JPWO2019180833A1 - Cell observation device - Google Patents

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Abstract

位相情報算出部(23)及び画像再構成部(24)は、ホログラフィック顕微鏡である顕微観察部(10)で得られたホログラムデータに基づいた演算処理等を行い、透明な細胞が観察し易いIHM位相像を作成する。領域識別処理部(26)は、未分化細胞領域と未分化逸脱細胞領域を特徴領域とする教師データを学習させることで構築した識別器を用い、作成されたIHM位相像において未分化細胞領域と未分化逸脱細胞領域とを識別する。この領域識別結果に基づいて領域識別画像作成部(28)は、その各領域を予め指定された色で区分けした領域識別画像を作成し、表示処理部(29)は同じ観察範囲に対応するIHM位相像と領域識別画像とを並べて表示部(40)に表示する。これにより、経験や技量に乏しい作業者でも培養中の細胞の状態の確認等を効率的に行うことができる。The phase information calculation unit (23) and the image reconstruction unit (24) perform arithmetic processing and the like based on the hologram data obtained by the microscopic observation unit (10), which is a holographic microscope, so that transparent cells can be easily observed. Create an IHM phase image. The region identification processing unit (26) uses a discriminator constructed by learning teacher data in which the undifferentiated cell region and the undifferentiated deviant cell region are characteristic regions, and in the created IHM phase image, the undifferentiated cell region and Distinguish from undifferentiated deviant cell regions. Based on this area identification result, the area identification image creation unit (28) creates an area identification image in which each area is divided by a predetermined color, and the display processing unit (29) creates an IHM corresponding to the same observation range. The phase image and the area identification image are displayed side by side on the display unit (40). As a result, even an operator with little experience or skill can efficiently confirm the state of cells during culturing.

Description

本発明は、細胞の状態を観察する細胞観察装置に関し、さらに詳しくは、多能性幹細胞(ES細胞やiPS細胞)を培養する過程等において細胞の状態を非侵襲で判定したり培養に不具合がないか等を確認したりするのに好適な細胞観察装置に関する。 The present invention relates to a cell observation device for observing the state of cells, and more specifically, in the process of culturing pluripotent stem cells (ES cells and iPS cells), the state of cells is non-invasively determined and there is a problem in culturing. The present invention relates to a cell observation device suitable for confirming the presence or absence.

再生医療分野では、近年、iPS細胞やES細胞等の多能性幹細胞を用いた研究が盛んに行われている。こうした多能性幹細胞を利用した再生医療の研究・開発においては、多能性を維持した状態の未分化の細胞を大量に培養する必要がある。そのため、適切な培養環境の選択と環境の安定的な制御が必要であるとともに、培養中の細胞の状態を高い頻度で確認する必要がある。例えば、細胞コロニー内の細胞が未分化状態から逸脱すると、この場合、細胞コロニー内にある全ての細胞は分化する能力を有しているために、最終的にはコロニー内の細胞全てが未分化逸脱状態に遷移してしまう。そのため、作業者は培養している細胞中に未分化状態を逸脱した細胞(すでに分化した細胞や分化しそうな細胞、以下「未分化逸脱細胞」という)が発生していないかを日々確認し、未分化逸脱細胞を見つけた場合にはこれを迅速に除去する必要がある。また、培養の過程で塵埃などの異物が培地に混入してしまうことがあるが、そうした異物もできるだけ迅速に除去する必要がある。 In the field of regenerative medicine, research using pluripotent stem cells such as iPS cells and ES cells has been actively conducted in recent years. In research and development of regenerative medicine using such pluripotent stem cells, it is necessary to culture a large amount of undifferentiated cells in a state of maintaining pluripotency. Therefore, it is necessary to select an appropriate culture environment and stably control the environment, and it is necessary to confirm the state of cells during culture at a high frequency. For example, when a cell in a cell colony deviates from the undifferentiated state, in this case, all the cells in the cell colony have the ability to differentiate, so that finally all the cells in the colony are undifferentiated. It transitions to the deviation state. Therefore, the worker daily checks whether or not cells that have deviated from the undifferentiated state (cells that have already differentiated or cells that are likely to differentiate, hereinafter referred to as "undifferentiated deviated cells") are generated in the cultured cells. If undifferentiated deviant cells are found, they need to be removed promptly. In addition, foreign substances such as dust may be mixed into the medium in the process of culturing, and it is necessary to remove such foreign substances as quickly as possible.

多能性幹細胞が未分化状態を維持しているか否かの判定は、未分化マーカーによる染色を行うことで確実に行うことができる。しかしながら、染色を行った細胞は死滅するため、再生医療用の多能性幹細胞の判定には未分化マーカー染色を実施することができない。そこで、現在の再生医療用細胞培養の現場では、位相差顕微鏡を用いた細胞の形態的観察に基づいて、作業者が未分化細胞であるか否かを判定するようにしている。位相差顕微鏡を用いるのは、一般に細胞は透明であって通常の光学顕微鏡では観察しにくいためである。 Whether or not the pluripotent stem cells maintain the undifferentiated state can be reliably determined by staining with an undifferentiated marker. However, since the stained cells die, undifferentiated marker staining cannot be performed to determine pluripotent stem cells for regenerative medicine. Therefore, in the current field of cell culture for regenerative medicine, it is determined whether or not the worker is an undifferentiated cell based on the morphological observation of the cell using a phase-contrast microscope. A phase-contrast microscope is used because cells are generally transparent and difficult to observe with a normal optical microscope.

また、非特許文献1に開示されているように、最近では、ホログラフィ技術を用いて細胞の観察画像を取得する装置も実用化されている。この装置は、特許文献1〜4等に開示されているように、デジタルホログラフィック顕微鏡で得られたホログラムデータに対し位相回復や画像再構成等のデータ処理を行うことで、細胞が鮮明に観察し易い位相像(インライン型ホログラフィック顕微鏡(In-line Holographic Microscopy:IHM)を用いていることから、以下「IHM位相像」という)を作成するものである。デジタルホログラフィック顕微鏡では、ホログラムデータを取得したあとの演算処理の段階で任意の距離における位相情報を算出することができるため、撮影時にいちいち焦点合わせを行う必要がなく測定時間を短くすることができるという利点がある。 Further, as disclosed in Non-Patent Document 1, recently, an apparatus for acquiring an observation image of a cell by using a holographic technique has also been put into practical use. As disclosed in Patent Documents 1 to 4, this device clearly observes cells by performing data processing such as phase retrieval and image reconstruction on hologram data obtained by a digital holographic microscope. An easy-to-use phase image (hereinafter referred to as "IHM phase image" because an in-line holographic microscopy (IHM) is used) is created. With a digital holographic microscope, phase information at an arbitrary distance can be calculated at the stage of arithmetic processing after acquiring hologram data, so it is not necessary to perform focusing each time during shooting, and the measurement time can be shortened. There is an advantage.

しかしながら、位相差顕微画像やIHM位相画像では細胞を或る程度鮮明に観察可能であるものの、作業者が目視で未分化細胞等を正確に判定するにはかなり熟練が必要である。そのため、そうした判定を担当できる作業者がかなり限られる。また、人間の判断に基づくために判定にばらつきが生じることは避けられない。また、熟練した作業者であっても正確な判定には時間が掛かるため、大量の画像を処理することは難しい。そのため、こうした従来の手法は大学や研究機関での研究レベルであれば許容可能であるものの、多能性幹細胞を工業的に大量生産するのには適さない。 However, although cells can be observed clearly to some extent in a phase-contrast microscopic image or an IHM phase image, a considerable skill is required for an operator to visually accurately determine undifferentiated cells and the like. Therefore, the number of workers who can take charge of such a judgment is quite limited. In addition, it is inevitable that the judgment will vary because it is based on human judgment. In addition, it is difficult for even a skilled worker to process a large number of images because it takes time to make an accurate determination. Therefore, although these conventional methods are acceptable at the research level at universities and research institutes, they are not suitable for industrial mass production of pluripotent stem cells.

