JP7318926B2 - Method and apparatus for analyzing elastic property distribution of cells to be measured, and method and apparatus for determining shape parameters of probe of atomic force microscope - Google Patents

Method and apparatus for analyzing elastic property distribution of cells to be measured, and method and apparatus for determining shape parameters of probe of atomic force microscope Download PDF

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Description

本発明は、被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法及び装置に関し、特に固形がんの手術の際に、切除する組織ががん化しているか判断するのに役立つ組織情報をえるのに好適な、被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法及び装置に関する。
また、本発明は、上記の被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法及び装置に用いて好適な、原子間力顕微鏡の探針の形状パラメータを定める方法及び装置に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and apparatus for analyzing the elastic property distribution of cells to be measured, and is particularly suitable for obtaining tissue information useful in determining whether a tissue to be excised is cancerous during surgery for solid cancer. It also relates to a method and apparatus for analyzing elastic property distribution of cells to be measured.
The present invention also relates to a method and apparatus for determining shape parameters of a probe of an atomic force microscope suitable for use in the method and apparatus for analyzing the distribution of elastic properties of cells to be measured.

がん、特に固形がんの手術の際に、切除する組織ががん化しているかどうか、術前にイメージング情報等で判断できると好ましい。またがんと判断された組織を適切に切除することで、転移の可能性も含めた完治の可能性を高めるためにも、がんと思われる組織の切除術中に短時間で、判断または診断できる医療診断機器の登場が望まれている。 During surgery for cancer, particularly solid cancer, it is preferable to be able to determine whether or not the tissue to be resected has become cancerous using imaging information or the like before surgery. In addition, in order to increase the possibility of complete cure, including the possibility of metastasis, by appropriately removing the tissue judged to be cancerous, it is necessary to perform the judgment or diagnosis in a short period of time during the surgical excision of the tissue suspected to be cancerous. The advent of medical diagnostic equipment that can

他方で、原子力顕微鏡(AFM)は細胞の局所的な力学物性計測に広く用いられている。特許文献1及び非特許文献1では、AFMを用いて乳癌のがん細胞の生理検査方法が提案されている。
特許文献2では、細胞力学診断装置の実現に必要とされる計測精度を損なうことなく、多数の細胞の複素弾性率を高速に計測することができる細胞の複素弾性率の計測方法および計測するシステムが提案されている。細胞は、形状を維持する弾性と変形流動する粘性の両方の性質を併せ持つ粘弾性体であるため、細胞の複素弾性率は一定ではなく、時間や周波数の関数となるからである。
On the other hand, atomic force microscopy (AFM) is widely used to measure local mechanical properties of cells. Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 propose a physiological examination method for breast cancer cancer cells using AFM.
Patent document 2 describes a method and system for measuring the complex elastic modulus of cells, which can measure the complex elastic modulus of many cells at high speed without impairing the measurement accuracy required for realizing a cytodynamic diagnostic device. is proposed. Cells are viscoelastic bodies that have both properties of elasticity that maintains their shape and viscosity that deforms and flows. Therefore, the complex elastic modulus of cells is not constant, but is a function of time and frequency.

他方、特許文献3では、がん細胞の弾性特性を精密に解析する技術が提案されている。医療現場のニーズとしては、がん細胞の転移能とがん細胞の硬さの間に負の相関があることがわかってきており、これを受けて、細胞硬化作用を持つ緑茶カテキンなどの物質を使用してがんの転移を抑制するための研究がなされている。このような研究において、候補物質の薬効を精密に評価するためには、候補物質の作用を受けたがん細胞の弾性特性を精密に解析するのに適したAFMを用いた細胞の局所的な力学物性計測技術が提案されている。 On the other hand, Patent Document 3 proposes a technique for precisely analyzing the elastic properties of cancer cells. It has become clear that there is a negative correlation between the metastatic potential of cancer cells and the hardness of cancer cells. is being used to suppress cancer metastasis. In such studies, in order to precisely evaluate the drug efficacy of candidate substances, it is necessary to use AFM, which is suitable for precisely analyzing the elastic properties of cancer cells affected by candidate substances, to localize cells. Mechanical physical property measurement techniques have been proposed.

しかし、従来公知のAFMを用いた細胞の局所的な力学物性計測技術では、がん細胞の摘出手術中の現場で、細胞又は組織の力学特性を計測するには手術中に求められる短時間、例えば5分以内、での組織検査により良性腫瘍か悪性腫瘍かの診断の手助けとなる力学物性情報を得ることが困難であった。
そこで、このような迅速な細胞又は組織の力学特性の計測を可能とする、空間分解能の高い細胞の弾性特性を解析する方法及び装置が必要とされていた。
また、空間分解能の高い細胞の弾性特性を解析する方法及び装置を実現するためには、原子間力顕微鏡の探針形状を非常に正確に知る必要があった。
However, in the conventionally known techniques for measuring the local mechanical properties of cells using AFM, the short time required during surgery to measure the mechanical properties of cells or tissues in the field during surgery to remove cancer cells, For example, within 5 minutes, it was difficult to obtain mechanical property information that would help diagnose benign or malignant tumors by tissue examination.
Therefore, there is a need for a method and apparatus for analyzing the elastic properties of cells with high spatial resolution that enable such rapid measurement of the mechanical properties of cells or tissues.
Also, in order to realize a method and apparatus for analyzing elastic properties of cells with high spatial resolution, it was necessary to know the shape of the probe of the atomic force microscope very accurately.

特許第5809707号公報Japanese Patent No. 5809707 特許第6360735号公報Japanese Patent No. 6360735 特開2019-53019号公報JP 2019-53019 A

Maria Plodinec, et. al.: “The nanomechanical signature of breast cancer”, NATURE NANOTECHNOLOGY, Vol.7, pages 757-765 (2012-10-21)Maria Plodinec, et. al.: “The nanomechanical signature of breast cancer”, NATURE NANOTECHNOLOGY, Vol.7, pages 757-765 (2012-10-21) K. L. Johnson: “Contact Mechanics“, Cambridge University Press (1987)K. L. Johnson: “Contact Mechanics“, Cambridge University Press (1987) 中嶋健、他、『原子間力顕微鏡によるソフトマテリアルの弾性率定量評価法の開発』日本真空学会誌(2013年、第56巻第7号p.258-266)Ken Nakajima, et al., "Development of Quantitative Evaluation Method for Elastic Modulus of Soft Materials Using Atomic Force Microscope," Journal of the Vacuum Society of Japan (2013, Vol. 56, No. 7, pp. 258-266)

本発明は、上述の課題を解決するもので、迅速な細胞又は組織の力学特性の計測を可能とする、空間分解能の高い被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法及び装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、原子間力顕微鏡の探針形状を非常に正確に知ることができる、原子間力顕微鏡の探針の形状パラメータを定める方法及び装置を提供することを目的とする。
The present invention solves the above-mentioned problems, and provides a method and apparatus for analyzing elastic property distribution of cells to be measured with high spatial resolution, which enables rapid measurement of mechanical properties of cells or tissues. aim.
It is also an object of the present invention to provide a method and apparatus for determining the shape parameters of an atomic force microscope tip that can provide a very accurate knowledge of the probe shape of the atomic force microscope.

[1]本発明の被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法は、例えば図4に示すよう、被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法であって、
被測定細胞の表面に原子間力顕微鏡の探針を押し当てた際に得られる、細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値を、前記探針が接触した前記被測定細胞の測定位置座標と共に取得するステップ(201)であって、前記被測定細胞の測定位置座標は、前記被測定細胞の核の上層と前記核の周囲となる部位に配置された前記ステップと、
前記探針の先端形状に応じて定められた形状パラメータと、前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を表すモデル式を用いて、前記探針の押圧位置での前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を計算するステップ(201)と、
前記実測された細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値と、前記モデル式により計算された計算値とを用いて、適合誤差の分散値(Δ)がパラメータRについて最小値となる形状パラメータを演算するステップ(202~205)と、
前記最小値となる形状パラメータを用いて、前記被測定細胞の応力分布又は弾性値分布の少なくとも一方を作成するステップと、
作成された前記被測定細胞の応力分布又は弾性値分布の少なくとも一方に基づいて、前記被測定細胞の核及び核周辺の、応力分布マップ又は弾性値分布マップの少なくとも一方を生成するステップと、
を含む方法。
[1] The method of analyzing the elastic property distribution of cells to be measured according to the present invention is a method of analyzing the elastic property distribution of cells to be measured, for example, as shown in FIG.
Measured values obtained by associating the amount of deformation of the cell and the pressing force of the probe obtained when the probe of the atomic force microscope is pressed against the surface of the cell to be measured are obtained from the measurement target with which the probe is in contact. a step (201) of obtaining together with the measurement position coordinates of the cell, wherein the measurement position coordinates of the cell to be measured are arranged in the upper layer of the nucleus of the cell to be measured and the site surrounding the nucleus;
Using a shape parameter determined according to the shape of the tip of the probe and a model formula representing the relationship between the deformation amount (d) of the cell and the pressing force (F) of the probe, the pressing position of the probe is determined. a step (201) of calculating the relationship between the amount of deformation (d) of the cell at and the pressing force (F) of the probe;
Using the actually measured values obtained by associating the measured amount of deformation of the cell with the pressing force of the probe, and the calculated value calculated by the model formula, the variance value (Δ T ) of the fitting error is calculated with respect to the parameter R a step (202-205) of calculating a shape parameter with a minimum value;
creating at least one of a stress distribution and an elastic value distribution of the cell to be measured using the minimum shape parameter;
generating at least one of a stress distribution map and an elasticity value distribution map of the nucleus of the cell under measurement and around the nucleus based on at least one of the created stress distribution and elasticity distribution of the cell under measurement;
method including.

[2]本発明の被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法において、さらに、前記被測定細胞の核及び核周辺の測定された、応力分布マップと弾性値分布マップの少なくとも一方が、悪性腫瘍の弾性特性範囲に含まれるか正常細胞又は良性腫瘍の弾性特性範囲に含まれるかの閾値と比較する表示を生成するステップを有するとよい。
[3]本発明の被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法において、好ましくは、探針押圧位置での前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を表すモデル式は、
である請求項1又は2に記載の細胞の弾性特性分布を解析する方法。
ここで、Rは探針の先端半径、σは探針押圧位置での前記細胞の応力、νは細胞のポアソン比、Eは弾性率である。
[4] 本発明の被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法において、好ましくは、探針押圧位置での前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を表すモデル式は、
であるとよい。
[2] In the method of analyzing the elastic property distribution of a cell to be measured according to the present invention, at least one of the stress distribution map and the elasticity value distribution map measured in the nucleus and the periphery of the nucleus of the cell to be measured is a malignant tumor. and the elastic property range of normal cells or benign tumors.
[3] In the method of analyzing the elastic property distribution of a cell to be measured according to the present invention, preferably, the relationship between the deformation amount (d) of the cell at the probe pressing position and the pressing force (F) of the probe is expressed. The model formula is
The method for analyzing elastic property distribution of cells according to claim 1 or 2.
Here, R is the tip radius of the probe, σ is the stress of the cell at the position where the probe is pressed, ν is Poisson's ratio of the cell, and E is the elastic modulus.
[4] In the method of analyzing the elastic property distribution of a cell to be measured according to the present invention, preferably, the relationship between the amount of deformation (d) of the cell at the position where the probe is pressed and the pressing force (F) of the probe is expressed. The model formula is
should be

