JP2021036830A - 画像解析装置、細胞培養観察装置、画像解析方法、プログラム、及び情報処理システム - Google Patents
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Abstract
Description
以下、図面を参照して、第1の実施形態について説明する。図1は、実施形態の画像解析装置を含むインキュベータ11の概要を示すブロック図である。また、図2及び図3は、本実施形態のインキュベータ11の正面図および平面図の一例を示す図である。
このインキュベータ11とは、細胞培養観察装置の一例である。
なお、タイムラプス画像TPは位相差画像に限らない。タイムラプス画像TPは、例えば、観察ユニット22の顕微光学系が微分干渉顕微鏡である場合、微分干渉画像であってもよいし、観察ユニット22の顕微光学系が蛍光顕微鏡である場合、蛍光画像であってもよい。
スクラッチ領域は、細胞が遊走や増殖に伴い、時間が経過するにつれて細胞によって徐々に埋められてゆく。スクラッチ領域が細胞によって埋められることを、細胞によって浸潤されるともいう。
タイムラプス観察において、撮像装置34は、上記スクラッチ領域の位置がタイムラプス画像TPにおいて共通の位置となるように撮像する。撮像装置34は、例えば、培養容器であるウェルプレートのマーカー(アライメントマーク)で位置合わせを行う。撮像装置34は、スクラッチ領域の位置が最初の位置からずれた場合、制御装置41によって試料台31を水平方向に移動させて位置の補正を行う。
操作部45は、タッチパネル、マウス、又はキーボードなどを備えている。なお、操作部45がタッチパネルである場合、操作部45と表示部44とは一体となって構成されてよい。また、操作部45と表示部44とは、上部ケーシング12または下部ケーシング13に備えられたタッチパネルとして構成してもよい。
また、観察者は、この操作部45を操作することにより、恒温室15の環境条件を設定する。
次に、図5のフローチャート図を参照しつつ、インキュベータ11での観察動作の一例を説明する。
図5は、本実施形態のインキュベータ11での観察動作の一例を示す図である。同図は、恒温室15内に搬入された培養容器19を、登録された観察スケジュールに従ってタイムラプス観察する動作例を示している。ここで培養容器19における各ウェル内には、該ウェルの細胞の培養領域にスクラッチ領域が観察者によってそれぞれ予め形成されている。以下の説明においては、スクラッチ領域が形成された培養容器19において細胞を観察し分析する手法をスクラッチアッセイともいう。
次に図6から図9を参照して、演算部42の構成、及び演算部42による画像解析処理について説明する。
図6は、本実施形態の演算部42の機能構成の一例を示す図である。演算部42は、画像取得部(取得部)420と、画像処理部421と、基準画像選択部422と、細胞領域判定部423と、スクラッチ領域抽出部424と、領域設定部425と、算出部426と、表示制御部(制御部)427とを備える。
演算部42は、一例として、CPU(Central Processing Unit)により実現され、画像取得部420と、画像処理部421と、基準画像選択部422と、細胞領域判定部423と、スクラッチ領域抽出部424と、領域設定部425と、算出部426と、表示制御部427とはそれぞれ、CPUがROM(Read Only Memory)からプログラムを読み込んで処理を実行することにより実現される。
画像処理部421は、タイムラプス画像TPに対して各種の画像処理(例、ノイズ除去処理など)を実行する。
スクラッチ領域抽出部424は、基準画像PSからスクラッチ領域を抽出する。
算出部426は、基準領域RS内における細胞の細胞領域の面積を、タイムラプス画像TPからそれぞれ算出する。そして、算出部426は、算出した基準領域RS内における細胞の細胞領域の面積(解析情報)を、算出に用いたタイムラプス画像TPの各画像と関連付けて記憶部43に記憶する。
また、画像取得部420は、記憶部43の代わりに撮像装置34からタイムラプス画像TPを直接取得してもよい。
画像処理部421は、一例として平均値フィルターを用いてフィルタリング処理を実行する。平均値フィルターでは、処理対象の画素の輝度値とその近傍の画素の輝度値との平均値が、処理対象の画素の輝度値とされる。ここで処理対象の画素は、画像に含まれる全ての画素である。
図7の画像解析処理の以下のステップの説明においては、ステップS202、ステップS204、及びステップ206において説明した画像処理が施された画像を、改めてタイムラプス画像TPという。
