JP5891719B2 - Cell cross-section analysis apparatus, cell cross-section analysis method, and cell cross-section analysis program - Google Patents

Cell cross-section analysis apparatus, cell cross-section analysis method, and cell cross-section analysis program Download PDF

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Description

本発明は、細胞断面解析技術に関し、特に、剥離細胞の断面画像解析により剥離細胞を検出する技術に関する。   The present invention relates to a cell cross-section analysis technique, and particularly to a technique for detecting exfoliated cells by analyzing cross-sectional images of exfoliated cells.

再生医療分野等において、皮膚などの自己の細胞を増殖させて人体に移植する場合、あるいは、ES細胞、iPS細胞などの幹細胞を心筋など特定の機能に分化させた細胞を人体に移植する場合等において、角膜、皮膚等の平面状の組織については、シャーレ等の培養皿を用いて、細胞をシート状に増殖させて移植する方法が進められている。この方法では、培養皿に細胞を播種して一定期間培養し、シート状に形成された細胞群をシャーレの底板などの基板から剥離して移植などに利用する。   In the field of regenerative medicine, when self cells such as skin are proliferated and transplanted to the human body, or when stem cells such as ES cells and iPS cells are differentiated into specific functions such as the myocardium, etc. On the other hand, for planar tissues such as the cornea and skin, a method is used in which cells are grown in a sheet form and transplanted using a culture dish such as a petri dish. In this method, cells are seeded in a culture dish and cultured for a certain period, and a group of cells formed in a sheet shape is peeled off from a substrate such as a bottom plate of a petri dish and used for transplantation or the like.

基板からの細胞群の剥離を促進する方法として、細胞剥離性を有する薬剤を用いて細胞群を剥離する方法、温度条件により細胞接着性が変化する温度応答性ポリマーにより被覆された基板表面にて細胞を培養したのち温度コントロールにより細胞群を剥離する方法(下記特許文献1)等が知られている。薬剤や温度コントロールなどによる剥離刺激を加えて細胞群を剥離する場合に、基板から剥離せず接着したままの細胞が一定の割合以上に多いと、形成されたシート形状が破壊され移植に使用できなくなる。従って、品質管理上、細胞培養用基板の表面の、剥離刺激が加えられた際の細胞の剥離性能を非侵襲的に計測し管理することが求められている。
そのために、細胞の側面方向からみた断面の解析、いわゆる断面解析が重要となる。
As a method for accelerating the detachment of the cell group from the substrate, a method of detaching the cell group using a cell detachable drug, on the surface of the substrate coated with a temperature-responsive polymer whose cell adhesion changes depending on temperature conditions A method of detaching a cell group by culturing cells and controlling the temperature (Patent Document 1 below) is known. When a cell group is detached by applying exfoliation stimulus such as drug or temperature control, if there are more than a certain percentage of cells that remain attached without being detached from the substrate, the formed sheet shape is destroyed and can be used for transplantation. Disappear. Therefore, for quality control, it is required to non-invasively measure and manage the cell peeling performance when a peeling stimulus is applied to the surface of the cell culture substrate.
Therefore, analysis of a cross section viewed from the side of the cell, so-called cross section analysis is important.

培養細胞の断面方向の状態を物理的に観察する方法として、顕微鏡を倒立させてシャーレを側面方向から観察する方法や、超小型水中カメラをシャ−レに沈め側面方向から観察する方法等が考えられる。前者は通常の円形シャーレでは実現困難なため、観察時のみ薄型の特殊な方形シャーレを準備して移し替える必要があり、培養細胞に侵襲を加えてしまうという問題がある。一方、後者の超小型水中カメラでは、現状では、顕微鏡並みの高倍率の画像を得ることが困難である。   Possible methods for physically observing the cross-sectional state of cultured cells include inverting the microscope and observing the petri dish from the side, or submerging an ultra-small underwater camera in the petri dish and observing from the side. It is done. Since the former is difficult to realize with an ordinary circular petri dish, it is necessary to prepare and transfer a thin special square petri dish only at the time of observation, and there is a problem of invading cultured cells. On the other hand, with the latter ultra-small underwater camera, it is difficult to obtain a high-magnification image comparable to a microscope at present.

このように、培養皿を側面方向から撮影する方法を実現することは難しいため、Z軸方向に培養皿をスライスして複数フレーム撮影し、画像再構成により培養皿を仮想的に側面方向から観察した断面像を間接的に作成する方法が考えられる。   In this way, it is difficult to realize a method of photographing the culture dish from the side direction. Therefore, the culture dish is sliced in the Z-axis direction, and multiple frames are photographed, and the culture dish is virtually observed from the side direction by image reconstruction. A method of indirectly creating a cross-sectional image can be considered.

このような方法を実現するための基礎技術として、光学顕微鏡の焦点を制御して深さ方向の段差計測を行う手法は、下記のように実現されている。
(1)一般的な光学顕微鏡を用いたZ方向計測手法
特許文献2「微細パターンの段差測定装置」
この方法は、一般的な光学顕微鏡を用いて、撮影ポイントごとに焦点制御を行うことにより、電子デバイスの加工段差の3次元計測を行う方法の提案である。
(2) 特許文献3「カラー共焦点顕微鏡」
段差測定に適した3次元計測用顕微鏡の提案である。
光学顕微鏡で焦点制御を行うと画像のボケが生じるため、光源をビーム状に絞り2次元的に走査しながら、3次元方向の段差計測を高精度に行う方法が提案されている。
(3)特許文献4「共焦点レーザー走査型顕微鏡を用いた撮影手法」
死角に存在する対象物を取得する方法として、光の屈折効果を活用し共焦点レーザー走査型顕微鏡を用いた撮影手法が提案されている。
(4)特許文献5「光学像再構成装置」
一般的な光学顕微鏡を用いて、焦点制御を行いながら、複数枚の画像を撮影して断面像を得る手法で、試料対象物の死角部分の形状を取得するため、試料を管状の容器に収納し、回転させながらマルチスライス撮影を行う手法が提案されている。
(5)特許文献6「共焦点レーザー走査型顕微鏡及びその光学的断層像表示方法」
レーザー走査型顕微鏡を用いて、対物レンズを培養液中に浸入させ、培養液と試料との光学的な屈折率を考慮して、取得される画素単位の断面像に対して補正を加える手法を提案。1次元走査線ごとに断面像をリアルタイムに取得できる。
As a basic technique for realizing such a method, a method for measuring a step in the depth direction by controlling the focus of an optical microscope is realized as follows.
(1) Z-direction measurement method using a general optical microscope Patent Document 2 “Step measurement device for fine pattern”
This method is a proposal of a method of performing three-dimensional measurement of a processing step of an electronic device by performing focus control for each photographing point using a general optical microscope.
(2) Patent Document 3 “Color Confocal Microscope”
This is a proposal for a three-dimensional measuring microscope suitable for level difference measurement.
When focus control is performed with an optical microscope, image blurring occurs. Therefore, a method has been proposed in which a step is measured with high accuracy in a three-dimensional direction while two-dimensionally scanning a light source in a beam shape.
(3) Patent Document 4 “Shooting Method Using Confocal Laser Scanning Microscope”
As a method for acquiring an object existing in a blind spot, an imaging method using a confocal laser scanning microscope using a light refraction effect has been proposed.
(4) Patent document 5 “Optical image reconstruction device”
Using a general optical microscope to control the focus and capture multiple images to obtain a cross-sectional image, the specimen is stored in a tubular container in order to obtain the shape of the blind spot part of the specimen. However, a technique for performing multi-slice imaging while rotating has been proposed.
(5) Patent Document 6 “Confocal laser scanning microscope and optical tomographic image display method thereof”
Using a laser scanning microscope, the objective lens is infiltrated into the culture solution, and the cross-sectional image of the acquired pixel unit is corrected in consideration of the optical refractive index of the culture solution and the sample. Proposal. A cross-sectional image can be acquired in real time for each one-dimensional scanning line.

特許第3441530号公報Japanese Patent No. 3441530 特開平8−194737号公報JP-A-8-194737 特許第4065129号公報Japanese Patent No. 4065129 特開平7−199073号公報JP-A-7-199073 特開平6−259533号公報JP-A-6-259533 特開平7−199073号公報JP-A-7-199073

ところで、特許文献2に記載の技術では、取得される各スライス画像のいずれも、ピントがボケた状態になるため、断面画像の映像化の用途には適用することが困難であった。   By the way, in the technique described in Patent Document 2, since each of the acquired slice images is out of focus, it has been difficult to apply to the use of imaging a cross-sectional image.

特許文献3は、特許文献2を改善したものであり、共焦点レーザ走査型顕微鏡が提案されているが、光学顕微鏡に比べ高価であり、光学顕微鏡のように透過光源を用いて、対象物の死角になる裏側のスライス像を容易に取得できないという問題がある。   Patent Document 3 is an improvement of Patent Document 2, and a confocal laser scanning microscope has been proposed. However, it is more expensive than an optical microscope, and using a transmissive light source like an optical microscope, There is a problem that a slice image on the back side that becomes a blind spot cannot be easily acquired.

特許文献4は、共焦点レーザー走査型顕微鏡を用いた撮影手法が提案されているが、通常の細胞観察用の光学顕微鏡で取得される透過画像とはかなり異なるという問題がある。   Patent Document 4 proposes a photographing method using a confocal laser scanning microscope, but has a problem that it is considerably different from a transmission image obtained by a normal optical microscope for cell observation.

特許文献5では、剥離細胞のように浮遊している対象物に対しては適用できない。また、光学顕微鏡を用いた断層像の取得方法が提案されているが、試料を円筒形の容器に固定させ容器を回転させながら撮像するため、培養細胞には適用できない。   In patent document 5, it cannot apply to the floating object like a detached cell. In addition, although a method for acquiring a tomographic image using an optical microscope has been proposed, it is not applicable to cultured cells because the sample is imaged while the sample is fixed to a cylindrical container and the container is rotated.

特許文献6では、走査型でない通常の光学顕微鏡では画素単位の補正を行うことが難しいため、適用することが困難である。また、培養液に対して侵襲を加える必要があり、非侵襲的な分析が難しいという問題がある。   In Patent Document 6, since it is difficult to perform pixel-by-pixel correction with a normal optical microscope that is not a scanning type, it is difficult to apply. In addition, it is necessary to invade the culture medium, and there is a problem that noninvasive analysis is difficult.

通常の光学顕微鏡を用いて通常の培養皿を深さ方向にマルチスライス撮影し断面方向の画像を仮想的に構築できるようにするためには、以下の課題がある。
(1)収集されるスライス画像の殆どのピントがボケる。フォーカスが合っている合焦状態にある箇所は一部であり、大部分がフォーカスが合っておらず、画像が不鮮明になる。
(2)被写界深度の影響によるZ方向の分解能が低下する。フォーカス面が不鮮明であるだけでなく、Z軸上下の像も映り込んでしまう。
(3)対象物の対物レンズと反対方向の像が死角になる。対象物の裏側の形状や対象物の裏側に重なって存在する別の対象物を観察できない。
本発明は、上記の課題を解決し、細胞の断面を高精度に観測すること目的とする。
In order to be able to virtually construct an image in a cross-sectional direction by photographing a normal culture dish with multi-slice in the depth direction using a normal optical microscope, there are the following problems.
(1) Most of the acquired slice images are out of focus. The in-focus state where the focus is achieved is a part, and most of the portions are not in focus, and the image becomes unclear.
(2) The resolution in the Z direction decreases due to the influence of the depth of field. Not only is the focus surface unclear, but also images above and below the Z axis are reflected.
(3) The image of the object in the direction opposite to the objective lens becomes a blind spot. It is impossible to observe the shape of the back side of the object or another object that overlaps the back side of the object.
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to observe a cross section of a cell with high accuracy.

