WO2007144386A1 - Method for taking and evaluating image sequences - Google Patents

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WO2007144386A1
WO2007144386A1 PCT/EP2007/055850 EP2007055850W WO2007144386A1 WO 2007144386 A1 WO2007144386 A1 WO 2007144386A1 EP 2007055850 W EP2007055850 W EP 2007055850W WO 2007144386 A1 WO2007144386 A1 WO 2007144386A1
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WO
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examination
image
coordinate system
sequence
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PCT/EP2007/055850
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Martin Daffertshofer
Silke Hinnah
Jürgen Müller
Jürgen Kupper
Original Assignee
Evotec Technologies Gmbh
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Publication date
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    • G02B21/36Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/365Control or image processing arrangements for digital or video microscopes
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06T7/00Image analysis
    • G06T7/70Determining position or orientation of objects or cameras
    • G06T7/73Determining position or orientation of objects or cameras using feature-based methods
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    • GPHYSICS
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
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    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30004Biomedical image processing
    • G06T2207/30024Cell structures in vitro; Tissue sections in vitro

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for recording and evaluating image sequences.
  • Cameras suitable for capturing sequences of fast successive images are commercially available.
  • a number of CCD or CMOS image sensors are available which allow image rates of about 100 / s to over 100 / s at typical image resolutions in the range of about 500 * 500 up to 2000 * 2000 image dots (pixels) (eg Micron Technology Ine, MT9 M413, Fairchild CCD456, Cypress LUPA-1300).
  • Cameras based on such sensors are usually used for monitoring one-off, fast processes, for example in materials testing, ballistics or automotive engineering.
  • the large amounts of data accumulating during the recording of the image sequence are stored in the form of the complete image data in quickly addressable buffers and then transferred to an evaluation unit and evaluated there. The transmission and evaluation usually require a multiple of the actual observation time.
  • EP 1 348 124 Bl describes methods for analyzing kinetic processes in cells in the screening by recording image sequences. Specifically, it aims to account for the spatial motion of cells, as occurs at long observation times for the analysis of relatively slow cellular processes.
  • the approaches of image processing disclosed in EP 1 348 124 51 require separate, relatively complex object recognition in each recorded individual image; they are therefore not suitable for the real-time analysis of rapid processes.
  • imaging in particular (fluorescence) microscopic, methods has become very important in the field of life sciences in recent years.
  • the study of biological and biochemical processes in rows or cell networks benefits from the significantly differentiated information provided by imaging techniques, for example compared to measurements of total fluorescence of a reporter in a cell population.
  • CMOS sensors that allow the acquisition of image sequences with clock rates less than 1 ms.
  • the use of such sensors has so far been limited to the observation of short periods of time.
  • This limitation is based on the need to capture and process very large amounts of data.
  • this problem is solved by incorporating into the camera a data buffer (e.g., 1 to 4 GB of memory size) that allows capturing image sequences for a limited time (until the memory is full). Since already the following data rate is obtained when using a camera with 1000 * 1000 pixels, digitizing the brightness values at 8 bit / pixel and a frame rate of 1000 / s: 1,000,000 pixels / frame * 1000 frames / s * 1 byte /
  • Transmission interface to the downstream PC which takes over the image analysis or long-term storage, has a much smaller bandwidth
  • the subsequent transmission of image data to the PC typically requires a multiple of the recording time
  • the subsequent evaluation of the image data generally requires a much longer computing time. This is acceptable in the established applications of such cameras where one-time events (for example, Automobii crash tests) are observed. Examining numerous samples in a row, however, results in a massively reduced sample throughput, since only a fraction of the time can actually be used to record measurement data.
  • the total duration required for acquisition and evaluation of the biid data should not significantly exceed the sum of the actual acquisition times.
  • the invention relates to a method for recording and evaluating a plurality of subject sequences, comprising the following steps:
  • the examination image comprising examination image data values arranged in an examination coordinate system
  • Determining image properties in the first sequence of examination images from examination image data values wherein the determination takes place at least at those coordinates in the examination coordinate system which are predetermined Selection of coordinate values in the Referenzkoordinate ⁇ system substantially correspond.
  • the reference coordinate system is identical to the examination coordinate system.
  • a predetermined relationship exists between the reference coordinate system and the examination coordinate system, which assigns a coordinate value in the reference coordinate system to a coordinate value in the examination coordinate system.
  • biofilm properties in the first sequence of examination subjects from examination biographical data values is essentially limited to those coordinates which essentially correspond to the previously determined selection of coordinate values in the reference coordinate system.
  • groups are formed within the previously determined selection of coordinate values in the reference coordinate system.
  • the groups are formed on the basis of coordinate values in the reference coordinate system and / or reference image data values, preferably brightness values.
  • Reference coordinate system in at least one of the previously formed groups correspond, wherein the mathematical operation preferably comprises an averaging or integration of the examination image data values
  • a first examination image is recorded within the first sequence of examination images of the first sample and image properties are determined there before a second examination image is recorded within the same sequence.
  • each mask can have a plurality of objects, in particular cell membranes, cell nuclei and / or cytoplasm. It is preferred here for each mask to have a plurality of identical object types, for example a plurality of cell membranes, for later examination
  • the time profiles are preferably linked to one another using mathematical methods.
  • the individual responses of all cells assigned to a cell population are summed up.
  • the availability of single-cell responses opens up the possibility of different types of data optimization using mathematical methods. For example, one can divide a single cell response by the number of pixels associated with that cell's mask method. This allows a standardization and thus a better one Comparability of the individual single-cell responses, In this way, for example, a cell, which would normally respond with a strong change in brightness attribute this property even if the cell was only slightly lit / excited due to an error and therefore only weakly lit.
  • the second sequence of examination images is recorded, while Bsldeigenschaften are determined on the first sequence of examination images.
  • the selection of coordinate values in the reference coordinate system is determined while the first sequence of examination images of the first sample is taken.
  • the invention furthermore relates to a device for carrying out the method according to the invention comprising:
  • Means for determining Büudeigenschaften in the first sequence of examination images from examination image data values wherein the determination is carried out at least at those coordinates in the examination coordinate system, which correspond to the previously determined selection of coordinate values in the reference coordinate system substantially.
  • the means for recording reference image and / or examination images comprise a camera, preferably a CCD or CMOS camera.
  • the means for determining image properties comprise microprocessors, signal processors or gate arrays, preferably field-programmable gate arrays.
  • this center preferably comprise microprocessors.
  • the means for recording the examination images and the means for determining image properties are integrated in a unit which has a data interface to the means for secondary analysis of the determined biofilaments.
  • the data interface is designed in such a way that it transmits the image properties determined from a sequence of examination images to the center within a period of time. transmits to the secondary analysis, which does not significantly exceed the time required to record the sequence of examination images.
  • the data interface is designed such that a possible transmission of the complete
  • Examining data values of a sequence of examination images to the means for secondary analysis would require a period of time which substantially exceeds the time required for the acquisition of the sequence of examination images,
  • the method according to the invention and the associated device make it possible to store the data volumes, i.
  • the examination image data, already immediately during the recording of the examination subject (hereinafter also referred to as "image sequence") significantly reduce., They allow in particular a substantially continuous image recording at high sampling rates and a corresponding processing of the data and thus the use of location and time resolved Observation in the automated (high-throughput) analysis of a large number of samples.
  • the basic idea of the invention is to first receive a single image ("reference image”) for each sample to be examined and to subject it to image processing, in particular one or more masks for objects recognized in the image is then used in the evaluation - or already during the recording of the image data (such as the read out of the camera) - the examination sequence recorded in the following, the data present in each frame (also referred to as "examination image”) initially on pixel level data directly on a Compacting object level. The individual frame can be discarded immediately after this operation.
  • the arithmetic operations that are desirable for evaluating the unit images of the library sequence are typically very simple.
  • object recognition can be performed in the reference image, the result of which is a "mask image" that contains an object number of the object to which this pixel is assigned in each pixel instead of a brightness value
  • effective implementations can be performed so quickly that imaging and image analysis are comparable take a long time.
  • the object recognition also takes place in the reference image in real time during the current measurement, particularly preferably before the recording of the image sequence is started.
  • This makes it possible to compress the information from each image of the image sequence already during the current measuring operation and to discard the respective image.
  • no buffer memory is required for the entire image sequence recorded on a sample.
  • only the last read-out image is buffered and evaluated in real time, while the subsequent image is exposed.
  • the method according to the invention and the associated device are used to investigate kinetic processes in biological cells.
  • a plurality of cells are present in one or more samples to be examined for this purpose.
  • the subject matter of the analysis may be, in particular, cellular potentials or ion concentrations which are transmitted via appropriate environmental sensors Dyes (eg the Ca indicator Fura-2) are optically detectable.
  • the optical read-out parameter may in particular be the fluorescence intensity at each predetermined excitation and observation wavelength, or the ratio of two fluorescence intensities which are recorded alternately or simultaneously at different excitation and / or observation wavelengths ("ratiometric imaging").
  • preferred applications are the detection of changes in the electrical signals or morphological changes in rows or cell networks, such as cardiac muscle cells, as well as the signal propagation on neurons.
  • detection of changes in the electrical signals or morphological changes in rows or cell networks such as cardiac muscle cells, as well as the signal propagation on neurons.
  • the processes to be examined can occur spontaneously, or triggered and / or synchronized by external stimulation (triggering).
  • stimulation may be by coupling in electrical signals, irradiating optical radiation, adding chemical substances via a dispensing device, or releasing previously added but encapsulated substances, e.g. via UV radiation (photochemical release).
  • an optical structure which essentially corresponds to a (fluorescence) microscope known in the prior art (cf. FIG. 1): the sample to be examined is irradiated with illumination light whose illumination wavelength is preferably in the visible range of the Spectrum, in the ultraviolet or infrared range.
  • illumination light whose illumination wavelength is preferably in the visible range of the Spectrum, in the ultraviolet or infrared range.
  • a light source for example, one or more lasers, light emitting diodes or lamps, if necessary, with downstream color filters, are used.
  • a microscope objective detects radiation emitted by the sample and images it onto a camera.
  • this lens can also be used to direct the illumination radiation onto the sample be used (incident light microscopy); Alternatively, it is possible to direct the illumination from the lens direction opposite spatial direction to the sample (transmitted light microscopy).
  • the camera may detect the light at the time of illumination (scattered light microscopy), or be arranged by upstream filters to capture only light of other wavelengths. It is particularly preferred that fluorescent markers present in the sample emit light of a longer wavelength when excited by the moistening light, and the camera is set up to record this longer wavelength of light (fluorescence microscopy),
  • a camera is used as the detector, which can accommodate several hundred BÜder per second.
  • the camera already contains analogue / digital converters, which convert the brightness values of the individual pixels into digital numerical values.
  • this camera may contain a cache that can buffer the image sequence first.
  • the camera is equipped with a reassuresteMe that can transmit the image data at the full speed with which they are incurred when taking a picture sequence to a downstream evaluation unit.
  • the camera CMC 1300 / C from VDS Vosskühler, Osnabrück is suitable.
  • a reference bit is first recorded.
  • This is transmitted to an evaluation unit, preferably a commercial personal computer (PC), and subjected there to an image processing step.
  • the aim of the image processing step is to recognize the individual objects present in the image field and to delimit them both from the background (intermediate spaces) and from each other.
  • objects can be in particular the individual lines in the sample, but optionally also substructures within the cells; this can be further explained below.
  • image processing methods known per se such as the segmentation by means of heterogeneity or the watershed algorithm, as well as downstream filtering and classification on the basis of shape or size criteria, can be used.
  • the objects recognized in the image are numbered (in arbitrary order).
  • object mask This corresponds to a selection of such coordinate values in the reference coordinate system that designate pixels on which objects (as opposed to the image background) were observed.
  • the number of objects in the object mask it is possible to limit the number of objects in the object mask.
  • a certain minimum number of objects eg cells
  • the computational outlay in image processing increases. Due to tolerances in the sample preparation, the number of objects present in the image field can only be predicted with a large fluctuation range.
  • the reference image may preferably be recorded at the same excitation and observation wavelength at which the subsequent image sequence is also recorded.
  • the same fluorescent labels used in the observation of the kinetic processes are also used to localize the cells.
  • an exposure time longer than the exposure time for the individual images of the image sequence is particularly preferably used. This is possible because the high time resolution in the reference image is not required, and offers the advantage that the captured image can be converted by integrating the photocurrent can have a much better signal-to-noise ratio for a long time, allowing for reliable cell localization.
  • the cells can be localized at different excitation and / or observation wavelengths, for example in scattered light microscopy or, using an additional fluorescence markers, which specifically serves to localize the cells, in fluorescence microscopy at other wavelengths.
  • additional fluorescence markers which specifically serves to localize the cells, in fluorescence microscopy at other wavelengths.
  • the use of the numerous dyes known to those skilled in the art for the specific staining of cell nuclei, cytoplasm or cell membranes is preferred.
  • one or more image sequences are taken for analyzing the cellular kinetics.
  • a variety of Biidern is added.
  • the time intervals between the shots of the individual images are preferably chosen to be constant. But it is also possible to choose a variable time frame for the recordings.
  • a preferred possibility is the use of a substantially logarithmic or geometric time-lapse, in which the time interval between successive shots progressively increases by a constant factor.
  • Such a time frame is particularly suitable for effectively detecting decay events, which essentially have an exponential profile.
  • either a constant or different exposure times can be selected for the individual images;
  • correspondingly varied exposure times can be reasonably combined with a variable grid of the recording times.
  • the fluorescence intensity at two different illumination and / or observation wavelengths is detected alternately in successive individual images.
  • a so-called “ratiometric imaging” can be carried out with which, for example, spectral shifts in the fluorescence emission of a suitably selected, ambient-sensitive dye can be detected.
  • a trigger event may also be triggered (reagent addition, electrical or optical stimulation). This can be done immediately or at a defined time interval before the beginning of the image sequence recording. However, it is also preferable in particular to start recording the image sequence first and to trigger the trigger event during the current recording.
  • the recording of the image sequence is preferably carried out over a predetermined total duration or a predetermined duration after triggering the Triggerereig ⁇ isses. If the evaluation of the Biidsequenz is performed in real time (s, below), it is alternatively possible to continue the recording until a predetermined state of the sample is reached - such as the decay of a variable parameter to a predetermined percentage of the initial value,
  • trigger events can also be triggered within the recording duration, for example at equidistant times.
  • This can on the one hand serve to increase the signal / noise ratio by triggering a series of similar stimulations, respectively detecting the reaction of the sample and then averaging over the Plural of measured curves is performed.
  • the response of the sample upon repeated stimulation may change systematically, and it may be desirable to detect these changes by observing a series of stimulus / response cycles.
  • the evaluation of the individual images happens particularly preferably in each case immediately after taking the individual image. This optimizes the storage requirements, since in the ideal case only a single frame at a time must be stored for processing.
  • the list of object values is determined and the image is discarded in order to release the memory for the subsequent image.
  • temporal fluctuations in the image processing can be absorbed, if it can not be ensured that each frame can be processed completely within the exposure time of the next image.
  • the use of a large buffer memory also allows a particularly preferred embodiment, in which the total duration of the measurement and evaluation process is less critically dependent on the duration of the image processing of the reference son.
  • the object mask determined from the reference image already exists at the beginning of the recording of the image sequence. This is necessary to be able to process the individual images directly on the basis of the object mask.
  • This approach has the disadvantage that between the recording of reference image and image sequence, the object recognition in the reference image must be awaited. This object recognition usually involves complex arithmetic operations and takes some 100 ms to several seconds on typical PCs. This time can not be used in the measuring process and extends the total duration of the measurement.
