JP6960053B2 - 画像処理装置および培養評価システム - Google Patents
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Description
本発明の一態様は、培養容器内で培養される細胞の画像を解析し、該画像内の個々の細胞の分裂回数を取得する細胞解析部と、該細胞解析部によって取得された前記細胞の分裂回数から、前記画像内の細胞の分化能を表す統計値を算出する統計解析部とを備え、該統計解析部が、前記分裂回数の度数分布を作成し、前記統計値が、前記度数分布の偏りを表す画像処理装置である。
培養容器内で細胞が良好に分裂を繰り返している場合、度数分布の偏りはない(分布の形状が対称)か、または、分裂回数の多い側に度数分布は偏る。一方、培養容器内で細胞が死んだり分裂を停止したりしている場合、分裂回数の少ない側に度数分布は偏る。
、該画像取得部によって取得された前記画像を処理する画像処理装置とを備え、該画像処理装置が、前記画像を解析し、該画像内の個々の細胞の分裂回数を取得する細胞解析部と、該細胞解析部によって取得された前記細胞の分裂回数から、前記画像内の細胞の分化能を表す統計値を算出する統計解析部とを備え、該統計解析部が、前記分裂回数の度数分布を作成し、前記統計値が、前記度数分布の偏りを表す培養評価システムである。
本発明のさらに他の態様は、培養容器内で培養される細胞の画像を取得すること、取得された前記画像を解析し、該画像内の個々の細胞の分裂回数を取得すること、取得された前記細胞の分裂回数から、前記画像内の細胞の分化能を表す統計値の算出を行うこと、を行う培養評価方法であって、前記統計値の算出では、前記分裂回数の度数分布を作成し、前記統計値は前記度数分布の偏りを表すものである、培養評価方法である。
統計値として歪度を用いることによって、分裂回数の度数分布の偏りをより正確に評価することができる。
歪度と他の統計値とを組み合わせることによって、培養容器内の細胞の分裂回数をより正確に評価することができる。
この構成によって、細胞数を度数とする度数分布に基づいて、分裂回数間の細胞数の偏りを評価することができる。
細胞の分裂回数は、培養期間が長い程、多くなる。したがって、度数分布における分裂回数の度数が、画像内の各分裂回数の細胞数である場合、培養期間の長さに応じて統計値が異なる。そのため、培養期間の長さが異なる複数の培養間で統計値を単純に比較することが難しい。度数を培養開始時の細胞の数に換算することによって、培養期間の長さが異なる複数の培養間で統計値を容易に比較することができる。
周囲の細胞に比べて分裂回数が著しく多いまたは少ない細胞が培養容器内に局所的に存在する場合、一部の領域の分裂回数の代表値が他の領域の代表値とは大きく異なる。このような培養容器内での分裂回数の空間的なばらつきを、代表値の領域数を度数とする度数分布の統計値に基づいて評価することができる。
表示部に表示された統計値と参照データとを相互に比較することによって、細胞の状態を客観的に評価することができる。
この構成によって、作業者は、統計値の経時的変化に基づいて、培養容器内の細胞の分裂能および分化能の経時的変化を評価することができる。また、作業者は、統計値の経時的変化を参照データと容易に比較することができる。
この構成によって、作業者は、比較判断部による分化能の判断結果に基づいて、細胞の分化能をより客観的に評価することができる。
この構成によって、記録部に記録された統計値を解析等に使用することができる。
この構成によって、比較判断部は、細胞の分化能をより適切に判断することができる。
この構成によって、作業者は、統計値と合格範囲との比較に基づき、細胞の分化能をより客観的に評価することができる。
培養後の細胞を使用して実験を行った後、実験結果に基づいて細胞の分化能の最終的な評価が分かる。この評価結果を統計値と関連付けて記録することで、細胞の分化能の評価結果と統計値との相関に関する情報が記録部に蓄積される。作業者は、このように蓄積された情報を参照することで、現在培養している細胞の分化能をより正確に評価することができる。
このように過去の培養において取得された統計値および評価結果を参照することで、比較判断部は現在培養中の細胞の分化能をより正確に判断することができる。
この構成によって、作業者は、未来における細胞の分化能の予測結果に基づいて、培養を継続するか否かを判断することができる。
本発明の第1の実施形態に係るに培養評価システムについて図面を参照して説明する。
本実施形態に係る培養評価システム100は、図1に示されるように、培養容器A内の細胞Bの画像を取得する培養観察装置(画像取得部)1と、培養観察装置1によって取得された画像を処理するパーソナルコンピュータ(PC)2と、培養観察装置1によって取得された画像およびPC2による処理結果等を表示する表示部3とを備えている。符号5は、インキュベータを示している。
