JP6564166B2 - 測定装置および蛍光測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、測定装置および蛍光測定方法に関するものである。
従来、蛍光画像と発光画像とを取得可能な測定装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
この測定装置では、発光物質の発光量が蛍光物質の蛍光量に比べて無視し得るほどの微弱なものであるため、蛍光測定時には発光物質の発光の有無にかかわらず蛍光画像を取得することができた。
特許第5123660号公報
しかしながら、近年のように発光量の大きな発光物質を使用する場合には、蛍光測定時において発光物質の発光量を無視することができず、蛍光画像におけるノイズとなってしまうという不都合がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、発光量が大きな発光物質を使用してもノイズの少ない蛍光画像および発光画像を取得することができる測定装置および蛍光測定方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、励起光源からの励起光を標本に照射する照明光学系と、前記標本において発生する光を測定して画像を取得する画像取得部と、励起光を照射することなく前記画像取得部により取得された第1の画像と、励起光を照射して前記画像取得部により取得された第2の画像とに基づいて、前記第2の画像から発光成分を除去した蛍光画像を生成する画像処理部とを備え、前記第1の画像が、前記標本に含まれる発光物質による発光成分のみを含む発光画像であり、前記第2の画像が、前記発光成分および蛍光成分の両方を含む蛍光発光画像である測定装置を提供する。
本発明によれば、励起光源から発せられた励起光を照明光学系によって標本に照射することにより、標本において蛍光物質が励起されることにより蛍光が発生する。標本に発光物質が含まれている場合には、励起光の照射の有無に関わらず発光物質からの発光が発生する。したがって、励起光を照射することなく画像取得部により取得された第1の画像には発光成分のみが含まれており、励起光を照射して画像取得部により取得された第2の画像には発光成分および蛍光成分の両方が含まれている。したがって、第1の画像により、蛍光を含まない発光画像を取得することができ、画像処理部において第1の画像と第2の画像とに基づいて第2の画像から発光成分を除去した蛍光画像を生成することにより、発光量が大きな発光物質を使用してもノイズの少ない蛍光画像を取得することができる。
上記態様においては、前記画像取得が、前記標本において発生する光を分光する分光部を備えていてもよい。
このようにすることで、標本において発生した光が分光部によって波長ごとに分光された画像として第1の画像および第2の画像を取得することができる。これにより、第2の画像からの発光成分の除去を、分光された画像に基づいて波長ごとに行うことができる。
また、上記態様においては、前記画像処理部が、前記第2の画像から前記第1の画像を減算してもよい。
このようにすることで、発光成分と蛍光成分とを含む第2の画像から発光成分のみを含む第1の画像を減算して、簡易に、発光成分を除去した蛍光画像を生成することができる。
また、上記態様においては、前記画像処理部が、前記第1の画像と前記第2の画像とに基づいてアンミキシング処理を行ってもよい。
このようにすることで、励起光を照射せずに標本において発生した光を分光して得られた第1の画像から発光成分のみのスペクトルを得るとともに、励起光を照射して標本において発生した光を分光して得られた第2の画像から蛍光成分および発光成分の両方を含むスペクトルを得て、これらのスペクトルに基づいてアンミキシング処理をすることにより、蛍光成分と発光成分とを分離し、発光成分を除去した蛍光画像を得ることができる。
また、上記態様においては、前記照明光学系が励起光を遮断するシャッタを備え、該シャッタを閉じて励起光を遮断した状態で、前記画像取得部により取得された画像を第1の画像とし、前記シャッタを開いて励起光を照射した状態で前記画像取得部により取得された画像を第2の画像としてもよい。
このようにすることで、シャッタの開閉によって簡易に第1の画像と第2の画像とを切り替えて取得することができる。
また、本発明の他の態様は、励起光を照射することなく標本を撮影して第1の画像を取得する第1のステップと、励起光を照射した状態で標本を撮影して第2の画像を取得する第2のステップと、前記第1のステップにおいて取得された第1の画像と、前記第2のステップにおいて取得された第2の画像とに基づいて、第2の画像から発光成分を除去した蛍光画像を生成する第3のステップとを含み、前記第1の画像が、前記標本に含まれる発光物質による発光成分のみを含む発光画像であり、前記第2の画像が、前記発光成分および蛍光成分の両方を含む蛍光発光画像である蛍光測定方法を提供する。
上記態様においては、前記第1のステップが、前記標本において発生する光を分光して第1の画像を取得し、前記第2のステップが、前記標本において発生する光を分光して第2の画像を取得してもよい。
