JP2020170098A - 温度制御装置、方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】細胞等の観察対象の損傷を防止しつつ、培養容器の曇りを効率よく除去できるようにする温度制御装置、方法およびプログラムを提供する。【解決手段】容器に収容された観察対象の温度調整を行う温度制御値設定部６２が、観察対象の情報に基づいて、観察対象の温度の上限値および下限値の少なくとも一方を含む温度制御値を設定する。温度設定部６３が、温度制御値に基づいて、温度調整部の目標温度を設定する。【選択図】図２

Description

本開示は、容器に収容された観察対象を観察するに際して、容器の曇りを防止するための温度制御装置、方法およびプログラムに関するものである。

従来、ＥＳ（Embryonic Stem）細胞およびｉＰＳ（Induced Pluripotent Stem）細胞等の多能性幹細胞および分化誘導された細胞等を顕微鏡等の観察装置で撮像し、その画像の特徴を捉えることで細胞の分化状態等を判定する方法が提案されている。ＥＳ細胞およびｉＰＳ細胞等の多能性幹細胞は、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、および病気の解明等において応用が可能なものとして注目されている。

上述したように細胞を観察装置で撮像する際、高倍率な広視野画像を取得するため、例えばウェルプレート等の培養容器等の容器の範囲内を結像光学系によって走査し、観察位置毎の画像を撮像した後、その観察位置毎の画像を結合する、いわゆるタイリング撮影を行うことが提案されている。

一方、細胞を観察する際には、培養容器にゴミおよび雑菌等の異物が混入するのを防止するために、蓋付きの培養容器またはフラスコタイプの密閉式の培養容器が使用される。また、培養容器中の培養液は、例えば３７℃等の人体の体温程度の温度に制御された状態で培養されるが、観察時は環境温度（すなわち室温）に晒される。多くの場合、環境温度は細胞の培養温度よりも低い。このため、観察時には培養容器の蓋等の内側に、曇りまたは結露（以下、曇りで代表させる）が生じやすい。このように容器に曇りが生じると、細胞の観察に支障が生じる。

このため、培養容器の蓋等の曇りを防止するための各種手法が提案されている。例えば、特許文献１には、透明ガラスからなるガラスヒータを培養容器の上方に配置し、ガラスヒータの温度と試料室内の温度とが等しくなるように、ガラスヒータの温度および試料室内の温度のフィードバック制御を行う手法が提案されている。また、特許文献２には、顕微鏡装置が設置されたチャンバ内の温度を測定し、測定結果に基づいて顕微鏡観察の可否を判定する手法も提案されている。さらに、特許文献３には、温度の変化が所定の範囲内になるまで撮影開始を待機し、時間当たりの温度変化が小さい状態で撮影を行う手法も提案されている。

特開２００６−３９１７１号公報 再公表２００７−１４５２３３号公報 特開２０１２−１５０１７１号公報

しかしながら、細胞にはその種類に応じて培養に適した温度がある。とくに細胞の種類によっては、温度感受性があることも知られている。このため、特許文献１に記載された手法のように、曇りを防止するために細胞に適した温度に対して培養容器の温度を高くしたり低くしたりすると、とくに温度感受性がある細胞の場合、細胞が損傷する可能性がある。また、特許文献２，３に記載の手法においては、温度制御を行っているものの、細胞の種類が異なると観察する細胞に適した温度制御を行うことができなくなる可能性がある。

本開示は上記事情に鑑みなされたものであり、細胞等の観察対象の損傷を防止しつつ、培養容器の曇りを効率よく除去できるようにすることを目的とする。

本開示による温度制御装置は、容器に収容された観察対象の温度調整を行う温度調整部と、
観察対象の情報に基づいて、観察対象の目標温度の上限値および下限値の少なくとも一方を含む温度制御値を設定する温度制御値設定部と、
温度制御値に基づいて、温度調整部の温度を設定する温度設定部とを備える。

「温度制御値に基づいて、温度調整部の温度を設定する」とは、温度調整部により温度が調整される観察対象の温度が、目標温度の上限値および下限値の少なくとも一方に収まるように、温度調整部の温度を設定することを意味する。

なお、本開示による温度制御装置においては、観察対象を撮像して観察画像を取得する撮像部と、
観察対象の温度が温度制御値にない場合、撮像部による観察対象の撮像を禁止する禁止部とをさらに備えるものであってもよい。

また、本開示による温度制御装置においては、観察対象の温度が温度制御値にない場合、観察対象の温度が温度制御値にないことの通知を行う通知部をさらに備えるものであってもよい。

また、本開示による温度制御装置においては、観察対象の種類、容器の種類、および容器内における液体の量の少なくとも１つを設定情報として取得する情報取得部をさらに備え、
温度設定部は、設定情報に基づいて容器の加温方法を設定するものであってもよい。

また、本開示による温度制御装置においては、情報取得部は、さらに液体の種類、液体に対する設定温度、加温時間および環境温度の少なくとも１つを設定情報として取得するものであってもよい。

また、本開示による温度制御装置においては、温度制御部は、温度調整部と容器との距離、および温度調整部における経過時間に対する温度の関係の少なくとも一方を、加温方法を設定するための要素として含む加温方法を設定するものであってもよい。

また、本開示による温度制御装置においては、予め定められた各種設定条件に応じた、複数の加温方法を記憶する記憶部をさらに備え、
制御部は、複数の加温方法から、取得した設定条件に応じた加温方法を選択することにより加温方法を設定するものであってもよい。

