JP2013195127A - Image analyzer, image analysis method, and program for biological sample - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image analyzer, an image analysis method, and a program for a biological sample which are capable of synthetically analyzing functions of a molecule for each cell.SOLUTION: An image analysis method for a biological sample includes the steps of: obtaining a plurality of distribution images of molecules of a biological sample over times; analyzing a moving speed and a moving direction of each of the molecules for a plurality of first small sections set on the distribution images, on the basis of the obtained distribution images; and analyzing the number of the molecules and a diffusing speed of each of the molecules for a plurality of second small sections set on the distribution images, on the basis of the obtained distribution images.

Description

本発明は、生物試料の画像解析装置、画像解析方法、およびプログラムに関する。   The present invention relates to a biological sample image analysis apparatus, an image analysis method, and a program.

NFAT(Nuclear factor of activated T cell)を例とする転写因子は様々な酵素によって転写活性調節を行っている。NFATは細胞内カルシウム濃度の変化に応じて、カルシニューリンによる脱リン酸化が起こって核内に移行する。この核内移行は細胞内カルシウム濃度の低下や免疫抑制剤によって阻害される。これらの転写活性に伴うシグナル伝達について核内移行を指標として定量化することは、免疫抑制剤などの効果を検討するうえで重要である。
このようにラベルした分子が刺激などの条件変化によって細胞を移動する場合、従来から解析されている画像処理方法として、分子が移動する前後について複数の小領域を指定し、それら小領域内においてシグナル値の変化を時間と関連付けて移動の程度を定量化するという方法が用いられてきた(例えば、特許文献1,2参照)。
Transcription factors such as NFAT (Nuclear factor of activated T cell) regulate transcription activity by various enzymes. NFAT is dephosphorylated by calcineurin in accordance with changes in intracellular calcium concentration and moves into the nucleus. This nuclear translocation is inhibited by a decrease in intracellular calcium concentration and immunosuppressive agents. Quantifying signal transduction associated with these transcriptional activities using nuclear translocation as an index is important in examining the effects of immunosuppressants and the like.
When cells labeled in this way move cells due to changes in conditions such as stimuli, an image processing method that has been analyzed in the past is to specify multiple small regions before and after the molecules move, and signal within these small regions. A method of quantifying the degree of movement by associating a change in value with time has been used (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

しかし、この方法はダイナミックな分子移動を計測するには精度が低いため、細胞の経時変化とともに分子がどのように移動するかを把握することは出来なかった。
そこで、分子がある方向性をもって移動する場合の変化量の計測方法として、STICS(Spatio-temporal Image Correlation Spectroscopy)が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
However, since this method has low accuracy in measuring dynamic molecular movement, it has not been possible to grasp how molecules move with time.
Thus, STICS (Spatio-temporal Image Correlation Spectroscopy) has been proposed as a method for measuring the amount of change when a molecule moves in a certain direction (see, for example, Non-Patent Document 1).

また、分子が自由拡散する場合の計測法として、FCS(Fluoresce Correlation Spectroscopy)、FRAP,RICS(Raster-scan Image Correlation Spectroscopy)などの拡散計測法が知られている(例えば、非特許文献2、3参照)。   Further, as measurement methods in the case of free diffusion of molecules, diffusion measurement methods such as FCS (Fluoresce Correlation Spectroscopy), FRAP, RICS (Raster-scan Image Correlation Spectroscopy) are known (for example, Non-Patent Documents 2 and 3). reference).

特開2009−250652号公報JP 2009-250652 A 特表2005−519625号公報JP 2005-519625 A

“Probing the integrin-actin linkage using high-resolution protein velocity mapping.”, J.Cell Society, 2006, 119, 5204-14, Brown CM. et.al.“Probing the integrin-actin linkage using high-resolution protein velocity mapping.”, J. Cell Society, 2006, 119, 5204-14, Brown CM. Et.al. “Measuring fast dynamics in solutions and cells with a laser scanning microscope.”, Biophysic. J., 2005 ,89(2).“Measuring fast dynamics in solutions and cells with a laser scanning microscope.”, Biophysic. J., 2005, 89 (2). “Cell Nucleus: Organization & MechanoBiology”, “Fluorescence Fluctuation Microscopy to Reveal 3D Architecture and Function in the Cell Nucleus.”, Thorsten Lenser, et.al., METHODS IN CELL BIOLOGY, VOL. 98 , 2-33, 2010.“Cell Nucleus: Organization & MechanoBiology”, “Fluorescence Fluctuation Microscopy to Reveal 3D Architecture and Function in the Cell Nucleus.”, Thorsten Lenser, et.al., METHODS IN CELL BIOLOGY, VOL. 98, 2-33, 2010.

しかしながら、これらの計測法を用いて分子の挙動を解析しようとしても、それぞれの特徴が有効に生かされていないために、個々の細胞について分子の機能を解析し検討を進める際には限界があった。 例えば、RICSは特定領域の分子拡散を定量化することによって、分子のサイズ情報が得られるが、その分子の移動方向についての情報は得られない。一方、STICSでは分子の方向と移動速度が求められるが、分子サイズは分からない。このように、細胞の経時変化とともに移動する分子の情報はSTICSによって把握されるものの、RICS計測による局所における分子の経時変化との対応付けは十分なされていない。   However, even if we try to analyze the behavior of molecules using these measurement methods, the characteristics of each are not utilized effectively. It was. For example, RICS can obtain molecular size information by quantifying molecular diffusion in a specific region, but cannot obtain information on the movement direction of the molecule. On the other hand, in STICS, the molecular direction and moving speed are required, but the molecular size is not known. Thus, although information on molecules that move with time changes of cells is grasped by STICS, association with the time-dependent changes of molecules locally by RICS measurement is not sufficient.

本願発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、個々の細胞について分子の機能を総合的に解析することのできる生物試料の画像解析装置、画像解析方法、およびプログラムを提供する事を解決課題とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a biological sample image analysis apparatus, an image analysis method, and a program capable of comprehensively analyzing the functions of molecules of individual cells. Is a solution issue.

上記課題を解決するための本発明は、時間経過に従って複数枚の生物試料の分子の分布画像を取得し、取得した分布画像に基づいて当該分布画像内に設定した複数の第1の小領域ごとに分子の移動速度と移動方向とを解析し、取得した分布画像に基づいて当該分布画像内に設定した複数の第2の小領域ごとに分子の分子数と拡散速度とを解析する生物試料の画像解析方法である。   The present invention for solving the above-described problems acquires a distribution image of molecules of a plurality of biological samples as time elapses, and sets a plurality of first small regions set in the distribution image based on the acquired distribution image. Analyzing the moving speed and moving direction of the molecule, and analyzing the number of molecules and the diffusion speed of each of the plurality of second small regions set in the distribution image based on the acquired distribution image This is an image analysis method.

この発明によれば、個々の細胞について分子の機能を総合的に解析することのできる生物試料の画像解析装置、画像解析方法、およびプログラムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an image analysis apparatus, an image analysis method, and a program for a biological sample capable of comprehensively analyzing the molecular functions of individual cells.

