観察倍率差を算出する。ステップS14では、求められた算出値に基づいて、第1位相差顕微鏡80及び第2位相差顕微鏡90における観察視野位置ズレと観察倍率差を補正するための画像補正パラメータを求める。このように取得された画像補正パラメータは、後述するステップS4において施される画像補正処理に用いられる。   In step S12, the image correction unit 120 compares the two acquired images to calculate the shift amount of the observation visual field position between the first phase-contrast microscope 80 and the second phase-contrast microscope 90. The observation magnification difference between images is calculated. In step S14, an image correction parameter for correcting the observation visual field position deviation and the observation magnification difference in the first phase-contrast microscope 80 and the second phase-contrast microscope 90 is obtained based on the obtained calculated value. The image correction parameters acquired in this way are used for image correction processing performed in step S4 described later.

図9に戻り、ステップS2において、試料台15からマーカが取り除かれた後で、CPU61は、搬送ユニット4の各ステージを作動させてストッカー3から観察対象の培養容器10を観察ユニット5に搬送し(顕微観察系55の光軸上に位置決めし)、画像取得部110の制御の基で、第1及び第2位相差顕微鏡80,90による受精卵の位相差画像(観察画像)を所定の撮像ピッチで撮像カメラ89,99により撮像させる。このとき、第1及び第2位相差顕微鏡80,90による観察では、試料台15の上下移動に伴って所定の撮像ピッチごとに、両者を交互に切り換えて撮像カメラ89,99により観察画像を撮影する。これにより、受精卵の位置等の変化がない複数の画像を短時間で撮影することができるため、後述するSFF方式による解析を良好に行うことが可能になる。   Returning to FIG. 9, in step S <b> 2, after the marker is removed from the sample stage 15, the CPU 61 operates each stage of the transport unit 4 to transport the culture container 10 to be observed from the stocker 3 to the observation unit 5. (Positioned on the optical axis of the microscopic observation system 55), and under the control of the image acquisition unit 110, predetermined phase images (observation images) of fertilized eggs by the first and second phase contrast microscopes 80 and 90 Images are taken by the imaging cameras 89 and 99 at a pitch. At this time, in the observation with the first and second phase contrast microscopes 80 and 90, both are alternately switched at predetermined imaging pitches along with the vertical movement of the sample stage 15, and the observation images are taken by the imaging cameras 89 and 99. To do. As a result, a plurality of images with no change in the position or the like of the fertilized egg can be taken in a short time, so that it becomes possible to satisfactorily perform analysis by the SFF method described later.

ステップS3では、画像記憶部110は、撮像カメラ89,99により撮影された複数の観察画像を取得する。このとき、画像記憶部110は、第1位相差顕微鏡80の撮像カメラ89により培養容器10中の受精卵を所定の撮像ピッチで(光学系の焦点位置を変化させながら)下方から連続的に撮影された複数の観察画像(「第1観察画像」と称する)を取得するとともに、第2位相差顕微鏡90の撮像カメラ99によって受精卵を所定の撮像ピッチで(光学系の焦点位置を変化させながら)上方から連続的に撮影した複数の観察画像(「第2観察画像」と称する)を取得する。   In step S <b> 3, the image storage unit 110 acquires a plurality of observation images photographed by the imaging cameras 89 and 99. At this time, the image storage unit 110 continuously captures the fertilized eggs in the culture vessel 10 from below with the imaging camera 89 of the first phase contrast microscope 80 at a predetermined imaging pitch (while changing the focal position of the optical system). A plurality of observed images (referred to as “first observed images”) are acquired, and a fertilized egg is captured at a predetermined imaging pitch (while changing the focal position of the optical system) by the imaging camera 99 of the second phase contrast microscope 90. ) Acquire a plurality of observation images (referred to as “second observation images”) taken continuously from above.

画像記憶部110は、撮像カメラ89,99から取得した第1及び第2観察画像を、試料台15内のリニアエンコーダ17から出力される当該撮像取得が行われたときの試料台15の位置情報とともに、培養容器10のコード番号や観察位置、観察時刻などのインデックス・データと対応付けて保存する。   The image storage unit 110 outputs the first and second observation images acquired from the imaging cameras 89 and 99, and the positional information of the sample stage 15 when the imaging acquisition output from the linear encoder 17 in the sample stage 15 is performed. At the same time, it is stored in association with index data such as the code number, observation position, and observation time of the culture vessel 10.

