JP6426704B2 - 液体試料のリアルタイム分析のための光学システムと方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のオブジェクトを有する液体試料の時間の関数としての特性を決定することを有する、液体試料のリアルタイム分析を実行するための光学システムと方法に関する。

液体試料のリアルタイム分析は、試料中のオブジェクトの変化を決定することが望まれる多くの技術分野内で使用される。このようなリアルタイム分析は、高精度の結果が必要とされる場合かなり時間がかかることが多い。リアルタイム分析は、例えば試料中に存在する微生物のタイプを決定するため、又は試料中の微生物が選択された抗生物質に感受性を示すかどうかを決定し、それによって微生物に感染した患者の治療のための抗生物質を発見するために適用される、例えば液体試料中の抗生物質感受性など、一つ以上の選択物質に対する試料中のオブジェクトの感受性を決定するために特に使用される。

抗生物質感受性試験は病院、診療所、医療製造工場、飲食物製造工場などで使用される。多数の異なる化学物質及び標準手順及び毎年実行される膨大な数の試験は、巨大産業がどこでも増殖する微生物によって利益を得る余地を与える。従来技術の試験の多くは例えば長い試験培養期間のために非常に時間がかかり、例えば微生物をペトリ皿などにおいて分離して培養するために過度のマンパワーを要し、及び／又は非常に高額である。

従来技術の感受性試験は長時間かかることが多いので、ほとんどの場合病因を直接対象とするより狭い範囲の抗生物質を使用できたかもしれないという事実に関係なく、医師は広範囲の抗生物質を感染患者に処方する傾向がある。感受性試験が実行され、病因を直接対象とする狭い範囲の抗生物質が発見される場合であっても、完了前に抗生物質治療を止めることは抗生物質耐性の主な原因の一つであることがわかっているので、広範囲の抗生物質で治療を続けることが共通基準である。

広範囲の抗生物質の使用は、狭い範囲の抗生物質を使用するときのリスクと比較して、多耐性病原微生物を作り出すリスクを増すので、感受性試験を可能な限り速く実行する必要がある。

実行される最も一般的な感受性試験の一つは、尿路感染症（ＵＴＩ）のための尿検査である。このような感受性試験は中央検査室で実行されることが多く、これは検査結果の納期をさらに増加し得る。

微生物を破壊するために最適な抗生物質が決定されているとき、処方すべき抗生物質濃度（最小発育阻止濃度（ＭＩＣ））を決定することがしばしば重要である。この試験は最適治療が処方され得る前にさらなる遅延を追加し得る。

現在の試験法は多数の異なる化学物質と標準手順の使用を要する。米国における標準規格はＣＬＳＩ（Ｃｌｉｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）によって維持されている。この標準規格は接種（濃度）、隔離距離、温度、増殖結果の検査、培養期間を含む、試験のセットアップ法などの試験の詳細を記述する。試験培養期間は数時間（例えば１６‐２４時間）から数日（例えば３‐６日）まで様々であり得る。

特に自動試験手順を使用するか若しくはコストを削減するために試験時間を削減するという目的で、改良されたリアルタイム分析を提供するためのいくつかの試みがなされている。

ＵＳ２００８／０２６８４６９は一つ以上の標識粒子が順流及び逆流方向の両方の流れ条件で測定されることを可能にする粒子分析器を開示する。例えば毛細管内で前後に流体を振動させることによって、粒子の流線（"プラグ"）が流体のボリューム内に形成され得る；プラグは分析のための測定エリアを通じて振動するように制御され得る。

ＵＳ６，１５３，４００は、使い捨てのマルチチャンバ感受性プレートと自動プレートハンドラーと画像収集及び処理器を含む、微生物抗生物質感受性試験を実行するための方法と装置を開示する。感受性プレートに微生物を接種し、微生物が各抗菌薬の様々な濃度若しくは勾配にさらされるように（複数の）抗菌薬を加える。そして微生物の増殖を観察し測定する機器の中にプレートを置く。このデータは抗生物質に対する微生物の感受性を決定するために使用される。このようなシステムは固体培地とＫｉｒｂｙ‐Ｂａｕｅｒ標準化結果レポートを用いて抗菌薬感受性試験を自動化する。システムは部分的に自動的であるが、拡散試験のためにアガーディスクを扱う。

ＵＳ４，４４８，５３４は多くの液体試料を含むマルチウェルトレイの各ウェルを自動的に電子スキャンするための装置を開示する。光源、好適には単光源がウェルを通って各ウェルに一つずつの感光性セルのアレイへと進む。受光する較正若しくは比較セルもある。電子装置は各セルを順に読み取り、いかなる部品の物的移動も伴わずにスキャンを迅速に完了する。得られる信号は比較セルからの信号と、及び他の信号若しくは保存データと比較され、決定がなされ表示若しくは印刷される。その結果薬剤の最小発育阻止濃度（ＭＩＣ）及び微生物の同定などの事項が得られる。

ＵＳ２０１２／０２４４５１９は微生物感受性試験を実行するためのシステムと方法を開示し、当該システムは液体試料中の個々の生物有機体の微生物活性をあらわす少なくとも一つのパラメータの値を決定することができる。システムは液体試料中の生物有機体の少なくとも第一の光学切片を形成するように画像収集するため、及び画像を分析して試料中の個々の生物有機体の微生物活性をあらわす値を決定するための、スキャン装置を有する。システムは複数の試料を同時に供され得る。スキャン及び値決定は十分な情報が得られるまで十分な期間繰り返され得る。

上記感受性試験のシステムと方法は多くの状況において有効であることが示されているが、特に高速かつ信頼できるリアルタイム分析を実行することに関して依然改良の必要性がある。

本発明の目的は、依然信頼性の高い結果を提供しながら迅速に分析が実行されることができる、複数のオブジェクトを有する液体試料のリアルタイム分析を実行するための光学システムと方法を提供することである。

さらなる目的は、高速かつ信頼性の高い結果を提供する感受性試験を実行するために適用されることができる光学システムと方法を提供することである。

これらの及び他の目的は、請求項に定義され、本明細書で以下に記載される発明によって解決される。

本発明及び／又はその実施形態は以下の記載から当業者に明らかになる複数の付加的な利点を持つことがわかっている。

"ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ／ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（有する）"という語は本明細書で使用されるとき、ｏｐｅｎ ｔｅｒｍとしてとして解釈されるものとする、すなわち（複数の）要素、（複数の）ユニット、（複数の）整数、（複数の）ステップ、（複数の）構成要素及びそれらの（複数の）組み合わせなど、具体的に規定された（複数の）特徴の存在を規定するものとされるべきであるが、一つ以上の他の規定された特徴の存在若しくは追加を除外しないことが強調されるべきである。

"ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ（実質的に）"という語は本明細書において通常の製品差異及び公差が含まれることを意味するものとされるべきである。

本発明の光学システムは複数のオブジェクトを有する液体ボリュームの少なくとも一部の時間の関数としての一つ以上の特性を決定するのに適する。

液体ボリューム若しくはその一部について使用される"特性"という語は本明細書において、光学的に決定されることができる、若しくはそこから導出されることができる任意の性質若しくは性質の組み合わせを意味するために使用される。適切な特性の実施例は以下に与えられる。有利には適用される特性は、オブジェクトが微生物である場合の増殖状態又はオブジェクトが金属である場合の腐食状態など、液体ボリュームにおけるオブジェクトの特定の性質に関連する特性である。

下記において"特性"という語は単数で使用されるとき、単一の特性を意味することが文章から明らかである場合を除き、用語の複数の意味も含むと解釈されるべきである。

"オブジェクト"という語は、液体に溶解せず、例えば光散乱光学システム若しくは光吸収光学システムによって光学的に検出されることができる、液体ボリューム中の任意の物体を意味する。有利にはオブジェクトは粒子若しくは粒子のクラスタである。粒子の実施例は以下に記載される。一実施形態においてオブジェクトは気泡である。

下記において"オブジェクト"という語は単数で使用されるとき、単一のオブジェクトを意味することが文章から明らかである場合を除き、用語の複数の意味も含むと解釈されるべきである。

本発明の光学システムは、
‐画像収集エリアの画像を収集するように構成される少なくとも一つの画像収集装置を有する光学検出アセンブリ；
‐液体ボリュームの試料を保持するのに適した少なくとも一つの試料容器を有する試料装置；
‐試料容器の少なくとも一つの部分を通して画像収集エリアを並進させて、試料容器の部分を通るスキャン経路に沿ってスキャンを実行するように構成される並進装置；並びに
‐画像分析処理システム
を有する。

光学システムは試料容器の少なくとも一つの部分を通して連続スキャンを実行するようにプログラムされ、各スキャンは、スキャンの少なくとも一つのスキャン経路に沿って並進されるときに画像収集エリアの複数の位置において光学検出アセンブリによって上記画像収集エリアの画像を収集することを有する。

一般に複数の位置の各々において一画像が収集されることが望ましい。これらの位置は以下において画像収集エリアの'画像収集位置'ともよばれる。

画像分析処理システムは、各スキャンからの画像上でキャプチャされる複数のオブジェクトの各々について値のセットの形で特徴のセットを決定し、各スキャンごとに少なくとも一つの導出結果を決定するようにプログラムされる。導出結果は複数の値のセットから導出され、各連続スキャンから得られる導出結果を時間の関数として提示する。

