JP6424911B2 - Method for detecting movement of cardiomyocytes, method for culturing cardiomyocytes, drug evaluation method, image processing program and image processing apparatus - Google Patents

Method for detecting movement of cardiomyocytes, method for culturing cardiomyocytes, drug evaluation method, image processing program and image processing apparatus Download PDF

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Description

本発明は、幹細胞から分化した心筋細胞の運動解析するために最適な運動検出方法、心筋細胞の培養方法、薬剤評価方法、画像処理プログラム及び画像処理装置に関する。   The present invention relates to a motion detection method, a culture method of cardiomyocytes, a drug evaluation method, an image processing program, and an image processing apparatus, which are optimal for motion analysis of cardiomyocytes differentiated from stem cells.

心筋疾患などを対象とした再生医療や創薬の分野では、胚性幹細胞(embryonic stem cell:ES細胞)や人工多能性幹細胞(induced pluripotent stem cell:iPS細胞)などの幹細胞から分化誘導した心筋細胞が再生医療や創薬のリソースとして利用が期待されている。このような心筋細胞などの培養細胞の状況を観察する装置の例として、培養顕微鏡が挙げられる。また、培養容器中の心筋細胞をモニターする方法としては、心筋細胞を含む培養容器中の細胞または細胞集団を一定時間ごとに撮像し、撮像して得た細胞または細胞集団の画像を比較することにより、心筋細胞をそれ以外の細胞から区別してモニターするものがある(例えば、特許文献1を参照)。   In the field of regenerative medicine and drug discovery for myocardial diseases and the like, cardiac muscle which is induced to differentiate from stem cells such as embryonic stem cells (ES cells) and induced pluripotent stem cells (iPS cells) Cells are expected to be used as resources for regenerative medicine and drug discovery. An example of an apparatus for observing the state of cultured cells such as cardiomyocytes includes a culture microscope. In addition, as a method of monitoring cardiomyocytes in a culture vessel, cells or cell populations in a culture vessel containing cardiomyocytes are imaged at regular intervals, and images of cells or cell populations obtained by imaging are compared. In some cases, cardiomyocytes are monitored separately from other cells (see, for example, Patent Document 1).

特開2007−121106号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2007-121106

上記特許文献1に記載されているように、心筋細胞を培養する過程において、幹細胞が自律的に収縮・弛緩の拍動運動を周期的に繰り返す心筋細胞を特定する方法が提供されている。しかしながら、上記特許文献1では、心筋細胞の拍動する領域を検出できるものの、拍動領域内にある拍動中心の細胞(ペースメーカー細胞)まで正確に特定できていない。   As described in Patent Document 1 above, there is provided a method of identifying cardiomyocytes in which stem cells autonomously repeat contraction / relaxation pulsating motion cyclically in the process of culturing cardiomyocytes. However, in Patent Document 1 described above, although it is possible to detect the beating area of cardiomyocytes, it is not possible to accurately identify the beating center cells (pacemaker cells) within the beating area.

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、細胞観察において取得された時系列画像から細胞の周期的な運動を正確に検出可能な手段を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide means capable of accurately detecting periodic movement of cells from time-series images acquired in cell observation.

本発明を例示する第1の態様に従えば、所定時間を隔てて、心筋細胞の候補となる細胞コロニーの時系列画像を取得することと、前記取得した時系列画像の細胞コロニーの中の一部の領域を抽出することと、前記抽出される領域の動きの方向を検出することと、前記検出した動きの方向に基づき、前記細胞コロニーの動きの滞留領域を検出することと、を含む、心筋細胞の運動検出方法が提供される。
According to a first aspect of the present invention, acquiring a time-series image of cell colony candidates for cardiomyocytes at a predetermined time interval, and one of the cell colonies of the acquired time-series image Extracting the area of the part, detecting the direction of movement of the extracted area, and detecting the stagnation area of movement of the cell colony based on the detected direction of movement. A method of cardiac muscle movement detection is provided.

本発明を例示する第2の態様に従えば、コンピュータにより読み取り可能であり、撮像装置により撮影された画像を取得して画像処理する画像処理装置として前記コンピュータを機能させるための画像処理プログラムであって、前記撮像装置によって、所定時間を隔てて、心筋細胞の候補となる細胞コロニーの時系列画像を取得するステップと、前記画像処理装置によって、前記取得した時系列画像の細胞コロニーの中の一部の領域を抽出するステップと、前記画像処理装置によって、前記抽出される領域の動きの方向を検出するステップと、前記画像処理装置によって、前記検出した動きの方向に基づき、前記細胞コロニーの動きの滞留領域を検出するステップと、を前記コンピュータに実行させる画像処理プログラムが提供される。
According to a second aspect of the present invention, there is provided an image processing program that is readable by a computer and causes the computer to function as an image processing apparatus that acquires an image captured by an imaging device and processes the image. A step of acquiring a time-series image of cell colonies to be candidates for cardiomyocytes by a predetermined time by the imaging device; and one of the cell colonies of the acquired time-series image by the image processing device. Moving the cell colony based on the direction of movement detected by the image processing apparatus; and extracting the area of the part, detecting the direction of movement of the extracted area by the image processing apparatus, and the image processing program executed by detecting the residence area, to the computer is provided.

本発明を例示する第3の態様に従えば、撮像装置により所定時間を隔てて心筋細胞の候補となる細胞コロニーが撮影された時系列画像を取得して画像を解析する画像解析部を備えた画像処理装置であって、前記画像解析部は、前記取得した時系列画像の細胞コロニーの中の一部の領域を抽出する一部領域抽出部と、前記抽出される領域の動きの方向を検出する動き方向検出部と、前記検出した動きの方向に基づき、前記細胞コロニーの動きの滞留領域を検出する中心領域検出部と、を備える画像処理装置が提供される。
According to a third aspect of the present invention, an image analysis unit is provided which acquires a time-series image in which cell colonies which are candidates for cardiomyocytes are taken at predetermined time intervals by an imaging device and analyzes the image. In the image processing apparatus, the image analysis unit detects a direction of movement of the extracted region, and a partial region extraction unit that extracts a partial region in cell colonies of the acquired time-series image. There is provided an image processing apparatus comprising: a movement direction detection unit; and a central region detection unit that detects a stagnation region of movement of the cell colony based on the detected movement direction.

本発明によれば、心筋細胞の周期的な運動を正確に検出して、該細胞運動を定量的に評価・判断することが可能である。   According to the present invention, it is possible to accurately detect periodic movement of cardiomyocytes and quantitatively evaluate and judge the cell movement.

画像処理プログラムの概要を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline | summary of an image processing program. 本発明の適用例として示す培養観察システムの概要構成図である。It is a schematic block diagram of the culture | cultivation observation system shown as an application example of this invention. 上記培養観察システムのブロック図である。It is a block diagram of the said culture | cultivation observation system. 心筋細胞の拍動の様子を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the mode of beating of a cardiac muscle cell. 所定時間を隔てて撮影された心筋細胞コロニーの観察画像であり、(a)は弛緩時の第1画像、(b)は収縮時の第2画像を示す模式図である。It is an observation image of the cardiomyocyte colony image | photographed at predetermined time intervals, (a) is a 1st image at the time of relaxation, (b) is a schematic diagram which shows the 2nd image at the time of contraction. 動きベクトルの検出を実行する処理を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the process which performs detection of a motion vector. 画像処理装置の概要構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an image processing apparatus. 拍動中心検出手法の流れを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the flow of a pulsation center detection method. 注目点及び小領域窓を算出する処理を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the process which calculates an attention point and a small area | region window. コロニー内の拍動中心領域を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the pulsation center area | region in a colony. 拍動中心検出手法の概要を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline | summary of the pulsation center detection method. 心筋細胞の拍動領域を特定するための細胞・細胞コロニーの形態的特徴を示す表である。It is a table | surface which shows the morphological characteristics of the cell and cell colony for specifying the pulsation area | region of a cardiomyocyte.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る画像処理装置を適用したシステムの一例として、培養観察システムの概要構成図及びブロック図を、それぞれ図2及び図3に示しており、まず培養観察システムBSの全体構成について概要説明する。その後、この培養観察システムBSによって心筋細胞のペースメーカー細胞の特定までの一連の画像処理について説明する。このペースメーカー細胞を特定するには、培養細胞や細胞コロニーの形態的特徴に基づき、培養細胞(心筋細胞)の「細胞コロニー」を抽出し、その抽出された細胞コロニーに画像中から「動きのある領域」を特定し、さらに動きのある領域から心筋細胞の「拍動する領域」を特定して拍動中心の「細胞(ペースメーカー細胞)」を特定する(図12の表1を参照)。なお、この「動きのある領域」には心筋細胞の拍動運動に直接的に係りのない細胞も含まれ、いわゆるノイズも含まれることになる。更に、この心筋細胞の拍動領域の評価が再生医療や創薬に適用できる例を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As an example of a system to which the image processing apparatus according to the present embodiment is applied, schematic configuration diagrams and a block diagram of a culture observation system are respectively shown in FIG. 2 and FIG. Do. Subsequently, a series of image processing up to identification of pacemaker cells of cardiomyocytes will be described by this culture observation system BS. To identify the pacemaker cells, "cell colonies" of the cultured cells (cardiomyocytes) are extracted based on the morphological characteristics of the cultured cells and cell colonies, and the extracted cell colonies are "moved" from the image. The “area” is identified, and the “beating area” of the cardiomyocytes is further identified from the moving area to identify the “cells (pacemaker cells)” at the beating center (see Table 1 in FIG. 12). Note that this "moving area" includes cells that are not directly related to the beating motion of cardiomyocytes, and so-called noise is also included. Furthermore, an example in which the evaluation of the beating region of cardiomyocytes can be applied to regenerative medicine and drug discovery will be described.

培養観察システムBSは、大別的には、筐体1の上部に設けられた培養室2と、複数の培養容器10を収容保持する棚状のストッカー3と、培養容器10内の試料を観察する観察ユニット5と、培養容器10をストッカー3と観察ユニット5との間で搬送する搬送ユニット4と、システムの作動を統括的に制御する制御ユニット6と、画像表示装置を備えた操作盤7などから構成される。   The culture observation system BS roughly observes the culture chamber 2 provided in the upper part of the housing 1, the shelf-like stocker 3 accommodating and holding a plurality of culture vessels 10, and the sample in the culture vessel 10 Operation unit 5, a transport unit 4 for transporting the culture vessel 10 between the stocker 3 and the observation unit 5, a control unit 6 for overall control of the operation of the system, and a control panel 7 having an image display device. Etc.

培養室2は、培養環境を形成する部屋であり、断熱材で覆われた恒温室となっている。この培養室2に付随して、培養室2内の温度を調整する温度調整装置21、湿度を調整する加湿器22、CO2ガスやN2ガス等のガスを供給するガス供給装置23、培養室2全体の環境を均一化させるための循環ファン24、培養室2の温度や湿度、二酸化炭素濃度等を検出する環境センサ25などが設けられている。各機器の作動は制御ユニット6により制御され、培養室2の温度や湿度、二酸化炭素濃度等により規定される培養環境が、操作盤7において設定された培養条件に合致した状態に維持される。 The culture room 2 is a room that forms a culture environment, and is a constant temperature room covered with a heat insulating material. Along with the culture chamber 2, a temperature control device 21 for adjusting the temperature in the culture chamber 2, a humidifier 22 for adjusting humidity, a gas supply device 23 for supplying a gas such as CO 2 gas or N 2 gas, culture A circulation fan 24 for making the environment of the whole room 2 uniform, an environment sensor 25 for detecting the temperature and humidity of the culture room 2, the concentration of carbon dioxide, and the like are provided. The operation of each device is controlled by the control unit 6, and the culture environment defined by the temperature, humidity, carbon dioxide concentration and the like of the culture chamber 2 is maintained in a state in which the culture conditions set in the operation panel 7 are met.

