JP5468805B2 - Image analysis method and image analysis apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、画像解析方法および画像解析装置に関する。 The present invention relates to an image analysis method and an image analysis apparatus.
従来、ラスターイメージ相関分光法(RICS:Raster Image Correlation Spectroscopy)として以下の非特許文献1,2に示すような方法が提案されている。この画像解析方法において、1フレーム以上のラスター走査画像からなる蛍光画像を取得する。つまり、画像解析したい試料において、興味を持っている領域を決め、その領域をラスター走査方式で繰り返しスキャンし、複数フレームの蛍光強度からなる画像を取得する。フレーム中の蛍光強度はピクセル単位でデータとして表わされている。これらのピクセル単位のデータ(ピクセルのデータ)は、それぞれ取得された時間および取得された位置が異なるため、各データに対応する取得時間および取得位置はずれている。 Conventionally, methods as shown in the following non-patent documents 1 and 2 have been proposed as Raster Image Correlation Spectroscopy (RICS). In this image analysis method, a fluorescence image composed of a raster scan image of one frame or more is acquired. In other words, an area of interest is determined in the sample to be image-analyzed, and the area is repeatedly scanned by the raster scanning method to obtain an image composed of a plurality of frames of fluorescence intensity. The fluorescence intensity in the frame is expressed as data in pixel units. These pieces of pixel data (pixel data) have different acquisition times and acquisition positions, and therefore the acquisition times and acquisition positions corresponding to the respective data are shifted.
したがって、これらのピクセルのデータを用いて、空間自己相関解析することで、分子の揺らぎによる相関特性を得ることができる。ここで、分子の相関特性からは、拡散定数や分子数を求めることができる。また、拡散定数からは、分子拡散時間を求めることができる。 Therefore, correlation characteristics due to molecular fluctuations can be obtained by performing spatial autocorrelation analysis using data of these pixels. Here, the diffusion constant and the number of molecules can be obtained from the correlation characteristics of the molecules. Further, the molecular diffusion time can be obtained from the diffusion constant .
このように、空間自己相関解析をすることで、拡散時間や分子数等を評価することができるため、分子間の相互作用を観察することが可能である。 In this way, by performing the spatial autocorrelation analysis, the diffusion time , the number of molecules, and the like can be evaluated, so that the interaction between molecules can be observed.
RICSの解析における観察範囲は、ラスター走査により取得した1フレーム中の各データに対応する取得時間および取得位置のずれに制限される。例えば、256ピクセル×256ピクセルの蛍光画像データにおいて、観察可能な分子拡散時間の最大値tdは、256×τp+255×τlである。なお、簡単のため、任意のラインの最後のピクセルと、その次のラインの最初のピクセルと、の間の取得時間のずれを、τpと近似している。 The observation range in the RICS analysis is limited to the shift of the acquisition time and acquisition position corresponding to each data in one frame acquired by raster scanning. For example, in the fluorescence image data of 256 pixels × 256 pixels, the maximum value t d of the observable molecular diffusion time is 256 × τ p + 255 × τ 1 . For the sake of simplicity, the shift in acquisition time between the last pixel of an arbitrary line and the first pixel of the next line is approximated to τ p .
ここでτpはピクセル間の取得時間のずれ(ピクセル時間)である。また、τlは任意のラインの最初のピクセルと、その次のラインの最初のピクセルと、の間の取得時間のずれ(ライン時間)である。すなわち、ライン時間は、一ラインを走査するのに要する時間を意味する。この場合、256ピクセルが、1ラインを構成している。 Here, τ p is a shift in acquisition time (pixel time) between pixels. Also, τ l is a shift in acquisition time (line time) between the first pixel of an arbitrary line and the first pixel of the next line. That is, the line time means the time required to scan one line. In this case, 256 pixels constitute one line.
分子拡散時間が短い分子を観察するには、ピクセル時間とライン時間を小さく設定する必要がある。何故なら、ピクセル時間とライン時間を大きく設定すると、分子拡散時間に対する画素間の取得時間のずれが大きいため、十分な回数の相関計算をすることができない。その結果、少ない計算結果に基づいて、フィッティングする必要が生じるため、得られる相関特性の精度が低くなる。 In order to observe a molecule having a short molecular diffusion time, it is necessary to set the pixel time and the line time small. This is because if the pixel time and the line time are set large, the difference in the acquisition time between the pixels with respect to the molecular diffusion time is large, so that a sufficient number of correlation calculations cannot be performed. As a result, since it becomes necessary to perform fitting based on a small number of calculation results, the accuracy of the obtained correlation characteristics is lowered.
一方、分子拡散時間が長い分子を観察するには、ピクセル時間とライン時間を大きく設定する必要がある。何故なら、ピクセル時間とライン時間を小さく設定すると、実際の分子拡散時間が、1フレームで観察可能な分子拡散時間の最大値を越えるため、分子拡散時間を算出することができなくなるからである。 On the other hand, in order to observe a molecule having a long molecular diffusion time, it is necessary to set a large pixel time and line time. This is because if the pixel time and the line time are set to be small, the actual molecular diffusion time exceeds the maximum value of the molecular diffusion time that can be observed in one frame, and the molecular diffusion time cannot be calculated.
ここで、ピクセル時間とライン時間は、走査速度によって決まるため、一度測定が完了すると、得られた画像のデータにおけるピクセル時間およびライン時間の調整ができない。従って、分子の拡散定数等を適切に得るには、測定をする前に、適切なピクセル時間およびライン時間を推測する必要が生じる。 Here, since the pixel time and the line time are determined by the scanning speed, once the measurement is completed, the pixel time and the line time in the obtained image data cannot be adjusted. Therefore, in order to appropriately obtain the diffusion constant of the molecule, it is necessary to estimate an appropriate pixel time and line time before measurement.
しかしながら、ほとんどのサンプルの分子拡散時間は未知数であるため、事前にピクセル時間およびライン時間の設定を推測することは難しい。 However, since the molecular diffusion time of most samples is unknown, it is difficult to estimate the pixel time and line time settings in advance.
本発明の目的は、観察可能な拡散時間を拡張可能な画像解析方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide an image analysis method capable of extending an observable diffusion time.
本発明による画像解析方法は、各画像のピクセルのデータが時系列的に取得された複数のピクセルからなる複数フレームの画像を時系列的に取得する画像取得ステップと、前記画像に対して解析領域を設定する解析領域設定ステップと、前記画像の中から解析に利用する複数のフレームの選定画像を選定する画像選定ステップと、前記選定画像の解析領域内のピクセルのデータに基づいて相関値を算出する計算ステップと、推定拡散時間を推定する推定ステップを有している。前記選定画像の選定は、前記推定拡散時間に基づいて行なう。 An image analysis method according to the present invention includes an image acquisition step of acquiring, in a time series, an image of a plurality of frames including a plurality of pixels in which pixel data of each image is acquired in a time series, and an analysis region for the image An analysis area setting step for setting a correlation value; an image selection step for selecting a selection image of a plurality of frames to be used for analysis from the image; and calculating a correlation value based on pixel data in the analysis area of the selection image And a calculation step for estimating the estimated diffusion time . The selection image is selected based on the estimated diffusion time.
本発明によれば、観察可能な拡散時間を拡張可能な画像解析方法を提供することである。 According to the present invention, an image analysis method capable of extending the observable diffusion time is provided.
以下、図面を参照しながら本実施形態について説明する。 Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態による画像解析装置を概略的に示している。この画像解析装置は、試料の蛍光観察のための走査型共焦点光学顕微鏡をベースに構成されている。 FIG. 1 schematically shows an image analysis apparatus according to the present embodiment. This image analysis apparatus is configured based on a scanning confocal optical microscope for fluorescence observation of a sample.
