JP2012095627A - Cell culture apparatus and program - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide means for detecting dynamic changes of a cultured cell in a short period of time while performing a wide-ranging and exhaustive observation.SOLUTION: An imaging part of a cell culture apparatus takes an observation image of the cultured cell in a constant temperature chamber. An image analysis part obtains form information of the cultured cell from a first image taken by the imaging part at a first time interval, and determines whether the form of the cultured cell meets given observation conditions based on the form information. An observation control part controls the imaging part to take a picture of the cultured cell at a second time interval that is shorter than the first time interval when the form of the cultured cell meets the given observation conditions.

Description

本発明は、細胞培養装置およびプログラムに関する。   The present invention relates to a cell culture device and a program.

従来の細胞培養装置には、サンプルごとにタイムラプス観察を行い、各時刻におけるサンプル内の細胞の観察画像を撮像する機能を有するものがある。また、培養細胞の観察において、複数のサンプルでの時間的変化を比較表示する構成も提案されている(例えば、特許文献1参照)。かかる細胞培養装置によれば、ユーザは、時間とともに培養細胞がどのように変化するかを把握することが可能となる。   Some conventional cell culture devices have a function of performing time-lapse observation for each sample and capturing an observation image of cells in the sample at each time. In addition, a configuration for comparing and displaying temporal changes in a plurality of samples in observing cultured cells has also been proposed (see, for example, Patent Document 1). According to such a cell culture device, the user can grasp how the cultured cells change with time.

また、例えば、幹細胞の分化を観察する場合、幹細胞の分化の発生時期および発生箇所を予め特定することは困難である。そのため、幹細胞の分化の検出および評価を行う場合には、一般的に、長期間の培養工程にわたって複数サンプルを対象とした広範囲かつ網羅的な観察を継続的に行うこととなる。   In addition, for example, when observing differentiation of stem cells, it is difficult to specify in advance the generation time and generation location of stem cell differentiation. Therefore, when detecting and evaluating the differentiation of stem cells, generally, a wide and comprehensive observation of a plurality of samples is continuously performed over a long-term culture process.

特開2009−162708号公報JP 2009-162708 A

分化細胞の中には、例えば、自発収縮運動を行う心筋細胞のように、非常に短い周期で特徴的な動的変化を示す細胞もある。上記のような細胞への分化誘導を評価する場合、時間的分解能の小さい画像を時系列に観察することで細胞の動きを判断する必要が生じる。   Some differentiated cells exhibit characteristic dynamic changes in a very short cycle, such as cardiomyocytes that undergo spontaneous contraction. When evaluating differentiation induction into cells as described above, it is necessary to determine cell movement by observing images with small temporal resolution in time series.

しかし、複数サンプルを対象とした広範囲かつ網羅的なタイムラプス観察を行う場合、タイムラプス観察で得た静止画像から、短い周期での培養細胞の動的変化を検出することはできない。また、ユーザが培養細胞を観察して細胞の分化状態を評価する手法では、長期間の培養工程にわたってユーザに多大な負担を強いることとなる。   However, when performing a wide and comprehensive time-lapse observation for a plurality of samples, it is impossible to detect a dynamic change of cultured cells in a short cycle from a still image obtained by the time-lapse observation. Further, in the method in which the user observes the cultured cells and evaluates the differentiated state of the cells, a great burden is imposed on the user over a long-term culture process.

上記事情に鑑み、広範囲かつ網羅的な観察を行いつつ、短い周期での培養細胞の動的変化を検出するための手段を提供する。   In view of the above circumstances, a means for detecting a dynamic change of a cultured cell in a short cycle is provided while performing a comprehensive and comprehensive observation.

一の態様の細胞培養装置は、室内が所定の環境条件に維持された恒温室と、撮像部と、画像解析部と、観察制御部とを備える。撮像部は、恒温室内での培養細胞の観察画像を撮像する。画像解析部は、撮像部が第1の時間間隔で撮像した第1画像から培養細胞の形態情報を取得するとともに、形態情報に基づいて培養細胞の形態が所定の観察条件を満たすか否かを判定する。観察制御部は、培養細胞の形態が所定の観察条件を満たすときに、第1の時間間隔よりも短い第2の時間間隔で撮像部に培養細胞を撮像させる。   The cell culture device according to one aspect includes a temperature-controlled room whose room is maintained at a predetermined environmental condition, an imaging unit, an image analysis unit, and an observation control unit. An imaging part images the observation image of the cultured cell in a constant temperature room. The image analysis unit acquires the morphological information of the cultured cells from the first image captured by the imaging unit at the first time interval, and determines whether the cultivated cell morphology satisfies a predetermined observation condition based on the morphological information. judge. The observation control unit causes the imaging unit to image the cultured cells at a second time interval shorter than the first time interval when the form of the cultured cells satisfies a predetermined observation condition.

一の態様の画像解析部は、撮像部が第2の時間間隔で撮像した複数の第2画像を比較して、培養細胞の収縮運動を検出してもよい。また、画像解析部は、収縮運動の検出の有無に応じて、所定の観察条件を変化させてもよい。また、画像解析部は、第1画像から培養細胞の位置を特定するとともに、収縮運動が検出されたときに、第2画像から所定の観察条件を補正してもよい。   The image analysis unit according to one aspect may detect the contraction movement of the cultured cell by comparing a plurality of second images captured by the imaging unit at the second time interval. Further, the image analysis unit may change a predetermined observation condition depending on whether or not the contraction motion is detected. Further, the image analysis unit may specify the position of the cultured cell from the first image and correct a predetermined observation condition from the second image when the contraction motion is detected.

なお、細胞培養装置に、画像解析処理、観察制御処理を実行させるプログラムや、上記のプログラムを記憶した記憶媒体は、いずれも本発明の具体的態様として有効である。   Note that any program that causes the cell culture device to execute image analysis processing and observation control processing, and a storage medium that stores the above-described program are all effective as specific embodiments of the present invention.

一の態様の細胞培養装置では、広範囲かつ網羅的な観察を行いつつ、短い周期での培養細胞の動的変化を検出できる。   In the cell culture device according to one aspect, it is possible to detect a dynamic change of a cultured cell in a short cycle while performing a wide and comprehensive observation.