国際特許公開第2017/203718号パンフレットInternational Patent Publication No. 2017/203718 Pamphlet 国際特許公開第2017/204013号パンフレットInternational Patent Publication No. 2017/204013 Pamphlet 国際特許公開第2016/084420号パンフレットInternational Patent Publication No. 2016/08424 Pamphlet 特開平10−268740号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-268740

「細胞培養解析装置 CultureScanner CS-1」、[online]、株式会社島津製作所、[平成30年2月14日検索]、インターネット<URL: https://www.an.shimadzu.co.jp/bio/cell/cs1/index.htm>"Cell culture analyzer CS-1", [online], Shimadzu Corporation, [Search on February 14, 2018], Internet <URL: https://www.an.shimadzu.co.jp/bio /cell/cs1/index.htm >

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、細胞について得られた観察画像に基づいて細胞の状態や品質などを判定したり、異物混入等の不適切な状態がないかを確認したりする作業を、経験や技量に乏しい作業者であっても行うことができ、且つそうした作業を効率的に行うことができる細胞観察装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to determine the state and quality of cells based on observation images obtained for cells, and to improperly mix foreign substances. It is an object of the present invention to provide a cell observation device capable of performing work such as confirming whether or not there is a state of illness even by an operator having little experience or skill, and capable of efficiently performing such work.

上記課題を解決するために成された本発明に係る細胞観察装置は、
a)細胞についての観察画像を取得する観察画像取得部と、
b)前記観察画像取得部で取得された観察画像の全体又はその一部について2以上の細胞状態をそれぞれ示す特徴領域を識別する領域識別部と、
c)前記領域識別部により識別された2以上の特徴領域を、それぞれ視覚的に識別可能な態様で区分けして描出した領域識別画像を作成し、該画像を表示部の画面上に表示する画像表示処理部と、
を備えることを特徴としている。
The cell observation device according to the present invention made to solve the above problems is
a) An observation image acquisition unit that acquires an observation image of cells,
b) A region identification unit that identifies a characteristic region indicating two or more cell states for all or a part of the observation image acquired by the observation image acquisition unit.
c) An image in which two or more feature areas identified by the area identification unit are divided into visually identifiable modes to create an area identification image, and the image is displayed on the screen of the display unit. Display processing unit and
It is characterized by having.

本発明において観察画像は典型的には、位相差顕微鏡で得られる位相差顕微画像、又はホログラフィック顕微鏡で得られたホログラムデータから求まる位相画像、強度画像、若しくは擬似位相画像(位相差顕微鏡による位相差顕微画像に相当する画像)などである。 In the present invention, the observed image is typically a phase-contrast microscopic image obtained by a phase-contrast microscope, or a phase-contrast image, an intensity image, or a pseudo-phase image (position by a phase-contrast microscope) obtained from hologram data obtained by a holographic microscope. An image corresponding to a phase-contrast microscopic image) and the like.

観察画像取得部でこうした観察画像が得られると、領域識別部は、その観察画像の全体又は例えばユーザにより指定された範囲の部分的な観察画像について、互いに異なる細胞状態をそれぞれ示す2以上の特徴領域を識別する。領域識別部における領域識別のアルゴリズムは特に問わないが、教師有りの機械学習をその一部に利用したものが有用である。即ち、本発明の一態様として、前記領域識別部は、観察画像中の2以上の特徴領域を識別可能な態様で区分けされた画像を教師データとして用いた機械学習により作成された学習済みモデルを使用して、前記観察画像の全体又はその一部について前記特徴領域を識別するものとすることができる。 When such an observation image is obtained by the observation image acquisition unit, the region identification unit has two or more features showing different cell states for the entire observation image or, for example, a partial observation image in a range specified by the user. Identify the area. The algorithm for region identification in the region identification unit is not particularly limited, but one that utilizes supervised machine learning as a part thereof is useful. That is, as one aspect of the present invention, the region identification unit uses a trained model created by machine learning using an image in which two or more feature regions in an observation image are divided in a mode that can be identified as teacher data. It can be used to identify the feature region for all or part of the observation image.

教師有りの機械学習としては、サポートベクターマシン(Support Vector Machine:SVM)、ランダムフォレスト(Random Forest)、アダブースト(AdaBoost)、単純ベイズ、k近傍法、さらにはニューラルネットワークを含むディープラーニング(Deep Learning)など、適宜の手法を用いることができる。また、画像そのものを学習するのではなく、画像からテクスチャ解析などにより抽出した特徴量を学習するものでもよい。また、細胞の種類や特徴領域の態様によっては、機械学習を用いず、より簡易的な方法によって、例えば画素値を閾値に従って判定するような方法でも識別できる可能性がある。 Supervised machine learning includes Support Vector Machine (SVM), Random Forest, AdaBoost, Simple Bayes, k-neighborhood method, and Deep Learning including neural networks. Etc., an appropriate method can be used. Further, instead of learning the image itself, the feature amount extracted from the image by texture analysis or the like may be learned. Further, depending on the type of cell and the mode of the characteristic region, it may be possible to identify by a simpler method without using machine learning, for example, a method of determining a pixel value according to a threshold value.

上記特徴領域は観察対象の細胞の種類や観察の目的等によって異なるが、例えば観察対象の細胞がヒトiPS細胞を含む多能性幹細胞である場合、互いに異なる細胞状態とは未分化細胞と未分化逸脱細胞などである。そこで、本発明では例えば、前記特徴領域の一つは細胞又は細胞コロニーである領域、該特徴領域の他の一つは細胞又は細胞コロニーである領域中において未分化細胞又は未分化逸脱細胞のいずれかである領域とすることができる。また、互いに異なる細胞状態として、目的とする器官(例えば心臓移植用の心筋)の細胞へ分化した細胞と、それ以外の細胞(例えば神経細胞など)としてもよい。 The above characteristic regions differ depending on the type of cells to be observed, the purpose of observation, etc., but for example, when the cells to be observed are pluripotent stem cells including human iPS cells, the cell states different from each other are undifferentiated cells and undifferentiated cells. Deviation cells and the like. Therefore, in the present invention, for example, in the region where one of the characteristic regions is a cell or a cell colony and the other one of the characteristic regions is a cell or a cell colony, either undifferentiated cells or undifferentiated deviant cells It can be an area that is. Further, as different cell states, cells differentiated into cells of a target organ (for example, myocardium for heart transplantation) and other cells (for example, nerve cells) may be used.

画像表示処理部は、上述したように識別された2以上の特徴領域を、それぞれ視覚的に識別可能な態様で区分けして描出した領域識別画像を作成する。そして、該領域識別画像を表示部の画面上に表示する。ここで「視覚的に識別可能な態様」とは、典型的には、互いに異なる表示色を用いた塗りつぶし処理、つまりは特徴領域の色分けである。もちろん、グレイスケール上の異なる濃淡で特徴領域を区分けしてもよいし、塗りつぶし部分の図形パターンが異なるもので特徴領域を区分けしてもよい。 The image display processing unit creates a region identification image in which the two or more feature regions identified as described above are divided and drawn in a visually identifiable manner. Then, the area identification image is displayed on the screen of the display unit. Here, the "visually identifiable aspect" is typically a filling process using different display colors, that is, color coding of the feature area. Of course, the feature area may be divided by different shades on the gray scale, or the feature area may be divided by different graphic patterns of the filled portion.

こうして表示された領域識別画像では、例えば未分化細胞領域、未分化逸脱細胞領域、異物領域などがそれぞれ異なる色等で示される。それにより、観察画像からは細胞の状態の判別が行えないような経験の乏しい作業者であっても、細胞コロニー中に未分化逸脱細胞が存在するかどうか、存在するとすれば未分化細胞と未分化逸脱細胞との境界はどこか、或いは、培地中に異物が混入していないかどうか、などを一目で把握することができる。 In the region identification image displayed in this way, for example, the undifferentiated cell region, the undifferentiated deviant cell region, the foreign body region, and the like are shown in different colors and the like. As a result, even an inexperienced worker who cannot distinguish the state of cells from the observation image can determine whether or not undifferentiated deviant cells exist in the cell colony, and if so, undifferentiated cells and undifferentiated cells. It is possible to grasp at a glance where the boundary with the differentiated cells is, or whether or not foreign substances are mixed in the medium.