  • a first evaluation unit for example a PC
  • the image sequence is first stored in a buffer memory.
  • the complete recording time is available for the analysis of the reference image in the first evaluation unit.
  • the then determined object mask is transferred to a second evaluation unit, which uses its help to analyze the individual images in the buffer memory. Parallel to this, the recording of a new reference image in another sample and its evaluation in the first evaluation unit can already begin. This paralleled Vorgehe ⁇ swe ⁇ se is shown in Fig. 5.
  • the processing of the Biidsequenz happens in all the above-described constellations particularly preferably in the camera itself (Fig. 2a), This is possible if the camera includes a logic unit with sufficient computing power, such as a signal processor or a field programmable gate array (FPGA), as in the case of the above-mentioned CMC 1300 / C. Furthermore, this procedure requires that the object mask is transferred to the camera and held there in a suitable memory. The advantage of this method is that only considerably smaller data sets (one time series per object) are transferred from the camera to the downstream data acquisition unit instead of the extensive image data. This requires a data interface with lower bandwidth and relieves the downstream unit, which can then be eg a standard PC. In FIGS. 2a to 2c, arrows show the data flow within the system comprising camera and evaluation unit / PC. Thick arrows correspond to high data rates, thin arrows to lower data rates.
  • CMOS bit sensors which allow the targeted readout of individual image areas.
  • CMOS image sensor MT9M413 from Micron Technology Ine.
  • Action potentials are typical changes in the membrane potential of excitable cells and tissues such as heart cells of the heart muscle or nerve cells of the central nervous system. It is known that drug candidates or their unwanted side effects in some cases affect the rate of propagation of action potentials i) within cells or tissues or ii) between cells.
  • the method of the invention and the associated apparatus are for measuring changes in the rate of propagation of a membrane potential change. For example, to detect these in nerve cells, subcellular structures such as axons or dendrites (collectively called ninths) must be detected during object recognition. With the help of object recognition, the spatial arrangement of individual neurite segments in relation to the cell body is determined. This allows the spatially and temporally offset membrane potential change in the neurite segments and thus the propagation velocity to be determined.
  • the kinetics of membrane potency change i.
  • the rate of membrane potential increase (also called depolarization) or membrane potential drop (also called hyperpolarization) change i.
  • the method and the associated device for measuring changes in the kinetics of a membrane potential change are used.
  • heart muscle cell cultures stained with a voltage-sensitive, fluorescent dye are incubated with a drug candidate.
  • object masks one can detect the fluorescence intensity changes in the cell membrane of the heart muscle cells. From this, the depolarization or hyperpolarization rate of the
  • the use case and the basic assumption are accordingly opposite to the boundary conditions of the present invention, which involves the analysis of very fast processes under the basic assumption of spatially stationary cells.
  • ion channels are considered an extremely important target class. This is due to the fact that the drugs currently on the market are the second most frequently used after the G-protein-coupled receptors (GPCRs) and are therefore the second most frequently used to counteract the superfamily of ion channels, thus having an effect. On the other hand, individual ion channel types are modulated by a wide variety of substances, which in some cases results in undesirable side effects
  • Ion channels are membrane proteins that, by momentarily opening a pore, temporarily disrupt the otherwise nonpermeable cell membrane for individual ion species make it permeable.
  • the concomitant change in the ion concentration on both sides of the membrane changes the membrane potential drop across the cell membrane,
  • Fast voltage-sensitive dyes are fluorescent dyes that can stain cell membrane and whose properties (e.g., fluorescence intensity or excitation wavelength) change by changing the membrane potential. It is known that it is possible to measure membrane potential changes and thus, inter alia, the modulating effect of substances on ion channel by means of voltage-sensitive dyes.
  • the method according to the invention and the associated device for measuring membrane potential change in cells in whose membrane ion channels are embedded.
  • an image with high spatial resolution is first recorded for this purpose and a "mask" of the individual cells or line regions, for example the cell membrane, is created with the aid of image analysis methods.
  • a second step only the fluorescence intensities of the individual cell masks with high temporal resolution are recorded and evaluated.
  • the method according to the invention and the associated device make it possible to acquire kinetic data using an imaging method.
  • a significant advantage of imaging techniques compared to "whole wave measurements" is that unwanted signals of the sample that are not derived from the cells (eg cell breakage, "dirt", dust, etc) can be filtered out, increasing the signal - to - noise ratio and thus the data quality .
  • FIG. 7/17 Further advantages are shown in FIG. 7/17. Variations in cell size, degree of staining, illumination or excitation can lead to differences in the individual cell responses. Using data analysis methods such as curve fitting, temporal Aligning, normalizing these variations can be "eliminated”. By setting threshold values, the mixed response of an inhomogeneous cell population can also be broken down into the contributions of the individual cell groups, as shown in the lower part of the figure.
  • the method and apparatus of the present invention may also be used to determine the modulations of other membrane proteins that affect membrane potential.
  • the group of transporters e.g. kanban-forming ionophores (e.g., valinomycin or gramicidin) or carrier ionophores (e.g., dinitrophenol or FCCP).
  • ion-sensitive dyes can be, inter alia, known, commercially available calcium dyes (eg fluo-calcium indicators, fura indicators, indo indicators, Calcium Green TM or Oregon Green TM, Molecular Probes) or sodium or potassium dyes (eg SBFI, PBFI, Sodium Green Na + indicator, CoroNa Green Na + indicator, CorolMa Red Na + indicator; Molecular Probes).
  • calcium dyes eg fluo-calcium indicators, fura indicators, indo indicators, Calcium Green TM or Oregon Green TM, Molecular Probes
  • sodium or potassium dyes eg SBFI, PBFI, Sodium Green Na + indicator, CoroNa Green Na + indicator, CorolMa Red Na + indicator; Molecular Probes.
  • the procedure described above for determining changes in ion concentrations is analogous to that described above.
  • the temporal change of the cytoplasmic calcium concentration is determined with the aid of the "mask method.”
  • a high-resolution image of the sample is taken and a detailed bath analysis is carried out to obtain a morphological parameter such as, for example, the nuclear fractionation If necessary, this detailed Bold analysis can also be performed on the image originally taken to create the cell mask, and the high-resolution image may contain additional information (eg from a different staining).
  • the method according to the invention and the associated device are suitable for continuously changing the application just described ⁇ ZD ⁇
  • Another trend in the field of test systems / data analysis is to capture several processes that occur in a timely manner.
  • this approach e.g. determine whether and / or how the inhibition of an enzyme in a signaling cascade affects the different downstream reactions.
  • the method according to the invention and the associated device allow, in a further application, e.g. It is important to point out that the two processes do so in parallel, but not necessarily at the same rate, and consequently with the same temporal progression Resolution must be measured.
  • the mask method described above is again used. It may be sufficient to detect and evaluate the signals at different wavelengths using a single mask, as shown in the middle part of the figure. If possible, however, in the first step not only a cell mask but also a cell mask for the cytoplasm and the nuclei of the individual cells should be created in order to capture both parameters in parallel. This is illustrated in Figure 15/17.
  • the inventive method and the associated device also allow the parallel determination of two processes that run asynchronously or with a time offset.
  • Another application is shown in Figure 16/17.
  • the change in the membrane potential and the time course of a morphological To determine change, one can again work with two different cell masks. In order to determine the change in the morphological parameter, for example, in the case shown here, it is necessary to calculate the ratio of the fluorescence intensities of the two cell masks.
  • the method and the associated device according to the invention make it possible to determine kinetic parameters in different cells with the aid of a plurality of masks, as in FIG Fig "9/17 and 17/17 shown.
  • two different cell masks can be based on different staining with the aid of image analysis methods for the two different cell populations.
  • FIG. 17/17 it is shown in FIG. 17/17 that different cell populations, possibly based on different morphological features, can be assigned to different groups. Subsequently, the temporal course of the same parameter for the two cell populations can be determined separately, as it has already been summarized in the applications described above.
  • the method according to the invention and the associated device are suitable for expanding the application just described to a multiplicity of cell populations, so that, for example, the selectivity of a substance-protein interaction with a plurality of isoforms of the protein can be determined.
  • the method and the associated device according to the invention are suitable for freely combining the applications described in the sections Multipiexing I, Multipiexing II and Multipiexing III.
  • Multipiexing I e.g.
  • Multipiexing II e.g.
  • Multipiexing III e.g. It is quite possible to use several groups of cell masks to determine the temporal course of several possibly asynchronous processes in parallel in several cell types and to record a spatially highly resolved image of the sample and to determine a series of further parameters by means of detailed image analysis.

Abstract

The invention relates to a method for taking and evaluating a plurality of image sequences comprising the following steps: a first reference image from a first sample which is to be analyzed is taken, the reference image comprising reference image data values which are arranged in a reference coordinate system, a selection of coordinate values is determined in the reference coordinate system taking account of reference image data values, a first sequence of examination images from the first sample is taken, the examination image comprising examination image data values which are arranged in an examination coordinate system, image properties in the first sequence of examination images are ascertained from examination image data values, with the ascertaining being effected at least at those coordinates in the examination coordinate system which essentially correspond to the previously determined selection of coordinate values in the reference coordinate system.

Description

Verfahren zur Aufnahme und Auswertung von Biidsequenzen Method for recording and evaluating biopsy sequences
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme und Auswertung von Bildsequenzen.The present invention relates to a method and a device for recording and evaluating image sequences.
Kameras, die für die Aufnahme von Sequenzen schnell aufeinander folgender Bilder geeignet sind, sind kommerziell erhältlich. Insbesondere sind eine Reihe von Bildsensoren auf CCD- oder CMOS-Basis verfügbar, die bei typischen Bildauflösungen im Bereich von ca. 500*500 bis zu 2000*2000 Büdpunkten (Pixeln) Bildraten von ca. 100/s bis über lOOQ/s ermöglichen (z.B. Micron Technology Ine, MT9 M413, Fairchild CCD456, Cypress LUPA-1300). Auf derartigen Sensoren basierende Kameras werden üblicherweise zur Beobachtung einmaliger, schneller Vorgänge eingesetzt, etwa in der Materialprüfung, Ballistik oder Automobϊltechnik. Die bei der Aufnahme der Bildsequenz anfallenden großen Datenmengen werden in Form der vollständigen Bilddaten in schnell adressierbaren Zwischenspeichern abgelegt und anschließend an eine Auswerteeinheit übertragen und dort ausgewertet. Die Übertragung und Auswertung benötigen dabei in der Regel ein Vielfaches der eigentlichen Beobachtungszeit.Cameras suitable for capturing sequences of fast successive images are commercially available. In particular, a number of CCD or CMOS image sensors are available which allow image rates of about 100 / s to over 100 / s at typical image resolutions in the range of about 500 * 500 up to 2000 * 2000 image dots (pixels) ( eg Micron Technology Ine, MT9 M413, Fairchild CCD456, Cypress LUPA-1300). Cameras based on such sensors are usually used for monitoring one-off, fast processes, for example in materials testing, ballistics or automotive engineering. The large amounts of data accumulating during the recording of the image sequence are stored in the form of the complete image data in quickly addressable buffers and then transferred to an evaluation unit and evaluated there. The transmission and evaluation usually require a multiple of the actual observation time.
Der Einsatz einer derartigen Kamera an einem Mikroskop zur Aufnahme von BiSdsequenzen im lms-Takt ist beschrieben bei T. Tanaami et al., Applied Optics Vol. 41, No. 22, August 2002, S. 4704. Auch diese Autoren verwenden die bekannte Anordnung aus Kamera und schnell adressierbarem Zwischenspeicher für die gesamte Bildsequenz (vgl. Fig. 3 sowie Abschnitt 6 der zitierten Arbeit).The use of such a camera on a microscope for recording BiSdsequenzen in lms cycle is described in T. Tanaami et al., Applied Optics Vol. 22, August 2002, p. 4704. Again, these authors use the known arrangement of camera and fast-addressable Cache for the entire image sequence (see Fig. 3 and Section 6 of the cited paper).
Die Analyse kinetischer Vorgänge in biologischen Systemen/ insbesondere in Zellen, durch die Aufnahme einer Folge von Bildern ist im Stand der Technik ebenfalls verbreitet. In aller Rege! werden dabei relativ niedrige Bildraten, maximal bis zu typischen Video-Raten von 25 oder 30Hz, angewandt. Unabhängig von der Bildrate werden grundsätzlich die gesamten Bilddaten der Sequenz gespeichert und später - in der Regel nach Abschluss einer ganzen Reihe von Messungen - ausgewertet.The analysis of kinetic processes in biological systems / especially in cells by the acquisition of a sequence of images is also common in the art. On the whole! In this case, relatively low frame rates, up to a maximum of typical video rates of 25 or 30 Hz, are used. Regardless of the frame rate, the entire image data of the sequence is generally stored and later evaluated, usually after completion of a whole series of measurements.
EP 1 348 124 Bl beschreibt Verfahren zur Analyse kinetischer Vorgänge in Zellen im Screening durch Aufnahme von Bildsequenzen. Dabei wird spezifisch darauf abgezielt, die räumliche Bewegung der Zellen berücksichtigen zu können, wie sie bei langen Beobachtungszeiten zur Analyse relativ langsamer zellulärer Prozesse auftritt. Die in der EP 1 348 124 51 offenbarten Ansätze der Bildverarbeitung erfordern eine separate, relativ aufwendige Objekterkennung in jedem aufgenommenen Einzelbild; sie sind also nicht zur Echtzeitanalyse schneiler Vorgänge geeignet.EP 1 348 124 Bl describes methods for analyzing kinetic processes in cells in the screening by recording image sequences. Specifically, it aims to account for the spatial motion of cells, as occurs at long observation times for the analysis of relatively slow cellular processes. The approaches of image processing disclosed in EP 1 348 124 51 require separate, relatively complex object recognition in each recorded individual image; they are therefore not suitable for the real-time analysis of rapid processes.
Der Einsatz bildgebender, insbesondere (fluoreszenz-)mikroskopischer, Verfahren hat im Bereich der Life Sciences in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Insbesondere die Untersuchung biologischer und biochemischer Prozesse in Zeilen oder Zellverbünden profitiert von der wesentlich differenzierten Information, die bildgebende Verfahren - beispielsweise im Vergleich zu Messungen der Gesarntfluoreszenz eines Reporters in einer Zellpoputation - liefern.The use of imaging, in particular (fluorescence) microscopic, methods has become very important in the field of life sciences in recent years. In particular, the study of biological and biochemical processes in rows or cell networks benefits from the significantly differentiated information provided by imaging techniques, for example compared to measurements of total fluorescence of a reporter in a cell population.
