JP2023132298A - ３次元画像撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光を用いて撮像を行う場合に高速に３次元画像を撮像できること。
【解決手段】３次元画像撮像装置は、観測対象物に帯状の励起光を所定の時間間隔で照射する照射部と、観測対象物と励起光との相対位置を所定の走査方向について変化させる相対位置変化部と、相対位置変化部によって相対位置が変化させられることによって励起光が照射される観測対象物の部分が走査方向について変化させられながら照射部によって励起光が観測対象物の複数の部分それぞれに所定の時間間隔で照射されて複数の部分それぞれから発せられる蛍光を撮像素子上の異なる位置にそれぞれ結像することによって、一度の露光で複数の部分を撮像する撮像部と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、３次元画像撮像装置に関する。

イメージングフローサイトメトリーにおいて、３次元画像は取得に時間がかかるため、一般的なフローサイトメトリーで用いられる流速（１－１０メートル毎秒）で流れる細胞の３次元画像を取得することができなかった。
走査方向に傾けたライトシートを用いて観測対象物の断面を撮像することによって、観測対象物の３次元画像を高速に撮像する３次元顕微鏡法が知られている（非特許文献１）。また、複数の波長の光を用いたストロボ撮影によって、フェムト秒からピコ秒程度の非常に短い撮像時間において観測対象物の３次元画像を撮像する撮像方法が知られている（非特許文献２）。

「ＮＡＴＵＲＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ」、２０１５年１月１９日、９巻、２０１５年２月号、ｐ．１１３－１１９ 「ＮＡＴＵＲＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ」、２０１４年８月１０日、８巻、２０１４年９月号、ｐ．６９５－７００

非特許文献１に記載の３次元顕微鏡法では、１枚のライトシートで１フレームの画像が撮像されるため、複数の断面を撮像する場合複数のフレームを必要とする。そのため、フローサイトメトリーのように高速で流れる細胞の断面を撮像する場合には、高いフレームレートを必要とする。一方、非特許文献２に記載の撮像方法では、波長毎に信号を取得しているため、蛍光を撮像する場合には適していない。

一般的なフローサイトメトリーにおける３次元イメージングの実装のためには、一般的なフローサイトメトリーで用いられる流速（１－１０メートル毎秒）で流れる細胞の３次元画像を、細胞から発せられる蛍光を用いて撮像することが求められる。
上述したように、蛍光を用いて撮像を行う場合に高速に３次元画像を撮像できることが求められている。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、蛍光を用いて撮像を行う場合に高速に３次元画像を撮像できる３次元画像撮像装置を提供する。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、観測対象物に帯状の励起光を所定の時間間隔で照射する照射部と、前記観測対象物と前記励起光との相対位置を所定の走査方向について変化させる相対位置変化部と、前記相対位置変化部によって前記相対位置が変化させられることによって前記励起光が照射される前記観測対象物の部分が前記走査方向について変化させられながら前記照射部によって前記励起光が前記観測対象物の複数の部分それぞれに所定の時間間隔で照射されて前記複数の部分それぞれから発せられる蛍光を撮像素子上の異なる位置にそれぞれ結像することによって、一度の露光で前記複数の前記部分を撮像する撮像部と、を備える３次元画像撮像装置である。

また、本発明の一態様は、上記の３次元画像撮像装置において、前記相対位置変化部は、前記観測対象物を前記走査方向とは異なる方向である移動方向に移動させ、かつ前記照射部が照射する帯状の前記励起光の長手方向を帯状の前記励起光の短手方向からみた場合に前記移動方向に対して所定の角度だけ傾けることによって前記相対位置を前記走査方向について変化させる。

また、本発明の一態様は、上記の３次元画像撮像装置において、前記撮像素子は、複数の素子が行列状に配置され行または列を単位として信号が読み出される素子の集まりであり、前記撮像素子は、前記複数の素子の信号が読み出される行または列の方向を、前記複数の部分それぞれから発せられる蛍光が結像される前記撮像素子上の異なる位置が並ぶ方向に応じた方向にして配置される。

また、本発明の一態様は、上記の３次元画像撮像装置において、前記相対位置変化部は、固定されている前記観測対象物に対して前記励起光が照射される方向を変更することによって前記相対位置を前記走査方向について変化させる。

本発明によれば、蛍光を用いて撮像を行う場合に高速に３次元画像を撮像できる。

本発明の第１の実施形態に係る細胞測定システムの外観構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るイメージングフローサイトメーターの機能構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る流路に照射されるライトシート照明光の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るライトシート照明光と細胞との位置関係の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る撮像部によって撮像された撮像画像の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る撮像結果の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る３次元画像生成部によって生成された３次元画像の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る細胞測定システムの構成の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るライトシート照明光と細胞との位置関係の一例を示す図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、細胞測定システム１の外観構成を示す図である。細胞測定システム１は、イメージングフローサイトメーター２０と、表示部１０とを備える。イメージングフローサイトメーター２０は、観測対象物が流される少なくとも１つの流路を備える。なお、本実施形態では、観測対象物が細胞である場合について説明するが、観測対象物は細胞に限られない。観測対象物は、光を透過するものであればよい。この細胞は、蛍光染色された細胞である。

イメージングフローサイトメーター２０は、流路を流れる細胞の３次元画像を生成する。表示部１０は、イメージングフローサイトメーター２０が生成した３次元画像を表示する。表示部１０は、例えば、液晶ディスプレイを備えており、さまざまな画像を表示する。この表示部１０に表示される画像には、イメージングフローサイトメーター２０が生成する細胞の３次元画像が含まれている。

［イメージングフローサイトメーター２０の機能構成］
次に図２を参照し、イメージングフローサイトメーター２０の機能構成について説明する。
図２は、本実施形態に係るイメージングフローサイトメーター２０の機能構成の一例を示す図である。イメージングフローサイトメーター２０は、上述した流路２１と、照射部２２と、光学系２３と、撮像部２４と、制御部２５とを備える。