ストッカー3は、前後及び上下に仕切られた棚状に形成され、各棚に固有の番地が設定されており、例えば、前後方向をA〜C列、上下方向を1〜7段とした場合に、A列5段の棚が「A−5」のように設定される。培養容器10は、培養する細胞の種別や目的に応じてディッシュやウェルプレート、フラスコなど適宜なものが選択され、例えばディッシュタイプの培養容器に細胞試料(以下で詳述する「心筋細胞」)が所定の培地とともに注入保持される。各培養容器10にはコード番号が付与され、ストッカー3の指定番地に対応付けられて収容されている。   The stocker 3 is formed in the shape of a shelf partitioned into front and rear and upper and lower, and an address unique to each shelf is set, for example, when the longitudinal direction is A to C rows and the vertical direction is 1 to 7 , A five rows of shelves are set as "A-5". The culture vessel 10 is appropriately selected from a dish, a well plate, a flask, etc. according to the type of cells to be cultured and the purpose, and for example, a cell sample ("cardiomyocytes" described in detail below) It is injected and maintained with a predetermined medium. A code number is given to each culture vessel 10, and is stored in association with the designated address of the stocker 3.

搬送ユニット4は、培養室2内の内部に設けられて上下移動可能なZステージ41、前
後移動可能なYステージ42、左右移動可能なXステージ43などからなり、Xステージ43の先端側に培養容器10を持ち上げ支持する支持アーム45が設けられている。搬送ユニット4は、ストッカー3の全棚と観察ユニット5との間を培養容器10が移動可能となるように構成されている。
The transport unit 4 is provided inside the culture chamber 2 and comprises a Z stage 41 movable up and down, a Y stage 42 movable back and forth, an X stage 43 movable left and right, etc. A support arm 45 is provided to lift and support the container 10. The transport unit 4 is configured such that the culture vessel 10 can move between all the shelves of the stocker 3 and the observation unit 5.

観察ユニット5は、試料のマクロ観察を行うマクロ観察系54、試料のミクロ観察を行う顕微観察系55、マクロ観察系54の光軸に沿って試料台15の下方から試料を照明する第1照明部51、顕微観察系55の光軸に沿って試料台15の上方から試料を照明する第2照明部52及び下方から試料を照明する第3照明部53、観察系54,55の撮像装置により撮影した画像を取得して各種の画像処理を施す画像処理装置100などから構成される。試料台15は、透光性を有する材質で形成されるとともに観察領域に透明な窓部16が設けられている。また、試料台15は、制御ユニット6からの駆動制御によりXY方向(水平面内方向)及びZ方向(上下方向)に移動可能な微細駆動ステージからなり、その上面部に載置された培養容器10をXYZ方向に移動させることにより、培養容器10の被観察領域をマクロ観察系54や顕微観察系55の観察視野内へ位置決めすることが可能になっている。   The observation unit 5 includes a macro observation system 54 for macro observation of the sample, a microscope observation system 55 for micro observation of the sample, and a first illumination for illuminating the sample from below the sample table 15 along the optical axis of the macro observation system 54. A portion 51, a second illumination portion 52 which illuminates the sample from above the sample table 15 along the optical axis of the microscopic observation system 55, and a third illumination portion 53 which illuminates the sample from below the imaging device of the observation systems 54, 55 The image processing apparatus 100 includes, for example, an image processing apparatus 100 that acquires a photographed image and performs various image processing. The sample table 15 is formed of a translucent material, and a transparent window 16 is provided in the observation area. In addition, the sample stage 15 includes a fine drive stage movable in the XY direction (in the horizontal plane) and the Z direction (vertical direction) by drive control from the control unit 6, and the culture vessel 10 mounted on the upper surface thereof Is moved in the X, Y, and Z directions, so that the observation region of the culture vessel 10 can be positioned within the observation visual field of the macro observation system 54 or the microscopic observation system 55.

第1照明部51は、下部フレーム1b側に設けられた面発光の光源からなり、試料台15の下方から培養容器10全体をバックライト照明する。第2照明部52は、LED(Light Emitting Diode)やハロゲンランプ等の光源52aと、輪帯絞りやコンデンサレンズ等からなる照明光学系52cとを有しており、試料台15の上方から顕微観察系55の光軸に沿って培養容器10内の試料を照明する。第3照明部53は、それぞれ落射照明観察や蛍光観察に好適な波長の光を射出する複数のLEDや水銀等の光源53aと、各光源53aから射出された光を顕微観察系55の光軸に重畳させるビームスプリッタや蛍光フィルタ等からなる照明光学系53cとを有しており、試料台15の下方から顕微観察系55の光軸に沿って培養容器10内の試料を照明する。各光源52a,53aの照明光量は、制御ユニット6からの駆動信号(電流/電圧)に基づいて制御される。   The first lighting unit 51 is a light source of surface light emission provided on the lower frame 1 b side, and backlights the entire culture vessel 10 from below the sample table 15. The second illumination unit 52 includes a light source 52 a such as an LED (Light Emitting Diode) or a halogen lamp, and an illumination optical system 52 c including an annular diaphragm and a condenser lens, etc. Microscopic observation from above the sample table 15 The sample in the culture vessel 10 is illuminated along the optical axis of the system 55. The third illumination unit 53 includes a plurality of light sources 53a such as LEDs or mercury for emitting light of a wavelength suitable for epi-illumination observation or fluorescence observation, and an optical axis of the microscopic observation system 55 for light emitted from each light source 53a. The illumination optical system 53 c including a beam splitter and a fluorescence filter to be superimposed on each other illuminates the sample in the culture vessel 10 along the optical axis of the microscopic observation system 55 from below the sample table 15. The illumination light amount of each of the light sources 52 a and 53 a is controlled based on the drive signal (current / voltage) from the control unit 6.

マクロ観察系54は、観察光学系54aと、この観察光学系54aにより結像された試料の像を撮影するCCDカメラ等の撮像装置54cとを有しており、第1照明部51によりバックライト照明された培養容器10の上方からの全体観察画像(マクロ画像)を撮影する。   The macro observation system 54 includes an observation optical system 54 a and an imaging device 54 c such as a CCD camera for photographing an image of a sample formed by the observation optical system 54 a. A whole observation image (macro image) from above of the illuminated culture vessel 10 is taken.

顕微観察系55は、対物レンズや位相リング等を有する観察光学系55aと、観察光学系55aにより結像された試料の像を撮影する冷却CCD等の撮像装置55cとを有している。対物レンズは、レンズ駆動機構87により光軸に沿う方向(Z方向)に往復移動可能に構成されており、対物レンズと試料面との光軸方向の相対位置(光学的距離)を変化させることにより焦点調節が可能になっている。また、対物レンズは複数設けられるとともに、レボルバやスライダなどの変位機構を用いて複数倍率に設定可能に構成されており、初期選択のレンズ設定に応じて、本実施形態では、少なくとも低倍観察用(例えば2倍観察用)と高倍観察用(例えば10倍観察用)との2種類の倍率の間で変倍可能なように切り換えられる。顕微観察系55は、第2照明部52により照明された試料の位相差画像、第3照明部53により照明された試料の反射像、第3照明部53により照明された試料の蛍光画像など、培養容器10内の試料を顕微鏡観察した顕微観察画像(ミクロ画像)を撮影する。   The microscopic observation system 55 includes an observation optical system 55a having an objective lens, a phase ring, and the like, and an imaging device 55c such as a cooled CCD for photographing an image of a sample formed by the observation optical system 55a. The objective lens is configured to be reciprocally movable in the direction (Z direction) along the optical axis by the lens drive mechanism 87, and to change the relative position (optical distance) between the objective lens and the sample surface in the optical axis direction. Makes it possible to adjust the focus. In addition, a plurality of objective lenses are provided and can be set to a plurality of magnifications using a displacement mechanism such as a revolver or a slider. According to the lens setting of the initial selection, at least for low magnification observation. It is switched so as to be able to change magnification between two types of magnifications (for example, for 2 × observation) and for high-magnification observation (for example, 10 × observation). The microscopic observation system 55 includes a phase difference image of the sample illuminated by the second illumination unit 52, a reflection image of the sample illuminated by the third illumination unit 53, a fluorescence image of the sample illuminated by the third illumination unit 53, etc. A microscopic observation image (micro image) obtained by microscopically observing the sample in the culture vessel 10 is taken.

画像処理装置100は、マクロ観察系54の撮像装置54c、顕微観察系55の撮像装置55cにより撮影され、これらの撮像装置から入力された信号を処理して全体観察画像または顕微観察画像の画像データを生成する。また、画像処理装置100は、これらの観察画像(画像データ)に対して画像解析を施し、タイムラプス画像の生成、細胞運動の動
きベクトルの検出、画像特徴量の算出、細胞の拍動運動の解析、などを実行する。なお、画像処理装置100については、後に詳述する。
The image processing apparatus 100 is photographed by the imaging device 54c of the macro observation system 54 and the imaging device 55c of the microscopic observation system 55, and processes signals inputted from these imaging devices to process image data of the whole observation image or the microscopic observation image Generate Further, the image processing apparatus 100 performs image analysis on these observed images (image data), generates a time-lapse image, detects a motion vector of cell motion, calculates an image feature quantity, and analyzes a cell pulsation motion. , Etc. The image processing apparatus 100 will be described in detail later.

制御ユニット6は、処理を実行するCPU61、培養観察システムBSの制御プログラムや制御データ等が設定記憶されたROM62、観察条件や画像データ等を一時記憶するRAM63などを有し、培養観察システムBSの作動を制御する。そのため、図3に示すように、培養室2、搬送装置4、観察ユニット5、操作盤7の各構成機器が制御ユニット6に接続されている。RAM63には、観察プログラムに応じた培養室2の環境条件や、観察スケジュール、観察ユニット5における観察種別や観察位置、観察倍率等が設定され記憶される。また、RAM63には、観察ユニット5により撮影された画像データを記録する画像データ記録領域が設けられ、培養容器10のコード番号や撮影日時等を含むインデックス・データと画像データとが対応付けて記録される。   The control unit 6 has a CPU 61 for executing processing, a ROM 62 in which control programs and control data of the culture observation system BS are set and stored, a RAM 63 for temporarily storing observation conditions and image data, etc. Control the operation. Therefore, as shown in FIG. 3, the respective constituent devices of the culture chamber 2, the transport device 4, the observation unit 5, and the control panel 7 are connected to the control unit 6. In the RAM 63, environmental conditions of the culture room 2 according to the observation program, an observation schedule, an observation type or an observation position in the observation unit 5, an observation magnification, and the like are set and stored. In addition, the RAM 63 is provided with an image data recording area for recording the image data photographed by the observation unit 5, and the index data including the code number of the culture vessel 10, the photographing date and time, etc. Be done.

操作盤7には、キーボードやマウス、スイッチ等の入出力機器が設けられた操作パネル71、操作画面や画像データ等を表示する表示パネル72が設けられ、操作パネル71において観察プログラムの設定や条件選択、動作指令等の入力が行われる。通信部65は有線または無線の通信規格に準拠して構成されており、この通信部65に外部接続されるコンピュータ等との間でデータの送受信が可能になっている。   The operation panel 7 is provided with an operation panel 71 provided with an input / output device such as a keyboard, a mouse, and a switch, and a display panel 72 for displaying an operation screen, image data, etc. Selection, input of operation command, etc. are performed. The communication unit 65 is configured in accordance with a wired or wireless communication standard, and data can be transmitted and received to and from a computer externally connected to the communication unit 65.

このように概要構成される培養観察システムBSは、操作盤7において設定された観察プログラムに従ってCPU61が各部の作動を制御し、培養容器10内の試料の撮影を自動的に実行する。観察プログラムがスタートされると、CPU61はRAM63に記憶された環境条件の各条件値を読み込むとともに、環境センサ25から入力される培養室2の環境状態を検出し、条件値と実測値との差異に応じて温度調整装置21、加湿器22、ガス供給装置23、循環ファン24等を作動させて、培養室2の温度や湿度、二酸化炭素濃度などの培養環境についてフィードバック制御が行われる。   In the culture observation system BS configured as outlined above, the CPU 61 controls the operation of each part according to the observation program set in the operation panel 7 and automatically executes imaging of the sample in the culture container 10. When the observation program is started, the CPU 61 reads each condition value of the environmental conditions stored in the RAM 63 and detects the environmental condition of the culture room 2 input from the environmental sensor 25 and detects the difference between the condition value and the actual value. In response to this, the temperature control unit 21, the humidifier 22, the gas supply unit 23, the circulation fan 24 and the like are operated to perform feedback control on the culture environment such as the temperature, humidity, and carbon dioxide concentration of the culture chamber 2.