ステップS4では、画像補正部120は、ステップS2で求めた画像補正パラメータに基づいて、画像記憶部110に記憶されたそれぞれ複数枚の第1観察画像及び第2観察画像に対し画像補正を施し、両画像の観察視野位置と観察倍率差とを一致させる。これにより、第1観察画像と第2観察画像とが画素単位でマッチングされる。   In step S4, the image correction unit 120 performs image correction on each of the plurality of first observation images and second observation images stored in the image storage unit 110, based on the image correction parameters obtained in step S2. The observation visual field position of both images is matched with the observation magnification difference. Thereby, a 1st observation image and a 2nd observation image are matched per pixel.

ステップS5において、画像補正された第1観察画像及び第2観察画像に対してShape From Focus(以下、単に「SFF」と称する)による処理を施す。SFF方式の原理について簡単に説明すると、この方式は、観察対象の試料に光を照明し、試料と観察光学系(対物レンズ)とをZ方向(フォーカス方向)に相対移動させて試料と観察光学系との間の光学的距離を変化させながら試料の画像を設定距離(撮像ピッチ)ごとに撮像カメラで取得し、後述する画像処理によって、得られた画像に対して画素単位で合焦測度を求めることにより、試料が観察光学系に関して撮像カメラと共役な位置にあるときに合焦測度が最大となる特性を用いて、試料の三次元形状情報を得る手法である。合焦測度の変化の様子を図11に示しており、合焦測度(コントラスト)が最大となる位置(すなわち合焦点位置となる試料台位置)を算出することで、試料の表面形状を求めることができる。ここで、図12のフローチャートを参照して、SSF方式による画像処理の詳細について説明する。   In step S5, the first and second observation images that have undergone image correction are subjected to a process from Shape From Focus (hereinafter simply referred to as “SFF”). Briefly explaining the principle of the SFF method, this method illuminates the sample to be observed with light, and moves the sample and the observation optical system (objective lens) relative to each other in the Z direction (focus direction). The image of the sample is acquired by the imaging camera at each set distance (imaging pitch) while changing the optical distance to the system, and the focus measurement is performed in pixel units on the obtained image by image processing described later. This is a technique for obtaining the three-dimensional shape information of the sample by using the characteristic that maximizes the focus measure when the sample is at a position conjugate with the imaging camera with respect to the observation optical system. FIG. 11 shows how the focus measure changes, and the surface shape of the sample is obtained by calculating the position at which the focus measure (contrast) is maximized (that is, the position of the sample stage as the focus position). Can do. Here, the details of the image processing by the SSF method will be described with reference to the flowchart of FIG.

ステップS51において、画像解析部130は、所定の撮像ピッチごとに取得した複数の第1観察画像及び第2観察画像に対して、1枚の画像ごとに各画素の合焦測度を算出する。このとき、画像解析部130は、画像補正部120から取得した補正済みの第1及び第2観察画像について、例えば、ラプラシアンフィルタ等の微分フィルタや分散フィルタなどを適用し、画素ごとに積和演算された微分値や分散値を合焦測度として求める。なお、第1観察画像及び第2観察画像から画素ごとに求められた合焦測度は、第1観察画像と第2観察画像とで対応する画素(同一領域の画素)ごとに1セットとして記録される。   In step S51, the image analysis unit 130 calculates a focus measure for each pixel for each image with respect to the plurality of first observation images and second observation images acquired at each predetermined imaging pitch. At this time, the image analysis unit 130 applies, for example, a differential filter such as a Laplacian filter or a dispersion filter to the corrected first and second observation images acquired from the image correction unit 120, and performs a product-sum operation for each pixel. The obtained differential value or variance value is obtained as a focus measure. Note that the focus measure obtained for each pixel from the first observation image and the second observation image is recorded as one set for each corresponding pixel (pixels in the same region) in the first observation image and the second observation image. The