また、上記態様においては、前記第3のステップが、前記第2の画像から前記第1の画像を減算してもよい。
また、上記態様においては、前記第3のステップが、前記第1の画像と前記第2の画像とに基づいてアンミキシング処理を行ってもよい。
本発明によれば、発光量が大きな発光物質を使用してもノイズの少ない蛍光画像および発光画像を取得することができるという効果を奏する。
本発明の第1の実施形態に係る測定装置を示す全体構成図である。 本発明の第2の実施形態に係る測定装置を示す全体構成図である。 図2の実施形態に係る測定装置の変形例を示す全体構成図である。
本発明の第1の実施形態に係る測定装置1について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る測定装置1は、顕微鏡であって、図1に示されるように、励起光を発生するレーザ光源(励起光源)2と、レーザ光源2に隣接して配置されレーザ光源2からの励起光をオンオフさせるシャッタ3と、標本Aを搭載するステージ4と、レーザ光源2からの励起光をステージ4上の標本Aに照射する一方、標本Aにおいて発生した蛍光および発光を集光する対物レンズ5とを備えている。
また、測定装置1は、対物レンズ5により集光された標本Aからの蛍光および発光を励起光の光路から分岐するフィルタ6と、該フィルタ6によって分岐された標本Aからの蛍光および発光を検出して画像を取得する検出器7と、検出器7により取得された画像を処理する画像処理部8と、シャッタ3、検出器7および画像処理部8を制御するコントローラ9とを備えている。シャッタ3および対物レンズ5は照明光学系10を構成している。また、符号11は結像レンズである。
フィルタ6は、例えばダイクロイックミラーであり、レーザ光源2からの励起光を反射して、標本Aからの蛍光および発光を透過する透過率特性を有している。
検出器7は、例えば、CCDあるいはCMOSのような撮像素子であり、標本Aの発光像あるいは蛍光像を撮影するようになっている。
コントローラ9は、シャッタ3を閉じたときと、シャッタ3を開いたときの両方の時点で少なくとも1枚ずつの画像を取得するように検出器7を作動させるようになっている。
画像処理部8は、コントローラ9によってシャッタ3が閉じられたときに取得された第1の画像と、シャッタ3が開かれているときに取得された第2の画像とを検出器7から受け取って、第2の画像から第1の画像を減算することにより、蛍光画像を生成するようになっている。コントローラ9および画像処理部8は、例えば、コンピュータにより実現されている。
このように構成された本実施形態に係る測定装置1を用いた蛍光測定方法について以下に説明する。
本実施形態に係る測定装置1を用いて発光画像および蛍光画像を取得するには、ステージ4上に標本Aを載置し、レーザ光源2を作動させて励起光を射出させた状態で、コントローラ9の作動によってシャッタ3および検出器7を作動させる。
まず、コントローラ9によってシャッタ3を閉じた状態で標本Aを撮影して第1の画像を取得する(第1のステップS1)。
シャッタ3が閉じられている状態では、励起光が標本Aに照射されないので、標本Aにおいては発光物質からの発光のみが発せられる。標本Aから発せられた発光は、対物レンズ5によって集光され、フィルタ6を透過して検出器7により撮影される。これにより、検出器7により取得された第1の画像は、蛍光を含まない発光画像となっており、画像処理部8に送られる。
次に、コントローラ9によってシャッタ3を開いた状態で標本Aを撮影して第2の画像を取得する(第2のステップS2)。
シャッタ3が開かれている状態では、レーザ光源2から発せられた励起光がフィルタ6において偏向されて対物レンズ5によって集光され、ステージ4上の標本Aに照射される。標本Aにおいては、励起光により蛍光物質が励起されて蛍光が発生するとともに、励起光の有無に関わらず発光物質からの発光も発生している。
標本Aから発せられた蛍光および発光は、対物レンズ5によって集光され、フィルタ6を透過して検出器7により撮影される。これにより、検出器7により取得された第2の画像は、蛍光および発光を含む蛍光発光画像となっており、画像処理部8に送られる。
画像処理部8は、検出器7から第1の画像および第2の画像が送られてきたときに、コントローラからの指令に従い、第2の画像から第1の画像を減算する処理を行う(第3のステップS3)。第1の画像に含まれている発光成分と、第2の画像に含まれている発光成分とは同一なので、第2の画像から第1の画像を減算することにより、第2の画像に含まれている発光成分を除去して蛍光画像を生成することができる。なお、本実施形態においては第1の画像自体が発光画像となる。
このように、本実施形態に係る測定装置1および蛍光測定方法によれば、第2の画像に含まれている発光成分を除去するので、発光量が大きな発光物質を使用してもノイズの少ない蛍光画像を取得することができるという利点がある。また、シャッタ3により励起光を遮断して得られた発光画像には蛍光が含まれていないので、ノイズの少ない発光画像をも同時に取得することができる。