また、CPU61はRAM63に記憶された観察条件を読み込み、観察スケジュールに基づいて搬送ユニット4のX,Y,Zステージ41,42,43を作動させてストッカー3から観察対象の培養容器10を観察ユニット5の試料台15に搬送して、観察ユニット5による観察を開始させる。例えば、観察プログラムにおいて設定された観察がマクロ観察である場合には、搬送ユニット4によりストッカー3から搬送してきた培養容器10をマクロ観察系54の光軸上に位置決めして試料台15に載置し、第1照明部51の光源を点灯させて、バックライト照明された培養容器10の上方から撮像装置54cにより全体観察像を撮影する。撮像装置54cから制御ユニット6に入力された信号は、画像処理装置100により処理されて全体観察画像が生成され、その画像データが撮影日時等のインデックス・データなどとともにRAM63の画像データ記憶領域に記憶される。   Further, the CPU 61 reads the observation conditions stored in the RAM 63, operates the X, Y, and Z stages 41, 42 and 43 of the transport unit 4 based on the observation schedule to observe the culture container 10 to be observed from the stocker 3. The sample is transported to the sample stage 15 and the observation by the observation unit 5 is started. For example, when the observation set in the observation program is macro observation, the culture vessel 10 conveyed from the stocker 3 by the conveyance unit 4 is positioned on the optical axis of the macro observation system 54 and placed on the sample table 15 Then, the light source of the first illumination unit 51 is turned on, and the entire observation image is photographed by the imaging device 54c from above the culture vessel 10 which is back lighted. The signal input from the imaging device 54c to the control unit 6 is processed by the image processing apparatus 100 to generate a whole observation image, and the image data is stored in the image data storage area of the RAM 63 together with index data such as shooting date and time. Be done.

また、観察プログラムにおいて設定された観察が、培養容器10内の特定位置の試料のミクロ観察である場合には、搬送ユニット4により搬送してきた培養容器10内の特定位置を顕微観察系55の光軸上に位置決めして試料台15に載置し、第2照明部52又は第3照明部53の光源を点灯させて、透過照明、落射照明、蛍光による顕微観察像を撮像装置55cに撮影させる。撮像装置55cにより撮影されて制御ユニット6に入力された信号は、画像処理装置100により処理されて顕微観察画像(位相差画像、蛍光画像等)が生成され、その画像データが撮影日時等のインデックス・データなどとともにRAM63の画像データ記憶領域に記憶される。   When the observation set in the observation program is micro observation of the sample at the specific position in the culture vessel 10, the light of the microscopic observation system 55 in the specific position in the culture vessel 10 transported by the transport unit 4 Positioned on the axis and mounted on the sample table 15, the light source of the second illumination unit 52 or the third illumination unit 53 is turned on to make the imaging device 55c capture a microscopic observation image by transmitted illumination, epi-illumination, or fluorescence . A signal captured by the imaging device 55c and input to the control unit 6 is processed by the image processing apparatus 100 to generate a microscopic observation image (phase difference image, fluorescence image, etc.), and the image data is an index such as shooting date and time It is stored in the image data storage area of the RAM 63 together with data and the like.

[心筋細胞の細胞コロニーの抽出]
以上のように構成される培養観察システムBSにおいて、画像処理装置100は、撮像装置54c,55cにより所定時間の時間間隔ごとに培養容器10内の培養細胞の画像が
時系列で取得される(タイムラプス撮影)。このように、幹細胞から分化した心筋細胞の細胞集団(コロニー)が撮影された時系列画像に基づいて、心筋細胞の細胞コロニーの形態的特徴を検出し、心筋細胞の細胞コロニーを抽出する。この取得した時系列画像を解析して、例えば、図12の表1にあるように、細胞コロニーの形態的特徴(輪郭、厚み、面積、特徴点(重心、始点、終点、屈曲点、分岐点など)、形状(細胞内部構造の変化も含む)、明るさ等)から抽出できる。
具体的には、図12の表1に記載するように、細胞コロニーは、細胞の形態的特徴量に基づき特定される。
I. 細胞コロニーの輪郭を用いる場合には、例えば、(i)細胞コロニーの輪郭帯(輪郭線に沿って内側に所定幅の帯状)の平均輝度や輝度の分散値が所定値以上のものを細胞コロニーと特定する。また、(ii)輪郭帯の平均輝度や輝度の分散値とそのコロニー内部の平均輝度や輝度の分散値との輝度比較から細胞コロニーと特定する。
II. 細胞コロニーの厚さを考慮して、細胞コロニー全体を適正露光量で撮像するために、例えば、(i)撮像装置54cは、異なる露光量ごとに取得した画像から細胞コロニー
を特定する。また、露光量を変える代わりに、撮像措置のセンサゲインを調整した画像を使用してもよい。なお、後述する・動き領域・拍動部位・ペースメーカー細胞の特定においても同様に露光両、センサゲインを調整した画像を用いることが可能である。またさらに、前述(i)の代わりに、撮像装置のダイナミックレンジの広いセンサにより画像取得
しても良い。
III.細胞コロニーの面積を用いる場合には、(i)面積が所定値以上のものを細胞コロニーと特定する。あるいは、(ii)所定の面積範囲以上のものを細胞コロニーと特定する。IV. 細胞コロニーの形状を用いる場合には、(i)所定の形状のもの(例えば真円度が
所定値以上)を細胞コロニーと特定する。あるいは、(ii)内部構造変化が、所定の構造変化より大きいものを細胞コロニーと特定する(詳しくは後述する)。あるいは、(iii
)細胞コロニーの周囲に存在する周辺細胞と細胞コロニーとの空間周波数の違いを利用し、細胞コロニーが有する空間周波数を透過する空間フィルタ(ローパスフィルタ)を適用して、細胞コロニーを特定する。尚、空間フィルタは光学的なフィルタを用いてもよいし、画像を計算処理してフィルタリングしてもよい。
V. 細胞コロニーの明るさ情報(輝度情報)を用いる場合には、(i)細胞コロニーの輪郭内の輝度分布が所定輝度分布以上のものを細胞コロニーと特定する。あるいは、(ii)細胞コロニーの輪郭帯が所定の輝度をもつものを細胞コロニーと特定する。
[Extraction of cell colony of cardiomyocytes]
In the culture observation system BS configured as described above, in the image processing apparatus 100, images of the cultured cells in the culture container 10 are acquired in time series at predetermined time intervals by the imaging devices 54c and 55c (time lapse Shooting). Thus, based on the time-series image in which the cell population (colony) of cardiomyocytes differentiated from the stem cells is photographed, the morphological feature of the cell colony of cardiomyocytes is detected, and the cell colony of cardiomyocytes is extracted. The acquired time-series image is analyzed, and for example, as shown in Table 1 of FIG. 12, the morphological features (outline, thickness, area, feature points (center of gravity, start point, end point, inflection point, branch point) of cell colonies Etc.), shape (including changes in cell internal structure), brightness etc.).
Specifically, as described in Table 1 of FIG. 12, cell colonies are identified based on morphological features of cells.
I. In the case of using the contour of a cell colony, for example, (i) a cell colony in which the average luminance or the dispersion value of the luminance of the contour band of the cell colony (a band having a predetermined width inside along the contour line) is a predetermined value or more Identify Also, (ii) a cell colony is identified from the brightness comparison between the average brightness and the variance of the brightness of the contour band and the variance of the average brightness and the brightness inside the colony.
II. In order to image the entire cell colony with an appropriate exposure amount in consideration of the thickness of the cell colony, for example, (i) the imaging device 54c identifies the cell colony from an image acquired for each different exposure amount. Also, instead of changing the exposure amount, an image in which the sensor gain of the imaging device is adjusted may be used. In addition, it is possible to use the image which adjusted the sensor gain similarly for both exposure similarly also in specification of-movement area | region * pulsation site | part * pacemaker cell mentioned later. Furthermore, instead of the above (i), an image may be acquired by a sensor with a wide dynamic range of the imaging device.
III. When the area of cell colonies is used, (i) those having an area of a predetermined value or more are specified as cell colonies. Alternatively, (ii) those having a predetermined area range or more are identified as cell colonies. IV. When using the shape of a cell colony, (i) the thing of a predetermined | prescribed shape (for example, roundness is more than predetermined value) is specified as a cell colony. Alternatively, (ii) those whose internal structural change is larger than a predetermined structural change are identified as cell colonies (details will be described later). Or (iii
2.) Using a spatial frequency difference between peripheral cells present around cell colonies and cell colonies, a spatial filter (low pass filter) transmitting spatial frequencies possessed by cell colonies is applied to identify cell colonies. The spatial filter may use an optical filter, or may calculate and filter an image.
V. In the case of using brightness information (brightness information) of cell colonies, (i) a cell colony having a brightness distribution in the contour of the cell colony equal to or more than a predetermined brightness distribution is specified as the cell colony. Alternatively, (ii) a cell colony is identified that has a contour band of cell colony having a predetermined brightness.

[心筋細胞の拍動運動の検出]
以上のように構成される培養観察システムBSにおいて、画像処理装置100は、撮像装置54c,55cにより所定時間を隔てて心筋細胞の細胞集団(コロニー)が撮影された時系列画像を取得し、この取得した時系列画像を解析して心筋細胞の拍動運動を検出する機能を有している。
[Detection of beating motion of cardiomyocytes]
In the culture observation system BS configured as described above, the image processing apparatus 100 acquires a time-series image in which a cell population (colony) of cardiomyocytes is photographed at predetermined intervals by the imaging devices 54c and 55c. It has a function to analyze the acquired time-series image and detect the pulsation movement of cardiomyocytes.

心筋細胞は、例えば、心臓疾患などを対象とした再生医療や創薬のリソースとして、胚性幹細胞(embryonic stem cell:ES細胞)や人工多能性幹細胞(induced pluripotent
stem cell:iPS細胞)から分化誘導されたものであり、自律的に収縮・弛緩の拍動運動を所定の時間間隔で周期的に繰り返す。心筋細胞は、細胞同士が接着し合い細胞集団(コロニー)を形成しており、フィーダ細胞とともにディッシュ(培養容器10)内に散布されている。
Cardiomyocytes are, for example, embryonic stem cells (ES cells) or induced pluripotent stem cells as a resource for regenerative medicine and drug discovery for heart diseases and the like.
stem cells (iPS cells) are induced to differentiate and autonomously repeat contraction / relaxation pulsating motion periodically at predetermined time intervals. The cardiomyocytes adhere to each other to form a cell population (colony), and are dispersed in the dish (the culture vessel 10) together with the feeder cells.

画像処理装置100では、取得した時系列画像から動きベクトルを検出し、動きベクトルが検出された動きのある領域の画像特徴量を順次算出し、この算出された画像特徴量の時系列変化に基づいて心筋細胞の拍動を検出する構成になっている。それでは、以下にこの画像処理装置100が実行する画像処理方法(細胞の運動検出方法)について基本的な概念から説明する。なお、以降の説明では、第2照明部52及び顕微観察系55等によっ
て構成される位相差顕微鏡によって撮影される位相差画像(顕微観察画像)に基づいて観察を行う場合を例示する。なお、細胞の観察を行う事が可能であれば、位相差観察以外の観察手法を用いても構わない。このとき、顕微観察系55では、観察光学系55aの観察倍率を切り換えることにより低倍観察及び高倍観察が可能である。
The image processing apparatus 100 detects a motion vector from the acquired time-series image, sequentially calculates the image feature quantity of the region having motion in which the motion vector is detected, and based on the time-series change of the calculated image feature quantity. It is configured to detect the pulsation of cardiac muscle cells. Now, an image processing method (cell motion detection method) executed by the image processing apparatus 100 will be described from the basic concept. The following description exemplifies a case in which observation is performed based on a phase difference image (microscopic observation image) captured by a phase contrast microscope configured by the second illumination unit 52, the microscopic observation system 55, and the like. In addition, as long as cells can be observed, an observation method other than phase contrast observation may be used. At this time, in the microscopic observation system 55, low-magnification observation and high-magnification observation are possible by switching the observation magnification of the observation optical system 55a.

(動き領域の抽出)
図4に示すように、心筋細胞MCの拍動運動は、収縮・弛緩を繰り返す周期的な動きであることから、まず、細胞集団(コロニー)を撮影した時系列画像から動きベクトルを検出し、この動きベクトルの検出された領域を動きのある領域(「動き領域」)として抽出する。図12の表1に記載したように、細胞コロニーの「特徴点(重心、始点、終点、屈曲点、分岐点など)」を求めることで動きベクトルを検出する。以下に具体的に説明する。
(Extraction of motion area)
As shown in FIG. 4, since the beating motion of the cardiomyocytes MC is a periodic motion that repeats contraction and relaxation, first, a motion vector is detected from a time-series image obtained by photographing a cell population (colony), The area where the motion vector is detected is extracted as an area with motion ("motion area"). As described in Table 1 of FIG. 12, a motion vector is detected by obtaining “feature points (center of gravity, start point, end point, inflection point, branch point, etc.)” of cell colonies. The details will be described below.