ステップS52において、画像解析部130は、第1及び第2観察画像について、画素ごとに合焦測度がピークとなる合焦点位置を求める。このとき、非透明な試料の画像については合焦測度がピークを示す合焦点は原則的に各画素に対して1つずつであるが、観察対象が卵細胞のような球形状の透明物体の場合には、各画素に対して合焦点が複数存在することとなる。例えば、図13に示されるように、受精卵J(2細胞期のとき)における胚Hの細胞C1が細胞C11と細胞C12に卵割し、細胞C2が細胞C21と細胞C22に卵割した場合について考える。なお、図13(A)〜(C)は、受精卵を水平方向から見たときの模式図である。   In step S <b> 52, the image analysis unit 130 obtains an in-focus position where the in-focus measure reaches a peak for each pixel for the first and second observation images. At this time, in the case of an image of a non-transparent sample, the focus point at which the focus measure shows a peak is basically one for each pixel, but the observation target is a spherical transparent object such as an egg cell. In this case, a plurality of focal points exist for each pixel. For example, as shown in FIG. 13, when cell C1 of embryo H in fertilized egg J (at the 2-cell stage) is divided into cells C11 and C12, and cell C2 is divided into cells C21 and C22 think about. 13A to 13C are schematic diagrams when the fertilized egg is viewed from the horizontal direction.

例えば、図中の注目画素位置(第1及び第2観察画像において同一の画素位置)に対して、胚の外周上の点P1,P2,P3が上下方向に点在する場合を考えると、理想的には、テクスチャとしての胚H上の点P1〜P3については、上述した試料(受精卵J)と観察光学系との光学的距離の変化に伴い、注目画素の領域と共役な関係にある試料上の点として、合焦測度がそれぞれピークとなって現れる。   For example, considering the case where the points P1, P2, and P3 on the outer periphery of the embryo are scattered in the vertical direction with respect to the target pixel position (the same pixel position in the first and second observation images) in the figure, it is ideal. Specifically, the points P1 to P3 on the embryo H as the texture have a conjugate relationship with the region of the pixel of interest as the optical distance between the sample (fertilized egg J) and the observation optical system changes. The focus measure appears as a peak as a point on the sample.

ここで、図13(A)に示すように、第1位相差顕微鏡80と第2位相差顕微鏡90との観察で、注目画素での合焦測度のピーク位置が同じ位置に検出された場合には、この同一のピーク位置をクラスタリングし、このピークなって現れた点を合焦点であると判断する。図13(A)では、3つのピーク位置全てが同じ位置に出現した場合を例示しており、画像解析部130は、このピークとなって出現した3つの点が点P1〜P3を示す合焦点であると判断する。なお、ステップS4での第1観察画像と第2観察画像との画像補正により、第1観察画像と第2観察画像での各画素領域の位置及び大きさは一致しているため、合焦点を高精度に検出することができる。   Here, as shown in FIG. 13A, when the peak position of the focus measure at the target pixel is detected at the same position in the observation with the first phase contrast microscope 80 and the second phase contrast microscope 90. Performs clustering on the same peak position, and determines that the point appearing as the peak is a focal point. FIG. 13A illustrates a case where all three peak positions appear at the same position, and the image analysis unit 130 has a focal point where the three points appearing as the peaks indicate points P1 to P3. It is judged that. In addition, since the position and size of each pixel area in the first observation image and the second observation image are matched by the image correction of the first observation image and the second observation image in step S4, the focal point is set. It can be detected with high accuracy.

一方、図13(B)に示すように、位相差顕微鏡80,90による両側からの観察での合焦測度の変化において、ランダムなノイズ等の影響によって合焦測度のピーク位置がずれて現れた場合には、受精卵Jの上側領域U内(上半球)については上側(第1位相差顕微鏡80)からの観察情報を優先的に、下側領域L内(下半球)については下側(第2位相差顕微鏡90)からの観察情報を優先的に採用して、合焦点を定義する。すなわち、受精卵Jの上側領域Uについては、第1位相差顕微鏡80による観察によって得られた合焦測度を用いて、この合焦測度がピークとなって現れる点(点P1,P2に対応する点)を合焦点と認定する。受精卵の下側領域Lについては、第2位相差顕微鏡90による観察によって得られた合焦測度を用いて、この合焦測度がピークとなって現れる点を合焦点と認定する。これにより上側及び下側からの観察において、合焦点の重複を回避して高精度に合焦点位置を検出することができる。   On the other hand, as shown in FIG. 13B, in the change of the focus measure in the observation from both sides by the phase-contrast microscopes 80 and 90, the peak position of the focus measure appears shifted due to the influence of random noise or the like. In the case, the observation information from the upper side (first phase contrast microscope 80) is preferentially given in the upper region U (upper hemisphere) of the fertilized egg J, and the lower side in the lower region L (lower hemisphere) ( Observation information from the second phase-contrast microscope 90) is preferentially adopted to define the focal point. That is, for the upper region U of the fertilized egg J, using the focus measure obtained by observation with the first phase contrast microscope 80, the focus measure appears as a peak (corresponding to points P1 and P2). ) Is recognized as the focal point. For the lower region L of the fertilized egg, the focus measure obtained by observation with the second phase-contrast microscope 90 is used and the point at which this focus measure appears as a peak is recognized as the focus. Thereby, in the observation from the upper side and the lower side, the in-focus position can be detected with high accuracy while avoiding the overlap of the in-focus points.