本発明において好ましくは、前記領域識別部は、画素単位で前記特徴領域を識別した情報を生成し、前記画像表示処理部は、画素単位又は隣接する複数の画素をまとめた小領域の単位で、異なる特徴領域を視覚的に識別可能な態様で区分けして描出する構成とするとよい。 In the present invention, preferably, the area identification unit generates information for identifying the feature area on a pixel-by-pixel basis, and the image display processing unit is a pixel unit or a unit of a small area in which a plurality of adjacent pixels are grouped together. It is preferable that the different feature areas are divided and drawn in a visually distinguishable manner.

例えば倍率の小さな観察画像では1個の細胞が画像の1画素程度の大きさになる場合もあり得るが、1個の細胞が未分化逸脱細胞であると判定されて該細胞に対応する1画素が領域識別画像上で周りの画素と異なる色で表示されても分かりにくいことが多い。そうした場合に、画素単位ではなく隣接する複数の画素をまとめた小領域の単位で、一つの小領域に含まれる複数の画素のいずれか一つで或る特徴領域であると識別されたならば、その小領域をその特徴領域に対応付けられた色で示すことにより、その特徴領域が存在することが視覚的に分かり易くなる。これにより、作業者による画像の確認時に、ごく小さい特徴領域の見逃しを防止することができる。 For example, in an observation image with a small magnification, one cell may be as large as one pixel of the image, but one cell is determined to be an undifferentiated deviation cell and one pixel corresponding to the cell. Is often difficult to understand even if it is displayed in a color different from the surrounding pixels on the area identification image. In such a case, if it is not a pixel unit but a unit of a small area in which a plurality of adjacent pixels are grouped together, and any one of the plurality of pixels included in one small area is identified as a certain feature area. By showing the small area with the color associated with the feature area, it becomes easy to visually understand that the feature area exists. As a result, it is possible to prevent the operator from overlooking a very small feature area when checking the image.

また本発明において、前記画像表示処理部は、前記領域識別部での識別対象である細胞状態及び特徴領域毎の識別可能な態様を示す情報を前記領域識別画像と共に表示する構成とするとよい。 Further, in the present invention, the image display processing unit may be configured to display information indicating the cell state to be identified by the region identification unit and the distinguishable mode for each characteristic region together with the region identification image.

具体的には、領域識別画像中の各特徴領域を異なる表示色で示す場合に、「赤色:未分化逸脱、緑色:未分化」などの情報を該画像の一部に、又は該画像の近傍に表示するとよい。これにより、作業者は一目で画像中の細胞状態を把握することができる。 Specifically, when each feature region in the region identification image is indicated by a different display color, information such as "red: undifferentiated deviation, green: undifferentiated" is included in a part of the image or in the vicinity of the image. It is good to display in. As a result, the worker can grasp the cell state in the image at a glance.

また本発明において前記画像表示処理部は、ユーザの操作に応じて、前記表示部の画面上に表示した領域識別画像を拡大又は縮小させる構成とするとよい。また、前記画像表示処理部は、前記領域識別画像上で所定の範囲が選択されたときに、該範囲の拡大画像を表示する構成とするとよい。
これにより、作業者は例えば細胞1個程度のごく小さい範囲の細胞状態も正確に把握することができる。
Further, in the present invention, the image display processing unit may be configured to enlarge or reduce the area identification image displayed on the screen of the display unit according to the operation of the user. Further, the image display processing unit may be configured to display an enlarged image of the range when a predetermined range is selected on the area identification image.
As a result, the operator can accurately grasp the cell state in a very small range of, for example, one cell.

また上記構成において、前記画像表示処理部は、前記拡大画像とその拡大前の領域識別画像とを同一画面内に表示するとよい。
これにより、作業者は、試料上の広い範囲における細胞状態の分布状態と、その中の一部の細かい細胞状態とを併せて把握することができる。
Further, in the above configuration, the image display processing unit may display the enlarged image and the area identification image before the enlargement on the same screen.
As a result, the operator can grasp the distribution state of the cell state over a wide range on the sample and a part of the fine cell state in the sample.

また上記構成において、前記画像表示処理部は、前記領域識別部での識別対象である細胞状態及び特徴領域毎の識別可能な態様を示す情報を前記拡大画像と共に表示するとよい。
これにより、作業者は拡大画像を見ただけで該画像中の細胞状態を的確に把握することができる。
Further, in the above configuration, the image display processing unit may display information indicating the cell state to be identified by the region identification unit and the distinguishable mode for each characteristic region together with the enlarged image.
As a result, the operator can accurately grasp the cell state in the enlarged image just by looking at the enlarged image.

また本発明において好ましくは、前記観察画像取得部は、ホログラフィック顕微鏡と、該ホログラフィック顕微鏡で得られたホログラムデータに基づいて位相画像及び/又は強度画像を作成する画像再構成処理部と、を含み、
前記画像表示処理部は、前記領域識別画像と前記位相画像及び/又は強度画像とを同一画面内に表示する構成とするとよい。
Further, preferably in the present invention, the observation image acquisition unit includes a holographic microscope and an image reconstruction processing unit that creates a phase image and / or an intensity image based on the hologram data obtained by the holographic microscope. Including
The image display processing unit may be configured to display the area identification image and the phase image and / or intensity image on the same screen.

上記ホログラフィック顕微鏡はその方式を問わず、インライン型、オフアクシス型、位相シフト型などのいずれでもよい。 The holographic microscope may be an in-line type, an off-axis type, a phase shift type, or the like regardless of the method.

この構成によれば、ホログラムデータに基づいて位相情報や強度情報を算出する段階で任意の焦点位置における情報を計算によって求めることができ、細胞を含む試料をホログラフィック顕微鏡で撮影する段階では面倒な焦点合わせを行う必要がない。そのため、試料の撮影を短時間で円滑に行うことができ、生きた状態の細胞を観察するのに好適である。また、一般的な光学顕微画像に比べて細胞が比較的明瞭に観察可能な位相画像や異物等が比較的明瞭に観察可能な強度画像と領域識別画像とを同一画面上で比較することができるので、それら画像を見比べながら、自動的な識別処理による特徴領域の識別が適切に行われているか否かをチェックすることができる。 According to this configuration, the information at an arbitrary focal position can be obtained by calculation at the stage of calculating the phase information and the intensity information based on the hologram data, which is troublesome at the stage of photographing the sample containing cells with a holographic microscope. No need to focus. Therefore, the sample can be photographed smoothly in a short time, which is suitable for observing living cells. In addition, it is possible to compare a phase image in which cells can be observed relatively clearly and an intensity image in which foreign substances can be observed relatively clearly and a region identification image on the same screen as compared with a general optical microscopic image. Therefore, it is possible to check whether or not the feature area is properly identified by the automatic identification process while comparing the images.

また上記構成において、前記画像表示処理部は、前記領域識別画像上で所定の範囲が選択されたときに、該範囲の拡大画像と、前記位相画像及び/又は強度画像内で前記拡大画像に対応した範囲の画像とを同一画面内に表示するとよい。 Further, in the above configuration, when a predetermined range is selected on the area identification image, the image display processing unit corresponds to the enlarged image of the range and the enlarged image in the phase image and / or the intensity image. It is advisable to display the image of the specified range on the same screen.

さらにまた、上記構成において、前記画像表示処理部は、前記拡大画像と前記位相画像及び/又は強度画像の拡大画像とのいずれかで拡大・縮小の操作がなされたときに、該操作に応じて全ての画像を連動させて拡大・縮小させるとよい。
これにより、常に同じ範囲の領域識別画像と位相画像又は強度画像とを見比べることができるので、領域識別が適切かどうか等の確認を正確に行うことができる。また、作業者自らが一つ一つの画像を個別に拡大・縮小する必要がないので、観察作業を効率的に行うことができる。
Furthermore, in the above configuration, when the enlargement / reduction operation is performed on any of the enlarged image and the enlarged image of the phase image and / or the intensity image, the image display processing unit responds to the operation. It is advisable to link all the images to enlarge or reduce them.
As a result, the region identification image in the same range can always be compared with the phase image or the intensity image, so that it is possible to accurately confirm whether or not the region identification is appropriate. In addition, since it is not necessary for the operator to individually enlarge / reduce each image, the observation work can be performed efficiently.