スキャン経路は任意の所望の長さを持ち得る。スキャン経路は並進ユニットのプログラミング並びに試料装置と光学検出アセンブリの間の位置によって定義される。"連続スキャン"という語は順次間断なく又は選択された一若しくは複数の時間間隔で実行される複数のスキャンを意味する。連続スキャンは同等であり得るか又は互いに異なり得る。

"特徴"という語は本明細書において液体ボリュームのオブジェクトの性質を意味する。特徴は液体ボリューム全体若しくは決定が実行される部分ではなくオブジェクトを対象とする。特徴のセットは同じオブジェクトの複数の特徴を意味する。特徴のセットは、特徴が極めて異なるタイプであっても動作しデータ処理を実行することを可能にする値のセットの形で決定される。

特徴のセットは各オブジェクトについて決定されるが、導出結果は複数の値のセットから導出される各スキャンについて決定される。これは導出結果が個々のオブジェクトの測定ではなく、決定において同時に使用されるオブジェクトの全ての測定であることを意味する。

本発明の光学システムは非常に高速かつ信頼できることが示されており、液体ボリューム中のオブジェクトの変化の決定が驚くほど高速かつ非常に高い信頼性を持って同定され分析されることができることがわかっている。この改良効果の理由は、光学システムが各オブジェクトについて決定を実行しながら、導出結果は決定において使用されるオブジェクトの全ての測定であるという事実に起因すると考えられる。個々のオブジェクトの特徴が例えば長い時間間隔（例えば１時間）で変化する可能性がある場合、複数のかかるオブジェクトについて問題になっている特徴を有する導出結果は、オブジェクトの変化を統計的にかなり速く反映する。同時に、光学システムが個々のオブジェクトについて光学測定を実行するので、望ましくないノイズがかなり削減され得る。

値のセットが決定されるオブジェクトは同様のタイプであり得るか又は異なり得る。一実施形態において値のセットが決定されるオブジェクトは同じ材料若しくは同じ生物学的ファミリである。各画像収集位置における収集画像は複数のオブジェクトの、好適には各スキャンごとに複数のオブジェクトの画像を有する。

各スキャンにおいて撮像されるオブジェクトは同等であり得るか又は互いに異なり得る。

一実施形態において導出結果は予め選択された増幅で複数の値のセットから導出される。

一実施形態において導出結果は予め選択された増幅で導出され、増幅は導出結果を予想変化に対して増幅するように選択され、予想変化は例えば増殖率若しくは損耗の変化について観察されるのに適した変化である。

予想変化が特徴の分散によって示され得る一実施形態において、導出結果は、導出結果が各特徴のセットの少なくとも一つの特徴についての値の分散を有することを有する、予め選択された増幅で導出される。

一実施形態において導出結果は、導出結果が各特徴のセットの少なくとも一つの特徴についての値の分散、並びに各特徴のセットの同じ少なくとも一つの特徴についての値の平均及び／又は中央値を有することを有する、予め選択された増幅で導出される。

一実施形態において導出結果は予め選択されたバイアスの形で予め選択された増幅で導出される。

導出結果は、各特徴のセットの少なくとも一つの特徴についての値が、導出結果の決定において予め選択されたバイアスを適用されるということを意味する、予め選択されたバイアスで導出される。

"各特徴のセットの少なくとも一つの特徴についての値"というフレーズは、オブジェクトの各々について問題となっている特徴についての各値を意味する。予め選択されたバイアスは、各特徴のセットの一つ以上の特徴についての値が等しい重みを与えられないという条件で任意のバイアスであり得る。予め選択されたバイアスは例えばある特徴について最低値の画分がこの特徴について最高値の画分よりも低く重み付けされるものであり得る。一実施形態において予め選択されたバイアスは所定閾値を上回る若しくは下回る値を無視することを有する。一実施形態において予め選択されたバイアスは値のセットからの値のサブセットからの値に基づくことを有する。

有利にはバイアスは特性の（複数の）予想変化を示している導出結果を増幅するように選択され、予想変化は例えば増殖率若しくは損耗の変化について検査されるのに適した変化である。

導出結果が予め選択されたバイアスで得られる場合はオブジェクトの一部の微小変化であっても目に見えるので、予め選択されたバイアスで複数の値のセットから導出結果を得ることによって、値のセットが等しい重みで適用される場合よりもさらに速く特性の変化が観察される。

有利には連続スキャンの一つにおいて撮像される複数のオブジェクトは複数の他の連続スキャンにおいても撮像される。その結果問題となっている特性の任意の変化の非常に迅速な決定が見られる。有利には、高分解能のために、各スキャンにおいて撮像されるオブジェクトは実質的に同一であり、一つのスキャンにおいて撮像されるオブジェクトの少なくとも約９０％が他のスキャンにおいても、好適には連続スキャンの他のスキャンの全てにおいても撮像されることを意味する。

一実施形態において、液体試料は検査されるべき液体ボリューム全体を構成する。しかしながら、ほとんどの状況では液体ボリュームの一部について決定を実行すれば十分である。

一実施形態において試料は液体のより大きなボリュームをあらわし、試料中の変化は液体のより大きなボリュームと同様であると予想される。一実施形態において液体試料は全液体ボリュームのボリューム部分である。液体ボリュームが実質的に均一である場合、全液体ボリュームの試料部分について特性を決定すれば十分であり得る。

原則として全液体のボリュームに対する液体試料のボリュームは全液体のボリュームのサイズに依存して０．０００１％から最大１００％までなどの任意の値を持ち得る。一実施形態において液体試料は高分解能のためにオプションとして希釈される液体ボリュームの特定の抽出試料である。液体試料のボリュームは例えば０．１μｌから１ｍｌなど、数マイクロリットル若しくはもっと少なくなり得る。

一実施形態において液体試料は液体ボリュームの段階的に若しくは連続的に変化する部分である。この実施形態において試料装置は有利には試料装置へ液体試料を供給する及び／又は試料装置から液体試料を抽出するための少なくとも一つの開口部を有し、オプションとしてこの一つ若しくは複数の開口部は（複数の）開口部を通る流れを調節及び／又は制御するための弁を有する。試料装置は（複数の）開口部を通る流れを調節及び／又は制御するためのポンプをさらに有し得る。試料容器は例えばＷＯ２０１１／１０７１０２に記載の通りであり得る。ＷＯ２０１１／１０７１０２に記載の試料装置の形状と動作に関する記述は引用により本明細書に組み込まれる。

システムの単純さのために、依然信頼性の高い結果を提供しながら比較的迅速にポイントオブケア感受性試験を実行するために適したものにする、非常にコンパクトでコスト効率のよい方法で光学システムが提供されることができる。

時間の関数として各連続スキャンから得られる導出結果は例えば画面上若しくは紙上に任意の適切な方法で提示されることができる。提示のためにコンピュータが使用されることが多い。提示は曲線形式若しくは数字のリスト形式であり得る。

画像分析処理システムは好適には、所与の設定点若しくは曲線若しくは同様のものなど、基準と導出結果を比較するようにプログラムされる。基準は例えば、試料が試験に関連する特定の微生物、抗生物質反応若しくはその他について陽性であるかどうかの予想結果の表示である。一実施形態において時間の関数として各連続スキャンから得られる導出結果は基準へのその関係の形で提示され得る。

"時間の関数として"という語は以下で論じる通り導出結果がオフセット時間とともにタイムリーに変位することを示すために使用される。

一実施形態においてオブジェクトは粒子若しくは粒子のクラスタである。粒子は生物由来若しくは非生物由来であり得るか又はその混合であり得る。一実施形態において粒子は金属粒子、ポリマー粒子、結晶及びそれらの混合など、非生物粒子から選択される。一実施形態において粒子は細菌、古細菌、酵母、菌類、花粉、ウィルス、白血球、例えば顆粒球、単球、赤血球、血小板、卵母細胞、精液、接合子、幹細胞、体細胞、悪性細胞、脂肪滴の粒子及びそれらの混合など、生物粒子から選択される。

当業者に明らかなはずである通り、粒子は原則として任意の種類の粒子であり得るが、一般に粒子は例えば選択条件にさらされるときに比較的迅速に変化し得る粒子であることが好ましい。

粒子のクラスタ（単純化のためクラスタともよばれる）は本明細書において、粒子の別のクラスタからの粒子若しくは粒子のクラスタの一部でない粒子よりも物理的により相互に関係する粒子のグループを意味する。粒子のクラスタは典型的には粒子の別のクラスタからの粒子若しくは粒子のクラスタの一部でない粒子よりも粒子のクラスタの他の粒子に著しく近い粒子から成る。"著しく近い"という語は本明細書において少なくとも約１０％より近いことを意味する。有利には粒子のクラスタは、粒子のクラスタから除外される最近粒子へのクラスタの粒子からの最小距離の約１０％以下である、クラスタの別の最近粒子への距離を持つ粒子を含むように決定される。ほとんどの状況においてどの粒子がクラスタの一部を形成するかは直ちに明白になる。粒子のクラスタの粒子は互いに物理的に接触することが多い。