細胞領域判定部423は、判定した細胞領域を示す細胞領域情報をスクラッチ領域抽出部424と、算出部426とに供給する。
スクラッチ領域抽出部424は、抽出したスクラッチ領域を示す情報であるスクラッチ領域情報を領域設定部425に供給する。
領域設定部425は、基準領域RSとタイムラプス画像TPから得られた細胞領域を算出部426に供給する。
基準領域RSに含まれると判定された細胞領域は、細胞の遊走によってスクラッチ領域を浸潤した細胞に対応する。
ステップS218:算出部426は、基準領域RS内における細胞領域の面積を、タイムラプス画像TPからそれぞれ算出する。ここで算出部426は、ステップS216において判定した基準領域RSに含まれる細胞領域の画素の数を計測することによって基準領域RS内における細胞領域の面積を算出する。算出部426は、算出した基準領域RS内における細胞領域の面積を表示制御部427に供給する。
以上で、演算部42は、画像解析処理を終了する。
基準領域RS内において細胞領域が直接に判定される場合、例えば、細胞領域判定部423は、基準領域RS内において細胞領域を判定する。つまり、細胞領域判定部は、スクラッチ領域抽出部424が抽出したスクラッチ領域に基づいて細胞領域を判定してもよい。
基準領域RS内における細胞領域の面積がスクラッチ領域に基づいて算出される場合、例えば、スクラッチ領域抽出部424は、タイムラプス画像TPに含まれる画像Pそれぞれについてスクラッチ領域を抽出する。ここでスクラッチ領域は、例えば、機械学習による画像認識によって抽出される。算出部426は、ある撮像時刻に撮像された画像Pから抽出されるスクラッチ領域の面積と、基準画像PSから抽出されるスクラッチ領域の面積との差に基づいて、ある撮像時刻に撮像された画像Pについて基準領域RS内における細胞領域の面積を算出する。
この構成により、本実施形態に係る画像解析装置では、細胞によって浸潤されるスクラッチ領域における細胞領域の面積の時系列の変化(例、増減)を算出できるため、細胞の遊走能を定量的に評価できる。
この構成により、本実施形態に係る画像解析装置では、スクラッチ領域内における細胞領域の面積の時系列の変化を表示できるため、細胞の遊走能を可視化できる。
この構成により、本実施形態に係る画像解析装置では、スクラッチ領域における細胞領域の面積を細胞領域に基づいて算出できるため、スクラッチ領域に基づいてスクラッチ領域における細胞領域の面積が算出される場合に比べて簡易な解析によって細胞の遊走能を定量的に評価できる。クラッチ領域に基づいてスクラッチ領域における細胞領域の面積が算出される場合、スクラッチ領域は、例えば、機械学習に基づいて判定される。上述したように本実施形態に係る画像解析装置では、細胞領域はエッジ検出によって判定されるため、機械学習を用いてスクラッチ領域を抽出する場合に比べて解析が簡易である。
この構成により、本実施形態に係る画像解析装置では、タイムラプス画像TPに含まれる画像Pにおける細胞の細胞領域を判定できるため、細胞の遊走能を定量的に評価する解析に加えて細胞について各種の解析を実行できる。ここで細胞についての各種の解析には、例えば、細胞のトラッキングや、細胞の密度に基づく細胞の成熟度合いの解析や、細胞の画像から抽出される特徴量に基づく解析などが含まれる。
この構成により、本実施形態に係る画像解析装置では、基準画像から抽出されたスクラッチ領域が基準領域RSとして設定されるため、ユーザが基準領域を指定する手間を省くことができる。
この構成により、本実施形態に係る画像解析装置では、ユーザが基準領域を設定できるため、タイムラプス画像TPに含まれる画像Pの画像解析処理においてスクラッチ領域を抽出する精度が十分に高くない場合であっても、ユーザが設定した基準領域に基づいて細胞の遊走能を定量的に評価できる。
この構成により、本実施形態に係る画像解析装置では、タイムラプス画像TPのなかから基準画像PSが選択できるため、ユーザが基準画像PSを選択する手間を省くことができる。
この構成により、本実施形態に係る細胞培養観察装置(本実施形態においてインキュベータ11)では、細胞によって浸潤されるスクラッチ領域の面積の時系列の変化を算出できるため、細胞の遊走能を定量的に評価できる。
以下、図面を参照しながら第2の実施形態について詳しく説明する。
上記第1の実施形態では、画像解析装置は、タイムラプス画像においてスクラッチ領域における細胞領域の面積を算出する場合について説明をした。本実施形態では、画像解析装置が、タイムラプス画像においてスクラッチ領域における細胞領域の面積の割合を算出する場合について説明をする。以下では、スクラッチ領域における細胞領域の面積の割合をスクラッチ領域閉鎖率ともいう。
