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JP6138935B2 - Cell image processing apparatus, cell image recognition apparatus, and cell image recognition method - Google Patents
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Cell image processing apparatus, cell image recognition apparatus, and cell image recognition method Download PDF

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Description

本発明は、細胞画像処理技術に関する。   The present invention relates to a cell image processing technique.

現在、細胞を生体外で培養し、組織や臓器へと高機能化する細胞培養技術がある。細胞培養技術により、生体現象の再現性が高く、操作性、経済性の高い試験用細胞を製作することができる。製薬などの産業分野では、試験用細胞の利用による、研究開発や臨床試験の早期化や効率化が期待されている。また、細胞培養技術は、体外で培養した細胞の移植による疾患の治療を目指す再生医療への応用が期待されている。細胞培養装置については、例えば特許文献1に記載がある。再生医療用の細胞や組織は、高度な洗浄性が要求される細胞処理施設において、熟練した技術者により製造される。   Currently, there is a cell culture technique for culturing cells ex vivo and enhancing their functions into tissues and organs. Cell culture technology enables the production of test cells with high reproducibility of biological phenomena and high operability and economy. In industrial fields such as pharmaceuticals, the use of test cells is expected to accelerate research and development and clinical trials. In addition, cell culture technology is expected to be applied to regenerative medicine that aims to treat diseases by transplanting cells cultured outside the body. The cell culture device is described in Patent Document 1, for example. Cells and tissues for regenerative medicine are manufactured by skilled engineers in cell processing facilities that require a high degree of cleanability.

特開2012−130297号公報JP 2012-130297 A

しかし、このような製造形態は、製造コストが高く、技術者の熟練度への依存度が高く、生物学的な汚染リスクが高いという課題がある。例えば現在利用可能な細胞培養装置においては、細胞の成長状況を確認するために、定期的に技術者が細胞の状態をチェックし、問題があれば技術者が培養環境を調節するなどの作業が必要である。さらに、チェックすべき内容は細胞の成長段階に応じて異なる。例えば培養の初期や中期においては細胞が順調に増殖しているかどうか、後期においては増殖した細胞の品質のチェックが必要とされる。このため、成長段階に応じた制御が必要である。   However, such a manufacturing form has a problem that the manufacturing cost is high, the degree of dependence on the skill level of engineers is high, and the risk of biological contamination is high. For example, in currently available cell culture devices, engineers regularly check the cell status to check the cell growth status, and if there is a problem, the technician adjusts the culture environment. is necessary. Furthermore, the contents to be checked vary depending on the stage of cell growth. For example, it is necessary to check whether or not the cells are growing smoothly in the early and middle stages of the culture and in the later stage, the quality of the grown cells. For this reason, control according to the growth stage is necessary.

各成長段階に応じた細胞の状態のモニタリングを画像認識により代用することができれば、人手による定期的なチェック、技術者の熟練度への依存、生物学的な汚染リスクを低減できる。   If monitoring of the state of the cells according to each growth stage can be substituted by image recognition, it is possible to reduce periodic manual checks, dependence on the skill level of engineers, and the risk of biological contamination.

そこで、本発明は、細胞培養中の各段階で撮影された顕微鏡画像を画像処理することにより、細胞の成長状況を自動的にモニタリングできる技術を提案する。   Therefore, the present invention proposes a technique capable of automatically monitoring the growth state of cells by performing image processing on microscopic images taken at each stage during cell culture.

上記課題を解決するために、例えば請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「細胞培養装置において培養されている細胞を撮像した画像から背景分離画像と細胞輪郭画像を生成し、前記背景分離画像に含まれるノイズ成分を前記細胞輪郭画像で除去し、前記細胞輪郭画像に含まれるノイズ成分を前記背景分離画像により除去し、ノイズ成分を除去した背景分離画像と細胞輪郭画像を用いて個々の細胞領域を認識する細胞認識部と、前記認識の結果に基づいて、細胞の成長段階を判定する細胞成長段階判定部と、細胞の成長段階の前期では、細胞数と細胞位置に基づいて異常判定を行い、細胞の成長段階の後期では、細胞占有率に基づいて異常の有無を判定する異常判定部と、前記異常の有無判定において異常が認められた場合には、環境制御又はアラームを発する異常状態処理部と、細胞占有率に基づいて前記細胞培養装置による細胞の培養が完成したか否か判定し、及び/又は、前記細胞占有率に基づいて品質評価値を出力する完成判定部とを有する細胞画像処理装置」を特徴とする。   In order to solve the above problems, for example, the configuration described in the claims is adopted. The present application includes a plurality of means for solving the above-mentioned problems. To give an example of this, “a background separation image and a cell contour image are generated from an image of cells cultured in a cell culture device, and the background The noise component included in the separated image is removed by the cell outline image, the noise component contained in the cell outline image is removed by the background separated image, and the background separated image and the cell outline image from which the noise component has been removed are individually used. A cell recognition unit for recognizing a cell region of the cell, a cell growth stage determination unit for determining a cell growth stage based on the recognition result, and an abnormality based on the number of cells and the cell position in the first stage of the cell growth stage In the later stage of the cell growth stage, an abnormality determination unit that determines the presence / absence of an abnormality based on the cell occupancy rate and an abnormality in the presence / absence determination of the abnormality are An abnormal state processing unit that issues a control or alarm, and determines whether or not the cell culture by the cell culture device is completed based on the cell occupancy rate, and / or outputs a quality evaluation value based on the cell occupancy rate A cell image processing apparatus having a completion determination unit.

