JP2021135129A - Microparticle measuring apparatus, microparticle measuring method and microparticle measuring program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、有機系排水処理における処理水に含まれる微小粒子を計測する微小粒子計測装置、微小粒子計測方法、および微小粒子計測プログラムに関する。 An embodiment of the present invention relates to a fine particle measuring device for measuring fine particles contained in treated water in organic wastewater treatment, a fine particle measuring method, and a fine particle measuring program.
都市下水等の有機系排水処理には一般的に、活性汚泥法が用いられる。活性汚泥法では、空気を処理水に供給し、有用微生物の働きにより、処理水中の有機物を分解する。 The activated sludge method is generally used for the treatment of organic wastewater such as urban sewage. In the activated sludge method, air is supplied to the treated water, and organic substances in the treated water are decomposed by the action of useful microorganisms.
活性汚泥中の代表的な有用微生物に、バチルス属細菌(以下、単に「バチルス」と称する)がある。バチルスが出す酵素、抗生物質は溶菌作用があるため、バチルスが優占化した処理施設では、余剰汚泥発生量が少ない。また、バチルスは、硫酸還元細菌の働きを止める役割もあり、臭気の発生量も少ない。 A typical useful microorganism in activated sludge is a bacterium of the genus Bacillus (hereinafter, simply referred to as "Bacillus"). Since the enzymes and antibiotics produced by Bacillus have a lytic effect, the amount of excess sludge generated is small in the treatment facility where Bacillus is dominant. Bacillus also has a role of stopping the action of sulfate-reducing bacteria, and the amount of odor generated is small.
したがって、処理水中に十分なバチルスが含まれているか否かを判定するために、バチルスの個数を把握することは重要である。 Therefore, it is important to know the number of bacillus in order to determine whether the treated water contains sufficient bacillus.
特許文献1には、光を汚泥中に入射して、それに対する光応答を観測することで、汚泥濃度および汚泥粒子径を測定する手法が開示されている。この手法では、Lambert-Beer lawより入射光に対する透過光の強度を測定し、検量線を用いて得られた信号レベルから、汚泥濃度を測定することができる。
しかしながら、特許文献1に開示されている技術では、汚泥のうち、バチルスを選択的に計測できるか否かは不明である。また、汚泥濃度を測定する際に、あらかじめ検量線を作成しておく必要があることや、Lambert-Beer lawは入射光と透過光との強度変化しか考慮していないために、センサの感度により測定できる濃度に制限があるという問題がある。
However, it is unclear whether or not the sludge can be selectively measured by the technique disclosed in
一方、計測精度を高めるために、顕微鏡を用いた専門家による計測も可能であるが、この計測には、相応の計測時間を要する上に、微小現象の変化等に定量的に追従した計測結果を得ることは困難である。 On the other hand, in order to improve the measurement accuracy, it is possible to perform measurement by an expert using a microscope, but this measurement requires a reasonable measurement time and the measurement result that quantitatively follows changes in minute phenomena. Is difficult to obtain.
本発明が解決しようとする課題は、有機系排水処理における処理水に含まれる、バチルスのような微小粒子を、短時間かつ高精度で計測することができる、廉価で実現可能な微小粒子計測装置、微小粒子計測方法、および微小粒子計測プログラムを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is an inexpensive and feasible fine particle measuring device capable of measuring fine particles such as Bacillus contained in treated water in organic wastewater treatment in a short time and with high accuracy. , A microparticle measurement method, and a microparticle measurement program.
実施形態の微小粒子計測装置は、サンプルに含まれる微小粒子を計測する装置であって、光源、対物レンズ、結像レンズ、撮像部、判定部、およびカウント部を備えている。光源は、サンプルを照明する照明光を供給し、対物レンズは、照明光がサンプルを透過した透過光を束ね、結像レンズは、対物レンズによって束ねられた透過光を集光し、撮像部は、結像レンズによって集光された透過光を撮像し、判定部は、撮像部によって撮像された透過光の画像において、微小粒子に相当する部分を判定し、カウント部は、判定部によって微小粒子に相当すると判定された部分をカウントする。 The fine particle measuring device of the embodiment is a device for measuring fine particles included in a sample, and includes a light source, an objective lens, an imaging lens, an imaging unit, a determination unit, and a counting unit. The light source supplies illumination light to illuminate the sample, the objective lens bundles the transmitted light transmitted through the sample, the imaging lens collects the transmitted light bundled by the objective lens, and the imaging unit collects the transmitted light. , The transmitted light collected by the imaging lens is imaged, the determination unit determines the portion corresponding to the minute particles in the image of the transmitted light captured by the imaging unit, and the counting unit determines the minute particles by the determination unit. The part determined to correspond to is counted.
以下に、実施形態の微小粒子計測方法が適用された微小粒子計測装置を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, the fine particle measuring apparatus to which the fine particle measuring method of the embodiment is applied will be described with reference to the drawings.
まず、同微小粒子計測装置が適用される都市下水等の有機系排水処理ラインについて説明する。 First, an organic wastewater treatment line for urban sewage, etc. to which the fine particle measuring device is applied will be described.
図1は、都市下水等の有機系排水処理の流れを示す一般的なプロセスフロー図である。 FIG. 1 is a general process flow diagram showing the flow of organic wastewater treatment such as urban sewage.