本実施形態に係る演算部を演算部42aという。本実施形態における画像解析装置は、演算部42aを備える装置である。
本実施形態に係る演算部42a(図10)と第1の実施形態に係る演算部42(図6)とを比較すると、基準領域面積算出部428aと、面積割合算出部429aとが異なる。ここで、他の構成要素(画像取得部420、画像処理部421、基準画像選択部422、細胞領域判定部423、スクラッチ領域抽出部424、領域設定部425、算出部426、及び表示制御部427)が持つ機能は第1の実施形態と同じである。第1の実施形態と同じ機能の説明は省略し、第2の実施形態では、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
面積割合算出部429aは、基準領域RSの面積と、基準領域RSにおける細胞領域の面積とに基づいて基準領域RS内に占める細胞領域の面積の割合を算出する。つまり、面積割合算出部429aは、スクラッチ領域閉鎖率を算出する。
なお、ステップS300、ステップS302、ステップS304、ステップS306、ステップS308、ステップS310、ステップS312、ステップS314、ステップS316、及びステップS318の各処理は、図7におけるステップS200、ステップS202、ステップS204、ステップS206、ステップS208、ステップS210、ステップS212、ステップS214、ステップS216、及びステップS218の各処理と同様であるため、説明を省略する。
基準領域面積算出部428aは、算出した基準領域RSの面積を面積割合算出部429aに供給する。
画像P2には、細胞の培養領域として、培養領域R21が示されている。培養領域R21は、培養領域R21−1と培養領域R21−2とからなり、培養領域R21−1と培養領域R21−2との間にはスクラッチ領域R22が形成されている。図12に示す通り、スクラッチ領域R22の形状は、スクラッチ領域が左右の細胞領域の細胞によって浸潤されて帯状の形状から変形を受けている。
ステップS322:面積割合算出部429aは、基準領域面積算出部428aが算出した基準領域RSの面積と、算出部426が算出した基準領域RSにおける細胞領域の面積とに基づいて基準領域RS内に占める細胞領域の面積の割合を算出する。ここで面積割合算出部429aは、タイムラプス画像TPに含まれる画像Pそれぞれについて基準領域RS内に占める細胞領域の面積の割合を算出する。なお、細胞領域の面積は、タイムラプス画像TPに含まれる画像Pそれぞれについて算出部426から面積割合算出部429aに供給される。
面積割合算出部429aは、算出した面積の割合を解析情報として表示制御部427に供給する。
以上で、演算部42は、画像解析処理を終了する。
この構成により、本実施形態に係る画像解析装置では、スクラッチ領域閉鎖率を算出できるため、スクラッチ領域閉鎖率に基づいて細胞の遊走能の定量的な評価ができる。
以下、図面を参照しながら第3の実施形態について詳しく説明する。
上記第1の実施形態や第2の実施形態では、画像解析装置が、タイムラプス画像においてスクラッチ領域における細胞領域の面積や面積の割合を算出する場合について説明をした。本実施形態では、画像解析装置が、スクラッチ領域における細胞領域の面積や面積の割合に基づいて細胞の遊走能を評価する場合について説明をする。
本実施形態に係る演算部を演算部42bという。本実施形態における画像解析装置は、演算部42bを備える装置である。
本実施形態に係る演算部42b(図14)と第2の実施形態に係る演算部42a(図10)とを比較すると、遊走能評価部430bが異なる。ここで、他の構成要素(画像取得部420、画像処理部421、基準画像選択部422、細胞領域判定部423、スクラッチ領域抽出部424、領域設定部425、算出部426、表示制御部427、基準領域面積算出部428a、及び面積割合算出部429a)が持つ機能は第1の実施形態及び第2の実施形態と同じである。第1の実施形態及び第2の実施形態と同じ機能の説明は省略し、第3の実施形態では、第1の実施形態及び第2の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
なお、ステップS400、ステップS402、ステップS404、ステップS406、ステップS408、ステップS410、ステップS412、ステップS414、ステップS416、ステップS418、ステップS420、ステップS422の各処理は、図11におけるステップS300、ステップS302、ステップS304、ステップS306、ステップS308、ステップS310、ステップS312、ステップS314、ステップS316、ステップS318、ステップS320、及びステップS322の各処理と同様であるため、説明を省略する。
