JP2014085950A - Cell behavior analysis device, cell behavior analysis method, and program - Google Patents

Cell behavior analysis device, cell behavior analysis method, and program Download PDF

Info

Publication number
JP2014085950A
JP2014085950A JP2012236056A JP2012236056A JP2014085950A JP 2014085950 A JP2014085950 A JP 2014085950A JP 2012236056 A JP2012236056 A JP 2012236056A JP 2012236056 A JP2012236056 A JP 2012236056A JP 2014085950 A JP2014085950 A JP 2014085950A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cell
hypothesis
region
frame
likelihood
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2012236056A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6090770B2 (en
Inventor
Tatsuma Bise
竜馬 備瀬
Yoshitaka Maeda
賀隆 前田
Masahiro Kinooka
正博 紀ノ岡
Yoshimi Kin
美海 金
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dai Nippon Printing Co Ltd
Osaka University NUC
Original Assignee
Dai Nippon Printing Co Ltd
Osaka University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dai Nippon Printing Co Ltd, Osaka University NUC filed Critical Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority to JP2012236056A priority Critical patent/JP6090770B2/en
Publication of JP2014085950A publication Critical patent/JP2014085950A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6090770B2 publication Critical patent/JP6090770B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Image Analysis (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cell behavior analysis device or the like capable of facilitating a highly accurate automatic tracking of individual cells even under the high density condition of the cells in a noninvasive image.SOLUTION: A cell behavior analysis device 1 partitions a range of the luminance value of the time lapse image relating to a frame ID "t" applied with cell image processing by a plurality of threshold values, generates a plurality of binarized images, and detects a cell candidate area (S1). The cell behavior analysis device 1 extracts a hypothesis on the correspondence between the cell area relating to a frame ID "t-1" and the cell candidate area relating to the frame ID "t" (S2), and calculates a likelihood of the hypothesis P and each component of the constraint function C. The cell behavior analysis device 1 specifies the optimum hypothesis using the integer programming method (S8), and takes the cell candidate area included in the optimum hypothesis as the cell area relating to the frame ID "t", and updates the tracking result data stored in a storage part 12 (S9).

Description

本発明は、細胞を撮影した画像に基づいて細胞の挙動を解析する細胞挙動解析装置等に関するものである。   The present invention relates to a cell behavior analysis apparatus that analyzes the behavior of a cell based on an image obtained by photographing the cell.

近年、生物、医療の分野において、一定の時間間隔ごとに所定の領域に含まれる細胞を撮影した画像(以下、「タイムラプス画像」と表記)に基づいて、コンピュータにより細胞の挙動を解析する技術が開発されている。このような分野において、細胞形状や細胞の移動速度等の解析を行うために、個々の細胞を自動追跡したいという要望がある。   2. Description of the Related Art In recent years, in the field of biology and medicine, there has been a technology for analyzing cell behavior by a computer based on an image obtained by photographing cells included in a predetermined area at regular time intervals (hereinafter referred to as “time-lapse image”). Has been developed. In such a field, there is a demand to automatically track individual cells in order to analyze cell shape, cell moving speed, and the like.

非特許文献1では、位相差像を利用してフレームごとに細胞検出を行い、時系列が連続するフレーム間で検出された細胞の対応付けを行うことで、自動追跡を行い、細胞検出結果に基づいて、細胞死を検出する手法が提案されている。また、非特許文献2では、個々の細胞の自動追跡結果を用いて、細胞分裂や細胞の重なり等を検知する手法が提案されている。   In Non-Patent Document 1, cell detection is performed for each frame using a phase difference image, and automatic tracking is performed by associating cells detected between frames in which time series are continuous, and cell detection results are obtained. Based on this, a technique for detecting cell death has been proposed. Non-Patent Document 2 proposes a method of detecting cell division, cell overlap, and the like using the result of automatic tracking of individual cells.

O.Al-Kofahi,R.Radke,S.Goderie,Q.Shen,S.Temple,and B.Roysam,“Automated cell lineage construction:A rapid method to analyze clonaldevelopment established with murine neural progenitor cells,”Cell Cycle vol.5, no.3,pp.327-335, 2006.O.Al-Kofahi, R.Radke, S.Goderie, Q.Shen, S.Temple, and B.Roysam, “Automated cell lineage construction: A rapid method to analyze clonaldevelopment established with murine neural progenitor cells,” Cell Cycle vol .5, no.3, pp.327-335, 2006. Takeo Kanade,Zhaozheng Yin,Ryoma Bise,Seungil Huh,SungeunEom,Michael Sandbothe and Mei Chen,“Cell ImageAnalysis:Algorithms,System and Applications,”IEEE WACV2011.Takeo Kanade, Zhaozheng Yin, Ryoma Bise, Seungil Huh, SungeunEom, Michael Sandbothe and Mei Chen, “Cell ImageAnalysis: Algorithms, System and Applications,” IEEE WACV2011.

ところで、細胞密度が高い条件下において、細胞同士がくっ付き、細胞の境界線が曖昧になる。そのため、自動追跡結果は、エラーデータを含む可能性が高まる。ここで、自動追跡結果のデータがエラーデータであるとは、例えば、フレーム間の細胞の対応付けを誤って、途中から異なる細胞の移動軌跡が含まれてしまったり、対象の細胞を見失ってしまい、移動軌跡が途中までしか含まれていなかったりすることである。このようなエラーデータを母集団に含めて、細胞の挙動を解析するため統計量を算出すると、正しい統計量が得られず、自動追跡結果の精度が低下する。
特に、再生医療分野においては、移植用の成熟細胞を培養するため、細胞密度が高い条件下で且つ非侵襲(非染色)画像において、個々の細胞を高精度で自動追跡可能な細胞挙動解析装置等が望まれている。
By the way, under the condition where the cell density is high, the cells adhere to each other, and the cell boundary line becomes ambiguous. Therefore, the possibility that the automatic tracking result includes error data increases. Here, the data of the automatic tracking result is error data. For example, the cell correspondence between frames is mistakenly included, and the movement trajectory of a different cell is included in the middle, or the target cell is lost. The movement trajectory is included only halfway. If such error data is included in the population and a statistic is calculated to analyze the behavior of the cell, a correct statistic cannot be obtained and the accuracy of the automatic tracking result decreases.
In particular, in the field of regenerative medicine, mature cell cells for transplantation are cultured, so that a cell behavior analysis apparatus that can automatically track individual cells with high accuracy in non-invasive (non-stained) images under conditions of high cell density. Etc. are desired.

非特許文献1に記載の技術では、細胞検出と自動追跡を独立して行うため、自動追跡結果の精度が、細胞検出の精度に大きく影響する。そのため、高密度条件下では、細胞検出に多くのエラーを含むこととなり、高精度での自動追跡が難しい。非特許文献2に記載の技術では、細胞の重なりを検知できるが、2〜3個程度にしか対応できないため、高密度条件下での個々の細胞の自動追跡には課題が残る。   In the technology described in Non-Patent Document 1, since cell detection and automatic tracking are performed independently, the accuracy of the automatic tracking result greatly affects the accuracy of cell detection. Therefore, under high density conditions, many errors are included in cell detection, and automatic tracking with high accuracy is difficult. Although the technique described in Non-Patent Document 2 can detect the overlap of cells, it can cope with only about 2 to 3 cells, so that there remains a problem in automatic tracking of individual cells under high-density conditions.

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、非侵襲画像で、細胞の高密度条件下においても、個々の細胞を高い精度で自動追跡可能な細胞挙動解析装置等を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is a non-invasive image and a cell behavior capable of automatically tracking individual cells with high accuracy even under high-density conditions of cells. It is to provide an analysis device and the like.

前述した目的を達成するために第1の発明は、タイムラプス画像のフレームごとに、前記タイムラプス画像内の個々の細胞の細胞候補領域を、多くの過検出は含まれるが未検出は殆ど含まれないように検出する細胞候補領域検出手段と、時系列的に連続する2つの前記フレームについて、前フレームの細胞領域と検出対象フレームの前記細胞候補領域との対応付けの仮説を抽出する仮説抽出手段と、前記仮説抽出手段により抽出された前記仮説の尤度を算出する尤度算出手段と、前記尤度算出手段により算出された前記尤度に基づいて、最適な前記仮説を特定する仮説特定手段と、前記仮説特定手段により特定された前記仮説に含まれる前記細胞候補領域を前記細胞領域とする細胞領域特定手段と、前記細胞領域特定手段により特定された前記細胞領域の位置情報を含む細胞領域情報が時系列順に格納される追跡結果データを記憶する記憶手段と、を具備することを特徴とする細胞挙動解析装置である。
これにより、多くの過検出は含まれるが、未検出は殆ど含まれないように検出された細胞候補領域の中から、前フレームの追跡結果データを利用して細胞領域を確定し、同時に前フレームと検出対象フレームの各細胞同士の対応付けを実行することで、個々の細胞の自動追跡結果における細胞検出精度の影響を軽減できる。従って、細胞の輪郭が不鮮明な高密度条件下においても、高い精度で個々の細胞を自動追跡することが可能となる。
In order to achieve the above-mentioned object, the first invention includes a lot of overdetection but almost no detection of cell candidate regions of individual cells in the timelapse image for each frame of the timelapse image. And a hypothesis extracting means for extracting a hypothesis of correspondence between the cell area of the previous frame and the cell candidate area of the detection target frame for the two consecutive frames in time series Likelihood calculating means for calculating the likelihood of the hypothesis extracted by the hypothesis extracting means, and hypothesis specifying means for specifying the optimum hypothesis based on the likelihood calculated by the likelihood calculating means; , A cell region specifying unit that uses the cell candidate region included in the hypothesis specified by the hypothesis specifying unit as the cell region, and a cell region specifying unit that has been specified by the cell region specifying unit. A cellular behavior analysis apparatus characterized by cell area information includes storage means for storing tracking result data stored in chronological order, the including position information of a cell area.
As a result, a cell region is determined using the tracking result data of the previous frame from among the cell candidate regions that are detected so that many overdetections are included but almost no detection is included. By executing the association between the cells of the detection target frame and the detection target frame, it is possible to reduce the influence of the cell detection accuracy on the result of automatic tracking of individual cells. Therefore, it is possible to automatically track individual cells with high accuracy even under high-density conditions where the cell outline is unclear.

また、前記細胞候補領域検出手段は、前記タイムラプス画像の輝度値の範囲において複数の閾値を設定し、前記フレームごとに、各閾値に対して2値化画像を生成し、生成した前記2値化画像の連結成分を抽出し、抽出された前記連結成分の集合を前記細胞候補領域とすることが望ましい。
これにより、タイムラプス画像内の個々の細胞の細胞候補領域を、多くの過検出は含まれるが未検出は殆ど含まれないように検出することが可能となる。
In addition, the cell candidate region detection means sets a plurality of threshold values in a range of luminance values of the time-lapse image, generates a binarized image for each threshold for each frame, and generates the generated binarization It is desirable to extract a connected component of an image and set the extracted set of connected components as the cell candidate region.
Thereby, it becomes possible to detect cell candidate regions of individual cells in the time-lapse image so as to include many overdetections but hardly include undetected.