Andererseits besteht starkes Interesse an der Beobachtung dynamischer Vorgänge in Zellen. So ist beispielsweise die Familie der FLIPR-Reader (Hersteller: Molecular Devices Inc.) spezifisch auf die Beobachtung zeitlicher Veränderungen des Membranpotentials oder intrazellulärer Ionenkoπzentrationen ausgelegt. Derartige, für hoch zeitaufgelöste Beobachtungen vorgesehene, Geräte liefern jedoch je Well und Messzeitpunkt nur eine Gesamt-FluoreszenzintensitätOn the other hand, there is a strong interest in the observation of dynamic processes in cells. For example, the family of FLIPR readers (manufacturer: Molecular Devices Inc.) is specific to the observation of temporal changes in membrane potential or intracellular Ionenkoπzentrationen designed. However, such devices intended for high-time-resolved observations only provide one total fluorescence intensity per well and measurement time
Es ist wünschenswert, den hohen Informationsgehalt ortsaufgeiöster Bilder auch bei der Beobachtung dynamischer Vorgänge zu nutzen. Grundsätzlich geeignete Detektoren stehen kommerzieiS zur Verfügung (z.B. CMOS- Sensoren, die die Aufnahme von Bildfolgen mit Taktraten bis unter 1 ms erlauben). Der Einsatz derartiger Sensoren ist bislang beschränkt auf die Beobachtung kurzer Zeitabschnitte. Diese Beschränkung beruht auf der Notwendigkeit, sehr große Datenmengen zu erfassen und weiterzuverarbeiten. Beispielsweise ergibt sich folgende Datenrate bei Verwendung einer Kamera mit 1000*1000 Pixeln, einer Digitalisierung der Heiiigkeitswerte mit 8 bit/Pixel und einer Bildrate von 1000/s: 1.000.000 Pixel/frame * 1000 frames/s * 1 Byte/Pixel = 1 GByte/s. Im Stand der Technik wird dieses Problem dadurch gelöst, dass in die Kamera ein Datenpuffer integriert ist (z.B. 1 bis 4 GByte Speichergröße), der es erlaubt, für eine begrenzte Zeit Bϊldsequenzen aufzunehmen (bis der Speicher gefüllt ist). Da bereits dieIt is desirable to use the high information content of spatially resolved images also in the observation of dynamic processes. Generally, suitable detectors are commercially available (e.g., CMOS sensors that allow the acquisition of image sequences with clock rates less than 1 ms). The use of such sensors has so far been limited to the observation of short periods of time. This limitation is based on the need to capture and process very large amounts of data. For example, the following data rate is obtained when using a camera with 1000 * 1000 pixels, digitizing the brightness values at 8 bit / pixel and a frame rate of 1000 / s: 1,000,000 pixels / frame * 1000 frames / s * 1 byte / pixel = 1 GByte / s. In the prior art, this problem is solved by incorporating into the camera a data buffer (e.g., 1 to 4 GB of memory size) that allows capturing image sequences for a limited time (until the memory is full). Since already the
Übertragungsschnittstelle zum nachgeordneten PC, der die Bildauswertung oder Langzeitspeicherung übernimmt, eine deutlich kleinere Bandbreite aufweist, benötigt die anschließende Übertragung der Bilddaten an den PC typischerweise ein Vielfaches der Aufnahmedauer, Die daran anschließende Auswertung der Bilddaten benötigt im Allgemeinen eine nochmals vielfach längere Rechenzeit. Dies ist in den etablierten Anwendungen solcher Kameras, bei denen einmalige Ereignisse (beispielsweise Automobii-Crashtests) beobachtet werden, akzeptabel. Bei der Untersuchung zahlreicher Proben in Folge ergibt sich jedoch ein massiv reduzierter Probendurchsatz, da nur ein Bruchteil der Zeit tatsächlich für die Aufnahme von Messdateπ genutzt werden kann.Transmission interface to the downstream PC, which takes over the image analysis or long-term storage, has a much smaller bandwidth, the subsequent transmission of image data to the PC typically requires a multiple of the recording time, the subsequent evaluation of the image data generally requires a much longer computing time. This is acceptable in the established applications of such cameras where one-time events (for example, Automobii crash tests) are observed. Examining numerous samples in a row, however, results in a massively reduced sample throughput, since only a fraction of the time can actually be used to record measurement data.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die im Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden und insbesondere ein Verfahren und eine - A -It is the object of the present invention to overcome the disadvantages known in the prior art and in particular a method and a - A -
Vorrichtung bereitzustellen, welche z.B. viele Bildsequenzen in rascher Folge oder eine Abfolge von Biidsequenzen über einen Sängeren Zeitraum in einer für den Nutzer akzeptablen Zeit erfassen und verarbeiten kann. Vorzugsweise soll hierbei die benötigte Gesamtdauer für Erfassung und Auswertung der Biiddaten die Summe όer eigentlichen Erfassungszeiten nicht wesentlich überschreiten.To provide apparatus, which e.g. capture and process many sequences of images in rapid succession or a sequence of sequences of biases over a singer period in a time acceptable to the user. Preferably, in this case, the total duration required for acquisition and evaluation of the biid data should not significantly exceed the sum of the actual acquisition times.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den unabhängigen Ansprüchen niedergelegten Verfahren und Vorrichtungen. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen derselbigen.This object is achieved by the methods and devices set forth in the independent claims. The dependent claims relate to preferred embodiments of the same.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme und Auswertung einer Mehrzahl von Biidsequenzen umfassend die folgenden Schritte:The invention relates to a method for recording and evaluating a plurality of subject sequences, comprising the following steps:
Aufnahme eines ersten Referenzbildes einer ersten zu analysierenden Probe, wobei das Referenzbüd Referenzbilddatenwerte umfasst, die in einem Referenzkoordinatensystem angeordnet sind,Receiving a first reference image of a first sample to be analyzed, wherein the reference image comprises reference image data arranged in a reference coordinate system,
Bestimmen einer Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem unter Berücksichtigung vonDetermining a selection of coordinate values in the reference coordinate system, taking into account
Referenzbilddatenwerten,Reference image data values,
Aufnahme einer ersten Sequenz von Untersuchungsbildern der ersten Probe, wobei das Untersuchungsbild Untersuchungsbilddatenwerte umfasst, die in einem Untersuchungskoordinatensystem angeordnet sind,Recording a first sequence of examination images of the first sample, the examination image comprising examination image data values arranged in an examination coordinate system,
Ermittelung von Bildeigenschaften in der ersten Sequenz von Untersuchungsbildern aus Untersuchungsbilddatenwerten, wobei die Ermittlung zumindest an solchen Koordinaten im Untersuchungskoordinatensystem erfolgt, die der zuvor bestimmten Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinateπsystem im Wesentlichen entsprechen.Determining image properties in the first sequence of examination images from examination image data values, wherein the determination takes place at least at those coordinates in the examination coordinate system which are predetermined Selection of coordinate values in the Referenzkoordinateπsystem substantially correspond.
Es ist bevorzugt, dass das Referenzkoordinatensystem identisch ist mit dem Untersuchungskoordinatensystem.It is preferable that the reference coordinate system is identical to the examination coordinate system.
Ferner ist bevorzugt, dass eine vorbestimmte Beziehung zwischen Referenzkoordinatensystem und Untersuchungskoordinatensystem besteht, welche einem Koordinatenwert im Referenzkoordinatensystem einen Koordinatenwert im Untersuchungskoordinatensystem zuordnet.Further, it is preferable that a predetermined relationship exists between the reference coordinate system and the examination coordinate system, which assigns a coordinate value in the reference coordinate system to a coordinate value in the examination coordinate system.
Ebenfalls ist bevorzugt, dass die Ermittlung von Biideigenschaften in der ersten Sequenz von Untersuchungsbiidern aus Uπtersuchungsbiiddatenwerten im Wesentlichen auf solche Koordinaten beschränkt ist, die der zuvor bestimmten Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem im Wesentlichen entsprechen.It is also preferred that the determination of biofilm properties in the first sequence of examination subjects from examination biographical data values is essentially limited to those coordinates which essentially correspond to the previously determined selection of coordinate values in the reference coordinate system.
Auch bevorzugt ist, dass innerhalb der zuvor bestimmten Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem Gruppen gebildet werden.It is also preferred that groups are formed within the previously determined selection of coordinate values in the reference coordinate system.
Bevorzugter Weise ist es so, dass die Gruppen anhand von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem und/oder Referenzbilddatenwerten, vorzugsweise Helligkeitswerten, gebildet werden.It is preferable that the groups are formed on the basis of coordinate values in the reference coordinate system and / or reference image data values, preferably brightness values.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass eine mathematische Operation an denjenigen Untersuchungsbilddatenwerten erfolgt, deren Koordinaten im Untersuchungskoordtnatensystem den Koordinaten imIn particular, it is preferred that a mathematical operation is performed on those examination image data values whose coordinates in the examination coordinate data system correspond to the coordinates in
Referenzkoordinatensystem in mindestens einer der zuvor gebildeten Gruppen entsprechen, wobei die mathematische Operation vorzugsweise eine Mittelung oder Integration der Untersuchungsbilddatenwerte umfasst In einer bevorzugten Ausfuhruπgsforrn ist es so, dass innerhalb der ersten Sequenz von Untersuchungsbildern der ersten Probe ein erstes Untersuchungsbild aufgenommen wird und hieran Bildeigenschaften ermittelt werden, bevor innerhalb derselben Sequenz ein zweites Untersuchungsbild aufgenommen wird.Reference coordinate system in at least one of the previously formed groups correspond, wherein the mathematical operation preferably comprises an averaging or integration of the examination image data values In a preferred embodiment, a first examination image is recorded within the first sequence of examination images of the first sample and image properties are determined there before a second examination image is recorded within the same sequence.
Es ist bevorzugt, dass innerhalb der ersten Sequenz von Untersuchungsbildern der ersten Probe eine Mehrzah! von Untersuchungsbildern aufgenommen und zwischengespeichert wird, bevor an diesen Untersuchungsbildern Bildeigenschaften ermittelt werden.It is preferred that within the first sequence of examination images of the first sample a Mehrzah! taken and stored intermediately before image properties are determined on these examination images.
Vorzugsweise dienen die ausgewählten Koordinatenwerte als Maske für die Ermittlung von Bildeigenschaften der Untersuchungsbilder, Hierbei kann jede Maske mehrere Objekte, insbesondere Zellmembranen, Zeilkerne und/oder Zytoplasmen aufweisen. Bevorzugt ist es hierbei, dass jede Maske mehrere gleiche Objekttypen, beispielsweise mehrere Zellmembranen, zur späteren Untersuchung aufweistThe selected coordinate values preferably serve as a mask for the determination of image properties of the examination images. In this case, each mask can have a plurality of objects, in particular cell membranes, cell nuclei and / or cytoplasm. It is preferred here for each mask to have a plurality of identical object types, for example a plurality of cell membranes, for later examination
Bei einer besonders bevorzugten Ausfύhrungsform der Erfindung werden mehrere, insbesondere alle Objekte der ersten Sequenz von Untersuchungsbildern hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs mindestens einer Bildeigenschaft, wie der Bildhelligkeit untersucht. Hierbei erfolgt vorzugsweise ein Verknüpfen der zeitlichen Verläufe miteinander, mit Hilfe mathematischer Methoden.In a particularly preferred embodiment of the invention, several, in particular all, objects of the first sequence of examination images are examined with regard to the temporal course of at least one image property, such as the image brightness. In this case, the time profiles are preferably linked to one another using mathematical methods.
Um zum Beispiel das Verhalten einzelner Zellpopulationen zu bestimmen, werden die Einzelantworten aller einer Zeilpopulatioπ zugeordneten Zellen aufaddiert. Darüber hinaus eröffnet die Verfügbarkeit der Einzelzellantworten die Möglichkeit, unterschiedlichste Arten der Datenoptimierung mit Hilfe mathematischer Methoden. Beispielsweise kann man eine Einzelzellantwort durch die Zahl der mit Hilfe des Maskenverfahrens dieser Zelle zugeordneten Pixel teilen. Dies ermöglicht eine Normierung und somit eine bessere Vergleichbarkeit der einzelnen Einzelzellantworten, Auf diese Weise lässt sich beispielsweise einer Zelle, die normalerweise mit einer starken Helligkeitsveränderung antworten würde diese Eigenschaft auch dann zuordnen, wenn die Zelle aufgrund eines Fehlers nur gering beleuchtet / angeregt wurde und aus diesem Grund nur schwach leuchtet.For example, to determine the behavior of individual cell populations, the individual responses of all cells assigned to a cell population are summed up. In addition, the availability of single-cell responses opens up the possibility of different types of data optimization using mathematical methods. For example, one can divide a single cell response by the number of pixels associated with that cell's mask method. This allows a standardization and thus a better one Comparability of the individual single-cell responses, In this way, for example, a cell, which would normally respond with a strong change in brightness attribute this property even if the cell was only slightly lit / excited due to an error and therefore only weakly lit.
Alternativ kann man mit Hilfe von Schwellwertverfahren bestimmen, zu welchem Zeitpunkt innerhalb der Messung sich die Antworten der einzelnen Zellen signifikant ändern. Auf diese Weise kann man beispielsweise die Antworten von einzelnen Zellen, die versehentlich zu spät angeregt wurden, korrigieren und somit mit den Antworten von Zeilen, die zum richtigen Zeitpunkt angeregt wurden vergleichen, addieren etc.Alternatively, one can use threshold methods to determine at what time within the measurement the responses of the individual cells change significantly. In this way, for example, one can correct the responses of individual cells that were inadvertently excited too late, and thus compare with the responses of lines that were stimulated at the right time, etc.
Es ist bevorzugt, dass eine zweite Sequenz von Untersuchungsbildern der ersten Probe oder einer zweiten Probe aufgenommen wird.It is preferred that a second sequence of examination images of the first sample or a second sample is taken.
Es ist auch bevorzugt, dass die zweite Sequenz von Untersuchungsbildern aufgenommen wird, während an der ersten Sequenz von Untersuchungsbildern Bsldeigenschaften ermittelt werden.It is also preferred that the second sequence of examination images is recorded, while Bsldeigenschaften are determined on the first sequence of examination images.
Es ist auch bevorzugt, dass die Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem bestimmt wird, während die erste Sequenz von Untersuchungsbildern der ersten Probe aufgenommen wird.It is also preferred that the selection of coordinate values in the reference coordinate system is determined while the first sequence of examination images of the first sample is taken.
Die Erfindung betrifft femer eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassend :The invention furthermore relates to a device for carrying out the method according to the invention comprising:
Mittel zur Aufnahme eines ersten Referenzbüdes einer ersten zu analysierenden Probe, wobei das Referenzbild Referenzbilddatenwerte umfasst, die in einem Referenzkoordiπatensystem angeordnet sind, Mittel zum Bestimmen einer Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem unter Berücksichtigung vonMeans for receiving a first reference sample of a first sample to be analyzed, the reference picture comprising reference picture data values arranged in a reference coordinate system, Means for determining a selection of coordinate values in the reference coordinate system, taking into account
Referenzbilddatenwerten,Reference image data values,
Mittel zur Aufnahme einer ersten Sequenz von Untersuchungsbiidern der ersten Probe, wobei das UntersuchungsbildMeans for receiving a first sequence of examination subjects of the first sample, wherein the examination image
Untersuchungsbilddatenwerte umfasst, die in einemIncludes examination image data values that are included in a
Untersuchungskoordinatensystem angeordnet sind,Are arranged examination coordinate system,
Mittel zur Ermittelung von Büdeigenschaften in der ersten Sequenz von Untersuchungsbildern aus Untersuchungsbilddatenwerten, wobei die Ermittlung zumindest an solchen Koordinaten im Untersuchungskoordinatensystem erfolgt, die der zuvor bestimmten Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem im Wesentlichen entsprechen.Means for determining Büudeigenschaften in the first sequence of examination images from examination image data values, wherein the determination is carried out at least at those coordinates in the examination coordinate system, which correspond to the previously determined selection of coordinate values in the reference coordinate system substantially.
Es ist bevorzugt, dass die Mittel zur Aufnahme von Referenzbild und/oder Untersuchungsbildern eine Kamera, bevorzugt eine CCD- oder CMOS-Kamera, umfassen.It is preferred that the means for recording reference image and / or examination images comprise a camera, preferably a CCD or CMOS camera.