[5]本発明の被測定細胞の弾性特性分布を解析する装置は、被測定細胞の弾性特性分布を解析する解析システムであって、
被測定細胞の表面に原子間力顕微鏡の探針を押し当てた際に得られる、細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値を、前記探針が接触した前記被測定細胞の測定位置座標と共に取得する手段であって、前記被測定細胞の測定位置座標は、前記被測定細胞の核の上層と前記核の周囲となる部位に配置された前記手段と、
前記探針の先端形状に応じて定められた形状パラメータと、前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を表すモデル式を用いて、前記探針の押圧位置での前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を計算する手段と、
前記実測された細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値と、前記モデル式により計算された計算値とを用いて、適合誤差の分散値(Δ)がパラメータRについて最小値となる形状パラメータを演算する手段と、
前記最小値となる形状パラメータを用いて、前記被測定細胞の応力分布又は弾性値分布の少なくとも一方を作成する手段と、
作成された前記被測定細胞の応力分布又は弾性値分布の少なくとも一方に基づいて、前記被測定細胞の核及び核周辺の、応力分布マップ又は弾性値分布マップの少なくとも一方を生成する手段と、
を備える解析システムである。
[5] The apparatus for analyzing the distribution of elastic properties of cells to be measured according to the present invention is an analysis system for analyzing the distribution of elastic properties of cells to be measured,
Measured values obtained by associating the amount of deformation of the cell and the pressing force of the probe obtained when the probe of the atomic force microscope is pressed against the surface of the cell to be measured are obtained from the measurement target with which the probe is in contact. a means for acquiring the measurement position coordinates of the cell together with the measurement position coordinates of the cell, wherein the measurement position coordinates of the cell to be measured are arranged in the upper layer of the nucleus of the cell to be measured and the site surrounding the nucleus;
Using a shape parameter determined according to the shape of the tip of the probe and a model formula representing the relationship between the deformation amount (d) of the cell and the pressing force (F) of the probe, the pressing position of the probe is determined. means for calculating the relationship between the deformation amount (d) of the cell at and the pressing force (F) of the probe;
Using the actually measured values obtained by associating the measured amount of deformation of the cell with the pressing force of the probe, and the calculated value calculated by the model formula, the variance value (Δ T ) of the fitting error is calculated with respect to the parameter R a means for calculating a shape parameter with a minimum value;
means for creating at least one of the stress distribution and the elastic value distribution of the cell to be measured using the minimum shape parameter;
means for generating at least one of a stress distribution map and an elasticity value distribution map of the nucleus and the vicinity of the nucleus of the cell under measurement based on at least one of the created stress distribution and elasticity distribution of the cell under measurement;
It is an analysis system comprising

[6]本発明の被測定細胞の弾性特性分布を解析する解析システムにおいて、さらに、前記被測定細胞の核及び核周辺の測定された、応力分布マップと弾性値分布マップの少なくとも一方が、悪性腫瘍の弾性特性範囲に含まれるか正常細胞又は良性腫瘍の弾性特性範囲に含まれるかの閾値と比較する表示を生成する手段を有するとよい。 [6] In the analysis system for analyzing the elastic property distribution of the cell under measurement of the present invention, at least one of the stress distribution map and the elasticity value distribution map measured in the nucleus and the periphery of the nucleus of the cell under measurement is malignant. Means may be provided for generating an indication for comparison with a threshold value of being within the elastic property range of a tumor or being within the elastic property range of normal cells or benign tumors.

[8]本発明の細胞の弾性特性を解析するための原子間力顕微鏡の探針の形状パラメータを定める方法は、例えば図12、図13に示すよう、被測定細胞の表面上の測定点(x、y)に前記探針を押し当てた際に得られる、前記細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値を取得するステップと、
複数個の取得された前記細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値に対して、前記細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けたモデル式による計算値を演算するステップと、
前記実測値と前記計算値の適合誤差(Δx,y)を求める適合誤差演算ステップ(301)と、
前記探針の先端半径Rをパラメータとする最小適合誤差(Δx,y min)を演算する最小値演算ステップ(302)と、
前記最小値演算ステップで計算された最小適合誤差(Δx,y min)がパラメータRについて最小値か判定する最小値判定ステップ(303)と、
前記最小値判定ステップで最小値でないと判断された時は、前記モデル式の接触応力パラメータを変更するステップ(303)と、
前記適合誤差演算ステップに初期値の接触応力パラメータ又は最小値判定ステップで更新された接触応力パラメータを前記適合誤差演算ステップに設定する接触応力パラメータ設定ステップ(304)と、
前記最小値判定ステップで最小値と判定すれば、適合誤差分散値演算ステップに前記測定点(x、y)の最小適合誤差(Δx,y min)を送る単一測定点の最小適合誤差の送付ステップ(303)と、
前記実測値を取得するステップから前記単一測定点の最小適合誤差の送付ステップまでを、前記被測定細胞の全測定点を対象として繰り返すステップと、
被測定細胞の全測定点を対象として適合誤差の分散値(Δ)を求める適合誤差分散値演算ステップ(305)と、
前記適合誤差分散値演算ステップの演算した適合誤差の分散値(Δ)がパラメータRについて最小値か判定する適合誤差分散値の最小値判定部演算ステップ(306)と、
前記適合誤差分散値の最小値判定部演算ステップで、前記適合誤差の分散値(Δ)が最小値でないと判断されれば、残差演算ステップに前記適合誤差の分散値Δを送るステップ(306)と、
モンテカルロ法によって前記探針の先端半径Rのパラメータを変更して、接触応力パラメータ設定ステップに送る残差演算ステップ(307)と、
を備え、前記適合誤差分散値の最小値判定部演算ステップで、前記適合誤差の分散値(Δ)が最小値と判断されたパラメータRを前記探針の先端形状パラメータとして決定する(306)ものである。
[8] The method of determining the shape parameters of the probe of the atomic force microscope for analyzing the elastic properties of cells of the present invention is, for example, as shown in FIGS. a step of obtaining measured values obtained by associating the amount of deformation of the cell with the pressing force of the probe, which are obtained when the probe is pressed against x, y);
A calculated value by a model formula that associates the deformation amount of the cell with the pressing force of the probe is calculated for a plurality of obtained measured values that associate the deformation amount of the cell with the pressing force of the probe. a computing step;
a fitting error calculation step (301) for obtaining a fitting error (Δ x,y ) between the measured value and the calculated value;
a minimum value calculation step (302) for calculating a minimum fitting error (Δ x, y min ) with the tip radius R of the probe as a parameter;
a minimum value determination step (303) for determining whether the minimum fitting error (Δ x,y min ) calculated in the minimum value calculation step is the minimum value for the parameter R;
a step (303) of changing the contact stress parameter of the model formula when it is determined that the minimum value is not the minimum value in the minimum value determining step;
a contact stress parameter setting step (304) for setting the contact stress parameter of the initial value or the contact stress parameter updated in the minimum value determination step in the step of calculating the fitting error;
If the minimum value determination step determines that the minimum value a sending step (303);
repeating the step of obtaining the measured value to the step of sending the minimum fitting error of the single measurement point for all measurement points of the cell to be measured;
a fitting error variance value calculation step (305) for obtaining the fitting error variance value (Δ T ) for all measurement points of the cell to be measured;
a step (306) of calculating the minimum value of the fitting error variance value determining whether the variance value (Δ T ) of the fitting error calculated in the fitting error variance value computing step is the minimum value for the parameter R;
If it is determined in the step of determining the minimum value of the matching error variance that the variance of the matching error (Δ T ) is not the minimum value, the step of sending the variance of the matching error Δ T to the step of calculating the residual. (306) and
A residual calculation step (307) of changing the parameter of the tip radius R of the probe by the Monte Carlo method and sending it to the contact stress parameter setting step;
and determining the parameter R for which the dispersion value (Δ T ) of the fitting error is determined to be the minimum value in the step of determining the minimum value of the fitting error variance value as the tip shape parameter of the probe (306). It is.

[9]本発明の細胞の弾性特性を解析するための原子間力顕微鏡の探針の形状パラメータを定める方法において、好ましくは、前記原子間力顕微鏡の探針の形状パラメータは、先端半径Rであって、前記先端半径Rを表す式は、次式で表されるとよい。
ここで、Rは探針の先端半径、a、b、c、rは適合パラメータ、zは細胞の高さ方向座標、∂z/∂xは細胞のx軸方向の傾斜、∂z/∂yは細胞のy軸方向の傾斜、dは探針の押圧された細胞の場所における窪み量である、
[10]本発明の細胞の弾性特性を解析するための原子間力顕微鏡の探針の形状パラメータを定める方法において、好ましくは、前記モデル式は、次式で表されるとよい。
ここで、Fは探針の押圧力、Rは探針の先端半径、dは探針押圧位置での細胞の窪み量、σは細胞の膜応力、νは細胞のポアソン比、Eは細胞の弾性率である、
[11]本発明の細胞の弾性特性を解析するための原子間力顕微鏡の探針の形状パラメータを定める方法において、好ましくは、モデル式の接触応力パラメータは、細胞の弾性率Eと細胞の膜応力σを含んでおり、
前記適合誤差(Δx,y)を求める式は、次式で表されるとよい。
ここで、計算値の押圧力F calは、ヘルツ+膜応力モデルの押圧力Fを用い、実測値の押圧力F Expは、窪み量dをパラメータとする。
[9] In the method of determining the shape parameter of the probe of an atomic force microscope for analyzing the elastic properties of cells of the present invention, preferably, the shape parameter of the probe of the atomic force microscope is the tip radius R Therefore, the formula representing the tip radius R is preferably expressed by the following formula.
Here, R is the tip radius of the probe, a, b, c, r are the fitting parameters, z is the height direction coordinate of the cell, ∂z/∂x is the x-axis tilt of the cell, ∂z/∂y is the slope of the cell in the y-axis direction, and d is the amount of depression at the location of the cell pressed by the probe,
[10] In the method of determining shape parameters of the probe of an atomic force microscope for analyzing elastic properties of cells according to the present invention, the model formula is preferably represented by the following formula.
Here, F is the pressing force of the probe, R is the tip radius of the probe, d is the amount of depression of the cell at the position where the probe is pressed, σ is the membrane stress of the cell, ν is the Poisson's ratio of the cell, and E is the thickness of the cell. is the elastic modulus,
[11] In the method of determining the shape parameters of the probe of an atomic force microscope for analyzing the elastic properties of cells of the present invention, preferably, the contact stress parameters of the model formula are the elastic modulus E of the cell and the membrane of the cell contains the stress σ,
The formula for obtaining the matching error (Δ x,y ) is preferably expressed by the following formula.
Here, the pressing force F l cal of the calculated value uses the pressing force F l of the Hertz+membrane stress model, and the pressing force F l Exp of the actual measurement uses the depression amount d as a parameter.

本発明の被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法及び装置は、カンチレバー探針の先端形状に応じて定められた最適なモデル式を用いているので、高い空間分解能でデータ解析ができる。そこで、カンチレバー探針の移動を1回だけとして測定しても、被測定細胞の弾性特性分布を解析が正確に行えるため、迅速な細胞又は組織の力学特性の計測が可能となる。
本発明の原子間力顕微鏡の探針の形状パラメータを定める方法及び装置は、モンテカルロ法等を用いた機械学習により、カンチレバー探針の先端形状に応じて定められたモデル式の形状パラメータを定めているので、原子間力顕微鏡の探針形状を非常に正確に知ることができる。
The method and apparatus of the present invention for analyzing the distribution of elastic properties of cells to be measured uses an optimum model formula determined according to the shape of the tip of the cantilever probe, so data analysis can be performed with high spatial resolution. Therefore, even if the movement of the cantilever probe is performed only once, the distribution of elastic properties of the cells to be measured can be accurately analyzed, so that the mechanical properties of cells or tissues can be rapidly measured.
The method and apparatus for determining the shape parameters of the tip of the atomic force microscope of the present invention determine the shape parameters of the model formula determined according to the tip shape of the cantilever probe by machine learning using the Monte Carlo method or the like. Therefore, the probe shape of the atomic force microscope can be known very accurately.