流路２１は、細胞Ｃ１を流体とともに流すことによって細胞Ｃ１を流速の方向に移動させる。当該流体の流速は、一例として、１－１０メートル毎秒である。当該流体は、例えば、シース液である。

照射部２２は、流路２１に対して励起光Ｐ１を照射する。照射部２２は、光源２２１を含む。光源は、励起光Ｐ１として帯状のコヒーレント光を発生させる。励起光Ｐ１は、コヒーレント光を絞ることにより、帯状にした励起光である。帯状にした励起光の具体的な形状については後述する。

照射部２２は、細胞Ｃ１に帯状の励起光を所定の時間間隔で照射する。イメージングフローサイトメーター２０では、細胞Ｃ１に所定の時間間隔で帯状の励起光を照射することによってストロボ撮影を行う。

本実施形態では、光源２２１は、一例として、パルスレーザである。本実施形態では、照射部２２は、励起光Ｐ１としてパルス光を細胞Ｃ１に照射する。パルス光である励起光Ｐ１に含まれる複数のパルスそれぞれが帯状の励起光である。照射部２２がパルス光を照射する場合、所定の時間間隔とは、所定の周期である。当該帯状の励起光をライトシート照明光ＬＳ１という。

なお、光源２２１は、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーザであってもよい。光源２２１がＣＷレーザである場合、照射部２２は、励起光Ｐ１として、連続波であるレーザ光が所定の周期で変調された光を細胞Ｃ１に照射する。

光学系２３は、光源２２１が発生させた励起光Ｐ１を、流路２１の所定の位置に照射させる。光学系２３は、照射部２２が照射する帯状のライトシート照明光ＬＳ１の長手方向を流路２１の側面からみた場合に流路２１の流速の方向に対して所定の角度だけ傾ける。本実施形態では、励起光Ｐ１が照射される流路２１の所定の位置は、予め決められており時間について変化しない。光学系２３は、例えば、ダイクロイックミラー、対物レンズを含む各種のレンズを含む。

以下の説明では、流路２１の励起光Ｐ１が照射される位置のことを、照射位置とも記載する。この照射位置を通過した細胞Ｃ１は、励起光Ｐ１によって蛍光分子が励起されることにより発光する。この発光による光が、蛍光Ｆ１である。

撮像部２４は、励起光Ｐ１が照射される流路２１の位置を通過した細胞Ｃ１からの蛍光Ｆ１を撮像する。これにより、撮像部２４は、細胞Ｃ１のある部分を撮像する。ここで、ある部分とは、励起光Ｐ１によって蛍光分子が励起された部分である。当該ある部分は、細胞Ｃ１に帯状の励起光が照射されることに応じて、当該励起光の厚さ程度の厚さをもつ。当該ある部分の上面または下面を、細胞Ｃ１の断面ともいう。

撮像部２４は、一度の露光で細胞Ｃ１の複数の部分を撮像する。撮像部２４は、一例として、カメラを含む。当該カメラは、高速撮像可能なカメラが好ましい。当該カメラは、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ＭＯＳ）カメラなどである。当該カメラは、撮像素子２４１を備える。撮像素子２４１は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子である。

本実施形態では、撮像素子２４１は、複数の素子が行列状に配置され行または列を単位として信号が読み出される素子の集まりである。撮像素子２４１は、横方向の画素数が縦方向の画素数より多い長方形の形状である。撮像素子２４１の読み出し回路は、撮像素子２４１の横方向の画素列毎に、検出された光の強さを取得するように構成される。後述するように、撮像素子２４１は、複数の素子の信号が読み出される横方向（行の方向）と、細胞Ｃ１の複数の部分それぞれから発せられる蛍光Ｆ１が結像される撮像素子２４１上の異なる位置が並ぶ方向とが一致する向きに配置される。

この一例では、撮像素子２４１は、ｓＣＭＯＳ（Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ＣＭＯＳ；科学計測用ＣＭＯＳ）などから構成される撮像素子である。ｓＣＭＯＳは、従来のＣＣＤや、ＣＭＯＳによって構成される撮像素子よりも、高速かつ画質よく撮像できる。
なお、撮像部２４は、細胞Ｃ１からの蛍光Ｆ１を撮像素子２４１上に集光するための光学系を含む。当該光学系の一部は、上述した光学系２３の一部と兼ねられていてもよい。

制御部２５は、例えばＣＰＵや、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）などを備えており、種々の演算や情報の授受を行う。制御部２５は、３次元画像生成部２５１を、その機能部として備える。

３次元画像生成部２５１は、撮像素子２４１から撮像画像を取得する。３次元画像生成部２５１は、取得した撮像画像に含まれる複数の断面画像に基づいて、細胞Ｃ１の３次元画像を生成する。３次元画像を生成することを、３次元画像を再構成するともいう。

［撮像方法］
ここで図３から図５を参照し、イメージングフローサイトメーター２０による撮像方法について説明する。図３は、本実施形態に係る流路２１に照射されるライトシート照明光ＬＳ１の一例を示す図である。図４は、本実施形態に係るライトシート照明光ＬＳ１と細胞Ｃ１との位置関係の一例を示す図である。

図３及び図４には、３次元直交座標系として、ｘｙｚ座標系を示す。本実施形態において、ｘ軸方向は、流路２１の長さ方向である。ｘ軸方向が流路２１における細胞Ｃ１が流される方向である。細胞Ｃ１は、ｘ軸方向の＋ｘ方向に流される。また、ｙ軸方向は、流路２１の幅方向（奥行き方向ともいう）である。ｚ軸方向は、流路２１の高さ方向である。以下の説明では、流路２１の幅方向において、ｙ軸方向の正の側を「右側」と呼ぶ場合があり、ｙ軸方向の負の側を「左側」と呼ぶ場合がある。また、ｚ軸方向の正の側を「上側」と呼ぶ場合があり、ｚ軸方向の負の側を「下側」と呼ぶ場合がある。