一実施形態において粒子のクラスタは複数のタイプの粒子の粒子を有する。このようなマルチタイプ粒子クラスタは一つのオブジェクトであるとして扱われ得るか、又は代替的にそのタイプの粒子クラスタは各タイプの粒子のサブクラスタに分割される。有利にはマルチタイプ粒子クラスタに基づくオブジェクトは選択されたタイプの粒子を有するこのようなサブクラスタの形である。この実施形態において一つ以上の残りのサブクラスタは別々のオブジェクトを形成し得るか、及び／又は一つ以上の残りのサブクラスタはノイズとして無視され得る。

一実施形態において粒子のクラスタは同じタイプの粒子のクラスタであり、液体ボリュームはオプションとして他の粒子を有し、これらはノイズとして処理される。

一実施形態において粒子は、ウィルス病原体、細菌性病原体、寄生虫、菌類病原体、プリオン性病原体、及びそれらの組み合わせから選択される病原体などの病原体を有する。本発明の光学システムはこのような病原体について感受性試験を実行するために非常に効果的であることがわかっている。

（複数の）病原体は液体試料中にあり得る任意の種類の病原体若しくは病原体の組み合わせであり得る。病原体の例は米国のＮａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｌｌｅｒｇｙ ａｎｄ Ｉｎｆｅｃｔｉｏｕｓ Ｄｉｓｅａｓｅｓ（ＮＩＡＩＤ）によってリストされる病原体である。

病原体は例えばＢａｃｉｌｌｕｓ ｃｅｒｅｕｓ、Ｃａｍｐｙｌｏｂａｃｔｅｒ ｊｅｊｕｎｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｂｏｔｕｌｉｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｐｅｒｆｒｉｎｇｅｎｓ、Ｃｒｙｐｔｏｓｐｏｒｉｄｉｕｍ ｐａｒｖｕｍ、Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ ｃｏｌｉ ０１５７：Ｈ７、Ｇｉａｒｄｉａ ｌａｍｂｌｉａ、Ｈｅｐａｔｉｔｉｓ Ａ、Ｌｉｓｔｅｒｉａ ｍｏｎｏｃｙｔｏｇｅｎｅｓ、Ｎｏｒｗａｌｋ、Ｎｏｒｗａｌｋ‐ｌｉｋｅ、若しくはｎｏｒｏｖｉｒｕｓ、Ｓａｌｍｏｎｅｌｌｏｓｉｓ、Ｓｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ、Ｓｈｉｇｅｌｌａ、Ｔｏｘｏｐｌａｓｍａ ｇｏｎｄｉｉ、Ｖｉｂｒｉｏ、Ｙｅｒｓｉｎｉｏｓｉｓなどの食品汚染病原体であり得る。

本発明はオブジェクトが人若しくは動物において疾患を生じる病原体であるか若しくは病原体を有する場合に特に有利である。

導出結果は、時間の関数として決定される、すなわち選択された一若しくは複数の時間間隔で決定される導出結果が、特性についての情報を提供するように、決定されるべき特性に関連する。導出結果は必要に応じて複数の特性についての情報を有し得る。導出結果は、問題となっている特性についての一つの値若しくは複数の値の形であり得るか、又はオン／オフサイン、はい／いいえサイン、真／偽サイン、若しくは同様の二値サインなどのシンボルの形であり得る。

光学システムの一実施形態において、（複数の）特性は、サイズ若しくは形状などの幾何学的特性；コントラスト、光散乱特性、吸収、透過性、クラスタ内の粒子数、クラスタ内の粒子間距離、クラスタ間距離、粒子若しくは粒子のクラスタの形成若しくは再形成、又は試料の均一性／不均一性などの光相互作用特性の一つ以上を有する。

時間の関数として決定される特性は原則として経時的に変化し得る任意の特性であり得る。特性は有利には検査される試料に依存して、試料が何の検査を受けるはずであるかを考慮して、選択される。例えば試料が経時的に形状を変化させる微生物の存在について検査される場合、特性は有利には幾何学的特性を有し、一方試料が、その光相互作用に作用する粒子の減衰について検査される場合、特性は有利には光相互作用特性を有する。

一実施形態において特性は液体試料及び液体試料中の粒子の特定の状態についてのフィンガープリントを提供するマルチ特徴決定である。特性が変化しているとき、フィンガープリントは変化しており、それによって液体試料と粒子の状態も変化していると結論付けられ得る。

フィンガープリントは例えば瞬間的状態のフィンガープリントであり得るか又は進行中の状態のフィンガープリントであり得る。

一実施形態において特性は、各オブジェクトの一つ若しくは複数の粒子が損耗、減衰増殖、若しくは死滅を受ける場合に変化する特性である。

試料がスキャンの合間若しくは最中にさらされ得る例えば化学的及び／又は機械的影響下で、試料が損耗（腐食若しくは膨張など）について検査される材料の粒子を有する一実施形態において、（複数の）特性は有利には一つ以上の幾何学的特性及び／又は一つ以上の光相互作用特性を有するように選択される。

試料が最初はいかなる粒子も有していないが、例えば結晶化によって粒子が形成されると予想される一実施形態において、（複数の）特性は有利には一つ以上の幾何学的特性及び／又は一つ以上の光相互作用特性を有するように選択される。最初の数粒子が形成されるまで導出結果は通常０であるか若しくは０のシンボルである。その後時間の関数としての導出結果によって粒子の増殖が追跡され得る。

試料が増殖中に生物膜を形成する微生物を有する疑いがある実施形態では、粒子若しくは粒子のクラスタの形成若しくは再形成を有する特性が選択される。その結果、各スキャンから得られる導出結果がスキャン順に提示されるとき、一つ以上の生物膜が形成されたか若しくは形成されそうであるかどうかが観察されることができる。有利には導出結果はこのような生物膜の位置に関する情報も有し、これは試料中の生物についての追加情報を提供し得る。

一実施形態において特性は、各オブジェクトの一つ若しくは複数の粒子が生きた粒子であるか若しくは生きた粒子を有する場合に変化する特性である。

一実施形態において特性はオブジェクトが生きた粒子であるか若しくは生きた粒子を有するかどうかを示すフィンガープリントを提供する。有利には特性は増殖率、栄養消費、栄養状態、死滅率、若しくは他の増殖条件など、増殖条件を示すフィンガープリントを提供する。

液体ボリュームは任意のタイプの液体ボリュームであり得、液体試料はスキャンを実行するときに少なくとも部分的に液体である。

光学システムは、光学検出アセンブリ、試料装置及び並進装置並びに請求項に記載の通りプログラムされる画像分析処理システムを有する任意の種類の光学システムであり得る。一実施形態において光学システムは、光学システムが試料容器の一部を通して連続スキャンを実行するようにプログラムされ、各スキャンはスキャンの少なくとも一つのスキャン経路に沿って光学検出アセンブリによって画像収集エリアの画像収集位置において画像を収集することを有し、画像分析処理システムが各スキャンからの画像上でキャプチャされる複数のオブジェクトの各々について値のセットの形で特徴のセットを決定し、各スキャンごとに少なくとも一つの導出結果を決定するようにプログラムされ、導出結果は複数の値のセットから導出され、各連続スキャンから得られる導出結果を時間の関数として提示する、という修正を伴って、ＵＳ２０１１／０２６１１６４、ＵＳ２０１２／０３２７４０４、ＵＳ２０１２／０２４４５１９若しくは同時係属出願ＤＫ ＰＡ ２０１２ ７０８００に記載の通りである。

光学システムは有利には電磁波が試料装置と画像収集装置の方へ向けられるように好適には光軸に沿って試料を照射するように構成される照射装置を有する。照射装置は、可視若しくは非可視の、任意の種類の電磁波を発する任意のタイプの光源であり得るか若しくは有し得る。光源はレーザ光源、例えばスーパーコンティニューム光源、普通の光源若しくは実行される試験に適した任意の他の光源であり得る。

照射装置は光学検出アセンブリに接続されるか若しくは組み込まれ得るか、又はこれは別々の照射装置であり得る。光学システムは複数の照射装置を有し得る。照射装置は一実施形態において固定接続で光学検出アセンブリに取り付けられる。

照射装置と光学検出アセンブリは一実施形態において画像を反射像として維持するように構成される、すなわち照射装置と光学検出アセンブリは試料装置の同じ側に配置される。

光学システムは、試料の全部もしくは一部が複数回スキャンされるように、試料を有する試料容器の少なくとも一つの部分を通して連続スキャンを実行するようにプログラムされる。原則として複数の連続スキャンは試料の異なる部分のスキャンであり得、特に試料は比較的均一である。有利には複数の連続スキャンは試料の第一の部分の複数のスキャンを有する。一実施形態において光学システムは試料の第一の部分の複数のスキャンと試料の第二の部分の複数のスキャンを実行し、それによって試料が不均一であるかどうか又は不均一な方法で進展するかどうかを観察するための基礎を提供するようにプログラムされる。一実施形態において試料は部分的に若しくは完全に、連続的に若しくは段階的に、決定の合間に変化する。

好適には光学システムは上記複数の位置において上記画像収集エリアの上記画像を収集するように構成され、上記画像収集エリアは試料容器に対して停止状態である。

"上記画像収集エリアが試料容器に対して停止状態である"というフレーズは、画像収集エリアが段階的に並進されること、すなわち画像収集時に並進ステップ間で停止状態であることを意味する。