図1に示すように、画像解析装置100は、試料Sに励起光を照射する光照射部110と、試料S内の測定点から発せられる光を検出する光検出部130と、画像解析に必要な制御を行なう制御部160と、試料Sを支持する試料ステージ190とを有している。 As shown in FIG. 1, the image analysis apparatus 100 is necessary for image analysis, a light irradiation unit 110 that irradiates the sample S with excitation light, a light detection unit 130 that detects light emitted from a measurement point in the sample S, and the like. And a sample stage 190 that supports the sample S.
試料Sはマイクロプレートやスライドガラスなどの試料容器に収容され、試料ステージ190に載置される。試料ステージ190は、例えば、試料Sを光照射部110および光検出部130に対して横方向(xy方向)および高さ方向(z方向)に移動可能に支持する。例えば、試料ステージ190は、出力軸が互いに直交する3つのステッピング・モーターを含んでおり、これらのステッピング・モーターによって試料Sをxyz方向に移動し得る。 The sample S is accommodated in a sample container such as a microplate or a slide glass, and is placed on the sample stage 190. For example, the sample stage 190 supports the sample S so as to be movable in the lateral direction (xy direction) and the height direction (z direction) with respect to the light irradiation unit 110 and the light detection unit 130. For example, the sample stage 190 includes three stepping motors whose output axes are orthogonal to each other, and the sample S can be moved in the xyz direction by these stepping motors.
画像解析装置100は、多重光照射・多重光検出型である。このため、光照射部110はnチャンネルの光源系111を含み、これに対応して光検出部130はnチャンネルの検出系131を含んでいる。nチャンネルの検出系131は、それぞれ、nチャンネルの光源系111から射出された励起光によって生成された蛍光を検出する。ここで、nチャンネルは、チャンネル1、チャンネル2、・・・チャンネルnによって構成される。チャンネルは、励起光の種類によってそれぞれ異なる。 The image analysis apparatus 100 is a multiple light irradiation / multiple light detection type. For this reason, the light irradiation unit 110 includes an n-channel light source system 111, and the light detection unit 130 correspondingly includes an n-channel detection system 131. Each of the n-channel detection systems 131 detects fluorescence generated by the excitation light emitted from the n-channel light source system 111. Here, the n channel includes channel 1, channel 2,... Channel n. The channel differs depending on the type of excitation light.
光照射部110のnチャンネルの光源系111は、光源112a,…,112nとコリメートレンズ114a,…,114nとダイクロイックミラー116a,…,116nとを含んでいる。光源112a,…,112nは、試料Sに含まれる蛍光色素を励起して試料Sから光(蛍光)を発せさせるための励起光を発する。光源112a,…,112nから発せられる励起光の波長は、試料Sに含まれる蛍光色素の種類に対応して、互いに相違している。光源112a,…,112nは、例えば、試料S中の蛍光色素に合った発振波長のレーザー光源で構成される。コリメートレンズ114a,…,114nは、それぞれ、光源112a,…,112nから発せられた励起光をコリメートする。ダイクロイックミラー116a,…,116nは、それぞれ、コリメートレンズ114a,…,114nを通過した励起光を同じ方向に反射する。ダイクロイックミラー116a,…,116nは、それぞれ、図1の上方から入射する励起光を透過し、図1の右方から入射する励起光を反射する。その結果、光源112a,…,112nからそれぞれ射出された異なる波長の励起光は、ダイクロイックミラー116aの通過後に一本のビームに合成される。ダイクロイックミラー116nは、励起光を透過する必要がないので、単なるミラーに変更されてもよい。 The n-channel light source system 111 of the light irradiation unit 110 includes light sources 112a,..., 112n, collimating lenses 114a,..., 114n, and dichroic mirrors 116a,. The light sources 112a,..., 112n emit excitation light for exciting the fluorescent dye contained in the sample S to emit light (fluorescence) from the sample S. The wavelengths of the excitation light emitted from the light sources 112a,..., 112n are different from each other corresponding to the type of fluorescent dye contained in the sample S. The light sources 112a,..., 112n are constituted by, for example, laser light sources having an oscillation wavelength suitable for the fluorescent dye in the sample S. The collimating lenses 114a,..., 114n collimate the excitation light emitted from the light sources 112a,. The dichroic mirrors 116a,..., 116n reflect the excitation light that has passed through the collimating lenses 114a,. Each of the dichroic mirrors 116a,..., 116n transmits the excitation light incident from above in FIG. 1 and reflects the excitation light incident from the right side in FIG. As a result, the excitation lights having different wavelengths respectively emitted from the light sources 112a,..., 112n are combined into one beam after passing through the dichroic mirror 116a. The dichroic mirror 116n does not need to transmit the excitation light, and may be changed to a simple mirror.
光照射部110はさらに、ダイクロイックミラー122とガルバノミラー124と対物レンズ126と対物レンズ駆動機構128を含んでいる。ダイクロイックミラー122は、光源系111からの励起光をガルバノミラー124に向けて反射し、試料Sから発せられる蛍光を透過する。ガルバノミラー124は、励起光を対物レンズ126に向けて反射するとともに、その反射方向を変更する。対物レンズ126は、励起光を収束して試料S内の測定点に照射するとともに、試料S内の測定点からの光を取り込む。対物レンズ126には、微小な共焦点領域(測定点)の形成のために、NA(開口数)の大きいものが使用される。これにより得られる共焦点領域の大きさは、直径0.6μm程度、長さ2μm程度の略円筒状となる。ガルバノミラー124は、測定点をxy方向に走査するxy走査手段を構成している。xy走査手段は、ガルバノミラーを使用して構成するほかに、音響光学変調素子(AOM)やポリゴンミラー、ホログラムスキャナーなどを使用して構成してもよい。対物レンズ駆動機構128は、対物レンズ126を光軸に沿って移動させる。これにより、測定点がz方向に移動される。つまり、対物レンズ駆動機構128は、測定点をz方向に走査するz走査手段を構成している。 The light irradiation unit 110 further includes a dichroic mirror 122, a galvano mirror 124, an objective lens 126, and an objective lens driving mechanism 128. The dichroic mirror 122 reflects the excitation light from the light source system 111 toward the galvanometer mirror 124 and transmits the fluorescence emitted from the sample S. The galvanometer mirror 124 reflects the excitation light toward the objective lens 126 and changes the reflection direction thereof. The objective lens 126 converges the excitation light and irradiates the measurement point in the sample S, and takes in the light from the measurement point in the sample S. An objective lens 126 having a large NA (numerical aperture) is used to form a minute confocal region (measurement point). The confocal region thus obtained has a substantially cylindrical shape with a diameter of about 0.6 μm and a length of about 2 μm. The galvanometer mirror 124 constitutes xy scanning means for scanning the measurement point in the xy direction. The xy scanning unit may be configured using an acousto-optic modulation element (AOM), a polygon mirror, a hologram scanner, or the like in addition to using a galvano mirror. The objective lens driving mechanism 128 moves the objective lens 126 along the optical axis. Thereby, the measurement point is moved in the z direction. That is, the objective lens driving mechanism 128 constitutes z scanning means for scanning the measurement point in the z direction.
光検出部130は、対物レンズ126とガルバノミラー124とダイクロイックミラー122を光照射部110と共有している。光検出部130はさらに、収束レンズ132とピンホール134とコリメートレンズ136とを含んでいる。収束レンズ132は、ダイクロイックミラー122を透過した光を収束する。ピンホール134は、収束レンズ132の焦点に配置されている。つまり、ピンホール134は、試料S内の測定点に対して共役な位置にあり、測定点からの光だけを選択的に通す。コリメートレンズ136は、ピンホール134を通過した光を平行にする。コリメートレンズ136を通過した光は、nチャンネルの検出系131に入射する。 The light detection unit 130 shares the objective lens 126, the galvano mirror 124, and the dichroic mirror 122 with the light irradiation unit 110. The light detection unit 130 further includes a converging lens 132, a pinhole 134, and a collimating lens 136. The converging lens 132 converges the light transmitted through the dichroic mirror 122. The pinhole 134 is disposed at the focal point of the converging lens 132. That is, the pinhole 134 is in a conjugate position with respect to the measurement point in the sample S, and selectively allows only light from the measurement point to pass through. The collimating lens 136 collimates the light that has passed through the pinhole 134. The light that has passed through the collimator lens 136 enters the n-channel detection system 131.
nチャンネルの検出系131は、ダイクロイックミラー138a,…,138nと蛍光フィルター140a,…,140nと光検出器142a,…,142nとを含んでいる。 The n-channel detection system 131 includes dichroic mirrors 138a, ..., 138n, fluorescent filters 140a, ..., 140n, and photodetectors 142a, ..., 142n.