図３（Ａ）は、流路２１を上側からみた場合の流路２１を示す。図３（Ｂ）は、流路２１を側面（例えば、左側）からみた場合の流路２１を示す。本実施形態では、流路２１を流れる流体は定常流の状態に維持されている。そのため、細胞Ｃ１は、流路２１を流れている間、少なくとも撮像部２４による撮像の途中においては、流路２１の幅方向の位置、流路２１の高さ方向の位置、及び流路２１の上面または底面に対する向きは変わらない。つまり、細胞Ｃ１は、少なくとも撮像部２４による撮像の途中においては、流路２１を真っすぐに上流から下流の向き（＋ｘ方向）へと回転せずに流れる。

図３（Ｂ）に示すように、ライトシート照明光ＬＳ１は、流路２１の底面と平行（ｘｙ平面と平行）な向きから流路２１の幅方向に平行な方向（ｙ軸方向）を回転軸として回転させられた向きにされて、流路２１において細胞Ｃ１が流される方向（ｘ軸方向）に対して所定の角度だけ傾けられて照射されている。
イメージングフローサイトメーター２０に備えられる光学系は、照射部２２が照射するライトシート照明光ＬＳ１の面の方向を流速の方向に対して所定の角度だけ傾ける。

なお、図３（Ｂ）では、ライトシート照明光ＬＳ１が、流路２１の側面からみた場合に上流の側の高さが下流の側の高さに比べて低くなる向きに傾いている場合の一例について説明したが、これに限られない。ライトシート照明光ＬＳ１が、流路２１の側面からみた場合に上流の側の高さが下流の側の高さに比べて高くなる向きに傾いていてもよい。

上述したように本実施形態では、励起光Ｐ１はパルス光である。ライトシート照明光ＬＳ１は、励起光Ｐ１に含まれる１つのパルスである。したがって、励起光Ｐ１に含まれるパルスが流路２１に照射されている場合に、流路２１はライトシート照明光ＬＳ１が照射された状態となる。図４は、ライトシート照明光ＬＳ１が流路２１に照射されている場合に対応する。一方、当該パルスが流路２１に照射されていない場合には、流路２１はライトシート照明光ＬＳ１が照射されていない状態となる。

流路２１及び光学系２３は、相対位置変化部の一例である。つまり、本実施形態において相対位置変化部は、流路２１によって細胞Ｃ１を走査方向とは異なる方向である流路２１の流速の方向に移動させ、かつ光学系２３によって照射部２２が照射する帯状のライトシート照明光ＬＳ１の長手方向を帯状のライトシート照明光ＬＳ１の短手方向からみた場合に流路２１の流速の方向に対して所定の角度だけ傾けることによって、細胞Ｃ１とライトシート照明光ＬＳ１との相対位置を走査方向について変化させる。したがって、相対位置変化部は、細胞Ｃ１とライトシート照明光ＬＳ１との相対位置を所定の走査方向について変化させる。なお、本実施形態において、帯状のライトシート照明光ＬＳ１の短手方向は、流路２１の幅方向（奥行き方向またはｙ軸方向）と一致している。

なお、本実施形態において、走査とは、観測対象物の複数の部分（断面）にそれぞれに所定の時間間隔において励起光をそれぞれ照射して、当該複数の部分それぞれから発せられる蛍光に基づいて、当該複数の部分の画像を撮像することをいう。走査方向とは、所定の時間間隔において励起光が照射される観測対象物の複数の部分（断面）の並ぶ方向である。

図４では、ライトシート照明光ＬＳ１が流路２１に照射されている複数の時刻について、流路２１を流れる細胞Ｃ１の各部分が発光する様子が時系列で示されている。当該複数の時刻は、図４では、「ｔ＝１」から「ｔ＝６」の６つ時刻によって示されている。本実施形態では、励起光Ｐ１はパルス光である。つまり、ライトシート照明光ＬＳ１は所定の周期で流路２１に照射される。

上述したようにライトシート照明光ＬＳ１が流路２１において細胞Ｃ１が流される方向（ｘ軸方向）に対して所定の角度だけ傾いている。そのため、細胞Ｃ１の部分のうちライトシート照明光ＬＳ１が照射される部分は、細胞Ｃ１が流路２１を流れるにつれて所定の走査方向について変化する。走査方向は、ライトシート照明光ＬＳ１の面の法線方向である。励起光Ｐ１に含まれる複数のパルスであるライトシート照明光ＬＳ１はそれぞれ、細胞Ｃ１の異なる部分に照射される。換言すれば、流路２１を流れる細胞Ｃ１の部分は、帯状のライトシート照明光ＬＳ１の面の法線方向について走査される。

本実施形態では、流路２１に対して位置が変化しないライトシート照明光ＬＳ１が照射される領域を、流路２１を流れる細胞Ｃ１が一定の速度で通過する。そのため、細胞Ｃ１の各部分（断面）には、走査方向について等間隔でライトシート照明光ＬＳ１が照射される。

ライトシート照明光ＬＳ１が照射される部分は、帯状のライトシート照明光ＬＳ１と細胞Ｃ１とが交差する平面状の部分である。ライトシート照明光ＬＳ１が照射された細胞Ｃ１の部分は発光する。ライトシート照明光ＬＳ１が照射される部分が流路２１を流れるにつれて変化するため、細胞Ｃ１の部分のうち発光する部分は細胞Ｃ１が流路２１を流れるにつれて変化する。

ここで上述したようにライトシート照明光ＬＳ１は、帯状にした励起光である。ライトシート照明光ＬＳ１の幅方向は、流路２１の幅方向と一致している。ライトシート照明光ＬＳ１の長さ方向は、流路２１の長さ方向に対して所定の角度だけ傾いている。ライトシート照明光ＬＳ１の厚さ（高さ）方向は、流路２１を側面からみた場合に流路２１の高さ方向に対して所定の角度だけ傾いている。所定の角度とは、例えば、０度より大きく４５度未満の角度である。

