JP2023086104A - Cell evaluation method and cell evaluation device - Google Patents

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JP2023086104A
JP2023086104A JP2022186861A JP2022186861A JP2023086104A JP 2023086104 A JP2023086104 A JP 2023086104A JP 2022186861 A JP2022186861 A JP 2022186861A JP 2022186861 A JP2022186861 A JP 2022186861A JP 2023086104 A JP2023086104 A JP 2023086104A
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彩織 井上
Saori Inoue
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Nippon Zeon Co Ltd
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Abstract

To select better cells from cells having a linear structure.SOLUTION: A cell evaluation method comprises: an imaging step of imaging a cell having a linear structure to obtain an image; a data acquisition step of acquiring, from the image, data indicating a growth state of a linear portion extending from the cell body of the cell; and a determination step of determining the growth state of the linear portion from the data. The data includes data on the area occupancy of the linear portion and the reaching distance, which are calculated by processing the image.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、細胞評価方法および細胞評価装置に関し、特に、線状構造を有する細胞の成長状態を判定する細胞評価方法および細胞評価装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cell evaluation method and cell evaluation device, and more particularly to a cell evaluation method and cell evaluation device for determining the growth state of cells having linear structures.

従来、神経細胞等の線状構造を有する細胞については、染色し、目視での観察によりその成長状態を評価していた。しかしながら、染色することにより細胞がダメージを受けること、目視での観察による評価は客観性に欠ける場合があること等が課題となっていた。
近年、撮像画像からオブジェクトを抽出し、神経突起の長さや面積を用いて、神経細胞の生育状態を判定する細胞評価方法が検討されている(例えば、特許文献1、特許文献2)。
Conventionally, cells having a linear structure such as nerve cells were stained and visually observed to evaluate their growth state. However, there are problems such as that cells are damaged by staining, and evaluation by visual observation may lack objectivity.
In recent years, cell evaluation methods for determining the growth state of neurons by extracting objects from captured images and using the length and area of neurites have been studied (for example, Patent Documents 1 and 2).

特開2002-207993号公報JP-A-2002-207993 特開2021-27836号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-27836

本発明者らにより更なる検討が進められた結果、細胞の情報伝達のためには、神経細胞については、樹状突起および/または軸索から構成される神経線維(神経突起)は、太く、本数が多く、広がりをもつことが重要となる。このことから、神経細胞における神経線維の面積占有率と先端位置を評価することで、より情報伝達に優れた神経細胞を選別することが可能となることが判明した。 As a result of further studies by the present inventors, for the transmission of cell information, nerve fibers (neurites) composed of dendrites and/or axons are thick, It is important to have a large number and spread. From this, it was clarified that by evaluating the area occupancy rate and tip position of nerve fibers in nerve cells, it becomes possible to select nerve cells that are more excellent in information transmission.

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、線状構造を有する細胞について、より優れた細胞を選別する細胞評価方法および細胞評価装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and an object of the present invention is to provide a cell evaluation method and a cell evaluation device for selecting better cells from among cells having a linear structure.

本発明は、上記の知見に基づきなされたものであって、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の第1の態様は、線状構造を有する細胞を撮像して画像を取得する、撮像ステップと、前記画像から、前記細胞の細胞体から延伸する線状部の成長状態を示すデータを取得する、データ取得ステップと、前記データから前記線状部の成長状態を判定する、判定ステップと、を含む、細胞評価方法であって、前記データは、前記画像を処理することにより算出される、前記線状部の面積占有率および到達距離のデータを含む、細胞評価方法である。
このような方法により、神経細胞や毛髪細胞のような線状構造を有する細胞について、より優れた細胞を選別することができる。
The present invention has been made based on the above findings, and an object of the present invention is to advantageously solve the above problems. A first aspect of the present invention is to image a cell having a linear structure. a data acquisition step of acquiring data indicating the growth state of the linear portion extending from the cell body of the cell from the image; and a growth state of the linear portion from the data. and a determination step of determining the cell evaluation method.
By such a method, cells having linear structures such as nerve cells and hair cells can be selected for superior cells.

また、上記態様では、前記線状構造を有する細胞は神経細胞であり、前記細胞体から延伸する線状部は樹状突起および/または軸索であることとしてもよい。
これにより、より優れた神経細胞を選別することができる。
In the above aspect, the cell having the linear structure may be a nerve cell, and the linear portion extending from the cell body may be a dendrite and/or an axon.
This makes it possible to select better neurons.

また、上記態様において、前記判定ステップは、線状部の成長段階とその面積占有率および到達距離が関連付けられた線状部データベースに基づいた機械学習により、前記データから、前記細胞の予測成長度を表すスコアを算出することを含むこととしてもよい。
このようにすることで、成長度が高いと予測される細胞を予め選別することができる。
Further, in the above aspect, the determining step is performed by machine learning based on a linear portion database in which linear portion growth stages, their area occupancy rates, and reaching distances are associated with each other. may include calculating a score representing the
By doing so, it is possible to select cells that are predicted to have a high degree of growth in advance.

また、上記態様において、前記データは、細胞体形状の画像データをさらに含み、前記判定ステップは、細胞体の成長段階とその形状が関連付けられた細胞体形状データベースに基づいた機械学習により、前記細胞体形状の画像データから、前記神経細胞の成長状態を判定することを含むこととしてもよい。
このようにすることで、神経細胞の成長状態を評価し、成長度が高い神経細胞を選別することができる。
Further, in the above aspect, the data further includes image data of cell body shape, and the determining step is performed by machine learning based on a cell body shape database that associates cell body growth stages with cell shapes. It may include determining the growth state of the nerve cells from the body shape image data.
By doing so, it is possible to evaluate the growth state of nerve cells and to select nerve cells with a high degree of growth.

また、上記態様において、前記判定ステップは、神経線維とその特性が関連付けられた神経線維データベースに基づいた機械学習により、前記データから、前記神経細胞の成長状態を判定することを含むこととしてもよい。
このようにすることで、画像処理のみでは除き切れないノイズや異物の影響を受けにくくなり、より高精度に神経細胞の成長状態を判定することができる。
In the above aspect, the determining step may include determining the growth state of the nerve cell from the data by machine learning based on a nerve fiber database in which nerve fibers and their characteristics are associated. .
By doing so, it becomes difficult to be affected by noise and foreign matter that cannot be removed by image processing alone, and the growth state of nerve cells can be determined with higher accuracy.