Es ist auch bevorzugt, dass die Mittel zur Ermittlung von Bildeigenschaften Mikroprozessoren, Signalprozessoren oder Gate-Arrays, vorzugsweise field- programmable Gate-Arrays, umfassen.It is also preferred that the means for determining image properties comprise microprocessors, signal processors or gate arrays, preferably field-programmable gate arrays.
Es ist ferner bevorzugt, dass sie Mittel zur Sekundäranalyse der ermittelten Bildeigenschaften umfasst, wobei diese Mitte! vorzugsweise Mikroprozessoren umfassen.It is further preferred that it comprises means for secondary analysis of the determined image properties, wherein this center! preferably comprise microprocessors.
Auch bevorzugt ist, dass die Mittel zur Aufnahme der Untersuchungsbilder und die Mittel zur Ermittelung von Bildeigenschaften in einer Einheit integriert sind, welche eine Datenschnittstelle zu den Mitteln zur Sekundäranalyse der ermittelten Biideigenschaften aufweist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Datenschnittstelle derart ausgestaltet ist, dass sie die aus einer Sequenz von Untersuchungsbildern ermittelten Bildeigenschaften innerhalb einer Zeitdauer an die Mitte! zur Sekundäranalyse überträgt, die die für die Aufnahme der Sequenz von Untersuchungsbildern benötigte Zeitdauer nicht wesentlich überschreitet.It is also preferred that the means for recording the examination images and the means for determining image properties are integrated in a unit which has a data interface to the means for secondary analysis of the determined biofilaments. In particular, it is preferred that the data interface is designed in such a way that it transmits the image properties determined from a sequence of examination images to the center within a period of time. transmits to the secondary analysis, which does not significantly exceed the time required to record the sequence of examination images.
Ebenfalls bevorzugt ist es, dass die Datenschnittstelle derart ausgestaltet ist, dass eine etwaige Übertragung der vollständigenLikewise preferred is that the data interface is designed such that a possible transmission of the complete
Untersuchungsbtlddatenwerte einer Sequenz von Untersuchungsbildern an die Mittel zur Sekundäranalyse eine Zeitdauer benötigen würde, die die für die Aufnahme der Sequenz von Untersuchungsbildern benötigte Zeitdauer wesentlich überschreitet,Examining data values of a sequence of examination images to the means for secondary analysis would require a period of time which substantially exceeds the time required for the acquisition of the sequence of examination images,
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung ermöglichen, die Datenmengen, d.h. die Untersuchungsbilddaten, bereits unmittelbar während der Aufnahme der Untersuchungsbiidsequenz (im folgenden auch als „Bildsequenz" bezeichnet) erheblich zu reduzieren. Sie ermöglichen insbesondere eine im Wesentlichen kontinuierliche Bildaufnahme bei hohen Abtastraten sowie eine entsprechende Weiterverarbeitung der Daten und somit den Einsatz der orts- und zeitaufgelösten Beobachtung in der automatisierten (Hochdurchsatz-)Untersuchung einer Vielzahl von Proben.The method according to the invention and the associated device make it possible to store the data volumes, i. The examination image data, already immediately during the recording of the examination subject (hereinafter also referred to as "image sequence") significantly reduce., They allow in particular a substantially continuous image recording at high sampling rates and a corresponding processing of the data and thus the use of location and time resolved Observation in the automated (high-throughput) analysis of a large number of samples.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, für jede zu untersuchende Probe zunächst ein einzelnes Biid („Referenzbild") aufzunehmen und dieses einer Bildverarbettung zu unterziehen. Ergebnis einer solchen Bildverarbeitung können insbesondere eine oder mehrere Masken für im Biid erkannte Objekte sein. Diese einmalig ermittelte Information wird dann bei der Auswertung - oder bereits bei der Aufnahme der Bilddaten (wie dem Auslesen aus der Kamera) - der im folgenden aufgenommenen Untersuchungsbiidsequenz herangezogen, um die in jedem Einzelbild (auch als „Untersuchungsbild" bezeichnet) zunächst auf Pixel-Ebene vorliegenden Daten unmittelbar auf eine Objekt-Ebene zu verdichten. Das jeweilige Einzelbild kann unmittelbar nach dieser Operation verworfen werden.The basic idea of the invention is to first receive a single image ("reference image") for each sample to be examined and to subject it to image processing, in particular one or more masks for objects recognized in the image is then used in the evaluation - or already during the recording of the image data (such as the read out of the camera) - the examination sequence recorded in the following, the data present in each frame (also referred to as "examination image") initially on pixel level data directly on a Compacting object level. The individual frame can be discarded immediately after this operation.
Die Rechenoperationen, die zur Auswertung der Einzeibilder der Büdsequenz wünschenswert sind, sind typischerweise sehr einfach. Beispielweise kann im Referenzbild eine Objekterkennung durchgeführt werden, deren Resultat ein „Maskenbild" ist, das in jedem Pixel statt eines Helligkeitswertes eine Objektnummer desjenigen Objektes enthält, dem dieser Pixel zugeordnet ist. Die Auswertung eines Einzelbildes der Bildsequenz reduziert sich vorzugsweise darauf, zu jedem Pixel die Objektnummer aus dem Maskenbild sowie den Heiligkeitswert aus dem Einzelbild zu entnehmen, und für jedes Objekt eine gemittelte oder integrierte Heiligkeit aller diesem zugeordneten Pixel im Einzelbild zu berechnen. Derartige einfache Operationen können bei entsprechend effektiver Implementierung so schnell durchgeführt werden, dass Bildaufnahme und Bildauswertung vergleichbar lange dauern.The arithmetic operations that are desirable for evaluating the unit images of the library sequence are typically very simple. For example, object recognition can be performed in the reference image, the result of which is a "mask image" that contains an object number of the object to which this pixel is assigned in each pixel instead of a brightness value To calculate the object number from the mask image as well as the sacred value from the frame, and to compute for each object an averaged or integrated sanctity of all associated pixels in the frame.Similarly effective implementations can be performed so quickly that imaging and image analysis are comparable take a long time.
Vorzugsweise geschieht auch die Objekterkennung im Referenzbild in Echtzeit während der laufenden Messung, besonders bevorzugt noch bevor mit der Aufnahme der Bildsequenz begonnen wird. Dies ermöglicht es, bereits während des laufenden Messbetriebes die Informationen aus jedem Bild der Bildsequenz zu verdichten und das jeweilige Bild zu verwerfen. Es wird also vorzugsweise kein Pufferspeicher für die gesamte an einer Probe aufgenommene Bildsequenz benötigt. Im Idealfall wird jeweils nur das zuletzt ausgelesene Bild gepuffert und in Echtzeit ausgewertet, während das Folgebild belichtet wird.Preferably, the object recognition also takes place in the reference image in real time during the current measurement, particularly preferably before the recording of the image sequence is started. This makes it possible to compress the information from each image of the image sequence already during the current measuring operation and to discard the respective image. Thus, preferably no buffer memory is required for the entire image sequence recorded on a sample. Ideally, only the last read-out image is buffered and evaluated in real time, while the subsequent image is exposed.
In einem bevorzugten Anwendungsfall dienen das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung zur Untersuchung kinetischer Abläufe in biologischen Zellen, In einer oder mehreren zu untersuchenden Proben liegen dazu bevorzugt jeweils eine Mehrzahl von Zellen vor. Gegenstand der Analyse können insbesondere zelluläre Potentiale oder Ionenkonzentrationen sein, die über entsprechende umgebungssensitive Farbstoffe (z.B. den Ca-Indikator Fura-2) optisch erfassbar werden. Der optische Ausleseparameter kann hierbei insbesondere die Fluoreszenzintensität bei je einer vorbestimmten Anregungs- und Beobachtungswellenlänge sein, oder das Verhältnis aus zwei Fluoreszenzintensitäten, die bei unterschiedlichen Anregungs- und/oder BeobachtungsweJIenlängen alternierend oder gleichzeitig erfasst werden („ratiometric imaging").In a preferred application, the method according to the invention and the associated device are used to investigate kinetic processes in biological cells. Preferably, a plurality of cells are present in one or more samples to be examined for this purpose. The subject matter of the analysis may be, in particular, cellular potentials or ion concentrations which are transmitted via appropriate environmental sensors Dyes (eg the Ca indicator Fura-2) are optically detectable. In this case, the optical read-out parameter may in particular be the fluorescence intensity at each predetermined excitation and observation wavelength, or the ratio of two fluorescence intensities which are recorded alternately or simultaneously at different excitation and / or observation wavelengths ("ratiometric imaging").
Bevorzugte Anwendungsfälle sind darüber hinaus die Erfassung von Veränderungen der elektrischen Signale oder morphologischen Veränderungen in Zeilen oder Zellverbünden, etwa Herzmuskelzellen, sowie die Signalausbreitung auf Neuronen, Die Realisierung einiger spezieller Anwendungen wird nachfolgend im Detail angesprochen.In addition, preferred applications are the detection of changes in the electrical signals or morphological changes in rows or cell networks, such as cardiac muscle cells, as well as the signal propagation on neurons. The realization of some special applications will be discussed in detail below.
Die zu untersuchenden Vorgänge können spontan auftreten, oder durch externe Stimulation (Triggerung) gezielt ausgelöst und/oder synchronisiert werden. Die Stimulation kann beispielsweise erfolgen durch Einkopplung elektrischer Signale, Einstrahlung optischer Strahlung, Zugabe von chemischen Substanzen über eine Dispensiervorrichtung oder Freisetzung zuvor zugegebener, jedoch eingekapselter Substanzen z.B. über UV- Einstrahlung (photochemische Freisetzung).The processes to be examined can occur spontaneously, or triggered and / or synchronized by external stimulation (triggering). For example, stimulation may be by coupling in electrical signals, irradiating optical radiation, adding chemical substances via a dispensing device, or releasing previously added but encapsulated substances, e.g. via UV radiation (photochemical release).
In einer bevorzugten Ausführungsform kommt ein optischer Aufbau zum Einsatz, der im wesentlichen einem im Stand der Technik bekannten (Fluoreszenz-) Mikroskop entspricht (vgl, Fig, 1) : Die zu untersuchende Probe wird mit Beleuchtungslicht bestrahlt, dessen Beleuchtungswellenlänge bevorzugt im sichtbaren Bereich des Spektrums, im ultravioletten oder infraroten Bereich liegt. Als Lichtquelle können beispielsweise ein oder mehrere Laser, Leuchtdioden oder Lampen, ggf, mit nachgeordneten Farbfiltern, zum Einsatz kommen. Ein Mikroskopobjektiv erfasst aus der Probe emittierte Strahlung und bildet diese auf eine Kamera ab. Dieses Objektiv kann wahlweise auch zur Lenkung der Beleuchtungsstrahlung auf die Probe genutzt werden (Auflichtmikroskopie); alternativ ist es möglich, die Beleuchtungsstrahfung aus der dem Objektiv gegenüberliegende Raumrichtung auf die Probe zu richten (Durchlichtmikroskopie). Die Kamera kann wahlweise das Licht bei der Beleuchtungsweileniänge erfassen (Streulichtmikroskopie), oder durch vorgeordnete Filter so eingerichtet sein, dass sie ausschließlich Licht anderer Wellenlängen erfasst. Besonders bevorzugt ist der Fall, dass in der Probe befindliche fiuoreszente Markierungen bei Anregung durch das BeSeuchtungslicht Licht einer längeren Wellenlänge abgeben, und die Kamera für die Erfassung dieses längerweiÜgen Lichts eingerichtet ist (Fluoreszenzmikroskopie),In a preferred embodiment, an optical structure is used, which essentially corresponds to a (fluorescence) microscope known in the prior art (cf. FIG. 1): the sample to be examined is irradiated with illumination light whose illumination wavelength is preferably in the visible range of the Spectrum, in the ultraviolet or infrared range. As a light source, for example, one or more lasers, light emitting diodes or lamps, if necessary, with downstream color filters, are used. A microscope objective detects radiation emitted by the sample and images it onto a camera. Optionally, this lens can also be used to direct the illumination radiation onto the sample be used (incident light microscopy); Alternatively, it is possible to direct the illumination from the lens direction opposite spatial direction to the sample (transmitted light microscopy). Optionally, the camera may detect the light at the time of illumination (scattered light microscopy), or be arranged by upstream filters to capture only light of other wavelengths. It is particularly preferred that fluorescent markers present in the sample emit light of a longer wavelength when excited by the moistening light, and the camera is set up to record this longer wavelength of light (fluorescence microscopy),
Bevorzugt wird als Detektor eine Kamera eingesetzt, die mehrere hundert BÜder pro Sekunde aufnehmen kann. In der Kamera befinden sich bereits Analog/Digital-Wandler, die die Helligkeitswerte der einzelnen Bildpunkte in digitale Zahleπwerte überführen. Optional kann diese Kamera einen Zwischenspeicher enthalten, der die Bildsequenz zunächst puffern kann. Bevorzugt ist die Kamera mit einer DatenschnittsteMe ausgestattet, die die Bilddaten mit der vollen Geschwindigkeit, mit der sie bei der Aufnahme einer Bildsequenz anfallen, an eine nachgeordnete Auswerteeinheit übertragen kann.Preferably, a camera is used as the detector, which can accommodate several hundred BÜder per second. The camera already contains analogue / digital converters, which convert the brightness values of the individual pixels into digital numerical values. Optionally, this camera may contain a cache that can buffer the image sequence first. Preferably, the camera is equipped with a DatenschnittsteMe that can transmit the image data at the full speed with which they are incurred when taking a picture sequence to a downstream evaluation unit.
Geeignet ist beispielsweise die Kamera CMC 1300/C der Firma VDS Vosskühler, Osnabrück. Diese Kamera nimmt Bilder mit einer Ortsauflösung von 1280*1024 Pixeln bei einer Taktrate bis zu 500 Bildern/s auf. Sie ist mit einer „Camera Link"-Schnittstelle ausgestattet, die über mehrere serielle Übertragungskanäle die Bilddaten in Echtzeit an eine nachgeordnete Einheit, z.B. einen Framegrabber, übertragen kann. Hierbei fallen erhebliche Datenraten an; beispielsweise in der angegebenen Betriebsart: 500 Bilder/s * 1280*1024 Pixel/Bild * IByte/Pixel = 655 MByte/s. Beispiel: Bevorzugter MessablaufFor example, the camera CMC 1300 / C from VDS Vosskühler, Osnabrück, is suitable. This camera captures images at a resolution of 1280 * 1024 pixels at a rate of up to 500 fps. It is equipped with a "Camera Link" interface, which can transmit the image data in real time to a subordinate unit, eg a frame grabber, via several serial transmission channels.There are considerable data rates, for example in the specified operating mode: 500 fps * 1280 * 1024 pixels / image * IByte / Pixel = 655 MB / s. Example: Preferred measuring procedure
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform wird die oben beschriebene Anordnung in folgendem Messablauf eingesetzt:In a preferred embodiment, the arrangement described above is used in the following measuring sequence:
(a) Referenzbild-Aufnahme(a) reference picture recording
Nachdem die zu untersuchende Probe vor dem Objektiv positioniert wurde, wird zunächst ein Referenzbitd aufgenommen. Dieses wird an eine Auswerteeinheit, bevorzugt einen handelsüblichen Personal Computer (PC), übertragen, und dort einem Bildverarbeitungsschritt unterzogen. Ziel des Bildverarbeitungsschrittes ist es, die einzelnen im Bildfeld vorhandenen Objekte zu erkennen und sowohl vom Hintergrund (Zwischenräume) als auch voneinander abzugrenzen. Objekte können hier insbesondere die einzelnen in der Probe befindlichen Zeilen sein, wahlweise aber auch Substrukturen innerhalb der Zellen; dies wird im Folgenden noch weiter ausgeführt, Zur Objekterkennuπg können an sich bekannte Bildverarbeitungsverfahren, wie die Segmentierung durch Schweüwertbildung oder den Wasserscheiden- Algorithmus, sowie nachgeordnete Filterung und Klassifizierung anhand von Form- oder Größenkritierien, zum Einsatz kommen. Die im Bild erkannten Objekte werden (in willkürlicher Folge) nummeriert Im Ergebnis dieser Bildverarbeituπg ist zu jedem Bildpunkt bekannt, welchem Objekt er zugehörig ist, bzw, ob er zum Hintergrund gehört. Diese Information wird bei der Verarbeitung der anschließend aufzunehmenden Bildsequenz genutzt Sie wird im folgenden als „Objektmaske" bezeichnet. Diese entspricht einer Auswahl von solchen Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem, die Bildpunkte bezeichnen, an denen Objekte (im Gegensatz zum Bildhintergrund) beobachtet wurden.After the sample to be examined has been positioned in front of the objective, a reference bit is first recorded. This is transmitted to an evaluation unit, preferably a commercial personal computer (PC), and subjected there to an image processing step. The aim of the image processing step is to recognize the individual objects present in the image field and to delimit them both from the background (intermediate spaces) and from each other. In this case, objects can be in particular the individual lines in the sample, but optionally also substructures within the cells; this can be further explained below. For object recognition, image processing methods known per se, such as the segmentation by means of heterogeneity or the watershed algorithm, as well as downstream filtering and classification on the basis of shape or size criteria, can be used. The objects recognized in the image are numbered (in arbitrary order). As a result of this image processing, it is known for each pixel which object it belongs to or whether it belongs to the background. This information will be used in the processing of the image sequence to be subsequently captured, hereinafter referred to as "object mask." This corresponds to a selection of such coordinate values in the reference coordinate system that designate pixels on which objects (as opposed to the image background) were observed.