ライトシート照明光ＬＳ１の幅は、観測対象物である細胞Ｃ１の径よりも十分に長い。本実施形態では、ライトシート照明光ＬＳ１の幅は、流路２１の幅よりも長い。ライトシート照明光ＬＳ１の高さ（厚み）は、細胞Ｃ１の径よりも十分に短い。ライトシート照明光ＬＳ１と細胞Ｃ１とが交差する部分の位置は、細胞Ｃ１が流路２１を流れるにつれて変化するが、ライトシート照明光ＬＳ１のうちそれらの部分からなる領域は、撮像部２４に含まれる撮像素子２４１の垂直画角に含まれる程度に狭い。撮像素子２４１の垂直画角の方向は、ライトシート照明光ＬＳ１の長さ方向である。

撮像部２４は、カメラのレンズの光軸の方向と、ライトシート照明光ＬＳ１の面の法線の方向とが一致するように設置される。なお、撮像部２４に備えられるカメラのレンズの光軸の方向は、ライトシート照明光ＬＳ１の面の法線の方向から傾いていてもよい。
撮像部２４は、ライトシート照明光ＬＳ１が細胞Ｃ１の複数の部分それぞれに所定の時間間隔で照射されて細胞Ｃ１の複数の部分から発せられる蛍光それぞれを撮像素子２４１上の異なる位置に結像することによって、一度の露光で細胞Ｃ１の複数の部分を撮像する。撮像部２４は、１個の細胞Ｃ１について当該細胞Ｃ１の複数の部分を撮像する間、露光状態を維持する。

撮像部２４は、例えば、以下のシャッターの開閉の条件に基づいてシャッターの開閉を行うことが好ましい。なお、以下のシャッターの開閉の条件は必須でなない。例えば、撮像部２４は、流路２１を流れる細胞Ｃ１が流路２１の所定の位置（露光開始位置）を通過した場合に、シャッターを開いて露光を開始する。露光開始位置は、例えば、流路２１において励起光Ｐ１の照射位置よりも上流側の位置であって、撮像素子２４１の画角外の位置である。撮像部２４は、露光を開始してから所定時間が経過するとシャッターを閉じて露光を終了する。なお、撮像部２４は、細胞Ｃ１が流路２１の所定の位置（露光終了位置）を通過した場合に、露光を終了してもよい。露光終了位置は、例えば、流路２１において励起光Ｐ１の照射位置よりも下流側の位置であって、撮像素子２４１の画角外の位置である。
撮像部２４は、流路２１を流れる細胞Ｃ１の位置に応じてシャッターを開閉する。したがって、撮像部２４は、観測対象物の動きに同期させて、シャッターを開閉する。

流路２１には、複数の細胞Ｃ１が流されて、撮像部２４は、複数の細胞Ｃ１それぞれを撮像してもよい。その場合、撮像部２４は、一度の露光につき１個の細胞Ｃ１を撮像する。撮像部２４は、シャッターの開閉を繰り返して、流路２１を流れる複数の細胞Ｃ１それぞれを順に撮像する。

なお、流路２１に複数の細胞Ｃ１が流される場合、それら複数の細胞Ｃ１同士の間隔は、撮像部２４がある細胞Ｃ１の撮像を行う間に、撮像素子２４１の画角内間に別の細胞Ｃ１が入ってしまわない程度に離される。
なお、流路２１の幅が十分に広ければ、流路２１の幅方向について異なる位置を流れる複数の細胞について、一度の露光で撮像してもよい。

図５は、本実施形態に係る撮像部２４によって撮像された撮像画像Ｔ１の一例を示す図である。図５には、２次元直交座標系として、ＸＹ座標系を示す。本実施形態において、Ｘ方向は、撮像素子２４１の横方向である。Ｘ方向は、流路２１の流速の方向（図３及び図４におけるｘ軸方向）と一致している。Ｙ方向は、撮像素子２４１の縦方向である。

図５では、複数の時刻においてそれぞれ発光した細胞Ｃ１の部分の画像である断面画像が、撮像素子２４１上の互いに異なる位置に１フレームの画像として撮像されている。撮像画像Ｔ１では、「ｔ＝１」から「ｔ＝６」によってそれぞれ示される６つ時刻において細胞Ｃ１の部分から発せられる蛍光が撮像素子２４１上の互いに異なる位置に結像されて、１フレームの画像として撮像されている。

撮像部２４は、流路２１及び光学系２３によってライトシート照明光ＬＳ１との相対位置が変化させられることによってライトシート照明光ＬＳ１が照射される細胞Ｃ１の部分が走査方向について変化させられながら照射部２２によってライトシート照明光ＬＳ１が細胞Ｃ１の複数の部分それぞれに所定の時間間隔で照射されて細胞Ｃ１の複数の部分それぞれから発せられる蛍光を撮像素子２４１上の異なる位置にそれぞれ結像することによって、一度の露光で細胞Ｃ１の複数の部分を撮像する。つまり、撮像部２４では、複数のフレームを必要とせずに１枚のフレームで細胞Ｃ１の複数の部分を撮像する。

上述したように撮像素子２４１では、横方向（Ｘ方向）の画素列について、検出された光の強さを同時に取得する。さらに、撮像素子２４１では、縦方向（Ｙ方向）に並ぶ横方向の画素列の全てについて同時に光の強さを取得する処理を行う。つまり、撮像部２４に備えられるカメラでは、グローバルシャッターが用いられる。そのため、１枚の撮像画像Ｔ１を撮像するのに要する撮像時間は、縦方向（Ｙ方向）を走査する時間に比例して長くなる。つまり、１枚の撮像画像Ｔ１を撮像するのに要する撮像時間は、縦方向の画素数に比例して長くなる。したがって、撮像素子２４１が単位時間当たりに撮像できる画像の枚数は、縦方向の画素数に反比例し、横方向の画素数には依存しない。