上記課題(1)に対しては、シャープネス補正を加えて画像処理により鮮鋭化する方法を提案する。   For the problem (1), a method of sharpening by image processing with sharpness correction is proposed.

上記課題(2)に対しては、各スライス画像に対して、上下に隣接するスライス画像の成分を所定量だけ画像処理により減算する方法を提案する。   For the above problem (2), a method of subtracting a predetermined amount of the components of slice images adjacent in the vertical direction from each other is proposed for each slice image.

上記課題(3)に対しては、各スライス面を透過光源により撮像し、各スライス画像に対して、裏側に隣接するスライス画像の成分を所定量だけ画像処理により強調させる方法を提案する。即ち、透過光源を用いて光学顕微鏡の焦点を制御して深さ方向を変化させたマルチスライス撮影を行い、取得した各スライス画像に対して鮮鋭化の画像処理を加えて、焦点ボケの改善を行う。   For the above problem (3), a method is proposed in which each slice plane is imaged with a transmission light source, and for each slice image, a component of the slice image adjacent to the back side is enhanced by a predetermined amount by image processing. In other words, multi-slice imaging is performed by changing the depth direction by controlling the focus of the optical microscope using a transmission light source, and sharpening image processing is applied to each acquired slice image to improve defocusing. Do.

更に、隣接スライス画像間で差分強調処理を加え、被写界深度の影響によるZ方向の分解能低下の問題を改善させ、死角に入った不鮮明な画像を強調させる。このようにして補正されたマルチスライス画像より指定された位置の水平面または垂直面の断層画像を構築するための画素を抽出する。   Furthermore, a difference enhancement process is performed between adjacent slice images to improve the problem of a decrease in resolution in the Z direction due to the influence of the depth of field, and a blurred image entering the blind spot is enhanced. Pixels for constructing a horizontal or vertical tomographic image at a specified position are extracted from the multi-slice image corrected in this way.

本発明の一観点によれば、細胞と液体とを含む系を第1の方向に移動させながら顕微鏡で焦点を合わせて観察し、鉛直方向の位置が異なる複数の合焦画像を、前記第1の方向と交差する第2の方向と前記第1の方向及び第2の方向と交差する第3の方向とにより画定される複数の2次元平面画像として撮像する撮像機構と、前記撮像機構により撮像された前記複数の合焦画像のそれぞれに対して画像を鮮鋭化する補正処理を行う画像補正部と、前記画像補正部により補正された後の前記複数の合焦画像に基づいて、前記2次元平面上の任意の点を通り、前記第2の方向又は前記第3の方向のいずれかの断面を、前記複数の合焦画像をつなぎ合わせるように再構成し疑似断面画像を生成する画像処理部と、を有することを特徴とする細胞断面解析装置が提供される。   According to an aspect of the present invention, a system including cells and a liquid is moved in a first direction while being focused and observed with a microscope, and a plurality of in-focus images having different vertical positions are obtained. A plurality of two-dimensional planar images demarcated by a second direction that intersects the first direction and a third direction that intersects the first direction and the second direction, and imaging by the imaging mechanism An image correcting unit that performs a correction process for sharpening an image on each of the plurality of focused images, and the two-dimensional image based on the plurality of focused images corrected by the image correcting unit. An image processing unit that reconstructs a cross section in either the second direction or the third direction so as to connect the plurality of focused images and generates a pseudo cross-sectional image through an arbitrary point on the plane And a cell cross-section solution characterized by comprising Apparatus is provided.

前記撮像機構により取得されたマルチスライス画像について、鮮鋭化の補正を行った後に、マルチスライス画像を移動方向につなぎ合わせることで、より鮮明で精度の良い疑似断面画像を得ることができる。   After sharpening correction is performed on the multi-slice image acquired by the imaging mechanism, the multi-slice image is joined in the moving direction, so that a clearer and more accurate pseudo-sectional image can be obtained.

前記撮像機構は、前記合焦画像を所定の時間間隔で繰り返し撮像して複数の動画像を取得し、前記画像処理部は、前記複数の動画像に基づいて疑似断面動画像を生成することが好ましい。マルチスライス画像としては、合焦画像を所定の時間間隔で撮影を繰り返すことにより得られた動画像を用いることで、より精度の良い疑似断面動画像を得ることができる。   The imaging mechanism may repeatedly capture the focused image at a predetermined time interval to obtain a plurality of moving images, and the image processing unit may generate a pseudo sectional moving image based on the plurality of moving images. preferable. As the multi-slice image, a moving image obtained by repeatedly capturing the focused image at a predetermined time interval can be used to obtain a more accurate pseudo-sectional moving image.

前記画像補正部は、前記複数の合焦画像を鮮鋭化する処理として、アンシャープマスクに基づくアルゴリズムにより、前記複数の合焦画像よりも焦点がぼけた焦点ぼけ画像を作成し、前記複数の合焦画像と、対応する前記焦点ぼけ画像との差分画像を所定の割合だけ各々加算することにより補正を行うことが好ましい。
差分画像を考慮することで、より鮮明な画像を得ることができる。
The image correction unit creates a defocused image that is more out of focus than the plurality of focused images by an algorithm based on an unsharp mask as a process for sharpening the plurality of focused images. It is preferable to perform correction by adding a difference image between the focused image and the corresponding defocused image by a predetermined ratio.
By considering the difference image, a clearer image can be obtained.

前記画像補正部は、前記鮮鋭化する処理に加え、前記複数の合焦画像に対して、前記鉛直方向の第1の方向又は前記第1の方向と反対の方向に1フレーム分だけ隣接する静止画または動画のフレームとの差分画像を各々作成し、前記各静止画または各動画のフレームに対して当該静止画または動画のフレームに対応する差分画像を所定の割合だけ加算することにより補正を行っても良い。   In addition to the sharpening process, the image correcting unit is adjacent to the plurality of focused images by one frame in the first direction in the vertical direction or in the direction opposite to the first direction. Each image is created with a difference image from the frame of the image or movie, and the difference image corresponding to the frame of the still image or movie is added to the frame of each still image or movie by a predetermined ratio. May be.

第1の方向において1つ前の画像、1つ後の画像との差分を現在の画像に加算・減算することで、写り込み等の影響を抑制することができる。   By adding / subtracting the difference between the previous image and the next image in the first direction to the current image, it is possible to suppress the influence of reflection or the like.

前記撮像機構は、前記液体として培養液を入れる培養皿の底板表面に対して焦点があったZ1位置と、前記培養皿中の培養液面に対して焦点があったZ2位置とを設定し、光学顕微鏡により焦点を前記Z1位置と前記Z2位置との範囲で所定の間隔で複数の個所に移動させながらZ方向の位置が異なる複数の画像を撮像することを特徴とする。   The imaging mechanism sets a Z1 position that is in focus with respect to the bottom plate surface of the culture dish that contains the culture medium as the liquid, and a Z2 position that is in focus with respect to the culture liquid level in the culture dish, A plurality of images with different positions in the Z direction are picked up by moving the focal point to a plurality of locations at predetermined intervals within the range between the Z1 position and the Z2 position by an optical microscope.

例えば操作部により指定された前記2次元平面上の任意の点を含む平面であって前記第2の方向と前記第1の方向により形成される平面又は前記第3の方向と前記第1の方向により形成される平面で切った少なくともいずれかの前記疑似断面画像を、前記2次元平面の画像と対応させて表示画面に表示させる表示制御部を有するようにすると良い。疑似断面画像と平面画像との位置を対応付けて表示することで、よりわかりやすい細胞の解析が可能となる。   For example, a plane including an arbitrary point on the two-dimensional plane designated by the operation unit and formed by the second direction and the first direction or the third direction and the first direction It is preferable to include a display control unit that displays on the display screen at least one of the pseudo cross-sectional images cut by the plane formed by the above-described method so as to correspond to the two-dimensional plane image. By displaying the positions of the pseudo cross-sectional image and the planar image in association with each other, it becomes possible to analyze the cells more easily.

本発明の他の観点によれば、細胞と液体とを含む系を第1の方向に相対的に移動させながら顕微鏡で焦点を合わせて観察し、前記第1の方向の位置が異なる複数の合焦画像を、前記第1の方向と交差する第2の方向と前記第1の方向及び前記第2の方向と交差する第3の方向とにより画定される複数の2次元平面画像として撮像する撮像ステップと、前記撮像機構により撮像された前記複数の合焦画像のそれぞれに対して画像を鮮鋭化する補正処理を行う画像補正ステップと、前記画像補正部により補正された後の前記複数の合焦画像に基づいて、前記2次元平面上の任意の点を通り、前記第2の方向又は前記第3の方向のいずれかの断面を、前記複数の合焦画像をつなぎ合わせるように再構成し疑似断面画像を生成する画像処理ステップと、を有することを特徴とする細胞断面解析方法が提供される。「細胞と液体とを含む系を第1の方向に相対的に移動させながら顕微鏡で焦点を合わせて」とは、系と顕微鏡とのうち少なくともいずれか一方を移動させることを意味する。   According to another aspect of the present invention, a system including cells and liquid is relatively focused in a first direction while being moved relatively in the first direction, and is observed with a plurality of different positions in the first direction. Imaging that captures a focal image as a plurality of two-dimensional planar images defined by a second direction that intersects the first direction and a third direction that intersects the first direction and the second direction. An image correcting step for performing a correction process for sharpening an image on each of the plurality of focused images captured by the imaging mechanism, and the plurality of focused images after being corrected by the image correcting unit. Based on an image, it passes through an arbitrary point on the two-dimensional plane and reconstructs a cross section in either the second direction or the third direction so as to connect the plurality of focused images. An image processing step for generating a cross-sectional image; Cells sectional analysis method characterized by having a are provided. “Focus with a microscope while relatively moving a system including cells and liquid in the first direction” means that at least one of the system and the microscope is moved.

本発明は、上記に記載の細胞断面画像解析方法をコンピュータに実行させるための細胞断面解析プログラムであっても良く、当該プログラムを記録するコンピュータ読み込み可能な記録媒体であっても良い。   The present invention may be a cell cross-section analysis program for causing a computer to execute the cell cross-section image analysis method described above, or a computer-readable recording medium for recording the program.

本発明によれば、物理的に横方向から観察困難な細胞の断面を疑似断面画像を生成することにより疑似的に観察することができる。   According to the present invention, it is possible to artificially observe a cross section of a cell that is physically difficult to observe from the lateral direction by generating a pseudo cross section image.

また、細胞断面画像の作成精度の向上によって、細胞培養容器内の細胞が接着細胞であるか剥離細胞であるかを判定し、細胞接着表面の細胞剥離性能の評価が簡単になる。   In addition, by improving the accuracy of creating the cell cross-sectional image, it is possible to determine whether the cells in the cell culture container are adherent cells or detached cells, and to easily evaluate the cell peeling performance on the cell adhesion surface.