Optional ist es möglich, die Anzahl der Objekte In der Objektmaske zu begrenzen. Um eine hinreichend gute statistische Qualität der im folgenden zu erfassenden kinetischen Messgrößen zu erhalten, ist es in der Regel wünschenswert, eine gewisse Mindestzahi von Objekten (z.B. Zellen) zu analysieren. Dies gleicht Schwankungen in den biologischen Eigenschaften der einzelnen Zellen aus, und reduziert zusätzlich das statistische Rauschen des optischen Messprozesses selbst. Andererseits steigt mit wachsender Anzahl betrachteter Zellen der Rechenaufwand in der Bildverarbeitung. Durch Toleranzen in der Probenpräparation kann die Anzahl im Bildfeld vorliegender Objekte nur mit einer großen Schwankungsbreite vorhergesagt werden. Es ist jedoch bei der Analyse des Referenzbildes möglich, eine Obergrenze für die Anzahl der zu betrachtenden Objekte, oder auch für die Anzahl der zu Objekten gehörigen Pixel, vorzugeben. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass in unterschiedlichen Proben jeweils Messdaten mit vergleichbarer statistischer Qualität bestimmt werden, und dass andererseits der Rechenaufwand für die Bildverarbeitung eine vorbestimmte Obergrenze nicht überschreitet. Letzteres ist insbesondere dann von wesentlicher Bedeutung, wenn die Auswertung in Echtzeit durchzuführen ist, wie im folgenden als bevorzugte Ausführungsform beschrieben.Optionally, it is possible to limit the number of objects in the object mask. To get a sufficiently good statistical quality of the following As a rule, it is desirable to analyze a certain minimum number of objects (eg cells) in order to obtain kinetic measured quantities. This compensates for fluctuations in the biological properties of the individual cells, and in addition reduces the statistical noise of the optical measuring process itself. On the other hand, with an increasing number of considered cells, the computational outlay in image processing increases. Due to tolerances in the sample preparation, the number of objects present in the image field can only be predicted with a large fluctuation range. However, when analyzing the reference image, it is possible to specify an upper limit for the number of objects to be considered, or for the number of pixels belonging to objects. In this way it can be achieved that measurement data of comparable statistical quality are determined in different samples and on the other hand that the computational outlay for image processing does not exceed a predetermined upper limit. The latter is particularly important if the evaluation is to be carried out in real time, as described below as a preferred embodiment.
Das Referenzbild kann bevorzugt bei der gleichen Anregungs- und Beobachtungswellenlänge aufgenommen werden, bei der auch die nachfolgende Bildsequenz aufgenommen wird. In diesem Fall werden die gleichen fluoreszenten Markierungen, die bei der Beobachtung der kinetischen Abläufe genutzt werden, auch zur Lokalisierung der Zellen herangezogen. Dabei wird besonders bevorzugt jedoch eine Belichtungszeit verwendet, die länger ist als die Belichtungszeit für die Einzelbilder der Bildsequenz: Dies ist möglich, da die hohe Zeitaufiösung im Referenzbild nicht benötigt wird, und bietet den Vorteil, dass das aufgenommene Bild durch die Integration des Photostroms über längere Zeit ein wesentlich besseres Signal- /Rauschverhältnis aufweisen kann, das die zuverlässigen Lokalisierung der Zellen erlaubt. - Alternativ kann die Lokalisierung der Zellen bei anderen Anregungs- und/oder Beobachtungswellenlängen erfolgen, etwa in Streulichtmikroskopie oder, unter Einsatz eines zusätzlichen Fluoreszenz- markers, der speziell der Lokalisierung der Zellen dient, in Fluoreszenzmikroskopie bei anderen Wellenlängen. Bevorzugt ist hierzu insbesondere der Einsatz der zahlreichen dem Fachmann bekannten Farbstoffe zur spezifischen Anfärbung von Zellkernen, Zytoplasma oder Zellmembranen.The reference image may preferably be recorded at the same excitation and observation wavelength at which the subsequent image sequence is also recorded. In this case, the same fluorescent labels used in the observation of the kinetic processes are also used to localize the cells. However, an exposure time longer than the exposure time for the individual images of the image sequence is particularly preferably used. This is possible because the high time resolution in the reference image is not required, and offers the advantage that the captured image can be converted by integrating the photocurrent can have a much better signal-to-noise ratio for a long time, allowing for reliable cell localization. Alternatively, the cells can be localized at different excitation and / or observation wavelengths, for example in scattered light microscopy or, using an additional fluorescence markers, which specifically serves to localize the cells, in fluorescence microscopy at other wavelengths. In particular, the use of the numerous dyes known to those skilled in the art for the specific staining of cell nuclei, cytoplasm or cell membranes is preferred.
(b) Aufnahme der Untersuchungsbiidsequenz(b) Recording the test sequence
Im Anschluss an die Aufnahme des Referenzbildes werden eine oder mehrere Bildsequenzen zur Analyse der zellulären Kinetik aufgenommen. In rascher Folge wird eine Vielzahl von Biidern aufgenommen. Die zeitlichen Abstände zwischen den Aufnahmen der Einzelbilder sind bevorzugt konstant gewählt. Es ist aber auch möglich, ein variables Zeitraster für die Aufnahmen zu wählen. Insbesondere ist eine bevorzugte Möglichkeit die Verwendung eines im wesentlichen logarithmischen oder geometrischen Zeitrasters, bei dem sich der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Aufnahmen progressiv um einen konstanten Faktor verlängert. Ein derartiges Zeitraster ist besonders geeignet, um Abklingvorgänge effektiv zu erfassen, die im wesentlichen einen exponentiellen Verlauf aufweisen. Gleiches gilt für die Belichtungszeiten der Einzelbilder: Auch hier kann entweder eine konstante oder aber unterschiedliche Belichtungszeiten für die Einzelbilder gewählt werden; insbesondere sind mit einem variablen Raster der Aufnahmezeitpunkte auch entsprechend variierte Belichtungszeiten sinnvoll kombinierbar.Following the acquisition of the reference image, one or more image sequences are taken for analyzing the cellular kinetics. In rapid succession, a variety of Biidern is added. The time intervals between the shots of the individual images are preferably chosen to be constant. But it is also possible to choose a variable time frame for the recordings. In particular, a preferred possibility is the use of a substantially logarithmic or geometric time-lapse, in which the time interval between successive shots progressively increases by a constant factor. Such a time frame is particularly suitable for effectively detecting decay events, which essentially have an exponential profile. The same applies to the exposure times of the individual images: Here too, either a constant or different exposure times can be selected for the individual images; In particular, correspondingly varied exposure times can be reasonably combined with a variable grid of the recording times.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in aufeinanderfolgenden Einzelbildern alternierend jeweils die Fluoreszenzintensität bei zwei unterschiedlichen Beieuchtungs- und/oder Beobachtungswellenlängen erfasst. Durch eine spätere Verhältnisbildung der ermittelten Fluoreszenzintensitäten je Zelle kann ein sog. „ratiometric imaging" durchgeführt werden, mit dem z.B. spektrale Verschiebungen in der Fluoreszenzemission eines geeignet gewählten, umgebungssensitiven Farbstoffes erfasst werden können. Beispielhaft sei Ca-sensitive Farbstoff Fura-2 genannt. Abhängig vom eingangs dargestellten Anwendungsfail wird ggf. zusätzlich ein Trigger-Ereignis ausgelöst (Reagenz-Zugabe, elektrische oder optische Stimulation). Dies kann unmittelbar oder in definiertem zeitlichen Abstand vor Beginn der Bildsequenz-Aufnahme geschehen. Bevorzugt ist aber insbesondere auch, zunächst die Aufnahme der Bildsequenz zu beginnen und während der laufenden Aufnahme das Trigger-Ereignis auszulösen. In dieser Weise wird für die spätere Bewertung des kinetischen Ablaufs ein Startwert (Nuliwert) mit erfasst. Zudem toleriert dieses Vorgehen Unsicherheiten in der zeitlichen Synchronisation zwischen Bildsequenz-Start und Triggerereignis, da in jedem Fall der Triggerzeitpunkt in der Biidsequenz mit erfasst wird.In a preferred embodiment, the fluorescence intensity at two different illumination and / or observation wavelengths is detected alternately in successive individual images. By a later ratio formation of the determined fluorescence intensities per cell, a so-called "ratiometric imaging" can be carried out with which, for example, spectral shifts in the fluorescence emission of a suitably selected, ambient-sensitive dye can be detected. Depending on the application detail presented at the beginning, a trigger event may also be triggered (reagent addition, electrical or optical stimulation). This can be done immediately or at a defined time interval before the beginning of the image sequence recording. However, it is also preferable in particular to start recording the image sequence first and to trigger the trigger event during the current recording. In this way, a starting value (zero value) is recorded for the later evaluation of the kinetic sequence. In addition, this procedure tolerates uncertainties in the temporal synchronization between image sequence start and trigger event, since in each case the trigger time is recorded in the Biidsequenz.
Die Aufnahme der Bildsequenz wird bevorzugt über eine vorbestimmte Gesamtdauer oder eine vorbestimmte Dauer nach Auslösung des Triggerereigπisses durchgeführt. Wird die Auswertung der Biidsequenz in Echtzeit durchgeführt (s, unten), so ist es alternativ möglich, die Aufnahme so lange fortzusetzen, bis ein vorbestimmter Zustand der Probe erreicht ist - etwa das Abklingen eines zeitlich veränderlichen Parameters bis auf einen vorbestimmten Prozentsatz des Ausgangswertes,The recording of the image sequence is preferably carried out over a predetermined total duration or a predetermined duration after triggering the Triggerereigπisses. If the evaluation of the Biidsequenz is performed in real time (s, below), it is alternatively possible to continue the recording until a predetermined state of the sample is reached - such as the decay of a variable parameter to a predetermined percentage of the initial value,
Optional können innerhalb der Aufnahmedauer auch mehrere Triggerereignisse ausgelöst werden, beispielsweise an äquidistanten Zeitpunkten, Dies kann einerseits zur Erhöhung des Sϊgnal- /Rauschverhältnisses dienen, indem eine Folge von gleichartigen Stimulationen ausgelöst wird, jeweils die Reaktion der Probe erfasst wird und anschließend eine Mittelung über die Mehrzahl von Messkurven durchgeführt wird. In anderen Fällen kann sich die Reaktion der Probe bei wiederholter Stimulation systematisch verändern, und es kann gewünscht sein, diese Veränderungen durch Beobachtung einer Folge von Stimuiations- /Reaktionszyklen zu erfassen. (c) AuswertungOptionally, several trigger events can also be triggered within the recording duration, for example at equidistant times. This can on the one hand serve to increase the signal / noise ratio by triggering a series of similar stimulations, respectively detecting the reaction of the sample and then averaging over the Plural of measured curves is performed. In other cases, the response of the sample upon repeated stimulation may change systematically, and it may be desirable to detect these changes by observing a series of stimulus / response cycles. (c) evaluation
Die Auswertung der aufgenommenen Bilder der BÜdsequenz geschieht auf Basis der zuvor bestimmten Objektmaske. Bevorzugt wird in jedem Einzelbiid für jedes Objekt ein integrierter oder gemittelter Intensitätswert bestimmt, indem über alle dem Objekt zugehörigen Biidpunkte gemittelt oder integriert wird, und anschließend gespeichert. Das jeweilige Einzelbild kann unmittelbar im Anschluss an diese Ermittlung der Objektwerte verworfen werden. Durch Speicherung der Objektwerte für alie Einzelbilder, die jeweils einem Beobachtungszeitpunkt entsprechen, steht für jedes Objekt eine Zeitreihe von Intensitätswerten zur Verfügung. Diese Vorgehensweise ist in Fig. 3 als Flussdiagramm dargestellt. Durchgehende Pfeile bezeichnen den Ablauf des Algorithmus (Kontrollfluss), gestrichelte Pfeile den Datenfluss. Diese Notation wird auch in den nachfolgenden Flussdiagrammen verwendet.The evaluation of the recorded images of the BÜdsequenz done on the basis of the previously determined object mask. In each individual subject, an integrated or averaged intensity value is preferably determined for each object by averaging or integrating over all of the object points associated with the object, and then stored. The respective individual image can be discarded immediately after this determination of the object values. By storing the object values for all individual images, which each correspond to an observation time, a time series of intensity values is available for each object. This procedure is shown in FIG. 3 as a flowchart. Continuous arrows indicate the flow of the algorithm (control flow), dashed arrows indicate the flow of data. This notation is also used in the following flowcharts.