本発明によれば、細胞培養装置における細胞の成長状況を自動的かつ定量的にモニタリングすることができる。これにより、人手により細胞の成長状況を定期的にチェックする場合に比してコスト(人件費)、技術者の熟練度への依存、生物学的汚染リスクを低減する。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the growth condition of the cell in a cell culture apparatus can be monitored automatically and quantitatively. This reduces costs (labor costs), dependence on the skill level of engineers, and the risk of biological contamination as compared with the case where cell growth is regularly checked manually. Problems, configurations, and effects other than those described above will become apparent from the following description of embodiments.

実施例に係る細胞培養装置の主要な構成部分を示す図。The figure which shows the main components of the cell culture apparatus which concerns on an Example. 実施例に係る細胞培養装置の全体図。The whole figure of the cell culture device concerning an example. 実施例に係る細胞培養装置の正面図。The front view of the cell culture apparatus which concerns on an Example. 実施例に係る細胞培養装置の側面図。The side view of the cell culture apparatus which concerns on an Example. 培養時に実行される処理の流れを説明する図。The figure explaining the flow of the process performed at the time of culture | cultivation. 細胞画像処理の流れを説明する図。The figure explaining the flow of cell image processing. 顕微鏡画像(入力画像)の例を示す図。The figure which shows the example of a microscope image (input image). 細胞の模式図による細胞分離画像と細胞輪郭画像の生成処理を説明する図。The figure explaining the production | generation process of the cell separation image by the schematic diagram of a cell, and a cell outline image. 背景分離処理602の具体例を示すフローチャート。5 is a flowchart showing a specific example of background separation processing 602. 二値化処理により得られる背景分離画像の例を示す図。The figure which shows the example of the background separation image obtained by a binarization process. 図10に示す画像に背景孤立点除去処理を適用した後の背景分離画像の例を示す図。The figure which shows the example of a background separation image after applying a background isolated point removal process to the image shown in FIG. 図11に示す画像に細胞内穴埋め処理を適用した後の背景分離画像Aの例を示す図。The figure which shows the example of the background separation image A after applying the intracellular hole-filling process to the image shown in FIG. 細胞輪郭画像Aの例を示す図。The figure which shows the example of the cell outline image A. 入力画像のうち背景分離画像Aの黒画素に対応する部分を黒画素化した図。The figure which changed the black pixel of the part corresponding to the black pixel of the background separation image A among input images. 入力画像のうち背景分離画像Bの黒画素に対応する部分を黒画素化した図。The figure which changed the black pixel of the part corresponding to the black pixel of the background separation image B among input images. 細胞輪郭画像Cの模式図を示す図。The figure which shows the schematic diagram of the cell outline image C. FIG. 細胞輪郭画像Cの例を示す図。The figure which shows the example of the cell outline image C. FIG. 細胞セグメンテーション処理のイメージを説明する図。The figure explaining the image of a cell segmentation process. 背景分離処理602の他の具体例を示すフローチャート。12 is a flowchart illustrating another specific example of the background separation process 602.

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明の実施態様は、後述する形態例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment of the present invention is not limited to the embodiments described later, and various modifications can be made within the scope of the technical idea.

ここでは、本明細書で提案する画像処理機能(細胞画像処理機能)を搭載する細胞培養装置の実施例を、図表を参照しながら説明する。   Here, an embodiment of a cell culture device equipped with an image processing function (cell image processing function) proposed in this specification will be described with reference to the drawings.

(装置構成)
図1に、本実施例に係る細胞培養装置101の主要な構成部分を示す。図1に示す細胞培養装置101は、入力装置102、表示装置103、イメージ取得装置104、通信装置105、演算装置(CPU)106、外部記憶装置107、培養容器108、環境制御装置109を備えている。
(Device configuration)
FIG. 1 shows main components of a cell culture device 101 according to the present embodiment. A cell culture device 101 shown in FIG. 1 includes an input device 102, a display device 103, an image acquisition device 104, a communication device 105, a computing device (CPU) 106, an external storage device 107, a culture vessel 108, and an environment control device 109. Yes.

