JP5227209B2 - 自動分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、生物発光や化学発光，電気化学発光による蛍光や燐光の微量な光の発光の定量測定を行う自動分析装置に関する。

被測定物質と特異的に結合する物質に標識物質をつけ、その標識物質を定性・定量的に測定することで被測定物質の定性・定量分析を行う技術が知られている。

この技術は、生体サンプル中の抗原、抗体、あるいは酵素の存在の有無の判定や、特定の配列の遺伝子の有無を測定する方法に適用されている。標識としては過去には放射性物質などを利用していた時代もあったが、放射能の問題等で手軽に扱うには問題があり、近年では光を発する物質を標識として用いることが一般的である。

特に、被測定物質と特異的に結合する物質を基板表面の特定領域に固定化することで、被測定物質を特定領域に捕捉し、基板表面に捕捉した被測定物質に対して標識し、標識物質からの光を結像光学系により撮像素子へ投影することで、特定領域に存在する標識物質量を定量化する方法が知られている。

この方法により、検査領域の局所限定化、また被測定物質の特定領域集積による高密度化により高いS/Ｎを実現でき、微量測定が可能となる。

さらに、同一基板内あるいは複数基板内における複数領域にそれぞれ異なる被測定物質と特異的に結合する物質を固定化し、一度に複数領域を撮像することにより多種類の被測定物質の定性・定量分析を行うことが可能となる。一度の測定により複数項目の検査が可能であるため、検体量や反応試薬量の微量化、検査結果出力の迅速化が可能である。

自動分析装置における撮像システムにおいて、撮像面上に存在する標識からの光は、結像光学系によって撮像素子へ伝達されるが、単位撮像素子あたりに投影される光量が光学倍率、フォーカス位置に依存する。

つまり、光学倍率が高ければ、単位撮像素子当りに投影される光量は低下し、光学倍率が低い場合、単位撮像素子当りに投影される光量は増加する。

また、フォーカス位置からずれた場合にも、像が広がってしまい単位撮像素子当りに投影される光量が低下する。

このように、光学倍率、フォーカス位置の違いによって撮像素子から得られる信号量が変動してしまうため、分析結果の信頼性を保証するため、分析装置においては所定の倍率、フォーカス位置で撮像されているか確認する必要がある。

このような確認は被測定対象物質の量が極微量なものであるほど重要である。

光学倍率が被写界深度内で一定で変動が小さい光学系としてテレセントリック光学系が知られている。テレセントリックレンズにおいては、物体面がフォーカス面から変動した場合においても、結像面での主光線位置変動が少ないために倍率変動が小さい。

なお、関連する公知技術としては、特許文献１に記載された技術がある。この特許文献１に記載された技術は、製造時間の短縮、製造コストの低減を目的とし、母体ＤＮＡチップとの直接接触により、チップ上の各セルの相互位置が保持されたまま転写されて得られる複製ＤＮＡチップ用基板である。

特開２００３−２８８６５号公報

上述したテレセントリック光学系は、倍率変動が小さいものの、物体面がフォーカス位置からずれた場合には、ボケが発生する。テレセントリック光学系は、倍率及びフォーカスが比較的変動しにくいため検査装置の光学系に利用されているが、開口率が比較的低く、高価な光学系になってしまうため、安価でかつ微量測定が可能な明るい光学系を実現するには適していない。

一方、比較的安価に製作できるマクロレンズなどの他の光学系においては、光学倍率は一般的にレンズと物体間距離、レンズと撮像素子間距離の関係により決定され、物体面がフォーカス位置から変動した場合には光学倍率が変動すると共に像にボケを発生させる。

上記光学系と比較して倍率、フォーカス位置ともに変動しやすい光学系であるが、バックフォーカスやワーキングディスタンスを長くとることにより物体面が被写界深度内でフォーカス位置から変動があった場合でも主光線のズレが撮像素子の空間分解能以内である光学系とすることも可能である。

いずれの光学系にしても、物体面、撮像面がフォーカス位置からずれた場合には、ボケを発生させることは回避できないが、主光線がつくりだす像の光学倍率に限っては、被写界深度内で物体面あるいは撮像素子面がフォーカス位置から変動し像にぼけが発生してしまった場合においても、撮像システムの被写界深度内で一定とすることが出来る。

このように光学系自体が元来保有する特性として、フォーカス位置のずれによるボケと、倍率の変動が想定されるため、微量分析を行う装置においては倍率が一定であることと、ぼけていないことをなんらかの方法により確認し、分析結果の信頼性を確保する必要がある。