また、本発明の第2の態様は、線状構造を有する細胞を撮像して画像を取得する、撮像部と、前記画像から、前記細胞の細胞体から延伸する線状部の成長状態を示すデータを取得する、データ取得部と、前記データから前記線状部の成長状態を判定する、判定部と、を含む、細胞評価装置であって、前記データは、前記画像を処理することにより算出される、前記線状部の面積占有率および到達距離のデータを含む、細胞評価装置である。
このような装置により、神経細胞や毛髪細胞のような線状構造を有する細胞について、より優れた細胞を選別することができる。
In addition, a second aspect of the present invention shows an imaging unit that acquires an image by imaging a cell having a linear structure, and the growth state of the linear part extending from the cell body of the cell from the image. A cell evaluation device, comprising: a data acquisition unit that acquires data; and a determination unit that determines the growth state of the linear portion from the data, wherein the data is calculated by processing the image. The cell evaluation device includes data on the area occupancy of the linear portion and the reaching distance.
With such an apparatus, better cells can be selected from cells having linear structures such as nerve cells and hair cells.

また、上記態様では、前記線状構造を有する細胞は神経細胞であり、前記細胞体から延伸する線状部は樹状突起および/または軸索であることとしてもよい。
これにより、より優れた神経細胞を選別することができる。
In the above aspect, the cell having the linear structure may be a nerve cell, and the linear portion extending from the cell body may be a dendrite and/or an axon.
This makes it possible to select better neurons.

本発明によれば、線状構造を有する細胞について、より優れた細胞を選別することができる。 According to the present invention, better cells can be selected from cells having a linear structure.

図1は、画像処理の工程を説明する模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining steps of image processing. 図2は、画像処理後の画像を説明する模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an image after image processing.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本発明の第1の態様に係る方法は、線状構造を有する細胞を撮像して画像を取得する、撮像ステップと、前記画像から、前記細胞の細胞体から延伸する線状部の成長状態を示すデータを取得する、データ取得ステップと、前記データから前記線状部の成長状態を判定する、判定ステップと、を含む、細胞評価方法であって、前記データは、前記画像を処理することにより算出される、前記線状部の面積占有率および到達距離のデータを含むことを特徴の1つとする。
このような細胞評価方法を用いることにより、機能的により優れた細胞を選別することが可能となる。
また、上記各ステップは、コンピューター読取可能な手段に記憶されたコンピュータープログラムに含まれ、コンピューターにより実行されることとしてもよい。本発明の別の一態様は、上記コンピュータープログラムを含むコンピュータープログラム媒体である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The method according to the first aspect of the present invention comprises an imaging step of imaging a cell having a linear structure to obtain an image; A cell evaluation method, comprising: a data acquisition step of acquiring data indicating the growth state of the linear portion; and a determination step of determining the growth state of the linear portion from the data, wherein the data is obtained by processing the image One of the characteristics is that data of the calculated area occupation ratio and reaching distance of the linear portion is included.
By using such a cell evaluation method, it becomes possible to select functionally superior cells.
Also, each of the above steps may be included in a computer program stored in computer-readable means and executed by a computer. Another aspect of the present invention is a computer program medium containing the above computer program.

本発明の第2の態様に係る方法は、線状構造を有する細胞を撮像して画像を取得する、撮像部と、前記画像から、前記細胞の細胞体から延伸する線状部の成長状態を示すデータを取得する、データ取得部と、前記データから前記線状部の成長状態を判定する、判定部と、
を含む、細胞評価装置であって、前記データは、前記画像を処理することにより算出される、前記線状部の面積占有率および到達距離のデータを含むことを特徴の1つとする。
このような細胞評価装置を用いることにより、より機能的に優れた細胞を選別することが可能となる。
上記態様において、撮像部は、例えば、顕微鏡装置であり、データ取得部は、例えば、中央処理装置(CPU)、半導体メモリおよびハードディスクなどを備えたコンピューターから構成されるものであり、例えば、ハードディスク等の記憶媒体に本発明の判定プログラムの一態様がインストールされている判定部を備える。
A method according to a second aspect of the present invention includes an imaging unit that acquires an image by imaging a cell having a linear structure; a data acquisition unit that acquires data indicating the
One of the characteristics of the cell evaluation apparatus, wherein the data includes data of the area occupation ratio and the reaching distance of the linear portion, which are calculated by processing the image.
By using such a cell evaluation device, it becomes possible to select cells that are more functionally excellent.
In the above aspect, the imaging unit is, for example, a microscope device, and the data acquisition unit is, for example, a computer having a central processing unit (CPU), a semiconductor memory, a hard disk, and the like. and a determination unit in which one aspect of the determination program of the present invention is installed in a storage medium.

(線状構造を有する細胞)
線状構造を有する細胞は、神経細胞、毛髪細胞等が挙げられるがこれらに限定されず、線状構造を有し、成長により細胞の延伸部が延伸するものであればよい。
線状構造を有する細胞の線状部とは、細胞が神経細胞である場合、神経線維を指し、神経線維は、樹状突起と軸索とから構成される。
また、評価対象となる細胞は、単一種の細胞のみであってもよく、複数種の細胞で構成される細胞群であってもよい。
(Cells with linear structure)
Examples of cells having a linear structure include, but are not limited to, nerve cells, hair cells, and the like, as long as they have a linear structure and the extension part of the cell extends as it grows.
A linear part of a cell having a linear structure refers to a nerve fiber when the cell is a nerve cell, and the nerve fiber is composed of dendrites and axons.
Cells to be evaluated may be cells of a single type, or may be a group of cells composed of a plurality of types of cells.

(撮像)
撮像は、例えば、CCD(Charge-Couple Device)イメージセンサやCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)イメージセンサなどの撮像素子を備えた明視野顕微鏡装置を用いて、培養容器内に収容された細胞を撮像し、撮像した細胞の画像を出力する。具体的には、培養容器内に収容された細胞の明視野像が撮像素子に結像され、撮像素子から細胞画像として明視野画像を出力する。
(imaging)
For imaging, for example, a bright-field microscope equipped with an image sensor such as a CCD (Charge-Couple Device) image sensor or a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) image sensor is used to image the cells housed in the culture vessel. and outputs an image of the captured cell. Specifically, a bright-field image of the cells housed in the culture vessel is formed on an imaging device, and the bright-field image is output from the imaging device as a cell image.