図1に示す有機系排水処理ライン60は、最初沈殿池62、中間槽64、および最終沈殿池66から構成される。
The organic
処理水wが最初沈殿池62に導入される。最初沈殿池62では、処理水wに含まれる固形物kが沈殿し、処理水wの上澄みが、下流の中間槽64に送られ、所定時間滞留する。処理水wには、活性汚泥であるバチルスが含まれている。これによって、中間槽64では、処理水w中の有機物がバチルスによって分解される。その後、中間槽64内の処理水wは最終沈殿池66に送られる。
The treated water w is first introduced into the
最終沈殿池66では、バチルスによる有機物の分解等によって生成された固形物kが沈殿し、処理水wの上澄みが、最終沈殿池66から放流される。これによって、最終沈殿池66から放流される時点では、処理水wに含まれる有機物の濃度は、許容値以下となる。
In the
なお、最初沈殿池62および最終沈殿池66において沈殿した固形物kは、抜き取られて、まとめて減容処理される。
The solid material k settled in the
したがって、このような有機系排水処理ライン60では、活性汚泥処理を促進するために、処理水wに十分なバチルスが含まれていることが必須となる。これを確認するために、中間槽64から、定期的に処理水wをサンプリングし、バチルスの個数を計測する必要がある。
Therefore, in such an organic
実施形態の微小粒子計測方法が適用された微小粒子計測装置10はこの計測のために用いられる。微小粒子計測装置10による計測結果は、有機系排水処理ライン60の制御システム68へ送られ、制御システム68では、計測結果に応じて、有機系排水処理ライン60の曝気運転の制御や、バチルスの濃度の制御等を行う。
The fine particle measuring
以下に、微小粒子計測装置10の具体的な構成について説明する。
The specific configuration of the fine
(第1の実施形態)
図2は、第1の実施形態の微小粒子計測方法が適用された微小粒子計測装置の構成例を示す概念図である。
(First Embodiment)
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a configuration example of a fine particle measuring device to which the fine particle measuring method of the first embodiment is applied.
微小粒子計測装置10は、平行光源12、対物レンズ14、結像レンズ16、イメージセンサ22、判定部24、およびカウント部26を備えており、サンプルs中に含まれる微小粒子を計測する。
The fine
平行光源12、対物レンズ14、および結像レンズ16は、この順に配置されることによって光学系20を形成し、平行光源12から発せられた照明光aは、微小粒子を含むサンプルsを含むスライドガラスhを通過した後に、対物レンズ14、結像レンズ16を経て、イメージセンサ22へ導かれるように構成されている。図2において直線cは、光軸を表す。光学系20は、例えば、顕微鏡によって実現することができる。
The
一方、光学系20以外の構成要素であるイメージセンサ22、判定部24、およびカウント部26は、専用のプログラムにしたがって動作するプロセッサを備えたコンピュータによって実現することができる。
On the other hand, the
サンプルsは、例えば、前述したように、中間槽64からサンプリングされた処理水wである。また、微小粒子は、一例として、バチルスを生成する芽胞である。
The sample s is, for example, the treated water w sampled from the
サンプルsは、スライドガラスhに載せられ、カバーガラス等によって固定された状態で、平行光源12と対物レンズ14との間の光軸c上に配置される。
The sample s is placed on the slide glass h, fixed by a cover glass or the like, and arranged on the optical axis c between the
平行光源12は、サンプルsが固定されたスライドガラスhを照明する照明光aを供給する。
The
サンプルsに含まれるバチルスを生成する芽胞等の微小粒子は、屈折率の違いからレンズとして機能するため、微小粒子の外側を通過する光は、中心部分に集光される。したがって、照明光aは、スライドガラスhを通過すると、スライドガラスhに固定されたサンプルsに含まれる微小粒子のレンズ機能によって集光され、光強度の高い透過光tとなって、対物レンズ14に入射する。
Since the microparticles such as spores that generate bacillus contained in the sample s function as a lens due to the difference in refractive index, the light passing outside the microparticles is focused on the central portion. Therefore, when the illumination light a passes through the slide glass h, it is condensed by the lens function of the fine particles contained in the sample s fixed to the slide glass h to become transmitted light t having high light intensity, and becomes the
対物レンズ14に入射した透過光tは、対物レンズ14によって束ねられて、結像レンズ16に入射する。
The transmitted light t incident on the
結像レンズ16に入射した透過光tは、結像レンズ16によって集光され、イメージセンサ22へ送られる。
The transmitted light t incident on the
イメージセンサ22は、結像レンズ16によって集光された透過光tを撮像する撮像部として機能する。
The
判定部24は、イメージセンサ22によって撮像された透過光tの画像において、サンプルsに含まれる微小粒子に相当する部分を判定する。
The
図2に示すような構成を有する光学系20において、イメージセンサ22に達する透過光tの光強度は、サンプルsの、光軸cに沿った対物レンズ14の焦点距離f1からの隔離距離zと、光学系20の特性(対物レンズ14の焦点距離f1、結像レンズ16の焦点距離f2、および対物レンズ14と結像レンズ16との距離l1、結像レンズ16とイメージセンサ22との距離l2)と、微小粒子の粒径rおよび屈折率nとに基づいて、以下に示すRay transfer matrixにしたがって、光線追跡行列計算を行うことによって決定される。
In the
上記式において、xは光軸cからの距離であり、uは光軸cに対する光の入射角度である。 In the above equation, x is the distance from the optical axis c, and u is the angle of incidence of light with respect to the optical axis c.
