JP2015039342A - 幹細胞分化判定装置および方法並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】幹細胞を含む観察領域を撮影した観察画像に基づいて幹細胞の分化を判定する幹細胞分化判定装置および方法並びにプログラムにおいて、培養者が効率的かつ正確に未分化・分化を確認できるようにする。【解決手段】幹細胞を含む観察領域を時系列に撮影した少なくとも２つの観察画像を取得する観察画像取得部３０と、観察画像毎について、幹細胞の少なくとも１つの特徴量を取得する特徴量取得部３１と、特徴量に基づいて、幹細胞が未分化であるかまたは分化しているかを判定する判定部３２と、時系列に撮影された観察画像間における特徴量の変化に関する情報または観察画像間における未分化から分化への判定結果の変化に関する情報を取得する変化情報取得部３３と、特徴量の変化に関する情報または判定結果の変化に関する情報を出力する表示制御部３４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、幹細胞を含む観察領域を撮影した観察画像に基づいて、幹細胞の分化を判定する幹細胞分化判定装置および方法並びにプログラムに関するものである。

ＥＳ細胞やｉＰＳ細胞などの幹細胞は、種々の組織の細胞に分化する能力を備えたものであり、再生医療、薬の開発、病気の解明などにおいて応用が可能なものとして注目されている。

幹細胞は、細胞培養装置内に設置された培養容器内の培地に播種され、培地上において増殖し、隣接する幹細胞コロニー同士が結合を繰り返すことによって成長する。

この幹細胞の成長過程においては、幹細胞から目的の組織の細胞に分化させる際の分化効率を向上させるため、未分化状態を保持させたまま増殖させることが求められる。そして、一旦分化を開始した幹細胞は、目的の組織に成長させることができない。

また、幹細胞コロニーの未分化性の高い領域のみを切り出して別の培養容器に移植し、継代を行うことがあるが、この継代の際には、未分化の幹細胞のみを抽出する必要がある。すなわち、幹細胞の培養に際しては、幹細胞の未分化・分化を適切に判定する必要がある。

そこで、たとえば特許文献１および特許文献２では、幹細胞を経時的に撮像し、その観察画像の経時的な変化を捉えることで未分化・分化の判定を行うことが提案されている。

また、特許文献３および特許文献４では、培養している幹細胞コロニーについて種々の特徴量を取得し、その特徴量に基づいてコロニー単位で未分化・分化の判別を行うことが提案されている。

また、特許文献５では、幹細胞の数や核小体の数など数十種の特徴量を用いて幹細胞の未分化・分化の判定を行うことが提案されている。

特開２０１２−９５６２７号公報 特開２０１１−２２９４１０号公報 国際公開２０１２／１４７４０３号 特開２００９−４４９７４号公報 特許第４８５２８９０号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２のように、培養者が培養の途中経過の観察画像を観察することによって未分化・分化の判定を行う場合、どの時点で撮影された観察画像を見れば幹細胞の状態が未分化から分化へと変化しているかを判断することはできないため、培養者は全ての時点における観察画像を確認し、幹細胞の状態が変化する箇所を特定する必要があり、非効率的である。

また、特許文献３および特許文献４のように、コロニー単位で未分化・分化の判定を行う場合、培養者が膨大な時間を要して全てのコロニーを確認するか、ランダムにコロニーを選んで確認することになるが、前者は非効率的であり、後者は同条件での培養においてもコロニー毎に不均一性が生じているため、適切な確認方法ではない。

また、特許文献５には、種々の特徴量に基づいて未分化・分化の判定を行うことが開示されているが、培養者が未分化・分化の判定結果を確認する際、どの特徴量を用いた判定結果であるかを確認することができず、判定結果に対する培養者の解釈は、培養者の熟練度に大きく依存してしまう問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑み、培養者が効率的かつ正確に未分化・分化を確認することができる幹細胞分化判定装置および方法並びにプログラムを提供することを目的とする。

本発明の幹細胞分化判定装置は、幹細胞を含む観察領域を時系列に撮影した少なくとも２つの観察画像を取得する観察画像取得部と、観察画像毎について、幹細胞の少なくとも１つの特徴量を取得する特徴量取得部と、特徴量に基づいて、幹細胞が未分化であるかまたは分化しているかを判定する判定部と、時系列に撮影された観察画像間における特徴量の変化に関する情報または観察画像間における未分化から分化への判定結果の変化に関する情報を取得する変化情報取得部と、特徴量の変化に関する情報または判定結果の変化に関する情報を出力する出力部とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の幹細胞分化判定装置においては、変化情報取得部を、特徴量の変化に関する情報として、特徴量が変化した時刻情報、特徴量が変化した観察画像、特徴量が変化した観察領域内の位置情報および特徴量が変化した幹細胞のコロニーを特定する情報のうちの少なくとも１つを取得するものとできる。

また、変化情報取得部を、判定結果の変化に関する情報として、判定結果が変化した時刻情報、判定結果が変化した観察画像、判定結果が変化した観察領域内の位置情報および判定結果が変化した幹細胞のコロニーを特定する情報のうちの少なくとも１つを取得するものとできる。

