JPH07159698A - マイクロマニピュレータ及びマイクロマニピュレータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、突入の際の衝撃で細胞の内容物が損
傷したり、貫通等の失敗をすることなく確実に細胞膜を
破ることのできる装置及び方法を提供することを目的す
る。 【構成】このマイクロマニピュレータは、顕微鏡１１の
視野下で操作針４４を使用するものにおいて、前記操作
針４４を細胞１に刺入する際に該操作針４４を前進させ
る駆動源２５と、前記操作針１１の前進動作中または前
進動作を終了してから該操作針４４に振動を加える振動
源２６とを具備する構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学顕微鏡の周辺機器
に係り、特に光学顕微鏡下で行う細胞操作に用いるマイ
クロマニピュレータ及びその駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、遺伝子の組み替え等の細胞操作を
行うための装置としてマイクロマニピュレータが開発さ
れている。一般の細胞操作では、図９に示すように、操
作対象の細胞１を第２の操作針２の先端に接触させた状
態で管路内を負圧吸引することにより、細胞１を第２の
操作針２の先端に固定する。そして第２の操作針２で固
定した細胞１に対して第１の操作針３を刺入し、第１の
操作針３から細胞１内へ遺伝子等を注入する。

【０００３】従って、第１，第２の操作針２，３は高精
度に位置出しする必要がある。また、一般に細胞１の細
胞膜は比較的硬いため、第１の操作針３を細胞１内へ刺
入するには第１のキャピラリ３を細胞１に高速度で突入
させる必要がある。

【０００４】従来、このような要求に答えるものとし
て、油圧管路系を応用したマイクロマニピュレータが用
いられていた。図８は、油圧管路系を応用したマイクロ
マニピュレータの構成例を示す図である。このマイクロ
マニピュレータは、レバー４によって動かされた第２の
ピストン５の動きを油圧管路６を介して第１のピストン
に比べ断面積の大きい第２のピストン７へ与えて小さな
動きへ変換し、その第２のピストン７の動きを第１の操
作針３へ伝えている。

【０００５】しかし、上記した図８のマイクロマニピュ
レータは、操作者が自らの手でレーバー操作した操作量
を小さな動きへ変換して第１の操作針３へ機械的に伝え
る構成であるため、刺入速度等の諸条件を定量的に管理
することができず、現実にこのマニピュレータを使いこ
なすには相当の熟練を必要としていた。

【０００６】そこで、本発明者らは、刺入速度等の諸条
件を定量的に管理することのできるマイクロマニピュレ
ータを開発した（特願平５−７９８１４として出願
中）。このマイクロマニピュレータは、マニピュレータ
本体の動力源に超音波アクチュエータを備え、制御系が
刺入速度や移動距離等の動作条件を数値管理し、観察者
がジョイスティック等から入力する指令に対応して制御
系が超音波アクチュエータの駆動量を決定して駆動制御
する。

【０００７】このマイクロマニピュレータによれば、マ
ニピュレータ本体の動力源に超音波アクチュエータを用
いたことから高精度の位置出しや急速な刺入動作を極め
て正確かつ静粛に行えるだけでなく、刺入速度や移動距
離等の動作条件を数値で管理することから、細胞操作の
熟練者でなくても容易に使いこなすことができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記改
良型のマイクロマニピュレータは、油圧管路系による操
作針の動きを電装系のシステムに模倣させるに留まって
いたため、超音波アクチュエータを用いたことによる固
有の効果を全面的に引き出すには至っていなかった。

【０００９】例えば、細胞膜の硬い細胞に操作針を刺入
する場合、刺入速度を上げて操作針を移動することにな
るが、これでは刺入時の動作を顕微鏡観察下で確認する
ことができない。そのため急速な突入動作で細胞膜を破
ることができても、図１０に示すように、刺入の際の衝
撃で細胞の内容物が損傷したり、刺入した操作針が細胞
を貫通する不具合が起こらないとも限らなかった。