前述した光学系20の特性は、光学系20の設計に応じて決定されるので既知である。また、計測対象とする微小粒子は、例えばバチルスを生成する芽胞のように予め想定されているので、粒径r(バチルスを生成する芽胞の場合、約1μm)および屈折率n(約1.5)も既知である。
The characteristics of the
したがって、サンプルsは、Ray transfer matrixを用いて行われる光線追跡行列計算に基づいて、イメージセンサ22に達する透過光tの光強度が最大になるように決定された、対物レンズ14の焦点距離f1から隔離距離z離れた位置に配置される。
Therefore, the sample s has the focal length f of the
あるいは、光線追跡行列計算を用いなくても、対物レンズ14の焦点距離f1からスライドガラスhまでの隔離距離zを変化させながら、イメージセンサ22で透過光tの画像を撮像し、最も光強度が高い画像が得られるときの隔離距離zになるように、スライドガラスhを配置するようにしても良い。
Alternatively, without using the ray tracing matrix calculation, while changing the separation distance z from the focal length f 1 of the
対物レンズ14の焦点距離f1からスライドガラスhまでの隔離距離zを変化させながら隔離距離zを決定する手法の妥当性は、以下のように検証されている。
Validity of method of determining a separation distance z while changing the separation distance z to the slide glass h from the focal length f 1 of the
図3は、図2に例示する光学系20を実現する顕微鏡21の構成例を示す概念図である。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a configuration example of a
顕微鏡21は、光学系20と同様、平行光源12、対物レンズ14、結像レンズ16を備えていることに加えて、対物レンズ14の焦点距離f1からスライドガラスhまでの隔離距離zを測定するためのレーザ変位計30を備えている。対物レンズ14と結像レンズ16との距離l1は130mm、結像レンズ16とイメージセンサ22との距離l2は164.5mm、結像レンズ16の焦点距離f2は164.5mm、対物レンズ14の倍率は40倍(×40)、開口数は0.65(NA=0.65)、焦点距離f1は4.1125mmである。
このような顕微鏡21を光学系20として備えた微小粒子計測装置10もまた、イメージセンサ22の後段に判定部24、およびカウント部26を備えているが、図3ではこれらの図示を省略している。
The
図4、図5、図6はそれぞれ、図3に示す顕微鏡21を光学系20として備えた微小粒子計測装置10のイメージセンサ22による撮像によって得られた画像の一部および対応する光強度分布の例である。
4, 5 and 6, respectively, show a part of the image obtained by imaging by the
図4(a)は、微小粒子としてバチルスを生成する芽胞を含むサンプルsの、透過光tの光強度が最大となる条件で撮像された画像の一部を例示する平面図である。このときの隔離距離zは0μm(z=0μm)である。 FIG. 4A is a plan view illustrating a part of an image of a sample s containing spores that generate Bacillus as fine particles under the condition that the light intensity of the transmitted light t is maximized. The isolation distance z at this time is 0 μm (z = 0 μm).
図4(b)は、図4(a)におけるA−A線に沿った光強度分布の一例を示す図である。 FIG. 4B is a diagram showing an example of the light intensity distribution along the line AA in FIG. 4A.
図4(a)における横軸は、光軸cからの距離に相当する位置x(μm)(図2における縦方向)を示し、縦軸は光軸cからの距離に相当する位置y(μm)(図2における奥行き方向)を示す。 The horizontal axis in FIG. 4A indicates the position x (μm) corresponding to the distance from the optical axis c (vertical direction in FIG. 2), and the vertical axis represents the position y (μm) corresponding to the distance from the optical axis c. ) (Depth direction in FIG. 2).
図4(b)における横軸は、図4(a)に対応した光軸cからの距離に相当する位置x(μm)を示し、縦軸は透過光tの相対強度を示す。 The horizontal axis in FIG. 4B indicates the position x (μm) corresponding to the distance from the optical axis c corresponding to FIG. 4A, and the vertical axis indicates the relative intensity of the transmitted light t.
図4(b)では、バチルスが生成する芽胞に対応する鋭い光強度の増強を示すスパイクが観察される。 In FIG. 4 (b), spikes are observed showing a sharp enhancement of light intensity corresponding to the spores produced by Bacillus.
図5(a)は、図4(a)のような画像が取得された条件(すなわち、隔離距離z=0μm)において、スライドガラスhにサンプルsがない状態で撮像された画像の一部を例示する平面図である。 FIG. 5A shows a part of the image captured without the sample s on the slide glass h under the condition that the image as shown in FIG. 4A was acquired (that is, the isolation distance z = 0 μm). It is a top view which exemplifies.
なお、図5(a)における縦軸および横軸の単位は、図4(a)における横軸および縦軸の単位と同じであり、図5(b)における横軸および縦軸の単位は、図4(b)における横軸および縦軸の単位と同じである。 The units of the vertical axis and the horizontal axis in FIG. 5A are the same as the units of the horizontal axis and the vertical axis in FIG. 4A, and the units of the horizontal axis and the vertical axis in FIG. 5B are. It is the same as the unit of the horizontal axis and the vertical axis in FIG. 4 (b).
ここで、スライドガラスhには、約30μmの径を有するアクリル粒子(屈折率は約1.5)が含まれている。したがって、図5(a)に示される円形部分は、アクリル粒子に対応している。 Here, the slide glass h contains acrylic particles having a diameter of about 30 μm (refractive index is about 1.5). Therefore, the circular portion shown in FIG. 5A corresponds to the acrylic particles.