また、特徴量取得部を、観察領域内における複数の領域のそれぞれついて特徴量を取得するものとし、判定部を、上記領域毎について判定を行うものとする場合において、上記領域毎の特徴量に基づいて、上記領域毎の判定結果の信頼度を取得する信頼度取得部を設け、出力部を、信頼度の低い上記領域の観察画像から優先的に出力するものとできる。

また、上記領域を、幹細胞のコロニーの領域とできる。

また、上記領域を、予め設定された分割領域とできる。

また、出力部を、特徴量を出力するものとできる。

また、観察画像を撮影する撮影部を設け、撮影部を、設定された注目する特徴量に応じて観察画像を撮影する際の光学倍率または解像度を切り替えるものとできる。

また、出力部を、幹細胞のコロニー全体の観察画像を出力するものとできる。

また、出力部を、幹細胞のコロニー内の一部の観察画像を出力するものとできる。

また、出力部を、特徴量が変化した時点または判定結果が変化した時点を中心として前後に撮影された複数の観察画像を動画として出力するものとできる。

本発明の幹細胞分化判定方法は、幹細胞を含む観察領域を時系列に撮影した少なくとも２つの観察画像を取得し、観察画像毎について、幹細胞の少なくとも１つの特徴量を取得し、特徴量に基づいて、幹細胞が未分化であるかまたは分化しているかを判定する際、時系列に撮影された観察画像間における特徴量の変化に関する情報または観察画像間における未分化から分化への判定結果の変化に関する情報を取得し、特徴量の変化に関する情報または判定結果の変化に関する情報を出力することを特徴とする。

本発明の幹細胞分化判定プログラムは、コンピュータを、幹細胞を含む観察領域を時系列に撮影した少なくとも２つの観察画像を取得する観察画像取得部と、観察画像毎について、幹細胞の少なくとも１つの特徴量を取得する特徴量取得部と、特徴量に基づいて、幹細胞が未分化であるかまたは分化しているかを判定する判定部と、時系列に撮影された観察画像間における特徴量の変化に関する情報または観察画像間における未分化から分化への判定結果の変化に関する情報を取得する変化情報取得部と、特徴量の変化に関する情報または判定結果の変化に関する情報を出力する出力部として機能させることを特徴とする。

本発明の幹細胞分化判定装置および方法並びにプログラムによれば、幹細胞を含む観察領域を時系列に撮影した少なくとも２つの観察画像を取得し、観察画像毎について、幹細胞の少なくとも１つの特徴量を取得し、その特徴量に基づいて、幹細胞が未分化であるかまたは分化しているかを判定する場合において、時系列に撮影された観察画像間における特徴量の変化に関する情報または観察画像間における未分化から分化への判定結果の変化に関する情報を取得し、その特徴量の変化に関する情報または判定結果の変化に関する情報を出力するようにしたので、培養者が確認する情報を限定することができ、これにより培養者は効率的かつ正確に未分化・分化を確認することができる。

本発明の幹細胞分化判定装置の第１の実施形態を用いた幹細胞培養観察システムの概略構成を示すブロック図 注目する特徴量と、倍率および解像度とを対応づけたテーブルの一例を示す図 観察領域を分割した分割領域の一例を示す図 観察領域の一例を示す図 図１に示す幹細胞培養観察システムの作用を説明するためのフローチャート 本発明の幹細胞分化判定装置の第２の実施形態を用いた幹細胞培養観察システムの概略構成を示すブロック図 信頼度の高低に基づく予め設定された配列で幹細胞コロニーの画像を並べて表示した一例を示す図

以下、本発明の幹細胞分化判定装置および方法並びにプログラムの第１の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は、幹細胞を時系列に撮影した観察画像の変化情報の出力などに特徴を有するものであるが、まず、その幹細胞分化判定装置を備えた幹細胞培養観察システムの全体構成について説明する。図１は、幹細胞培養観察システムの概略構成を示すブロック図である。

幹細胞培養観察システムは、図１に示すように、幹細胞培養装置１、撮影装置２と、幹細胞分化判定装置３と、ディスプレイ４と、入力装置５とを備えている。

幹細胞培養装置１は、幹細胞の培養を行うための装置である。幹細胞培養装置１内には、培養対象の幹細胞を培地に播種した培養容器が複数収容されている。そして、幹細胞培養装置１は、ステージ１０と搬送部１１と制御部１２とを備えている。

ステージ１０は、撮影装置２による撮影対象の培養容器が設置されるものである。また、搬送部１１は、幹細胞培養装置１内の所定位置に収容されている複数の培養容器の中から撮影対象の培養容器を選択し、その選択した培養容器をステージ１０まで搬送するものでる。また、制御部１２は、幹細胞培養装置１全体を制御するものであり、上述したステージ１０や搬送部１１の動作以外に、幹細胞培養装置１内の温度、湿度およびＣＯ_２濃度などの環境条件を制御するものである。なお、温度、湿度およびＣＯ_２濃度を調整するための構成については、公知な構成を用いることができる。

撮影装置２は、ステージ１０に設置された培養容器内における幹細胞を含む観察領域の観察画像を時系列に撮影するものである。撮影装置２は、観察画像を結像して取得するための光学系２０と、光学系２０によって結像された観察画像を光電変換して画像信号として出力する撮像素子２１と、光学系２０および撮像素子２１を制御する制御部２２とを備えている。

