JP4490061B2 - 粒子画像分析装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光学セル中を媒体と共に高速で移動する粒子を、2次元撮像素子を用いて撮像し、撮像された粒子画像を分析する粒子画像分析装置に関する。
従来より、エリアセンサ(CCD等による2次元撮像素子)を用いて対象物を撮像し、画像データを得るデジタルカメラ等の撮像装置が知られている。また、微小粒子の形状等を分析するために、光学セル中に粒子懸濁液を流し、撮像領域に移動してきた粒子を順次撮像して得られた粒子画像を解析処理して、円形度等の形状パラメータを算出し分布図として表示することが可能な粒子画像分析装置が開発されている(例えば、特許文献1)。
米国特許第5721433号明細書
奇数列画素(ODDフィールド)と偶数列画素(EVENフィールド)を順次走査するインタレース方式のCCDエリアセンサを、特許文献1に記載された粒子画像分析装置の撮像素子として用いた場合、EVENフィールド期間にエリアセンサが露光されると、縞の入った画像となってしまう。一般的には、エリアセンサのODDフィールド期間が1/60秒、EVENフィールド期間が1/60秒程度である。従って、インタレース方式のCCDエリアセンサを粒子画像分析装置に用いた場合、1/30秒程度の撮像間隔が必要であるため、撮像間隔の間に撮像領域に移動してきた粒子を撮像することは困難であった。
本発明は、上述した問題を解決するために、高速で移動してくる多数の粒子を撮像する場合でも、粒子を撮像できる確率を向上させ、分析できる粒子を増加させた粒子画像分析装置を提供することを目的とするものである。
本発明は、2次元撮像素子を用いて粒子懸濁液流中の粒子を撮像し、撮像された粒子画像に基づいて粒子を分析する粒子画像分析装置であって、粒子懸濁液の流れを形成するフローセルと、所定の時間間隔毎に発光し、粒子懸濁液流に対して光を照射する光源と、ODDフィールド期間およびEVENフィールド期間を順次繰り返す第1のフィールド信号に基づいて駆動される第1の2次元撮像素子(第1撮像素子)と、第1のフィールド信号との位相差がπである第2のフィールド信号に基づいて駆動される第2の2次元撮像素子(第2撮像素子)と、第1および第2撮像素子に前記粒子懸濁液流の同一の光学像を結像させるための光学系と、第1及び第2撮像素子のうちODDフィールド期間にある撮像素子に前記光学系からの露光を選択的に行う露光制御手段と、第1および第2撮像素子のうち露光制御手段によって選択的に露光された撮像素子により撮像された粒子画像に基づいて粒子を分析する分析手段と、を備えたことを特徴とする粒子画像分析装置に関する。
本発明によれば、高速で移動してくる多数の粒子を撮像する場合でも、粒子を撮像できる確率を向上させ、分析できる粒子を増加させた粒子画像分析装置を提供することができる。
本発明の一実施形態の画像撮像装置1の構成を図1に示す。画像撮像装置1は光学系2、第1CCD6、第2CCD7、第1CCD6を駆動するための第1CCD駆動回路8、第2CCD7を駆動するための第2CCD駆動回路9および基準水晶発信器10を備えている。光学系2は、対象物の像を集光する対物レンズ3、対物レンズ3からの光を分岐するためのハーフミラー4を備えている。第1CCD6および第2CCD7は何れもインタレース方式のCCDエリアセンサであり、電子シャッターを備えている。第1CCD6は第1CCD駆動回路8によって電子シャッターの露光タイミングが制御されて駆動される。また第2CCD7は第2CCD駆動回路9によって電子シャッターの露光タイミングが制御されて駆動される。
第1CCD6を駆動するための第1CCD駆動回路8は、基準水晶発信器10の信号に基づいて垂直同期信号VDおよび水平同期信号HD等の同期信号を発生する同期信号発生器8aと、同期信号発生器8aから出力される垂直同期信号VDおよび水平同期信号HD等が入力され、第1CCD6の駆動用の各種のタイミング信号を発生するタイミング発生器8bと、タイミング発生器8bから出力されるタイミング信号が入力され、垂直転送パルス、水平転送パルス、蓄積された信号電荷を排出し新たな露光を開始させるシャッタパルス(第1CCD6の電子シャッタ動作開始パルス)等を与えて第1CCD6を駆動させるドライバ8cを備えている。なお、第1CCD6の出力信号の信号処理系については図示を省略している。同様に第2CCD7を駆動するための第2CCD駆動回路9は、垂直同期信号VDおよび水平同期信号HD等の同期信号を発生する同期信号発生器9aと、タイミング発生器9bと、ドライバ9cとを備えている。