本発明の第1の実施の形態による細胞断面画像の解析技術の対象の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the object of the analysis technique of the cell cross-sectional image by the 1st Embodiment of this invention. 本実施の形態による細胞画像解析技術の原理を示す図であり、マルチディメンジョナル細胞断面解析法の概要を示す図である。It is a figure which shows the principle of the cell image analysis technique by this Embodiment, and is a figure which shows the outline | summary of the multidimensional cell cross-section analysis method. マルチディメンジョナル細胞断面解析法の原理図であり、図2に対応する図である。FIG. 3 is a principle diagram of a multi-dimensional cell cross-sectional analysis method and corresponds to FIG. 2. 本実施の形態による断面画像解析システムの一構成例を示す図であり、図2に示す構成に加えて、必要な構成を合わせて示す図である。It is a figure which shows the example of 1 structure of the cross-sectional image analysis system by this Embodiment, and is a figure which shows a required structure in addition to the structure shown in FIG. 本実施の形態による断面画像解析装置の一構成例を示す機能ブロック図であり、図4に示す構成のうち解析機構を中心にした構成を示す図である。It is a functional block diagram which shows one structural example of the cross-sectional image analyzer by this Embodiment, and is a figure which shows the structure centering on the analysis mechanism among the structures shown in FIG. 本実施の形態による断面画像解析システムにおける処理に流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows a flow in the process in the cross-sectional image analysis system by this Embodiment. シャープネス補正(アンシャープネスマスク)により、さらに、ボケを増す処理を行う処理の流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the flow of the process which performs the process which increases a blur further by sharpness correction | amendment (unsharpness mask). シャープネス補正(アンシャープネスマスク)により、さらに、ボケを増す処理を行う処理の流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the flow of the process which performs the process which increases a blur further by sharpness correction | amendment (unsharpness mask). シャープネス補正(アンシャープネスマスク)により、さらに、ボケを増す処理を行う処理の流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the flow of the process which performs the process which increases a blur further by sharpness correction | amendment (unsharpness mask). ステップS6のZ方向隣接画像との差分強調処理の流れの詳細を示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the detail of the flow of a difference emphasis process with the Z direction adjacent image of step S6. 各静止画に対する差分強調処理の詳細な流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the detailed flow of the difference emphasis process with respect to each still image. 補正前の顕微鏡画像の一例を示す図であり、Z=1から62までの画像を示す図である。It is a figure which shows an example of the microscope image before correction | amendment, and is a figure which shows the image from Z = 1 to 62. 図12に対応する補正後の画像を示す図である。It is a figure which shows the image after the correction | amendment corresponding to FIG. 図13に示す補正後の平面画像(Z=30)と、水平方向の直線L1と垂直方向の直線L2で切った断面構造とを、中央部及び、上記画像処理に基づいて得た解析断面画像を下辺及び右辺に示した図である。The corrected planar image (Z = 30) shown in FIG. 13 and the cross-sectional structure cut by the horizontal straight line L1 and the vertical straight line L2 are obtained by analyzing the central portion and the above-described image processing. Is shown on the lower side and the right side. 本発明の第2の実施の形態によるマルチディメンジョナル細胞断面解析法の原理図であり、図3に対応する図である。It is a principle figure of the multidimensional cell cross-section analysis method by the 2nd Embodiment of this invention, and is a figure corresponding to FIG. 本実施の形態によるマルチディメンジョナル細胞断面解析法の処理の流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the flow of a process of the multidimensional cell cross-section analysis method by this Embodiment.

以下に、本実施の形態における用語について定義する。
本発明において「細胞と液体とを含む系」とは、細胞と細胞の周囲の連続相である液体などの流体とを含む系を指す。当該系の細胞には、液体中に遊離した状態で存在する細胞、すなわち遊離細胞と、系内での位置が固定された細胞、すなわち固定細胞とが含まれ得る。「細胞と液体とを含む系」とは、典型的には、細胞培養器具に収容された、細胞と培養液とを含む細胞-培養液系である。細胞-培養液系では、細胞培養器具表面に接着した状態で存在する細胞が固定細胞に相当し、培養液中に遊離した状態で存在する細胞が遊離細胞に相当する。本発明の一実施形態では、細胞-培養液系として、細胞培養器具中で細胞を培養液とともに培養したのち、該器具の細胞接着表面から細胞を剥離するための剥離刺激を付与した状態のものを使用することができる。
Hereinafter, terms in the present embodiment will be defined.
In the present invention, the “system containing cells and liquid” refers to a system containing cells and a fluid such as a liquid that is a continuous phase around the cells. The cells of the system may include cells that are free in the liquid, ie, free cells, and cells that are fixed in position within the system, ie, fixed cells. The “system containing cells and liquid” is typically a cell-culture solution system containing cells and culture solution contained in a cell culture instrument. In the cell-culture system, cells existing in a state adhered to the surface of the cell culture instrument correspond to fixed cells, and cells existing in a state released in the culture medium correspond to free cells. In one embodiment of the present invention, the cell-culture system is a state in which cells are cultured together with the culture medium in a cell culture device and then a peeling stimulus is applied to detach the cells from the cell adhesion surface of the device. Can be used.

細胞培養器具は、細胞及び培養液を保持することが可能な部分を有する任意の形状であることができる。典型的には皿形状の細胞培養器具、細胞及び培養液を収容することが可能な凹部が複数連結したマルチウェルプレート、板形状又はフィルム形状の細胞培養器具、表面に凹部が形成された板形状又はフィルム形状の細胞培養器具等が挙げられる。   The cell culture device can be any shape having a portion capable of holding cells and culture fluid. Typically, a dish-shaped cell culture device, a multi-well plate in which a plurality of recesses capable of containing cells and a culture solution are connected, a plate-shaped or film-shaped cell culture device, a plate shape with a recess formed on the surface Or a film-shaped cell culture instrument etc. are mentioned.

細胞培養器具の細胞及び培養液を保持することが可能な部分の少なくとも一部、典型的には底部の表面が細胞接着表面を形成する。   At least a portion of the cell culture device capable of holding the cells and culture medium, typically the bottom surface, forms the cell adhesion surface.

細胞培養器具を構成する材料は、通常細胞培養に用いられるガラス類、プラスチック類、セラミック類等の材料が挙げられるが、細胞培養及び細胞の観察が可能な材料である限りこれらには限定されない。例えば、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン等の合成樹脂、ヒドロキシアパタイトセラミックス、アルミナセラミックス、ガラス等で構成することができる。   Examples of the material constituting the cell culture instrument include materials such as glass, plastics, and ceramics that are usually used for cell culture, but are not limited to these as long as they are materials that allow cell culture and cell observation. For example, it can be composed of synthetic resin such as polyester, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polyvinyl chloride, polytetrafluoroethylene, hydroxyapatite ceramics, alumina ceramics, glass or the like.

尚、細胞を含む液滴などの培養液自体を用いて、一般的な意味での容器を用いずに評価を行うことも可能である。尚、細胞と液体とを含む系とを含む系を保持可能な器具であれば、どのような形態でも良く、容器の代わりに液滴が保持されるような構成であれば良い。   In addition, it is also possible to perform evaluation without using a container in a general sense using a culture solution itself such as a droplet containing cells. In addition, as long as it is an instrument which can hold | maintain the system containing the system containing a cell and a liquid, what kind of form may be sufficient and what is necessary is just a structure which can hold | maintain a droplet instead of a container.

本明細書において細胞剥離性能を評価しようとする細胞接着表面は、評価の目的に応じた処理がされていればよい。典型的には、細胞接着表面は、温度応答性ポリマー、pH応答性ポリマー、イオン応答性ポリマー等の、所定の刺激により細胞接着性を変化させて細胞を剥離することが可能な物質により被覆されている。細胞剥離性能を評価しようとする表面は「剥離」という視点に限らず、例えば、親水性ポリマーにより被覆して細胞接着性を低下させ、細胞が接着しないように制御された表面であってもよい。   In the present specification, the cell adhesion surface to be evaluated for cell detachment performance may be processed according to the purpose of evaluation. Typically, the cell adhesion surface is coated with a substance capable of changing the cell adhesion by a predetermined stimulus, such as a temperature responsive polymer, a pH responsive polymer, an ion responsive polymer, etc. ing. The surface on which cell detachment performance is to be evaluated is not limited to the viewpoint of “detachment”, and may be, for example, a surface that is coated with a hydrophilic polymer to reduce cell adhesion and is controlled so that cells do not adhere. .

温度応答性ポリマーは細胞培養に使用可能なもののなかから試験の目的に応じて適宜選択することができる。典型的な温度応答性ポリマーとしては、ポリ−N−イソプロピルアクリルアミド(疎水性から親水性に変化する温度(水に対する臨界溶解温度(T))=32℃)、ポリ−N−n−プロピルアクリルアミド(T=21℃)、ポリ−N−n−プロピルメタクリルアミド(T=32℃)、ポリ−N−エトキシエチルアクリルアミド(T=約35℃)、ポリ−N−テトラヒドロフルフリルアクリルアミド(T=約28℃)、ポリ−N−テトラヒドロフルフリルメタクリルアミド(T=約35℃)、及びポリ−N,N−ジエチルアクリルアミド(T=32℃)等が挙げられる。   The temperature-responsive polymer can be appropriately selected from those usable for cell culture according to the purpose of the test. Typical temperature-responsive polymers include poly-N-isopropylacrylamide (temperature changing from hydrophobic to hydrophilic (critical solution temperature (T) in water) = 32 ° C.), poly-Nn-propylacrylamide ( T = 21 ° C.), poly-Nn-propylmethacrylamide (T = 32 ° C.), poly-N-ethoxyethylacrylamide (T = about 35 ° C.), poly-N-tetrahydrofurfurylacrylamide (T = about 28) ° C), poly-N-tetrahydrofurfuryl methacrylamide (T = about 35 ° C.), poly-N, N-diethylacrylamide (T = 32 ° C.) and the like.

pH応答性ポリマーおよびイオン応答性ポリマーは、細胞培養に使用可能なもののなかから試験の目的に応じて適宜選択することができる。   The pH-responsive polymer and the ion-responsive polymer can be appropriately selected from those usable for cell culture according to the purpose of the test.

剥離刺激としては、細胞接着表面の被覆に上記物質を用いた場合は、使用する物質応じて温度変化、pH変化、イオン濃度変化等の所定の剥離刺激を採用することができる。   As the peeling stimulus, when the above-described substance is used for coating the cell adhesion surface, a predetermined peeling stimulus such as a temperature change, a pH change, an ion concentration change and the like can be employed depending on the substance to be used.

剥離刺激は、評価の目的に応じて更に他の刺激を採用することもできる。例えば細胞剥離薬剤による化学的な刺激、培養液の流動による機械的な刺激等の中から適宜選択することができる。   As the peeling stimulus, other stimuli may be employed depending on the purpose of the evaluation. For example, it can be appropriately selected from chemical stimulation by a cell detachment drug, mechanical stimulation by the flow of a culture solution, and the like.