ところで、観察方向(本実施形態では上下方向)に対して複数の細胞が存在する場合、手前側の細胞が奥側の細胞(例えば、細胞C11を手前側とすると細胞C22が奥側となる)を隠した状態、すなわちオクルージョンが生じる虞がある。すなわち、1方向観察のSFF方式においては、観察方向から見て奥側に存在する構造については、手前側に存在する構造によるボケや散乱等によって、合焦測度のピークが検出し難くなる(ピークとして出現しない虞がある)ため、合焦点を正確に見つけられないという問題があるが、2方向観察である本実施形態では、次のように解決できる。   By the way, when there are a plurality of cells in the observation direction (vertical direction in this embodiment), the cell on the near side is the cell on the back side (for example, the cell C22 is on the back side when the cell C11 is on the near side). There is a possibility that occlusion occurs. That is, in the SFF method for unidirectional observation, it is difficult to detect the peak of the focus measure for the structure existing on the back side when viewed from the observation direction due to blurring or scattering due to the structure existing on the front side (peak Therefore, there is a problem that the in-focus point cannot be accurately found. However, in the present embodiment which is the two-way observation, the problem can be solved as follows.

図13(C)に示すように、上述したオクルージョンが発生し、一方の合焦測度の変化にのみピークが現れている場合、すなわち、上側からの観察において受精卵Jの下側領域Lに対する合焦測度が手前側の細胞C11等の存在によってボケや散乱等により低下する(ピークが現れない)場合や、下側からの観察において受精卵Jの上側領域Uに対する合焦測度が手前側の細胞C22等の存在によってボケや散乱等により低下する場合には、受精卵の上側領域Uについては、第1位相差顕微鏡80から得られた合焦測度変化において合焦測度がピークとなって現れる点(点P1,P2に対する点)を合焦点と認定し、受精卵の下側領域Lについては、第2位相差顕微鏡90から得られた合焦測度変化において合焦測度がピークとなって現れる点(点P3に対する点)を合焦点と認定する。これにより、オクルージョンが生じた場合でも、SSF方式を上下2方向からの観察に適用することにより、複数の合焦点を的確に検出することが可能になる。   As shown in FIG. 13C, when the above-described occlusion occurs and a peak appears only in one focus measure change, that is, in the observation from the upper side, the alignment with respect to the lower region L of the fertilized egg J When the focus measure is lowered due to blur or scattering due to the presence of the cell C11 or the like on the near side (no peak appears), or the focus measure with respect to the upper region U of the fertilized egg J is the near side cell in the observation from the lower side When the upper region U of the fertilized egg is lowered due to the presence of C22 or the like, the focus measure appears as a peak in the focus measure change obtained from the first phase contrast microscope 80. (Points with respect to points P1 and P2) are recognized as in-focus points, and for the lower region L of the fertilized egg, the in-focus measure appears as a peak in the in-focus measure change obtained from the second phase contrast microscope 90. (Point with respect to the point P3) is recognized as the focal point. Thus, even when occlusion occurs, it is possible to accurately detect a plurality of in-focus points by applying the SSF method to observation from two directions.