【００１０】本発明は、以上のような実情に鑑みてなさ
れたもので、操作針を視認可能な前進速度に抑えた上
で、確実に細胞膜を破ることができ、突入の際の衝撃で
細胞の内容物が損傷したり、又は貫通等の失敗を防止で
きるマイクロマニピュレータおよびマイクロマニピュレ
ータの駆動方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、以下のような手段を講じた。請求項１に
対応するマイクロマニピュレータは、顕微鏡の視野下で
操作針を使用するものにおいて、前記操作針を細胞に刺
入する際に該操作針を前進させる駆動源と、前記操作針
の前進動作中または前進動作を終了してから該操作針に
振動を加える振動源とを具備する構成とした。

【００１２】請求項２に対応するマイクロマニピュレー
タの駆動方法は、顕微鏡の視野下にて細胞に操作針を刺
入する方法において、前記操作針を前進させて前記細胞
に刺入する際に、該操作針に振動を加えるようにした。

【００１３】請求項３に対応するマイクロマニピュレー
タの駆動方法は、顕微鏡の視野下にて細胞に操作針を刺
入する方法において、操作針を前進させて前記細胞に刺
入する際に、該操作針の前進運動に前後方向の揺動運動
を重畳させるようにした。

【００１４】

【作用】請求項１に対応するマイクロマニピュレータで
は、操作針を細胞に刺入する際には、操作針が駆動源に
より前進せしめられ、このとき同時に振動源により振動
が重畳される。よって、操作針には前進運動に加えて所
定周波数の振動が重畳されるものとなり、このような振
動が加えられている操作針の先端が接触した細胞はその
細胞膜が容易に破られる。

【００１５】または、操作針の先端が細胞膜に接触して
から操作針に所定周波数の振動が加えられる。このよう
な場合にも、操作針に加えられる振動周波数によって
は、比較的容易に細胞膜が破られる。

【００１６】請求項２に対応するマイクロマニピュレー
タの駆動方法では、前進運動に加えて所定周波数の振動
が重畳された操作針が細胞に突入せしめられるため、上
記同様に容易に細胞膜が破られる。

【００１７】請求項３に対応するマイクロマニピュレー
タの駆動方法では、前進運動に前後方向の揺動運動が重
畳した操作針が細胞に突入せしめられるため、前進運動
のみで細胞膜を突き破る場合に比べ容易に破ることがで
きる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１には本発明に係るマイクロマニピュレータを倒立顕微
鏡装置へ適用したマニピュレーションシステムの実施例
が示されている。

【００１９】倒立顕微鏡１１は、レボルバ１２が回転自
在に取付けられ、そのレボルバ１２の回転によって所定
の倍率を有する対物レンズ１３が光軸上に配置される。
光軸上に位置する対物レンズ１３の上方にステージ１４
が設けられ、ステージ１４上に操作対象の細胞が配置さ
れる。一方、光軸上の対物レンズ１３に入射した標本像
は接眼レンズ１５およびＣＣＤカメラ１６に導かれる。
なおステージ１４上に配置された細胞を照明装置１７に
よって照明する。

【００２０】本実施例のマイクロマニピュレータは、一
対のマニピュレータ本体２１−１，２１−２、入力手段
２２、制御手段２３，駆動手段２４，超音波アクチュエ
ータ２５−１，２５−２，ランジュバン振動子２６−
１，２６−２等から構成されている。

【００２１】入力手段２２は、操作者から入力される動
作指令を電気的な動作指令信号へ変換するものであり、
ジョイスティック３１、トラックボール３２、キーボー
ド３３、プログラム３４、モニタ手段３５、ライトペン
３６及びパーソナルコンピュータ３７からなる。