入力装置102は、コマンド等を入力するためのキーボード、マウス等である。入力装置102は、演算装置(CPU)106で実行されるプログラムの制御や細胞培養装置101に接続された機器の制御のために実行されるコマンド等を入力するために使用される。表示装置103は、処理内容を適宜表示するディスプレイ等の装置である。イメージ取得装置104は、顕微鏡、カメラなどのイメージ取得用の装置である。イメージ取得装置104は、培養容器108内の細胞を顕微鏡で拡大した画像の取得に用いられる。取得された画像は、外部記憶装置等に記憶してもよい。通信装置105は、PC、サーバ等の外部機器との間でデータのやりとりを行うために用いる。通信装置105は、ユーザによる実行コマンドの外部機器からの取得、画像、テキストなどのデータの外部機器からの取得等の目的に用いられる。また、通信装置105は、細胞培養装置101における処理内容や画像を、外部機器に送信する等の目的にも用いられる。   The input device 102 is a keyboard, mouse, or the like for inputting commands and the like. The input device 102 is used to input a command executed for controlling a program executed by the arithmetic unit (CPU) 106 and a device connected to the cell culture device 101. The display device 103 is a device such as a display that displays processing contents as appropriate. The image acquisition device 104 is an image acquisition device such as a microscope or a camera. The image acquisition device 104 is used to acquire an image obtained by enlarging cells in the culture vessel 108 with a microscope. The acquired image may be stored in an external storage device or the like. The communication device 105 is used to exchange data with an external device such as a PC or a server. The communication device 105 is used for purposes such as acquisition of an execution command by an user from an external device, acquisition of data such as an image and text from an external device, and the like. The communication device 105 is also used for the purpose of transmitting processing contents and images in the cell culture device 101 to an external device.

演算装置(CPU)106は、細胞画像の認識処理などを実行する計算装置である。外部記憶装置107は、HDD、メモリ等の記憶装置である。外部記憶装置107には、イメージ取得装置104で撮影した画像や処理途中の画像、処理結果などの各種データが保存される。外部記憶装置107には、演算装置(CPU)106により実行される処理の途中で生成されるデータ等の一時的な記憶にも用いられる。なお、細胞培養装置101は、入力装置102、表示装置103、イメージ取得装置104、通信装置105を有しなくてもよい。例えば入力装置102を有しない場合、処理の開始は、通信装置105を用いて外部機器から指示するか、又は、時刻指定等により自動的に行う。表示装置103を有しない場合には、処理結果は通信装置105を用いて外部機器に送信するか、外部記憶装置107に記憶しておく。   The computing device (CPU) 106 is a computing device that executes cell image recognition processing and the like. The external storage device 107 is a storage device such as an HDD or a memory. The external storage device 107 stores various data such as images captured by the image acquisition device 104, images being processed, and processing results. The external storage device 107 is also used for temporary storage of data or the like generated during processing executed by the arithmetic unit (CPU) 106. Note that the cell culture device 101 does not have to include the input device 102, the display device 103, the image acquisition device 104, and the communication device 105. For example, when the input device 102 is not provided, the start of processing is instructed from an external device using the communication device 105, or is automatically performed by time designation or the like. If the display device 103 is not provided, the processing result is transmitted to an external device using the communication device 105 or stored in the external storage device 107.

処理を実行するモジュールの出力と入力は、外部記憶装置107を介して行ってもよい。すなわち、第1のモジュールが、その処理結果を第2のモジュールに出力し、第2のモジュールが前記処理結果を入力として受け取る場合、実際には、第1のモジュールが処理結果を外部記憶装置107に出力して記憶し、当該第1のモジュールの出力結果を第2のモジュールは外部記憶装置107から取得してもよい。   Output and input of a module that executes processing may be performed via the external storage device 107. That is, when the first module outputs the processing result to the second module and the second module receives the processing result as an input, the first module actually sends the processing result to the external storage device 107. The second module may obtain the output result of the first module from the external storage device 107.

本実施例に係る細胞培養装置101には、培養容器中に細胞の種を播種し、細胞を増殖させて細胞シートを作製するための不図示の機構部や制御部も搭載されている。また、本実施例に係る細胞培養装置101には、細胞の成長状況を自動的かつ定量的にモニタリングできるように、後述する画像処理機能(細胞画像処理機能)が搭載されている。   The cell culture apparatus 101 according to the present embodiment is also equipped with a mechanism unit and a control unit (not shown) for seeding a cell seed in a culture container and growing the cell to produce a cell sheet. Further, the cell culture apparatus 101 according to the present embodiment is equipped with an image processing function (cell image processing function) described later so that the growth state of the cells can be automatically and quantitatively monitored.

ここで、細胞培養装置101には、細胞の成長状況のチェックを定期的かつ自動的に実行し、チェックの結果に問題があれば、培養環境を自動的に調節するなどの対応動作を実現する必要がある。例えば細胞増殖が初期及び中期の場合、細胞培養装置101には、細胞が正常な成長曲線に沿って増殖しているか否かをチェックする機能が必要とされる。この場合、予め与えられた正常な成長曲線が判断基準として用いられる。また、細胞増殖が後期の場合、細胞培養装置101には、細胞シートの品質を維持するために、穴(シート内のうち細胞が無い部分)が小さいか否かをチェックする機能が必要とされる。   Here, the cell culture device 101 periodically and automatically checks the cell growth status, and if there is a problem with the check result, realizes a corresponding operation such as automatically adjusting the culture environment. There is a need. For example, when cell growth is in the early and middle stages, the cell culture device 101 is required to have a function of checking whether the cells are growing along a normal growth curve. In this case, a normal growth curve given in advance is used as a criterion. In addition, when cell growth is late, the cell culture device 101 is required to have a function of checking whether or not the hole (the portion in the sheet where there is no cell) is small in order to maintain the quality of the cell sheet. The