本発明によれば、上記画像収集エリアが、各画像が収集される位置において試料容器に対して停止状態である場合、本発明のシステムは迅速かつ非常に高い信頼性で液体ボリューム内のオブジェクトの変化の決定についてさらにより最適化されることがわかっている。

一実施形態において試料容器はスキャン中に試料を実質的に停止状態に保持するように構成される。

試料が実質的に停止状態であるというフレーズは、液体試料が流れ若しくは乱流運動にさらされないことを意味する。試料中の粒子は例えばブラウンノイズ及び／又は個々の生物の運動及び／又は並進装置によって生じる運動のために動く可能性がある。

試料容器は有利には、試料がスキャン中に流れ若しくは乱流にさらされないよう、その中に保持される液体試料の可能な限りわずかな運動を保証するように形作られる。一実施形態において容器はただ一つの開口部、例えば蓋を伴う若しくは伴わない空洞を伴って形作られる。

有利には光学システムは上記複数の位置において上記画像収集エリアの上記画像を収集するように構成され、試料容器内の試料は実質的に停止状態である。

試料が実質的に停止状態である間に画像を収集することによって、収集画像が可能な限りシャープになり、その結果オブジェクトのマーキングを不要にする非常に高い分解能をもたらすことが確実になる。

一実施形態において光学システムは各スキャン間に時間オフセットを伴って連続スキャンを実行するようにプログラムされる。

時間オフセットは各スキャンの開始の間の時間として決定される。

有利には二つのスキャン間の時間オフセットは少なくとも約０．１秒、例えば約１秒から約２４時間、約５秒から約１０時間などである。

連続スキャンは連続スキャン間の時間オフセットを伴って実行される。時間オフセットは等しいか若しくは互いに異なり得る。連続スキャン間の最適時間オフセットは特に試料と試料中のオブジェクトによって決まる。原則として時間オフセットは光学検出アセンブリが許容する限り短くなり得る。しかしながら、複数のスキャンが順次問題となっている特性の変化を示さなかった場合、問題となっている特性の変化が観察されるまで後続のスキャンにおいてより長い時間オフセットを適用することが適切であることが多い。

有利には光学システムは、好適には二つ以上の前に実行されたスキャンからの導出結果が実質的に同一である場合は、実行されようとしているスキャン間の時間オフセットが比較的長くなるように、二つ以上の前に実行されたスキャンからの導出結果が互いに異なる場合は、実行されようとしているスキャン間の時間オフセットが比較的短くなるように、一つ以上の前に実行されたスキャンから得られる導出結果に依存して、実行されようとしているスキャン間の時間オフセットを設定するようにプログラムされる。

光学システムは好適には例えば最初の数スキャンで、決定の開始において比較的低い時間オフセットを適用するようにプログラムされる。導出結果が変化しない場合光学システムは好適には導出結果の変化が観察されるまで時間オフセットを増加するようにプログラムされ、その後時間オフセットは導出結果の変化のよい分解能を得るために削減される。

各スキャンはスキャンの少なくとも一つのスキャン経路に沿って光学検出アセンブリによって画像収集エリアの複数の画像収集位置において画像を収集することを有する。各スキャンごとに収集される画像の数は適切な分解能を与える任意の数であり得る。一実施形態において各スキャンごとに収集される画像の数は少なくとも約５であり、例えば最大数千までである。各スキャンごとに収集される画像の最適な数は液体とオブジェクトのサイズとタイプ並びにオブジェクトの濃度及び実行される試験のタイプによって決まる。当業者は所与の試験にとって十分かつ適切である数を選択することができる。

画像分析処理システムは有利には収集画像が保存されるメモリを有する。有利には、収集画像の位置に関するデータ及びオプションとしてサブ画像が保存されるために読み出され得るように、収集画像の位置に関するデータも保存される。サブ画像とは画像のセクションを意味する。サイズ及び他の関連データは例えばサブ画像においてメタデータとして保存され得る。

画像分析処理システムは有利には、例えばさらに分析されるサブ画像にそれらを分割することによって収集画像を分析するようにプログラムされる。セグメンテーションは有利にはデジタル画像をマルチセグメント（ピクセルのセット、スーパーピクセルとしても知られる）に分割するプロセスを有する。セグメンテーションの目的は画像の表現をより意味のある及び分析しやすいものへと単純化する及び／又は変えることである。画像セグメンテーションは典型的には画像中の粒子と境界（直線、曲線など）を位置特定するために使用される。一実施形態において画像セグメンテーションは、同じラベルを持つピクセルが特定の視覚的特性を共有するように画像中の全ピクセルにラベルを割り当てるプロセスを有する。

有利には収集画像は最初に、光レベルの低い領域、試料容器外のアイテムが画像を隠しているかもしれない領域、画像収集中に流れの兆候がある領域など、不良領域についてスキャンされる。そしてこれらの領域は残りの手順から破棄される。その後収集画像の残りにおいて粒子のセグメンテーションが実行される。

セグメンテーションは有利には、粒子の画像であるように見え得る画像中の各セグメントの識別を有する。好適には識別されたセグメントの各々は画像の残りからコピーされ、このサブ画像は有利には複数のフィルタ、例えば形状フィルタ、サイズフィルタ、コントラストフィルタ、強度フィルタなどに適用される。

サブ画像がオブジェクト、例えば粒子の画像（焦点内若しくは焦点外）を有することが認められるとき、これはさらなる処理のために許容される。原画像中の考えられる全粒子が識別されログをとられているとき、原画像は後の使用のために保存され得る。

一実施形態においてサブ画像は、サブ画像が一つ以上のフィルタを通過する場合に粒子の画像を有すると認められ、その場合サブ画像は粒子の画像を有する候補であり、従ってサブ画像はログをとられ保存される。許容されるサブ画像は同時係属特許出願ＤＫ ＰＡ ２０１２ ７０８００に記載のようなさらなる処理にかけられ得る。一実施形態において許容されるサブ画像はさらに形状、色、サイズ、焦点内若しくは焦点外又は他の光学的に検出可能な性質に関して保存され、有利には同じスキャンの複数のサブ画像について発見された同じオブジェクトのサブ画像は積み重ねられ、最終的に各オブジェクトについて特徴のセットが決定される。"サブ画像"という語は本明細書において焦点内若しくは焦点外のオブジェクトを有する収集画像のセクションを意味するために使用される。"サブ画像のスタック"という語は同じスキャンにおいて得られる同じオブジェクトの複数のサブ画像を意味するために使用される。

一実施形態において特定オブジェクトのスキャンについて決定される特徴のセットは同時係属特許出願ＤＫ ＰＡ ２０１２ ７０８００に記載の通り取得される。ＤＫ ＰＡ ２０１２ ７０８００において使用される"オブジェクト"という語は許容されるサブ画像を意味するが、本明細書においてこれは上記定義の意味を持つ。

各スキャンごとのスキャン経路は等しいか若しくは互いに異なり得る。より単純な決定のために各スキャンごとのスキャン経路は実質的に等しい、すなわち同じ経路が同じ若しくは反対のスキャン方向に通過される。有利にはスキャン経路は直線経路若しくは円形経路である。一実施形態において並進装置は試料容器を動かすことによって試料容器中の試料を通して画像収集エリアを並進させるように構成される。一実施形態において試料容器は一つ以上の直線経路に沿って動かされる。一実施形態において試料容器は回転によって動かされる。試料容器は各々別々の試料用の複数の試料容器セクションを有し得る。一実施形態において試料容器は中心を囲む円形パターンに配置される複数の試料容器セクションを有し、並進装置は中心を中心軸として含まれる試料を回転させることによって試料容器セクション中の試料を通して画像収集エリアを並進させるように構成される。回転運動は中心から一つ以上の試料へ向かう方向に通じるチャネルに物質を事前に準備することによって試料の一つ以上に物質を加えるために同時に使用され得る。選択された回転速度での試料容器の回転により、物質は遠心力によって一つ以上の試料容器の中へ押し込まれる。

一実施形態において画像分析処理システムは少なくともＮ個の特徴を有する特徴の所定セットについて値のセットを決定するようにプログラムされ、Ｎは１若しくはそれ以上、例えば２若しくはそれ以上、３若しくはそれ以上、４若しくはそれ以上、最大約１００までなどである。

数字Ｎは任意の整数であり得る。ほとんどの状況においてＮは約３から約１００であるように選択される。

値のセットの決定は例えばＤＫ ＰＡ ２０１２ ７０８００に記載の通り決定され得る。

一実施形態において特徴及び特徴のセットはＤＫ ＰＡ ２０１２ ７０８００に記載の通りである。

特徴は問題になっている特性を決定するために単独で若しくは他の特徴と組み合わせて使用され得る任意の特徴であり得る。

多くの異なる特徴が定義され実現され得る。多くの特徴の各々はスキャンの全粒子について決定され、例えば計算され得るが、通常は限られた数の特徴が特徴のセットになるように選択される。特徴のセットにおける特徴は有利には問題になっている特性に関する可能な限り多くの情報を提供するように選択されるべきである。