また、前記尤度算出手段は、前フレームの前記細胞領域と検出対象フレームの前記細胞候補領域との移動に関する指標と、前記細胞候補領域の形状に関する指標を用いて、前記尤度を算出することが望ましい。
これにより、観点が異なる複数の指標を用いることで、尤度の精度が高まる。
Further, the likelihood calculating means calculates the likelihood using an index related to the movement between the cell region in the previous frame and the cell candidate region in the detection target frame and an index related to the shape of the cell candidate region. Is desirable.
Thereby, the precision of likelihood increases by using the some parameter | index from which a viewpoint differs.

また、前記仮説特定手段は、抽出された前記仮説の数を行数とし、前記仮説に係る前記細胞領域の数と前記細胞候補領域の数との和を列数とする制約行列であって、各仮説に対して、当該仮説と前記細胞領域との関係、及び当該仮説に係る前記細胞候補領域の相互の関係を要素にもつ前記制約行列と、解答ベクトルとが制約条件を満たすもとで、前記仮説の尤度を要素にもつ尤度ベクトルの転置ベクトルと、前記解答ベクトルとの積を最大化する整数計画問題を解くことによって、前記最適な仮説を特定することが望ましい。
これにより、効率よく最適な仮説を算出することができる。
The hypothesis specifying means is a constraint matrix in which the number of the extracted hypotheses is the number of rows, and the sum of the number of the cell regions and the number of the cell candidate regions related to the hypothesis is the number of columns, For each hypothesis, the constraint matrix having the relationship between the hypothesis and the cell region, and the mutual relationship between the cell candidate regions related to the hypothesis, and the answer vector satisfy the constraint condition, It is desirable to identify the optimal hypothesis by solving an integer programming problem that maximizes the product of the transposed vector of the likelihood vector having the likelihood of the hypothesis as an element and the answer vector.
Thereby, an optimal hypothesis can be calculated efficiently.

また、前記記憶手段によって記憶される前記追跡結果データに基づいて、細胞挙動指標を算出する細胞挙動指標算出手段を更に具備することが望ましい。
これにより、細胞の自動追跡結果を用いて、高い精度で細胞数や細胞の形状等の指標を算出することができ、細胞品質の評価や培養条件の評価等に用いることができる。
Moreover, it is desirable to further comprise a cell behavior index calculating means for calculating a cell behavior index based on the tracking result data stored by the storage means.
Thereby, it is possible to calculate an index such as the number of cells and the shape of cells with high accuracy by using the result of automatic tracking of cells, and it can be used for evaluation of cell quality, evaluation of culture conditions, and the like.

第2の発明は、タイムラプス画像のフレームごとに、前記タイムラプス画像内の個々の細胞の細胞候補領域を、多くの過検出は含まれるが未検出は殆ど含まれないように検出する細胞候補領域検出ステップと、時系列的に連続する2つの前記フレームについて、前フレームの細胞領域と検出対象フレームの前記細胞候補領域との対応付けの仮説を網羅的に抽出する仮説抽出ステップと、前記仮説抽出ステップにより抽出された前記仮説の尤度を算出する尤度算出ステップと、前記尤度算出ステップにより算出された前記尤度に基づいて、最適な前記仮説を特定する仮説特定ステップと、前記仮説特定ステップにより特定された前記仮説に含まれる前記細胞候補領域を前記細胞領域とする細胞領域特定ステップと、前記細胞領域特定ステップにより特定された前記細胞領域の位置情報を含む細胞領域情報が時系列順に格納される追跡結果データを記憶する記憶ステップと、を含むことを特徴とする細胞挙動解析方法である。
これにより、多くの過検出は含まれるが、未検出は殆ど含まれないように検出された細胞候補領域の中から、前フレームの追跡結果データを利用して細胞領域を確定し、同時に前フレームと検出対象フレームの各細胞同士の対応付けを実行することで、個々の細胞の自動追跡結果における細胞検出精度の影響を軽減できる。従って、細胞の輪郭が不鮮明な高密度条件下においても、高い精度で個々の細胞を自動追跡することが可能となる。
According to a second aspect of the present invention, a cell candidate region detection is performed for detecting a cell candidate region of an individual cell in the time lapse image so as to include many overdetections but hardly include undetected for each frame of the time lapse image. A hypothesis extraction step for exhaustively extracting hypotheses of correspondence between the cell region of the previous frame and the cell candidate region of the detection target frame for the two frames that are continuous in time series, and the hypothesis extraction step A likelihood calculating step for calculating the likelihood of the hypothesis extracted by the above, a hypothesis specifying step for specifying the optimum hypothesis based on the likelihood calculated by the likelihood calculating step, and the hypothesis specifying step A cell region specifying step in which the cell candidate region included in the hypothesis specified by the cell region is the cell region, and the cell region specifying step Ri is a cellular behavior analysis method characterized in that it comprises a storage step of cell area information including the position information of the specified the cellular region stores the tracking result data stored in chronological order.
As a result, a cell region is determined using the tracking result data of the previous frame from among the cell candidate regions that are detected so that many overdetections are included but almost no detection is included. By executing the association between the cells of the detection target frame and the detection target frame, it is possible to reduce the influence of the cell detection accuracy on the result of automatic tracking of individual cells. Therefore, it is possible to automatically track individual cells with high accuracy even under high-density conditions where the cell outline is unclear.

第3の発明は、コンピュータを、タイムラプス画像のフレームごとに、前記タイムラプス画像内の個々の細胞の細胞候補領域を、多くの過検出は含まれるが未検出は殆ど含まれないように検出する細胞候補領域検出手段と、時系列的に連続する2つの前記フレームについて、前フレームの細胞領域と検出対象フレームの前記細胞候補領域との対応付けの仮説を網羅的に抽出する仮説抽出手段と、前記仮説抽出手段により抽出された前記仮説の尤度を算出する尤度算出手段と、前記尤度算出手段により算出された前記尤度に基づいて、最適な前記仮説を特定する仮説特定手段と、前記仮説特定手段により特定された前記仮説に含まれる前記細胞候補領域を前記細胞領域とする細胞領域特定手段と、前記細胞領域特定手段により特定された前記細胞領域の位置情報を含む細胞領域情報が時系列順に格納される追跡結果データを記憶する記憶手段と、として機能させるためのプログラムである。
これにより、多くの過検出は含まれるが、未検出は殆ど含まれないように検出された細胞候補領域の中から、前フレームの追跡結果データを利用して細胞領域を確定し、同時に前フレームと検出対象フレームの各細胞同士の対応付けを実行することで、個々の細胞の自動追跡結果における細胞検出精度の影響を軽減できる。従って、細胞の輪郭が不鮮明な高密度条件下においても、高い精度で個々の細胞を自動追跡することが可能となる。
According to a third aspect of the present invention, the computer detects a cell candidate region of each cell in the time-lapse image for each frame of the time-lapse image so that many overdetections are included but almost no detection is included. A candidate area detecting means, and a hypothesis extracting means for exhaustively extracting hypotheses of correspondence between the cell area of the previous frame and the cell candidate area of the detection target frame with respect to the two consecutive frames in time series, A likelihood calculating means for calculating the likelihood of the hypothesis extracted by the hypothesis extracting means; a hypothesis specifying means for specifying the optimal hypothesis based on the likelihood calculated by the likelihood calculating means; A cell region specifying unit that uses the cell candidate region included in the hypothesis specified by the hypothesis specifying unit as the cell region; and the cell region specifying unit specified by the cell region specifying unit. Is a program for functioning as a storage means for storing tracking result data cell region information including location information of the area is stored in chronological order.
As a result, a cell region is determined using the tracking result data of the previous frame from among the cell candidate regions that are detected so that many overdetections are included but almost no detection is included. By executing the association between the cells of the detection target frame and the detection target frame, it is possible to reduce the influence of the cell detection accuracy on the result of automatic tracking of individual cells. Therefore, it is possible to automatically track individual cells with high accuracy even under high-density conditions where the cell outline is unclear.

本発明により、非侵襲画像で、細胞の高密度条件下においても、個々の細胞を高い精度で自動追跡可能な細胞挙動解析装置等を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a cell behavior analysis apparatus and the like that can automatically track individual cells with high accuracy even under high-density conditions of cells with non-invasive images.

細胞挙動解析装置のハードウエア構成を示す図Diagram showing the hardware configuration of the cell behavior analyzer 自動追跡処理の流れを示すフローチャートFlow chart showing the flow of automatic tracking processing 細胞画像処理を施した画像の一例を示す画像Image showing an example of an image that has undergone cell image processing 図3の画像の輝度値を閾値1によって2値化して得られた画像An image obtained by binarizing the luminance value of the image of FIG. 図3の画像の輝度値を閾値5によって2値化して得られた画像An image obtained by binarizing the luminance value of the image of FIG. 図3の画像の輝度値を閾値10によって2値化して得られた画像An image obtained by binarizing the luminance value of the image of FIG. 図3の画像の輝度値を閾値25によって2値化して得られた画像An image obtained by binarizing the luminance value of the image of FIG. フレームID「t−1」の細胞領域とフレームID「t」の細胞候補領域の集合の一例を示す図The figure which shows an example of the set of the cell area | region of frame ID "t-1", and the cell candidate area | region of frame ID "t". フレームID「t−1」の細胞領域とフレームID「t」の細胞候補領域の対応付けの仮説抽出を説明する図The figure explaining the hypothesis extraction of matching of the cell area | region of frame ID "t-1", and the cell candidate area | region of frame ID "t". 尤度算出処理に用いる指標を説明する図The figure explaining the parameter | index used for likelihood calculation processing 仮説の尤度P及び制約関数Cと解答ベクトルxの一例を示す図The figure which shows an example of the likelihood P of a hypothesis, the constraint function C, and the answer vector x 実施例における細胞サイズと細胞移動スピードの分布を示す図The figure which shows distribution of the cell size and cell movement speed in an Example 実施例の手動解析による培養開始時の細胞検出結果の1フレーム示す図The figure which shows 1 frame of the cell detection result at the time of the culture | cultivation start by the manual analysis of an Example 実施例の本発明に係る細胞挙動解析装置による培養開始時の細胞検出結果の1フレームを示す図The figure which shows 1 frame of the cell detection result at the time of the culture | cultivation start by the cell behavior analysis apparatus based on this invention of an Example 実施例の手動解析による21日経過後の培養細胞の細胞検出結果の1フレーム示す図The figure which shows 1 frame of the cell detection result of the cultured cell after 21-day progress by the manual analysis of an Example 実施例の本発明に係る細胞挙動解析装置による21日経過後の培養細胞の細胞検出結果の1フレームを示す図The figure which shows 1 frame of the cell detection result of the cultured cell after 21-day progress by the cell behavior analysis apparatus based on this invention of an Example.

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る細胞挙動解析装置1を実現するコンピュータのハードウエア構成図である。コンピュータは、図1に示すように、例えば、制御部11、記憶部12、メディア入出力部13、通信制御部14、入力部15、表示部16、周辺機器I/F部17等が、バス18を介して接続されて構成される。   FIG. 1 is a hardware configuration diagram of a computer that realizes a cell behavior analysis apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the computer includes a control unit 11, a storage unit 12, a media input / output unit 13, a communication control unit 14, an input unit 15, a display unit 16, a peripheral device I / F unit 17, and the like. 18 is connected.