なお、撮像素子としては、RGBのカラーフィルターが設けられた撮像素子を用いてもよく、モノクロの撮像素子を用いることとしてもよい。顕微鏡装置としては、明視野顕微鏡装置に限らず、位相差顕微鏡装置、微分緩衝顕微鏡装置等を用いることとしてもよい。撮像される細胞画像としては、複数の細胞が分散して分布した画像であってもよく、スフェロイドのように細胞同士が凝集して塊になっている画像であってもよく、オルガノイドのように三次元的につくられた細胞の画像であってもよい。
また、撮像の際に使用される培養容器は、目的とする細胞が培養できれば、細胞培養用ディッシュ等の市販のものでよく、特に限定されない。
As the imaging device, an imaging device provided with RGB color filters may be used, or a monochrome imaging device may be used. The microscope apparatus is not limited to a bright field microscope apparatus, and may be a phase contrast microscope apparatus, a differential buffer microscope apparatus, or the like. The cell image to be captured may be an image in which a plurality of cells are dispersed and distributed, an image in which cells are aggregated into a clump such as a spheroid, or an image such as an organoid. It may be a three-dimensional image of a cell.
The culture vessel used for imaging is not particularly limited and may be a commercially available cell culture dish or the like as long as the target cells can be cultured.

(データ取得)
撮像した細胞画像について、必要に応じて(例えば、ノイズや異物、細胞体など線状部以外の部分が画像中にある場合)以下のような画像処理を行った後に、データ取得する。
具体的には、例えば、図1に示されるように、上記細胞画像(元画像)に対して閾値切り捨て処理を行った画像(画像1)を生成する。閾値切り捨て処理とは、各画素の明るさ(輝度)において、所定の閾値を設定し、閾値より上(明るい)の輝度をもつ画素に対しては閾値まで輝度を下げ、閾値より下(暗い)の輝度をもつ画素に対してはその輝度を保持する処理である。この処理により、データ取得の目的とする部分(線状構造を有する細胞の線状部、例えば、神経線維)以外の部分、例えば、異物、線状構造を有する細胞の細胞体等の部分をマスクすることができる。
(data acquisition)
The captured cell image is subjected to the following image processing as necessary (for example, when the image contains noise, foreign substances, cell bodies, and other portions other than the linear portion), and then the data is acquired.
Specifically, for example, as shown in FIG. 1, an image (image 1) is generated by subjecting the above cell image (original image) to threshold cutoff processing. Threshold cut-off processing involves setting a predetermined threshold for the brightness (luminance) of each pixel, and for pixels with brightness above (brighter) than the threshold, the brightness is reduced to the threshold, and pixels below (dark) the threshold are reduced. This is a process for maintaining the luminance of a pixel having a luminance of . This process masks portions other than the target portion for data acquisition (linear portions of cells having linear structures, e.g., nerve fibers), such as foreign substances and cell bodies of cells having linear structures. can do.

次に、画像1に対して適応的閾値処理を実施した画像(画像2)を生成する。適応的閾値処理とは、設定した領域範囲ごとに閾値を設定し、二値化する処理であり、画像内の影やノイズの影響を低減し得るものである。この画像2を反転させ(画像3)、データ取得の目的とする部分(例えば、神経線維)のみを抽出する。 Next, an image (image 2) is generated by subjecting image 1 to adaptive thresholding. Adaptive threshold processing is a process of setting a threshold for each set area range and binarizing, and can reduce the effects of shadows and noise in an image. This image 2 is inverted (image 3), and only the portion of interest for data acquisition (for example, nerve fibers) is extracted.

上記のような画像処理を必要に応じて行った後に、画像処理演算により、線状部の面積占有率、培養容器内における位置から得られる到達距離等を含む、線状部の成長状態を示すデータを求める。
培養容器内における位置とは、例えば、図2に示されるように、撮像した細胞画像を縦8×横8に分割し、64の区画を定めることにより検出される位置である。このようにすることで、神経線維の伸長開始位置(細胞体と神経線維との分岐点)および先端位置(到達位置)を検出して神経線維の到達距離(伸長距離)を算出し、かつ、各区画の神経線維の面積占有率を算出することができる。
After the image processing as described above is performed as necessary, the growth state of the linear portion, including the area occupancy of the linear portion and the reaching distance obtained from the position in the culture vessel, is shown by image processing calculation. Ask for data.
The position in the culture vessel is, for example, a position detected by dividing the captured cell image into 8 columns×8 columns and defining 64 sections, as shown in FIG. 2 . By doing so, the nerve fiber elongation start position (branch point between the cell body and the nerve fiber) and the tip position (reaching position) are detected to calculate the reaching distance (elongation distance) of the nerve fiber, and The area occupancy of nerve fibers in each compartment can be calculated.

(データ)
細胞の細胞体と該細胞体から延伸する線状部の成長状態を示すデータとしては、画像処理演算により抽出した部分(例えば、神経線維)の面積占有率、到達距離、細胞体形状のデータ等が挙げられるが、これらに限定されず、抽出した部分の長さ、太さ、密度等が含まれることとしてもよい。
(data)
The data indicating the growth state of the cell body of the cell and the linear part extending from the cell body include the area occupancy rate of the part (for example, nerve fiber) extracted by image processing calculation, the reaching distance, the cell body shape data, etc. However, it is not limited to these, and may include the length, thickness, density, etc. of the extracted portion.

(判定)
上記データから、線状部の成長状態を判定する。細胞が神経細胞である場合、撮像した細胞画像における神経線維の面積占有率が高く、および到達距離の長い細胞は、成長状態が高いと判断される。
具体的には、例えば倍率20倍で撮像した細胞画像で判定する場合、神経線維の面積占有率が25~33%であり、到達距離が細胞体間距離と同等である場合には、成長状態が高いと判断される。対象となる細胞の種類や濃度により、上記判定基準は変動する。
(judgement)
From the above data, the growth state of the linear portion is determined. When the cells are nerve cells, cells with a high area occupancy of nerve fibers in the captured cell image and with a long reaching distance are judged to be in a high state of growth.
Specifically, for example, when judging from a cell image taken at a magnification of 20 times, the area occupancy rate of nerve fibers is 25 to 33%, and if the reaching distance is equivalent to the distance between cell bodies, the growth state is judged to be high. The above determination criteria vary depending on the type and concentration of target cells.

