WO2020183741A1 - マニピュレーションシステム及びマニピュレーションシステムの駆動方法 - Google Patents

マニピュレーションシステム及びマニピュレーションシステムの駆動方法 Download PDF

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WO2020183741A1
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pipette
manipulation system
cell
nucleolus
operation execution
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裕基 植田
岸田　学
田中　伸明
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日本精工株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • G05B2219/39109—Dual arm, multiarm manipulation, object handled in cooperation

Definitions

  • the present invention relates to a manipulation system and a method of driving the manipulation system.
  • micromanipulation system that performs fine operations on minute objects, such as injecting a DNA solution or cells into cells or eggs under a microscope.
  • the injection operation is performed by piercing the operation pipette into the minute object while fixing the position of the minute object with the holding pipette for holding the minute object.
  • Patent Document 1 discloses a technique of detecting the position coordinates of a minute object from the acquired image data and determining the position of the operation target based on the detection result.
  • the present invention has been made in view of the above, and can be operated efficiently and suitably while suppressing damage to a minute object during operation regardless of the skill level and skill of the operator. It is an object of the present invention to provide a manipulation system and a method of driving the manipulation system.
  • the manipulation system is held by a sample stage on which a micro object is placed, a first manipulator including a first pipette for holding the micro object, and the first pipette. It controls a second manipulator including a second pipette for manipulating the micro object, an imaging unit that images the micro object, a sample stage, the first pipette, the second pipette, and the imaging unit.
  • a controller is provided, and the controller moves the tip of the second pipette from a predetermined insertion start position of the micro object to a predetermined pushing position at a constant speed or a first acceleration, and after a predetermined time, the pushing is performed. It is moved from the position to the predetermined operation execution position at a second acceleration larger than the first acceleration.
  • the minute object is pressed at a low speed from the time when the tip of the second pipette comes into contact with the minute object until it reaches the pushing position, the minute object is deformed without being pierced by the second pipette.
  • a sufficiently deformed minute object is pressed at high speed, causing local destruction due to an impact load and being perforated. Therefore, it can be easily perforated without damaging other tissues of the micro object. Therefore, regardless of the skill level and skill of the operator, it is possible to operate efficiently and suitably while suppressing damage to a minute object during operation.
  • the controller determines the operation execution position based on the image data of the imaging unit. According to this, since the operation execution position is determined based on the captured image data, it is possible to efficiently and preferably operate the minute object regardless of the skill level and skill of the operator.
  • the controller determines the insertion start position based on the image data of the imaging unit and the operation execution position. According to this, since the insertion start position is determined based on the captured image data and the operation execution position determined based on the image data, the efficiency is not determined by the skill level and skill of the operator. It is possible to pierce a minute object well and preferably.
  • the controller determines the pushing position based on the image data of the imaging unit and the operation execution position. According to this, since the pushing position is determined based on the captured image data and the operation execution position determined based on the image data, the pressing position is efficiently determined regardless of the skill level and skill of the operator. Moreover, it is possible to preferably perforate a minute object.
  • the micro-object is a cell.
  • the cell membrane is pressed at a low speed from the time when the tip of the second pipette abuts on the cell membrane of the cell until it reaches the pressing position, so that the cell membrane is deformed without being perforated by the second pipette.
  • the cell membrane When the cell membrane is sufficiently pressed, it becomes hardened by tension.
  • the cured cell membrane is pressed at high speed, causing local destruction due to impact load and perforation. Therefore, it is possible to easily perforate the cell membrane without damaging other tissues inside the cell. Therefore, regardless of the skill level and skill of the operator, it is possible to operate efficiently and suitably while suppressing damage to cells during operation.
  • the controller detects the position of the nucleolus of the cell based on the image data of the imaging unit. According to this, since the position of the nucleolus of the cell is detected based on the captured image data, the nucleolus can be detected efficiently and preferably regardless of the skill level and technique of the operator. it can.
  • the controller determines the operation execution position based on the position of the nucleolus. According to this, since the operation execution position is determined based on the position of the nucleolus detected from the captured image data, the minute object can be efficiently and suitably used regardless of the skill level and skill of the operator. Can be operated.
  • the operation execution position is outside the nucleolus. According to this, by setting the operation execution position to the outside of the nucleolus, it is possible to perform the injection operation without the tip of the second pipette touching the nucleolus when the second pipette is inserted. Therefore, damage to cells can be suppressed in the injection operation.
  • the operation execution position is a position offset from the center of the nucleolus. According to this, it is possible to prevent the tip of the second pipette from damaging the nucleolus when the second pipette is inserted. Therefore, damage to cells can be suppressed in the injection operation.
  • the distance between the center of the nucleolus and the operation execution position in the crossing direction orthogonal to the insertion direction of the second pipette is larger than the radius of the nucleolus. According to this, since the operation execution position can be set to the outside of the nucleolus, it is possible to perform the injection operation without the tip of the second pipette touching the nucleolus when the second pipette is inserted. Therefore, damage to cells can be suppressed in the injection operation.
  • a method for driving the manipulation system is to use a sample stage on which a minute object is placed, a first manipulator including a first pipette for holding the minute object, and the first pipette.
  • a method of driving a manipulation system including a second manipulator including a second pipette for manipulating the held micro-object, the tip of the second pipette at a predetermined insertion start position of the micro-object.
  • the minute object is pressed at a low speed from the time when the tip of the second pipette comes into contact with the minute object until it reaches the pushing position, the minute object is deformed without being pierced by the second pipette.
  • a sufficiently deformed minute object is pressed at high speed, causing local destruction due to an impact load and being perforated. Therefore, it can be easily perforated without damaging other tissues of the micro object. Therefore, regardless of the skill level and skill of the operator, it is possible to operate efficiently and suitably while suppressing damage to a minute object during operation.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a manipulation system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the fine movement mechanism.
  • FIG. 3 is a control block diagram of the manipulation system.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of cells and nuclei to be manipulated.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of cells and nuclei to be manipulated.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an example of the operation of the manipulation system of the embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the operation of the manipulation system of the embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a manipulation system according to an embodiment.
  • the manipulation system 10 is a system for manipulating a sample which is a minute object under a microscope observation.
  • the manipulator system 10 includes a microscope unit 12, a first manipulator 14, a second manipulator 16, and a controller (control device) 43 that controls the manipulator system 10.
  • the first manipulator 14 and the second manipulator 16 are separately arranged on both sides of the microscope unit 12.
  • the microscope unit 12 includes a camera 18 including an image pickup device, a microscope 20, and a sample stage 22.
  • the sample stage 22 can support a sample holding member 11 such as a petri dish, and the microscope 20 is arranged directly above the sample holding member 11.
  • the microscope unit 12 has an integral structure of the microscope 20 and the camera 18, and includes a light source (not shown) that irradiates light toward the sample holding member 11.
  • the camera 18 may be provided separately from the microscope 20.
  • the sample holding member 11 contains a solution containing the sample.
  • the solution is, for example, paraffin oil or the like.
  • the first manipulator 14 includes a first pipette holding member 24, an XY-axis table 26, a Z-axis table 28, a drive device 30 for driving the XY-axis table 26, and Z.
  • a drive device 32 for driving the shaft table 28 is provided.
  • the first manipulator 14 is a manipulator having a three-axis configuration of X-axis, Y-axis, and Z-axis.
  • one direction in the horizontal plane is the X-axis direction
  • the direction that intersects the X-axis direction in the horizontal plane is the direction that intersects the Y-axis direction, the X-axis direction, and the Y-axis direction (that is, the vertical direction). Is the Z-axis direction.
  • the XY-axis table 26 can be moved in the X-axis direction or the Y-axis direction by driving the drive device 30.
  • the Z-axis table 28 is arranged so as to be vertically movable on the XY-axis table 26, and is movable in the Z-axis direction by being driven by the driving device 32.
  • the drive devices 30 and 32 are connected to the controller 43.
  • the first pipette holding member 24 is connected to the Z-axis table 28, and the first pipette 25, which is a capillary tip, is attached to the tip thereof.
  • the first pipette holding member 24 moves in a three-dimensional space as a moving region according to the movement of the XY-axis table 26 and the Z-axis table 28, and the sample contained in the sample holding member 11 is passed through the first pipette 25.
  • the first manipulator 14 is a holding manipulator used for holding a minute object
  • the first pipette 25 is a holding pipette used as a holding means for holding a minute object.
  • the second manipulator 16 shown in FIG. 1 includes a second pipette holding member 34, an XY-axis table 36, a Z-axis table 38, a drive device 40 for driving the XY-axis table 36, and a Z-axis table 38. It is provided with a drive device 42 for driving the above.
  • the second manipulator 16 is a manipulator having a three-axis configuration of X-axis, Y-axis, and Z-axis.
  • the XY-axis table 36 can be moved in the X-axis direction or the Y-axis direction by driving the drive device 40.
  • the Z-axis table 38 is arranged so as to be vertically movable on the XY-axis table 36, and is movable in the Z-axis direction by being driven by the driving device 42.
  • the drive devices 40 and 42 are connected to the controller 43.
  • the second pipette holding member 34 is connected to the Z-axis table 38, and a glass second pipette 35 is attached to the tip thereof.
  • the second pipette holding member 34 moves in a three-dimensional space as a moving region according to the movement of the XY-axis table 36 and the Z-axis table 38, and can artificially operate the sample housed in the sample holding member 11. .. That is, the second manipulator 16 is an operation manipulator used for manipulating a minute object (such as a DNA solution injection operation or a perforation operation), and the second pipette 35 is an injection used as an injection operation means for the minute object. It is a pipette.
  • the XY-axis table 36 and the Z-axis table 38 are configured as a coarse-moving mechanism (three-dimensional moving table) that roughly drives the second pipette holding member 34 to an operation position of a sample or the like housed in the sample holding member 11.
  • a fine movement mechanism 44 is provided as a nanopositioner at the connecting portion between the Z-axis table 38 and the second pipette holding member 34.
  • the fine movement mechanism 44 is configured to movably support the second pipette holding member 34 in its longitudinal direction (axial direction) and to finely drive the second pipette holding member 34 along its longitudinal direction (axial direction). Will be done.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the fine movement mechanism.
  • the fine movement mechanism 44 includes a piezoelectric actuator 44a for driving the second pipette holding member 34.
  • the piezoelectric actuator 44a includes a tubular housing 87, rolling bearings 80 and 82 provided inside the housing 87, and a piezoelectric element 92.
  • the second pipette holding member 34 is inserted in the axial direction of the housing 87.
  • the rolling bearings 80 and 82 rotatably support the second pipette holding member 34.
  • the piezoelectric element 92 expands and contracts along the longitudinal direction of the second pipette holding member 34 according to the applied voltage.
  • a second pipette 35 (see FIG. 1) is attached and fixed to the tip end side (left side of FIG. 2) of the second pipette holding member 34.
  • the second pipette holding member 34 is supported by the housing 87 via rolling bearings 80 and 82.
  • the rolling bearing 80 includes an inner ring 80a, an outer ring 80b, and a ball 80c provided between the inner ring 80a and the outer ring 80b.
  • the rolling bearing 82 includes an inner ring 82a, an outer ring 82b, and a ball 82c provided between the inner ring 82a and the outer ring 82b.