制御部11は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only
Memory)、RAM(Random Access Memory)等により構成される。
CPUは、記憶部12、ROM、記憶媒体等に格納されるプログラムをRAM上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、バス18を介して接続された各装置を駆動制御し、細胞挙動解析装置1が行う後述する処理を実現する。ROMは、不揮発性メモリであり、コンピュータのブートプログラムやBIOS等のプログラム、データ等を恒久的に保持する。RAMは、揮発性メモリであり、ロードしたプログラムやデータを一時的に保持すると共に、制御部11が各処理を行うために使用するワークエリアを備える。
The control unit 11 includes a CPU (Central Processing Unit) and a ROM (Read Only).
Memory), RAM (Random Access Memory) and the like.
The CPU calls and executes a program stored in the storage unit 12, ROM, storage medium, or the like to a work memory area on the RAM, drives and controls each device connected via the bus 18, and the cell behavior analysis device 1 The process to be described later is realized. The ROM is a non-volatile memory and permanently holds a computer boot program, a program such as BIOS, data, and the like. The RAM is a volatile memory, and temporarily holds a loaded program and data, and includes a work area used by the control unit 11 to perform each process.

記憶部12は、HDD(Hard Disk Drive)等であり、制御部11が実行するプログラムや、プログラム実行に必要なデータ、OS(Operating System)等が格納されている。これらのプログラムコードは、制御部11により必要に応じて読み出されてRAMに移され、CPUに読み出されて実行される。   The storage unit 12 is an HDD (Hard Disk Drive) or the like, and stores a program executed by the control unit 11, data necessary for program execution, an OS (Operating System), and the like. These program codes are read by the control unit 11 as necessary, transferred to the RAM, and read and executed by the CPU.

メディア入出力部13は、例えば、HD(Hard Disk)ドライブ、フロッピー(登録商標)ディスクドライブ、PDドライブ、CDドライブ、DVDドライブ、MOドライブ等のメディア入出力装置であり、データの入出力を行う。
通信制御部14は、通信制御装置、通信ポート等を有し、コンピュータとネットワーク間の通信を媒介する通信インターフェースであり、ネットワークを介して、他の装置間との通信制御を行う。
The media input / output unit 13 is a media input / output device such as an HD (Hard Disk) drive, a floppy (registered trademark) disk drive, a PD drive, a CD drive, a DVD drive, or an MO drive, and performs data input / output. .
The communication control unit 14 includes a communication control device, a communication port, and the like, and is a communication interface that mediates communication between a computer and a network, and performs communication control between other devices via the network.

入力部15は、データ入力を行い、例えば、キーボード、マウスなどのポインティングデバイス、テンキーなどの入力装置を有する。入力されたデータを制御部11へ出力する。
表示部16は、例えば、CRTモニタ、液晶パネル等のディスプレイ装置と、ディスプレイ装置と連携して表示処理を実行するための論理回路(ビデオアダプタ等)で構成され、制御部11の制御により入力された表示情報をディスプレイ装置上に表示させる。
周辺機器I/F部(インターフェース)17は、コンピュータに周辺機器を接続させるためのポートであり、周辺機器I/F部17を介してコンピュータは周辺機器とのデータの送受信を行う。周辺機器I/F部17は、USBやIEEE1394やRS−232C等で構成されており、通常複数の周辺機器I/Fを有する。周辺機器との接続形態は、有線、無線を問わない。
バス18は、各装置間の制御信号、データ信号等の授受を媒介する経路である。
The input unit 15 performs data input and includes, for example, a keyboard, a pointing device such as a mouse, and an input device such as a numeric keypad. The input data is output to the control unit 11.
The display unit 16 includes, for example, a display device such as a CRT monitor or a liquid crystal panel, and a logic circuit (a video adapter or the like) for executing display processing in cooperation with the display device, and is input under the control of the control unit 11. The displayed display information is displayed on the display device.
The peripheral device I / F unit (interface) 17 is a port for connecting a peripheral device to the computer, and the computer transmits and receives data to and from the peripheral device via the peripheral device I / F unit 17. The peripheral device I / F unit 17 is configured by USB, IEEE 1394, RS-232C, or the like, and usually includes a plurality of peripheral devices I / F. The connection form with the peripheral device may be wired or wireless.
The bus 18 is a path that mediates transmission / reception of control signals, data signals, and the like between the devices.

次に、細胞挙動解析装置1が実行する自動追跡処理について、図2〜図11を参照して説明する。   Next, the automatic tracking process executed by the cell behavior analysis apparatus 1 will be described with reference to FIGS.

図2は、細胞挙動解析装置1が実行する自動追跡処理の流れを示すフローチャートである。
細胞挙動解析装置1の制御部11は、タイムラプス画像が入力されると、タイムラプス画像のフレームを一意に識別するためのフレームIDを付与して自動追跡処理を実行し、細胞の自動追跡データを格納する追跡結果データを生成する。制御部11は、タイムラプス画像が入力されるごとに時系列順にフレームIDを付与し、自動追跡処理を実行して追跡結果データを更新する。追跡結果データは、追跡対象の細胞に付与された細胞領域IDによって、一意に識別される。追跡結果データには、フレームID、及びフレームIDに係るフレームにおける細胞情報が、時系列的に格納される。ここで細胞情報とは、細胞領域ID、領域番号ID、細胞領域の境界を示す位置座標群、細胞領域の領域内の各画素に対応する輝度値群、などを含むデータである。領域番号IDは、新たに細胞領域IDが付与された場合に「1」を格納し、前フレームと同一の細胞領域IDが付与された場合に「2」に更新される。
フレームID「t−1」までの追跡結果データは、細胞挙動解析装置1の制御部11によって予め生成され、記憶部12に記憶されているものとする。図2にて示される自動追跡処理は、細胞挙動解析装置1にタイムラプス画像が入力され、フレームID「t」が付与された場合に実行される処理である。
FIG. 2 is a flowchart showing the flow of the automatic tracking process executed by the cell behavior analysis apparatus 1.
When a time-lapse image is input, the control unit 11 of the cell behavior analysis apparatus 1 assigns a frame ID for uniquely identifying a frame of the time-lapse image, executes automatic tracking processing, and stores automatic tracking data of cells. The tracking result data to be generated is generated. The control unit 11 assigns frame IDs in chronological order each time a time-lapse image is input, executes automatic tracking processing, and updates tracking result data. The tracking result data is uniquely identified by the cell region ID assigned to the tracking target cell. In the tracking result data, the frame ID and cell information in the frame related to the frame ID are stored in time series. Here, the cell information is data including a cell region ID, a region number ID, a position coordinate group indicating the boundary of the cell region, a luminance value group corresponding to each pixel in the cell region, and the like. The area number ID stores “1” when a cell area ID is newly assigned, and is updated to “2” when the same cell area ID as that of the previous frame is assigned.
The tracking result data up to the frame ID “t−1” is generated in advance by the control unit 11 of the cell behavior analysis apparatus 1 and stored in the storage unit 12. The automatic tracking process shown in FIG. 2 is a process executed when a time-lapse image is input to the cell behavior analysis apparatus 1 and the frame ID “t” is given.

図2に示すように、細胞挙動解析装置1の制御部11は、フレームID「t」のタイムラプス画像における細胞候補領域を検出する(ステップS1)。
図3〜図7を参照して、細胞候補領域の検出について説明する。
As illustrated in FIG. 2, the control unit 11 of the cell behavior analysis device 1 detects a cell candidate region in the time-lapse image with the frame ID “t” (step S <b> 1).
The detection of the cell candidate region will be described with reference to FIGS.

細胞挙動解析装置1の制御部11は、フレームID「t」に係るタイムラプス画像に対して、細胞画像処理を施す。細胞画像処理とは、細胞領域の輝度は高く、輪郭領域の輝度は低くなるようにする画像処理であり、例えば、照度むらの除去、及びプレコンディションニング処理などであるが、公知の技術を用いれば良いため、説明を省略する。図3は、タイムラプス画像(図3の例では、培養細胞の所定の領域を撮影した顕微鏡写真である。)に対して、照度むらの除去、及びプレコンディションニング処理を施した画像の一例である。   The control unit 11 of the cell behavior analysis apparatus 1 performs cell image processing on the time-lapse image associated with the frame ID “t”. Cell image processing is image processing in which the luminance of the cell region is high and the luminance of the contour region is low.For example, illuminance unevenness removal and preconditioning processing are used, but a known technique is used. Description is omitted because it is sufficient. FIG. 3 is an example of an image obtained by performing uneven illuminance removal and preconditioning processing on a time-lapse image (in the example of FIG. 3, a photomicrograph of a predetermined region of cultured cells). .

続いて、細胞挙動解析装置1の制御部11は、細胞画像処理を施した画像(以下、プレコンディション画像と表記)の中から、多くの過検出は含まれるが未検出は殆ど含まれないように細胞候補領域を検出する。ここで、過検出とは、細胞ではない領域を検出してしまうエラーであり、未検出とは、細胞である領域が検出されないエラーである。一般的に、過検出を多くすると未検出は少なくなる。つまり、過検出が多く含まれるように検出することで、未検出は殆ど含まれないこととなる。   Subsequently, the control unit 11 of the cell behavior analysis apparatus 1 seems to include many overdetections but hardly include undetected from the images subjected to cell image processing (hereinafter referred to as precondition images). A cell candidate region is detected. Here, overdetection is an error that detects an area that is not a cell, and undetected is an error that an area that is a cell is not detected. In general, when overdetection is increased, non-detection is reduced. That is, by detecting so as to include a lot of overdetection, almost no undetection is included.

具体的には、まず、プレコンディション画像の輝度値の範囲において複数の閾値を設定し、各閾値に対して、閾値を超えた画素を255(0と区別できる値であればよい)とし閾値を超えない画素を0とする2値化画像を生成する。
例えば、プレコンディション画像の輝度値の範囲が0〜255であり、30個の閾値(閾値1〜閾値30)を設定する場合には、輝度値を0〜255の範囲で30等分した値が30個の閾値の各幅になる。
Specifically, first, a plurality of threshold values are set in the range of luminance values of the precondition image, and for each threshold value, a pixel exceeding the threshold value is set to 255 (any value that can be distinguished from 0) is set. A binarized image in which pixels that do not exceed 0 are generated.
For example, when the luminance value range of the precondition image is 0 to 255 and 30 threshold values (threshold value 1 to threshold value 30) are set, a value obtained by dividing the luminance value into 30 equal parts in the range of 0 to 255 is obtained. Each width is 30 thresholds.

図4は、図3に示すプレコンディション画像の輝度値を閾値1によって2値化して得られた画像である。図5は、図3に示すプレコンディション画像の輝度値を閾値5によって2値化して得られた画像である。図6は、図3に示すプレコンディション画像を閾値10によって2値化して得られた画像である。図7は、図3に示すプレコンディション画像の輝度値を閾値25によって2値化して得られた画像である。図4〜図7に示すように、各閾値レベルによって、生成される2値化画像内の細胞であるべき領域を示す連結成分の形状、及び数が異なる。   FIG. 4 is an image obtained by binarizing the luminance value of the precondition image shown in FIG. FIG. 5 is an image obtained by binarizing the luminance value of the precondition image shown in FIG. FIG. 6 is an image obtained by binarizing the precondition image shown in FIG. FIG. 7 is an image obtained by binarizing the luminance value of the precondition image shown in FIG. As shown in FIGS. 4 to 7, the shape and number of connected components indicating regions that should be cells in the generated binary image are different depending on each threshold level.