本実施の形態の画像解析方法が適用されるレーザ顕微鏡システムの構成を示す図。The figure which shows the structure of the laser microscope system to which the image-analysis method of this Embodiment is applied. 本実施の形態の画像解析方法を説明するための図。The figure for demonstrating the image-analysis method of this Embodiment. 本実施の形態の画像解析方法を説明するための図。The figure for demonstrating the image-analysis method of this Embodiment. 本実施の形態の解析方法の一例を説明するための図。The figure for demonstrating an example of the analysis method of this Embodiment. 本実施の形態の解析方法によってサイトカラシンDによるアクチン分子の移動方向と移動速度とを解析した2つの例を示す図。The figure which shows two examples which analyzed the moving direction and moving speed of the actin molecule by cytochalasin D by the analysis method of this Embodiment. 本実施の形態の画像解析方法の精度の良い測定に関連する諸量を示す模式図。The schematic diagram which shows various quantities relevant to the accurate measurement of the image analysis method of this Embodiment. 本実施の形態の画像解析方法のフレームの取得動作を説明する図。The figure explaining the frame acquisition operation | movement of the image analysis method of this Embodiment. 本実施の形態の画像解析方法の空間相関演算の内容を説明するための図。The figure for demonstrating the content of the spatial correlation calculation of the image analysis method of this Embodiment. 本実施の形態の画像解析方法の相関関数図を示す図。The figure which shows the correlation function figure of the image analysis method of this Embodiment. 本実施の形態の画像解析方法のフィッティング方法を説明するための図。The figure for demonstrating the fitting method of the image analysis method of this Embodiment. 本実施の形態の画像解析方法で取得した画像を示す図。The figure which shows the image acquired with the image analysis method of this Embodiment. 本実施の形態の画像解析方法のうちSTICS解析を行った結果を示す図。The figure which shows the result of having performed STICS analysis among the image analysis methods of this Embodiment. 本実施の形態の画像解析方法のうちRICS解析に用いた画像を示す図。The figure which shows the image used for RICS analysis among the image analysis methods of this Embodiment. 本実施の形態の画像解析方法のうちRICS解析を行った結果を示す図。The figure which shows the result of having performed RICS analysis among the image analysis methods of this Embodiment. 本実施の形態の画像解析方法の概略の手順を示すフロー図。The flowchart which shows the general | schematic procedure of the image analysis method of this Embodiment.

図1は、本実施の形態の画像解析方法が適用されるレーザ顕微鏡システムの構成を示す図である。
レーザ顕微鏡システムは、顕微鏡本体1、レーザコンバイナ2、スキャンユニット3、ディテクタユニット4、コントロールユニット5、表示装置6及び記憶装置7を備えている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser microscope system to which the image analysis method of the present embodiment is applied.
The laser microscope system includes a microscope main body 1, a laser combiner 2, a scan unit 3, a detector unit 4, a control unit 5, a display device 6, and a storage device 7.

レーザコンバイナ2に設けられた1つのレーザ光源から出射したレーザ光は、ダイクロイックミラー(不図示)で反射された後スキャンユニット3に入射する。このスキャンユニット3によって、光軸はX軸、Y軸方向に偏向走査され、顕微鏡本体1の対物レンズ(不図示)に入る。これによって視野内の焦点面上にある蛍光標識されたサンプル試料の任意の位置に、測定領域(焦点領域)を位置することができる。   Laser light emitted from one laser light source provided in the laser combiner 2 is reflected by a dichroic mirror (not shown) and then enters the scan unit 3. The scanning unit 3 deflects and scans the optical axis in the X-axis and Y-axis directions and enters an objective lens (not shown) of the microscope body 1. As a result, the measurement region (focal region) can be positioned at an arbitrary position of the fluorescently labeled sample specimen on the focal plane in the field of view.

焦点領域内の蛍光分子から発した蛍光は同じ対物レンズで補足され、逆の光路を通りダイクロイックミラーに導かれる。ダイクロイックミラーでは、励起光と比べ波長の長い蛍光を透過するように設計されており、蛍光はディテクタユニット4に到達する。ディテクタユニット4としてはAPD(アバランシェフォトダイオード)、あるいは光電子増倍管などが好適である。   Fluorescence emitted from the fluorescent molecules in the focal region is captured by the same objective lens and guided to the dichroic mirror through the reverse optical path. The dichroic mirror is designed to transmit fluorescence having a longer wavelength than the excitation light, and the fluorescence reaches the detector unit 4. The detector unit 4 is preferably an APD (avalanche photodiode) or a photomultiplier tube.

ディテクタユニット4で光電変換された蛍光の強度信号は、コントロールユニット5に入力される。コントロールユニット5では、解析ソフトウエアによって解析(STICS、RICS)が行われる。コントロールユニット5は、ディテクタユニット4からの蛍光強度信号と、スキャンユニット3からの走査位置情報とを対応づけて解析を行う。解析した結果は、適宜、表示装置6に表示され、また記憶装置7に記憶される。   The fluorescence intensity signal photoelectrically converted by the detector unit 4 is input to the control unit 5. In the control unit 5, analysis (STICS, RICS) is performed by analysis software. The control unit 5 analyzes the fluorescence intensity signal from the detector unit 4 and the scan position information from the scan unit 3 in association with each other. The analysis result is appropriately displayed on the display device 6 and stored in the storage device 7.

なお、本レーザ顕微鏡システムでは、複数のレーザ光源を用いて波長の異なる複数の蛍光像を得ることができるが、以下の説明では1つのレーザ光源により得られた蛍光像を用いて解析する態様について説明する。
RICSが基本的に1フレームのスキャンイメージをもとに計算する相関解析であるのに対して、STICSは連続フレーム画像から分子移動を計測する時空間相関解析であり、分子が移動する方向と速度について情報が得られる点に特徴があり、細胞内での分子の流れ方向と速さからシグナル伝達系の機能解析が可能となる。
In this laser microscope system, a plurality of fluorescent images having different wavelengths can be obtained using a plurality of laser light sources. In the following description, an analysis is performed using a fluorescent image obtained by one laser light source. explain.
Whereas RICS is basically a correlation analysis that is calculated based on a scan image of one frame, STICS is a spatio-temporal correlation analysis that measures molecular movement from continuous frame images. It is characterized by the fact that information can be obtained about the function, and it is possible to analyze the function of the signal transduction system from the direction and speed of molecular flow in the cell.

RICSは、画像中の各画素が取得される時間に差異があることを利用し、二点の蛍光強度の時間空間相関を測定する手法である。RICSを用いることで、例えば、蛍光修飾された分子の拡散係数を測定することができる。
そして、STICS、RICSを代表とする分子拡散計測においては、画像の中から解析を行いたい一部分を選び出し、その範囲内で数値的な処理を行うことが良く行われている。その画像中の一部分は関心領域あるいはROI(Region of Interest)と呼称されている。ROI内の小領域に注目してその領域における分子拡散情報を求めることによって、複雑な細胞形態が反映される妥当な分子動態を評価することが可能になる。
RICS is a technique for measuring the time-space correlation between two fluorescent intensities by utilizing the difference in time at which each pixel in an image is acquired. By using RICS, for example, the diffusion coefficient of a fluorescence-modified molecule can be measured.
In molecular diffusion measurement represented by STICS and RICS, it is often performed to select a part to be analyzed from an image and perform numerical processing within the range. A part of the image is called a region of interest or ROI (Region of Interest). By paying attention to a small area in the ROI and obtaining molecular diffusion information in the area, it is possible to evaluate an appropriate molecular dynamic that reflects a complicated cell morphology.

図2は、本実施の形態の画像解析方法を説明するための図である。
本実施の形態の画像解析方法では、取得した生物試料の画像に対してSTICS解析とRICS解析とを協働して実行する。
STICS解析では、全測定期間をN個の時間セグメントに区分して、おのおのの時間セグメントにおいて1枚の画像を取得し、取得した複数枚(N枚)の画像について解析を実行する。一方、RICS解析では、おのおのの時間セグメントにおいてn枚の画像を取得し、そのn枚の画像について解析を実行する。このような画像解析方法は、STICS解析が長い時間スパンでの分子の移動を解析するのに対して、RICS解析は短い時間における分子拡散を解析するという、それぞれの適用する対象の特性に対応させたものである。
FIG. 2 is a diagram for explaining the image analysis method of the present embodiment.
In the image analysis method of the present embodiment, STICS analysis and RICS analysis are performed in cooperation on the acquired biological sample image.
In the STICS analysis, the entire measurement period is divided into N time segments, one image is acquired in each time segment, and analysis is performed on the acquired multiple (N) images. On the other hand, in the RICS analysis, n images are acquired in each time segment, and the analysis is executed on the n images. In such image analysis method, STICS analysis analyzes the movement of molecules in a long time span, while RICS analysis analyzes the molecular diffusion in a short time. It is a thing.