また上記構成において、前記画像表示処理部は、前記領域識別画像と前記位相画像又は強度画像とを重ね合わせた合成画像を表示する構成としてもよい。 Further, in the above configuration, the image display processing unit may be configured to display a composite image in which the region identification image and the phase image or the intensity image are superimposed.

またその場合、前記画像表示処理部は、重ね合わせた少なくとも一方の画像の透明度をユーザによる操作に応じて調整する構成とするとよい。 In that case, the image display processing unit may be configured to adjust the transparency of at least one of the superimposed images according to the operation by the user.

こうした構成によれば、位相画像や強度画像上の模様や境界と特徴領域との関係を作業者が容易に且つ視覚的に把握することができるようになる。もちろん、複数の画像を並べて配置する表示と重ねた表示とをユーザが適宜に切り替えられるようにしておくと便利である。 According to such a configuration, the operator can easily and visually grasp the relationship between the pattern or boundary on the phase image or the intensity image and the feature area. Of course, it is convenient to allow the user to appropriately switch between a display in which a plurality of images are arranged side by side and a display in which the images are superimposed.

本発明によれば、例えばiPS細胞やES細胞などの多能性幹細胞を培養する現場において、作業者が、培養中の細胞が未分化状態を維持しているのか未分化逸脱状態であるのか、細胞コロニー中に未分化逸脱細胞が存在するか否か、或いは、培地に異物が混入していないか否かなど判定する作業の労力を軽減することができる。また、そうした作業を担当する作業者の熟練や技量が不足している場合であっても、判定のばらつきを軽減し、判定ミスや見逃しを減らして判定精度を向上させることができる。また、大量の観察画像を効率良く処理することができ、作業の効率を向上させることができる。こうしたことから、培養中の細胞の品質管理が容易になり、細胞培養における生産性の向上を図ることができる。 According to the present invention, in the field of culturing pluripotent stem cells such as iPS cells and ES cells, an operator can determine whether the cells being cultured maintain an undifferentiated state or are in an undifferentiated state. It is possible to reduce the labor of determining whether or not undifferentiated deviating cells are present in the cell colony, or whether or not foreign substances are mixed in the medium. Further, even when the skill and skill of the worker in charge of such work is insufficient, it is possible to reduce the variation in judgment, reduce judgment mistakes and oversights, and improve the judgment accuracy. In addition, a large amount of observation images can be efficiently processed, and work efficiency can be improved. As a result, quality control of cells during culture becomes easy, and productivity in cell culture can be improved.

本発明の一実施例である細胞観察装置の概略構成図。The schematic block diagram of the cell observation apparatus which is an Example of this invention. 本実施例の細胞観察装置における観察画像の領域識別処理の流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the flow of the area identification processing of the observation image in the cell observation apparatus of this Example. 本実施例の細胞観察装置における領域識別処理の一例を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of the area identification processing in the cell observation apparatus of this Example. 本実施例の細胞観察装置における領域識別画像の表示の一態様を示す図。The figure which shows one aspect of the display of the area identification image in the cell observation apparatus of this Example. 本実施例の細胞観察装置における領域識別画像の表示の他の態様を示す図。The figure which shows the other aspect of the display of the area identification image in the cell observation apparatus of this Example.

以下、本発明に係る細胞観察装置の一実施例について、添付図面を参照して説明する。
図1は本実施例の細胞観察装置の概略構成図である。
Hereinafter, an embodiment of the cell observation apparatus according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the cell observation device of this embodiment.

本実施例の細胞観察装置は、顕微観察部10と、制御・処理部20と、ユーザインターフェイスである入力部30及び表示部40と、を備える。
顕微観察部10はインライン型ホログラフィック顕微鏡であり、レーザダイオードなどを含む光源部11とイメージセンサ12とを備え、光源部11とイメージセンサ12との間に、細胞コロニー(又は細胞単体)14を含む培養プレート13が配置される。
The cell observation device of this embodiment includes a microscopic observation unit 10, a control / processing unit 20, an input unit 30 and a display unit 40, which are user interfaces.
The microscopic observation unit 10 is an in-line holographic microscope, includes a light source unit 11 including a laser diode and an image sensor 12, and a cell colony (or a single cell) 14 between the light source unit 11 and the image sensor 12. The containing culture plate 13 is arranged.

制御・処理部20は、顕微観察部10の動作を制御するとともに顕微観察部10で取得されたデータを処理するものであって、撮影制御部21と、ホログラムデータ記憶部22と、位相情報算出部23と、画像再構成部24と、再構成画像データ記憶部25と、領域識別処理部26と、領域識別結果データ記憶部27と、領域識別画像作成部28と、表示処理部29と、を機能ブロックとして備える。領域識別処理部26の詳細は後述する。 The control / processing unit 20 controls the operation of the microscopic observation unit 10 and processes the data acquired by the microscopic observation unit 10, and includes the imaging control unit 21, the hologram data storage unit 22, and the phase information calculation. Unit 23, image reconstruction unit 24, reconstruction image data storage unit 25, area identification processing unit 26, area identification result data storage unit 27, area identification image creation unit 28, display processing unit 29, and so on. Is provided as a functional block. Details of the area identification processing unit 26 will be described later.

通常、制御・処理部20の実体は、所定のソフトウェアがインストールされたパーソナルコンピュータやより性能の高いワークステーション、或いは、そうしたコンピュータと通信回線を介して接続された高性能なコンピュータを含むコンピュータシステムである。即ち、制御・処理部20に含まれる各ブロックの機能は、コンピュータ単体又は複数のコンピュータを含むコンピュータシステムに搭載されているソフトウェアを実行することで実施される、該コンピュータ又はコンピュータシステムに記憶されている各種データを用いた処理によって具現化されるものとすることができる。 Usually, the entity of the control / processing unit 20 is a personal computer in which predetermined software is installed, a higher-performance workstation, or a computer system including a high-performance computer connected to such a computer via a communication line. is there. That is, the function of each block included in the control / processing unit 20 is stored in the computer or computer system, which is executed by executing software installed in a computer system including a single computer or a plurality of computers. It can be embodied by processing using various types of data.

本実施例の細胞観察装置では様々な細胞についての観察を行うことができるが、ここでは、ヒトiPS細胞を培養する際に必要な細胞観察を目的として細胞の観察画像を取得し、該観察画像から細胞コロニー中の未分化細胞領域、及び未分化逸脱細胞領域を識別してその識別結果を出力する際の処理について説明する。 The cell observation device of this example can observe various cells, but here, an observation image of the cells is acquired for the purpose of observing the cells necessary for culturing human iPS cells, and the observation image is obtained. A process for identifying an undifferentiated cell region and an undifferentiated deviating cell region in a cell colony and outputting the identification result will be described.

図2は本実施例の細胞観察装置における観察画像の領域識別処理の流れを示すフローチャート、図3はその領域識別処理の一例を示す模式図である。
作業者は細胞コロニー14を含む培養プレート13を所定位置にセットして入力部30で所定の操作を行う。この操作を受けて撮影制御部21は、顕微観察部10を制御して以下のようにホログラムデータを取得する(ステップS1)。
FIG. 2 is a flowchart showing the flow of the region identification processing of the observation image in the cell observation apparatus of this embodiment, and FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of the region identification processing.
The operator sets the culture plate 13 containing the cell colony 14 at a predetermined position and performs a predetermined operation on the input unit 30. In response to this operation, the imaging control unit 21 controls the microscopic observation unit 10 to acquire hologram data as follows (step S1).