一実施形態の細胞培養装置の構成例を示す概要図1 is a schematic diagram showing a configuration example of a cell culture device according to an embodiment. 一実施形態での細胞培養装置の動作例を示す流れ図The flowchart which shows the operation example of the cell culture apparatus in one Embodiment 図2の続きの流れ図Flowchart continued from FIG. 一実施形態における培養細胞の収縮運動の検出処理に関する概要図Schematic diagram regarding detection processing of contraction movement of cultured cells in one embodiment

<細胞培養装置の構成例>
図1は、一実施形態の細胞培養装置の構成例を示す概要図である。細胞培養装置は、例えば、観察対象の細胞を培養するとともに、観察対象の細胞をタイムラプス観察する装置である。なお、一実施形態では、人工多能性幹細胞(iPS細胞)から心筋細胞を分化誘導する場合の観察例を説明する。
<Configuration example of cell culture device>
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a cell culture device according to an embodiment. The cell culture device is, for example, a device that cultures cells to be observed and time-lapse observations of the cells to be observed. In one embodiment, an observation example in the case of inducing differentiation of cardiomyocytes from induced pluripotent stem cells (iPS cells) will be described.

細胞培養装置は、恒温室11、環境制御部12、ステージ13、容器搬送部14、撮像部15、制御部16、記憶部17、入力部18、モニタ19、通信部20を有している。ここで、環境制御部12、ステージ13、容器搬送部14、撮像部15、記憶部17、入力部18、モニタ19、通信部20はそれぞれ制御部16と接続されている。   The cell culture apparatus includes a temperature-controlled room 11, an environment control unit 12, a stage 13, a container transport unit 14, an imaging unit 15, a control unit 16, a storage unit 17, an input unit 18, a monitor 19, and a communication unit 20. Here, the environment control unit 12, the stage 13, the container transport unit 14, the imaging unit 15, the storage unit 17, the input unit 18, the monitor 19, and the communication unit 20 are each connected to the control unit 16.

恒温室11は、細胞の培養を行うための部屋である。例えば、恒温室11内には、観察対象の細胞を培地とともに収容した培養容器(シャーレ、ウェルプレートなど)が複数保持されている。また、恒温室11内には、容器搬送部14およびステージ13が配置される。   The temperature-controlled room 11 is a room for culturing cells. For example, in the temperature-controlled room 11, a plurality of culture containers (petri dishes, well plates, etc.) that hold the cells to be observed together with the culture medium are held. A container transport unit 14 and a stage 13 are disposed in the temperature-controlled room 11.

環境制御部12は、恒温室11内の環境条件のパラメータ(温度、湿度、CO2濃度など)を制御する。この環境制御部12の動作によって、恒温室11内は、細胞の培養に適した所定の環境条件(例えば、温度37℃、湿度90%、CO2濃度5%)に維持される。 The environment control unit 12 controls environmental condition parameters (temperature, humidity, CO 2 concentration, etc.) in the temperature-controlled room 11. By the operation of the environment control unit 12, the inside of the temperature-controlled room 11 is maintained at predetermined environmental conditions (for example, temperature 37 ° C., humidity 90%, CO 2 concentration 5%) suitable for cell culture.

ステージ13には、観察時に培養容器が載置される。ステージ13は、後述の観察制御部16aの指示に応じて駆動する駆動機構を有しており、観察時に培養容器の位置を微調整する。   A culture vessel is placed on the stage 13 during observation. The stage 13 has a drive mechanism that is driven in accordance with an instruction from an observation control unit 16a described later, and finely adjusts the position of the culture vessel during observation.

容器搬送部14は、後述の観察制御部16aの指示に応じて恒温室11内で培養容器を搬送する。例えば、容器搬送部14は、恒温室11内の収納位置にある培養容器を観察時にステージ13上に搬送する。そして、容器搬送部14は、観察終了後にステージ13上の培養容器を上記の収納位置に戻す。また、容器搬送部14は、恒温室11への培養容器の搬出入を行う。   The container transport unit 14 transports the culture container in the temperature-controlled room 11 in accordance with an instruction from an observation control unit 16a described later. For example, the container transport unit 14 transports the culture container at the storage position in the temperature-controlled room 11 onto the stage 13 during observation. And the container conveyance part 14 returns the culture container on the stage 13 to said accommodation position after completion | finish of observation. The container transport unit 14 carries the culture container into and out of the temperature-controlled room 11.

撮像部15は、観察対象の細胞の観察画像を恒温室11の環境下で撮像する電子カメラモジュールである。撮像部15の光学系は、透過型顕微鏡の光学系(例えば位相差顕微鏡)である。そして、撮像部15は、後述の観察制御部16aの指示に応じて、ステージ13上に載置された培養容器内の細胞の像を撮像する。なお、撮像部15の画像出力は、記憶部17に接続されている。   The imaging unit 15 is an electronic camera module that captures an observation image of a cell to be observed under the environment of the temperature-controlled room 11. The optical system of the imaging unit 15 is an optical system of a transmission microscope (for example, a phase contrast microscope). And the imaging part 15 images the image of the cell in the culture container mounted on the stage 13 according to the instruction | indication of the below-mentioned observation control part 16a. The image output of the imaging unit 15 is connected to the storage unit 17.

また、一実施形態での撮像部15は、静止画像および動画像の撮影機能を有している。なお、撮像部15は、静止画像および動画像を同じ撮像素子で撮像する構成としてもよい。あるいは、撮像部15は、ハーフミラー等で光路を分岐して、静止画像と動画像とをそれぞれ別の撮像素子で撮像する構成であってもよい。   The imaging unit 15 in one embodiment has a still image and moving image shooting function. Note that the imaging unit 15 may be configured to capture still images and moving images with the same imaging device. Alternatively, the imaging unit 15 may be configured to branch the optical path with a half mirror or the like and to capture the still image and the moving image with different imaging elements.

制御部16は、細胞培養装置を統括的に制御するプロセッサである。この制御部16は、プログラムの実行によって、観察制御部16a、画像解析部16bとして機能する。   The control unit 16 is a processor that comprehensively controls the cell culture apparatus. The control unit 16 functions as an observation control unit 16a and an image analysis unit 16b by executing the program.