数回の実験により当業者は所与の試験のための適切な特徴及び特徴のセットを選択することができる。

一実施形態において特徴のセットは焦点内の閾値サブ画像に基づく特徴を有する。例えば：
・面積、外周の長さ、包含円の面積などの空間的記述子など、及び／又は
・凸性、離心率、形状因子などの形態学的記述子など、及び／又は
・二分モーメント

一実施形態において特徴のセットは焦点内サブ画像のグレースケールバージョンに基づく特徴を有する。例えば：
・コントラスト、光散乱特性、吸収など、及び／又は
・様々なタイプのグレースケールモーメント、及び／又は
・フォーカスグレースケール画像のフーリエ空間において抽出される特徴、及び／又は
・粒度

一実施形態において特徴のセットは焦点内サブ画像のカラーバージョンに基づく特性を有する。例えば：
・主色パターン、及び／又は
・色相

一実施形態において特徴のセットは焦点内及び焦点外の同じオブジェクトのサブ画像のスタックからの情報に基づく特徴を有する。例えば：
・ＦＷＨＭ、ＡＵＣ、曲線と平滑曲線間の分散など、サブ画像の様々な焦点曲線のシグネチャ／記述子など、及び／又は
・ＦＷＨＭ、ＡＵＣ、曲線と平滑曲線間の分散など、サブ画像の様々な強度曲線のシグネチャ／記述子など、及び／又は
・サブ画像のスタックにおける個々のサブ画像にグレースケール／二項素性を適用することによって生成される曲線のシグネチャ／記述子
・スタックの時間パラメータの評価
・位相及び吸収マップ、ブラウン運動並びに自走特性

一実施形態において画像分析処理システムは以下のうち少なくとも一つを有する特徴のセットについて値を決定するようにプログラムされる。
・サブ画像のスタックの焦点外サブ画像に関する特徴
・焦点内サブ画像のグレースケールバージョンに関する特徴
・焦点内オブジェクトのカラーバージョンに関する特徴
・焦点内サブ画像の閾値化バージョンに関する特徴
・焦点内及び焦点外サブ画像の両方に関する特徴

一実施形態において焦点外サブ画像に関する特徴は以下のうちの一つを有し得る。
・粒子の外周（形状）
・粒子のサイズ（断面積）
・最大径と最小径の比率
・色の変化（色の変化度）、及び／又は
・主色パターン

一実施形態において焦点内サブ画像に関する特徴は以下のうち少なくとも一つを有する。
・粒子の外周（形状）
・粒子のサイズ（断面積）
・最大径と最小径の比率
・色の変化（色の変化度）
・主色パターン、及び／又は
・粒子の外周の内部のサブ粒子の数

一実施形態において焦点外サブ画像と焦点内サブ画像の両方に関する特徴は以下のうち少なくとも一つを有する。
・サブ画像のスタックの一方のサブ画像から他方への粒子の外周（形状）の差異
・サブ画像のスタックの一方のサブ画像から他方への粒子のサイズ（断面積）の差異
・サブ画像のスタックの一方のサブ画像から他方への最大径と最小径の比率の差異
・サブ画像のスタックの一方のサブ画像から他方への色の変化（色の変化度）の差異
・サブ画像のスタックの一方のサブ画像から他方への主色パターンの差異
・サブ画像のスタックの一方のサブ画像から他方への色の差異
・各オブジェクト間の距離

導出結果は特徴のセットの値のセットから導出される。導出結果を得るために少なくとも二セットの値が使用され、有利には高精度のためにスキャンの値の全セットが導出結果を得るために使用される。予め設定される定数若しくは増幅パラメータなどの他のパラメータ又はアルゴリズムが、スキャンについて導出結果を得るのに使用され得る。

導出結果は有利には一つの値若しくは複数の値の形である。導出結果は一実施形態において、一つ以上の周波数、上記の通り問題になっている特性を示す若しくは同様の一つ以上の二値信号の形である。

一実施形態において導出結果はＮ_２個の値の形であり、好適には値の数Ｎ_２は２から、特徴のセットのＮ個の特徴各々に対する値の各セットの値の数Ｎまでである。

一実施形態においてＮ_２はＮ_１より大きい。一実施形態においてＮ_２は最大でＮ_１より５値大きく、追加の値は例えば特徴のセットが決定されるオブジェクトの数についての値を有し得る。

一実施形態において光学システムは試料容器中の試料（すなわち検査中の液体ボリュームの部分）が連続スキャン中に外部暴露にさらされ得るように構成され、外部暴露は例えば熱、冷却、照射、磁気暴露、電気暴露、圧力、遠心力、振動又は、ベンチュリ効果を生じるように試料を無理やり収縮させるなど、他の機械力である。

試料を外部暴露にさらすことによって、試験が例えば加速されることができ、又は試料容器中の要素が混合されることができる。

一実施形態において光学システムは液体試料中の時間の関数としての複数の特性を決定するように構成される。

有利には光学システムは複数の第一のオブジェクトと複数の第二のオブジェクトを有する液体試料の時間の関数としての一つ以上の特性を決定するように構成される。それによって二つ以上のオブジェクトタイプ（すなわち第一のオブジェクトと第二のオブジェクト）についての特性が同時に決定され得る。好適には画像分析処理システムは、各スキャンからの画像上でキャプチャされる複数の第一のオブジェクトの各々についての値のセットの形の特徴のセット、及び各スキャンからの画像上でキャプチャされる複数の第二のオブジェクトの各々についての値のセットの形の特徴のセットを決定し、各スキャンごとに少なくとも一つの導出結果を決定するようにプログラムされる。

第一のオブジェクトと第二のオブジェクトは好適には異なるタイプであり、例えば異なるタイプの微生物であり、画像分析処理システムは第一のオブジェクトと第二のオブジェクトを区別することができる。一実施形態において光学システムは、３若しくはそれ以上のタイプのオブジェクトなど、数タイプのオブジェクトの各々を複数有する液体試料の時間の関数としての一つ以上の特性を決定するように構成される。オブジェクトのタイプは少なくとも一つの光学的に検出可能な性質において互いに異なる。

一実施形態において光学システムは少なくとも二つの試料の時間の関数としての一つ以上の特性を同時に決定するように構成される。それによって例えば感受性を試験するために複数の試験が同時に実行され得る。システムは好適には試料のうちの一つについての導出結果が試料のもう一つについての導出結果と著しく異なるまで連続スキャンの実行を継続するようにプログラムされる。

一実施形態において光学システムは２から２００試料の時間の関数としての一つ以上の特性を同時に決定するように構成される。所与の感染症についての完全な感受性試験は、このような光学システムによって非常に迅速にオプションとして数分以内に実行されることができる。システムは好適には、連続スキャンの前、最中、若しくは合間に、試料の一つ以上に少なくとも一つの物質を加えるように、及び／又は試料の一つ以上を外部暴露にさらすようにプログラムされる。

物質は例えば栄養、薬剤（バイオサイド、抗生物質など）、希釈液体、ｐｈ調整剤、界面活性剤及びそれらの組み合わせであり得る。一実施形態においてシステムは試料の一つ以上から少なくとも一つの物質を除去するようにプログラムされる。除去は例えば試料から液体をろ過することによって実行され得る。

一実施形態において光学システムは複数のオブジェクトを有する液体ボリュームの少なくとも一部の時間の関数としての特性を決定するため及び調節するために適応される。この実施形態において光学システムは決定された特性に応じた影響に試料及び／又は液体ボリュームをさらすように構成されるフィードバック構成をさらに有する。

影響は有利には液体ボリュームの全部若しくは液体ボリュームの一部のみを修正する影響である。

一実施形態において影響は、熱、冷却、照射、磁気暴露、電気暴露、圧力、遠心力、振動若しくは他の機械力など、一つ以上の外部暴露を有する。一実施形態において影響は栄養、薬剤（バイオサイド、抗生物質など）、希釈液体、ｐｈ調整剤若しくは界面活性剤などの一つ以上の物質を加えることを有する。一実施形態において影響はフィルタを介して液体などの一つ以上の物質を除去することを有する。この実施形態によって、反応、変化若しくは無変化が、ほとんど時間遅延なく追跡され、調整／調節されることができる。

一実施形態において光学システムは予め選択されるパターンに従って特性を調節するように構成され、この予め選択されるパターンは定常パターン若しくは時間の関数として変化するパターンであり得る。

パターンは例えば液体ボリュームにおける発酵プロセス若しくは別の進展プロセスの進展についての好適なパラメータに対応し得る。

一実施形態において予め選択されるパターンは単一の若しくは複数の特徴パラメータ範囲であり、パターンにおける各点は液体及び／又は液体中のオブジェクトの状態のフィンガープリントを与える。パターンは原則として単一のフィンガープリントをあらわすように非常に狭くなるように選択され得るか、又はこれは同様の、ただし同一ではないフィンガープリントの範囲を含むようにより大きくなるように設定され得る。単一のフィンガープリントは例えばオブジェクトあたりの栄養量のフィンガープリントであり、一方同様のフィンガープリントの範囲はオブジェクトあたりの栄養量の範囲であり得る。