即ち、光源部11は10°程度の微小角度の広がりを持つコヒーレント光を培養プレート13の所定の領域に照射する。培養プレート13及び細胞コロニー14を透過したコヒーレント光(物体光16)は、培養プレート13上で細胞コロニー14に近接する領域を透過した光(参照光15)と干渉しつつイメージセンサ12に到達する。物体光16は細胞コロニー14を透過する際に位相が変化した光であり、他方、参照光15は細胞コロニー14を透過しないので該コロニー14に起因する位相変化を受けない光である。したがって、イメージセンサ12の検出面(像面)上には、細胞コロニー14により位相が変化した物体光16と位相が変化していない参照光15との干渉縞による像が形成される。 That is, the light source unit 11 irradiates a predetermined region of the culture plate 13 with coherent light having a spread of a minute angle of about 10 °. The coherent light (object light 16) transmitted through the culture plate 13 and the cell colony 14 reaches the image sensor 12 while interfering with the light (reference light 15) transmitted through the region close to the cell colony 14 on the culture plate 13. .. The object light 16 is light whose phase has changed when it passes through the cell colony 14, while the reference light 15 is light that does not pass through the cell colony 14 and therefore does not undergo the phase change caused by the colony 14. Therefore, on the detection surface (image surface) of the image sensor 12, an image is formed by interference fringes between the object light 16 whose phase has changed due to the cell colony 14 and the reference light 15 whose phase has not changed.

なお、光源部11から発せられたコヒーレント光の照射領域(観察領域)は培養プレート13の大きさに比べて小さい。そこで、図示しない移動機構によって、光源部11及びイメージセンサ12を一体に、X軸方向及びY軸方向に所定距離ずつ移動させながら、光源部11から発せられたコヒーレント光を培養プレート13に照射し、該培養プレート13の一部の範囲の干渉像の撮影を繰り返し行う。これにより、培養プレート13上の広い2次元領域に亘るホログラムデータ(イメージセンサ12の検出面で形成されたホログラムの2次元的な光強度分布データ)を取得することができる。 The irradiation region (observation region) of the coherent light emitted from the light source unit 11 is smaller than the size of the culture plate 13. Therefore, the culture plate 13 is irradiated with the coherent light emitted from the light source unit 11 while the light source unit 11 and the image sensor 12 are integrally moved by a predetermined distance in the X-axis direction and the Y-axis direction by a movement mechanism (not shown). , The interference image of a part of the culture plate 13 is repeatedly photographed. As a result, hologram data (two-dimensional light intensity distribution data of the hologram formed on the detection surface of the image sensor 12) over a wide two-dimensional region on the culture plate 13 can be acquired.

上述したように顕微観察部10で得られたホログラムデータは逐次、制御・処理部20に送られ、ホログラムデータ記憶部22に格納される。制御・処理部20において、位相情報算出部23はホログラムデータ記憶部22からホログラムデータを読み出し、位相回復のための所定の演算処理を実行することで観察領域(撮影領域)全体の位相情報を算出する。そして画像再構成部24は、算出された位相情報に基づいてIHM位相像を作成し、該画像データを再構成画像データ記憶部25に保存する(ステップS2)。こうした位相情報の算出やIHM位相像の作成の際には、特許文献3、4等に開示されている周知のアルゴリズムを用いればよい。一般にIHM位相像では、透明であって光学顕微鏡では見えにくい細胞の輪郭(境界)やその内部の模様が見え易くなる。 As described above, the hologram data obtained by the microscopic observation unit 10 is sequentially sent to the control / processing unit 20 and stored in the hologram data storage unit 22. In the control / processing unit 20, the phase information calculation unit 23 reads the hologram data from the hologram data storage unit 22 and executes a predetermined arithmetic process for phase recovery to calculate the phase information of the entire observation area (photographing area). To do. Then, the image reconstruction unit 24 creates an IHM phase image based on the calculated phase information, and stores the image data in the reconstruction image data storage unit 25 (step S2). When calculating such phase information and creating an IHM phase image, a well-known algorithm disclosed in Patent Documents 3 and 4 and the like may be used. Generally, in an IHM phase image, it becomes easy to see the outline (boundary) of a cell and the pattern inside the cell, which are transparent and difficult to see with an optical microscope.

なお、ホログラムデータに基づいて位相情報のほかに、強度情報、擬似位相情報なども併せて算出し、画像再構成部24はこれらに基づく再生像(IHM強度像、IHM擬似位相像)を作成することもできる。IHM強度像はIHM位相像に代えて使用されることもある。また、IHM擬似位相像は、IHM位相像とIHM強度像とを合わせたような画像であり、位相差顕微鏡で得られる位相差顕微画像に相当する。また、ホログラムデータに基づいてIHM位相像等を作成する際には、複数の焦点位置におけるIHM位相像等をそれぞれ作成することができる。 In addition to the phase information, the intensity information, the pseudo-phase information, and the like are also calculated based on the hologram data, and the image reconstruction unit 24 creates a reproduced image (IHM intensity image, IHM pseudo-phase image) based on these. You can also do it. The IHM intensity image may be used in place of the IHM phase image. Further, the IHM pseudo-phase image is an image obtained by combining the IHM phase image and the IHM intensity image, and corresponds to a phase-contrast microscope image obtained by a phase-contrast microscope. Further, when creating an IHM phase image or the like based on hologram data, it is possible to create an IHM phase image or the like at a plurality of focal positions.

領域識別処理部26は作成されたIHM位相像に対し、細胞コロニー中の未分化細胞領域と未分化逸脱細胞領域という二つの特徴領域を識別する処理を実施する(ステップS3)。ここで、この領域識別処理について説明する。 The region identification processing unit 26 performs a process for identifying two characteristic regions, an undifferentiated cell region and an undifferentiated deviant cell region, in the created IHM phase image (step S3). Here, this area identification process will be described.

領域識別処理部26は、予め多数の教師データを用いた学習によって構築された識別器を含み、この識別器を用い、入力された画像に対し複数の特徴領域を画素単位で識別してその識別結果を出力するものである。どのような特徴領域を識別するのかは、学習時に使用される教師データに依存する。したがって、ここでは、予め用意された多数のIHM位相像、及び、これを熟練した作業者が見て未分化細胞領域と未分化逸脱細胞領域とを識別した結果(つまりは正解画像)、を教師データとした学習を行う。 The area identification processing unit 26 includes a classifier constructed in advance by learning using a large amount of teacher data, and uses this classifier to discriminate a plurality of feature areas on an input image in pixel units and identify them. It outputs the result. What kind of feature area is identified depends on the teacher data used during learning. Therefore, here, a large number of IHM phase images prepared in advance and the result of discriminating between the undifferentiated cell region and the undifferentiated deviant cell region (that is, the correct image) by a skilled worker are trained. Perform learning as data.

正解画像とは、与えられたIHM位相像上の未分化細胞領域、未分化逸脱細胞領域、及び背景領域(細胞が存在しない領域)を画素単位でラベル付けしたラベル画像である。ラベル画像は、ごく概略的に言えば、未分化細胞領域と判定された画素に「1」、未分化逸脱細胞領域と判定された画素に「2」、それ以外の背景領域と判定された画素に「0」などの所定の画素値を割り当てた画像であり、これは換言すれば、各画素の位置情報と「0」、「1」又は「2」の画素値とを対応付けた情報である。このラベル画像において異なるラベルにそれぞれ異なる表示色を割り当てて描出すれば、未分化細胞領域、未分化逸脱細胞領域、及び背景領域を色分け表示した画像となる。 The correct image is a label image in which an undifferentiated cell region, an undifferentiated deviated cell region, and a background region (a region in which no cell exists) on a given IHM phase image are labeled on a pixel-by-pixel basis. Roughly speaking, the label image is "1" for pixels determined to be undifferentiated cell regions, "2" for pixels determined to be undifferentiated deviation cell regions, and pixels determined to be other background regions. Is an image to which a predetermined pixel value such as "0" is assigned to, in other words, information in which the position information of each pixel is associated with the pixel value of "0", "1" or "2". is there. If different display colors are assigned to different labels in this label image and drawn, an image in which the undifferentiated cell region, the undifferentiated deviant cell region, and the background region are color-coded and displayed will be obtained.

