JP7055098B2 - フォトルミネセンス撮像のための徹照ベースの自動フォーカシングを備えた顕微鏡システム - Google Patents
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Description
本出願は、2015年10月19日に出願された米国出願番号第14/886,998号に基づく利益を主張しており、この仮出願の内容は、その全体が参考として本明細書中に援用される。
細胞は、多くの研究および臨床用途において撮像される。例えば、細胞は、とりわけ、高スループットスクリーンリーニングにおいてエフェクタに暴露される、生理学的プロセスを研究するためのモデルシステムとしての役割を果たし得るか、または疾患診断のための臨床サンプルを構成し得る。特に着目される細胞特徴は、細胞内または細胞上に存在する局在化標的に選択的に結合する蛍光染料で染色することによって、可視化されることができる。染色された細胞は、励起光による照明および結果として生じる蛍光放射の検出によって撮像されることができる。
本開示は、生物学的細胞を含むサンプルを撮像するための顕微鏡システムおよび方法を提供する。例示的方法では、サンプルを通って透過する光は、画像の第1のスタックを収集するための焦点位置の第1のセットに関して検出されてもよい。焦点測量の値が、画像の第1のスタックに関して計算されてもよい。候補焦点位置が、値に基づいて判定されてもよい。フォトルミネセンスが、画像の第2のスタックを収集するための焦点位置の第2のセットに関してサンプルから検出されてもよい。焦点位置の第2のセットは、焦点位置の第1のセットより小さい範囲を画定してもよい。焦点位置の第2のセットの少なくとも1つの焦点位置は、候補焦点位置に基づいてもよい。言い換えると、候補焦点位置は、好適なフォトルミネセンス焦点位置を見出すためのガイドとしての役割を果たし得る。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
生物学的細胞を含むサンプルを撮像する方法であって、
画像の第1のスタックを収集するために、焦点位置の第1のセットに関して前記サンプルを通って透過する光を検出するステップと、
前記画像の第1のスタックに関する焦点測量の値を計算するステップと、
前記値に基づいて、候補焦点位置を判定するステップと、
画像の第2のスタックを収集するために、焦点位置の第2のセットに関する前記サンプルからのフォトルミネセンスを検出するステップであって、前記焦点位置の第2のセットは、前記焦点位置の第1のセットより小さい範囲を画定し、前記焦点位置の第2のセットの少なくとも1つの焦点位置は、前記候補焦点位置に基づく、ステップと、
を含む、方法。
(項目2)
前記焦点位置の第2のセットは、前記焦点位置の第1のセットより小さいステップサイズを有する、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記焦点位置の第2のセットの初期焦点位置においてのみ検出されたフォトルミネセンスに基づいて、前記画像の第2のスタックの各画像について、暴露時間を判定するステップをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目4)
前記サンプルのデジタル位相画像を作成するために、前記第1のスタックの少なくとも2つの画像を組み合わせるステップをさらに含み、前記第1のスタックの対の前記少なくとも2つの画像は、それぞれ、前記候補焦点位置の上方および下方にある焦点位置を表す、項目1に記載の方法。
(項目5)
画像領域を含む、複合フォトルミネセンス画像を作成するために、前記画像の第2のスタックの複数の画像を組み合わせるステップをさらに含み、前記画像領域はそれぞれ、主にまたは排他的に、前記画像領域のための最良の焦点を有する前記複数の画像のうちの1つによって提供される、項目1に記載の方法。
(項目6)
前記候補焦点位置は、前記焦点測量に関する対のピークの中間にあって、候補焦点位置を判定するステップは、(i)曲線を、前記焦点測量の値によって画定されたデータ点および前記画像の第1のスタックに関する焦点位置の第1のセットにフィッティングするステップと、(ii)前記候補焦点位置を、前記曲線から得るステップとを含む、項目1に記載の方法。
(項目7)
前記曲線は、前記焦点位置の第1のセットによって画定された範囲内の単一ピークを有し、前記候補焦点位置を判定するステップは、前記単一ピークの頂点に関する焦点位置を見出すステップを含む、項目6に記載の方法。
(項目8)
(i)前記画像の第2のスタックに関する焦点測量の値を計算するステップと、(ii)前記画像の第2のスタックに関する前記値に基づいて、前記サンプルからフォトルミネセンスを検出するための最良の焦点位置を見出すステップとをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目9)
前記最良の焦点位置を見出すステップは、前記焦点位置のより小さい範囲内のフォトルミネセンスコントラストに関するピークを識別するステップを含む、項目8に記載の方法。