一実施形態において光学システムは特性を実質的に一定になるように調節するようにプログラムされる。

一実施形態において光学システムは液体試料のみの特性を調節するようにプログラムされる。

一実施形態において光学システムは液体ボリューム全体の特性を調節するようにプログラムされる。

一実施形態において光学システムは水ボリュームの特性を調節するようにプログラムされ、特性は液体ボリュームの清浄度のフィンガープリントを提供し、光学システムは可能な限りわずかな物質を水ボリュームに加えることによって予め選択された設定点に従って水ボリュームを十分に清浄に維持するようにプログラムされる。この実施形態は例えば、塩素などの添加化学物質の量が可能な限り低く維持されるべきである、プール若しくは飲料水システムにおいて適用されることができる。

本発明は複数のオブジェクトを有する液体ボリュームの時間の関数としての特性を決定する方法にも関する。

方法は、画像収集エリアの画像を収集するように構成される少なくとも一つの画像収集装置を用いて液体ボリュームの液体試料の少なくとも一つの部分を通して連続スキャンを実行するステップであって、各スキャンは試料の少なくとも一つの部分を通る少なくとも一つのスキャン経路に沿って画像収集エリアを並進させることと、画像収集エリアの複数の画像収集位置において画像を収集することを有する、ステップと、各スキャンからの画像上でキャプチャされる複数のオブジェクトの各々について値のセットの形で特徴のセットを決定するステップと、各スキャンごとに少なくとも一つの導出結果を決定するステップであって、導出結果は複数の値のセットから導出される、ステップと、連続スキャンから得られる導出結果を時間の関数として提示するステップとを有する。

本発明の方法は有利には上記の光学システムを用いて実行され得る。方法はさらに上記の様々な選好で実行され得る。

有利には方法は、上記複数の位置において上記画像収集エリアの上記各画像を収集するときに上記画像収集エリアが試料容器に対して停止状態であることを提供するステップを有する。

画像の高分解能を保証するために、画像収集エリアは画像が収集される画像収集エリアの位置の各々において試料容器に対して停止状態であることが望ましい。それによって液体ボリューム中のオブジェクトの変化の決定はさらにいっそう迅速になり信頼性が非常に高くなる。

一実施形態において方法はスキャン中に実質的に停止状態に試料を保持するステップを有する。

試料をスキャン中実質的に停止状態に保持することによって、さらに分解能を改良し、その結果決定の速さと信頼性をさらに増す。液体試料は流れ若しくは乱流運動にさらされないが、各画像が有利に並進運動のステップの合間に収集されるよう、好適には段階的に試料容器と一緒に動かされ得る。

非常に高い分解能を保証するために、方法は各画像の収集中に画像収集エリアの画像収集位置において実質的に停止状態に試料を保持するステップを有することが望ましい。

試料が実質的に停止状態である間に画像を収集することによって、収集画像が可能な限りシャープになり、その結果オブジェクトのマーキングを不要にする高分解能をさらに増すことが確実となる。

一実施形態において方法は連続スキャンを所定時間連続的に実行するステップを有し、時間は液体ボリューム中にあると予想されるオブジェクトのタイプに関連して設定され得る。損耗試験を実行するとき、スキャンの回数は通常所望の設定点である。

一実施形態において方法は予め選択された数のスキャンが実行されるまで連続スキャンの実行を継続するステップを有する。

一実施形態において方法は、連続スキャンの最初のスキャンから最後のスキャンまでの導出結果間の選択された差異の形で選択された変化に特性が達するまで、連続スキャンを継続的に実行するステップを有する。それによって例えば特定の抗生物質が有効であるか否かが明らかになるまで、例えば顕著な変化が観察されるまでスキャンが継続され得る。

一実施形態において方法は連続スキャンの実行の前、最中若しくは合間に試料に少なくとも一つの物質を加えるステップを有し、物質は好適には上記の通りである。

一実施形態において方法は連続スキャン中に外部暴露に試料をさらすステップを有し、外部暴露は例えば上記の通りである。

一実施形態において方法は例えば上記の通り少なくとも二つの試料中の時間の関数としての一つ以上の特性を同時に決定するステップを有する。好適には方法は、試料の一つについての導出結果が試料のもう一つについての導出結果と著しく異なるまで、例えば上記の通り選択された期間連続スキャンを継続的に実行するステップを有する。

一実施形態において方法は、好適には最後のスキャンからの導出結果と最初のスキャンからの導出結果の間に差が観察されない場合であっても、方法が終了する予め選択される最大試験回数を伴って、最後のスキャンからの導出結果が最初のスキャンからの導出結果と著しく異なるまで、最初のスキャンから最後のスキャンまで連続スキャンを継続的に実行するステップを有する。

一実施形態において方法は２から２００試料の時間の関数としての一つ以上の特性を同時に決定するステップを有し、方法は好適には、連続スキャンの前、最中、若しくは合間に、上記のような少なくとも一つの物質を試料の一つ以上に加えるステップ、及び／又は外部暴露に試料の一つ以上をさらすステップを有する。

一実施形態において方法は複数のオブジェクトを有する液体ボリュームの少なくとも一部の時間の関数としての特性を決定し調節するステップを有し、方法は決定された特性に応じた影響に試料及び／又は液体ボリュームをさらすステップを有する。影響は有利にはフィードバック調整として有毒に適応される上記の修正である。

範囲及び好適な範囲を含む本発明の全特徴は、かかる特徴を組み合わせない具体的な理由がない限り、本発明の範囲内で様々な方法で組み合わされ得る。

本発明は好適な実施形態と実施例に関して以下にさらに説明される。

本発明の一実施形態にかかる光学システムの略斜視図を示す。 本発明の一実施形態にかかる別の光学システムの略斜視図を示す。 本発明の一実施形態にかかる光学システムの要素を示す略図を示す。 実施例４において記載される酵母試料の各画像スキャンの画像である。 実施例４において記載される酵母試料の各画像スキャンの画像である。 実施例４において記載される酵母試料の各画像スキャンの画像である。 実施例４において記載される酵母試料の増殖曲線である。 実施例５において記載されるアシドフィルス菌試料の各画像スキャンの画像である。 実施例５において記載されるアシドフィルス菌試料の各画像スキャンの画像である。 実施例５において記載されるアシドフィルス菌試料の各画像スキャンの画像である。 実施例５において記載されるアシドフィルス菌試料の増殖曲線である。

図面は略図であり明確さのために単純化され得る。全体にわたって、同一若しくは対応する部分には同じ参照数字が使用される。

図１に示す光学システムは光学検出アセンブリ１５を有し、その数個の要素のみが図示されている。光学検出アセンブリ１５は画像収集装置１６と、画像収集装置１６の方へ集光するように構成されるレンズ１４を有する。光学システムはさらに画像照射装置２４を有する。画像照射装置２４は任意の種類の光源であり得る不図示の光源を有する。光学システムはさらに液体ボリュームの試料１２を保持するのに適した試料容器１８を有する。照射装置２４は試料容器１８の方へ向けられる適切な光ビームを発する。試料容器１８は、座標系のＺ方向の高さを定義する上側第一境界２６と下側第二境界２８を伴って図示され、座標系のＸ方向は試料容器１８の長さ方向に整列し、座標系のＹ方向は試料容器１８の幅方向に整列する。第一境界２６と第二境界２８は照射装置２４からの電磁波に透明な材料で作られる。好適には試料容器１８の他の隔壁も照射装置２４からの電磁波に透明である。

光学システムはさらに不図示の並進装置を有する。光学検出アセンブリ１５と試料容器１８は、試料容器１８の中の試料１２内に少なくとも部分的に画像収集エリア１０が生成されるように配置される。好適には照射装置は光学検出アセンブリ１５に対して固定位置に位置付けられる。

光学システムはさらに、各スキャンからの画像上でキャプチャされる複数のオブジェクトの各々について値のセットの形で特徴のセットを決定し、各スキャンごとに上記の少なくとも一つの導出結果を決定するようにプログラムされる画像分析処理システムを有する。各連続スキャンから得られる導出結果は有利には不図示のＰＣの画面上に配置されることによって提示される。

使用中、照射装置２４は試料装置１８内の試料１２の方へ発光する。光は光軸１３に沿ってレンズ１４と画像収集装置１６の方へ試料１２を透過し、そこで画像収集エリア１０の画像が取得され得る。スキャンを得るために、画像収集エリア１０をＸ、Ｙ若しくはＺ方向のいずれか又はその組み合わせにおける経路であり得るスキャン経路に沿って動かすように、光学検出アセンブリ１５と試料容器１８は不図示の並進装置によって並進される。図示の実施形態においてはスキャン経路がＸ方向に沿って方向２０若しくはその反対方向であることが好ましい。スキャンは例えば交互に方向２０若しくはその反対方向であり得る。収集エリア１０がスキャン経路に沿って動かされるにつれて、複数の画像が画像収集装置１６によって収集される。有利には並進は段階的な並進の形であり、画像収集装置１６は各ステップごとに画像を収集する。ステップサイズは有利には所与の試料について選択され得る。

画像収集エリア１０は例えば試料装置１８を超えて広がり得るか、又は少なくとも試料装置１８の第一境界２６と第二境界２８を超えて広がり得る。その結果収集画像は二つの境界の画像を有し、この情報は画像収集エリア１０の高さを決定するために使用され得る。