これを簡単にまとめると、(それぞれ複数の)第1及び第2観察画像の各々から同一の注目画素について合焦測度のピークを全て検出した上で、上側領域U及び下側領域Lにおいて合焦測度のピーク位置が同じであれば、クラスタリングしてそのピークを直ちに合焦点と認定し、ピーク位置が異なったりピーク位置が一方にのみ出現するのであれば、受精卵の上側領域Uについては上側観察(第1位相差顕微鏡80)による観察情報を適用し、下側領域Lについては下側観察(第2位相差顕微鏡80)による観察情報を適用して、その領域内で出現するピークを優先して合焦点を認定する。   To summarize this, after detecting all the focus measurement peaks for the same target pixel from each of the first and second observation images (a plurality of each), the upper region U and the lower region L are focused. If the peak position of the measure is the same, the cluster is immediately identified as the focal point, and if the peak position is different or the peak position appears only on one side, the upper region U of the fertilized egg is observed on the upper side. Observation information from the first phase contrast microscope 80 is applied, and observation information from the lower side observation (second phase contrast microscope 80) is applied to the lower region L, giving priority to peaks appearing in the region. To certify the focal point.

ステップS6において、画像解析部130は、画素単位で得られた合焦点情報(合焦点位置)に基づいて、試料表面の相対高さを求めて、受精卵の三次元形状を構築する。具体的には、受精卵の三次元形状を構成する(X,Y,Z)の点群座標などが算出される。また、画像解析部130は、画素ごとに求めた合焦点位置に基づいて、コントラストの合った部分を寄せ集めた2次元のスライス画像を上記所定の撮像ピッチごとに生成する。   In step S6, the image analysis unit 130 obtains the relative height of the sample surface based on the in-focus information (in-focus position) obtained for each pixel, and constructs a three-dimensional shape of the fertilized egg. Specifically, (X, Y, Z) point cloud coordinates constituting a three-dimensional shape of a fertilized egg are calculated. Further, the image analysis unit 130 generates a two-dimensional slice image obtained by gathering together the portions having the appropriate contrast for each predetermined imaging pitch based on the focal position obtained for each pixel.

ステップS7において、ステップS6で算出した三次元形状データ(点群データ)及びスライス画像は、出力部により表示パネル72に出力され、受精卵の三次元形状の測定結果として表示パネル72に表示される。また、表示パネル72では、点群座標を基に三次元形状を表示することもできる。そして、画像処理装置100により構築された三次元データから、受精卵Jの任意の位置を観察できるとともに、受精卵Jの任意の位置の寸法等を算出できるようになっている。そのため、観察者は、受精卵Jの三次元形状データに基づいて、卵割に伴う胚のくびれ部などを的確に検出して、卵内の細胞の卵割のタイミングを的確に観察することが可能になる。   In step S7, the three-dimensional shape data (point cloud data) and the slice image calculated in step S6 are output to the display panel 72 by the output unit and displayed on the display panel 72 as the measurement result of the three-dimensional shape of the fertilized egg. . The display panel 72 can also display a three-dimensional shape based on the point cloud coordinates. Then, from the three-dimensional data constructed by the image processing apparatus 100, an arbitrary position of the fertilized egg J can be observed, and a dimension of the arbitrary position of the fertilized egg J can be calculated. Therefore, the observer can accurately detect the constricted part of the embryo accompanying the cleavage based on the three-dimensional shape data of the fertilized egg J and accurately observe the timing of cleavage of the cells in the egg. It becomes possible.

なお、上述したように培養観察システムBSでは、観察プログラムに基づく所定の時間間隔の観察スケジュールに従って、位相差顕微鏡56の撮像カメラ89,99により顕微観察画像(位相差画像)の撮影が順次実行されており、その結果、当該時間間隔ごとに三次元形状を示す画像データを取得している。そのため、この断続的に撮影された多くの画像を連続的に再生し、現実の時間軸では目視的に把握しにくい受精卵Jの変化状態(卵割状態)を、時間軸を圧縮して動画のように動的変化として可視化するタイムラプス画像を生成することにより、受精卵Jの生育状態をより正確に把握することができ、受精卵Jの生育状態の良否(卵内の各細胞が同時期のタイミングで分裂したか否か)を精度良く判定することができる。   As described above, in the culture observation system BS, the microscopic observation images (phase difference images) are sequentially captured by the imaging cameras 89 and 99 of the phase contrast microscope 56 according to the observation schedule at predetermined time intervals based on the observation program. As a result, image data indicating a three-dimensional shape is acquired at each time interval. For this reason, many images taken intermittently are continuously reproduced, and the change state (egg cleavage state) of the fertilized egg J, which is difficult to grasp visually on the actual time axis, is compressed by moving the time axis. By generating a time-lapse image that is visualized as a dynamic change, the growth state of the fertilized egg J can be grasped more accurately, and the growth state of the fertilized egg J can be determined (the cells in the egg are in the same period) It is possible to accurately determine whether or not the data has been split at the timing.