  • the outer rings 80b and 82b are fixed to the inner peripheral surface of the housing 87, and the inner rings 80a and 82a are fixed to the outer peripheral surface of the second pipette holding member 34 via the hollow member 84. In this way, the rolling bearings 80 and 82 rotatably support the second pipette holding member 34.
  • a flange portion 84a projecting outward in the radial direction is provided at a substantially central portion in the axial direction of the hollow member 84.
  • the rolling bearing 80 is arranged on the distal end side of the second pipette holding member 34 in the axial direction with respect to the flange portion 84a, and the rolling bearing 82 is arranged on the rear end side with respect to the flange portion 84a.
  • the inner ring 80a of the rolling bearing 80 and the inner ring 82a of the rolling bearing 82 are arranged so as to sandwich the flange portion 84a as the inner ring spacer.
  • the outer peripheral surface of the second pipette holding member 34 is threaded, and the lock nut 86 and the lock nut 86 are screwed into the second pipette holding member 34 from the tip end side of the inner ring 80a and the rear end side of the inner ring 82a. , The axial positions of the rolling bearings 80 and 82 are fixed.
  • the annular spacer 90 is arranged coaxially with the rolling bearings 80 and 82 on the rear end side in the axial direction of the outer ring 82b.
  • An annular piezoelectric element 92 is arranged substantially coaxially with the spacer 90 on the axial rear end side of the spacer 90, and a lid 88 of the housing 87 is arranged on the axial rear end side thereof.
  • the lid 88 is for fixing the piezoelectric element 92 in the axial direction, and has a hole through which the second pipette holding member 34 is inserted.
  • the lid 88 may be fastened to the side surface of the housing 87, for example, with bolts (not shown).
  • the piezoelectric elements 92 may be arranged in a rod shape or a prismatic shape so as to be substantially evenly distributed in the circumferential direction of the spacer 90, or may be a square cylinder having a hole through which the second pipette holding member 34 is inserted.
  • the piezoelectric element 92 is in contact with the rolling bearing 82 via the spacer 90.
  • the piezoelectric element 92 is connected to the controller 43 as a control circuit via a lead wire (not shown).
  • the piezoelectric element 92 expands and contracts along the axial direction of the second pipette holding member 34 in response to the applied voltage from the controller 43, and finely moves the second pipette holding member 34 along the axial direction. ..
  • this fine movement is transmitted to the second pipette 35 (see FIG. 1), and the position of the second pipette 35 is finely adjusted.
  • the fine movement mechanism 44 enables more accurate operation when operating on a minute object (injection operation of DNA solution or cell, perforation operation, etc.), and improves the perforation action of the piezoelectric element 92. it can.
  • the above-mentioned fine movement mechanism 44 is said to be provided in the second manipulator 16 for operating the minute object, but as shown in FIG. 1, the first manipulator 14 for fixing the minute object is the same as the fine movement mechanism 44.
  • the fine movement mechanism 54 may be provided, or may be omitted.
  • FIG. 3 is a control block diagram of the manipulation system.
  • the controller 43 includes hardware resources such as a CPU (central processing unit) as a calculation means, a hard disk as a storage means, a RAM (Random Access Memory), and a ROM (Read Only Memory).
  • the controller 43 performs various calculations based on a predetermined program stored in the storage unit 46B, and outputs a drive signal so that the control unit 46A performs various controls according to the calculation results.
  • the control unit 46A includes a focusing mechanism 81 of the microscope unit 12, a drive device 30 of the first manipulator 14, a drive device 32, a suction pump 29, a drive device 40 of the second manipulator 16, a drive device 42, a piezoelectric element 92, and an injection pump.
  • the 39 is controlled, and a drive signal is output to each via a driver, an amplifier, or the like provided as needed.
  • the control unit 46A supplies the drive signals V xy and V z (see FIG. 1) to the drive devices 30, 32, 40, and 42, respectively.
  • the drive devices 30, 32, 40, and 42 are driven in the XYZ axis directions based on the drive signals V xy and V z .
  • Control unit 46A is the fine movement mechanism 44 by supplying a nanopositioner control signal V N (see FIG. 1) may control the fine adjustment mechanism 44.
  • the controller 43 is connected to a joystick 47 as an information input means and an input unit 49 such as a keyboard, mouse or touch panel. Further, the controller 43 is connected to a display unit 45 such as a liquid crystal panel. A microscope image acquired by the camera 18 and various control screens are displayed on the display unit 45. When a touch panel is used as the input unit 49, the touch panel may be superimposed on the display screen of the display unit 45 so that the operator can perform the input operation while checking the display image of the display unit 45.
  • a known joystick 47 can be used.
  • the joystick 47 includes a base and a handle portion that stands upright from the base, and the drive devices 30 and 40 can be driven XY by operating the handle portion so as to incline the handle portion.
  • the Z drive of the drive devices 32 and 42 can be performed by twisting.
  • the joystick 47 may include a button 47A for operating each drive of the suction pump 29, the piezoelectric element 92, and the injection pump 39.
  • the controller 43 further includes an image input unit 43A, an image processing unit 43B, an image output unit 43C, and a position detection unit 43D.
  • the image signal Vpix (see FIG. 1) captured by the camera 18 through the microscope 20 is input to the image input unit 43A.
  • the image processing unit 43B receives an image signal from the image input unit 43A and performs image processing.
  • the image output unit 43C outputs the image information image-processed by the image processing unit 43B to the display unit 45.
  • the position detection unit 43D determines the position of the cell or the like which is a minute object imaged by the camera 18 and the position of the nucleus or the like of the cell or the like which is the operation target for which the injection operation is performed by the second pipette 35.
  • the position detection unit 43D can detect the presence or absence of cells or the like in the imaging region of the camera 18 based on the image information. Further, the position detection unit 43D may detect the positions of the first pipette 25 and the second pipette 35.
  • the image input unit 43A, the image processing unit 43B, the image output unit 43C, and the position detection unit 43D are controlled by the control unit 46A.
  • the control unit 46A controls the first manipulator 14 and the second manipulator 16 based on the position information from the position detection unit 43D and the information on the presence or absence of cells and the like.
  • the control unit 46A automatically drives the first manipulator 14 and the second manipulator 16 in a predetermined sequence.
  • Such sequence driving is performed by the control unit 46A sequentially outputting drive signals to each of the storage units 46B based on the calculation results of the CPU by a predetermined program stored in advance.
  • the sample is cell 100.
  • cell 100 is a fertilized egg in the pronuclear stage.
  • the operation on the cell 100 is an injection operation of a DNA solution.
  • the insertion direction of the second pipette 35 into the cell 100 is parallel to the X-axis direction.
  • the crossing direction orthogonal to the insertion direction is parallel to the Y-axis direction.
  • the cell 100 is housed in the sample holding member 11.
  • the sample holding member 11 mounts an untreated cell region on which the untreated cell 100 is placed, a successful cell region on which the successfully operated cell 100 is placed, and a cell 100 on which the operation has failed. Includes failed cell areas and.
  • the cell 100 includes a cell membrane 102 and a nucleus 110.
  • the cell membrane 102 is a biological membrane that separates the inside and outside of the cell 100.
  • the cell membrane 102 has fluidity and is deformed and hardened by contact with the tip of the second pipette 35.
  • the nucleus 110 exists inside the cell 100 covered with the cell membrane 102.
  • the nucleus 110 has a nuclear envelope 112 and a nucleolus 114.
  • the nucleolus 114 resides inside the nucleus 110 covered by the nuclear envelope 112.
  • the cell 100 is injected by the second pipette 35 while being held by the first pipette 25.
  • the nucleolus 114 having a high contrast is detected from the nuclear envelope 112, and the injection operation execution position IJ is determined based on the position of the nucleolus 114.
  • the image data of the cell 100 is captured by the camera 18 shown in FIG.
  • the image data of the cell 100 imaged by the camera 18 is sent from the image input unit 43A to the image processing unit 43B as an image signal.
  • the image processing unit 43B performs image processing of the image data of the cell 100.
  • the image processing unit 43B executes binarization processing and filtering processing on the image signal received from the image input unit 43A in order to detect the positions and shapes of the cell 100 and the nucleolus 114.
  • the image processing unit 43B grayscales the image signal and converts the grayscale image into a monochrome image based on a predetermined threshold value set in advance.
  • the image processing unit 43B performs edge extraction processing and pattern matching based on the monochrome image obtained by the binarization processing and the filter processing.
  • the position detection unit 43D can detect the position and shape of the cell 100 and the nucleolus 114. That is, the controller 43 detects the radius R of the cell 100, the center C1 of the cell 100, the radius r of the nucleolus 114, and the center C2 of the nucleolus 114 based on the image data.
  • the controller 43 moves the first pipette 25 based on the detection result to move the center C1 of the cell 100 to a predetermined origin (0,0).
  • the controller 43 may define the coordinates of the center C1 of the cell 100 in the XY plane as the origin (0,0).
  • the injection operation execution position IJ is the position of the tip of the second pipette 35 when the second pipette 35 injects into the cell 100.
  • the coordinates (x2, y2) of the injection operation execution position IJ are determined by the coordinates (x1, y1) of the center C2 of the nucleolus 114, the radius r of the nucleolus 114, and the offset amount ⁇ .
  • the offset amount ⁇ is an arbitrary set value set in advance.
  • the coordinates (x2, y2) of the operation execution position IJ are positions moved in the Y-axis direction (r + ⁇ ) toward the center C1 of the cell 100 with respect to the coordinates (x1, y1) of the center C2 of the nucleolus 114. Is.
  • the insertion start position D of the second pipette 35 is a position where the insertion operation of the second pipette 35 into the cell 100 is started.
  • the second pipette 35 is inserted toward the insertion start position D and parallel to the X axis.
  • the coordinates (x3, y3) of the insertion start position D of the second pipette 35 are determined by the coordinates (x2, y2) of the operation execution position IJ and the initial distance L0.
  • the initial distance L0 is the distance in the X-axis direction between the center C1 of the cell 100 and the initial position IP of the tip of the second pipette 35.
  • the initial distance L0 is larger than the radius R of the cell 100.
  • the pushing position P of the second pipette 35 is the position of the tip of the second pipette 35 immediately before the tip of the second pipette 35 perforates the cell membrane 102 of the cell 100.
  • the indentation position P is inside the cell membrane 102 in the initial shape of the cell 100.
  • the cell membrane 102 is pressed and deformed by the second pipette 35 from the time when the tip of the second pipette 35 comes into contact with the cell membrane 102 until it reaches the pressing position P.
  • the coordinates (x4, y4) of the pushing position P of the second pipette 35 are predetermined with the coordinates (x2, y2) of the operation execution position IJ and the coordinates (x3, y3) of the insertion start position D.
  • the push-in amount L is an arbitrary set value set in advance.
  • the offset amount ⁇ is a value calculated according to the positions of the Y coordinates y2 and y3 of the operation execution position IJ and the insertion start position D.
  • the coordinates (x4, y4) of the pushing position P are positions that are moved by (L + ⁇ ) in the X-axis direction toward the operation execution position IJ with respect to the coordinates (x3, y3) of the insertion start position D.
  • the operator Before starting the operation of the manipulation system 10, the operator first arranges the first pipette 25 and the second pipette 35 within the field of view of the camera 18 shown in FIG.
  • the height of the tip of the first pipette 25 is set to a position slightly above the bottom surface of the sample holding member 11.
