JP5489541B2 - 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走査し、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。
Conventionally, methods as shown in
ここで、画像解析した試料の中には、大きい分子や小さい分子が混在している。このような場合、試料の中で、小さい分子について画像解析したいのであれば、大きい分子の影響を取り除く必要がある。 Here, large molecules and small molecules are mixed in the sample subjected to image analysis. In such a case, if it is desired to perform image analysis on a small molecule in the sample, it is necessary to remove the influence of the large molecule.
非特許文献1,2に示されるように、大きい分子や不動分子などの影響を取り除く手法としてアベレージ法がある。アベレージ法では、取得したフレームデータの平均画像を計算し、これを元のフレームデータから減算する。平均画像は、フレームデータに大きい分子や不動分子の影響が含まれているかどうかに関係なく、取得したフレームの連続した一部または全部から計算される。したがって、大きい分子や不動分子の影響は、フレームデータの変化と関係なく、同一の平均画像の減算処理で取り除かれる。
As shown in
ここで、取得した全ての画像に、共通する大きい分子や不動分子が存在する場合、全ての画像から、取得したフレームデータの平均画像を、それぞれ減算すれば良い。 Here, when there are common large molecules or immobile molecules in all the acquired images, the average image of the acquired frame data may be subtracted from all the images.
しかしながら、取得した全ての画像の内、一部の画像に、他の画像に共通する大きい分子や不動分子が存在しない場合がある。この場合、そもそも、当該一部の画像には大きい分子や不動分子が存在しないのであるから、当該一部の画像から、取得したフレームデータの平均画像を減算するのは適切ではない。このため、非特許文献1,2に示された方法によれば、大きい分子や不動分子の影響について、適材適所な除去(平均画像の減算)処理が行なわれていない。
However, among all the acquired images, there are cases where a large molecule or an immobile molecule that is common to other images does not exist in some images. In this case, since there are no large molecules or immobile molecules in the partial image, it is not appropriate to subtract the average image of the acquired frame data from the partial image. For this reason, according to the methods shown in
本発明の目的は、大きい分子や不動分子の影響を適材適所に除去するRICSの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 of RICS that removes the influence of large molecules and immobile molecules in the right place.
本発明は、大きさの異なる分子が混在する試料内の測定点からの光の検出及び検出する測定点の走査により得られる走査画像を解析する走査型光学顕微鏡の画像解析方法であり、各走査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走査画像を時系列的に取得する画像取得ステップと、前記走査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、前記解析領域の区分値を算出する区分値算出ステップと、前記複数の走査画像を前記区分値の変化の大きさに基づいて2以上のグループに分類する分類ステップと、前記グループごとに前記解析領域の平均画像を算出する平均画像算出ステップと、前記グループごとに前記解析領域の各走査画像から前記平均画像を減算して前記解析領域の新規画像を算出する新規画像算出ステップと、前記グループごとに前記新規画像に基づいてラスターイメージ相関分光法により相関値を演算する演算ステップとを有している。 The present invention is an image analysis method of scanning optical microscope to analyze the scanned image obtained by the detection and scanning of the measuring points for detecting the light from the measurement point in the sample having different molecular sizes are mixed, each scan An image acquisition step for acquiring a plurality of frames of scan images including a plurality of pixels from which image pixel data has been acquired in a time series, and an analysis region setting step for setting an analysis region for the scan image A segment value calculating step for calculating a segment value of the analysis region, a classification step for classifying the plurality of scanned images into two or more groups based on the magnitude of the variation of the segment value , and the group for each group the average image calculation step of calculating an average image of the analysis area, a new image of the analysis region by subtracting the average image from the scanned image of the analysis region in each group And a calculation step of calculating a correlation value and a new image calculation step of calculating, by raster image correlation spectroscopy based on the new image for each of the groups.