本発明により解析される細胞の種類は特に限定されず、試験の目的に応じて適宜選択すればよい。例えば、ヒト、マウス、ラット、モルモット、ハムスター、ニワトリ、ウサギ、ブタ、ヒツジ、ウシ、ウマ、イヌ、ネコ、サル等の温血動物から採取された種々の細胞を用いた試験において本発明の技術を適用することができる。この温血動物の細胞としては、例えば、角化細胞、脾細胞、神経細胞、グリア細胞、膵臓β細胞、メサンギウム細胞、ランゲルハンス細胞、表皮細胞、上皮細胞、内皮細胞、線維芽細胞、繊維細胞、筋細胞、脂肪細胞、滑膜細胞、軟骨細胞、骨細胞、骨芽細胞、破骨細胞、乳腺細胞、肝細胞若しくは間質細胞、又はこれらの細胞の前駆細胞、幹細胞若しくは接着依存性のガン細胞が挙げられる。胚性幹細胞を使用することもできる。   The type of cell analyzed by the present invention is not particularly limited and may be appropriately selected according to the purpose of the test. For example, the technique of the present invention in a test using various cells collected from warm-blooded animals such as humans, mice, rats, guinea pigs, hamsters, chickens, rabbits, pigs, sheep, cows, horses, dogs, cats, monkeys, etc. Can be applied. Examples of the warm-blooded animal cells include keratinocytes, spleen cells, neurons, glial cells, pancreatic β cells, mesangial cells, Langerhans cells, epidermal cells, epithelial cells, endothelial cells, fibroblasts, fiber cells, Muscle cells, adipocytes, synoviocytes, chondrocytes, bone cells, osteoblasts, osteoclasts, breast cells, hepatocytes or stromal cells, or precursor cells of these cells, stem cells or adhesion-dependent cancer cells Is mentioned. Embryonic stem cells can also be used.

本実施の形態では、動画の一例としてビデオカメラで撮影した映像を利用した場合について説明する。もちろん、動画として静止画を連続的に、又は、断続的に撮影するようにしても良く、画像の種類を限定するものではない。動画は、ビデオカメラなどで撮影されたものであってもよいし、一定時間おきにスチルカメラなどで画像を取得するようなものであってもよい。   In this embodiment, a case where a video photographed by a video camera is used as an example of a moving image will be described. Of course, still images may be taken continuously or intermittently as moving images, and the types of images are not limited. The moving image may be taken with a video camera or the like, or may be obtained with a still camera or the like every predetermined time.

以下の実施の形態では、細胞培養器具として細胞と培養液とを入れた培養皿を用い、細胞中の剥離細胞(基板剥離細胞)を画像処理により検出する技術を例にして説明する。   In the following embodiments, a technique for detecting exfoliated cells (substrate exfoliated cells) in cells by image processing using a culture dish containing cells and a culture solution as a cell culture instrument will be described as an example.

以下に、本発明の実施の形態による細胞画像解析技術、特に剥離細胞の検出のための細胞画像解析装置について、図面を参照しながら説明を行う。   Hereinafter, a cell image analysis technique according to an embodiment of the present invention, particularly a cell image analysis apparatus for detecting detached cells will be described with reference to the drawings.

本明細書において、疑似断面画像とは、本実施の形態による細胞断面解析処理により得られた画像を指す。直接断面を観察した画像ではないが、後述するように、ほぼ断面画像に近い画像が得られるため、ここでは、疑似断面画像と書する。   In this specification, the pseudo cross-sectional image refers to an image obtained by the cell cross-sectional analysis processing according to the present embodiment. Although it is not an image obtained by directly observing a cross section, an image that is substantially close to a cross-sectional image is obtained as described later.

図1は、本発明の第1の実施の形態による細胞断面画像の解析技術の対象の一例を示す図である。図1に示すように、温度を低下させた後においては、所定の細胞群が培養液とともに培養されている培養皿1内の培養液3内において、所定の細胞群のうち、接着細胞7は、基板、例えば培養皿1の底板1bに接着しており、剥離細胞5は、培養液3中に浮遊しているが、培養液3の摩擦力により培養液3中に静止している。   FIG. 1 is a diagram showing an example of an object of a cell cross-sectional image analysis technique according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, after the temperature is lowered, in the culture solution 3 in the culture dish 1 in which the predetermined cell group is cultured with the culture solution, among the predetermined cell group, the adherent cell 7 is The exfoliated cells 5 are floating in the culture solution 3 and are stationary in the culture solution 3 due to the frictional force of the culture solution 3.

培養皿1の側面から細胞の断面を観察することにより、剥離細胞5と接着細胞7とを区別することができる。この状態で観察する技術としては、培養皿中に例えば超小型水中カメラをもぐらせて側面より近接撮影する方法もある。しかしながら、この方法では、細胞観察に必要な倍率が得にくい上に、特別な装置を用いて側面から特別な技術で観測する必要があるため、実用的でない。   By observing the cross section of the cell from the side surface of the culture dish 1, the detached cell 5 and the adherent cell 7 can be distinguished. As a technique for observing in this state, there is a method of taking a close-up image from the side by, for example, enclosing an ultra-small underwater camera in the culture dish. However, this method is not practical because it is difficult to obtain the magnification necessary for cell observation and it is necessary to observe from a side using a special apparatus with a special technique.

また、顕微鏡の鏡筒を倒立させ培養皿を側面方向から撮影する方法もあるが、円形のシャーレ越しでは実際上、観察が困難である。   In addition, there is a method in which the microscope barrel is inverted and the culture dish is photographed from the side, but it is actually difficult to observe through a circular petri dish.

図2は、本実施の形態による細胞画像解析技術の原理を示す図であり、マルチディメンジョナル細胞断面解析法の概要を示す図である。この方法は、顕微鏡の焦点制御によるマルチスライス撮影を行うことにより、断面解析を行うものである。図2に示すように、XYZステージ11上に、培養液3内に細胞5、7が入っている細胞培養皿1を載せて、上から透過光源15からの光を照射し、下から対物レンズ17を有する光学顕微鏡で細胞を観察する。   FIG. 2 is a diagram showing the principle of the cell image analysis technique according to this embodiment, and is a diagram showing an outline of the multidimensional cell cross-sectional analysis method. This method performs cross-sectional analysis by performing multi-slice imaging by controlling the focus of a microscope. As shown in FIG. 2, a cell culture dish 1 containing cells 5 and 7 in a culture solution 3 is placed on an XYZ stage 11, irradiated with light from a transmission light source 15 from above, and an objective lens from below. The cells are observed with a light microscope having 17.

ここで、焦点を培養皿の底板1b上面の位置から培養液の水面3aの位置まで、水面3aの法線方向であるZ方向の異なる位置である焦点面1からN(Nは2以上の整数)まで、光学顕微鏡による観察面をデジタルビデオカメラなどにより撮影する。ここでは、少なくとも1からNまでの複数の静止画を取得する。そして、取得した複数の静止画を基に、静止画中の指定された位置の水平方向および垂直方向の深さ方向の断面画像を作成する。   Here, from the position of the top surface of the bottom plate 1b of the culture dish to the position of the water surface 3a of the culture solution, the focal surfaces 1 to N (N is an integer of 2 or more) which are different positions in the Z direction, which is the normal direction of the water surface 3a. Until the observation surface of the optical microscope is taken with a digital video camera. Here, a plurality of still images from at least 1 to N are acquired. Then, based on the acquired plurality of still images, a cross-sectional image in the depth direction in the horizontal direction and the vertical direction at a specified position in the still image is created.

そのために、光学顕微鏡により、培養皿1に対して所定の倍率に拡大して観察する。この際、光学顕微鏡において、例えば、焦点面1から焦点面NまでをN−1等分した間隔で複数の個所に移動させながら焦点を合わせ、Z方向の位置が異なる複数の合焦静止画を撮像する。ここで、Z方向に移動させる範囲は、底板1bの上面から培養液3の水面3aまでの間であり、少なくとも、細胞が含まれる範囲内である。Z方向は第1の方向、X方向は第2の方向、Y方向は第3の方向とすると、第1の方向と第2の方向とは直交し、第1の方向と第3の方向とも直交し、第2の方向と第3の方向とも直交する。   For this purpose, the culture dish 1 is magnified to a predetermined magnification and observed with an optical microscope. At this time, in the optical microscope, for example, a plurality of focused still images with different positions in the Z direction are obtained by focusing on the focal plane 1 to the focal plane N while moving to a plurality of locations at intervals equal to N−1. Take an image. Here, the range of movement in the Z direction is between the upper surface of the bottom plate 1b and the water surface 3a of the culture solution 3, and is at least within the range in which cells are included. Assuming that the Z direction is the first direction, the X direction is the second direction, and the Y direction is the third direction, the first direction and the second direction are orthogonal to each other, and both the first direction and the third direction are It is orthogonal and the second direction and the third direction are also orthogonal.

図3は、マルチディメンジョナル細胞断面解析法の原理図であり、図2に対応する図である。上記合焦静止画におけるN=5とし、X−Y平面に広がる1から5までの撮像スライス像が得られている。この撮像スライス像は、以下の式で表される。   FIG. 3 is a principle diagram of the multidimensional cell cross-sectional analysis method, and corresponds to FIG. In the focused still image, N = 5, and imaging slice images from 1 to 5 spread on the XY plane are obtained. This imaging slice image is represented by the following equation.

Figure 0005891719
x=0,…,Xs-1; y=0,…,Ys-1; z=0,…,Zs-1; c=0,1,2(RGB)
Figure 0005891719
x = 0, ..., Xs-1; y = 0, ..., Ys-1; z = 0, ..., Zs-1; c = 0,1,2 (RGB)

ここで、撮像スライス像を、符号S1で示すX−Z平面で切ったX方向の再構成断面像は、以下の式で表される。   Here, the reconstructed cross-sectional image in the X direction obtained by cutting the imaging slice image along the XZ plane indicated by reference numeral S1 is represented by the following expression.

Figure 0005891719
Figure 0005891719

一方、撮像スライス像を、符号S2で示すY−Z平面で切ったY方向の再構成断面像は、以下の式で表される。   On the other hand, a reconstructed cross-sectional image in the Y direction obtained by cutting the imaging slice image along the YZ plane indicated by reference numeral S2 is represented by the following expression.

Figure 0005891719
Figure 0005891719

以上の原理に基づいて、X方向、Y方向などの所望の断面像を再構成することができる。   Based on the above principle, a desired cross-sectional image in the X direction, the Y direction, or the like can be reconstructed.

Nを大きくすることで、より高精細な断面画像を再構成して疑似断面画像を求めることができる。   By increasing N, it is possible to reconstruct a higher-definition cross-sectional image and obtain a pseudo cross-sectional image.

図4は、本実施の形態による断面画像解析システムの一構成例を示す図であり、図2に示す構成に加えて、必要な構成を合わせて示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the cross-sectional image analysis system according to the present embodiment, and is a diagram showing a necessary configuration in addition to the configuration shown in FIG.

図4に示すように、断面画像解析システムAは、培養皿1をX−Y−Z方向に移動可能とするXYZステージ11と、培養皿1中の細胞に光を照射する位置に設けられた透過光源15と、透過光源が照射された細胞を観察できる位置に対物レンズ17が設けられた動画撮像ビデオカメラ23と、を有している。動画撮像ビデオカメラ23は、静止画を撮影するデジタルスチルカメラで置き換えることができる。   As shown in FIG. 4, the cross-sectional image analysis system A is provided at an XYZ stage 11 that enables the culture dish 1 to move in the XYZ directions, and at a position where the cells in the culture dish 1 are irradiated with light. A transmission light source 15 and a moving image capturing video camera 23 provided with an objective lens 17 at a position where the cells irradiated with the transmission light source can be observed are provided. The video camera 23 can be replaced with a digital still camera that captures still images.