先ず、心筋細胞MCのコロニーCが撮影された時系列画像(時刻t=1,2,3,…,T−1,T,…)を取得し、この時系列画像における第1の時刻t−1に撮影された第1画像(例えば、図5(a)を参照)と、第1の時刻t−1よりも所定時間後の第2の時刻tに撮影された第2画像(例えば、図5(b)を参照)と、に注目する。   First, time series images (time t = 1, 2, 3,..., T−1, T,...) In which the colony C of cardiomyocytes MC is photographed are acquired, and a first time t− in this time series image is acquired. 1 (see, for example, FIG. 5 (a)) and a second image (see, for example, FIG. 5) taken at a second time t that is a predetermined time after the first time t-1. 5 (b)) and.

図6に示すように、動きベクトル(図中では符号「V」で示す)は、時刻t−1の第1画像と、次時刻tの第2画像との間で、例えばオプティカルフロー(ブロックマッチング法、勾配法など)等の既知の手法を利用して推定する。この動きベクトルは、例えば各画像において画素単位で検出され、第1画像での注目画素の中心座標(始点)から、この注目画素に対応する第2画像での対応画素の中心座標(終点)までのベクトルとして算出される。より詳細には、動きベクトルは、2つの画像間(第1画像及び第2画像間)における各検出点での動きの向きと大きさを表すベクトル(「速度ベクトル」とも称される)であり、このベクトルの向きが動きの方向を表し、ベクトルの長さが動き量を表している。なお、ここでは、動きベクトルが検出された各画素を動き領域として定義するが、視野画像をN×M画素(複数画素)からなるブロック毎に分割して、動きベクトルをこのブロック単位で検出し、このブロックを動き領域として定義してもよい。   As shown in FIG. 6, a motion vector (indicated by a symbol "V" in the figure) is, for example, an optical flow (block matching) between a first image at time t-1 and a second image at next time t. It estimates using known methods, such as a method, a gradient method, etc.). This motion vector is detected, for example, in units of pixels in each image, and from the center coordinates (start point) of the target pixel in the first image to the center coordinates (end point) of the corresponding pixel in the second image corresponding to the target pixel Calculated as a vector of More specifically, a motion vector is a vector (also referred to as a "velocity vector") representing the direction and magnitude of motion at each detection point between two images (between the first and second images). The direction of this vector represents the direction of movement, and the length of the vector represents the amount of movement. Here, each pixel in which a motion vector is detected is defined as a motion area, but the view image is divided into blocks of N × M pixels (plural pixels), and the motion vector is detected in units of blocks. This block may be defined as a motion area.

以下では、第1の時刻t−1と第2の時刻tとの間の時間間隔Δtを収縮・弛緩のタイミングに合わせ、第1の時刻t−1を弛緩時とし、第2の時刻tを収縮時として時系列画像を撮影した場合を例示して説明する。なお、取得した時系列画像の中から、少なくとも弛緩時を撮影した第1の画像と収縮時を撮影した第2の画像とを選択することができるならば、時系列画像を取得するサンプリング間隔は特に限定されない。   In the following, the time interval Δt between the first time t-1 and the second time t is matched to the timing of contraction / relaxation, the first time t-1 is relaxation time, and the second time t is The case of capturing a time-series image at the time of contraction will be described as an example. In addition, if it is possible to select at least a first image obtained by photographing the relaxation time and a second image obtained by imaging the contraction time from the acquired time-series images, the sampling interval for acquiring the time-series images is It is not particularly limited.

ここで、心筋細胞MCのコロニーCを時系列で観察した場合、動きベクトルが検出された領域(動き領域)の全てが必ずしも収縮・弛緩を交互に繰り返す拍動部位(拍動領域)であるとは限らない。すなわち、動きベクトルの検出では、拍動している心筋細胞のみが動き領域として検出されるだけでなく、この心筋細胞の収縮・弛緩に引っ張られて移動する周辺細胞(フィーダ細胞を含む)FCや、ディッシュ内の培地に浮遊して動きを伴っている浮遊細胞NCやゴミGなども動き領域として検出されてしまう。しかしながら、本目的においては、拍動に加担している心筋細胞のみを他と区別して正確に検出されることが好ましい。このとき、心筋細胞MCには核や内部繊維などの内部構造(テクスチャ)が存在し、心筋細胞が収縮・弛緩の拍動(形態変化)を繰り返す際に内部構造が顕著に変化する。より具体的には、収縮時には内部構造が密になり、弛緩時には内部構造が元の状態(収縮時に比して疎)となる。つまり、位相差観察において拍動部位に照射される照明光は、この部位を通過する直接光と回折光とに分かれるが、この回折現象は屈折率に変化がある部位で発生するため、当該回折光は拍動部位の内部構造(位相物体)の形状情報を含み、心筋細胞が収縮・弛緩の拍動を繰り返す際に内部構造の顕著な変化として捉えることが
可能である。一方、それ以外の細胞(周辺細胞、浮遊細胞)やゴミなどの異物は動きを伴っていても内部構造の変化が極めて乏しいといえる。そこで、動きベクトルの検出された動き領域に対して、内部構造の変化に関する画像特徴量を時系列で算出し、この画像特徴量の時系列変化に基づいて心筋細胞のコロニーから拍動部位を検出する手法(拍動検出手法)を考える。
Here, when the colony C of the cardiomyocytes MC is observed in time series, it is assumed that all the regions in which the motion vector is detected (moving regions) are necessarily beating regions (beating regions) that alternately repeat contraction and relaxation. There is no limit. That is, in the detection of the motion vector, not only only the beating cardiomyocytes are detected as a motion area, but also peripheral cells (including feeder cells) FC which move by being pulled and contracted by contraction and relaxation of the cardiomyocytes. Also, floating cells NC suspended in the medium in the dish and accompanied with movement are detected as movement areas. However, for the present purpose, it is preferable that only cardiomyocytes involved in the beating be accurately detected in distinction from the others. At this time, an internal structure (texture) such as a nucleus or an internal fiber is present in the cardiomyocytes MC, and the internal structure is significantly changed when the cardiac muscle cells repeat contraction / relaxation beating (morphological change). More specifically, the internal structure becomes dense at the time of contraction, and the internal structure becomes the original state (sparse compared to the time of contraction) at the time of relaxation. That is, although the illumination light irradiated to the beating site in the phase contrast observation is divided into the direct light passing through the site and the diffracted light, this diffraction phenomenon occurs at the site where there is a change in the refractive index, so the diffraction The light contains the shape information of the internal structure (phase object) of the beating site, and can be regarded as a remarkable change of the internal structure when the cardiac muscle cell repeats contraction and relaxation beating. On the other hand, foreign substances such as other cells (peripheral cells, floating cells) and dusts may be said to have very little change in internal structure even with movement. Therefore, image feature quantities related to changes in internal structure are calculated in time series with respect to a motion area in which a motion vector is detected, and a beat site is detected from colonies of cardiomyocytes based on time series changes in the image feature quantities. Method (beat detection method) to

(形態的特徴量の時系列変化)
時系列画像における第1画像と第2画像との間で動きベクトルが検出された動き領域につき画像特徴量(形態的特徴量)を算出し、この画像特徴量の時系列変化を算出する。具体的には、各動き領域に対して動きベクトルの始点と終点とに注目し、第1画像に関して当該始点に対応する点近傍(画素近傍)の小領域と、第2画像に関して当該終点に対応する点近傍(画素近傍)の小領域と、で画像の特徴量をそれぞれ算出する。ここで、同一対象について、始点の小領域は時刻t−1での動き領域(又は動き領域を含む領域)を意味し、終点の小領域は時刻tでの動き領域(又は動き領域を含む領域)を意味する。従って、始点の小領域と終点の小領域との画像特徴量の差分をとることにより、第1画像及び第2画像間での動き領域の画像特徴量の時系列変化を導出できる。
(Time-series change of morphological feature)
An image feature (morphological feature) is calculated for a motion area in which a motion vector is detected between a first image and a second image in a time-series image, and a time-series change of the image feature is calculated. Specifically, focusing on the start point and end point of the motion vector for each motion area, the first image corresponds to the small area near the point (near the pixel) corresponding to the start point and the end point on the second image The feature quantities of the image are respectively calculated in the small area near the point (pixel vicinity). Here, for the same object, the small area at the start point means the motion area (or the area including the motion area) at time t-1, and the small area at the end point is the motion area at the time t (or the area including the movement area Means). Therefore, by taking the difference between the image feature quantities of the small area at the start point and the small area at the end point, it is possible to derive a time-series change of the image feature quantity of the motion area between the first image and the second image.

画像の特徴量は、公知の種々の指標を用いることができ、例えば以下のようなものを列挙することができる。すなわち、細胞コロニーの内部構造を示すテクスチャ特徴量として、(1)微分の総和、(2)輝度値の分散、(3)空間周波数、などである。   As the feature amount of the image, various known indexes can be used. For example, the following can be listed. That is, the texture feature quantities indicating the internal structure of the cell colony include (1) sum of differentials, (2) variance of luminance value, and (3) spatial frequency.

(1)微分の総和
小領域(動き領域)内の輝度の空間方向に対する微分(縦、横、斜め方向の輝度値の差分、Sobel Filterなども含む)により、エッジ強度を算出する。
(1) Sum of Differentiation The edge intensity is calculated by differentiation of the luminance in the small area (moving area) with respect to the space direction (including difference of luminance values in vertical, horizontal, and diagonal directions, Sobel Filter, etc.).

(2)輝度値の分散
小領域(動き領域)内の輝度値のバラツキをみることで、値が大きければバラツキがあることから、例えば、細胞内の顆粒の増減や核の数や大きさ、密度によるムラを概算できる。
(2) Dispersion of luminance values By looking at the dispersion of luminance values in a small area (moving area), since there is a dispersion if the value is large, for example, increase or decrease of granules in cells, the number or size of nuclei, Unevenness due to density can be estimated.

(3)空間周波数
フーリエ変換による空間周波数のスペクトル強度は、前記までのシンプルな特徴量とは違い、より詳細なテクスチャパターンを解析した多次元特徴量である。この相関値を算出することによって、より詳細な情報を捉えることができる。
(3) Spatial frequency Spectral intensity of spatial frequency by Fourier transform is a multi-dimensional feature that is more detailed texture pattern analyzed unlike the above simple features. By calculating this correlation value, more detailed information can be captured.

また、図12の表1に記載するように、細胞コロニーの動き領域を検出するために、時系列画像に基づき細胞コロニーの面積の変化率(収縮・拡張の変化)を算出し、所定値以上の変化率を示す場合にその画素群を動き領域として特定する。更にまた、動き領域は、細胞コロニーのエッジ部分に存在する確率が高く、エッジ部分の輝度変化領域を抽出することで動き領域を特定することも可能である。なお、細胞コロニーの厚みを考慮するためには、前述した通り、露光量などを調整すればよい。   In addition, as described in Table 1 of FIG. 12, in order to detect the movement region of cell colonies, the change rate (change in contraction / expansion) of cell colony area is calculated based on time-series images, The pixel group is identified as a motion area when it indicates the rate of change of. Furthermore, the motion area has a high probability of being present at the edge portion of the cell colony, and it is also possible to specify the motion area by extracting the luminance change area of the edge portion. In addition, in order to consider the thickness of the cell colony, as described above, the exposure dose may be adjusted.