ところが、図5(a)におけるA−A線に沿った光強度分布を示す図5(b)によれば、図5(a)に示される円形部分では、光強度が減少していることがわかる。平行光源12からの照明光aがアクリル粒子を透過した場合、Ray transfer matrixを用いた光線行列計算により、隔離距離z=0μmである図5の条件では、透過光tの光強度は、イメージセンサ22において最大になっていないことがわかる。
However, according to FIG. 5 (b) showing the light intensity distribution along the line AA in FIG. 5 (a), the light intensity is reduced in the circular portion shown in FIG. 5 (a). Recognize. When the illumination light a from the parallel
そこで、隔離距離zを変化させながら、イメージセンサ22によって透過光tの画像を撮像することによって、イメージセンサ22における透過光tの光強度が最大になるような隔離距離zをサーチした。なお、隔離距離zは、レーザ変位計30によって測定される。
Therefore, the
その結果、図6に示すように、隔離距離z=26μmのときに、イメージセンサ22によって撮像される透過光tの光強度が最大になるとの結果が得られた。
As a result, as shown in FIG. 6, when the isolation distance z = 26 μm, the result was obtained that the light intensity of the transmitted light t captured by the
図6(a)は、サンプルsがないスライドガラスhが照明光aによって照明された場合に、イメージセンサ22において、透過光tの光強度が最大となる条件で撮像された画像の一部を例示する平面図である。中央に示される約30μmの径を有する部分は、アクリル粒子に対応していると考えられる。
FIG. 6A shows a part of the image captured by the
図6(b)は、図6(a)におけるA−A線に沿った光強度分布の一例を示す図である。 FIG. 6B is a diagram showing an example of the light intensity distribution along the line AA in FIG. 6A.
なお、図6(a)における縦軸および横軸の単位は、図4(a)における横軸および縦軸の単位と同じであり、図6(b)における横軸および縦軸の単位は、図4(b)における横軸および縦軸の単位と同じである。 The units of the vertical axis and the horizontal axis in FIG. 6A are the same as the units of the horizontal axis and the vertical axis in FIG. 4A, and the units of the horizontal axis and the vertical axis in FIG. 6B are. It is the same as the unit of the horizontal axis and the vertical axis in FIG. 4 (b).
図6(b)では、図5(b)のように光強度が減少している部分と光強度が増加しているスパイクが同時に観察されている。この光強度が減少している部分の幅は約30μmとなることから、スライドガラスhを構成するアクリル粒子に対応しているとわかる。 In FIG. 6 (b), as shown in FIG. 5 (b), a portion where the light intensity is decreasing and a spike where the light intensity is increasing are observed at the same time. Since the width of the portion where the light intensity is reduced is about 30 μm, it can be seen that it corresponds to the acrylic particles constituting the slide glass h.
このように、図4の結果から、約1μmの径を有する芽胞を計測する場合、隔離距離z=0μmが最適であり、図5および図6の結果から、約30μmの径を有するアクリル粒子を計測する場合、隔離距離z=26μmが最適であると判定される。 As described above, when measuring spores having a diameter of about 1 μm from the results of FIG. 4, the isolation distance z = 0 μm is optimal, and from the results of FIGS. 5 and 6, acrylic particles having a diameter of about 30 μm can be obtained. When measuring, it is determined that the isolation distance z = 26 μm is optimal.
実際、微小粒子計測装置10を用いて、約1μmの径を有する芽胞を計測する場合、最適な隔離距離zを、前述したRay transfer matrixにしたがって、光線追跡行列計算を行うことによって求めたところ、z=0.7μmとの結果が得られた。同様に、約30μmの径を有するアクリル粒子の場合についても計算したところ、z=22.5μmとの結果が得られた。
In fact, when measuring spores having a diameter of about 1 μm using the
このように、イメージセンサ22において撮像される透過光tの光強度が最大となる隔離距離zは、理論的に計算された値とほぼ同等となる。
As described above, the isolation distance z at which the light intensity of the transmitted light t captured by the
判定部24は、このようにしてイメージセンサ22によって撮像された、光強度が最大となる画像において、例えば、予め設定したしきい値以上の光強度を示す部分は、バチルスを生成する芽胞のような微小粒子に対応していると判定する。
In the image having the maximum light intensity captured by the
図7(a)は、サンプルsの透過光tの光強度が最大となる条件で撮像された画像の一部を例示する平面図であり、図7(b)は、図7(a)におけるA−A線に沿った光強度分布の一例を示す図である。 FIG. 7 (a) is a plan view illustrating a part of an image captured under the condition that the light intensity of the transmitted light t of the sample s is maximized, and FIG. 7 (b) is a plan view in FIG. 7 (a). It is a figure which shows an example of the light intensity distribution along the AA line.
なお、図7(a)における縦軸および横軸の単位は、図4(a)における横軸および縦軸の単位と同じであり、図7(b)における横軸および縦軸の単位は、それぞれ図7(a)に対応した光軸cからの距離に相当する位置x(μm)、透過光tの強度である。 The units of the vertical axis and the horizontal axis in FIG. 7A are the same as the units of the horizontal axis and the vertical axis in FIG. 4A, and the units of the horizontal axis and the vertical axis in FIG. 7B are. The positions x (μm) corresponding to the distance from the optical axis c corresponding to FIG. 7A and the intensities of the transmitted light t, respectively.
図7(b)に示す光強度分布Gには、直前および直後に急峻な上昇および下降を伴う光強度のスパイクSPが示されている。これに応じて、図7(a)には、光強度の高い領域が濃く、その周囲に位置する光強度の低い領域が薄く示されている。 The light intensity distribution G shown in FIG. 7B shows spikes of light intensity SP with steep rises and falls immediately before and after. Correspondingly, in FIG. 7A, the region with high light intensity is dark, and the region with low light intensity located around the region is lightly shown.
図7(a)に例示する画像gには、バックグランドノイズとしてスライドガラスh自体による透過光も含まれているので、このスパイクSPが、微小粒子に対応しているのか、バックグランドノイズによるものなのか分からない。したがって、これを判定するためには、光強度分布Gから、バックグランドノイズによる寄与分を差し引く必要がある。 Since the image g illustrated in FIG. 7A also includes the transmitted light due to the slide glass h itself as the background noise, it is due to the background noise whether the spike SP corresponds to fine particles. I don't know. Therefore, in order to determine this, it is necessary to subtract the contribution due to the background noise from the light intensity distribution G.