本発明の一実施例を示す、細胞の弾性解析システムのシステム構成図である。1 is a system configuration diagram of a cell elasticity analysis system showing an embodiment of the present invention; FIG. 押圧力・窪み量の測定データを取得する処理を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the process which acquires the pressing force and the amount of depression measurement data. 被測定細胞の核の直上の表面に格子点状に配置された測定位置を定義する説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram defining measurement positions arranged in a grid on the surface directly above the nucleus of a cell to be measured; 被測定細胞の応力分布と弾性値分布を計算により求める処理を説明するフローチャートである。4 is a flow chart for explaining a process of calculating stress distribution and elastic value distribution of a cell to be measured. AFMチップの探針と細胞体の間の力の相互作用を説明する要部構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of the essential parts for explaining the force interaction between the probe of the AFM tip and the cell body; AFMチップの探針と細胞体の間の各種の力学的モデルを説明する要部拡大図で、力学的な解析情報を含めてある。It is an enlarged view of the main part explaining various mechanical models between the tip of the AFM tip and the cell body, including mechanical analysis information. AFMチップの先端が細胞体の表面形状の傾きに依存した力学的な関係を有することを説明する要部拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view of a main part explaining that the tip of the AFM tip has a mechanical relationship depending on the inclination of the surface shape of the cell body; AFMチップの探針と細胞体の間の各種の力学的モデルに応じた測定値分布を説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining measured value distributions according to various mechanical models between the probe of the AFM tip and the cell body; AFMチップの探針と細胞体の間の各種の力学的モデルに応じた予測値誤差分布を説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining predicted value error distributions according to various mechanical models between the probe of the AFM tip and the cell body; AFMによって形成されたストレスマップによる細胞の生死状態の評価図である。FIG. 10 is an evaluation diagram of the life and death state of cells based on a stress map formed by AFM. (A)被測定細胞の三次元高さ分布状態図と、(B)応力分布、(C)弾性値分布、及び(D)力スペクトルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of (A) a three-dimensional height distribution state diagram of a to-be-measured cell, (B) stress distribution, (C) elastic value distribution, and (D) force spectrum. 本発明の一実施例を示す、AFMチップ形状を最適化するための、細胞体のプレストレスを計算する機械学習アルゴリズムの機能ブロック図である。FIG. 4 is a functional block diagram of a machine learning algorithm for calculating cell body prestress for optimizing AFM tip geometry, illustrating one embodiment of the present invention. 図12の機械学習アルゴリズムの機能ブロック図において、弾性率Eと応力σから適合誤差(フィッティングエラー)Δを計算する第1ループの要部拡大図である。FIG. 13 is an enlarged view of a main part of a first loop for calculating a fitting error (fitting error) Δ from an elastic modulus E and a stress σ in the functional block diagram of the machine learning algorithm of FIG. 12; 様々な接触圧力モデルの細胞の変形量(窪み量:nm)と探針の押圧力(nN)を対応付けの関係を説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the amount of cell deformation (the amount of depression: nm) and the pressing force (nN) of the probe in various contact pressure models. モンテカルロ法で生成された探針形状パラメータを使用した応力の進化マップである。Evolution map of stress using tip shape parameters generated by Monte Carlo method. モンテカルロ法で生成された探針形状パラメータを使用した分散の進化を説明する図である。FIG. 10 illustrates the evolution of dispersion using tip shape parameters generated by the Monte Carlo method;

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。
図1は、本発明の一実施例を示す、細胞の弾性解析システムのシステム構成を模式的に示す。図1に示すように、本実施形態の細胞解析は、原子力間力顕微鏡20(AFM: Atomic Force Microscope)と、コンピュータ10とを含んで構成されている。併せて、細胞とカンチレバーの探針との相対的な位置を調整する位置調整機構として、位置調整駆動部32とコントローラ34を設けてある。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described with reference to the embodiments shown in the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments shown in the drawings. In addition, in each figure referred to below, the same reference numerals are used for common elements, and the description thereof will be omitted as appropriate.
FIG. 1 schematically shows the system configuration of a cell elasticity analysis system showing one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1 , the cell analysis of this embodiment includes an atomic force microscope (AFM) 20 and a computer 10 . In addition, a position adjustment drive unit 32 and a controller 34 are provided as a position adjustment mechanism for adjusting the relative positions of the cell and the probe of the cantilever.

原子力間力顕微鏡20は、半導体レーザー22と、先端にピラミッド型の探針24を備えたカンチレバー23と、フォトディテクタ25と、プリアンプ26とを含んで構成されている。原子力間力顕微鏡20においては、半導体レーザー22から出射したレーザー光がカンチレバー23の背面に照射され、その反射光が4分割された受光面を有するフォトディテクタ25に入射する。これを受けて、フォトディテクタ25から入射光のパワーに比例した電流が出力され、これがプリアンプ26を介して電圧値に変換される。
プリアンプ26は、フォトディテクタ25が有する4分割された各受光面に対応する電圧値のうち、上側2つの受光面に対応する電圧値の和と、下側2つの受光面に対する電圧値の和をとり、さらに、上側2つの受光面に対する電圧値の和と下側2つの受光面に対する電圧値の和の差をとることで、カンチレバー23のたわみ量を電圧値として出力し、出力されたたわみ量を表す電圧値をコンピュータ10に入力する。
An atomic force microscope 20 includes a semiconductor laser 22 , a cantilever 23 having a pyramidal probe 24 at its tip, a photodetector 25 and a preamplifier 26 . In the atomic force microscope 20, a laser beam emitted from a semiconductor laser 22 is irradiated onto the back surface of a cantilever 23, and the reflected light is incident on a photodetector 25 having a four-divided light receiving surface. In response to this, the photodetector 25 outputs a current proportional to the power of the incident light, which is converted to a voltage value via the preamplifier 26 .
The preamplifier 26 obtains the sum of the voltage values corresponding to the upper two light receiving surfaces and the sum of the voltage values corresponding to the lower two light receiving surfaces among the voltage values corresponding to the four light receiving surfaces of the photodetector 25. Furthermore, by taking the difference between the sum of the voltage values for the two upper light receiving surfaces and the sum of the voltage values for the two lower light receiving surfaces, the deflection amount of the cantilever 23 is output as a voltage value, and the output deflection amount is A representative voltage value is entered into the computer 10 .

位置調整駆動部32は、例えばXYZの3軸方向にミリオーダーの移動量を持つXYZ軸ステージと、XYZ軸ステージの上に配置され、XYZの3軸方向にnm精度の位置調整が可能なピエゾ駆動素子とで構成される。コントローラ34は、XYZ軸ステージおよびピエゾ駆動素子を制御するもので、例えば被測定細胞を探針24に対して、ラスタースキャンするように位置制御する。プレート40は、解析対象となる細胞を載置したもので、位置調整駆動部32のXYZ軸ステージ上に設置される。コントローラ34は、位置調整駆動部32を制御するとともに、位置調整駆動部32の移動量(変位量)をコンピュータ10に入力する。位置調整駆動部32の移動量(変位量)は、プレート40、即ち測定対象となる細胞の移動量に相当する。 The position adjustment driving unit 32 includes, for example, an XYZ-axis stage having a movement amount of millimeter order in the three-axis directions of XYZ, and a piezo actuator arranged on the XYZ-axis stage and capable of position adjustment with nanometer accuracy in the three-axis directions of XYZ. and a driving element. The controller 34 controls the XYZ-axis stage and the piezo driving elements, and controls the position of the probe 24 so as to raster-scan the cell to be measured, for example. The plate 40 is placed on the XYZ-axis stage of the position adjustment drive unit 32, on which cells to be analyzed are placed. The controller 34 controls the position adjustment drive section 32 and inputs the movement amount (displacement amount) of the position adjustment drive section 32 to the computer 10 . The movement amount (displacement amount) of the position adjustment drive unit 32 corresponds to the movement amount of the plate 40, that is, the cell to be measured.

コンピュータ10は、コントローラ34を介して位置調整駆動部32を制御するとともに、プリアンプ26およびコントローラ34からの入力に基づいて後述する細胞の解析処理を実行する情報処理装置である。なお、コンピュータ10は、その態様を限定するものではなく、パーソナルコンピュータであってもよいし、本発明の用途に特化した組み込みコンピュータやワークステーションであってもよい。 The computer 10 is an information processing device that controls the position adjustment driving section 32 via the controller 34 and executes cell analysis processing described below based on inputs from the preamplifier 26 and the controller 34 . It should be noted that the computer 10 is not limited in its form, and may be a personal computer, or an embedded computer or workstation specialized for the use of the present invention.

以上、細胞解析システムのシステム構成について説明してきたが、続いて、コンピュータ10が実行する細胞の解析処理について説明する。なお、以下の説明においては、図1を適宜参照するものとする。 The system configuration of the cell analysis system has been described above. Subsequently, the cell analysis processing executed by the computer 10 will be described. In the following description, FIG. 1 will be referred to as appropriate.

本実施形態では、コンピュータ10が、大きく分けて2つの処理を実行する。第1の処理では、プレート40に載置された細胞に対して、カンチレバー23の探針24を押し当てるという作業を繰り返して複数の探針押圧点について押圧力窪み量の測定データを取得する。続く第2の処理では、取得した押圧力窪み量の測定データと、に基づいて、解析対象となる細胞の弾性特性を可視化して表示用画面に表示する。 In this embodiment, the computer 10 performs roughly two processes. In the first process, the work of pressing the probe 24 of the cantilever 23 against the cell placed on the plate 40 is repeated to acquire measurement data of the amount of pressing force indentation for a plurality of probe pressing points. In the subsequent second processing, the elastic properties of the cells to be analyzed are visualized and displayed on the display screen based on the obtained measurement data of the pressing force indentation amount.

ここでは、まず、図2に示すフローチャートに基づいて、押圧力・窪み量の測定データを取得する処理の一例を説明する。
ステップ101では、位置調整駆動部32を制御して、プレート40に載置された測定対象となる細胞の測定領域に探針24を位置づける。ここで、本実施形態では、図3に示すように、細胞の核の直上の表面に格子点状に配置された測定位置を定義する。図3に示す例では、細胞の表面に、核の中心を中心とする40μm×40μmの範囲を測定領域として定義し、この測定領域を256×256画素の正方形で分割した各区画の中心を探針24が押圧する先端の測定位置として定義している。この座標系としては、例えば(i、j);i=1~256、j=1~256を用いるとよく、またXYZ軸ステージのXY軸平面と一致させるとよい。
Here, first, an example of processing for acquiring the measurement data of the pressing force and the amount of depression will be described based on the flowchart shown in FIG.
In step 101 , the position adjustment driving section 32 is controlled to position the probe 24 in the measurement area of the cell to be measured placed on the plate 40 . Here, in this embodiment, as shown in FIG. 3, measurement positions are defined that are arranged in a grid on the surface directly above the nucleus of the cell. In the example shown in FIG. 3, a range of 40 μm×40 μm centering on the center of the nucleus was defined as the measurement area on the surface of the cell, and the center of each section obtained by dividing this measurement area into squares of 256×256 pixels was searched. It is defined as the measurement position of the tip that the needle 24 pushes. As this coordinate system, for example, (i, j); i=1 to 256, j=1 to 256 may be used, and may be aligned with the XY axis plane of the XYZ axis stage.

続くステップ102では、位置調整駆動部32のXYピエゾ素子を駆動して、カンチレバー23の探針24を256×256個の測定位置の中の1番目の測定位置(i、j)に合わせる。 In the subsequent step 102, the XY piezo elements of the position adjustment driving section 32 are driven to align the probe 24 of the cantilever 23 with the first measurement position (i, j) among 256.times.256 measurement positions.

続くステップ103では、位置調整駆動部32のZピエゾ素子を駆動して、所定単位量だけ上方に移動させる。 In the subsequent step 103, the Z piezo element of the position adjustment driving section 32 is driven to move upward by a predetermined unit amount.