上記判定は、コンピューターにおける機械学習により行われることとしてもよい。
一実施形態の判定ステップでは、線状部の成長段階とその面積占有率、到達距離、培養日数、培養環境等が関連付けられた線状部データベースに基づいた機械学習により、上記画像処理演算で得られたデータに基づいて、細胞の予測成長度を表すスコアを算出する。
The above determination may be made by machine learning in a computer.
In the determination step of one embodiment, machine learning based on a linear portion database in which growth stages of linear portions and their area occupancy, reaching distances, number of culture days, culture environments, etc. are associated with each other is performed using the above image processing operations. Based on the data obtained, a score representing the predicted growth rate of the cells is calculated.

上記判定は、種々の成長段階の細胞データに基づき、判定対象となる細胞の成長度を予測してスコアを出力するように、予め機械学習された予測器により行われることとしてもよい。予測器の機械学習は、例えば、以下のように行われる。
まず、所定の細胞培養期間に取得した複数の細胞画像から、上記画像処理演算により面積占有率、到達距離などの評価結果を取得する。
次に、上記評価結果と、培養日数、培養温度、培養湿度、CO濃度などの培養環境データ等のデータを学習データとし、ランダムフォレストによりスコア化する。スコアは、例えば、成長が良好な細胞は「スコア10」、成長が乏しい細胞は「スコア1」のように10段階で表すこととしてもよい。
このようにして細胞画像から得られた評価結果、培養日数、培養環境データと、上記スコアの対応関係が予測器によって機械学習され、上記の判定に用いられる。
The determination may be performed by a predictor machine-learned in advance so as to predict the degree of growth of the cell to be determined and output a score based on cell data of various growth stages. Machine learning of the predictor is performed, for example, as follows.
First, from a plurality of cell images acquired during a predetermined cell culture period, evaluation results such as the area occupancy rate and the reachable distance are acquired by the above-described image processing calculations.
Next, the above evaluation results and data such as culture environment data such as culture days, culture temperature, culture humidity, and CO 2 concentration are used as learning data, and scored by random forest. The score may be expressed on a scale of 10, for example, "score 10" for cells with good growth and "score 1" for cells with poor growth.
The evaluation result obtained from the cell image in this manner, the number of culture days, the culture environment data, and the correspondence relationship between the scores are machine-learned by the predictor and used for the determination.

上記機械学習のアルゴリズムとしては、ランダムフォレストに限定されず、線形回帰や決定木、k近傍法(k-NN)、ニューラルネットワーク、ナイーブベイズ、ロジスティック回帰、サポートベクターマシン(SVM)などを用いることができる。 The machine learning algorithm is not limited to random forest, but linear regression, decision tree, k-nearest neighbor method (k-NN), neural network, naive Bayes, logistic regression, support vector machine (SVM), etc. can be used. can.

別の一実施形態の判定ステップでは、上記データは、細胞体形状の画像データをさらに含み、細胞体の成長段階とその形状が関連付けられた細胞体形状データベースに基づいた機械学習により、細胞体形状のデータから神経細胞の成長状態を判定する。 In the determination step of another embodiment, the data further includes image data of the cell body shape, and the cell body shape is determined by machine learning based on a cell body shape database in which cell body growth stages and their shapes are associated. Determine the growth state of neurons from the data of

上記判定は、種々の成長段階の細胞体形状の画像データに基づき、判定対象となる神経細胞の成長度を予測して成長度を出力するように、予め機械学習(ディープラーニング)された予測器により行われることとしてもよい。予測器の機械学習は、例えば、以下のように行われる。
まず、種々の成長段階の、少なくとも2枚以上の細胞画像を取得し、細胞画像内に存在する細胞体をアノテーション(教師データ作成)した(1)学習画像データを作成する。
次に、上記アノテーションした細胞体を有する細胞について、上記画像処理演算により抽出した部分(例えば、神経線維)の面積占有率、到達距離等の(2)成長度を算出する。
このようにして取得された(1)学習画像データと(2)の成長度との対応関係が予測器によって機械学習され、上記の判定に用いられる。
The above judgment is performed by a predictor that has undergone machine learning (deep learning) in advance so as to predict the growth degree of the nerve cell to be judged based on the image data of the cell body shape at various growth stages and output the growth degree. It may be performed by Machine learning of the predictor is performed, for example, as follows.
First, at least two or more cell images of various growth stages are acquired, and cell bodies present in the cell images are annotated (teaching data is created) to create (1) learning image data.
Next, for the cell having the annotated cell body, (2) the degree of growth, such as the area occupancy rate and reaching distance of the portion (for example, nerve fiber) extracted by the image processing operation, is calculated.
The correspondence relationship between (1) learning image data and (2) the degree of growth acquired in this manner is machine-learned by the predictor and used for the above determination.

上記機械学習の手法としては、CNN(Convolutional Neural Network)を用いることとしてもよく、具体的には、物体検出を行うR-CNN(Regions with Convolutional Neural Network)、YOLO(You Only Look Once)、SSD(Single Shot Multi Box Detector)等を用いることとしてもよい。 As the machine learning method, CNN (Convolutional Neural Network) may be used. Specifically, R-CNN (Regions with Convolutional Neural Network) for object detection, YOLO (You Only Look Once), SSD (Single Shot Multi Box Detector) or the like may be used.

さらに別の一実施形態の判定ステップでは、神経線維とその特性が関連付けられた神経線維データベースに基づいた機械学習により、神経細胞の成長状態を判定する。 In yet another embodiment, the determining step determines the growth state of nerve cells by machine learning based on a nerve fiber database in which nerve fibers and their properties are associated.