続いて、STICS解析とRICS解析との処理内容を説明する。
なお、以下に説明するSTICSとRICSに関する技術は、公知のSTICSとRICSそのままではない。本願の技術課題を解決するために、公知の技術に改良を加えたものである。但し、説明のために、STICS、RICSなる用語を用いる。
Subsequently, processing contents of STICS analysis and RICS analysis will be described.
The STICS and RICS technology described below is not the same as the known STICS and RICS. In order to solve the technical problem of the present application, an improvement is added to a known technique. However, for the purpose of explanation, the terms STICS and RICS are used.

[STICS解析]
本実施の形態では、説明のため、連続画像の空間座標xおよびyと時間座標tを整数として取り扱う。撮影倍率と撮影間隔から決定する比例係数を掛ける事により、容易に試料の実際の位置および撮影時間に換算する事が可能である。また、説明のために画像は二次元であるとしたが、共焦点顕微鏡などによって撮影された立体的な情報を持つ三次元画像に対しても、容易に拡張可能である。
[STICS analysis]
In this embodiment, for the sake of explanation, the spatial coordinates x and y and the time coordinate t of the continuous image are handled as integers. By multiplying the proportionality factor determined from the photographing magnification and the photographing interval, it is possible to easily convert the actual position of the sample and the photographing time. Further, although the image is assumed to be two-dimensional for the sake of explanation, it can be easily extended to a three-dimensional image having stereoscopic information photographed by a confocal microscope or the like.

図3は、本実施の形態の画像解析方法を説明するための図である。
生物試料を、M×M(ピクセル)の大きさの画像で一定時間間隔で撮影して、N枚の連続画像を取得する。このN枚の連続画像から時間間隔τである2枚(1組)の画像について画像相関演算を行う。N枚の連続画像からは、(N−τ)組の画像について画像相関演算が行われる。図3では、τ=2の場合を示している。
FIG. 3 is a diagram for explaining the image analysis method of the present embodiment.
A biological sample is photographed at a fixed time interval with an image having a size of M × M (pixels), and N consecutive images are acquired. Image correlation calculation is performed on two (one set) images having a time interval τ from the N consecutive images. From N consecutive images, image correlation calculation is performed on (N−τ) sets of images. FIG. 3 shows a case where τ = 2.

次に、画像相関演算によって得られた(N−τ)枚の相関像を平均した平均画像相関像を求める。平均画像相関像は、それぞれの相関像の対応するピクセル位置の画像データを加算して平均値を演算することで求めることが出来る。
以上の処理を数式で表す。
時刻tに取得された座標(x、y)における画像の信号強度がI(x、y;t)である時、平均画像相関は、式(1)で表される。

Figure 2013195127
Next, an average image correlation image obtained by averaging (N−τ) correlation images obtained by the image correlation calculation is obtained. The average image correlation image can be obtained by adding the image data of the corresponding pixel positions of each correlation image and calculating the average value.
The above process is expressed by a mathematical expression.
When the signal intensity of the image at the coordinates (x, y) acquired at time t is I (x, y; t), the average image correlation is expressed by Equation (1).
Figure 2013195127

式(1)、式(2)中の〈I(x、y;t)〉は、M×M(ピクセル)の大きさの画像のxおよびyについて画像データを平均化することを示している。すなわちx、y、tの関数Fに対して、〈F(x、y;t)〉は式(3)で定義される。

Figure 2013195127
<I (x, y; t)> in the equations (1) and (2) indicates that the image data is averaged with respect to x and y of an image having a size of M × M (pixels). . That is, for the function F of x, y, t, <F (x, y; t)> is defined by equation (3).
Figure 2013195127

なお、xおよびyについて、周期的境界条件、すなわち、整数nおよびmについて、F(x+nM、y+mM;t)=F(x、y;t)が成立する場合は、式(1)の分子に記載される相互相関関数はフーリエ変換を用いて高速に計算する事が可能である。   For x and y, if F (x + nM, y + mM; t) = F (x, y; t) is satisfied for the integers n and m, the numerator of formula (1) The described cross-correlation function can be calculated at high speed using Fourier transform.

また、時間とともに試料中の発現分布が移動する事を鋭敏に捕らえるために、解析する時間区分内で不動な成分、もしくは低速な成分を予め除去しておくことができる。除去の方法は、各座標ごとに信号強度変化の低周波成分を除去しても良い。あるいは、定常成分を除去しても良い。すなわち、移動成分Imovを式(4)に従って計算し、Imovを式(1)のI(x、y;t)の代わりに用いても良い。

Figure 2013195127
In addition, in order to catch the movement of the expression distribution in the sample with time, it is possible to remove in advance a component that is immobile or a component that is slow in the time segment to be analyzed. The removal method may remove the low frequency component of the signal intensity change for each coordinate. Alternatively, the steady component may be removed. That is, the moving component I mov may be calculated according to Equation (4), and I mov may be used instead of I (x, y; t) in Equation (1).
Figure 2013195127

次に、平均画像相関像を用いた解析方法について説明する。
図4は、本実施の形態の解析方法の一例を説明するための図である。
連続画像中の分布画像が時間とともに特定の方向へ移動しているとき、上述の方法によって得られる平均画像相関像R(ξ、η、τ)は画像の中心(M/2、M/2)から外れた位置に極大値を持つ分布画像となる。この極大値の位置を決定する方法の一つとして、ガウシアン分布を仮定して、相互相関画像に対して当てはめを行う方法がある。
Next, an analysis method using the average image correlation image will be described.
FIG. 4 is a diagram for explaining an example of the analysis method of the present embodiment.
When the distribution image in the continuous image moves in a specific direction with time, the average image correlation image R (ξ, η, τ) obtained by the above method is the center of the image (M / 2, M / 2). A distribution image having a local maximum value at a position deviating from the range. As one method for determining the position of the local maximum value, there is a method of fitting a cross-correlation image assuming a Gaussian distribution.

すなわち、式(5)で表されるガウシアンをA、β、p、q、Cを可変パラメータとして平均画像相関像に対して最小二乗法によって当てはめを行う。

Figure 2013195127
That is, the Gaussian represented by the equation (5) is fitted to the average image correlation image by the least square method with A, β, p, q, and C as variable parameters.
Figure 2013195127

当てはめによって得られたp、qが、時間間隔τにおける平均画像相関像の極大位置(pτ、qτ)である。従って、遅延時間τ(=1〜N−1)ごとに平均画像相関像の極大位置(pτ、qτ)が決定される。
[移動速度]
画像中の分布の移動速度(v、v)は、式(6)で表される極大位置と遅延時間の比例係数v、vとして決定される。

Figure 2013195127
P and q obtained by fitting are the maximum positions (p τ and q τ ) of the average image correlation image in the time interval τ. Therefore, the maximum position (p τ , q τ ) of the average image correlation image is determined for each delay time τ (= 1 to N−1).
[Moving Speed]
The moving speed of the distribution in the image (v x, v y), the proportional coefficient of the delay time and maximum position of the formula (6) v x, is determined as v y.
Figure 2013195127

統計的に正確なv、vを導出するため、図4に示すように、最小二乗法などを用いた回帰分析によって比例係数v、vを算出しても良い。
[移動速度の分布]
M×M(ピクセル)の全体画像に内包される、m×m(ピクセル)の部分領域内の画像に対して上述の解析を行う事により、その部分領域内での局所的な移動速度を導出する事が出来る。すなわち、xがxからx+m−1で、yがyからy+m−1である部分領域Aに対して画像相関を計算し、その部分領域に対する移動速度を決定することができる。多数の部分画像について局所的な移動速度を求める事によって、移動速度の分布を得る事が出来る。
In order to derive statistically accurate v x and v y , as shown in FIG. 4, the proportional coefficients v x and v y may be calculated by regression analysis using a least square method or the like.
[Movement speed distribution]
By performing the above analysis on the image in the m × m (pixel) partial area included in the entire M × M (pixel) image, the local movement speed in the partial area is derived. I can do it. That is, image correlation is calculated for the partial area A i where x is from x i to x i + m−1 and y is from y i to y i + m−1, and the moving speed for the partial area is determined. it can. By obtaining the local moving speed for a large number of partial images, the moving speed distribution can be obtained.