さらに、XYZステージ11の移動制御及び位置制御を行うXYZステージコントローラ兼オートフォーカス・ユニット21と、動画撮影ビデオカメラ23の撮影した動画データを記憶するビデオ・フレームメモリ25と、XYZステージコントローラ兼オートフォーカス・ユニット21、ビデオ・フレームメモリ25等を制御する制御用パーソナルコンピュータ27と、画像を観察できるビデオ・モニター31と、を有している。
尚、ここでは、細胞を下から撮影するシステムについて説明したが、上から撮影するようにしても良い。
Furthermore, an XYZ stage controller / autofocus unit 21 that performs movement control and position control of the XYZ stage 11, a video frame memory 25 that stores moving image data shot by the moving image shooting video camera 23, and an XYZ stage controller / autofocus. A control personal computer 27 that controls the unit 21, the video frame memory 25, and the like, and a video monitor 31 that can observe an image are provided.
Although the system for photographing cells from below has been described here, the cells may be photographed from above.

図5は、本実施の形態による断面画像解析装置の一構成例を示す機能ブロック図であり、図4に示す構成のうち解析機構を中心にした構成を示す図である。図5に示すように、本実施の形態による断面画像解析装置は、細胞を観察する顕微鏡51と、顕微鏡の観察画像を撮影する撮像部53と、培養皿又は顕微鏡の対物レンズを移動させる移動機構55と、移動機構により移動させて撮影した画像の補正処理を行う、第1の画像補正部であるシャープネス補正部57と、第2の画像補正部である差分強調処理部61と、断面画像を再構成して疑似断面画像を求める断面画像再構成部62と、断面画像表示処理部63と、出力部65と、操作部67と、メモリ68と、を有している。顕微鏡51と、撮像部53と、移動機構55とにより、撮像機構50が構成される。   FIG. 5 is a functional block diagram showing a configuration example of the cross-sectional image analysis apparatus according to the present embodiment, and is a diagram showing a configuration around the analysis mechanism in the configuration shown in FIG. As shown in FIG. 5, the cross-sectional image analysis apparatus according to the present embodiment includes a microscope 51 that observes cells, an imaging unit 53 that captures an observation image of the microscope, and a moving mechanism that moves the objective lens of the culture dish or microscope. 55, a sharpness correction unit 57 that is a first image correction unit that performs correction processing of an image that has been moved by a moving mechanism, a difference enhancement processing unit 61 that is a second image correction unit, and a cross-sectional image. A cross-sectional image reconstruction unit 62 that reconstructs and obtains a pseudo cross-sectional image, a cross-sectional image display processing unit 63, an output unit 65, an operation unit 67, and a memory 68 are provided. The microscope 51, the imaging unit 53, and the moving mechanism 55 constitute an imaging mechanism 50.

顕微鏡51は、光学顕微鏡であり、拡大機能と合焦機能とを備えている。撮像部53は、例えば、図4の動画撮像ビデオカメラであり、移動機構55は、XYZステージコントローラ21及びオートフォーカス・ユニット21である。第1の画像補正部であるシャープネス補正部57、第2の画像補正部である差分強調処理部61と、断面画像再構成部62と、断面画像表示処理部63と、が、制御用パーソナルコンピュータ27内の制御プログラムによる制御処理部に対応する。また、出力部65は、ビデオ・モニター31或いはプリンタなどに対応し、操作部67は、マウス、キーボードなどに相当する。メモリ68は、ハードディスクなどの記憶媒体であり、得られたデータ等を記憶する。   The microscope 51 is an optical microscope and has an enlargement function and a focusing function. The imaging unit 53 is, for example, the moving image imaging video camera of FIG. 4, and the moving mechanism 55 is the XYZ stage controller 21 and the autofocus unit 21. A sharpness correction unit 57 that is a first image correction unit, a difference enhancement processing unit 61 that is a second image correction unit, a cross-sectional image reconstruction unit 62, and a cross-sectional image display processing unit 63 include a control personal computer. 27 corresponds to a control processing unit according to the control program in 27. The output unit 65 corresponds to the video monitor 31 or a printer, and the operation unit 67 corresponds to a mouse, a keyboard, or the like. The memory 68 is a storage medium such as a hard disk, and stores obtained data and the like.

図6は、本実施の形態による断面画像解析システムにおける処理に流れを示すフローチャート図である。処理内容は、顕微鏡本体における処理、画像処理及び断面像の対話型表示を含む。まず、ステップS1において、顕微鏡51のセットアップを行う。より具体的には、培養皿内の細胞が観察できるように、適切な視野・位置にフォーカスが設定される。ステップS2において、撮像部53の静止画撮影と、撮影した画像のメモリ68或いは記憶媒体への記憶が行われる。   FIG. 6 is a flowchart showing a flow of processing in the cross-sectional image analysis system according to the present embodiment. The processing content includes processing in the microscope body, image processing, and interactive display of cross-sectional images. First, in step S1, the microscope 51 is set up. More specifically, the focus is set to an appropriate field of view and position so that cells in the culture dish can be observed. In step S2, a still image is captured by the imaging unit 53, and the captured image is stored in the memory 68 or a storage medium.

ステップS3において、移動機構55によりXYZステージの段階的な移動を行う。ステップS1において、焦点面が底板1b表面に初期設定されているため、底板1b表面から水面3a方向に移動させる。ステップS4において、焦点面が水面内であるか否かを判定する。この判定は、Z方向の位置情報に基づいて行うことができる。ステップS4において、Yesの場合には、ステップS2に戻り、次の撮影を行う。最終的に、ステップS4で、焦点面が水面を超えた場合には(No)、ステップS5に進む。このように、培養皿1において、底板1b表面に対して焦点があったZ1位置と、培養皿1中の水面3aに対して焦点があったZ2位置とを設定し、顕微鏡51により、焦点をZ1位置とZ2位置との範囲で所定の間隔で複数の個所に移動させながらZ方向の位置が異なる複数の静止画を撮像する。
ステップS5において、シャープネス補正部57が、アンシャープマスクを用いて鮮鋭度を補正する。
In step S3, the moving mechanism 55 moves the XYZ stage stepwise. In step S1, since the focal plane is initially set on the surface of the bottom plate 1b, the focal plane is moved in the direction of the water surface 3a from the surface of the bottom plate 1b. In step S4, it is determined whether or not the focal plane is within the water surface. This determination can be made based on position information in the Z direction. If Yes in step S4, the process returns to step S2 to perform the next shooting. Finally, in step S4, when the focal plane exceeds the water surface (No), the process proceeds to step S5. Thus, in the culture dish 1, the Z1 position where the focal point is on the surface of the bottom plate 1b and the Z2 position where the focal point is on the water surface 3a in the culture dish 1 are set. A plurality of still images with different positions in the Z direction are captured while being moved to a plurality of locations at predetermined intervals within a range between the Z1 position and the Z2 position.
In step S5, the sharpness correction unit 57 corrects the sharpness using an unsharp mask.

図7から図9までは、シャープネス補正(アンシャープネスマスク)により、さらに、ボケを増す処理を行う処理の流れを示すフローチャート図である。図7において、ステップS5−1で、補正対象のボクセル画像群を準備する。すなわち、

Figure 0005891719
FIG. 7 to FIG. 9 are flowcharts showing the flow of processing for further blurring processing by sharpness correction (unsharpness mask). In FIG. 7, a correction target voxel image group is prepared in step S5-1. That is,
Figure 0005891719

ステップS5−2において、z=0とする。ステップS5−3において、Image(z,x,y,c)を基に、焦点ボケ画像Image2(x,y,c)を作成する。   In step S5-2, z = 0 is set. In step S5-3, a defocus image Image2 (x, y, c) is created based on Image (z, x, y, c).

ステップS5−4において、原画像Image(z,x,y,c)と焦点ボケ画像Image2(x,y,c)との差分画像を原画像に加算することでシャープネス補正を行う。ステップS5−5において、zを1だけインクリメントし、ステップS5−6において、zとZs−1とを比較し、zの方が小さければ、ステップS5−3に戻り処理を継続し、zがZs以上になれば、処理を終了する(End: ステップS5−7)。ここで、Zsは底面1bと水面3aとの距離である。   In step S5-4, sharpness correction is performed by adding a difference image between the original image Image (z, x, y, c) and the out-of-focus image Image2 (x, y, c) to the original image. In step S5-5, z is incremented by 1. In step S5-6, z and Zs-1 are compared. If z is smaller, the process returns to step S5-3 to continue the processing. If it becomes above, a process will be complete | finished (End: step S5-7). Here, Zs is the distance between the bottom surface 1b and the water surface 3a.

図8は、焦点ボケ画像の作成処理(ステップS5−3)の流れを示すフローチャート図である。まず、ステップS5−3−1でy=0とし、ステップS5−3−2でx=0とし、ステップS5−3−3でc=0とする。c=0は、RGBのうち例えばRである。次いで、ステップS5−3−4で、J=−r、vs=0、ws=0とする。   FIG. 8 is a flowchart showing the flow of the process of creating a defocus image (step S5-3). First, y = 0 is set in step S5-3-1, x = 0 is set in step S5-3-2, and c = 0 is set in step S5-3-3. c = 0 is, for example, R of RGB. In step S5-3-4, J = −r, vs = 0, and ws = 0.

ステップS5−3−5において、i=−rとする。ここで、rは、ボケ半径であり、例えば1画素などの単位で表される。   In step S5-3-5, i = −r. Here, r is a blur radius and is expressed in units of one pixel, for example.

次いで、ステップS5−3−6において、

Figure 0005891719
Next, in step S5-3-6,
Figure 0005891719

次いで、ステップS5−3−7において、iを1だけインクリメントし、ステップS5−3−8において、iとrとを比較する。ここで、iがr以下であれば、ステップS5−3−6に戻り、iがrよりも大きければステップS5−3−9に進み、jを1だけインクリメントする。次いで、ステップS5−3−10において、jとrとを比較し、jがr以下であればステップS5−3−5に戻り、jがrよりも大きければ、ステップS5−3−11において、以下の演算を行う。   Next, i is incremented by 1 in step S5-3-7, and i and r are compared in step S5-3-8. If i is equal to or smaller than r, the process returns to step S5-3-6. If i is larger than r, the process proceeds to step S5-3-9, and j is incremented by one. Next, in step S5-3-10, j and r are compared. If j is equal to or less than r, the process returns to step S5-3-5. If j is greater than r, in step S5-3-11. The following calculation is performed.

Figure 0005891719
Figure 0005891719

次いで、ステップS5−3−12において、cを1だけインクリメントし、ステップS5−3−13において、cと2とを比較し、cが2以上であればステップS5−3−4に戻り、cが2以下であれば、ステップS5−3−14において、xを1だけインクリメントする。次いで、ステップS5−3−15において、xとXsとを比較し、xがXsよりも小さければステップS5−3−3に戻り、xがXs以上であればステップS5−3−16に進み、yを1だけインクリメントする。次いで、ステップS5−3−17において、yとYsとを比較し、yがYsよりも小さければ、ステップS5−3−2に戻り、yがYs以上であれば、処理を終了する(End)。以上の処理により、焦点がぼけた画像を作成することができる。   Next, in step S5-3-12, c is incremented by 1. In step S5-3-13, c and 2 are compared. If c is 2 or more, the process returns to step S5-3-4. If x is 2 or less, x is incremented by 1 in step S5-3-14. Next, in step S5-3-15, x and Xs are compared. If x is smaller than Xs, the process returns to step S5-3-3, and if x is greater than or equal to Xs, the process proceeds to step S5-3-16. Increment y by 1. Next, in step S5-3-17, y and Ys are compared. If y is smaller than Ys, the process returns to step S5-3-2, and if y is equal to or greater than Ys, the process ends (End). . With the above processing, an image with a defocus can be created.