本実施形態では、撮像素子２４１は、複数の素子の信号が読み出される横方向（Ｘ方向）と、細胞Ｃ１の複数の部分それぞれから発せられる蛍光Ｆ１が結像される撮像素子２４１上の異なる位置が並ぶ方向とが一致する向きに配置される。そのため、イメージングフローサイトメーター２０による撮像速度は撮像素子２４１の横方向の画素数には依存しない。イメージングフローサイトメーター２０による撮像速度は、撮像部２４に用いるカメラ自体の撮像速度による制限を受けない。

なお、撮像素子２４１は、複数の素子の信号が読み出される横方向（Ｘ方向）と、細胞Ｃ１の複数の部分それぞれから発せられる蛍光Ｆ１が結像される撮像素子２４１上の異なる位置が並ぶ方向とが一致する向き以外の向きに配置されてもよい。その場合であっても、撮像素子２４１は、複数の素子の信号が読み出される行または列の方向を、細胞Ｃ１の複数の部分それぞれから発せられる蛍光が結像される撮像素子２４１上の異なる位置が並ぶ方向に応じた方向にして配置されることが好ましい。当該異なる位置が並ぶ方向に応じた方向とは、例えば、当該異なる位置が並ぶ方向から０度より大きい角度であって所定の角度（例えば、４５度）未満の角度だけ傾いた方向である。

また、本実施形態では、撮像素子２４１は、複数の素子が行列状に配置され行または列を単位として信号が読み出される素子の集まりであり、横方向に配置される画素の数が縦方向に配置される画素の数よりも多い長方形の形状である場合の一例について説明したが、これに限られない。撮像素子２４１は、横方向に配置される画素の数と縦方向に配置される画素の数とが等しい正方形の形状であってもよい。

本実施形態では、３次元画像生成部２５１は、撮像画像Ｔ１に撮像された細胞Ｃ１の複数の断面画像を、走査方向に基づく順序で結合する。３次元画像生成部２５１は、走査方向と撮像素子２４１の縦方向及び横方向との関係を示す情報を予め取得する。３次元画像生成部２５１は、当該関係を示す情報に基づいて、撮像画像Ｔ１に撮像された複数の断面画像について結合する順序を判定する。３次元画像生成部２５１は、判定した順序に基づいて当該複数の断面画像を結合することによって、３次元画像を生成する。

ライトシート照明光ＬＳ１の傾きは、例えば、流路２１を流れる流体の流速、励起光Ｐ１に含まれるパルスの周期、及び、細胞Ｃ１の部分の奥行（厚さ）方向についての所望の解像度に基づいて決定される。細胞Ｃ１の部分の奥行（厚さ）方向とは、細胞Ｃ１がライトシート照明光ＬＳ１によって走査される方向である。

［撮像結果］
図６は、本実施形態に係る撮像結果の一例を示す図である。なお、図６に示す撮像画像には、スケールとして「３０μｍ」が示されている。
撮像画像Ｔ１０は、流路２１を流れる流体の流速が１．３ｍ／ｓであって、光源２２１として、５０ｋＨｚの周波数で変調されたＣＷレーザが用いられた場合の撮像結果である。
撮像画像Ｔ２０は、流路２１を流れる流体の流速が１１．８ｍ／ｓであって、光源２２１として、５００ｋＨｚの周波数で変調されたＣＷレーザが用いられた場合の撮像結果である。
撮像画像Ｔ３０は、流路２１を流れる流体の流速が０．９８ｍ／ｓであって、光源２２１としてパルス周波数が４８ｋＨｚのＱスイッチレーザが用いられた場合の撮像結果である。

撮像画像Ｔ２０の撮像条件と撮像画像Ｔ１０、撮像画像Ｔ３０の撮像条件とを比較すると、撮像画像Ｔ２０の撮像条件では、流速が撮像画像Ｔ１０、撮像画像Ｔ３０の撮像条件の流速の約１０倍である。これに応じて、撮像画像Ｔ２０の撮像では、ＣＷレーザの周波数は、撮像画像Ｔ１０の撮像に用いられたＣＷレーザの周波数、または撮像画像Ｔ３０の撮像に用いられたＱスイッチレーザの周波数の約１０倍に設定されている。

なお、一般に、Ｑスイッチレーザの方がＣＷレーザに比べてパルス当たりの光量が多い。そのため、光源２２１としてＱスイッチレーザが用いられた場合、光源２２１としてＣＷレーザが用いられる場合に比べて、断面画像に撮像される細胞Ｃ１の断面画像のコントラストを高くできる。

図７は、本実施形態に係る３次元画像生成部２５１によって生成された３次元画像の一例を示す図である。図７では、細胞Ｃ１の３次元画像が再構成された結果が示されている。

なお、本実施形態では、光学系２３によってライトシート照明光ＬＳ１の面の方向が流路２１の流速の方向に対して所定の角度だけ傾ける場合の一例について説明したが、これに限られない。光学系２３は、ライトシート照明光ＬＳ１の面を流路２１の上面（または下面）と平行にして、ライトシート照明光ＬＳ１の位置を深さ方向について変化させてもよい。

なお、本実施形態では、照射部２２は所定の周期でライトシート照明光ＬＳ１を細胞Ｃ１に照射する場合の一例について説明したが、これに限られない。照射部２２は、周期的でない時間間隔でライトシート照明光ＬＳ１を細胞Ｃ１に照射してもよい。例えば、上述したようにライトシート照明光ＬＳ１の面を流路２１の上面（または下面）と平行にして、ライトシートの位置を深さ方向について変化させる場合、照射部２２は、周期的でない時間間隔でライトシート照明光ＬＳ１を細胞Ｃ１に照射してもよい。

また、例えば、位置の変化しないライトシート照明光ＬＳ１が照射される領域を通過する間に、細胞Ｃ１の移動速度が変化する場合、当該移動速度の変化に応じて、照射部２２は、周期的でない時間間隔でライトシート照明光ＬＳ１を細胞Ｃ１に照射してもよい。

