JP4607656B2 - 細胞操作シミュレータ、シミュレーション方法及びプログラム - Google Patents

Description

マイクロマニピュレータを用いて、核抽出や核移植などの細胞操作を摸擬体験できる細胞操作シミュレータ、シミュレーション方法及びプログラムに関するものである。

従来では、顕微鏡下のマイクロマニピュレータによる細胞操作は生物学者などの専門家のみにより行われることが多く、それ以外の者は、専門家の実演や録画を見ることでしか、その細胞操作の実態を知ることができなかった。しかし、かかる実演や録画を見るだけで細胞操作を習得することは困難であり、専門家以外の者が安全かつ手軽に細胞操作を摸擬体験できる細胞操作シミュレータの開発が望まれていた。

この細胞操作シミュレータに関連する技術として、例えば医用シミュレータシステムが公知である（特許文献１参照）。ここでは、例えば眼球手術などの医療行為を対象に、摸擬用具としての「メス」を動かすなどの動作を計測信号として制御機構に取り込む。

この制御機構は、オペレータ操作の対象である「眼球」の状態変化情報（例えば「結膜切開では出血を伴う。」、「結膜では１ｍｌ／ｓの出血を伴う。」、「電気コテで止血可能。」等）を予め記憶しており、前記取り込んだ信号に基づいて図形幾何学を応用した「眼球」と「メス」との接触検知を行い、その接触検知時に前記状態変化情報に基づく「眼球」の変化（例えば「結膜切開では出血を伴う。」、「結膜では１ｍｌ／ｓの出血を伴う。」、「電気コテで止血可能。」等）を画面表示等するようになっている。
特開平１１−２１９１００号公報

しかしながら、特許文献１記載のシステムでは、摸擬用具としての「メス」とオペレータ動作の対象である「眼球」との図形幾何学上の接触検知と、それに伴う対象の状態変化（例えば眼球の切開など）に適用範囲が限られている。

すなわち、特許文献１記載のシステムでは、オペレータ動作の対象（すなわち「眼球」）のモデルはもっていても、それが置かれている環境（例えば眼球周囲の機構）、及び内部構造（眼球内の血管位置や状態など）のモデルを有していないので、例えば切開時における眼球の変形（例えば円形から特殊形状に変形する。）や移動（例えば並進や回転をする。）などは摸擬できず、シミュレータとしての精度は低い。

このため、特許文献１記載のシステムを、マイクロマニピュレータとの接触等により容易に移動又は変形するような細胞操作のシミュレーションに適用することはできなかった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、専門家以外の者が安全かつ手軽に細胞操作を摸擬体験できる細胞操作シミュレータ、シミュレーション方法及びプログラムを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、マイクロマニピュレータ及びその操作手段を備え、前記マイクロマニピュレータの操作対象である細胞モデルを前記操作手段により操作されるマイクロマニピュレータによって操作可能な細胞操作シミュレータであって、細胞モデルが置かれた環境に関する環境情報及び該細胞モデルの内部構造に関する内部情報を含む、前記細胞モデルのモデル情報を記憶する記憶部と、操作手段の操作に応じてマイクロマニピュレータの変位を制御する制御手段と、制御手段により制御されたマイクロマニピュレータの変位を検知する検知手段と、検知手段により検知されたマイクロマニピュレータの変位と記憶部に記憶された細胞モデルのモデル情報とに基づいて、細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値を演算する演算手段と、演算手段により演算されたパラメータ値に基づく細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態を、検出手段により検知されたマイクロマニピュレータの変位と対応付けて表示する表示手段とを備え、細胞モデルの内部構造は、仮想の細胞本体と仮想の核状体とを含み、マイクロマニピュレータは、顕微鏡に装着されそれぞれ独立に微小移動可能な吸引ピペット及び注入ピペットと、吸引ピペットに仮想の細胞本体を仮想的に吸引して固定するときに、所定の吸引力を前記吸引ピペットに付与する吸引力等付与手段と、仮想の細胞本体に対して仮想の核状体を仮想的に注入又は排出するときに、所定の注入力又は排出力を前記注入ピペットに付与する注入力等付与手段とを備え、演算手段は、仮想の細胞本体の仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値を演算するにあたって、注入ピペット又は吸引ピペットの先端位置が、前記細胞本体の仮想的な存在範囲と重なる競合状態にあるかどうかを判断する競合判断手段と、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に移動させることにより競合状態を解消する移動手段と、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に変形させることにより競合状態を解消する変形手段と、前記移動手段と前記変形手段とのいずれを適用するかを競合状態に応じて選択する選択手段とを備えたことを特徴とするものである。

請求項２記載の発明のように、細胞モデルの置かれた環境は、該細胞モデルに含まれる仮想の細胞本体の仮想的な移動又は変形を許容する仮想の３次元空間から構成されていることが好ましい。

請求項３記載の発明のように、マイクロマニピュレータは、注入ピペットの先端部に設けられ、該注入ピペットを仮想の細胞本体内に仮想的に挿入するときに、所定の挿入力を前記注入ピペットに付与する挿入力付与手段と、第２の操作手段とを備え、制御手段は、第２の操作手段の操作に応じて挿入力付与手段の動作を制御するものであることが好ましい。

請求項４記載の発明のように、表示手段は、仮想の細胞本体の仮想的な移動の画像、前記細胞本体の吸引ピペットへの仮想的な吸引、解放又はその際の変形の画像、前記細胞本体への注入ピペットの仮想的な挿入又はその際の変形の画像、注入ピペット先端への前記細胞本体内の仮想の核状体の仮想的な吸引又は前記核状体の前記細胞本体外での仮想的な排出の画像、及び、注入ピペット又は吸引ピペットの不適性操作時における前記細胞本体の仮想的な破損の画像の少なくとも１つの画像を表示可能であることが好ましい。

請求項５記載の発明のように、細胞モデルの内部構造は、仮想の細胞本体を覆う細胞膜をさらに覆うような仮想の透明体をも含んでおり、記憶部は、前記透明体と前記細胞本体と前記核状体とについて各々独立した要素とする描画データを記憶するとともに、前記透明体と前記細胞本体との相対的な位置及び角度の情報、又は、前記細胞本体と前記核状体との相対的な位置及び角度の情報を更新可能に記憶するものであり、表示手段は、一要素の仮想的な移動に他要素を連動させて、それらの位置及び角度の情報に応じて描画データを更新することにより、各々の要素を重畳的に表示可能であることが好ましい。

請求項６記載の発明のように、表示手段は、注入ピペットの仮想の細胞本体への挿入時に、仮想の透明体及びこの透明体に覆われた仮想の細胞膜の各々において、円形形状から楕円形状への変形、さらに楕円形状から陥入形状への変形を順に表示可能であることが好ましい。

請求項７記載の発明のように、表示手段は、仮想の核状体の描画位置を更新するとともに、仮想の細胞本体の仮想的な移動により前記描画位置を更新し、注入ピペットにより前記核状体を仮想的に吸引する際に、注入ピペットの先端位置と前記核状体の当該時点における仮想的な位置とが所定距離内にある場合のみ注入ピペットによる前記核状体の仮想的な吸引状態を表示するものであることが好ましい。

請求項８記載の発明のように、細胞モデルの描画における時間間隔として、操作手段の操作信号を取り込む第１の周期と、細胞モデルの仮想的な移動に伴う該細胞モデルの描画更新を行う第２の周期とを有し、表示手段は、第２の周期を第１の周期よりも短く設定して、操作手段の操作による吸引ピペット及び注入ピペットと細胞モデルとの競合状態を解消するための該細胞モデルの仮想的な移動又は変形を含む描画更新を複数シーンに分割して表示するものであることが好ましい。

請求項９記載の発明のように、表示手段は、顕微鏡の接眼部に設けられて、マイクロマニピュレータの変位と対応付けられた細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態を表示するものであることが好ましい。

請求項１０記載の発明は、マイクロマニピュレータ及びその操作手段を備え、前記マイクロマニピュレータの操作対象である細胞モデルを前記操作手段により操作されるマイクロマニピュレータによって操作可能な細胞操作シミュレータにおけるシミュレーション方法であって、細胞モデルが置かれた環境に関する環境情報及び該細胞モデルの内部構造に関する内部情報を含む、前記細胞モデルのモデル情報を記憶部に記憶する第１工程と、操作手段の操作に応じてマイクロマニピュレータの変位を制御する第２工程と、第２工程で制御されたマイクロマニピュレータの変位を検知する第３工程と、第３工程で検知されたマイクロマニピュレータの変位と記憶部に記憶された細胞モデルのモデル情報とに基づいて、細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値を演算する第４工程と、第４工程で演算されたパラメータ値に基づく細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態を、第３工程で検知されたマイクロマニピュレータの変位と対応付けて表示する第５工程とを含み、細胞モデルの内部構造は、仮想の細胞本体と仮想の核状体とを含み、マイクロマニピュレータは、顕微鏡に装着されそれぞれ独立に微小移動可能な吸引ピペット及び注入ピペットと、吸引ピペットに仮想の細胞本体を仮想的に吸引して固定するときに、所定の吸引力を前記吸引ピペットに付与する吸引力等付与手段と、仮想の細胞本体に対して仮想の核状体を仮想的に注入又は排出するときに、所定の注入力又は排出力を前記注入ピペットに付与する注入力等付与手段とを備え、第４工程では、仮想の細胞本体の仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値を演算するにあたって、注入ピペット又は吸引ピペットの先端位置が、前記細胞本体の仮想的な存在範囲と重なる競合状態にあるかどうかを判断し、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に移動させることにより競合状態を解消するか、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に変形させることにより競合状態を解消するかを競合状態に応じて選択することを特徴とするものである。