バックグランドノイズによる寄与分を把握するために、微小粒子計測装置10は、スライドガラスhにサンプルsがない状態で、イメージセンサ22によって透過光tの画像を撮像する。
In order to grasp the contribution due to the background noise, the
図8(a)は、図7(a)が得られた条件において、スライドガラスhにサンプルsがない状態で撮像された画像を例示する平面図である。 FIG. 8A is a plan view illustrating an image taken in a state where the slide glass h does not have the sample s under the condition that FIG. 7A is obtained.
図8(b)は、図8(a)におけるA−A線に沿った光強度分布の一例を示す図である。 FIG. 8B is a diagram showing an example of the light intensity distribution along the line AA in FIG. 8A.
図8(a)における横軸および縦軸は、図7(a)における横軸および縦軸と同じであり、図8(b)における横軸および縦軸は、図7(b)における横軸および縦軸と同じである。 The horizontal and vertical axes in FIG. 8 (a) are the same as the horizontal and vertical axes in FIG. 7 (a), and the horizontal and vertical axes in FIG. 8 (b) are the horizontal axes in FIG. 7 (b). And the same as the vertical axis.
図8(a)は、バックグランドノイズの画像に相当する。図8(b)は、バックグランドノイズの光強度分布Thに相当し、この例では、光強度は、位置xに関係なく一定の光強度(Th=0.02)を示している。したがって、図8(a)は、光強度が一様な画像となっている。 FIG. 8A corresponds to an image of background noise. FIG. 8B corresponds to the light intensity distribution Th of the background noise, and in this example, the light intensity shows a constant light intensity (Th = 0.02) regardless of the position x. Therefore, FIG. 8A is an image having a uniform light intensity.
判定部24は、このようなバックグランドノイズの光強度を、しきい値(図8(b)の例では、0.02)として使用し、図7(b)に示すような光強度分布Gのうち、しきい値よりも高い光強度を示す部分を、微小粒子による透過光であると判定する。このような判定方法を、図9を用いて具体的に説明する。
The
図9(b)は、図7(b)と図8(b)とを重ね合わせた図である。すなわち、図9(b)には、光強度分布Gと、光強度分布Thとが重ね合わせて示されている。光強度分布Gは、微小粒子による透過光と、バックグランドノイズによる透過光とが合成されたものであり、光強度分布Thは、バックグランドノイズによる透過光によるものである。 9 (b) is a superposed view of FIG. 7 (b) and FIG. 8 (b). That is, in FIG. 9B, the light intensity distribution G and the light intensity distribution Th are superposed. The light intensity distribution G is a combination of the transmitted light due to the fine particles and the transmitted light due to the background noise, and the light intensity distribution Th is due to the transmitted light due to the background noise.
したがって、判定部24は、図9(b)において斜線で示すように、光強度分布Gのうち、光強度分布Thよりも光強度が高い、言い換えれば、しきい値(0.02)よりも光強度が高い部分Pを、微小粒子による透過光であると判定する。このように、判定部24は、光強度に基づく二値化処理によって、微小粒子の判定を行う。
Therefore, as shown by the diagonal lines in FIG. 9B, the
判定部24はさらに、微小粒子であると判定した部分Pを、二次元平面画像において、強調表示させる。その一例を図9(a)および図10に示す。
The
図9(a)には、図9(b)において微小粒子であると判定された部分Pが、例えば赤色のように、周囲とは異なる色によって強調表示された例が示されている。 FIG. 9A shows an example in which the portion P determined to be a fine particle in FIG. 9B is highlighted by a color different from the surroundings, for example, red.
また、図9(a)のような表示から、判定部24は、微小粒子の粒径rを把握することもできる。これによって、判定した微小粒子が、想定した通りの微小粒子であるか否かを確認したり、あるいは、サンプルsに複数種類の微小粒子が含まれている場合には、粒径rで分類することによって、微小粒子を種類毎に判定することも可能となる。
Further, from the display as shown in FIG. 9A, the
図10は、イメージセンサ22によって撮像された2次元平面画像の全体において、微小粒子に相当すると判定された部分Pが、強調表示された例を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing an example in which a portion P determined to correspond to fine particles in the entire two-dimensional plane image captured by the
図9(a)には倍率が40倍である対物レンズを用いて、イメージセンサ22によって撮像された2次元平面画像のうち、1つの微小粒子に対応する部分Pしか例示されていないが、図10には倍率が10倍である対物レンズを用いて、イメージセンサ22によって撮像された2次元平面画像の全体に、多数の部分Pが示されていることを例示している。図10においても、横軸は光軸cからの距離に相当する位置(図2における縦方向)を示し、縦軸は光軸cからの距離に相当する位置(図2における奥行き方向)を示すが、図10に示す画像は低倍率10倍で取得されているため、図9(a)に示す画像よりも視野が大きいことに注目されたい。
FIG. 9A exemplifies only a portion P corresponding to one minute particle in the two-dimensional plane image captured by the
図10に示すように、判定部24によって微小粒子に相当すると判定された部分Pは、イメージセンサ22によって撮像された2次元平面画像において、例えば赤色のように、周囲と異なる色で表示される。
As shown in FIG. 10, the portion P determined to correspond to the fine particles by the
カウント部26は、図10に例示されるような画像を、例えば画像処理して、赤色で表示された部分Pの数をカウントする。このカウントされた数は、微小粒子の数に相当するので、カウント部26は、微小粒子の数を容易かつ確実にカウントすることができる。
The
また、サンプルsに、例えば粒径で判別可能な複数種類の微小粒子が含まれている場合、判定部24は、図10に例示するような2次元平面画像において、粒子の種類別に異なる色で表示させることもできる。さらに、この画像を画像処理して、色毎に部分Pの数をカウントすることによって、カウント部26は、微小粒子を、種類毎にカウントすることもできる。
Further, when the sample s contains, for example, a plurality of types of fine particles that can be discriminated by the particle size, the
なお、判定部24は、前述した光線追跡行列計算を適用することにより、屈折率が不明である微小粒子の屈折率nを算出することもできる。これは、対物レンズ14の焦点距離f1からサンプルsまでの隔離距離zを変化させながら、イメージセンサ22で透過光の画像を撮像し、最も光強度が高い画像が得られるときの隔離距離zを、Ray transfer matrixに代入することによって、この微小粒子の屈折率nを算出することができる。これには、粒径rが既知である必要があるが、粒径rが不明な場合には、前述したように図9(a)に示す画像から得られる粒径rを用いて、Ray transfer matrixに代入することによって、この微小粒子の屈折率nを算出することができる。
The
次に、第1の実施形態の微小粒子計測方法が適用された微小粒子計測装置の動作について説明する。 Next, the operation of the fine particle measuring device to which the fine particle measuring method of the first embodiment is applied will be described.