  • the operator uses the focusing mechanism 81 of the microscope 20 to focus on the first pipette 25.
  • the operator adjusts the height of the second pipette 35 so that the first pipette 25 is in focus.
  • the operator then moves the sample stage 22 around the cell 100 in the sample holding member 11 so as to overlap the field of view of the camera 18.
  • the operator further confirms that the cell 100 does not move even if the tip of the first pipette 25 is brought close to the cell 100. This is to confirm that the suction pump 29 shown in FIG. 3 is in an equilibrium state. With the above preparation, the cell 100 is placed in the vicinity of the first pipette 25 and the second pipette 35.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an example of the operation of the manipulation system of the embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating the operation of the manipulation system of the embodiment.
  • the manipulation system 10 performs an operation on each of the plurality of cells 100 placed on the sample holding member 11 for each cell 100, and repeatedly executes the operation on the plurality of cells 100.
  • the controller 43 automatically executes an operation on a plurality of cells 100.
  • the automatic operation by the manipulation system 10 is started, for example, by pressing the start button on the PC software.
  • step ST10 the operator controls the controller 43 via the input unit 49 shown in FIG. 3 by controlling the operation end number Ne, which is the number of times the manipulation system 10 executes a plurality of operations and then ends the operation.
  • the operation end count Ne is the number of cells 100 to be operated.
  • the image processing unit 43B of the controller 43 performs image processing of the image data captured by the camera 18 through the microscope 20.
  • the position detection unit 43D of the controller 43 detects the position coordinates of the tip center of the first pipette 25 and the position coordinates of the tip center of the second pipette 35 on the screen of the camera 18 by image processing.
  • the control unit 46A drives the first manipulator 14 to move the first pipette 25 to a predetermined position based on the detection result.
  • the predetermined position is the position where the center of the tip of the first pipette 25 faces the cell 100 to be operated.
  • step ST16 the control unit 46A drives the suction pump 29 of the first manipulator 14 to execute the suction of the first pipette 25.
  • the suction pump 29 When the suction pump 29 is driven, the inside of the first pipette 25 becomes negative pressure, and the solution of the sample holding member 11 flows toward the opening of the first pipette 25.
  • the cell 100 is aspirated with the solution, adsorbed and retained at the tip of the first pipette 25.
  • step ST18 the image processing unit 43B acquires the image data of the cell 100.
  • step ST20 the position detection unit 43D detects the positions and shapes of the cell 100 and the nucleolus 114 by an image processing sequence based on the acquired image data.
  • step ST22 the position detection unit 43D determines whether or not the nucleolus 114 has been detected. If it is determined in step ST22 that the nucleolus 114 is not detected (step ST22; No), the process returns to step ST20, and the image processing unit 43B again determines the positions and shapes of the cells 100 and the nucleolus 114 by the image sequence. Detect again.
  • step ST22 If it is determined in step ST22 that the nucleolus 114 is not detected, the image processing unit 43B may return to step ST18 and acquire the image data of the cell 100 again.
  • the control unit 46A may temporarily release the holding of the cell 100 by the first pipette 25 to change the posture of the cell 100 before acquiring the image data again.
  • the control unit 46A determines the operation execution position IJ, the insertion start position D, and the push-in position P. Specifically, the control unit 46A calculates the coordinates of the operation execution position IJ (x2, y2), the coordinates of the insertion start position D (x3, y3), and the coordinates of the push-in position P (x4, y4), and the second The movement path of the pipette 35 is set.
  • step ST32 the control unit 46A moves the tip of the second pipette 35 to the insertion start position D. Since the initial position IP of the second pipette 35 and the insertion start position D have the same X coordinate, the second pipette 35 moves in parallel in the Y-axis direction. The tip of the second pipette 35 faces the operation execution position IJ.
  • step ST34 the control unit 46A moves the tip of the second pipette 35 from the insertion start position D to the push-in position P at the first acceleration V low .
  • the first acceleration V low is low acceleration or ultra-low acceleration.
  • the control unit 46A may move the tip of the second pipette 35 from the insertion start position D to the push-in position P at a constant speed. Since the insertion start position D and the push-in position P have the same Y coordinate, the second pipette 35 moves in parallel in the X-axis direction.
  • the cell membrane 102 is not perforated by the second pipette 35 but is pressed and deformed until the tip of the second pipette 35 abuts on the cell membrane 102 until it reaches the pressing position P.
  • the second pipette 35 may wait at the indentation position P for a predetermined time after step ST34 and before step ST36.
  • step ST36 the control unit 46A moves the tip of the second pipette 35 from the pushing position P to the operation execution position IJ at the second acceleration V high .
  • the second acceleration V high is at least larger than the first acceleration V low .
  • the second acceleration V high is a high acceleration. Since the pushing position P and the operation execution position IJ have the same Y coordinate, the second pipette 35 moves in parallel in the X-axis direction. Since the cell membrane 102 is in a hardened state in step ST34, moving the second pipette 35 at high speed causes local destruction due to an impact load and is perforated.
  • the tip of the second pipette 35 is inserted into the cell membrane 102.
  • the tip of the second pipette 35 is inserted into the nuclear envelope 112.
  • step ST38 the control unit 46A drives the injection pump 39 of the second manipulator 16 to execute an injection operation such as a DNA solution on the cell 100.
  • the control unit 46A may, for example, drive the injection pump 39 for a preset time to execute the injection operation.
  • the image processing unit 43B may execute image processing during the injection operation, detect the swelling of the nuclear envelope 112, and determine whether the injection of the DNA solution or the like is completed.
  • step ST40 the control unit 46A moves the second pipette 35 to the initial position IP. Specifically, the second pipette 35 moves in the X-axis direction and is pulled out from the cell 100, and then moves in the Y-axis direction and returns to the initial position IP.
  • step ST42 the control unit 46A determines whether or not the injection operation is successful. If it is determined in step ST42 that the injection was successful (step ST42; Yes), the control unit 46A drives the sample stage 22 to move the cells 100 after the injection operation to the successful cell region. The control unit 46A stops the suction pump 29 of the first manipulator 14 and stops the suction of the first pipette 25. As a result, the inside of the first pipette 25 becomes positive pressure, and the first pipette 25 releases the retention of the cell 100. Cell 100 is placed in the successful cell region. The control unit 46A drives the sample stage 22 again to move the tip of the first pipette 25 to the vicinity of the untreated cell region where the untreated cell 100 is arranged.
  • step ST42 If it is determined in step ST42 that the injection has failed (step ST42; No), the control unit 46A drives the sample stage 22 to move the cells 100 after the injection operation to the failed cell region.
  • the control unit 46A stops the suction pump 29 of the first manipulator 14 and stops the suction of the first pipette 25.
  • the inside of the first pipette 25 becomes positive pressure, and the first pipette 25 releases the retention of the cell 100.
  • Cell 100 is placed in the successful cell region.
  • the control unit 46A drives the sample stage 22 again to move the tip of the first pipette 25 to the vicinity of the untreated cell region where the untreated cell 100 is arranged.
  • step ST50 the control unit 46A determines whether or not the operation execution count N has reached the operation end count Ne.
  • step ST50 when it is determined that the operation execution count N is smaller than the operation end count Ne (step ST50; No), the process returns to step ST14 to hold the cell 100 and detect the cell 100 and the nucleolus 114.
  • the operation, the injection operation into the nuclear envelope 112, and the placement operation of the cell 100 are repeatedly executed.
  • step ST50 Yes
  • the operation on the preset number of cells 100 is completed, and a series of operations is completed.
  • step ST42 when the injection fails (step ST42; No), the holding cell 100 is moved to the failed cell region and the operation on the failed cell 100 is stopped, but for example, the untreated cell region. May be moved back to step ST14.
  • the posture of the same cell 100 may be changed and held, or different cells 100 may be held.
  • the operator may determine the cells 100 that have failed the injection, or the control unit 46A may determine based on preset conditions.
  • the sample stage 22 on which the minute object is placed the first manipulator 14 including the first pipette 25 for holding the minute object, and the first manipulator 14 are provided.
  • a controller 43 (control device) for controlling the second pipette 35 and the microscope unit 12 is provided, and the controller 43 inserts the tip of the second pipette 35 from a predetermined insertion start position D to a predetermined pushing position P of a minute object. It is moved at a constant speed or a first acceleration V low , and after a predetermined time, it is moved from the pushing position P to a predetermined operation execution position IJ at a second acceleration V high larger than the first acceleration V low .
  • the micro object is pressed at a low speed from the time when the tip of the second pipette 35 comes into contact with the micro object until it reaches the pushing position P, the micro object is deformed without being perforated by the second pipette 35.
  • a sufficiently deformed minute object is pressed at high speed, causing local destruction due to an impact load and being perforated.
  • perforation can be easily performed without damaging other tissues of the minute object. Therefore, regardless of the skill level and skill of the operator, it is possible to operate efficiently and suitably while suppressing damage to a minute object during operation.
  • the controller 43 determines the operation execution position IJ based on the image data of the microscope unit 12. According to such a manipulation system 10, since the operation execution position IJ is determined based on the captured image data, the minute object is efficiently and preferably operated regardless of the skill level and skill of the operator. be able to.
  • the controller 43 determines the insertion start position D based on the image data of the microscope unit 12 and the operation execution position IJ. According to such a manipulation system 10, the skill level of the operator is determined because the insertion start position D is determined based on the captured image data and the operation execution position IJ determined based on the image data. And, regardless of the technique, it is possible to efficiently and preferably pierce a minute object.
  • the controller 43 determines the pushing position P based on the image data of the microscope unit 12 and the operation execution position IJ. According to such a manipulation system 10, since the push-in position P is determined based on the captured image data and the operation execution position IJ determined based on the image data, the skill level of the operator and the skill level of the operator are determined. It is possible to efficiently and suitably drill a minute object regardless of the technique.
  • the micro object is a cell 100.
  • the cell membrane 102 is pressed at a low speed from the time when the tip of the second pipette 35 abuts on the cell membrane 102 of the cell 100 until it reaches the pressing position P, so that the cell membrane 102 is not perforated by the second pipette 35. Deform.
  • the cell membrane 102 is sufficiently pressed, it becomes a cured state due to tension.
  • the cell membrane 102 in the cured state is pressed at high speed, local destruction due to an impact load occurs and the cell membrane 102 is perforated.
  • it is possible to easily perforate the cell membrane 102 without damaging other tissues in the cell 100. Therefore, regardless of the skill level and skill of the operator, it is possible to operate efficiently and suitably while suppressing damage to the cell 100 during the operation.
  • the controller 43 detects the position of the nucleolus 114 of the cell 100 based on the image data of the microscope unit 12. According to such a manipulation system 10, since the position of the nucleolus 114 of the cell 100 is detected based on the captured image data, the nucleus is efficiently and suitably used regardless of the skill and skill of the operator. The body 114 can be detected.
  • the controller 43 determines the operation execution position IJ based on the position of the nucleolus 114. According to such a manipulation system 10, since the operation execution position IJ is determined based on the position of the nucleolus 114 detected from the captured image data, the efficiency is not limited by the skill level and skill of the operator. It is possible to manipulate minute objects well and suitably.
  • the operation execution position IJ is outside the nucleolus 114.