本発明によれば、大きい分子や不動分子の影響を適材適所に除去するRICSの画像解析方法が提供される。 According to the present invention, there is provided a RICS image analysis method that removes the influence of large molecules and immobile molecules in the right place.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の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 an embodiment of the present invention. 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
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三つのステッピング・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
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
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
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
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
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。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 n-
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
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と画像形成部164と記憶部166とステージ制御部180とガルバノミラー124と対物レンズ駆動機構128とステージ190と光検出器142により、画像取得部が構成される。
FIG. 2 shows functional blocks of the control unit shown in FIG. As shown in FIG. 2, the
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。これにより、蛍光画像を取得することができる。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。データ抽出部176は、解析領域設定部172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、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。より具体的には、解析部178は、後述する解析領域の区分値を算出し、複数の蛍光画像を区分値に基づいて一以上のグループに分類する。そして、解析部178は、グループごとに、解析領域の平均画像を算出した上で、グループごとに解析領域の各画像から平均画像を減算して解析領域の新規画像を算出する。その後、解析部178は、グループごとに新規画像に基づいて相関値を演算する。
When acquiring the fluorescence image of the sample S, the
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
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
以下、図3を参照しながら画像解析の手順について説明する。また、各ステップについて、適宜、図4〜図6を参照しながら説明する。 The image analysis procedure will be described below with reference to FIG. Each step will be described with reference to FIGS. 4 to 6 as appropriate.
<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する。設定した観察領域の蛍光画像を設定したフレーム数だけ取得する。蛍光画像の取得は、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。
<Step S1>:
The observation area of the sample S and the number of frames of the fluorescent image to be acquired are set. The fluorescent image of the set observation area is acquired for the set number of frames. 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 is composed of a plurality of pixels from which pixel data is acquired in time series.
時系列的に取得された複数フレームの蛍光画像を模式的に図4に示す。図4において、Fnは、一つのチャンネルにおけるnフレーム目の蛍光画像を表している。つまり、図4は、80フレームの蛍光画像を取得した例を示している。 FIG. 4 schematically shows a plurality of frames of fluorescence images acquired in time series. In FIG. 4, F n represents the fluorescence image of the n th frame in one channel. That is, FIG. 4 shows an example in which an 80-frame fluorescence image is acquired.
<ステップS2>:
図5に示すように、取得した蛍光画像の領域(観察領域)R1に対して解析する領域(解析領域)R2を設定する。解析領域R2は、観察領域R1の一部に限定されるものではなく、観察領域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観察領域R1すなわちステップS1における走査領域に設定されている。観察領域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. 5, a region (analysis region) R2 to be analyzed is set with respect to a region (observation region) R1 of the acquired fluorescence image. The analysis region R2 is not limited to a part of the observation region R1, and may coincide with the observation region R1. The analysis area R2 is set as an observation area R1, that is, a scanning area in step S1 by default in terms of application. This step is not necessary when analyzing the entire observation region R1.
<ステップS3>:
解析領域R2の区分値を算出する。区分値は、例えば、解析領域R2のピクセルのデータの統計値であり、解析領域R2のピクセルのデータの最大値、最小値、平均値、相対差、相対比のいずれかである。ピクセルのデータは、例えば、2次元または3次元の観察領域から得られた蛍光強度である。相対差は、例えば、最大値と最小値との差である。
<Step S3>:
The segment value of the analysis region R2 is calculated. The division value is, for example, a statistical value of pixel data in the analysis region R2, and is any one of a maximum value, a minimum value, an average value, a relative difference, and a relative ratio of pixel data in the analysis region R2. Pixel data is, for example, fluorescence intensity obtained from a two-dimensional or three-dimensional observation region. The relative difference is, for example, a difference between a maximum value and a minimum value.
続く説明では、蛍光画像F1,…,F20の解析領域の区分値はDaであり、蛍光画像F21,…,F50の解析領域の区分値は、Daとは大きく異なるDbであり、蛍光画像F51,…,F80の解析領域の区分値はDaであるとする。
In the following description, the
<ステップS4>:
複数の画像を区分値に基づいて一以上のグループに分類する。例えば、区分値が大きく変化する前後で画像をグループ分けする。グループの数は、区分値の変化の仕方に応じて決まる。
<Step S4>:
A plurality of images are classified into one or more groups based on the segment values. For example, the images are grouped before and after the segment value changes greatly. The number of groups is determined according to how the segment value changes.