教師データとしてIHM位相像と正解画像との組を多数用意し、このIHM位相像を入力画像として出力画像が正解画像にできるだけ近くなるように、機械学習の学習モデル(つまりは識別器)を構築する。こうした教師有りの機械学習のアルゴリズムとしては、例えば、サポートベクターマシン、ランダムフォレスト、アダブースト、単純ベイズ、k近傍法、さらにはニューラルネットワークを含むディープラーニングなど、様々な手法が知られており、いずれの手法を用いてもよい。また、画像を入力する場合でも、その画像そのものを学習するのではなく、画像からテクスチャ解析などにより抽出した特徴量を学習するようなアルゴリズムでもよい。 A large number of pairs of IHM phase images and correct answer images are prepared as teacher data, and a machine learning learning model (that is, a classifier) is constructed so that the output image is as close as possible to the correct answer image using this IHM phase image as an input image. To do. Various methods are known as such supervised machine learning algorithms, such as support vector machines, random forests, AdaBoost, naive Bayes, k-nearest neighbors, and deep learning including neural networks. The method may be used. Further, even when inputting an image, an algorithm may be used in which the feature amount extracted from the image by texture analysis or the like is learned instead of learning the image itself.

上述したような識別器(学習済みの機械学習モデル)を構築する機能はこの制御・処理部20に内蔵させてもよいが、一般に、こうした学習処理の計算はコンピュータにとってかなり負荷が大きく、高性能のコンピュータでないと時間も掛かる。したがって、別の高性能なコンピュータを用いて学習処理を行って精度の高い領域識別が可能な識別器を構築しておき、それを領域識別処理部26の一部であるメモリに記憶させておく。そして領域識別処理部26はその識別器を利用した識別処理のみを実施するのが一般的である。 The function for constructing the classifier (learned machine learning model) as described above may be built into the control / processing unit 20, but in general, the calculation of such learning processing is considerably burdensome for the computer and has high performance. It takes time if it is not a computer. Therefore, a classifier capable of highly accurate area identification is constructed by performing learning processing using another high-performance computer, and is stored in a memory that is a part of the area identification processing unit 26. .. Then, the area identification processing unit 26 generally performs only the identification processing using the classifier.

なお、上記ステップS3では、ステップS2で作成されたIHM位相像の全体について領域識別処理を実施してもよいが、作業者により指定された該IHM位相像の一部の範囲のみについて領域識別処理を実施してもよい。 In step S3, the area identification process may be performed on the entire IHM phase image created in step S2, but the area identification process is performed only on a part of the range of the IHM phase image designated by the operator. May be carried out.

上述した識別器を利用した領域識別処理部26による領域の識別結果は、元のIHM画像を画素単位で各特徴領域(ここでは未分化細胞領域、未分化逸脱細胞領域、及びそれ以外の背景領域)に対応してラベル付けしたラベル画像である。この識別結果が領域識別結果データ記憶部27に保存される。領域識別画像作成部28はこうしたデータを受け、ラベル付けされている各特徴領域に含まれる画素を、各ラベルに予め割り当てられている表示色で色付けすることにより領域識別画像を作成する(ステップS4)。 The region identification result of the region identification processing unit 26 using the above-mentioned classifier is based on the original IHM image in pixel units for each characteristic region (here, undifferentiated cell region, undifferentiated deviation cell region, and other background regions). ) Is a label image labeled. This identification result is stored in the area identification result data storage unit 27. The area identification image creation unit 28 receives such data and creates an area identification image by coloring the pixels included in each of the labeled feature areas with the display color assigned in advance to each label (step S4). ).

各特徴領域に割り当てられる表示色は予めデフォルトで決められているが、作業者が入力部30から任意に指定することも可能である。具体的には例えば、未分化細胞領域は「緑」、未分化逸脱細胞領域は「赤」、背景領域は「黒」で表示されるようにすると、背景と細胞コロニーとの境界(つまりは細胞コロニーの輪郭)や細胞コロニー内の未分化細胞と未分化逸脱細胞との境界が明瞭である。 The display color assigned to each feature area is predetermined by default, but the operator can arbitrarily specify it from the input unit 30. Specifically, for example, if the undifferentiated cell region is displayed as "green", the undifferentiated deviated cell region is displayed as "red", and the background region is displayed as "black", the boundary between the background and the cell colony (that is, the cell) is displayed. The outline of the colony) and the boundary between undifferentiated cells and undifferentiated deviation cells in the cell colony are clear.

図3はIHM位相像に対する領域識別画像の一例を示す模式図である。この図では、カラーを表現できないためにグレイスケール上の濃淡の違いで各特徴領域を区分している。このように、カラー表示による各特徴領域の区分に限らず、グレイスケール上の濃淡の違いや塗りつぶしのパターンの違いなど、各特徴領域の境界が視覚的に見やすい表示であれば、様々な態様を採ることができる。 FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a region identification image for an IHM phase image. In this figure, since the color cannot be expressed, each feature area is divided by the difference in shade on the gray scale. In this way, not only the division of each feature area by color display, but also various modes as long as the boundary of each feature area is visually easy to see, such as the difference in shade on the gray scale and the difference in the fill pattern. Can be taken.

表示処理部29は、ステップS5で作成された領域識別画像とIHM位相像とを横に並べた表示画面を作成し、これを表示部40の画面上に表示する(ステップS5)。図4はこうした表示画面の態様を示す図である。 The display processing unit 29 creates a display screen in which the area identification image created in step S5 and the IHM phase image are arranged side by side, and displays this on the screen of the display unit 40 (step S5). FIG. 4 is a diagram showing an aspect of such a display screen.

図4では、識別結果表示画面50内に、領域識別画像表示枠51とIHM位相像表示枠52とが設けられ、それぞれの画像が表示枠51、52内に表示されている。両画像は培養プレート13上の全く同じ範囲の画像であり、例えば、いずれか一方の画像上で作業者が入力部(具体的にはマウス等のポインティングデバイス)30を用いて、画像の拡大・縮小、移動、回転等の操作を行うと、その操作を認識した表示処理部29は、表示に必要なデータを再構成画像データ記憶部25及び領域識別結果データ記憶部27から読み出し、領域識別画像表示枠51及びIHM位相像表示枠52に表示される画像を更新する。これにより、作業者は、常に同じ観察範囲のIHM位相像及び領域識別画像を確認することができる。 In FIG. 4, an area identification image display frame 51 and an IHM phase image display frame 52 are provided in the identification result display screen 50, and the respective images are displayed in the display frames 51 and 52. Both images are images of exactly the same range on the culture plate 13. For example, on one of the images, the operator uses the input unit (specifically, a pointing device such as a mouse) 30 to enlarge the image. When an operation such as reduction, movement, or rotation is performed, the display processing unit 29 that recognizes the operation reads the data necessary for display from the reconstructed image data storage unit 25 and the area identification result data storage unit 27, and reads the area identification image. The images displayed on the display frame 51 and the IHM phase image display frame 52 are updated. As a result, the operator can always confirm the IHM phase image and the region identification image in the same observation range.

また、領域識別画像とIHM位相像とを横に並べるのではなく、いずれか一方の画像を半透明化して重ねて表示させることもできる。図5はこうした表示画面の態様を示す図である。図5では、識別結果表示画面50内に、重ね合わせ画像表示枠53と半透明化する画像の透明度を指定するための操作子であるスライダー54とが設けられ、重ね合わせ画像表示枠53内に同じ観察範囲の領域識別画像とIHM位相像とを重ね合わせた画像が表示されている。作業者は図4又は図5に示す表示画面のいずれかを用いて、領域識別画像とIHM位相像とを見比べ、例えば未分化細胞領域と未分化逸脱細胞領域との区分けの正誤を確認することができる。 Further, instead of arranging the region identification image and the IHM phase image side by side, it is possible to make one of the images semi-transparent and display them in an overlapping manner. FIG. 5 is a diagram showing an aspect of such a display screen. In FIG. 5, the superimposed image display frame 53 and the slider 54, which is an operator for designating the transparency of the semitransparent image, are provided in the identification result display screen 50, and the superimposed image display frame 53 contains the superimposed image display frame 53. An image in which the region identification image in the same observation range and the IHM phase image are superimposed is displayed. The operator compares the region identification image with the IHM phase image using either the display screen shown in FIG. 4 or FIG. 5, and confirms, for example, the correctness of the distinction between the undifferentiated cell region and the undifferentiated deviant cell region. Can be done.