請求項１１記載の発明は、マイクロマニピュレータ及びその操作手段を備え、コンピュータ管理下で、前記マイクロマニピュレータの操作対象である細胞モデルを前記操作手段により操作されるマイクロマニピュレータによって操作可能な細胞操作シミュレータに用いられるシミュレーションプログラムであって、前記コンピュータを、細胞モデルが置かれた環境に関する環境情報及び該細胞モデルの内部構造に関する内部情報を含む、前記細胞モデルのモデル情報を記憶部に記憶する記憶手段と、操作手段の操作に応じてマイクロマニピュレータの変位を制御する制御手段と、制御手段により制御されたマイクロマニピュレータの変位を検知する検知手段と、検知手段により検知されたマイクロマニピュレータの変位と記憶部に記憶された細胞モデルのモデル情報とに基づいて、細胞モデルの仮想的な移動又は変形のパラメータ値を演算する演算手段と、演算手段により演算されたパラメータ値に基づく細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態を、検出手段により検知されたマイクロマニピュレータの変位と対応付けて表示する表示手段として機能させ、細胞モデルの内部構造は、仮想の細胞本体と仮想の核状体とを含み、マイクロマニピュレータは、顕微鏡に装着されそれぞれ独立に微小移動可能な吸引ピペット及び注入ピペットと、吸引ピペットに仮想の細胞本体を仮想的に吸引して固定するときに、所定の吸引力を前記吸引ピペットに付与する吸引力等付与手段と、仮想の細胞本体に対して仮想の核状体を仮想的に注入又は排出するときに、所定の注入力又は排出力を前記注入ピペットに付与する注入力等付与手段とを備え、演算手段は、仮想の細胞本体の仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値を演算するにあたって、注入ピペット又は吸引ピペットの先端位置が、前記細胞本体の仮想的な存在範囲と重なる競合状態にあるかどうかを判断する競合判断手段と、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に移動させることにより競合状態を解消する移動手段と、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に変形させることにより競合状態を解消する変形手段と、前記移動手段と前記変形手段とのいずれを適用するかを競合状態に応じて選択する選択手段とを備えたものとして機能することを特徴とするものである。

請求項１，１０，１１記載の発明によれば、細胞モデルが置かれた環境に関する環境情報及び該細胞モデルの内部構造に関する内部情報の少なくとも一方を含む、前記細胞モデルのモデル情報が記憶部に記憶され、操作手段の操作に応じてマイクロマニピュレータの変位が制御され、この制御されたマイクロマニピュレータの変位が検知され、この検知されたマイクロマニピュレータの変位と記憶部に記憶された細胞モデルのモデル情報とに基づいて、細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値が演算され、この演算されたパラメータ値に基づく細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態が、前記検知されたマイクロマニピュレータの変位と対応付けて表示されるので、マイクロマニピュレータとの接触等により容易に移動又は変形するような細胞の操作が容易となる。

すなわち、本発明では、細胞モデルのモデル情報として、本体（細胞）のみならず、細胞の置かれている環境に関する環境情報及び細胞の内部構造に関する内部情報の少なくとも一方が記憶部に記憶されており、前記検知されたマイクロマニピュレータの変位と前記記憶部に記憶された細胞モデルのモデル情報とに基づいて、細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値が演算される。

したがって、この演算されたパラメータ値から、操作による細胞自体の状態変化のみならず、環境中における状態変化又は細胞内部の状態変化をも考慮してこそ得られる細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態が、前記検知されたマイクロマニピュレータの変位と対応付けて表示され、高精度なシミュレーションを実現することができる。その結果、専門家以外の者であっても、安全かつ手軽に細胞操作を擬似体験できるようになる。

また、本発明によれば、細胞モデルの内部構造は、仮想の細胞本体と仮想の核状体とを含んでいるので、あたかも細胞本体と核とを含む実際の細胞操作を行っているかのような操作が可能となり、より高精度なシミュレーションを実現することができる。

さらに、本発明によれば、マイクロマニピュレータは、顕微鏡に装着されそれぞれ独立に微小移動可能な吸引ピペット及び注入ピペットと、吸引ピペットに仮想の細胞本体を仮想的に吸引して固定するときに、所定の吸引力を前記吸引ピペットに付与する吸引力等付与手段と、仮想の細胞本体に対して仮想の核状体を仮想的に注入又は排出するときに、所定の注入力又は排出力を前記注入ピペットに付与する注入力等付与手段とを備えているので、顕微鏡ステージ上で吸引ピペット及び注入ピペットを用いて行う実際の細胞操作に近い、高精度なシミュレーションを実現することができる。

そして、本発明によれば、演算手段は、仮想の細胞本体の仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値を演算するにあたって、注入ピペット又は吸引ピペットの先端位置が、前記細胞本体の仮想的な存在範囲と重なる競合状態にあるかどうかを判断する競合判断手段と、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に移動させることにより競合状態を解消する移動手段と、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に変形させることにより競合状態を解消する変形手段と、前記移動手段と前記変形手段とのいずれを適用するかを競合状態に応じて選択する選択手段とを備えているので、両ピペットとの接触等によって容易に移動又は変形する通常の細胞操作に近い操作が可能となり、より高精度なシミュレーションを実現することができる。

請求項２記載の発明によれば、細胞モデルの置かれた環境は、該細胞モデルに含まれる仮想の細胞本体の仮想的な移動又は変形を許容する仮想の３次元空間から構成されているので、あたかも３次元空間における実際の細胞操作を行っているかのような操作が可能となり、より高精度なシミュレーションを実現することができる。

請求項３記載の発明によれば、マイクロマニピュレータは、注入ピペットの先端部に設けられ、該注入ピペットを仮想の細胞本体内に仮想的に挿入するときに、所定の挿入力を前記注入ピペットに付与する挿入力付与手段と、第２の操作手段とを備え、制御手段は、第２の操作手段の操作に応じて挿入力付与手段の動作を制御するものであるので、顕微鏡ステージ上で細胞内に注入ピペットを注入する実際の細胞操作に近い、より高精度なシミュレーションを実現することができる。

請求項４記載の発明によれば、表示手段は、仮想の細胞本体の仮想的な移動の画像、前記細胞本体の吸引ピペットへの仮想的な吸引、解放又はその際の変形の画像、前記細胞本体への注入ピペットの仮想的な挿入又はその際の変形の画像、注入ピペット先端への前記細胞本体内の仮想の核状体の仮想的な吸引又は前記核状体の前記細胞外での仮想的な排出の画像、及び、注入ピペット又は吸引ピペットの不適性操作時における前記細胞本体の仮想的な破損の画像の少なくとも１つの画像を表示可能であるので、あたかも実際の細胞操作を行っているような画像が得られ、より高精度なシミュレーションを実現することができる。

請求項５記載の発明によれば、細胞モデルは、仮想の細胞本体を覆う細胞膜をさらに覆うような仮想の透明体をも含んでおり、記憶部は、前記透明体と前記細胞本体と前記核状体とについて各々独立した要素とする描画データを記憶するとともに、前記透明体と前記細胞本体との相対的な位置及び角度の情報、又は、前記細胞本体と前記核状体との相対的な位置及び角度の情報を更新可能に記憶するものであり、表示手段は、一要素の仮想的な移動に他要素を連動させて、それらの位置及び角度の情報に応じて描画データを更新することにより、各々の要素を重畳的に表示可能であるので、透明体で覆われた細胞についての実際の細胞操作に近い、より高精度なシミュレーションを実現することができる。

請求項６記載の発明によれば、表示手段は、注入ピペットの仮想の細胞本体への挿入時に、仮想の透明体及びこの透明体に覆われた仮想の細胞膜の各々において、円形形状から楕円形状への変形、さらに楕円形状から陥入形状への変形を順に表示可能であるので、透明体で覆われた細胞本体についての実際の細胞操作に近い画像が得られ、より高精度なシミュレーションを実現することができる。

請求項７記載の発明によれば、表示手段は、仮想の核状体の描画位置を更新するとともに、仮想の細胞本体の仮想的な移動により前記描画位置を更新し、注入ピペットにより前記核状体を仮想的に吸引する際に、注入ピペットの先端位置と前記核状体の当該時点における仮想的な位置とが所定距離内にある場合のみ注入ピペットによる前記核状体の仮想的な吸引状態を表示するものであるので、核状体についても実際の細胞操作に近い画像が得られ、より高精度なシミュレーションを実現することができる。