このように、以上説明した本実施形態に係る観察装置、画像処置プログラムGP、及びこの画像処理プログラムGPが実行されることにより構成される形状測定方法によれば、SFF方式を上下2方向(異なる方向)からの受精卵の観察に適用することよって、受精卵の三次元形状を高精度に構築することできるため、受精卵の卵割を定量的に判断でき、受精卵の生育状態の良否を正確に評価することが可能になる。   As described above, according to the observation apparatus, the image processing program GP, and the shape measurement method configured by executing the image processing program GP according to the present embodiment described above, the SFF method is divided into two directions (up and down). By applying to the observation of fertilized eggs from (direction), the three-dimensional shape of the fertilized egg can be constructed with high accuracy, so that the cleavage of the fertilized egg can be judged quantitatively, and the growth status of the fertilized egg can be determined. It becomes possible to evaluate accurately.

上述の実施形態において、位相差顕微鏡装置56として試料面に対してほぼ上下対称に配置した第1及び第2位相差顕微鏡80,90を例示したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、例えば、図14に示したように、第1位相差顕微鏡180及び第2位相差顕微鏡190を左右に配置して構成した位相差顕微鏡装置156を用いても同様の効果を得ることができる。このとき、第1位相差顕微鏡180は、光源181、照明光学系182a、観察光学系182b、及び撮像カメラ189により構成される。一方、第2位相差顕微鏡190は、光源191、照明光学系192a、観察光学系192b、及び撮像カメラ199により構成される。このよう位相差顕微鏡装置156では、第1位相差顕微鏡180及び第2位相差顕微鏡190を、不図示の駆動装置によって水平方向に進退移動させ、試料台15に載置された培養容器10中の受精卵Jを上下方向から交互に観察することができる。   In the above-described embodiment, the first and second phase-contrast microscopes 80 and 90 arranged substantially symmetrically with respect to the sample surface are exemplified as the phase-contrast microscope apparatus 56. However, the present invention is limited to this embodiment. Instead, for example, as shown in FIG. 14, the same effect can be obtained by using a phase contrast microscope apparatus 156 configured by arranging the first phase contrast microscope 180 and the second phase contrast microscope 190 on the left and right. it can. At this time, the first phase-contrast microscope 180 includes a light source 181, an illumination optical system 182a, an observation optical system 182b, and an imaging camera 189. On the other hand, the second phase contrast microscope 190 includes a light source 191, an illumination optical system 192a, an observation optical system 192b, and an imaging camera 199. As described above, in the phase contrast microscope apparatus 156, the first phase contrast microscope 180 and the second phase contrast microscope 190 are moved back and forth in the horizontal direction by a driving device (not shown), so that The fertilized eggs J can be observed alternately from above and below.

また、上述の実施形態において、受精卵Jを顕微観察する顕微鏡装置として位相差顕微鏡を例示したが、これに限定されるものではなく、微分位相差顕微鏡を用いて構成しても同様の効果を得ることができる。さらに、光源及び照明光学系により落射照明装置を構成して、反射型の位相差顕微鏡を構成してもよい。   Moreover, in the above-mentioned embodiment, although the phase contrast microscope was illustrated as a microscope apparatus which microscopically observes the fertilized egg J, it is not limited to this, Even if it comprises using a differential phase contrast microscope, the same effect is obtained. Obtainable. Further, the epi-illumination device may be configured by a light source and an illumination optical system to configure a reflection type phase contrast microscope.

また、上述の実施形態において、第1画像及び第2画像との画像補正処理において、更に上下方向の合焦点位置のずれ量を補正することとしてもよい。この場合、基準となるマーカとして、水平方向に位相勾配を持つ物体(例えば、半球や、横分解能より空間的に広いピッチでの階段構造、四角錘など)によれば、観察倍率の補正を行った第1画像と第2画像とでの形状が一致し、且つその形状の輪郭コントラスト(合焦測度)が最大となる位置により、上下方向(フォーカス方向)の合焦点位置のずれ量を測定して、当該ずれ量を補正することができる。   In the above-described embodiment, in the image correction process with the first image and the second image, the amount of shift of the in-focus position in the vertical direction may be further corrected. In this case, the observation magnification is corrected by using an object having a phase gradient in the horizontal direction (for example, a hemisphere, a stair structure having a spatially wider pitch than the lateral resolution, a square pyramid, etc.) as a reference marker. The amount of deviation of the in-focus position in the vertical direction (focus direction) is measured based on the position where the shapes of the first image and the second image match and the contour contrast (focus measure) of the shape is maximized. Thus, the deviation amount can be corrected.