[ベクトル表示]
上述の解析方法によって得られた、移動速度は、画面上に表示する事によって、結果を可視化し、利用者が結果を視覚的に理解する事を補助する事が出来る。表示方法としては、例えば、図4の右下に示すように、連続画像上に速度ベクトルを表す図形を重ねて表示する方法が考えられる。速度ベクトルを表す図形としては、長さが移動速度の大きさに比例し、矢頭がベクトルの方向を示す矢印がある。また、矢印の色彩を速度の大きさに応じて表示する事も出来る。
[Vector display]
The moving speed obtained by the above analysis method is displayed on the screen, thereby visualizing the result and assisting the user in visually understanding the result. As a display method, for example, as shown in the lower right of FIG. 4, a method of superimposing and displaying a graphic representing a velocity vector on a continuous image is conceivable. As a figure representing a velocity vector, there is an arrow whose length is proportional to the magnitude of the moving velocity and whose arrowhead indicates the direction of the vector. Also, the color of the arrow can be displayed according to the magnitude of the speed.

図5は、本実施の形態の解析方法によって、培養細胞の細胞質から細胞核へと転写因子が移行する様子を解析した例を示す図である。転写因子の移動方向と移動速度とが細胞の画像に重ねて表示されている。
図5に示す図は、次のような手順によって作成した。
まず発光イメージを記録した連続画像に対して、小領域(ROI)を縦横方向に所定ピクセルずつずらしながら、各ROIについて処理を実行した。
各ROI中の処理は以下のように行った。
FIG. 5 is a diagram showing an example in which a transcription factor is transferred from the cytoplasm of a cultured cell to a cell nucleus by the analysis method of the present embodiment. The moving direction and moving speed of the transcription factor are displayed superimposed on the cell image.
The diagram shown in FIG. 5 was created by the following procedure.
First, processing was performed on each ROI while shifting a small area (ROI) by a predetermined pixel in the vertical and horizontal directions with respect to a continuous image in which a light emission image was recorded.
Processing in each ROI was performed as follows.

ステップ1:時間間隔τである二枚の画像をついての相互相関画像を計算し、複数枚の相互相関画像について平均化して相互相関平均画像を得た。この処理をτを変化させて繰り返して実行し、各τについて相互相関平均画像を得た。
ステップ2:各τ値に対する相互相関平均画像から、ピーク値の位置を求めた。ピーク値の位置は、二次元ガウシアン関数を元の画像に対して最小二乗法によるフィッティングを行い、ガウシアンの頂点の位置から決定した。
Step 1: A cross-correlation image for two images having a time interval τ was calculated and averaged for a plurality of cross-correlation images to obtain a cross-correlation average image. This process was repeatedly performed by changing τ, and a cross-correlation average image was obtained for each τ.
Step 2: The position of the peak value was obtained from the cross-correlation average image for each τ value. The position of the peak value was determined from the position of the Gaussian vertex by fitting a two-dimensional Gaussian function to the original image by the method of least squares.

ステップ3:各τ値に対するピークの位置(xτ、yτ)から、そのROIでのシグナル移動速度を導出した。シグナル移動速度のx軸成分値vの導出は、各τ値に対するx軸ピーク位置xτに対してxτ=v×τを最小二乗法によって当てはめる事によって行った。y軸成分についても同様の方法によってvを導出した。 Step 3: From the position of the peak (x τ , y τ ) for each τ value, the signal transfer speed at that ROI was derived. The x-axis component value v x of the signal movement speed was derived by applying x τ = v x × τ to the x-axis peak position x τ for each τ value by the least square method. For the y-axis component, vy was derived by the same method.

ステップ4:ピーク位置が同定できない場合は、同定出来た時間間隔の範囲のデータに基づいて速度を導出した。ピーク位置がτ>0について同定出来なかった場合は、有意な速度成分が無いものとみなし、そのROIについての速度成分は不定とした。
ステップ5:各ROIにおけるシグナル移動速度は、ROIの中心座標から、速度の向きで速度の大きさに比例する長さの矢印を描画する事によって表示を行った。
これによって、転写因子の移動がどのように行われるかをより詳細に把握することが可能となっている。
Step 4: When the peak position could not be identified, the speed was derived based on the data in the range of the identified time interval. If the peak position could not be identified for τ> 0, it was considered that there was no significant velocity component, and the velocity component for that ROI was undefined.
Step 5: The signal moving speed in each ROI was displayed by drawing an arrow having a length proportional to the magnitude of the speed in the direction of the speed from the center coordinates of the ROI.
This makes it possible to grasp in more detail how the transcription factor is moved.

[RICS解析]
続いて、RICS解析の内容について詳細に説明する。このRICS解析ではレーザスキャンにより得られた画像におけるピクセル毎の蛍光強度シグナルを空間相関演算することにより、標識した分子数及びその拡散定数を求める。
[RICS analysis]
Next, the contents of RICS analysis will be described in detail. In this RICS analysis, the number of labeled molecules and the diffusion constant thereof are obtained by performing spatial correlation calculation on the fluorescence intensity signal for each pixel in the image obtained by laser scanning.

*ステップ1:ターゲット(蛍光)分子がピクセル毎に検出できるようにレーザ光をスキャンする。
図6は、本実施の形態の画像解析方法の精度の良い測定に関連する諸量を示す模式図である。
図6には、ターゲット10の移動する速度(軌跡)と、ターゲット10に照射されたレーザスポット11の大きさと、検出素子のピクセル位置(1,2,・・・)とが表されている。
* Step 1: Scan with laser light so that target (fluorescent) molecules can be detected pixel by pixel.
FIG. 6 is a schematic diagram showing various quantities related to accurate measurement of the image analysis method of the present embodiment.
FIG. 6 shows the moving speed (trajectory) of the target 10, the size of the laser spot 11 irradiated on the target 10, and the pixel position (1, 2,...) Of the detection element.

図6によれば、ターゲットの動く速さ、スキャンスピード及びピクセルサイズ(1ピクセル当りの実サイズ)との間には密接な関係があることがわかる。従って、ターゲットの分子数、拡散速度などをRICS解析によって求める際には、図6に示す諸量が適正な値となるように設定されることが重要である。   FIG. 6 shows that there is a close relationship between the moving speed of the target, the scanning speed, and the pixel size (actual size per pixel). Therefore, when the number of molecules of the target, the diffusion rate, and the like are obtained by RICS analysis, it is important that various quantities shown in FIG. 6 are set to appropriate values.

*ステップ2:設定したフレーム内でレーザをスキャンする。このスキャンを複数回実行して複数のフレームを取得する。
図7は、本実施の形態の画像解析方法のフレームの取得動作を説明する図である。
1つのフレーム12のサイズ(縦長さ×横長さ)はステップ1において解析者が設定する。レーザ光は、このフレーム領域内をスキャンユニット3によって走査される。例えば、フレーム領域の左上の位置から右方向にレーザ光を1ライン走査し、続いて1段下のラインを左から右方向に走査する。この動作を一番下のラインまで繰り返して1フレーム走査を完了する。
このフレーム走査を同様にして複数回繰り返して実行して、複数のフレーム画像を取得する(t=0〜n)。
* Step 2: Scan the laser within the set frame. This scan is executed a plurality of times to obtain a plurality of frames.
FIG. 7 is a diagram for explaining the frame acquisition operation of the image analysis method of the present embodiment.
The size of one frame 12 (vertical length × horizontal length) is set by the analyst in step 1. The laser beam is scanned by the scan unit 3 in this frame area. For example, the laser beam is scanned one line from the upper left position of the frame area to the right, and then the lower line is scanned from the left to the right. This operation is repeated up to the bottom line to complete one frame scan.
This frame scan is repeated a plurality of times in the same manner to obtain a plurality of frame images (t = 0 to n).