(拍動領域(拍動部位)の抽出)
こうして得られた第1画像におけるテクスチャ特徴量と第2画像におけるテクスチャ特徴量との差分を算出し、この差分を時系列変化量とする。前述したように、拍動部位では収縮・弛緩の繰り返しによって内部構造が密→疎→密→疎→…と交互に形態変化するため、これに応じてテクスチャ特徴量(画像特徴量)も変化する。つまり、内部構造が密になる収縮時にはテクスチャ特徴量は増加し、内部構造が疎になる弛緩時にはテクスチャ特徴量は減少する。そのため、拍動部位に関してテクスチャ特徴量の差分は、ある一定の大きさを有した変化量として表れる。これに対して、非拍動部位である周辺細胞やゴミ等の異
物では、動きがあった場合でも内部構造の変化がほとんど見られず、テクスチャ特徴量の変化は乏しい。そこで、テクスチャ特徴量の変化量と予め設定した所定の閾値とを比較し、テクスチャ特徴量の変化量が所定の閾値以上である場合に、そのテクスチャ変化を持つ領域(動き領域)を拍動領域として判別する。
(Extraction of beating area (beating part))
The difference between the texture feature amount in the first image thus obtained and the texture feature amount in the second image is calculated, and this difference is taken as a time-series change amount. As described above, since the internal structure changes alternately in the form of dense → sparse → dense → sparse → ... by repetition of contraction and relaxation at the beating site, the texture feature (image feature) also changes accordingly. . That is, the texture feature increases when the internal structure becomes denser and the texture feature decreases when the internal structure becomes looser. Therefore, the difference of the texture feature amount with respect to the beating site appears as a change amount having a certain size. On the other hand, in the foreign matter such as peripheral cells which are non-pulsating parts or dust, even if there is movement, almost no change in the internal structure is observed, and the change in the texture feature amount is scarce. Therefore, the change amount of the texture feature amount is compared with a predetermined threshold set in advance, and when the change amount of the texture feature amount is equal to or more than the predetermined threshold, the region (motion region) having the texture change is It is determined as

所定の閾値は、例えば拍動検出に先立って、代表的な心筋細胞のコロニーを観察し、このコロニーに存在する拍動部位をサンプリングして得られたテクスチャ特徴量の時系列変化を基準として予め算出しておくことが好ましい。なお、例えばユーザインターフェースにより所定の閾値を任意に変更できるようにしてもよい。このユーザインターフェースでは、操作パネル71において「閾値設定」が選択されると、表示パネル72に「スライドレバー」が表示されて、マウスやキーボード等を用いたスライドレバーのドラッグ操作を行うことにより(スライドレバーを移動させることにより)、所望の閾値を選択可能に構成する。   The predetermined threshold value is, for example, observed in advance a colony of typical cardiomyocytes prior to the detection of a pulse, and is previously referred to as a time-series change of the texture feature value obtained by sampling the beating site present in this colony. It is preferable to calculate. Note that, for example, the predetermined threshold may be arbitrarily changed by the user interface. In this user interface, when “Threshold setting” is selected on the operation panel 71, the “slide lever” is displayed on the display panel 72, and drag operation of the slide lever using a mouse, a keyboard, etc. By moving the lever), it is possible to select the desired threshold.

なお、画像特徴量としては、前述のテクスチャ特徴量に限定されず、他の指標を採用してもよく、例えば単純な輝度値(平均輝度値)を用いても同様の効果が得られる。前述したように、拍動部位では収縮・弛緩の繰り返しにより、内部構造が密→疎→密→疎→…と交互に形態変化するため、これに応じて輝度値も変化する。つまり、内部構造が密になる収縮時には照明光が吸収され暗くなり(輝度値が低下し)、内部構造が疎になる弛緩時には透過光が増加して明るくなる(輝度値が増加する)。そのため、拍動部位に関してテクスチャ特徴量の差分は、ある一定の大きさを有した変化量として表れる。これに対して、周辺細胞やゴミ等では、内部構造の変化がほとんど見られず、輝度値の変化も乏しいといえる。このように、輝度値を画像特徴量として採用した場合でも、拍動部位にのみ輝度値の時系列変化が顕著に表れるため、この画像特徴量の変化に基づいて拍動部位を検出することができる。   The image feature amount is not limited to the above-described texture feature amount, and another index may be adopted. For example, the same effect can be obtained using a simple brightness value (average brightness value). As described above, since repetition of contraction and relaxation at the pulsation site causes the internal structure to change alternately in the form of dense → sparse → dense → sparse → ..., the luminance value also changes accordingly. That is, illumination light is absorbed and darkened when the internal structure becomes dense (the luminance value decreases), and transmitted light increases and becomes bright (the luminance value increases) when the internal structure becomes loose. Therefore, the difference of the texture feature amount with respect to the beating site appears as a change amount having a certain size. On the other hand, in the peripheral cells, dust, etc., almost no change in internal structure is seen, and it can be said that the change in luminance value is also poor. As described above, even when the luminance value is adopted as the image feature quantity, the time-series change of the luminance value appears prominently only in the pulsation site, so that the pulsation site can be detected based on the change in the image feature quantity. it can.

また、上述のように、心筋細胞は拍動(収縮・弛緩)のタイミングで内部構造が形態変形して画像の特徴量(テクスチャ特徴量、輝度値など)も変化するため、拍動の判別手法として、収縮・弛緩の時間的周期(動きベクトルの往復運動)と、画像の特徴量の時系列変化とが同期していることを条件に追加してもよく、この手法を利用することにより拍動部位をより正確に検出することが可能になる。   In addition, as described above, cardiac muscle cells undergo morphological deformation of the internal structure at the timing of pulsation (contraction / relaxation) to change the feature amount (texture feature amount, luminance value, etc.) of the image, so the beat discrimination method It may be added as a condition that the temporal cycle of contraction / relaxation (the reciprocating motion of the motion vector) and the time-series change of the feature of the image are synchronized, by using this method It becomes possible to detect a moving site more accurately.

また、図12の表1に記載のように、拍動領域は細胞コロニーのエッジ部分に存在する確率が高いため、エッジ幅に合わせた分散フィルタを適用して輝度の分散値を求め、この分散値が所定値以上のものを拍動領域に特定する。また、上記動きベクトルの大小によって動き領域内から拍動部位を特定する。あるいは、動き領域内において、上述のごとく輝度変化・輝度分布を捉え、拍動領域を特定する。あるいは、細胞コロニーの動き領域内の内部構造の空間周波数のスペクトル強度に基づき拍動領域を特定する。   Further, as described in Table 1 of FIG. 12, since the beating region has a high probability of being present at the edge portion of the cell colony, a dispersion filter matched to the edge width is applied to obtain the dispersion value of luminance, and this dispersion A value equal to or greater than a predetermined value is identified as a pulsation region. In addition, the pulsation site is identified from within the motion area according to the magnitude of the motion vector. Alternatively, in the motion area, the luminance change / luminance distribution is captured as described above, and the pulsation area is specified. Alternatively, the beat region is identified based on the spectral intensity of the spatial frequency of the internal structure in the movement region of the cell colony.

次に、培養観察システムBSの画像処理装置100において実行される画像解析の具体的なアプリケーションについて図1及び図7を併せて参照しながら説明する。ここで、図1は画像処理プログラムGP1における処理の概要を示すフローチャート、図7は画像処理装置100の概要構成を示すブロック図である。   Next, a specific application of image analysis performed in the image processing apparatus 100 of the culture observation system BS will be described with reference to FIGS. 1 and 7 together. Here, FIG. 1 is a flowchart showing an outline of processing in the image processing program GP1, and FIG. 7 is a block diagram showing an outline configuration of the image processing apparatus 100.

画像処理装置100は、撮像装置54c,55cにより撮影された画像を記憶する画像記憶部110と、画像記憶部110に記憶された画像を取得して解析する画像解析部120と、画像解析部120により解析された解析結果を出力する出力部130とを備えて構成される。画像解析部120は、オプティカルフロー(ブロックマッチング法、勾配法など)等の既知の手法を用いて時系列画像から第1画像及び第2画像間の動きベクトルを検出する動きベクトル検出部121と、動きベクトルが検出された動き領域について画像特
徴量の時系列変化を算出する特徴量算出部122と、を備える。出力部130からは、画像解析部120による解析結果、例えば、動きベクトルの検出結果、画像特徴量の時系列変化の情報、拍動運動する心筋細胞の判別結果、などが出力され、表示パネル72への表示や記憶媒体への記録、通信部65を介して外部へのデータ送信等が行われる。
The image processing apparatus 100 includes an image storage unit 110 that stores an image captured by the imaging devices 54c and 55c, an image analysis unit 120 that acquires and analyzes an image stored in the image storage unit 110, and an image analysis unit 120. And an output unit 130 that outputs the analysis result analyzed by The image analysis unit 120 detects a motion vector between the first image and the second image from the time-series image using a known method such as optical flow (block matching method, gradient method, etc.), and And a feature amount calculator configured to calculate a time-series change of the image feature amount for the motion area in which the motion vector is detected. The output unit 130 outputs an analysis result by the image analysis unit 120, for example, a detection result of a motion vector, information of time-series change in image feature amount, a discrimination result of a cardiomyocyte that beats, etc. Display on the screen, recording on a storage medium, data transmission to the outside via the communication unit 65, and the like are performed.

画像処理装置100は、ROM62に設定記憶された画像処理プログラムGPがCPU61に読み込まれ、CPU61によって画像処理プログラムGPに基づく処理が順次実行されることによって構成される。換言すれば、画像処理プログラムGPはハードウェア資源であるCPU61(コンピュータ)を画像処理装置として機能させるためのソフトウェアである。   The image processing apparatus 100 is configured such that the image processing program GP set and stored in the ROM 62 is read by the CPU 61, and processing based on the image processing program GP is sequentially executed by the CPU 61. In other words, the image processing program GP is software for causing the CPU 61 (computer), which is a hardware resource, to function as an image processing apparatus.

既述したように、培養観察システムBSでは、観察プログラムにおいて設定された観察条件に従って、所定時間ごとに指定された培養容器10内の心筋細胞集団(コロニー)の観察が行われる。具体的に、CPU61は、搬送ユニット4の各ステージ41,42,43を作動させてストッカー3から観察対象の培養容器10を観察ユニット5に搬送(本実施形態では、顕微観察系55の光軸上に配置)する。CPU61は、試料台15を面内方向(X,Y方向)に移動させるとともに、レンズ駆動機構87により対物レンズを光軸方向に沿って移動させて、培養容器10内の試料と対物レンズとの位置決めを行う。なお、ここでは高倍観察用(例えば10倍)の対物レンズを用いていており、これにより解像度の高い画像に基づいて心筋細胞の内部構造に関する特徴をより定量的に判断できる。   As described above, in the culture observation system BS, observation of the cardiomyocyte population (colony) in the designated culture container 10 is performed at predetermined time intervals according to the observation conditions set in the observation program. Specifically, the CPU 61 operates the respective stages 41, 42, 43 of the transport unit 4 to transport the culture vessel 10 to be observed from the stocker 3 to the observation unit 5 (in the present embodiment, the optical axis of the microscopic observation system 55) Place on top). The CPU 61 moves the sample table 15 in the in-plane direction (X and Y directions), and moves the objective lens along the optical axis direction by the lens drive mechanism 87 to move the sample in the culture vessel 10 to the objective lens. Perform positioning. Here, an objective lens for high-magnification observation (for example, 10 ×) is used, and thereby, it is possible to more quantitatively judge the feature relating to the internal structure of cardiomyocytes based on the high resolution image.

画像解析部120は、画像処理プログラムGPに基づき、撮像装置(説明では顕微観察系の撮像装置55cとする)により撮影され、画像記憶部110に記憶された心筋細胞のコロニーの画像を以下のように画像処理する。   Based on the image processing program GP, the image analysis unit 120 is photographed by the imaging device (in the explanation, the imaging device 55c of the microscopic observation system), and the image of the colony of cardiomyocytes stored in the image storage unit 110 is as follows. Image processing.

先ず始めにステップS101では、画像解析部120は、画像記憶部110に記憶された時刻t−1の第1画像(例えば、図5(a)に示す弛緩時の画像)と、所定時間を隔てた次時刻tの第2画像(例えば、図5(b)に示す収縮時の画像)とを取得する。   First, in step S101, the image analysis unit 120 separates a predetermined time from the first image at time t-1 stored in the image storage unit 110 (for example, the image at the time of relaxation shown in FIG. 5A). The second image at the next time t (for example, the image at the time of contraction shown in FIG. 5B) is acquired.

ステップS102では、動きベクトル検出部121は、オプティカルフロー法などの既知の手法を用いて、第1画像及び第2画像間の動きベクトルを画素単位(もしくは複数画素のブロック単位)で検出する。具体的には、図6に示す如く、第1画像及び第2画像間において動きが検出された動き領域(画素またはブロック)に動きベクトルを示す矢印が割り付けられる。   In step S102, the motion vector detection unit 121 detects a motion vector between the first image and the second image in pixel units (or block units of a plurality of pixels) using a known method such as an optical flow method. Specifically, as shown in FIG. 6, an arrow indicating a motion vector is allocated to a motion area (pixel or block) in which motion is detected between the first image and the second image.

