JP5214455B2 - 空間変調光学力顕微鏡検査を使用して細胞の変形能を検出するための装置および方法 - Google Patents
空間変調光学力顕微鏡検査を使用して細胞の変形能を検出するための装置および方法 Download PDFInfo
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Description
I(x,y;n)=|E0|2+|E1(x,y)|2
+|E0||E1(x,y)|cos[Δφ(x,y)+nπ/2]
ただしn=0、1、2、3 (式1)
によって与えられる。
Δφ(x,y)は、E0とピクセル位置(x、y)におけるE1(x、y)との間の位相差であって下記の数式、
tan(Δφ(x,y))=[I(3)−I(1)]/[I(0)−I(2)]
(式2)
によって与えられる。
Eフィールドの位相分布φ(x、y)は下記の数式、
φ(x,y)=tan-1{β(x,y)sin[Δφ(x,y)]/(1+β(x,y)cos[Δφ(x,y)])}
(式3)
および、
β(x,y)=|E1(x,y)|/|E0|
=Y[I(x,y;0)]−I(x,y;2)+I(x,y;3)−I(x,y;1)]/[sin[Δφ(x,y)]+cos[Δφ(x,y)]]
(式4)
によって与えられる。
ここで、Y=1/4|E0|2である。
Claims (57)
- 複数の物体の変形を検出するための装置であって、
光学的に発生した力を前記物体の各々に印加するレーザビームを放射するためのレーザ装置を備えた第1の光源と、
低コヒーレンス光源でありかつ前記物体の広視野照明を提供する第2の光源と、
前記低コヒーレンス光源によって照明されて画像が形成される前記複数の物体を支持する支持機構と、
前記低コヒーレンス光源から照明された後、前記支持機構上に配置された前記物体の前記画像をフーリエ変換するためのフーリエレンズと、
前記フーリエレンズから前記物体の前記画像を受取りかつ予め定められた方法で前記画像を位相偏移する空間光変調器と、
前記光学的に発生した力が前記物体の各々に印加される前と印加された後との前記物体の画像中に生成された位相偏移に基づいて前記物体の光路長の変化を検出しかつ光学的な変形能の計測値を生成する第1の画像形成機構と、
を備えた前記複数の物体の変形を検出するための装置。 - 前記レーザは、ホログラフィック光学トラッピング機構の1つの要素である、請求項1に記載の装置。
- 前記物体は付着細胞である、請求項2に記載の装置。
- 前記物体を照明するランプを備えた第3の光源と、
前記第1の画像形成機構のために可視光帯域が前記物体を照明するため及び前記低コヒーレンス光源、及び前記レーザからの光を排除するための第1の帯域フィルタから現れることを可能にする、前記ランプより下流で前記支持機構より上流に配置された第1の帯域フィルタと、
を更に備える、請求項3に記載の装置。 - 前記空間変調器は、空間変調光学力顕微鏡検査機構の1つの要素である、請求項4に記載の装置。
- 前記ホログラフィック光学トラッピング機構は、対物レンズを含む顕微鏡を含み、前記顕微鏡は、前記支持機構上に配置された非晶質フッ素重合体で被覆されたカバーガラスを備え、
前記細胞は非晶質フッ素重合体で被覆されたカバーガラス上で成長する、請求項3に記載の装置。 - 前記カバーガラスはタンパク質で被覆される、請求項6に記載の装置。
- 前記低コヒーレンス光源は超光発光ダイオードである、請求項1に記載の装置。
- 前記低コヒーレンス光源はレーザである、請求項1に記載の装置。
- 前記ホログラフィック光学トラッピング機構は、対物レンズを更に備え、
前記ホログラフィック光学トラッピング機構の前記レーザから発生した光ビームは前記対物レンズの後方開口に焦点合わせされる、請求項6に記載の装置。 - 前記レーザのパワーの大きさと前記細胞に印加される光学的に発生した力とを制御する、前記レーザの出力開口に配置されるコンピュータ制御レーザ減衰器を更に備える、請求項6に記載の装置。
- 前記ホログラフィック光学トラッピング機構は光学力を前記細胞に与えるために前記細胞にビームレットを印加するように前記レーザからの波面を修正する、請求項11に記載の装置。
- 前記ホログラフィック光学トラッピング機構は、回折光学素子を更に備え、
前記ビームレットは前記回折光学素子によって形作られる、請求項12に記載の装置。 - 前記ビームレットは圧力を前記細胞に同時に印加する光学力探査子として働く、請求項12に記載の装置。
- 前記空間光変調器はプログラム可能位相変調器である、請求項1に記載の装置。