ダイクロイックミラー138a,…,138nは、それぞれ、光源112a,…,112nからの励起光によって試料Sから生成された蛍光の波長領域付近の波長の光を選択的に反射する。ダイクロイックミラー138nは、光を透過する必要がないので、単なるミラーに変更されてもよい。蛍光フィルター140a,…,140nは、それぞれ、ダイクロイックミラー138a,…,138nによって反射された光から、不所望な波長成分の光を遮断し、光源112a,…,112nからの励起光によって生成された蛍光だけを選択的に透過する。蛍光フィルター140a,…,140nを透過した蛍光はそれぞれ光検出器142a,…,142nに入射する。光検出器142a,…,142nは、入射した光の強度に対応した信号を出力する。すなわち、光検出器142a,…,142nは、試料S内の測定点からの蛍光強度信号を出力する。 The dichroic mirrors 138a,..., 138n selectively reflect light having a wavelength in the vicinity of the fluorescence wavelength region generated from the sample S by the excitation light from the light sources 112a,. The dichroic mirror 138n does not need to transmit light, and may be changed to a simple mirror. The fluorescence filters 140a,..., 140n block the light having an undesired wavelength component from the light reflected by the dichroic mirrors 138a,..., 138n, respectively, and are generated by the excitation light from the light sources 112a,. Only the fluorescence is selectively transmitted. The fluorescence transmitted through the fluorescent filters 140a,..., 140n is incident on the photodetectors 142a,. The photodetectors 142a,..., 142n output signals corresponding to the intensity of incident light. That is, the photodetectors 142a,..., 142n output fluorescence intensity signals from the measurement points in the sample S.
制御部160は例えばパーソナルコンピューターで構成される。制御部160は、試料Sの観察領域の蛍光画像の取得と記憶と表示、取得する蛍光画像のフレーム数(枚数)や解析領域や所望パラメータの設定の入力待ち、画像解析(相関値の算出)、拡散時間の推定などを行なう。また制御部160は、xy走査手段であるガルバノミラー124、z走査手段である対物レンズ駆動機構128、試料ステージ190などの制御を行なう。 The control unit 160 is configured by a personal computer, for example. The control unit 160 acquires, stores, and displays the fluorescence image of the observation region of the sample S, waits for input of the number of frames (number) of the acquired fluorescence image, the analysis region and desired parameters, and performs image analysis (calculation of correlation values). And estimation of diffusion time. The control unit 160 controls the galvanometer mirror 124 that is an xy scanning unit, the objective lens driving mechanism 128 that is a z scanning unit, the sample stage 190, and the like.
図1に示される制御部の機能ブロックを図2に示す。制御部160は、図2に示すように、走査制御部162と画像形成部164と記憶部166と表示部168と入力部170と解析領域設定部172と画像選定部174とデータ抽出部176と解析部178とステージ制御部180とを含んでいる。走査制御部162は、試料Sの蛍光画像を取得する際、励起光の照射位置を試料Sに対してラスター走査するようにガルバノミラー124を制御する。走査制御部162はまた、必要であれば、励起光の照射位置を試料Sに対してz走査するように対物レンズ駆動機構128を制御する。画像形成部164は、走査制御部162から入力される励起光の照射位置の情報と光検出器142a,…,142nの出力信号とから試料Sの蛍光画像を形成する。記憶部166は、画像形成部164で形成された蛍光画像を順次記憶する。表示部168は、試料Sの蛍光画像や解析結果を表示する。入力部170は、例えばマウスやキーボードを含み、表示部168と共同してGUIを構成する。このGUIは、取得フレーム数や観察領域や解析領域の設定、所望パラメータの入力などに利用される。ステージ制御部180は、例えば観察領域を設定するために、入力部170からの入力情報に従って試料ステージ190を制御する。解析領域設定部172は、入力部170からの入力情報に従って解析領域を設定する。画像選定部174は、入力部170から入力される所望パラメータに基づいて解析に利用する1フレーム以上の蛍光画像を選定する。データ抽出部176は、解析領域設定部172と画像選定部174からの入力情報に基づいて、記憶部166に記憶されている蛍光画像から必要なデータを抽出する。必要なデータは状況によって変わる。必要なデータは、例えば、記憶部166に記憶されているすべての蛍光画像のすべてのピクセルのデータまたは一部のピクセルのデータであってよく、あるいは、記憶部166に記憶されている一部の蛍光画像のすべてのピクセルのデータまたは一部のピクセルのデータであってもよく、また、1フレームの蛍光画像のすべてのピクセルのデータまたは一部のピクセルのデータであってもよい。解析部178は、データ抽出部176によって抽出されたデータに対して後述する相関値の演算を行なう。 FIG. 2 shows functional blocks of the control unit shown in FIG. As shown in FIG. 2, the control unit 160 includes a scan control unit 162, an image forming unit 164, a storage unit 166, a display unit 168, an input unit 170, an analysis region setting unit 172, an image selection unit 174, and a data extraction unit 176. An analysis unit 178 and a stage control unit 180 are included. When acquiring the fluorescence image of the sample S, the scanning control unit 162 controls the galvanometer mirror 124 so as to raster scan the irradiation position of the excitation light with respect to the sample S. The scanning control unit 162 also controls the objective lens driving mechanism 128 so that the irradiation position of the excitation light is z-scanned with respect to the sample S if necessary. The image forming unit 164 forms a fluorescent image of the sample S from the information on the irradiation position of the excitation light input from the scanning control unit 162 and the output signals of the photodetectors 142a,. The storage unit 166 sequentially stores the fluorescent images formed by the image forming unit 164. The display unit 168 displays the fluorescence image of the sample S and the analysis result. The input unit 170 includes, for example, a mouse and a keyboard, and constitutes a GUI in cooperation with the display unit 168. This GUI is used for setting the number of acquired frames, observation region and analysis region, inputting desired parameters, and the like. The stage control unit 180 controls the sample stage 190 according to input information from the input unit 170, for example, in order to set an observation region. The analysis area setting unit 172 sets an analysis area according to the input information from the input unit 170. The image selection unit 174 selects a fluorescent image of one frame or more used for analysis based on the desired parameter input from the input unit 170. The data extraction unit 176 extracts necessary data from the fluorescence image stored in the storage unit 166 based on the input information from the analysis region setting unit 172 and the image selection unit 174. The required data varies depending on the situation. The necessary data may be, for example, data of all pixels or data of some pixels of all fluorescent images stored in the storage unit 166, or some data stored in the storage unit 166. Data of all pixels or a part of pixels of the fluorescent image may be used, or data of all pixels or a part of pixels of the one-frame fluorescent image may be used. The analysis unit 178 calculates a correlation value described later on the data extracted by the data extraction unit 176.