図２に示す光学システムは図１の光学システムと同様であり、光学検出アセンブリ３５と照射装置４４を有する。光学検出アセンブリ３５と照射装置４４は好適には同じ中心軸、すなわち光軸３３を持つように配置される。

光学検出アセンブリ３５はカメラ３６と、カメラ３６に集光するためのレンズ系４４を有する。光学検出アセンブリ３５と照射装置４４の間に、光学システムは図示の実施形態において複数のオブジェクト３１を伴う試料を含む試料容器３８を有する。

光学システムはさらに、光学検出アセンブリ３５と試料容器３８を相互に対して、例えば矢印によって示す通り並進させるように構成される不図示の並進装置を有する。光学検出アセンブリ３５と試料容器３８は、試料容器３８内のスキャン経路に沿って画像収集エリアの複数の画像収集位置が生成されるように配置される。

光学システムはさらに上記の通りプログラムされる不図示の画像分析処理システムを有する。

図３に示す光学システムは光学検出アセンブリ５５と照射装置５４を有する。光学検出アセンブリ５５と照射装置５４は好適には同じ中心軸、すなわち光軸を持つように配置される。

光学システムはさらに光学検出アセンブリ５５と照射装置５４の間に配置される複数の試料容器５８を有する。光学システムはさらに、例えば矢印によって示す通り試料容器を動かして、光学検出アセンブリ５５と試料容器５８を相互に対して並進させるように構成される並進装置５７を有する。光学検出アセンブリ５５と試料容器５８は、各試料容器５８内のスキャン経路に沿って画像収集エリアの複数の画像収集位置が生成されるように配置される。

並進装置５７は並進装置５７の並進を制御するようにプログラムされる並進コントローラ５１に接続される。

光学システムはさらに、各スキャンからの上記画像上でキャプチャされる複数のオブジェクトの各々について値のセットの形で特徴のセットを決定し、各スキャンごとに少なくとも一つの導出結果を決定し、導出結果は複数の値のセットから導出され、各連続スキャンから得られる導出結果を時間の関数として、画面若しくはプリンタなどの提示ユニット５６へ伝送するようにプログラムされる、画像分析処理システム５２を有する。

並進コントローラ５１は好適には、上記試料容器の少なくとも一つの部分を通して連続スキャンを実行するようにもプログラムされる画像分析処理システム５２と一体化され、各スキャンは、各試料容器５８内の少なくとも一つのスキャン経路に沿って光学検出アセンブリによって画像収集エリアの複数の画像収集位置において画像を収集することを有する。

ビールの醸造のモニタリング
ビールの醸造は発酵ステップを含む複数のステップを有する。醸造における発酵は嫌気条件下で酵母、細菌若しくはその組み合わせを用いる炭水化物からアルコール及び二酸化炭素若しくは有機酸への変換である。

発酵は大きなタンクで実行される。上記光学システムは、タンクからの試料が光学システムの試料容器へ継続的に引き出され得るようにタンクに取り付けられる。

発酵させる麦汁及びオプションとして他の原料がタンクに加えられる。ある量の酵母が添加され発酵プロセスが開始される。発酵が開始されると継続的に試料が例えば５ｍｌ／分の低速で段階的に試料容器を通過するようにタンクから移される。試料を収集する位置において、試料が収集中に実質的に停止状態になるように試料の流れが一時的に停止される。試料ストリームはタンクへ戻される。

光学システムは生きた活性酵母細胞の濃度並びに酵母生細胞と酵母死細胞の関係を決定するようにプログラムされる。糖とリン酸（Ｈ３ＰＯ４）を添加するための供給装置へのフィードバック調整が提供される。糖とリン酸（Ｈ３ＰＯ４）を添加することによって、酵母細胞の増殖と生存が調整されることができ、それによって所望のアルコール含有量が得られる。他の原料もフィードバック装置によって添加されることができる。

試料はタンク中の全ボリュームあらわすと想定される。

光学システムは試料容器内の試料ストリームを通して連続スキャンを実行し、各スキャンは試料ストリームを通る少なくとも一つのスキャン経路に沿って画像収集エリアを並進させること、並びに画像収集エリアの複数の画像収集位置において画像を収集することを有する。画像は光学システムの画像分析処理システムにおいて分析され、各スキャンからの画像上でキャプチャされる複数のオブジェクトの各々について値のセットの形で特徴のセットを決定すること、並びに各スキャンごとに少なくとも一つの導出結果を決定することを有し、導出結果は複数の値のセットから導出される。特徴のセットは、ａ）生きた活性酵母細胞の濃度、若しくはｂ）酵母生細胞と酵母死細胞の関係、の特性の少なくとも一つを反映するように選択される。時間の関数として連続スキャンから得られる導出結果は、発酵プロセスの進展をたどるためにフィードバック構成の形で及びモニタ上に表示することによって提示される。

ビールの発酵のモニタリング
発酵は実施例１の通り実行され、光学システムが付加的に、発酵の終了のために選択された味とテクスチャに達するまで発酵が進むと、タンク内の液体中の特定の選択された物質間の選択された比率（フィンガープリント）をモニタリングするようにプログラムされる点が異なる。光学システムは時間の関数としてフィンガープリントについて一つ以上の特性を決定する。フィンガープリントに達すると発酵プロセスは終了する。

水の純度のモニタリング
湖若しくは河川若しくは同様の貯水池からの水は通常は完全に清浄でなく、微生物を含む多くの異なる粒子を有する。純度は実質的に安定であることが多いが、例えば肥料若しくは他の化学物質の排出に起因して例えば汚染のために、急激に変化することが起こり得る。水をモニタリングすることによってこのような汚染が非常に迅速に発見され、オプションとして警告がトリガされ得る。

モニタリングは問題となっている貯水池の"ベースライン"をとることによって実現される。ベースラインは、水がその標準状態とみなされる状態であるときの水についての複数の特性によって提供されるフィンガープリントである。フィンガープリントは標準状態の貯水池の複数の試料について、及び例えば標準状態の試料に汚染の可能性のある要素を添加することによって得られる汚染状態の貯水池の複数の試料について、複数の特性を決定することによって得られる。

水のフィンガープリントが発見されているとき、光学システムは、連続ステップにおいて貯水池からとられる試料について、又は代替的に貯水池からの連続水試料ストリームの、複数の特性を決定するようにプログラムされる。フィンガープリントの変化が観察される場合警告が作動するように設定され得る。

酵母の増殖のモニタリング
酵母細胞を含む液体試料が図２に図示の光学システムを用いて３０時間の期間にわたってモニタリングされた。液体試料は試料容器３８に加えられ、光学システムは試料容器３８を通して連続スキャンを実行するようにプログラムされ、各スキャンは、スキャンの少なくとも一つのスキャン経路に沿って並進されるにつれて画像収集エリアの複数の位置において光学検出アセンブリによって画像収集エリアの画像を収集することを有する。画像収集エリアは画像収集中に画像収集エリアの位置において試料容器に対して停止状態であった。同時に試料は実質的に停止状態であった。

１０分ごとに試料容器を通るスキャン経路に沿ったスキャンから試料の４０画像の画像スキャンが収集された。各画像スキャンは画像分析処理システムにおいて分析された。各画像スキャンについて、バックグラウンド３Ｄ画像から焦点内の酵母細胞を分離するために３Ｄ画像セグメンテーションが適用された。３Ｄ画像セグメンテーションは照明特性の除去、局所閾値化及び形態学的エリアフィルタリング（異常に大きい及び小さいオブジェクトの除去）を有する。完全に焦点内の酵母細胞のみを確実に含むように焦点機能が適用された。そして各酵母細胞の面積が抽出され、総酵母細胞面積が計算された。このプロセスは３０時間の期間にわたって全画像スキャンについて繰り返され、最終的に総酵母細胞面積が図４ｄに図示の通り時間の関数としてプロットされた。

図４ａ、４ｂ、４ｃは三つの異なる時点における酵母試料を示す。

４０画像のうちの一つのみが各スキャンから表示される。図４ａ、４ｂ、４ｃの各々において、画像のより小さい部分が拡大バージョンで表示される。

図４ａは開始から０．１７時間におけるスキャンからの画像を示す。

図４ｂは開始から６．５０時間におけるスキャンからの画像を示す。

図４ｃは開始から２８．８３時間におけるスキャンからの画像を示す。

図４ａ、４ｂ、４ｃに図示の画像から、短い時間スケールにおいて増殖の顕著な変化を観察することは困難であることが見られ、増殖の顕著な変化を視覚的に決定するために長時間のスキャンを要することが明らかである。

図４は酵母細胞面積を時間の関数として示す。図４ｄの曲線は酵母細胞が３０時間中にどのように成長したかについて非常に詳細な洞察を与える。例えばこれは容易に決定されることができ、例えば増殖曲線は遅滞期、対数期、減速期を持つことが見られる。

さらに曲線から顕著な変化が数時間以内に観察され得ることも見られる。

アシドフィルス菌の増殖のモニタリング
アシドフィルス菌を含む液体試料が図２に図示の光学システムを用いて２０時間の期間にわたってモニタリングされた。液体試料が試料容器３８に加えられ、光学システムは試料容器３８を通して連続スキャンを実行するようにプログラムされ、各スキャンは、スキャンの少なくとも一つのスキャン経路に沿って並進されるにつれて画像収集エリアの複数の位置において光学検出アセンブリによって画像収集エリアの画像を収集するステップを有する。画像収集エリアは画像収集中に画像収集エリアの位置において試料容器に対して停止状態であった。同時に試料は実質的に停止状態であった。