ここで、1ピクセルを走査する時間はμsecのオーダであり、1ラインを走査する時間はmsecのオーダであり、1フレームを走査する時間はsecのオーダである。1フレーム走査時間を例えば1秒とし、100枚のフレームを取得する場合は、計測時間は約100秒となる。   Here, the time for scanning one pixel is on the order of μsec, the time for scanning one line is on the order of msec, and the time for scanning one frame is on the order of sec. When one frame scanning time is 1 second, for example, and 100 frames are acquired, the measurement time is about 100 seconds.

原理的に、空間相関演算を行うためには、1枚のフレーム画面で十分である。しかし本実施の形態では、取得フレーム数を増やすことによって空間相関演算に関する平均計算を行っている。フレーム数を増やして相関関数の平均値を計算することによって遅い動きの分子情報を除去することが可能である。   In principle, one frame screen is sufficient for performing spatial correlation calculations. However, in this embodiment, the average calculation regarding the spatial correlation calculation is performed by increasing the number of acquired frames. By increasing the number of frames and calculating the average value of the correlation function, it is possible to remove molecular information of slow motion.

*ステップ3:空間相関演算を実行する。
空間相関演算は、以下の相関関数式に従って実行する。

Figure 2013195127
* Step 3: Perform spatial correlation calculation.
The spatial correlation calculation is executed according to the following correlation function expression.
Figure 2013195127

図8は、本実施の形態の画像解析方法の空間相関演算の内容を説明するための図である。
2枚の同一フレーム12を、X軸方向にξ、Y軸方向にψだけずらして重ね合わせる。そして、重なり合った位置の蛍光強度値を乗算した値をフレーム全体にわたって加算する。加算結果を正規化した値を点(ξ、ψ)における空間相関値とする。このξ、ψを2次元平面上で変化させて、2次元の空間相関値を取得する。
FIG. 8 is a diagram for explaining the contents of the spatial correlation calculation of the image analysis method according to the present embodiment.
Two identical frames 12 are superposed with a shift of ξ in the X-axis direction and ψ in the Y-axis direction. Then, a value obtained by multiplying the fluorescence intensity values at the overlapping positions is added over the entire frame. A value obtained by normalizing the addition result is set as a spatial correlation value at the point (ξ, ψ). By changing these ξ and ψ on a two-dimensional plane, a two-dimensional spatial correlation value is obtained.

次に、他のフレームについてもそれぞれ2次元の空間相関値を演算する。そして、このようにして取得した複数の空間相関値をそれぞれの点について平均処理して、相関関数図(空間相関関数図)を得る。
図9は、本実施の形態の画像解析方法の相関関数図を示す図である。
上述の式からわかるように、図9の中心に位置する原点(0,0)において、相関関数値は最大値(=1)をとる。
Next, a two-dimensional spatial correlation value is calculated for each of the other frames. The plurality of spatial correlation values acquired in this way are averaged for each point to obtain a correlation function diagram (spatial correlation function diagram).
FIG. 9 is a diagram showing a correlation function diagram of the image analysis method of the present embodiment.
As can be seen from the above formula, the correlation function value takes the maximum value (= 1) at the origin (0, 0) located at the center of FIG.

*ステップ4:相関関数演算の結果得られる相関関数図を用いてフィッティング演算を行う。
このようにして得られた相関関数図に基いて高さ方向(Z軸方向)に蛍光強度値をプロットすると、原点を中心とした山形の形状が得られる。この測定した形状を、複数の基準パターンの形状と比較して、良くフィットする基準パターンを特定する。
* Step 4: A fitting operation is performed using a correlation function diagram obtained as a result of the correlation function operation.
When the fluorescence intensity values are plotted in the height direction (Z-axis direction) based on the correlation function diagram thus obtained, a mountain shape centered on the origin is obtained. The measured shape is compared with the shapes of a plurality of reference patterns to identify a reference pattern that fits well.

図10は、本実施の形態の画像解析方法のフィッティング方法を説明するための図である。
図の下側には、演算によって得られた相関関数値を3次元で表している。図の上側には、ある基準パターンとの差を3次元で表している。この差が最も小さいと評価される基準パターンを特定する。そして、特定された基準パターンに対応する分子数と拡散速度とをサンプルの平均分子数と平均拡散速度として得ることができる。
FIG. 10 is a diagram for explaining a fitting method of the image analysis method of the present embodiment.
On the lower side of the figure, the correlation function values obtained by the calculation are represented in three dimensions. On the upper side of the figure, the difference from a certain reference pattern is shown in three dimensions. A reference pattern that is evaluated to have the smallest difference is specified. Then, the number of molecules and the diffusion rate corresponding to the specified reference pattern can be obtained as the average number of molecules and the average diffusion rate of the sample.

続いて、本実施の形態の画像解析方法を適用した実施例を説明する。
転写因子であるNFAT(Nuclear factor of activated T cell)に蛍光蛋白質EGFPを融合させた蛋白質(以下NFAT−EGFP)をU2OS細胞にて発現させ、細胞内カルシウム濃度を高めるためにカルシウムイオノフォアであるA23187(2μg/ml)を培養液に加え、NFAT−EGFPが培養細胞(U2OS)の細胞質から細胞核へと移行する様子をレーザー共焦点蛍光顕微鏡(FV1000:Olympus)にて画像取得してSTICSにて解析した。
Next, an example to which the image analysis method of the present embodiment is applied will be described.
A protein obtained by fusing a fluorescent protein EGFP to a transcription factor NFAT (Nuclear factor of activated T cell) (hereinafter referred to as NFAT-EGFP) is expressed in U2OS cells, and A23187 (a calcium ionophore is used to increase intracellular calcium concentration). 2 μg / ml) was added to the culture solution, and images of NFAT-EGFP moving from the cytoplasm of cultured cells (U2OS) to the cell nucleus were acquired with a laser confocal fluorescence microscope (FV1000: Olympus) and analyzed by STICS. .

A23187の刺激スタート後、画像を256x256サイズ、30秒間隔でトータル60フレームを取得した。その後、細胞外液からA23187を除いてからさらに120フレームの画像を取得した。それぞれにおいてSTICS解析を行い、分子の移動速度と方向を矢印にてマップ化した。マップでは最大速度0.0015μm/secを赤色矢印で示し、それ以下については画面中スケールに従って表示した。   After starting the stimulation of A23187, images were obtained in a total of 60 frames at a size of 256 × 256 at intervals of 30 seconds. Then, after removing A23187 from the extracellular fluid, an image of 120 frames was obtained. In each case, STICS analysis was performed, and the moving speed and direction of the molecule were mapped with arrows. In the map, the maximum speed of 0.0015 μm / sec is indicated by a red arrow, and the lower speed is displayed according to the scale in the screen.

また、上記と同様の細胞、発現蛋白質、刺激薬品などの条件において核内ドメインのサイズ変化についてRICS解析を行った。具体的には、分子の移動を示すタイムラプス画像取得の際に、適当な時間間隔でRICS計測に相応しいパラメータ設定(スキャンスピード:12.5μsec/pixel,画像サイズ:256x256pixels,ピクセルサイズ:0.05〜0.062μm/pixel,取得フレーム数:50〜100)のもとで画像取得した。   In addition, RICS analysis was performed on the size change of the nuclear domain under the same conditions as in the cells, expressed proteins, stimulating drugs, and the like. Specifically, when acquiring a time-lapse image showing the movement of molecules, parameter settings suitable for RICS measurement at appropriate time intervals (scan speed: 12.5 μsec / pixel, image size: 256 × 256 pixels, pixel size: 0.05 to 0.062 μm / pixel, the number of acquired frames: 50 to 100).