続くステップ104では、下記(1)~(3)を算出し、これらを要素とする組データを所定の記憶領域に保存する。
(1)Zピエゾ素子の原点から細胞高さ方向への移動量z(以下、移動量zという)
(2)カンチレバー23のたわみ量Δ(以下、たわみ量Δという)
(3)探針24にかかる力F(以下、力Fという)
In the subsequent step 104, the following (1) to (3) are calculated, and set data having these as elements are stored in a predetermined storage area.
(1) Movement amount z in the cell height direction from the origin of the Z piezo element (hereinafter referred to as movement amount z)
(2) Deflection amount Δ of cantilever 23 (hereinafter referred to as deflection amount Δ)
(3) Force F applied to probe 24 (hereinafter referred to as force F)

続くステップ105では、力Fが所定の閾値を超えているか否かを判断し、力Fが所定の閾値を超えるまで(ステップ105、No)、ステップ103~104を繰り返し実行する。 In subsequent step 105, it is determined whether the force F exceeds a predetermined threshold value, and steps 103 and 104 are repeatedly executed until the force F exceeds the predetermined threshold value (step 105, No).

本実施形態では、上述したステップ103~104が繰り返し実行されることにより、Zピエゾ素子が上方へ一定速度で移動し、これに伴って、Zピエゾ素子の上に配置されたプレート40が上方に移動する。すると、ある時点で、カンチレバー23の探針24が、先のステップ102で位置合わせした1番目の測定位置において細胞の表面に接触し、その後、プレート40がさらに上方に移動することに伴って、細胞表面が探針24に押し当てられて弾性変形し、これに伴って、カンチレバー23にたわみが生じる。 In this embodiment, steps 103 and 104 described above are repeatedly executed to move the Z piezo element upward at a constant speed, and along with this, the plate 40 arranged on the Z piezo element moves upward. Moving. Then, at a certain point, the probe 24 of the cantilever 23 contacts the surface of the cell at the first measurement position aligned in the previous step 102, and after that, as the plate 40 moves further upward, The cell surface is pressed against the probe 24 and elastically deformed, and the cantilever 23 bends accordingly.

この間、コンピュータ10は、コントローラ34からの入力に基づいて「移動量z」を算出し、プリアンプ26から入力される電圧値に基づいて「たわみ量Δ」を取得し、取得した「たわみ量Δ」にカンチレバー23のバネ定数を乗じることにより「力F」を算出する。 During this time, the computer 10 calculates the "movement amount z" based on the input from the controller 34, acquires the "deflection amount Δ" based on the voltage value input from the preamplifier 26, and obtains the "deflection amount Δ". is multiplied by the spring constant of the cantilever 23 to calculate the “force F”.

その後、力Fが所定の閾値を超えた時点で(ステップ105、Yes)、処理はステップ106に進み、組データ(移動量z、たわみ量Δ、力F)の保存を終了するとともに、位置調整駆動部32のZピエゾ素子を原点復帰して、探針24を細胞から引き離す。この時点で、所定の記憶領域には、複数の組データ(移動量z、たわみ量Δ、力F)からなるデータセットが保存されることになる。 After that, when the force F exceeds a predetermined threshold value (step 105, Yes), the process proceeds to step 106, where the storage of the set data (movement amount z, deflection amount Δ, force F) is terminated, and position adjustment is performed. The Z piezo element of the drive unit 32 is returned to the origin, and the probe 24 is pulled away from the cell. At this point, a data set consisting of a plurality of sets of data (movement amount z, deflection amount Δ, force F) is stored in a predetermined storage area.

続くステップ107では、所定の記憶領域に保存された複数の組データ(移動量z、たわみ量Δ、力F)からなるデータセットに基づいてF-z曲線を取得する。具体的には、所定の記憶領域に保存された複数の組データ(移動量z、たわみ量Δ、力F)から複数の組データ(移動量z、力F)を抽出し、抽出した複数の組データ(移動量z、力F)を、移動量zをX軸とし、力FをY軸とする直交座標上にプロットしてF-z曲線を取得する。 In the subsequent step 107, an Fz curve is acquired based on a data set consisting of a plurality of sets of data (movement amount z, deflection amount Δ, force F) stored in a predetermined storage area. Specifically, a plurality of sets of data (movement amount z, deflection amount Δ, force F) are extracted from a plurality of sets of data (movement amount z, deflection amount Δ, force F) stored in a predetermined storage area. The paired data (movement amount z, force F) is plotted on orthogonal coordinates with the movement amount z as the X axis and the force F as the Y axis to obtain an Fz curve.

続くステップ108では、先のステップ107で取得したF-z曲線を利用して、以下の手順で、F-d曲線を取得する。 In the subsequent step 108, the Fz curve obtained in the previous step 107 is used to obtain the Fd curve in the following procedure.

カンチレバー23が細胞表面に接触した時点におけるZピエゾの原点からの移動量z、細胞の変形量d、移動量z、たわみ量Δの間には、下記式(5)が成り立つ。
The following equation (5) holds between the movement amount z 0 of the Z piezo from the origin when the cantilever 23 contacts the cell surface, the deformation amount d of the cell, the movement amount z, and the deflection amount Δ.

そこで、ステップ108では、まず、カンチレバー23が細胞表面に接触した時点に対応するF-z曲線上のプロット点(以下、接触点という)を特定し、特定した接触点のX座標値から移動量zを求める。次に、所定の記憶領域に保存された複数の組データ(移動量z、たわみ量Δ、力F)の各々について、その要素である移動量zおよびたわみ量Δと、求めた移動量zを上記式(5)に代入して変形量dを算出した上で、算出した変形量dと、組データのもう一つの要素である力Fとを対応付けた組データ(変形量d、力F)を生成する。最後に、このようにして生成された複数の組データ(変形量d、力F)を、変形量dをX軸とし、力FをY軸とする直交座標上にプロットしてF-d曲線を取得する。 Therefore, in step 108, first, a plotted point (hereinafter referred to as a contact point) on the F-z curve corresponding to the time when the cantilever 23 contacts the cell surface is specified, and the movement amount is calculated from the X coordinate value of the specified contact point. Find z0 . Next, for each of a plurality of sets of data (movement amount z, deflection amount Δ, force F) stored in a predetermined storage area, the movement amount z and deflection amount Δ, which are elements thereof, and the obtained movement amount z 0 is substituted into the above formula (5) to calculate the deformation amount d, and the calculated deformation amount d and the set data (deformation amount d, force F). Finally, a plurality of sets of data (deformation amount d, force F) thus generated are plotted on an orthogonal coordinate system with the deformation amount d as the X axis and the force F as the Y axis to obtain an F-d curve. to get

続くステップ109では、先のステップ108で取得したF-d曲線を、1番目の測定位置()に係る“押圧力窪み量の測定データ”として、所定の記憶領域に保存する。その後、処理は、再びステップ102に戻り、位置調整駆動部32のXYピエゾを駆動して、カンチレバー23の探針24を2番目の測定位置(i、j+1)等に合わせる。その後、上述したステップ103~108を実行してF-d曲線を取得し、続くステップ109で、取得したF-d曲線を、2番目の測定位置に係る押圧力窪み量の測定データとして、所定の記憶領域に保存する。以降、被測定対象の細胞の表面に定義された全ての測定位置に係る押圧力窪み量の測定データを取得するまで、上述したステップ102~109を繰り返す。
以上、押圧力窪み量の測定データ取得処理について説明した。
In subsequent step 109, the Fd curve acquired in previous step 108 is stored in a predetermined storage area as "measurement data of pressing force depression amount" relating to the first measurement position ( ). After that, the process returns to step 102 again to drive the XY piezo of the position adjustment drive unit 32 to align the probe 24 of the cantilever 23 with the second measurement position (i, j+1). After that, the steps 103 to 108 described above are executed to acquire the Fd curve, and in the subsequent step 109, the acquired Fd curve is used as the measurement data of the pressing force depression amount related to the second measurement position, and storage area. After that, steps 102 to 109 described above are repeated until the measurement data of the amount of pressing force indentation for all the measurement positions defined on the surface of the cell to be measured is acquired.
The measurement data acquisition processing of the pressing force depression amount has been described above.

続いて、探針の先端形状と被測定対象の細胞の膜構造に応じて定められたモデル式により、被測定細胞の応力分布と弾性値分布を計算により求める処理について説明する。
図4は、被測定細胞の応力分布と弾性値分布を計算により求める処理を説明するフローチャートである。
ステップ200に示すように、被測定細胞の測定領域としては、例えば256×256画素の正方形で分割された各区画の中央部に配置された格子点状の測定位置+が定義される。この測定位置+に探針24を押圧する。
Next, the process of calculating the stress distribution and elastic value distribution of the cell to be measured using a model formula determined according to the tip shape of the probe and the membrane structure of the cell to be measured will be described.
FIG. 4 is a flow chart for explaining the process of calculating the stress distribution and elasticity value distribution of the cell to be measured.
As shown in step 200, as the measurement area of the cell to be measured, for example, grid point-like measurement positions + arranged in the center of each section divided by a square of 256×256 pixels are defined. The probe 24 is pressed to this measurement position +.

ステップ201では、測定位置+での実測値ExpとAFMチップの探針と細胞体の間の力学的モデルに応じた計算値Calを用いて、押圧力・窪み量の測定データ図表にプロットする。この力学的モデルに関しては、AFMチップの探針形状に関しては図5~図9を用いて、後で詳細に説明する。また、機械学習による実測値Expと計算値Calを用いたフローチャートに関しては、図12、図13を用いて、後で詳細に説明する。
ステップ202では、単一の測定位置(i、j)=(x、y)について、窪み量dをパラメータとする押圧力Fについて、実測値Expと計算値Calの適合誤差(Fitting Error)Δx,yを求める。
In step 201, using the actual measurement value Exp at the measurement position + and the calculated value Cal according to the dynamic model between the probe of the AFM tip and the cell body, the pressing force and the amount of depression are plotted on a measurement data chart. Regarding this dynamic model, the probe shape of the AFM tip will be described in detail later using FIGS. 5 to 9. FIG. Further, a flowchart using the measured value Exp and the calculated value Cal by machine learning will be described later in detail with reference to FIGS. 12 and 13. FIG.
In step 202, for a single measurement position (i, j)=(x, y), the fitting error Δ Find x and y .

ここで、探針の先端半径Rは次の式で表される。
ここで、a、b、c、rは適合パラメータ、zは細胞の高さ方向座標、∂z/∂xは細胞のx軸方向の傾斜、∂z/∂yは細胞のy軸方向の傾斜、dは探針の押圧された細胞の場所における窪み量である。
探針の先端半径Rにかかる機械学習による最適化に関しては、図12に示す適合誤差分散値演算部305、適合誤差分散値の最小値判定部演算部306、残差演算部307を用いて、後で詳細に説明する。
そして、適合誤差Δx,yが最小になる最小適合誤差Δx,y minを求める。
Here, the tip radius R of the probe is expressed by the following formula.
where a, b, c, r are the fitting parameters, z is the height coordinate of the cell, ∂z/∂x is the x-axis tilt of the cell, and ∂z/∂y is the y-axis tilt of the cell. , d is the amount of depression at the location of the pressed cell of the probe.
Regarding the optimization by machine learning related to the tip radius R of the probe, using the fitting error variance value calculation unit 305, the minimum fitting error variance value determination unit calculation unit 306, and the residual calculation unit 307 shown in FIG. Details will be explained later.
Then, the minimum matching error Δ x,y min that minimizes the matching error Δ x,y is obtained.

ステップ203では、全ての測定位置(i、j);i=1~256、j=1~256について、実測値Expと計算値Calの適合誤差(Fitting Error)が最小になる最小適合誤差Δx,y minを求める。
ステップ204では、全ての測定位置(i、j);i=1~256、j=1~256についての最小適合誤差Δx,y minから平均適合誤差Δx,y meanを求める。
ステップ205では、適合誤差の分散値Δを求める。
In step 203, for all measured positions (i, j); i = 1 to 256, j = 1 to 256, the minimum fitting error Δ x , y min .
In step 204, the average fitting error Δ x, y mean is determined from the minimum fitting error Δ x,y min for all measured positions (i,j); i=1-256, j=1-256.
At step 205, the variance value ΔT of the fitting error is determined.