観察制御部16aは、予め設定された観察スケジュールに従って、ステージ13、容器搬送部14、撮像部15を制御して、細胞のタイムラプス観察処理を実行する。また、観察制御部16aは、タイムラプス観察時に培養細胞の形態が動画取得条件(動画像による観察を実施するか否かの観察条件)を満たすときに、タイムラプス観察での時間間隔よりも短い時間間隔で撮像部15に培養細胞の動画像を撮像させる。また、画像解析部16bは、撮像部15の取得した静止画像および動画像の解析を行う。   The observation control unit 16a controls the stage 13, the container transport unit 14, and the imaging unit 15 in accordance with a preset observation schedule, and executes a time lapse observation process of the cells. In addition, the observation control unit 16a has a time interval shorter than the time interval in the time lapse observation when the shape of the cultured cell satisfies the moving image acquisition condition (observation condition as to whether or not to perform the observation with the moving image) during the time lapse observation. Then, the imaging unit 15 is caused to capture a moving image of the cultured cells. In addition, the image analysis unit 16 b analyzes the still image and the moving image acquired by the imaging unit 15.

記憶部17は、例えば、ハードディスクや、不揮発性の半導体メモリなどの記憶媒体で構成される。この記憶部17は、制御部16によって実行されるプログラムや、培養容器の観察スケジュールの情報や、培養容器の観察地点の情報や、目的の培養細胞を特定するための教師情報や、動画撮影を行う場合のより詳細な観察条件の情報などを記憶する。また、記憶部17は、撮像部15から入力された各種画像の情報を記憶しておくこともできる。   The storage unit 17 is configured by a storage medium such as a hard disk or a nonvolatile semiconductor memory, for example. The storage unit 17 stores a program executed by the control unit 16, information on the observation schedule of the culture vessel, information on the observation point of the culture vessel, teacher information for specifying a target cultured cell, and video shooting. More detailed observation condition information and the like are stored. The storage unit 17 can also store information on various images input from the imaging unit 15.

入力部18は、例えば、ボタン、タッチパネル等の入力デバイスなどで構成される。この入力部18は、ユーザの操作に応じた信号を制御部16に供給する。また、モニタ19は、制御部16の制御により各種の表示を実行する。   The input unit 18 includes, for example, an input device such as a button or a touch panel. The input unit 18 supplies a signal corresponding to a user operation to the control unit 16. The monitor 19 executes various displays under the control of the control unit 16.

通信部20は、無線または有線の通信回線21を介して、細胞培養装置の外部にある端末装置22とのデータ送受信を実行する。なお、上記の端末装置22は、例えばパーソナルコンピュータで構成される。   The communication unit 20 performs data transmission / reception with a terminal device 22 outside the cell culture device via a wireless or wired communication line 21. In addition, said terminal device 22 is comprised, for example with a personal computer.

<細胞培養装置の動作例>
次に、図2、図3の流れ図を参照しつつ、一実施形態での細胞培養装置の動作例を説明する。なお、図2、図3の流れ図の処理は、ユーザによる培養工程の開始指示に応じて、制御部16が実行する。
<Operation example of cell culture device>
Next, an example of the operation of the cell culture device according to one embodiment will be described with reference to the flowcharts of FIGS. 2 and 3 is executed by the control unit 16 in response to an instruction to start the culture process by the user.

ステップ#101:容器搬送部14は、観察制御部16aの制御により、観察対象の細胞(iPS細胞)および培地を収容した培養容器を恒温室11内に搬入する。一回の培養工程で複数の培養容器で並行して細胞の培養を行う場合には、#101の処理で複数の培養容器が恒温室11内に搬入される。なお、この段階で、環境制御部12は恒温室11内の環境条件を一定に維持する制御を開始する。   Step # 101: The container transport unit 14 carries the culture container containing the cells to be observed (iPS cells) and the medium into the temperature-controlled room 11 under the control of the observation control unit 16a. In the case where cells are cultured in parallel in a plurality of culture containers in a single culture process, the plurality of culture containers are carried into the temperature-controlled room 11 by the process of # 101. At this stage, the environment control unit 12 starts control to keep the environmental conditions in the temperature-controlled room 11 constant.

ステップ#102:制御部16は、入力部18また端末装置22からのユーザの入力に応じて、タイムラプス観察時の培養容器の観察地点を設定する。#102での制御部16は、ユーザの指定した培養容器の任意の位置(例えば5点)を観察地点として設定してもよい。あるいは、制御部16は、培養容器の全範囲を網羅するように観察地点をタイル状に並べて設定してもよい。なお、上記の観察地点の情報は、制御部16の制御により、記憶部17に記憶される。   Step # 102: The control unit 16 sets the observation point of the culture vessel at the time-lapse observation according to the user input from the input unit 18 or the terminal device 22. The control unit 16 in # 102 may set an arbitrary position (for example, 5 points) of the culture vessel designated by the user as an observation point. Alternatively, the control unit 16 may set the observation points in a tile shape so as to cover the entire range of the culture vessel. Note that the information on the observation point is stored in the storage unit 17 under the control of the control unit 16.

ステップ#103:制御部16は、観察画像から目的の細胞を抽出するためのティーチング処理を実行する。例えば、制御部16は、ユーザによって予め用意された教師情報を記憶部17に記録する。   Step # 103: The control unit 16 executes a teaching process for extracting a target cell from the observation image. For example, the control unit 16 records teacher information prepared in advance by the user in the storage unit 17.

ここで、上記の教師情報は、目的の細胞やその細胞からなる細胞コロニーのテンプレート画像であってもよく、かかるテンプレート画像から抽出された特徴ベクトルであってもよい。本実施の形態では、細胞コロニーの大きさの閾値および各細胞の時間変化に対する収縮/拡大の割合を教師情報が具備している。なお、一実施形態の#103では、同じ種類の培養細胞に対して一ないし複数の教師情報を用意すればよく、培養容器内の全培養細胞についてそれぞれ個別に教師情報を用意しなくともよい。   Here, the teacher information may be a template image of a target cell or a cell colony made of the cell, or may be a feature vector extracted from the template image. In the present embodiment, the teacher information includes the threshold value of the size of the cell colony and the contraction / expansion ratio with respect to the time change of each cell. In # 103 of one embodiment, one or a plurality of teacher information may be prepared for the same type of cultured cells, and it is not necessary to prepare the teacher information individually for all the cultured cells in the culture container.