ステップS103では、特徴量算出部122は、動きベクトルが検出された画素近傍の小領域(動き領域)について画像特徴量の時系列変化を算出する。具体的には、動きベクトルごとに、第1画像において動きベクトルの始点にあたる小領域と、第2画像において動きベクトルの終点にあたる小領域とで画像特徴量をそれぞれ算出し、その差分を画像特徴量の変化量として導出する。画像特徴量としては種々の指標を用いることができるが、ここでは前述のようにテクスチャ特徴量や平均輝度値などが例示される。   In step S103, the feature amount calculation unit 122 calculates a time-series change of the image feature amount for a small area (moving area) near the pixel where the motion vector is detected. Specifically, for each motion vector, the image feature amount is calculated for each of the small region corresponding to the start point of the motion vector in the first image and the small region corresponding to the end point of the motion vector in the second image. Derived as the change amount of Although various indexes can be used as the image feature amount, here, as described above, a texture feature amount, an average luminance value, and the like are exemplified.

ステップS104では、画像解析部120は、画像特徴量の変化量と所定の閾値とを比較して、画像特徴量の変化量が所定の閾値以上である小領域を拍動領域(拍動検出領域)として検出する。   In step S104, the image analysis unit 120 compares the change amount of the image feature amount with a predetermined threshold, and the small region where the change amount of the image feature amount is equal to or more than the predetermined threshold is a pulsation region (beat detection region Detect as).

ステップS105では、判定結果を出力部130から出力し、表示パネル72等に表示させる。具体的な表示方法として、例えば、拍動検出領域とそれ以外の領域(非拍動領域)とを異なる色相や輝度で表示したり、非拍動領域を塗り潰して表示したり、非拍動領域を除去した画像を表示する等により、拍動検出領域と非拍動領域とを判別可能に表示する
。また、出力部130から出力される上記判定結果を、通信部65を介して外部接続されるコンピュータ等に送信して、同様の画像を表示させたり、心筋細胞の状態を観察するための基礎データとして用いたりすることができる。
In step S105, the determination result is output from the output unit 130 and displayed on the display panel 72 or the like. As a specific display method, for example, the pulsation detection area and the other area (non-beat area) are displayed with different hues or luminances, or the non-beat area is filled and displayed, or the non-beat area is displayed. The pulse detection area and the non-beat area are displayed in a distinguishable manner by displaying the image from which the image is removed. In addition, the above determination result output from the output unit 130 is transmitted to a computer or the like externally connected through the communication unit 65, and basic data for displaying a similar image or observing the state of cardiomyocytes It can be used as

[心筋細胞コロニーの拍動中心の検出]
ところで、心筋細胞のコロニー内には、その拍動中心にペースメーカー細胞(歩調取り細胞)が存在しており、このペースメーカー細胞から発生した電気信号が心筋細胞同士、異なる細胞間を経て伝達されることで拍動経路を形成していると推測される。そのため、心筋細胞の拍動のメカニズムを解明するためにも、心筋細胞のコロニー内から拍動領域だけではなく拍動中心をも検出することが求められる。
[Detection of beating center of cardiomyocyte colony]
By the way, in the colony of cardiomyocytes, pacemaker cells (paced cells) are present at the center of their pulsations, and electrical signals generated from the pacemaker cells are transmitted between cardiomyocytes and between different cells. It is inferred that a pulsating path is formed. Therefore, it is also required to detect not only the beating area but also the beating center from within the colony of cardiomyocytes in order to elucidate the mechanism of beating of cardiomyocytes.

そこで、上記実施形態で例示した拍動検出手法の応用手法として、図8〜図10、図12の表1を追加参照しながら、以下において拍動中心検出手法について説明する。ここで、図8は拍動中心検出手法の流れを説明するための模式図、図9は注目点及び小領域窓を算出する処理を説明するための模式図、図10はコロニー内の拍動中心領域を示す模式図である。   Therefore, as an applied method of the pulsation detection method exemplified in the above embodiment, the pulsation center detection method will be described below with additional reference to FIG. 8 to FIG. 10 and Table 1 of FIG. Here, FIG. 8 is a schematic view for explaining the flow of a beat center detection method, FIG. 9 is a schematic view for explaining a process of calculating an attention point and a small area window, and FIG. 10 is a beat in a colony. It is a schematic diagram which shows a center area | region.

先ず、心筋細胞MCのコロニーCの時系列画像(時刻t=1,2,3,…,T−1,T,…)から動きベクトルを検出し、このコロニーC内において弛緩〜収縮の運きを伴う時刻t−1〜時刻tを捉える。時系列画像から時刻t−1の第1画像と次時刻tの第2画像とを取得し、そのうちの時刻t−1の第1画像に対してコロニーCの最も外側の輪郭を抽出してセグメンテーションを行い、そのコロニーCの内部領域Iを設定する。このような最外輪郭抽出処理には、例えば、分散フィルタを施したのち二値化させる手法や、動的輪郭法(SnakesやLevel Set法)などが挙げられる。   First, a motion vector is detected from a time-series image (time t = 1, 2, 3,..., T-1, T,...) Of the colony C of cardiomyocytes MC. Capture time t-1 to time t. The first image at time t-1 and the second image at the next time t are acquired from the time-series image, and the outermost contour of colony C is extracted from the first image at time t-1 among them to perform segmentation And set the internal region I of the colony C. Such outermost contour extraction processing includes, for example, a method of performing binarization after applying a dispersion filter, a dynamic contour method (Snakes or Level Set method), and the like.

そして、オプティカルフロー法などの既知の手法を利用して第1画像及び第2画像間の動きベクトルを検出し、この検出された動きベクトルのうちから収縮方向の動きベクトル群(図中では符号「VG」で示す)のみを抽出する。ここで、収縮方向の動きベクトル群とは、画像内のある一点(中心)に収束するように配向する複数のベクトルの集まりをいう。   Then, a motion vector between the first image and the second image is detected using a known method such as the optical flow method, and among the detected motion vectors, a motion vector group in the contraction direction (symbol “in FIG. Extract only VG). Here, the motion vector group in the contraction direction refers to a collection of a plurality of vectors oriented so as to converge to a certain point (center) in the image.

次いで、収縮方向の動きベクトルが検出された或る画素G(m)を注目画素として、注目点P(0)又はこの注目点P(0)を中心とする小領域窓(複数画素のブロック)W(0)を考え、注目点Pを採用する場合にはその位置P(0)での動きベクトルV(P0)を検出し、小領域窓Wの場合にはこのブロックW(0)内での平均ベクトルV(W0)を検出する。この動きベクトルV(P0)又は平均ベクトルV(W0)の向き及び大きさに従って、注目点P(0)を移動させ、新たな注目点P(1)を設定する。   Then, with a certain pixel G (m) in which a motion vector in the contraction direction is detected as a target pixel, a small area window (block of plural pixels) centered on the target point P (0) or this target point P (0) If W (0) is taken into consideration, the motion vector V (P0) at the position P (0) is detected when the attention point P is adopted, and in the case of the small area window W, this block W (0) The average vector V (W0) of is detected. The attention point P (0) is moved according to the direction and the size of the motion vector V (P0) or the average vector V (W0) to set a new attention point P (1).

同様に、この注目点P(1)又はこの注目点P(1)を中心とする小領域窓W(1)について動きベクトルV(P1)又は平均ベクトルV(W1)を検出していき、注目点P(n)の移動がなくなるような終着点Pendまで処理を繰り返す。これを内部領域I内で収
縮方向の動きベクトルが検出された全ての画素G(m)について実行し、注目点P(n)の移動があった場合の終着点Pendのみを抽出する。図10に示すように、この終着点Pendの集合領域(図中では点線で囲まれた領域)と、上述した拍動検出手法にて検出された拍動検出領域(図中では網掛けの領域)と、で重なる領域を算出することにより、コロニーCの拍動中心領域を検出することができる。
Similarly, a motion vector V (P1) or an average vector V (W1) is detected for a small area window W (1) centered on the point of interest P (1) or the point of interest P (1). The process is repeated until the end point Pend where movement of the point P (n) disappears. This is performed for all the pixels G (m) in which the motion vector in the contraction direction is detected in the inner area I, and only the end point Pend when there is movement of the attention point P (n) is extracted. As shown in FIG. 10, a collection area of this end point Pend (an area surrounded by a dotted line in the figure) and a pulsation detection area detected by the above-described pulsation detection method (an area shaded in the figure) The beat center area of the colony C can be detected by calculating the overlapping area at and.

ここで、単に終着点Pendの集合より導出された領域では、動きによる滞留点(細胞は
拍動していない)でしかない場合があるが、終着点Pendの集合領域と、前述の拍動検出
手法で導出された拍動検出領域と、を組み合わせることにより、詳細な拍動中心(収縮中
心)を推定することが可能である。なお、上述の説明では、コロニーCの収縮時に着目して収縮方向の動きベクトルに基づいて拍動中心領域を推定したが、コロニーCの弛緩時においても動きベクトルの向きを逆にすれば同様の効果が得られる。
Here, in a region derived from a set of end points Pend, there may be cases where it is only a dwelling point due to movement (cells are not beating), but the aggregation area of end points Pend and the aforementioned beat detection It is possible to estimate a detailed beat center (contraction center) by combining the beat detection area derived by the method. In the above description, the beat center area is estimated based on the motion vector in the contraction direction, paying attention to contraction of colony C, but the same is true if the direction of the motion vector is reversed even when colony C is relaxed. An effect is obtained.

また、例えば、図8,10から明らかなように、動きベクトルの方向(各部位の位置の変化の方向)を検出すると、複数の動きベクトルの向かう位置(動きベクトルの中心)が拍動領域の中心となる為、複数の動きベクトルの方向が重なる部分(つまり動きベクトルの中心)から直接的に拍動領域の中心を求める事も可能である。この場合、拍動領域を特定せずに、拍動中心を推定することもできる。なお、コロニーCが弛緩している時にはベクトルの方向は図8、10と逆になり、拍動中心から遠ざかる方向に動きベクトルが向かうが、同様に動きベクトルの長さをを延長させて重なる領域が拍動中心となる。   Further, for example, as is apparent from FIGS. 8 and 10, when the direction of the motion vector (direction of change of the position of each part) is detected, the positions (centers of the motion vectors) to which the plurality of motion vectors are Since it becomes the center, it is also possible to obtain the center of the pulsation region directly from the portion where the directions of the plurality of motion vectors overlap (that is, the center of the motion vector). In this case, it is also possible to estimate the beat center without specifying the beat region. When colony C is relaxed, the direction of the vector is opposite to that in FIGS. 8 and 10, and the motion vector is directed in the direction away from the center of pulsation, but the length of the motion vector is similarly extended and the overlapping region Is the heart of the beat.

続いて、画像処理装置100において実行される拍動中心検出手法の画像処理方法について図11を追加参照して説明する。ここで、図11は画像処理プログラムGP2における処理の概要を示すフローチャートである。   Subsequently, an image processing method of a beat center detection method executed in the image processing apparatus 100 will be described with reference to FIG. Here, FIG. 11 is a flowchart showing an outline of processing in the image processing program GP2.

ステップS201では、ディッシュ内で観察対象となるコロニーCの時系列画像(t=1,2,3,…,T−1,T,…)を撮像装置55cにて撮影する。この時系列画像は画像処理装置100の画像記憶部110に記憶される。   In step S201, the imaging device 55c captures a time-series image (t = 1, 2, 3,..., T-1, T,...) Of the colony C to be observed in the dish. This time-series image is stored in the image storage unit 110 of the image processing apparatus 100.

ステップS202では、画像解析部120は、オプティカルフロー法などの既知の手法を利用して時系列画像から動きベクトルを算出することで、コロニーCの収縮状態を検出し、この収縮時の時刻=tを検出する。   In step S202, the image analysis unit 120 detects a contracted state of the colony C by calculating a motion vector from the time-series image using a known method such as an optical flow method, and the time at the time of this contraction = t. To detect

ステップS203では、画像解析部120は、ステップS2で設定した時刻tに基づき、画像記憶部110から時刻t−1の第1画像と次時刻tの第2画像とを取得する。なお、先のステップS202で第1画像及び第2画像間の動きベクトルは既に検出されており、コロニーCが弛緩状態から収縮状態へ変形する際の動きベクトルが第1画像上に割り付けられている。   In step S203, the image analysis unit 120 acquires the first image at time t-1 and the second image at the next time t from the image storage unit 110 based on the time t set in step S2. Note that the motion vector between the first image and the second image is already detected in the previous step S202, and the motion vector when colony C deforms from the relaxed state to the contracted state is allocated on the first image. .