複数グループに分類された複数フレームの解析領域の蛍光画像を模式的に図6に示す。図6において、Fanはnフレーム目の蛍光画像の解析領域の画像を表している。図6は、図4に示した蛍光画像F1,…,F80の解析領域の画像Fa1,…,Fa80を二つのグループGa,Gbに分類した例を示している。図6では、画像Fa1,…,Fa20と画像Fa51,…,Fa80がグループGaに分類され、画像Fa21,…,Fa50がグループGbに分類されている。
FIG. 6 schematically shows fluorescence images of analysis regions of a plurality of frames classified into a plurality of groups. In FIG. 6, Fa n represents the image of the analysis area of the n-th frame of the fluorescent image. Figure 6 is a
<ステップS5>:
グループごとに解析領域の平均画像を算出する。平均画像は、各グループに含まれる全ての画像の平均値であってもよく、または各グループに含まれる一部の画像の平均値であってもよい。例えば、平均画像の算出は、各グループに含まれる画像の数を算出し、算出した画像の数に基づいて各グループの平均画像を算出する。
<Step S5>:
An average image of the analysis area is calculated for each group. The average image may be an average value of all images included in each group, or may be an average value of some images included in each group. For example, the average image is calculated by calculating the number of images included in each group and calculating the average image of each group based on the calculated number of images.
より具体的には、各グループに含まれる全ての画像について、解析領域を構成するピクセルごとに、ピクセルのデータの平均値を算出する。そして、ピクセルごとに算出された各ピクセルのデータの平均値からなる画像を平均画像としてよい。 More specifically, for all the images included in each group, an average value of pixel data is calculated for each pixel constituting the analysis region. Then, an image composed of an average value of data of each pixel calculated for each pixel may be used as the average image.
続く説明では、グループGaに含まれる画像Fa1,…,Fa20と画像Fa51,…,Fa80の平均画像をAaとし、グループGbに含まれる画像Fa21,…,Fa50の平均画像をAbとする。
In the following description, the
画像Fa1,…,Fa20と画像Fa51,…,Fa80から一つの平均画像Aaを算出する代わりに、画像Fa1,…,Fa20からは平均画像Aa1を算出し、画像Fa51,…,Fa80からは別の平均画像Aa2を算出してもよい。
<ステップS6>:
グループごとに解析領域の各画像から平均画像を減算して解析領域の新規画像を算出する。ここで、解析領域の各画像から平均画像を減算するには、例えば、解析領域を構成するピクセルごとに、各画像のピクセルのデータから平均画像のピクセルのデータを減算し、算出された値からなる画像を得ればよい。
<Step S6>:
A new image in the analysis area is calculated by subtracting the average image from each image in the analysis area for each group. Here, in order to subtract the average image from each image of the analysis region, for example, for each pixel constituting the analysis region, the pixel data of the average image is subtracted from the pixel data of each image, and the calculated value is used. What is necessary is just to obtain the image which becomes.
nフレーム目の解析領域の新規画像をFbnとする。グループGaに含まれる画像Fa1,…,Fa20,Fa51,…,Fa80に対しては、Fb1=Fa1−Aa,…,Fb20=Fa20−Aa,Fa51=Fa51−Aa,…,Fa51=Fa20−Aaによって、新規画像Fb1,…,Fb20,Fb51,…,Fb80を算出し、グループGbに含まれる画像Fa21,…,Fa50に対しては、Fb21=Fa21−Ab,…,Fb50=Fa50−Abによって、新規画像Fb21,…,Fb50を算出する。 a new image of the analysis region of the n-th frame and Fb n. Image Fa 1 included in the group G a, ..., Fa 20, Fa 51, ..., for the Fa 80, Fb 1 = Fa 1 -A a, ..., Fb 20 = Fa 20 -A a, Fa 51 = Fa 51 -A a, ..., by Fa 51 = Fa 20 -A a, new image Fb 1, ..., Fb 20, Fb 51, ..., and calculates the Fb 80, image fa 21 included in the group G b, ... , Fa 50 , new images Fb 21 ,..., Fb 50 are calculated by Fb 21 = Fa 21 −A b ,..., Fb 50 = Fa 50 −A b .