ステップ#104:制御部16は、入力部18また端末装置22からのユーザの入力に応じて、観察スケジュールを設定する。なお、観察スケジュールの情報は、制御部16の制御により、記憶部17に記憶される。   Step # 104: The control unit 16 sets an observation schedule according to a user input from the input unit 18 or the terminal device 22. The observation schedule information is stored in the storage unit 17 under the control of the control unit 16.

例えば、観察スケジュールで設定可能な項目には、「培養工程の全体期間」、「タイムラプス観察の開始時間」、「タイムラプス観察を行う時間間隔」、「タイムラプス観察で取得した静止画像の解析間隔」、「動画像の撮影間隔」、「動画像の撮影時間」が含まれる。複数の培養容器で細胞を同時培養する場合には、制御部16は培養容器ごとに観察スケジュールを設定するものとする。また、#104で設定される「動画像の撮影時間」は、心筋細胞の脈動の1周期分よりも長い時間になるように設定される。   For example, items that can be set in the observation schedule include `` the whole period of the culture process '', `` start time of time lapse observation '', `` time interval for performing time lapse observation '', `` analysis interval of still images acquired by time lapse observation '', The “moving image shooting interval” and “moving image shooting time” are included. When cells are simultaneously cultured in a plurality of culture containers, the control unit 16 sets an observation schedule for each culture container. In addition, the “moving image capturing time” set in # 104 is set to be longer than one cycle of cardiac muscle cell pulsation.

ステップ#105:制御部16は、動画取得条件の初期値を設定する。ここで、動画取得条件は、動画撮影の有無の判断に適用される判定条件であって、タイムラプス観察で取得される培養細胞が集合した細胞コロニーの形態に着目して設定される。   Step # 105: The control unit 16 sets an initial value of the moving image acquisition condition. Here, the moving image acquisition condition is a determination condition applied to the determination of the presence or absence of moving image shooting, and is set by paying attention to the form of a cell colony in which cultured cells acquired by time-lapse observation are gathered.

一実施形態の例では、制御部16は、細胞のコロニーの大きさの下限値を動画取得条件として設定する。そして、一実施形態での観察制御部16aは、細胞のコロニーの大きさが下限値を超えるときに、目的の細胞からなるコロニーである可能性が高いので、その細胞の動画を撮像部15に撮影させる。一般に、iPS細胞から他の細胞に分化する工程では、分化の前に細胞のコロニー化が生じる可能性が高い。そのため、一実施形態の細胞培養装置は、動画での解析対象を絞り込むために、細胞のコロニーの大きさを動画取得条件としている。   In the example of the embodiment, the control unit 16 sets the lower limit value of the size of the cell colony as the moving image acquisition condition. And since the observation control part 16a in one Embodiment has the high possibility that it is a colony which consists of a target cell when the magnitude | size of the colony of a cell exceeds a lower limit, the moving image of the cell is made into the imaging part 15. Let them shoot. In general, in the process of differentiating iPS cells into other cells, there is a high possibility that cell colonization occurs before differentiation. For this reason, the cell culture device according to an embodiment uses the size of a cell colony as a moving image acquisition condition in order to narrow down analysis targets in moving images.

ステップ#106:制御部16は、入力部18また端末装置22からのユーザの入力に応じて、培養工程での動画解析処理のオン/オフを設定する。   Step # 106: The control unit 16 sets on / off of the moving image analysis process in the culturing step in response to a user input from the input unit 18 or the terminal device 22.

ステップ#107:制御部16は、培養工程での動画解析処理(#106)がオンに設定されているか否かを判定する。上記要件を満たす場合(YES側)には、#108に処理が移行する。一方、上記要件を満たさない場合(NO側)には、#110に処理が移行する。   Step # 107: The control unit 16 determines whether or not the moving image analysis process (# 106) in the culture process is set to ON. If the above requirement is satisfied (YES side), the process proceeds to # 108. On the other hand, if the above requirement is not satisfied (NO side), the process proceeds to # 110.

ステップ#108:制御部16は、ステップ#103でなされた入力に応じて、培養細胞の反復的な収縮運動(心筋細胞の脈動)を検出するときの検出条件を読み出し、制御部16で後に行われる検出条件として設定する。例えば、制御部16は、所定の時間幅における細胞の面積変動率を示す閾値を検出条件として設定する。そして、一実施形態での画像解析部16bは、取得した動画像において、判定対象の細胞の面積変動率が閾値を超えるときに、培養細胞に反復的な収縮運動が生じていると判定する。   Step # 108: The control unit 16 reads out the detection conditions for detecting repetitive contraction motion (cardiomyocyte pulsation) of the cultured cells in response to the input made in step # 103, and the control unit 16 performs the subsequent processing. Set as a detection condition. For example, the control unit 16 sets a threshold indicating the cell area variation rate in a predetermined time width as the detection condition. And the image analysis part 16b in one Embodiment determines with the repetitive contraction motion having arisen in the cultured cell, when the area variation rate of the determination object cell exceeds a threshold value in the acquired moving image.

なお、#108での制御部16は、観察スケジュールの追加設定項目として「動画像の解析間隔」の値も併せて設定する。   The control unit 16 in # 108 also sets a value of “moving image analysis interval” as an additional setting item of the observation schedule.

ステップ#109:制御部16は、入力部18また端末装置22からのユーザの入力に応じて、培養工程での動画取得条件の自動調整処理のオン/オフを設定する。なお、動画取得条件の自動調整処理がオンの場合、画像解析部16bは、動画像の解析結果に応じて動画像による観察を実施するか否かの観察条件の閾値(動画撮影するコロニーの大きさの下限値)を調整する。この調整方法については、後に詳細に説明する。   Step # 109: The control unit 16 sets on / off of the automatic adjustment processing of the moving image acquisition condition in the culturing step in response to a user input from the input unit 18 or the terminal device 22. Note that when the automatic adjustment processing of the moving image acquisition condition is on, the image analysis unit 16b determines whether or not to perform observation with a moving image according to the analysis result of the moving image (the size of the colony for moving image shooting). Adjust the lower limit value). This adjustment method will be described later in detail.