上述した第1CCD駆動回路8および第2CCD駆動回路9によって、第1CCD6は第2CCD7と逆の位相を有するフィールド信号に基づいて駆動される。図2において、FLD1が第1CCD6を駆動するためのフィールド信号であり、FLD2が第2CCD7を駆動するためのフィールド信号である。図中、斜線部がODDフィールド信号の期間を示している。FLD1およびFLD2はODDフィールドとEVENフィールドとを交互に繰り返すフィールド信号である。フィールド信号FLD1とフィールド信号FLD2とは、同じ周波数を有しており、その位相差がπである。換言すればフィールド信号FLD1は、フィールド信号FLD2とは逆の位相を有している。このため第1CCD6のフィールド信号がEVENの時には第2CCD7のフィールド信号がODDとなり、逆に第1CCD6のフィールド信号がODDの時には第2CCD7のフィールド信号はEVENとなる。このようなフィールド信号FLD1およびFLD2によって駆動されるため、第1CCD6および第2CCD7の何れか一方が常に撮像可能な状態となる。
次に画像撮像装置1を用いた粒子画像撮像装置11の一実施形態の構成を図3に示す。粒子画像撮像装置11は、画像撮像装置1を備えた測定部12、入力部23、表示部24および制御部25を備えている。測定部12は、粒子懸濁液ボトルに収容された粒子懸濁液13、吸引ピペット14、サンプルフィルター15、試料チャージングライン16、シースシリンジ17、フローセル18、シース液ボトル19、シース液チャンバー20、廃液チャンバー21、光源(ストロボ)22および画像撮像装置1を備えている。入力部23は、各種の入力操作や指令操作等を行うための入力装置であり、キーボードやマウス等である。表示部24は、液晶ディスプレイ、CRTディスプレイ等の表示装置である。なお、入力部23および表示部24としてタッチパネル式ディスプレイを用いてもよい。なお、画像撮像装置1の構成は図1に示した通りであるので、画像撮像装置1の内部構成については図番を省略している。
図4は粒子画像撮像装置11の制御ブロック図である。制御部25は、中央演算素子(CPU)26、メモリ27、測定部駆動制御回路28および信号処理回路29を備えている。メモリ27はRAM、ROM、ハードディスク等を備えている。メモリ27には、測定部の駆動制御プログラム、第1CCD6および第2CCD7からの信号(粒子画像データ)を処理するための信号処理プログラム等が格納されている。CPU26は、メモリ27に格納された駆動制御プログラムに基づいて測定部駆動制御回路28を介して測定部の駆動制御を行う。また、CPU26は、メモリ27に格納された信号処理プログラムに基づいて信号処理回路29を介して第1CCD6および第2CCD7からの信号を処理する。第1CCD6および第2CCD7からの粒子画像データは、信号処理回路29のA/D変換器でデジタルデータに変換された後、メモリ27に保存される。
図3の測定部11における粒子画像の撮像は以下のようにして行われる。まず粒子懸濁液ボトルに収容された粒子懸濁液13は吸引ピペット14によって吸引され、サンプルフィルター15を通りフローセル18の上部の試料チャージングライン16へ引き込まれる。サンプルフィルター15によって、懸濁液中の粗大な粒子やごみが取り除かれ、流路の細い(狭い)フローセル18が詰まらないようにしている。また、このサンプルフィルター15は、粗大な凝集塊をほぐす効果も持っている。測定する粒子が半透明状の場合には、その粒子に対して適当な染色を施すのが好ましい。
チャージングライン16に引き込まれた粒子懸濁液13は、シースシリンジ17を動作させることによってフローセル18に導かれ、サンプルノズル18aの先端から粒子懸濁液13が少しずつ押し出される。それと同時にシース液もシース液ボトル19からシース液チャンバー20を介してフローセル18に送り込まれる。その結果、粒子懸濁液13はシース液で取り囲まれ、液体力学的に懸濁液流は絞られてフローセル18内を流れ、廃液チャンバー21に排出される。
このようなフローセル18中の懸濁液流に対して、光源(ストロボ)22からパルス光を1/60秒ごとに周期的に照射する。それによって、1/60秒ごとに粒子の静止像が画像撮像装置1の光学系2に導かれる。この静止像は光学系2を介して第1CCD6および第2CCD7に導かれる。上述したように第1CCD6は第2CCD7とは逆の位相を有するフィールド信号によって駆動されている。従って、光学系2により導かれた粒子の像は、第1CCD6および第2CCD7のうちフィールド信号がODDであるCCDにより撮像される。