また、領域識別画像とIHM位相像とを並べて又は重ねて表示するのではなく、領域識別画像のみを表示できるようにしてもよい。どのような形式で領域識別画像を表示するのかは、例えば同じ画面上に配置したラジオボタンやチェックボックスなどのGUIウィジェットによりユーザが選択できるようにするとよい。 Further, instead of displaying the area identification image and the IHM phase image side by side or overlapping, only the area identification image may be displayed. The format in which the area identification image is displayed may be selected by the user using GUI widgets such as radio buttons and check boxes arranged on the same screen.

また、領域識別画像表示枠51中に又はその枠外の近傍に、表示色とその表示色で示される細胞状態(つまりは未分化細胞状態、未分化逸脱細胞状態)との対応関係を示す情報を文字で示してもよい。これにより、作業者は表示されている領域識別画像において未分化逸脱細胞の範囲を一目で把握することができる。 Further, in the region identification image display frame 51 or in the vicinity outside the frame, information indicating the correspondence between the display color and the cell state indicated by the display color (that is, undifferentiated cell state, undifferentiated deviant cell state) is provided. It may be indicated by letters. As a result, the operator can grasp the range of undifferentiated deviant cells at a glance in the displayed region identification image.

上述したように、特徴領域の識別は画素単位で行われ、その識別結果も画素単位で記録されるため、領域識別画像においても画素単位での色分けが可能であるが、画素単位ではなく隣接する複数の画素をまとめた小領域の単位で各特徴領域を色分けするようにしてもよい。この場合、例えば一つの小領域に含まれる複数の画素のいずれか一つで未分化逸脱細胞領域であると識別されたならば、その小領域を未分化逸脱細胞領域に対応付けられた色で示すとよい。これにより、例えば培養プレート全体など、低倍率の画像を表示させたときにでも、1個又は少数の未分化逸脱細胞が存在することを視覚的に明瞭に示すことができる。その結果、作業者による画像の確認時に、未分化逸脱細胞領域の見逃しを防止することができる。 As described above, the feature area is identified in pixel units, and the identification result is also recorded in pixel units. Therefore, the area identification image can also be color-coded in pixel units, but it is adjacent instead of pixel units. Each feature area may be color-coded in units of small areas in which a plurality of pixels are grouped. In this case, for example, if any one of the plurality of pixels included in one small region is identified as an undifferentiated deviant cell region, the small region is colored with the color associated with the undifferentiated deviant cell region. It is good to show. This makes it possible to visually clearly indicate the presence of one or a small number of undifferentiated deviant cells even when displaying a low-magnification image, such as the entire culture plate. As a result, it is possible to prevent the undifferentiated deviant cell region from being overlooked when the operator confirms the image.

なお、上記実施例では、IHM位相像等を背景領域を含めて三つの特徴領域に区分していたが、異物領域など、識別する領域の数を適宜増やしてもよい。 In the above embodiment, the IHM phase image and the like are divided into three characteristic regions including the background region, but the number of identification regions such as the foreign matter region may be appropriately increased.

また、図1に示した細胞観察装置では、制御・処理部20において全ての処理を実施しているが、一般に、ホログラムデータに基づく位相情報の計算やその計算結果の画像化には膨大な量の計算が必要である。また、機械学習による領域識別の処理の負荷も大きい。そこで、顕微観察部10に接続されたパーソナルコンピュータを端末装置とし、この端末装置と高性能なコンピュータであるサーバとがインターネットやイントラネット等の通信ネットワークを介して接続されたコンピュータシステムを利用し、上記のような煩雑な計算や処理は高性能なコンピュータで行い、顕微観察部10の制御や処理後のデータを用いた表示処理などを比較的低性能のパーソナルコンピュータで実行するように役割を分けるとよい。 Further, in the cell observation device shown in FIG. 1, all the processing is performed by the control / processing unit 20, but in general, a huge amount of calculation of phase information based on hologram data and imaging of the calculation result are performed. Needs to be calculated. In addition, the load of region identification processing by machine learning is heavy. Therefore, a personal computer connected to the microscopic observation unit 10 is used as a terminal device, and a computer system in which this terminal device and a server, which is a high-performance computer, are connected via a communication network such as the Internet or an intranet is used. Complicated calculations and processing such as are performed by a high-performance computer, and the roles are divided so that the control of the microscopic observation unit 10 and the display processing using the processed data are executed by a relatively low-performance personal computer. Good.

また、上記実施例の細胞観察装置では、顕微観察部10としてインライン型ホログラフィック顕微鏡を用いていたが、ホログラムが得られる顕微鏡であれば、オフアクシス(軸外し)型、位相シフト型などの他の方式のホログラフィック顕微鏡に置換え可能であることは当然である。 Further, in the cell observation apparatus of the above embodiment, an in-line type holographic microscope was used as the microscopic observation unit 10, but if it is a microscope that can obtain a hologram, an off-axis (off-axis) type, a phase shift type, etc. It goes without saying that it can be replaced with a holographic microscope of the above method.

また、上記実施例はあくまでも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲でさらに適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。 Further, the above-mentioned embodiment is merely an example of the present invention, and it is clear that the present invention is included in the claims even if it is further modified, modified or added as appropriate within the scope of the present invention.

10…顕微観察部
11…光源部
12…イメージセンサ
13…培養プレート
14…細胞コロニー
15…参照光
16…物体光
20…制御・処理部
21…撮影制御部
22…ホログラムデータ記憶部
23…位相情報算出部
24…画像再構成部
25…再構成画像データ記憶部
26…領域識別処理部
27…領域識別画像作成部
28…領域識別結果データ記憶部
29…表示処理部
30…入力部
40…表示部
10 ... Microscopic observation unit 11 ... Light source unit 12 ... Image sensor 13 ... Culture plate 14 ... Cell colony 15 ... Reference light 16 ... Object light 20 ... Control / processing unit 21 ... Imaging control unit 22 ... Hologram data storage unit 23 ... Phase information Calculation unit 24 ... Image reconstruction unit 25 ... Reconstructed image data storage unit 26 ... Area identification processing unit 27 ... Area identification image creation unit 28 ... Area identification result data storage unit 29 ... Display processing unit 30 ... Input unit 40 ... Display unit

上記課題を解決するために成された本発明に係る細胞観察装置は、
a)インライン型ホログラフィック顕微鏡(IHM)を用い、細胞についてのIHM位相像を観察画像として取得する観察画像取得部と、
b)前記観察画像取得部で取得された観察画像の全体又はその一部について、観察画像の入力に対し該観察画像中の2以上の特徴領域を区分けした画像を出力する機械学習モデルを利用して、2以上の細胞状態をそれぞれ示す特徴領域を識別する領域識別部と、
c)前記領域識別部により識別された2以上の特徴領域を、それぞれ視覚的に識別可能な態様で区分けして描出した領域識別画像を作成し、該画像を表示部の画面上に表示する画像表示処理部と、
を備えることを特徴としている。
The cell observation device according to the present invention made to solve the above problems is
a) An observation image acquisition unit that acquires an IHM phase image of cells as an observation image using an in-line holographic microscope (IHM) .
b) For all or a part of the observation image acquired by the observation image acquisition unit, a machine learning model is used to output an image in which two or more feature regions in the observation image are divided in response to the input of the observation image. A region identification unit that identifies characteristic regions that indicate two or more cellular states,
c) An image in which two or more feature areas identified by the area identification unit are divided into visually distinguishable modes to create an area identification image, and the image is displayed on the screen of the display unit. Display processing unit and
It is characterized by having.

本発明において観察画像は、インライン型ホログラフィック顕微鏡で得られたホログラムデータから求まる位相画像である。
Observation image in the present invention is a phase image image obtained from the hologram data obtained in-line holographic microscope.

教師有りの機械学習としては、サポートベクターマシン(Support Vector Machine:SVM)、ランダムフォレスト(Random Forest)、アダブースト(AdaBoost)、単純ベイズ、k近傍法、さらにはニューラルネットワークを含むディープラーニング(Deep Learning)など、適宜の手法を用いることができる。また、画像そのものを学習するのではなく、画像からテクスチャ解析などにより抽出した特徴量を学習するものでもよい
Supervised machine learning includes Support Vector Machine (SVM), Random Forest, AdaBoost, Simple Bayes, k-neighborhood method, and Deep Learning including neural networks. Etc., an appropriate method can be used. Further, instead of learning the image itself, the feature amount extracted from the image by texture analysis or the like may be learned .