請求項８記載の発明によれば、細胞モデルの描画における時間間隔として、操作手段の操作信号を取り込む第１の周期と、細胞モデルの仮想的な移動に伴う該細胞モデルの描画更新を行う第２の周期とを有し、表示手段は、第２の周期を第１の周期よりも短く設定して、操作手段の操作による吸引ピペット及び注入ピペットと細胞モデルとの競合状態を解消するための該細胞モデルの仮想的な移動又は変形を含む描画更新を複数シーンに分割して表示するものであるので、細胞モデルの仮想的な移動又は変形が滑らかに表示されるようになり、より高精度なシミュレーションを実現することができる。

請求項９記載の発明によれば、表示手段は、顕微鏡の接眼部に設けられて、マイクロマニピュレータの変位と対応付けられた細胞モデルの仮想的な移動又は変形を表示するものであるので、あたかも顕微鏡のステージ上の操作を観測しているかのように見せて、ユーザに擬似体験をさせることが可能となる。

図１は本発明の一実施形態に係る細胞操作シミュレータの全体構成図、図２はマイクロマニピュレータの構成図である。また、図３は変位センサからコントローラへの電気信号の流れを示すブロック図、図４はマイクロマニピュレータの操作タイミングとＣＲＴの描画タイミングとを示す説明図、図５はコントローラの機能ブロック図、図６及び図７は干渉計算等の説明図、図８及び図９はインジェクションピペット挿入時と引抜時の細胞の変形状態をそれぞれ示す説明図である。

このシミュレータ１は、図１に示すように、主として、顕微鏡２と、マイクロマニピュレータ３と、フットペダル（第２の操作手段）４と、電源５と、端子台６と、ＡＤ変換ボード７と、デジタルＩＯボード８と、ＣＲＴ９と、キーボード９ａと、コンロトーラ（コンピュータ）１０とから構成されている。なお、顕微鏡２としては、生物顕微鏡として通常用いられる倒立型の顕微鏡が好適であるが、正立型の顕微鏡であってもよい。

マイクロマニピュレータ３は、さらに図２に示すように、前記顕微鏡２に向かってその左側に装着されるホールディングピペット（吸引ピペット）３０１と、その右側に装着されるインジェクションピペット（注入ピペット）３０２と、左右の３次元駆動アクチュエータ３０３，３０４と、左右のジョイスティック（操作手段）３０５，３０６と、左右のインジェクタ（吸引力等付与手段、注入力等付与手段）３０７，３０８と、左右のダイアル３０９，３１０と、変位センサ（検知手段）３１１，３１２，３１３，３１４，３１５，３１６，３１７，３１８と、圧電素子（挿入力付与手段）３１９とから構成されている。

なお、１１は細胞モデルを構成する仮想の細胞（細胞本体）、１２は細胞モデルを構成する仮想の核（核状体）である。すなわち、このシミュレータ１では、オペレータが顕微鏡２の左右に装備したホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２等を実際に操作して、仮想の細胞モデルを仮想的に操作するものである。したがって、実際の細胞を無駄にすることがなくなり、学術的、経済的なメリットがある。

ホールディングピペット３０１は、コントローラ１０の管理下で、左のジョイスティック３０５の操作により３次元空間におけるＸＹＺ軸方向に独立に微小移動するもので、例えばＸＹＺ軸方向の各油圧シリンダからなる３次元駆動アクチュエータ３０３で駆動される。

インジェクションピペット３０２は、コントローラ１０の管理下で、右のジョイスティック３０６の操作によりＸＹＺ軸方向に独立に微小移動するもので、例えばＸＹＺ軸方向の各油圧シリンダからなる３次元駆動アクチュエータ３０４で駆動される。

インジェクタ３０７は、ホールディングピペット３０１にチューブ３２０で接続されており、ダイアル３０９を一方向に回すことにより図示しない噴射バルブを閉じるとともに、図示しない吸引バルブを開いて（吸引バルブ信号ＯＮ）、インジェクタ３０７のシリンダ位置を軸方向の一方側に変位させることで、そのインジェクタ３０７内に負圧を発生させるものである。これにより、ホールディングピペット３０１に細胞１１を吸引して固定すると仮想したときに、その吸引時にホールディングピペット３０１に加えられるであろう力と同等の力を当該ピペット３０１に付与することができるようになっている。

また、このインジェクタ３０７は、ダイアル３０９を他方向に回すことにより図示しない噴射バルブを開くとともに（噴射バルブ信号ＯＮ）、図示しない吸引バルブを閉じて、インジェクタ３０７のシリンダ位置を軸方向の一方側に変位させることで、そのインジェクタ３０７内に正圧を発生させるものである。これにより、ホールディングピペット３０１に固定した細胞１１を開放すると仮想したときに、その開放時にホールディングピペット３０１に加えられるであろう力と同等の力を当該ピペット３０１に付与することができるようになっている。

ただし、実際の細胞は微細であるので、前記吸引時又は開放時にホールディングピペット３０１に加えられるであろう力は無視しうるほど小さいものとなる。したがって、現実的には、前記ダイアル３０９の操作ができさえすれば、この力と同等の力そのものは無視しても差し支えない。

インジェクタ３０８は、インジェクションピペット３０２にチューブ３２１で接続されており、ダイアル３１０を一方向に回すことにより図示しない噴射バルブを閉じるとともに、図示しない吸引バルブを開いて（吸引バルブ信号ＯＮ）、インジェクタ３０８のシリンダ位置を軸方向の一方側に変位させることで、そのインジェクタ３０８内に負圧を発生させるものである。これにより、インジェクションピペット３０２に核１２を吸引すると仮想したときに、その吸引時にインジェクションピペット３０２に加えられるであろう力と同等の力を付与することができるようになっている。

また、このインジェクタ３０８は、ダイアル３１０を他方向に回すことにより図示しない噴射バルブを開くとともに（噴射バルブ信号ＯＮ）、図示しない吸引バルブを閉じて、インジェクタ３０８のシリンダ位置を軸方向の他方側に変位させることで、そのインジェクタ３０７内に正圧を発生させるものである。これにより、インジェクションピペットから核１２を細胞１１内に仮想的に注入又は細胞１１外に排出すると仮想したときに、その注入又は排出時にインジェクションピペット３０２に加えられるであろう力と同等の力を付与することができるようになっている。

ただし、実際の細胞は微細であるので、前記注入又は排出時にインジェクションピペット３０２に加えられるであろう力は無視しうるほど小さいものとなる。したがって、現実的には、前記ダイアル３１０の操作ができさえすれば、この力と同等の力そのものは無視することとしても差し支えない。

変位センサ３１１〜３１８は、３次元駆動アクチュエータ３０３，３０４の可動部に取り付けられた接触式のセンサ（例えば圧電効果を利用したピエゾ素子）であって、左右のジョイスティック３０５，３０６によるホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２のＸＹＺ軸方向の各移動量をそれぞれ電圧信号Ｓ１に変換するためのものである。

変位センサ３１７，３１８は、左右のダイアル３０９，３１０の可動部に取り付けられた接触式のセンサ（例えば圧電効果を利用したピエゾ素子）であって、両ダイアル３０９，３１０によるインジェクタ３０７，３０８の各シリンダ位置の軸方向における変位をそれぞれ電圧信号Ｓ２に変換するためのものである。

圧電素子３１９は、マイクロアクチュエータ（例えば圧電逆効果を利用したピエゾ素子）であって、フットペダル４の踏み動作に対応したオン信号（ピエゾ信号ＯＮ）Ｓ３を発生するものである。これにより、インジェクションピペット３０２の先端部を駆動して細胞１１内に仮想的に挿入して仮想の細胞膜等を破ると仮想したときに、その挿入時にインジェクションピペット３０２に加えられるであろう力と同等の力を付与することができるようになっている。ただし、実際の細胞は微細であるので、前記挿入時にインジェクションピペットピペット３０２に加えられるであろう力は無視しうるほど小さいものとなる。したがって、現実的には、前記フットペダル４の踏み動作ができさえすれば、この力と同等の力そのものは無視しても差し支えない。

変位センサ３１１〜３１３，３１７からコントローラ１０への電気信号の流れは図３に示す通りである。すなわち、図２及び図３において、ジョイスティック３０５の操作に伴うピペット位置の変位（ＸＹＺ軸方向）が３個の変位センサ３１１〜３１３によりそれぞれ検知されて電圧信号Ｓ１が発せられ、インジェクタ３０７の操作に伴うシリンダ位置の変位（一軸方向）が１個の変位センサ３１７により検知されて電圧信号Ｓ２が発せられる。なお、図示はしていないが、ジョイスティック３０６の操作と、インジェクタ３０８の操作とについても同様である。したがって、左右各４チャンネルの電圧信号Ｓ１，Ｓ２がＡＤ変換ボード６を介してコントローラ１０に取り込まれることになる。また、フットペダル４からのオン信号Ｓ３がデジタルＩＯボード８を介してコントローラ１０に別途取り込まれるようになっている。