新規画像Fb1,…,Fb20,Fb51,…,Fb80を算出するために、各画像Fa1,…,Fa20,Fa51,…,Fa80から共通のAa,を減算する代わりに、各画像Fa1,…,Fa20からは前述した平均画像Aa1を減算し、各画像Fa51,…,Fa80からは前述した平均画像Aa2を減算してもよい。
New image Fb 1, ..., instead of subtracting Fb 20, Fb 51, ..., in order to calculate the Fb 80, each image Fa 1, ..., Fa 20, Fa 51, ..., a common A a from Fa 80, the , each
<ステップS7>:
グループごとに新規画像に基づいて相関値を演算する。相関値の演算に使用する各ピクセルのデータは、そのピクセルのデータそのものであってもよいし、そのピクセルを含む複数のピクセルのデータの統計値であってもよい。複数のピクセルは、たとえば、注目のピクセルおよびこれに隣接するピクセルであってよい。統計値は、たとえば、ピクセルのデータの平均値、最大値、最小値、相対差、絶対差、相対比のいずれかであってよい。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。
<Step S7>:
The correlation value is calculated for each group based on the new image. The data of each pixel used for the calculation of the correlation value may be the data of the pixel itself, or may be a statistical value of data of a plurality of pixels including the pixel. The plurality of pixels may be, for example, a pixel of interest and a pixel adjacent thereto. The statistical value may be, for example, any one of an average value, a maximum value, a minimum value, a relative difference, an absolute difference, and a relative ratio of pixel data. What statistics are used depends on what information is desired to be obtained by RICS analysis.
相関値の演算は、例えば、グループごとにピクセルのデータの最小値を算出し、算出した最小値を新規画像の全てのピクセルのデータに加算し、最小値を加算した新規画像について相関値を演算する。この処理によって、新規画像のピクセルのデータが全て正になる。ここでは、新規画像のピクセルのデータを全て正にするために、最小値を加算する例をあげたが、加算する値は最小値に限らず、最小値よりも大きい任意の値を加算すればよい。 For example, the minimum value of the pixel data is calculated for each group, the calculated minimum value is added to the data of all the pixels of the new image, and the correlation value is calculated for the new image obtained by adding the minimum value. To do. This process makes all the pixel data of the new image positive. In this example, the minimum value is added to make all the pixel data of the new image positive. However, the value to be added is not limited to the minimum value, and an arbitrary value greater than the minimum value can be added. Good.
また相関値の演算は、ピクセルのデータに基づいて画像をそれぞれ構成し直し、構成し直した画像について相関値を演算してもよい。例えば、隣のピクセルのデータ同士を足して、ピクセルのデータの数を半分にする。または、一つのピクセルのデータを複数に分割する。本来ならば、一度画像を取得するとピクセルのデータの数は増えないが、取得したピクセルのデータの強度がそのピクセルのデータの周囲にガウシアン分布で広がっていると仮定して、本来取得できていないピクセルのデータを補う。本質的にピクセルのデータの数が増えている訳ではないが、見た目が良くなる。 Further, the correlation value may be calculated by reconstructing images based on pixel data, and calculating the correlation value for the reconstructed image. For example, the data of adjacent pixels is added to halve the number of pixel data. Alternatively, the data of one pixel is divided into a plurality of pieces. Originally, once the image is acquired, the number of pixel data does not increase, but it cannot be acquired on the assumption that the intensity of the acquired pixel data spreads around the pixel data in a Gaussian distribution. Supplement pixel data. Although the number of pixel data is not essentially increasing, it looks better.
相関値の演算は、例えば、次式(1)を用いて空間自己相関値を算出する。
ここで、GsaはRICSの空間自己相関値、Iはピクセルのデータ、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、M11はデータ積和計算の回数、M1はデータ総数である。 Here, Gsa is a RICS spatial autocorrelation value, I is pixel data, x and y are spatial coordinates of measurement points, ξ and ψ are changes in spatial coordinates from the measurement points, and M 11 is a data product. the number of the sum calculation, M 1 is the total number of data.
または、相関値の演算は、例えば、次式(2)を用いて空間相互相関値を算出する。
ここで、GscはRICSの空間相互相関値、I1はチャンネル1のピクセルのデータ、I2はチャンネル2のピクセルのデータ、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、M12はデータ積和計算の回数、M1はチャンネル1のデータ総数、M2はチャンネル2のデータ総数である。式(2)は、チャンネル1とチャンネル2との間の空間相互相関値の算出式であるが、チャンネルは適宜変更されてよい。
Where G sc is the RICS spatial cross-correlation value, I 1 is the
さらに、各新規画像に基づいて算出された相関値を平均化する。 Further, the correlation values calculated based on each new image are averaged.
nフレーム目の解析領域の新規画像Fbnに基づいて算出した相関値をGsnとする。そして、平均の相関値Gsを、Gs=(Gs1+Gs2+…+Gs79+Gs80)/80によって算出する。 The correlation value calculated based on the new image Fb n in the analysis area of the nth frame is set as G sn . Then, an average correlation value G s is calculated by G s = (G s1 + G s2 +... + G s79 + G s80 ) / 80.