５分ごとに試料容器を通るスキャン経路に沿ったスキャンから試料において２０画像の画像スキャンが収集された。各画像スキャンは画像分析処理システムにおいて分析された。各画像スキャンについて、３Ｄセグメンテーション法は試料中の焦点内細菌の検出を可能にした。完全に焦点の合ったオブジェクトのみが分析に含まれることを確実にするために焦点機能が各オブジェクトに適用された。

焦点の合ったオブジェクトの各々について、バックグラウンドから細菌を分離する個々の閾値が適用された。細菌の長さがその形態学的骨格から抽出され、保存された。そして試料中の全細菌の平均長が各画像スキャンごとに計算された。全経過時間が処理されたとき、平均長を時間の関数として示す曲線が構成され、図５ｄに図示される。

図５ａ、５ｂ、５ｃは三つの異なる時点におけるアシドフィルス菌試料を示す。

２０画像のうち一つのみが各スキャンから表示される。図５ａ、５ｂ、５ｃの各々において画像のより小さい部分は可視性を高めるために拡大バージョンで表示される。

図５ａは開始から０．０６時間におけるスキャンからの画像を示す。

図５ｂは開始から１２．８５時間におけるスキャンからの画像を示す。

図５ｃは開始から１９．８５時間におけるスキャンからの画像を示す。

図５ａ、５ｂ、５ｃに示す画像から、短い時間スケールにおいて増殖の顕著な変化を観察することは困難であることが見られ、増殖の顕著な変化を視覚的に決定するために長時間のスキャンを要することが明らかである。

図５ｄはアシドフィルス菌の長さを時間の関数として示し、曲線は２０時間中に酵母細胞がどのように成長するかについての非常に詳細な洞察を与える。さらに曲線から、顕著な変化が数時間以内に観察され得ることも見られ、これは本発明の光学システムと方法を用いて非常に迅速な感受性試験が実行されることができることを意味する。

Claims (15)

1. 複数のオブジェクトを有する液体ボリュームの少なくとも一部の時間の関数としての特性を決定するための光学システムであって、
   画像収集エリアの画像を収集するように構成される少なくとも一つの画像収集装置を有する光学検出アセンブリと、
   前記液体ボリュームの試料を保持するのに適した少なくとも一つの試料容器を有する試料装置と、
   前記試料容器の少なくとも一つの部分を通して前記画像収集エリアを並進させて、前記試料容器の前記部分を通るスキャン経路に沿ってスキャンを実行するように構成される並進装置と、
   画像分析処理システムとを有し、
   前記光学システムは、前記試料容器の前記少なくとも一つの部分を通して連続スキャンを実行するようにプログラムされ、各スキャンは前記スキャンの少なくとも一つのスキャン経路に沿って並進されるにつれて前記画像収集エリアの複数の位置において前記光学検出アセンブリによって前記画像収集エリアの画像を収集することを有し、
   前記画像分析処理システムは、各スキャンからの前記画像上でキャプチャされる複数のオブジェクトの各オブジェクトごとに値のセットの形で特徴のセットを決定し、各スキャンごとに少なくとも一つの導出結果を決定し、前記各連続スキャンから得られる前記導出結果を時間の関数として提示するようにプログラムされ、前記導出結果は、各スキャンごとに決定される前記複数のオブジェクトの前記値のセットから導出され、
   前記試料容器は、スキャン中に試料を実質的に停止状態に保持するように構成される、
   光学システム。
2. 前記光学システムが、前記複数の位置において前記画像収集エリアの前記画像を収集するように構成され、前記画像収集エリアが前記試料容器に対して停止状態である、請求項１に記載の光学システム。
3. 前記光学システムが前記複数の位置において前記画像収集エリアの前記画像を収集するように構成され、前記試料容器中の試料が実質的に停止状態である、請求項１又は２に記載の光学システム。
4. 前記オブジェクトが粒子若しくは粒子のクラスタであり、前記粒子は、金属粒子、ポリマー粒子、結晶、脂肪滴及びそれらの混合などの非生物粒子から選択され、及び／又は、前記粒子は、細菌、古細菌、酵母、菌類、花粉、ウィルス、白血球、例えば顆粒球、単球、赤血球、血小板、卵母細胞、精液、接合子、幹細胞、体細胞、悪性細胞の粒子及びそれらの混合などの生物粒子から選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学システム。
5. 前記粒子が、ウィルス病原体、細菌性病原体、寄生虫、菌類病原体、プリオン性病原体、及びそれらの組み合わせから選択される病原体のような病原体を有する、請求項４に記載の光学システム。
6. 前記特性が、サイズ若しくは形状などの幾何学的特性、コントラスト、光散乱特性、吸収、透過性、クラスタ内の粒子の数、クラスタ内の粒子間距離、クラスタ間距離、粒子若しくは粒子のクラスタの形成若しくは再形成、又は前記試料の均一性／不均一性などの光相互用特性の一つ以上を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学システム。
7. 前記光学システムが、好適には、二つ以上の前に実行されたスキャンからの導出結果が実質的に同一である場合は、実行されようとするスキャン間の時間オフセットが比較的長くなるように、並びに、二つ以上の前に実行されたスキャンからの導出結果が互いに異なる場合は、実行されようとするスキャン間の時間オフセットが比較的短くなるように、一つ以上の前に実行されたスキャンから得られる導出結果に依存して、実行されようとするスキャン間の時間オフセットを設定するようにプログラムされる、請求項６に記載の光学システム。
8. 前記画像分析処理システムが、オブジェクトの完全スタックの各々について少なくともＮの特徴を有する所定セットの特徴について値のセットを決定するようにプログラムされ、Ｎは１若しくはそれ以上、例えば２若しくはそれ以上、３若しくはそれ以上、４若しくはそれ以上、最大約１００などである、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学システム。
9. 前記光学システムは、前記試料容器中の前記試料が前記連続スキャン中に外部暴露にさらされ得るように構成され、前記外部暴露は例えば熱、冷却、照射、磁気暴露、電気暴露、圧力、遠心力、振動、又は、ベンチュリ効果を生成するように試料を無理に収縮させるなど、他の機械力である、請求項１から８のいずれか一項に記載の光学システム。
10. 前記光学システムは、少なくとも二つの試料の時間の関数としての一つ以上の特性を同時に決定するように構成され、好適には試料の一つについての導出結果が試料のもう一つについての導出結果と著しく異なるまで、連続スキャンの実行を継続するようにプログラムされる、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学システム。
11. 複数のオブジェクトを有する液体ボリュームの少なくとも一部の時間の関数としての特性を決定し調節するための、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学システムであって、前記光学システムは、決定された特性に応じた影響に前記試料及び／又は前記液体ボリュームをさらすように構成されるフィードバック構成をさらに有し、前記影響は好適には熱、冷却、照射、磁気暴露、電気暴露、圧力、遠心力、振動、若しくは他の機械力など、一つ以上の外部暴露の形である、及び／又は、栄養、薬剤、希釈液、ｐｈ調整剤若しくは界面活性剤などの一つ以上の物質を添加する形である、及び／又は、フィルタを介して液体などの一つ以上の物質を除去する形である、光学システム。
12. 前記光学システムは、固定パターン若しくは時間の関数として変化するパターンであり得る、予め選択されたパターンに従って前記特性を調節するようにプログラムされる、請求項１１に記載の光学システム。
13. 複数のオブジェクトを有する液体ボリュームの時間の関数としての特性を決定する方法であって、
    画像収集エリアの画像を収集するように構成される少なくとも一つの画像収集装置を用いて、前記液体ボリュームの液体試料の少なくとも一つの部分を通して連続スキャンを実行するステップであって、各スキャンは前記試料の少なくとも一つの部分を通る少なくとも一つのスキャン経路に沿って前記画像収集エリアを並進させるステップと、前記画像収集エリアの複数の画像収集位置において画像を収集するステップとを有する、ステップと、
    各スキャンからの前記画像上でキャプチャされる複数のオブジェクトの各オブジェクトごとに値のセットの形で特徴のセットを決定し、各スキャンごとに少なくとも一つの導出結果を決定するステップであって、前記導出結果は複数の値のセットから導出され、前記連続スキャンから得られる前記導出結果を時間の関数として提示するステップであって、前記導出結果は、各スキャンごとに決定される前記複数のオブジェクトの前記値のセットから導出される、ステップと、
    を有し、前記方法が更に、前記スキャン中に前記試料を実質的に停止状態に保持するステップを有する、方法。
14. 前記複数の位置において前記画像収集エリアの前記画像の各々を収集するときに、前記画像収集エリアが前記試料容器に対して停止状態であるようにするステップを有する、請求項１３に記載の方法。
15. 所定時間、又は、前記特性が、前記連続スキャンの最初のスキャンから最後のスキャンまでの導出結果間の選択された差異の形で選択された変化に達するまで、前記連続スキャンを持続的に実行するステップを有する、請求項１３又は１４に記載の方法。

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