コントローラ１０は、並行処理が可能な例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）であって、変位センサ３１１〜３１８からの電圧信号Ｓ１，Ｓ２をＡＤ変換ボード７経由で取り込む（操作）とともに、フットペダル４からのオン信号Ｓ３をデジタルＩＯボード８経由で取り込み（操作）、これらの電圧信号Ｓ１，Ｓ２及びオン信号Ｓ３からホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２の各位置を決定して両ピペット３０１，３０２の画像を生成（描画）し、また上記電圧信号Ｓ１，Ｓ２及びオン信号Ｓ３と、保持する内部状態とに従って細胞１１の位置、変形を含む細胞画像を生成（描画）するものである。例えば図４に示すように、上記描画の更新周期（第２の周期）を、上記操作の更新周期（第１の周期）よりも短く設定することにより、移動過程をスムーズに見せることができる。

このコントローラ１０は、図５に示すように、主として記憶部（記憶手段を含む。）１０１、制御部（制御手段）１０２、第１の演算部１０３、第２の演算部１０４、第３の演算部１０５、第４の演算部（演算手段）１０６、第５の演算部（演算手段）１０６ａ、第１の判断部１０７、第２の判断部１０８、第３の判断部１０９、第４の判断部１１０、第５の判断部１１１、第６の判断部１１２及び映像化部（表示手段）１１３を備えてなっており、ＲＯＭ１１４、ＲＡＭ１１５、ＣＲＴ９、キーボード９ａが電気的に接続されている。

ＲＯＭ１１４は、各種プログラムや各種データを記憶しており、ＲＡＭ１１５は、データを一時的に記憶するものである。制御部１０２、第１〜第５の演算部１０３〜１０６ａ、第１〜第６の判断部１０７〜１１２及び映像化部１１３は、例えばＲＯＭ１１４に記憶されたシミュレーションプログラムを、シミュレーション時に図示しないＣＰＵに読み込んで実行されることにより構築される。

記憶部１０１は、細胞１１とホールディングピペット３０１又はインジェクションピペット３０２との力学的関係、細胞１１の置かれている環境（例えば細胞１１の移動や変形を許容する仮想の３次元空間）に関する環境情報と、細胞１１の内部構造（例えば透明体、細胞膜で覆われた細胞本体、核等）に関する内部情報を含む、細胞１１の各種情報（モデル情報）を記憶している。

制御部１０２は、ジョイスティック３０５，３０６の操作に応じて３次元駆動アクチュエータ３０３，３０４を駆動することにより、ホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２のＸＹＺ軸方向の変位を制御するものである。

第１の演算部１０３は、ジョイスティック３０５，３０６の操作に応じて出力される変位センサ３１１〜３１３からの電圧信号Ｓ１に基づいて、ホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２のそれぞれの位置を演算するものである。例えば変位センサ３１１等からのＸＹＺ軸方向の各電圧信号Ｓ１と両ピペット３０１，３０２の変位量との関係を示すテーブル等を前記記憶部１０１に記憶しておけば、変位センサ３１１等からの電圧信号Ｓ１をこのテーブルに代入することにより、両ピペット３０１，３０２の変位の量及び方向をそれぞれ演算できる。

第２の演算部１０４は、細胞位置パラメータを計算するものであって、例えば細胞１１の中心位置などを計算する。また、ホールディングピペット３０１による細胞１１の吸引固定時には、ホールディングピペット３０１の先端が細胞１１と接するようにその細胞１１の中心位置の修正処理を行う。

第３の演算部１０５は、細胞１１とホールディングピペット３０１又はインジェクションピペット３０１との干渉計算を行うものである。

第４の演算部１０６は、干渉回避計算を行うものである。ここでは、第３の演算部１０５による干渉計算結果、図６（ａ）（ｂ）に示すように、ホールディングピペット３０１とインジェクションピペット３０２との少なくとも一方の先端位置が細胞１１内にある場合は、「干渉状態」にあると判断され（競合判断手段）、両先端位置が細胞１１の外周上にくるように、細胞１１を移動させて干渉を回避する（移動手段）。そのため、細胞移動量計算では、図２に示した左右のジョイスティック３０５，３０６の操作によるホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２の各位置変化に基づいて、細胞１１の並行移動及び回転の各移動量と方向を計算する。

ところで、図６（ｂ）に示すような一点干渉の場合の移動量は小さいが、図６（ａ）示すような二点干渉の場合は移動量が大きい場合がある。このため、スムーズな移動描画を実現するように、二点干渉の場合には「干渉回避移動中」の状態フラグを設ける。その初期値は記憶部１０１に記憶しているものとする。

そして、第４の演算手段１０６は、図７（ｃ）の実線で示すような目標地点を計算し、映像化部１１３は、そこまでの細胞１１の移動を、決められたピクセル単位で行う。目標地点に達するまでは、「干渉回避移動中」の状態フラグが設定され、操作量は無視されるが（実際には操作量読み込み時間内に干渉回避移動を行う）、目標地点に達すると、「干渉回避移動完了」の状態フラグが設定される。

また、二点干渉時、二点を結ぶ線分が中心を通る場合、その軸に沿って、細胞１１は、図６（ｄ）に示すように、楕円変形することにより干渉回避を行う（変形手段）。ただし、変形は一定の範囲とし、それを超える場合は強制的に干渉回避移動させる。

すなわち、第４の演算手段１０６は、図６（ａ）〜（ｄ）に示す各競合状態に応じて、移動手段と変形手段のいずれか選択するようになっている（選択手段）。

第５の演算部１０６ａは、力学的方程式、変形モデル及び衝突モデルを用いて細胞移動量等の計算を行うものである。

上記干渉回避後、ホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２の各変化量（移動ベクトル）から、第５の演算部１０６ａは、細胞１１の移動量を計算する。

この細胞移動量計算では、第５の演算部１０６ａは、記憶部１０１に記憶しておいた細胞１１とホールディングピペット３０１又はインジェクションピペット３０２との力学的関係に基づいて、ピペット操作による細胞１１の並行移動、回転又は変形の量及び方向（細胞モデルの仮想的な移動の状態に関するパラメータ値）を計算する。力学方程式としては、図７に示すように、ホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２の力ｆを、細胞１１を回転させずにそのまま移動させる力ｆｐと回転させる力ｆｒとにわけて、それぞれで運動方程式をたてると、
−ｆｐ・ｃｏｓ（α）＝ｍ・ｄ^２ｘ／ｄｔ^２＋ｃｐ・ｄｘ／ｄｔ ・・・（１）
−ｆｐ・ｓｉｎ（α）＝ｍ・ｄ^２ｙ／ｄｔ^２＋ｃｐ・ｄｙ／ｄｔ ・・・（２）
ｆｒ・ｒ＝Ｉ・ｄ^２θ／ｄｔ^２＋ｃｒ・ｄθ／ｄｔ ・・・（３）
ここで、ｄｘ／ｄｔ，ｄ^２ｘ／ｄｔ^２はそれぞれＸ軸方向（図７の左右方向）の細胞１１の移動速度及び移動加速度、ｄｙ／ｄｔ，ｄ^２ｙ／ｄｔ^２はそれぞれＹ軸方向（図７の上下方向）の細胞１１の移動速度及び移動加速度、αはｆｐがＸ軸となす角度、ｍは細胞１１の質量、ｃｐは並行移動の粘性係数である。また、θ，ｄθ／ｄｔ，ｄ^２θ／ｄｔ^２はそれぞれ細胞１１の回転角度、回転角速度及び回転角加速度、ｒは細胞１１の半径、Ｉは慣性係数、ｃｒは回転の粘性係数である。

これらを簡単化すると、
ｘ１−ｘ０＝ｖｘ・Δｔ＋ｒ・ｃｏｓ（α）−ｒ・ｃｏｓ（α＋φ） ・・・（４）
ｙ１−ｙ０＝ｖｙ・Δｔ＋ｒ・ｓｉｎ（α）−ｒ・ｓｉｎ（α＋φ） ・・・（５）
θ１−θ０＝φ ・・・（６）
ここで、ｘ１はＸ軸方向の原点ｘ０からの移動量、ｙ１はＹ軸方向の原点ｙ０からの移動量、ｖｘはＸ軸方向の細胞１１の移動速度、ｖｙはＹ軸方向の細胞１１の移動速度、Δｔは移動時間である。

この第５の演算部１０６ａは、さらに前記力学的関係に基づいて、左右のジョイスティック３０５，３０６の操作による細胞１１へのインジェクションピペット３０２の挿入状況を計算し、関節角制約条件付きバネマスモデルを用いてその挿入時の細胞形状の変形度合いｑ（θ）を計算し、運動量保存則を用いて衝突時の細胞１１内での核１２の並行移動又は回転の移動量と方向とを計算する。

ｑ（θ）＝ｒ （−π＜θ≦−π／２） ・・・（７）
＝ｒ−ｓ・ｅｘｐ（−κ・│θ│） （−π／２＜θ≦π／２）・・・（８）
＝ｒ （π／２≦θ≦π） ・・・（９）
ここで、ｓ，κは定数である。