(項目10)
前記最良の焦点位置を見出すステップは、前記焦点位置の第2のセットの焦点位置のうちの1つを前記ピークの頂点に最も近い最良の焦点位置として選択するステップを含む、項目9に記載の方法。
(項目11)
前記最良の焦点位置を見出すステップは、前記焦点位置の第2のセットの各焦点位置と異なる最良の焦点位置を選択するステップを含む、項目8に記載の方法。
(項目12)
前記焦点位置の第2のセットに関する前記サンプルからフォトルミネセンスを検出するステップは、フォトルミネセンス画像のセットを収集するために、所定の数の焦点位置からフォトルミネセンスを検出するステップと、コントラストピークが前記フォトルミネセンス画像のセットから識別可能であるかどうかを判定するステップとを含む、項目1に記載の方法。
(項目13)
前記コントラストピークが前記所定の数の焦点位置から識別可能ではない場合、コントラストピークがフォトルミネセンス画像の拡張されたセットから識別可能になるまで、1つまたはそれを上回るフォトルミネセンス画像の拡張されたセットを作成するために、1つまたはそれを上回る焦点位置を前記所定の数の焦点位置に追加するステップをさらに含む、項目12に記載の方法。
(項目14)
前記光を検出するステップ、前記値を計算するステップ、前記候補焦点位置を判定するステップは、サンプルホルダによって作成された2つまたはそれを上回る場所に関して行われ、前記2つまたはそれを上回る場所は、相互から水平に分離され、前記サンプルホルダは、前記2つまたはそれを上回る場所のそれぞれを光学軸上に設置するように移動可能なステージによって支持され、前記2つまたはそれを上回る場所を通って透過する光の検出に基づいて、前記ステージの傾斜を判定するステップをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目15)
前記ステージの傾斜に基づいて、前記サンプルホルダの少なくとも1つの他の場所に関する焦点位置の範囲を選択するステップをさらに含む、項目14に記載の方法。
(項目16)
前記サンプルは、ステージによって支持されるサンプルホルダによって保持され、前記ステージは、前記サンプルホルダの異なる場所を光学軸上に設置するために移動可能であって、前記ステージは、複数の基準を含み、前記基準を撮像し、前記段ステージの進行傾斜を判定するために、ステップをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目17)
生物学的細胞を含むサンプルを撮像する方法であって、
画像のスタックを収集するために、焦点位置のセットに関して前記サンプルを通って透過する光を検出するステップと、
前記画像のスタックに関する焦点測量の値を計算するステップと、
前記値に基づいて、候補焦点位置を判定するステップと、
前記候補焦点位置に基づいて、フォトルミネセンス焦点位置を得るステップと、
前記フォトルミネセンス焦点位置において前記サンプルのフォトルミネセンス画像を検出するステップと、
を含む、方法。
(項目18)
前記フォトルミネセンス焦点位置を得るステップは、(i)前記候補焦点位置を前記フォトルミネセンス焦点位置として割り当てるステップ、または(ii)所定のオフセットを前記候補焦点位置に適用することによって、前記フォトルミネセンス焦点位置を計算するステップを含む、項目17に記載の方法。
(項目19)
前記候補焦点位置は、前記焦点測量に関する対のピークの中間にあって、候補焦点位置を判定するステップは、(i)曲線を焦点測量の値によって画定されたデータ点および前記画像のスタックに関する前記焦点位置のセットにフィッティングするステップと、(ii)前記候補焦点位置を前記曲線から得るステップとを含む、項目17に記載の方法。
(項目20)
前記曲線は、前記焦点位置のセットによって画定された範囲内の単一ピークを有し、候補焦点位置を判定するステップは、前記単一ピークの頂点に関する焦点位置を見出すステップを含む、項目19に記載の方法。
本開示は、生物学的細胞を含むサンプルを撮像するための顕微鏡システムおよび方法を提供する。例示的方法では、サンプルを通って透過する光は、画像の第1のスタックを収集するための焦点位置の第1のセットに関して検出されてもよい。焦点測量の値が、画像の第1のスタックに関して計算されてもよい。候補焦点位置が、値に基づいて判定されてもよい。フォトルミネセンスが、画像の第2のスタックを収集するための焦点位置の第2のセットに関してサンプルから検出されてもよい。焦点位置の第2のセットは、焦点位置の第1のセットより小さい範囲を画定してもよい。焦点位置の第2のセットの少なくとも1つの焦点位置は、候補焦点位置に基づいてもよい。言い換えると、候補焦点位置は、好適なフォトルミネセンス焦点位置を見出すためのガイドとしての役割を果たし得る。
本節は、フォトルミネセンス撮像のための例示的顕微鏡システム50の概要を提供し、本システムは、徹照ベースの画像自動焦点化機構を具備する。図1A、1B、2、および3を参照されたい。