このため、本実施例で提案する画像処理機能(細胞画像処理機能)として、細胞増幅の初期及び中期においては細胞の数をカウント(計数)し、後期においては細胞が無い部分を認識する機能を用意する。ただし、処理対象とする細胞画像に現れる細胞の形状は、楕円状、線状などの比較的単純な形状に限られず、複雑な形を有し、大きさが異なる細胞も扱う必要がある。また、細胞画像においては、細胞同士が接触している場合や細胞の内外を分ける輝度、色などの特徴が乏しい場合など、個々の細胞を正しく認識することが困難である場合も想定される。後述する画像処理機能(細胞画像処理機能)には、このように一般には認識が難しい細胞画像についても正確に個々の細胞を認識するための仕組みが用意されている。   For this reason, as an image processing function (cell image processing function) proposed in this embodiment, a function of counting (counting) the number of cells in the early and middle stages of cell amplification and recognizing a part having no cells in the later stage. prepare. However, the shape of the cell appearing in the cell image to be processed is not limited to a relatively simple shape such as an ellipse or a line, and it is also necessary to handle cells having complicated shapes and different sizes. In addition, in a cell image, it is assumed that it is difficult to correctly recognize individual cells, for example, when cells are in contact with each other or when features such as brightness and color that separate cells are poor. An image processing function (cell image processing function) described later is provided with a mechanism for accurately recognizing individual cells even for cell images that are generally difficult to recognize.

続いて、自動培養装置210を、図2〜図4を用いて説明する。自動培養装置210は、図1に示す細胞培養装置101の具体例の一つである。図2は自動培養装置210の全体図であり、図3は細胞培養装置の正面図であり、図4は細胞培養装置の側面図である。なお、図2〜図4では、互いに同一部分に同一の符号を付して表している。   Subsequently, the automatic culture apparatus 210 will be described with reference to FIGS. The automatic culture apparatus 210 is one example of the cell culture apparatus 101 shown in FIG. 2 is an overall view of the automatic culture apparatus 210, FIG. 3 is a front view of the cell culture apparatus, and FIG. 4 is a side view of the cell culture apparatus. 2 to 4, the same parts are denoted by the same reference numerals.

自動培養装置210の筐体の正面側には、細胞培養室扉211と中間室扉217が開閉可能に取り付けられている。細胞培養室扉211の奥には細胞培養室213が設けられ、中間室扉217の奥には中間室216が配置される。これらの扉には、それらが閉じられたときに内部を密閉するストッパや断熱機構が設けられている。細胞培養室扉211と中間室扉217が閉じることで、自動培養装置210の内部の密閉性や温度を保持することができる。   A cell culture chamber door 211 and an intermediate chamber door 217 are attached to the front side of the casing of the automatic culture apparatus 210 so as to be openable and closable. A cell culture chamber 213 is provided behind the cell culture chamber door 211, and an intermediate chamber 216 is disposed behind the intermediate chamber door 217. These doors are provided with a stopper and a heat insulating mechanism for sealing the inside when they are closed. By closing the cell culture chamber door 211 and the intermediate chamber door 217, it is possible to maintain the airtightness and temperature inside the automatic culture apparatus 210.

中間室216の内部には、冷蔵庫214が配置されており、その正面側には冷蔵庫扉212が開閉可能に取り付けられている。冷蔵庫扉212にも、前述の扉と同様の機構が設けられている。自動培養装置210の下部には制御部215が配置されている。制御部215は他の区画から独立しており、細胞培養室213内の温度、湿度、二酸化炭素を遮断している。   A refrigerator 214 is disposed inside the intermediate chamber 216, and a refrigerator door 212 is attached to the front side thereof so as to be opened and closed. The refrigerator door 212 is also provided with the same mechanism as the door described above. A control unit 215 is disposed below the automatic culture apparatus 210. The control unit 215 is independent of other compartments and blocks the temperature, humidity, and carbon dioxide in the cell culture chamber 213.

細胞培養室213には、培養容器220、培養容器を保持する培養容器ベース221、培養容器ベース221を回転駆動する回転機構222、ポンプ223、弁224、タンク225、駆動ベース227、顕微鏡228、ステージ229、コネクタボード230、コネクタ231、流路240、チューブ241、シリンジ243、シリンジポンプ244が配置される。このうち、培養容器220が培養容器108(図1)に対応し、顕微鏡228が撮像装置としてのイメージ取得装置104(図1)に対応する。   The cell culture chamber 213 includes a culture vessel 220, a culture vessel base 221 that holds the culture vessel, a rotation mechanism 222 that rotationally drives the culture vessel base 221, a pump 223, a valve 224, a tank 225, a drive base 227, a microscope 228, a stage. 229, a connector board 230, a connector 231, a flow path 240, a tube 241, a syringe 243, and a syringe pump 244 are arranged. Among these, the culture vessel 220 corresponds to the culture vessel 108 (FIG. 1), and the microscope 228 corresponds to the image acquisition device 104 (FIG. 1) as an imaging device.