衝突モデルとして、Ａ，Ｂ２つの細胞の衝突をモデル化すると、
ｍ_Ａ・ｖ_Ａ１＋ｍ_Ｂ・ｖ_Ｂ１＝ｍ_Ａ・ｖ_Ａ２＋ｍ_Ｂ・ｖ_Ｂ２ ・・・（１０）
ｅ＝−｛（ｖ_Ａ２−ｖ_Ｂ２）・ｎ｝／｛（ｖ_Ａ１−ｖ_Ｂ１）・ｎ｝ ・・・（１１）
ここで、ｍ_Ａ，ｍ_Ｂはそれぞれの細胞の質量、ｖ_Ａ１，ｖ_Ｂ１は衝突前の速度ベクトル、ｖ_Ａ２，ｖ_Ｂ２は衝突後の速度ベクトル、ｅは反射係数、ｎは衝突時の法線ベクトルである。

ここで、第５の演算部１０６ａによるインジェクションピペット３０２の挿入時の細胞変形計算について説明する。インジェクションピペット３０２の細胞１１内への挿入は、ホールディングピペット３０１により細胞１１が吸引固定されている場合に限る。細胞１１の変形は、図８（ａ）〜（ｄ）に示す挿入時の変形（円→楕円→特殊ひずみ→円復帰）、図９（ａ）〜（ｄ）に示す引き抜き時の変形（円→楕円→特殊ひずみ→円復帰）の各状態を経る。ただし、引き抜き時の変形は小さく設定されているため、ほとんど変形の様子は見えない。

ここでは、楕円画像は、映像化部１１３により、元画像をＸ軸、Ｙ軸方向に伸縮させることで表現する。「特殊ひずみ」画像は、挿入、引き抜き時のインジェクションピペット３０２の先端周辺のみを伸縮させることで表現する。楕円、特殊ひずみともに、変形限界が定義してあり、それを超えると、挿入或いは引き抜き完了と判断され、細胞形状は円に戻る。

なお、変形にあたって、インジェクションピペット３０２の先端が細胞１１と接するように、細胞中心位置が修正される。インジェクションピペット３０２の先端を細胞１１の透明体に挿入する際、及び核移植で細胞１１内に挿入する際には、圧電素子３１９の操作（フットペダル４を踏む。）ことが必要である。それ以外は、挿入、引き抜きにつれ、細胞１１の形状は自動的に変化する。

第１の判断部１０７は、映像化部１１３からビデオ出力されたＣＲＴ９上の選択画面において、オペレータが核抽出と核移植のいずれを選択したのかを判断するものである。例えばキーボード９ａからキー「Ｅ」が入力されたときは、第１の判断部１０７は核抽出が選択されたと判断し、キー「Ｐ」が入力されたときは、第１の判断部１０７は核移植が選択されたと判断する。

第２判断部１０８は、細胞１１がホールディングピペット３０１に接近し、かつインジェクタ３０７のダイアル３０９が回されたか否かを判断するものである。

第３の判断部１０９は、インジェクションピペット３０２が細胞１１内の特定エリアに存在し、かつ圧電素子３１９からオン信号Ｓ３の発信があったか否かを判断するものである。

第４の判断部１１０は、例えばキーボード９ａからキー「Ｒ」（リセットボタン）が入力されたか否かを判断するものである。

第５の判断部１１１は、第４の演算部１０６における細胞位置パラメータの計算後に、細胞１１が干渉回避移動中であるか否かを判断するものである。

第６の判断部１１２は、第４の演算部１０６における干渉回避計算後に、細胞１１の移動が必要か否かを判断するものである。

映像化部１１３は、記憶部１０１に記憶された各種情報（このうち細胞１１、ホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２などの画像は、実画像から切り出したものを用いる）、第１〜第５の演算部１０３〜１０６ａでの各演算結果及び第１〜第６の判断部１０７〜１１２の各判断結果に基づいて、画像を適切な変換処理の上、ＣＲＴ９に画面表示するものである。これにより、ピペット操作による細胞１１の並行移動又は回転状態を映像化する。また、細胞１１内へのインジェクションピペット３０２の挿入状況、それが不適正であった場合は細胞１１が破裂するなどの現象をも摸擬的に表示する。

この映像化部１１３は、具体的には細胞１１を表示する画像として、表示テクスチャ領域の中から、前面に見える部分に相当する領域を切り出して、それを表示する。３次元の回転は、インジェクションピペット３０１で細胞１１の上部、下部をなぜたときに起こる。そのような操作に応じて、切り出す領域の左上の座標を更新する。また、周辺部は、透明度を低くし、内円部は透明度を高くしている。これにより、ピントのあっている周辺部を明りょうに、それ以外をあいまいに表示する効果を出す。

ここで、映像化部１１３における描画処理について図１０等を参照して説明する。細胞１１の画像は、図１０に示すように、透明体１１ａ（外円）と、細胞膜１１ａ（内円）の２つの画像から構成されている。２つの円の中心は一致している。画像は、内円、外円の２つの各々に対し、回転、変形計算を行った後、合成画像が作成される。

以下、本シミュレータの動作手順例を示す。なお、この動作によって、本発明の細胞操作シミュレーション方法が具現化される。

図１０〜図２３はシミュレーション表示画面例、図２４は本シミュレータに適用可能なシミュレーションプログラムのメインルーチン、図２５，図２６はそのサブルーチン、図２７はさらにそのサブルーチンを示す。

電源５を投入すると、まず図２４のメインルーチンの実行が開始され、コントローラ１０の映像化部１１３によりＣＲＴ９上には、図１８に示すような核の抽出の初期画面と、図１９に示すような核移植の初期画面とが並んで表示される（ステップＳ１）。両図に示すように、核抽出の場合は、細胞１１内に核１２の画像表示があるが、核移植の場合は、細胞１１内には核１２はなく、インジェクションピペット３０２内に移植される核１２の画像が表示されている。

オペレータは、キーボード９ａによりキー入力を行い、核抽出と核移植のいずれかを選択する（ステップＳ２）。オペレータがキー「Ｅ」を押して核抽出を選択すると、第１の判断部１０７は、この選択が行われたことを判断してステップＳ３が実行されるが、オペレータがキー「Ｐ」を押して核移植を選択すると、第１の判断部１０７は、この選択が行われたことを判断してステップＳ４が実行される。

ここでは、オペレータがキー「Ｅ」を押して核抽出を選択したとする。

すると、図２５のサブルーチンが実行され、コントローラ１０は、変位センサ３１１〜３１３からの電圧信号Ｓ１を基に、第１の演算部１０３で、ホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２のそれぞれの位置を演算し、両ピペット位置を映像化部１１３で映像化してＣＲＴ９にビデオ出力する。また、第４の演算部１０６で細胞１１の並行移動、回転又は変形の量と方向とを演算し、その細胞１１の移動等をも映像化部１１３で映像化してＣＲＴ９にビデオ出力する（ステップＳ３０１）。

そして、オペレータは、ＣＲＴ９を見て、ホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２で細胞１１を押したり、挟んだりして回転させ、或いは並行移動させることができる。また、インジェクションピペット３０２は、高さ方向に、細胞１１の上下部に接触し、細胞１１を回転させたりして、接触せずに細胞１１を通過させることができる。

具体的には、映像化部１１３によりＣＲＴ９上には、図１２，図１３に示すような核抽出の画面が表示される。同図に示す画面内には、透明体１１ａ（外円）と細胞膜１１ｂ（内円）とを有する細胞１１、核１２、ホールディングピペット３０１、インジェクションピペット３０２が表示されている。オペレータは、ホールディングピペット３０１とインジェクションピペット３０２を、それぞれのジョイスティック３０５，３０６で操作して、細胞１１を回転、並行移動させ、図１４に示すように、細胞１１内で核１２がホールディングピペット３０１の位置にくるように調整する。

この際、図２７のサブルーチンを実行する。ここでは、第２の演算部１０４は、まず細胞位置パラメータ計算を行う。すなわち細胞１１の中心などの細胞位置パラメ−タを計算する。ホールディングピペット３０１による細胞１１の吸引固定時には位置修正処理を行う（ステップＳ５０１）。第５の判断部１１１は、状態フラグ（後述）により細胞１１が干渉回避移動中か否かを判断する（ステップＳ５０２）。

そして、第５の判断部１１１が干渉回避移動中と判断した場合には（ステップＳ５０２でＹｅｓ）、第３の演算部１０５によりインジェクションピペット３０２と細胞１１との干渉チェックを行い（ステップＳ５０３）、同じく第３の演算部１０５によりホールディングピペット３０１と細胞１１との干渉チェックを行う（ステップＳ５０４）。しかる後に、第４の演算部１０６による干渉回避計算を行う（ステップＳ５０５）。

一方、第５の判断部１１１が干渉回避移動完了と判断した場合には（ステップＳ５０２でＮｏ）、上記ステップＳ５０２，Ｓ５０４をスキップして、第４の演算部１０６による干渉回避計算を行う（ステップＳ５０５）。具体的には、干渉回避のための細胞１１の変形、移動ベクトルを計算する。