各閾値に対して生成された2値化画像に対して、画像内の連結成分を抽出し、独立した細胞候補領域としてラベル付する。各閾値に対してラベル付された細胞候補領域の集合をフレームID「t」に係る細胞候補領域として、一意に識別できる細胞候補領域IDを付与する。これにより、細胞候補領域は、過検出をたくさん含むが、未検出を殆ど含まないように検出されることとなる。
即ち、フレームID「t」に係る細胞領域の検出において、細胞挙動解析装置1の制御部11は、細胞検出時に細胞領域を確定するのではなく、たくさんの過検出を含むように細胞候補領域を検出し、検出された細胞候補領域の中から、フレームID「t−1」に係る追跡結果データに基づいて、フレームID「t」に係る細胞領域を確定する。そのため、細胞の自動追跡結果における細胞検出時のエラーの影響が軽減されることとなる。
For the binarized image generated for each threshold, connected components in the image are extracted and labeled as independent cell candidate regions. A set of cell candidate regions labeled for each threshold is assigned as a cell candidate region related to the frame ID “t”, and a cell candidate region ID that can be uniquely identified is assigned. As a result, the cell candidate region is detected so as to include a lot of overdetection but hardly include undetected.
That is, in the detection of the cell region related to the frame ID “t”, the control unit 11 of the cell behavior analysis apparatus 1 does not determine the cell region at the time of cell detection, but selects the cell candidate region so as to include many overdetections. Based on the detected cell candidate area, the cell area related to the frame ID “t” is determined based on the tracking result data related to the frame ID “t−1”. For this reason, the influence of an error at the time of cell detection in the automatic cell tracking result is reduced.

細胞検出方法として、プレコンディション画像の輝度値の範囲を複数の閾値によって区分し、複数の2値化画像を生成して細胞候補領域を検出する方法を説明したが、過検出は多く含まれるが、未検出は殆ど含まれない方法であれば、他の検出方法を用いても良い。例えば、公知の技術であるスーパーピクセルを用いた対応付けによって、細胞候補領域を検出することができる。   As the cell detection method, the method of dividing the luminance value range of the precondition image by a plurality of threshold values and generating a plurality of binarized images to detect the cell candidate region has been described. Other detection methods may be used as long as undetected methods are hardly included. For example, the cell candidate region can be detected by the association using a super pixel which is a known technique.

図2の説明に戻る。細胞挙動解析装置1の制御部11は、フレームID「t−1」の追跡結果データにおける細胞領域IDと、S1にて検出された細胞候補領域IDとの対応付けの仮説を抽出する(ステップS2)。
図8と図9を参照して、対応付けの仮説の抽出について説明する。
Returning to the description of FIG. The control unit 11 of the cell behavior analysis apparatus 1 extracts a hypothesis of correspondence between the cell region ID in the tracking result data of the frame ID “t−1” and the cell candidate region ID detected in S1 (step S2). ).
With reference to FIG. 8 and FIG. 9, extraction of the association hypothesis will be described.

図8は、フレームID「t−1」の細胞領域とフレームID「t」の細胞候補領域の集合の一例を示す図である。図8(a)に示す例では、フレームID「t−1」に係るフレームにおいて特定されている細胞領域ID=CellAの細胞領域と細胞領域ID=CellBの細胞領域を示す。フレームID「t−1」における細胞領域IDに係る細胞の境界線は、記憶部12に記憶される追跡結果データに基づいて生成される。図8(b)に示す例では、フレームID「t」に係るフレームにおいて検出された細胞候補領域ID=A1〜A7の細胞候補領域を重ね合わせて図示する。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a set of a cell region with a frame ID “t−1” and a cell candidate region with a frame ID “t”. In the example shown in FIG. 8A, the cell region ID = CellA cell region and the cell region ID = CellB cell region specified in the frame according to the frame ID “t−1” are shown. The cell boundary line related to the cell region ID in the frame ID “t−1” is generated based on the tracking result data stored in the storage unit 12. In the example illustrated in FIG. 8B, the cell candidate regions of the cell candidate region ID = A t 1 to A t 7 detected in the frame corresponding to the frame ID “t” are illustrated in an overlapping manner.

図9は、フレームID「t−1」の細胞領域IDとフレームID「t」の細胞候補領域IDの対応付けの仮説抽出を説明する図である。
図9(a)は、細胞領域CellAと細胞領域CellBの経過時間に対する位置の偏移を表すグラフである。グラフの横軸はフレームIDであり、縦軸は細胞位置情報である。細胞位置情報は、例えば、細胞領域あるいは細胞候補領域の中心点の位置座標である。中心点は、例えば、細胞領域あるいは細胞候補領域の重心座標である。グラフには、細胞挙動解析装置1の記憶部12に記憶される追跡結果データに基づいて、細胞領域CellAと細胞領域CellBのフレームIDごとの位置座標がプロットされ、更に、フレームID「t」における細胞候補領域ID=A1〜A7の位置座標が示される。
FIG. 9 is a diagram for explaining hypothesis extraction for associating the cell region ID of the frame ID “t−1” with the cell candidate region ID of the frame ID “t”.
Fig.9 (a) is a graph showing the position shift with respect to the elapsed time of the cell area CellA and the cell area CellB. The horizontal axis of the graph is the frame ID, and the vertical axis is the cell position information. The cell position information is, for example, position coordinates of the center point of the cell area or the cell candidate area. The center point is, for example, the barycentric coordinate of the cell region or the cell candidate region. In the graph, the position coordinates for each frame ID of the cell region CellA and the cell region CellB are plotted based on the tracking result data stored in the storage unit 12 of the cell behavior analysis apparatus 1, and further, in the frame ID “t”. The position coordinates of the cell candidate region ID = A t 1 to A t 7 are shown.

図9(b)は、フレームID「t−1」の細胞領域とフレームID「t」の細胞候補領域の対応付けの仮説を示す。例えば、細胞領域CellAが細胞候補領域A1に対応付けられる仮説を仮説1とする。続いて、細胞領域CellAが細胞候補領域A2に対応付けられる仮説を仮説2とする。同様にして、細胞領域IDと細胞候補領域IDの対応付けの仮説を網羅的に抽出する。 FIG. 9B shows a hypothesis for associating the cell region with the frame ID “t−1” and the cell candidate region with the frame ID “t”. For example, hypothesis 1 is a hypothesis in which cell region CellA is associated with cell candidate region A t 1. Subsequently, the hypothesis that cell region CellA is associated with the cell candidate region A t 2 and Hypothesis 2. Similarly, hypotheses for associating cell region IDs with cell candidate region IDs are exhaustively extracted.

細胞領域IDと細胞候補領域IDの対応付けは、全ての細胞領域IDと全ての細胞候補領域IDとの組を仮説として抽出することができるが、制御部11が実行する計算量の観点で、例えば、細胞領域に属し、細胞候補領域に属する画素の数が1以上である場合や、細胞領域と細胞候補領域の中心点同士の距離が閾値以下である場合などに、細胞領域と細胞候補領域の対応付けの仮説を抽出することが好ましい。図9(b)に示す例では、仮説1〜仮説8の仮説を抽出する。
図9(c)は、仮説1〜仮説8の細胞領域IDと細胞候補領域IDの対応付けを示す表である。
The association between the cell region ID and the cell candidate region ID can be extracted as a hypothesis of a set of all cell region IDs and all cell candidate region IDs, but in terms of the amount of calculation executed by the control unit 11, For example, when the number of pixels belonging to the cell region and belonging to the cell candidate region is 1 or more, or when the distance between the center points of the cell region and the cell candidate region is less than or equal to a threshold value, the cell region and the cell candidate region It is preferable to extract the hypothesis of the correspondence. In the example shown in FIG. 9B, hypotheses 1 to 8 are extracted.
FIG. 9C is a table showing the correspondence between the cell area IDs of hypothesis 1 to hypothesis 8 and the cell candidate area ID.

図2の説明に戻る。細胞挙動解析装置1の制御部11は、尤度算出処理により、まず仮説1(細胞領域CellAが細胞候補領域A1に対応付けられる仮説)の尤度P(1)を算出する(ステップS4)。仮説1の尤度P(1)とは、フレームID「t−1」に係るフレームにおいて特定された細胞領域CellAがフレームID「t」に係るフレームにおいて抽出された細胞候補領域A1に対応付けられる確率を示す。制御部11は、フレームID「t−1」の細胞領域CellAとフレームID「t」の細胞候補領域A1との移動に関する指標I(CellA−A1)と、フレームID「t」の細胞候補領域A1の形状に関する指標I(A1)を用いて、尤度P(1)を算出する。 Returning to the description of FIG. The control unit 11 of the cell behavior analysis apparatus 1 first calculates the likelihood P (1) of hypothesis 1 (the hypothesis in which the cell region CellA is associated with the cell candidate region A t 1) by likelihood calculation processing (step S4). ). The likelihood P (1) of hypothesis 1 corresponds to the cell candidate area A t 1 extracted in the frame related to the frame ID “t” from the cell area CellA specified in the frame related to the frame ID “t−1”. Indicates the probability of being attached. The control unit 11 includes an index I D (CellA−A t 1) regarding the movement between the cell area CellA of the frame ID “t−1” and the cell candidate area A t 1 of the frame ID “t”, and the frame ID “t”. The likelihood P (1) is calculated using the index I S (A t 1) relating to the shape of the cell candidate region A t 1.

図10は、尤度算出処理に用いる指標を説明する図である。細胞領域CellAは、フレームID「t−1」に係るフレームにおいて特定されたものである。また、細胞候補領域A1は、フレームID「t」に係るフレームにおいて抽出されたものである。つまり、図10では、異なるフレームの細胞領域CellAと細胞候補領域A1を重ね合わせて図示している。 FIG. 10 is a diagram for explaining an index used for likelihood calculation processing. The cell region CellA is specified in the frame related to the frame ID “t−1”. In addition, the cell candidate region A t 1 is extracted in the frame related to the frame ID “t”. That is, in FIG. 10, the cell region CellA and the cell candidate region A t 1 of different frames are overlapped and illustrated.