  • the tip of the second pipette 35 is injected without touching the nucleolus 114 when the second pipette 35 is inserted. It is possible to operate. Therefore, damage to the cell 100 can be suppressed in the injection operation.
  • the operation execution position IJ is a position offset from the center C2 of the nucleolus. According to such a manipulation system 10, it is possible to prevent the tip of the second pipette 35 from damaging the nucleolus 114 when the second pipette 35 is inserted. Therefore, damage to the cell 100 can be suppressed in the injection operation.
  • the distance between the center C2 of the nucleolus 114 and the operation execution position IJ in the crossing direction orthogonal to the insertion direction of the second pipette 35 is larger than the radius r of the nucleolus 114.
  • the operation execution position IJ can be set outside the nucleolus 114, so that the injection operation is performed without the tip of the second pipette 35 touching the nucleolus 114 when the second pipette 35 is inserted. It is possible to do. Therefore, damage to the cell 100 can be suppressed in the injection operation.
  • the driving method of the manipulation system 10 of the present embodiment is held by a sample stage 22 on which the cells 100 are placed, a first pipette 14 including a first pipette 25 for holding the cells 100, and a first pipette 25.
  • Step ST22 to move the tip of the second pipette 35 from the insertion start position D to the predetermined pushing position P at a constant speed or the first acceleration V low , and step ST24 to push the tip of the second pipette 35 after a predetermined time. comprising the step ST26 of moving a large second acceleration V high than the first acceleration V low from the position P to a predetermined operation execution position IJ, the.
  • the micro object is pressed at a low speed from the time when the tip of the second pipette 35 comes into contact with the micro object until it reaches the pushing position P, the micro object is deformed without being perforated by the second pipette 35.
  • a sufficiently deformed minute object is pressed at high speed, causing local destruction due to an impact load and being perforated.
  • perforation can be easily performed without damaging other tissues of the minute object. Therefore, regardless of the skill level and skill of the operator, it is possible to operate efficiently and suitably while suppressing damage to a minute object during operation.
  • the driving method of the manipulation system 10 and the manipulation system 10 of the present embodiment may be appropriately changed.
  • the shapes of the first pipette 25, the second pipette 35, and the like are appropriately changed according to the type of the minute object and the operation on the minute object.
  • a part of the procedure may be omitted as appropriate, or the procedure may be replaced. You may do it.

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Abstract

操作者の熟練度及び技術によらず、操作時の微小対象物への損傷を抑制しつつ、効率よくかつ好適に操作することができるマニピュレーションシステム及びマニピュレーションシステムの駆動方法を提供する。微小対象物が載置される試料ステージと、前記微小対象物を保持するための第１ピペットを備える第１マニピュレータと、前記第１ピペットに保持された前記微小対象物を操作するための第２ピペットを備える第２マニピュレータと、前記微小対象物を撮像する撮像部と、前記試料ステージ、前記第１ピペット、前記第２ピペット及び前記撮像部を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記第２ピペットの先端を前記微小対象物の所定の挿入開始位置から所定の押込位置まで定速又は第１加速度で移動させ、且つ、所定時間後に前記押込位置から所定の操作実行位置まで前記第１加速度よりも大きい第２加速度で移動させる。

Description

マニピュレーションシステム及びマニピュレーションシステムの駆動方法
　本発明は、マニピュレーションシステム及びマニピュレーションシステムの駆動方法に関する。
　バイオテクノロジ分野において、顕微鏡観察下で細胞や卵にＤＮＡ溶液や細胞を注入する等のように、微小な対象物に微細な操作を行うマイクロマニピュレーションシステムが知られている。微小対象物を保持するための保持用ピペットで微小対象物の位置を固定しつつ、操作用ピペットを微小対象物に突き刺してインジェクション操作が行われる。
　特許文献１には、取得した撮像画像のデータから微小対象物の位置座標を検出し、検出結果に基づいて操作対象の位置を決定する技術が開示されている。
特開２０１７－１２４４５２号公報
　微小対象物の操作においては、操作対象の位置を定量的に検出し、かつ、微小対象物を傷付けることなく正確な位置において操作することが求められる。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、操作者の熟練度及び技術によらず、操作時の微小対象物への損傷を抑制しつつ、効率よくかつ好適に操作することができるマニピュレーションシステム及びマニピュレーションシステムの駆動方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムは、微小対象物が載置される試料ステージと、前記微小対象物を保持するための第１ピペットを備える第１マニピュレータと、前記第１ピペットに保持された前記微小対象物を操作するための第２ピペットを備える第２マニピュレータと、前記微小対象物を撮像する撮像部と、前記試料ステージ、前記第１ピペット、前記第２ピペット及び前記撮像部を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記第２ピペットの先端を前記微小対象物の所定の挿入開始位置から所定の押込位置まで定速又は第１加速度で移動させ、且つ、所定時間後に前記押込位置から所定の操作実行位置まで前記第１加速度よりも大きい第２加速度で移動させる。
　これによれば、第２ピペットの先端が微小対象物に当接してから押込位置に到達するまで、微小対象物は、低速で押圧されるため、第２ピペットによって穿孔されずに変形する。十分に変形した微小対象物は、高速で押圧されることによって、衝撃荷重による局所的な破壊が生じ、穿孔される。このため、微小対象物の他の組織を傷付けることなく、容易に穿孔できる。したがって、操作者の熟練度及び技術によらず、操作時の微小対象物への損傷を抑制しつつ、効率よくかつ好適に操作することができる。
　本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記コントローラは、前記撮像部の画像データに基づいて前記操作実行位置を決定する。これによれば、撮像された画像データに基づいて、操作実行位置を決定するため、操作者の熟練度及び技術によらず、効率よくかつ好適に微小対象物を操作することができる。
　本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記コントローラは、前記撮像部の画像データ及び前記操作実行位置に基づいて前記挿入開始位置を決定する。これによれば、撮像された画像データ及びと、画像データに基づいて決定された操作実行位置と、に基づいて、挿入開始位置を決定するため、操作者の熟練度及び技術によらず、効率よくかつ好適に微小対象物を穿孔することができる。
　本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記コントローラは、前記撮像部の画像データ及び前記操作実行位置に基づいて前記押込位置を決定する。これによれば、撮像された画像データ及びと、画像データに基づいて決定された操作実行位置と、に基づいて、押込位置を決定するため、操作者の熟練度及び技術によらず、効率よくかつ好適に微小対象物を穿孔することができる。
