JP2017224108A - データ復元装置、顕微鏡システム、およびデータ復元方法 - Google Patents
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Abstract
Description
系の点像分布関数(PSF)を用いて、
測定画像(IM) = 点像分布関数(PSF)*物体(OBJ)
と表せる。ここで「*」は畳み込みを表す。
の超解像画像を得ることができる(IPSF*IM = IPSF*PSF*OBJ = OBJ)。これがデコンボリューション法の原理である。
鏡の対物レンズの透過帯域外の情報を復元するためには、大きなSN比が要求される。このため、従来のデコンボリューションソフトでは、ノイズ対策のために、帯域外の情報をフィルタにより除去したり漸近法を用いたりすることで復元画像を得ている。
4,特許文献1−2参照)などがある。
により除去しているため、復元可能な微細構造には限界がある。また、推定法も点推定のため、信頼性が曖昧である。
空間分解能を従来よりもさらに向上させた超解像化を実現することを目的とする。
撮像光学系から得られる像の光子検出数分布を取得する取得手段と、
あらかじめ求められているIPSF(点像分布関数PSFの逆関数)を用いて前記光子検出分布から推定画像を取得する復元手段と、
前記推定画像および当該推定画像と類似する複数の画像について、当該画像が正解画像である確からしさを表す評価値を算出する評価値算出手段と、
評価値が有意水準以上となるような物理パラメータを生成し出力する出力手段と、
を備えることを特徴とするデータ復元装置である。
限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。
デコンボリューションは回折ボケによって損なわれた高周波数成分を戻す処理といえるので、高周波ノイズが混じった画像にデコンボリューションを施すとノイズが強調される。そこで、従来技術では、ノイズ対策のために帯域外の情報をフィルタにより除去したり漸近法を用いたりしている。このような手法では情報が棄てられてしまうので、十分な高解像化が行えない。そこで、本発明では、帯域外の情報を棄てずに超解像化を行う。
画像を、試料画像および点光源画像と称する。
れる。
A)(B)はいずれも、緑色蛍光タンパク質GFPで標識したCOP2小胞上の酵母SEC24の1つを拡大して示している。
できる。
あると仮定したときに位置rにおいて光子が検出される確率を表す。尤度関数LHFは、推定画像EOBJが正解画像であると仮定したときに測定画像IMが得られる確率を表す。
)である。PSF[r].EOBJは総和が1なので、イェンゼンの不等式から、f(r)=PSF[r].EOBJ
の時のみ尤度関数LHFが最大値を取ることを示せる。
度を計算すると誤差を評価できる。図5(A)(B)は、最尤推定値付近での推定画像の評価値を表す。簡単のために、図5(A)は推定画像EOBJが2画素の場合、図5(B)は推定画像EOBJが3画素の場合を示すが、推定画像EOBJは実際にはより多数の画素(たとえば、1003~10003=106~109画素)からなる。想定される推定画像の全てに対して評価値を求めると計算量・データ量が多くなるが、最尤推定値付近のみの評価値を求めることで計算量およびデータ量を削減できる。
得ることができる。図6(A)は推定画像EOBJを示し、図6(B)は適当な有意水準を与えて信頼できる水準までビニングした結果の画像である。ビニングによってピクセルあたりの光子数を十分大きくすることで、高信頼で高分解能な画像が得られる。
本実施形態における顕微鏡は単一光子条件で高速かつ高分解能に撮影を行う必要がある。単一光子条件とは、1回の照射に対して検出される光子が1個以下であるという条件である。このような測定装置として、高速撮影可能な共焦点スキャナ顕微鏡システム(特許文献3参照)が挙げられる。ここでは、その構成を簡単に説明する。
[PSFおよびIPSFの決定]
図8は、点像分布関数PSFおよびその逆関数IPSFの決定処理のフローチャートである。
ステップS11において、Q-Dot(量子ドット)のような微小点光源(評価用試料)を単
一光子条件下で測定する。この際、たとえば、高速にZ位置を変えて撮影することによって3次元画像を得る。この際、システムのノイズ特性の確率分布も測っておく。
増幅されて拡がりを有する領域が撮影される。そこで、解析装置70は、この領域の中心に1つの光子が検出されたものとして計数する。それぞれの撮影画像について光子を検出することで、光子の検出頻度の3次元分布が得られる。
図8は、測定対象物の測定処理および解析処理の流れを示すフローチャートである。
それ以外の位置で値0とする。
算出する。ここで、最尤推定値の「付近」は適宜定義すればよい。たとえば、最尤推定値OBJESTの各画素値に−2から+2の変動を加えた画像(5画素数個)を、最尤推定値の「