なお、上述した実施形態においては、露光制御手段として第1CCD駆動回路8および第2CCD駆動回路9を用いたが、制御部25によって第1CCD6および第2CCD7の露光タイミングの制御を行ってもよい。また、第1CCD6および第2CCD7の露光制御を行うためのシャッター手段として電子シャッターを用いたが機械的なシャッターを使用してもよい。
次に、粒子画像撮像装置11を備えた粒子画像分析装置30の構成を図5に示す。粒子画像分析装置30は、粒子画像撮像装置11、画像処理装置(パーソナルコンピュータ)31、各種の操作等を行うための操作入力部32、表示部33を備えている。操作入力部32はキーボード(又はマウス)であり、表示部33はディスプレイである。
図6は、この粒子画像分析装置における画像処理系を示すブロック図であり、粒子画像撮像装置11からの粒子画像データは、画像処理装置(パーソナルコンピュータ)31で処理され、表示装置としてのディスプレイ33(表示部)に表示される。画像処理装置31は、CPU34、記憶部35、信号処理回路36を備えている。記憶部35はRAM、ROM、ハードディスク等を備えており、下記の画像処理を実行する分析プログラムが格納されている。
1/60秒ごとの粒子画像データに対する画像処理の手順を図7に示す。図7において、画像処理装置31はステップS1〜S12の処理を実行する。
第1CCD6または第2CCD7からの粒子画像信号は、画像処理装置31の信号処理回路36によりA/D変換され、粒子画像データとして取り込まれる(ステップS1)。まず取り込まれた画像データに対して、懸濁液流に対する照射光の強度むら(シェーディング)を補正するためのバックグランド補正が行われる(ステップS2)。
具体的には、粒子がフローセル18を通過していない時に光照射して得られる画像データを、測定前にあらかじめ取り込んでおき、その画像データと実際の粒子撮像画面の画像データとを比較演算する。次に、粒子像の輪郭を的確に抽出するための前処理として輪郭強調処理を行う(ステップS3)。具体的には、一般的によく知られたラプラシアン強調処理を行う。
次に、画像データをある適当なスレシホールドレベルで2値化する(ステップS4)。次に、2値化された粒子像に対してエッジ点かどうかを判定するとともに、着目しているエッジ点に対して隣合うエッジ点がどの方向にあるかの情報、すなわちチェインコードを生成する(ステップS5)。次に、このチェインコードを参照しながら粒子像のエッジトレースを行い、各粒子像の総画素数、総エッジ数、斜めエッジ数を求める(ステップS6)。
高性能のパイプライン処理可能な画像処理装置を使用すれば、以上の画像処理を、1/60秒ごとに撮像される画面に対してリアルタイムに処理することができる。また、撮像されたフレームから粒子像の切り出しを行い、切り出した粒子像を画像処理装置31の記憶部35の画像メモリに格納する(ステップS7)。
撮像が終了すると(ステップS8)、次のようにして、円相当径(粒度)および円形度等の粒子の特徴パラメータの算出を行う(ステップS9)。まず、各粒子像に対して求められた総画素数、総エッジ数、斜めエッジ数から、下記の式によって各粒子像の投影面積Sと周囲長Lを求める。
図8に示すように、2値画像の周囲のエッジの中心を結んでできる枠内の面積Sおよび枠の長さ(周期長L)は、1画素当たりの面積を1とした場合、下記式(1)および(2)で表される。
Figure 0004490061
次に、上記面積Sと周囲長Lを用いて円相当径と円形度とを求める。円形当径とは、粒子像の投影面積と同じ面積を持つ円の直径のことであり、式(3)で表される。円形度は、式(4)で定義される値であり、粒子像が円形の時に円形度は1になり、粒子像の外周の凹凸の程度が大きくなればなるほど円形度は小さい値になる。
Figure 0004490061
このようにして、各粒子像に対して円相当径(粒度)および円形度が算出されると、次に、キーボード32からの指令に基づいて、必要なスキャッタグラムやヒストグラムを作成してディスプレイ33に表示する(ステップS10)。
そして、表示したスキャッタグラムやヒストグラムについて、解析項目や解析領域がキーボード32から指定されると、その項目や領域について解析を行い、つまり、平均値、標準偏差、変動係数、メジアン値、モード値、10%累積値、50%累積値、90%累積値等の解析データを算出し、算出結果を表示する(ステップS11,S12)。
図9は粒子画像撮像装置の測定部の第2実施形態の構成を示す図である。また、図10は図9の粒子懸濁液吐出ノズル並びに光学セルの部分の詳細図である。なお、図9においては、第1CCD63を駆動する第1CCD駆動回路および第2CCD64を駆動する第2CCD駆動回路については、図1の第1CCD駆動回路8および第2CCD駆動回路9と同様であるので図示を省略している。