図11は、本実施の形態の画像解析方法で取得した画像を示す図である。図11(1)は、A23187の刺激スタート(カルシュウム濃度を増加)後の推移画像を示し、図11(2)は、A23187を除去後の推移画像を示す。
図11(1)によれば、NFAT−EGFP発現U2OS細胞は、定常状態においてNFAT局在は細胞質のみに現れ、核内にはほとんどNFATは存在しない(フレーム1)。A23187による刺激後、NFATは時間とともに核内へ移行するにつれて細胞質のNFATは減少し、NFAT−EGFPの蛍光強度は低下した(フレーム20〜60)。核内では移動したNFAT−EGFPによる蛍光強度が増加し、核内ドメイン凝集体が形成された。核内ドメインはNFATの移行量が増加するにつれてその大きさが大きくなった。
FIG. 11 is a diagram showing an image acquired by the image analysis method of the present embodiment. FIG. 11 (1) shows a transition image after A23187 stimulation start (increasing calcium concentration), and FIG. 11 (2) shows a transition image after A23187 is removed.
According to FIG. 11 (1), in the NFAT-EGFP-expressing U2OS cell, NFAT localization appears only in the cytoplasm in a steady state, and almost no NFAT is present in the nucleus (frame 1). After stimulation with A23187, as NFAT moved into the nucleus with time, cytoplasmic NFAT decreased and the fluorescence intensity of NFAT-EGFP decreased (frames 20-60). In the nucleus, the fluorescence intensity by the transferred NFAT-EGFP increased, and an intranuclear domain aggregate was formed. The size of the nuclear domain increased as the amount of NFAT transferred increased.

NFATの移行がほぼ終了したと考えられる時点で、細胞外溶液であるOPTI−MEMメディウムからA23187を取り除くために何度かOPTI−MEMで細胞を洗浄した。その後、観察を続けると、図11(2)に示したように、核内ドメインの蛍光は次第に減少し、その反対に細胞質のNFAT−EGFPが回復する様子が観察された(フレーム1〜120)。   When it was considered that the NFAT transfer was almost completed, the cells were washed with OPTI-MEM several times in order to remove A23187 from the OPTI-MEM medium as an extracellular solution. Thereafter, when observation was continued, as shown in FIG. 11 (2), the fluorescence of the nuclear domain gradually decreased, and conversely, the appearance of recovery of cytoplasmic NFAT-EGFP was observed (frames 1 to 120). .

図12は、本実施の形態の画像解析方法のうちSTICS解析を行った結果を示す図である。
取得した画像フレームを用いてSTICS解析を行った結果、図12に示すように細胞内のいくつかの選択箇所において矢印の色と大きさによって、NFAT−EGFPの移動方向と速度を表示できた。図12(1)は、細胞質から核へと移動するNFAT−EGFPの方向と移動速度を表すマップ図である。図12(2)は、核から細胞質へと戻るNFAT−EGFPの方向と移動速度を表すマップ図である。
図12(1)では、核付近において細胞質から核へ、つまり内側への向きを示す箇所が多いのに対して、図12(2)では、核である内側から細胞質の外側へと向きを示す様子が見られた。但し、図12(2)では、核から外に向かう矢印はそれほど明確ではなく、逆に核に向かう動きも見られた。
FIG. 12 is a diagram illustrating a result of STICS analysis performed in the image analysis method according to the present embodiment.
As a result of STICS analysis using the acquired image frame, the moving direction and speed of NFAT-EGFP could be displayed by the color and size of the arrow at several selected locations in the cell as shown in FIG. FIG. 12 (1) is a map diagram showing the direction and moving speed of NFAT-EGFP moving from the cytoplasm to the nucleus. FIG. 12 (2) is a map showing the direction and moving speed of NFAT-EGFP returning from the nucleus to the cytoplasm.
In FIG. 12 (1), there are many locations that show the direction from the cytoplasm to the nucleus, that is, the inside in the vicinity of the nucleus, whereas in FIG. The situation was seen. However, in FIG. 12 (2), the arrow from the nucleus to the outside is not so clear, and conversely, movement toward the nucleus was also observed.

図13は、本実施の形態の画像解析方法のうちRICS解析に用いた画像を示す図である。
図中の矢印に沿った、No.1〜5の図が、A23187の刺激スタート(カルシュウム濃度を増加)後の推移画像を示し、No.6〜11の図が、A23187を除去後の推移画像を示す。各図中に表された小領域はROIを表している。No.1の図では、ROIが核(図中左側の部分)と細胞質(図中右側の部分)の境界付近に設定されていることがわかる。No.3以降の図では、この境界部分が不明瞭となっているが、ROIの位置は核内に固定されている。設定されたROI中には、NFAT−EGFPが輝点として表されている。
FIG. 13 is a diagram showing an image used for RICS analysis in the image analysis method of the present embodiment.
Along the arrow in the figure, No. FIGS. 1 to 5 show transition images after A23187 stimulation start (increasing calcium concentration). Figures 6-11 show the transition image after A23187 is removed. A small area shown in each figure represents an ROI. No. In FIG. 1, it can be seen that the ROI is set near the boundary between the nucleus (the left part in the figure) and the cytoplasm (the right part in the figure). No. In the figures after 3, this boundary portion is unclear, but the position of the ROI is fixed in the nucleus. In the set ROI, NFAT-EGFP is represented as a bright spot.

図13を参照すると、NFATの核内移行とともに核内ドメインのサイズは大きくなる傾向があり、NFATが核外に戻る際にはそのサイズは再び小さくなっていることがわかる。
図14は、本実施の形態の画像解析方法のうちRICS解析を行った結果を示す図である。図14(1)は、ROIにおける拡散係数Dの推移を示し、図14(2)は、ROIにおける分子数の推移を示している。また、図中の点線は、A23187を取り除いたタイミングを示している。
Referring to FIG. 13, it can be seen that the size of the intranuclear domain tends to increase as NFAT moves into the nucleus, and that the size decreases again when NFAT returns to the outside of the nucleus.
FIG. 14 is a diagram illustrating a result of performing RICS analysis in the image analysis method according to the present embodiment. FIG. 14 (1) shows the transition of the diffusion coefficient D in the ROI, and FIG. 14 (2) shows the transition of the number of molecules in the ROI. Also, the dotted line in the figure shows the timing when A23187 is removed.

図14(1)では、分子数NはNFAT核内移行に伴い減少した。このことから、図13(1−5)では、NFATが寄り集まって見かけ上サイズが大きくなっているが、RICSの解析結果からは分子数としては減ることが示唆されている。NFATの核外移行においては、その逆に図13(6−11)では、集積したNFATが徐々に分散してサイズが小さくなっていく様子が示され、RICSの解析結果からはこの結果として分子数が戻ることが示された。   In FIG. 14 (1), the number N of molecules decreased with the NFAT nuclear translocation. From this, in FIG. 13 (1-5), NFAT gathers and the apparent size increases, but the RICS analysis results suggest that the number of molecules decreases. In the case of NFAT translocation, on the contrary, FIG. 13 (6-11) shows that the accumulated NFAT is gradually dispersed and reduced in size. The number was shown to return.