ついで、第６の判断部１１２は、前記干渉結果に基づき細胞１１の移動が必要か否かを判断する（ステップＳ５０６）。干渉がなければ、細胞１１の移動が不要となる。そこで、第６の判断部１１２が細胞１１の移動は必要でないと判断した場合には（ステップＳ５０６でＮｏ）、状態フラグを「干渉回避移動完了」にして（ステップＳ５０７）、さらに第４の演算部１０６による細胞移動量計算を行う（ステップＳ５０８）。しかる後に、映像化部１１３は細胞１１の表示位置を更新し（ステップＳ５１０）、描画処理を行ってから（ステップＳ５１１）、図２５のサブルーチンにリターンする。

一方、干渉があれば、細胞１１の移動が必要となる。そこで、第６の判断部１１２が細胞１１の移動は必要であると判断した場合には（ステップＳ５０６でＹｅｓ）、状態フラグを「干渉回避移動中」にして（ステップＳ５０９）、映像化部１１３は細胞１１の表示位置を更新し（ステップＳ５１０）、描画処理を行ってから（ステップＳ５１１）、図２５のサブルーチンにリターンする。

図２５のサブルーチンにおいて、第２の判断部１０８は、前記干渉チェック結果等に基づき細胞１１がホールディングピペット３０１に接近し、かつインジェクタ３０７のダイアル３０９が回されたか否かを判断する（ステップＳ３０２）。そして、第２の判断部１０８が細胞１１はホールディングピペット３０１に接近していないか、或いはインジェクタ３０７のダイアル３０９は回されていないと判断したときは（ステップＳ３０２でＮｏ）、前のステップＳ３０１に戻る。

一方、第２の判断部１０８が細胞１１はホールディングピペット３０１に接近し、かつインジェクタ３０７のダイアル３０９が一方向に回された（吸引バルブ信号がＯＮ）と判断したときは（ステップＳ３０２でＹｅｓ）、細胞１１をホールディングピペット３０１で吸引して固定する（ステップＳ３０３）。すると、図１４に示すように、細胞１１がホールディングピペット３０１側に吸い寄せられて、そこに固定される。

このとき、コントローラ１０は、変位センサ３１１〜３１８からの電圧信号Ｓ１を基に、第１の演算部１０３で、両ピペット３０１，３０２の位置を演算し、そのピペット位置を映像化部１１３で映像化してＣＲＴ９にビデオ出力する。また、第４の演算部１０６で細胞１１の並行移動、回転又は変形の量と方向とを演算し、その細胞１１の並行移動等をも映像化部１１３で映像化してＣＲＴ９にビデオ出力する（ステップＳ３０４）。

そして、第３の判断部１０９は、前記干渉チェック結果に基づきインジェクションピペット３０２が細胞１１内の特定エリアに存在し、かつ圧電素子３１９からオン信号Ｓ３の発信があったか否かを判断する（ステップＳ３０５）。そして、第３の判断部１０９がインジェクションピペット３０２は細胞１１内の特定エリアに存在していないか、或いは圧電素子３１９からオン信号Ｓ３の発信はないと判断したときは（ステップＳ３０５でＮｏ）、前のステップＳ３０４に戻る。

一方、第３の判断部１０９がインジェクションピペット３０２は細胞１１内の特定エリアに存在し、かつ圧電素子３１９からオン信号Ｓ３の発信はあったと判断したときは（ステップＳ３０５でＹｅｓ）、映像化部１１３で細胞１１に穴があき、ホールディングピペット３０１が挿入される様子を映像化して、ＣＲＴ９にビデオ出力する。

具体的には、オペレータは、図１５〜図１８に示すように、インジェクションピペット３０２を細胞１１内に挿入する。細胞１１の透明体１１ａ（外円）と細胞膜１１ｂ（内円）とをそれぞれ「突き破る」にあたっては、オペレータが操作する図１のフットペダル４に連動する圧電素子３１９を使用する。圧電素子３１９を使用せずに、インジェクションピペット３０２を挿入すると、図２３に示すような、「細胞破裂」となる。この場合には、インジェクションピペット３０２を引き抜き後、内容物が流出し、薄くなる（図２３中では破線で示す。）といった破裂画像がアニメーション表示される。

そこで、オペレータは、インジェクションピペット３０２が、細胞１１の透明体１１ａにあたり、少し形状がひずんだところで、フットペダル４を踏み、圧電素子３１９を使ってインジェクションピペット３０２を細胞１１の透明体１１ａ内に挿入する（図１５）。すると、細胞１１の透明体１１ａが破れて、外円が円に戻る（図１６）。このように細胞１１の透明体１１ａ内にインジェクションピペット３０２を挿入した後、インジェクションピペット３０２を大きく動かした場合などは、前記「細胞破裂」となる。したがって、オペレータは、細心の注意でもって、インジェクションピペット３０２の挿入を行う必要がある。さらにインジェクションピペット３０２を挿入し、内円が窪んだ段階で、再びフットペダル４を踏み、圧電素子３１９を使ってインジェクションピペット３０２を細胞１１の細胞膜１１ａ内に挿入する（図１７）。すると、細胞１１の細胞膜１１ａが破れて、内円も円に戻る。そして、核１２の部分に到達するまで、インジェクションピペット３０２を細胞１１内に押し込む（図１８）。

ついで、変位センサ３１１〜３１８からの電圧信号Ｓ１を基に、第１の演算部１０３で、両ピペット３０１，３０２の位置を演算し、そのピペット位置を映像化部１１３で映像化してＣＲＴ９にビデオ出力する。また、第４の演算部１０６で細胞１１の並行移動、回転又は変形の量及び方向を演算し、その細胞１１の移動等をも映像化部１１３で映像化してＣＲＴ９にビデオ出力する（ステップＳ３０８）。

ついで、オペレータは、図１９に示すように、細胞１１内の核１２の吸引を行う（ステップＳ３０９）。そのために、オペレータは、インジェクタ３０８のダイアル３１０を回して、核１２をインジェクションピペット３０２内に吸引する。この吸引により細胞１１内の核１２の表示が消える。そして、インジェクションピペット３０２を引き抜いていくと、図２０に示すように、インジェクションピペット３０２の先端に核１２が付着している様子が表示される（ステップＳ３１０）。さらにインジェクタ３０８のダイアル３１０を回して、図２１に示すように、インジェクションピペット３０２先端部に付着した核１２をインジェクションピペット３０２外へ排出する（ステップＳ３１１）。そして、細胞１１をホールディングピペット３０１から開放してから（ステップＳ３１２）、図２４に示すメインルーチンにリターンする。なお、ステップＳ３１０〜Ｓ３１２についても、上記ステップＳ３０１，Ｓ３０２等と同様の変位信号に基づく両ピペットの位置の演算等がそれぞれ行われるのであるが、ここでは重複説明を省略している。

そして、図２４のメインルーチンに戻り、第４の判断部１１０で前記リセットボタンが押圧されたか否かを判断する（ステップＳ５）。そして、第４の判断部１１０でリセットボタンが押圧されたと判断すると（ステップＳ５でＹｅｓ）、上記ステップＳ１に戻る。一方、第４の判断部１１０でリセットボタンが押圧されていないと判断したときは（ステップＳ５でＮｏ）、シミュレーションは終了する。

引き続いて、上記ステップＳ２でオペレータがキーボード９ａからのキー入力として、キー「Ｐ」を押して、核移植を選択したとする。

すると、第１の判断部１０７は、この選択が行われたことを判断してステップＳ４が実行され、図２６に示すサブルーチンに入る。その前に、ＣＲＴ９上には、前記図１１に示したような核移植の初期画面が表示されている。また、核移植ではもとの細胞１１内には核１２がない点で核抽出時とは異なるものの、その他の点では移植時の各画面は、前記図１２〜１８とほぼ同様の画面となる。この場合にも、核抽出と同様に、インジェクションピペット３０２及びホールディングピペット３０１で細胞１１を移動させ、ホールディングピペット３０１に吸引して、固定する（ステップＳ４０１〜Ｓ４０３）。なお、コントローラ１０の動作は上記ステップＳ３０１〜Ｓ３０３と同様である。

ついで、オペレータは、インジェクションピペット３０２を細胞１１内に挿入する。ここでも、核抽出の場合と同様、細胞１１の透明体１１ａ（外円）を「突き破る」場合と、細胞膜１１ｂ（内円）を「突き破る」場合との２回、オペレータは図１のフットペダル４を踏んで圧電素子３１９を使う（ステップＳ４０４〜Ｓ４０６）。なお、コントローラ１０の動作は上記ステップＳ３０４〜Ｓ３０６と同様である。