【００２２】ジョイスティック３１やトラックボール３
２から操作針先端部の位置が指示され、また操作針先端
部の移動距離や移動速度等の動作内容がキーボード３３
から数値で直接打ち込まれる。これらの動作内容はプロ
グラム３４に予め記述し、そこから読み出して自動的に
入力することもできる。またＣＣＤカメラ１６から映像
信号で出力される標本像をモニタ手段３５に表示し、そ
のモニタ画像上で移動の起点と終点をライトペン３６で
直接指示して入力することも可能になっている。これら
の動作内容の指示に加え、さらに後述する操作針の駆動
方法がキーボード３３から入力される。パーソナルコン
ピュータ３７が、これらの機器から入力された操作針の
動作条件となる入力情報を、電気的な動作指令信号に変
換して制御手段２３へ出力する。

【００２３】制御手段２３は、マニピュレータ本体２１
−１，２１−２に備えられる変位検出手段から帰還され
る変位信号と、入力手段２２から伝送されてくる動作指
令信号とに基づき、逐次、次に行うべき動作の内容を実
時間的で決定して、これに対応する制御信号を生成し、
後段の駆動手段２４へ送出する。また、入力手段２２か
らの指令に応じては超音波アクチュエータ２５−１，２
５−２の並進運動に合わせてランジュバン振動子２６−
１，２６−２を駆動するための制御信号を駆動手段２４
へ送出する。

【００２４】駆動手段２４は、超音波アクチュエータ２
５−１，２５−２，ランジュバン振動子２６−１，２６
−２のそれぞれに対応する電源部を備えており、各電源
部から対応する駆動対象へ供給すべき駆動電力が制御手
段２３により独立に制御される。各電源部は、制御手段
２３からの制御信号に基づいて発生させた駆動電力を超
音波アクチュエータ２５−１，２５−２，ランジュバン
振動子２６−１，２６−２へ供給する。

【００２５】ここで、２つのマニピュレータ本体２１−
１，２１−２の基本構成について図２を参照して説明す
る。なお、説明上、双方のマニピュレータ本体２１−
１，２１−２を特に区別しない場合には、マニピュレー
タ本体２１と称する。

【００２６】顕微鏡ステージ１４上の細胞を操作可能な
近傍に不図示の固定治具を介してマニピュレータ本体２
１が固定される。マニピュレータ本体２１は、超音波ア
クチュエータ２５、この超音波アクチュエータ２５にて
駆動せしめられる被駆動体４２、この被駆動体４２の後
方部（操作針の突入方向を前方とする）に設けられたラ
ンジュバン振動子２６、被駆動体４２の前方部に設けら
れ操作針４４を固定する操作針固定部４５等から構成さ
れる。

【００２７】超音波アクチュエータ２５の一方の面に設
けられた一対の摺動部材４５を、被駆動体４２の一方の
面に設けられた摺動板４６に接触し、かつ基体４７に固
定したコイルスプリング４８で超音波アクチュエータ２
５を被駆動体４２側へ所定圧力で押圧している。また、
被駆動体４２の他方の面と基体４７との間には被駆動体
４２の移動方向に対して直交するように複数のクロスロ
ーラガイド４９が配設されており、被駆動体４２を基体
４７に対して並進運動自在に支持している。

【００２８】図３は、超音波アクチュエータ２５の側面
図を示している。超音波アクチュエータ２５は、弾性体
５１と、その弾性体５１に固設され電気エネルギーを幾
何学的な変位に変換して超音波振動を発生する一対の積
層圧電体５２ａ，５２ｂと、弾性体５１に発生する楕円
振動により摺動板４６を摩擦駆動する上記摺動部材４５
ａ，４５ｂとから構成されている。この超音波アクチュ
エータ２５は、駆動手段２４から弾性体５１、積層圧電
体５２の伸縮振動から楕円振動を作り、２種の弾性波が
定在するように駆動する。

【００２９】一方、被駆動体４２の端部に設けられたラ
ンジュバン振動子２６は、上記駆動手段２４から正弦波
電圧の印加を受けて被駆動体４２の並進運動方向と平行
な方向へ超音波振動を発生する。