- 前記空間変調光学力顕微鏡機構は、
前記細胞の各々の位相偏移を画像形成する第2の画像形成機構を更に備え、
前記低コヒーレンス光源からの送られた光が、前記第2の画像形成機構を用いて前記空間光変調器によって、前記細胞の前記画像の位相偏移に加えた前記細胞の修正されていない画像の重ね合せとして撮影される、請求項5に記載の装置。 - 前記空間光変調器と前記第2の画像形成機構と前記ホログラフィック光学トラッピング機構と前記コンピュータ制御レーザ減衰器とを統合するコンピュータ制御インタフェースを更に備える、請求項11に記載の装置。
- 前記空間光変調器の前に配置され、前記低コヒーレンス光源からの光だけが前記第2の画像形成機構上に撮像されることを許す第2の帯域フィルタを更に備えた、請求項17に記載の装置。
- 前記未修正画像のDC成分の位相は前記空間光変調器によって4回の位相偏移を介して進められ、前記結果として得られた4個の位相偏移画像は前記DCと前記位相偏移画像の空間的に変化するフィールドとの干渉を記憶する、請求項16に記載の装置。
- 前記位相偏移の各々はこのピクセル位置で光が受ける光路長変化と同等である、請求項19に記載の装置。
- 前記空間変調光学力顕微鏡機構は、前記画像の焦点面に配置された補正レンズを更に備える、請求項16に記載の装置。
- 前記空間光変調器は各ピクセルに関して少なくとも8ビットの解像度で0から2πの間で独立の位相制御を有する個別にアドレス可能な2次元液晶アレイである、請求項21に記載の装置。
- 前記空間変調光学力顕微鏡機構は、前記補正レンズよりも下流で前記フーリエレンズより上流に配置された偏光子を更に備え、
前記液晶アレイへの入射光は前記液晶アレイの分子軸の方向に整合するように偏光させられる、請求項22に記載の装置。 - 前記空間変調光学力顕微鏡機構は、前記偏光子より下流で前記フーリエレンズより上流に配置されたビームスプリッタを更に備え、
前記空間光変調器から反射された位相変調画像は前記ビームスプリッタからの反射によって前記第2の画像形成機構上に画像形成される、請求項23に記載の装置。 - 前記光学的変形能の測定は前記物体の歪みを測定することを含む、請求項1に記載の装置。
- 前記歪みはL’−L/Lとして定義され、ここで、Lは、光学力が存在しないときの前記物体の各々の前記光路長の測定値であり、L’は前記光学的に発生した力が印加された後の前記物体の各々の前記光路長の測定値である、請求項25に記載の装置。
- 光学的変形能の前記測定値は前記物体の粘弾性または弾性の変化が病気または損傷の確認を与えるかどうかを決定するために他の以前に測定された物体の光学的変形能と比較される、請求項25に記載の装置。
- 前記物体の前記光学的変形能は測定されて、細胞骨格的/構造的タンパク質発現の測定値と相関付けられる、請求項27に記載の装置。
- 前記タンパク質はビメンチンである、請求項28に記載の装置。
- レーザビームを発生するレーザを用いて細胞に光学的に発生した力を印加することと、
前記細胞の広視野照明を提供しかつ前記細胞の画像を形成する低コヒーレンス光源を用いて基板上の前記細胞を照明することと、
フーリエレンズを用いて、前記低コヒーレンス光源からの照明の後に前記基板に配置された前記細胞の画像を変形することと、
予め定められた方法で前記画像を位相偏移する空間光変調器上で前記画像を受け取ることと、
前記光学的に発生した力が前記物体の各々に印加される前と印加された後との前記物体の画像中に生成された位相偏移に基づいて前記細胞の各々の光路長における差を決定することと、
他の変形していない細胞の光路長と前記差を比較することにより前記細胞の光学的な変形能を決定することと、
を備えている
複数の細胞における変形能の測定値を検出する方法。 - 前記レーザは、ホログラフィック光学トラッピング機構の一部である、請求項30に記載の方法。
- 前記細胞は付着細胞である、請求項30に記載の方法。
- 前記照明するステップは、
ランプを用いて前記細胞を照明することと、
第1の画像形成機構のために前記細胞を照明しかつ前記低コヒーレンス光源及び前記レーザからの光を排除する第1の帯域フィルタを使用して可視光帯域が前記細胞を照明することを可能にすることと、
前記第1の画像形成機構によって前記照明された物体を観察することとを備える、請求項30に記載の方法。 - 前記細胞のよりよい計測値のために、前記照明することよりも前に、前記細胞を、非晶質フッ素重合体で被覆されたカバーガラス上で成長することを更に備える、請求項32に記載の方法。