冷蔵庫214には、培地ベース232が配置される。細胞培養室213と冷蔵庫214の間には、両空間をシールするシール233が配置される。なお、細胞培養室213と冷蔵庫214の壁には、シール233を設置するためのツメ部234が設けられている。   A medium base 232 is disposed in the refrigerator 214. Between the cell culture chamber 213 and the refrigerator 214, a seal 233 that seals both spaces is disposed. Note that a claw portion 234 for installing the seal 233 is provided on the walls of the cell culture chamber 213 and the refrigerator 214.

この他、自動培養装置210には、温度、湿度等の調整に使用するファン(中間室用)250、フィルタ(中間室用)251、ファン(制御部用)252、吸気用フィルタ253、排気用フィルタ254が設けられる。図4では、中間室216における空気の流れを矢印255で示し、制御部215における空気の流れを矢印256で表している。   In addition, the automatic culture apparatus 210 includes a fan (for an intermediate chamber) 250, a filter (for an intermediate chamber) 251, a fan (for a control unit) 252, an intake filter 253, and an exhaust gas used for adjusting temperature, humidity, and the like. A filter 254 is provided. In FIG. 4, the air flow in the intermediate chamber 216 is indicated by an arrow 255, and the air flow in the control unit 215 is indicated by an arrow 256.

ここで、ファン等の空調設備を制御する各種の環境制御装置の総称が、環境制御装置109(図1)に対応する。また、顕微鏡228は、演算装置106(図1)と外部記憶装置107(図1)を内蔵しても良い。演算装置106の処理結果を、通信装置105を通じて細胞培養装置101から外部の計算機に送信し、外部の計算機において処理結果を表示してもよい。また、顕微鏡228で撮像した画像を、通信装置105を通じて外部の計算機(演算装置106、外部記憶装置107、入力装置102、表示装置103を備える計算機)に送信し、外部の計算機において画像を処理してもよい。   Here, a general term for various environmental control devices that control air conditioning equipment such as fans corresponds to the environmental control device 109 (FIG. 1). Further, the microscope 228 may incorporate the arithmetic device 106 (FIG. 1) and the external storage device 107 (FIG. 1). The processing result of the arithmetic device 106 may be transmitted from the cell culture device 101 to an external computer through the communication device 105, and the processing result may be displayed on the external computer. In addition, an image captured by the microscope 228 is transmitted to an external computer (a computer including the arithmetic device 106, the external storage device 107, the input device 102, and the display device 103) through the communication device 105, and the image is processed in the external computer. May be.

(培養時に実行される処理の流れ)
ここでは、図5を用い、自動培養装置210による培養処理の流れを説明する。本実施例に係る自動培養装置210は、定期的に培養中の細胞を撮影し、撮影された画像を画像の処理を通じ、細胞の位置を認識し、細胞の数を計数し、細胞の占有率を計算処する。また、自動培養装置210は、これらの処理結果に基づいて培養中の細胞の成長段階を判定し、成長段階に応じて報告内容を変更し、異常判定の方法を変更し、異常時にはアラームの出力と環境制御等を実行する。
(Flow of processing executed during culture)
Here, the flow of the culture process performed by the automatic culture apparatus 210 will be described with reference to FIG. The automatic culture apparatus 210 according to the present embodiment periodically captures cells in culture, recognizes the position of the cells through image processing of the captured images, counts the number of cells, and occupies the cells. Calculate. In addition, the automatic culture apparatus 210 determines the growth stage of the cells in culture based on the processing results, changes the report content according to the growth stage, changes the abnormality determination method, and outputs an alarm when abnormal. And execute environmental control.

以下の処理は、演算装置106におけるプログラムの実行を通じて実現される。まず、自動培養装置210は、培養容器220に細胞の種を播く(501)。次に、自動培養装置210は、顕微鏡228により培養容器220中の細胞を拡大した画像を撮影し、演算装置106において画像中の細胞の位置を認識する(502)。また、演算装置106は、認識された細胞の個数の計数、細胞が占有する面積の計算、細胞が占有する比率(占有率)を計算する。この計算処理は、初回の実行時刻は予め設定されており、初回の実行時刻から一定時間後、又は、細胞の成長状況に応じて定期的に、処理(502)が開始されるようにプログラムされる。   The following processing is realized through execution of a program in the arithmetic device 106. First, the automatic culture apparatus 210 seeds cell seeds in the culture vessel 220 (501). Next, the automatic culture device 210 captures an enlarged image of the cells in the culture vessel 220 using the microscope 228, and the arithmetic device 106 recognizes the position of the cells in the image (502). The computing device 106 also counts the number of recognized cells, calculates the area occupied by the cells, and calculates the ratio occupied by the cells (occupation rate). This calculation process is programmed so that the first execution time is preset and the process (502) is started after a certain time from the first execution time or periodically according to the growth state of the cells. The