遊走能評価部430bは、例えば、所定の時間後に所定の割合以上のスクラッチ領域閉鎖率を示す細胞を遊走能が高いと判定する。ここで所定の時間とは、例えば、24時間である。
由来の違いによる細胞の種類には、例えば、脂肪由来のMSCや骨髄由来のMSCがある。また、由来の違いによる細胞の種類には、例えば、ドナーによるロット差による種類がある。細胞は培養状態が良好であるほど遊走能が高くなるため、スクラッチ領域が浸潤される速度は速くなる。つまり、スクラッチ領域閉鎖率の時系列の変化が大きいほど、培養状態が良好であると考えられる。
以上で、演算部42は、遊走能評価処理を終了する。
この構成により、本実施形態に係る画像解析装置では、スクラッチ領域における細胞領域の面積の時系列の変化に基づいて細胞の遊走能を評価できるため、細胞の遊走能の定量的な評価を行うことができる。
以下、図面を参照しながら第4の実施形態について詳しく説明する。
本実施形態では、画像解析装置が、上記スクラッチ領域における細胞領域の面積や面積の割合に基づいてグラフィカルユーザインタフェース(Graphical User Interface:GUI)を用いて細胞の遊走能を可視化する場合について説明をする。
本実施形態に係る演算部を演算部42cという。本実施形態における画像解析装置は、演算部42cを備える装置である。なお、演算部42cと、上記第1の実施形態の演算部42(図6)、第2の実施形態の演算部42a(図10)、及び第3の実施形態の演算部42b(図14)とでは、表示制御部427の機能が異なる。ここで他の構成要素(画像取得部420、画像処理部421、基準画像選択部422、細胞領域判定部423、スクラッチ領域抽出部424、領域設定部425、算出部426、表示制御部427、基準領域面積算出部428a、面積割合算出部429a、及び遊走能評価部430b)が持つ機能は第1の実施形態、第2の実施形態、及び第3の実施形態と同じである。演算部42cの機能構成の説明は省略し、第4の実施形態では、表示制御部427が表示部44に表示させるGUIの画面を中心に説明する。
図16は、本実施形態に係るGUIの画面D1の一例を示す図である。表示制御部427は、基準領域RSにおける細胞領域の面積に基づいて画面D1を表示させる。画面D1は、複数の表示欄として、画面D11と、画面D12と、テキストD13と、テキストD14と、表示窓D15と、テキストD16とを含んで構成される。
テキストD14は、画面D12に表示される画像Pの経過時間又は撮像時刻の時間情報を示す。表示窓D15は、画面D12に表示される画像Pにおける基準領域RSにおける細胞領域の面積の値を示す。
表示制御部427が画面D12に表示する画像の種類は、画像Pにおいて基準領域RSにおける細胞領域が示された画像と、画像Pにおいて基準領域RSにおける細胞領域以外の領域が示された画像とからユーザによって選択されてよい。
画面D32には、基準領域RS内における細胞領域の面積の割合の時系列の変化を示すグラフが表示される。この画面D32に表示されるグラフは、例えば図13に示したようなグラフである。
なお、画面D32には、基準領域RS内における細胞領域の面積の割合の時系列の変化の代わりに、スクラッチ領域閉鎖率の時系列の変化を示すグラフが表示されてもよい。
この構成により、本実施形態に係る画像解析装置では、スクラッチ領域内における細胞領域の面積の時系列の変化を表示できるため、細胞の遊走能を可視化できる。
そして、ユーザは、端末装置(ユーザの端末)においてウェブブラウザを起動し、該ウェブブラウザ上のGUIを操作することによってインターネットを介してタイムラプス画像TPを、識別情報(ユーザ又は端末の識別番号など)とともに、サーバである画像解析装置にアップロードする。画像解析装置は、アップロードされたタイムラプス画像TPに基づいて、上述した各実施形態の画像解析処理や、遊走能評価処理を実行する。画像解析装置は、それらの画像解析処理や、遊走能評価処理の解析結果(上記の解析情報)を、識別情報(ユーザ又は端末の識別番号など)とともに、端末装置に出力する。
また、上述した実施形態における画像解析装置(一例として演算部42、演算部42a、演算部42b、または演算部42c)の一部、または全部を、LSI(Large Scale Integration)等の集積回路として実現してもよい。画像解析装置(一例として演算部42、演算部42a、演算部42b、または演算部42c)の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部、または全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はLSIに限らず専用回路、または汎用プロセッサで実現してもよい。また、半導体技術の進歩によりLSIに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いてもよい。