ついで、オペレータは、インジェクタ３０８のダイアル３１０を回して、核１２を細胞１１内に注入すると、図２２に示すように、その核１２が細胞１１内に表示される（ステップＳ４０７〜Ｓ４０９）。なお、コントローラ１０の動作は上記ステップＳ３０７〜Ｓ３０９と同様である。そして、インジェクションピペット３０２を引き抜き（ステップＳ４１０）、さらに細胞１１をホールディングピペット３０１から開放してから（ステップＳ４１１）、図２４に示すメインルーチンにリターンする。このステップＳ４１０〜Ｓ４１１についても、上記ステップＳ４０１，Ｓ４０２等と同様の変位信号に基づく両ピペットの位置の演算等がそれぞれ行われるのであるが、ここでは重複説明を省略している。

図２４のメインルーチンに戻り、第４の判断部１１０でリセットボタンが押圧されたか否かを判断する（ステップＳ５）。そして、第４の判断部１１０でリセットボタンが押圧されたと判断すると（ステップＳ５でＹｅｓ）、上記ステップＳ１に戻る。一方、第４の判断部１１０でリセットボタンが押圧されていないと判断したときは（ステップＳ５でＮｏ）、シミュレーションは終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、細胞１１の置かれた環境に関する環境情報及び細胞１１の内部構造に関する内部情報を含む、細胞１１のモデル情報が記憶部１０１に記憶され、ジョイスティック３０５，３０６の操作に応じてマイクロマニピュレータ３のホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２の各変位が制御され、この制御されたホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２の各変位が変位センサ３１１〜３１８で検知され、この検知されたホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２の各変位と記憶部１０１に記憶された細胞１１のモデル情報とに基づいて、細胞１１の仮想的な並行移動、回転といった移動又は変形の量と方向とが演算され、この演算値に基づく細胞１１の仮想的な移動又は変形の状態が、前記検知されたホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２の各変位と対応付けてＣＲＴ９上に表示されるので、ホールディングピペット３０１又はインジェクションピペット３０２との接触等により容易に移動又は変形するような細胞１１の操作が容易となる。

すなわち、本実施形態では、細胞モデルのモデル情報として、本体（細胞１１）のみならず、細胞１１の置かれている環境に関する環境情報及び細胞１１の内部構造に関する内部情報の少なくとも一方が記憶部１０１に記憶されており、変位センサ３１１〜３１８で検知されたホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２の各変位と前記記憶部１０１に記憶された細胞モデルのモデル情報とに基づいて、細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値が演算される。

したがって、この演算されたパラメータ値から、操作による細胞１１自体の状態変化のみならず、環境中における状態変化又は細胞１１内部の状態変化をも考慮してこそ得られる細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態が、変位センサ３１１〜３１８で検知されたホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２の各変位と対応付けて表示され、高精度なシミュレーションを実現することができる。その結果、専門家以外の者であっても、安全かつ手軽に細胞１１の操作を擬似体験できるようになる。

なお、上記実施形態では、細胞１１の置かれた環境に関する環境情報及び細胞１１の内部構造に関する内部情報の両者を含む、細胞１１のモデル情報を用いているが、環境情報と内部情報の少なくとも一方の情報を含む、細胞１１のモデル情報を用いることとしてもよい。

また、細胞１１の環境情報は、細胞１１の移動又は変形を許容する仮想的な２次元空間であってもよいし、細胞１１の内部情報は、透明体１１ａを持たず、細胞膜１１ｂでのみ覆われた細胞本体と、核１２とを有するものであってもよい。その場合でも、インジェクションピペット３０２を細胞１１内に挿入する際に、細胞１１の細胞膜１１ｂを「突き破る」必要があるものの、この場合には１回だけ、オペレータは図１のフットペダル４を踏んで圧電素子３１９を使うことで足りる。

また、上記実施形態では、ＣＲＴ９を設けているが、これに代えて、或いはこれとともに顕微鏡２の接眼部に投影される液晶表示部を設けてもよい。この液晶表示部によれば、オペレータはあたかも自分が顕微鏡下で現実の細胞操作を行っているかのようなリアリティ感が得られる。ＣＲＴ９では、オペレータ以外の者が同時にオペレータによる細胞操作を見ることができるので、適切な助言等を行って、そのオペレータに細胞操作を習得させるのに好適である。

また、上記実施形態では、マイクロマニピュレータ３として、ジョイスティック３０５，３０６で操作されるホールディングピペット３０１及びインジェクションピペット３０２の両ピペットを備えているが、両者を兼ねるピペットを２本設けて役割を切換可能としてもよい。その場合には左右での逆操作が行えて便利である。

また、ジョイスティック３０５，３０６の代わりに、例えばトラックボール等の他の操作手段を設けてもよい。

また、シミュレータ１では、実際の細胞の吸引等は要求されないので、インジェクタ３０７，３０８を省略して、ダイアル３０９，３１０だけを設けることとしてもよい。同様に、圧電素子３１９を省略して、フットペダル４だけを設けることとしてもよい。フットペダル４に代えて、キーボード９ａからのキー入力を用いてもよい。

また、上記実施形態では、細胞１１の核抽出と核移植との２種類の細胞操作のシミュレーションを想定しているが、いずれか一方の細胞操作であってもよいし、別の細胞操作を加えてもよい。また、細胞モデルにおける細胞１１として胚盤胞を用いるとともに、核１２に代えてＥＳ細胞（胚性幹細胞）を用いることとしてもよい。

また、上記実施形態では、細胞１１と核１２とは、いずれも単数である場合を説明しているが、細胞１１と核１２との一方或いは両方を、複数として、それぞれが互いに衝突等する場合であっても、シミュレーションすることができる。

本発明の一実施形態に係る細胞操作シミュレータの全体構成図である。 マイクロマニピュレータの構成図である。 変位信号のコントローラへの取り込みルートを示すブロック図である。 マイクロマニピュレータの操作タイミングとＣＲＴの描画タイミングとの関係を示す説明図である。 コントローラの機能ブロック図である。 干渉計算等の説明図である。 干渉計算等の説明図である。 インジェクションピペット挿入時の細胞の変形状態を示す説明図である。 インジェクションピペット引抜時の細胞の変形状態を示す説明図である。 シミュレーション画面の一例（初期画面）を示す図である。 シミュレーション画面の一例（初期画面）を示す図である。 シミュレーション画面の一例（核抽出時）を示す図である。 シミュレーション画面の一例（核抽出時）を示す図である。 シミュレーション画面の一例（核抽出時）を示す図である。 シミュレーション画面の一例（核抽出時）を示す図である。 シミュレーション画面の一例（核抽出時）を示す図である。 シミュレーション画面の一例（核抽出時）を示す図である。 シミュレーション画面の一例（核抽出時）を示す図である。 シミュレーション画面の一例（核抽出時）を示す図である。 シミュレーション画面の一例（核抽出時）を示す図である。 シミュレーション画面の一例（核抽出時）を示す図である。 シミュレーション画面の一例（核移植時）を示す図である。 シミュレーション画面の一例（細胞破裂時）を示す図である。 本シミュレータの動作手順のメインルーチンを示すフローチャートである。 サブルーチンを示すフローチャートである。 サブルーチンを示すフローチャートである。 サブルーチンを示すフローチャートである。

１ シミュレータ（細胞操作シミュレータ）
２ 顕微鏡
３ マイクロマニピュレータ
４ フットスイッチ（第２の操作手段）
５ 電源
６ 端子台
７ ＡＤ変換ボード
８ デジタルＩＯボード
９ ＣＲＴ
９ａ キーボード
１０ コントローラ（コンピュータ）
１１ 細胞（細胞モデル、細胞本体）
１１ａ 透明体（細胞モデル、透明体）
１１ｂ 細胞膜（細胞モデル）
１２ 核（細胞モデル、核状体）
１０１ 記憶部（記憶手段を含む。）
１０２ 制御部（制御手段）
１０３ 第１の演算部
１０４ 第２の演算部
１０５ 第３の演算部
１０６ 第４の演算部（演算手段）
１０６ａ 第５の演算部（演算手段）
１０７ 第１の判断部
１０８ 第２の判断部
１０９ 第３の判断部
１１０ 第４の判断部
１１１ 第５の判断部
１１２ 第６の判断部
１１３ 映像化部（表示手段）
１１４ ＲＯＭ
１１５ ＲＡＭ
３０１ ホールディングピペット（吸引ピペット）
３０２ インジェクションピペット（注入ピペット）
３０３，３０４ ３次元駆動アクチュエータ
３０５，３０６ ジョイスティック（操作手段）
３０７，３０８ インジェクタ（吸引力等付与手段、注入力等付与手段）
３０９，３１０ ダイアル
３１１〜３１８ 変位センサ（検知手段）
３１９ 圧電素子（挿入力付与手段）
３２０，３２１ チューブ

Claims (11)