細胞領域CellAと細胞候補領域A1の移動に関する指標I(CellA−A1)とは、細胞領域CellAが細胞候補領域A1に移動する尤もらしさを表す指標であり、例えば、細胞領域CellAと細胞候補領域A1の重なりの割合が挙げられる。図10に示す例であれば、細胞領域CellAと細胞候補領域A1との和集合に対する斜線部の割合である。つまり、細胞領域CellAと細胞候補領域A1の重なり割合は、(細胞領域CellAに属し、細胞候補領域A1に属する画素の数)÷(細胞領域CellAに属する、又は細胞候補領域A1に属する画素の数)、である。細胞領域CellAと細胞候補領域A1の移動に関する指標I(CellA−A1)とは、細胞領域CellAと細胞候補領域A1との中心点間距離でも良い。 The index I D (CellA-A t 1) relating to the movement of the cell area CellA and the cell candidate area A t 1 is an index representing the likelihood that the cell area CellA moves to the cell candidate area A t 1. The overlapping ratio of the area CellA and the cell candidate area A t 1 is mentioned. In the example shown in FIG. 10, it is the ratio of the hatched portion with respect to the union of the cell region CellA and the cell candidate region A t 1. In other words, the overlap ratio of the cellular region CellA and cell candidate area A t 1 is (belonging to the cell area CellA, cell candidate area number of pixels belonging to A t 1) belonging to ÷ (cell region CellA, or cell candidate area A t The number of pixels belonging to 1). The cell region CellA and cell candidate area A t 1 of the mobile related index I D (CellA-A t 1 ), may be between centers point distance between the cell region CellA and cell candidate area A t 1.

細胞候補領域A1の形状に関する指標I(A1)とは、細胞候補領域A1の細胞らしさを表す指標であり、例えば、細胞候補領域A1の境界線に沿って積算されたエッジの強さを示すE(A1)を用いた指標が挙げられ、式(1)で表される。式(1)おけるE(A1)は、式(2)によって導出される。 The index I S (A t 1) relating to the shape of the cell candidate area A t 1, is an index representing the cell likelihood of a cell candidate area A t 1, for example, along the boundary of the cell candidate area A t 1 integration An index using E (A t 1) indicating the strength of the edge is given, and is represented by Expression (1). E (A t 1) in equation (1) is derived by equation (2).

E(A1)の値が大きいほど、細胞候補領域A1がより細胞らしいことを表す。E(A1)の範囲を0〜1の範囲に収めるために、式(1)を用いる。細胞候補領域A1の形状に関する指標I(A1)の値は、E(A1)の値が0に近づくと0に近づき、E(A1)の値が大きくなると1に近づく。式(1)のパラメータσは利用者によって、例えば、I(A1)〜I(A7)の平均値が0.5になるように設定できる。 A larger value of E (A t 1) indicates that the cell candidate region A t 1 is more likely to be a cell. In order to keep the range of E (A t 1) within the range of 0 to 1, Equation (1) is used. The value of the index I S (A t 1) relating to the shape of the cell candidate region A t 1 approaches 0 when the value of E (A t 1) approaches 0, and 1 when the value of E (A t 1) increases. Get closer to. The parameter σ in Expression (1) can be set by the user so that, for example, the average value of I S (A t 1) to I S (A t 7) is 0.5.

細胞候補領域A1の形状に関する指標I(A1)としては、これに限定されず、例えば、細胞候補領域A1の各画素の輝度値分布や、細胞候補領域A1の輪郭の曲率分布などを用いてもよい。 As a cell candidate area A t 1 of the shapes for the index I S (A t 1), without being limited thereto, for example, for each pixel in the cell candidate area A t 1 the luminance value distribution and, in the cell candidate area A t 1 Contour curvature distribution or the like may be used.

以上のようにして導出した細胞領域Aと細胞候補領域A1の移動に関する指標I(CellA−A1)と細胞候補領域A1の形状に関する指標I(A1)を用いて、仮説1の尤度P(1)を算出する。フレームID「t−1」の細胞領域CellAがフレームID「t」の細胞候補領域A1に対応付けられる仮説1の尤度P(1)は、P(1)=I(CellA−A1)×I(A1)によって算出できる。 Using the index I D (CellA-A t 1) relating to the movement of the cell area A and the cell candidate area A t 1 derived as described above and the index I S (A t 1) relating to the shape of the cell candidate area A t 1. Thus, the likelihood P (1) of hypothesis 1 is calculated. Likelihood P (1) of hypothesis 1 in which cell area CellA of frame ID “t−1” is associated with cell candidate area A t 1 of frame ID “t” is P (1) = I D (CellA−A t 1) × I S (A t 1).

尚、前述の尤度算出処理に用いる各指標は一例であり、本発明はその他の指標を用いても良い。例えば、細胞領域と細胞候補領域の形状類似度に関する指標や細胞領域と細胞候補領域の輝度ヒストグラム類似度を用いても良い。形状類似度に関する指標としては、例えば、SIFT(Scale Invariant Feature Transform)特徴量、フーリエ記述子(Fourier Descriptors)、HOG(Histograms of
Oriented Gradients)特徴量等が挙げられる。輝度ヒストグラム類似度としては、例えば、細胞候補領域内及び細胞領域内の輝度ヒストグラムの距離が挙げられる。また、細胞領域と細胞候補領域の類似度に関する指標Iと、細胞候補領域の形状に関する指標Iのいずれか1つ用いても良い。
Each index used in the above-described likelihood calculation process is an example, and other indexes may be used in the present invention. For example, an index related to the shape similarity between the cell region and the cell candidate region or the luminance histogram similarity between the cell region and the cell candidate region may be used. As an index related to the shape similarity, for example, SIFT (Scale Invariant Feature Transform) feature value, Fourier descriptor (Fourier Descriptors), HOG (Histograms of
Oriented Gradients) features. As the brightness histogram similarity, for example, the distance of the brightness histogram in the cell candidate region and in the cell region can be mentioned. Also, the index I D of the similarity of the cell area and cell candidate region, may be used any one of the index I S on the shape of the cell candidate region.

図2の説明に戻る。細胞挙動解析装置1の制御部11は、仮説1の制約関数Cの各成分を算出する(ステップS5)。制約関数Cの算出について、図11を参照して説明する。   Returning to the description of FIG. The control unit 11 of the cell behavior analysis apparatus 1 calculates each component of the constraint function C of the hypothesis 1 (step S5). Calculation of the constraint function C will be described with reference to FIG.

図11は、仮説の尤度P及び制約関数Cと解答ベクトルxの一例を示す図である。ここで説明のために、ステップS2にて抽出された仮説の数の合計をNとし、フレーム「t−1」に係る細胞領域IDの数をN、フレーム「t」に係る細胞候補領域IDの数をNとする。仮説の尤度P及び解答ベクトルxは、N次元列ベクトルである。制約関数Cは、N行(N+N)列の行列形式の関数である。仮説の尤度P及び制約関数C、解答ベクトルxの行は、ステップS2にて抽出された仮説の番号に対応する。図11に示す例では、仮説1〜仮説8に対応する。仮説の尤度Pの行成分は、仮説1〜仮説8の尤度の値(P(1)〜P(8))に対応する。制約関数Cの列は、1〜N、N+1〜N+Nに対応する。図11に示す例では、細胞領域CellA〜細胞領域CellB及び細胞候補領域A1〜細胞候補領域A7に対応し、制約関数Cは8×9行列となる。 FIG. 11 is a diagram illustrating an example of the hypothesis likelihood P, the constraint function C, and the answer vector x. Here, for the sake of explanation, the total number of hypotheses extracted in step S2 is N, the number of cell region IDs related to the frame “t−1” is N 1 , and the cell candidate region IDs related to the frame “t”. Is N 2 . The hypothesis likelihood P and the answer vector x are N-dimensional column vectors. The constraint function C is a function in a matrix format with N rows (N 1 + N 2 ) columns. The hypothesis likelihood P, the constraint function C, and the row of the answer vector x correspond to the hypothesis numbers extracted in step S2. In the example shown in FIG. 11, it corresponds to Hypothesis 1 to Hypothesis 8. The row component of the hypothesis likelihood P corresponds to the likelihood values (P (1) to P (8)) of hypothesis 1 to hypothesis 8. The columns of the constraint function C correspond to 1 to N 1 , N 1 +1 to N 1 + N 2 . In the example shown in FIG. 11, corresponding to the cell region CellA~ cell region CellB and cell candidate region A t. 1 to the cell candidate area A t 7, the constraint function C is 8 × 9 matrix.

続いて、制約関数Cの各成分の算出方法について説明する。ここで説明のために、m∈S(AY)を設定する。S(AY)とは、フレーム「t」に係る細胞候補領域の中で、細胞候補領域AYに属する画素を共有する細胞候補領域(細胞候補領域AYを含む)の細胞候補領域IDの集合を意味する。例えば、S(A1)は、細胞候補領域A1は全ての細胞候補領域と重なりを有するため、S(A1)={A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7}となる。S(A2)であれば、細胞候補領域A2は、細胞候補領域A1と細胞候補領域A3と重なりを有するため、S(A2)={A1,A2,A3}となる。 Next, a method for calculating each component of the constraint function C will be described. Here, for the sake of explanation, m y εS (A t Y) is set. S (A t Y) is a cell candidate in a cell candidate region (including cell candidate region A t Y) that shares pixels belonging to cell candidate region A t Y among the cell candidate regions related to frame “t”. It means a set of area IDs. For example, in S (A t 1), since the cell candidate region A t 1 has an overlap with all cell candidate regions, S (A t 1) = {A t 1, A t 2, A t 3, A t 4, At5 , At6 , At7 }. If S (A t 2), the cell candidate region A t 2 has an overlap with the cell candidate region A t 1 and the cell candidate region A t 3, so S (A t 2) = {A t 1, A t2 , At3 }.

ここで、フレームID「t−1」の細胞領域CellXがフレームID「t」の細胞候補領域AYに対応付けられる仮説Mに対応する制約関数CのM行i列は、細胞領域CellXに対応する成分と、S(AY)に含まれる細胞候補領域mに対応する成分を1とし、その他の成分を0とする。制約関数Cは、次式(3)によって表すことができる。 Here, the M rows and i columns of the constraint function C corresponding to the hypothesis M in which the cell region CellX of the frame ID “t−1” is associated with the cell candidate region A t Y of the frame ID “t” are included in the cell region CellX. and the corresponding component, and 1 components corresponding to S (a t Y) cell candidate area m y contained in the other component is 0. The constraint function C can be expressed by the following equation (3).

例えば、仮説1に対応する制約関数Cの1行i列の成分は、i=1(細胞領域CellA)及びi=2+1〜2+7、{A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7}=S(A1)を1とし、i=2を0とする。また、仮説2に対応する制約関数Cの2行i列の成分は、i=1(細胞領域CellA)及びi=2+1〜2+3、{A1,A2,A3}=S(A2)を1とし、i=2、2+4〜7を0とする。 For example, the components of the 1st row and ith column of the constraint function C corresponding to Hypothesis 1 are i = 1 (cell region CellA) and i = 2 + 1 to 2 + 7, {A t 1, A t 2, A t 3, A t 4 , A t 5, A t 6, A t 7} = S (A t 1) is 1, and i = 2 is 0. In addition, the components in the 2nd row and the ith column of the constraint function C corresponding to the hypothesis 2 are i = 1 (cell region CellA) and i = 2 + 1 to 2 + 3, {A t 1, A t 2, A t 3} = S ( a t 2) was used as a 1, and i = 2, 2 + 4 to 7 0.