光学系２０としては、たとえば位相差顕微鏡や微分干渉顕微鏡を用いることができる。また、撮像素子２１としては、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）センサやＣＣＤ（charge-coupled device）センサなどを用いることができる。

制御部２２は、撮影装置２全体を制御するものであるが、特に、本実施形態においては、光学系２０の倍率や、撮像素子２１の解像度を制御するものである。

具体的には、本実施形態においては、幹細胞分化判定装置３における幹細胞の未分化・分化の判定の際に用いられる注目する特徴量に応じて倍率や解像度を変更するものである。

たとえば、制御部２２には、図２に示すような注目する特徴量と、倍率および解像度とを対応づけたテーブルが設定されている。そして、幹細胞の観察画像の撮影前に、ユーザによって入力装置５を用いて注目する特徴量が入力される。ユーザによって入力された特徴量は、幹細胞分化判定装置３の判定部３２に設定されるとともに、幹細胞分化判定装置３の制御部３５を介して撮影装置２の制御部２２に入力され、制御部２２は、入力された特徴量に基づいて上記テーブルを参照し、光学系２０の倍率と撮像素子２１の解像度とを設定する。

図２に示すテーブルでは、注目する特徴量がコロニーの円形度である場合には、相対的に低い倍率（４倍）と低い解像度（３４０画素×２５６画素）を設定し、注目する特徴量が幹細胞の密集度である場合には、相対的に高い倍率（２０倍）と高い解像度（１３６０画素×１０２４画素）を設定するようにしている。これは、コロニーの円形度を特徴量として取得する場合には、コロニー全体を認識する必要があるため低い倍率の方が好ましく、また、コロニーの外形を認識するだけで良いのでそれ程高い解像度は必要ないからである。一方、幹細胞の密集度を特徴量として取得する場合には、コロニー内の幹細胞の一つ一つを認識する必要があるため高い倍率と解像度の方が好ましいからである。

なお、解像度の変更については、たとえば互いに解像度の異なる複数の撮像素子２１を切り替えるようにしてもよいし、１つの撮像素子２１から画像信号を読み出す際に、たとえばビニングなどを行うことによってダウンサンプリングするようにしてもよい。

また、特徴量としてコロニーの円形度と幹細胞の密集度との両方を取得する場合には、倍率および解像度を切り替えてそれぞれ観察画像を撮像するようにしてもよいし、図２の倍率および解像度とは別の倍率および解像度をテーブルに含めておき、その倍率および解像度を設定するようにしてもよい。

また、幹細胞分化判定装置３における幹細胞の未分化・分化の判定の際に用いられる特徴量は、幹細胞の成熟度に応じて切り替えるようにしてもよく、その成熟度に応じた特徴量に基づいて撮影装置２の倍率および解像度を設定するようにしてもよい。具体的には、たとえば幹細胞がまだコロニーを形成するまで成熟していない間は、幹細胞コロニーの外形で未分化・分化を判定すると精度が低下する可能性がある。そこで、このような段階では、幹細胞が未分化である場合にはその分布は均一にとなり、幹細胞の一部が分化している場合にはその分布は不均一となるので、注目する特徴量として幹細胞の均一性を設定し、撮影装置２における倍率および解像度を、幹細胞の均一性に対応する倍率および解像度に設定するようにすればよい。具体的には、たとえば、図２に示したようにコロニーの円形度を評価する場合よりも相対的に高い倍率および解像度を設定する。

そして、幹細胞の成熟度が進み、コロニーを形成する程度になった段階では、幹細胞分化判定装置３において注目する特徴量をコロニーの円形度および幹細胞の密集度に設定し、撮影装置２における倍率および解像度を、コロニーの円形度および幹細胞の密集度のそれぞれに対応する倍率および解像度に設定し、それぞれの倍率および解像度で観察画像を撮影すればよい。具体的には、たとえば、コロニーの円形度を評価するための観察画像を撮影する場合には、相対的に低い倍率および解像度に設定して観察画像を撮影し、幹細胞の密集度を評価するための観察画像を撮影する場合には、相対的に高い倍率および解像度に設定して観察画像を撮影すればよい。

次いで、さらに幹細胞の成熟度が進み、コロニー同士が結合し始めた段階では、コロニーの円形度に基づく未分化・分化の判定は誤判定を招くおそれがある。したがって、この段階では、注目する特徴量として幹細胞の密集度を設定し、撮影装置２における倍率および解像度を、幹細胞の密集度に対応する倍率および解像度に設定するようにすればよい。具体的には、たとえば、上述したようにコロニーの円形度を評価する場合よりも相対的に高い倍率および解像度に設定する。

幹細胞の成熟度については、たとえばタイマを設け、タイマによる経過時間を成熟度として取得するようにしてもよいし、または、観察画像内における幹細胞の数をカウントし、そのカウント数を成熟度として取得するようにしてもよい。