また、本開示による温度制御装置においては、制御部は、選択した加温方法を温度制御値および取得した設定条件に応じて補正することにより加温方法を設定するものであってもよい。

また、本開示による温度制御装置においては、温度調整部は、ガラスヒータを有するものであってもよい。

また、本開示による温度制御装置においては、温度調整部は、容器の上方から容器に向けて温風を吹き出す温風ヒータを有するものであってもよい。

また、本開示による温度制御装置においては、温度制御値設定部は、観察対象の目標温度をさらに含む温度制御値を設定するものであってもよい。

本開示による温度制御方法は、容器に収容された観察対象の温度調整を行うステップと、
観察対象の情報に基づいて、観察対象の目標温度の上限値および下限値の少なくとも一方を含む温度制御値を設定するステップと、
温度制御値に基づいて、観察対象の温度調整を行う温度調整部の温度を設定するステップとを有する。

なお、本開示による温度制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムとして提供してもよい。

本開示による他の温度制御装置は、コンピュータに実行させるための命令を記憶するメモリ、および
記憶された命令を実行するよう構成されたプロセッサを備え、プロセッサは、
容器に収容された観察対象の温度調整を行い、
観察対象の情報に基づいて、観察対象の目標温度の上限値および下限値の少なくとも一方を含む温度制御値を設定し、
温度制御値に基づいて、観察対象の温度調整を行う温度調整部の温度を設定する処理を実行する。

本開示によれば、細胞等の観察対象の損傷を防止しつつ、培養容器の曇りを効率よく除去できる

本開示の温度制御装置の一実施形態を用いた顕微鏡観察システムにおける顕微鏡装置の概略構成を示す図 本実施形態の温度制御装置を内包する観察制御装置の構成を示すブロック図 各種細胞の種類と、細胞の目標温度、並びに目標温度の上限値および下限値とを対応付けたテーブルの例を示す図 温度制御カーブの例を示す図 温度制御カーブの例を示す図 温度制御カーブの例を示す図 培養容器とガラスヒータとの距離の関係を説明するための図 培養容器とガラスヒータとの距離の関係を説明するための図 温度制御カーブの例を示す図 ガラスヒータの温度を示す図。 本実施形態において行われる処理を示すフローチャート 温度制御処理を示すフローチャート 基準温度制御カーブの補正を説明するための図 本実施形態の他の温度制御装置を内包する観察制御装置の構成を示すブロック図

以下、本開示の温度制御装置の一実施形態を用いた顕微鏡観察システムについて、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の顕微鏡観察システムにおける顕微鏡装置１０の概略構成を示す図である。

顕微鏡装置１０は、観察対象である培養された細胞の位相差画像を取得するものである。具体的には、顕微鏡装置１０は、図１に示すように、白色光を出射する白色光源１１、コンデンサレンズ１２、スリット板１３、結像光学系１４、結像光学系駆動部１５および撮像素子１６を備える。また、スリット板１３の下方には、ガラスヒータ１８が配置されている。また、ガラスヒータ１８と後述するステージ５１との間には、培養容器５０に収容された細胞の温度を計測する温度センサ１９が配置されている。

スリット板１３は、白色光源１１から出射された白色光を遮光する遮光板に対して白色光を透過するリング形状のスリットが設けられたものであり、白色光がスリットを通過することによってリング状の照明光Ｌが形成される。

結像光学系１４は、対物レンズおよび位相板を備えた位相差レンズおよび結像レンズを備える。結像光学系１４は、図１に示す結像光学系駆動部１５によってその光軸方向に移動する。なお、本実施形態においては、結像光学系１４の光軸方向とＺ方向（鉛直方向）とは同じ方向である。結像光学系１４のＺ方向への移動によってオートフォーカス制御が行われ、撮像素子１６によって撮像される位相差画像のコントラストが調整される。

結像光学系駆動部１５は、例えば圧電素子のようなアクチュエータを備え、後述する撮像制御部３１から出力された制御信号に基づいて駆動する。なお、結像光学系駆動部１５は、結像光学系１４を通過した位相差画像をそのまま通過させる構成となっている。また、結像光学系駆動部１５の構成は圧電素子に限らず、結像光学系１４をＺ方向に移動可能なものであればよく、その他の公知の構成を用いることができる。

撮像素子１６は、結像光学系１４によって結像された位相差画像を撮像する。撮像素子１６としては、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）イメージセンサ等が用いられる。撮像素子１６としては、ＲＧＢ（Red Green Blue）のカラーフィルタが設けられた撮像素子１６を用いてもよいし、モノクロの撮像素子を用いてもよい。なお、撮像素子１６が、本開示の撮像部を構成する。

ガラスヒータ１８は、上記特許文献１に記載されたように、ガラス基板、透明導電膜および透明樹脂層等が積層された構造を有する。透明導電膜はガラス基板の全域に亘ってパターン状に形成されており、電流を流すことにより発熱する。なお、ガラスヒータ１８の面積は、顕微鏡装置１０において使用可能な最も大きいサイズの培養容器（例えばフラスコ）の上面の面積をカバーすることができる程度の大きさを有する。また、ガラスヒータ１８は不図示の駆動部により図１におけるＺ方向（上下方向）に移動する。なお、ガラスヒータ１８が、本開示の温度制御装置の温度調整部に対応する。

スリット板１３と結像光学系１４との間には、ステージ５１が設けられている。ステージ５１上には、観察対象である細胞が収容された培養容器５０が設置される。なお、培養容器５０は、ステージ５１における予め定められた位置に位置合わせされて、ステージ５１上に設置される。