Die Auswertung der Einzelbilder geschieht besonders bevorzugt jeweils unmittelbar nach Aufnahme des Einzelbildes. Dies optimiert den Speicherbedarf, da im Idealfall jeweils nur ein einziges Einzelbild zur Verarbeitung gespeichert werden muss. Bereits während der Belichtung des Folgebildes wird die Liste der Objektwerte bestimmt und das Bild verworfen, um den Speicher für das Folgebild freizugeben. Alternativ ist es jedoch möglich, Pufferspeicher für mehrere Bilder - bis hin zur kompletten Bildsequenz - zur Verfügung zu steilen. Dies erlaubt die zeitliche Entkopplung von Bildaufnahme und Bildverarbeitung. So können einerseits zeitliche Fluktuationen in der Bildverarbeitung aufgefangen werden, falls nicht sichergestellt werden kann, dass jedes Einzelbild innerhalb der Belichtungsdauer des Folgebildes komplett verarbeitet werden kann. Andererseits wird bei Verwendung eines hinreichend großen Pufferspeichers eine Messung auch dann möglich, wenn die Bildverarbeitung regelmäßig länger dauert als die Aufnahme. In diesem Fall wird nach Aufnahme einer BÜdsequenz so lange mit der Aufnahme der nächsten Bildsequenz gewartet, bis die Bildverarbeitung aller Einzelbilder abgeschlossen, und somit der Pufferspeicher wieder freigegeben ist (vgl, Fig. 4),The evaluation of the individual images happens particularly preferably in each case immediately after taking the individual image. This optimizes the storage requirements, since in the ideal case only a single frame at a time must be stored for processing. During the exposure of the subsequent image, the list of object values is determined and the image is discarded in order to release the memory for the subsequent image. Alternatively, however, it is possible to make available buffer memories for a plurality of images, up to the complete image sequence. This allows the temporal decoupling of image acquisition and image processing. Thus, on the one hand temporal fluctuations in the image processing can be absorbed, if it can not be ensured that each frame can be processed completely within the exposure time of the next image. On the other hand, when using a sufficiently large buffer memory, a measurement is possible even if the image processing regularly takes longer than the recording. In this case, after recording a BÜdsequenz, the next image sequence will be until the image processing of all individual images has been completed, and thus the buffer memory is released again (cf. FIG. 4),
Der Einsatz eines großen Pufferspeichers erlaubt zudem eine besonders bevorzugte Ausführungsform, in der die Gesamtdauer des Mess- und Auswertevorgangs weniger kritisch von der Dauer der Bildverarbeitung des Referenzbüdes abhängt. Im vorbeschriebenen Abiauf wurde zunächst davon ausgegangen, dass die die aus dem Referenzbild bestimmte Objektmaske bei Beginn der Aufnahme der Bildsequenz bereits vorliegt. Dies ist notwendig, um die Einzelbilder unmittelbar auf Basis der Objektmaske verarbeiten zu können. Dieses Vorgehen birgt den Nachteil, dass zwischen der Aufnahme von Referenzbild und Bildsequenz die Objekterkennung im Referenzbild abgewartet werden muss. Diese Objekterkennung umfasst in der Regel komplexe Rechenoperationen und dauert auf typischen PCs einige 100 ms bis zu mehreren Sekunden. Diese Zeit kann im Messprozess nicht genutzt werden und verlängert die Gesamtdauer der Messung. Daher ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, nach der Aufnahme des Referenzbildes und dessen Übertragung an eine erste Auswerteeinheit (z.B. einen PC) unmittelbar mit der Aufnahme der Biidsequenz zu beginnen. Die Bildsequenz wird zunächst in einem Pufferspeicher abgelegt. Die komplette Aufnahmedauer steht für die Analyse des Referenzbildes in der ersten Auswerteeinheit zur Verfügung. Nach Abschiuss der Aufnahme der Bildsequenz wird die dann ermittelte Objektmaske an eine zweite Auswerteeinheit übergeben, die mit deren Hilfe die Einzelbilder im Pufferspeicher analysiert. Zeitlich parallel dazu kann bereits die Aufnahme eines neuen Referenzbildes in einer weiteren Probe, sowie dessen Auswertung in der ersten Auswerteeinheit, beginnen. Diese parallelisierte Vorgeheπsweϊse ist in Fig. 5 dargestellt.The use of a large buffer memory also allows a particularly preferred embodiment, in which the total duration of the measurement and evaluation process is less critically dependent on the duration of the image processing of the reference son. In the above-described Abiauf, it was initially assumed that the object mask determined from the reference image already exists at the beginning of the recording of the image sequence. This is necessary to be able to process the individual images directly on the basis of the object mask. This approach has the disadvantage that between the recording of reference image and image sequence, the object recognition in the reference image must be awaited. This object recognition usually involves complex arithmetic operations and takes some 100 ms to several seconds on typical PCs. This time can not be used in the measuring process and extends the total duration of the measurement. Therefore, it is particularly preferred according to the invention to start recording the bios sequence immediately after the reference image has been recorded and transmitted to a first evaluation unit (for example a PC). The image sequence is first stored in a buffer memory. The complete recording time is available for the analysis of the reference image in the first evaluation unit. After the recording of the image sequence has been completed, the then determined object mask is transferred to a second evaluation unit, which uses its help to analyze the individual images in the buffer memory. Parallel to this, the recording of a new reference image in another sample and its evaluation in the first evaluation unit can already begin. This paralleled Vorgeheπsweϊse is shown in Fig. 5.
Die Verarbeitung der Biidsequenz geschieht in allen vorbeschriebenen Konstellationen besonders bevorzugt in der Kamera selbst (Fig. 2a), Dies ist möglich, wenn die Kamera eine Logikeinheit mit hinreichender Rechenleistung enthält, etwa einen Signalprozessor oder ein Field Programmable Gate Array (FPGA), wie im Fall der oben benannten CMC 1300/C. Weiterhin setzt dieses Vorgehen voraus, dass die Objektmaske in die Kamera übertragen und dort in einem geeigneten Speicher vorgehalten wird. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass bereits aus der Kamera anstelle der umfangreichen Bilddaten nur wesentlich kleinere Datensätze (eine Zeitreihe je Objekt) an die nachgeordnete Datenerfassungseinheit übergeben werden. Dies erfordert eine Datenschnittstelle mit geringerer Bandbreite und entlastet die nachgeordnete Einheit, die dann z.B. ein Standard-PC sein kann. In Figur 2a bis 2c zeigen Pfeile den Datenfluss innerhalb des Systems aus Kamera und Auswerteeinheit/PC. Dicke Pfeile entsprechen hohen Datenraten, dünne Pfeile niedrigeren Datenraten.The processing of the Biidsequenz happens in all the above-described constellations particularly preferably in the camera itself (Fig. 2a), This is possible if the camera includes a logic unit with sufficient computing power, such as a signal processor or a field programmable gate array (FPGA), as in the case of the above-mentioned CMC 1300 / C. Furthermore, this procedure requires that the object mask is transferred to the camera and held there in a suitable memory. The advantage of this method is that only considerably smaller data sets (one time series per object) are transferred from the camera to the downstream data acquisition unit instead of the extensive image data. This requires a data interface with lower bandwidth and relieves the downstream unit, which can then be eg a standard PC. In FIGS. 2a to 2c, arrows show the data flow within the system comprising camera and evaluation unit / PC. Thick arrows correspond to high data rates, thin arrows to lower data rates.
Besonders bevorzugt ist es, bereits das Ausfesen der Bilddaten aus dem Detektor auf die Bereiche zu begrenzen, in denen gemäß der Objektmaske Objekte angeordnet sind. Ein derartiges Vorgehen ist bei geeigneten Detektoren, insbesondere CMOS Bitdsensoren, möglich, die das gezielte Auslesen einzelner Bildbereiche zulassen. Beispielhaft sei der CMOS-Bildsensor MT9M413 der Firma Micron Technology Ine, genannt. Dieses erfindungsgemäße Vorgehen erfaubt es, bei gegebener Bandbreite der Auslese-Schnittstelle des Detektors eine höhere Abtastrate der Bildsequenz zu erreichen, da nicht die Daten sämtlicher Bildpunkte des Detektors über die Ausleseschnittstelle übertragen werden müssen. Es ist besonders vorteilhaft einzusetzen in Kombination mit der oben beschriebenen Optimierung der Objektmaske: Bei der Bestimmung der Objektmaske aus dem Referenzbild kann bereits dafür Sorge getragen werden, dass die von der Objektmaske festgelegten Pixelbereiche in einer definierten, nach oben beschränkten Zeit ausgelesen werden können. Dies kann besonders bevorzugt dadurch geschehen, dass die Anzahl der Biidzeilen, in denen zu betrachtende Objekte liegen, beschränkt wird. Dazu werden z.B. solche Objekte aus der Objektmaske nachträglich wieder gelöscht, die sich in Zeilenbereichen befinden, in denen nur wenige Objekte liegen, so dass diese Zeilen beim Auslesen des Detektors ausgelassen werden können. Alternativ ist es möglich, die vollständigen Bilddaten über eine breitbandige Schnittstelle an eine nachgeordnete Einheit zu übertragen und dort auf Basis der Objektmaske auszuwerten. Bevorzugt ist hier der Einsatz eines sog. Frame Grabbers, d.h. einer Einheit mit Datenschnittstelle, Pufferspeicher und eigener Lokigeinheit zur Durchfuhrung der Auswertung (Fig. 2b). Möglich ist aber auch die Verwendung einer weniger komplexen Einheit, die nur Datenschnittstelle und Pufferspeicher umfasst und in einem PC betrieben wird, der die Auswertung der Einzelbilder übernimmt (Fig. 2c). Bei einer derartigen Lösung wird in der Regel die benötigte Auswertezeit über der Messzeit liegen, so dass sie für Hochdurchsatz-Anwendungen nur eingeschränkt tauglich ist.It is particularly preferred to already limit the completion of the image data from the detector to the areas in which objects are arranged in accordance with the object mask. Such a procedure is possible with suitable detectors, in particular CMOS bit sensors, which allow the targeted readout of individual image areas. An example is the CMOS image sensor MT9M413 from Micron Technology Ine. This procedure according to the invention makes it possible, for a given bandwidth of the readout interface of the detector, to achieve a higher sampling rate of the image sequence since the data of all the pixels of the detector need not be transmitted via the readout interface. It is particularly advantageous to use in combination with the optimization of the object mask described above: When determining the object mask from the reference image, it can already be ensured that the pixel areas specified by the object mask can be read out in a defined limited time. This can be done particularly preferably by limiting the number of image lines in which objects to be considered are located. For this example, such objects from the object mask are subsequently deleted again, which are located in line areas in which there are only a few objects, so that these lines can be omitted when reading the detector. Alternatively, it is possible to transmit the complete image data via a broadband interface to a downstream unit and to evaluate it on the basis of the object mask. Preference is given here to the use of a so-called frame grabber, ie a unit with data interface, buffer memory and own locomotive unit for carrying out the evaluation (FIG. 2b). However, it is also possible to use a less complex unit, which comprises only data interface and buffer memory and is operated in a PC, which takes over the evaluation of the individual images (FIG. 2c). In such a solution, the required evaluation time will generally be greater than the measurement time, so that it is only suitable for high-throughput applications to a limited extent.
Bevorzugte AnwendungsfäUePreferred application
Aktionspotentiale sind typische Änderung des Membranpotentials erregbarer Zellen und Gewebe wie z.B. Herzzellen des Herzmuskels oder Nervenzellen des zentralen Nervensystems. Es ist bekannt, dass Medikamentenkandidaten oder aber deren unerwünschte Nebenwirkungen in manchen Fällen die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Aktionspotentialen i) innerhalb von Zellen bzw Geweben oder aber ii) zwischen Zellen beeinflussen. In einem speziellen Anwendungsfall dienen das erfindungsgemäBe Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung zur Messung von Veränderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Membranpotentialänderung. Um diese zum Beispiel in Nervenzellen zu erfassen, müssen subzelluläre Strukturen wie Axone oder Dendriten (gemeinsam auch als Neunten bezeichnet) während der Objekterkennung erfasst werden. Mit Hilfe der Objekterkennung wird die räumliche Anordnung einzelner Neuritensegmente im Verhältnis zum Zellkörper festgelegt. Dies ermöglicht die in den Neuritensegmenten räumlich und zeitlich versetzte Membranpotentialänderung und somit die Ausbreitungsgeschwindigkeit zu bestimmen. - Z l -Action potentials are typical changes in the membrane potential of excitable cells and tissues such as heart cells of the heart muscle or nerve cells of the central nervous system. It is known that drug candidates or their unwanted side effects in some cases affect the rate of propagation of action potentials i) within cells or tissues or ii) between cells. In a particular application, the method of the invention and the associated apparatus are for measuring changes in the rate of propagation of a membrane potential change. For example, to detect these in nerve cells, subcellular structures such as axons or dendrites (collectively called ninths) must be detected during object recognition. With the help of object recognition, the spatial arrangement of individual neurite segments in relation to the cell body is determined. This allows the spatially and temporally offset membrane potential change in the neurite segments and thus the propagation velocity to be determined. - Z l -
Neben der Ausbreitungsgeschwindigkeit kann sich in manchen Fällen auch die Kinetik der Membranpotentϊaiänderung, d.h. zum Beispiel die Geschwindigkeit eines Membranpotentialanstiegs (auch Depolarisierung bezeichnet) bzw. Membranpotentialabfalls (auch Hyperpolahsierung bezeichnet) verändern. In einem weiteren speziellen Anwendungsfall dienen das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung zur Messung von Veränderungen der Kinetik einer Membranpotentialänderung. Dabei werden zum Beispiel mit einem spannungssensitiven, fiuoreszenten Farbstoff angefärbte Herzmuskelzellkuituren mit einer Medikamentenkandidaten inkubiert. Mittels Objektmasken kann man die Fluoreszenzintensitätsänderungen in der Zellmembran der Herzmuskelzellen erfassen. Daraus lassen sich die Depolarisierungs- bzw. Hyperpolarisierungsgeschwindigkeit derIn addition to the rate of propagation, in some cases the kinetics of membrane potency change, i. For example, the rate of membrane potential increase (also called depolarization) or membrane potential drop (also called hyperpolarization) change. In a further specific application, the method and the associated device for measuring changes in the kinetics of a membrane potential change are used. For example, heart muscle cell cultures stained with a voltage-sensitive, fluorescent dye are incubated with a drug candidate. By means of object masks one can detect the fluorescence intensity changes in the cell membrane of the heart muscle cells. From this, the depolarization or hyperpolarization rate of the
Herzmuskelakttoπspσtentiale bestimmen und mit der AktionspotentiaSkinetik von unbehandelten Herzmuskelzellen vergleichen.Determine cardiac muscle impact potentials and compare them with the action potential kinetics of untreated cardiac myocytes.
Der Anwendungsfall und die Grundannahme sind demnach entgegengesetzt zu den Randbedingungen der vorliegenden Erfindung, die die Analyse sehr schneller Vorgänge unter der Grundannahme räumlich stationärer Zellen zum Inhalt hat.The use case and the basic assumption are accordingly opposite to the boundary conditions of the present invention, which involves the analysis of very fast processes under the basic assumption of spatially stationary cells.
Anwendung: IonenkanaSscreeningApplication: Ion channel screening
In der Medikamentenforschung gelten lonenkanäle als eine extrem wichtige Targetklasse. Das liegt daran, dass die heute am Markt befindlichen Medikamente nach den G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) am zweithäufigsten mit der Superfamilie der Ionenkanäle wechselwärken und somit ihre Wirkung entfalten. Andererseits werden einzelne Ionenkanalarten durch unterschiedlichste Substanzen moduliert, was in manchen Fällen unerwünschte Nebenwirkungen zu Folge hatIn drug research, ion channels are considered an extremely important target class. This is due to the fact that the drugs currently on the market are the second most frequently used after the G-protein-coupled receptors (GPCRs) and are therefore the second most frequently used to counteract the superfamily of ion channels, thus having an effect. On the other hand, individual ion channel types are modulated by a wide variety of substances, which in some cases results in undesirable side effects
Ionenkanäle sind Membranproteine, die durch kurzzeitiges Öffnen einer Pore die ansonsten nichtpermeable Zellmembran für einzelne lonenarten zeitweise durchlässig machen. Die damit einhergehende Veränderung der lonenkonzentration auf beiden Seiten der Membran verändert das über die Zellmembran abfallende Membranpotential,Ion channels are membrane proteins that, by momentarily opening a pore, temporarily disrupt the otherwise nonpermeable cell membrane for individual ion species make it permeable. The concomitant change in the ion concentration on both sides of the membrane changes the membrane potential drop across the cell membrane,
Schnelle spannungssensitive Farbstoffe, sind fiuoreszente Farbstoffe, mit denen man Zellmembran anfärben kann und deren Eigenschaften (z.B. Fiuoreszenzintensität oder Anregungs- bzw Emissionswelienlänge) sich durch Änderung des Membranpotentials verändert. Es ist bekannt, dass man Membranpotentialänderungen und damit unter anderem die modulierende Wirkung von Substanzen auf Ionenkanäie mit Hilfe von spannungssensitiven Farbstoffen messen kann.Fast voltage-sensitive dyes are fluorescent dyes that can stain cell membrane and whose properties (e.g., fluorescence intensity or excitation wavelength) change by changing the membrane potential. It is known that it is possible to measure membrane potential changes and thus, inter alia, the modulating effect of substances on ion channel by means of voltage-sensitive dyes.
