JP4982974B2 - Confocal microscope system - Google Patents
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Description
本発明は、共焦点スキャナに入力されるレーザ光を顕微鏡を介して試料に照射し、試料からの戻り蛍光を結像させた共焦点画像をカメラで撮像し、撮像データを所定のタイムラプス周期で取り込み画像処理して保存する共焦点顕微鏡システムに関する。 The present invention irradiates a sample with laser light input to a confocal scanner through a microscope, captures a confocal image formed by imaging the return fluorescence from the sample with a camera, and captures imaging data at a predetermined time lapse period. The present invention relates to a confocal microscope system for storing captured images.
図3は、従来の共焦点顕微鏡システムの構成例を示す機能ブロック図である。1は高速ビデオカメラであり、CCDセンサ1aを有する。2は共焦点スキャナであり、ダイクロイックミラー2aを有する。3は顕微鏡、4はアクチュエータであり、対物レンズ5をZ方向にシフト操作する。6はステージであり、観察対象の試料7が搭載されている。
FIG. 3 is a functional block diagram showing a configuration example of a conventional confocal microscope system. Reference numeral 1 denotes a high-speed video camera having a CCD sensor 1a. A
8は画像処理手段であり、試料の長時間変化を計測するために、タイムラプス的に画像を取り込む。高速ビデオカメラ1からのビデオ信号VSをタイムラプス周期でサンプルして取り込み、画像処理を実行して画像データベース9に保存する。10はタイムラプス周期設定手段であり、ビデオ信号VSに同期して例えば2個の異なる周期設定値t1,t2で設定される画像取り込み指令信号STを画像処理手段8に出力する。
An image processing unit 8 captures an image in a time-lapse manner in order to measure a long-term change of the sample. The video signal VS from the high-speed video camera 1 is sampled and captured at a time lapse period, and image processing is executed and stored in the image database 9.
11は任意波形発生器であり、タイムラプス周期設定手段10からの画像取り込み指令信号STを入力し、STの取得毎に一定ステップ増加して、所定ステップまで増加すると元のレベルに戻る三角波の走査信号SCをアクチュエータドライバ12に出力し、対物レンズ5のアクチュエータ4をZ軸方向に走査させる。MPはアクチュエータドライバ12の操作信号である。
高速ビデオカメラ1、共焦点スキャナ2、顕微鏡3、アクチュエータ4、及び、対物レンズ5は、同じ光軸上に配置される。共焦点スキャナ2は、2万個のピンホールを持つニポウディスク、及び、それに対応するマイクロレンズアレイを有し、シンプルな光学系から成るニポウディスク方式が採用されるアドオンタイプであり、顕微鏡3のカメラポートに取り付けることにより、手持ちの顕微鏡3を共焦点顕微鏡にグレードアップすることができる。ニポウディスク方式の共焦点スキャナの詳細は、特許文献2に開示されている。
The high-speed video camera 1, the
共焦点スキャナ2に入射されたレーザ光Rは、ダイクロイックミラー2aで反射して、顕微鏡3、アクチュエータ4、対物レンズ5を経由して試料7に照射される。試料7からの戻り蛍光は、同一経路をダイクロイックミラー2aまで戻り、これを透過して高速ビデオカメラのCCDセンサ1aに共焦点画像を結像する。
The laser beam R incident on the
アクチュエータ4は、顕微鏡3の対物レンズレボルバーと対物レンズ5との間に取り付けられ、ピエゾ駆動により操作信号MPのレベルに比例して画像の焦点方向(Z方向)の長さが変化し、対物レンズ5の焦点位置を制御する。共焦点顕微鏡は、操作信号MPに基づいて、焦点位置をシフトさせる走査により、試料7のスライス画像を取得する。
The actuator 4 is mounted between the objective lens revolver of the
図4は、従来の可変タイムラプスの概念を示すタイムチャートである。この例では、第1タイムラプス周期t1での画像取り込みを所定期間T1実行した後に第2タイムラプス周期t2での画像取り込みを所定期間T2実行する。 FIG. 4 is a time chart showing the concept of a conventional variable time lapse. In this example, image capture at the first time lapse period t1 is performed for a predetermined period T1, and then image capture at the second time lapse period t2 is performed for a predetermined period T2.
共焦点顕微鏡システムに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。 Prior art documents related to the confocal microscope system include the following.
ニポウディスク方式の共焦点スキャナに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。 Prior art documents related to the Niipou disk type confocal scanner include the following.
従来の共焦点顕微鏡システムにおけるタイムラプス周期の設定手法では、次のような問題点がある。
(1)観察対象の試料(細胞等)の経時変化は、必ずしも観察者があらかじめ設定した周期に一致して起こるものではない。例えば、細胞分裂のように、長時間ゆっくり変化した後、高速に分裂が発生し、その後また、ゆっくりとした変化が起きる(1回の分裂に、1時間〜24時間)。この現象を、高速分裂時に合わせたタイムラプス周期で画像取り込みを実行した場合、非常に多くの重複取得画面数となってしまう。
The time lapse period setting method in the conventional confocal microscope system has the following problems.