上記判定は、種々の成長段階の神経線維とその特性データに基づき、判定対象となる神経細胞の成長状態を判定するように、予め機械学習(ディープラーニング)された予測器により行われることとしてもよい。予測器の機械学習は、例えば、以下のように行われる。
まず、複数の細胞画像を取得し、上記画像処理演算により、神経細胞の成長状態の評価結果を取得する。
次に、評価結果をもとに前記複数の細胞画像をそれぞれラベル付けする。例えば、「神経線維なしの領域」、「神経線維あり(面積占有率小)」、「神経線維あり(面積占有率大)」など、神経線維の面積占有率や神経線維の太さなどによってクラス分けすればよい。
なお、神経細胞の成長状態の評価は、本実施形態に一例として記載される画像処理演算とは異なる方法において評価することとしてもよく、評価者が目視により神経線維の状態を評価し、入力装置を用いてその評価結果を入力することとしてもよい。
このようにして取得された細胞画像とそのラベル付けとの対応関係が予測器によって機械学習され、上記の判定に用いられる。
The above determination may be performed by a predictor that has undergone machine learning (deep learning) in advance so as to determine the growth state of the nerve cell to be determined based on nerve fibers in various stages of growth and their characteristic data. good. Machine learning of the predictor is performed, for example, as follows.
First, a plurality of cell images are obtained, and the evaluation result of the growth state of nerve cells is obtained by the image processing operation described above.
Next, each of the plurality of cell images is labeled based on the evaluation results. For example, “region without nerve fibers”, “with nerve fibers (small area occupation ratio)”, “with nerve fibers (large area occupation ratio)”, etc. are classified according to the area occupation ratio of nerve fibers and the thickness of nerve fibers. You can divide it.
It should be noted that the evaluation of the growth state of nerve cells may be evaluated by a method different from the image processing calculation described as an example in this embodiment. may be used to input the evaluation result.
A predictor machine-learns the correspondence between the cell images obtained in this manner and their labeling, and is used for the above determination.

上記機械学習の手法としては、CNN(Convolutional Neural Network)を用いてもよく、具体的には、物体検出を行うR-CNN(Regions with Convolutional Neural Network)、YOLO(You Only Look Once)、SSD(Single Shot Multi Box Detector)等を用いてもよい。 As the machine learning method, CNN (Convolutional Neural Network) may be used. Specifically, R-CNN (Regions with Convolutional Neural Network) for object detection, YOLO (You Only Look Once), SSD ( Single Shot Multi Box Detector) or the like may be used.

また、上記各実施形態における、細胞の予測成長度を表すスコアの算出および神経細胞の成長状態の評価を、組み合わせて判定に使用することとしてもよい。 Further, the calculation of the score representing the predicted degree of cell growth and the evaluation of the growth state of nerve cells in each of the above embodiments may be used in combination for determination.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

(実施例I)
培養条件
市販の健常iPS由来運動神経細胞およびALS患者由来運動神経細胞(iXCells社製)を、低接着表面を有するU底96ウェルプレート(EZ-BindShutII、ADCテクノグラス社製)に6.4×10cells/wellの濃度で播種して、それぞれのスフェロイドを作製した。
上記スフェロイドを7日間培養した後、市販のマウス腫瘍由来基底膜抽出物をコーティングしたマイクロ流路プレート(国際公開第2021/015213号に記載の方法で作成)の一方のウェルに播種し、スフェロイドから軸索が十分伸長するまで培養し、21日目の細胞について、それぞれ評価を行った。
(Example I)
Culture conditions Commercially available healthy iPS-derived motor neurons and ALS patient-derived motor neurons (manufactured by iXCells) were placed in a U-bottom 96-well plate (EZ-BindShut II, manufactured by ADC Technoglass) with a low adhesion surface at 6.4×. Each spheroid was prepared by seeding at a concentration of 10 4 cells/well.
After culturing the spheroids for 7 days, they were seeded in one well of a microchannel plate coated with a commercially available mouse tumor-derived basement membrane extract (prepared by the method described in WO 2021/015213). The cells were cultured until the axons were sufficiently elongated, and the cells were evaluated on the 21st day.

評価方法
マイクロ流路プレートを顕微鏡装置(Leica製、型番:DMi8)に設置し、対物レンズ倍率10倍で撮像することにより8bitの細胞画像を得た。得られた細胞画像を、MATLAB(登録商標)関数を使用したプログラムによるオリジナルアプリに入力した。
当該アプリにおいて、まず撮像した細胞画像のうち、軸索の存在する範囲のみを範囲選択し、指定した範囲において標準化を実施することで画像の信号強度を揃えた。その後、標準化した画像について適応的閾値処理を実施し、これにより得られた画像の輝度を反転させることで、神経線維部分のみをハイライトさせた画像を得た。
得られた画像を縦8×横8の64分割の区画に分け、各区画における軸索の面積占有率を算出した。また、最も長い軸索について、伸長開始位置と先端位置から軸索の到達距離を算出した。
Evaluation Method A microchannel plate was placed in a microscope (manufactured by Leica, model number: DMi8), and an 8-bit cell image was obtained by imaging with an objective lens magnification of 10 times. The resulting cell images were entered into the original application programmatically using MATLAB® functions.
In the application, first, only the range in which axons exist was selected from among the captured cell images, and the signal intensity of the image was uniformed by standardizing the selected range. After that, adaptive thresholding was performed on the standardized image, and the brightness of the resulting image was inverted to obtain an image in which only the nerve fiber portions were highlighted.
The obtained image was divided into 64 divisions of 8 vertical×8 horizontal, and the area occupation ratio of the axons in each division was calculated. For the longest axon, the axonal reach was calculated from the elongation start position and the tip position.

結果
健常iPS由来運動神経細胞の軸索の到達距離は最長で0.200mmであった。また、得られた各区画の面積占有率を表1に示す。
ALS患者由来運動神経細胞の軸索の到達距離は最長で0.175mmであった。また、得られた各区画の面積占有率を表2に示す。
これらの結果から、健常iPS由来運動細胞のほうが、ALS患者由来運動神経細胞よりも軸索の成長状態がよいと判定することができる。
Results The longest axonal reach of healthy iPS-derived motor neurons was 0.200 mm. In addition, Table 1 shows the area occupancy rate of each section thus obtained.
The maximum axonal reach of ALS patient-derived motor neurons was 0.175 mm. In addition, Table 2 shows the area occupation ratio of each section obtained.
From these results, it can be determined that healthy iPS-derived motor cells are in a better state of axonal growth than ALS patient-derived motor neurons.