ステップ#110:観察制御部16aは、観察スケジュール(#104)と現在日時とを比較して、培養容器のタイムラプス観察の時間が到来したか否かを判定する。上記要件を満たす場合(YES側)には、#111に処理が移行する。一方、上記要件を満たさない場合(NO側)には、#126に処理が移行する。   Step # 110: The observation control unit 16a compares the observation schedule (# 104) with the current date and time to determine whether or not the time lapse observation time for the culture container has come. If the above requirement is satisfied (YES side), the process proceeds to # 111. On the other hand, if the above requirement is not satisfied (NO side), the process proceeds to # 126.

ステップ#111:観察制御部16aは、培養容器のタイムラプス観察を実行する。例えば、観察制御部16aは以下の処理を実行する。   Step # 111: The observation control unit 16a performs time-lapse observation of the culture vessel. For example, the observation control unit 16a executes the following process.

まず、観察制御部16aは、容器搬送部14に培養容器の搬送を指示する。そして、容器搬送部14は、指示された培養容器をステージ13に載置する。その後、観察制御部16aは、培養細胞の静止画像(観察画像)の撮像を撮像部15に指示する(図4参照)。このとき、撮像部15は、予め設定された培養容器の観察地点ごとに観察画像を順次撮像してゆく。なお、タイムラプス観察で取得された各観察地点での観察画像のデータは、制御部16の制御により記憶部17にそれぞれ記憶される。   First, the observation control unit 16a instructs the container transport unit 14 to transport the culture container. Then, the container transport unit 14 places the instructed culture container on the stage 13. Thereafter, the observation control unit 16a instructs the imaging unit 15 to capture a still image (observation image) of the cultured cell (see FIG. 4). At this time, the imaging unit 15 sequentially captures observation images for each observation point of the culture vessel set in advance. Note that observation image data at each observation point acquired by time-lapse observation is stored in the storage unit 17 under the control of the control unit 16.

ステップ#112:画像解析部16bは、観察画像(#111)の解析を行う。なお、#112での解析処理は、#104で設定された「タイムラプス観察で取得した静止画像の解析間隔」が経過する毎に実行される。   Step # 112: The image analysis unit 16b analyzes the observation image (# 111). The analysis process in # 112 is executed every time the “analysis interval of still images acquired by time-lapse observation” set in # 104 elapses.

具体的には、#112での画像解析部16bは、観察画像から培養細胞の像とその他の像とを分けて抽出する(図4参照)。そして、画像解析部16bは、抽出された培養細胞を含むコロニーの大きさ(形態情報)を取得する。例えば、位相差顕微鏡で細胞を撮像すると、細胞膜のように位相差の変化の大きな部位の周辺にはハロが現れる。そのため、画像解析部16bは、細胞膜に対応するハロを公知のエッジ抽出手法で抽出するとともに、輪郭追跡処理によってエッジで囲まれた閉空間(細胞)のまとまりをコロニーと推定すればよい。   Specifically, the image analysis unit 16b in # 112 extracts the cultured cell image and other images separately from the observed image (see FIG. 4). And the image analysis part 16b acquires the magnitude | size (morphological information) of the colony containing the extracted cultured cell. For example, when a cell is imaged with a phase-contrast microscope, a halo appears around a region where the phase difference changes greatly, such as a cell membrane. Therefore, the image analysis unit 16b only has to extract a halo corresponding to the cell membrane by a known edge extraction method and estimate a group of closed spaces (cells) surrounded by edges by the contour tracking process as a colony.

ステップ#113:画像解析部16bは、動画像による観察を実施するか否かの観察条件(動画取得条件)を満たすか否かを判定する。具体的には、画像解析部16bは、#112で取得したコロニーの大きさが動画像による観察条件の閾値を超えるときに、動画取得条件を満たすと判定する。上記要件を満たす場合(YES側)には、#114に処理が移行する。一方、上記要件を満たさない場合(NO側)には、#124に処理が移行する。   Step # 113: The image analysis unit 16b determines whether or not an observation condition (moving image acquisition condition) indicating whether or not to perform observation with a moving image is satisfied. Specifically, the image analysis unit 16b determines that the moving image acquisition condition is satisfied when the size of the colony acquired in # 112 exceeds the threshold value of the observation condition based on the moving image. If the above requirement is satisfied (YES side), the process proceeds to # 114. On the other hand, if the above requirement is not satisfied (NO side), the process proceeds to # 124.

ステップ#114:観察制御部16aは、動画取得条件を満たす現在の観察位置を動画観察地点として新規に登録する。   Step # 114: The observation control unit 16a newly registers the current observation position that satisfies the moving image acquisition condition as a moving image observation point.

ステップ#115:観察制御部16aは、撮像部15に対して、動画観察地点における培養細胞の動画像の撮像を指示する。#115で撮影される動画像は、培養細胞の反復的な収縮運動を検出するために用いられる。そのため、#115の動画像のフレームレートは、タイムラプス観察の撮影間隔よりも小さく設定される。より具体的には、#115の動画像のフレームレートは、心筋細胞の脈動よりも時間的な分解能が小さくなるように設定される。   Step # 115: The observation control unit 16a instructs the imaging unit 15 to capture a moving image of the cultured cell at the moving image observation point. The moving image photographed in # 115 is used to detect repetitive contraction motion of the cultured cells. Therefore, the frame rate of the moving image # 115 is set to be smaller than the shooting interval for time lapse observation. More specifically, the frame rate of the moving image # 115 is set so that the temporal resolution is smaller than the pulsation of the cardiomyocytes.

ステップ#116:制御部16は、培養工程での動画解析処理(#106)がオンに設定されているか否かを判定する。上記要件を満たす場合(YES側)には、#117に処理が移行する。一方、上記要件を満たさない場合(NO側)には、#124に処理が移行する。   Step # 116: The control unit 16 determines whether or not the moving image analysis process (# 106) in the culture process is set to ON. If the above requirement is satisfied (YES side), the process proceeds to # 117. On the other hand, if the above requirement is not satisfied (NO side), the process proceeds to # 124.