ステップS204では、画像解析部120は、時刻tの第1画像に対して分散フィルタを施したのち二値化させる手法や動的輪郭法(SnakesやLebelSet法)などを利用して、コロニーCのセグメンテーションを行い、コロニーCの内部領域Iを設定する。   In step S204, the image analysis unit 120 applies a dispersion filter to the first image at time t and then performs binarization, the active contour method (Snakes or LebelSet method), or the like. Segmentation is performed to set an internal region I of colony C.

ステップS205では、動きベクトル検出部121は、第1画像においてコロニーCの内部領域I内で検出された複数の動きベクトルの中から、収縮方向の動きベクトル群VGを検出する。   In step S205, the motion vector detection unit 121 detects a motion vector group VG in the contraction direction from among the plurality of motion vectors detected in the internal region I of the colony C in the first image.

ステップS206では、動きベクトル検出部121は、コロニーCの内部領域I内で収縮方向の動きベクトルが検出された画素G(m)、(画素番号m=1,2,3,…M)を動きベクトルの検出点として抽出する。   In step S206, the motion vector detection unit 121 moves the pixel G (m) (pixel number m = 1, 2, 3,... M) in which the motion vector in the contraction direction is detected in the internal region I of the colony C. Extract as a vector detection point.

ステップS207では、画像解析部120は、繰り返し数nに初期値0を設定し、ある画素G(m)の位置を注目点P(n)の初期位置P(0)として設定するとともに、この注目点P(n)を中心とする矩形ブロック状の小領域窓W(0)を設定する。   In step S207, the image analysis unit 120 sets the initial value 0 to the number of repetitions n, sets the position of a certain pixel G (m) as the initial position P (0) of the attention point P (n), and A rectangular block-like small area window W (0) centered at the point P (n) is set.

ステップS208では、画像解析部120は、注目点P(n)を中心とする小領域窓W(n)内で検出された収縮方向の動きベクトルを演算処理して、小領域窓W(n)内の平均ベクトルV(Wn)を算出する。   In step S208, the image analysis unit 120 performs arithmetic processing on the motion vector in the contraction direction detected in the small area window W (n) centered on the attention point P (n), and the small area window W (n) Calculate the average vector V (Wn) of

ステップS209では、画像解析部120は、注目点P(n)を平均ベクトルV(Wn)に従って移動させて次の注目点P(n+1)を設定するとともに、この注目点P(n+1)を中心とする小領域窓W(n+1)を設定する。   In step S209, the image analysis unit 120 moves the focus point P (n) according to the average vector V (Wn) to set the next focus point P (n + 1), and sets the focus point P (n + 1) as the center. The small area window W (n + 1) to be set is set.

ステップS210では、画像解析部120は、次の注目点P(n+1)が元の注目点P(n)から移動したものであるか否か、換言すれば、次の注目点P(n+1)が元の注目点P(n)と異なる位置にあるか否かを判定する。   In step S210, the image analysis unit 120 determines whether the next target point P (n + 1) has been moved from the original target point P (n), in other words, the next target point P (n + 1) It is determined whether or not the position is different from the original attention point P (n).

ステップS210で肯定判定(Yes)の場合、すなわち、次の注目点P(n+1)が元の注目点P(n)から移動したものである場合には、次のステップS211において、繰り返し数nを1インクリメントして、ステップS208に移行する。ステップS210で否定判定(No)の場合、すなわち、次の注目点P(n+1)が元の注目点P(n)と一致する場合には、注目点P(n)の移動が終了したものとみなし、ステップS212において、この注目点P(n)を終着点Pendとして設定する。   In the case of affirmation determination in step S210 (Yes), that is, in the case where the next target point P (n + 1) has been moved from the original target point P (n), the number n of repetitions in the next step S211. Increment by one and shift to step S208. In the case of a negative determination (No) in step S210, that is, when the next target point P (n + 1) matches the original target point P (n), the movement of the target point P (n) is completed. In step S212, this attention point P (n) is set as the end point Pend.

ステップS213では、画像解析部120は、内部領域I内で全ての画素G(m)に対して処理を完了したか否かを判定する。ステップS213で否定判定(No)の場合には、ステップS214において、処理対象となる注目画素G(m)の画素番号mを1インクリメントして、ステップS207に移行する。ステップS213で肯定判定(Yes)の場合には、ステップ15において、終着点Pendの集合領域と、上述の実施形態(拍動検
出手法)にて検出された拍動検出領域とが重なる領域を抽出する。
In step S213, the image analysis unit 120 determines whether the process has been completed for all the pixels G (m) in the internal region I. In the case of a negative determination (No) in step S213, the pixel number m of the target pixel G (m) to be processed is incremented by one in step S214, and the process proceeds to step S207. In the case of an affirmative determination (Yes) in step S213, in step 15, an area where the assembly area of the end point Pend and the pulsation detection area detected in the above-described embodiment (beat detection method) are extracted Do.

ステップS216では、画像解析部120は、ステップS215で算出した抽出領域をコロニーCの拍動中心領域(つまり、この領域内にペースメーカー細胞が存在する)として決定する。   In step S216, the image analysis unit 120 determines the extraction region calculated in step S215 as the beating central region of colony C (that is, pacemaker cells are present in this region).

以上説明したように、本実施形態に係る画像処理プログラムGP、この画像処理プログラムGPが実行されることにより構成される画像処理方法(運動検出方法:拍動検出手法)及び画像処理装置100によれば、時系列画像から動きのある領域を抽出して、この動き領域の画像特徴量の時系列変化に基づいて拍動領域を判別するため、ゴミ等の異物や浮遊細胞などを誤検出することなく、心筋細胞の拍動運動を正確に検出することができ、心筋細胞の拍動運動を定量的に評価・判断することが可能となる。   As described above, according to the image processing program GP according to the present embodiment, an image processing method (motion detection method: pulsation detection method) configured by executing the image processing program GP, and the image processing apparatus 100. For example, in order to extract an area having motion from a time-series image and to discriminate a pulsation area based on a time-series change of the image feature amount of the motion area, false detection of foreign matter such as dust or floating cells etc. Instead, the beating motion of the cardiomyocytes can be accurately detected, and the beating motion of the cardiomyocytes can be quantitatively evaluated and judged.

また、拍動検出手法において検出されたコロニーの拍動領域の中から、収縮方向又は弛緩方向の動きベクトル群の流れを利用して拍動中心を検出することで、拍動運動のメカニズムの究明に資することができる。   In addition, from the beating area of the colony detected in the beating detection method, the flow of the motion vector group in the contraction direction or the relaxation direction is used to detect the beating center, thereby investigating the mechanism of the beating movement. Can contribute to

(心筋細胞の拍動運動の評価に基づく再生医療及び創薬への応用)
上述した実施形態の如く、分化した心筋細胞の拍動中心細胞(ペースメーカー細胞)を特定することで、少なくとも拍動中心細胞の特定された前記細胞コロニーの育成状態を拍動周期から評価する。この評価の結果に基づき心筋細胞の細胞コロニーの培養条件を変更して、心筋細胞の培養条件を最適化することができる。具体的には、心筋細胞の細胞コロニーの培養条件の変更は拍動周期が所定周期と比較されて、その比較結果に基づき培養条件の最適化が行われる。また、上述した実施形態の如く、分化した心筋細胞の拍動中心細胞(ペースメーカー細胞)を特定することで、少なくとも拍動中心細胞の特定された細胞コロニーに所定タイミングで薬剤を滴下し、心筋細胞の薬剤の効果を拍動周期から評価することができる。具体的には、拍動周期と所定周期とを比較して、心筋細胞の薬剤の効果を評価する。また、薬剤の製造方法において、薬剤の上記評価方法を用いて心筋細胞の薬剤の効果を評価し、評価結果を薬剤の成分の調合割合に用いる。
(Application to regenerative medicine and drug discovery based on evaluation of beating motion of cardiomyocytes)
As in the above-described embodiment, by identifying the beating central cells (pacemaker cells) of the differentiated cardiomyocytes, the growth state of at least the specified cell colonies of beating central cells is evaluated from the beating cycle. Based on the results of this evaluation, culture conditions of cardiomyocyte cell colonies can be changed to optimize cardiomyocyte culture conditions. Specifically, the change of the culture condition of the cell colony of cardiomyocytes is compared with the beat cycle in a predetermined cycle, and the culture condition is optimized based on the comparison result. Further, as in the above-described embodiment, by specifying the beating central cells (pacemaker cells) of the differentiated cardiomyocytes, the drug is dropped onto the specified cell colony of at least beating central cells at a predetermined timing, and the cardiomyocytes are The effect of the drug can be evaluated from the pulsation cycle. Specifically, the pulsation cycle is compared with a predetermined cycle to evaluate the effect of the cardiomyocyte drug. In addition, in the method for producing a drug, the effect of the drug on cardiomyocytes is evaluated using the above-mentioned method for evaluating a drug, and the evaluation result is used for the blending ratio of the components of the drug.

(心筋細胞コロニーのピックアップへの応用)
さらに、上述した実施形態の如く、分化した拍動中心細胞(ペースメーカー細胞心筋細胞)を特定することで、拍動中心細胞の周囲のみを切り出す(ピックアップ)ことで、心筋細胞コロニーの製品化が可能になり、心筋細胞コロニーとしての質の向上や出荷の効率を上げることができる。この拍動中心細胞の周囲のみを切り出す画像処理は、細胞コロニーの輪郭抽出の画像処理、既に説明した最外輪郭抽出処理が適用され、抽出された輪郭線から所定の幅を切り出すことで行う。この所定の幅は実験的に求められたペースメーカー細胞を十分に包含する量が設定される。このように拍動中心細胞の周囲の細胞が特定されると、図3の制御ユニット6において培養容器が載置されたステージ上の座標系(XYZ)が計算される。この座標系に基づき、ピッキングされる拍動中心細胞が特定され、その周囲の細胞とともに自動的にピッキング装置(不図示)によってピッキングされる。ピッキング装置の細胞ピックアップ用針の針先は、ピッキング装置内のCPU(制御部)によって自動駆動されるが、このCPUによって培養容器(シャーレ)内の特定された細胞の座標(ステージ座標系)情報を入力することで所望の細胞の位置に針先を駆動制御する。ピッキング装置は培養容器内の特定された細胞をピッキングし、新たな培養容器に移し替える。また、ピッキング装置は操作者の操作によってもピッキング用針を電動駆動できる。この場合には図3の表示パネル72には培養容器内の細胞コロニーとピッキング用針の針先が同時に映し出され、操作者がその画面を見ながら所望の細胞をピックアップできる構成となっている。
(Application to pickup of cardiomyocyte colony)
Furthermore, as in the above-described embodiment, by identifying differentiated beating center cells (pacemaker cell cardiomyocytes), it is possible to produce cardiomyocyte colonies by picking up only around the beating center cells (pickup). As a result, the quality of cardiomyocyte colonies can be improved and the efficiency of shipping can be increased. The image processing of cutting out only the periphery of the beating central cell is performed by image processing of contour extraction of cell colonies and the outermost contour extraction processing already described, by cutting out a predetermined width from the extracted contour. The predetermined width is set to an amount sufficiently including the experimentally determined pacemaker cells. Thus, when the cells around the beating central cell are specified, the coordinate system (XYZ) on the stage on which the culture vessel is placed is calculated in the control unit 6 of FIG. Based on this coordinate system, beat center cells to be picked are identified and picked with a surrounding device automatically by a picking device (not shown). The needle tip of the pick-up device's cell pick-up needle is automatically driven by the CPU (control unit) in the picking device, but the coordinates (stage coordinate system) information of the identified cells in the culture vessel (dish) by this CPU Control the driving of the needle tip to the desired cell position by inputting. The picking device picks the identified cells in the culture vessel and transfers it to a new culture vessel. Also, the picking device can electrically drive the picking needle by the operation of the operator. In this case, the cell colony in the culture vessel and the tip of the picking needle are simultaneously displayed on the display panel 72 of FIG. 3 so that the operator can pick up a desired cell while looking at the screen.

なお、以上説明した本実施形態に係る画像処理プログラムGP,画像処理方法(拍動検出手法)及び画像処理装置100は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。   The image processing program GP, the image processing method (beat detection method), and the image processing apparatus 100 according to the present embodiment described above are not limited to the above embodiment, and the technical idea of the present invention Other forms contemplated within the scope are also included within the scope of the present invention.