幹細胞分化判定装置３は、コンピュータに対して本発明の幹細胞分化判定プログラムの一実施形態がインストールされたものである。
幹細胞分化判定装置３は、中央処理装置、半導体メモリおよびハードディスクなどを備えており、ハードディスクに幹細胞分化判定プログラムの一実施形態がインストールされている。そして、このプログラムが中央処理装置を有する制御部３５によって実行されることによって、図１に示すような観察画像取得部３０、特徴量取得部３１、判定部３２、変化情報取得部３３および表示制御部３４が動作する。なお、本実施形態においては、表示制御部が、出力部に相当するものである。ただし、出力部は、表示制御するものに限らず、たとえば他の装置に記録するために出力するものでもよい。

観察画像取得部３０は、撮影装置２において時系列に撮影された複数の観察画像を取得して記憶するものである。また、観察画像取得部３０は、取得した観察画像を特徴量取得部３１と表示制御部３４に出力するものである。

特徴量取得部３１は、観察画像取得部３０によって取得された時系列の観察画像毎について、幹細胞の少なくとも１つの特徴量を取得するものである。幹細胞の特徴量としては、上述した幹細胞のコロニーの円形度や、幹細胞の密集度、幹細胞の均一性などがある。

また、特徴量としては、これらに限らず、その他の特徴量を取得するようしてもよい。たとえば、コロニーの形態的な特徴量としては、コロニーの内部に穴などの欠陥が存在するか否かを取得するようにしてもよい。コロニーの内部に欠陥がある場合、分化が進んでいると考えられる。

コロニーの円形度やコロニーの内部の欠陥については、観察画像を二値化してラベリングしたものから取得することができる。また、幹細胞の密集度や幹細胞の均一性については、Sobelフィルタなどを用いて観察画像からエッジを検出し、そのエッジの密集度や均一性を算出することで取得することができる。

また、幹細胞の均一性とコロニーの円形度との両方を特徴量として取得し、幹細胞の成熟度に応じてこれらの特徴量に対する重み付けを変化させて評価値を取得するようにしてもよい。具体的には、たとえば、成熟度が進んでいない段階では、幹細胞の均一性に対する重み付けをコロニーの円形度に対する重み付けよりも大きくし、成熟度がある程度進んだ段階では、コロニーの円形度に対する重み付けを幹細胞の均一性に対する重み付けよりも大きくするようにしてもよい。

また、培養条件に応じた特徴量を取得したり、培養条件に応じて上述した重み付けを変化させたりしてもよい。具体的には、たとえば培地にコロニーを播種して培養する場合には、コロニーの円形度を特徴量として取得し、培地に幹細胞単体を播種して培養する場合には、幹細胞の密集度や均一性などを特徴量として取得するようにしてもよい。

また、たとえば、上述したコロニー播種の場合には、コロニーの円形度に対する重み付けを幹細胞の密集度に対する重み付けよりも大きくし、幹細胞単体の播種の場合には、幹細胞の密集度に対する重み付けをコロニーの円形度に対する重み付けよりも大きくするようにしてもよい。なお、培養条件は、ユーザによって入力装置５を用いて入力される。

そして、本実施形態の特徴量取得部３１は、観察画像内に存在する幹細胞コロニー毎に上述した特徴量や評価値を取得するものである。各幹細胞コロニーは、たとえば観察画像からエッジを検出し、その検出したエッジに対してパターンマッチングを行うことによって検出することができる。なお、上述した幹細胞単位の播種であって、まだ成熟度が進んでおらず幹細胞コロニーが明確に形成されていない段階の場合には、たとえば図３に示すように観察領域を予め設定された複数の分割領域に分割し、その分割領域毎に特徴量を取得するようにすればよい。

判定部３２は、特徴量取得部３１において取得された幹細胞コロニー毎または分割領域毎の特徴量や評価値に基づいて、観察画像内の幹細胞が未分化であるかまたは分化しているかを判定するものである。具体的には、判定部３２は、特徴量としてコロニーの円形度を取得する場合には、その円形度と予め設定された閾値とを比較し、円形度が閾値以上である場合に、未分化であると判定し、円形度が閾値未満である場合に、分化していると判定するものである。

また、判定部３２は、特徴量として幹細胞の密集度を取得する場合には、その幹細胞の密集度と予め設定された閾値とを比較し、密集度が閾値以上である場合に、未分化であると判定し、密集度が閾値未満である場合に、分化していると判定するものである。

また、判定部３２は、特徴量として幹細胞の均一性を取得する場合には、その幹細胞の均一性と予め設定された閾値とを比較し、均一性が閾値以上である場合に、未分化であると判定し、均一性が閾値未満である場合に、分化していると判定するものである。

また、判定部３２は、特徴量としてコロニーの内部の欠陥を取得する場合には、コロニーの内部に欠陥が存在しない場合には、未分化であると判定し、コロニーの内部に欠陥が存在する場合には、分化していると判定するものである。

なお、上記説明では、１つ１つの特徴量についての判定方法を説明したが、たとえば複数の特徴量を取得する場合には、その複数の特徴量の中で少なくとも１つの特徴量に基づく判定結果が分化しているという判定結果の場合に、分化しているという最終的な判定結果を取得するようにしてもよいし、一部の複数の特徴量に基づく判定結果が分化しているという判定結果の場合に、分化しているという最終的な判定結果を取得するようにしてもよいし、全ての特徴量に基づく判定結果が分化しているという判定結果の場合に、分化しているという最終的な判定結果を取得するようにしてもよい。また、複数の特徴量に重み付けをして評価値を算出する場合には、その評価値と予め設定された閾値とを比較することによって未分化であるかまたは分化しているかを判定するようにしてもよい。