即ち、制約関数Cは仮説が成立する場合に、矛盾する全ての仮説を排除する関数である。例えば、仮説1が成立する時、細胞領域CellAが次フレームで細胞候補領域A1に移動することとなり、この場合、仮説2〜仮説8は矛盾する仮説であるため許容しない。また、仮説2が成立する時、細胞領域CellAが次フレームで細胞候補領域A2に移動することとなり、この場合、仮説1と仮説3は矛盾するが、仮説4〜仮説8は特に矛盾しない。 That is, the constraint function C is a function that eliminates all contradictory hypotheses when a hypothesis is established. For example, when Hypothesis 1 is established, the cell region CellA moves to the cell candidate region A t 1 in the next frame. In this case, Hypothesis 2 to Hypothesis 8 are not consistent and are not allowed. Further, when the hypothesis 2 is satisfied, it becomes that the cell region CellA moves to the cell candidate region A t 2 in the next frame, in this case, although the hypothesis 1 and hypothesis 3 conflicting hypotheses 4 hypothesis 8 is consistent in particular .

図2の説明に戻る。細胞挙動解析装置1の制御部11は、ステップS4〜ステップS5の処理を繰り返し、仮説の数(N=8)だけ処理を実行する。細胞挙動解析装置1の制御部11は、算出された尤度P(1)〜P(8)及び、制約関数Cの各成分に基づいて、仮説の尤度ベクトルP及び制約関数Cを生成する。細胞挙動解析装置1の制御部11は、ステップS2にて抽出された仮説の中から、最適な仮説を特定する(ステップS8)。最適な仮説の抽出について、図11を参照して説明する。   Returning to the description of FIG. The control unit 11 of the cell behavior analysis apparatus 1 repeats the processes of steps S4 to S5 and executes the processes for the number of hypotheses (N = 8). The control unit 11 of the cell behavior analysis apparatus 1 generates a hypothesis likelihood vector P and a constraint function C based on the calculated likelihoods P (1) to P (8) and each component of the constraint function C. . The control unit 11 of the cell behavior analysis apparatus 1 identifies an optimal hypothesis from the hypotheses extracted in step S2 (step S8). The extraction of the optimal hypothesis will be described with reference to FIG.

細胞挙動解析装置1の制御部11は、整数計画法を用いて、解答ベクトルxを導くことにより、最適な仮説を特定する。解答ベクトルxの各成分は各仮説に対応し、採択された仮説に対応する成分に1をとり、採択されなかった仮説に対応する成分に0をとる。図11に示す例では、仮説2と仮説5が採択された場合の解答ベクトルxを示す。解答ベクトルxの導出は、整数計画法により、次式(4)によって示される。   The control unit 11 of the cell behavior analysis apparatus 1 specifies an optimal hypothesis by deriving an answer vector x using integer programming. Each component of the answer vector x corresponds to each hypothesis, 1 is assigned to the component corresponding to the adopted hypothesis, and 0 is assigned to the component corresponding to the hypothesis that has not been adopted. The example shown in FIG. 11 shows the answer vector x when hypothesis 2 and hypothesis 5 are adopted. The derivation of the answer vector x is represented by the following equation (4) by integer programming.

式(4)は、制約関数(制約行列)Cの転置行列と解答ベクトルxの積によって生成されたベクトルの各要素が1以下である制約条件を満たす中で、尤度ベクトルPの転置ベクトルと解答ベクトルxの積が最大となるような解答ベクトルxを導くことを表す。
なお、これは線形計画(LP)に基づく分岐限定アルゴリズム(branch-and-bound algorithm)を用いて解くことができる。このアルゴリズムは、変数に対する0−1整数の要求をより弱い制約0≦x≦1に置き換えた一連のLP緩和問題を解くことにより、0−1整数計画問題の最適解を探索する。アルゴリズムは以下のようになる(非特許文献3、非特許文献4参照)。
・0−1整数の実行可能解を探索する。
・探索木が大きくなるにつれて、それまでに見つかった最適の0−1整数可能点を更新する。
・一連の線形計画法を解くことにより、より適切な整数の実行可能解がないことを確認する。
<非特許文献3> “bintprog”、[online]、MathWorks、[平成24年9月28日検索]、インターネット
<http://www.mathworks.co.jp/help/optim/ug/bintprog.html>
<非特許文献4> Papadimitriou, C.H., Steiglitz, K., Combinatorial Optimization:
Algorithms and Complexity, Dover Publications, 1998.
Equation (4) is obtained by satisfying the constraint condition that each element of the vector generated by the product of the transposed matrix of the constraint function (constraint matrix) C and the answer vector x is 1 or less. It represents deriving an answer vector x that maximizes the product of the answer vectors x.
This can be solved using a branch-and-bound algorithm based on linear programming (LP). This algorithm searches for the optimal solution for the 0-1 integer programming problem by solving a series of LP relaxation problems that replace the 0-1 integer requirements for variables with weaker constraints 0 ≦ x ≦ 1. The algorithm is as follows (see Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4).
Search for a feasible solution of 0-1 integers.
As the search tree grows, update the optimal 0-1 integer possible points found so far.
• Confirm that there are no more feasible integer feasible solutions by solving a series of linear programming.
<Non-Patent Document 3> “bintprog”, [online], MathWorks, [searched on September 28, 2012], Internet
<http://www.mathworks.co.jp/help/optim/ug/bintprog.html>
<Non-Patent Document 4> Papadimitriou, CH, Steiglitz, K., Combinatorial Optimization:
Algorithms and Complexity, Dover Publications, 1998.

式(4)において、尤度ベクトルPの転置ベクトルと解答ベクトルxの積とは、採択された仮説の尤度の値の和を意味し、採択された仮説の尤度の値の和が最大となるような解答ベクトルxを導出することとなる。図11に示す例では、仮説2の尤度P(2)と仮説5の尤度P(5)の和が制約条件を満たす中で最大となったことを表す。フレーム「t−1」に係る細胞領域IDの数と、式(4)によって採択される仮説の数は同数となる。   In Equation (4), the product of the transposed vector of the likelihood vector P and the answer vector x means the sum of the likelihood values of the adopted hypothesis, and the sum of the likelihood values of the adopted hypothesis is the maximum. An answer vector x such that In the example shown in FIG. 11, the sum of the likelihood P (2) of hypothesis 2 and the likelihood P (5) of hypothesis 5 is the maximum among the constraint conditions. The number of cell region IDs related to the frame “t−1” and the number of hypotheses adopted by the equation (4) are the same.

図2の説明に戻る。細胞挙動解析装置1の制御部11は、ステップS8にて特定された最適な仮説に基づいて、記憶部12に記憶される追跡結果データを更新する(ステップS9)。   Returning to the description of FIG. The control unit 11 of the cell behavior analysis apparatus 1 updates the tracking result data stored in the storage unit 12 based on the optimal hypothesis specified in step S8 (step S9).

制御部11は、採択された仮説に含まれる細胞候補領域IDをフレームID「t」に係る細胞領域として特定し、仮説にて対応付けられるフレームID「t−1」の細胞領域IDと同一のIDを付与する。図11に示す例では、制御部11は、仮説2に含まれる細胞候補領域ID=A2に細胞領域ID=CellAを付与し、仮説5に含まれる細胞候補領域ID=A4に細胞領域ID=CellBを付与して、記憶部12に記憶される追跡結果データに格納する。また、領域番号IDの値を1繰り上げる。これにより、フレームID「t」に係る細胞検出と、フレームID「t−1」とフレームID「t」の各細胞の対応付けを同時に実行することとなる。細胞挙動解析装置1の記憶部12は領域番号IDの閾値を予め記憶し、制御部11は、フレーム「t」に係る領域番号IDが閾値以上であれば該当する細胞領域IDを確定させる。 The control unit 11 identifies the cell candidate region ID included in the adopted hypothesis as the cell region related to the frame ID “t”, and is the same as the cell region ID of the frame ID “t−1” associated with the hypothesis. Give an ID. In the example shown in FIG. 11, the control unit 11, the cell candidate region ID = A t 2 contained in Hypothesis 2 Grant cell region ID = CellA, cells the cell candidate region ID = A t 4 contained hypothesis 5 The area ID = CellB is assigned and stored in the tracking result data stored in the storage unit 12. Also, the value of the area number ID is incremented by one. As a result, the cell detection related to the frame ID “t” and the association of each cell of the frame ID “t−1” and the frame ID “t” are executed simultaneously. The storage unit 12 of the cell behavior analysis apparatus 1 stores a threshold value of the region number ID in advance, and the control unit 11 determines the corresponding cell region ID if the region number ID related to the frame “t” is equal to or greater than the threshold value.

尚、上述の説明では、最も単純な条件として「移動」のみを仮定したが、本発明は、より複雑な条件を仮定しても同様に適用することができる。例えば、S8にて特定された仮説の尤度P(2)及びP(5)の値が、記憶部12に予め記憶された閾値以下である場合には、制御部11は追跡結果データを更新せず、フレーム「t−1」からフレーム「t」に移動する間に細胞領域CellA及び細胞領域CellBは一時的にフレームアウトした(=「消失」)とし、追跡を終了する。   In the above description, only “movement” is assumed as the simplest condition. However, the present invention can be similarly applied even when more complicated conditions are assumed. For example, if the values of the hypothesis likelihoods P (2) and P (5) specified in S8 are equal to or less than the threshold value stored in advance in the storage unit 12, the control unit 11 updates the tracking result data. Without moving, the cell region CellA and the cell region CellB are temporarily out of frame (= “disappeared”) while moving from the frame “t−1” to the frame “t”, and the tracking is finished.

しかしながら、細胞が高密度下で移動する条件においては、各細胞の輪郭は一時的に不明確となることがあり、上述の操作によって、細胞が存在するにも関わらずフレーム間で追跡されない場合が発生する。そこで、前述の処理にて細胞領域として確定されず、且つ細胞の輪郭が明確な細胞候補領域について、自動追跡を再スタートさせる手法について説明する。まず、細胞挙動解析装置1は、前述の処理にて細胞領域として確定されず、且つ細胞の輪郭が明確な細胞候補領域を、フレームID「t−1」に係るフレーム及びフレームID「t」に係るフレームからそれぞれ抽出する。ここで、フレームID「t−1」から抽出された細胞候補領域をA´t−1とし、フレームID「t」から抽出された細胞候補領域をA´とする。細胞挙動解析装置1は、細胞候補領域A´t−1が細胞候補領域A´に対応付けられる仮説を網羅的に抽出し、最適な仮説を特定する。最適な仮説の組み合わせは、前述した整数計画法による解答ベクトルxの導出と同様の手法で特定されるが、仮説の尤度として尤度P´を用いる。細胞候補領域Xが細胞候補領域Yに対応付けられる仮説Mの尤度P´(M)は、前述した細胞候補領域の形状に関する指標Iと、細胞領域と細胞候補領域の移動に関する指標Iを用いて、P´(M)=I(A´Y−A´t-1X)×I(A´Y)×I(A´t-1X)によって算出することができる。P´(M)が閾値以上であれば、細胞挙動解析装置1は、細胞候補領域に同一の細胞領域IDを付与して、フレーム「t−1」に係る領域番号IDに「1」を、フレーム「t」に係る領域番号IDに「2」を格納して、記憶部12の追跡結果データを更新して、自動追跡をスタートする。 However, under conditions where cells move under high density, the outline of each cell may become temporarily unclear, and the above operation may not be tracked between frames despite the presence of cells. Occur. Therefore, a method for restarting automatic tracking for a cell candidate region that is not determined as a cell region by the above-described processing and whose cell outline is clear will be described. First, the cell behavior analysis apparatus 1 assigns a cell candidate region that is not determined as a cell region by the above-described processing and has a clear cell outline to the frame ID “t−1” and the frame ID “t”. Each is extracted from such a frame. Here, a cell candidate region extracted from the frame ID “t−1” is A ′ t−1, and a cell candidate region extracted from the frame ID “t” is A ′ t . The cell behavior analysis apparatus 1 exhaustively extracts hypotheses in which the cell candidate region A ′ t−1 is associated with the cell candidate region A ′ t , and specifies the optimal hypothesis. The optimum combination of hypotheses is specified by the same method as the derivation of the answer vector x by the integer programming described above, but the likelihood P ′ is used as the likelihood of the hypothesis. Likelihood P'hypothesis M cell candidate region X is associated with the cell candidate region Y (M) is the index I s on the shape of the cell candidate region described above, the index I D about moving cellular region and cell candidate region , P ′ (M) = I D (A ′ t Y−A ′ t−1 X) × I s (A ′ t Y) × I S (A ′ t−1 X) it can. If P ′ (M) is equal to or greater than the threshold, the cell behavior analysis apparatus 1 assigns the same cell region ID to the cell candidate region, and sets “1” to the region number ID related to the frame “t−1”. “2” is stored in the area number ID related to the frame “t”, the tracking result data in the storage unit 12 is updated, and automatic tracking is started.