(1) The change with time of the sample (cell or the like) to be observed does not necessarily coincide with the period preset by the observer. For example, after a slow change for a long time, such as cell division, a high-speed division occurs, and then a slow change occurs again (1 to 24 hours for one division). If this phenomenon is executed in a time lapse period matched with high-speed splitting, the number of duplicate acquisition screens will be very large.
(2)また、長い時間、レーザ光を試料に照射するので、蛍光褪色が進み、後半では、画像が暗くなり、見えなくなってしまう。 (2) Further, since the sample is irradiated with laser light for a long time, the fluorescence fades, and in the second half, the image becomes dark and cannot be seen.
(3)逆に、1回毎の画像測定の時間間隔を大きくとると、高速分裂時の画像取り込み枚数が減り、変化に追随して計測することが困難になる。 (3) Conversely, if the time interval of image measurement for each time is increased, the number of captured images at the time of high-speed splitting decreases, and it becomes difficult to measure following the change.
従って本発明が解決しようとする課題は、観察対象の試料の経時変化の激しさに合わせて最適なタイプラプス周期に自動的に変更することを可能とした共焦点顕微鏡システムを実現することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to realize a confocal microscope system that can automatically change to an optimal type lapse period in accordance with the intensity of temporal change of a sample to be observed. .
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
(1)共焦点スキャナに入力されるレーザ光を顕微鏡を介して試料に照射し、試料からの戻り蛍光を結像させた共焦点画像をカメラで撮像し、撮像データを所定のタイムラプス周期で取り込み画像処理して保存する共焦点顕微鏡システムにおいて、
取り込んだ画像と所定個数前に取り込んだ画像との差から求めた差分値を演算する差分値演算手段と、
前記差分値に基づいて前記タイムラプス周期を変更するタイムラプス制御手段と、
を備え、
前記タイムラプス制御手段は、前記差分値が所定のスレッシュホールド値を超えたときに、前記差分値が前回演算された差分値より大きくなる場合には変化の加速期間とみなして前記タイムラプス周期を短く調整すると共に、前記差分値が前回演算された差分値より小さくなる場合には変化の減速期間とみなして前記タイムラプス周期を長く調整することを特徴とする共焦点顕微鏡システム。
In order to achieve such a subject, the present invention has the following configuration.
(1) A sample is irradiated with laser light input to a confocal scanner through a microscope, a confocal image obtained by imaging the return fluorescence from the sample is captured by a camera, and the captured data is captured at a predetermined time lapse period. In a confocal microscope system for image processing and storage,
Difference value calculating means for calculating a difference value obtained from the difference between the captured image and the image captured a predetermined number of times ago;
Time-lapse control means for changing the time-lapse period based on the difference value;
Equipped with a,
The time lapse control means adjusts the time lapse period to be shorter when the difference value exceeds a predetermined threshold value and the difference value becomes larger than a previously calculated difference value, and is regarded as an acceleration period of change. In addition, the confocal microscope system is characterized in that when the difference value is smaller than the previously calculated difference value, the time lapse period is adjusted to be longer by considering the change deceleration period.
(2)前記共焦点スキャナは、ニポウディスク方式であることを特徴とする(1)に記載の共焦点顕微鏡システム。 ( 2 ) The confocal microscope system according to ( 1), wherein the confocal scanner is a Nipow disk system.
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
(1)長時間タイムラプス計測の際、試料の反応や変化の度合いに合わせて、タイムラプス周期を自動的に調整することによって、試料の反応や変化が激しい時には、細かい時間間隔で画像を取得して詳細な解析が可能となる。
As is apparent from the above description, the present invention has the following effects.
(1) During long-time time lapse measurement, the time lapse cycle is automatically adjusted according to the degree of reaction and change of the sample. Detailed analysis is possible.
(2)試料の反応や変化が落ち着いている時には、タイムラプス周期を長くして、無駄な画像や、不必要な励起による試料のダメージを小さくすることができる。 (2) When the reaction or change of the sample is settled, the time-lapse cycle can be lengthened to reduce the damage of the sample due to useless images or unnecessary excitation.
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図1は本発明を適用した共焦点顕微鏡システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。図3で説明した従来システムと同一要素には同一符号を付して説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram showing an embodiment of a confocal microscope system to which the present invention is applied. The same elements as those of the conventional system described with reference to FIG. Hereinafter, the characteristic part of the present invention will be described.