図5は、AFMチップの探針と細胞体の間の力の相互作用を説明する要部構成図である。
AFMチップの探針24は、先端半径がRの先端部を有し、被測定細胞に圧接される。被測定細胞は、探針24の先端位置に対して窪み量としての変形量dが発生する。探針24の先端が、被測定細胞の表面に対して垂直方向に作用する押圧力Fに応じて、被測定細胞の表面に応力σが発生する。探針24の押圧力Fは、被測定細胞の表面の引張応力σ(プレストレス)による抗力Fと、通常のヘルツモデルで考察する変形量dによるFの二つの成分の和とバランスが取れている。
本発明の細胞の弾性解析システムでは、探針24と被測定細胞の位置関係を変えることで、押圧力Fと変形量dの関係を示す測定データが得られる。
FIG. 5 is a configuration diagram of the essential parts explaining the force interaction between the probe of the AFM tip and the cell body.
The probe 24 of the AFM tip has a tip with a tip radius R and is pressed against the cell to be measured. The cell to be measured has a deformation amount d as a depression amount with respect to the tip position of the probe 24 . A stress σ is generated on the surface of the cell under measurement according to the pressing force F that the tip of the probe 24 acts on the surface of the cell under measurement in the vertical direction. The pressing force F l of the probe 24 is the sum and balance of two components: the resistance F s due to the tensile stress σ (prestress) on the surface of the cell to be measured, and the Fe due to the amount of deformation d considered in the usual Hertzian model. is taken.
In the cell elasticity analysis system of the present invention, measurement data indicating the relationship between the pressing force F and the amount of deformation d can be obtained by changing the positional relationship between the probe 24 and the cell to be measured.

図6は、AFMチップの探針と細胞体の間の各種の力学的モデルを説明する要部拡大図で、(A)は放物線型のヘルツモデル(Hertz Model Parabolic)、(B)は円錐型のスネッドンモデル(Sneddon Model Cone)、(C)は皮膚性殻液体核モデル(Cortical shell-liquid core model)、(D)はヘルツ+膜応力モデル(Hertz Model + stress membrane)である。 FIG. 6 is an enlarged view of the main part explaining various mechanical models between the probe of the AFM tip and the cell body, (A) is a parabolic Hertz model (Hertz Model Parabolic), (B) is a conical model (C) is a cortical shell-liquid core model, and (D) is a Hertz + stress membrane model.

ヘルツモデルは、古典的なもので、球面と球面、円柱面と円柱面、任意の曲面と曲面などの弾性接触部分に掛かる応力あるいは圧力のことで、ヘルツの接触応力とも呼ばれる。接触面の摩擦を考慮せず、接触面の圧力分布を仮定している点が特徴である。放物面の場合、次の式が成立する。
ここで、Fは探針の押圧力、νは細胞のポアソン比、Eは細胞の弾性率、Rは探針の先端半径、dは探針押圧位置での細胞の窪み量である。
The Hertzian model is a classical one, and it is the stress or pressure applied to elastic contact parts such as spherical surfaces and cylindrical surfaces, cylindrical surfaces and cylindrical surfaces, arbitrary curved surfaces and curved surfaces, and is also called Hertzian contact stress. The feature is that the pressure distribution on the contact surface is assumed without considering the friction on the contact surface. For a paraboloid, the following equation holds.
Here, F is the pressing force of the probe, ν is Poisson's ratio of the cell, E is the elastic modulus of the cell, R is the radius of the tip of the probe, and d is the amount of depression of the cell at the position where the probe is pressed.

スネッドンモデルは、軸対称探針が弾性体に圧入するときの接触力学である。凝着の効果がない測定の場合、この式を用いることで試料の弾性率が得られる。
ここで、Fは探針の押圧力、νは細胞のポアソン比、Eは細胞の弾性率、θは探針の先端円錐面の傾斜角、dは探針押圧位置での細胞の窪み量である。
The Sneddon model is the contact dynamics when an axisymmetric probe is pressed into an elastic body. For measurements without the effect of adhesion, this formula gives the elastic modulus of the sample.
Here, F is the pressing force of the probe, ν is the Poisson's ratio of the cell, E is the elastic modulus of the cell, θ is the inclination angle of the tip conical surface of the probe, and d is the amount of depression of the cell at the position where the probe is pressed. be.

皮膚性殻液体核モデルは、例えば卵のような球形細胞と、円管形の触針との接触における力学的変形を扱うもので、例えば次の式が成立する。
ここで、Fは探針の押圧力、Tは皮膚の引張応力(cortex tension)、rは細胞の半径、Eは細胞の弾性率、Rは探針の先端半径、θは探針の先端円錐面の傾斜角、dは探針押圧位置での細胞の窪み量である。
The cutaneous shell-liquid nucleus model deals with mechanical deformation in contact between a spherical cell such as an egg and a cylindrical stylus.
where F is the pressing force of the probe, T is the cortex tension of the skin, r is the radius of the cell, E is the elastic modulus of the cell, R is the tip radius of the probe, and θ is the tip cone of the probe. The tilt angle of the surface, d, is the amount of depression of the cell at the position where the probe is pressed.

ヘルツ+膜応力モデルは、ヘルツモデルに細胞の膜応力を考慮して、探針と細胞の接触面の摩擦を考慮したものである。例えばJKR(Johnson-Kendall-Roberts)モデルやDMT(Derjaguin-Muller-Toporov)モデルが知られている。探針先端が放物面の場合、次の式が成立する。
ここで、Fは探針の押圧力、Rは探針の先端半径、dは探針押圧位置での細胞の窪み量、σは細胞の膜応力、νは細胞のポアソン比、Eは細胞の弾性率、である。
The Hertz+membrane stress model is obtained by taking into consideration the membrane stress of the cell in the Hertz model and taking into consideration the friction between the contact surface of the probe and the cell. For example, the JKR (Johnson-Kendall-Roberts) model and the DMT (Derjaguin-Muller-Toporov) model are known. When the tip of the probe is a paraboloid, the following formula holds.
Here, F is the pressing force of the probe, R is the tip radius of the probe, d is the amount of depression of the cell at the position where the probe is pressed, σ is the membrane stress of the cell, ν is the Poisson's ratio of the cell, and E is the thickness of the cell. modulus of elasticity.

図7は、AFMチップの先端が細胞体の表面形状の傾きに依存した力学的な関係を有することを説明する要部拡大図である。
図7(A)は、探針24の先端半径Rと、細胞体の表面形状の傾き(∂z/∂x、∂z/∂y)の関係を示している。図7(B)は、探針24の先端半径Rと、探針押圧位置での細胞の変形量dの関係を示している。図7(A)、(B)では、表面トポグラフィ勾配へのチップ半径の依存性が表される。
図7(C)は、探針24の先端半径Rと、探針押圧位置での細胞体の表面形状の傾きと細胞の変形量(∂z/∂x、∂z/∂y、d)の関係を示している。図7(D)は、探針24の先端半径Rと、探針押圧位置での細胞体の表面形状の傾きと細胞の変形量(∂z/∂x、∂z/∂y、d)の別の関係を示すもので、細胞の変形量が大きいため、細胞体の表面形状が深く窪んでいる状態を示している。図7(C)、(D)では、細胞の変形量dに対するチップ先端半径の依存性が表される。
FIG. 7 is an enlarged view of a main part explaining that the tip of the AFM tip has a mechanical relationship depending on the inclination of the surface shape of the cell body.
FIG. 7A shows the relationship between the tip radius R of the probe 24 and the slope of the surface shape of the cell body (∂z/∂x, ∂z/∂y). FIG. 7B shows the relationship between the tip radius R of the probe 24 and the deformation amount d of the cell at the position where the probe is pressed. In FIGS. 7A and 7B the dependence of the tip radius on the surface topography gradient is represented.
FIG. 7(C) shows the tip radius R of the probe 24, the inclination of the surface shape of the cell body at the position where the probe is pressed, and the deformation amount of the cell (∂z/∂x, ∂z/∂y, d). showing relationships. FIG. 7(D) shows the tip radius R of the probe 24, the inclination of the surface shape of the cell body at the position where the probe is pressed, and the deformation amount of the cell (∂z/∂x, ∂z/∂y, d). This shows a different relationship, in which the surface shape of the cell body is deeply depressed due to the large amount of deformation of the cell. 7(C) and (D) show the dependence of the tip tip radius on the deformation amount d of the cell.

図8は、AFMチップの探針と細胞体の間の各種の力学的モデルに応じた測定値分布を説明する図である。力学的モデルとしては、前述の(A)放物線型のヘルツモデル(Hertz Model Parabolic)、(B)円錐型のスネッドンモデル(Sneddon Model Cone)、(C)皮膚性殻液体核モデル(Cortical shell-liquid core model)、(D)ヘルツ+膜応力モデル(Hertz Model + stress membrane)を用いた。 FIG. 8 is a diagram explaining measured value distributions according to various mechanical models between the probe of the AFM tip and the cell body. As the mechanical model, the above-mentioned (A) Hertz Model Parabolic, (B) Sneddon Model Cone, (C) Cortical Shell Model - liquid core model), (D) Hertz + membrane stress model (Hertz Model + stress membrane) was used.

図9はAFMチップの探針と細胞体の間の各種の力学的モデルに応じた予測値誤差分布を説明する図である。最も小さな予測値誤差分布を示すのは、(D)ヘルツ+膜応力モデルで、その中央値は0.005%で、信頼範囲も±0.0005%と狭い範囲である。次に小さな予測値誤差分布を示すのは(A)放物線型のヘルツモデルで、その中央値は0.30%であるが、信頼範囲は±0.02%と広い範囲に分散している。 FIG. 9 is a diagram explaining the predicted value error distribution according to various mechanical models between the probe of the AFM tip and the cell body. The (D) Hertz+membrane stress model shows the smallest predicted value error distribution, with a median value of 0.005% and a narrow confidence range of ±0.0005%. (A) The parabolic Hertzian model shows the next smallest predicted value error distribution, and its median value is 0.30%, but the confidence range is dispersed over a wide range of ±0.02%.

他方、大きな予測値誤差分布を示すのは、(C)皮膚性殻液体核モデルと(B)円錐型のスネッドンモデルである。(C)皮膚性殻液体核モデルは、予測値誤差分布の中央値が0.09%で、信頼範囲も±0.01%である。(B)円錐型のスネッドンモデルは、予測値誤差分布の中央値が0.10%で、信頼範囲も±0.03%である。
従って、(D)ヘルツ+膜応力モデルが最も好ましく、次善のものは(A)放物線型のヘルツモデルである。
On the other hand, (C) the cutaneous shell liquid core model and (B) the conical Sneddon model show large prediction error distributions. (C) The cutaneous shell liquid nucleus model has a median prediction error distribution of 0.09% with a confidence range of ±0.01%. (B) The conical Sneddon model has a median prediction error distribution of 0.10% and a confidence range of ±0.03%.
Therefore, the (D) Hertz+membrane stress model is the most preferred, and the second best is the (A) parabolic Hertz model.

図10は、AFMによって形成されたストレスマップによる細胞の状態の評価図で、図10(a)~図10(f)を用いて示してある。
図10(a)は生きているがん細胞の光学顕微鏡画像である。
図10(b)は生きているがん細胞のAFM高さマップである。
図10(c)は生きているがん細胞のAFMストレスマップである。
図10(d)は死んだ癌細胞の光学顕微鏡画像である。
図10(e)は死んだ癌細胞のAFM高さマップである。
図10(f)は死んだ癌細胞のAFMストレスマップである。
生きている細胞の核領域の周りのプレストレスは、死んだ細胞のプレストレスそれよりも高い。
FIG. 10 is an evaluation diagram of the state of cells based on a stress map formed by AFM, and is shown using FIGS. 10(a) to 10(f).
FIG. 10(a) is an optical microscope image of living cancer cells.
FIG. 10(b) is an AFM height map of live cancer cells.
FIG. 10(c) is an AFM stress map of living cancer cells.
FIG. 10(d) is an optical microscope image of dead cancer cells.
FIG. 10(e) is an AFM height map of dead cancer cells.
FIG. 10(f) is an AFM stress map of dead cancer cells.
The prestress around the nuclear region of living cells is higher than that of dead cells.