Claims (14)
- タイムラプス画像の基準画像から細胞の培養領域に形成されたスクラッチ領域を基準領域として設定する領域設定部と、
前記基準領域内における前記細胞の細胞領域の面積を、前記タイムラプス画像からそれぞれ算出する算出部と、
を備える画像解析装置。 - 前記算出された前記細胞領域の面積の時系列の変化を表示装置に表示させる制御部を備える
請求項1に記載の画像解析装置。 - 前記算出部は、前記基準領域内に占める前記細胞領域の面積を前記タイムラプス画像に含まれる画像における前記細胞領域に基づいて算出する
請求項1または請求項2に記載の画像解析装置。 - 前記基準領域の面積を算出する基準領域面積算出部と、
前記基準領域面積算出部が算出した前記基準領域の前記面積と、前記算出部が算出した前記細胞領域の前記面積とに基づいて前記基準領域内に占める前記細胞領域の面積の割合を算出する面積割合算出部と
をさらに備える請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の画像解析装置。 - 前記タイムラプス画像に含まれる画像における前記細胞の細胞領域を判定する細胞領域判定部
をさらに備える請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の画像解析装置。 - 前記基準画像の輝度値に基づいて前記基準画像から前記スクラッチ領域を抽出するスクラッチ領域抽出部をさらに備え、
前記領域設定部は、前記スクラッチ領域抽出部が抽出した前記スクラッチ領域を前記基準領域として設定する
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の画像解析装置。 - 前記基準画像においてユーザによって指定された前記スクラッチ領域を示す操作情報を取得する操作情報取得部をさらに備え、
前記領域設定部は、前記操作情報取得部が受け付けた前記操作情報が示す前記スクラッチ領域を前記基準領域として設定する
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の画像解析装置。 - 前記ユーザが前記操作情報を入力する操作部を備える請求項7に記載の画像解析装置。
- 前記算出された前記細胞領域の面積の時系列の変化に基づいて前記細胞の遊走能を評価する評価部
をさらに備える請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の画像解析装置。 - 前記タイムラプス画像のなかから前記基準画像を選択する基準画像選択部
をさらに備える請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の画像解析装置。 - 請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の画像解析装置と、
培養容器に収納された前記細胞を培養する培養装置と、
前記タイムラプス画像を撮像する顕微鏡と、
を備える細胞培養観察装置。 - タイムラプス画像の基準画像から細胞の培養領域に形成されたスクラッチ領域を基準領域として設定する領域設定過程と、
前記基準領域内における前記細胞の細胞領域の面積を、前記タイムラプス画像からそれぞれ算出する算出過程と、
を有する画像解析方法。 - コンピュータに、
タイムラプス画像の基準画像から細胞の培養領域に形成されたスクラッチ領域を基準領域として設定する領域設定ステップと、
前記基準領域内における前記細胞の細胞領域の面積を、前記タイムラプス画像からそれぞれ算出する算出ステップと、
を実行させるためのプログラム。 - クラウドコンピューティングによりユーザの端末に解析情報を出力する情報処理システムであって、
サーバを備え、
前記サーバは、
ネットワークを介して、細胞のタイムラプス画像を取得する取得部と、
前記タイムラプス画像の基準画像から前記細胞の培養領域に形成されたスクラッチ領域を基準領域として設定する領域設定部と、
前記基準領域内における前記細胞の細胞領域の面積を、前記タイムラプス画像からそれぞれ算出し、前記算出した面積をもとに前記ユーザの端末におけるウェブブラウザに表示される前記解析情報を生成する算出部と、
前記解析情報を前記ユーザの端末に出力する制御部と、を備える
情報処理システム。
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