本節は、明視野撮像から得られた候補焦点位置に依拠する、フォトルミネセンス撮像の例示的方法を説明する。図4を参照されたい。
以下の実施例は、徹照ベースの自動集束化を用いた顕微鏡撮像システムと、顕微鏡撮像システムを使用する方法とに関連する、本開示の選択された側面および実施形態を説明する。これらの実施例は、例証のために含まれ、本開示の範囲全体を限定または定義することを意図するものではない。
本実施例は、2つの異なるスタック密度において得られた明視野画像のスタックのコントラスト値に基づいたフォトルミネセンス撮像のための候補焦点位置の例示的判定を説明する(図5および6参照)。
本実施例は、フォトルミネセンス撮像のための候補焦点位置および最良の焦点位置の例示的判定を説明し、フォトルミネセンス画像のスタックに関する焦点位置は、明視野(徹照)画像のスタックから判定された候補焦点位置に基づいて選択される(図7参照)。
本実施例は、所定の数のフォトルミネセンス画像から低倍率対物レンズ(4倍)を用いたフォトルミネセンス撮像のための最良の焦点位置の例示的判定を説明する(図8参照)。
本実施例は、可変数のフォトルミネセンス画像からの中間倍率対物レンズ(20倍)を用いたフォトルミネセンス撮像のための最良の焦点の例示的判定を説明する(図9参照)。
本実施例は、例示的基準およびその使用を説明する。基準は、各場所が光学軸上に置かれるとき、サンプルホルダ内の場所を光学軸に沿って相互からオフセットする、ステージ傾斜の補償を促進し得る。基準はまた、または代替として、撮像され、z-軸に沿ったサンプル位置を推定してもよい(図10-12参照)。
本実施例は、一連の見出しがつけられた段落として本開示の選択された実施形態を説明する。
Claims (18)
- 生物学的細胞を含むサンプルを撮像する方法であって、
画像の第1のスタックを収集するために、焦点位置の第1のセットに関して前記サンプルを通って透過する光を検出するステップと、
前記画像の第1のスタックに関する焦点測量の値を計算するステップと、
前記値に基づいて、候補焦点位置を判定するステップと、
画像の第2のスタックを収集するために、焦点位置の第2のセットに関する前記サンプルからのフォトルミネセンスを検出するステップであって、前記焦点位置の第2のセットは、前記焦点位置の第1のセットより小さい範囲を画定し、前記焦点位置の第2のセットの少なくとも1つの焦点位置は、前記候補焦点位置に基づき、前記焦点位置の第2のセットに関する前記サンプルからフォトルミネセンスを検出するステップは、フォトルミネセンス画像のセットを収集するために、所定の数の焦点位置からフォトルミネセンスを検出するステップと、コントラストピークが前記フォトルミネセンス画像のセットから識別可能であるかどうかを判定するステップとを含む、ステップと、
コントラストピークが前記所定の数の焦点位置から識別可能ではない場合、前記コントラストピークがフォトルミネセンス画像の拡張されたセットから識別可能になるまで、フォトルミネセンス画像の1つまたは複数の拡張されたセットを作成するために、1つまたは複数の焦点位置を前記所定の数の焦点位置に追加するステップと
を含み、前記1つまたは複数の焦点位置を追加するステップは、外挿によって前記1つまたは複数の焦点位置のための候補焦点位置を判定するステップを含む、方法。 - 前記焦点位置の第2のセットは、前記焦点位置の第1のセットより小さいステップサイズを有する、請求項1に記載の方法。
- 前記焦点位置の第2のセットの初期焦点位置においてのみ検出されたフォトルミネセンスに基づいて、前記画像の第2のスタックの各画像について、暴露時間を判定するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記サンプルのデジタル位相画像を作成するために、前記第1のスタックの少なくとも2つの画像を組み合わせるステップをさらに含み、前記第1のスタックの対の前記少なくとも2つの画像は、それぞれ、前記候補焦点位置の上方および下方にある焦点位置を表す、請求項1に記載の方法。
- 画像領域を含む、複合フォトルミネセンス画像を作成するために、前記画像の第2のスタックの複数の画像を組み合わせるステップをさらに含み、前記画像領域はそれぞれ、主にまたは排他的に、前記画像領域のための最良の焦点を有する前記複数の画像のうちの1つによって提供される、請求項1に記載の方法。
- 前記候補焦点位置は、前記焦点測量に関する対のピークの中間にあり、前記候補焦点位置を判定するステップは、(i)曲線を、前記焦点測量の値によって画定されたデータ点および前記画像の第1のスタックに関する前記焦点位置の第1のセットにフィッティングするステップと、(ii)前記候補焦点位置を、前記曲線から得るステップとを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記曲線は、前記焦点位置の第1のセットによって画定された範囲内の前記コントラストピークを有し、前記候補焦点位置を判定するステップは、前記コントラストピークの頂点に関する焦点位置を見出すステップを含む、請求項6に記載の方法。