なお、本実施形態では、細胞Ｃ１は、少なくとも撮像部２４による撮像の途中においては、流路２１を真っすぐに上流から下流の向き（＋ｘ方向）へと回転せずに流れる場合の一例について説明したが、これに限られない。例えば、制御部２５は、細胞Ｃ１が回転した場合に、細胞Ｃ１の向きについて回転前からのずれを検出する検出部を備えてもよい。３次元画像生成部２５１は、３次元画像を再構成する過程において、検出部が検出したずれに基づいて細胞Ｃ１が回転したことによるずれを補正する。

以上に説明したように、本実施形態に係る３次元画像撮像装置（本実施形態において、イメージングフローサイトメーター２０）は、照射部２２と、相対位置変化部（本実施形態において、流路２１及び光学系２３）と、撮像部２４とを備える。
照射部２２は、観測対象物（本実施形態において、細胞Ｃ１）に帯状の励起光（本実施形態において、ライトシート照明光ＬＳ１）を所定の時間間隔で照射する。
相対位置変化部（本実施形態において、流路２１及び光学系２３）は、観測対象物（本実施形態において、細胞Ｃ１）と励起光（本実施形態において、ライトシート照明光ＬＳ１）との相対位置を所定の走査方向（本実施形態において、ライトシート照明光ＬＳ１の面の法線方向）について変化させる。
撮像部２４は、相対位置変化部（本実施形態において、流路２１及び光学系２３）によって相対位置（本実施形態において、細胞Ｃ１とライトシート照明光ＬＳ１との相対位置）が変化させられることによって励起光（本実施形態において、ライトシート照明光ＬＳ１）が照射される観測対象物（本実施形態において、細胞Ｃ１）の部分が走査方向（本実施形態において、ライトシート照明光ＬＳ１の面の法線方向）について変化させられながら照射部２２によって励起光（本実施形態において、ライトシート照明光ＬＳ１）が観測対象物（本実施形態において、細胞Ｃ１）の複数の部分それぞれに所定の時間間隔で照射されて複数の部分（本実施形態において、細胞Ｃ１の複数の部分）それぞれから発せられる蛍光を撮像素子２４１上の異なる位置にそれぞれ結像することによって、一度の露光で複数の部分（本実施形態において、細胞Ｃ１の複数の部分）を撮像する。

この構成により、本実施形態に係る３次元画像撮像装置（本実施形態において、イメージングフローサイトメーター２０）では、一度の露光で観測対象物の複数の部分を撮像できるため、蛍光を用いて撮像を行う場合に、高速に３次元画像を撮像できる。ここで高速とは、観測対象物の複数の部分それぞれを複数のフレームそれぞれで撮像する場合に比べて高速であることを意味する。本実施形態に係る３次元画像撮像装置では、一度の露光で観測対象物の複数の部分を撮像できるため高いフレームレートを必要としない。

また、本実施形態に係る３次元画像撮像装置（本実施形態において、イメージングフローサイトメーター２０）では、相対位置変化部（本実施形態において、流路２１及び光学系２３）は、観測対象物（本実施形態において、細胞Ｃ１）を走査方向（本実施形態において、ライトシート照明光ＬＳ１の面の法線方向）とは異なる方向である移動方向（本実施形態において、流路２１の流速の方向）に移動させ、かつ照射部２２が照射する帯状の励起光（本実施形態において、ライトシート照明光ＬＳ１）の長手方向を帯状の励起光（本実施形態において、ライトシート照明光ＬＳ１）の短手方向からみた場合に移動方向（本実施形態において、流路２１の流速の方向）に対して所定の角度だけ傾けることによって相対位置（本実施形態において、細胞Ｃ１とライトシート照明光ＬＳ１との相対位置）を走査方向（本実施形態において、ライトシート照明光ＬＳ１の面の法線方向）について変化させる。

この構成により、本実施形態に係る３次元画像撮像装置（本実施形態において、イメージングフローサイトメーター２０）では、移動している観測対象物の３次元画像を撮像する場合に一度の露光で観測対象物の複数の部分を撮像できるため、蛍光を用いて撮像を行う場合に、高速に３次元画像を撮像できる。ここで高速とは、移動している観測対象物の複数の部分それぞれを複数のフレームそれぞれで撮像する場合に比べて高速であることを意味する。

本実施形態に係る３次元画像撮像装置は、上記に説明したようにイメージングフローサイトメーター２０として用いることが好適である。シース流を用いるフローサイトメトリーでは、流速１－１０ｍ／ｓで細胞が流路を流れる。イメージングフローサイトメーター２０では、上記の構成により、流速１－１０ｍ／ｓで流れる細胞を撮影できる。
また、イメージングフローサイトメーター２０では、流路２１を流れる細胞の３次元画像を即時に取得できるため、機械学習によって細胞を即時に判別すること、及びセルソーターの実装が可能である。

なお、本実施形態では、観測対象物である細胞Ｃ１を流路２１に流すことによって細胞Ｃ１を走査方向とは異なる方向である移動方向に移動させる場合の一例について説明したが、これに限られない。観測対象物を走査方向とは異なる方向である移動方向に移動させられさえすれば、流路以外の機構が用いられてもよい。

また、本実施形態に係る３次元画像撮像装置（本実施形態において、イメージングフローサイトメーター２０）では、撮像素子２４１は、複数の素子が行列状に配置され行または列を単位として信号が読み出される素子の集まりであり、撮像素子２４１は、複数の素子の信号が読み出される行または列の方向を、観測対象物（本実施形態において、細胞Ｃ１）の複数の部分それぞれから発せられる蛍光Ｆ１が結像される撮像素子２４１上の異なる位置が並ぶ方向に応じた方向にして配置される。

この構成により、本実施形態に係る３次元画像撮像装置（本実施形態において、イメージングフローサイトメーター２０）では、撮像素子２４１が複数の素子の信号が読み出される行または列の方向を、観測対象物（本実施形態において、細胞Ｃ１）の複数の部分それぞれから発せられる蛍光Ｆ１が結像される撮像素子２４１上の異なる位置が並ぶ方向に応じた方向にして配置されない場合に比べて撮像速度は撮像素子２４１の読み出し速度による制限を受けないため、３次元画像の撮像速度を高速化することができる。特に、撮像素子２４１が複数の素子の信号が読み出される行または列の方向と、観測対象物（本実施形態において、細胞Ｃ１）の複数の部分それぞれから発せられる蛍光Ｆ１が結像される撮像素子２４１上の異なる位置が並ぶ方向とが一致する向きに配置される場合には、撮像速度は撮像素子２４１の読み出し速度による制限を受けない。