図11は、(A)被測定細胞の三次元高さ分布状態図と、(B)応力分布、(C)弾性値分布、及び(D)力スペクトルの一例を示す図である。(E)はヘルツ+膜応力モデルの計算式を示している。 FIG. 11 shows an example of (A) a three-dimensional height distribution state diagram of a cell to be measured, (B) stress distribution, (C) elastic value distribution, and (D) force spectrum. (E) shows the calculation formula of the Hertz+membrane stress model.

図12は、本発明の一実施例を示す、AFMチップ形状を最適化するための、細胞体のプレストレスを計算する機械学習アルゴリズムの機能ブロック図である。
図13は図12の機械学習アルゴリズムの機能ブロック図において、弾性率Eと応力σから適合誤差(フィッティングエラー)Δを計算する第1ループの要部拡大図である。
FIG. 12 is a functional block diagram of a machine learning algorithm for calculating cell body pre-stress for optimizing AFM tip geometry that illustrates one embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an enlarged view of the main part of the first loop for calculating the fitting error Δ from the elastic modulus E and the stress σ in the functional block diagram of the machine learning algorithm of FIG. 12 .

図12、図13において、適合誤差演算部301は、単一の測定位置(i、j)=(x、y)について、窪み量dをパラメータとする押圧力Fについて、実測値Expと計算値Calの適合誤差(Fitting Error)Δx,yを求める。
ここで、計算値の押圧力F calは、例えばヘルツ+膜応力モデルの押圧力Fを用いるが、放物線型のヘルツモデルや他のモデルでもよい。実測値の押圧力F Expは、窪み量dをパラメータとしている。
In FIGS. 12 and 13, the matching error calculation unit 301 calculates the actual measurement value Exp and the pressing force Fl with the depression amount d as a parameter for a single measurement position (i, j)=(x, y). Determine the Fitting Error Δ x,y of the value Cal.
Here, for the calculated value of the pressing force F l cal , for example, the pressing force F l of the Hertz+membrane stress model is used, but a parabolic Hertz model or other models may also be used. The actually measured pressing force F l Exp uses the depression amount d as a parameter.

最小値演算部302は、探針24の先端半径Rをパラメータとする最小適合誤差Δx,y minを演算する。最小値判定部303は、最小値演算部302で計算された最小適合誤差Δx,y minがパラメータRについて最小値か判定し、否であれば細胞の弾性率Eと細胞の膜応力σを変更して、弾性率E・膜応力σ設定部304に送る。
弾性率E・膜応力σ設定部304は、適合誤差演算部301に初期値の弾性率E・膜応力σ又は最小値判定部303で更新された弾性率E・膜応力σを適合誤差演算部301に設定する。
The minimum value calculator 302 calculates the minimum fitting error Δ x,y min with the tip radius R of the probe 24 as a parameter. The minimum value determination unit 303 determines whether the minimum fitting error Δ x,y min calculated by the minimum value calculation unit 302 is the minimum value for the parameter R. If not, the cell elastic modulus E and the cell membrane stress σ It is changed and sent to the elastic modulus E/membrane stress σ setting unit 304 .
The elastic modulus E/membrane stress σ setting unit 304 supplies the initial values of the elastic modulus E/membrane stress σ to the matching error calculating unit 301 or the elastic modulus E/membrane stress σ updated by the minimum value determining unit 303 to the matching error calculating unit 304. Set to 301.

次に、図12に示された、パラメータRをモンテカルロ法で変更して適合誤差の分散値Δを求める第2ループを説明する。本明細書におけるモンテカルロ法とは、マルコフ連鎖モンテカルロ法(Markov chain Monte Carlo method)のことで、事後確率のサンプリングは、乱数を使用して実行される。本明細書ではこの方法を使用して、事後確率の最大化因子を検索した。これは、最適なフィッティングが達成されるように設定されたパラメータである。
図12において、最小値判定部303がパラメータRについて最小値と判定すれば、適合誤差分散値演算部305に当該測定点(x、y)の最小適合誤差Δx,y minを送る。
適合誤差分散値演算部305では、被測定細胞の全測定点を対象として適合誤差の分散値Δを求める。
Next, the second loop shown in FIG. 12 for changing the parameter R by the Monte Carlo method and finding the variance value ΔT of the fitting error will be described. A Monte Carlo method, as used herein, refers to a Markov chain Monte Carlo method in which sampling of posterior probabilities is performed using random numbers. This method was used herein to search for maximizing factors of posterior probabilities. This is the parameter set to achieve the best fit.
In FIG. 12, when the minimum value determining section 303 determines that the parameter R is the minimum value, it sends the minimum fitting error Δ x, y min of the measurement point (x, y) to the fitting error variance value calculating section 305 .
The fitting error variance value calculator 305 obtains the variance value ΔT of the fitting error for all the measurement points of the cells to be measured.

適合誤差分散値の最小値判定部演算部306では、適合誤差分散値演算部305の演算した適合誤差の分散値ΔがパラメータRについて最小値か判定し、否であれば、残差演算部307に送る。残差演算部307では、モンテカルロ法によって探針24の先端半径Rを変更して、弾性率E・膜応力σ設定部304に送る。
適合誤差分散値の最小値判定部演算部306で最小値と判定されれば、予測値誤差P(N)が得られ、終了となる。
The minimum fitting error variance value determining unit computing unit 306 determines whether the fitting error variance value ΔT computed by the fitting error variance value computing unit 305 is the minimum value for the parameter R. If not, the residual computing unit 307. The residual calculation unit 307 changes the tip radius R of the probe 24 by the Monte Carlo method, and sends it to the elastic modulus E/membrane stress σ setting unit 304 .
If it is judged as the minimum value by the minimum value judgment unit calculation unit 306 of the adaptive error variance value, the predicted value error P i (N) is obtained, and the process ends.

本発明においては、測定データを機械学習して、ヘルツ+膜応力モデルのパラメータの最適化を行っている。スーパーコンピューターを使用して、最適化されたチップ形状のモンテカルロ検索の適合度指標値(フィッティングスコア)を比較する。 In the present invention, machine learning is performed on the measurement data to optimize the parameters of the Hertz+membrane stress model. A supercomputer is used to compare goodness-of-fit index values (fitting scores) of Monte Carlo searches for optimized chip geometries.

図14は、様々な接触圧力モデルの細胞の変形量(窪み量:nm)と探針の押圧力(nN)を対応付けの関係を説明する図である。図中、点○線は、AFMによって直接取得される実験データを意味する。4本の曲線は、異なるモデルで計算されたフィッティングデータを意味する。最適な曲線はヘルツ+膜応力モデルである。
この結果は、図10と一致している。
FIG. 14 is a diagram for explaining the relationship between the amount of cell deformation (the amount of depression: nm) and the pressing force (nN) of the probe in various contact pressure models. In the figure, the dotted circle line means the experimental data obtained directly by AFM. The four curves represent fitting data calculated with different models. The best fit curve is the Hertz+membrane stress model.
This result is consistent with FIG.

図15は、モンテカルロ法で生成された探針形状パラメータを使用した応力の進化マップである。
モンテカルロ法によって自動的に生成された先端パラメータにより、応力の分布は核、糸状仮足、および葉状仮足を明確に示す。最適なストレスマップは、(e)最適化された探針形状パラメータによるものである。
FIG. 15 is an evolution map of stress using tip shape parameters generated by the Monte Carlo method.
With the tip parameters automatically generated by the Monte Carlo method, the stress distribution clearly shows the nucleus, filopodia and lamellipodia. The optimal stress map is due to (e) optimized tip geometry parameters.

図16は、モンテカルロ法で生成された探針形状パラメータを使用した分散の進化マップで、(a)は全体図、(b)は(a)の要部拡大図である。
反復回数が増加すると、適合誤差が減少する。適合誤差の最小値は、最適化された探針形状パラメータが生成されることを意味する。
FIG. 16 is an evolution map of dispersion using probe shape parameters generated by the Monte Carlo method, where (a) is an overall view and (b) is an enlarged view of a main part of (a).
As the number of iterations increases, the fitting error decreases. A minimum fitting error means that optimized tip shape parameters are generated.

本発明の被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法及び装置によれば、カンチレバー探針の先端形状に応じて定められる最適なモデル式を用いているので、高い空間分解能でデータ解析ができ、迅速な細胞又は組織の力学特性の計測が可能となり、例えば臨床現場での術中組織検査装置に用いることができる。
本発明の原子間力顕微鏡の探針の形状パラメータを定める方法及び装置は、原子間力顕微鏡の探針形状を非常に正確に知ることができ、被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法及び装置に用いて好適である。
According to the method and apparatus for analyzing the elastic property distribution of the cell to be measured according to the present invention, the optimum model formula determined according to the tip shape of the cantilever probe is used, so data analysis can be performed with high spatial resolution. Rapid measurement of the mechanical properties of cells or tissues is possible, and it can be used, for example, as an intraoperative tissue examination device in a clinical setting.
The method and apparatus for determining the shape parameter of the probe of the atomic force microscope of the present invention can know the shape of the probe of the atomic force microscope very accurately, and the method and apparatus for analyzing the elastic property distribution of the cell to be measured. Suitable for use in devices.

10 コンピュータ
20 原子力間力顕微鏡
22 半導体レーザー
23 カンチレバー
24 探針
25 フォトディテクタ
26 プリアンプ
32 位置調整駆動部
34 コントローラ
40 プレート
301 適合誤差演算部
302 最小値演算部
303 最小値判定部
304 弾性率E・膜応力σ設定部
305 適合誤差分散値演算部
306 適合誤差分散値の最小値判定部演算部
307 予測誤差記憶部
308 残差演算部

10 computer 20 atomic force microscope 22 semiconductor laser 23 cantilever 24 probe 25 photodetector 26 preamplifier 32 position adjustment driving unit 34 controller 40 plate 301 fitting error calculation unit 302 minimum value calculation unit 303 minimum value determination unit 304 elastic modulus E/membrane stress σ setting unit 305 matching error variance value calculation unit 306 matching error variance minimum value determination unit calculation unit 307 prediction error storage unit 308 residual calculation unit

Claims (13)

被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法であって、
被測定細胞の表面に原子間力顕微鏡の探針を押し当てた際に得られる、細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値を、前記探針が接触した前記被測定細胞の測定位置座標と共に取得するステップであって、前記被測定細胞の測定位置座標は、前記被測定細胞の核の上層と前記核の周囲となる部位に配置された前記ステップと、
前記探針の先端形状に応じて定められた形状パラメータと、前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を表すモデル式を用いて、前記探針の押圧位置での前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を計算するステップと、
前記実測された細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値と、前記モデル式により計算された計算値とを用いて、適合誤差の分散値(Δ)が前記探針の先端半径に関するパラメータRについて最小値となる形状パラメータを演算するステップと、
前記最小値となる形状パラメータを用いて、前記被測定細胞の応力分布又は弾性値分布の少なくとも一方を作成するステップと、
作成された前記被測定細胞の応力分布又は弾性値分布の少なくとも一方に基づいて、前記被測定細胞の核及び核周辺の、応力分布マップ又は弾性値分布マップの少なくとも一方を生成するステップと、
を含む方法。
A method for analyzing the elastic property distribution of a cell to be measured, comprising:
Measured values obtained by associating the amount of deformation of the cell and the pressing force of the probe obtained when the probe of the atomic force microscope is pressed against the surface of the cell to be measured are obtained from the measurement target with which the probe is in contact. a step of obtaining together with the measurement position coordinates of the cell, wherein the measurement position coordinates of the cell to be measured are arranged in the upper layer of the nucleus of the cell to be measured and the site surrounding the nucleus;
Using a shape parameter determined according to the shape of the tip of the probe and a model formula representing the relationship between the deformation amount (d) of the cell and the pressing force (F) of the probe, the pressing position of the probe is determined. calculating the relationship between the deformation amount (d) of the cell at and the pressing force (F) of the probe;
Using the actually measured values obtained by associating the measured deformation amount of the cell with the pressing force of the probe, and the calculated value calculated by the model formula, the variance value (Δ T ) of the fitting error is obtained by the probe calculating a shape parameter that is the minimum value for the parameter R related to the tip radius of
creating at least one of a stress distribution and an elastic value distribution of the cell to be measured using the minimum shape parameter;
generating at least one of a stress distribution map and an elasticity value distribution map of the nucleus of the cell under measurement and around the nucleus based on at least one of the created stress distribution and elasticity distribution of the cell under measurement;
method including.
さらに、前記被測定細胞の核及び核周辺の測定された、応力分布マップ又は弾性値分布マップの少なくとも一方が、悪性腫瘍の弾性特性範囲に含まれるか、若しくは正常細胞又は良性腫瘍の弾性特性範囲に含まれるかの閾値と比較する表示を生成するステップを有する請求項1に記載の被測定細胞の弾性特性分布を解析する方法。 Further, at least one of the stress distribution map and the elastic value distribution map measured around the nucleus and the periphery of the cell to be measured is included in the elastic characteristic range of a malignant tumor, or the elastic characteristic range of a normal cell or a benign tumor. 2. The method of analyzing the elastic property distribution of a measured cell according to claim 1, comprising the step of generating an indication that is compared with a threshold value of whether it is contained in . 前記探針の押圧位置での前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を表すモデル式は、