この鮮鋭化する処理として、アンシャープマスクに基づくアルゴリズムにより、始めに各静止画より焦点がぼけた焦点ぼけ画像を各々作成する。   As this sharpening process, first, each of the defocused images that are out of focus from each still image is created by an algorithm based on an unsharp mask.

次いで、各静止画に対して当該静止画と対応する焦点ぼけ画像との差分画像を所定の割合だけ各々加算することにより各補正画像または各補正動画像を作成する。   Next, each corrected image or each corrected moving image is created by adding a difference image between the still image and the corresponding defocused image to each still image by a predetermined ratio.

図6に戻り、ステップS6において、Z方向隣接画素の差分強調処理を行う。
各静止画に対してZ方向に+1だけ隣接する静止画との差分画像を各々作成し、各静止画に対して当該静止画に対応する差分画像を所定の割合だけ加算する。
Returning to FIG. 6, in step S <b> 6, difference enhancement processing is performed on adjacent pixels in the Z direction.
Difference images from still images adjacent to each still image by +1 in the Z direction are respectively created, and a difference image corresponding to the still image is added to each still image by a predetermined ratio.

図9は、焦点ぼけ画像と原画像との差分画像の加算処理(ステップS5−4)の流れを示すフローチャート図である。
まず、ステップS5−4−1においてy=0とし、ステップS5−4−2においてx=0とし、ステップS5−4−3においてc=0とする。次いで、ステップS5−4−4において、差分dを求める。
FIG. 9 is a flowchart showing the flow of the difference image addition process (step S5-4) between the defocused image and the original image.
First, y = 0 is set in step S5-4-1, x = 0 is set in step S5-4-2, and c = 0 is set in step S5-4-3. Next, in step S5-4-4, the difference d is obtained.

Figure 0005891719
Figure 0005891719

ステップS5−4−5において、dの絶対値とSlとを比較する。ここで、Slは、加算処理のしきい値であり、例えば“0”である。ここで、dの絶対値がSl以上であればステップS5−4−6へ、dの絶対値がSlよりも小さければステップS5−4−7へ進む。ステップS5−4−6では、以下の処理を行う。   In step S5-4-5, the absolute value of d is compared with Sl. Here, S1 is a threshold value of the addition process, and is “0”, for example. If the absolute value of d is greater than or equal to S1, the process proceeds to step S5-4-6. If the absolute value of d is smaller than S1, the process proceeds to step S5-4-7. In step S5-4-6, the following processing is performed.

Figure 0005891719
Figure 0005891719

ここで、Svは、加算処理レベル(実数値)であり、例えば1.0である。   Here, Sv is an addition processing level (real value), for example, 1.0.

次いで、ステップS5−4−7において、cを1だけインクリメントし、ステップS5−4−8でcと2とを比較する。cが2よりも大きければ、ステップS5−4−4に戻り、cが2以下であれば、ステップS5−4−9に進む。次いで、ステップS5−4−10において、xとXsとを比較する。xがXsよりも小さければ、ステップS5−4−3に戻り、xがXs以上であればステップS5−4−11に進み、yを1だけインクリメントする。次いで、ステップS5−4−12において、yとYsとを比較し、yがYsよりも小さければステップS5−4−2に戻り、yがYs以上であれば、処理を終了する(ステップS5−4−13: End)。以上の処理により、シャープな画像を得ることができる。   Next, in step S5-4-7, c is incremented by 1, and c and 2 are compared in step S5-4-8. If c is greater than 2, the process returns to step S5-4-4, and if c is 2 or less, the process proceeds to step S5-4-9. Next, in step S5-4-10, x and Xs are compared. If x is smaller than Xs, the process returns to step S5-4-3. If x is greater than or equal to Xs, the process proceeds to step S5-4-11, and y is incremented by one. Next, in step S5-4-12, y and Ys are compared. If y is smaller than Ys, the process returns to step S5-4-2. If y is equal to or greater than Ys, the process is terminated (step S5- 4-13: End). With the above processing, a sharp image can be obtained.

次に、ステップS6の詳細について、説明する。
ここでは、画像処理手段が、鮮鋭化する処理に加え、各静止画または各動画のフレームに対してZ方向に+1だけ隣接する静止画の差分画像を各々作成し、各静止画に対して当該静止画に対応する差分画像を所定の割合だけ加算することにより補正画像を作成するようにする。尚、上記の処理の代わりに、各静止画に対してZ方向に−1だけ隣接する静止画との差分画像を各々作成し、各静止画に対して当該静止画に対応する差分画像を所定の割合だけ加算することにより補正画像作成するようにしても良い。
Next, details of step S6 will be described.
Here, in addition to the sharpening process, the image processing means creates a difference image of each still image or each moving image frame that is adjacent to the still image or moving image frame by +1 in the Z direction. A corrected image is created by adding the difference image corresponding to the still image by a predetermined ratio. Instead of the above processing, a difference image is created for each still image from a still image adjacent to the still image by −1 in the Z direction, and a difference image corresponding to the still image is predetermined for each still image. It is also possible to create a corrected image by adding only the ratio.

図10は、ステップS6のZ方向隣接画像との差分強調処理の流れの詳細を示すフローチャート図である。ステップS6−1において、補正対象ボクセル画像である、Image(z,x,y,c)と、そのコピーボクセル画像である、Image2(z,x,y,c)とを定義し、z=0,…,Zs-1; x=0,…,Xs-1; y=0,…,Ys-1; c=0,1,2 (RGB)とする。   FIG. 10 is a flowchart showing details of the flow of the difference enhancement process with the Z-direction adjacent image in step S6. In step S6-1, Image (z, x, y, c) that is a correction target voxel image and Image2 (z, x, y, c) that is a copy voxel image are defined, and z = 0 , ..., Zs-1; x = 0, ..., Xs-1; y = 0, ..., Ys-1; c = 0,1,2 (RGB).

ステップS6−2において、z=1とする。ステップS6−3において、対象画像Image2(z,x,y,c)と隣接画像Image2(z-1,x,y,c)との差分画像と、対象画像Image2(z,x,y,c)とz方向の隣接画像Image2(z+1,x,y,c)との差分画像を原現画像Image(z,x,y,c)に加算する。ステップS6−4において、zを1だけインクリメントし、ステップS6−5において、zとZs−1とを比較し、前者が小さい場合には、ステップS6−3に戻り、zがZs−1以上である場合には、処理を終了する(ステップS6−6)。以上により、z方向に1つ前の画像と1つ後の画像との差分を求めて、対象画像に加算することで、画像における写り込みの影響を低減することができる。   In step S6-2, z = 1. In step S6-3, the difference image between the target image Image2 (z, x, y, c) and the adjacent image Image2 (z-1, x, y, c), and the target image Image2 (z, x, y, c) ) And an adjacent image Image2 (z + 1, x, y, c) in the z direction are added to the original image Image (z, x, y, c). In step S6-4, z is incremented by 1. In step S6-5, z and Zs-1 are compared. If the former is small, the process returns to step S6-3, and z is greater than or equal to Zs-1. If there is, the process ends (step S6-6). As described above, the difference between the previous image and the next image in the z direction is obtained and added to the target image, thereby reducing the influence of reflection in the image.

図11は、各静止画に対する差分強調処理の詳細な流れを示すフローチャート図である。まず、ステップS6−3−1において、y=0とし、ステップS6−3−2において、x=0とする。さらに、ステップS6−3−3において、c=0とする。ステップS6−3−4において、以下の演算を行う。   FIG. 11 is a flowchart showing a detailed flow of difference enhancement processing for each still image. First, in step S6-3-1, y = 0 is set, and in step S6-3-2, x = 0 is set. In step S6-3-3, c = 0 is set. In step S6-3-4, the following calculation is performed.

Figure 0005891719
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ここで、Sb、Sfは、加算nsよりレベルであり、実数値、例えば1.0である。   Here, Sb and Sf are levels from the addition ns, and are real values, for example, 1.0.

次いで、ステップS6−3−5において、cを1だけインクリメントする。ステップS6−3において、cと2とを比較し、cが2よりも大きければステップS6−3−4に戻り、cが2以下であればステップS6−3−7に進み、xを1だけインクリメントする。ステップS6−3−8において、xとXsとを比較し、xがXsよりも小さい場合には、ステップS6−3−3に戻り、xがXs以上であれば、ステップS6−3−9においてyを1だけインクリメントする。   Next, in step S6-3-5, c is incremented by 1. In step S6-3, c and 2 are compared. If c is larger than 2, the process returns to step S6-3-4. If c is 2 or less, the process proceeds to step S6-3-7, and x is set to 1. Increment. In step S6-3-8, x and Xs are compared. If x is smaller than Xs, the process returns to step S6-3-3. If x is equal to or greater than Xs, in step S6-3-9. Increment y by 1.

次いで、ステップS6−3−10において、yとYsとを比較し、yがYsよりも小さければ、ステップS6−3−2に戻り、yがYs以上であれば、処理を終了する(ステップS6−3−11)。
以上の処理により、各静止画像に対する差分を強調する処理を行うことができる。
Next, in step S6-3-10, y and Ys are compared. If y is smaller than Ys, the process returns to step S6-3-2, and if y is equal to or greater than Ys, the process is terminated (step S6). -3-11).
With the above processing, it is possible to perform processing for emphasizing a difference with respect to each still image.

次いで、再び図6に戻り、ステップS7以降において、断面像の対話型表示処理を行う。まず、ステップS7において、画面上の断面像の表示位置の指定を行う。次いで、ステップS8において、X・Y各方向の再構成画像としてステップS6で得られた補正後の画像をZ方向につなぎ合わせるようにして疑似断面画像を作成する。次いで、ステップS9において、ステップS8において作成したX・Y各方向の再構成画像として疑似断面画像を出力部65に出力する。ステップS10において、別の位置を表示させたい場合には(Yes)ステップS7に戻り、表示させない場合には(No)、ステップS11において、処理を終了する(End)。   Next, returning to FIG. 6 again, in step S7 and subsequent steps, interactive display processing of the cross-sectional image is performed. First, in step S7, the display position of the cross-sectional image on the screen is designated. Next, in step S8, a pseudo cross-sectional image is created by stitching the corrected images obtained in step S6 as reconstructed images in the X and Y directions in the Z direction. Next, in step S9, the pseudo cross-sectional image is output to the output unit 65 as the reconstructed image in each of the X and Y directions created in step S8. In step S10, if another position is desired to be displayed (Yes), the process returns to step S7. If not (No), the process ends in step S11 (End).

ステップS9において、ステップS8において作成したX・Y各方向の再構成画像として疑似断面画像を出力部65に出力するために記複数のZ方向の位置が異なる補正画像、選択された1点のZ位置に対応する補正画像を画面上に表示し、画面上の任意の1点をXY表示位置として指示できるようにするXY表示位置部として、図5の操作部67、具体的には、マウスなどを用いることができる。   In step S9, a plurality of corrected images having different positions in the Z direction to output the pseudo cross-sectional image to the output unit 65 as the reconstructed images in the X and Y directions created in step S8, one selected Z As an XY display position portion that displays a corrected image corresponding to the position on the screen and allows an arbitrary point on the screen to be designated as the XY display position, the operation unit 67 of FIG. 5, specifically, a mouse or the like Can be used.