Figure 2023086104000002
Figure 2023086104000002

Figure 2023086104000003
Figure 2023086104000003

(実施例II)
培養条件
市販のドーパミン神経細胞(FUJIFILM Cellular Dynamics社製)を、ポリ-D-リジンコーティングした平底96ウェルプレート(3516、Corning社製)に4×10cells/wellの濃度で播種し13日間培養した後、それぞれ評価を行った。
評価方法
ウェルプレートを顕微鏡装置に設置し、対物レンズ倍率20倍で撮像することにより8bitの細胞画像を得た。得られた細胞画像をMATLAB(登録商標)関数を使用したプログラムによるオリジナルアプリに入力し、神経線維(樹状突起および軸索)部分のみをハイライトさせた画像を得た。
得られた画像を縦5×横7の35分割の区画に分け、各区画における神経線維の面積占有率を算出した。また、最も長い神経線維について、伸長開始位置と先端位置から神経線維の到達距離を算出した。
結果
ドーパミン作動神経の神経線維の到達距離は最長で0.167mmであった。また、得られた各区画の面積占有率を表3に示す。この結果から、神経細胞が凝集や剥がれを起こすことなく均一に神経線維を伸長させており良好な結果であることが分かる。

Figure 2023086104000004
(Example II)
Culture conditions Commercially available dopaminergic neurons (manufactured by FUJIFILM Cellular Dynamics) were seeded in a poly-D-lysine-coated flat-bottom 96-well plate (3516, manufactured by Corning) at a concentration of 4×10 4 cells/well and cultured for 13 days. After that, each was evaluated.
Evaluation Method A well plate was placed in a microscope apparatus, and an 8-bit cell image was obtained by imaging with an objective lens magnification of 20 times. The resulting cell images were input into an original application program using MATLAB (registered trademark) functions to obtain images in which only nerve fiber (dendritic and axonal) portions were highlighted.
The obtained image was divided into 35 divisions of 5×7, and the area occupation ratio of nerve fibers in each division was calculated. For the longest nerve fiber, the reaching distance of the nerve fiber was calculated from the elongation start position and the tip position.
Results The maximum fiber reach of the dopaminergic nerve was 0.167 mm. In addition, Table 3 shows the area occupation ratio of each section obtained. From these results, it can be seen that the nerve cells elongate the nerve fibers uniformly without aggregation or detachment, which is a good result.
Figure 2023086104000004

(実施例III)
実施例Iで培養した細胞について、ディープラーニングされた予測器により成長状態の判定を行った。
まず、予測器を以下のように作成した。
スフェロイドをマイクロ流路プレートに播種した日を培養0日とし、培養27日目、43日目の37ウェル分の細胞画像をそれぞれ縦8×横8の64分割し、プレートの縁が映り込んでいない32枚×2日分×37ウェル=2368枚の画像を学習データとして確保した。この学習データについて、目視にてA:神経線維なしの領域、B:神経線維あり(面積占有率小)、C:神経線維あり(面積占有率大)の3つにクラス分けを行った。この細胞画像とラベルとの対応関係をCNNを用いて学習させることにより、予測器を作成した。
実施例Iで撮像した健常iPS由来運動神経細胞およびALS患者由来運動神経細胞の培養21日目の細胞画像をこの予測器に入力した。健常iPS由来運動神経細胞画像では、64分割した画像のうちA:17枚、B:20枚、C:27枚となった。これに対し、ALS患者由来運動神経細胞画像では、64分割した画像のうちA:30枚、B:32枚、C:2枚となった。
上記の結果から、健常iPS由来運動細胞のほうが、ALS患者由来運動神経細胞よりも軸索の成長状態がよいと判定することができた。
上記のような神経線維データベースに基づく機械学習により、神経細胞の成長状態を判定することができた。
(Example III)
For the cells cultured in Example I, the growth state was determined by a deep learning predictor.
First, a predictor was created as follows.
The day when the spheroids were seeded on the microchannel plate was defined as day 0 of the culture, and the cell images for 37 wells on the 27th day and the 43rd day of culture were each divided into 64 columns of 8×8, and the edge of the plate was reflected. 32 images for 2 days x 37 wells = 2368 images were secured as training data. This learning data was visually classified into three classes: A: area without nerve fibers, B: areas with nerve fibers (small area occupation), and C: areas with nerve fibers (large area occupation). A predictor was created by learning the correspondence relationship between the cell image and the label using CNN.
Cell images of healthy iPS-derived motor neurons and ALS patient-derived motor neurons on day 21 of culture imaged in Example I were input to this predictor. In the healthy iPS-derived motor neuron image, A: 17 images, B: 20 images, and C: 27 images among 64 divided images. On the other hand, in the ALS patient-derived motor neuron image, A: 30 images, B: 32 images, and C: 2 images among the 64-divided images.
From the above results, it was possible to determine that healthy iPS-derived motor cells had a better axon growth state than ALS patient-derived motor neurons.
Machine learning based on the above-mentioned nerve fiber database made it possible to determine the growth state of nerve cells.

(実施例IV)
実施例IIで培養した細胞について、細胞を播種した日を培養0日目とし、培養1日目の段階で細胞画像を取得し、培養13日目の成長度を予測した。
成長度を予測するための予測器を以下のように作成した。
学習データとして、培養1日目時点での細胞画像1と細胞画像1と同位置で撮像した培養13日目時点での細胞画像2を複数枚ずつ準備した。細胞画像1と細胞画像2をMATLAB(商標登録)関数を使用したプログラムによるオリジナルアプリに入力し、面積占有率と到達距離を算出した。この算出結果(面積占有率、到達距離)と、培養日数、培養温度、培養湿度、CO濃度、細胞種、細胞濃度、表面改質剤種、表面改質剤液濃度、細胞培養プレート材質からなる培養データを学習データとしてランダムフォレストによりスコア化した。スコアは、表4のように基準を定め、「面積占有率スコア」×「到達距離スコア」=「成長度スコア」とし、「成長度スコア」の値が大きいほど良好に成長する、と予測した。
なお、スコア化の基準となる面積占有率は細胞画像から算出した各区画の面積占有率の平均面積占有率を指し、到達距離は細胞画像中の最も長い神経線維についての到達距離を指す。また、到達距離スコア基準については、本実施例では、96ウェルプレートでの細胞培養を前提とした値を示す。