図11は、第1の実施形態の微小粒子計測方法が適用された微小粒子計測装置の動作例を示すフローチャートである。 FIG. 11 is a flowchart showing an operation example of the fine particle measuring device to which the fine particle measuring method of the first embodiment is applied.
ステップS1では、光学系20を用いて、微小粒子を含むサンプルsの透過光tの画像が取得される(S1)。 In step S1, an image of transmitted light t of the sample s containing fine particles is acquired by using the optical system 20 (S1).
これは、図2に示すように、光学系20に設置され、サンプルsを含むスライドガラスhに、平行光源12から照明光aを照明した場合に、イメージセンサ22によって透過光の画像が撮像されることによってなされる。
As shown in FIG. 2, when the slide glass h including the sample s is illuminated with the illumination light a from the parallel
イメージセンサ22による撮像によって得られる透過光の光強度が最大ではない場合(S2:No)、イメージセンサ22による撮像によって得られる透過光の光強度が最大となるように、スライドガラスhが設置される位置が調整される。この位置は、図2に示すように、光軸cに沿った対物レンズ14の焦点距離f1からの隔離距離zに相当する(S3)。
When the light intensity of the transmitted light obtained by the
イメージセンサ22によって撮像された透過光の光強度が最大となる場合、すなわち、最適な隔離距離zが決定された場合(S2:Yes)、サンプルsがないスライドガラスhを配置した状態で、平行光源12からスライドガラスhに向けて照明光aを照射することによって得られた透過光を、イメージセンサ22によって撮像する。これは、例えば図8(b)に例示するようなバックグランドノイズによる透過光に相当する。判定部24は、この画像から、二値化のためのしきい値を決定する(S4)。
When the light intensity of the transmitted light captured by the
その後、判定部24は、ステップS1で得られた光強度分布G(例えば、図7(b)参照)のうち、ステップS4で決定されたしきい値(例えば、図8(b)に示すようなTh=0.02)よりも光強度が高い部分P(図9(b)参照)を、微小粒子による透過光に相当すると判定する二値化処理によって、微小粒子の判定を行う。そして、微小粒子に相当すると判定された部分Pを、例えば赤色のように、周囲と異なる色で強調表示する二値化画像(例えば、図10参照)を構成する(S5)。
After that, the
その後、カウント部26は、この二値化画像に基づいて、部分Pの数をカウントする。カウントされた数は、微小粒子(例えば、バチルスを生成する芽胞)の数に相当する。このようにして、微小粒子の数が計測される(S6)。
After that, the
以上説明したように、第1の実施形態の微小粒子計測方法が適用された微小粒子計測装置によれば、有機系排水処理における処理水に含まれる、バチルスのような微小粒子を、従来検出法であるマイクロコロニー法、シーケンス法、および蛍光染色法を適用した装置よりも、短時間で計測することができる。しかも、計測は、検量線などを必要としない簡素な手法で実現できるので、微小粒子計測装置を廉価で実現することができる。 As described above, according to the microparticle measuring apparatus to which the microparticle measuring method of the first embodiment is applied, fine particles such as Bacillus contained in treated water in organic wastewater treatment can be detected by a conventional detection method. It can be measured in a shorter time than the apparatus to which the micro-colony method, the sequencing method, and the fluorescent staining method are applied. Moreover, since the measurement can be realized by a simple method that does not require a calibration curve or the like, the fine particle measuring device can be realized at a low cost.
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。以下の説明において、第1の実施形態と同一部分については、同一符号を用いて示し、重複説明を避ける。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described. In the following description, the same parts as those in the first embodiment are shown by using the same reference numerals, and duplicate explanations are avoided.
図12は、第2の実施形態の微小粒子計測方法が適用された微小粒子計測装置の構成例を示す概念図である。 FIG. 12 is a conceptual diagram showing a configuration example of a fine particle measuring device to which the fine particle measuring method of the second embodiment is applied.