である請求項1又は2に記載の細胞の弾性特性分布を解析する方法。
ここで、Rは探針の先端半径、σは探針押圧位置での前記細胞の応力、νは細胞のポアソン比、Eは細胞の弾性率である。
A model formula representing the relationship between the deformation amount (d) of the cell at the pressing position of the probe and the pressing force (F) of the probe is

The method for analyzing elastic property distribution of cells according to claim 1 or 2.
Here, R is the tip radius of the probe, σ is the stress of the cell at the position where the probe is pressed, ν is Poisson's ratio of the cell, and E is the elastic modulus of the cell.
前記探針の押圧位置での前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を表すモデル式は、

である請求項1又は2に記載の細胞の弾性特性分布を解析する方法。
ここで、Rは探針の先端半径、νは細胞のポアソン比、Eは弾性率である。
A model formula representing the relationship between the deformation amount (d) of the cell at the pressing position of the probe and the pressing force (F) of the probe is

The method for analyzing elastic property distribution of cells according to claim 1 or 2.
Here, R is the tip radius of the probe, ν is the Poisson's ratio of the cell, and E is the elastic modulus.
被測定細胞の弾性特性分布を解析する解析システムであって、
被測定細胞の表面に原子間力顕微鏡の探針を押し当てた際に得られる、細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値を、前記探針が接触した前記被測定細胞の測定位置座標と共に取得する手段であって、前記被測定細胞の測定位置座標は、前記被測定細胞の核の上層と前記核の周囲となる部位に配置された前記手段と、
前記探針の先端形状に応じて定められた形状パラメータと、前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を表すモデル式を用いて、前記探針の押圧位置での前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を計算する手段と、
前記実測された細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値と、前記モデル式により計算された計算値とを用いて、適合誤差の分散値(Δ)が前記探針の先端半径に関するパラメータRについて最小値となる形状パラメータを演算する手段と、
前記最小値となる形状パラメータを用いて、前記被測定細胞の応力分布又は弾性値分布の少なくとも一方を作成する手段と、
作成された前記被測定細胞の応力分布又は弾性値分布の少なくとも一方に基づいて、前記被測定細胞の核及び核周辺の、応力分布マップ又は弾性値分布マップの少なくとも一方を生成する手段と、
を備える解析システム。
An analysis system for analyzing elastic property distribution of cells to be measured,
Measured values obtained by associating the amount of deformation of the cell and the pressing force of the probe obtained when the probe of the atomic force microscope is pressed against the surface of the cell to be measured are obtained from the measurement target with which the probe is in contact. a means for acquiring the measurement position coordinates of the cell together with the measurement position coordinates of the cell, wherein the measurement position coordinates of the cell to be measured are arranged in the upper layer of the nucleus of the cell to be measured and the site surrounding the nucleus;
Using a shape parameter determined according to the shape of the tip of the probe and a model formula representing the relationship between the deformation amount (d) of the cell and the pressing force (F) of the probe, the pressing position of the probe is determined. means for calculating the relationship between the deformation amount (d) of the cell at and the pressing force (F) of the probe;
Using the actually measured values obtained by associating the measured deformation amount of the cell with the pressing force of the probe, and the calculated value calculated by the model formula, the variance value (Δ T ) of the fitting error is obtained by the probe means for calculating a shape parameter that is the minimum value for the parameter R related to the tip radius of
means for creating at least one of the stress distribution and the elastic value distribution of the cell to be measured using the minimum shape parameter;
means for generating at least one of a stress distribution map and an elasticity value distribution map of the nucleus and the vicinity of the nucleus of the cell under measurement based on at least one of the created stress distribution and elasticity distribution of the cell under measurement;
Analysis system with
さらに、前記被測定細胞の核及び核周辺の測定された、応力分布マップ又は弾性値分布マップの少なくとも一方が、悪性腫瘍の弾性特性範囲に含まれるか正常細胞又は良性腫瘍の弾性特性範囲に含まれるかの閾値と比較する表示を生成する手段を有する請求項5に記載の被測定細胞の弾性特性分布を解析する解析システム。 Furthermore, at least one of the stress distribution map and the elastic value distribution map measured around the nucleus and the periphery of the cell to be measured is included in the elastic characteristic range of a malignant tumor or in the elastic characteristic range of a normal cell or a benign tumor. 6. The analysis system according to claim 5, comprising means for generating a display for comparison with a threshold value for determining whether the elastic property distribution of the cell under measurement is analyzed. コンピュータに、
被測定細胞の表面に原子間力顕微鏡の探針を押し当てた際に得られる、細胞の変形量と
前記探針の押圧力を対応付けた実測値を、前記探針が接触した前記被測定細胞の測定位置座標と共に取得するステップであって、前記被測定細胞の測定位置座標は、前記被測定細胞の核の上層と前記核の周囲となる部位に配置された前記ステップと、
前記探針の先端形状に応じて定められた形状パラメータと、前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を表すモデル式を用いて、前記探針の押圧位置での前記細胞の変形量(d)と前記探針の押圧力(F)の関係を計算するステップと、
前記実測された細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値と、前記モデル式により計算された計算値とを用いて、適合誤差の分散値(Δ)が前記探針の先端半径に関するパラメータRについて最小値となる形状パラメータを演算するステップと、
前記最小値となる形状パラメータを用いて、前記被測定細胞の応力分布又は弾性値分布の少なくとも一方を作成するステップと、
作成された前記被測定細胞の応力分布又は弾性値分布の少なくとも一方に基づいて、前記被測定細胞の核及び核周辺の、応力分布マップ又は弾性値分布マップの少なくとも一方を生成するステップと、
を実行させるためのプログラム。
to the computer,
Measured values obtained by associating the amount of deformation of the cell and the pressing force of the probe obtained when the probe of the atomic force microscope is pressed against the surface of the cell to be measured are obtained from the measurement target with which the probe is in contact. a step of obtaining together with the measurement position coordinates of the cell, wherein the measurement position coordinates of the cell to be measured are arranged in the upper layer of the nucleus of the cell to be measured and the site surrounding the nucleus;
Using a shape parameter determined according to the shape of the tip of the probe and a model formula representing the relationship between the deformation amount (d) of the cell and the pressing force (F) of the probe, the pressing position of the probe is determined. calculating the relationship between the deformation amount (d) of the cell at and the pressing force (F) of the probe;
Using the actually measured values obtained by associating the measured deformation amount of the cell with the pressing force of the probe, and the calculated value calculated by the model formula, the variance value (Δ T ) of the fitting error is obtained by the probe calculating a shape parameter that is the minimum value for the parameter R related to the tip radius of
creating at least one of a stress distribution and an elastic value distribution of the cell to be measured using the minimum shape parameter;
generating at least one of a stress distribution map and an elasticity value distribution map of the nucleus of the cell under measurement and around the nucleus based on at least one of the created stress distribution and elasticity distribution of the cell under measurement;
program to run the
細胞の弾性特性を解析するための原子間力顕微鏡の探針の形状パラメータを定める方法であって、
被測定細胞の表面上の測定点(x、y)に前記探針を押し当てた際に得られる、前記細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値を取得するステップと、
複数個の取得された前記細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値に対して、前記細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けたモデル式による計算値を演算するステップと、
前記実測値と前記計算値の適合誤差(Δx,y)を求める適合誤差演算ステップと、
前記探針の先端半径Rをパラメータとする最小適合誤差(Δx,y min)を演算する最小値演算ステップと、
前記最小値演算ステップで計算された最小適合誤差(Δx,y min)が前記探針の先端半径に関するパラメータRについて最小値か判定する最小値判定ステップと、
前記最小値判定ステップで最小値でないと判断された時は、前記モデル式の接触応力パラメータを変更するステップと、
前記適合誤差演算ステップに初期値の接触応力パラメータ又は最小値判定ステップで更新された接触応力パラメータを前記適合誤差演算ステップに設定する接触応力パラメータ設定ステップと、
前記最小値判定ステップで最小値と判定すれば、適合誤差分散値演算ステップに前記測定点(x、y)の最小適合誤差(Δx,y min)を送る単一測定点の最小適合誤差の送付ステップと、
前記実測値を取得するステップから前記単一測定点の最小適合誤差の送付ステップまでを、前記被測定細胞の全測定点を対象として繰り返すステップと、
被測定細胞の全測定点を対象として適合誤差の分散値(Δ)を求める適合誤差分散値演算ステップと、
前記適合誤差分散値演算ステップの演算した適合誤差の分散値(Δ)がパラメータRについて最小値か判定する適合誤差分散値の最小値判定部演算ステップと、
前記適合誤差分散値の最小値判定部演算ステップで、前記適合誤差の分散値(Δ)が最小値でないと判断されれば、残差演算ステップに前記適合誤差の分散値Δを送るステップと、
モンテカルロ法によって、前記適合誤差の分散値Δ を用いて、前記探針の先端半径Rのパラメータを変更して、接触応力パラメータ設定ステップに送る残差演算ステップと、
を備え、前記適合誤差分散値の最小値判定部演算ステップで、前記適合誤差の分散値(Δ)が最小値と判断されたパラメータRを前記探針の形状パラメータとして決定する方法。
A method for determining shape parameters of an atomic force microscope probe for analyzing elastic properties of cells, comprising:
a step of acquiring an actual measurement value that associates the amount of deformation of the cell with the pressing force of the probe obtained when the probe is pressed against the measurement point (x, y) on the surface of the cell to be measured; ,
A calculated value by a model formula that associates the deformation amount of the cell with the pressing force of the probe is calculated for a plurality of obtained measured values that associate the deformation amount of the cell with the pressing force of the probe. a computing step;
a fitting error calculation step of obtaining a fitting error (Δ x,y ) between the measured value and the calculated value;
a minimum value calculation step of calculating a minimum fitting error (Δ x, y min ) with the tip radius R of the probe as a parameter R ;
a minimum value determination step of determining whether the minimum fitting error (Δ x, y min ) calculated in the minimum value calculation step is the minimum value for a parameter R related to the tip radius of the probe ;
a step of changing the contact stress parameter of the model formula when it is determined that the minimum value is not the minimum value in the minimum value determination step;
a contact stress parameter setting step of setting the contact stress parameter of the initial value or the contact stress parameter updated in the minimum value determination step in the step of calculating the fitting error;
If the minimum value determination step determines that the minimum value a sending step;
repeating the step of obtaining the measured value to the step of sending the minimum fitting error of the single measurement point for all measurement points of the cell to be measured;
a fitting error variance value calculation step of obtaining a fitting error variance value (Δ T ) for all measurement points of a cell to be measured;
a fitting error variance minimum value determining unit computing step for determining whether the fitting error variance (Δ T ) computed in the fitting error variance computing step is the minimum value for a parameter R;
If it is determined in the step of determining the minimum value of the matching error variance that the variance of the matching error (Δ T ) is not the minimum value, the step of sending the variance of the matching error Δ T to the step of calculating the residual. and,
a residual calculation step of changing the parameter of the tip radius R of the probe tip using the variance value ΔT of the fitting error by the Monte Carlo method and sending it to the contact stress parameter setting step;