培養容器５０としては、シャーレ、ディッシュ、ウェルプレートおよびフラスコ等を用いることができる。また、培養容器５０に収容される細胞としては、ｉＰＳ細胞およびＥＳ細胞といった多能性幹細胞、幹細胞から分化誘導された神経、皮膚、心筋および肝臓の細胞、並びに人体から取り出された皮膚、網膜、心筋、血球、神経および臓器の細胞等がある。また、がん患者から採取したがん細胞も用いられる。

ステージ５１は、後述する水平方向駆動部１７（図２参照）によって互いに直交するＸ方向およびＹ方向に移動する。Ｘ方向およびＹ方向は、Ｚ方向に直交する方向であり、水平面内において互いに直交する方向である。本実施形態においては、Ｘ方向を主走査方向とし、Ｙ方向を副走査方向とする。ステージ５１の中央には、図１に破線で示す矩形の開口５１ａが形成されている。開口５１ａを形成する部材の上に培養容器５０が設置され、培養容器５０内の細胞を透過した照明光Ｌが開口５１ａを通過するように構成されている。

温度センサ１９は、非接触式の温度センサであり、培養容器５０に収容された細胞の温度を計測し、計測した温度を表す温度情報を、後述する観察制御装置２０（図２参照）に出力する。なお、非接触式の温度センサに代えて、接触式の温度センサを用いてもよい。また、細胞の温度は実質的には培養液の温度に一致する。さらには、細胞の温度は培養容器５０の温度とも一致する。

次に、顕微鏡装置１０を制御する観察制御装置２０の構成について説明する。図２は、本実施形態の観察制御装置の構成を示すブロック図である。観察制御装置２０は、本実施形態の温度制御装置６０を内包する。なお、顕微鏡装置１０については、観察制御装置２０の各部により制御される一部の構成のブロック図を示している。

観察制御装置２０は、顕微鏡装置１０の全体を制御するものであり、本実施形態による温度制御プログラムを内包する観察制御プログラムをコンピュータにインストールすることにより実現される。図２に示すように、観察制御装置２０は、標準的なワークステーションの構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１、メモリ２２およびストレージ２３を備えている。また、観察制御装置２０には、液晶ディスプレイ等の表示部２４、並びにキーボードおよびマウス等の入力部２５が接続されている。

ストレージ２３は、ハードディスクドライブ等からなり、本実施形態による観察制御装置２０および観察制御装置２０に内包される温度制御装置６０が行う処理に必要な情報を含む各種情報が記憶されている。

また、メモリ２２には、本実施形態による温度制御プログラムを内包する観察制御プログラムが記憶されている。観察制御プログラムは、ＣＰＵ２１に実行させる処理として、撮像制御処理および表示制御処理を規定する。また、温度制御プログラムは、ＣＰＵ２１に実行させる処理として、情報取得処理、温度制御値設定処理、温度設定処理、禁止処理および通知処理を規定する。

そして、ＣＰＵ２１がプログラムに従いこれらの処理を実行することで、コンピュータは、撮像制御部３１および表示制御部３２を備えた観察制御装置２０として機能する。また、コンピュータは、情報取得部６１、温度制御値設定部６２、温度設定部６３、禁止部６４および通知部６５を備えた温度制御装置６０として機能する。

表示部２４は、後述する通知および位相差画像から生成された合成位相差画像等を表示するものであり、例えば液晶ディスプレイ等を備える。また、表示部２４をタッチパネルによって構成し、入力部２５と兼用してもよい。

入力部２５は、マウスおよびキーボード等を備えたものであり、撮像開始の指示を含む、ユーザによる種々の設定入力を受け付ける。本実施形態の入力部２５は、観察対象ある細胞の種類の入力を受け付ける。また、入力部２５は、培養容器５０の種類および培養液の量等の設定条件の入力も受け付ける。設定条件については後述する。

撮像制御部３１は、結像光学系駆動部１５をＺ方向に駆動させることにより、結像光学系１４を光軸方向に移動させてオートフォーカス制御を行う。また、撮像制御部３１は水平方向駆動部１７を駆動制御し、これによりステージ５１をＸ方向およびＹ方向に移動させる。水平方向駆動部１７は、圧電素子等を有するアクチュエータから構成される。

なお、オートフォーカス制御は、例えば特開２０１８−０５４８１７号公報に記載された手法を用いる。特開２０１８−０５４８１７号公報に記載された手法は、例えば結像光学系を挟んで培養容器５０のＺ方向（鉛直方向）の位置を検出する２つのセンサを配置し、ステージ５１の移動方向に応じて使用するセンサを切り替えつつ、センサが検出した位置情報に基づいて、後述する結像光学系駆動部１５を制御し、オートフォーカス制御を行う手法である。

また、撮像制御部３１は、ステージ５１の移動における結像光学系１４による観察位置において、撮像素子１６により位相差画像を取得する制御を行う。これにより、各観察位置において、位相差画像が取得される。

表示制御部３２は、顕微鏡装置１０によって撮像された各観察位置の位相差画像を結合することによって１枚の合成位相差画像を生成し、合成位相差画像を表示部２４に表示させる。また、後述する通知部６５による通知も表示部２４に表示する。