　本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記微小対象物は、細胞である。これによれば、第２ピペットの先端が細胞の細胞膜に当接してから押込位置に到達するまで、細胞膜は、低速で押圧されるため、第２ピペットによって穿孔されずに変形する。細胞膜は、十分に押圧されると、張力によって硬化状態となる。硬化状態の細胞膜は、高速で押圧されることによって、衝撃荷重による局所的な破壊が生じ、穿孔される。このため、細胞内の他の組織を傷付けることなく、容易に細胞膜を穿孔することが可能である。したがって、操作者の熟練度及び技術によらず、操作時の細胞への損傷を抑制しつつ、効率よくかつ好適に操作することができる。
　本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記コントローラは、前記撮像部の画像データに基づいて前記細胞の核小体の位置を検出する。これによれば、撮像された画像データに基づいて、細胞の核小体の位置を検出するため、操作者の熟練度及び技術によらず、効率よくかつ好適に核小体を検出することができる。
　本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記コントローラは、前記核小体の位置に基づいて前記操作実行位置を決定する。これによれば、撮像された画像データから検出された核小体の位置に基づいて、操作実行位置を決定するため、操作者の熟練度及び技術によらず、効率よくかつ好適に微小対象物を操作することができる。
　本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記操作実行位置は、前記核小体の外側である。これによれば、操作実行位置を核小体の外部に設定することによって、第２ピペットの挿入時に第２ピペットの先端が核小体に触れることなくインジェクション操作をすることが可能である。したがって、インジェクション操作において、細胞への損傷を抑制できる。
　本発明の一様態にかかるマニピュレーションシステムにおいて、前記操作実行位置は、前記核小体の中心からオフセットされた位置である。これによれば、第２ピペットの挿入時に第２ピペットの先端が核小体を損傷させることを抑制できる。したがって、インジェクション操作において、細胞への損傷を抑制できる。
　本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記核小体の中心と前記操作実行位置との前記第２ピペットの挿入方向に直交する交差方向の距離は、前記核小体の半径より大きい。これによれば、操作実行位置を核小体の外部に設定できるので、第２ピペットの挿入時に第２ピペットの先端が核小体に触れることなくインジェクション操作をすることが可能である。したがって、インジェクション操作において、細胞への損傷を抑制できる。
　本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムの駆動方法は、微小対象物が載置される試料ステージと、前記微小対象物を保持するための第１ピペットを備える第１マニピュレータと、前記第１ピペットに保持された前記微小対象物を操作するための第２ピペットを備える第２マニピュレータと、を備えるマニピュレーションシステムの駆動方法であって、前記第２ピペットの先端を前記微小対象物の所定の挿入開始位置に移動させるステップと、前記第２ピペットの先端を前記挿入開始位置から所定の押込位置まで定速又は第１加速度で移動させるステップと、所定時間後に、前記第２ピペットの先端を前記押込位置から所定の操作実行位置まで前記第１加速度よりも大きい第２加速度で移動させるステップと、を含む。
　これによれば、第２ピペットの先端が微小対象物に当接してから押込位置に到達するまで、微小対象物は、低速で押圧されるため、第２ピペットによって穿孔されずに変形する。十分に変形した微小対象物は、高速で押圧されることによって、衝撃荷重による局所的な破壊が生じ、穿孔される。このため、微小対象物の他の組織を傷付けることなく、容易に穿孔できる。したがって、操作者の熟練度及び技術によらず、操作時の微小対象物への損傷を抑制しつつ、効率よくかつ好適に操作することができる。
　本発明によれば、操作者の熟練度及び技術によらず、操作時の微小対象物への損傷を抑制しつつ、効率よくかつ好適に操作することができる。
図１は、実施形態に係るマニピュレーションシステムの構成を模式的に示す図である。 図２は、微動機構の一例を示す断面図である。 図３は、マニピュレーションシステムの制御ブロック図である。 図４は、操作対象の細胞及び核の一例を示す模式図である。 図５は、操作対象の細胞及び核の一例を示す模式図である。 図６は、実施形態のマニピュレーションシステムの動作の一例を示すフローチャート図である。 図７は、実施形態のマニピュレーションシステムの動作を説明するための説明図である。
　本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
　図１は、実施形態に係るマニピュレ－ションシステムの構成を模式的に示す図である。マニピュレーションシステム１０は、顕微鏡観察下で微小対象物である試料を操作するためのシステムである。図１において、マニピュレーションシステム１０は、顕微鏡ユニット１２と、第１マニピュレータ１４と、第２マニピュレータ１６と、マニピュレーションシステム１０を制御するコントローラ（制御装置）４３とを備えている。顕微鏡ユニット１２の両側に第１マニピュレータ１４と第２マニピュレータ１６とが分かれて配置されている。
　顕微鏡ユニット１２は、撮像素子を含むカメラ１８と、顕微鏡２０と、試料ステージ２２とを備えている。試料ステージ２２は、シャーレなどの試料保持部材１１を支持可能であり、試料保持部材１１の直上に顕微鏡２０が配置される。顕微鏡ユニット１２は、顕微鏡２０とカメラ１８とが一体構造となっており、試料保持部材１１に向けて光を照射する光源（図示は省略している）を備えている。なお、カメラ１８は、顕微鏡２０と別体に設けてもよい。
　試料保持部材１１には、試料を含む溶液が収容される。溶液は、例えば、パラフィンオイル等である。試料保持部材１１の試料に光が照射され、試料保持部材１１の試料で反射した光が顕微鏡２０に入射すると、試料に関する光学像は、顕微鏡２０で拡大された後、カメラ１８で撮像される。カメラ１８で撮像された画像を基に試料の観察が可能となっている。
　図１に示すように、第１マニピュレータ１４は、第１ピペット保持部材２４と、Ｘ－Ｙ軸テーブル２６と、Ｚ軸テーブル２８と、Ｘ－Ｙ軸テーブル２６を駆動する駆動装置３０と、Ｚ軸テーブル２８を駆動する駆動装置３２とを備える。第１マニピュレータ１４は、Ｘ軸－Ｙ軸－Ｚ軸の３軸構成のマニピュレータである。なお、本実施形態において、水平面内の一方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と交差する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれと交差する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。
　Ｘ－Ｙ軸テーブル２６は、駆動装置３０の駆動により、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に移動可能となっている。Ｚ軸テーブル２８は、Ｘ－Ｙ軸テーブル２６上に上下移動可能に配置され、駆動装置３２の駆動によりＺ軸方向に移動可能になっている。駆動装置３０、３２は、コントローラ４３に接続されている。
　第１ピペット保持部材２４は、Ｚ軸テーブル２８に連結され、先端に毛細管チップである第１ピペット２５が取り付けられている。第１ピペット保持部材２４は、Ｘ－Ｙ軸テーブル２６とＺ軸テーブル２８の移動に従って３次元空間を移動領域として移動し、試料保持部材１１に収容された試料を、第１ピペット２５を介して保持することができる。すなわち、第１マニピュレータ１４は、微小対象物の保持に用いられる保持用マニピュレータであり、第１ピペット２５は、微小対象物の保持手段として用いられるホールディングピペットである。
　図１に示す第２マニピュレータ１６は、第２ピペット保持部材３４と、Ｘ－Ｙ軸テーブル３６と、Ｚ軸テーブル３８と、Ｘ－Ｙ軸テーブル３６を駆動する駆動装置４０と、Ｚ軸テーブル３８を駆動する駆動装置４２とを備える。第２マニピュレータ１６は、Ｘ軸－Ｙ軸－Ｚ軸の３軸構成のマニピュレータである。
　Ｘ－Ｙ軸テーブル３６は、駆動装置４０の駆動により、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に移動可能となっている。Ｚ軸テーブル３８は、Ｘ－Ｙ軸テーブル３６上に上下移動可能に配置され、駆動装置４２の駆動によりＺ軸方向に移動可能になっている。駆動装置４０、４２は、コントローラ４３に接続されている。
　第２ピペット保持部材３４は、Ｚ軸テーブル３８に連結され、先端にガラス製の第２ピペット３５が取り付けられている。第２ピペット保持部材３４は、Ｘ－Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８の移動に従って３次元空間を移動領域として移動し、試料保持部材１１に収容された試料を人工操作することが可能である。すなわち、第２マニピュレータ１６は、微小対象物の操作（ＤＮＡ溶液の注入操作や穿孔操作など）に用いられる操作用マニピュレータであり、第２ピペット３５は、微小対象物のインジェクション操作手段として用いられるインジェクションピペットである。
　Ｘ－Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８は、第２ピペット保持部材３４を、試料保持部材１１に収容された試料などの操作位置まで粗動駆動する粗動機構（３次元移動テーブル）として構成されている。また、Ｚ軸テーブル３８と第２ピペット保持部材３４との連結部には、ナノポジショナとして微動機構４４が備えられている。微動機構４４は、第２ピペット保持部材３４をその長手方向（軸方向）に移動可能に支持するとともに、第２ピペット保持部材３４をその長手方向（軸方向）に沿って微動駆動するように構成される。
　図２は、微動機構の一例を示す断面図である。図２に示すように微動機構４４は、第２ピペット保持部材３４を駆動対象とする圧電アクチュエータ４４ａを備える。圧電アクチュエータ４４ａは、筒状のハウジング８７と、ハウジング８７の内部に設けられた転がり軸受８０、８２と、圧電素子９２とを含む。ハウジング８７の軸方向に第２ピペット保持部材３４が挿通される。転がり軸受８０、８２は、第２ピペット保持部材３４を回転可能に支持する。圧電素子９２は、印加される電圧に応じて第２ピペット保持部材３４の長手方向に沿って伸縮する。第２ピペット保持部材３４の先端側（図２左側）には第２ピペット３５（図１参照）が取り付けられ固定される。
　第２ピペット保持部材３４は、転がり軸受８０、８２を介してハウジング８７に支持される。転がり軸受８０は、内輪８０ａと、外輪８０ｂと、内輪８０ａと外輪８０ｂとの間に設けられたボール８０ｃとを備える。転がり軸受８２は、内輪８２ａと、外輪８２ｂと、内輪８２ａと外輪８２ｂとの間に設けられたボール８２ｃとを備える。各外輪８０ｂ、８２ｂがハウジング８７の内周面に固定され、各内輪８０ａ、８２ａが中空部材８４を介して第２ピペット保持部材３４の外周面に固定される。このように、転がり軸受８０、８２は、第２ピペット保持部材３４を回転自在に支持するようになっている。
　中空部材８４の軸方向の略中央部には、径方向外方に突出するフランジ部８４ａが設けられている。転がり軸受８０は、フランジ部８４ａに対して第２ピペット保持部材３４の軸方向の先端側に配置され、転がり軸受８２はフランジ部８４ａに対して後端側に配置される。内輪間座としてのフランジ部８４ａを挟んで転がり軸受８０の内輪８０ａと、転がり軸受８２の内輪８２ａとが配置される。第２ピペット保持部材３４の外周面にねじ加工が施されており、内輪８０ａの先端側及び内輪８２ａの後端側からロックナット８６及びロックナット８６が第２ピペット保持部材３４に螺合されて、転がり軸受８０、８２の軸方向の位置が固定される。