1. マイクロマニピュレータ及びその操作手段を備え、前記マイクロマニピュレータの操作対象である細胞モデルを前記操作手段により操作されるマイクロマニピュレータによって操作可能な細胞操作シミュレータであって、
   細胞モデルが置かれた環境に関する環境情報及び該細胞モデルの内部構造に関する内部情報を含む、前記細胞モデルのモデル情報を記憶する記憶部と、
   操作手段の操作に応じてマイクロマニピュレータの変位を制御する制御手段と、
   制御手段により制御されたマイクロマニピュレータの変位を検知する検知手段と、
   検知手段により検知されたマイクロマニピュレータの変位と記憶部に記憶された細胞モデルのモデル情報とに基づいて、細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値を演算する演算手段と、
   演算手段により演算されたパラメータ値に基づく細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態を、検出手段により検知されたマイクロマニピュレータの変位と対応付けて表示する表示手段とを備え、
   細胞モデルの内部構造は、仮想の細胞本体と仮想の核状体とを含み、
   マイクロマニピュレータは、顕微鏡に装着されそれぞれ独立に微小移動可能な吸引ピペット及び注入ピペットと、吸引ピペットに仮想の細胞本体を仮想的に吸引して固定するときに、所定の吸引力を前記吸引ピペットに付与する吸引力等付与手段と、仮想の細胞本体に対して仮想の核状体を仮想的に注入又は排出するときに、所定の注入力又は排出力を前記注入ピペットに付与する注入力等付与手段とを備え、
   演算手段は、仮想の細胞本体の仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値を演算するにあたって、注入ピペット又は吸引ピペットの先端位置が、前記細胞本体の仮想的な存在範囲と重なる競合状態にあるかどうかを判断する競合判断手段と、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に移動させることにより競合状態を解消する移動手段と、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に変形させることにより競合状態を解消する変形手段と、前記移動手段と前記変形手段とのいずれを適用するかを競合状態に応じて選択する選択手段とを備えたことを特徴とする細胞操作シミュレータ。
2. 細胞モデルの置かれた環境は、該細胞モデルに含まれる仮想の細胞本体の仮想的な移動又は変形を許容する仮想の３次元空間から構成されていることを特徴とする請求項１記載の細胞操作シミュレータ。
3. マイクロマニピュレータは、注入ピペットの先端部に設けられ、該注入ピペットを仮想の細胞本体内に仮想的に挿入するときに、所定の挿入力を前記注入ピペットに付与する挿入力付与手段と、第２の操作手段とを備え、
   制御手段は、第２の操作手段の操作に応じて挿入力付与手段の動作を制御するものであることを特徴とする請求項１又は２記載の細胞操作シミュレータ。
4. 表示手段は、仮想の細胞本体の仮想的な移動の画像、前記細胞本体の吸引ピペットへの仮想的な吸引、解放又はその際の変形の画像、前記細胞本体への注入ピペットの仮想的な挿入又はその際の変形の画像、注入ピペット先端への前記細胞本体内の仮想の核状体の仮想的な吸引又は前記核状体の前記細胞本体外での仮想的な排出の画像、及び、注入ピペット又は吸引ピペットの不適性操作時における前記細胞本体の仮想的な破損の画像の少なくとも１つの画像を表示可能であることを特徴とする請求項３記載の細胞操作シミュレータ。
5. 細胞モデルの内部構造は、仮想の細胞本体を覆う細胞膜をさらに覆うような仮想の透明体をも含んでおり、
   記憶部は、前記透明体と前記細胞本体と前記核状体とについて各々独立した要素とする描画データを記憶するとともに、前記透明体と前記細胞本体との相対的な位置及び角度の情報、又は、前記細胞本体と前記核状体との相対的な位置及び角度の情報を更新可能に記憶するものであり、
   表示手段は、一要素の仮想的な移動に他要素を連動させて、それらの位置及び角度の情報に応じて描画データを更新することにより、各々の要素を重畳的に表示可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の細胞操作シミュレータ。
6. 表示手段は、注入ピペットの仮想の細胞本体への挿入時に、仮想の透明体及びこの透明体に覆われた仮想の細胞膜の各々において、円形形状から楕円形状への変形、さらに楕円形状から陥入形状への変形を順に表示可能であることを特徴とする請求項５記載の細胞操作シミュレータ。
7. 表示手段は、仮想の核状体の描画位置を更新するとともに、仮想の細胞本体の仮想的な移動により前記描画位置を更新し、注入ピペットにより前記核状体を仮想的に吸引する際に、注入ピペットの先端位置と前記核状体の当該時点における仮想的な位置とが所定距離内にある場合のみ注入ピペットによる前記核状体の仮想的な吸引状態を表示するものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の細胞操作シミュレータ。
8. 細胞モデルの描画における時間間隔として、操作手段の操作信号を取り込む第１の周期と、細胞モデルの仮想的な移動に伴う該細胞モデルの描画更新を行う第２の周期とを有し、表示手段は、第２の周期を第１の周期よりも短く設定して、操作手段の操作による吸引ピペット及び注入ピペットと細胞モデルとの競合状態を解消するための該細胞モデルの仮想的な移動又は変形を含む描画更新を複数シーンに分割して表示するものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の細胞操作シミュレータ。
9. 表示手段は、顕微鏡の接眼部に設けられて、マイクロマニピュレータの変位と対応付けられた細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態を表示するものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の細胞操作シミュレータ。
10. マイクロマニピュレータ及びその操作手段を備え、前記マイクロマニピュレータの操作対象である細胞モデルを前記操作手段により操作されるマイクロマニピュレータによって操作可能な細胞操作シミュレータにおけるシミュレーション方法であって、
    細胞モデルが置かれた環境に関する環境情報及び該細胞モデルの内部構造に関する内部情報を含む、前記細胞モデルのモデル情報を記憶部に記憶する第１工程と、
    操作手段の操作に応じてマイクロマニピュレータの変位を制御する第２工程と、
    第２工程で制御されたマイクロマニピュレータの変位を検知する第３工程と、
    第３工程で検知されたマイクロマニピュレータの変位と記憶部に記憶された細胞モデルのモデル情報とに基づいて、細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値を演算する第４工程と、
    第４工程で演算されたパラメータ値に基づく細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態を、第３工程で検知されたマイクロマニピュレータの変位と対応付けて表示する第５工程とを含み、
    細胞モデルの内部構造は、仮想の細胞本体と仮想の核状体とを含み、
    マイクロマニピュレータは、顕微鏡に装着されそれぞれ独立に微小移動可能な吸引ピペット及び注入ピペットと、吸引ピペットに仮想の細胞本体を仮想的に吸引して固定するときに、所定の吸引力を前記吸引ピペットに付与する吸引力等付与手段と、仮想の細胞本体に対して仮想の核状体を仮想的に注入又は排出するときに、所定の注入力又は排出力を前記注入ピペットに付与する注入力等付与手段とを備え、
    第４工程では、仮想の細胞本体の仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値を演算するにあたって、注入ピペット又は吸引ピペットの先端位置が、前記細胞本体の仮想的な存在範囲と重なる競合状態にあるかどうかを判断し、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に移動させることにより競合状態を解消するか、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に変形させることにより競合状態を解消するかを競合状態に応じて選択することを特徴とする細胞操作シミュレーション方法。
11. マイクロマニピュレータ及びその操作手段を備え、コンピュータ管理下で、前記マイクロマニピュレータの操作対象である細胞モデルを前記操作手段により操作されるマイクロマニピュレータによって操作可能な細胞操作シミュレータに用いられるシミュレーションプログラムであって、
    前記コンピュータを、
    細胞モデルが置かれた環境に関する環境情報及び該細胞モデルの内部構造に関する内部情報を含む、前記細胞モデルのモデル情報を記憶部に記憶する記憶手段と、
    操作手段の操作に応じてマイクロマニピュレータの変位を制御する制御手段と、
    制御手段により制御されたマイクロマニピュレータの変位を検知する検知手段と、
    検知手段により検知されたマイクロマニピュレータの変位と記憶部に記憶された細胞モデルのモデル情報とに基づいて、細胞モデルの仮想的な移動又は変形のパラメータ値を演算する演算手段と、
    演算手段により演算されたパラメータ値に基づく細胞モデルの仮想的な移動又は変形の状態を、検出手段により検知されたマイクロマニピュレータの変位と対応付けて表示する表示手段として機能させ、
    細胞モデルの内部構造は、仮想の細胞本体と仮想の核状体とを含み、
    マイクロマニピュレータは、顕微鏡に装着されそれぞれ独立に微小移動可能な吸引ピペット及び注入ピペットと、吸引ピペットに仮想の細胞本体を仮想的に吸引して固定するときに、所定の吸引力を前記吸引ピペットに付与する吸引力等付与手段と、仮想の細胞本体に対して仮想の核状体を仮想的に注入又は排出するときに、所定の注入力又は排出力を前記注入ピペットに付与する注入力等付与手段とを備え、
    演算手段は、仮想の細胞本体の仮想的な移動又は変形の状態に関するパラメータ値を演算するにあたって、注入ピペット又は吸引ピペットの先端位置が、前記細胞本体の仮想的な存在範囲と重なる競合状態にあるかどうかを判断する競合判断手段と、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に移動させることにより競合状態を解消する移動手段と、競合状態と判断されたときに前記細胞本体を仮想的に変形させることにより競合状態を解消する変形手段と、前記移動手段と前記変形手段とのいずれを適用するかを競合状態に応じて選択する選択手段とを備えたものとして機能することを特徴とする細胞操作シミュレーションプログラム。

Images