In einem bevorzugtem Anwendungsfal! dient das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung zur Messung von Membranpotentialänderung in Zellen, in deren Membran Ionenkanäle eingebettet sind. Wie in der Figur 12/17 dargestellt, wird dazu zunächst ein Bild mit hoher örtlicher Auflösung aufgenommen und mit Hilfe von Bildanalysemethoden eine "Maske" der einzelnen Zellen bzw Zeilbereiche wie z.B der Zellmembran erstellt. In einem zweiten Schritt werden ausschliesslich die Fluoreszenzintensitäten der einzelnen Zelimasken mit hoher zeitlicher Auflösung aufgenommen und ausgewertet. (Figur 13/17)In a preferred application case! the method according to the invention and the associated device for measuring membrane potential change in cells, in whose membrane ion channels are embedded. As shown in FIG. 12/17, an image with high spatial resolution is first recorded for this purpose and a "mask" of the individual cells or line regions, for example the cell membrane, is created with the aid of image analysis methods. In a second step, only the fluorescence intensities of the individual cell masks with high temporal resolution are recorded and evaluated. (Figure 13/17)
Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung ermöglichen das Erfassen kinetischer Daten mit einem bildgebenden Verfahren. Ein wesentlicher Vorteil bildgebender Verfahren gegenüber "Ganzwellmessungen" ist, dass unerwünschte Signale der Probe, die nicht von den Zellen stammen (z.B. Zellbruchteüe, "Schmutz", Staub, etc) herausgefiltert werden können, wodurch das Signal - Hintergrund Verhältnis und damit die Datenquaiität steigt. Weitere Vorteile sind in Figur 7/17 dargestellt. Variationen in der Zellgrösse, Anfärbungsgrad, Ausleuchtung oder Anregung können Unterschieden in der einzelnen Zellantworten führen. Mit Hilfe von Datenanlysemethoden wie z.B. Kurvenanpassung, zeitliches Ausrichten, Normaiisieren können diese Variationen "herausgerechnet" werden. Durch das Setzen von Schwellwerteπ lässt sich die gemischte Antwort einer inhomogenen Zellpopuiation auch in die Beiträge der einzeinen Zellgruppen zerlegen wie im unteren Teil der Figur dargestellt.The method according to the invention and the associated device make it possible to acquire kinetic data using an imaging method. A significant advantage of imaging techniques compared to "whole wave measurements" is that unwanted signals of the sample that are not derived from the cells (eg cell breakage, "dirt", dust, etc) can be filtered out, increasing the signal - to - noise ratio and thus the data quality , Further advantages are shown in FIG. 7/17. Variations in cell size, degree of staining, illumination or excitation can lead to differences in the individual cell responses. Using data analysis methods such as curve fitting, temporal Aligning, normalizing these variations can be "eliminated". By setting threshold values, the mixed response of an inhomogeneous cell population can also be broken down into the contributions of the individual cell groups, as shown in the lower part of the figure.
An Stelle von lonenkanälen kann das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung auch benutzt werden, um die Modulationen von anderen Membranproteinen zu bestimmen, die das Membranpotential beeinflussen. Als Beispiel sei hier die Gruppe der Transporter genannt. Das gleiche gilt auch für Substanzen, die direkt das Membranpotential verändern können wie z.B. kanaibildende Ionophore (z.B. Valinomycin oder Gramicidin) oder Carrier Ionophore (z.B. Dinitrophenol oder FCCP).Instead of ion channels, the method and apparatus of the present invention may also be used to determine the modulations of other membrane proteins that affect membrane potential. As an example, let us mention the group of transporters. The same applies to substances which can directly change the membrane potential, e.g. kanban-forming ionophores (e.g., valinomycin or gramicidin) or carrier ionophores (e.g., dinitrophenol or FCCP).
Alternativ zur Bestimmung von Veränderungen des Membranpotentials gibt es viele Testverfahren bei denen die Veränderung einer Ioneπkonzentration mit Hilfe von sogenannten Ionensensitiven oder pH-sensitiven Farbstoffen bestimmt werden. Als ionensensitive Farbstoffe lassen sich unter anderem bekannte, kommerziell verfügbare Kalzium-Farbstoffe (z.B. fluo-calcium indicators, fura indicators, indo indicators, Calcium Green™ or Oregon Green™; Molecular Probes) oder Natrium bzw Kalium Farbstoffe (e.g. SBFI, PBFI, Sodium Green Na+ indicator, CoroNa Green Na+ indicator, CorolMa Red Na+ indicator; Molecular Probes) einsetzen.As an alternative to the determination of changes in the membrane potential, there are many test methods in which the change in an ion concentration by means of so-called ion sensitives or pH-sensitive dyes are determined. As ion-sensitive dyes can be, inter alia, known, commercially available calcium dyes (eg fluo-calcium indicators, fura indicators, indo indicators, Calcium Green ™ or Oregon Green ™, Molecular Probes) or sodium or potassium dyes (eg SBFI, PBFI, Sodium Green Na + indicator, CoroNa Green Na + indicator, CorolMa Red Na + indicator; Molecular Probes).
In einem weiteren Anwendungsfail dient das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung zur Messung von lonenkonzeπtrationsänderungen. Im Wesentlichen verfolgt man dabei eine sehr ähnlichen Ansatz, wie er oben für die Bestimmung von Membranpotentiaiänderungen verfolgt wird, mit dem Unterschied, dass an Stelle der spannungssensitiven Farbstoffe hier Ionen bzw pH-sensitiven Farbstoffe verwendet werden und für die Masken ein anderer ZeÜbereich wie zum Beispiel das Zytoplasma identifiziert wird. Dies ist in Figur 12/17 durch das grün gefärbte Zytoplasma der Zellen angedeutet,In a further Anwendungsfail the inventive method and the associated device for the measurement of Ionenenkonzeπtrationsänderungen. Essentially, one pursues a very similar approach, as pursued above for the determination of Membranpotentiaiänderungen, with the difference that instead of the voltage-sensitive dyes here ions or pH-sensitive dyes are used and for the masks another ZeÜbereich such the cytoplasm is identified. This is indicated in Figure 12/17 by the green colored cytoplasm of the cells,
Multiplextng I;Multiplextng I;
Auf dem Gebiet der Testsysteme / Datenanalyse gibt es den Trend, nicht nur den primär interessanten Parameter (z.B. Fluoreszenzänderungen als Indikator von Membranpotentialänderungen) zu bestimmen sondern gleichzeitig möglichst vie! Zusatzinformatson über die Probe z.B. zum Effekt einer applizierten Substanz zu erhalten. In diesem Zusammenhang ist bekannt, dass man mit Hilfe bildgebender Verfahren z.B. Aussagen über die Vitalität einer Zelle bzw. Zellpopulation machen kann. In einem weiteren Anwendungsfall ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung die Bestimmung sowohl eines kinetischen Parameters (gegebenenfalls mit hoher zeitlicher Auflösung) als auch z.B. eines morphologischen Parameters (gegebenenfalls mit hoher räumlicher Auflösung und längerer Messdauer), Dies ist in Rg, 8/17 dargestellt. Zunächst wird analog zum oben beschriebenen Verfahren zur Bestimmung von Veränderungen von lonenkonzentrationen verfahren. Das heisst, mit Hilfe des ^Maskenverfahrens" wird im dargestellten Fall die zeitliche Veränderung der zytoplasmatischen Kaiziumkonzentration bestimmt. In einem nachfolgenden Schritt wird im Anschluss ein hochauflösendes Bild der Probe aufgenommen und eine detaillierte Büdanalyse durchgeführt um einen morphologischen Parameter wie z.B. die Kernfraktionierung als Indikator für Apoptose zu bestimmen. Gegebenenfalls kann diese detaillierte Bϊldanalyse auch an dem ursprünglich für die Erstellung der Zellmaske aufgenommenen Bild durchgeführt werden. Darüber hinaus kann das hochauflösende Bild noch zusätzliche Information (z.B. von einer anderen Anfärbung) enthalten.In the field of test systems / data analysis, there is a trend not only to determine the primarily interesting parameter (e.g., fluorescence changes as an indicator of membrane potential changes) but at the same time as much as possible! Additional information about the sample e.g. to get the effect of an applied substance. In this connection it is known that by means of imaging techniques e.g. Statements about the vitality of a cell or cell population can make. In a further application, the method and the associated device according to the invention make it possible to determine both a kinetic parameter (possibly with high temporal resolution) and, for example, a morphological parameter (possibly with high spatial resolution and longer measurement time), this is shown in Rg, 8/17. First, the procedure described above for determining changes in ion concentrations is analogous to that described above. In the following case, the temporal change of the cytoplasmic calcium concentration is determined with the aid of the "mask method." In a subsequent step, a high-resolution image of the sample is taken and a detailed bath analysis is carried out to obtain a morphological parameter such as, for example, the nuclear fractionation If necessary, this detailed Bold analysis can also be performed on the image originally taken to create the cell mask, and the high-resolution image may contain additional information (eg from a different staining).
Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung sind dazu geeignet, den gerade beschriebenen Anwendungsfall auf eine stetig ~~ Z D ~ The method according to the invention and the associated device are suitable for continuously changing the application just described ~~ ZD ~
wachsende Zahl von kinetischen Parametern (gegebenenfalls mit mehreren Masken) und morphologischen Parametern auszuweiten.increasing number of kinetic parameters (possibly with multiple masks) and morphological parameters.
Multiplexing II :Multiplexing II:
Ein weiterer Trend auf dem Gebiet der Testsysteme / Datenanaiyse ist, mehrere zeitgieich ablaufende Prozesse zu erfassen. Mit diesem Ansatz lässt sich z.B. bestimmen, ob und / oder wie sich die Inhibition eines Enzyms einer Signalkaskade auf die verschiedenen nachgeschaiteten Reaktionen auswirkt. So ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung in einem weiteren Anwendungsfall z.B. die parallele Bestimmung des zeitlichen Verlaufs von i) einer zytopiasmatischen Kalziumkonzentration und H) die Anwesenheit eines markierten Faktors im Zellkern, Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass die beiden Prozesse hierzu zwar parailel aber nicht notwendigerweise mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen und dementsprechend mit der gleichen zeitlichen Auflösung gemessen werden müssen.Another trend in the field of test systems / data analysis is to capture several processes that occur in a timely manner. With this approach, e.g. determine whether and / or how the inhibition of an enzyme in a signaling cascade affects the different downstream reactions. Thus, the method according to the invention and the associated device allow, in a further application, e.g. It is important to point out that the two processes do so in parallel, but not necessarily at the same rate, and consequently with the same temporal progression Resolution must be measured.
Zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der beiden Parameter wird wiederum das oben beschriebene Maskenverfahren angewandt. Möglicherweise ist es ausreichend, mit Hilfe einer einzelnen Maske die Signale bei unterschiedlichen Wellenlängen zu detektieren und auszuwerten, wie im mittleren Teil der Figur dargestellt. Wenn möglich sollten jedoch im ersten Schritt nicht nur eine Zellmaske sondern je eine Zelimaske für die Zytoplasma und die Kerne der einzelnen Zellen erstellt werden, um beide Parameter parallel zu erfassen. Dies ist in Figur 15/17 illustriert.To determine the time course of the two parameters, the mask method described above is again used. It may be sufficient to detect and evaluate the signals at different wavelengths using a single mask, as shown in the middle part of the figure. If possible, however, in the first step not only a cell mask but also a cell mask for the cytoplasm and the nuclei of the individual cells should be created in order to capture both parameters in parallel. This is illustrated in Figure 15/17.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung ermöglichen auch die parallele Bestimmung von zwei Prozessen, die asynchron oder zeitlich versetzt ablaufen. Ein weiterer Anwendungsfall ist in Figur 16/17 dargestellt. Um z.B. neben der Veränderung des Membranpotentials auch den zeitlichen Verlauf einer morphologischen Veränderung zu bestimmen, kann man wiederum mit zwei unterschiedlichen Zellmasken arbeiten. Um die Änderung des morphologischen Parameters zu bestimmen, muss man in dem hier dargestellten Fall zum Beispiel das Verhältnis der Fluoreszenzintensitäten der beiden Zellmasken berechnen.The inventive method and the associated device also allow the parallel determination of two processes that run asynchronously or with a time offset. Another application is shown in Figure 16/17. For example, in addition to the change in the membrane potential and the time course of a morphological To determine change, one can again work with two different cell masks. In order to determine the change in the morphological parameter, for example, in the case shown here, it is necessary to calculate the ratio of the fluorescence intensities of the two cell masks.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung sind dazu geeignet, den gerade beschriebenen Anwendungsfall auf sowohl eine Vielzahl von Zelimasken und gegebenenfalls unterschiedlichste mathematischenThe method according to the invention and the associated device are suitable for the application just described on both a multiplicity of cell masks and, if appropriate, a wide variety of mathematical ones
Berechnungen auszuweiten.Expand calculations.
Multiplexiπg III:Multiplexing III:
Eine wesentliche Herausforderung vieler Teststrategien ist, die Selektivität eines beobachteten Effektes zu bestimmen. So möchte man z.B. möglichst frühzeitig wissen, ob sich ein beobachteter Effekt durch die Wechselwirkung einer Substanz mit einer bestimmten Proteinart aber nicht durch die Wechselwirkung der gleichen Substanz mit einer der Proteinart nahe verwandten Isoform hervorrufen lässt. Des weiteren möchte man z.B. sicherstellen, dass der beobachtete Effekt nur in Zellen auftritt, die das untersuchte Protein exprimieren und nicht in Zellen, in denen das untersuchte Protein gar nicht oder nur in sehr geringem Masse vorhanden istAn essential challenge of many test strategies is to determine the selectivity of an observed effect. So you want, for example to know as early as possible whether an observed effect caused by the interaction of a substance with a certain type of protein but not by the interaction of the same substance with one of the protein species closely related isoform. Furthermore, one would like to e.g. ensure that the observed effect occurs only in cells expressing the protein under investigation and not in cells in which the protein under investigation is not or only to a very limited extent present
In den etablierten Prozesse zur Bestimmung von Selektivität werden die zugehörigen Tests entweder zeitgleich oder zu einem späteren Zeitpunkt in einer getrennten Probenkammer durchgeführt. Dieser Ansatz hat den Nachteil, dass die Bedingen für die Selektivitätstests von den Bedingungen für die Primärtests teilweise in hohem Masse abweichen sodass die Interpretierbarkeit der Daten eingeschränkt ist.In the established processes for determining selectivity, the associated tests are performed either simultaneously or at a later time in a separate sample chamber. This approach has the disadvantage that the conditions for the selectivity tests in some cases deviate greatly from the conditions for the primary tests, so that the interpretability of the data is limited.