一方、図14(2)では、ROIにおける拡散係数DはNFAT核内移行とともに小さくなった。これは、NFATが凝集してサイズが大きくなったために動きが抑制されていることを示している。NFATの核外移行については、D値は元のレベルに戻る傾向ではあったが、その程度は核内移行に比べて顕著ではなかった。このことは、STICS解析を行った図12のマップ図において、核外移行のNFATの移動方向が、核内移行のNFATの移動方向よりも大きくバラついていることからも裏付けられ、RICSの解析からは、一度核内DNAなどに結合したNFATの動きが依然として抑制されていることを示唆した。このように、STICSおよびRICSの各原理を組み合わせることにより、従来の解析では発見および/または説明できなかった分子サイズと動態の両方を総合判断できるような解析データを提供できることが分かった。   On the other hand, in FIG. 14 (2), the diffusion coefficient D in the ROI decreased with the NFAT nuclear transfer. This indicates that the movement is suppressed because the size of NFAT has increased due to aggregation. As for NFAT extranuclear translocation, the D value tended to return to the original level, but the degree was not as significant as in the intranuclear translocation. This is supported by the fact that the movement direction of NFAT for nuclear translocation is larger than the movement direction of NFAT for nuclear translocation in the map of FIG. 12 in which STICS analysis was performed. Suggested that the movement of NFAT once bound to nuclear DNA or the like is still suppressed. Thus, it was found that by combining the principles of STICS and RICS, it is possible to provide analysis data that can comprehensively determine both molecular size and dynamics that could not be discovered and / or explained by conventional analysis.

以上の結果から、RICSとSTICSとの比較において、RICSは特定領域の分子拡散を定量化することが出来るが、その分子の移動方向などについての情報を得ることはできない。一方、STICSでは分子の方向と移動速度が求められるが、分子サイズは不明である。これに対し、本実施の形態の画像解析方法を用いた上述の実施例によれば、STICSによって細胞全体を移動するNFATの移動方向と速度を求めることができ、RICSによって核に移動したNFAT分子の拡散定数より核内ドメインと凝集するNFAT含有体のダイナミックな変化を捉えることが出来た。   From the above results, in the comparison between RICS and STICS, RICS can quantify molecular diffusion in a specific region, but cannot obtain information on the direction of movement of the molecule. On the other hand, in STICS, the molecular direction and the moving speed are required, but the molecular size is unknown. On the other hand, according to the above-described example using the image analysis method of the present embodiment, the moving direction and speed of NFAT that moves throughout the cell by STICS can be obtained, and NFAT molecules that have moved to the nucleus by RICS From the diffusion constant, the dynamic change of the NFAT-containing body aggregated with the nuclear domain could be captured.

このように、STICSとRICSという二つの手法を同一対象について同一のタイミングで適用することによって、NFAT転写因子の機能プロセスを複数の解析結果を組み合わせて検討することが可能となった。
なお、本解析の対象となる分子は、上述の転写因子に限られず、シグナル伝達、転写に係るタンパク質、蛍光あるいは発光標識タンパク質など広い対象に適用される。
As described above, by applying the two methods of STICS and RICS at the same timing for the same object, it became possible to examine the functional process of the NFAT transcription factor by combining a plurality of analysis results.
In addition, the molecule | numerator used as the object of this analysis is not restricted to the above-mentioned transcription factor, It applies to wide objects, such as a protein related to signal transduction and transcription | transfer, fluorescence, or a luminescent label protein.

図15は、本実施の形態の画像解析方法の概略の手順を示すフロー図である。このフロー図は、図1に示すコントロールユニット5の動作を表している。
ステップS01において、コントロールユニット5は、作業者から入力された共焦点レーザ顕微鏡の動作条件などを取得する。例えば、STICSとRICSについての画像取得時刻、取得周期、取得間隔、取得枚数、取得条件(光源種類、露光時間、フィルタ種類など)などの情報を入力する。
FIG. 15 is a flowchart showing a schematic procedure of the image analysis method of the present embodiment. This flowchart shows the operation of the control unit 5 shown in FIG.
In step S01, the control unit 5 acquires the operating conditions of the confocal laser microscope input by the operator. For example, information such as image acquisition time, acquisition period, acquisition interval, number of acquisitions, acquisition conditions (light source type, exposure time, filter type, etc.) for STICS and RICS is input.

ステップS02において、コントロールユニット5は、入力された動作条件に従って、レーザコンバイナ2、スキャンユニット3を制御して、ディテクタユニット4に生物試料の画像を取得させる。コントロールユニット5は、ディテクタユニット4から送られる連続画像を受信して記憶装置7に当該連続画像を識別する情報と共に保存する。   In step S02, the control unit 5 controls the laser combiner 2 and the scan unit 3 according to the input operating conditions, and causes the detector unit 4 to acquire an image of the biological sample. The control unit 5 receives the continuous image sent from the detector unit 4 and stores it in the storage device 7 together with information for identifying the continuous image.

所定の画像取得動作(例えば所定サイクルの連続画像の取得を終了したときなど)が実行されたときは、コントロールユニット5(解析ソフトウエア)が、記憶装置7に格納された連続画像の解析を実行する。
ステップS03において、コントロールユニット5は、取得した画像に基づいてSTICS解析を実行する。STICS解析は、図5を参照して説明したステップ1乃至5の処理を実行することで行われる。
なお、STICS解析において、式(4)で示す画像中から移動成分を抽出して(不動成分もしくは低速な成分を除去して)画像相関を演算することにより、S/Nの高い結果を得ることができる。
When a predetermined image acquisition operation (for example, when acquisition of a continuous image of a predetermined cycle is completed) is executed, the control unit 5 (analysis software) executes analysis of the continuous image stored in the storage device 7 To do.
In step S03, the control unit 5 performs STICS analysis based on the acquired image. The STICS analysis is performed by executing the processing of steps 1 to 5 described with reference to FIG.
In STICS analysis, a moving component is extracted from the image represented by Expression (4) (moving out a stationary component or a low-speed component) and an image correlation is calculated to obtain a high S / N result. Can do.

ステップS04において、コントロールユニット5は、取得した画像に基づいて、作業者から指定されたROIについて、RICS解析を実行する。解析は、図6乃至図10を参照して説明したステップ1乃至4の処理を実行することで行われる。
ステップS05において、コントロールユニット5は、解析結果を出力する。出力する解析結果としては、例えば、解析結果データの他に、それぞれの解析に用いた連続画像、生物試料の画像に移動速度ベクトルを重ねたマップ図、拡散係数の推移図、分子量の推移図などである。
In step S04, the control unit 5 performs RICS analysis on the ROI designated by the operator based on the acquired image. The analysis is performed by executing the processing of steps 1 to 4 described with reference to FIGS.
In step S05, the control unit 5 outputs the analysis result. As analysis results to be output, for example, in addition to analysis result data, continuous images used for each analysis, maps of moving samples superimposed on biological sample images, diffusion coefficient transition diagrams, molecular weight transition diagrams, etc. It is.

以上説明した処理手順によれば、生物試料の画像取得終了後、短時間で(直ちに)解析結果を得ることができる。
なお、上述の処理は全自動で実施しても良く、またステップごとに作業者の指示に従った処理を実行するように構成しても良い。更に上述の処理は、種々変形した態様で実施することができる。例えば、ステップS02で取得した画像に基づいて、作業者がRICS解析用のROIを指定し、ステップS03のSTICS解析とステップS04のRICS解析とを並行して実施するように構成しても良い。また、本実施の形態の画像解析装置によれば、ステップS03のSTICS解析とステップS04のRICS解析とをそれぞれ単独で実施することも可能である。
According to the processing procedure described above, an analysis result can be obtained in a short time (immediately) after completion of image acquisition of a biological sample.
The above-described processing may be performed fully automatically, or may be configured to execute processing in accordance with the operator's instruction for each step. Furthermore, the above-described processing can be implemented in variously modified forms. For example, the operator may specify the ROI for RICS analysis based on the image acquired in step S02, and the STICS analysis in step S03 and the RICS analysis in step S04 may be performed in parallel. Further, according to the image analysis apparatus of the present embodiment, the STICS analysis in step S03 and the RICS analysis in step S04 can be performed independently.

なお、上述の各実施の形態で説明した機能は、ハードウェアを用いて構成するに留まらず、ソフトウェアを用いて各機能を記載したプログラムをコンピュータに読み込ませて実現することもできる。また、各機能は、適宜ソフトウェア、ハードウェアのいずれかを選択して構成するものであっても良い。   Note that the functions described in the above-described embodiments are not limited to being configured using hardware, and can be realized by causing a computer to read a program describing each function using software. Each function may be configured by appropriately selecting either software or hardware.