図1において、光源112a,…,112nから発せられた励起光は、コリメートレンズ114a,…,114nとダイクロイックミラー116a,…,116nとダイクロイックミラー122とガルバノミラー124と対物レンズ126を経て試料S内の測定点に照射される。励起光が照射される測定点は、ガルバノミラー124によってxy方向にラスター走査される。さらに必要であれば、対物レンズ駆動機構128によってz走査される。励起光を受けた試料Sは測定点から蛍光を発する。試料Sからの光(蛍光のほかに不所望な反射光などを含む)は、対物レンズ126とガルバノミラー124とダイクロイックミラー122と収束レンズ132を経てピンホール134に至る。ピンホール134は測定点と共役な位置にあるため、試料S内の測定点からの光だけがピンホール134を通過する。ピンホール134を通過した光すなわち試料S内の測定点からの光はコリメートレンズ136を経てnチャンネルの検出系131に入射する。nチャンネルの検出系131に入射した光は、ダイクロイックミラー138a,…,138nによって波長に従って分離される(つまり分光される)とともに、蛍光フィルター140a,…,140nによって不所望な成分が除去される。その結果、光源112a,…,112nからの励起光によって生成された蛍光だけが光検出器142a,…,142nにそれぞれ入射する。光検出器142a,…,142nは、それぞれ、入射光すなわち試料S内の測定点から発せられた蛍光の強度を示す蛍光強度信号を出力する。この蛍光強度信号は画像形成部164に入力される。画像形成部164は、1回のラスター走査(およびz走査)ごとに、入力される蛍光強度信号をxy方向(およびz方向)の位置情報に同期させて処理して、試料S内の焦点面(測定点が移動した平面または曲面)の1フレームの蛍光画像を形成する。形成された蛍光画像は、記憶部166に保存される。ここに述べた一連の動作は、設定された取得するフレーム数だけ繰り返され、設定されたフレーム数の蛍光画像が取得される。各蛍光画像は、ピクセルのデータが時系列的に取得された複数のピクセルからなる。 1, excitation light emitted from light sources 112a,..., 112n passes through collimating lenses 114a,..., 114n, dichroic mirrors 116a, ..., 116n, dichroic mirror 122, galvano mirror 124, and objective lens 126. The measurement point is irradiated. The measurement point irradiated with the excitation light is raster scanned in the xy direction by the galvanometer mirror 124. Further, if necessary, z scanning is performed by the objective lens driving mechanism 128. The sample S that has received the excitation light emits fluorescence from the measurement point. Light from the sample S (including undesired reflected light in addition to fluorescence) reaches the pinhole 134 through the objective lens 126, the galvanometer mirror 124, the dichroic mirror 122, and the converging lens 132. Since the pinhole 134 is at a position conjugate with the measurement point, only light from the measurement point in the sample S passes through the pinhole 134. The light that has passed through the pinhole 134, that is, the light from the measurement point in the sample S, enters the n-channel detection system 131 through the collimator lens 136. The light incident on the n-channel detection system 131 is separated (that is, spectrally separated) by the dichroic mirrors 138a,..., 138n, and undesired components are removed by the fluorescent filters 140a,. As a result, only the fluorescence generated by the excitation light from the light sources 112a,..., 112n enters the photodetectors 142a,. Each of the photodetectors 142a,..., 142n outputs incident light, that is, a fluorescence intensity signal indicating the intensity of fluorescence emitted from a measurement point in the sample S. This fluorescence intensity signal is input to the image forming unit 164. The image forming unit 164 processes the input fluorescence intensity signal in synchronization with the positional information in the xy direction (and z direction) for each raster scan (and z scan), and the focal plane in the sample S A fluorescent image of one frame (a flat surface or a curved surface where the measurement point has moved) is formed. The formed fluorescent image is stored in the storage unit 166. The series of operations described here is repeated for the set number of frames to be acquired, and a fluorescence image having the set number of frames is acquired. Each fluorescent image is composed of a plurality of pixels from which pixel data is acquired in time series.
記憶部166に保存された蛍光画像は、必要に応じて処理され、表示部168に表示される。例えば、測定点のz位置を変えて複数フレームの蛍光画像を取得し、それらを合成して三次元画像を形成し、これを表示部168に表示することも可能である。 The fluorescence image stored in the storage unit 166 is processed as necessary and displayed on the display unit 168. For example, it is also possible to obtain a fluorescence image of a plurality of frames by changing the z position of the measurement point, combine them to form a three-dimensional image, and display it on the display unit 168.
以下、本実施形態による画像解析の手法について説明する。本実施形態による画像解析において最も重要な部分は、RICSのようなイメージ画像データを計算の元とする相関解析において、観察可能な拡散時間を拡張するために、空間相関計算式に所望パラメータを導入したことにある。 The image analysis method according to this embodiment will be described below. The most important part of the image analysis according to the present embodiment is that a desired parameter is introduced into the spatial correlation calculation formula in order to extend the observable diffusion time in the correlation analysis based on image image data such as RICS. It is to have done.
次式(1)は、本実施形態において使用するRICSの解析に使用する空間相関計算式を表している。
ここで、GsはRICSの相関値、I10はチャンネル1の1フレーム目の蛍光強度データ(ピクセルのデータ)、I1ηはチャンネル1のη+1フレーム目の蛍光強度データ(ピクセルのデータ)、ηは0以上の整数の所望パラメータ(η=0,1,…,K−1)、x,yは測定点の空間的座標、ξ,ψは測定点からの空間的座標の変化量、M0ηはチャンネル1の1フレーム目とη+1フレーム目の積和計算の回数、M0はチャンネル1の1フレーム目のデータ数、Mηはチャンネル1のη+1フレーム目のデータ数である。 Here, G s is the correlation value of RICS, I 10 is the fluorescence intensity data of the first frame of channel 1 (pixel data), I 1η is the fluorescence intensity data of the η + 1 frame of channel 1 (pixel data), η Is an integer of 0 or more desired parameter (η = 0, 1,..., K−1), x and y are spatial coordinates of measurement points, ξ and ψ are changes in spatial coordinates from the measurement points, and M 0η Is the number of product-sum calculations of the first frame of channel 1 and η + 1 frame, M 0 is the number of data of the first frame of channel 1, and M η is the number of data of η + 1 frame of channel 1.
次式(2)は、本実施形態において使用するRICSの解析に使用するフィッティング式を表している。
ここで、SはRICSの解析におけるスキャンの影響、GはRICSの解析における時間遅延の影響、Dは拡散定数、δrはピクセルサイズ、Nは分子数、W0は励起レーザビームの横方向の半径、WZは励起レーザビームの縦方向の半径、τpはピクセル時間、τlはライン時間、τfはフレーム時間を表している。 Here, S is the influence of scanning in the RICS analysis, G is the influence of time delay in the RICS analysis, D is the diffusion constant, δ r is the pixel size, N is the number of molecules, and W 0 is the lateral direction of the excitation laser beam. The radius, W Z is the longitudinal radius of the excitation laser beam, τ p is the pixel time, τ l is the line time, and τ f is the frame time.
η=0のとき、式(1)は次式(3)で表される。ここで、τfは、任意のフレームの最初のピクセルと、その次のフレームの最初のピクセルと、の間の取得時間のずれである。すなわち、フレーム時間は、一フレームを走査するのに要する時間を意味する。
ここで、I10はチャンネル1の1フレーム目の蛍光強度データ(ピクセルのデータ)、x,yは測定点の空間的座標、ξ,ψは測定点からの空間的座標の変化量、M00はチャンネル1の1フレーム目の積和計算の回数、M0はチャンネル1の1フレーム目のデータ数である。 Here, I 10 is the fluorescence intensity data (pixel data) of the first frame of channel 1, x and y are the spatial coordinates of the measurement point, ξ and ψ are the changes in the spatial coordinates from the measurement point, and M 00 the first frame number of product sum calculations of the channel 1, M 0 is the number of data of the first frame of the channel 1.
また式(2)は次式(4)で表される。
式(3)と式(4)は、それぞれ、RICSの解析における従来の空間相関計算式とフィッティング式と同じである。つまり、本実施形態において使用するRICSの解析の空間相関計算式は、η=0の場合には、従来のRICSの解析の空間相関計算式と同じになる。 Expressions (3) and (4) are the same as the conventional spatial correlation calculation expression and fitting expression in the RICS analysis, respectively. That is, the spatial correlation calculation formula for RICS analysis used in the present embodiment is the same as the conventional spatial correlation calculation formula for RICS analysis when η = 0.