従来の技術においては、倍率確認には標準スケール等の既知長さの物体を撮像し、外形などの物体そのものの実寸法と撮影した像寸法とを比較することで行う。この方法の場合、物体の輪郭を抽出する必要や主光線位置を特定するために特別な画像処理が必要である。

また、フォーカス位置の確認においては、標準スケールを利用せずとも検査チップの撮像画像を微分計算することにより確認する方法が知られているが、倍率を同時には確認することが出来ない。

本発明の目的は、光学系の倍率と対象物がフォーカス位置からずれているか否かを高速かつ正確に確認可能な自動分析装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。

被測定物質を撮像する撮像光学系と、この撮像光学系を制御すると共に、撮像光学系により、撮像された画像に基いて被測定物質を解析する演算制御部とを有する自動分析装置において、少なくとも、被測定物質を含まない確認用物質が一定の距離で複数個、等間隔に配列された基板と、上記撮像光学系により撮像された上記基板に配列された複数個の確認用物質の画像情報から、位置的周期情報を算出し、算出した周期情報に基づいて、上記撮像光学系の倍率を算出すると共に被測定物質に対するフォーカス位置が適正か否かを判定する倍率及びフォーカス位置判定部とを備える。

光学系の倍率と対象物がフォーカス位置からずれているか否かを高速かつ正確に確認可能な自動分析装置を実現することができる。
測定が可能な自動分析装置を実現できる。

本発明の第１の実施例における概略動作ブロック図である。 本発明の第１の実施例の説明図である。 本発明の第２の実施例の説明図である。

以下、本発明の実施例について、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例における概略動作ブロック図である。図１において、チップ搬送部１上にチップ（基板）２が配置されている。チップ搬送部１により、複数チップ２が、レンズ３の下に位置する箇所に順次搬送される。

チップ２の被測定物質は、レンズ３を介して撮像素子４により撮像され、データメモリ５に格納される。データメモリ５に格納されたデータは、倍率及びフォーカス位置判定部７の高速フーリエ変換部７１に供給される。高速フーリエ変換部７１により、フーリエ変換されたデータは、倍率・フォーカス位置判断部７２に供給され、撮像倍率及びフォーカス位置が判断される。そして、その判断結果は、表示部８に供給され、表示される。

演算制御部６は、データメモリ５に格納されたデータに基づいて、被測定物質を分析（解析）する。分析結果は、表示部８等に表示される。さらに、演算制御部６は、レンズ３、撮像素子４、データメモリ５、倍率及びフォーカス位置確認部７の動作を制御し、倍率及びフォーカス位置を調整する。

図２は、本発明の第１の実施例の説明図である。本発明の第１の実施例は、基板上に倍率測定用の周期パターンを持つものを撮像する場合の例である。

図２の（Ａ）において、チップ２上には、各被測定対象物２ａ〜２ｄの実際の中心位置が等間隔ｙとなるように配置されている。そして、チップ２の複数の被測定物質２ａ〜２ｄを含む領域は、光学倍率Ａの撮像光学系で得られた画像では、等間隔Ｙとなっている。

被測定物質を含む領域２ａ〜２ｄは、蛍光標識による蛍光や反射光により判別可能な物質や構造物からなり、被測定物質と同じ焦点面にあり、かつ被測定物質が含まれる領域であることが判別できればどんなものでも構わない。

複数の被測定領域２ａ〜２ｄを含む解析領域２０は、実際の中心位置が等間隔ｙとなるように配置されているが、間隔ｙは被測定物質を含む領域が互いに重ならなければ、任意の大きさでよい。

得られた光学画像において、複数の被測定物質２ａ〜２ｄを含む領域２０を包含する領域で、空間の周期構造（位置的周期情報）を求める。

空間の周期構造を求める空間周波数解析のひとつの方法として、高速フーリエ変換を利用することが出来る。解析に用いる被測定物質を含む領域の数は、２個から可能であるが、数が多いほど望ましい。図２の例では、説明のため被測定物質を含む領域が等間隔で並ぶ方向についての解析結果を示してある。つまり、上記等間隔で並ぶ方向の輝度データを算出し、算出した輝度データを高速フーリエ変換部７１により高速フーリエ変換する。

図２の（Ｂ）は、高速フーリエ変換した結果のグラフであり、縦軸が輝度強度、横軸が空間周波数を示す。

図２の（Ｂ）において、第１のピークが空間周波数１/Ｙの位置に観察される。また、物体位置がフォーカス位置にある場合に得られるフォーカス画像で観察された高空間周波数１／Ｙでのピークは、物体位置がフォーカス位置からずれた場合に得られるボケた画像３０においては観察されない。