In einem weiteren Anwendungsfail ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung die Bestimmung kinetischen Parametern in unterschiedlichen Zellen mit Hilfe von mehreren Masken wie in Fig„ 9/17 und 17/17 dargestellt. Im in Fig. 9/17 illustrierten Fall lassen sich - basierend auf unterschiedlicher Anfärbung - mit Hilfe von Bildanalysemethoden für die beiden unterschiedlichen Zellpopulationen zwei unterschiedliche Zellmasken ersteilen. Alternativ ist in Fig. 17/17 dargestellt, dass sich unterschiedliche Zellpopulationen gegebenenfalls basierend auf unterschiedlichen morphologischen Merkmalen unterschiedlichen Gruppen zuordnen lassen. Im Anschluss lässt sich der zeitliche Verlauf des gleichen Parameters für die beiden Zellpopulationen getrennt bestimmen, so wie es in den oben beschriebenen Anwendungsfällen bereits zusammengefasst wurde.In a further application, the method and the associated device according to the invention make it possible to determine kinetic parameters in different cells with the aid of a plurality of masks, as in FIG Fig "9/17 and 17/17 shown. In the case illustrated in FIG. 9/17, two different cell masks can be based on different staining with the aid of image analysis methods for the two different cell populations. Alternatively, it is shown in FIG. 17/17 that different cell populations, possibly based on different morphological features, can be assigned to different groups. Subsequently, the temporal course of the same parameter for the two cell populations can be determined separately, as it has already been summarized in the applications described above.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung sind dazu geeignet, den gerade beschriebenen Anwendungsfall auf eine Vielzahl von Zellpopulationen auszuweiten, sodass zum Beispiel die Selektivität einer Substanz - Protein Wechselwirkung gegenüber mehreren Isoformen des Proteins bestimmt werden kann.The method according to the invention and the associated device are suitable for expanding the application just described to a multiplicity of cell populations, so that, for example, the selectivity of a substance-protein interaction with a plurality of isoforms of the protein can be determined.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörigen Vorrichtung sind dazu geeignet, die in den Sektionen Multipiexing I, Multipiexing II und Multipiexing III beschriebenen Anwendungsfälle frei zu kombinieren. So ist z.B. durchaus vorsteübar, mit mehreren Gruppen von Zellmasken den zeitlichen Verlauf mehrerer, gegebenenfalls asynchron ablaufender Prozesse, in mehreren Zelltypen parallel zu bestimmen und im Anschluss ein räumlich hoch aufgelöstes Bild der Probe aufzunehmen und mittels detaillierter Bildanalyse eine Reihe weiterer Parameter zu bestimmen. The method and the associated device according to the invention are suitable for freely combining the applications described in the sections Multipiexing I, Multipiexing II and Multipiexing III. For example, e.g. It is quite possible to use several groups of cell masks to determine the temporal course of several possibly asynchronous processes in parallel in several cell types and to record a spatially highly resolved image of the sample and to determine a series of further parameters by means of detailed image analysis.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Aufnahme und Auswertung einer Mehrzahl von Bildsequenzen von insbesondere in Screeninganiagen untersuchten chemischen und/oder biologischen Proben, insbesondere Zellen, umfassend die folgenden Schritte:1. A method for recording and evaluating a plurality of image sequences of chemical and / or biological samples, in particular cells, which have been investigated in particular in screening plants, in particular cells, comprising the following steps:
- Aufnahme eines ersten Referenzbildes einer ersten zu analysierenden Probe, wobei das Referenzbtld Referenzbilddatenwerte umfasst, die in einem Referenzkoordinatensystem angeordnet sind,Recording a first reference image of a first sample to be analyzed, the reference image comprising reference image data values arranged in a reference coordinate system,
- Bestimmen einer Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem unter Berücksichtigung von Referenzbilddatenwerten,Determining a selection of coordinate values in the reference coordinate system taking into account reference image data values,
- Aufnahme einer ersten Sequenz von Untersuchungsbildern der ersten Probe, wobei das Untersuchungsbild Untersuchungsbilddatenwerte umfasst, die in einem Untersuchungskoordinatensystem angeordnet sind, undRecording a first sequence of examination images of the first sample, the examination image comprising examination image data values arranged in an examination coordinate system, and
Ermittelung von Bildeigenschaften in der ersten Sequenz von Untersuchungsbiidern aus UntersuchungsbNddatenwerten, wobei die Ermittlung zumindest an solchen Koordinaten im Untersuchungskoordinatensystem erfolgt, die der zuvor bestimmten Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem im Wesentlichen entsprechen.Determining image properties in the first sequence of examination subjects from examination data values, the determination taking place at least at those coordinates in the examination coordinate system which essentially correspond to the previously determined selection of coordinate values in the reference coordinate system.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzkoordinatensystem identisch ist mit dem Untersuchungskoordinatensystem. 2. The method according to claim 1, characterized in that the reference coordinate system is identical to the examination coordinate system.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorbestimmte Beziehung zwischen Referenzkoordinatensystem und Untersuchungskoordinatensystem besteht, weiche einem Koordinatenwert im Referenzkoordinatensystem einen Koordinatenwert im Untersuchungskoordinatensystem zuordnet.3. The method according to claim 1, characterized in that there is a predetermined relationship between the reference coordinate system and the examination coordinate system, which assigns a coordinate value in the reference coordinate system a coordinate value in the examination coordinate system.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung von Bildeigenschaften in der ersten Sequenz von Untersuchungsbildern aus Untersuchungsbilddatenwerten im Wesentlichen auf solche Koordinaten beschränkt ist, die der zuvor bestimmten Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem im Wesentlichen entsprechen.4. Method according to claim 1, characterized in that the determination of image properties in the first sequence of examination images from examination image data values is essentially limited to those coordinates which essentially correspond to the previously determined selection of coordinate values in the reference coordinate system.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der zuvor bestimmten Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem Gruppen gebildet werden,5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that groups are formed within the previously determined selection of coordinate values in the reference coordinate system,
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen anhand von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem und/oder Referenzbilddateπwerten, vorzugsweise Helligkeitswerten, gebildet werden.6. The method according to claim 5, characterized in that the groups are formed on the basis of coordinate values in the reference coordinate system and / or Referenzbilddateπwerten, preferably brightness values.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine mathematische Operation an denjenigen Untersuchungsbilddatenwerten erfolgt, deren Koordinaten im Untersuchungskoordinatensystem den Koordinaten im Referenzkoordinatensystem in mindestens einer der zuvor gebildeten Gruppen entsprechen, wobei die mathematische Operation vorzugsweise eine Mittelung oder Integration der Untersuchungsbϊiddatenwerte umfasst, 7. Method according to claim 5, characterized in that a mathematical operation takes place on those examination image data values whose coordinates in the examination coordinate system correspond to the coordinates in the reference coordinate system in at least one of the previously formed groups, wherein the mathematical operation preferably comprises averaging or integration of the examination image data values .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem eine Bildverarbeitung des Referenzbildes, insbesondere mittels einer Auswerteeinrichtung, wie einer Datenverarbeitungseinrichtung zur insbesondere räumlichen Abgrenzung von in der Probe enthaltenen Objekten, insbesondere Zellen durchgeführt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein an image processing of the reference image, in particular by means of an evaluation, such as a data processing device for particular spatial delimitation of objects contained in the sample, in particular cells is performed.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem nach Durchführen der Bildverarbeitung jeder BÜdpunkt einem Objekt, wie einer Zelle oder dem Hintergrund zugeordnet ist.The method of claim 8, wherein after performing the image processing, each BUD point is associated with an object such as a cell or the background.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der ersten Sequenz von Untersuchungsbifdem der ersten Probe ein erstes Untersuchungsbiid aufgenommen wird und hieran Bildeigeπschaften ermittelt werden, bevor innerhalb derselben Sequenz ein zweites Untersuchungsbild aufgenommen wird.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that within the first sequence of Untersuchungsbifdem the first sample a first examination biography is taken and this Bildigeπππschaften be determined before within the same sequence, a second examination image is taken.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der ersten Sequenz von Untersuchungsbildern der ersten Probe eine Mehrzahl von Untersuchungsbildern aufgenommen und zwischeπgespeichert wird, bevor an diesen Untersuchungsbildern Bildeigenschaften ermittelt werden.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that taken within the first sequence of examination images of the first sample, a plurality of examination images and zwischeπgespeichert before image properties are determined on these examination images.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem die ausgewählten Koordinatenwerte als Maske für die Ermittlung von Bildeigenschaften der Untersuchungsbilder dient.12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the selected coordinate values serves as a mask for the determination of image properties of the examination images.
13. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem jede Maske mehrere Objekte, insbesondere unterschiedliche Zeilbereiche wie zum Beispiel Zellmembranen, Zellkerne und/oder Zytoplasma aufweisen. 13. The method of claim 10, wherein each mask have a plurality of objects, in particular different cell areas such as cell membranes, cell nuclei and / or cytoplasm.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem für mehrere, insbesondere alle Objekte der ersten Sequenz von Untersuchungsbildern der zeitliche Verlauf einer Bildeigenschaft, insbesondere der Helligkeit bestimmt wird.14. The method of claim 12 or 13, wherein for several, in particular all objects of the first sequence of examination images, the time course of an image characteristic, in particular the brightness is determined.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem insbesondere zum Bestimmen der Gesamtantwort einer Zellpoputation bzw zu Korrekturzwecken die zeitlichen Verläufe einzelner Bildeigenschaften unterschiedlicher Objekte mittels mathematischer Methoden miteinander verknüpft werden.15. The method according to claim 14, wherein in particular for determining the overall response of a cell population or for correction purposes, the temporal courses of individual image properties of different objects are linked to one another by means of mathematical methods.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welchem die Auswahl der Koordinatenwerte aufgrund der Bildverarbeitung erfolgt.16. The method according to any one of claims 12 to 15, wherein the selection of the coordinate values due to the image processing takes place.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei welchem in jedem Einzelbild für jedes Objekt ein integrierter und/oder gemsttelter Intensitätswert bestimmt wird.17. The method according to any one of claims 12 to 16, wherein in each frame for each object an integrated and / or gemsttelter intensity value is determined.
18. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem durch Speichern der Objektwerte für alle Einzelbilder, die ggf. eine Beobachtungszeifcpunkt entsprechen, für jedes Objekt eine Zeitreihe von Intensitätswerten zur Verfügung gestellt wird,18. Method according to claim 16, wherein by storing the object values for all individual images, which possibly correspond to an observation point, a time series of intensity values is made available for each object,
19. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Sequenz von Untersuchungsbiidern der ersten Probe oder einer zweiten Probe aufgenommen wird.19. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a second sequence is taken by investigators of the first sample or a second sample.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sequenz von Untersuchungsbildern aufgenommen wird, während an der ersten Sequenz von Untersuchungsbildern Bildeigenschaften ermittelt werden. 20. The method according to claim 19, characterized in that the second sequence of examination images is recorded, while on the first sequence of examination images image properties are determined.
21. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem bestimmt wird, während die erste Sequenz von Untersuchungsbiidern der ersten Probe aufgenommen wird.21. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the selection of coordinate values in the reference coordinate system is determined while the first sequence is taken by investigators of the first sample.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei welchem die Aufnahme der Bilder mittels eines Detektors erfolgt, wobei insbesondere nur die Büddaten von Bereichen ausgelesen werden, in denen aufgrund der ermittelten Objektmaske Objekte angeordnet sind.22. The method according to any one of claims 1 to 21, wherein the recording of the images by means of a detector, in particular, only the Büddaten be read from areas in which objects are arranged due to the detected object mask.
23. Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 22 umfassend:23. An apparatus for carrying out the method according to any one of claims 1 - 22 comprising:
- Mittel zur Aufnahme eines ersten Referenzbildes einer ersten zu analysierenden Probe, wobei das Referenzbild Referenzbilddatenwerte umfasst, die in einem Referenzkoordinatensystem angeordnet sind,Means for receiving a first reference image of a first sample to be analyzed, the reference image comprising reference image data values arranged in a reference coordinate system,
- Mittel zum Bestimmen einer Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem unter Berücksichtigung von Referenzbilddatenwerten,Means for determining a selection of coordinate values in the reference coordinate system taking into account reference image data values,
Mitte! zur Aufnahme einer ersten Sequenz von Untersuchungsbiidern der ersten Probe, wobei das UntersuchungsbildCenter! for recording a first sequence of examination subjects of the first sample, wherein the examination image
UntersuchungsbÜddatenwerte umfasst, die in einemIncludes investigation budget data values that are contained in a
Untersuchungskoordinatensystem angeordnet sind,Are arranged examination coordinate system,
Mittel zur Ermittelung von Bildeigenschaften in der ersten Sequenz von Untersuchungsbiidern aus Untersuchungsbilddatenwerten, wobei die Ermittiung zumindest an solchen Koordinaten im Untersuchungskoordinatensystem erfolgt, die der zuvor bestimmten Auswahl von Koordinatenwerten im Referenzkoordinatensystem im Wesentlichen entsprechen.Means for determining image properties in the first sequence of examination subjects from examination image data values, wherein the determination takes place at least at those coordinates in the examination coordinate system which are predetermined Selection of coordinate values in the reference coordinate system substantially correspond.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aufnahme von Referenzbüd und/oder Untersuchungsbiidern eine Kamera, bevorzugt eine CCD- oder CMOS-Kamera, umfassen,24. The device according to claim 23, characterized in that the means for receiving Referenzbüd and / or investigators include a camera, preferably a CCD or CMOS camera,
25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ermittlung von Bildeigenschaften Mikroprozessoren, Signalprozessoren oder Gate-Arrays, vorzugsweise field-programmable Gate-Arrays, umfassen.25. The apparatus of claim 23 or 24, characterized in that the means for determining image characteristics include microprocessors, signal processors or gate arrays, preferably field-programmable gate arrays.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Sekundäranalyse der ermittelten Bildeigenschaften umfasst, wobei diese Mitte! vorzugsweise Mikroprozessoren umfassen,26. Device according to one of claims 23 to 25, characterized in that it comprises means for secondary analysis of the determined image properties, said middle! preferably comprise microprocessors,
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aufnahme der Untersuchungsbilder und die Mitte! zur Ermittelung von BÜdeigenschaften in einer Einheit integriert sind, welche eine Datenschnittsteile zu den Mitteln zur Sekundäranatyse der ermittelten Bildeigenschaften aufweist27. The device according to claim 26, characterized in that the means for receiving the examination images and the middle! for the purpose of determining office properties, they are integrated in a unit which has a data section to the means for secondary analysis of the determined image properties
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenschnϊttsteile derart ausgestaltet ist, dass sie die aus einer Sequenz von Untersuchungsbildern ermittelten BÜdeigenschaften innerhalb einer Zeitdauer an die Mittel zur Sekundäranalyse überträgt, die die für die Aufnahme der Sequenz von Untersuchungsbildern benötigte Zeitdauer nicht wesentiich überschreitet. 28. The device according to claim 27, characterized in that the Datenschnϊttsteile is designed such that it transmits the determined from a sequence of examination images Buuteigenschaften within a period of time to the means for secondary analysis, which does not wesentiich the time required for recording the sequence of examination images exceeds.
29. Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenschnittstelle derart ausgestaltet ist, dass eine etwaige Übertragung der vollständigen29. Device according to claim 23, characterized in that the data interface is designed in such a way that any transmission of the complete
Untersuchungsbilddatenwerte einer Sequenz von Untersuchungsbildern an die Mittel zur Sekundäranalyse eine Zeitdauer benötigen würde, die die für die Aufnahme der Sequenz von Untersuchungsbildern benötigte Zeitdauer wesentlich überschreitet Exam image data values of a sequence of examination images to the secondary analysis means would require a period of time substantially exceeding that required to acquire the sequence of examination images
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