本実施形態において導入した所望パラメータηは、複数フレームの蛍光画像に対して、相関解析に利用する蛍光画像を選定するためのものである。より詳しくは、1フレーム目の蛍光画像のほかに、相関解析に利用する蛍光画像を選定するためのものである。このため、η=0の場合には、1フレーム目の蛍光画像のほかに相関解析に利用する蛍光画像はなく、その結果、RICSの解析の空間相関計算式は従来と同じになる。 The desired parameter η introduced in the present embodiment is for selecting a fluorescence image to be used for correlation analysis with respect to a plurality of frames of fluorescence images. More specifically, in addition to the fluorescence image of the first frame, a fluorescence image used for correlation analysis is selected. For this reason, when η = 0, there is no fluorescence image used for correlation analysis other than the fluorescence image of the first frame, and as a result, the spatial correlation calculation formula of RICS analysis is the same as the conventional one.
相関解析に利用する蛍光画像は、例えば、取得した蛍光画像のすべてであってよい。 The fluorescence image used for the correlation analysis may be all of the acquired fluorescence images, for example.
以下、取得した蛍光画像を相関解析に利用する例について説明する。図3に示すように、Kフレームの蛍光画像を取得したとする。ここでKは2以上の整数である。この場合、η=K−1となる。 Hereinafter, an example in which the acquired fluorescence image is used for correlation analysis will be described. As shown in FIG. 3, it is assumed that a K-frame fluorescence image has been acquired. Here, K is an integer of 2 or more. In this case, η = K−1.
式(1)と式(2)を使用する計算は、ηの値を0,1,2,…,K−1と順に変えつつ、ηの各値に対して、さらにξ,ψを順に変えつつ行なう。例えば、解析領域R2が256ピクセル×256ピクセルの領域である場合、ξ,ψをそれぞれ0,1,2,…,255と順に変える。 In the calculation using the equations (1) and (2), the values of η are sequentially changed to 0, 1, 2,..., K−1, and ξ and ψ are further changed in order for each value of η. While doing. For example, when the analysis region R2 is a region of 256 pixels × 256 pixels, ξ and ψ are sequentially changed to 0, 1, 2,.
例えば、η=0,ψ=0に対して、ξを0,1,2,…,255と1ずつ増やしながら、ξの各値について計算処理を行ない、次にψを1増やし、η=0,ψ=1に対して、ξを0,1,2,…,255と1ずつ増やしながら、ξの各値について計算処理を行ない、この計算処理をψ=255になるまで繰り返す。その後、ηを1増やし、η=1,ψ=0に対して、ξを0,1,2,…,255と1ずつ増やしながら、ξの各値について計算処理を行ない、次に、η=1,ψ=1に対して、ξを0,1,2,…,255と1ずつ増やしながら、ξの各値について計算処理を行ない、この計算処理をψ=255になるまで繰り返す。この計算処理はηを1ずつ増やしながら、η=K−1になるまで繰り返す。 For example, with respect to η = 0, ψ = 0, calculation processing is performed for each value of ξ while increasing ξ by 0, 1, 2,..., 255, and then ψ is increased by 1, η = 0 , Ψ = 1, ξ is incremented by 1 with 0, 1, 2,..., 255 while performing calculation processing for each value of ξ, and this calculation processing is repeated until ψ = 255. Thereafter, η is increased by 1, and for η = 1, ψ = 0, calculation is performed for each value of ξ while ξ is increased by 1, 0, 1, 2,..., 255. Next, η = With respect to 1, ψ = 1, calculation processing is performed for each value of ξ while increasing ξ by 0, 1, 2,..., 255, and this calculation processing is repeated until ψ = 255. This calculation process is repeated until η = K−1 while increasing η by 1.
図4は、Gs(2,4,0)中の積和計算を模式的に示している。この計算は、同一フレーム(1フレーム目)の画像の解析領域R2内のピクセルのデータ間の相関計算である。これは、RICSの解析の従来の相関計算と同様である。 FIG. 4 schematically shows the product-sum calculation in G s (2, 4, 0). This calculation is a correlation calculation between pixel data in the analysis region R2 of the image of the same frame (first frame). This is the same as the conventional correlation calculation of the RICS analysis.
図5は、Gs(2,4,1)中の積和計算を模式的に示している。この計算は、異なるフレームの画像の解析領域R2内のピクセルのデータの間の相関計算である。具体的には、1フレーム目の画像の解析領域R2内のピクセルのデータと2フレーム目の画像の解析領域R2内のピクセルのデータとの間の相関計算である。 FIG. 5 schematically shows the product-sum calculation in G s (2, 4, 1). This calculation is a correlation calculation between the data of the pixels in the analysis region R2 of the image of different frames. Specifically, this is a correlation calculation between the pixel data in the analysis region R2 of the first frame image and the pixel data in the analysis region R2 of the second frame image.
同様に、図6は、Gs(2,4,2)中の積和計算を模式的に示している。つまり、1フレーム目の画像の解析領域R2内のピクセルのデータと3フレーム目の画像の解析領域R2内のピクセルのデータとの間の相関計算を示している。また図7は、Gs(2,4,K−1)中の積和計算を模式的に示している。つまり、1フレーム目の画像の解析領域R2内のピクセルのデータとKフレーム目の画像の解析領域R2内のピクセルのデータとの間の相関計算を示している。 Similarly, FIG. 6 schematically shows the product-sum calculation in G s (2, 4, 2). That is, the correlation calculation between the pixel data in the analysis region R2 of the first frame image and the pixel data in the analysis region R2 of the third frame image is shown. FIG. 7 schematically shows the product-sum calculation in G s (2, 4, K−1). That is, the correlation calculation between the pixel data in the analysis region R2 of the first frame image and the pixel data in the analysis region R2 of the K frame image is shown.
図8は、式(1)と式(2)における変数ξ,ψ,ηと計算に使用するフレームを示している。図8から、本実施形態による式(1)と式(2)を使用した計算では、遅延時間が拡張されていることがわかる。具体的には、遅延時間は、256τp+255τlを超えて、256τp+255τl+(K−1)τfまで拡大されている。 FIG. 8 shows the variables ξ, ψ, η in the equations (1) and (2) and the frame used for the calculation. FIG. 8 shows that the delay time is extended in the calculation using the equations (1) and (2) according to the present embodiment. Specifically, the delay time beyond the 256τ p + 255τ l, have been extended to 256τ p + 255τ l + (K -1) τ f.
ここで、遅延時間とは、一の画素の取得時間と、別の画素の取得時間と、の差を意味している。例えば、(ξ,ψ,η)=(1,1,0)と、(ξ,ψ,η)=(4,2,0)と、の遅延時間は、(4−1)τp+(2−1)τl+(0−0)τfで表される。 Here, the delay time means the difference between the acquisition time of one pixel and the acquisition time of another pixel. For example, the delay time between (ξ, ψ, η) = (1, 1, 0) and (ξ, ψ, η) = (4, 2, 0) is (4-1) τ p + ( 2-1) It is represented by τ l + (0-0) τ f .
そして、一つの遅延時間に対して、一つの相関値Gsが得られる。ここで、理想的には、遅延時間が小さいほど、相関値Gsは大きくなり、遅延時間が大きいほど、相関値Gsは小さくなる。 Then, one correlation value G s is obtained for one delay time. Here, ideally, the correlation value G s increases as the delay time decreases, and the correlation value G s decreases as the delay time increases.
取得した蛍光画像のすべてを相関解析に利用すれば、正しい解析結果を得られるが、すべての蛍光画像を利用すると、その分、計算処理が増えるので計算に時間がかかり、効率が悪い。このため、取得した蛍光画像のすべてを相関解析に利用する代わりに、相関解析に利用する蛍光画像のフレーム数を適当に少なくする、すなわちηの値を十分に相関解析できる範囲内で、適当に小さく設定するとよい。 If all of the acquired fluorescence images are used for the correlation analysis, a correct analysis result can be obtained. However, if all the fluorescence images are used, the calculation processing increases accordingly, so that the calculation takes time and the efficiency is poor. For this reason, instead of using all of the acquired fluorescence images for correlation analysis, appropriately reduce the number of frames of the fluorescence image used for correlation analysis, that is, within a range where the value of η can be sufficiently correlated. A small setting is recommended.