以上の事象を利用し、得られた画像の空間の周期構造を求めることで、第１のピーク位置１/Ｙにより光学倍率Ａは、Ａ＝Ｙ/ｙで確認することができる。また、物体がフォーカス位置にあるかどうかの確認は、高空間周波数１/Ｙにピークが観察されるか、あるいは1/Ｙ’程度の高空間周波数においてピークが観察されるかによって判定を行うことができる。

この判定は、倍率・フォーカス位置判断部７２により実行され、判定結果は表示部８に表示される。

以上のように、本発明の第１の実施例によれば、チップ２上の複数の被測定物質２ａ〜２ｄを含む領域２０の輝度データを高速フーリエ変換し、ピーク位置から被計測物体がフォーカス位置にあるか否かを判断すると共に、光学像における被測定対象物体間の間隔Ｙと、設定された実際の間隔ｙとから光学倍率Ａを算出し、表示している。

よって、光学系の倍率と対象物がフォーカス位置からずれているか否かを高速かつ正確に確認可能な自動分析装置を実現することができる。

また、煩雑な物体位置、輪郭抽出処理が不要となり装置の画像処理負荷が軽減される。

また、高精度となるよう製作された高価な標準スケールが不要となり、低価格で検査が実施できる。

さらに、信頼性を確保できるため、倍率やフォーカス位置の変動が心配される一般的で安価な光学系により微量測定が可能な自動分析装置を実現できる。

図３は、本発明の第２の実施例の説明図である。装置構成としては、図１に示した例と同等であるので、その図示及び詳細な説明は省略する。

この第２の実施例は、チップ２上に、予め等間隔ｙで配列された複数の領域（確認用物質領域）２２が形成されている。そして、これら複数の領域２２には、被測定物質は含まれず、被測定物質は、領域２１に配置される。被測定物質は、複数個が領域２２と同一の間隔で配置される。複数の領域２２は、倍率算出・フォーカス位置判断用の解析領域２３である。

図３の（Ａ）において、中心位置が等間隔ｙとなるように配置されている複数の被測定物質を含まない領域２２は、光学倍率Ａの撮像光学系で得られた画像では、等間隔Ｙとなっている。被測定物質を含まない領域（確認用物質領域）２２は、蛍光標識による蛍光や反射光により判別可能な物質や構造物からなり、被測定物質を含む領域２１と同じ焦点面にあればどんなものでも構わない。

複数の被測定領域を含まない領域２２、中心位置が等間隔ｙとなるよう配置されているが、ｙは被測定物質を含まない領域２２が互いに重ならなければ、任意の大きさでよい。この画像において、複数の被測定物質を含まない領域２２を包含する領域２３で、空間の周期構造を求める。

空間の周期構造を求める空間周波数解析の一つの方法として、第１の実施例と同様に、高速フーリエ変換を利用することが出来る。解析に用いる被測定物質を含まない領域２２の数は、２個から可能であるが、数が多いほど望ましい。図３の（Ｂ）に示した例では、説明のため被測定物質を含まない領域２２が等間隔で並ぶ方向についての解析結果を示してある。

図３の（Ｂ）において、第１のピークが空間周波数１/Ｙの位置に観察される。また、物体位置がフォーカス位置にある場合に得られるフォーカス画像で観察された高空間周波数１/Ｙでのピークは、物体位置がフォーカス位置からずれた場合に得られる、ボケた画像では、観察されない。

以上の事象を利用し、得られた画像の空間の周期構造を求めることで、第１のピーク位置１/Ｙにより光学倍率Ａは、Ａ＝Ｙ/ｙで確認することができる。また、物体がフォーカス位置にあるかどうかの確認は、高空間周波数１/Ｙにピークが観察されるか、あるいは１/Ｙ‘程度の高空間周波数においてピークが観察されるかによって判定を行うことができる。

本発明の第２の実施例においても、第１の実施例と同様な効果を得ることができる。

本発明の第３の実施例としては、第２の実施例における、チップ２において、被測定物質２１を含まず、確認用物質領域２２のみ配置された、倍率及びフォーカス位置判断専用のチップ２により、倍率の算出、フォーカス位置の判断を行う例である。