変化情報取得部３３は、時系列に撮影された観察画像間における特徴量の変化に関する情報または観察画像間における未分化から分化への判定結果の変化に関する情報を取得するものである。

具体的には、変化情報取得部３３は、特徴量の変化に関する情報として、たとえば特徴量が変化した時刻情報、特徴量が変化した観察画像、特徴量が変化した観察領域内の位置情報および特徴量が変化した幹細胞のコロニーを特定する情報のうちの少なくとも１つを取得するものである。

特徴量が変化した時刻情報とは、たとえば観察画像内に存在する少なくとも１つの幹細胞コロニーの円形度が閾値以上となった撮影時刻や少なくとも１つの幹細胞コロニーの幹細胞の密集度が閾値以上となった撮影時刻などである。また、このように特徴量が閾値を跨いだ撮影時刻に限らず、たとえば特徴量の変化量が、予め設定された変化量以上となる場合の撮影時刻を取得するようにしてもよい。

なお、各幹細胞コロニーや各分割領域についてその他の特徴量や評価値を取得する場合には、その特徴量や評価値が、未分化判定となる値から分化判定となる値に変化したときの撮影時刻を特徴量が変化した時刻情報として取得してもよいし、その特徴量や評価値が、予め設定された変化量以上となる場合の撮影時刻を取得するようにしてもよい。

また、１つの幹細胞コロニーや分割領域について複数の特徴量や評価値を取得する場合には、そのうちの少なくとも１つの値が変化した時点における撮影時刻を取得してもよいし、予め設定された一部の複数の値がそれぞれ変化した撮影時刻のうち最も遅い撮影時刻を特徴量が変化した時刻情報として取得するようにしてもよいし、全ての値がそれぞれ変化した撮影時刻のうち最も遅い撮影時刻を特徴量が変化した時刻情報として取得するようにしてもよい。

また、特徴量が変化した観察画像とは、上述した特徴量が変化した時刻情報において撮影された観察画像である。なお、特徴量が変化した観察画像としては、特徴量が変化した撮影時刻の観察画像のみを取得してもよいし、特徴量が変化した撮影時刻の観察画像とその１つ前の時刻に撮影された観察画像とを取得するようにしてもよい。

また、特徴量が変化した観察領域内の位置情報とは、たとえば、上述したように特徴量や評価値が変化した幹細胞コロニーや分割領域が存在する観察領域内の位置情報である。位置情報としては観察領域内の座標値が取得される。本実施形態においては、図４に示すように、培養容器内の中央付近の１０ｃｍ×１０ｃｍの矩形領域を観察領域とし、この観察領域の左上の角の点を座標値（０，０）として座標が割り当てられているものとする。幹細胞コロニーが存在する座標値としては、たとえば幹細胞コロニーの中心または重心の座標値が取得される。また、分割領域の座標値としては、分割領域の中心または重心の座標値が取得される。

幹細胞のコロニーを特定する情報とは、たとえば観察領域内に存在する幹細胞コロニーに対して番号をそれぞれ付けるようにした場合において、上述したように特徴量や評価値が変化した幹細胞コロニーの番号のことである。

また、上記説明では、変化情報取得部３３において、特徴量の変化に関する情報を取得する場合について説明したが、判定部３２における判定が未分化から分化に変化した判定結果の変化に関する情報を取得するようにしてもよい。

具体的には、変化情報取得部３３が、判定結果の変化に関する情報として、判定結果が変化した時刻情報、判定結果が変化した観察画像、判定結果が変化した観察領域内の位置情報および判定結果が変化した幹細胞のコロニーを特定する情報のうちの少なくとも１つを取得するものとしてもよい。

判定結果が変化した時刻情報とは、たとえば観察画像内に存在する少なくとも１つの幹細胞コロニーや分割領域の判定結果が未分化から分化に変化した撮影時刻である。

また、判定結果が変化した観察画像とは、上述した判定結果が変化した時刻情報において撮影された観察画像である。なお、判定結果が変化した観察画像としては、判定結果が変化した撮影時刻の観察画像のみを取得してもよいし、判定結果が変化した撮影時刻の観察画像とその前の時刻に撮影された観察画像とを取得するようにしてもよい。

また、判定結果が変化した観察領域内の位置情報とは、たとえば、判定結果が未分化から分化に変化した幹細胞コロニーや分割領域が存在する観察領域内の位置情報である。

幹細胞のコロニーを特定する情報とは、たとえば観察領域内に存在する幹細胞コロニーに対して番号をそれぞれ付けるようにした場合において、判定結果が未分化から分化に変化した幹細胞コロニーの番号のことである。

表示制御部３４は、変化情報取得部３３において特徴量の変化に関する情報を取得する場合には、その特徴量の変化に関する情報をディスプレイ４に表示させるものである。すなわち、表示制御部３４は、上述した特徴量が変化した時刻情報、特徴量が変化した観察画像、特徴量が変化した観察領域内の位置情報および特徴量が変化した幹細胞のコロニーを特定する情報のうちの少なくとも１つをディスプレイ４に表示させるものである。