培養容器Aは、例えば、細胞培養用のフラスコであり、光学的に透明な材質から形成されている。
ベース6の上板6aは、透明な材質からなる平坦な部材であり、培養容器Aが載置されるステージとして使用される。
光源部7は、ステージ6a上の培養容器Aに向かって照明光Lを射出し、培養容器A内の細胞Bを照明光Lで照明する。例えば、光源部7は、ステージ6aよりも上方の位置に配置され、ステージ6aに平行な方向に照明光Lを射出する。
制御部10は、PC2からの制御信号を送受信部9を経由して受信し、制御信号に従って光源部7および撮像部8を制御する。例えば、制御部10は、時刻を計時するタイマ(図示略)を備えており、作業者によって設定された撮影時刻に設定された撮影位置で画像を取得するように、光源部7および撮像部8を制御する。
表示部3は、液晶モニタのような表示装置である。表示部3は、PC2から受信した表示データを表示させる。
入力装置4は、キーボードおよびマウスのような入力デバイスである。
記録部11は、例えば、PC2に外付けされた記憶装置である。記録部11は、PC2に内蔵された記憶装置であってもよい。
まず、下式(1),(2),(3)に従って、平均分裂回数μ、分散σ2、および標準偏差σを計算する。ここで、k(k=0,1,2,…,kmax)は細胞の分裂回数であり、kmaxはある撮影時刻における分裂回数の最大値である。撮影開始時の全ての細胞の分裂回数kはゼロである。Nk(Nk=N0,N1,N2,…,Nkmax)は、分裂回数がk回の細胞数であり、Nは、全細胞数(すなわち、N=N0+N1+N2+…+Nkmax)である。
本実施形態に係る培養評価システム100を用いて、細胞Bの培養状態を評価するには、細胞Bおよび培地Cを収容した培養容器Aをステージ6a上に載置し、培養観察装置1を培養容器Aと一緒にインキュベータ5内に配置し、インキュベータ5内の温度および湿度が管理された環境下で培養容器A内の細胞Bの培養を開始する。
具体的には、細胞解析部24において、画像内の個々の細胞Bが検出される。解析対象の画像が、最初の撮影時刻の画像である場合、個々の細胞Bの分裂回数はゼロ回と計算される。解析対象の画像が、2回目以降の撮影時刻の画像である場合、それまでに取得された画像との比較に基づいて、個々の細胞Bの分裂回数が計算される。
次に、統計解析部25において、各分裂回数の細胞数を表すヒストグラムが作成され、ヒストグラムの歪度が算出される
また、図13に示されるように、表示部3には、歪度の数値表示に代えて、またはこれに加えて、それまでに算出された歪度の経時的変化を表すグラフが表示されてもよい。
正規化された細胞数とは、分裂回数kの細胞数を2kで割った数である。細胞数を2kで割ることによって、分裂回数kの細胞数が、培養開始時の細胞数に換算される。
細胞数を2kで割ることに代えて、細胞数の対数をとってもよい。
本変形例において、ヒストグラムの分散からも、培養容器A内の細胞Bの分化能の空間的なばらつきを判断することができる。したがって、歪度に代えて、ヒストグラムの分散を算出してもよい。
統計解析部25は、各分裂回数の細胞Bが画像内に占める面積を、個々の細胞Bの面積から算出してもよい。個々の細胞Bの面積(ピクセル数)の算出には、例えば、Watershedアルゴリズムが使用される。
図17Aは、分化能が低い(分裂回数が少ない)細胞集団の分裂回数のヒストグラムを示し、図17Bは、分化能が高い細胞集団の分裂回数のヒストグラムを示している。2つのヒストグラムは、分裂回数において相互に異なるが、形状において相互に同一である。歪度は、分布の形状を表わす指標である。したがって、2つの細胞集団の分化能の違いを歪度に基づいて明確に区別することは難しい。一方、分裂回数の平均値は、各細胞集団の分裂回数を直接的に表す指標であるので、2つの細胞集団の分化能の違いを平均値に基づいて明確に区別することができる。
尖度は、分布の鋭さを表す統計値である。尖度Kurtは、下式(5)に従って算出される。下式(5’)で定義される尖度Kurtを算出してもよい。
統計値は、平均値、最頻値および中央値の中の任意の2つの差分であってもよい。
培養時間の経過に伴って、細胞Bの分裂能は変化し得る。細胞Bの分裂能の経時的変化に応じて歪度の傾きも変化する。例えば、培養時間の経過に伴って分裂しない細胞Bが増えると、歪度の傾きが正になる。したがって、歪度の傾きに基づいて、細胞Bの分裂能の経時的変化を評価することができる。
次に、本発明の第2の実施形態に係る培養評価システムについて図面を参照して説明する。