第1の実施形態の微小粒子計測装置10では、判定部24は、しきい値を用いた二値化によって微小粒子を判定したが、第2の実施形態の微小粒子計測装置11では、判定部24は、しきい値を用いた二値化によって微小粒子を判定する手法に代えて、あるいは、この手法と組み合わせて、機械学習によって微小粒子を判定する。
In the fine
機械学習による微小粒子の判定を実現するために、図12に例示する微小粒子計測装置11は、図2に例示する微小粒子計測装置10にさらに、データベース28と、機械学習部29とを備えている。
In order to realize the determination of fine particles by machine learning, the fine particle measuring device 11 illustrated in FIG. 12 further includes a
データベース28は、判定部24からアクセス可能となっている。
The
データベース28には、判定部24によって過去に微小粒子に相当すると判定された部分の光強度分布情報が蓄積されている。光強度分布情報は、例えば図7(b)に示すような波形情報であっても、あるいは、この波形情報に対応する数値情報であってもよい。
In the
機械学習部29は、データベース28に蓄積されている光強度分布情報に対して機械学習による画像解析を行い、解析結果を、判定部24へ出力する。この解析結果は、波形の類似性を含む。
The
波形の類似性は、例えば、図7(b)に示すようなスパイクSPの形状の特徴に基づいて決定することができる。すなわち、図7(b)に示すスパイクSPは、直前に鋭い光強度の低下を示すスパイクSP1と、直後に鋭い光強度の低下を示すスパイクSP2とを伴うという特徴を有する。したがって、機械学習部29は、この特徴に着目し、直前に鋭い光強度の低下を示すスパイクSP1と、直後に鋭い光強度の低下を示すスパイクSP2とを伴うスパイクSPに対応する部分に、高い類似性を与える。
Waveform similarity can be determined, for example, based on the shape characteristics of the spike SP as shown in FIG. 7 (b). That is, the spike SP shown in FIG. 7B is characterized by being accompanied by a spike SP 1 showing a sharp decrease in light intensity immediately before and a spike SP 2 showing a sharp decrease in light intensity immediately after. Therefore, the
さらにより類似性の精度を高めるために、機械学習部29は、スパイクSPの高さはスパイクSP1の深さよりも大きい、スパイクSPの高さはスパイクSP2の深さよりも大きい、スパイクSP1の深さはスパイクSP2の深さよりも大きい、スパイクSP、スパイクSP1、およびスパイクSP2の幅は同程度、といった特徴に応じて、類似性を決定するようにしても良い。
In order to further improve the accuracy of similarity, the
イメージセンサ22によって新たな画像が撮像された場合、判定部24は、この画像において、機械学習部29によって与えられた類似性よりも高い類似性を示す部分は、微小粒子に相当すると判定する。
When a new image is captured by the
このように、判定部24は、機械学習による結果を使って、微小粒子の判定を行うことができる。これは、第1の実施形態で説明した二値化によって微小粒子を判定する手法に代えて、あるいは、二値化によって微小粒子を判定する手法と組み合わせて実施することが可能である。
In this way, the
また、このように機械学習による結果を使って、判定部24によって微小粒子に相当すると判定された部分Pもまた、イメージセンサ22によって撮像された2次元平面画像において、例えば赤色のように、周囲と異なる色で表示される。
Further, the portion P determined to correspond to the fine particles by the
したがって、カウント部26は、第1の実施形態で説明したように、例えば画像処理により、赤色で表示された部分の数をカウントすることによって、微小粒子の数を容易かつ確実にカウントすることができる。
Therefore, as described in the first embodiment, the
判定部24はさらに、微小粒子に相当すると判定した部分の光強度分布情報および粒子の大きさ、アスペクト比、真円度やフェレー長などをはじめとした形態情報をデータベース28に蓄積させる。
The
これによって、機械学習部29は、より多くの光強度分布情報および形態情報を用いて画像解析できるようになるので、判定部24による判定精度もますます向上する。
As a result, the
このように、第2の実施形態の微小粒子計測装置11によれば、機械学習を適用することによって、微小粒子をより高い精度で判定できるのみならず、微小粒子に相当すると判定された新たな光強度分布情報がデータベース28に蓄積され、機械学習に使用されるようになるので、学習効果によって、判定精度をさらに高めることができる。
As described above, according to the microparticle measuring device 11 of the second embodiment, by applying machine learning, not only the microparticles can be determined with higher accuracy, but also a new one determined to correspond to the microparticles. Since the light intensity distribution information is accumulated in the
しかも、このように機械学習を適用して微小粒子を判定する手法は、第1の実施形態で説明したようなしきい値を用いた二値化によって微小粒子を判定する手法に代えて実施することも、あるいは、組み合わせて実施することもできる。 Moreover, the method of determining fine particles by applying machine learning in this way is to be carried out in place of the method of determining fine particles by binarization using a threshold value as described in the first embodiment. Or, it can be carried out in combination.
例えば、微小粒子に相当する部分の判定精度をより高めるために、第1の実施形態の手法と、本手法とによって、ともに微小粒子に相当すると判定された部分を、微小粒子に相当すると判定してもよい。このように判定された部分は、微小粒子に相当している確率が極めて高い。 For example, in order to further improve the determination accuracy of the portion corresponding to the fine particles, the portion determined to correspond to the fine particles by both the method of the first embodiment and the present method is determined to correspond to the fine particles. You may. The portion determined in this way has an extremely high probability of corresponding to fine particles.