【００３０】マニピュレータ本体２１の変位は不図示の
変位検出手段にて検出し、変位信号に変換して、その変
位信号を制御手２３へ帰還している。次に、以上のよう
に構成された本実施例の動作について説明する。

【００３１】ジョイスティック３１またはトラックボー
ル３２を操作して操作針４４が移動すべき地点を指示す
ると、その指示に応じた動作指令信号がパーソナルコン
ピュータ３７から制御手段２３へ伝送される。又はＣＣ
Ｄカメラ１６で撮像した顕微鏡画像をモニタ手段３５に
映出し、その画面上でライトペン３６によって動作の起
点と終点を指示することにより、ライトペン３６で指示
された動作指令信号がパーソナルコンピュータ３７から
制御手段２３へ伝送される。

【００３２】ここで、操作針４４の動作条件として操作
針４４の駆動方法をキーボード３３等から入力する。本
実施例における操作針４４の駆動方法には、図５に示す
ようなものがある。

【００３３】図５（ａ）に示す駆動方法は、超音波アク
チュエータ２５による操作針４４の前進運動に前後方向
の揺動運動を重畳させたものである。前進移動距離Ｄ１
を後進移動距離Ｄ２よりも僅かに大きくなるようにし
て、その前後方向の移動を繰り返すように超音波アクチ
ュエータ２５を駆動することにより、このように駆動が
実現される。

【００３４】図５（ｂ）に示す駆動方法は、超音波アク
チュエータ２５による操作針４４の前進運動にランジュ
バン振動子２６による前後方向の超音波振動を重畳させ
たものである。この場合、超音波アクチュエータ２５と
ランジュバン振動子２６とを同時に駆動する。

【００３５】図５（ｃ）に示す駆動方法は、操作針４４
の先端が細胞表面に接触して停止させてから、操作針４
４にランジュバン振動子２６による前後方向の超音波振
動を発生させるものである。

【００３６】制御手段２３では、パーソナルコンピュー
タ３７から送られてくる動作指令信号とマニピュレータ
本体２１に設けられている変位検出手段からの変位信号
とから、その偏差を無くすような最適の駆動電力を決定
し、これを生成させるための制御信号を駆動手段２４へ
伝送する。駆動手段２４では制御手段２３から逐次伝送
されてくる超音波アクチュエータ２５に対する制御信号
に基づいて駆動電力を生成し、超音波アクチュエータ２
５の積層圧電体５２に印加する。

【００３７】ここで、超音波アクチュエータ２５が駆動
手段２４から電圧印加を受けてマニピュレータ本体２１
が駆動力を発生する原理について図４（ａ）（ｂ）を参
照して説明する。図４（ａ）（ｂ）は、弾性体５１に励
起される２種の振動を示している。同図（ａ）は長手方
向の伸縮振動、同図（ｂ）は該長手方向に沿って伝播す
る横波の弾性波であって２次元の定在波である。

【００３８】弾性体５１の寸法をその２種の振動の共振
周波数が同一になるように設定し、一対の積層圧電体５
２ａ，５２ｂにそのような周波数の正弦波を位相を９０
度ずらせて印加すると、上記２種の振動が同時に励起さ
れる。このとき、横波の２次の定在波の振動の腹では、
上記２種の振動が合成されて質点が楕円形の軌跡を描い
て振動する。定在波の振動の腹の部分に摺動部材４５
ａ，４５ｂを固設しておくことにより、摺動部材４５
ａ，４５ｂが楕円形の軌跡を描いて振動し、この摺動部
材４５ａ，４５ｂに所定の押圧力にて接触している摺動
板４６に駆動力が作用する。その結果、被駆動体４２が
前記楕円振動の作用を受けて並進運動し、その被駆動体
４２に固設されている操作針４４が被駆動体４２と同一
方向へ移動する。