付近」と定義することができる。もっとも、変動値の幅は画素ごとに異なっていてもよいし、複数の画素に与える変動値に相関を持たせてもよい。
、ノイズ特性の確率分布も考慮して尤度関数を定義することが好ましい。これにより、尤度をより適正なものすることができる。
メモリに記憶する。このデータをもとに、区間推定や種々の表示形式でのデータ出力が可能となる。
なビニングは、どのように決定してもよい。単純には、1つの画素にまとめる画素数を徐々に増やしていき、尤度(評価値)が有意水準以上となる画像が初めて得られる時点を決定すればよい。解析装置70は、ステップS28において、有意水準以上の尤度(評価値)を有する加工後のデータ(すなわち今の例ではビニング処理後の画像)を表示装置60に出力(表示)したりメモリに格納したりする。
本実施形態では、高速かつ高精度な測定系により得られた画像に基づき、帯域外外挿による復元が実現できる。フィルタ処理による情報の欠落が無くなるため、元データと復元後のデータは1対1変換となり従来のような曖昧さが無くなる。さらに、光子計数により光子数を求めているので、それに基づいて厳密な誤差評価が可能である。推定値の近傍において誤差評価を行うことで、推定の信頼性を定量的に評価できる。この誤差評価によって、フィルタ処理によるノイズ除去を行わなくても信頼できる復元結果を得ることができる。
本手法は、シーケンサーやマイクロアレイを用いた測定に好適に適用できる。DNAサンプルなどの観察対象物質が格子状に配置されている場合、輝点位置が常に同一である。輝点位置が離散的で定まっているので、本手法における計算処理の際の制約条件として用いることで、推定画像の次元数が減るので計算量が減るととともに復元精度を向上させることができる。また、本手法によって高分解能化が達成できれば、格子密度を上げることができ、並列処理能力の増大、基板の微小化、試料の微量化などの効果を得られ、測定のスループットが向上する。
20:顕微鏡ユニット
30:分光ユニット
40:カメラシステム
50:制御装置
60:表示装置
70:解析装置
Claims (10)
- 撮像光学系から得られる像の光子検出数分布を取得する取得手段と、
あらかじめ求められているIPSF(点像分布関数PSFの逆関数)を用いて前記光子検出分布から推定画像を取得する復元手段と、
前記推定画像および当該推定画像と類似する複数の画像について、当該画像が正解画像である確からしさを表す評価値を算出する評価値算出手段と、
評価値が有意水準以上となるような物理パラメータを生成し出力する出力手段と、
を備える、データ復元装置。 - 前記PSFは点光源を撮影した画像から生成され、
前記IPSFは、前記PSFおよび前記点光源を撮影した画像から帯域外外挿を用いて生成される、
請求項1に記載のデータ復元装置。 - 前記取得手段は、光子計数可能に撮影された複数の画像のそれぞれから光子の検出数を求めて前記光子検出数分布を得る、
請求項1又は2に記載のデータ復元装置。 - 前記取得手段は、単一光子条件で撮影された複数の画像のそれぞれから、輝度分布の中心に1つの光子が検出されたものとして前記光子検出数分布を得る、
請求項3に記載のデータ復元装置。 - 前記取得手段は、イメージインテンシファイアと撮像装置を含む顕微鏡によって撮影された画像から、前記光子検出数分布を得る、
請求項1から4のいずれか1項に記載のデータ復元装置。 - 前記評価値は、推定画像が正解画像であると仮定したときに、前記光子検出数分布が得られる確率を表す値である、
請求項1から5のいずれか1項に記載のデータ復元装置。 - 前記物理パラメータは画像であり、
前記出力手段は、前記推定画像およびそれに類似する複数の画像に基づいてビニング処理を行い評価値が有意水準以上となる画像を生成して出力する、
請求項1から6のいずれか1項に記載のデータ復元装置。 - イメージインテンシファイアと撮像装置を含む顕微鏡と、
請求項1から7のいずれか1項に記載のデータ復元装置と、
を備える、顕微鏡システム。 - 撮像光学系から得られる像の光子検出数分布を取得する取得ステップと、
あらかじめ求められているIPSF(点像分布関数PSFの逆関数)を用いて前記光子検出分布から推定画像を取得する復元ステップと、
前記推定画像および当該推定画像と類似する複数の画像について、当該画像が正解画像である確からしさを表す評価値を算出する評価値算出ステップと、
評価値が有意水準以上となるような物理パラメータを生成し出力する出力ステップと、
を含む、データ復元方法。 - 請求項9に記載の方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
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