温度制御装置６０の情報取得部６１は、観察対象である細胞の種類の情報、培養容器５０の種類および培養容器５０内における培養液の量の少なくとも１つの情報を設定情報として取得する。また、本実施形態においては、情報取得部６１は、さらに培養容器５０において使用する培養液の種類、加温時間および環境温度の少なくとも１つの情報を設定情報として取得するものであってもよい。また、情報取得部６１は、温度センサ１９が計測した細胞の温度を表す温度情報も取得する。

温度制御装置６０の温度制御値設定部６２は、情報取得部６１が取得した細胞の種類の情報に基づいて、細胞の目標温度、並びに目標温度の上限値および下限値の少なくとも一方を含む温度制御値を設定する。本実施形態においては、細胞の目標温度、並びに目標温度の上限値および下限値の双方を含む温度制御値を設定する。このために、本実施形態においては、ストレージ２３に、各種細胞の種類と、細胞の目標温度、並びに目標温度の上限値および下限値とを対応付けたテーブルが記憶されている。

図３は各種細胞の種類と、細胞の目標温度、並びに目標温度の上限値および下限値とを対応付けたテーブルの例を示す図である。図３に示すように、テーブルＴＢＬ０には、ＥＳ細胞、ｉＰＳ細胞およびがん細胞等の各種細胞の種類と、各種細胞に対応する目標温度並びに目標温度の上限値および下限値とが対応付けられている。図３に示すテーブルＴＢＬ０においては、ＥＳ細胞の目標温度、上限値および下限値としてそれぞれ３７℃、３８℃および３６℃が、ｉＰＳ細胞の目標温度、上限値および下限値としてそれぞれ３７℃、３７．５℃および３６．５℃が、がん細胞の目標温度、上限値および下限値としてそれぞれ３７℃、３９℃および３５℃が対応付けられている。温度制御値設定部６２は、テーブルＴＢＬ０を参照して、情報取得部６１が取得した細胞の種類の情報に基づいて、細胞の温度制御値を設定する。ここで、いずれの細胞の場合も、目標温度は人体の体温と略一致する３７℃となっている。なお、図３のテーブルは、各種細胞の種類と、細胞の目標温度、並びに目標温度の上限値および下限値とを対応付けているが、各種細胞の種類と、細胞の標温度の上限値および下限値とを対応付けたテーブルを用いてもよい。

温度制御装置６０の温度設定部６３は、温度制御値設定部６２が設定した温度制御値に基づいて、ガラスヒータ１８の温度を設定する。具体的には、細胞の温度が目標温度の上限値および下限値に収まるように、ガラスヒータ１８の温度を設定する。また、温度設定部６３は、さらに情報取得部６１が取得した設定情報に基づいて、ガラスヒータ１８の加温方法を設定する。具体的には、ガラスヒータ１８と培養容器５０との距離、およびガラスヒータ１８における経過時間に対する温度の関係の少なくとも一方を、加温方法を設定するための要素として含む加温方法を設定する。本実施形態においては、ガラスヒータ１８と培養容器５０との距離、およびガラスヒータ１８における経過時間に対する温度の関係の双方を、加温方法を設定するための要素として含む加温方法を設定する。以下、加温方法の設定について詳細に説明する。

観察対象である細胞は、培養容器５０に収容された状態で培養されるが、培養は人体の体温である３７℃程度に制御された環境で行われる。一方、細胞の観察時においては、培養容器５０は顕微鏡装置１０のステージ５１に載置されるが、その際、培養容器５０は室温である環境温度に晒される。環境温度は細胞の培養温度よりも低いことが多いため、培養容器５０を観察する際には、観察時には培養容器５０の内側に曇りが生じやすい。本実施形態による温度制御装置６０は、培養容器５０の曇りを防止するために、ガラスヒータ１８を用いて培養容器５０を加温する。具体的には培養容器５０の上面、すなわち培養容器５０の白色光源１１を向いている側の面を加温する。

ここで、培養容器５０としては、ウェルプレート、フラスコ、シャーレおよびディッシュ等、多くの種類が用いられる。また、ウェルプレートについても、６ウェル、１２ウェル、２４ウェル、４８ウェルおよび９６ウェル等、ウェルの数が異なるウェルプレートが用いられる。また、培養容器５０の種類に応じて使用される培養液の量も異なる。例えば、ウェルプレートよりもフラスコの方が使用される培養液の量が多い。また、使用される培養液も、ゲル状であったり、液状であったり、物性が異なったり、様々な種類のものがある。

このため、使用される培養容器５０の種類等に応じた、適切な加温方法が存在する。例えば、培養容器５０が９６ウェルのウェルプレートの場合、ウェルのサイズが小さいため、使用される培養液の量は少ない。このため、緩やかに加温を行ったとしても培養容器５０の曇りを消すことができる。したがって、培養容器５０が９６ウェルのウェルプレートの場合、図４に示すような温度制御カーブＣ１となるように、ガラスヒータ１８の加温方法を設定すればよい。

なお、図４に示す温度制御カーブが、ガラスヒータ１８における経過時間に対する温度の関係となる。このため、温度制御カーブが加温方法を設定するための１つの要素となる。また、温度制御カーブにおいては、時間の経過により温度が一定値となるが、この一定値となる温度がガラスヒータ１８の定常温度Ｔ０となる。

ここで、細胞にはその種類に応じて培養に適した温度がある。とくに細胞の種類によっては、温度感受性があることも知られている。このため、曇りを除去するために培養容器５０の温度をその細胞に適した温度に対して高くしたり低くしたりすると、とくに温度感受性がある細胞の場合、細胞が損傷する可能性がある。このため、温度制御カーブＣ１における定常温度Ｔ０は、温度制御値設定部６２が設定した温度制御値に応じて設定される。