<ステップS8>:
上記ステップS7の空間相関値の算出結果を式(3)によってフィッティングする。
The calculation result of the spatial correlation value in the above step S7 is fitted by equation (3).
ここで、GsはRICSの空間相関値、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、ξ,ψは測定点からの空間的座標の変化量、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、γは任意の定数である。 Here, G s is the RICS spatial correlation value, 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, and ξ and ψ are the spatial coordinates from the measurement point. Variation, δr is the pixel size, N is the number of molecules, W 0 is the lateral radius of the excitation laser beam, W Z is the longitudinal radius of the excitation laser beam, τ p is the pixel time, τ l is the line time, γ Is an arbitrary constant.
なお、γについては、システムに応じて適宜設定することができる。例えば、γ=1としてフィッティングしてよい。 Note that γ can be set as appropriate according to the system. For example, fitting may be performed with γ = 1.
また、ピクセル時間とは、ピクセル間の取得時間のずれを意味する。また、ライン時間とは、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を意味する。すなわち、ライン時間は、一ライン走査するのに要する時間を意味する。 The pixel time means a shift in acquisition time between pixels. The line time means a difference in acquisition 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.
このように式(3)を用いてフィッティングすることで、拡散時間の推定をする。具体的には、式(1)または式(2)を用いて、異なる遅延時間に対する相関値Gsaまたは相関値Gscをそれぞれ求める。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)=(1,1)と、(ξ,ψ)=(4,2)と、の遅延時間は、(4−1)τp+(2−1)τlで表される。 In this way, the diffusion time is estimated by fitting using equation (3). Specifically, the correlation value G sa or the correlation value G sc for different delay times is obtained using Formula (1) or Formula (2). 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 of (ξ, ψ) = (1,1) and (ξ, ψ) = (4,2) is expressed as (4-1) τ p + (2-1) τ 1 . Is done.
ここで、式(3)において、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(3)に代入する。 Here, in the formula (3), when the delay time is zero (ξ = 0, ψ = 0 ), S is 1, the G s expressed by 1 / N. Therefore, the number of molecules can be obtained. This is newly substituted into Equation (3).
そして、未知数である拡散定数Dを変動させながら、測定値として得られる相関値Gsaまたは相関値Gscと、理論値として得られるGsと、の差が最小となるように、適切な拡散定数Dを求める。このように、式(3)によるフィッティングとは、拡散定数Dを変動させながら、2次元または3次元の観察領域における、最適な、分子数または拡散定数を推定することである。 Then, while varying the diffusion constant D is unknown, so that the correlation value and the G sa or correlation value G sc obtained as a measured value, a G s obtained theoretically, the difference is minimized, adequate diffusion A constant D is obtained. Thus, the fitting by the equation (3) is to estimate the optimal number of molecules or diffusion constant in the two-dimensional or three-dimensional observation region while changing the diffusion constant D.
そして、拡散定数からは、拡散時間を求めることができる。 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(4)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.
<ステップS9>:
解析結果を表示するとともに適宜保存する。具体的には、ステップS7で得た空間相関値の算出結果と、ステップS8で得た空間相関値のフィッティング結果を表示する。解析結果の一例を図7〜図10に示す。図7は、小さい分子に対する空間相関値の算出結果を輝度で示した画像であり、図8は、そのフィッティング結果を示している。また図9は、大きい分子に対する空間相関値の算出結果を輝度で示した画像であり、図10は、そのフィッティング結果を示している。
<Step S9>:
Display the analysis results and save as appropriate. Specifically, the calculation result of the spatial correlation value obtained in step S7 and the fitting result of the spatial correlation value obtained in step S8 are displayed. An example of the analysis result is shown in FIGS. FIG. 7 is an image showing the calculation result of the spatial correlation value for a small molecule in luminance, and FIG. 8 shows the fitting result. FIG. 9 is an image showing the calculation result of the spatial correlation value for a large molecule in luminance, and FIG. 10 shows the fitting result.