また、確定された細胞領域IDの追跡結果に基づいて、例えば、フレーム「t−1」における1つの細胞領域から、フレーム「t」における異なる2つの細胞領域に対応することを、細胞の「分裂」として許容しても良い。整数計画法に基づく公知の技術によって、最適な追跡結果データを得ることができる。   Further, based on the confirmed tracking result of the cell region ID, for example, from one cell region in the frame “t−1” to corresponding to two different cell regions in the frame “t”, “cell division” May be allowed. Optimal tracking result data can be obtained by a known technique based on integer programming.

また、本発明によって最適化された細胞領域IDの追跡結果データに基づいて、細胞挙動指標を算出できる。これにより培養細胞の時間経過毎の、細胞数、細胞移動スピード、細胞サイズ(細胞領域内の画素数)、細胞分裂数、細胞領域内の色素量(色情報)、細胞領域の円形度(形状情報)等の指標を算出することができ、高い精度で細胞品質の評価や培養条件の評価等に用いることができる。   Further, the cell behavior index can be calculated based on the tracking result data of the cell region ID optimized by the present invention. As a result, the number of cells, cell movement speed, cell size (number of pixels in the cell region), number of cell divisions, amount of pigment in the cell region (color information), and circularity of the cell region (shape) Information) and the like can be calculated, and can be used for evaluation of cell quality and culture conditions with high accuracy.

次に、図12〜図15を参照しながら、本発明の実施形態に係る細胞挙動解析装置1によって自動追跡処理を行った実施例について説明する。   Next, an example in which automatic tracking processing is performed by the cell behavior analysis apparatus 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

RPE(網膜色素細胞)を30日間培養させ、解像度320×320pixels(1.03μm/pixel)のCCDカメラによって培養細胞を撮像したタイムラプス画像に対して、本発明に係る細胞挙動解析装置1を用いて自動追跡処理を実行した。図12は、(a)初期状態の培養細胞の細胞サイズと細胞移動スピードの分布と、(b)開始から21日経過後の培養細胞の細胞サイズと細胞移動スピードの分布を示す図である。横軸は細胞移動スピードを示し、縦軸は細胞領域サイズを示す。プロット数は測定される細胞数と同数である。開始から21日経過後の培養細胞は、細胞サイズが小さく、細胞移動スピードが遅いことがわかる。これは、細胞が高密度条件下で存在する状態を示す。
尚、本実施例では細胞挙動指標として、細胞サイズと細胞移動スピードを用いたが、本発明の細胞挙動解析装置1によって、細胞数の時間推移、細胞分裂数の時間推移、細胞領域内の色素量、細胞領域の円形度等の細胞挙動指標を算出することも可能である。
Using the cell behavior analysis apparatus 1 according to the present invention, a RPE (retinal pigment cell) is cultured for 30 days, and a time-lapse image obtained by imaging a cultured cell with a CCD camera having a resolution of 320 × 320 pixels (1.03 μm / pixel). An automatic tracking process was executed. FIG. 12 is a diagram showing (a) distribution of cell size and cell migration speed of cultured cells in the initial state, and (b) distribution of cell size and cell migration speed of cultured cells 21 days after the start. The horizontal axis indicates the cell movement speed, and the vertical axis indicates the cell region size. The number of plots is the same as the number of cells measured. It can be seen that the cultured cells 21 days after the start have a small cell size and a slow cell migration speed. This indicates that the cells are present under high density conditions.
In this example, the cell size and the cell movement speed are used as the cell behavior index. However, the cell behavior analysis apparatus 1 of the present invention allows the time transition of the cell number, the time transition of the cell division number, and the dye in the cell region. It is also possible to calculate a cell behavior index such as the amount and the circularity of the cell region.

図13は、初期状態の培養細胞を撮像したプレコンディション画像に対して、目視によって細胞検出を実行した結果の1フレーム分を示す。検出された細胞に識別子が付与される。図14は、図13と同一のプレコンディション画像に対して本発明に係る細胞挙動解析装置1によって細胞検出を実行した結果の1フレーム分を示す。検出された細胞の輪郭を太線で示し、数値は細胞領域IDを表す。検出対象のプレコンディション画像は細胞の輪郭が鮮明であり、目視による細胞検出と、本発明に係る細胞挙動解析装置1による細胞検出の結果は、ほぼ一致する。   FIG. 13 shows one frame as a result of visual cell detection performed on a precondition image obtained by imaging cultured cells in the initial state. An identifier is assigned to the detected cell. FIG. 14 shows one frame as a result of performing cell detection on the same precondition image as in FIG. 13 by the cell behavior analysis apparatus 1 according to the present invention. The outline of the detected cell is indicated by a bold line, and the numerical value represents the cell region ID. The precondition image to be detected has a clear cell outline, and the result of cell detection by visual observation and the result of cell detection by the cell behavior analysis apparatus 1 according to the present invention are substantially the same.

図15は、開始から21日経過後の培養細胞を撮像したプレコンディション画像に対して目視によって細胞検出を実行した結果の1フレーム分を示す。検出された細胞に識別子が付与される。図16は、図15と同一のプレコンディション画像に対して本発明に係る細胞挙動解析装置1によって細胞検出を実行した結果の1フレーム分を示す。検出された細胞の輪郭を太線で示し、数値は細胞領域IDを表す。検出対象のプレコンディション画像は細胞の輪郭が不明瞭であるが、目視による細胞検出結果と、本発明に係る細胞挙動解析装置1による細胞検出結果が概ね一致する。本発明に係る細胞挙動解析装置1を用いることで、正解データ(目視による手動検出の結果)に対する自動追跡データの一致率が、従来手法による自動追跡結果データと比較して35%以上向上した。   FIG. 15 shows one frame of a result of performing cell detection by visual observation on a precondition image obtained by imaging cultured cells 21 days after the start. An identifier is assigned to the detected cell. FIG. 16 shows one frame of the result of cell detection performed by the cell behavior analysis apparatus 1 according to the present invention on the same precondition image as FIG. The outline of the detected cell is indicated by a bold line, and the numerical value represents the cell region ID. In the precondition image to be detected, the outline of the cell is unclear, but the cell detection result by visual observation and the cell detection result by the cell behavior analysis apparatus 1 according to the present invention substantially coincide. By using the cell behavior analysis apparatus 1 according to the present invention, the coincidence rate of the automatic tracking data with the correct answer data (result of manual detection by visual observation) is improved by 35% or more compared to the automatic tracking result data by the conventional method.

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る細胞挙動解析装置等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される   The preferred embodiments of the cell behavior analysis apparatus and the like according to the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or modifications can be conceived within the scope of the technical idea disclosed in the present application, and these naturally belong to the technical scope of the present invention. Understood

1………細胞挙動解析装置
11………制御部
12………記憶部
13………メディア入出力部
14………通信制御部
15………入力部
16………表示部
17………周辺機器I/F部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ......... Cell behavior analyzer 11 ......... Control part 12 ......... Storage part 13 ......... Media input / output part 14 ...... Communication control part 15 ......... Input part 16 ......... Display part 17 ... ... Peripheral equipment I / F section

Claims (7)