尚、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.
Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine suitably the component covering different embodiment.

この発明は、個々の細胞について分子の機能を総合的に解析することのできる生物試料の画像解析方法、画像解析装置、画像撮影装置およびプログラムを提供する産業で利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in industries that provide an image analysis method, an image analysis apparatus, an image capturing apparatus, and a program for biological samples that can comprehensively analyze the function of molecules for individual cells.

1…顕微鏡本体、2…レーザコンバイナ、3…スキャンユニット、4…ディテクタユニット、5…コントロールユニット、6…表示装置、7…記憶装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Microscope main body, 2 ... Laser combiner, 3 ... Scan unit, 4 ... Detector unit, 5 ... Control unit, 6 ... Display apparatus, 7 ... Memory | storage device.

Claims (10)

時間経過に従って複数枚の生物試料の分子の分布画像を取得する取得手段と、
取得した分布画像に基づいて当該分布画像内に設定した複数の第1の小領域ごとに分子の移動速度と移動方向とを解析する移動解析手段と、
取得した分布画像に基づいて当該分布画像内に設定した複数の第2の小領域ごとに分子の分子数と拡散速度とを解析する拡散解析手段と
を有することを特徴とする生物試料の画像解析装置。
Acquisition means for acquiring distribution images of molecules of a plurality of biological samples over time;
A movement analysis means for analyzing a movement speed and a movement direction of a molecule for each of a plurality of first small regions set in the distribution image based on the acquired distribution image;
Diffusion analysis means for analyzing the number of molecules of molecules and the diffusion rate for each of a plurality of second small regions set in the distribution image based on the acquired distribution image. apparatus.
前記取得手段は、全取得期間をN(2以上の整数)個のセグメントに区分し、それぞれのセグメントでn(自然数)枚の分布画像を取得し、
前記移動解析手段は、1セグメントごとに1枚抽出した複数の分布画像に基づいて解析を実行し、
前記拡散解析手段は、1セグメント内の複数の分布画像に基づいて解析を実行することを特徴とする請求項1に記載の生物試料の画像解析装置。
The acquisition unit divides the entire acquisition period into N (an integer of 2 or more) segments, acquires n (natural number) distribution images in each segment,
The movement analysis means performs an analysis based on a plurality of distribution images extracted one for each segment,
The biological sample image analysis apparatus according to claim 1, wherein the diffusion analysis unit performs analysis based on a plurality of distribution images in one segment.
前記移動解析手段は、
取得したそれぞれの分布画像内に複数の第1の小領域を設定する設定手段と、
取得した複数の分布画像から任意の2枚の分布画像を選択する選択手段と、
選択した2枚の分布画像について、対応する2つの第1の小領域の画像間の相関を複数の第1の小領域を対象として演算する演算手段と、
前記選択手段と演算手段とを繰り返して実行させて、第1の小領域ごとに分子の移動速度と移動方向とを解析する解析実行手段と
を更に備えたことを特徴とする請求項2に記載の生物試料の画像解析装置。
The movement analysis means includes
Setting means for setting a plurality of first small areas in each acquired distribution image;
Selection means for selecting any two distribution images from the acquired plurality of distribution images;
A computing means for computing the correlation between the images of the two corresponding first small areas with respect to the plurality of first small areas for the two selected distribution images;
The analysis execution means for analyzing the movement speed and the movement direction of the molecule for each first small region by repeatedly executing the selection means and the calculation means. Image analysis device for biological samples.
前記移動解析手段は、前記分布画像から不動成分、もしくは低速な成分を除去した新たな分布画像に基づいて解析を実行することを特徴とする請求項3に記載の生物試料の画像解析装置。   The biological sample image analysis apparatus according to claim 3, wherein the movement analysis unit performs analysis based on a new distribution image obtained by removing a stationary component or a low-speed component from the distribution image. 前記第1の小領域ごとの分子の移動速度と移動方向とを表す矢印画像を、前記分布画像上の対応する位置に重ねた合成画像を生成することを特徴とする請求項4に記載の生物試料の画像解析装置。   5. The organism according to claim 4, wherein a composite image is generated by superimposing an arrow image representing a movement speed and a movement direction of a molecule for each of the first small regions at a corresponding position on the distribution image. Sample image analysis device. 前記解析の対象となる分子は、シグナル伝達、転写に係るタンパク質、蛍光あるいは発光標識タンパク質であることを特徴とする請求項5に記載の生物試料の画像解析装置。   6. The biological sample image analysis apparatus according to claim 5, wherein the molecule to be analyzed is a protein related to signal transmission or transcription, a fluorescent or luminescent labeled protein. 時間経過に従って複数枚の生物試料の分子の分布画像を取得し、
取得した分布画像に基づいて当該分布画像内に設定した複数の第1の小領域ごとに分子の移動速度と移動方向とを解析し、
取得した分布画像に基づいて当該分布画像内に設定した複数の第2の小領域ごとに分子の分子数と拡散速度とを解析すること
を特徴とする生物試料の画像解析方法。
Acquire molecular distribution images of multiple biological samples over time,
Analyzing the moving speed and moving direction of the molecules for each of the plurality of first small regions set in the distribution image based on the acquired distribution image,
A biological sample image analysis method, comprising: analyzing the number of molecules of molecules and the diffusion rate for each of a plurality of second small regions set in the distribution image based on the acquired distribution image.
前記分布画像の取得では、全取得期間をN(2以上の整数)個のセグメントに区分し、それぞれのセグメントでn(自然数)枚の分布画像を取得し、
前記分子の移動の解析では、1セグメントごとに1枚抽出した複数の分布画像に基づいて解析を実行し、
前記分子の拡散の解析では、1セグメント内の複数の分布画像に基づいて解析を実行することを特徴とする請求項7に記載の生物試料の画像解析方法。
In the acquisition of the distribution image, the entire acquisition period is divided into N (integer of 2 or more) segments, and n (natural number) distribution images are acquired in each segment,
In the analysis of the movement of the molecule, an analysis is performed based on a plurality of distribution images extracted one for each segment,
The biological sample image analysis method according to claim 7, wherein in the analysis of the diffusion of molecules, the analysis is executed based on a plurality of distribution images in one segment.
生物試料の画像解析プログラムにおいて、
時間経過に従って複数枚の生物試料の分子の分布画像を取得するステップ、
取得した分布画像に基づいて当該分布画像内に設定した複数の第1の小領域ごとに分子の移動速度と移動方向とを解析するステップ、
取得した分布画像に基づいて当該分布画像内に設定した複数の第2の小領域ごとに分子の分子数と拡散速度とを解析するステップ
をコンピュータに実行させるためのプログラム。
In the biological sample image analysis program,
Acquiring molecular distribution images of a plurality of biological samples over time,
Analyzing the moving speed and moving direction of molecules for each of a plurality of first small regions set in the distribution image based on the acquired distribution image;
A program for causing a computer to execute a step of analyzing the number of molecules and the diffusion rate for each of a plurality of second small regions set in the distribution image based on the acquired distribution image.
前記分布画像の取得ステップでは、全取得期間をN(2以上の整数)個のセグメントに区分し、それぞれのセグメントでn(自然数)枚の分布画像を取得し、
前記分子の移動の解析ステップでは、1セグメントごとに1枚抽出した複数の分布画像に基づいて解析を実行し、
前記分子の拡散の解析ステップでは、1セグメント内の複数の分布画像に基づいて解析を実行することを特徴とする請求項9に記載のプログラム。
In the distribution image acquisition step, the entire acquisition period is divided into N (integer greater than or equal to 2) segments, and n (natural number) distribution images are acquired in each segment,
In the molecular movement analysis step, an analysis is performed based on a plurality of distribution images extracted for each segment,
The program according to claim 9, wherein in the molecular diffusion analysis step, analysis is performed based on a plurality of distribution images in one segment.
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