次に、演算装置106は、計算された細胞の個数、占有率、経過時間などに基づいて細胞の成長段階を判定する(503)。以下に、幾つかの判定基準例を説明する。例えば予め細胞種や播種密度が決まっている場合には、経過時間により成長段階を判定することができる。これらの情報が決まっていない場合には、細胞占有率が一定の閾値を超えたとき、成長段階の後期に入ったと判定してもよい。また、占有率や細胞個数を時間ごとに記録し、細胞個数の増加又は占有率の増加の割合が鈍ってくると(増加率が一定の閾値以下となると)、成長段階の後期に入ったと判断してもよい。それ以外の場合には、初期又は中期と判断する。   Next, the computing device 106 determines a cell growth stage based on the calculated number of cells, occupation rate, elapsed time, and the like (503). Below, some examples of determination criteria will be described. For example, when the cell type and the seeding density are determined in advance, the growth stage can be determined based on the elapsed time. If these pieces of information are not determined, it may be determined that the growth phase has been entered later when the cell occupancy rate exceeds a certain threshold. Also, the occupation rate and the number of cells are recorded every hour, and if the increase in the number of cells or the rate of increase in the occupation rate slows down (when the increase rate falls below a certain threshold value), it is judged that it has entered the later stage of the growth stage. May be. In other cases, it is determined as the initial period or the middle period.

因みに、成長段階の初期又は中期と判定された場合、細胞の個数が成長曲線通りに増加しているか否か、死滅している細胞の個数などが異常か否か等を判断基準として使用する。一方、成長段階の後期と判定された場合、細胞の非占有部分の大きさ、細胞の個数を判断基準として使用する。   Incidentally, when it is determined that the cell is in the early or middle stage of growth, whether or not the number of cells is increasing according to the growth curve, whether or not the number of dead cells is abnormal is used as a criterion. On the other hand, when it is determined that it is in the later stage of the growth stage, the size of the unoccupied portion of the cell and the number of cells are used as the determination criteria.

前述の判定において、成長段階の初期又は中期と判定された場合、演算装置106は、現時刻までに計数された細胞数、認識された細胞位置を判定履歴として記録する(504)。演算装置106は、現時刻までの細胞数、細胞位置の判定履歴を参照し、細胞の成長に異常があるか否かを判定する(506)。   In the above-described determination, when it is determined that the growth stage is in the initial or middle period, the arithmetic unit 106 records the number of cells counted up to the current time and the recognized cell position as a determination history (504). The computing device 106 refers to the determination history of the number of cells and the cell position up to the current time, and determines whether there is an abnormality in cell growth (506).

まず、個数を判断基準として使用する場合について説明する。この場合、演算装置106は、予め設定された正常な成長曲線(細胞個数)との差、成長曲線の形状の差などに基づいて評価し、差分が一定の閾値を超えた場合に異常と判定する。なお、成長曲線の形状の差に基づいて評価する場合、例えば正常な成長曲線の形状に近くなるように、現時刻以前の実際の成長曲線のスケールを変更し、正常な成長曲線に基づく同時刻の細胞数と実際の細胞数との差を求める方法がある。また、正常な成長曲線と実際の成長曲線の現時刻以前の細胞数の最小自乗誤差を求める方法も考えられる。   First, the case where the number is used as a determination criterion will be described. In this case, the arithmetic unit 106 evaluates based on a difference from a preset normal growth curve (number of cells), a difference in the shape of the growth curve, and the like, and determines that an abnormality occurs when the difference exceeds a certain threshold value. To do. When evaluating based on the difference in the shape of the growth curve, for example, the scale of the actual growth curve before the current time is changed so that it approximates the shape of the normal growth curve, and the same time based on the normal growth curve. There is a method for obtaining the difference between the number of cells and the actual number of cells. Another possible method is to obtain the least square error of the number of cells before the current time of the normal growth curve and the actual growth curve.

次に、細胞位置を判断基準として用いる場合について説明する。演算装置106は、記録されている過去の個々の細胞位置の情報より、個々の細胞を追跡することができる。この場合、演算装置106は、動きが少ない細胞は死んでいると判断することができる。このような死滅細胞の個数も異常かどうかを判断するための判断基準となる。   Next, a case where the cell position is used as a determination criterion will be described. The computing device 106 can track individual cells based on the recorded information of individual cell positions in the past. In this case, the arithmetic unit 106 can determine that the cell with little movement is dead. This number of dead cells is also a criterion for determining whether or not there is an abnormality.

演算装置106は、以上のような正常な成長曲線との差、死滅細胞の個数等に基づいて、細胞の成長に異常があるか否かを判定する。   The computing device 106 determines whether or not there is an abnormality in cell growth based on the difference from the normal growth curve as described above, the number of dead cells, and the like.

成長段階の後期と判定された場合、演算装置106は、細胞非占有領域の大きさ、個数などを判定履歴として記録する(505)。演算装置106は、現時刻までの細胞非占有領域の大きさ、個数などに基づいて品質が異常か否かを判定する(506)。   When it is determined that the growth stage is late, the computing device 106 records the size, number, etc. of the cell non-occupied areas as a determination history (505). The computing device 106 determines whether the quality is abnormal based on the size, number, etc. of the cell non-occupied areas up to the current time (506).