タイムラプス画像のフレームごとに、前記タイムラプス画像内の個々の細胞の細胞候補領域を、多くの過検出は含まれるが未検出は殆ど含まれないように検出する細胞候補領域検出手段と、
時系列的に連続する2つの前記フレームについて、前フレームの細胞領域と検出対象フレームの前記細胞候補領域との対応付けの仮説を抽出する仮説抽出手段と、
前記仮説抽出手段により抽出された前記仮説の尤度を算出する尤度算出手段と、
前記尤度算出手段により算出された前記尤度に基づいて、最適な前記仮説を特定する仮説特定手段と、
前記仮説特定手段により特定された前記仮説に含まれる前記細胞候補領域を前記細胞領域とする細胞領域特定手段と、
前記細胞領域特定手段により特定された前記細胞領域の位置情報を含む細胞領域情報が時系列順に格納される追跡結果データを記憶する記憶手段と、
を具備することを特徴とする細胞挙動解析装置。
Cell candidate region detection means for detecting cell candidate regions of individual cells in the time lapse image for each frame of the time lapse image so that many overdetections are included but almost no detection is included,
Hypothesis extraction means for extracting a hypothesis of correspondence between the cell region of the previous frame and the cell candidate region of the detection target frame with respect to the two frames that are continuous in time series,
Likelihood calculation means for calculating the likelihood of the hypothesis extracted by the hypothesis extraction means;
A hypothesis specifying means for specifying the optimal hypothesis based on the likelihood calculated by the likelihood calculating means;
A cell region specifying unit that uses the cell candidate region included in the hypothesis specified by the hypothesis specifying unit as the cell region;
Storage means for storing tracking result data in which cell area information including position information of the cell area specified by the cell area specifying means is stored in chronological order;
A cell behavior analysis device comprising:
前記細胞候補領域検出手段は、
前記タイムラプス画像の輝度値の範囲において複数の閾値を設定し、前記フレームごとに、各閾値に対して2値化画像を生成し、生成した前記2値化画像の連結成分を抽出し、抽出された前記連結成分の集合を前記細胞候補領域とする
ことを特徴とする請求項1に記載の細胞挙動解析装置。
The cell candidate region detection means includes
A plurality of threshold values are set in a range of luminance values of the time-lapse image, a binarized image is generated for each threshold value for each frame, and a connected component of the generated binarized image is extracted and extracted. The cell behavior analysis apparatus according to claim 1, wherein the set of connected components is used as the cell candidate region.
前記尤度算出手段は、前フレームの前記細胞領域と検出対象フレームの前記細胞候補領域との移動に関する指標と、前記細胞候補領域の形状に関する指標を用いて、前記尤度を算出する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の細胞挙動解析装置。
The likelihood calculating means calculates the likelihood using an index related to movement between the cell region of the previous frame and the cell candidate region of the detection target frame and an index related to the shape of the cell candidate region. The cell behavior analysis device according to claim 1 or 2.
前記仮説特定手段は、
抽出された前記仮説の数を行数とし、前記仮説に係る前記細胞領域の数と前記細胞候補領域の数との和を列数とする制約行列であって、各仮説に対して、当該仮説と前記細胞領域との関係、及び当該仮説に係る前記細胞候補領域の相互の関係を要素にもつ前記制約行列と、解答ベクトルとが制約条件を満たすもとで、前記仮説の尤度を要素にもつ尤度ベクトルの転置ベクトルと、前記解答ベクトルとの積を最大化する整数計画問題を解くことによって、前記最適な仮説を特定する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の細胞挙動解析装置。
The hypothesis specifying means includes
The number of the extracted hypotheses is the number of rows, and a constraint matrix having the number of columns of the number of the cell regions and the number of the cell candidate regions related to the hypothesis, and for each hypothesis, the hypothesis And the cell region, and the constraint matrix having the mutual relationship of the cell candidate region related to the hypothesis and the answer vector satisfy the constraint condition, the likelihood of the hypothesis 4. The optimal hypothesis is identified by solving an integer programming problem that maximizes the product of a transposed vector of likelihood vectors and the answer vector. The cell behavior analysis device according to Item.
前記記憶手段によって記憶される前記追跡結果データに基づいて、細胞挙動指標を算出する細胞挙動指標算出手段を
更に具備することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の細胞挙動解析装置。
The cell behavior index calculation means for calculating a cell behavior index based on the tracking result data stored by the storage means is further provided. Cell behavior analyzer.
タイムラプス画像のフレームごとに、前記タイムラプス画像内の個々の細胞の細胞候補領域を、多くの過検出は含まれるが未検出は殆ど含まれないように検出する細胞候補領域検出ステップと、
時系列的に連続する2つの前記フレームについて、前フレームの細胞領域と検出対象フレームの前記細胞候補領域との対応付けの仮説を網羅的に抽出する仮説抽出ステップと、
前記仮説抽出ステップにより抽出された前記仮説の尤度を算出する尤度算出ステップと、
前記尤度算出ステップにより算出された前記尤度に基づいて、最適な前記仮説を特定する仮説特定ステップと、
前記仮説特定ステップにより特定された前記仮説に含まれる前記細胞候補領域を前記細胞領域とする細胞領域特定ステップと、
前記細胞領域特定ステップにより特定された前記細胞領域の位置情報を含む細胞領域情報が時系列順に格納される追跡結果データを記憶する記憶ステップと、
を含むことを特徴とする細胞挙動解析方法。
A cell candidate region detection step for detecting, for each frame of the time lapse image, a cell candidate region of an individual cell in the time lapse image so that many overdetections are included but almost no detection is included;
A hypothesis extraction step for exhaustively extracting hypotheses of correspondence between the cell region of the previous frame and the cell candidate region of the detection target frame for the two frames that are continuous in time series;
A likelihood calculating step of calculating the likelihood of the hypothesis extracted by the hypothesis extracting step;
A hypothesis specifying step for specifying the optimal hypothesis based on the likelihood calculated by the likelihood calculating step;
A cell region specifying step in which the cell candidate region included in the hypothesis specified by the hypothesis specifying step is the cell region; and
A storage step of storing tracking result data in which cell region information including position information of the cell region specified by the cell region specifying step is stored in chronological order;
A cell behavior analysis method comprising:
コンピュータを、
タイムラプス画像のフレームごとに、前記タイムラプス画像内の個々の細胞の細胞候補領域を、多くの過検出は含まれるが未検出は殆ど含まれないように検出する細胞候補領域検出手段と、
時系列的に連続する2つの前記フレームについて、前フレームの細胞領域と検出対象フレームの前記細胞候補領域との対応付けの仮説を網羅的に抽出する仮説抽出手段と、
前記仮説抽出手段により抽出された前記仮説の尤度を算出する尤度算出手段と、
前記尤度算出手段により算出された前記尤度に基づいて、最適な前記仮説を特定する仮説特定手段と、
前記仮説特定手段により特定された前記仮説に含まれる前記細胞候補領域を前記細胞領域とする細胞領域特定手段と、
前記細胞領域特定手段により特定された前記細胞領域の位置情報を含む細胞領域情報が時系列順に格納される追跡結果データを記憶する記憶手段と、
として機能させるためのプログラム。
Computer
Cell candidate region detection means for detecting cell candidate regions of individual cells in the time lapse image for each frame of the time lapse image so that many overdetections are included but almost no detection is included,
Hypothesis extraction means for exhaustively extracting hypotheses of correspondence between the cell region of the previous frame and the cell candidate region of the detection target frame with respect to the two frames that are continuous in time series,
Likelihood calculation means for calculating the likelihood of the hypothesis extracted by the hypothesis extraction means;
A hypothesis specifying means for specifying the optimal hypothesis based on the likelihood calculated by the likelihood calculating means;
A cell region specifying unit that uses the cell candidate region included in the hypothesis specified by the hypothesis specifying unit as the cell region;
Storage means for storing tracking result data in which cell area information including position information of the cell area specified by the cell area specifying means is stored in chronological order;
Program to function as.
JP2012236056A 2012-10-25 2012-10-25 Cell behavior analysis apparatus, cell behavior analysis method, and program Active JP6090770B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012236056A JP6090770B2 (en) 2012-10-25 2012-10-25 Cell behavior analysis apparatus, cell behavior analysis method, and program

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012236056A JP6090770B2 (en) 2012-10-25 2012-10-25 Cell behavior analysis apparatus, cell behavior analysis method, and program

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014085950A true JP2014085950A (en) 2014-05-12
JP6090770B2 JP6090770B2 (en) 2017-03-08

Family

ID=50788931

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012236056A Active JP6090770B2 (en) 2012-10-25 2012-10-25 Cell behavior analysis apparatus, cell behavior analysis method, and program

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6090770B2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019135267A1 (en) * 2018-01-04 2019-07-11 オリンパス株式会社 Cell image processing device, cell image processing method, and cell image processing program
WO2019244917A1 (en) 2018-06-19 2019-12-26 学校法人帝京大学 Method for analyzing behavior of cells, and use thereof
WO2022071458A1 (en) * 2020-09-30 2022-04-07 テルモ株式会社 Senescent cell determination system

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004350508A (en) * 2003-05-27 2004-12-16 Japan Science & Technology Agency Method for cleaving bound nuclear region on recognition of nuclear region
JP2008216077A (en) * 2007-03-05 2008-09-18 Juntendo Automatic detection method for positive cell of dyeing tissue sample
JP2009033448A (en) * 2007-07-26 2009-02-12 Fuji Xerox Co Ltd Image processing system and program
JP2010205274A (en) * 2010-04-05 2010-09-16 Olympus Corp Image processing apparatus

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004350508A (en) * 2003-05-27 2004-12-16 Japan Science & Technology Agency Method for cleaving bound nuclear region on recognition of nuclear region
JP2008216077A (en) * 2007-03-05 2008-09-18 Juntendo Automatic detection method for positive cell of dyeing tissue sample
JP2009033448A (en) * 2007-07-26 2009-02-12 Fuji Xerox Co Ltd Image processing system and program
JP2010205274A (en) * 2010-04-05 2010-09-16 Olympus Corp Image processing apparatus

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TAKEO KANADE ET AL.: ""Cell Image Analysis: Algorithms, System and Applications"", IEEE WORKSHOP ON APPLICATIONS OF COMPUTER VISION (WACV), 2011, JPN6016036105, 5 January 2011 (2011-01-05), US, pages 374 - 381, XP031913598, ISSN: 0003401643, DOI: 10.1109/WACV.2011.5711528 *
尾形 尚敏、外3名: ""細胞分裂過程における追跡処理の高精度化について"", 映像情報メディア学会技術報告, vol. 36, no. 8, JPN6016036106, 11 February 2012 (2012-02-11), JP, pages 65 - 68, ISSN: 0003401644 *
栗田 直人、外2名: ""オートファゴソーム蛍光画像における輝度極値に基づいた粒子の検出とクラスタリング"", SSII2012 第18回画像センシングシンポジウム ダイジェスト集, JPN6016036107, 6 June 2012 (2012-06-06), JP, pages 1 - 4, ISSN: 0003472404 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019135267A1 (en) * 2018-01-04 2019-07-11 オリンパス株式会社 Cell image processing device, cell image processing method, and cell image processing program
JPWO2019135267A1 (en) * 2018-01-04 2020-12-17 オリンパス株式会社 Cell image processing device, cell image processing method and cell image processing program
WO2019244917A1 (en) 2018-06-19 2019-12-26 学校法人帝京大学 Method for analyzing behavior of cells, and use thereof
US11475578B2 (en) 2018-06-19 2022-10-18 Teikyo University Method for analyzing behavior of cell, and use thereof
WO2022071458A1 (en) * 2020-09-30 2022-04-07 テルモ株式会社 Senescent cell determination system

Also Published As

Publication number Publication date
JP6090770B2 (en) 2017-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yasrab et al. RootNav 2.0: Deep learning for automatic navigation of complex plant root architectures
Yin et al. Cell segmentation in microscopy imagery using a bag of local Bayesian classifiers
Li et al. Cell population tracking and lineage construction with spatiotemporal context
JP6116044B2 (en) Cell behavior analysis apparatus, cell behavior analysis method, and program
Moonrinta et al. Fruit detection, tracking, and 3D reconstruction for crop mapping and yield estimation
WO2017015947A1 (en) A system and a method for object tracking
JP5226119B2 (en) Method and system for dividing objects based on hybrid labels
Barth et al. Angle estimation between plant parts for grasp optimisation in harvest robots
Li et al. Chapter 17: bioimage informatics for systems pharmacology
JP6090770B2 (en) Cell behavior analysis apparatus, cell behavior analysis method, and program
CN114596467A (en) Multimode image classification method based on evidence deep learning
WO2019043162A1 (en) Detection of biological cells and tracing of cell lineage
Koniar et al. Machine vision application in animal trajectory tracking
Valkonen et al. Generalized fixation invariant nuclei detection through domain adaptation based deep learning
Zhang et al. TPMv2: An end-to-end tomato pose method based on 3D key points detection
Zhang et al. Tracking-assisted weakly supervised online visual object segmentation in unconstrained videos
Moussavi et al. A unified graphical models framework for automated mitosis detection in human embryos
Chen Cell tracking in time-lapse microscopy image sequences
JP6405603B2 (en) Information processing apparatus, information processing system, and program
Gao et al. Label a herd in minutes: Individual holstein-friesian cattle identification
Lin et al. BoNuS: Boundary Mining for Nuclei Segmentation with Partial Point Labels
Zhang et al. Multivideo object cosegmentation for irrelevant frames involved videos
Moussavi et al. A unified graphical models framework for automated human embryo tracking in time lapse microscopy
Hossain et al. Renal cancer cell nuclei detection from cytological images using convolutional neural network for estimating proliferation rate
Zheng et al. SCOTT: Shape-location combined tracking with optimal transport

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20151002

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160912

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160920

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161121

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170104

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170201

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6090770

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250