このように本実施形態では、RICSのような画像データを計算の元とする空間的相関解析において、複数フレームの画像をフレームデータの変化に応じていくつかのグループに分類し、グループごとに平均画像の減算処理を行なっている。つまり、異なる大きい分子や不動分子の影響が混在するフレームから一つの平均画像を算出して減算処理することを避け、大きい分子や不動分子の影響を事前に分類し、分類したグループごとに平均画像を算出して減算処理している。これにより、フレームデータの変化に応じたグループごとに、大きい分子や不動分子の影響が適材適所に除去される。 As described above, in the present embodiment, in spatial correlation analysis based on image data such as RICS, images of a plurality of frames are classified into several groups according to changes in the frame data, and an average is obtained for each group. Image subtraction processing is performed. In other words, avoid calculating and subtracting one average image from the frames where the effects of different large molecules and immobile molecules coexist, classify the effects of large molecules and immobile molecules in advance, and average images for each classified group Is calculated and subtracted. As a result, for each group corresponding to the change in the frame data, the influence of large molecules and immobile molecules is removed in the right place.
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.
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.
100…画像解析装置、110…光照射部、112a,…,112n…光源、114a,…,114n…コリメートレンズ、116a,…,116n…ダイクロイックミラー、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、138a,…,138n…ダイクロイックミラー、140a,…,140n…蛍光フィルター、142a,…,142n…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、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…観察領域、R2…解析領域。
DESCRIPTION OF
Claims (18)
各走査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走査画像を時系列的に取得する画像取得ステップと、
前記走査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、
前記解析領域の区分値を算出する区分値算出ステップと、
前記複数の走査画像を前記区分値の変化の大きさに基づいて2以上のグループに分類する分類ステップと、
前記グループごとに前記解析領域の平均画像を算出する平均画像算出ステップと、
前記グループごとに前記解析領域の各走査画像から前記平均画像を減算して前記解析領域の新規画像を算出する新規画像算出ステップと、
前記グループごとに前記新規画像に基づいてラスターイメージ相関分光法により相関値を演算する演算ステップとを有している画像解析方法。 A scanning optical microscope image analysis method for analyzing a scanning image obtained by detecting light from a measurement point in a sample in which molecules of different sizes are mixed and scanning the measurement point to be detected,
An image acquisition step of acquiring a plurality of frames of scan images, each of which includes a plurality of pixels, in which pixel data of each scan image is acquired in time series;
An analysis region setting step for setting an analysis region for the scanned image;
A segment value calculating step for calculating a segment value of the analysis area;
A classification step of classifying the plurality of scanned images into two or more groups based on the magnitude of the change in the segment value;
An average image calculation step of calculating an average image of the analysis region for each group;
A new image calculation step of subtracting the average image from each scanned image of the analysis region for each group to calculate a new image of the analysis region;
An image analysis method comprising: calculating a correlation value by raster image correlation spectroscopy based on the new image for each group.
各走査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走査画像を時系列的に取得する画像取得手段と、
前記走査画像に対して解析領域を設定する解析領域設定手段と、
前記解析領域の区分値を算出する区分値算出手段と、
前記複数の走査画像を前記区分値の変化の大きさに基づいて2以上のグループに分類し、前記グループごとに前記解析領域の平均画像を算出し、前記グループごとに前記解析領域の走査画像から前記平均画像を減算して前記解析領域の新規画像を算出し、前記新規画像についてラスターイメージ相関分光法により相関値を演算する演算手段とを有している、画像解析装置を有する走査型光学顕微鏡。 A scanning optical microscope having an image analysis device for analyzing a scanning image obtained by detecting light from a measurement point in a sample in which molecules of different sizes are mixed and scanning the measurement point to be detected,
Image acquisition means for acquiring, in a time series, a plurality of frames of a scan image composed of a plurality of pixels in which pixel data of each scan image is acquired in a time series;
Analysis region setting means for setting an analysis region for the scanned image;
Section value calculation means for calculating the section value of the analysis region;
The plurality of scan images are classified into two or more groups based on the magnitude of the change in the segment value , an average image of the analysis region is calculated for each group, and the scan image of the analysis region is calculated for each group. A scanning optical microscope having an image analysis apparatus, comprising: an arithmetic unit that subtracts the average image to calculate a new image in the analysis region, and calculates a correlation value for the new image by raster image correlation spectroscopy .
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