上記の各処理を行った後の画像の例について示す。図12は、補正前の顕微鏡画像の一例を示す図であり、Z=1から62までの画像を示す図である。図13は、図12に対応する補正後の画像を示す図であり、ここで、図11のSb=Sf=0.5である。Z=30で合焦していることがわかる。図12の補正前と図13の補正後の平面画像を比較すると、補正後の画像は、Zについてより広い範囲で、細胞の輪郭を明りょうに得ることができることがわかる。   An example of an image after performing each of the above processes will be described. FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a microscope image before correction, and is a diagram illustrating images from Z = 1 to 62. FIG. 13 is a diagram showing a corrected image corresponding to FIG. 12, where Sb = Sf = 0.5 in FIG. It can be seen that focusing is achieved at Z = 30. Comparing the flat image before correction in FIG. 12 and the corrected flat image in FIG. 13, it can be seen that the corrected image can clearly obtain the outline of the cell in a wider range with respect to Z.

図14は、図13に示す補正後の平面画像(Z=30)と、水平方向の直線L1と垂直方向の直線L2で切った断面構造とを、中央部及び、上記画像処理に基づいて得た解析断面画像を下辺及び右辺に示した図である。解析断面画像は、実際の断面画像とは異なるが、本実施の形態による画像処理を行うことで、断面構造を反映した疑似断面構造を得ることができることがわかる。   FIG. 14 shows the corrected planar image (Z = 30) shown in FIG. 13 and the cross-sectional structure cut along the horizontal straight line L1 and the vertical straight line L2, based on the central portion and the above image processing. It is the figure which showed the analyzed cross-sectional image on the lower side and the right side. Although the analysis cross-sectional image is different from the actual cross-sectional image, it is understood that a pseudo cross-sectional structure reflecting the cross-sectional structure can be obtained by performing image processing according to the present embodiment.

図14の下辺には、Ch1からCh7と明示した7個の細胞の疑似断面構造が明瞭に映っている。水平方向に引かれた白線L3は底板1b表面に対応し、Ch1、Ch2、Ch3、Ch5、Ch7は細胞の裾野が白線L3まで延びているため、底板1b表面に接着していると判断できる。
これに対して、Ch4とCh6は細胞の裾野が白線L3に届いておらず、浮遊(剥離)していると判断できる。
In the lower side of FIG. 14, a pseudo cross-sectional structure of seven cells clearly designated as Ch1 to Ch7 is clearly shown. The white line L3 drawn in the horizontal direction corresponds to the surface of the bottom plate 1b, and Ch1, Ch2, Ch3, Ch5, and Ch7 can be determined to be adhered to the surface of the bottom plate 1b because the cell base extends to the white line L3.
On the other hand, it can be determined that Ch4 and Ch6 are floating (detached) because the cell base does not reach the white line L3.

同様に、図14の右辺には、Cv1からCv5と明示した5個の細胞の疑似断面構造が明瞭に映っている。垂直方向に引かれた白線L4は、底板1b表面に対応し、Cv1、Cv2、Cv3は細胞の裾野が白線L4まで延びているので底板1b表面に接着していると判断できるのに対し、Cv4とCv5は細胞の裾野が白線L4に届いておらず、浮遊(剥離)していると判断できる。   Similarly, on the right side of FIG. 14, a pseudo cross-sectional structure of five cells clearly shown as Cv1 to Cv5 is clearly shown. The white line L4 drawn in the vertical direction corresponds to the surface of the bottom plate 1b, and Cv1, Cv2, and Cv3 can be determined to be adhered to the surface of the bottom plate 1b because the cell base extends to the white line L4. And Cv5 can be determined to be floating (detached) because the cell base does not reach the white line L4.

尚、細胞の疑似断面構造において、上端または下端の裾野が放射状に広がっているのは、光の回折(細胞本体の映り込み)によるものであり、上端または下端では補正に使用するための隣接フレームが十分に存在しないため、前述の差分強調処理で補正(削除)しきれていないことに起因する。   In addition, in the pseudo cross-sectional structure of the cell, the base of the upper end or the lower end spreads radially due to light diffraction (reflection of the cell body), and the upper or lower end is an adjacent frame to be used for correction. Is not sufficiently corrected (deleted) in the above-described difference enhancement processing.

図14に示す画像では、水平方向の直線L1と垂直方向の直線L2とを、例えばマウスで移動させることで、任意の位置における疑似断面構造を得ることができる。   In the image shown in FIG. 14, a pseudo sectional structure at an arbitrary position can be obtained by moving the horizontal straight line L1 and the vertical straight line L2 with, for example, a mouse.

次に、本発明の第2の実施の形態によるマルチディメンジョナル細胞断面解析法について説明する。本実施の形態では、複数の静止画を所定の時間が経過するまで繰り返し取得し、時系列に取得された複数の動画を基に、動画像中の指定された位置の水平方向および垂直方向の深さ方向の断面画像を作成する。   Next, a multidimensional cell cross-sectional analysis method according to the second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a plurality of still images are repeatedly acquired until a predetermined time elapses, and based on a plurality of moving images acquired in time series, horizontal and vertical directions at designated positions in the moving image are obtained. Create a cross-sectional image in the depth direction.

図15は、本実施の形態によるマルチディメンジョナル細胞断面解析法の原理図であり、図3に対応する図である。本実施の形態では、光学顕微鏡により、焦点を所定の間隔で複数の個所に移動させながらZ方向の位置が異なる複数の静止画を所定の時間間隔で所定の時間経過するまで繰り返し撮像し、複数の動画像を取得する。図15では、図3と異なり、タイムプラスの撮影が行われる。このタイムプラスの撮像スライス像は、以下の式で表される。   FIG. 15 is a principle diagram of the multidimensional cell cross-sectional analysis method according to the present embodiment, and corresponds to FIG. In the present embodiment, a plurality of still images with different positions in the Z direction are repeatedly imaged at predetermined time intervals until a predetermined time elapses while moving the focal point to a plurality of locations at predetermined intervals. Get the video. In FIG. 15, unlike FIG. 3, time-plus photographing is performed. This time-plus imaging slice image is expressed by the following equation.

Figure 0005891719
Figure 0005891719

ここで、撮像スライス像を、符号S11で示すX−Z平面で切ったX方向の再構成断面動画像は、以下の式で表される。   Here, the reconstructed cross-sectional moving image in the X direction obtained by cutting the imaged slice image along the XZ plane indicated by reference numeral S11 is represented by the following expression.

Figure 0005891719
Figure 0005891719

一方、撮像スライス像を、符号S12で示すY−Z平面で切ったY方向の再構成断面動画像は、以下の式で表される。   On the other hand, a reconstructed cross-sectional moving image in the Y direction obtained by cutting the imaged slice image along the YZ plane indicated by reference numeral S12 is represented by the following expression.

Figure 0005891719
Figure 0005891719

以上の原理に基づいて、X方向、Y方向などの所望の断面動画像を再構成し疑似断面画像を求めることができる。   Based on the above principle, a desired cross-sectional moving image in the X direction, the Y direction, or the like can be reconstructed to obtain a pseudo cross-sectional image.

図16は、本実施の形態によるマルチディメンジョナル細胞断面解析法の処理の流れを示すフローチャート図である。   FIG. 16 is a flowchart showing a process flow of the multi-dimensional cell section analysis method according to the present embodiment.

まず、ステップS21において、顕微鏡51をセットアップし、視野を設定し、計時を開始する。次いで、ステップS22において、基板位置(底板1b)に焦点を設定する。ステップS23において、撮像部53により静止画を撮影し、メモリ68に記録する。次いで、ステップS24において、XYZステージ11のステップ移動を行い、ステップS25で、焦点面が水面3a内であるか否かを判定する。水面内であれば(Yes)、ステップS23に戻り、水面を超えた場合には(No)ステップS26に進み、指定時間だけ待ってから撮影回数をインクリメントする。ステップS27において、撮影時間が上限を超えたか否かを判定し、上限に至っていない場合には(撮影時間<上限)、ステップS22に戻る。上限を超えていれば、すなわち、撮影時間が上限に達していれば、ステップS28に進む。ここで、撮影時間の上限とは、Zステージを移動させながらの撮影での撮影時間が焦点面が水面から出る直前の撮影時間を指す。
次いで、ステップS28,29において、図6のステップS5、S6と同様の処理を行う。
First, in step S21, the microscope 51 is set up, the field of view is set, and timing is started. Next, in step S22, the focal point is set at the substrate position (bottom plate 1b). In step S <b> 23, a still image is captured by the imaging unit 53 and recorded in the memory 68. Next, in step S24, the XYZ stage 11 is moved stepwise, and in step S25, it is determined whether or not the focal plane is within the water surface 3a. If it is within the water surface (Yes), the process returns to step S23, and if it exceeds the water surface (No), the process proceeds to step S26, and after waiting for a specified time, the number of photographing is incremented. In step S27, it is determined whether or not the shooting time exceeds the upper limit. If the upper limit has not been reached (shooting time <upper limit), the process returns to step S22. If the upper limit is exceeded, that is, if the shooting time has reached the upper limit, the process proceeds to step S28. Here, the upper limit of the shooting time refers to the shooting time immediately before the focal plane comes out of the water surface when shooting while moving the Z stage.
Next, in steps S28 and 29, processing similar to that in steps S5 and S6 in FIG. 6 is performed.

以降において、断面像の対話型表示処理を行う。まず、ステップS30において、画面上の断面像の表示位置の指定を行う。次いで、ステップS31において、X・Y各方向の再構成動画像として疑似断面動画像を作成する。次いで、ステップS32において、ステップS31において作成したX・Y各方向の再構成動画像を出力部65に出力する。ステップS33において、別の位置を表示させたい場合には(Yes)ステップS30に戻り、表示させない場合には(No)、処理を終了する(End)。   Thereafter, interactive display processing of the cross-sectional image is performed. First, in step S30, the display position of the cross-sectional image on the screen is designated. Next, in step S31, a pseudo sectional moving image is created as a reconstructed moving image in each of the X and Y directions. Next, in step S32, the reconstructed moving images in the X and Y directions created in step S31 are output to the output unit 65. In step S33, if another position is desired to be displayed (Yes), the process returns to step S30. If not displayed (No), the process ends (End).

これにより、複数のZ方向の位置が異なる補正動画像よりXY表示位置のX座標に対応する全ての画素を抽出して2次元のYZ動画像を作成するとともに、XY表示位置のY座標に対応する全ての画素を抽出して2次元のXZ動画像を作成し、2つの2次元のYZ動画像又はXZ動画像を画面に表示させることができる。   As a result, a two-dimensional YZ moving image is created by extracting all pixels corresponding to the X coordinate of the XY display position from a plurality of corrected moving images having different positions in the Z direction, and corresponding to the Y coordinate of the XY display position. All the pixels to be extracted are extracted to create a two-dimensional XZ moving image, and two two-dimensional YZ moving images or XZ moving images can be displayed on the screen.