また本発明において好ましくは、前記観察画像取得部は、インライン型ホログラフィック顕微鏡と、該ホログラフィック顕微鏡で得られたホログラムデータに基づいて位相画像及び/又は強度画像を作成する画像再構成処理部と、を含み、
前記画像表示処理部は、前記領域識別画像と前記位相画像及び/又は強度画像とを同一画面内に表示する構成とするとよい。
Further, preferably in the present invention, the observation image acquisition unit includes an in- line holographic microscope and an image reconstruction processing unit that creates a phase image and / or an intensity image based on the hologram data obtained by the holographic microscope. , Including
The image display processing unit may be configured to display the area identification image and the phase image and / or intensity image on the same screen.

Claims (14)

a)細胞についての観察画像を取得する観察画像取得部と、
b)前記観察画像取得部で取得された観察画像の全体又はその一部について2以上の細胞状態をそれぞれ示す特徴領域を識別する領域識別部と、
c)前記領域識別部により識別された2以上の特徴領域を、それぞれ視覚的に識別可能な態様で区分けして描出した領域識別画像を作成し、該画像を表示部の画面上に表示する画像表示処理部と、
を備えることを特徴とする細胞観察装置。
a) An observation image acquisition unit that acquires an observation image of cells,
b) A region identification unit that identifies a characteristic region indicating two or more cell states for all or a part of the observation image acquired by the observation image acquisition unit.
c) An image in which two or more feature areas identified by the area identification unit are divided into visually distinguishable modes to create an area identification image, and the image is displayed on the screen of the display unit. Display processing unit and
A cell observation device comprising.
請求項1に記載の細胞観察装置であって、
前記領域識別部は、観察画像中の2以上の特徴領域を識別可能な態様で区分けされた画像を教師データとして用いた機械学習により作成された学習済みモデルを使用して、前記観察画像の全体又はその一部について前記特徴領域を識別することを特徴とする細胞観察装置。
The cell observation device according to claim 1.
The region identification unit uses a trained model created by machine learning using an image in which two or more feature regions in the observation image are divided in a distinguishable manner as teacher data, and uses the entire observation image. A cell observation device comprising identifying the characteristic region for or a part thereof.
請求項1に記載の細胞観察装置であって、
前記特徴領域の一つは細胞又は細胞コロニーである領域、該特徴領域の他の一つは細胞又は細胞コロニーである領域中において未分化細胞又は未分化逸脱細胞のいずれかである領域であることを特徴とする細胞観察装置。
The cell observation device according to claim 1.
One of the characteristic regions is a region that is a cell or a cell colony, and the other one of the characteristic regions is a region that is either an undifferentiated cell or an undifferentiated deviant cell in the region that is a cell or a cell colony. A cell observation device characterized by.
請求項1に記載の細胞観察装置であって、
画像表示処理部は、ユーザの操作に応じて、前記表示部の画面上に表示した領域識別画像を拡大又は縮小させることを特徴とする細胞観察装置。
The cell observation device according to claim 1.
The image display processing unit is a cell observation device that enlarges or reduces the area identification image displayed on the screen of the display unit according to the operation of the user.
請求項1に記載の細胞観察装置であって、
前記領域識別部は、画素単位で前記特徴領域を識別した情報を生成し、
前記画像表示処理部は、画素単位又は隣接する複数の画素をまとめた小領域の単位で、異なる特徴領域を視覚的に識別可能な態様で区分けして描出することを特徴とする細胞観察装置。
The cell observation device according to claim 1.
The area identification unit generates information for identifying the feature area on a pixel-by-pixel basis.
The image display processing unit is a cell observation device characterized in that different feature regions are divided and drawn in a visually identifiable manner in a pixel unit or a unit of a small region in which a plurality of adjacent pixels are grouped together.
請求項1に記載の細胞観察装置であって、
前記画像表示処理部は、前記領域識別部での識別対象である細胞状態及び特徴領域毎の識別可能な態様を示す情報を前記領域識別画像と共に表示することを特徴とする細胞観察装置。
The cell observation device according to claim 1.
The image display processing unit is a cell observation device, characterized in that information indicating a cell state to be identified by the region identification unit and an identifiable mode for each feature region is displayed together with the region identification image.
請求項1に記載の細胞観察装置であって、
前記画像表示処理部は、前記領域識別画像上で所定の範囲が選択されたときに、該範囲の拡大画像を表示することを特徴とする細胞観察装置。
The cell observation device according to claim 1.
The image display processing unit is a cell observation device characterized in that when a predetermined range is selected on the region identification image, an enlarged image of the range is displayed.
請求項7に記載の細胞観察装置であって、
前記画像表示処理部は、前記拡大画像とその拡大前の領域識別画像とを同一画面内に表示することを特徴とする細胞観察装置。
The cell observation device according to claim 7.
The image display processing unit is a cell observation device characterized in that the enlarged image and the area identification image before the enlargement are displayed on the same screen.
請求項7又は8に記載の細胞観察装置であって、
前記画像表示処理部は、前記領域識別部での識別対象である細胞状態及び特徴領域毎の識別可能な態様を示す情報を前記拡大画像と共に表示することを特徴とする細胞観察装置。
The cell observation device according to claim 7 or 8.
The image display processing unit is a cell observation device characterized in that information indicating a cell state to be identified by the region identification unit and an identifiable mode for each feature region is displayed together with the enlarged image.
請求項1に記載の細胞観察装置であって、
前記観察画像取得部は、ホログラフィック顕微鏡と、該ホログラフィック顕微鏡で得られたホログラムデータに基づいて位相画像及び/又は強度画像を作成する画像再構成処理部と、を含み、
前記画像表示処理部は、前記領域識別画像と前記位相画像及び/又は強度画像とを同一画面内に表示することを特徴とする細胞観察装置。
The cell observation device according to claim 1.
The observation image acquisition unit includes a holographic microscope and an image reconstruction processing unit that creates a phase image and / or an intensity image based on the hologram data obtained by the holographic microscope.
The image display processing unit is a cell observation device characterized in that the region identification image and the phase image and / or intensity image are displayed on the same screen.
請求項10に記載の細胞観察装置であって、
前記画像表示処理部は、前記領域識別画像上で所定の範囲が選択されたときに、該範囲の拡大画像と、前記位相画像及び/又は強度画像内で前記拡大画像に対応した範囲の画像とを同一画面内に表示することを特徴とする細胞観察装置。
The cell observation device according to claim 10.
When a predetermined range is selected on the area identification image, the image display processing unit includes an enlarged image of the range and an image of a range corresponding to the enlarged image in the phase image and / or the intensity image. A cell observation device characterized by displaying images on the same screen.
請求項11に記載の細胞観察装置であって、
前記画像表示処理部は、前記拡大画像と前記位相画像及び/又は強度画像の拡大画像とのいずれかで拡大・縮小の操作がなされたときに、該操作に応じて全ての画像を連動させて拡大・縮小させることを特徴とする細胞観察装置。
The cell observation device according to claim 11.
When an enlargement / reduction operation is performed on any of the enlarged image and the enlarged image of the phase image and / or the intensity image, the image display processing unit links all the images in accordance with the operation. A cell observation device characterized by enlarging / reducing.
請求項10に記載の細胞観察装置であって、
前記画像表示処理部は、前記領域識別画像と前記位相画像又は強度画像とを重ね合わせた合成画像を表示することを特徴とする細胞観察装置。
The cell observation device according to claim 10.
The image display processing unit is a cell observation device characterized by displaying a composite image in which the region identification image and the phase image or intensity image are superimposed.
請求項13に記載の細胞観察装置であって、
前記画像表示処理部は、重ね合わせた少なくとも一方の画像の透明度をユーザによる操作に応じて調整することを特徴とする細胞観察装置。
The cell observation device according to claim 13.
The image display processing unit is a cell observation device characterized in that the transparency of at least one of the superimposed images is adjusted according to an operation by a user.
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