しかし、ηの値が小さ過ぎると、データ数が不足するため、言い換えれば、十分な遅延時間が取れないために、解析結果が正しくないものになる。すなわち、ηの値が小さ過ぎると、拡散時間が長い分子を観察する場合には、最大の遅延時間の半分の時間よりも分子拡散時間の方が長い場合がある。この場合には、適切に、拡散時間を算出することができない。 However, if the value of η is too small, the number of data is insufficient. In other words, a sufficient delay time cannot be obtained, and the analysis result is not correct. That is, if the value of η is too small, when observing a molecule having a long diffusion time, the molecular diffusion time may be longer than half the maximum delay time. In this case, the diffusion time cannot be calculated appropriately.
従って、ηの値は、適切な解析結果が得られる範囲において、なるべく小さく設定するとよい。そのようなηの値の設定は、例えば、拡散時間を推定し、推定された拡散時間(推定拡散時間)に基づいて行なうとよい。 Therefore, the value of η is preferably set as small as possible within a range where an appropriate analysis result is obtained. Such a value of η may be set based on the estimated diffusion time (estimated diffusion time), for example, by estimating the diffusion time.
このようなηの値の設定は、例えば、次のようにして行なう。 Such a value of η is set as follows, for example.
まず、式(1)と式(2)中の所望パラメータηを0とした式(3)と式(4)を使用してRICSの解析を行ない、拡散時間を推定する。具体的には、式(3)を用いて、異なる遅延時間に対する相関値Gsをそれぞれ求める。そして、遅延時間と相関値Gsとの関係から、式(4)を用いて、拡散定数と分子数を求める。 First, RICS analysis is performed using Equations (3) and (4) where the desired parameter η in Equations (1) and (2) is 0, and the diffusion time is estimated. Specifically, correlation values G s for different delay times are obtained using Equation (3). Then, from the relationship between the delay time and the correlation value G s , the diffusion constant and the number of molecules are obtained using Equation (4).
すなわち、遅延時間がゼロのときは(ξ=0、ψ=0)、Sは1であり、Gsは1/Nで表せる。従って、分子数を求めることができる。これを新たに、式(4)に代入することで、各遅延時間に対応した拡散定数を求めることができる。拡散定数からは、拡散時間を求めることができる。 That is, when the delay time is zero (ξ = 0, ψ = 0), S is 1 and G s can be expressed by 1 / N. Therefore, the number of molecules can be obtained. By newly substituting this into equation (4), the diffusion constant corresponding to each delay time can be obtained. The diffusion time can be obtained from the diffusion constant.
すなわち、拡散定数と、拡散時間との関係は、次式(5)で表される。
ここで、Dは拡散定数、τは拡散時間、W0は励起レーザビームの横方向の半径を意味する。 Here, D is a diffusion constant, τ is a diffusion time, and W 0 is a lateral radius of the excitation laser beam.
なお、拡散時間の短い分子について解析しているのであれば、ηが0であっても、得られる拡散時間は、適切な拡散時間を示している。最大の遅延時間が、拡散時間の2倍よりも大きい場合、式(4)を用いて十分にフィッティングできるからである。 If a molecule having a short diffusion time is analyzed, the obtained diffusion time indicates an appropriate diffusion time even if η is zero. This is because when the maximum delay time is larger than twice the diffusion time, the fitting can be sufficiently performed using the equation (4).
一方、拡散時間の長い分子について解析しているのであれば、ηが0の場合、式(4)を用いてフィッティングしても、そこから得られる拡散時間は、必ずしも、実際の拡散時間と一致しない。従って、この場合は、拡散時間の推定に過ぎない。 On the other hand, if a molecule with a long diffusion time is analyzed, if η is 0, the diffusion time obtained from the equation (4) does not necessarily match the actual diffusion time. do not do. Therefore, in this case, it is only an estimation of the diffusion time.
次に、次式(6)を使用してηminを求める。
ここで、τDは推定拡散時間、ξmax,ψmaxは1フレーム中の空間的座標の変化の最大値、nは2以上の整数である。
さらに、上式(7)を満足する最小値の整数をηに設定する。 Further, the minimum integer satisfying the above equation (7) is set to η.
一般に、相関値の算出には、最大の遅延時間が、拡散時間の2倍程度あればよいとされている。最大の遅延時間が、拡散時間の2倍よりも短いと、式(2)を用いて適切にフィッティングすることが困難となる。従って、少なくともn=2とした上で、式(6)(7)を用いて、ηを算出すれば、式(2)を用いて適切にフィッティングすることができると考えられる。ただし、解析結果に求められる精度に応じて、nを3以上の整数に設定してもよい。これにより、式(7)を満足するηを代入した式(1)と式(2)を使用したRICSの解析であれば、適切な解析結果が得られると考えられる。 In general, the maximum delay time is about twice as long as the diffusion time for calculating the correlation value. If the maximum delay time is shorter than twice the diffusion time, it is difficult to fit appropriately using the equation (2). Therefore, if η is calculated using equations (6) and (7) with at least n = 2, it can be considered that fitting can be performed appropriately using equation (2). However, n may be set to an integer of 3 or more according to the accuracy required for the analysis result. Accordingly, it is considered that an appropriate analysis result can be obtained if the RICS analysis uses Expression (1) and Expression (2) in which η satisfying Expression (7) is substituted.
これまでの説明から分かるように、本実施形態による所望パラメータηを導入したRICSの相関解析は大きく分けて三つの部分からなる。 As can be understood from the above description, the RICS correlation analysis in which the desired parameter η is introduced according to the present embodiment is roughly divided into three parts.
第一の部分は、式(1)と式(2)中の所望パラメータηをゼロとした場合の式(3)と式(4)を用いて拡散時間を推定する部分である。まずは、複数フレームの蛍光画像から相関解析を行なう領域(解析領域)のデータを抽出する(フレーム全体のデータを使う場合は不要)。次に、解析領域のデータを元に所望パラメータをゼロとした式(3)と式(4)を用いてRICSの解析を行ない、拡散時間を推定する。所望パラメータをゼロとした場合の式(3)と式(4)によるRICSの解析では、図4と同様に、相関計算の主な部分は、同一フレーム中のデータ(矢印両端データの)による積和計算からなる。 The first part is a part for estimating the diffusion time using the expressions (3) and (4) when the desired parameter η in the expressions (1) and (2) is zero. First, data of an area (analysis area) where correlation analysis is performed is extracted from a plurality of frames of fluorescence images (not necessary when data of the entire frame is used). Next, RICS analysis is performed using equations (3) and (4) with the desired parameter set to zero based on the data in the analysis region, and the diffusion time is estimated. In the RICS analysis using the equations (3) and (4) when the desired parameter is zero, the main part of the correlation calculation is the product of the data in the same frame (of the data at both ends of the arrow) as in FIG. Consists of sum calculation.
第二の部分は、推定された拡散時間(推定拡散時間)により、式(6)と式(7)を用いて所望パラメータを算出する部分である。このように算出したゼロでない所望パラメータを用いることで、観察可能な拡散時間が拡張される。 The second part is a part for calculating the desired parameter using the equations (6) and (7) based on the estimated diffusion time (estimated diffusion time). By using the non-zero desired parameter calculated in this way, the observable diffusion time is extended.
最後の部分は、第二の部分で算出した所望パラメータを式(1)と式(2)に代入し、相関値を算出する。そして、再び拡散時間等を含むRICSの解析を行なう。また、この算出した所望パラメータを用いる式(1)と式(2)によるRICSの解析は、図3〜図7に示したように、相関計算の積和計算は、同一フレーム中のデータ積和計算から異なるフレーム間のデータ(矢印両端データの)積和計算に拡張されていく。 In the final part, the desired parameter calculated in the second part is substituted into Equations (1) and (2) to calculate a correlation value. Then, the RICS analysis including the diffusion time is performed again. In addition, as shown in FIGS. 3 to 7, the RICS analysis using the calculated desired parameters using the equations (1) and (2) is performed as follows. The calculation is expanded to the product-sum calculation of the data between the different frames (the data at both ends of the arrow).