【００３９】このとき、上記入力手段２２から動作条件
を入力する際に、例えば図５（ａ）の駆動方法が選択さ
れていれば、操作針４４の前進運動に前後方向の揺動運
動が重畳するような電圧パターンが駆動手段２４から積
層圧電素子５２ａ，５２ｂに印加される。本実施例のよ
うな超音波アクチュエータ２５であれば数百Ｈｚの揺動
運動まで実現可能である。このように前進運動に数百Ｈ
ｚの揺動運動を重畳した操作針４４を細胞１に突き当て
れば操作針４４の前進運動が視認できる速度であっても
細胞膜を容易に破砕することができる。

【００４０】また、図５（ｂ）の駆動方法が選択されて
いれば、超音波アクチュエータ２５への電力供給と共
に、ランジュバン振動子２６にも超音域の高周波信号が
印加される。よって、超音波アクチュエータ２５による
操作針４４の前進運動に、ランジュバン振動子２６によ
る前後方向の超音波振動が重畳することとなり、細胞１
に突き当てられた操作針４４の先端により細胞膜は容易
に破砕される。

【００４１】さらに、図５（ｃ）の駆動方法が選択され
ていれば、操作針４４の先端が細胞１に到達するまで
は、超音波アクチュエータ２５により所定速度で前進
し、操作針４４の先端が細胞１に到達したら操作針４４
の前進を停止させてからランジュバン振動子２６を駆動
し、操作針４４に前後方向の超音波振動を加える。これ
により、超音波融着に相当する原理で細胞膜が破砕され
る。細胞膜に穴が開いたならばランジュバン振動子２６
の駆動を停止し、その開いた細胞膜の穴から操作針４４
をゆっくり刺入する。なお、操作針４４の先端が細胞１
に到達するまでの動作は自動制御とし、ランジュバン振
動子２６を駆動するタイミングは観察者が入力手段２２
から任意に入力するようにする。

【００４２】また、以上の操作により最適の動作が得ら
れたならば、その動作を得るために入力手段２２から入
力した入力情報をプログラム３４に記述しておくことが
できる。そして同じ動作内容を得たいときにパーソナル
コンピュータ３７に指示を与えてプログラム３４から同
じ入力情報を読出し、動作指令信号に変換して出力させ
る。

【００４３】またプログラム３４に複数の動作を組み合
わせた複雑な動作内容を入力情報の形で記述しておくこ
とにより、単一の動作だけでなく複数の動作を組み合わ
せた動作パターンをプログラム３４から読出して自動的
に実施することができるようになる。

【００４４】この様に本実施例によれば、操作針４４を
細胞１に刺入するために操作針４４を前進させる超音波
アクチュエータ２５と、操作針４４に任意のタイミング
で前後方向の超音波振動を加えるランジュバン振動子２
６とを設けたので、細胞膜を操作針４４に加えられた超
音波振動または揺動運動により破ることができ、操作針
４４の前進速度を視認可能な速度で容易に破ることがで
きる。したがって、顕微鏡画像上で操作針４４の動く様
子を視認しながら刺入することができ、細胞を操作針４
４が貫通するなどの失敗を防止できる。また、操作針４
４の刺入速度を低速化できることから、突入の際の衝撃
で細胞１の内容物が損傷する不具合を防止することもで
きる。

【００４５】また、本実施例によれば、マニピュレータ
本体２１の動力源に超音波アクチュエータ２５を用いた
ことから高精度の位置出しや急速な刺入動作を極めて正
確かつ静粛に行えるだけでなく、刺入速度や移動距離等
の動作条件を数値で管理することから、細胞操作の熟練
者でなくても容易に使いこなすことができる。

【００４６】ところで、上記実施例では操作針４４に超
音波振動を加えるためにランジュバン振動子２６を用い
ているが、超音波振動を発生させられるものであれば他
の振動源を用いることができ、例えば積層圧電体を用い
ることができる。