具体的には、まず、温度設定部６３は、培養容器５０とガラスヒータ１８との距離Ｌ０を加温方法を設定するための１つの要素として設定する。なお、距離Ｌ０は、培養容器５０の種類に応じた予め定められた値に設定される。そして、温度設定部６３は、設定した距離Ｌ０と細胞の目標温度とに基づいて定常温度Ｔ０を設定する。ここで、物体が受ける放射は熱源からの距離の２乗に反比例し、かつ物体の比熱に影響される。このため、本実施形態においては、ガラスヒータ１８と培養容器５０との距離Ｌ０、培養容器５０の種類および目標温度と、定常温度Ｔ０との関係を規定したテーブルがストレージ２３に予め保存されている。温度設定部６３は、培養容器５０とガラスヒータ１８との距離Ｌ０、培養容器５０の種類および目標温度に基づいて、テーブルを参照して、定常温度Ｔ０を設定する。例えば、温度設定部６３は、培養容器５０の目標温度が３７℃である場合、ガラスヒータ１８と培養容器５０との距離Ｌ０に応じて、培養容器５０の表面における温度が３７℃となるように、ガラスヒータ１８の定常温度Ｔ０を設定する。

なお、細胞の加温時には、不図示の駆動部がガラスヒータ１８のＺ方向の位置を移動し、ガラスヒータ１８と培養容器５０との距離が、設定された距離Ｌ０、すなわち、定常温度Ｔ０によりガラスヒータ１８を加温した場合、培養容器５０に収容された細胞の温度が目標温度となる距離に設定されることとなる。

一方、培養容器５０が６ウェルのウェルプレートの場合、ウェルのサイズが大きいため、使用される培養液の量は９６ウェルよりも多い。このため、９６ウェルのウェルプレートの場合よりも、加温開始直後の温度を高くするように制御を行うことが好ましい。したがって、培養容器５０が６ウェルのウェルプレートの場合、図５に示すような立ち上がりの温度を高くした温度制御カーブＣ２となるように、ガラスヒータ１８の加温方法を設定すればよい。

また、培養容器５０が６ウェルのウェルプレートの場合であっても、使用する培養液の種類および量、並びにウェルプレートの材質によっても、加温方法が異なるものとなる。例えば、培養液の沸点が比較的低く、１つのウェル当たりの培養液の量が少なく、かつ高い熱伝導率の材質からなるウェルプレートを使用した場合、図５に示す温度制御カーブＣ２と比較して、図６に示すように初期の温度の立ち上がりを緩やかにした温度制御カーブＣ３にしたがって、ガラスヒータ１８の加温方法を設定すればよい。

また、培養容器５０がフラスコの場合、ウェルプレートおよびシャーレ等と比較して、ステージ５１上に載置した際の厚さが大きい。ここで、ウェルプレートおよびシャーレは図７に示すように、培養容器５０とガラスヒータ１８との距離Ｌ０を小さくすることができるが、フラスコは、図８に示すように斜め上方に向けて入れ口５３を有するため、ウェルプレートおよびシャーレ程には、培養容器５０とガラスヒータ１８との距離Ｌ０を小さくすることができない。また、フラスコはウェルプレートおよびシャーレ等と比較して培養液の量が多い。したがって、培養容器５０がフラスコの場合、図９に示すように、ウェルプレートの場合よりも、加温開始直後の温度が高く、かつ高い温度での加温時間が長い温度制御カーブＣ４となるように、ガラスヒータ１８の加温方法を設定すればよい。

本実施形態においては、各種培養容器の種類および培養液の量に応じた、さらには培養液の種類、加温時間および環境温度等に応じた複数の基準となる温度制御カーブ（以下、基準温度制御カーブとする）が、ストレージ２３に記憶されている。温度設定部６３は、情報取得部６１が取得した設定情報を参照し、取得した設定情報に最も近い設定情報に対応する基準温度制御カーブを取得する。そして、温度設定部６３は、取得した基準温度制御カーブを、温度制御値および設定条件に応じて補正することにより補正済み温度制御カーブを導出して、定常温度Ｔ０および加温方法を設定する。補正済み温度制御カーブの導出については後述する。

なお、本実施形態においては、情報取得部６１が温度センサ１９から取得した温度情報が温度設定部６３に入力される。温度設定部６３は、ガラスヒータ１８の温度が定常温度Ｔ０になった後、温度情報に基づく細胞の温度を監視する。そして、細胞の温度が温度制御値である目標温度の上限値および下限値に収まるように、ガラスヒータ１８の温度のフィードバック制御を行う。すなわち、細胞の温度が目標温度の下限値に近くなるとガラスヒータ１８の温度を上げ、細胞の温度が目標温度の上限値に近くなるとガラスヒータ１８の温度を下げるように、ガラスヒータ１８の温度を調整する。このため、例えば、図４に示す温度制御カーブＣ１にしたがってガラスヒータ１８の温度を設定する場合、ガラスヒータ１８の温度は、図１０に示すように、定常温度Ｔ０になった後、細胞の温度に応じて変化することとなる。