図1において、100は本発明で導入されたタイムラプス管理手段である。画像データベース9において、G1乃至Gnは、タイムラプス周期毎に取り込まれて保存された画像データであり、G1は最近の取り込み画像データ、Gnはn回前の取り込み画像データである。 In FIG. 1, reference numeral 100 denotes a time lapse management means introduced in the present invention. In the image database 9, G1 to Gn are image data captured and stored every time lapse period, G1 is the latest captured image data, and Gn is the captured image data n times before.
タイムラプス管理手段100において、101は差分値演算手段であり、最近の取り込み画像データG1の画像信号S1と、n回前の取り込み画像データGnの画像信号Snを入力し、両者の画像の差より所定の画像比較アルゴリズムに基づいて数値化された差分値ΔSを演算して出力する。 In the time lapse management means 100, 101 is a difference value calculation means, which inputs the image signal S1 of the latest captured image data G1 and the image signal Sn of the captured image data Gn n times before, and determines a predetermined value based on the difference between the two images. The difference value ΔS quantified based on the image comparison algorithm is calculated and output.
102は、タイムラプス制御手段であり、差分値ΔSを入力し、タイムラプス周期変更信号tをタイムラプス周期設定手段10に出力する。SHは、予め設定されたスレッシュホールド値であり、差分値ΔSがこのスレッシュホールド値を超える場合、タイムラプス周期を自動的に調整する。 Reference numeral 102 denotes time lapse control means for inputting the difference value ΔS and outputting the time lapse period change signal t to the time lapse period setting means 10. SH is a preset threshold value, and when the difference value ΔS exceeds the threshold value, the time lapse period is automatically adjusted.
画像間の差分が前回演算された差分値より大きくなる場合、それは変化の加速期間と見て、タイムラプス周期を短くする。画像間の差分が前回演算された差分値より小さくなる場合小さくなる場合、それを変化の減速期間と見て、タイムラプス周期を長くする。タイムラプス周期の調整係数はあらかじめパラメータとして設定しておく。
If the difference between the images becomes larger than the previously calculated difference value , it is regarded as the acceleration period of change, and the time lapse period is shortened. If the difference between the images becomes smaller than the previously calculated difference value , the time lapse cycle is lengthened by considering it as a change deceleration period. The adjustment factor for the time lapse period is set in advance as a parameter.
タイムラプス制御手段102は、差分値ΔSに基づいて最適のタイムラプス周期tを所定のアルゴリズムで計算して出力するか、若しくは差分値ΔSに基づいて複数のタイムラプス周期を保持するテーブルにアクセスして最適のタイムラプス周期を選択出力する。 The time lapse control means 102 calculates and outputs an optimum time lapse period t based on the difference value ΔS by a predetermined algorithm, or accesses a table holding a plurality of time lapse periods based on the difference value ΔS to obtain the optimum time lapse period t. Selects and outputs the time lapse period.
このようなタイムラプス管理手段を導入することによって、長時間タイムラプス計測の際、試料の反応や変化の度合いに合わせて、タイムラプス周期を自動的に調整することが可能となり、試料の反応や変化が激しい時には、細かい時間間隔で画像を取得して詳細な解析を可能とし、逆に変化が緩やかな時には、タイムラプス周期を長くとることにより、無駄な画像取得を減らすことができる。 By introducing such time-lapse management means, it is possible to automatically adjust the time-lapse period according to the degree of sample reaction and change during long-time time-lapse measurement, and sample reaction and change are severe. Sometimes, detailed images can be obtained by acquiring images at fine time intervals. Conversely, when the change is slow, it is possible to reduce unnecessary image acquisition by taking a long time lapse period.
図2は、タイムラプス管理手段100の信号処理の手順を示すフローチャートである。ステップS1で条件設定のルーチンがスタートすると、ステップS2で画像信号(S1,S2)の読み取りを実行する。 FIG. 2 is a flowchart showing a signal processing procedure of the time lapse management means 100. When the condition setting routine starts in step S1, the image signals (S1, S2) are read in step S2.
ステップS3の終了時間チェックで、終了時間に達していなければステップS4でn回前の画像との差分値ΔSを演算する。ステップS5では差分値ΔSがスレッシュホールド値より大きいかがチェックされ、大きい場合にはステップS6に進む。 If the end time is not reached in the end time check in step S3, a difference value ΔS from the image n times before is calculated in step S4. In step S5, it is checked whether or not the difference value ΔS is larger than the threshold value. If larger, the process proceeds to step S6.
ステップS6では、試料の変化が加速期間か否かがチェックされ、差分が前回演算された差分値より大きくなる加速期間と判断された場合には、ステップS7でタイムラプス周期を長くする調整を実行する。差分が前回演算された差分値より小さくなる減速期間と判断された場合には、ステップS8でタイムラプス周期を短くする調整を実行してステップS9に進む。
In step S6, it is checked whether or not the change of the sample is an acceleration period. If it is determined that the difference is an acceleration period in which the difference is larger than the previously calculated difference value, an adjustment to increase the time lapse period is executed in step S7. . If it is determined that the difference is a deceleration period in which the difference is smaller than the previously calculated difference value, adjustment is performed to shorten the time lapse period in step S8, and the process proceeds to step S9.