【００４７】また、上記実施例ではランジュバン振動子
２６を被駆動体４２の後方部に設けたが、例えば図６に
示すように操作針４４を固定する操作針固定部４５に設
けることもできる。

【００４８】図６に示すように構成すれば、ランジュバ
ン振動子２６の負荷となる部分が操作針４４のみとなる
ことから、振動の等価質量が極めて軽くなる。その結
果、超音波の周波数を高めることができ、細胞膜を破る
機能のより強い装置を提供できることになる。

【００４９】また、本発明のマイクロマニピュレータを
油圧管路系を応用したマイクロマニピュレータに適用す
ることができる。図７は、本発明のマイクロマニピュレ
ータを油圧管路系のマイクロマニピュレータに適用した
実施例を示している。なお、図８に示すマニピュレータ
と同一機能は同一符号を付している。

【００５０】この実施例は、操作針３の前進運動は図９
で既に説明した通りであるが、操作針３の前後方向の超
音波振動はピストン７と操作針３との間に介挿したラン
ジュバン振動子２６′から加えられる。この例では、観
察者が不図示のスイッチをマニュアルで操作することに
より電源２４′からランジュバン振動子２６′へ駆動電
力を供給するように構成されている。

【００５１】本実施例によっても、操作針３に超音波振
動を加えることができるため、細胞膜を無理なく破るこ
とができる。本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形実施
可能である。

【００５２】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、操
作針を視認可能な前進速度に抑えた上で、確実に細胞膜
を破ることができ、突入の際の衝撃で細胞の内容物が損
傷したり、又は貫通等の失敗を防止できるマイクロマニ
ピュレータおよびマイクロマニピュレータの駆動方法を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るマイクロマニピュレー
タシステムの構成図である。

【図２】図１に示す実施例に備えたマニピュレータ本体
の構成図である。

【図３】マニピュレータ本体に備えた超音波アクチュエ
ータの側面図である。

【図４】超音波アクチュエータの駆動原理を説明するた
めの図である。

【図５】操作針の駆動方法を示す図である。

【図６】マニピュレータ本体の変形例を示す図である。

【図７】本発明を油圧管路系のマイクロマニピュレータ
に適用した実施例の構成図である。

【図８】従来の油圧管路系のマイクロマニピュレータの
構成図である。

【図９】マイクロマニピュレータによる刺入動作を示す
図である。

【図１０】操作針により細胞が押し潰された状態を示す
図である。

【符号の説明】 １１…倒立顕微鏡、１３…対物レンズ、１４…ステー
ジ、１５…接眼レンズ、１６…ＣＣＤ、２１−１，２１
−２…マニピュレータ本体、２２…入力手段、２３…制
御手段、２４…駆動手段、２５−１，２５−２…超音波
アクチュエータ、２６−１，２６−２…ランジュバン振
動子、４２…被駆動体、４４…操作針。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津幡 敏晴 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 大内 孝司 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 顕微鏡の視野下で操作針を使用するマイ
   クロマニピュレータにおいて、前記操作針を細胞に刺入
   する際に該操作針を前進させる駆動源と、前記操作針の
   前進動作中または前進動作終了後に該操作針に振動を加
   える振動源とを具備したことを特徴とするマイクロマニ
   ピュレータ。
2. 【請求項２】 顕微鏡の視野下にて細胞に操作針を刺入
   する為のマイクロマニピュレータの駆動方法において、
   前記操作針を前進させて前記細胞に刺入する際に、該操
   作針に振動を加えることを特徴とするマイクロマニピュ
   レータの駆動方法。
3. 【請求項３】 顕微鏡の視野下にて細胞に操作針を刺入
   する為のマイクロマニピュレータの駆動方法において、
   前記操作針を前進させて前記細胞に刺入する際に、該操
   作針の前進運動に前後方向の揺動運動を重畳させること
   を特徴とするマイクロマニピュレータの駆動方法。