禁止部６４は、情報取得部６１が温度センサ１９から取得した温度情報に基づいて、細胞の温度が温度制御値にあるか否かを判定する。そして、細胞の温度が温度制御値にない場合、撮像素子１６による培養容器５０の撮像を禁止する。具体的には、細胞の温度が目標温度の上限値と下限値との範囲内にないと判定された場合には、操作者が入力部２５から撮像開始の指示を行っても、撮像制御部３１からの指示が顕微鏡装置１０に出力されないようにする。これは、細胞の温度が温度制御値にない場合は、培養容器５０の曇りの除去が十分にできていない可能性、および温度調整中であるために細胞の品質に変化が生じる可能性があり、細胞を適切に撮像できない可能性があるためである。また、入力部２５が、撮像ボタンを有するものである場合には、撮像ボタンを機械的または電気的に押せないようにしてもよい。また、入力部２５がタッチパネルである場合には、撮像ボタンを表示させないようにしてもよい。この場合、後述する通知部６５により表示部２４に表示された通知を見れば、操作者は温度制御中であることを確認することができる。なお、細胞の温度が温度制御値にない状況としては、温度調整を開始した直後等が挙げられる。

通知部６５は、情報取得部６１が温度センサ１９から取得した温度情報に基づいて、細胞の温度が温度制御値にあるか否かを判定する。なお、この判定を行うことなく、禁止部６４による判定結果を用いてもよい。本実施形態においては、通知部６５は禁止部６４による判定結果を用いるものとする。逆に、禁止部６４において、通知部６５による判定結果を用いるようにしてもよい。そして、細胞の温度が温度制御値にない場合、その旨の通知を行う。具体的には、通知は、例えば「細胞の温度が目標温度にありません。」等のテキストを、表示部２４に表示することにより行えばよいが、これに限定されるものではない。不図示のスピーカーから音声による通知を行ってもよく、音声による通知および表示の双方を行ってもよい。なお、通知部６５は、細胞の温度が温度制御値にある場合、具体的には、細胞の温度が目標温度の上限値と下限値との範囲内にある場合には、例えば「細胞の温度が目標温度になっています。」のテキスト等により、その旨を通知するものであってもよい。

次いで、本実施形態において行われる処理について説明する。なお、本実施形態においては、位相差画像を取得する処理は、例えば上述した特開２０１８−０５４８１７号公報に記載された手法と同一であるため、詳細な説明は省略し、以下、本実施形態による温度制御装置６０が行う処理についてのみ説明する。図１１は温度制御装置６０が行う処理を示すフローチャートである。まず、情報取得部６１が設定情報を取得する（ステップＳＴ１）。次いで、温度制御値設定部６２が、情報取得部６１が取得した設定情報に含まれる細胞の種類の情報に基づいて、細胞の目標温度、並びに目標温度の上限値および下限値を含む温度制御値を設定する（ステップＳＴ２）。そして、温度設定部６３が、温度制御値および設定情報に基づいてガラスヒータ１８の定常温度Ｔ０を設定する（ステップＳＴ３）。なお、定常温度Ｔ０は、上述したガラスヒータ１８と培養容器５０との間が予め定められた距離Ｌ０にある場合に、上述したように培養容器５０、さらには細胞を目標温度にするための温度である。この距離Ｌ０は加温方法を設定するための要素の１つである。また、温度設定部６３は、温度制御値および設定情報に基づいて、ガラスヒータ１８の加温方法を設定する（加温方法設定処理；ステップＳＴ４）。

図１２は加温方法設定処理を示すフローチャートである。温度設定部６３は、設定情報に基づいて、ストレージ２３に記憶された複数の基準温度制御カーブから、使用する基準温度制御カーブを選択する（ステップＳＴ２１）。例えば、培養容器５０の種類の情報としてＢ社製の６ウェルのウェルプレート、培養液の量として２．５ｍｌ、培養液の種類としてＷ社製の培養液が設定情報として取得された場合、取得された設定情報に近い、Ｃ社製の６ウェルのウェルプレート、培養液の量が２．０ｍｌ、培養液の種類としてＷ社製の培養液に対して設定された基準温度制御カーブが選択されたとする。

なお、基準温度制御カーブの選択に際しては、設定条件の種類に優先順位を付与してもよい。例えば、培養容器５０の種類、培養液の量および培養液の種類の順に、優先順位を付与してもよい。この場合、培養容器５０の種類により近い設定条件に対応する基準温度制御カーブが優先的に選択されることとなる。

次いで、温度設定部６３は、取得した設定条件と基準温度制御カーブについての設定条件との相違、および定常温度Ｔ０に基づいて、基準温度制御カーブを補正して補正済み温度制御カーブを導出する（ステップＳＴ２２）。図１３は基準温度制御カーブの補正を説明するための図である。上述したように、基準温度制御カーブに対応する培養液の量が２ｍｌであり、取得した設定条件の培養液の量が２．５ｍｌであるため、初期の加温温度を大きくする必要がある。また、Ｂ社製のウェルプレートとＣ社製のウェルプレートとで、Ｂ社製の方が熱伝導率が低いのであれば、これも考慮して初期の加温温度を大きくする必要がある。また、培養液の種類はＷ社製で同一である。さらに、定常状態となる温度は定常温度Ｔ０である。このため、温度設定部６３は、図１３に破線で示す基準温度制御カーブＣ１０を、初期の加温温度を大きくし、最終的な温度が定常温度Ｔ０となるように補正して補正済み温度制御カーブＣ１１を導出する。そして、温度設定部６３は、導出した補正済み温度制御カーブＣ１１にしたがって、ガラスヒータ１８の加温方法を設定し（ステップＳＴ２３）、加温方法設定処理を終了する。

なお、ステップＳＴ２１において選択された基準温度制御カーブに対応する設定条件が、ステップＳＴ１において取得した温度制御値および設定条件と同一かまたは実質的に等しい場合、補正を行うことなく、選択された基準温度制御カーブに従って、加温方法を設定すればよい。