また、表示制御部３４は、変化情報取得部３３において判定結果の変化に関する情報を取得する場合には、その判定結果の変化に関する情報をディスプレイ４に表示させるものである。すなわち、表示制御部３４は、判定結果が変化した時刻情報、判定結果が変化した観察画像、判定結果が変化した観察領域内の位置情報および判定結果が変化した幹細胞のコロニーを特定する情報のうちの少なくとも１つをディスプレイ４に表示させるものである。

表示制御部３４が、特徴量または判別結果が変化した観察領域内の位置情報をディスプレイ４に表示させる場合には、その位置情報の幹細胞コロニーや分割領域が即座に判別できるようにマークなどを付して強調表示したり、その位置情報の幹細胞コロニーや分割領域とそれ以外の幹細胞コロニーや分割領域とに異なる色を割り当てたカラーマップを表示させるようにしてもよい。特徴量または判別結果が変化した幹細胞コロニーを特定する情報を表示する場合にも、その幹細胞コロニーが即座に判別できるように幹細胞コロニーに対してマークなどを付して強調表示したり、その幹細胞コロニーとそれ以外の幹細胞コロニーとに異なる色を割り当てたカラーマップを表示させるようにしてもよい。

入力装置５は、マウスやキーボードなどを備えたものであり、ユーザによる操作入力を受け付けるものである。たとえば、入力装置５は、光学系２０の光学倍率や撮像素子２１の解像度を決定する際における注目する特徴量の設定入力を受け付け可能なものである。また、観察画像を複数の分割領域に分割して分割領域毎の特徴量や判定結果を取得する場合には、その分割領域の範囲の設定入力を受け付け可能なものである。

次に、上述した幹細胞培養観察システムの作用について、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。

まず、幹細胞培養装置１において、搬送部１１によって、収容されている複数の培養容器の中から撮影対象の培養が選択され、その選択された培養容器がステージ１０に設置される（Ｓ１０）。

そして、撮影装置２によって、培養容器内の幹細胞を含む観察領域の観察画像の撮影が行われる（Ｓ１２）。

具体的には、図４に示すような１０ｃｍ×１０ｃｍの矩形の観察領域を位相差顕微鏡によって４０ショット×４０ショットで撮影して１枚の観察画像を取得する。そして、本実施形態においては、幹細胞の播種時、１日後、２日後、３日後・・・と２４時間間隔の時系列の観察画像を撮影するものとする。ただし、観察画像を撮影する間隔についてはこれに限らず、たとえば３時間間隔で観察画像を撮影するようにしてもよいし、３時間後、５時間後、８時間後というように撮影間隔を次第に長くしながら撮影するようにしてもよいし、逆に８時間後、５時間後、３時間後というように撮影間隔を次第に短くしながら撮影するようにしてもよい。なお、撮影間隔についてはユーザによって入力装置５を用いて予め設定され、その設定に基づいて自動的に撮影が行われる。そして、各観察画像は、その撮影時刻とともに取得され、その撮影時刻は観察画像に付随するものとする。

また、ここでは、撮影装置２の光学倍率を２０倍、解像度を１３６０×１０２４として撮影を行うものとするが、これに限らず、上述したように注目する特徴量に応じて光学倍率および解像度を変更するようにしてもよい。

そして、撮影装置２によって撮影された時系列の観察画像は幹細胞分化判定装置３に出力され、幹細胞分化判定装置３の観察画像取得部３０によって取得される（Ｓ１４）。

観察画像取得部３０によって取得された時系列の観察画像は特徴量取得部３１に出力され、特徴量取得部３１は、観察画像毎について、幹細胞の少なくとも１つの特徴量を取得する（Ｓ１６）。ここでは、特徴量取得部３１は、観察画像内の存在する幹細胞コロニー毎について、それぞれ幹細胞コロニーの円形度と幹細胞の密集度とを特徴量として取得する。

次いで、特徴量取得部３１によって各観察画像の各幹細胞コロニーについて取得された特徴量は判定部３２に出力され、判定部３２は、入力された各観察画像の各幹細胞コロニーの特徴量に基づいて、各幹細胞コロニーが未分化であるかまたは分化しているかを判定する（Ｓ１８）。具体的には、幹細胞コロニーの円形度が予め設定された閾値以上であり、かつ幹細胞の密集度が予め設定された閾値以上である場合に、その幹細胞コロニーは未分化であると判定し、幹細胞コロニーの円形度が閾値未満であるか、または幹細胞の密集度が閾値未満である場合に、その幹細胞コロニーは分化していると判定する。

一方、特徴量取得部３１によって各観察画像の各幹細胞コロニーについて取得された特徴量は変化情報取得部３３に出力され、変化情報取得部３３は、少なくとも１つの幹細胞コロニーの特徴量が閾値を跨いだ観察画像の撮影時刻を特徴量の変化に関する情報として取得する（Ｓ２０）。すなわち、少なくとも１つの幹細胞コロニーの円形度または幹細胞の密集度が閾値未満となった観察画像が撮影された撮影時刻を取得する。

変化情報取得部３３は、上述したようにして取得された撮影時刻とその撮影時刻に撮影された観察画像とを表示制御部３４に出力し、表示制御部３４は、入力された撮影時刻と観察画像とをディスプレイ４に表示させる（Ｓ２２）。