以上説明したように、第2の実施形態の微小粒子計測方法が適用された微小粒子計測装置もまた、バチルスを生成する芽胞のような微小粒子を、従来技術よりも、短時間かつ簡素に計測することができる。 As described above, the microparticle measuring apparatus to which the microparticle measuring method of the second embodiment is applied also measures microparticles such as spores that generate Bacillus in a shorter time and more simply than in the prior art. can do.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, as well as in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
10、11・・微小粒子計測装置、12・・平行光源、14・・対物レンズ、16・・結像レンズ、20・・光学系、21・・顕微鏡、22・・イメージセンサ、24・・判定部、26・・カウント部、28・・データベース、29・・機械学習部、30・・レーザ変位計、60・・有機系排水処理ライン、62・・最初沈殿池、64・・中間槽、66・・最終沈殿池、68・・制御システム 10, 11 ... Fine particle measuring device, 12 ... Parallel light source, 14 ... Objective lens, 16 ... Imaging lens, 20 ... Optical system, 21 ... Microscope, 22 ... Image sensor, 24 ... Judgment Department, 26 ... Counting part, 28 ... Database, 29 ... Machine learning department, 30 ... Laser displacement meter, 60 ... Organic wastewater treatment line, 62 ... First settling pond, 64 ... Intermediate tank, 66・ ・ Final sedimentation pond, 68 ・ ・ Control system
Claims (9)
前記サンプルを照明する照明光を供給する光源と、
前記照明光が前記サンプルを透過した透過光を束ねる対物レンズと、
前記対物レンズによって束ねられた透過光を集光する結像レンズと、
前記結像レンズによって集光された透過光を撮像する撮像部と、
前記撮像部によって撮像された前記透過光の画像において、前記微小粒子に相当する部分を判定する判定部と、
前記判定部によって前記微小粒子に相当すると判定された部分をカウントするカウント部と
を備えた、微小粒子計測装置。 A microparticle measuring device that measures microparticles contained in a sample.
A light source that supplies illumination light to illuminate the sample,
An objective lens in which the illumination light bundles the transmitted light transmitted through the sample, and
An imaging lens that collects the transmitted light bundled by the objective lens and
An imaging unit that captures the transmitted light collected by the imaging lens, and an imaging unit.
In the image of the transmitted light captured by the imaging unit, a determination unit that determines a portion corresponding to the fine particles, and a determination unit.
A fine particle measuring device including a counting unit that counts a portion determined by the determination unit to correspond to the fine particles.
請求項1に記載の微小粒子計測装置。 The sample is arranged so as to be isolated from the focal plane of the objective lens along the optical axis at a distance determined so as to maximize the intensity of the transmitted light imaged by the imaging unit.
The fine particle measuring device according to claim 1.
請求項1または2に記載の微小粒子計測装置。 In the captured image of the transmitted light, the determination unit determines that a portion showing a light intensity equal to or higher than a preset threshold value is a portion corresponding to the fine particles.
The fine particle measuring device according to claim 1 or 2.
請求項3に記載の微小粒子計測装置。 The preset threshold value is determined from the light intensity in the image captured by the imaging unit in the absence of the sample under the same conditions as the image of the transmitted light is captured.
The fine particle measuring device according to claim 3.
前記データベースに蓄積されている光強度分布情報に対して機械学習による画像解析を行い、解析結果を前記判定部へ出力する機械学習部とを、更に備え、
前記判定部は、前記撮像部によって前記透過光の新たな画像が撮像されると、前記解析結果に基づいて、前記新たな画像において、前記微小粒子に相当する部分を判定する、
請求項1または2に記載の微小粒子計測装置。 A database that stores the light intensity distribution information of the portion determined to correspond to the fine particles by the determination unit, and
It is further provided with a machine learning unit that performs image analysis by machine learning on the light intensity distribution information stored in the database and outputs the analysis result to the determination unit.
When a new image of the transmitted light is imaged by the imaging unit, the determination unit determines a portion corresponding to the fine particles in the new image based on the analysis result.
The fine particle measuring device according to claim 1 or 2.
請求項5に記載の微小粒子計測装置。 The determination unit stores the light intensity distribution information of the portion determined to correspond to the fine particles in the database.
The fine particle measuring device according to claim 5.
前記カウント部は、前記透過光の画像において、異なる色で表示された部分をカウントすることによって、前記微小粒子をカウントする、
請求項1乃至6のうち何れか1項に記載の微小粒子計測装置。 The determination unit displays a portion determined to correspond to the fine particles in a color different from other portions in the transmitted light image.
The counting unit counts the fine particles by counting the portions displayed in different colors in the transmitted light image.
The fine particle measuring apparatus according to any one of claims 1 to 6.
光源によって供給される照明光によって、前記サンプルを照明し、
前記照明光が前記サンプルを透過した透過光を対物レンズによって束ね、
前記対物レンズによって束ねられた透過光を結像レンズにより集光し、
前記結像レンズによって集光された透過光を撮像し、
前記撮像された前記透過光の画像において、前記微小粒子に相当する部分を判定し、
前記判定された部分をカウントする、
微小粒子計測方法。 It is a method of measuring fine particles contained in a sample.
Illuminate the sample with the illumination light supplied by the light source.
The transmitted light transmitted by the illumination light through the sample is bundled by an objective lens.
The transmitted light bundled by the objective lens is collected by the imaging lens, and the transmitted light is collected by the imaging lens.
The transmitted light collected by the imaging lens is imaged, and the transmitted light is imaged.
In the captured image of the transmitted light, a portion corresponding to the fine particles is determined.
Counting the determined portion,
Fine particle measurement method.
前記サンプルを照明するために光源から供給され、前記サンプルを透過し、対物レンズによって束ねられ、その後、結像レンズによって集光された光を撮像する機能、
前記撮像された光の画像において、前記微小粒子に相当する部分を判定する機能、
前記判定された部分をカウントする機能を、
コンピュータに実現させるための微小粒子計測プログラム。 A program that measures fine particles contained in a sample.
A function of capturing light supplied from a light source to illuminate the sample, transmitted through the sample, bundled by an objective lens, and then focused by an imaging lens.
A function of determining a portion corresponding to the fine particles in the captured light image,
The function to count the determined part,
A fine particle measurement program to be realized in a computer.
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