図１１に戻り、加温方法が設定されると、温度設定部６３は、設定された加温方法に従って、ガラスヒータ１８による培養容器５０の加温を開始する（ステップＳＴ５）。この際、ガラスヒータ１８がＺ方向に駆動されて、ガラスヒータ１８と培養容器５０との距離が、上記予め定められた距離Ｌ０に設定される。加温の開始後、情報取得部６１が温度センサ１９からの温度情報を取得し（ステップＳＴ６）、温度情報に基づいて、禁止部６４が細胞の温度が温度制御値にあるか否かを判定する（温度判定；ステップＳＴ７）。ステップＳＴ７が否定されると、禁止部６４は、撮像素子１６による培養容器５０の撮像を禁止する（ステップＳＴ８）。また、通知部６５が、細胞の温度が温度制御値にない旨の通知を行い（ステップＳＴ９）、ステップＳＴ６に戻る。

ステップＳＴ７が肯定されると、通知部６５が、細胞の温度が温度制御値にある旨の通知を行う（ステップＳＴ１０）。そして、撮像開始の指示があると（ステップＳＴ１１；肯定）、撮像制御部３１が位相差画像を撮像する（ステップＳＴ１２）。そして、表示制御部３２が合成位相差画像を生成し、かつ表示し（ステップＳＴ１３）、処理を終了する。

このように、本実施形態においては、観察対象である細胞の情報に基づいて、細胞の目標温度の上限値および下限値の少なくとも一方を含む温度制御値を決定し、決定された温度制御値に基づいて、培養容器５０に収容された細胞の温度調整を行うガラスヒータ１８を制御するようにした。このため、細胞の温度制御値に収まるように、細胞の温度が制御されることとなる。したがって、本実施形態によれば、細胞等の観察対象の損傷を防止しつつ、培養容器５０の曇りを効率よく除去できる

また、本実施形態においては、細胞が収容された培養容器５０の種類および培養容器５０内における培養液の量の少なくとも一方を設定情報として取得し、設定情報に基づいて、ガラスヒータ１８の加温方法を設定するようにした。このため、設定された加温方法に従って培養容器５０を加温することにより、培養容器５０の種類および培養液の量の少なくとも一方に応じて、培養容器５０の曇りを除去することができる。したがって、本実施形態によれば、培養容器５０の曇りを効率よく除去することができる。

なお、上記実施形態においては、ガラスヒータ１８により培養容器５０を加温しているが、これに限定されるものではない。図１４に示すようにガラスヒータ１８に代えて、温風ヒータ７０を用いてもよい。温風ヒータ７０は、ステージ５１に載置された培養容器５０の上方から培養容器５０に向けて温風を吹き出す。ここで、培養容器５０の上方から温風を吹き出すのは、ゴミおよび埃等が上方に拡散されることを防止するためである。

また、上記実施形態においては、ガラスヒータ１８のＺ方向の位置を移動させることにより、ガラスヒータ１８と培養容器５０との距離を設定された距離Ｌ０に設定するようにしたが、これに限定されるものではない。ガラスヒータ１８に代えて、培養容器５０のＺ方向の位置を移動させるようにしてもよく、ガラスヒータ１８および培養容器５０の両方のＺ方向の位置を移動させるようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、温度制御値として、細胞の目標温度、並びに目標温度の上限値および下限値を用いているが、これに限定されるものではない。細胞の目標温度のみを温度制御値として用いてもよく、細胞の目標温度の上限値のみまたは下限値のみを温度制御値として用いてもよい。また、細胞の目標温度と細胞の目標温度の上限値のみ、または細胞の目標温度と細胞の目標温度の下限値のみを温度制御値として用いてもよい。

また、上記実施形態においては、温度センサ１９により培養容器５０の温度を計測して、培養容器５０の温度のフィードバック制御を行っているが、これに限定されるものではない。温度センサ１９を設けることなく、ガラスヒータ１８または温風ヒータ７０のみにより、培養容器５０の温度を制御してもよい。

また、上記実施形態においては、ガラスヒータ１８または温風ヒータ７０を用いて、培養容器５０の加温のみを行っているが、これに限定されるものではない。例えば、ガラスヒータ１８または温風ヒータ７０とペルチェ素子等とを組み合わせて、培養容器５０を冷却できるようにしてもよい。これにより、より細かな温度制御が可能となる。

また、上記実施形態においては、ステージ５１を移動させることによって、培養容器５０内の観察位置を走査するようにしたが、これに限定されるものではない。結像光学系１４および撮像素子１６からなる撮像系を移動させるようにしてもよい。また、ステージ５１と撮像系との両方を移動させるようにしてもよい。

また、上記実施形態は、本開示による温度制御装置を位相差顕微鏡に適用したものであるが、本開示は、位相差顕微鏡に限らず、微分干渉顕微鏡および明視野顕微鏡等のその他の顕微鏡に適用するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、結像光学系１４によって結像された位相差画像を撮像素子１６によって撮像するようにしたが、撮像素子１６を設けることなく、結像光学系１４によって結像された観察対象の位相差像をユーザが直接観察できるように観察光学系等を設けるようにしてもよい。