測定部40は、波長660nmの赤色半導体レーザー光源を備えた第1光源ユニット41、円錐状外面反射ミラー42、円錐状内面反射ミラー43、リング状ミラー44、円錐状内面反射ミラー45、光学セル46、対物レンズ49、ダイクロイックミラー50、レンズ51、ミラー52、ピンホールプレート53、コリメートレンズ54、バンドパスフィルタ55、光検出素子(フォトマルチプライアチューブ)56、撮像制御部57、波長870nmのパルス半導体レーザー光源を備えた第2光源ユニット58、ハーフミラー59、結像レンズ60、ハーフミラー61、ミラー62、第1CCD63および第2CCD64を備えている。
まず、第1光源ユニット41から波長660nmのレーザー光が出射されると、そのレーザー光は円錐状外面反射ミラー42と円錐状内面反射ミラー43により輪帯光に変換される。この輪帯光はリング状ミラー44により円錐状内面反射ミラー45に導かれ図10の検出領域48に収斂される。図10において、光学セル46内のノズル47から吐出された粒子懸濁液中の粒子が検出領域48に至ると波長660nmの輪帯光によって限外照明される。限外照明によって生じた粒子からの散乱光(波長660nm)は、対物レンズ49を介してダイクロイックミラー50により反射され、レンズ51、ミラー52、ピンホールプレート53、コリメートレンズ54およびバンドパスフィルタ55を介して光検出素子(フォトマルチプライアチューブ)56へ入射する。これによって光検出素子56は検出領域48からの散乱光の強度を測定する。検出領域48における散乱光が光検出素子56によって検出されると、撮像制御部57はその散乱光強度が所定範囲にある場合は撮像対象粒子であると判定し、第2光源ユニット58のパルス半導体レーザー光源(波長870nm)をパルス発光させる。波長870nmのパルス半導体レーザー光はハーフミラー59により反射される。ハーフミラー59により反射された光はダイクロイックミラー50を透過し、対物レンズ49により検出領域48に収斂される。なお、ダイクロイックミラー50は波長870nmの光を透過し、波長660nmの光を反射させるものを用いている。
照明された粒子からの散乱光は、対物レンズ49、ダイクロイックミラー50、ハーフミラー59、結像レンズ60、ハーフミラー61を経て第1CCD63に入射する。またハーフミラー61で反射された光はミラー62を介して第2CCD64に入射する。このような測定部40によれば、撮像領域に移動してきた粒子を検出して撮像することができるため粒子を効率良く撮像することが可能となる。また、図10に示すように検出領域48と撮像領域がほぼ一致するように設定しているが、撮像領域を検出領域48に対して図10中左側(ノズル47からの溶媒の吐出方向下流側)に設定するようにしてもよい。
また、第2光源ユニット58として、図11および図12に示される構成の輪帯光照射用光源ユニットを用いることが好ましい。図11は輪帯光照射用光源ユニットの構成を示す断面図、図12は図11のA−A断面図である。
図11および図12において、円筒状の本体71の中心軸に同軸に設けられた貫通孔の中にマルチモード光ファイバー72が挿入されている。マルチモード光ファイバー72はコア73およびクラッド74を有している。
さらに、本体71には本体71の中心軸を中心とする円周上に、本体71の中心軸に同軸に設けられた貫通孔に平行な6つの貫通孔が設けられ、それらの端部にそれぞれレーザー光源76a、76b、76c、76d、76e、76fとコリメートレンズ77a、77b、77c、77d、77e、77fが設けられている(図12参照)。また、これらの貫通穴の内部にはそれぞれ、光源駆動用回路基板75a、75b、75c、75d、75e、75f(但し、75b、75c、75e、75fは図示しない)が設けられている。
また、本体1の中心軸に同軸に設けられた貫通孔には光出射側に3枚のコリメートレンズ79a、79b、79cが設けられている。そして、凹面ミラー78が図11における本体71の左端面に設けられている。ここで、マルチモード光ファイバー72は、その光軸が凹面ミラー78の光軸に一致し、かつ、その受光口が凹面ミラー78の焦点に位置するように配置される。
マルチモード光ファイバー72としては、コア径800μmのマルチモード光ファイバーを用いている。また、レーザー光源76a〜76fには波長870nmのパルス半導体レーザーを使用している。