上記第１の実施形態の幹細胞培養観察システムによれば、時系列に撮影された観察画像間における特徴量の変化に関する情報または観察画像間における未分化から分化への判定結果の変化に関する情報を取得し、その特徴量の変化に関する情報または判定結果の変化に関する情報を出力するようにしたので、培養者が確認する情報を限定することができ、これにより培養者は効率的かつ正確に未分化・分化を確認することができる。

また、表示制御部３４が観察画像をディスプレイ４に表示させる際、観察画像内に存在する各幹細胞コロニーの円形度や密集度などの特徴量をディスプレイ４に表示させたり、各幹細胞コロニーの未分化・分化の判定結果をディスプレイ４に表示させたりしてもよい。このように特徴量を表示させることによって、未分化・分化の判定結果の根拠を培養者が知ることができ、培養者の熟練度に依らずに判定確認を行うことができる。

また、表示制御部３４が、変化情報取得部３３において取得された撮影時刻の観察画像だけでなく、その他の撮影時刻の観察画像やその観察画像内に存在する幹細胞コロニーの円形度や密集度や未分化・分化の判定結果をディスプレイ４に表示させたりしてもよい。

次に、本発明の幹細胞分化判定装置および方法並びにプログラムの第２の実施形態を用いた幹細胞培養観察システムについて説明する。

第２の実施形態の幹細胞培養観察システムは、図６に示すように、第１の実施形態の幹細胞培養観察システムに対してさらに信頼度取得部３６を設けるようにしたものである。その他の構成については、第１の実施形態の幹細胞培養観察システムと同様である。

信頼度取得部３６は、幹細胞コロニー毎または分割領域毎に取得された特徴量に基づいて、幹細胞コロニー毎または分割領域毎の判定結果の信頼度を取得するものである。

具体的には、たとえば各幹細胞コロニーについて円形度と幹細胞の密集度とを特徴量として取得し、これらに重み付けをして算出した評価値に基づいて未分化・分化の判定を行う場合には、コロニーの円形度が予め設定された閾値以上であり、かつ幹細胞の密集度が予め設定された閾値以上である場合、すなわち円形度による判定結果と幹細胞の密集度による判定結果とが合致する場合には、上記評価値に基づく判定結果の信頼度は高いものとして信頼度「１」を取得する。

また、コロニーの円形度が閾値未満であり、かつ幹細胞の密集度が閾値未満である場合も、円形度による判定結果と幹細胞の密集度による判定結果とが合致するので、上記評価結果に基づく判定結果の信頼度は高いものとして信頼度「１」を取得する。

そして、コロニーの円形度と幹細胞の密集度が上述したような値以外の場合には、すなわち円形度による判定結果と幹細胞の密集度による判定結果とが相反する場合には、上記評価値に基づく判定結果の信頼度は低いものとして信頼度「０」を取得する。

なお、上記説明では、２段階の信頼度を取得するようにしたが、２段階に限らず、３段階以上の信頼度を取得するようにしてもよい。具体的には、コロニーの円形度や幹細胞の密集度の閾値との差を取得し、その差が大きいほど信頼度を低くし、差が小さいほど信頼度を高くするようにしてもよい。

また、上記説明では、コロニーの円形度および幹細胞の密集度から算出された評価値に基づいて未分化・分化の判定を行う場合における信頼度の取得方法について説明したが、これに限らず、たとえば１つの特徴量に基づいて未分化・分化の判定を行う場合には、その特徴量と閾値との差に基づいて判定結果の信頼度を取得するようにすればよい。

信頼度取得部３６によって取得された幹細胞コロニー毎または分割領域毎の信頼度は、表示制御部３４に出力される。そして、表示制御部３４は、上述したように特徴量または判定結果が変化した観察画像を表示する際、入力された信頼度に基づいて、信頼度の低い幹細胞コロニーまたは分割領域の画像から優先的に表示させる。

優先的に表示させる方法としては、たとえば信頼度の低い幹細胞コロニーまたは分割領域の画像から順番に切り替えて表示させるようにしてもよいし、図７に示すように、信頼度の高低に基づく予め設定された配列で幹細胞コロニーまたは分割領域の画像を並べて表示するようにしてもよい。なお、図７に示す例では、左上から右下に向けて信頼度が高くなるものとする。

上記第２の実施形態の幹細胞培養観察システムによれば、信頼度の低い画像を優先的に表示させるようにしたので、培養者は、信頼度の低い画像から優先的に判定結果を確認すれば良く、これにより効率的に判定結果の確認作業を行うことができる。

また、特徴量または判定結果が変化した観察画像以外の観察画像を表示する際にも、上述したように信頼度の低い幹細胞コロニーまたは分割領域の画像から優先的に表示させるようにしてもよい。

また、上述したように信頼度の低い幹細胞コロニーまたは分割領域の画像を優先的に表示する際、信頼度を取得するために用いた特徴量の内容も一緒に表示するようにしてもよい。

また、上記第１および第２の実施形態の幹細胞培養観察システムにおいて、表示制御部３４が観察画像を表示する際、幹細胞コロニー全体を表示してもよいし、幹細胞コロニー内の一部の画像を表示するようにしてもよい。