上記の画像解析の主な手順は図9のフローチャートで示される。 The main procedure of the image analysis is shown in the flowchart of FIG.
<ステップS1>:
試料Sの観察領域と取得する蛍光画像のフレーム数を設定した上で、前述した1フレームの蛍光画像を取得する動作を設定したフレーム数の回数だけ繰り返して、設定したフレーム数の蛍光画像を取得する。蛍光画像の取得は、もちろん、同一の観察領域に対して同一の走査方法によって行なう。取得する複数フレームの蛍光画像は、時系列的に取得された画像であり、各画像は、ピクセルデータが時系列的に取得された複数のピクセルからなる。
<Step S1>:
After setting the observation area of the sample S and the number of frames of the fluorescent image to be acquired, the above-described operation for acquiring the fluorescent image of one frame is repeated as many times as the set number of frames to acquire the fluorescent image of the set number of frames. To do. Of course, the fluorescence image is acquired by the same scanning method for the same observation region. The acquired fluorescence images of a plurality of frames are images acquired in time series, and each image includes a plurality of pixels in which pixel data is acquired in time series.
<ステップS2>:
図10に示すように、蛍光画像領域R1に対して解析領域R2を設定する。解析領域R2は、蛍光画像領域R1の一部に限定されるものではなく、蛍光画像領域R1に一致していてもよい。解析領域R2は、アプリケーション的にはデフォルトで蛍光画像領域R1すなわちステップS1における走査領域に設定されており、蛍光画像領域R1の全体を解析する場合には、このステップは不要である。
<Step S2>:
As shown in FIG. 10, an analysis region R2 is set for the fluorescence image region R1. The analysis region R2 is not limited to a part of the fluorescence image region R1, and may coincide with the fluorescence image region R1. The analysis region R2 is set as the fluorescence image region R1, that is, the scanning region in step S1 by default in terms of application, and this step is not necessary when the entire fluorescence image region R1 is analyzed.
<ステップS3>:
式(1)と式(2)の所望パラメータηをゼロとして式(3)と式(4)を得る。
<Step S3>:
Expression (3) and Expression (4) are obtained by setting the desired parameter η in Expression (1) and Expression (2) to zero.
<ステップS4>:
ステップS2で設定した解析領域R2に基づいて、1フレーム目の蛍光画像の解析領域R2のピクセルのデータを抽出する。抽出したデータとステップS3の式(3)と式(4)(RICSの相関解析)から拡散定数を算出する。そして、算出された拡散定数を用いて、式(5)から、その拡散時間を推定する。
<Step S4>:
Based on the analysis region R2 set in step S2, pixel data of the analysis region R2 of the fluorescence image of the first frame is extracted. A diffusion constant is calculated from the extracted data and equations (3) and (4) (RIICS correlation analysis) in step S3. Then, using the calculated diffusion constant, the diffusion time is estimated from Equation (5).
<ステップS5>:
推定した拡散時間と式(6)と式(7)を用いて所望パラメータηを算出する。
<Step S5>:
The desired parameter η is calculated using the estimated diffusion time and equations (6) and (7).
<ステップS6>:
算出した所望パラメータηを式(1)と式(2)に代入して新たなRICSの空間相関計算式を得る。
<Step S6>:
The calculated desired parameter η is substituted into formulas (1) and (2) to obtain a new RICS spatial correlation formula.
<ステップS7>:
ステップS5で算出した所望パラメータηに基づいて解析に利用する蛍光画像を選定する。より具体的には、1フレーム目からη+1フレーム目までの連続して取得された画像を選定する。また、ステップS2で設定した解析領域R2に基づいて、解析に利用する蛍光画像の解析領域R2のピクセルのデータを抽出する。抽出したデータとステップS6で得た新たなRICSの空間相関計算式により相関解析を行なう。
<Step S7>:
A fluorescent image to be used for analysis is selected based on the desired parameter η calculated in step S5. More specifically, images acquired continuously from the first frame to the η + 1 frame are selected. Further, based on the analysis region R2 set in step S2, pixel data of the analysis region R2 of the fluorescence image used for analysis is extracted. Correlation analysis is performed using the extracted data and the new RICS spatial correlation calculation formula obtained in step S6.
<ステップS8>:
ステップS7で算出した結果を輝度値によるイメージ画像で表示する。
<Step S8>:
The result calculated in step S7 is displayed as an image with luminance values.
図11〜図14は、RICSの解析の結果を示している。図11は、小さい分子に対する相関計算結果を輝度で示したイメージ画像であり、図12はそのフィッティング結果を示している。図13は、大きい分子に対する相関計算結果を輝度で示したイメージ画像であり、図14はそのフィッティング結果を示している。 11 to 14 show the results of RICS analysis. FIG. 11 is an image showing the correlation calculation results for small molecules in luminance, and FIG. 12 shows the fitting results. FIG. 13 is an image showing the correlation calculation result for a large molecule in luminance, and FIG. 14 shows the fitting result.
本実施形態によれば、RICSの画像解析において、ピクセル時間とライン時間を調整することなく、観察可能な拡散時間を拡張できる。このため、データ収集をし直さなくても、すでに取得したデータを用いて試料に適した拡散時間を推測することができる。これにより、大きい拡散時間の分子についても、小さい拡散時間の分子についても、適切な拡散時間を算出することが可能となる。 According to the present embodiment, in the RICS image analysis, the observable diffusion time can be extended without adjusting the pixel time and the line time. For this reason, the diffusion time suitable for the sample can be estimated using the already acquired data without re-collecting data. This makes it possible to calculate an appropriate diffusion time for both molecules having a large diffusion time and molecules having a small diffusion time.
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention. Also good.
上述した実施形態では、解析に利用する画像の選定において、1フレーム目および必要に応じてそれ以降の画像を選定しているが、選定する画像の先頭は必ずしも1フレーム目である必要はない。例えば、kフレームの画像からjフレームの画像を解析に利用する場合、選定する画像は、iフレーム目からi+j−1フレーム目までの画像であってもよい。ただし、i+j−1≦kである。また実施形態では、選定する画像は、時系列において連続しているが、必ずしもその必要はない。ただし、遅延時間ごとに、相関値が求められるため、ラスター走査が周期的であれば、選定される画像のフレームナンバーも周期的である必要がある。例えば、解析に利用する画像は、1フレーム目、4フレーム目、7フレーム目と、二つおきに、選定されても良い。 In the embodiment described above, in selecting an image to be used for analysis, the first frame and the subsequent images are selected as necessary. However, the head of the selected image is not necessarily the first frame. For example, when a j-frame image from a k-frame image is used for analysis, the image to be selected may be an image from the i-th frame to the i + j−1-th frame. However, i + j-1 ≦ k. In the embodiment, the images to be selected are continuous in time series, but this is not always necessary. However, since a correlation value is obtained for each delay time, if raster scanning is periodic, the frame number of the selected image needs to be periodic. For example, the images used for the analysis may be selected every second frame, the first frame, the fourth frame, and the seventh frame.
実施形態では、相関値の演算に使用する各ピクセルのデータとして、そのピクセルのデータをそのまま相関計算に使用したが、複数のピクセルのデータを読み出してそれらの統計値を相関計算に使用してもよい。統計値としては、例えば、平均値、最大値、最小値、相対差、絶対差、相対比があげられる。どのような統計値を使用するかは、RICSの解析によってどのような情報を得たいかによって決める。例えば、最大値で分類すると、同じ最大値分類のフレームからの同じ分子影響を除去することができる。他の場合も同様で、同分類フレームから同じ分子影響を除去することができる。つまり、基準が変わると、フレームの分類が変わり、それぞれ異なる分子影響の除去が可能となる。 In the embodiment, as the data of each pixel used for the calculation of the correlation value, the data of the pixel is used for the correlation calculation as it is. However, even if the data of a plurality of pixels are read and the statistical values thereof are used for the correlation calculation. Good. Examples of the statistical value include an average value, a maximum value, a minimum value, a relative difference, an absolute difference, and a relative ratio. What statistics are used depends on what information is desired to be obtained by RICS analysis. For example, classification by maximum value can remove the same molecular effect from the same maximum value classification frame. The same applies to other cases, and the same molecular effect can be removed from the same classification frame. In other words, when the standard changes, the classification of the frame changes, and different molecular effects can be removed.