ステップ#117:画像解析部16bは、動画像(#115)の解析を行う。なお、#117での解析処理は、#108で設定された「動画像の解析間隔」が経過する毎に実行される。   Step # 117: The image analysis unit 16b analyzes the moving image (# 115). The analysis process in # 117 is executed every time the “moving image analysis interval” set in # 108 elapses.

具体的には、#117での画像解析部16bは、動画像の各フレームで培養細胞の面積を求める。そして、画像解析部16bは、取得した動画像において、判定対象の細胞の面積変動率が閾値(#108)を超えるときに、培養細胞に反復的な収縮運動が生じていると判定する(図4参照)。   Specifically, the image analysis unit 16b in # 117 calculates the area of the cultured cell in each frame of the moving image. Then, the image analysis unit 16b determines that the repetitive contraction motion is generated in the cultured cell when the area variation rate of the determination target cell exceeds the threshold value (# 108) in the acquired moving image (FIG. 4).

ステップ#118:画像解析部16bは、#117での解析処理において、培養細胞の収縮運動を検出できたか否かを判定する。上記要件を満たす場合(YES側)には、#119に処理が移行する。一方、上記要件を満たさない場合(NO側)には、#121に処理が移行する。   Step # 118: The image analysis unit 16b determines whether or not the contraction movement of the cultured cell has been detected in the analysis process at # 117. If the above requirement is satisfied (YES side), the process proceeds to # 119. On the other hand, if the above requirement is not satisfied (NO side), the process proceeds to # 121.

ステップ#119:制御部16は、培養細胞の収縮運動の検出を示す報知をモニタ19または端末装置22に出力する。これにより、心筋細胞への分化が生じたことをユーザが確認できる。   Step # 119: The control unit 16 outputs a notification indicating the detection of the contraction motion of the cultured cells to the monitor 19 or the terminal device 22. As a result, the user can confirm that differentiation into cardiomyocytes has occurred.

ステップ#120:画像解析部16bは、培養細胞の収縮運動が検出された動画像のフレームを用いて追加のティーチング処理を実行する。例えば、画像解析部16bは、動画像の複数のフレームから教師情報をそれぞれ生成し、記憶部17に教師情報を追加する。これにより、次回以降に行われる静止画像の解析処理(#112)では、収縮運動が検出された培養細胞の動画像から生成された教師情報を用いて、画像解析部16bが観察画像から培養細胞を抽出する。なお、#120の処理終了後は、#124に処理が移行する。   Step # 120: The image analysis unit 16b performs an additional teaching process using the frame of the moving image in which the contraction movement of the cultured cell is detected. For example, the image analysis unit 16 b generates teacher information from a plurality of frames of the moving image, and adds the teacher information to the storage unit 17. Thereby, in the still image analysis processing (# 112) performed after the next time, the image analysis unit 16b uses the teacher information generated from the moving image of the cultured cell in which the contraction motion is detected, so that the image analysis unit 16b uses the cultured image from the observed image. To extract. Note that after the process of # 120 is completed, the process proceeds to # 124.

ここで、培養細胞の収縮運動が検出された場合に追加のティーチング処理を行うのは、以下の理由による。心筋細胞は反復的な収縮運動を行うため、その時々で細胞の形態が変化する。つまり、タイムラプス観察での観察画像の取得タイミングによっては、画像内に収縮運動を行う心筋細胞が存在するにも拘わらず、初期の教師情報から細胞を抽出できない可能性もある。そこで、一実施形態では、培養細胞の収縮運動が検出された動画像から教師情報を追加することで、静止画像の解析処理(#112)での細胞抽出の精度を向上させている。   Here, when the contraction motion of the cultured cell is detected, the additional teaching process is performed for the following reason. Since cardiomyocytes undergo repetitive contraction, the cell shape changes from time to time. In other words, depending on the acquisition timing of the observation image in time-lapse observation, there is a possibility that cells cannot be extracted from the initial teacher information even though there are cardiomyocytes performing contraction motion in the image. Therefore, in one embodiment, the accuracy of cell extraction in the still image analysis processing (# 112) is improved by adding teacher information from the moving image in which the contraction motion of the cultured cell is detected.

ステップ#121:制御部16は、動画取得条件の自動調整処理(#109)がオンに設定されているか否かを判定する。上記要件を満たす場合(YES側)には、#122に処理が移行する。一方、上記要件を満たさない場合(NO側)には、#124に処理が移行する。   Step # 121: The controller 16 determines whether or not the moving image acquisition condition automatic adjustment process (# 109) is set to ON. If the above requirement is satisfied (YES side), the process proceeds to # 122. On the other hand, if the above requirement is not satisfied (NO side), the process proceeds to # 124.

ステップ#122:観察制御部16aは、培養細胞の収縮運動を検出できなかった動画観察地点の登録を削除する。   Step # 122: The observation control unit 16a deletes the registration of the moving image observation point where the contraction movement of the cultured cell could not be detected.

ステップ#123:画像解析部16bは、動画取得条件の自動調整処理を実行する。具体的には、#123での画像解析部16bは、予め設定された調整量の分だけ動画取得条件の閾値を小さくする。これにより、次回以降に行われる動画取得条件の判定(#113)では、画像解析部16bがより小さなコロニーも動画取得条件を満たすと判定するようになる。そのため、より多くの培養細胞のコロニーを対象として動画像の撮影および解析が実行されるので、画像解析部16bが心筋細胞への分化をより検出しやすくなる。   Step # 123: The image analysis unit 16b executes an automatic adjustment process for the moving image acquisition condition. Specifically, the image analysis unit 16b in # 123 decreases the threshold value of the moving image acquisition condition by a preset adjustment amount. As a result, in the determination of the moving image acquisition condition (# 113) performed after the next time, the image analysis unit 16b determines that a smaller colony also satisfies the moving image acquisition condition. Therefore, since shooting and analysis of a moving image is executed for a larger number of cultured cell colonies, the image analysis unit 16b can more easily detect differentiation into cardiomyocytes.