次に、本発明の第2の実施形態に係る測定装置20について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第1の実施形態に係る測定装置1と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係る測定装置20は、図2に示されるように、フィルタとして、標本Aから発せられた蛍光および発光を複数の波長帯域に分光する分光部21を採用している。分光部21は、例えば、透過率特性の異なる3つのダイクロイックミラー6,21a,21bおよびミラー21cを備え、標本Aから発せられた蛍光および発光をダイクロイックミラー6によって励起光の光路から分岐した後に、ダイクロイックミラー21a,21bおよびミラー21cによって3つの異なる波長帯域に分光するようになっている。
また、本実施形態に係る測定装置20は、分光部21によって3つに分岐された蛍光および発光をそれぞれ検出する3つの検出器7a〜7cを備えている。3つの検出器7a〜7cによって波長ごとに取得された画像は画像処理部8に送られて画像処理されるようになっている。
本実施形態においては、画像処理部8において以下の画像処理が行われる。
画像処理部8は、検出器7a〜7cから送られてきた画像に基づいてスペクトルを生成し、生成されたスペクトルに基づいて発光蛍光画像に対して公知のアンミキシング処理を行うようになっている。
さらに具体的には、まず、コントローラ9によってシャッタ3を閉じた状態で標本Aを撮影して第1の画像を取得する(第1のステップS1)。
シャッタ3が閉じられている状態では、励起光が標本Aに照射されないので、標本Aにおいては発光物質からの発光のみが発せられる。
標本Aから発せられた発光は、対物レンズ5によって集光され、分光部21によって3つの異なる波長帯域に分離され、それぞれの発光成分が3つの別々の検出器7a〜7cにより撮影される。これにより、各検出器7a〜7cにより取得された3つの第1の画像は、蛍光を含まない3種類の波長帯域の異なる発光画像となっており、画像処理部8に送られる。
次に、コントローラ9によってシャッタ3を開いた状態で標本Aを撮影して第2の画像を取得する(第2のステップS2)。
シャッタ3が開かれている状態では、レーザ光源2から発せられた励起光が対物レンズ5によって集光され、ステージ4上の標本Aに照射される。標本Aにおいては、励起光により蛍光物質が励起されて蛍光が発生するとともに、励起光の有無に関わらず発光物質からの発光も発生している。
標本Aから発せられた蛍光および発光は、対物レンズ5によって集光され、分光部21によって3つの異なる波長帯域に分離され、それぞれの蛍光成分および発光成分が3つの別々の検出器7a〜7cにより撮影される。これにより、各検出器7a〜7cにより取得された3つの第2の画像は、蛍光および発光を含む蛍光発光画像となっており、画像処理部8に送られる。
画像処理部8は、検出器7a〜7cから第1の画像および第2の画像が送られてきたときに、コントローラ9からの指令に従い、画像処理を行う(第3のステップS3)。画像処理部8は、まず第1に、3つの第1の画像から発光スペクトルXを生成し、3つの第2の画像から発光蛍光スペクトルZを画素毎に生成する。
次いで、画像処理部8は、生成された発光スペクトルXおよび発光蛍光スペクトルZと、既知の蛍光スペクトルYとが以下の関係式を満たすものとしてアンミキシング処理を行い、未知の係数α,βを画素毎に算出する。
αX+βY=Z
なお、既知の蛍光スペクトルYは、蛍光だけのサンプルで事前に測定するか、蛍光だけが発している部分のスペクトルを使用する。
そして、画像処理部8は、算出された係数α,βを用いて、各画素の信号に含まれている蛍光信号を算出し、蛍光画像を生成する。
すなわち、発光蛍光スペクトルZに含まれる発光スペクトルXと蛍光スペクトルYとの割合が係数α,βの算出によって明らかとなるので、発光成分が除去された蛍光画像を生成することができる。このようにすることで、空間的に蛍光成分と発光成分とが重なっている場合においても発光成分を除去した蛍光画像を生成することができるという利点がある。
なお、本実施形態においては、単一の発光物質および単一の蛍光物質が標本Aに含有されているものとして説明したが、これに代えて、複数の発光物質および/または複数の蛍光物質が標本Aに含有されている場合に適用してもよい。
この場合には、それぞれの発光物質の発光スペクトルおよび/またはそれぞれの蛍光物質の蛍光スペクトルを生成する必要がある。
例えば、各発光物質からの発光のみが取得されている画素を抽出して、当該画素における発光の輝度の波長分布をプロットすることにより簡易に発光スペクトルX,X,…,Xを生成することができる。また、各蛍光物質からの蛍光のみが取得されている画素を抽出して、当該画素における蛍光の輝度の波長分布をプロットすることにより簡易に蛍光スペクトルY,Y,…,Yを生成することができる。