本実施形態の説明において、第1の実施形態と異なる構成について説明し、第1の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
参照データ入力部12は、例えば、PC2に接続された入力装置4である。作業者は、参照データ入力部12を使用して参照データをPC2に入力することができる。PC2に入力された参照データは、記録部11に記録される。参照データは、例えば、作業者のそれまでの経験等に基づいて決定された統計値の標準的な値を含む。参照データは、統計値の標準的な範囲の最大値および最小値、または、統計値の経時的変化を表すグラフを含んでいてもよい。
次に、本発明の第3の実施形態に係る培養評価システムについて図面を参照して説明する。
本実施形態の説明において、第1および第2の実施形態と異なる構成について説明し、第1および第2の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
PC2内の画像処理部22は、細胞解析部24および統計解析部25に加えて、比較判断部26を備えている。
参照データは、例えば、図24Aに示されるように、統計値の標準的な値である。比較判断部26は、統計値が参照データ以下である場合には合格と判断し、統計値が参照データよりも大きい場合には不合格と判断する。
本実施形態によれば、第1および第2の実施形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。すなわち、現在の培養における統計値と参照データとの比較に基づいて、現在の培養の合否が培養評価システム300によって判断される。作業者は、表示部3に表示された統計値および判断結果に基づいて、細胞Bの状態をより客観的に評価することができる。
次に、本発明の第4の実施形態に係る培養評価システムについて図面を参照して説明する。
本実施形態の説明において、第1から第3の実施形態と異なる構成について説明し、第1から第3の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
評価入力部13は、例えば入力装置4である。評価入力部13は、培養後の細胞Bの評価結果を培養の識別子と関連付けて作業者が入力することができるようになっている。作業者は、培養後の細胞Bを使用した実験の成否に基づいて当該細胞Bの分化能が良好であったか、または不良であったかを評価し、その評価結果を評価入力部13に入力する。入力された評価結果は、PC2から記録部11に送信され、図26に示されるように、培養の識別子と関連付けて記録部11のデータベースに記録される。
参照データ生成部27は、記録部11に記録された、過去の培養において取得された統計値のデータを読み出し、実験が成功した(すなわち、培養後の細胞Bの評価が良好であった)培養の統計値のデータから参照データを生成し、実験に失敗した(すなわち、培養後の細胞Bの評価が不良であった)培養の統計値のデータから参照データを生成する。参照データは、例えば、統計値の一覧である。参照データは、複数の統計値の加算平均、多項式近似、サポートベクターマシン(SVM)、深層学習等によって生成されてもよい。
また、比較判断部26は、未来の統計値を予測部28から受信し、未来の統計値を合格範囲と比較し、未来の統計値が合格範囲内に位置する場合には合格と判断し、未来の統計値が合格範囲外に位置する場合には不合格と判断する。
比較判断部26による現在および未来の判断結果は、記録部11のデータベースに記録される。
例えば、細胞Bの分裂回数の計測に、CFSE(carboxyfluorescein succinimidyl ester)dilution法を用いてもよい。CFSEは、蛍光色素である。CFSEが導入された細胞の蛍光強度は、図28に示されるように、分裂する度に半減する。したがって、細胞BのCFSEの蛍光強度から、その細胞の分裂回数を推定することができる。図28において、1つの丸は1個の細胞Bを表し、ハッチングのピッチの違いは蛍光強度の違いを表し、数字は分裂回数を表している。
例えば、1つの培養容器内で培養され同一の分化能を有すると期待される細胞集団を2つの条件群に分け、一方の条件群を通常の培養条件下で培養し、他方の条件群を試薬を添加した培地で培養し、各条件群の統計値を算出する。そして、2つの条件群の統計値の差異に基づいて、添加された試薬の効果を定量的に検証することができる。
また、各条件群をマルチウェルプレートで培養し、各ウェル内の細胞の合否を本発明の方法によって判断する。そして、合格と判断されたウェル数の割合によって、添加された試薬の効果を定量化することができる。
2 パーソナルコンピュータ
3 表示部
4 入力装置
11記録部
12 参照データ入力部
13 評価入力部
21 制御部
22 画像処理部(画像処理装置)
23 表示生成部