ステップ#124:観察制御部16aは、すべての観察地点でタイムラプス観察が終了したか否かを判定する。上記要件を満たす場合(YES側)には、#125に処理が移行する。一方、上記要件を満たさない場合(NO側)には、観察制御部16aは、ステージ13を駆動させて撮像部15の視野を次の観察地点に合わせる。その後、観察制御部16aは、#111の処理に戻って上記動作を繰り返す。   Step # 124: The observation control unit 16a determines whether or not time-lapse observation has been completed at all observation points. If the above requirement is satisfied (YES side), the process proceeds to # 125. On the other hand, when the above requirement is not satisfied (NO side), the observation control unit 16a drives the stage 13 to adjust the field of view of the imaging unit 15 to the next observation point. Thereafter, the observation control unit 16a returns to the process of # 111 and repeats the above operation.

ステップ#125:観察制御部16aは、容器搬送部14に培養容器の搬送を指示する。そして、容器搬送部14は、ステージ13上の培養容器を恒温室11内の収納位置に戻す。   Step # 125: The observation control unit 16a instructs the container transport unit 14 to transport the culture container. And the container conveyance part 14 returns the culture container on the stage 13 to the accommodation position in the temperature-controlled room 11.

ステップ#126:観察制御部16aは、観察スケジュール(#104)を参照して、培養工程が終了したか否かを判定する。上記要件を満たす場合(YES側)には、制御部16は一連の処理を終了する。一方、上記要件を満たさない場合(NO側)には、観察制御部16aは、ステップ#127の処理を行う。   Step # 126: The observation control unit 16a refers to the observation schedule (# 104) and determines whether or not the culturing process has been completed. If the above requirement is satisfied (YES side), the control unit 16 ends the series of processes. On the other hand, when the above requirement is not satisfied (NO side), the observation control unit 16a performs the process of step # 127.

ステップ#127:制御部16は、動画取得条件の自動調整処理(#109)がオンに設定されているか否かを判定する。上記要件を満たす場合(YES側)には、#128に処理が移行する。一方、上記要件を満たさない場合(NO側)には、#110の処理に戻って上記動作を繰り返す。   Step # 127: The control unit 16 determines whether or not the automatic adjustment process (# 109) of the moving image acquisition condition is set to ON. If the above requirement is satisfied (YES side), the process proceeds to # 128. On the other hand, when the above requirement is not satisfied (NO side), the process returns to the process of # 110 and the above operation is repeated.

ステップ#128:画像解析部16bは、ステップ#113で動画取得条件を満たした動画像観察地点の数に対するステップ#118で収縮運動を検出した地点の数の比率を求める。上記の比率がある値以上となっていない場合、閾値以下の大きさの細胞コロニーにおいても、分化が発生している可能性がある。そこで、画像解析部16bは、より小さいコロニーを検出できるように細胞コロニーの大きさの閾値を小さくする。これにより、分化している細胞コロニーの検出数が増える可能性があると同時に、未分化の細胞コロニーも検出できる。なお、目的の細胞に分化する細胞コロニーの数は、検出される総細胞数に対して相対的に減少してしまう。そのため、画像解析部16bは、目的の細胞コロニーと検出される総細胞コロニーの割合が一定値以下になったら、そこを集束目標として閾値の下方修正を行わないようにする。その後、制御部16は、#110の処理に戻って上記動作を繰り返す。   Step # 128: The image analysis unit 16b obtains a ratio of the number of points where the contraction motion is detected in step # 118 to the number of moving image observation points that satisfy the moving image acquisition condition in step # 113. When the ratio is not greater than a certain value, differentiation may occur even in a cell colony having a size equal to or smaller than a threshold value. Therefore, the image analysis unit 16b reduces the threshold value of the cell colony size so that a smaller colony can be detected. As a result, the number of differentiated cell colonies may increase, and at the same time, undifferentiated cell colonies can be detected. Note that the number of cell colonies that differentiate into the target cells is relatively decreased with respect to the total number of detected cells. Therefore, when the ratio between the target cell colony and the total cell colony detected is equal to or less than a predetermined value, the image analysis unit 16b does not perform downward correction of the threshold with the target as the focusing target. Then, the control part 16 returns to the process of # 110 and repeats the said operation | movement.

以上で、図2、図3の流れ図の説明を終了する。   Above, description of the flowchart of FIG. 2, FIG. 3 is complete | finished.

一実施形態での細胞培養装置は、タイムラプス観察で取得した観察画像(#111)を画像解析部16bが解析する。そして、培養細胞の形態が動画取得条件を満たすときに、観察制御部16aは、タイムラプス観察の時間間隔よりも短い時間間隔で撮像部15に培養細胞の動画像を撮像させる(#115)。これにより、一実施形態では、自発収縮運動が生じている可能性の高い培養細胞の動画像を取得できるので、ユーザは短い周期での培養細胞の動的変化を検出可能となる。また、一実施形態の細胞培養装置は、複数の観察地点で上記の処理を行うため、広範囲かつ網羅的な培養細胞の観察を行なうことができる。   In the cell culture device in one embodiment, the image analysis unit 16b analyzes an observation image (# 111) acquired by time-lapse observation. Then, when the form of the cultured cell satisfies the moving image acquisition condition, the observation control unit 16a causes the imaging unit 15 to capture the moving image of the cultured cell at a time interval shorter than the time lapse observation time interval (# 115). Thereby, in one Embodiment, since the moving image of the cultured cell with high possibility that the spontaneous contraction motion has arisen can be acquired, the user can detect the dynamic change of the cultured cell in a short period. In addition, since the cell culture device according to one embodiment performs the above-described processing at a plurality of observation points, a wide range and comprehensive observation of cultured cells can be performed.

また、一実施形態での画像解析部16bは、動画像での培養細胞の面積変動率に基づいて、培養細胞の収縮運動を検出する(#117)。これにより、一実施形態の細胞培養装置では、培養工程において心筋細胞の脈動を自動的に検出できるので、培養工程におけるユーザの負担を著しく軽減できる。   In addition, the image analysis unit 16b according to the embodiment detects the contraction motion of the cultured cell based on the area variation rate of the cultured cell in the moving image (# 117). Thereby, in the cell culture apparatus of one Embodiment, since the pulsation of a cardiac muscle cell can be automatically detected in a culture process, the burden of the user in a culture process can be remarkably reduced.