上述の実施形態では、培養観察システムBSにおいて撮像装置にて撮影され、RAM63に記憶された時系列画像(画像データ)を読み出して心筋細胞の拍動運動を解析する構成を例示したが、これに限定されるものではなく、撮像装置により撮影されて画像を第1、第2画像としてリアルタイムで解析し現時点における拍動運動を解析して表示するように構成してもよく、また、他の観察システムにおいて撮影され磁気記憶媒体等に記録された時系列画像や、通信回線を通じて転送されてきた時系列画像を読み込んで、拍動運動を解析するように構成してもよい。さらに、観察者が観察画像の所定範囲(例えば、特定のコロニーや、コロニー内の特定部位)をマウス等により解析範囲として設定し、この設定された解析範囲について画像処理装置が拍動運動の解析を実行するように構成してもよい。   In the above-described embodiment, the configuration has been exemplified in which the time-lapse image (image data) captured by the imaging device in the culture observation system BS and stored in the RAM 63 is read to analyze the pulsating movement of cardiomyocytes. The present invention is not limited, and may be configured to analyze in real time the first and second images taken by the imaging device and analyze and display the pulsating movement at the present time, and other observation The pulsating movement may be analyzed by reading a time-series image captured in a system and recorded in a magnetic storage medium or the like or a time-series image transferred through a communication line. Further, the observer sets a predetermined range of the observation image (for example, a specific colony or a specific site in the colony) as an analysis range by a mouse etc., and the image processing apparatus analyzes the beating movement for the set analysis range. May be configured to perform.

また、上述の実施形態では、時系列画像における2枚の画像間の動きベクトルを利用して動きのある領域を抽出する構成を例示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、移動体追尾等で利用するトラッキング手法や、画像の差分処理、などの他の既知の手法を利用して動きのある領域を抽出してもよい。   Further, although the above-described embodiment exemplifies a configuration in which a region having motion is extracted using a motion vector between two images in a time-series image, the present invention is not limited to this. The moving region may be extracted using other known methods such as tracking methods used for moving object tracking and the like, image difference processing, and the like.

なお、上述の実施形態では、コロニーの特定、動き領域の特定、拍動領域の特定、拍動中心の特定を全て実施しているが、全てを必ずしも実施しなければ他の領域の推定ができないわけではなく、いずれか一つの特定を行っても良いし、適宜複数種類の領域の特定を組合わせて実施しても良い。   In the above embodiment, identification of a colony, identification of a movement region, identification of a pulsation region, identification of a pulsation center are all carried out, but it is not possible to estimate other regions unless all are carried out. However, any one of the identifications may be performed, or the identification of a plurality of types of regions may be performed in combination as appropriate.

また、上述の実施形態では、画像特徴量として心筋細胞の内部構造に基づく特徴量(テクスチャ特徴量)を算出する構成を例示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、心筋細胞の外形に基づく画像特徴量を用いてもよい。外形に基づく画像特徴量としては、領域の幅や長さ、面積、周囲長、形状の複雑度(周囲長2/面積)などが例示され
る。
Further, in the above-described embodiment, the configuration for calculating the feature (texture feature) based on the internal structure of cardiomyocytes as the image feature is exemplified, but the present invention is not limited to this. You may use the image feature-value based on the external shape of. The image feature amount based on the outer shape is exemplified by the width and length of the region, the area, the perimeter, the complexity of the shape (perimeter 2 / area) and the like.

C コロニー
V 動きベクトル
MC 心筋細胞
BS 培養観察システム
GP 画像処理プログラム
5 観察ユニット 6 制御ユニット
54 マクロ観察系 54c 撮像装置
55 顕微観察系 55c 撮像装置
61 CPU 62 ROM
63 RAM 100 画像処理装置
120 画像解析部 121 動きベクトル検出部
122 特徴量算出部 130 出力部
C colony V motion vector MC cardiomyocyte BS culture observation system GP image processing program 5 observation unit 6 control unit 54 macro observation system 54 c imaging device 55 microscopic observation system 55 c imaging device 61 CPU 62 ROM
63 RAM 100 image processing apparatus 120 image analysis unit 121 motion vector detection unit 122 feature amount calculation unit 130 output unit

Claims (17)

所定時間を隔てて、心筋細胞の候補となる細胞コロニーの時系列画像を取得することと、
前記取得した時系列画像の細胞コロニーの中の一部の領域を抽出することと、
前記抽出される領域の動きの方向を検出することと、
前記検出した動きの方向に基づき、前記細胞コロニーの動きの滞留領域を検出することと、
を含む、心筋細胞の運動検出方法。
Obtaining a time-series image of cell colonies which are candidates for cardiomyocytes at predetermined time intervals;
Extracting a partial region in cell colonies of the acquired time-series image;
Detecting the direction of movement of the extracted area;
Detecting a retention area of movement of the cell colony based on the detected direction of movement;
A method for detecting movement of cardiomyocytes, including:
前記一部の領域は、画像の注目される画素の周囲の複数の画素である、請求項1に記載の心筋細胞の運動検出方法。   The method according to claim 1, wherein the partial area is a plurality of pixels around a focused pixel of an image. 前記一部の領域は、前記細胞コロニーの中の動きのある領域である、請求項1又は2に記載の心筋細胞の運動検出方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the partial area is a moving area in the cell colony. 前記一部の領域内での、動きベクトルもしくは平均ベクトルを検出する、請求項3に記載の心筋細胞の運動検出方法。   The method according to claim 3, wherein a motion vector or an average vector is detected in the partial area. 前記検出される動きベクトルの向き又は大きさに従い前記抽出される一部の領域を移動させ、前記動きベクトルもしくは平均ベクトルが検出されなくなるまで前記抽出される一部の領域を移動させる、請求項4に記載の心筋細胞の運動検出方法。   The partial area to be extracted is moved according to the direction or magnitude of the detected motion vector, and the partial area to be extracted is moved until the motion vector or the average vector is not detected. The cardiac muscle movement detection method according to 前記細胞コロニーの拍動領域と前記滞留領域との重なり合う領域を、前記拍動領域の中心領域として検出する、請求項1〜5の何れか一項に記載の心筋細胞の運動検出方法。 The method for detecting motion of cardiomyocytes according to any one of claims 1 to 5 , wherein an overlapping region of a pulsation region of the cell colony and the retention region is detected as a central region of the pulsation region. 前記拍動領域の中心領域の中の、拍動中心の細胞を抽出する、請求項6に記載の心筋細胞の運動検出方法。   The method for detecting motion of cardiomyocytes according to claim 6, wherein cells at the center of pulsation are extracted from the central region of the pulsation region. 前記抽出される領域の動きの方向は、前記時系列画像から前記抽出される領域の細胞の形態的特徴量に基づき算出することと、
前記形態的特徴量の時系列変化に基づいて、前記細胞コロニーの拍動領域を検出することと、を含む、請求項1〜7の何れか一項に記載の心筋細胞の運動検出方法。
Calculating the direction of movement of the extracted area based on morphological feature quantities of cells of the area extracted from the time-series image;
The method according to any one of claims 1 to 7, further comprising: detecting a beating region of the cell colony based on a time-series change of the morphological feature.
前記形態的特徴量が細胞の内部構造に関する情報を利用したものである、請求項8に記載の心筋細胞の運動検出方法。   The method for detecting motion of cardiomyocytes according to claim 8, wherein the morphological characteristic amount utilizes information on the internal structure of a cell. 前記細胞コロニーの画像に基づき、前記細胞コロニーのエッジ領域を抽出し、前記エッジ領域の画像から前記一部の領域を抽出する、請求項1〜9の何れか一項に記載の心筋細胞の運動検出方法。   The cardiomyocyte movement according to any one of claims 1 to 9, wherein an edge area of the cell colony is extracted based on the image of the cell colony, and the partial area is extracted from the image of the edge area. Detection method. 請求項1〜10の何れか一項に記載の心筋細胞の運動検出方法で、心筋細胞の運動を検出することと、
前記運動を検出される心筋細胞の細胞コロニーの育成状態を評価することと、
前記評価の結果に基づき前記細胞コロニーの培養条件を変更すること、を含む心筋細胞の培養方法。
Detecting the motion of cardiomyocytes by the method of detecting motion of cardiomyocytes according to any one of claims 1 to 10;
Evaluating the growth status of the cell colony of cardiomyocytes whose motion is detected;
Changing the culture conditions of the cell colony based on the result of the evaluation.
前記心筋細胞の細胞コロニーの培養条件の変更は心筋細胞の周期的な運動による運動周期が所定周期と比較されて、その比較結果に基づいて行われる、請求項11に記載の心筋細胞の培養方法。   The method for culturing cardiomyocytes according to claim 11, wherein the change of the culture condition of the cell colony of the cardiomyocytes is performed based on the comparison result of the exercise cycle by the periodic exercise of the cardiomyocytes being compared with a predetermined cycle. . 請求項1〜10の何れか一項に記載の心筋細胞の運動検出方法で、心筋細胞の運動を検出することと、
前記運動を検出される心筋細胞の細胞コロニーに所定タイミングで薬剤を滴下することと、
前記滴下される薬剤の効果を、心筋細胞の周期的な運動から評価することと、を含む薬剤評価方法。
Detecting the motion of cardiomyocytes by the method of detecting motion of cardiomyocytes according to any one of claims 1 to 10;
Dropping a drug at predetermined timing to a cell colony of cardiomyocytes whose motion is to be detected;
Evaluating the effect of the dropped drug from cyclic motion of cardiomyocytes.
心筋細胞の周期的な運動による運動周期と所定周期とを比較して、前記薬剤の効果を評価する、請求項13に記載の薬剤評価方法。   The drug evaluation method according to claim 13, wherein the effect of the drug is evaluated by comparing an exercise cycle by periodic exercise of cardiomyocytes with a predetermined cycle. 前記薬剤の効果を評価し、前記評価の結果に基づき薬剤の成分を調整する、請求項13又は14に記載の薬剤評価方法。   The drug evaluation method according to claim 13, wherein an effect of the drug is evaluated, and a component of the drug is adjusted based on a result of the evaluation. コンピュータにより読み取り可能であり、撮像装置により撮影された画像を取得して画像処理する画像処理装置として前記コンピュータを機能させるための画像処理プログラムであって、
前記撮像装置によって、所定時間を隔てて、心筋細胞の候補となる細胞コロニーの時系列画像を取得するステップと、
前記画像処理装置によって、前記取得した時系列画像の細胞コロニーの中の一部の領域を抽出するステップと、
前記画像処理装置によって、前記抽出される領域の動きの方向を検出するステップと、
前記画像処理装置によって、前記検出した動きの方向に基づき、前記細胞コロニーの動きの滞留領域を検出するステップと、
を前記コンピュータに実行させる画像処理プログラム。
An image processing program for causing a computer to function as an image processing apparatus readable by a computer and acquiring an image captured by an imaging device and processing the image,
Acquiring a time-series image of cell colonies which are candidates for cardiomyocytes by a predetermined time separated by the imaging device;
Extracting a partial region of cell colonies of the acquired time-series image by the image processing apparatus;
Detecting the direction of movement of the extracted area by the image processing device;
Detecting, by the image processing device, a stagnant area of movement of the cell colony based on the detected direction of movement;
An image processing program that causes the computer to execute;
撮像装置により所定時間を隔てて心筋細胞の候補となる細胞コロニーが撮影された時系列画像を取得して画像を解析する画像解析部を備えた画像処理装置であって、
前記画像解析部は、
前記取得した時系列画像の細胞コロニーの中の一部の領域を抽出する一部領域抽出部と、
前記抽出される領域の動きの方向を検出する動き方向検出部と、
前記検出した動きの方向に基づき、前記細胞コロニーの動きの滞留領域を検出する中心領域検出部と、
を備える画像処理装置。
The image processing apparatus includes an image analysis unit that acquires a time-series image in which cell colonies that are candidates for cardiomyocytes are photographed at predetermined intervals by an imaging device, and analyzes the image.
The image analysis unit
A partial region extraction unit that extracts a partial region of cell colonies in the acquired time-series image;
A motion direction detection unit that detects the direction of motion of the extracted area;
A central area detection unit that detects a stagnation area of the movement of the cell colony based on the detected direction of movement;
An image processing apparatus comprising:
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