24 細胞解析部
25 統計解析部
26 比較判断部
27 参照データ生成部
28 予測部
100,200,300,400 培養評価システム
A 培養容器
B 細胞
Claims (17)
- 培養容器内で培養される細胞の画像を解析し、該画像内の個々の細胞の分裂回数を取得する細胞解析部と、
該細胞解析部によって取得された前記細胞の分裂回数から、前記画像内の細胞の分化能を表す統計値を算出する統計解析部とを備え、
該統計解析部が、前記分裂回数の度数分布を作成し、前記統計値が、前記度数分布の偏りを表す画像処理装置。 - 培養容器内で培養される細胞の画像を取得する画像取得部と、
該画像取得部によって取得された前記画像を処理する画像処理装置とを備え、
該画像処理装置が、
前記画像を解析し、該画像内の個々の細胞の分裂回数を取得する細胞解析部と、
該細胞解析部によって取得された前記細胞の分裂回数から、前記画像内の細胞の分化能を表す統計値を算出する統計解析部とを備え、
該統計解析部が、前記分裂回数の度数分布を作成し、前記統計値が、前記度数分布の偏りを表す培養評価システム。 - 前記統計解析部が、前記統計値として、前記度数分布の歪度を算出する請求項2に記載の培養評価システム。
- 前記統計解析部が、前記統計値として、前記度数分布の平均値、中央値、最頻値、分散および尖度の内、少なくとも1つをさらに算出する請求項3に記載の培養評価システム。
- 前記細胞解析部が、前記度数分布として、各前記分裂回数の細胞数を表す度数分布を作成する請求項2から請求項4のいずれかに記載の培養評価システム。
- 各前記分裂回数の細胞数が、培養開始時の状態に換算された数である請求項5に記載の培養評価システム。
- 前記細胞解析部が、前記画像を複数の領域に分割し、各該領域内の個々の細胞の分裂回数を取得し、
前記統計解析部が、各前記領域の分裂回数の代表値を算出し、前記度数分布として、各前記代表値の領域数を表す度数分布を作成する請求項2から請求項4のいずれかに記載の培養評価システム。 - 前記統計値の参照データを記録した記録部と、
前記統計値と前記参照データとを相互に比較可能に表示する表示部とを備える請求項2から請求項7のいずれかに記載の培養評価システム。 - 前記画像取得部が、前記培養容器内の画像を経時的に取得し、
前記統計解析部が、前記統計値の経時的変化を算出し、
前記表示部が、前記統計値の経時的変化と前記参照データとを比較可能に表示する請求項8に記載の培養評価システム。 - 前記統計解析部によって算出された前記統計値と前記参照データとの比較に基づいて、前記培養容器内の細胞の分化能を判断する比較判断部を備える請求項8または請求項9に記載の培養評価システム。
- 前記記録部が、前記統計解析部によって算出された前記統計値をさらに記録する請求項8から請求項10のいずれかに記載の培養評価システム。
- 前記参照データが、前記統計値に対して設定された下限値および上限値を含み、
前記比較判断部が、前記統計解析部によって算出された前記統計値と前記上限値および前記下限値との比較に基づいて、前記培養容器内の細胞の分化能を判断する請求項10に記載の培養評価システム。 - 前記表示部が、前記下限値および前記上限値によって画定される合格範囲を表示する請求項12に記載の培養評価システム。
- 培養後の細胞の評価結果を作業者が入力する評価入力部を備え、
前記記録部が、前記評価入力部に入力された前記評価結果を、評価対象の細胞の培養において前記統計解析部によって算出された前記統計値と関連付けて記録する請求項10、請求項12および請求項13のいずれかに記載の培養評価システム。 - 前記比較判断部が、前記培養容器内の細胞の現在の統計値と、前記記録部に前記評価結果と関連付けて記録され過去の培養において取得された前記統計値との比較に基づいて、前記培養容器内の細胞の分化能を判断する請求項14に記載の培養評価システム。
- 現在の前記培養容器内の細胞の画像から得られた統計値に基づいて未来の統計値を予測する予測部を備え、
前記比較判断部が、前記予測部によって予測された前記未来の統計値と前記下限値および前記上限値との比較に基づいて、未来における細胞の分化能を判断する請求項12または請求項13に記載の培養評価システム。 - 培養容器内で培養される細胞の画像を取得すること、
取得された前記画像を解析し、該画像内の個々の細胞の分裂回数を取得すること、
取得された前記細胞の分裂回数から、前記画像内の細胞の分化能を表す統計値の算出を行うこと、を行う培養評価方法であって、
前記統計値の算出では、前記分裂回数の度数分布を作成し、前記統計値は前記度数分布の偏りを表すものである、培養評価方法。
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