<実施形態の補足事項>
上記実施形態の細胞培養装置では、画像解析部16bおよび観察制御部16aの各機能をプログラムでソフトウェア的に実現する例を説明したが、これらの処理をASICによってハードウエア的に実現しても勿論かまわない。
<Supplementary items of the embodiment>
In the cell culture device of the above embodiment, an example has been described in which the functions of the image analysis unit 16b and the observation control unit 16a are realized by software using a program. It doesn't matter.

また、上記実施形態の例では、細胞培養装置の制御部16が画像解析部16bおよび観察制御部16aとして機能する例を説明したが、端末装置22が画像解析部16bおよび観察制御部16aとして機能するものであってもよい。   In the example of the above embodiment, the example in which the control unit 16 of the cell culture device functions as the image analysis unit 16b and the observation control unit 16a has been described. However, the terminal device 22 functions as the image analysis unit 16b and the observation control unit 16a. You may do.

なお、上記実施形態で記憶部17に記憶されているプログラムは、バージョンアップなどで更新されるファームウエアプログラムであってもよい。すなわち、既存の細胞培養装置のファームウエアを更新することで、本発明の細胞培養装置の機能を事後的に提供してもよい。   In addition, the program memorize | stored in the memory | storage part 17 in the said embodiment may be a firmware program updated by version upgrade. That is, the function of the cell culture device of the present invention may be provided afterwards by updating the firmware of the existing cell culture device.

以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。   From the above detailed description, features and advantages of the embodiments will become apparent. It is intended that the scope of the claims extend to the features and advantages of the embodiments as described above without departing from the spirit and scope of the right. Further, any person having ordinary knowledge in the technical field should be able to easily come up with any improvements and modifications, and there is no intention to limit the scope of the embodiments having the invention to those described above. It is also possible to use appropriate improvements and equivalents within the scope disclosed in.

11…恒温室、12…環境制御部、13…ステージ、14…容器搬送部、15…撮像部、16…制御部、16a…観察制御部、16b…画像解析部、17…記憶部、18…入力部、19…モニタ、20…通信部、21…通信回線、22…端末装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Constant temperature chamber, 12 ... Environmental control part, 13 ... Stage, 14 ... Container conveyance part, 15 ... Imaging part, 16 ... Control part, 16a ... Observation control part, 16b ... Image analysis part, 17 ... Memory | storage part, 18 ... Input unit, 19 ... monitor, 20 ... communication unit, 21 ... communication line, 22 ... terminal device

Claims (5)

室内が所定の環境条件に維持された恒温室と、
前記恒温室内での培養細胞の観察画像を撮像する撮像部と、
前記撮像部が第1の時間間隔で撮像した第1画像から前記培養細胞の形態情報を取得するとともに、前記形態情報に基づいて前記培養細胞の形態が所定の観察条件を満たすか否かを判定する画像解析部と、
前記培養細胞の形態が前記所定の観察条件を満たすときに、前記第1の時間間隔よりも短い第2の時間間隔で前記撮像部に前記培養細胞を撮像させる観察制御部と、
を備える細胞培養装置。
A temperature-controlled room where the room is maintained at predetermined environmental conditions;
An imaging unit for imaging an observation image of cultured cells in the temperature-controlled room;
The imaging unit acquires morphological information of the cultured cell from a first image captured at a first time interval, and determines whether the cultivated cell configuration satisfies a predetermined observation condition based on the morphological information. An image analysis unit to
An observation control unit that causes the imaging unit to image the cultured cells at a second time interval shorter than the first time interval when the form of the cultured cells satisfies the predetermined observation condition;
A cell culture apparatus comprising:
請求項1に記載の細胞培養装置において、
前記画像解析部は、前記撮像部が前記第2の時間間隔で撮像した複数の第2画像を比較して、前記培養細胞の収縮運動を検出する細胞培養装置。
The cell culture device according to claim 1,
The image analysis unit is a cell culture device that detects a contraction movement of the cultured cell by comparing a plurality of second images captured by the imaging unit at the second time interval.
請求項2に記載の細胞培養装置において、
前記画像解析部は、前記収縮運動の検出の有無に応じて、前記所定の観察条件を変化させる細胞培養装置。
The cell culture device according to claim 2,
The cell culturing apparatus, wherein the image analysis unit changes the predetermined observation condition according to whether or not the contraction motion is detected.
請求項2または請求項3に記載の細胞培養装置において、
前記画像解析部は、前記第1画像から前記培養細胞の位置を特定するとともに、前記収縮運動が検出されたときに、前記第2画像から前記所定の観察条件を補正する細胞培養装置。
In the cell culture device according to claim 2 or 3,
The cell culture device, wherein the image analysis unit specifies a position of the cultured cell from the first image, and corrects the predetermined observation condition from the second image when the contraction motion is detected.
室内が所定の環境条件に維持された恒温室と、前記恒温室内での培養細胞の観察画像を撮像する撮像部とを備えた細胞培養装置を動作させるプログラムであって、
前記撮像部が第1の時間間隔で撮像した第1画像から前記培養細胞の形態情報を取得するとともに、前記形態情報に基づいて前記培養細胞の形態が所定の観察条件を満たすか否かを判定する画像解析処理と、
前記培養細胞の形態が前記所定の観察条件を満たすときに、前記第1の時間間隔よりも短い第2の時間間隔で前記撮像部に前記培養細胞を撮像させる観察制御処理と、
をコンピュータに実行させるプログラム。
A program for operating a cell culture device comprising a temperature-controlled room where the room is maintained at a predetermined environmental condition and an imaging unit that captures an observation image of the cultured cells in the temperature-controlled room,
The imaging unit acquires morphological information of the cultured cell from a first image captured at a first time interval, and determines whether the cultivated cell configuration satisfies a predetermined observation condition based on the morphological information. Image analysis processing to
When the form of the cultured cell satisfies the predetermined observation condition, an observation control process that causes the imaging unit to image the cultured cell at a second time interval shorter than the first time interval;
A program that causes a computer to execute.
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