　円環状のスペーサ９０は、転がり軸受８０、８２と同軸に外輪８２ｂの軸方向後端側に配置される。スペーサ９０の軸方向後端側には、円環状の圧電素子９２がスペーサ９０と略同軸に配置され、さらにその軸方向後端側にはハウジング８７の蓋８８が配置される。蓋８８は、圧電素子９２を軸方向に固定するためのもので、第２ピペット保持部材３４が挿通する孔部を有する。蓋８８は、例えば、ハウジング８７の側面に不図示のボルトにより締結されていてもよい。なお、圧電素子９２は、棒状又は角柱状としてスペーサ９０の周方向に略等配となるように並べても良く、第２ピペット保持部材３４を挿通する孔部を有した角筒としても良い。
　圧電素子９２はスペーサ９０を介して転がり軸受８２と接している。圧電素子９２は、リード線（図示せず）を介して制御回路としてのコントローラ４３に接続されている。圧電素子９２は、コントローラ４３からの印加電圧に応答して第２ピペット保持部材３４の軸方向に沿って伸縮し、第２ピペット保持部材３４をその軸方向に沿って微動させるようになっている。第２ピペット保持部材３４が軸方向に沿って微動すると、この微動が第２ピペット３５（図１参照）に伝達され、第２ピペット３５の位置が微調整されることになる。また、圧電素子９２により第２ピペット保持部材３４が軸方向に振動すると、第２ピペット３５も軸方向に振動する。このように微動機構４４により、微小対象物への操作（ＤＮＡ溶液や細胞の注入操作や穿孔操作など）の際には、より正確な操作が可能となり、圧電素子９２による穿孔作用の向上を実現できる。
　なお、上述の微動機構４４は、微小対象物の操作用の第２マニピュレータ１６に設けられるとしているが、図１に示すように微小対象物の固定用の第１マニピュレータ１４に微動機構４４と同様の微動機構５４を設けてもよく、省略することも可能である。
　次に、コントローラ４３によるマニピュレーションシステム１０の制御について図３を参照して説明する。図３は、マニピュレーションシステムの制御ブロック図である。
　コントローラ４３は、演算手段としてのＣＰＵ（中央演算処理装置）及び記憶手段としてのハードディスク、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）等のハードウェア資源を備える。コントローラ４３は、記憶部４６Ｂに格納された所定のプログラムに基づいて各種の演算を行い、演算結果に従って制御部４６Ａが各種の制御を行うように駆動信号を出力する。
　制御部４６Ａは、顕微鏡ユニット１２の焦点合わせ機構８１、第１マニピュレータ１４の駆動装置３０、駆動装置３２、吸引ポンプ２９、第２マニピュレータ１６の駆動装置４０、駆動装置４２、圧電素子９２、注入ポンプ３９を制御し、必要に応じて設けられたドライバやアンプ等を介してそれぞれに駆動信号を出力する。制御部４６Ａは、駆動装置３０、３２、４０、４２にそれぞれ駆動信号Ｖｘｙ、Ｖｚ（図１参照）を供給する。駆動装置３０、３２、４０、４２は、駆動信号Ｖｘｙ、Ｖｚに基づいてＸ－Ｙ－Ｚ軸方向に駆動する。制御部４６Ａは、微動機構４４にナノポジショナ制御信号ＶＮ（図１参照）を供給して、微動機構４４の制御を行ってもよい。
　コントローラ４３は、情報入力手段としてジョイスティック４７と、キーボード、マウス又はタッチパネル等の入力部４９とが接続されている。また、コントローラ４３は、液晶パネル等の表示部４５が接続される。表示部４５にはカメラ１８で取得した顕微鏡画像や各種制御用画面が表示されるようになっている。なお、入力部４９としてタッチパネルが用いられる場合には、表示部４５の表示画面にタッチパネルを重ねて用い、操作者が表示部４５の表示画像を確認しつつ入力操作を行うようにしてもよい。
　ジョイスティック４７は公知のものを用いることができる。ジョイスティック４７は、基台と、基台から直立するハンドル部とを備えており、ハンドル部を傾斜させるように操作することで駆動装置３０、４０のＸ－Ｙ駆動を行うことができ、ハンドル部をねじることで駆動装置３２、４２のＺ駆動を行うことができる。ジョイスティック４７は、吸引ポンプ２９、圧電素子９２、注入ポンプ３９の各駆動を操作するためのボタン４７Ａを備えていてもよい。
　図３に示すように、コントローラ４３は、さらに画像入力部４３Ａ、画像処理部４３Ｂ、画像出力部４３Ｃ及び位置検出部４３Ｄを備えている。顕微鏡２０を通してカメラ１８で撮像した画像信号Ｖｐｉｘ（図１参照）が画像入力部４３Ａに入力される。画像処理部４３Ｂは、画像入力部４３Ａから画像信号を受け取って、画像処理を行う。画像出力部４３Ｃは、画像処理部４３Ｂで画像処理された画像情報を表示部４５へ出力する。位置検出部４３Ｄは、カメラ１８で撮像された微小対象物である細胞等の位置や、第２ピペット３５によるインジェクション操作を行う操作対象である細胞の核等の位置を、画像処理後の画像情報に基づいて検出することができる。位置検出部４３Ｄは、画像情報に基づいてカメラ１８の撮像領域内における細胞等の有無を検出することができる。また、位置検出部４３Ｄは、第１ピペット２５及び第２ピペット３５の位置を検出してもよい。画像入力部４３Ａ、画像処理部４３Ｂ、画像出力部４３Ｃ及び位置検出部４３Ｄは、制御部４６Ａにより制御される。
　制御部４６Ａは、位置検出部４３Ｄからの位置情報、及び細胞等の有無の情報に基づいて、第１マニピュレータ１４及び第２マニピュレータ１６を制御する。本実施形態において、制御部４６Ａは、第１マニピュレータ１４及び第２マニピュレータ１６を所定のシーケンスで自動的に駆動する。かかるシーケンス駆動は、記憶部４６Ｂにあらかじめ保存された所定のプログラムによるＣＰＵの演算結果に基づいて、制御部４６Ａが順次それぞれに駆動信号を出力することで行われる。
　次に、図４及び図５を参照して、微小対象物である試料の操作対象の検出方法と、操作実行位置ＩＪ、第２ピペット３５の挿入開始位置Ｄ及び押込位置Ｐの決定方法と、について説明する。本実施形態において、試料は細胞１００である。また、細胞１００は、前核期受精卵である。また、細胞１００への操作は、ＤＮＡ溶液のインジェクション操作である。また、本実施形態において、細胞１００への第２ピペット３５の挿入方向は、Ｘ軸方向に平行である。挿入方向に直交する交差方向は、Ｙ軸方向に平行である。
　図４及び図５は、操作対象の細胞及び核の一例を示す模式図である。細胞１００は、試料保持部材１１に収容される。本実施形態において、試料保持部材１１は、未処理の細胞１００を載置する未処理細胞領域と、操作が成功した細胞１００を載置する成功細胞領域と、操作が失敗した細胞１００を載置する失敗細胞領域と、を含む。細胞１００は、細胞膜１０２と、核１１０と、を含む。細胞膜１０２は、細胞１００の内外を隔てる生体膜である。細胞膜１０２は、流動性を有し、第２ピペット３５の先端の当接により、変形し硬化する。核１１０は、細胞膜１０２に覆われた細胞１００の内部に存在する。核１１０は、核膜１１２と核小体１１４とを有する。核小体１１４は、核膜１１２に覆われた核１１０の内部に存在する。細胞１００は、第１ピペット２５に保持された状態で、第２ピペット３５によってインジェクション操作される。
　ＤＮＡ溶液等のインジェクションにおいては、ＤＮＡ溶液等を、核膜１１２の内部に注入する必要がある。核膜１１２は、低コントラストかつ形状が不定であるため、エッジ抽出処理等の一般的な画像処理手段による検出が困難である。そこで、核膜１１２より高コントラストの核小体１１４を検出し、核小体１１４の位置に基づいて、インジェクションの操作実行位置ＩＪを決定する。
　細胞１００の画像データは、図３に示すカメラ１８により撮像される。カメラ１８により撮像された細胞１００の画像データは、画像入力部４３Ａから画像信号として画像処理部４３Ｂに送られる。画像処理部４３Ｂは、細胞１００の画像データの画像処理を行う。画像処理部４３Ｂは、細胞１００及び核小体１１４の位置及び形状を検出するために、画像入力部４３Ａから受け取った画像信号について二値化処理とフィルタ処理を実行する。画像処理部４３Ｂは、画像信号をグレースケール化して、あらかじめ設定された所定の閾値に基づいて、このグレースケール画像をモノクロ画像に変換する。そして、画像処理部４３Ｂは、二値化処理とフィルタ処理により得られたモノクロ画像に基づいてエッジ抽出処理やパターンマッチングを行う。その処理結果に基づいて位置検出部４３Ｄは、細胞１００及び核小体１１４の位置及び形状を検出することができる。すなわち、コントローラ４３は、画像データに基づいて、細胞１００の半径Ｒ、細胞１００の中心Ｃ１、核小体１１４の半径ｒ、及び核小体１１４の中心Ｃ２を検出する。
　コントローラ４３は、検出結果に基づいて、第１ピペット２５を移動させて、予め定められた原点（０，０）に細胞１００の中心Ｃ１を移動させる。コントローラ４３は、細胞１００の中心Ｃ１のＸ－Ｙ平面における座標を原点（０，０）と定義するようにしてもよい。コントローラ４３は、検出結果における細胞１００の中心Ｃ１及び核小体１１４の中心Ｃ２の位置に基づいて、核小体１１４の中心Ｃ２の座標（ｘ１，ｙ１）を算出する。本実施形態において、ｘ１＝０である。
　インジェクションの操作実行位置ＩＪは、第２ピペット３５が細胞１００にインジェクション操作する際の、第２ピペット３５の先端の位置である。インジェクションの操作実行位置ＩＪの座標（ｘ２，ｙ２）は、核小体１１４の中心Ｃ２の座標（ｘ１，ｙ１）と、核小体１１４の半径ｒと、オフセット量αと、によって決定される。オフセット量αは、予め定められる任意の設定値である。操作実行位置ＩＪの座標（ｘ２，ｙ２）は、核小体１１４の中心Ｃ２の座標（ｘ１，ｙ１）に対して、細胞１００の中心Ｃ１に向かってＹ軸方向に（ｒ＋α）だけ移動した位置である。操作実行位置ＩＪのＸ座標ｘ２は、ｘ２＝ｘ１によって算出される。本実施形態において、ｘ２＝０である。操作実行位置ＩＪのＹ座標ｙ２は、ｙ１≧０である場合、ｙ２＝ｙ１－（ｒ＋α）によって算出される。操作実行位置ＩＪのＹ座標ｙ２は、ｙ１＜０である場合、ｙ２＝ｙ１＋（ｒ＋α）によって算出される。
　第２ピペット３５の挿入開始位置Ｄは、細胞１００に対する第２ピペット３５の挿入動作が開始される位置である。第２ピペット３５は、挿入開始位置Ｄに向かって、かつ、Ｘ軸に対して平行に挿入される。図４に示すように、第２ピペット３５の挿入開始位置Ｄの座標（ｘ３，ｙ３）は、操作実行位置ＩＪの座標（ｘ２，ｙ２）と、初期距離Ｌ０と、によって決定される。初期距離Ｌ０は、細胞１００の中心Ｃ１と第２ピペット３５の先端の初期位置ＩＰとのＸ軸方向の距離である。初期距離Ｌ０は、細胞１００の半径Ｒよりも大きい。挿入開始位置ＤのＹ座標ｙ３は、ｙ３＝ｙ２によって算出される。挿入開始位置ＤのＸ座標ｘ３は、ｘ３＝－Ｌ０によって算出される。
　第２ピペット３５の押込位置Ｐは、第２ピペット３５の先端が細胞１００の細胞膜１０２を穿孔する直前の第２ピペット３５の先端の位置である。押込位置Ｐは、細胞１００の初期形状において細胞膜１０２の内側である。細胞膜１０２は、第２ピペット３５の先端が細胞膜１０２に当接してから押込位置Ｐに到達するまで、第２ピペット３５によって押圧されて変形する。図５に示すように、第２ピペット３５の押込位置Ｐの座標（ｘ４、ｙ４）は、操作実行位置ＩＪの座標（ｘ２，ｙ２）及び挿入開始位置Ｄの座標（ｘ３，ｙ３）と、所定の押込量Ｌと、所定のオフセット量βと、によって決定される。押込量Ｌは、予め定められる任意の設定値である。オフセット量βは、操作実行位置ＩＪ及び挿入開始位置ＤのＹ座標ｙ２、ｙ３の位置に応じて算出される値である。押込位置Ｐの座標（ｘ４、ｙ４）は、挿入開始位置Ｄの座標（ｘ３，ｙ３）に対して、操作実行位置ＩＪに向かってＸ軸方向に（Ｌ＋β）だけ移動した位置である。押込位置ＰのＹ座標ｙ４は、ｙ４＝ｙ２＝ｙ３によって算出される。押込位置ＰのＸ座標ｘ４は、ｘ４＝－Ｌ０＋（Ｌ＋β）によって算出される。オフセット量βは、β＝ｙ４＊ｔａｎ｛ｓｉｎ＾－１（ｙ４／Ｒ）｝によって算出される。
　図５に示す核１１０Ａのように、操作実行位置ＩＪＡの座標が細胞１００の中心Ｃ１に一致する場合、オフセット量βは、β＝０となる。したがって、押込位置ＰＡの座標（ｘ５，ｙ５）は、ｘ５＝－Ｌ０＋Ｌ、ｙ５＝０によって算出される。