以上に説明したように、本実施の形態によれば、特別な装置を用いることなく、培養液中の剥離細胞と接着細胞との疑似断面画像を求めることができる。
従って、剥離細胞と接着細胞との識別を簡単に行うことができるという利点がある。
As described above, according to the present embodiment, a pseudo cross-sectional image of detached cells and adherent cells in a culture solution can be obtained without using a special device.
Therefore, there is an advantage that it is possible to easily distinguish between detached cells and adherent cells.

上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。上記細胞画像処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、当該プログラムを記録するコンピュータ読み取り可能な記録媒体であっても良い。   In the above-described embodiment, the configuration and the like illustrated in the accompanying drawings are not limited to these, and can be appropriately changed within a range in which the effect of the present invention is exhibited. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the object of the present invention. It may be a program for causing a computer to execute the cell image processing method, or a computer-readable recording medium for recording the program.

本発明は、剥離細胞の検出のための画像処理装置として利用可能である。   The present invention can be used as an image processing apparatus for detecting detached cells.

A…断面画像解析システム、1…培養皿、1b…底板、3…培養液、5…剥離細胞、7…接着細胞、11…XYZステージ、15…透過光源、17…対物レンズ、17…光学顕微鏡、21…XYZステージコントローラ、オートフォーカス・ユニット、23…ビデオカメラ、25…ビデオ・フレームメモリ、27…制御用パソコン、31…モニター、50…撮像機構、51…顕微鏡、53…撮像部、55…移動機構、57…画像補正部1(シャープネス補正部)、61…画像補正部2(差分強調処理部)、62…画像処理部(断面画像再構成部)、63…断面画像表示処理部、65…出力部、67…操作部、68…メモリ。 A ... sectional image analysis system, 1 ... culture dish, 1b ... bottom plate, 3 ... culture solution, 5 ... detached cell, 7 ... adherent cell, 11 ... XYZ stage, 15 ... transmission light source, 17 ... objective lens, 17 ... optical microscope 21 ... XYZ stage controller, autofocus unit, 23 ... video camera, 25 ... video frame memory, 27 ... control PC, 31 ... monitor, 50 ... imaging mechanism, 51 ... microscope, 53 ... imaging unit, 55 ... Movement mechanism, 57... Image correction unit 1 (sharpness correction unit), 61... Image correction unit 2 (difference enhancement processing unit), 62... Image processing unit (cross-sectional image reconstruction unit), 63. ... output unit, 67 ... operation unit, 68 ... memory.

Claims (8)

底板を有する細胞培養器具内の細胞と液体とを含む系を底板に対して水平方向の第1の方向に移動させながら顕微鏡で焦点を合わせて観察し、鉛直方向の位置が異なる複数の合焦画像を、前記第1の方向と交差する底板に対して水平方向の第2の方向と前記第1の方向及び第2の方向と交差する底板に対して垂直方向の第3の方向とにより画定される複数の2次元平面画像として撮像する撮像機構と、
前記撮像機構により撮像された前記複数の合焦画像のそれぞれに対して画像を鮮鋭化する補正処理を行う画像補正部と、
前記画像補正部により補正された後の前記複数の合焦画像に基づいて、前記2次元平面上の任意の点を通り、前記第2の方向又は前記第3の方向のいずれかの断面を、前記複数の合焦画像をつなぎ合わせるように再構成し疑似断面画像を生成する画像処理部と、を有し、
前記疑似断面画像に基づいて、前記第3の方向の位置が異なる、前記鮮鋭化する補正処理を行った画像と、鮮鋭化する補正処理を行う前の平面画像とを比較して、細胞の裾野が前記底板の表面に対応する線まで延びているか否かにより、接着細胞であるか剥離細胞であるかを判定することを特徴とする細胞断面解析装置。
A system including cells and liquid in a cell culture instrument having a bottom plate is observed in focus with a microscope while moving in a first horizontal direction with respect to the bottom plate, and a plurality of in-focus positions with different vertical positions are observed. The image is defined by a second direction horizontal to the bottom plate intersecting the first direction and a third direction perpendicular to the bottom plate intersecting the first direction and the second direction. An imaging mechanism that captures images as a plurality of two-dimensional planar images,
An image correction unit that performs correction processing for sharpening an image for each of the plurality of focused images captured by the imaging mechanism;
Based on the plurality of in-focus images after being corrected by the image correction unit, it passes through an arbitrary point on the two-dimensional plane, and a cross section in either the second direction or the third direction, An image processing unit that reconstructs the plurality of focused images together to generate a pseudo cross-sectional image , and
Based on the pseudo cross-sectional image, the image in which the position in the third direction is different and the image subjected to the sharpening correction process are compared with the planar image before the sharpening correction process is performed. A cell cross-section analysis apparatus for determining whether the cell is an adherent cell or a detached cell depending on whether or not the cell extends to a line corresponding to the surface of the bottom plate .
前記撮像機構は、
前記合焦画像を所定の時間間隔で繰り返し撮像して複数の動画像を取得し、
前記画像処理部は、前記複数の動画像に基づいて疑似断面動画像を生成することを特徴とする請求項1に記載の細胞断面解析装置。
The imaging mechanism is
A plurality of moving images are obtained by repeatedly capturing the focused image at predetermined time intervals,
The cell section analysis device according to claim 1, wherein the image processing unit generates a pseudo section moving image based on the plurality of moving images.
前記画像補正部は、前記複数の合焦画像を鮮鋭化する処理として、アンシャープマスクに基づくアルゴリズムにより、前記複数の合焦画像よりも焦点がぼけた焦点ぼけ画像を作成し、前記複数の合焦画像と、対応する前記焦点ぼけ画像との差分画像を所定の割合だけ各々加算することにより補正を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の細胞断面解析装置。   The image correction unit creates a defocused image that is more out of focus than the plurality of focused images by an algorithm based on an unsharp mask as a process for sharpening the plurality of focused images. The cell cross-section analysis apparatus according to claim 1 or 2, wherein the correction is performed by adding a difference image between the focused image and the corresponding defocused image by a predetermined ratio. 前記画像補正部は、
前記鮮鋭化する処理に加え、前記複数の合焦画像に対して、前記鉛直方向の第1の方向又は前記第1の方向と反対の方向に1フレーム分だけ隣接する静止画または動画のフレームとの差分画像を各々作成し、前記各静止画または各動画のフレームに対して当該静止画または動画のフレームに対応する差分画像を所定の割合だけ加算することにより補正を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の細胞断面解析装置。
The image correction unit
In addition to the sharpening process, a frame of a still image or a moving image adjacent to the plurality of focused images by one frame in the first direction in the vertical direction or in the direction opposite to the first direction; Each of the difference images is created, and the difference image corresponding to the still image or moving image frame is added to the still image or moving image frame by a predetermined ratio to perform correction. Item 3. The cell cross-section analyzer according to Item 1 or 2.
前記撮像機構は、
前記液体として培養液を入れる前記細胞培養器具前記底板表面に対して焦点があったZ1位置と、前記細胞培養器具中の培養液面に対して焦点があったZ2位置とを設定し、光学顕微鏡により焦点を前記Z1位置と前記Z2位置との範囲で所定の間隔で複数の個所に移動させながらZ方向の位置が異なる複数の画像を撮像し、
前記画像補正部による補正の対象画像とZ方向の第1の隣接画像との差分画像と、前記対象画像とZ方向の前記第1の隣接画像と反対側の第2の隣接画像との差分画像と、を原画像に加算することを特徴とする請求項1から4までのいずれか1項に記載の細胞断面解析装置。
The imaging mechanism is
Set the said bottom Z1 position at which the focusing relative to the surface of the plate of the cell culture instrument add broth as the liquid, and a Z2 position at which the focusing respect culture surface in the cell culture instrument, Taking a plurality of images with different positions in the Z direction while moving the focal point to a plurality of locations at predetermined intervals in the range between the Z1 position and the Z2 position by an optical microscope ,
A difference image between a target image to be corrected by the image correction unit and a first adjacent image in the Z direction, and a difference image between the target image and a second adjacent image opposite to the first adjacent image in the Z direction. Is added to the original image . The cell cross-section analysis apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein
指定された前記2次元平面上の任意の点を含む平面であって前記第2の方向と前記第1の方向により形成される平面又は前記第3の方向と前記第1の方向により形成される平面で切った少なくともいずれかの前記疑似断面画像を、前記2次元平面の画像と対応させて表示画面に表示させる表示制御部を有することを特徴とする請求項1から5までのいずれか1項に記載の細胞断面解析装置。   A plane including an arbitrary point on the specified two-dimensional plane, formed by the second direction and the first direction, or formed by the third direction and the first direction. 6. The display control unit according to claim 1, further comprising: a display control unit configured to display on the display screen at least one of the pseudo cross-sectional images cut by a plane in correspondence with the image of the two-dimensional plane. The cell cross-section analyzer described in 1. 底板を有する細胞培養器具内の細胞と液体とを含む系を底板に対して水平方向の第1の方向に相対的に移動させながら顕微鏡で焦点を合わせて観察し、前記第1の方向の位置が異なる複数の合焦画像を、前記第1の方向と交差する底板に対して水平方向の第2の方向と前記第1の方向及び前記第2の方向と交差する底板に対して垂直方向の第3の方向とにより画定される複数の2次元平面画像として撮像する撮像ステップと、
像機構により撮像された前記複数の合焦画像のそれぞれに対して画像を鮮鋭化する補正処理を行う画像補正ステップと、
像補正部により補正された後の前記複数の合焦画像に基づいて、前記2次元平面上の任意の点を通り、前記第2の方向又は前記第3の方向のいずれかの断面を、前記複数の合焦画像をつなぎ合わせるように再構成し疑似断面画像を生成する画像処理ステップとを有し、
前記疑似断面画像に基づいて、前記第3の方向の位置が異なる、前記鮮鋭化する補正処理を行った画像と、鮮鋭化する補正処理を行う前の平面画像とを比較して、細胞の裾野が前記底板の表面に対応する線まで延びているか否かにより、接着画像であるか剥離画像であるかを判定することを特徴とする細胞断面解析方法。
A system including cells and liquid in a cell culture instrument having a bottom plate is observed while being focused with a microscope while relatively moving in a first horizontal direction with respect to the bottom plate, and the position in the first direction A plurality of in-focus images differing in the vertical direction with respect to the bottom plate intersecting the first direction and the second direction in the horizontal direction with respect to the bottom plate intersecting with the first direction and the bottom direction intersecting with the first direction and the second direction. An imaging step of imaging as a plurality of two-dimensional planar images defined by the third direction;
An image correction step of performing correction processing for sharpening images for each of the plurality of focus image captured by an imaging mechanism,
Based on the plurality of focus image after being corrected by the images correcting unit, through an arbitrary point on the two-dimensional plane, one of the cross-section of the second direction or the third direction, It possesses an image processing step of generating a reconstructed pseudo cross-sectional image to piece together the plurality of focused image,
Based on the pseudo cross-sectional image, the image in which the position in the third direction is different and the image subjected to the sharpening correction process are compared with the planar image before the sharpening correction process is performed. A cell cross-sectional analysis method characterized by determining whether the image is an adhesive image or a peeled image depending on whether or not the image extends to a line corresponding to the surface of the bottom plate .
請求項7に記載の細胞断面解析方法をコンピュータに実行させるための細胞断面解析プログラム。   A cell cross-section analysis program for causing a computer to execute the cell cross-section analysis method according to claim 7.
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