Figure 2023086104000005
以上のように、培養データと培養13日目の成長度スコアの対応関係を学習させて、予測器を作成した。
続いて、実施例IIで培養した細胞について、培養1日目の細胞画像を取得し、予測される培養13日目の成長度スコアを算出した。
具体的には、まずウェルプレートを顕微鏡装置に設置し、対物レンズ20倍で撮像することにより10ウェル分の8bit画像を得た。これらの画像をMATLAB(商標登録)関数を使用したプログラムによるオリジナルアプリに入力し、神経線維(樹状突起および軸索)部分のみをハイライトさせた画像を得た。これらの得られた画像を縦5×横7の35分割の区画に分け神経線維の面積占有率を算出し、最も長い神経線維について到達距離を算出した。
上記算出結果と培養日数、培養温度などの培養データを予測器に入力したところ、「面積占有率スコア」2×「到達距離スコア」3=「成長度スコア」6の結果を得た。この結果から、成長が良好に進むと判断し、培養を継続したところ、予測された通り、実施例IIに記載の良好な成長状態の神経細胞を得た。
上記のような神経線維の成長段階とその面積占有率および到達距離が関連付けられた神経線維データベースに基づく機械学習により、神経細胞の成長を予測し、判定することができた。 (Example IV)
Regarding the cells cultured in Example II, the day on which the cells were seeded was defined as day 0 of culture, and cell images were obtained on day 1 of culture to predict the degree of growth on day 13 of culture.
A predictor for predicting the degree of growth was created as follows.
As learning data, a plurality of cell images 1 on day 1 of culture and cell image 2 on day 13 of culture taken at the same position as cell image 1 were prepared. Cell image 1 and cell image 2 were input into an original application program using MATLAB (registered trademark) functions, and the area occupancy rate and reaching distance were calculated. Based on this calculation result (area occupancy, reaching distance), culture days, culture temperature, culture humidity, CO2 concentration, cell type, cell concentration, surface modifier type, surface modifier liquid concentration, and cell culture plate material These culture data were scored by random forest as learning data. The scores were determined based on the criteria shown in Table 4, where "area occupancy score" x "reaching distance score" = "growth score", and it was predicted that the larger the value of "growth score", the better the growth. .
The area occupancy rate, which is the basis for scoring, refers to the average area occupancy rate of the area occupancy rates of each section calculated from the cell image, and the reaching distance refers to the reaching distance of the longest nerve fiber in the cell image. In addition, with respect to the reaching distance score criteria, values based on cell culture in a 96-well plate are shown in this example.
Figure 2023086104000005
As described above, the predictor was created by learning the correspondence relationship between the culture data and the growth score on the 13th day of culture.
Subsequently, for the cells cultured in Example II, a cell image was obtained on day 1 of culture, and a predicted growth score on day 13 of culture was calculated.
Specifically, first, the well plate was placed in a microscope apparatus, and an 8-bit image for 10 wells was obtained by imaging with a 20-fold objective lens. These images were input into the original application programmatically using MATLAB (registered trademark) functions to obtain images in which only the nerve fiber (dendritic and axonal) portions were highlighted. The obtained images were divided into 35 divisions of 5 vertical×7 horizontal, and the area occupancy rate of the nerve fibers was calculated, and the reaching distance was calculated for the longest nerve fiber.
When the above calculation results and culture data such as culture days and culture temperature were input to the predictor, a result of "area occupancy score" 2 x "reaching distance score" 3 = "growth score" 6 was obtained. Based on this result, it was judged that the growth proceeded well, and the culture was continued. As expected, the neurons in the well-growing state described in Example II were obtained.
It was possible to predict and determine the growth of nerve cells by machine learning based on the nerve fiber database in which the growth stages of nerve fibers, their area occupancy rates, and reaching distances are associated as described above.

(実施例V)
実施例IIで培養した細胞について、細胞播種した日を培養0日目とし培養1日目の段階で細胞画像を取得し細胞体形状から培養13日目の成長度を予測した。
成長度を予測するための予測器を以下のように作成した。
学習データとして、培養1日目時点での細胞画像1と細胞画像1と同位置で撮像した培養3日目時点での細胞画像2、同様に撮像した培養5日目、7日目、9日目、11日目、13日目、18日目時点での細胞画像3、4、5、6、7、8を複数枚ずつ準備した。これらの細胞画像1~8をMATLAB(商標登録)関数を使用したプログラムによるオリジナルアプリに入力し、評価結果(面積占有率と到達距離)を得た。また、細胞画像1~8中に存在する細胞体をラベリングしアノテーション画像を得た。以上の評価結果とアノテーション画像を学習データとしてCNNによりスコア化した。スコア化は実施例IIIと同様の方法で行った。
続いて、実施例IIで培養した細胞について、培養1日目、3日目、5日目の細胞画像を取得し、予測される培養13日目の成長度スコアを算出した。
具体的には、まずウェルプレートを顕微鏡装置に設置し、対物レンズ20倍で撮像することにより10ウェル分の8bit画像を得た。これらの画像をMATLAB(商標登録)関数を使用したプログラムによるオリジナルアプリに入力し、神経線維(樹状突起および軸索)部分のみをハイライトさせた画像を得た。これらの得られた画像を縦5×横7の35分割の区画に分け、神経線維の面積占有率を算出し、また、最も長い神経線維について到達距離を算出した。
この算出結果と細胞画像を予測器に入力した結果、面積占有率スコア3×到達距離スコア3=成長度スコア9の結果を得た。この結果から、成長が良好に進むと判断して培養を継続し、予測された通り、実施例IIに記載の良好な成長状態の神経細胞を得た。
上記のような細胞の成長段階とその形状等が関連付けられたデータベースに基づく機械学習により、神経細胞の成長を予測し、判定することができた。
(Example V)
Regarding the cells cultured in Example II, the day of cell seeding was defined as day 0 of culture, and cell images were obtained on day 1 of culture, and the growth rate on day 13 of culture was predicted from the cell body shape.
A predictor for predicting the degree of growth was created as follows.
As learning data, cell image 1 on day 1 of culture and cell image 2 on day 3 of culture taken at the same position as cell image 1, and similarly imaged on days 5, 7, and 9 of culture. A plurality of cell images 3, 4, 5, 6, 7, and 8 were prepared for each day, 11th day, 13th day, and 18th day. These cell images 1 to 8 were input into an original application based on a program using MATLAB (registered trademark) functions to obtain evaluation results (area occupancy rate and reaching distance). In addition, cell bodies present in cell images 1 to 8 were labeled to obtain annotation images. The above evaluation results and annotation images were scored by CNN as learning data. Scoring was performed in the same manner as in Example III.
Subsequently, for the cells cultured in Example II, cell images were obtained on day 1, day 3, and day 5 of culture, and the predicted growth score on day 13 of culture was calculated.
Specifically, first, the well plate was placed in a microscope apparatus, and an 8-bit image for 10 wells was obtained by imaging with a 20-fold objective lens. These images were input into the original application programmatically using MATLAB (registered trademark) functions to obtain images in which only the nerve fiber (dendritic and axonal) portions were highlighted. The obtained images were divided into 35 divisions of 5 vertical×7 horizontal, and the area occupancy rate of nerve fibers was calculated, and the reaching distance was calculated for the longest nerve fiber.
As a result of inputting this calculation result and the cell image into the predictor, a result of area occupancy rate score 3×reaching distance score 3=growth score 9 was obtained. Based on this result, it was judged that the growth proceeded well, and the culture was continued, and as expected, the neurons in the well-growing state described in Example II were obtained.
It was possible to predict and determine the growth of nerve cells by machine learning based on a database in which cell growth stages and their shapes and the like are associated as described above.