　次にマニピュレーションシステム１０の駆動方法について説明する。マニピュレーションシステム１０の動作を開始する前に、操作者は、まず、図１に示すカメラ１８の視野内に、第１ピペット２５及び第２ピペット３５を配置する。ここで、第１ピペット２５の先端の高さは試料保持部材１１の底面よりわずかに上の位置とする。操作者は、次に、顕微鏡２０の焦点合わせ機構８１を用いて、焦点を第１ピペット２５に合わせる。操作者は、焦点を第１ピペット２５に合わせた状態で、焦点が合うように第２ピペット３５の高さを調整する。操作者は、次に、試料保持部材１１内の細胞１００の周辺を、カメラ１８の視野と重なるように試料ステージ２２を移動させる。操作者は、さらに、細胞１００に第１ピペット２５の先端を近付けても細胞１００が動かないことを確認する。これは、図３に示す吸引ポンプ２９が平衡状態であることを確認するためである。以上の準備により、細胞１００は、第１ピペット２５及び第２ピペット３５の近傍に配置される。
　図６は、実施形態のマニピュレーションシステムの動作の一例を示すフローチャート図である。図７は、実施形態のマニピュレーションシステムの動作を説明する説明図である。マニピュレーションシステム１０は、試料保持部材１１に載置された複数の細胞１００に対し、１つの細胞１００ごとに操作を行い、複数の細胞１００について操作を繰り返し実行する。コントローラ４３は、複数の細胞１００に対する操作を自動で実行する。マニピュレーションシステム１０による自動操作は、例えば、ＰＣソフト上の開始ボタンを押すことでスタートする。
　まず、ステップＳＴ１０において、操作者は、マニピュレーションシステム１０が複数回の操作を実行した後、操作を終了する回数である操作終了回数Ｎｅを、図３に示す入力部４９を介してコントローラ４３の制御部４６Ａに設定する。１つの細胞１００ごとに操作を行うので、操作終了回数Ｎｅは、操作を行う細胞１００の個数である。制御部４６Ａに操作終了回数Ｎｅが入力されると、ステップＳＴ１２において、制御部４６Ａは、実行した操作回数のカウンタ値である操作実行回数ＮをＮ＝０としてコントローラ４３の記憶部４６Ｂに記憶させる。
　次に、コントローラ４３の画像処理部４３Ｂは、顕微鏡２０を通してカメラ１８が撮像した画像データの画像処理を行う。コントローラ４３の位置検出部４３Ｄは、画像処理によって、カメラ１８の画面上における第１ピペット２５の先端中央の位置座標及び第２ピペット３５の先端中央の位置座標を検出する。ステップＳＴ１４において、制御部４６Ａは、第１マニピュレータ１４を駆動して、検出結果に基づいて、第１ピペット２５を所定の位置へ移動させる。所定の位置は、第１ピペット２５の先端中央が操作対象の細胞１００に対向する位置である。
　次に、ステップＳＴ１６において、制御部４６Ａは、第１マニピュレータ１４の吸引ポンプ２９を駆動させ、第１ピペット２５の吸引を実行させる。吸引ポンプ２９が駆動すると、第１ピペット２５の内部は陰圧となり、第１ピペット２５の開口に向かって試料保持部材１１の溶液の流れが発生する。細胞１００は、溶液とともに吸引されて、第１ピペット２５の先端に吸着し、保持される。ここで、細胞１００が保持されたかを確認するために、第１ピペット２５の先端近傍に細胞１００があるか、画像処理によって検出して判断するようにしてもよい。
　次に、ステップＳＴ１８において、画像処理部４３Ｂは、細胞１００の画像データを取得する。ステップＳＴ２０において、位置検出部４３Ｄは、取得した画像データに基づいて、細胞１００及び核小体１１４の位置及び形状を画像処理シーケンスにより検出する。ステップＳＴ２２において、位置検出部４３Ｄは、核小体１１４が検出されたか否かを判断する。ステップＳＴ２２において、核小体１１４が検出されないと判断された場合（ステップＳＴ２２；Ｎｏ）、ステップＳＴ２０に戻り、画像処理部４３Ｂは、再び細胞１００及び核小体１１４の位置及び形状を画像シーケンスにより再度検出する。ステップＳＴ２２において、核小体１１４が検出されないと判断した場合、ステップＳＴ１８に戻って、画像処理部４３Ｂが細胞１００の画像データを再度取得してもよい。ステップＳＴ１８において、画像データを再度取得する前に、制御部４６Ａは、第１ピペット２５による細胞１００の保持を一時解除して細胞１００の姿勢を変更させるようにしてもよい。
　ステップＳＴ２２において、核小体１１４が検出されたと判断された場合（ステップＳＴ２２；Ｙｅｓ）、制御部４６Ａは、核小体１１４の中心Ｃ２の座標（ｘ１，ｙ１）を算出する。本実施形態において、ｘ１＝０である。ステップＳＴ２４において、制御部４６Ａは、核小体１１４の中心Ｃ２のＹ座標ｙ１が細胞１００の中心Ｃ１のＹ座標０以上か否かを判断する。ステップＳＴ２４において、核小体１１４の中心Ｃ２のＹ座標ｙ１が細胞１００の中心Ｃ１のＹ座標０以上であると判断された場合、ステップＳＴ２６において、操作実行位置ＩＪのＹ座標ｙ２は、ｙ２＝ｙ１－（ｒ＋α）によって算出される。ステップＳＴ２４において、核小体１１４の中心Ｃ２のＹ座標ｙ１が細胞１００の中心Ｃ１のＹ座標０より小さいと判断された場合、ステップＳＴ２８において、操作実行位置ＩＪのＹ座標ｙ２は、ｙ２＝ｙ１＋（ｒ＋α）によって算出される。
　ステップＳＴ２６及びステップＳＴ２８によって操作実行位置ＩＪのＹ座標ｙ２を算出した後、ステップＳＴ３０において、制御部４６Ａは、操作実行位置ＩＪ、挿入開始位置Ｄ及び押込位置Ｐを決定する。具体的には、制御部４６Ａは、操作実行位置ＩＪの座標（ｘ２，ｙ２）、挿入開始位置Ｄの座標（ｘ３，ｙ３）及び押込位置Ｐの座標（ｘ４、ｙ４）を算出し、第２ピペット３５の移動経路を設定する。
　次に、ステップＳＴ３２において、制御部４６Ａは、第２ピペット３５の先端を挿入開始位置Ｄに移動させる。第２ピペット３５の初期位置ＩＰと、挿入開始位置Ｄとは、Ｘ座標が同一なので、第２ピペット３５は、Ｙ軸方向に平行に移動する。第２ピペット３５の先端は、操作実行位置ＩＪに対向する。
　次に、ステップＳＴ３４において、制御部４６Ａは、第２ピペット３５の先端を挿入開始位置Ｄから押込位置Ｐまで第１加速度Ｖｌｏｗで移動させる。第１加速度Ｖｌｏｗは、低加速度又は超低加速度である。制御部４６Ａは、第２ピペット３５の先端を挿入開始位置Ｄから押込位置Ｐまで定速で移動させてもよい。挿入開始位置Ｄと押込位置Ｐとは、Ｙ座標が同一なので、第２ピペット３５は、Ｘ軸方向に平行に移動する。第２ピペット３５の先端が細胞膜１０２に当接してから押込位置Ｐに到達するまで、細胞膜１０２は、第２ピペット３５によって穿孔されず、押圧されて変形する。これにより、細胞膜１０２は、張力が付与される。細胞膜１０２は、十分に押圧されると、張力によって硬化状態となる。第２ピペット３５は、ステップＳＴ３４の後、ステップＳＴ３６の前に、押込位置Ｐにおいて所定の時間、待機してもよい。
　次に、ステップＳＴ３６において、制御部４６Ａは、第２ピペット３５の先端を押込位置Ｐから操作実行位置ＩＪまで第２加速度Ｖｈｉｇｈで移動させる。第２加速度Ｖｈｉｇｈは、少なくとも第１加速度Ｖｌｏｗより大きい。第２加速度Ｖｈｉｇｈは、高加速度である。押込位置Ｐと操作実行位置ＩＪとは、Ｙ座標が同一なので、第２ピペット３５は、Ｘ軸方向に平行に移動する。細胞膜１０２は、ステップＳＴ３４において硬化状態になっているので、第２ピペット３５を高速で動かすことによって、衝撃荷重による局所的な破壊が生じ、穿孔される。第２ピペット３５の先端は、細胞膜１０２内に差し込まれる。第２ピペット３５の先端は、核膜１１２内に差し込まれる。
　次に、ステップＳＴ３８において、制御部４６Ａは、第２マニピュレータ１６の注入ポンプ３９を駆動させ、細胞１００に対するＤＮＡ溶液等のインジェクション操作を実行させる。制御部４６Ａは、例えば、予め設定された時間、注入ポンプ３９を駆動させてインジェクション操作を実行させてもよい。画像処理部４３Ｂは、インジェクション操作中に画像処理を実行し、核膜１１２の膨らみを検出して、ＤＮＡ溶液等のインジェクションが完了したか判断してもよい。インジェクション操作を実行した後、ステップＳＴ４０において、制御部４６Ａは、第２ピペット３５を初期位置ＩＰに移動させる。具体的には、第２ピペット３５は、Ｘ軸方向に移動して細胞１００から引き抜かれた後、Ｙ軸方向に移動して初期位置ＩＰに戻る。
　次に、ステップＳＴ４２において、制御部４６Ａは、インジェクション操作が成功したか否かを判断する。ステップＳＴ４２において、インジェクションが成功したと判断された場合（ステップＳＴ４２；Ｙｅｓ）、制御部４６Ａは、試料ステージ２２を駆動し、インジェクション操作後の細胞１００を、成功細胞領域に移動させる。制御部４６Ａは、第１マニピュレータ１４の吸引ポンプ２９を停止させ、第１ピペット２５の吸引を停止させる。これにより、第１ピペット２５の内部が陽圧となり、第１ピペット２５は、細胞１００の保持を解除する。細胞１００は、成功細胞領域に載置される。制御部４６Ａは、再度試料ステージ２２を駆動し、未処理の細胞１００が配置される未処理細胞領域の近傍に第１ピペット２５の先端を移動させる。ステップＳＴ４２において、インジェクションが失敗したと判断された場合（ステップＳＴ４２；Ｎｏ）、制御部４６Ａは、試料ステージ２２を駆動し、インジェクション操作後の細胞１００を、失敗細胞領域に移動させる。制御部４６Ａは、第１マニピュレータ１４の吸引ポンプ２９を停止させ、第１ピペット２５の吸引を停止させる。これにより、第１ピペット２５の内部が陽圧となり、第１ピペット２５は、細胞１００の保持を解除する。細胞１００は、成功細胞領域に載置される。制御部４６Ａは、再度試料ステージ２２を駆動し、未処理の細胞１００が配置される未処理細胞領域の近傍に第１ピペット２５の先端を移動させる。
　ステップＳＴ４４及びステップＳＴ４６の後、ステップＳＴ４８において、制御部４６Ａは、操作実行回数Ｎのカウンタ値を１つ増やして、Ｎ＝Ｎ＋１としてコントローラ４３の記憶部４６Ｂに記憶させる。ステップＳＴ５０において、制御部４６Ａは、操作実行回数Ｎが操作終了回数Ｎｅに達したか否かを判断する。ステップＳＴ５０において、操作実行回数Ｎが操作終了回数Ｎｅよりも小さいと判断された場合（ステップＳＴ５０；Ｎｏ）、ステップＳＴ１４に戻って別の細胞１００に対する保持操作、細胞１００及び核小体１１４の検出操作、核膜１１２内へのインジェクション操作、細胞１００の載置操作を繰り返し実行する。ステップＳＴ５０において、操作実行回数Ｎが操作終了回数Ｎｅ以上と判断された場合（ステップＳＴ５０；Ｙｅｓ）、予め設定された個数の細胞１００に対する操作が終了し、一連の操作を終了する。
　カメラ１８の撮像画像は、焦点位置におけるＸ－Ｙ平面を撮像したものであるので、第２ピペット３５の先端と核小体１１４とのＺ方向の位置が重ならない可能性がある。この場合、第２ピペット３５の先端が核小体１１４の近傍に差し込まれず、インジェクションは失敗することが想定される。本実施形態においては、インジェクションが失敗した場合（ステップＳＴ４２；Ｎｏ）、保持中の細胞１００を失敗細胞領域に移動させて、失敗した細胞１００への操作を中止するが、例えば、未処理細胞領域に移動させて、ステップＳＴ１４に戻ってもよい。例えば、ステップＳＴ１６において、同じ細胞１００の姿勢を変更して保持してもよいし、違う細胞１００を保持してもよい。インジェクションを失敗した細胞１００について、操作者が判断してもよいし、予め設定した条件に基づいて制御部４６Ａが判断してもよい。
　以上説明したように、本実施形態のマニピュレーションシステム１０は、微小対象物が載置される試料ステージ２２と、微小対象物を保持するための第１ピペット２５を備える第１マニピュレータ１４と、第１ピペット２５に保持された微小対象物を操作するための第２ピペット３５を備える第２マニピュレータ１６と、微小対象物を撮像する顕微鏡ユニット１２（撮像部）と、試料ステージ２２、第１ピペット２５、第２ピペット３５及び顕微鏡ユニット１２を制御するコントローラ４３（制御装置）と、を備え、コントローラ４３は、第２ピペット３５の先端を微小対象物の所定の挿入開始位置Ｄから所定の押込位置Ｐまで定速又は第１加速度Ｖｌｏｗで移動させ、且つ、所定時間後に押込位置Ｐから所定の操作実行位置ＩＪまで第１加速度Ｖｌｏｗよりも大きい第２加速度Ｖｈｉｇｈで移動させる。