したがって、下式を用いてアンミキシング処理を行うことにより、各発光スペクトルX,X,…,Xと蛍光スペクトルY,Y,…,Yとの混合比率を表す係数α,α,…,α,β,β,…,βを画素毎に算出し、算出された係数α,α,…,α,β,β,…,βに基づいて、発光成分が除去された蛍光画像を生成することができる。
α+α+…+α+β+β+…+β=Z
ここで、α,α,…,α,β,β,…,βは未知の係数である。
また、上記各実施形態においては、検出器7a〜7cとして撮像素子を用いた場合について説明したが、これに代えて、図3に示されるように、光電子増倍管のような光検出器22a〜22cを採用し、レーザ光源2からの光を2次元的に走査するスキャナ23を備える光走査型共焦点顕微鏡に適用することにしてもよい。この場合には、スキャナ23による励起光の走査位置と、光検出器22a〜22cにより検出された蛍光および発光の強度とを画像処理部8において対応づけることにより、蛍光画像および発光蛍光画像を生成すればよい。発光画像の取得には、シャッタ3を閉じて励起光を照射することなくスキャナ23を駆動する、いわゆる、空スキャンによって、標本Aからの発光強度とスキャナ23の走査位置とを対応づければよい。
また、本実施形態においては、発光蛍光画像の取得に先立って、シャッタ3を閉じることでレーザ光源2からの励起光を遮断した状態で発光画像を取得することとしたが、アンミキシング処理により発光蛍光画像から蛍光画像を抽出する場合には、シャッタ3は備えられていなくてもよい。すなわち、発光物質の発光スペクトルは、予め励起光を照射することなく取得しておくことができるので、このようにして取得された発光スペクトルを記憶しておき、励起光を照射して取得された発光蛍光スペクトルから蛍光スペクトルを分離する際に、記憶されていた発光スペクトルを用いてアンミキシング処理を行うことにすればよい。
また、分光部21を複数のダイクロイックミラー21a,21b等によって構成したものを例示したが、これに代えて、回折格子と可動スリットを備えた分光部や、フィルタを切り替える方式の分光部を採用してもよい。
A 標本
1,20 測定装置
2 レーザ光源(励起光源)
3 シャッタ
7,7a,7b,7c 検出器(画像取得部)
8 画像処理部
10 照明光学系
21 分光部
22a,22b,22c 光検出器(画像取得部)
23 スキャナ(画像取得部)

Claims (9)

  1. 励起光源からの励起光を標本に照射する照明光学系と、
    前記標本において発生する光を測定して画像を取得する画像取得部と、
    励起光を照射することなく前記画像取得部により取得された第1の画像と、励起光を照射して前記画像取得部により取得された第2の画像とに基づいて、前記第2の画像から発光成分を除去した蛍光画像を生成する画像処理部とを備え
    前記第1の画像が、前記標本に含まれる発光物質による発光成分のみを含む発光画像であり、
    前記第2の画像が、前記発光成分および蛍光成分の両方を含む蛍光発光画像である測定装置。
  2. 前記画像取得が、前記標本において発生する光を分光する分光部を備える請求項1に記載の測定装置。
  3. 前記画像処理部が、前記第2の画像から前記第1の画像を減算する請求項1または請求項2に記載の測定装置。
  4. 前記画像処理部が、前記第1の画像と前記第2の画像とに基づいてアンミキシング処理を行う請求項2に記載の測定装置。
  5. 前記照明光学系が励起光を遮断するシャッタを備え、
    該シャッタを閉じて励起光を遮断した状態で、前記画像取得部により取得された画像を第1の画像とし、前記シャッタを開いて励起光を照射した状態で前記画像取得部により取得された画像を第2の画像とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の測定装置。
  6. 励起光を照射することなく標本を撮影して第1の画像を取得する第1のステップと、
    励起光を照射した状態で標本を撮影して第2の画像を取得する第2のステップと、
    前記第1のステップにおいて取得された第1の画像と、前記第2のステップにおいて取得された第2の画像とに基づいて、第2の画像から発光成分を除去した蛍光画像を生成する第3のステップとを含み、
    前記第1の画像が、前記標本に含まれる発光物質による発光成分のみを含む発光画像であり、
    前記第2の画像が、前記発光成分および蛍光成分の両方を含む蛍光発光画像である蛍光測定方法。
  7. 前記第1のステップが、前記標本において発生する光を分光して第1の画像を取得し、
    前記第2のステップが、前記標本において発生する光を分光して第2の画像を取得する
    請求項6に記載の蛍光測定方法。
  8. 前記第3のステップが、前記第2の画像から前記第1の画像を減算する請求項6または請求項7に記載の蛍光測定方法。
  9. 前記第3のステップが、前記第1の画像と前記第2の画像とに基づいてアンミキシング処理を行う請求項7に記載の蛍光測定方法。
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