(比較例)
実施例Iで撮像した健常iPS由来運動神経細胞およびALS患者由来運動神経細胞の細胞画像から、上記アプリにて、両細胞における軸索の長さの平均値をそれぞれ算出した。健常iPS由来運動神経細胞の軸索の平均長さは1.12mmであり、ALS患者由来運動神経細胞の軸索の平均長さは1.15mmであった。これらの結果から、軸索の平均長さを比較するだけでは、両細胞の成長状態の違いを判別することはできなかった。
(Comparative example)
From the cell images of healthy iPS-derived motor neurons and ALS patient-derived motor neurons captured in Example I, the average value of the axon length in both cells was calculated using the above app. The average axon length of healthy iPS-derived motor neurons was 1.12 mm, and the average length of the axons of ALS patient-derived motor neurons was 1.15 mm. From these results, it was not possible to distinguish between the growth states of the two cells simply by comparing the average length of the axons.

Claims (7)

線状構造を有する細胞を撮像して画像を取得する、撮像ステップと、
前記画像から、前記細胞の細胞体から延伸する線状部の成長状態を示すデータを取得する、データ取得ステップと、
前記データから前記線状部の成長状態を判定する、判定ステップと、
を含む、細胞評価方法であって、
前記データは、前記画像を処理することにより算出される、前記線状部の面積占有率および到達距離のデータを含む、細胞評価方法。
an imaging step of imaging a cell having a linear structure to obtain an image;
a data acquisition step of acquiring, from the image, data indicating a growth state of a linear portion extending from the cell body of the cell;
a determination step of determining the growth state of the linear portion from the data;
A cell evaluation method comprising
The cell evaluation method, wherein the data includes data on the area occupancy of the linear portion and the reaching distance calculated by processing the image.
前記線状構造を有する細胞は神経細胞であり、
前記細胞体から延伸する線状部は樹状突起および/または軸索である、請求項1に記載の細胞評価方法。
the cell having a linear structure is a nerve cell,
The cell evaluation method according to claim 1, wherein the linear part extending from the cell body is a dendrite and/or an axon.
前記判定ステップは、
線状部の成長段階とその面積占有率および到達距離が関連付けられた線状部データベースに基づいた機械学習により、前記データから、前記細胞の予測成長度を表すスコアを算出することを含む、請求項1に記載の細胞評価方法。
The determination step includes
Calculating a score representing the predicted growth degree of the cell from the data by machine learning based on a linear part database in which the growth stage of the linear part and its area occupancy and reaching distance are associated. Item 1. The cell evaluation method according to item 1.
前記データは、細胞体形状の画像データをさらに含み、
前記判定ステップは、
細胞体の成長段階とその形状が関連付けられた細胞体形状データベースに基づいた機械学習により、前記細胞体形状の画像データから、前記神経細胞の成長状態を判定することを含む、請求項2に記載の細胞評価方法。
The data further includes image data of cell body shape,
The determination step includes
3. The method according to claim 2, comprising determining the growth state of the nerve cell from the image data of the cell body shape by machine learning based on a cell body shape database in which cell body growth stages and their shapes are associated. cell evaluation method.
前記判定ステップは、
神経線維とその特性が関連付けられた神経線維データベースに基づいた機械学習により、前記データから、前記神経細胞の成長状態を判定することを含む、請求項2に記載の細胞評価方法。
The determination step includes
3. The cell evaluation method according to claim 2, comprising determining the growth state of the nerve cell from the data by machine learning based on a nerve fiber database in which nerve fibers and their properties are associated.
線状構造を有する細胞を撮像して画像を取得する、撮像部と、
前記画像から、前記細胞の細胞体から延伸する線状部の成長状態を示すデータを取得する、データ取得部と、
前記データから前記線状部の成長状態を判定する、判定部と、
を含む、細胞評価装置であって、
前記データは、前記画像を処理することにより算出される、前記線状部の面積占有率および到達距離のデータを含む、細胞評価装置。
an imaging unit that acquires an image by imaging a cell having a linear structure;
a data acquisition unit that acquires, from the image, data indicating a growth state of a linear portion extending from the cell body of the cell;
a determination unit that determines the growth state of the linear portion from the data;
A cell evaluation device comprising
The cell evaluation device, wherein the data includes data on the area occupancy of the linear portion and the reaching distance calculated by processing the image.
前記線状構造を有する細胞は神経細胞であり、
前記細胞体から延伸する線状部は樹状突起および/または軸索である、請求項6に記載の細胞評価装置。
the cell having a linear structure is a nerve cell,
The cell evaluation device according to claim 6, wherein the linear part extending from the cell body is dendrite and/or axon.
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