- 前記カバーガラスはタンパク質で被覆される、請求項34に記載の方法。
- 前記低コヒーレンス光源は超光発光ダイオードである、請求項30に記載の方法。
- 前記低コヒーレンス光源はレーザである、請求項30に記載の方法。
- 前記ホログラフィック光学トラッピング機構の前記レーザから発生した光ビームを前記ホログラフィック光学トラッピング機構の対物レンズの後方開口に焦点合わせして、前記光学的に発生した力を前記細胞に印加することを更に備える、請求項31に記載の方法。
- 前記レーザのパワーの大きさと前記細胞に印加される光学力とを、前記レーザの出力開口に配置されたコンピュータ制御レーザ減衰器によって制御することを更に備える、請求項38に記載の方法。
- 前記物体にビームレットを前記細胞に印加するために前記ホログラフィック光学トラッピング装置を使用して前記レーザからの波面を修正することを更に備える、請求項39に記載の方法。
- 前記ビームレットは前記ホログラフィック光学トラッピング機構の回折光学素子によって形作られる、請求項40に記載の方法。
- 前記光学的に発生した力を前記細胞に印加することは、
光学力探査子として前記ビームレットを使用することによって圧力を前記細胞に同時に印加することを更に備える、請求項40に記載の方法。 - 第2の画像形成機構を用いて前記細胞の各々の位相偏移を画像形成することと、
前記第2の画像形成機構を使用して、前記細胞の前記画像の位相偏移に加えて前記細胞の未修正画像の重ね合わせとして前記低コヒーレンス光源からの送られた光を画像形成することと、を更に備える、請求項42に記載の方法。 - 前記空間光変調器はプログラム可能位相変調器である、請求項43に記載の方法。
- 前記空間光変調器の前に配置された第2の帯域フィルタを使用して第2の画像形成機構上に前記低コヒーレンス光源からの光を画像形成することを更に備える、請求項43に記載の方法。
- コンピュータ制御インタフェースを使用して、空間変調光学力顕微鏡の一部である前記空間光変調器と、前記第2の画像形成機構と、前記ホログラフィック光学トラッピング機構と、前記ホログラフィック光学トラッピング機構の前記コンピュータ制御レーザ減衰器と、を統合することを更に備える、請求項45に記載の方法。
- 前記ホログラフィック光学トラッピング機構のレーザによって印加された光学的に発生した力の結果としての前記細胞の前記光路長の前記差を定量的に測定することを更に備える、請求項45に記載の方法。
- 前記画像形成することは、
前記細胞の未修正画像のDC成分の位相の4回の位相偏移を進めることを更に備え、前記結果として得られた前記細胞の4個の位相偏移画像は前記DCと前記細胞の前記位相偏移画像の空間的に変化するフィールドとの干渉を記憶する、請求項43に記載の方法。 - 前記空間光変調器は各ピクセルに関して少なくとも8ビットの解像度で0から2πの間で独立の位相制御を有する個別にアドレス可能な2次元液晶アレイである、請求項46に記載の方法。
- 前記液晶アレイの分子軸の方向に整合するように、前記フーリエレンズの前に配置された偏光子を用いて前記液晶アレイへの入射光を偏光させることを更に備える、請求項49に記載の方法。
- 前記空間光変調器から反射された位相変調画像をビームスプリッタからの反射によって前記第2の画像形成機構上に画像形成することを更に備える、請求項50に記載の方法。
- 前記光学的変形能の計測値を決定するために前記細胞の歪みを測定することを更に備える、請求項30に記載の方法。
- 前記歪みはL’−L/Lとして定義され、ここで、Lは、光学力が存在しないときの前記細胞の1つの前記光路長の測定値であり、L’は光学的に発生した力が印加された後の前記細胞の1つの前記光路長の測定値である、請求項52に記載の方法。
- 前記画像形成された細胞の粘弾性または弾性が病気または損傷の確認を与えるかどうかを決定するために光学的変形能の前記測定値を前記変形していない細胞の光学的変形能と比較することを更に備える、請求項53に記載の方法。
- 細胞骨格的/構造的タンパク質発現が病気または損傷の確認であるかどうかを決定するために前記画像形成された細胞の前記光学的変形能を測定して、前記細胞骨格的/構造的タンパク質発現の測定値と相関付けることを更に備える、請求項54に記載の方法。
- 前記タンパク質はビメンチンである、請求項55に記載の方法。
- 前記変形能を測定するために前記物体に印加される光学的に発生した力は非光学的である、請求項1に記載の装置。
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