（第２の実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の第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、３次元画像撮像装置は、観測対象物が流路に流されることによって観測対象物と励起光（ライトシート照明光）との相対位置が変化する場合について説明をした。本実施形態では、観測対象物の位置は固定されており、ポリゴナルミラーを用いて励起光の観測対象物に対する相対位置を変化させる場合について説明をする。
本実施形態に係る細胞測定システムを細胞測定システム１ａという。

図８は、本実施形態に係る細胞測定システム１ａの構成の一例を示す図である。図９は、本実施形態に係るライトシート照明光ＬＳ２と細胞Ｃ２との位置関係の一例を示す図である。
図８及び図９には、３次元直交座標系として、ｘｙｚ座標系を示す。ｚ軸の向きは、鉛直上向きである。ｘ軸、及びｙ軸は、水平面に平行である。

細胞測定システム１ａは、光源Ｄ１と、カメラＣＭ１と、光学系Ｏ１とを備える。光学系Ｏ１は、各種のレンズと、各種のミラー、絞りＡ１などを備える。光学系Ｏ１が備える各種のレンズには、レンズＬ１と、レンズＬ２と、レンズＬ３と、対物レンズＬ４と、レンズＬ５と、レンズＬ６と、レンズＬ７とが含まれる。光学系Ｏ１が備える各種のミラーには、ダイクロイックミラーＭ１と、ポリゴナルミラーＭ２と、ハーフミラーＭ３と、ティルテッドミラーＭ４とが含まれる。

レンズＬ１、レンズＬ２、レンズＬ３、レンズＬ５、レンズＬ７はそれぞれ、一例として、チューブレンズであって、かつアクロマティックレンズ（アクロマートレンズ）であるレンズである。アクロマティックレンズとは、例えば、低屈折ガラスのクラウンガラスと、高屈折率ガラスのフリントガラスの２枚の光学素子を貼り合わせて作られたレンズである。

光源Ｄ１は、励起光Ｅ１を射出する。励起光Ｅ１は、パルス光である。励起光Ｅ１に含まれるパルスは、それぞれが帯状のコヒーレント光である。光源Ｄ１は、一例として、パルスレーザである。
光源Ｄ１から射出された励起光Ｅ１は、ダイクロイックミラーＭ１によって反射される。ダイクロイックミラーＭ１によって反射された励起光Ｅ１は、レンズＬ１によって集光される。

レンズＬ１によって集光された励起光Ｅ１は、励起光Ｅ２としてポリゴナルミラーＭ２によって反射される。ポリゴナルミラーＭ２によって反射された励起光Ｅ２は、レンズＬ２によって集光され、絞りＡ１を通過した後、レンズＬ３によって集光されて対物レンズＬ４に入射する。励起光Ｅ２に含まれる複数のパルスそれぞれは、対物レンズＬ４を介して、ライトシート照明光ＬＳ２として観測対象物である細胞Ｃ２に照射される。

ここでポリゴナルミラーＭ２は、複数の反射面を備える。図８に示す例では、ポリゴナルミラーＭ２は、８つの反射面を備える。ポリゴナルミラーＭ２は、回転機構を有し、ｙ軸方向と平行な回転軸の周りに高速に回転可能である。

ポリゴナルミラーＭ２は、回転軸の周りに回転することによって反射面の励起光Ｅ２の入射方向に対する角度を変化させながら、励起光Ｅ２に含まれる複数のパルスを反射面の１つによって反射する。複数のパルスが反射面によって反射される過程において、反射面の励起光Ｅ２の入射方向に対する角度を変化するため、複数のパルスはそれぞれ異なる方向に反射される。ポリゴナルミラーＭ２は、複数のパルスそれぞれが観測対象物である細胞Ｃ２の異なる部分それぞれに照射されるような回転速度において回転する。

図９に、本実施形態に係るライトシート照明光ＬＳ２と細胞Ｃ２との位置関係の一例を示す。ライトシート照明光ＬＳ２は、励起光Ｅ２に含まれる複数のパルスのうちの１つのパルスに対応する。ポリゴナルミラーＭ２の回転に伴う反射面の向きの変化に応じて、ライトシート照明光ＬＳ２が照射される細胞Ｃ２の部分は、所定の方向にについて変化する。当該所定の方向は、例えば、ライトシート照明光ＬＳ２の面の法線方向（図９では、矢印ＡＲ１によって示される方向）である。換言すれば、細胞Ｃ２の部分は、所定の方向（走査方向）について走査される。

ポリゴナルミラーＭ２は、相対位置変化部の一例である。つまり、ポリゴナルミラーＭ２は、固定されている観測対象物に対して励起光が照射される方向を変更することによって、観測対象物と励起光との相対位置を走査方向について変化させる。

図８に戻って細胞測定システム１ａの構成の説明を続ける。
ライトシート照明光ＬＳ２が細胞Ｃ２の部分に照射されて、当該部分から発せられた蛍光Ｆ１は、対物レンズＬ４、レンズＬ３、絞りＡ１、レンズＬ２を介してポリゴナルミラーＭ２へと入射する。ポリゴナルミラーＭ２へ入射した蛍光Ｆ１は、ポリゴナルミラーＭ２の反射面によってレンズＬ１の方向へ反射される。