成長段階の後期では、細胞が無い部分(細胞非占有部分)が小さい方が、品質が良い。例えば演算装置106は、非占有領域の連結成分のうち一定以上の大きさの領域があるか、非占有率が一定の閾値以上であるか、非占有領域の連結成分の個数が一定以上か、過去の履歴を参照した場合に、時間が経過してもなかなか埋まらない非占有領域の連結成分があるか等に基づいて、細胞の成長に異常があるか否かを判定する。   In the later stage of the growth stage, the smaller the part without cells (the part not occupied by cells), the better the quality. For example, the computing device 106 has an area of a certain size or more among the connected components of the non-occupied region, whether the non-occupancy rate is greater than a certain threshold, When referring to the past history, it is determined whether or not there is an abnormality in cell growth based on whether there is a connected component of the unoccupied region that is not easily filled even after a lapse of time.

異常と判定された場合、演算装置106は、2つの動作を実行する。演算装置106は、動作の1つとして、温度、湿度などの培養環境を自動的に調整する制御動作(環境制御)を実行する(507)。制御動作の内容は、経験に基づいて予めプログラムしておく。また、演算装置106は、動作の1つとして、アラームの報知処理を実行する(508)。アラームの報知は、自動的な環境制御が不可能であると判断した場合など、人手による制御が必要と判定した場合に実行される。ここで、自動的な環境制御が不可能であると判断される場合には、例えば異常の程度が著しい場合、処理507の過去の制御結果の履歴から状況が改善できない場合などが想定される。アラームは、表示装置や通信装置などを通じて作業者に通知される。   When it is determined that there is an abnormality, the arithmetic device 106 performs two operations. As one of the operations, the arithmetic unit 106 executes a control operation (environment control) for automatically adjusting the culture environment such as temperature and humidity (507). The contents of the control operation are programmed in advance based on experience. Further, the arithmetic unit 106 executes alarm notification processing as one of the operations (508). The alarm notification is executed when it is determined that manual control is necessary, such as when it is determined that automatic environmental control is impossible. Here, when it is determined that automatic environmental control is impossible, for example, a case where the degree of abnormality is significant or a situation cannot be improved from a history of past control results of processing 507 is assumed. The alarm is notified to the worker through a display device or a communication device.

環境制御後又は異常と判定されなかった場合、演算装置106は、成長段階に応じて処理509及び510のいずれかに進む。成長段階が初期又は中期であった場合、演算装置106は、この段階で有用な情報である細胞数、死滅数、これまでの細胞の成長曲線などを出力する(509)。処理509の実行から一定時間が経過した後、演算装置106は、処理502に戻る。成長段階が後期であった場合、演算装置106は、この段階で有用な情報である占有率、品質評価値などを出力する(510)。ここでの品質評価値とは、非占有領域の連結成分の個数、非占有領域の連結成分のうち最大成分の大きさ、非占有率、個々の連結成分の非占有率の履歴などである。   After the environmental control or when it is not determined to be abnormal, the arithmetic unit 106 proceeds to one of the processes 509 and 510 depending on the growth stage. When the growth stage is in the initial stage or the middle stage, the computing device 106 outputs the number of cells, the number of deaths, the growth curve of the cells so far, etc., which are useful information at this stage (509). After a predetermined time has elapsed since the execution of the process 509, the arithmetic unit 106 returns to the process 502. When the growth stage is the latter stage, the arithmetic unit 106 outputs the occupation rate, quality evaluation value, etc., which are useful information at this stage (510). Here, the quality evaluation value includes the number of connected components in the non-occupied region, the size of the maximum component among the connected components in the non-occupied region, the unoccupied rate, the history of the unoccupied rate of each connected component, and the like.

成長段階が後期の場合には、さらに、細胞の培養を終了してよいか否かを判定する(511)。すなわち、完了判定を実行する。演算装置106は、例えば品質評価値が一定の基準をクリアした場合、これ以上時間が経過しても品質が向上しないと判定された場合(過去の履歴を参照し、非占有領域が小さくなる割合が鈍ってきた場合など)に、培養が完成したと判定する。培養が完成したと判定された場合、演算装置106は、培養の完成を表示装置、通信装置などを通じて報知する(512)。一方、培養が完成していない場合、演算装置106は、完成判定の一定時間後に、処理502に戻る。   If the growth stage is late, it is further determined whether or not the cell culture can be terminated (511). That is, completion determination is executed. For example, when the quality evaluation value clears a certain standard, the arithmetic unit 106 determines that the quality does not improve even if a longer time elapses (the rate at which the unoccupied area becomes smaller with reference to the past history) It is determined that the culture has been completed. When it is determined that the culture is completed, the arithmetic device 106 notifies the completion of the culture through a display device, a communication device, etc. (512). On the other hand, when the culture is not completed, the arithmetic unit 106 returns to the process 502 after a predetermined time of completion determination.