BS 培養観察システム GP 画像処理プログラム
J 受精卵 5 観察ユニット
6 制御ユニット 15 試料台
52 透過照明部 55 顕微観察系
56 位相差顕微鏡装置 61 CPU
62 ROM 63 RAM
80 第1位相差顕微鏡 89 撮像カメラ
90 第2位相差顕微鏡 99 撮像カメラ
100 画像処理装置 120 画像補正部
130 画像解析部 140 出力部
BS Culture observation system GP Image processing program J Fertilized egg 5 Observation unit 6 Control unit 15 Sample stage 52 Transmitted illumination unit 55 Microscopic observation system 56 Phase contrast microscope device 61 CPU
62 ROM 63 RAM
80 First Phase-Contrast Microscope 89 Imaging Camera 90 Second Phase-Contrast Microscope 99 Imaging Camera 100 Image Processing Device 120 Image Correction Unit 130 Image Analysis Unit 140 Output Unit

Claims (9)

生体試料と前記生体試料の像を結像する第1観察光学系との光学的距離を変化させながら第1撮像装置により前記生体試料を一方側から順次撮影した複数の第1画像と、前記生体試料と前記生体試料の像を結像する第2観察光学系との光学的距離を変化させながら第2撮像装置により前記生体試料を前記一方側に対向する他方側から順次撮影した複数の第2画像とを取得し、
前記複数の第1画像及び第2画像に基づいて合焦測度を画素単位で算出し、
前記生体試料の前記一方側の領域については前記第1画像より得られた合焦測度情報を優先適用し、前記生体試料の前記他方側の領域については前記第2画像より得られた合焦測度情報を優先適用して各画素の合焦点を求め、
前記合焦点位置に基づいて前記生体試料の三次元形状を構築することを特徴とする形状測定方法。
A plurality of first images obtained by sequentially photographing the biological sample from one side by a first imaging device while changing an optical distance between the biological sample and a first observation optical system that forms an image of the biological sample; A plurality of second images obtained by sequentially imaging the biological sample from the other side facing the one side by a second imaging device while changing an optical distance between the sample and a second observation optical system that forms an image of the biological sample. Get images and
Calculating a focus measure in pixel units based on the plurality of first and second images;
The focus measure information obtained from the first image is preferentially applied to the one side region of the biological sample, and the focus measure obtained from the second image is applied to the other region of the biological sample. Apply the information preferentially to find the focal point of each pixel
A shape measuring method comprising constructing a three-dimensional shape of the biological sample based on the focal point position.
前記第1及び第2撮像装置は、前記生体試料の位相差観察によって得られる位相差画像を撮影することを特徴とする請求項1に記載の形状測定方法。   The shape measurement method according to claim 1, wherein the first and second imaging devices capture a phase difference image obtained by phase difference observation of the biological sample. 前記第1画像と前記第2画像との画像間で観察視野位置及び観察倍率を補正することを特徴とする請求項1または2に記載の形状測定方法。   The shape measurement method according to claim 1, wherein an observation visual field position and an observation magnification are corrected between the first image and the second image. コンピュータにより読み取り可能であり、撮像装置により撮影されて画像を取得して画像処理する画像処理装置として前記コンピュータを機能させるための画像処理プログラムであって、
生体試料と前記生体試料の像を結像する第1観察光学系との光学的距離を変化させながら第1撮像装置により前記生体試料を一方側から順次撮影した複数の第1画像と、前記生体試料と前記生体試料の像を結像する第2観察光学系との光学的距離を変化させながら第2撮像装置により前記生体試料を前記一方側に対向する他方側から順次撮影した複数の第2画像とを取得するステップと、
前記複数の第1画像及び第2画像に基づいて合焦測度を画素単位で算出するステップと、
前記生体試料の前記一方側の領域については前記第1画像より得られた合焦測度情報を優先適用し、前記生体試料の前記他方側の領域については前記第2画像より得られた合焦測度情報を優先適用して各画素の合焦点を求めるステップと、
前記合焦点位置に基づいて前記生体試料の三次元形状を構築するステップとを
前記コンピュータに実現させることを特徴とする画像処理プログラム。
An image processing program for causing a computer to function as an image processing apparatus that is readable by a computer, acquires an image captured by an imaging device, and performs image processing,
A plurality of first images obtained by sequentially photographing the biological sample from one side by a first imaging device while changing an optical distance between the biological sample and a first observation optical system that forms an image of the biological sample; A plurality of second images obtained by sequentially imaging the biological sample from the other side facing the one side by a second imaging device while changing an optical distance between the sample and a second observation optical system that forms an image of the biological sample. Obtaining an image, and