ステップS9では、ステップS7またはステップS8に調整実行後にシステムが新たなタイムラプス周期による画像取り込みを開始するまでの所定の待ち時間を設け、この時間を経過したときにステップS2に戻る。 In step S9, a predetermined waiting time is provided after the adjustment is executed in step S7 or step S8 until the system starts capturing an image with a new time lapse period. When this time has elapsed, the process returns to step S2.
ステップS2で終了時間に達していればステップS10に進み、条件設定のルーチンが終了する。ステップS5のチェックで、差分値ΔSがスレッシュホールド値より小さい場合には、タイムラプス周期の調整は実行せずにステップS9にジャンプする。 If the end time has been reached in step S2, the process proceeds to step S10, and the condition setting routine ends. If it is determined in step S5 that the difference value ΔS is smaller than the threshold value, the process jumps to step S9 without adjusting the time lapse period.
図1の実施形態では、アクチュエータ4のZ方向シフト制御により、試料7の3次元スライス画像を取り込む長時間観察を行なうシステムを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、焦点位置を固定した試料のリアルタイム画像の観察システムにも適用することができる。
In the embodiment of FIG. 1, an example of a system that performs long-time observation that captures a three-dimensional slice image of the
本発明において、高速ビデオカメラ1はこれに限定されるものではなく、通常のカメラ手段でもよい。また、共焦点スキャナ2も、ニポウディスク方式に限定されるものではない。
In the present invention, the high-speed video camera 1 is not limited to this, and normal camera means may be used. Further, the
実施形態のように、タイムラプス周期より十分短い撮像周期を有する高速ビデオカメラとニポウディスク方式の共焦点スキャナの組み合わせによれば、ニポウディスクの回転同期制御、画像処理手段によるビデオ信号の取得の開始タイミング及び光学制御系による対物レンズの焦点位置の走査開始タイミングが、すべてビデオ信号に同期することになり、共焦点画像の位置精度が向上し、複数のスライス画像を取得する際に個々の取得時間のばらつきがなくなるので、信頼性の高いスライス画像が得られる。 As in the embodiment, according to the combination of the high-speed video camera having an imaging period sufficiently shorter than the time lapse period and the Niipou disc confocal scanner, the Nipo disc rotation synchronization control, the video signal acquisition start timing by the image processing means, and the optical The scanning start timing of the focus position of the objective lens by the control system is all synchronized with the video signal, the position accuracy of the confocal image is improved, and there is variation in individual acquisition time when acquiring multiple slice images Therefore, a highly reliable slice image can be obtained.
1 高速ビデオカメラ
1a CCDセンサ
2 共焦点スキャナ
2a ダイクロイックミラー
3 顕微鏡
4 アクチュエータ
5 対物レンズ
6 ステージ
7 試料
8 画像処理手段
9 画像データベース
10 タイムラプス周期設定手段
11 任意波形発生器
12 アクチュエータドライバ
100 タイムラプス管理手段
101 差分値演算手段
102 タイムラプス制御手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 High-speed video camera
Claims (2)
取り込んだ画像と所定個数前に取り込んだ画像との差から求めた差分値を演算する差分値演算手段と、
前記差分値に基づいて前記タイムラプス周期を変更するタイムラプス制御手段と、
を備え、
前記タイムラプス制御手段は、前記差分値が所定のスレッシュホールド値を超えたときに、前記差分値が前回演算された差分値より大きくなる場合には変化の加速期間とみなして前記タイムラプス周期を短く調整すると共に、前記差分値が前回演算された差分値より小さくなる場合には変化の減速期間とみなして前記タイムラプス周期を長く調整することを特徴とする共焦点顕微鏡システム。 A sample is irradiated with laser light input to the confocal scanner through a microscope, a confocal image is formed by imaging the return fluorescence from the sample, the captured data is captured at a predetermined time lapse period, and image processing is performed. In a confocal microscope system
Difference value calculating means for calculating a difference value obtained from the difference between the captured image and the image captured a predetermined number of times ago;
Time-lapse control means for changing the time-lapse period based on the difference value;
Equipped with a,
The time lapse control means adjusts the time lapse period to be shorter when the difference value exceeds a predetermined threshold value and the difference value becomes larger than a previously calculated difference value, and is regarded as an acceleration period of change. In addition, the confocal microscope system is characterized in that when the difference value is smaller than the previously calculated difference value, the time lapse period is adjusted to be longer by considering the change deceleration period.
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