また実施形態では、ラスター走査によって取得された画像について説明したが、画像は、ラスター走査によって取得されたものに限定されるものではなく、ピクセルのデータが時系列的に取得された複数のピクセルからなる画像であればよく、他の走査方法によって取得されたものであってもよい。 In the embodiment, the image acquired by the raster scan has been described. However, the image is not limited to the image acquired by the raster scan, and the pixel data is obtained from a plurality of pixels acquired in time series. And may be obtained by other scanning methods.
また実施形態では、ピクセルのデータを蛍光強度のデータでとして説明したが、ピクセルのデータは、他のデータであってもよい。 In the embodiment, the pixel data is described as fluorescence intensity data, but the pixel data may be other data.
また実施形態では、同一のチャンネルのピクセルのデータを用いて相関解析する、自己相関解析について説明した。これに代えて、異なるチャンネルのピクセルのデータを用いて、相関解析する、相互相関解析を行ってもよい。この場合、次式(8)で表される。
ここで、Gs´はRICSの相互相関値、I10はチャンネル1の1フレーム目の蛍光強度データ(ピクセルのデータ)、I2ηはチャンネル2のη+1フレーム目の蛍光強度データ(ピクセルのデータ)、ηは0以上の整数の所望パラメータ(η=0,1,…,K−1)、x,yは測定点の空間的座標、ξ,ψは測定点からの空間的座標の変化量、M12はチャンネル1の1フレーム目とチャンネル2のη+1フレーム目の積和計算の回数、M1はチャンネル1の1フレーム目のデータ数、M2はチャンネル2のη+1フレーム目のデータ数である。 Here, G s ′ is the cross correlation value of RICS, I 10 is the fluorescence intensity data of the first frame of channel 1 (pixel data), and I 2η is the fluorescence intensity data of the η + 1 frame of channel 2 (pixel data). Η is an integer of 0 or more desired parameter (η = 0, 1,..., K−1), x and y are spatial coordinates of the measurement point, ξ and ψ are changes in the spatial coordinates from the measurement point, M 12 is the number of product-sum calculations for the first frame of channel 1 and the η + 1 frame of channel 2, M 1 is the number of data of the first frame of channel 1, and M 2 is the number of data of the η + 1 frame of channel 2. .
100…画像解析装置、110…光照射部、112…光源、116…ミラー、122…ダイクロイックミラー、124…ガルバノミラー、126…対物レンズ、128…対物レンズ駆動機構、130…光検出部、132…収束レンズ、134…ピンホール、136…コリメートレンズ、138…蛍光フィルター、140…収束レンズ、142…光検出器、160…制御部、162…走査制御部、164…画像形成部、166…記憶部、168…表示部、170…入力部、172…解析領域設定部、174…画像選定部、176…データ抽出部、178…解析部、180…ステージ制御部、190…試料ステージ、R1…蛍光画像領域、R2…解析領域。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Image analysis apparatus 110 ... Light irradiation part, 112 ... Light source, 116 ... Mirror, 122 ... Dichroic mirror, 124 ... Galvano mirror, 126 ... Objective lens, 128 ... Objective lens drive mechanism, 130 ... Light detection part, 132 ... Converging lens, 134 ... pinhole, 136 ... collimating lens, 138 ... fluorescent filter, 140 ... converging lens, 142 ... photodetector, 160 ... control unit, 162 ... scanning control unit, 164 ... image forming unit, 166 ... storage unit DESCRIPTION OF SYMBOLS 168 ... Display part, 170 ... Input part, 172 ... Analysis area | region setting part, 174 ... Image selection part, 176 ... Data extraction part, 178 ... Analysis part, 180 ... Stage control part, 190 ... Sample stage, R1 ... Fluorescence image Region, R2 ... Analysis region.
Claims (20)
前記画像に対して解析領域を設定する解析領域設定ステップと、
前記画像の中から解析に利用する複数のフレームの選定画像を選定する画像選定ステップと、
前記選定画像の解析領域内のピクセルのデータに基づいて前記複数のフレームの選定画像間の相関値をラスターイメージ相関分光法(RICS)を用いて算出する計算ステップと、
推定拡散時間を推定する推定ステップを有し、
前記選定画像の選定は、前記推定拡散時間に基づいて行なう画像解析方法。 An image acquisition step of acquiring, in time series, a plurality of frames of a plurality of pixels in which pixel data of each image is acquired in time series;
An analysis region setting step for setting an analysis region for the image;
An image selection step for selecting a selection image of a plurality of frames to be used for analysis from the image;
A calculation step of calculating a correlation value between the selected images of the plurality of frames based on pixel data in the analysis region of the selected image using raster image correlation spectroscopy (RICS) ;
An estimation step for estimating an estimated diffusion time ;
The selected image is selected based on the estimated diffusion time .
前記複数のフレームの選定画像の選定および相関値の算出は次式(1)と次式(2)を用いて行なう、
Selection of the selected images of the plurality of frames and calculation of correlation values are performed using the following equations (1) and (2).
前記画像は前記試料の蛍光画像であり、前記ピクセルのデータは、前記励起光の照射に応じて前記試料から発せられた蛍光強度に対応している、請求項1ないし請求項7のいずれかひとつに記載の画像解析方法。 A light irradiation step of irradiating the sample while scanning the excitation light;
The said image is a fluorescence image of the said sample, The data of the said pixel respond | correspond to the fluorescence intensity emitted from the said sample according to irradiation of the said excitation light, Any one of Claim 1 thru | or 7 The image analysis method described in 1.
前記画像に対して解析領域を設定する解析領域設定部と、
前記画像の中から解析に利用する複数のフレームの選定画像を選定する画像選定部と、
前記選定画像の解析領域内のピクセルのデータに基づいて前記複数のフレームの選定画像間の相関値をラスターイメージ相関分光法(RICS)を用いて算出する計算部と、
推定拡散時間を推定する推定部を有し、
前記複数のフレームの選定画像の選定は、前記推定拡散時間に基づいて行なわれる画像解析装置。 An image acquisition unit that acquires, in time series, a plurality of frames of a plurality of pixels in which pixel data of each image is acquired in time series;
An analysis region setting unit for setting an analysis region for the image;
An image selection unit for selecting a selection image of a plurality of frames to be used for analysis from the image;
A calculation unit that calculates a correlation value between the selected images of the plurality of frames based on pixel data in the analysis region of the selected image using raster image correlation spectroscopy (RICS) ;
An estimation unit for estimating an estimated diffusion time ;
The image analysis apparatus in which selection of the selected images of the plurality of frames is performed based on the estimated diffusion time .
前記複数のフレームの選定画像の選定および相関値の算出は次式(1)と次式(2)を用いて行なう、
Selection of the selected images of the plurality of frames and calculation of correlation values are performed using the following equations (1) and (2).
前記画像は前記試料の蛍光画像であり、前記ピクセルのデータは、前記励起光の照射に応じて前記試料から発せられた蛍光強度に対応している、請求項11ないし請求項17のいずれかひとつに記載の画像解析装置。 It further has a light irradiation part that irradiates the sample while scanning the excitation light,
The said image is a fluorescence image of the said sample, The data of the said pixel respond | correspond to the fluorescence intensity | strength emitted from the said sample according to irradiation of the said excitation light, Any one of Claim 11 thru | or 17 The image analysis apparatus described in 1.
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