また、表示制御部３４が、特徴量または判別結果が変化した観察画像を表示する際、特徴量または判別結果が変化した撮影時刻を中心として前後に撮影された１０枚程度の観察画像を動画として表示するようにしてもよい。このように動画表示することによって未分化から分化への変化の軌跡を確認することができる。

１ 幹細胞培養装置
２ 撮影装置
３ 幹細胞分化判定装置
４ ディスプレイ
５ 入力装置
１０ ステージ
１１ 搬送部
１２ 制御部
２０ 光学系
２１ 撮像素子
２２ 制御部
３０ 観察画像取得部
３１ 特徴量取得部
３２ 判定部
３３ 変化情報取得部
３４ 表示制御部
３５ 制御部
３６ 信頼度取得部

Claims (13)

1. 幹細胞を含む観察領域を時系列に撮影した少なくとも２つの観察画像を取得する観察画像取得部と、
   前記観察画像毎について、前記幹細胞の少なくとも１つの特徴量を取得する特徴量取得部と、
   前記特徴量に基づいて、前記幹細胞が未分化であるかまたは分化しているかを判定する判定部と、
   時系列に撮影された前記観察画像間における前記特徴量の変化に関する情報または前記観察画像間における前記未分化から前記分化への判定結果の変化に関する情報を取得する変化情報取得部と、
   前記特徴量の変化に関する情報または前記判定結果の変化に関する情報を出力する出力部とを備えたことを特徴とする幹細胞分化判定装置。
2. 前記変化情報取得部が、前記特徴量の変化に関する情報として、前記特徴量が変化した時刻情報、前記特徴量が変化した前記観察画像、前記特徴量が変化した前記観察領域内の位置情報および前記特徴量が変化した前記幹細胞のコロニーを特定する情報のうちの少なくとも１つを取得するものである請求項１記載の幹細胞分化判定装置。
3. 前記変化情報取得部が、前記判定結果の変化に関する情報として、前記判定結果が変化した時刻情報、前記判定結果が変化した前記観察画像、前記判定結果が変化した前記観察領域内の位置情報および前記判定結果が変化した前記幹細胞のコロニーを特定する情報のうちの少なくとも１つを取得するものである請求項１または２記載の幹細胞分化判定装置。
4. 前記特徴量取得部が、前記観察領域内における複数の領域のそれぞれついて前記特徴量を取得するものであり、前記判定部が、前記領域毎について前記判定を行うものである場合において、
   前記領域毎の前記特徴量に基づいて、前記領域毎の前記判定結果の信頼度を取得する信頼度取得部を備え、
   前記出力部が、前記信頼度の低い前記領域の前記観察画像から優先的に出力するものである請求項１から３いずれか１項記載の幹細胞分化判定装置。
5. 前記領域が、前記幹細胞のコロニーの領域である請求項４記載の幹細胞分化判定装置。
6. 前記領域が、予め設定された分割領域である請求項４記載の幹細胞分化判定装置。
7. 前記出力部が、前記特徴量を出力するものである請求項１から６いずれか１項記載の幹細胞分化判定装置。
8. 前記観察画像を撮影する撮影部を備え、
   該撮影部が、設定された注目する前記特徴量に応じて前記観察画像を撮影する際の光学倍率または解像度を切り替えるものである請求項１から７いずれか１項記載の幹細胞分化判定装置。
9. 前記出力部が、前記幹細胞のコロニー全体の前記観察画像を出力するものである請求項１から８いずれか１項記載の幹細胞分化判定装置。
10. 前記出力部が、前記幹細胞のコロニー内の一部の前記観察画像を出力するものである請求項１から８いずれか１項記載の幹細胞分化判定装置。
11. 前記出力部が、前記特徴量が変化した時点または前記判定結果が変化した時点を中心として前後に撮影された複数の前記観察画像を動画として出力するものである請求項１から１０いずれか１項記載の幹細胞分化判定装置。
12. 幹細胞を含む観察領域を時系列に撮影した少なくとも２つの観察画像を取得し、
    前記観察画像毎について、前記幹細胞の少なくとも１つの特徴量を取得し、
    前記特徴量に基づいて、前記幹細胞が未分化であるかまたは分化しているかを判定する際、
    時系列に撮影された前記観察画像間における前記特徴量の変化に関する情報または前記観察画像間における前記未分化から前記分化への判定結果の変化に関する情報を取得し、
    前記特徴量の変化に関する情報または前記判定結果の変化に関する情報を出力することを特徴とする幹細胞分化判定方法。
13. コンピュータを、
    幹細胞を含む観察領域を時系列に撮影した少なくとも２つの観察画像を取得する観察画像取得部と、
    前記観察画像毎について、前記幹細胞の少なくとも１つの特徴量を取得する特徴量取得部と、
    前記特徴量に基づいて、前記幹細胞が未分化であるかまたは分化しているかを判定する判定部と、
    時系列に撮影された前記観察画像間における前記特徴量の変化に関する情報または前記観察画像間における前記未分化から前記分化への判定結果の変化に関する情報を取得する変化情報取得部と、
    前記特徴量の変化に関する情報または前記判定結果の変化に関する情報を出力する出力部として機能させることを特徴とする幹細胞分化判定プログラム。

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