Calculating a focus measure in pixel units based on the plurality of first and second images;
The focus measure information obtained from the first image is preferentially applied to the one side region of the biological sample, and the focus measure obtained from the second image is applied to the other region of the biological sample. Preferentially applying information to determine the focal point of each pixel;
An image processing program for causing the computer to realize a step of constructing a three-dimensional shape of the biological sample based on the focal point position.
前記第1及び第2撮像装置は、前記生体試料の位相差観察によって得られる位相差画像を撮影することを特徴とする請求項4に記載の画像処理プログラム。   The image processing program according to claim 4, wherein the first and second imaging devices capture a phase difference image obtained by phase difference observation of the biological sample. 前記第1画像と前記第2画像との画像間で観察視野位置及び観察倍率を補正することを特徴とする請求項4または5に記載の画像処理プログラム。   6. The image processing program according to claim 4, wherein an observation visual field position and an observation magnification are corrected between the first image and the second image. 生体試料を保持する試料台と、
前記生体試料を一方側から撮像する第1撮像装置及び前記一方側に対向する他方側から撮像する第2撮像装置と、
前記試料台を前記生体試料の像を第1撮像装置の撮像面に結像させる第1観察光学系に対して相対移動させるとともに、前記第2撮像装置の撮像面に結像させる第2観察光学系に対して相対移動させる移動制御部と、
前記相対移動部により前記試料台を前記第1及び第2観察光学系に対して相対移動させながら前記第1及び第2撮像装置により撮像して得られた、前記生体試料の複数の第1画像及び第2画像に対して画像処理を行う画像処理装置とを備え、
前記画像処置装置が、前記複数の第1画像及び第2画像に基づいて合焦測度を画素単位で算出し、前記生体試料の前記一方側の領域については前記第1画像より得られた合焦測度情報を優先適用し、前記生体試料の前記他方側の領域については前記第2画像より得られた合焦測度情報を優先適用して各画素の合焦点を求め、前記合焦点位置に基づいて前記生体試料の三次元形状を構築する画像解析部を備えていることを特徴とする観察装置。
A sample stage for holding a biological sample;
A first imaging device that images the biological sample from one side and a second imaging device that images from the other side facing the one side;
Second observation optics for causing the sample stage to move relative to a first observation optical system that forms an image of the biological sample on the imaging surface of the first imaging device and to form an image on the imaging surface of the second imaging device. A movement control unit that moves relative to the system;
A plurality of first images of the biological sample obtained by imaging with the first and second imaging devices while the sample stage is moved relative to the first and second observation optical systems by the relative moving unit. And an image processing device that performs image processing on the second image,
The image treatment device calculates a focus measure in units of pixels based on the plurality of first images and second images, and the focus on the one side of the biological sample obtained from the first image is calculated. Priority is applied to the measure information, and the focus measure information obtained from the second image is preferentially applied to the region on the other side of the biological sample to obtain the focus of each pixel, and based on the focus position An observation apparatus comprising an image analysis unit that constructs a three-dimensional shape of the biological sample.
前記第1及び第2撮像装置は、前記生体試料の位相差観察によって得られる位相差画像を撮影することを特徴とする請求項7に記載の観察装置。   The observation apparatus according to claim 7, wherein the first and second imaging apparatuses capture a phase difference image obtained by phase difference observation of the biological sample. 前記画像処理装置が、前記第1画像と前記第2画像との画像間で観察視野位置及び観察倍率を補正する画像補正部を備えていることを特徴とする請求項7または8に記載の観察装置。   The observation according to claim 7 or 8, wherein the image processing apparatus includes an image correction unit that corrects an observation visual field position and an observation magnification between the first image and the second image. apparatus.
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