また、上記実施形態において、例えば、撮像制御部３１、表示制御部３２、情報取得部６１、温度制御値設定部６２、温度設定部６３、禁止部６４および通知部６５といった各種の処理を実行する処理部（Processing Unit）のハードウェア的な構造としては、次に示す各種のプロセッサ（Processor）を用いることができる。上記各種のプロセッサには、上述したように、ソフトウェア（プログラム）を実行して各種の処理部として機能する汎用的なプロセッサであるＣＰＵに加えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の製造後に回路構成を変更可能なプロセッサであるプログラマブルロジックデバイス（Programmable Logic Device :PLD）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が含まれる。

１つの処理部は、これらの各種のプロセッサのうちの１つで構成されてもよいし、同種または異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせ（例えば、複数のＦＰＧＡの組み合わせまたはＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ）で構成されてもよい。また、複数の処理部を１つのプロセッサで構成してもよい。

複数の処理部を１つのプロセッサで構成する例としては、第１に、クライアントおよびサーバ等のコンピュータに代表されるように、１つ以上のＣＰＵとソフトウェアとの組み合わせで１つのプロセッサを構成し、このプロセッサが複数の処理部として機能する形態がある。第２に、システムオンチップ（System On Chip:SoC）等に代表されるように、複数の処理部を含むシステム全体の機能を１つのＩＣ（Integrated Circuit）チップで実現するプロセッサを使用する形態がある。このように、各種の処理部は、ハードウェア的な構造として、上記各種のプロセッサの１つ以上を用いて構成される。

さらに、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造としては、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路（Circuitry）を用いることができる。

１０ 顕微鏡装置
１１ 白色光源
１２ コンデンサレンズ
１３ スリット板
１４ 結像光学系
１５ 結像光学系駆動部
１６ 撮像素子
１７ 水平方向駆動部
１８ ガラスヒータ
１９ 温度センサ
２０ 観察制御装置
２１ ＣＰＵ
２２ メモリ
２３ ストレージ
３１ 撮像制御部
３２ 表示制御部
５０ 培養容器
５１ ステージ
５１ａ 開口
６０ 温度制御装置
６１ 情報取得部
６２ 温度制御値設定部
６３ 温度設定部
６４ 禁止部
６５ 通知部
７０ 温風ヒータ
Ｃ１〜Ｃ４ 温度制御カーブ
Ｃ１０ 基準温度制御カーブ
Ｃ１１ 補正済み温度制御カーブ
Ｌ０ 距離
Ｔ０ 設定温度

Claims (13)

1. 容器に収容された観察対象の温度調整を行う温度調整部と、
   前記観察対象の情報に基づいて、前記観察対象の目標温度の上限値および下限値の少なくとも一方を含む温度制御値を設定する温度制御値設定部と、
   前記温度制御値に基づいて、前記温度調整部の温度を設定する温度設定部とを備えた温度制御装置。
2. 前記観察対象を撮像して観察画像を取得する撮像部と、
   前記観察対象の温度が前記温度制御値にない場合、前記撮像部による前記観察対象の撮像を禁止する禁止部とをさらに備えた請求項１に記載の温度制御装置。
3. 前記観察対象の温度が前記温度制御値にない場合、前記観察対象の温度が前記温度制御値にないことの通知を行う通知部をさらに備えた請求項１または２に記載の温度制御装置。
4. 前記容器の種類、前記観察対象の種類および前記容器内における液体の量の少なくとも１つを設定情報として取得する情報取得部をさらに備え、
   前記温度設定部は、前記設定情報に基づいて前記容器の加温方法を設定する請求項１から３のいずれか１項に記載の温度制御装置。
5. 前記情報取得部は、前記液体の種類、加温時間および環境温度の少なくとも１つを前記設定情報として取得する請求項４に記載の温度制御装置。
6. 前記温度設定部は、前記温度調整部と前記容器との距離、および前記温度調整部における経過時間に対する温度の関係の少なくとも一方を、前記加温方法を設定するための要素として含む前記加温方法を設定する請求項４または５に記載の温度制御装置。
7. 予め定められた各種設定条件に応じた、複数の加温方法を記憶する記憶部をさらに備え、
   前記温度設定部は、前記複数の加温方法から、前記取得した設定条件に応じた加温方法を選択することにより前記加温方法を設定する請求項４から６のいずれか１項に記載の温度制御装置。
8. 前記温度設定部は、前記選択した加温方法を前記温度制御値および前記取得した設定条件に応じて補正することにより前記加温方法を設定する請求項７に記載の温度制御装置。
9. 前記温度調整部は、ガラスヒータを有する請求項１から８のいずれか１項に記載の温度制御装置。
10. 前記温度調整部は、前記容器の上方から前記容器に向けて温風を吹き出す温風ヒータを有する請求項１から９のいずれか１項に記載の温度制御装置。
11. 前記温度制御値設定部は、前記観察対象の目標温度をさらに含む前記温度制御値を設定する請求項１から１０のいずれか１項に記載の温度制御装置。
12. 容器に収容された観察対象の温度調整を行うステップと、
    前記観察対象の情報に基づいて、前記観察対象の目標温度の上限値および下限値の少なくとも一方を含む温度制御値を設定するステップと、
    前記温度制御値に基づいて、前記観察対象の温度調整を行う温度調整部の温度を設定するステップとを有する温度制御方法。
13. 容器に収容された観察対象の温度調整を行う手順と、
    前記観察対象の情報に基づいて、前記観察対象の目標温度の上限値および下限値の少なくとも一方を含む温度制御値を設定する手順と、
    前記温度制御値に基づいて、前記観察対象の温度調整を行う温度調整部の温度を設定する手順とをコンピュータに実行させる温度制御プログラム。