このような構成において、各レーザー光源76a〜76fから出射した複数の光束は各コリメートレンズ77a〜77fによってそれぞれ凹面ミラー78の光軸に平行な平行光に変換される。この平行光は凹面ミラー78によって集光されてマルチモード光ファイバー72の受光口にそれぞれ所定の同じ入射角で且つ異なる方向から入射する。ここで、各レーザー光源76a〜76fからマルチモード光ファイバー72までの各光路長は互いに同じであるので、光束は全て同じスポット径で受光口に入射される。
マルチモード光ファイバー72は入射した複数の光束を混合し、コヒーレンスを低下させると共に光強度分布を平滑化して出射口から発散輪帯光束を3枚のコリメートレンズ79a、79b、79cへ出射する。コリメートレンズ79a〜79cはマルチモード光ファイバー72からの発散輪帯光束を一つの光軸を有する平行輪帯光に変換する。
なお、良好な輪帯光形成の観点から、複数のレーザー光源はマルチモード光ファイバーの光軸を中心とする同心円周上に、それぞれ隣接するレーザー光源の間隔が等間隔となるように配置される。また、輪帯光形成用の光源、即ち輪帯光の波長光を出射するレーザー光源を好ましくは4〜8個、より好ましくは5〜8個配置することが望ましい。
このような構成によって、所定波長の光束を出射する複数のレーザー光源を用いて、マルチモード光ファイバーによってコヒーレンスが低下した輪帯光を効率良く得ることができる。即ち、輪帯光によって撮像する粒子を照明すると、粒子に対して角度を持って入射する光束のみを使用するので光学分解能が高くなる。また、コヒーレンスの低下したレーザー光を用いることにより、検出S/N比を向上させることができる。
本実施形態の撮像装置の構成を示す図である。 第1CCDおよび第2CCDのフィールド信号を示す図である。 本実施形態の撮像装置を用いた粒子画像撮像装置の構成を示す図である。 粒子画像撮像装置の制御ブロック図である。 粒子画像撮像装置を用いた粒子画像分析装置を示す図である。 粒子画像分析装置の制御ブロック図である。 粒子画像分析装置による分析制御の流れを示す図である。 粒子像の面積Sと周囲長Lを算出する説明のための図である。 粒子画像撮像装置の測定部の第2の実施形態を示す図である。 測定部の光学セルを示す図である。 輪帯光照射用光源ユニットの構成を示す図である。 図11のA−A断面図である。
符号の説明
1:画像撮像装置、2:光学系、3:対物レンズ、4:ハーフミラー、5:ミラー、6:第1のCCD、7:第2のCCD、8:第1のCCD駆動回路、9:第2のCCD駆動回路、10:基準水晶発信器。

Claims (6)

  1. 2次元撮像素子を用いて粒子懸濁液流中の粒子を撮像し、撮像された粒子画像に基づいて粒子を分析する粒子画像分析装置であって、
    粒子懸濁液の流れを形成するフローセルと、
    所定の時間間隔毎に発光し、粒子懸濁液流に対して光を照射する光源と、
    ODDフィールド期間およびEVENフィールド期間を順次繰り返す第1のフィールド信号に基づいて駆動される第1の2次元撮像素子(第1撮像素子)と、
    第1のフィールド信号との位相差がπである第2のフィールド信号に基づいて駆動される第2の2次元撮像素子(第2撮像素子)と、
    第1および第2撮像素子に前記粒子懸濁液流の同一の光学像を結像させるための光学系と、
    1及び第2撮像素子のうちODDフィールド期間にある撮像素子に前記光学系からの露光を選択的に行う露光制御手段と、
    第1および第2撮像素子のうち露光制御手段によって選択的に露光された撮像素子により撮像された粒子画像に基づいて粒子を分析する分析手段と、を備えたことを特徴とする粒子画像分析装置。
  2. 前記露光制御手段が、第1撮像素子がODDフィールド期間にある場合に前記光学系からの露光を行う第1のシャッター手段と、第2撮像素子がODDフィールド期間にある場合に前記光学系からの露光を行う第2のシャッター手段とからなることを特徴とする請求項記載の粒子画像分析装置。
  3. 前記第1および第2シャッター手段が電子シャッターであることを特徴とする請求項記載の粒子画像分析装置。
  4. 前記分析手段が、粒子画像に基づいて粒子の特徴パラメータを算出することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の粒子画像分析装置
  5. 前記粒子の特徴パラメータが、粒子の円相当径および円形度であることを特徴とする請求項4に記載の粒子画像分析装置
  6. 前記分析手段が、粒子の特徴パラメータのヒストグラムまたはスキャッタグラムを作成することを特徴とする請求項4または請求項5に記載の粒子画像分析装置
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