この第３の実施例においても、第１、第２の実施例と同様な効果を得ることができる。

１・・・チップ搬送部、 ２・・・チップ、２ａ〜２ｄ・・・被測定物質を含む領域、３・・・レンズ、 ４・・・撮像素子、 ５・・・データメモリ、６・・・制御部（解析部）、７・・・倍率及びフォーカス位置判定部、 ８・・・表示部、 ２０、２１・・・解析領域、２２・・・被測定物質を含まない領域、３０・・・ボケた画像、 ３１・・・フォーカス画像、 ７１・・・高速フーリエ変換部、７２・・・光学倍率演算・フォーカス位置判断部

Claims (9)

1. 被測定物質を撮像する撮像光学系と、この撮像光学系を制御すると共に、撮像光学系により、撮像された画像に基づいて被測定物質を解析する演算制御部とを有する自動分析装置において、
   被測定物質が、一定の距離で複数個、等間隔に配列された基板と、
   上記撮像光学系により撮像された上記基板に配列された複数個の被測定物質の画像情報から得られた輝度データをフーリエ変換し、このフーリエ変換した画像の空間周期構造のピーク位置を算出し、算出したピーク位置に基づいて上記被測定物質に対するフォーカス位置が適正か否かを判定し、上記ピーク位置と上記基板における上記一定の距離とに基づいて、上記撮像光学系の倍率を算出する倍率及びフォーカス位置判定部と、
   を備えることを特徴とする自動分析装置。
2. 請求項１記載の自動分析装置において、上記倍率及びフォーカス位置判定部が判定した上記撮像光学系の倍率及びフォーカス位置が適正か否かを表示する表示部を備えることを特徴とする自動分析装置。
3. 請求項２記載の自動分析装置において、上記倍率及びフォーカス位置判定部は、上記基板の上記一定の距離の逆数と、上記ピーク位置の逆数とを乗算して上記倍率を算出することを特徴とする自動分析装置。
4. 被測定物質を撮像する撮像光学系と、この撮像光学系を制御すると共に、撮像光学系により、撮像された画像に基づいて被測定物質を解析する演算制御部とを有する自動分析装置において、
   被測定物質が、一定の距離で複数個、等間隔に配列されるとともに、被測定物質を含まない確認用物質が上記一定の距離で複数個、上記等間隔に配列された基板と、
   上記撮像光学系により撮像された上記基板に配列された複数個の確認用物質の画像情報から得られた輝度データをフーリエ変換し、このフーリエ変換した画像の空間周期構造のピーク位置を算出し、算出したピーク位置に基づいて上記確認用物質に対するフォーカス位置が適正か否かを判定し、上記ピーク位置と上記基板における上記一定の距離とに基づいて、上記撮像光学系の倍率を算出する倍率及びフォーカス位置判定部と、
   を備えることを特徴とする自動分析装置。
5. 請求項４記載の自動分析装置において、上記倍率及びフォーカス位置判定部が判定した上記撮像光学系の倍率及びフォーカス位置が適正か否かを表示する表示部を備えることを特徴とする自動分析装置。
6. 請求項５記載の自動分析装置において、上記倍率及びフォーカス位置判定部は、上記基板の上記一定の距離の逆数と、上記ピーク位置の逆数とを乗算して上記倍率を算出することを特徴とする自動分析装置。
7. 被測定物質を撮像する撮像光学系と、この撮像光学系を制御すると共に、撮像光学系により、撮像された画像に基づいて被測定物質を解析する演算制御部とを有する自動分析装置において、
   被測定物質を含まない確認用物質が、一定の距離で複数個、等間隔に配列された基板と、
   上記撮像光学系により撮像された上記基板に配列された複数個の確認用物質の画像情報から得られた輝度データをフーリエ変換し、このフーリエ変換した画像の空間周期構造のピーク位置を算出し、算出したピーク位置に基づいて上記確認用物質に対するフォーカス位置が適正か否かを判定し、上記ピーク位置と上記基板における上記一定の距離とに基づいて、上記撮像光学系の倍率を算出する倍率及びフォーカス位置判定部と、
   を備えることを特徴とする自動分析装置。
8. 請求項７記載の自動分析装置において、上記倍率及びフォーカス位置判定部が判定した上記撮像光学系の倍率及びフォーカス位置が適正か否かを表示する表示部を備えることを特徴とする自動分析装置。
9. 請求項８記載の自動分析装置において、上記倍率及びフォーカス位置判定部は、上記基板の上記一定の距離の逆数と、上記ピーク位置の逆数とを乗算して上記倍率を算出することを特徴とする自動分析装置。

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