and determining the parameter R for which the dispersion value (Δ T ) of the fitting error is determined to be the minimum value as the shape parameter of the probe in the step of determining the minimum value of the fitting error variance value.
前記原子間力顕微鏡の探針の形状パラメータは、先端半径Rであって、前記先端半径Rを表す式は、
ここで、Rは探針の先端半径、a、b、c、rは適合パラメータ、zは細胞の高さ方向座標、∂z/∂xは細胞のx軸方向の傾斜、∂z/∂yは細胞のy軸方向の傾斜、dは探針の押圧された細胞の場所における窪み量である、
請求項8に記載の探針の形状パラメータの決定方法。
The shape parameter of the probe of the atomic force microscope is the tip radius R, and the formula representing the tip radius R is
Here, R is the tip radius of the probe, a, b, c, r are the fitting parameters, z is the height direction coordinate of the cell, ∂z/∂x is the x-axis tilt of the cell, ∂z/∂y is the slope of the cell in the y-axis direction, and d is the amount of depression at the location of the cell pressed by the probe,
9. A method for determining shape parameters of a probe according to claim 8.
前記モデル式は、
ここで、Fは探針の押圧力、Rは探針の先端半径、dは探針押圧位置での細胞の窪み量、σは細胞の膜応力、νは細胞のポアソン比、Eは細胞の弾性率である、
請求項8又は9に記載の探針の形状パラメータの決定方法。
The model formula is
Here, F is the pressing force of the probe, R is the tip radius of the probe, d is the amount of depression of the cell at the position where the probe is pressed, σ is the membrane stress of the cell, ν is the Poisson's ratio of the cell, and E is the thickness of the cell. is the elastic modulus,
10. A method for determining shape parameters of a probe according to claim 8 or 9.
前記モデル式の接触応力パラメータは、細胞の弾性率Eと細胞の膜応力σを含んでおり
前記適合誤差(Δx,y)を求める式は、
ここで、計算値の押圧力F calは、ヘルツ+膜応力モデルの押圧力Fを用い、実測値の押圧力F Expは、窪み量dをパラメータとする、
請求項10に記載の探針の形状パラメータの決定方法。
The contact stress parameter of the model formula includes the elastic modulus E of the cell and the membrane stress σ of the cell, and the formula for obtaining the fitting error (Δ x, y ) is
Here, the calculated pressing force F l cal uses the pressing force F l of the Hertz+membrane stress model, and the actually measured pressing force F l Exp uses the depression amount d as a parameter.
11. The method for determining shape parameters of a probe according to claim 10.
細胞の弾性特性を解析するための原子間力顕微鏡の探針の形状パラメータを定める解析システムであって、
被測定細胞の表面上の測定点(x、y)に前記探針を押し当てた際に得られる、前記細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値を取得する実測値取得部と、
複数個の取得された前記細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値に対して、前記細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けたモデル式による計算値を演算する計算値演算部と、
前記実測値と前記計算値の適合誤差(Δx,y)を求める適合誤差演算部と、
前記探針の先端半径Rをパラメータとする最小適合誤差(Δx,y min)を演算する最小値演算部と、
前記最小値演算部で計算された最小適合誤差(Δx,y min)が前記探針の先端半径に関するパラメータRについて最小値か判定する最小値判定部と、
前記最小値判定部で最小値でないと判断された時は、前記モデル式の接触応力パラメータを変更する部と、
前記適合誤差演算部に初期値の接触応力パラメータ又は最小値判定部で更新された接触応力パラメータを前記適合誤差演算部に設定する接触応力パラメータ設定部と、
前記最小値判定部で最小値と判定すれば、適合誤差分散値演算部に前記測定点(x、y)の最小適合誤差(Δx,y min)を送る単一測定点の最小適合誤差の送付部と、
前記実測値取得部から前記単一測定点の最小適合誤差の送付部までを、前記被測定細胞の全測定点を対象として繰り返す全体測定点管理部と、
被測定細胞の全測定点を対象として適合誤差の分散値(Δ)を求める適合誤差分散値演算部と、
前記適合誤差分散値演算部の演算した適合誤差の分散値(Δ)がパラメータRについて最小値か判定する適合誤差分散値の最小値判定部演算部と、
前記適合誤差分散値の最小値判定部演算部で、前記適合誤差の分散値(Δ)が最小値でないと判断されれば、残差演算部に前記適合誤差の分散値Δを送る部と、
モンテカルロ法によって、前記適合誤差の分散値Δ を用いて、前記探針の先端半径Rのパラメータを変更して、接触応力パラメータ設定部に送る残差演算部と、
を備え、前記適合誤差分散値の最小値判定部演算部で、前記適合誤差の分散値(Δ)が最小値と判断されたパラメータRを前記探針の形状パラメータとして決定する解析システム。
An analysis system for determining shape parameters of an atomic force microscope probe for analyzing elastic properties of cells,
An actual measurement value obtained by associating the amount of deformation of the cell with the pressing force of the probe obtained when the probe is pressed against the measurement point (x, y) on the surface of the cell to be measured. an acquisition unit;
A calculated value by a model formula that associates the deformation amount of the cell with the pressing force of the probe is calculated for a plurality of obtained measured values that associate the deformation amount of the cell with the pressing force of the probe. a calculated value calculation unit for calculation;
a matching error calculation unit for obtaining a matching error (Δ x,y ) between the measured value and the calculated value;
a minimum value calculator that calculates a minimum fitting error (Δ x, y min ) with the tip radius R of the probe as a parameter R ;
a minimum value determination unit that determines whether the minimum fitting error (Δ x, y min ) calculated by the minimum value calculation unit is the minimum value for a parameter R related to the tip radius of the probe ;
a unit for changing the contact stress parameter of the model formula when the minimum value determination unit determines that the value is not the minimum value;
a contact stress parameter setting unit for setting the contact stress parameter of the initial value or the contact stress parameter updated by the minimum value determination unit to the fitting error computing unit;
If the minimum value determination unit determines that the minimum value a sending department;
an overall measurement point management unit that repeats the process from the actual value acquisition unit to the transmission unit of the minimum matching error of the single measurement point for all measurement points of the cell to be measured;
a fitting error variance value calculation unit that obtains a fitting error variance value (Δ T ) for all measurement points of a cell to be measured;
a fitting error variance minimum value determining unit computing unit that determines whether the matching error variance (Δ T ) computed by the fitting error variance computing unit is the minimum value for a parameter R;
If the variance value (Δ T ) of the matching error is determined not to be the minimum value in the minimum value determining unit of the matching error variance value calculating unit, the variance value ΔT of the matching error is sent to the residual calculating unit. and,
a residual error calculation unit that changes the parameter of the tip radius R of the probe using the Monte Carlo method using the dispersion value ΔT of the fitting error and sends it to the contact stress parameter setting unit;
and determining, as a shape parameter of the probe, a parameter R for which the dispersion value (Δ T ) of the fitting error has been determined to be the minimum value by the minimum fitting error variance value determining unit computing unit.
コンピュータに、細胞の弾性特性を解析するための原子間力顕微鏡の探針の形状パラメータを定める方法を実行させるためのプログラムであって、
被測定細胞の表面上の測定点(x、y)に前記探針を押し当てた際に得られる、前記細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値を取得するステップと、
複数個の取得された前記細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けた実測値に対して、前記細胞の変形量と前記探針の押圧力を対応付けたモデル式による計算値を演算するステップと、
前記実測値と前記計算値の適合誤差(Δx,y)を求める適合誤差演算ステップと、
前記探針の先端半径Rをパラメータとする最小適合誤差(Δx,y min)を演算する最小値演算ステップと、
前記最小値演算ステップで計算された最小適合誤差(Δx,y min)が前記探針の先端半径に関するパラメータRについて最小値か判定する最小値判定ステップと、
前記最小値判定ステップで最小値でないと判断された時は、前記モデル式の接触応力パラメータを変更するステップと、
前記適合誤差演算ステップに初期値の接触応力パラメータ又は最小値判定ステップで更新された接触応力パラメータを前記適合誤差演算ステップに設定する接触応力パラメータ設定ステップと、
前記最小値判定ステップで最小値と判定すれば、適合誤差分散値演算ステップに前記測定点(x、y)の最小適合誤差(Δx,y min)を送る単一測定点の最小適合誤差の送付ステップと、
前記実測値を取得するステップから前記単一測定点の最小適合誤差の送付ステップまでを、前記被測定細胞の全測定点を対象として繰り返すステップと、
被測定細胞の全測定点を対象として適合誤差の分散値(Δ)を求める適合誤差分散値演算ステップと、
前記適合誤差分散値演算ステップの演算した適合誤差の分散値(Δ)がパラメータRについて最小値か判定する適合誤差分散値の最小値判定部演算ステップと、
前記適合誤差分散値の最小値判定部演算ステップで、前記適合誤差の分散値(Δ)が最小値でないと判断されれば、残差演算ステップに前記適合誤差の分散値Δを送るステップと、
モンテカルロ法によって、前記適合誤差の分散値Δ を用いて、前記探針の先端半径Rのパラメータを変更して、接触応力パラメータ設定ステップに送る残差演算ステップと、
を備え、前記適合誤差分散値の最小値判定部演算ステップで、前記適合誤差の分散値(Δ)が最小値と判断されたパラメータRを前記探針の形状パラメータとして決定することを実行させるためのプログラム。
A program for causing a computer to execute a method for determining shape parameters of a probe of an atomic force microscope for analyzing elastic properties of cells, comprising:
a step of acquiring an actual measurement value that associates the amount of deformation of the cell with the pressing force of the probe obtained when the probe is pressed against the measurement point (x, y) on the surface of the cell to be measured; ,
A calculated value by a model formula that associates the deformation amount of the cell with the pressing force of the probe is calculated for a plurality of obtained measured values that associate the deformation amount of the cell with the pressing force of the probe. a computing step;
a fitting error calculation step of obtaining a fitting error (Δ x,y ) between the measured value and the calculated value;
a minimum value calculation step of calculating a minimum fitting error (Δ x, y min ) with the tip radius R of the probe as a parameter R ;
a minimum value determination step of determining whether the minimum fitting error (Δ x, y min ) calculated in the minimum value calculation step is the minimum value for a parameter R related to the tip radius of the probe ;
a step of changing the contact stress parameter of the model formula when it is determined that the minimum value is not the minimum value in the minimum value determination step;
a contact stress parameter setting step of setting the contact stress parameter of the initial value or the contact stress parameter updated in the minimum value determination step in the step of calculating the fitting error;
If the minimum value determination step determines that the minimum value a sending step;
repeating the step of obtaining the measured value to the step of sending the minimum fitting error of the single measurement point for all measurement points of the cell to be measured;
a fitting error variance value calculation step of obtaining a fitting error variance value (Δ T ) for all measurement points of a cell to be measured;
a fitting error variance minimum value determining unit computing step for determining whether the fitting error variance (Δ T ) computed in the fitting error variance computing step is the minimum value for a parameter R;
If it is determined in the step of determining the minimum value of the matching error variance that the variance of the matching error (Δ T ) is not the minimum value, the step of sending the variance of the matching error Δ T to the step of calculating the residual. and,
a residual calculation step of changing the parameter of the tip radius R of the probe tip using the variance value ΔT of the fitting error by the Monte Carlo method and sending it to the contact stress parameter setting step;
and determining, as a shape parameter of the probe, a parameter R for which the dispersion value (Δ T ) of the fitting error is determined to be the minimum value in the step of determining the minimum value of the fitting error variance value. program for.
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