- (i)前記画像の第2のスタックに関する焦点測量の値を計算するステップと、(ii)前記画像の第2のスタックに関する前記値に基づいて、前記サンプルからフォトルミネセンスを検出するための最良の焦点位置を見出すステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記最良の焦点位置を見出すステップは、前記焦点位置のより小さい範囲内のフォトルミネセンスコントラストに関するピークを識別するステップを含む、請求項8に記載の方法。
- 前記最良の焦点位置を見出すステップは、前記焦点位置の第2のセットの焦点位置のうちの1つを前記ピークの頂点に最も近い最良の焦点位置として選択するステップを含む、請求項9に記載の方法。
- 前記最良の焦点位置を見出すステップは、前記焦点位置の第2のセットの各焦点位置と異なる最良の焦点位置を選択するステップを含む、請求項8に記載の方法。
- 前記光を検出するステップ、前記値を計算するステップ、前記候補焦点位置を判定するステップは、サンプルホルダによって作成された2つまたはそれより多い場所に関して行われ、前記2つまたはそれより多い場所は、相互から水平に分離され、前記サンプルホルダは、前記2つまたはそれより多い場所のそれぞれを光学軸上に設置するように移動可能なステージによって支持され、前記2つまたはそれより多い場所を通って透過する光の検出に基づいて、前記ステージの傾斜を判定するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ステージの傾斜に基づいて、前記サンプルホルダの少なくとも1つの他の場所に関する焦点位置の範囲を選択するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記サンプルは、ステージによって支持されるサンプルホルダによって保持され、前記ステージは、前記サンプルホルダの異なる場所を光学軸上に設置するために移動可能であり、前記ステージは、複数の基準を含み、前記ステージの進行傾斜を判定するために、前記基準を撮像するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 生物学的細胞を含むサンプルを撮像する方法であって、
画像のスタックを収集するために、焦点位置のセットに関して前記サンプルを通って透過する光を検出するステップと、
前記画像のスタックに関する焦点測量の値を計算するステップと、
前記値に基づいて、候補焦点位置を判定するステップと、
前記候補焦点位置に基づいて、フォトルミネセンス焦点位置のセットのうちの少なくとも1つのフォトルミネセンス焦点位置を得るステップと、
前記少なくとも1つのフォトルミネセンス焦点位置において前記サンプルのフォトルミネセンス画像のセットを検出するステップであって、前記少なくとも1つのフォトルミネセンス焦点位置において前記サンプルの前記フォトルミネセンス画像のセットを検出するステップは、フォトルミネセンス画像のセットを収集するために、所定の数の前記フォトルミネセンス焦点位置のセットからフォトルミネセンスを検出するステップと、コントラストピークが前記フォトルミネセンス画像のセットから識別可能であるかどうかを判定するステップとを含む、ステップと、
コントラストピークが前記所定の数の前記フォトルミネセンス焦点位置のセットから識別可能ではない場合、前記コントラストピークがフォトルミネセンス画像の拡張されたセットから識別可能になるまで、フォトルミネセンス画像の1つまたは複数の拡張されたセットを作成するために、1つまたは複数のフォトルミネセンス焦点位置を前記所定の数の前記フォトルミネセンス焦点位置のセットに追加するステップと
を含み、前記1つまたは複数のフォトルミネセンス焦点位置を追加するステップは、外挿によって前記1つまたは複数のフォトルミネセンス焦点位置のための候補焦点位置を判定するステップを含む、方法。 - 前記少なくとも1つのフォトルミネセンス焦点位置を得るステップは、(i)前記候補焦点位置を前記フォトルミネセンス焦点位置として割り当てるステップ、または(ii)所定のオフセットを前記候補焦点位置に適用することによって、前記フォトルミネセンス焦点位置を計算するステップを含む、請求項15に記載の方法。
- 前記候補焦点位置は、前記焦点測量に関する対のピークの中間にあり、前記候補焦点位置を判定するステップは、(i)曲線を、前記焦点測量の値によって画定されたデータ点および前記画像のスタックに関する前記焦点位置のセットにフィッティングするステップと、(ii)前記候補焦点位置を前記曲線から得るステップとを含む、請求項15に記載の方法。
- 前記曲線は、前記焦点位置のセットによって画定された範囲内の前記コントラストピークを有し、前記候補焦点位置を判定するステップは、前記コントラストピークの頂点に関する焦点位置を見出すステップを含む、請求項17に記載の方法。
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