　これによれば、第２ピペット３５の先端が微小対象物に当接してから押込位置Ｐに到達するまで、微小対象物は、低速で押圧されるため、第２ピペット３５によって穿孔されずに変形する。十分に変形した微小対象物は、高速で押圧されることによって、衝撃荷重による局所的な破壊が生じ、穿孔される。このようなマニピュレーションシステム１０によれば、微小対象物の他の組織を傷付けることなく、容易に穿孔できる。したがって、操作者の熟練度及び技術によらず、操作時の微小対象物への損傷を抑制しつつ、効率よくかつ好適に操作することができる。
　本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、コントローラ４３は、顕微鏡ユニット１２の画像データに基づいて操作実行位置ＩＪを決定する。このようなマニピュレーションシステム１０によれば、撮像された画像データに基づいて、操作実行位置ＩＪを決定するため、操作者の熟練度及び技術によらず、効率よくかつ好適に微小対象物を操作することができる。
　本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、コントローラ４３は、顕微鏡ユニット１２の画像データ及び操作実行位置ＩＪに基づいて挿入開始位置Ｄを決定する。このようなマニピュレーションシステム１０によれば、撮像された画像データ及びと、画像データに基づいて決定された操作実行位置ＩＪと、に基づいて、挿入開始位置Ｄを決定するため、操作者の熟練度及び技術によらず、効率よくかつ好適に微小対象物を穿孔することができる。
　本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、コントローラ４３は、コントローラ４３は、顕微鏡ユニット１２の画像データ及び操作実行位置ＩＪに基づいて押込位置Ｐを決定する。このようなマニピュレーションシステム１０によれば、撮像された画像データ及びと、画像データに基づいて決定された操作実行位置ＩＪと、に基づいて、押込位置Ｐを決定するため、操作者の熟練度及び技術によらず、効率よくかつ好適に微小対象物を穿孔することができる。
　本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、微小対象物は、細胞１００である。これによれば、第２ピペット３５の先端が細胞１００の細胞膜１０２に当接してから押込位置Ｐに到達するまで、細胞膜１０２は、低速で押圧されるため、第２ピペット３５によって穿孔されずに変形する。細胞膜１０２は、十分に押圧されると、張力によって硬化状態となる。硬化状態の細胞膜１０２は、高速で押圧されることによって、衝撃荷重による局所的な破壊が生じ、穿孔される。このようなマニピュレーションシステム１０によれば、細胞１００内の他の組織を傷付けることなく、容易に細胞膜１０２を穿孔することが可能である。したがって、操作者の熟練度及び技術によらず、操作時の細胞１００への損傷を抑制しつつ、効率よくかつ好適に操作することができる。
　本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、コントローラ４３は、顕微鏡ユニット１２の画像データに基づいて細胞１００の核小体１１４の位置を検出する。このようなマニピュレーションシステム１０によれば、撮像された画像データに基づいて、細胞１００の核小体１１４の位置を検出するため、操作者の熟練度及び技術によらず、効率よくかつ好適に核小体１１４を検出することができる。
　本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、コントローラ４３は、核小体１１４の位置に基づいて操作実行位置ＩＪを決定する。このようなマニピュレーションシステム１０によれば、撮像された画像データから検出された核小体１１４の位置に基づいて、操作実行位置ＩＪを決定するため、操作者の熟練度及び技術によらず、効率よくかつ好適に微小対象物を操作することができる。
　本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、操作実行位置ＩＪは、核小体１１４の外側である。このようなマニピュレーションシステム１０によれば、操作実行位置ＩＪを核小体１１４の外部に設定することによって、第２ピペット３５の挿入時に第２ピペット３５の先端が核小体１１４に触れることなくインジェクション操作をすることが可能である。したがって、インジェクション操作において、細胞１００への損傷を抑制できる。
　本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、操作実行位置ＩＪは、核小体の中心Ｃ２からオフセットされた位置である。このようなマニピュレーションシステム１０によれば、第２ピペット３５の挿入時に第２ピペット３５の先端が核小体１１４を損傷させることを抑制できる。したがって、インジェクション操作において、細胞１００への損傷を抑制できる。
　本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、核小体１１４の中心Ｃ２と操作実行位置ＩＪとの第２ピペット３５の挿入方向に直交する交差方向の距離は、核小体１１４の半径ｒより大きい。このようなマニピュレーションシステム１０によれば、操作実行位置ＩＪを核小体１１４の外部に設定できるので、第２ピペット３５の挿入時に第２ピペット３５の先端が核小体１１４に触れることなくインジェクション操作をすることが可能である。したがって、インジェクション操作において、細胞１００への損傷を抑制できる。
　本実施形態のマニピュレーションシステム１０の駆動方法は、細胞１００が載置される試料ステージ２２と、細胞１００を保持するための第１ピペット２５を備える第１マニピュレータ１４と、第１ピペット２５に保持された細胞１００を操作するための第２ピペット３５を備える第２マニピュレータ１６と、を備えるマニピュレーションシステム１０の駆動方法であって、第２ピペット３５の先端を細胞１００の所定の挿入開始位置Ｄに移動させるステップＳＴ２２と、第２ピペット３５の先端を挿入開始位置Ｄから所定の押込位置Ｐまで定速又は第１加速度Ｖｌｏｗで移動させるステップＳＴ２４と、所定時間後に、第２ピペット３５の先端を押込位置Ｐから所定の操作実行位置ＩＪまで第１加速度Ｖｌｏｗよりも大きい第２加速度Ｖｈｉｇｈで移動させるステップＳＴ２６と、を含む。
　これによれば、第２ピペット３５の先端が微小対象物に当接してから押込位置Ｐに到達するまで、微小対象物は、低速で押圧されるため、第２ピペット３５によって穿孔されずに変形する。十分に変形した微小対象物は、高速で押圧されることによって、衝撃荷重による局所的な破壊が生じ、穿孔される。このようなマニピュレーションシステム１０によれば、微小対象物の他の組織を傷付けることなく、容易に穿孔できる。したがって、操作者の熟練度及び技術によらず、操作時の微小対象物への損傷を抑制しつつ、効率よくかつ好適に操作することができる。
　本実施形態のマニピュレーションシステム１０及びマニピュレーションシステム１０の駆動方法は適宜変更してもよい。例えば、第１ピペット２５、第２ピペット３５等の形状等は、微小対象物の種類や、微小対象物に対する操作に応じて適宜変更することが好ましい。微小対象物の保持操作、所定の操作対象位置の検出操作、インジェクション操作、微小対象物の載置操作の各操作において、適宜手順の一部を省略してもよく、また、手順を置換して実行してもよい。
　１０　マニピュレーションシステム
　１１　試料保持部材
　１２　顕微鏡ユニット
　１４　第１マニピュレータ
　１６　第２マニピュレータ
　１８　カメラ
　２０　顕微鏡
　２２　試料ステージ
　２４　第１ピペット保持部材
　２５　第１ピペット
　２６　Ｘ－Ｙ軸テーブル
　２８　Ｚ軸テーブル
　２９　吸引ポンプ
　３０、３２　駆動装置
　３４　第２ピペット保持部材
　３５　第２ピペット
　３６　Ｘ－Ｙ軸テーブル
　３８　Ｚ軸テーブル
　３９　注入ポンプ
　４０、４２　駆動装置
　４３　コントローラ（制御装置）
　４３Ａ　画像入力部
　４３Ｂ　画像処理部
　４３Ｃ　画像出力部
　４３Ｄ　位置検出部
　４４、５４　微動機構
　４４ａ　圧電アクチュエータ
　４５　表示部
　４６Ａ　制御部
　４６Ｂ　記憶部
　４７　ジョイスティック
　４７Ａ　ボタン
　４９　入力部
　８０、８２　転がり軸受
　８０ａ、８２ａ　内輪
　８０ｂ、８２ｂ　外輪
　８０ｃ、８２ｃ　ボール
　８１　焦点合わせ機構
　８４　中空部材
　８４ａ　フランジ部
　８６　ロックナット
　８７　ハウジング
　８８　蓋
　９０　スペーサ
　９２　圧電素子
　１００　細胞
　１０２　細胞膜
　１１０　核
　１１２　核膜
　１１４　核小体
　Ｃ１、Ｃ２　中心
　Ｒ、ｒ　半径
　ＩＰ　初期位置
　Ｄ　挿入開始位置
　Ｐ　押込位置
　ＩＪ　操作実行位置
　Ｌ０　初期距離
　Ｌ　押込量
　α、β　オフセット量

Claims (11)

  1. 　微小対象物が載置される試料ステージと、
    　前記微小対象物を保持するための第１ピペットを備える第１マニピュレータと、
    　前記第１ピペットに保持された前記微小対象物を操作するための第２ピペットを備える第２マニピュレータと、
    　前記微小対象物を撮像する撮像部と、
    　前記試料ステージ、前記第１ピペット、前記第２ピペット及び前記撮像部を制御するコントローラと、を備え、
    　前記コントローラは、前記第２ピペットの先端を前記微小対象物の所定の挿入開始位置から所定の押込位置まで定速又は第１加速度で移動させ、且つ、所定時間後に前記押込位置から所定の操作実行位置まで前記第１加速度よりも大きい第２加速度で移動させるマニピュレーションシステム。
  2. 　前記コントローラは、前記撮像部の画像データに基づいて前記操作実行位置を決定する請求項１に記載のマニピュレーションシステム。
  3. 　前記コントローラは、前記撮像部の画像データ及び前記操作実行位置に基づいて前記挿入開始位置を決定する請求項１又は２に記載のマニピュレーションシステム。
  4. 　前記コントローラは、前記撮像部の画像データ及び前記操作実行位置に基づいて前記押込位置を決定する請求項１から３のいずれか一項に記載のマニピュレーションシステム。
  5. 　前記微小対象物は、細胞である請求項１から４のいずれか一項に記載のマニピュレーションシステム。
  6. 　前記コントローラは、前記撮像部の画像データに基づいて前記細胞の核小体の位置を検出する請求項５に記載のマニピュレーションシステム。
  7. 　前記コントローラは、前記核小体の位置に基づいて前記操作実行位置を決定する請求項６に記載のマニピュレーションシステム。
  8. 　前記操作実行位置は、前記核小体の外側である請求項６又は７に記載のマニピュレーションシステム。
  9. 　前記操作実行位置は、前記核小体の中心からオフセットされた位置である請求項６から８のいずれか一項に記載のマニピュレーションシステム。
  10. 　前記核小体の中心と前記操作実行位置との前記第２ピペットの挿入方向に直交する交差方向の距離は、前記核小体の半径より大きい請求項６から９のいずれか一項に記載のマニピュレーションシステム。
  11. 　微小対象物が載置される試料ステージと、
    　前記微小対象物を保持するための第１ピペットを備える第１マニピュレータと、
    　前記第１ピペットに保持された前記微小対象物を操作するための第２ピペットを備える第２マニピュレータと、
    を備えるマニピュレーションシステムの駆動方法であって、
    　前記第２ピペットの先端を前記微小対象物の所定の挿入開始位置に移動させるステップと、
    　前記第２ピペットの先端を前記挿入開始位置から所定の押込位置まで定速又は第１加速度で移動させるステップと、
    　所定時間後に、前記第２ピペットの先端を前記押込位置から所定の操作実行位置まで前記第１加速度よりも大きい第２加速度で移動させるステップと、を含むマニピュレーションシステムの駆動方法。
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