ポリゴナルミラーＭ２の反射面によって反射された蛍光Ｆ１は、レンズＬ１によって集光された蛍光Ｆ１は、蛍光Ｆ２としてダイクロイックミラーＭ１に入射する。ダイクロイックミラーＭ１は、入射した蛍光Ｆ２をレンズＬ５の方へと透過させる。ダイクロイックミラーＭ１を透過した蛍光Ｆ２は、レンズＬ５によって集光されて、蛍光Ｆ３としてハーフミラーＭ３に入射する。ハーフミラーＭ３は、入射した蛍光Ｆ３をレンズＬ６の方へと透過させる。

レンズＬ６は、入射する蛍光Ｆ３を結像させて細胞Ｃ２の部分（断面）の像を形成する。レンズＬ６によって像を形成した蛍光Ｆ３は、ティルテッドミラーＭ４によって反射される。ここでティルテッドミラーＭ４は、レンズＬ６の光軸に対して所定の角度（例えば４５度）だけ傾けられている。

ティルテッドミラーＭ４によって反射された蛍光Ｆ３は、蛍光Ｆ４としてレンズＬ６を介してハーフミラーＭ３へと入射する。ハーフミラーＭ３へと入射した蛍光Ｆ４は、ハーフミラーＭ３によってレンズＬ７の方へと反射される。レンズＬ７は、ハーフミラーＭ３によって反射された蛍光Ｆ４を集光する。レンズＬ７によって集光された蛍光Ｆ４は、カメラＣＭ１の撮像素子上に結像される。

カメラＣＭ１は、ライトシート照明光ＬＳ２が所定の時間間隔で照射されて細胞Ｃ２の複数の部分から発せられる蛍光それぞれを撮像素子上の異なる位置に結像することによって、一度の露光で細胞Ｃ２の複数の部分を撮像する。カメラＣＭ１は、１個の細胞Ｃ２について当該細胞Ｃ２の複数の部分を撮像する間、露光状態を維持する。

以上に説明したように、本実施形態に係る３次元画像撮像装置（本実施形態において、細胞測定システム１ａ）では、相対位置変化部（本実施形態において、ポリゴナルミラーＭ２）は、固定されている観測対象物（本実施形態において、細胞Ｃ２）に対して励起光（本実施形態において、ライトシート照明光ＬＳ２）が照射される方向を変更することによって相対位置（本実施形態において、細胞Ｃ２とライトシート照明光ＬＳ２との相対位置）を走査方向（本実施形態において、ライトシート照明光ＬＳ２の面の法線方向）について変化させる。

この構成により、本実施形態に係る３次元画像撮像装置（本実施形態において、細胞測定システム１ａ）では、停止している観測対象物の３次元画像を撮像する場合に一度の露光で観測対象物の複数の部分を撮像できるため、停止している観測対象物の複数の部分それぞれを複数のフレームそれぞれで撮像する場合に比べて高速に３次元画像を撮像できる。

なお、上述した各実施形態においては、観測対象物の複数の部分は帯状の励起光が照射されるに際の走査方向は、直線によって示される方向である場合の一例について説明したが、これに限られない。走査方向は、角度方向であってもよい。つまり、観測対象物の角度方向についての観測対象物を異なる方向からみた複数の部分（断面）それぞれに励起光が所定の時間間隔においてそれぞれ照射されて、当該異なる方向の複数の部分の断面画像が撮像されてもよい。

なお、上述した各実施形態においては、観測対象物の複数の部分が走査される順番は、走査方向について連続して並んでいなくてもよい。例えば、第１の実施形態において、ライトシート照明光ＬＳ１の面が流路２１の上面（下面）に対して傾けられておらずライトシート照明光ＬＳ１の位置を深さ方向について変化させる場合に、ライトシート照明光ＬＳ１が所定の時間間隔でそれぞれ照射される細胞Ｃ１の複数の部分の順番は、走査方向である高さ方向（ｚ軸方向）について連続して並んでいなくてもよい。

なお、上述した各実施形態においては、３次元画像を撮像する対象である観測対象物が、細胞である場合の一例について説明したが、これに限られない。当該観測対象物は、励起光が照射されて蛍光を発する物質であれば、微粒子、マクロな物体などであってもよい。

なお、上述の各装置は内部にコンピュータを有している。そして、上述した装置の各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

１、１ａ…細胞測定システム、２０…イメージングフローサイトメーター、２１…流路、２２…照射部、２３…光学系、２４…撮像部、２４１…撮像素子、ＬＳ１、ＬＳ２…ライトシート照明光、Ｃ１、Ｃ２…細胞

Claims (4)

1. 観測対象物に帯状の励起光を所定の時間間隔で照射する照射部と、
   前記観測対象物と前記励起光との相対位置を所定の走査方向について変化させる相対位置変化部と、
   前記相対位置変化部によって前記相対位置が変化させられることによって前記励起光が照射される前記観測対象物の部分が前記走査方向について変化させられながら前記照射部によって前記励起光が前記観測対象物の複数の部分それぞれに所定の時間間隔で照射されて前記複数の部分それぞれから発せられる蛍光を撮像素子上の異なる位置にそれぞれ結像することによって、一度の露光で前記複数の前記部分を撮像する撮像部と、
   を備える３次元画像撮像装置。
2. 前記相対位置変化部は、前記観測対象物を前記走査方向とは異なる方向である移動方向に移動させ、かつ前記照射部が照射する帯状の前記励起光の長手方向を帯状の前記励起光の短手方向からみた場合に前記移動方向に対して所定の角度だけ傾けることによって前記相対位置を前記走査方向について変化させる
   請求項１に記載の３次元画像撮像装置。
3. 前記撮像素子は、複数の素子が行列状に配置され行または列を単位として信号が読み出される素子の集まりであり、
   前記撮像素子は、前記複数の素子の信号が読み出される行または列の方向を、前記複数の部分それぞれから発せられる蛍光が結像される前記撮像素子上の異なる位置が並ぶ方向に応じた方向にして配置される
   請求項２に記載の３次元画像撮像装置。
4. 前記相対位置変化部は、固定されている前記観測対象物に対して前記励起光が照射される方向を変更することによって前記相対位置を前記走査方向について変化させる
   請求項１に記載の３次元画像撮像装置。

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