(細胞画像認識処理)
図6を用い、本実施例に係る細胞画像処理の流れを説明する。この細胞画像処理は、演算装置106が処理502(図5)で実行する。演算装置106は、入力画像601として、培養装置内で撮影された培養細胞の顕微鏡画像を取得する。細胞画像処理では、この顕微鏡画像から個々の細胞の位置を認識し、細胞の個数を数える(計数)処理を実行する。
(Cell image recognition processing)
The flow of cell image processing according to the present embodiment will be described with reference to FIG. This cell image processing is executed by the arithmetic device 106 in the processing 502 (FIG. 5). The arithmetic device 106 acquires, as the input image 601, a microscopic image of cultured cells taken in the culture device. In the cell image processing, the position of each cell is recognized from the microscope image, and the number of cells is counted (counting).

ところで、演算装置106が、自動的に、顕微鏡画像から個々の細胞の位置を認識し、細胞の個数を数える(計数)には、次のような技術上の困難がある。まず、細胞培養装置で扱う細胞の形状が楕円形、線形などの比較的単純な形状に限られず、複雑な形状の細胞を扱う必要がある場合が想定されることである。形状が複雑な場合には、細胞の認識に、事前に想定したパタンマッチングの方法などの手法を使うことができない。また、扱う細胞の大きさも一定ではなく様々であり、複数の細胞が互いに重なり、接触している可能性もある。さらに、顕微鏡画像では、細胞内部と背景部分を分けるような色や輝度の特徴に乏しい場合があり、色や輝度を基準とした二値化処理などでは、細胞部分と背景部分を正確に分離できない場合がある。   By the way, there are the following technical difficulties in the calculation device 106 automatically recognizing the position of each cell from the microscope image and counting (counting) the number of cells. First, the shape of the cell handled by the cell culture device is not limited to a relatively simple shape such as an ellipse or a line, and it is assumed that it is necessary to handle a cell having a complicated shape. When the shape is complicated, a method such as a pattern matching method that is assumed in advance cannot be used for cell recognition. In addition, the size of cells to be handled is not constant but varies, and there is a possibility that a plurality of cells overlap and contact each other. In addition, the microscopic image may have poor color and brightness characteristics that separate the interior of the cell from the background, and binarization based on color and brightness cannot accurately separate the cell and background. There is a case.

そこで、本実施例の細胞画像処理においては、前述のように細胞部分と背景部分の分離が難しい状況でも、背景分離画像と細胞輪郭抽出画像の生成精度が上がるように、背景分離処理と細胞輪郭抽出処理のお互いの利点を活かしつつ、相互に組み合わせる手法を採用する。   Therefore, in the cell image processing of the present embodiment, the background separation processing and the cell contour are performed so that the generation accuracy of the background separation image and the cell contour extraction image is improved even in the situation where it is difficult to separate the cell portion and the background portion as described above. Adopt a method of combining each other while taking advantage of each other's advantages of the extraction process.

例えば背景分離画像には、本来は細胞の外側の領域であるにもかかわらず、細胞の内部として認識された領域が含まれることがある。そこで、本実施例の細胞画像処理においては、細胞輪郭画像の輪郭よりも細胞からみて外側にある細胞内部の成分を除去することにより、背景分離画像のノイズ成分を除去する手法を採用する。   For example, the background separation image may include a region that is recognized as the inside of the cell even though it is originally a region outside the cell. Therefore, in the cell image processing of the present embodiment, a method of removing the noise component of the background separation image by removing the component inside the cell that is outside the cell outline from the outline of the cell outline image is adopted.

また、細胞輪郭画像には、背景のノイズ成分や細胞の内部構造に起因するノイズ成分が含まれる。背景のノイズ成分は、背景分離画像の背景領域に位置する輪郭を除去することにより、細胞内部のノイズ成分は、背景分離画像の背景と非接触の連結成分を除去することにより、それぞれ細胞輪郭画像に含まれるノイズ成分を除去する手法を採用する。   In addition, the cell contour image includes a background noise component and a noise component due to the internal structure of the cell. The background noise component removes the contour located in the background area of the background separation image, and the noise component inside the cell removes the non-contact connected component from the background of the background separation image. The method of removing the noise component contained in is adopted.

本実施例の細胞画像処理は、ノイズ成分が除去された背景分離画像中の細胞クラスタを、同じくノイズ成分が除去された細胞輪郭画像を用いて個々の細胞に分離し、個々の細胞の位置を認識すると共に細胞の個数を計数する。   In the cell image processing of this embodiment, the cell cluster in the background separated image from which the noise component has been removed is separated into individual cells using the cell contour image from which the noise component has been removed, and the position of each cell is determined. Recognize and count the number of cells.

(入力画像601)
入力画像601は、自動培養装置210の培養容器220で培養されている細胞の顕微鏡画像である。図7に示す画像701は、入力画像601をグレースケールに変換した後に、さらに新聞印刷の形式に変換した画像を表している。実際の入力画像はカラーであり、照明の不均一による光のムラがある。また、細胞内部と細胞外部を分けるような明確な色の特徴は一般に乏しい。細胞の境界のうち、背景と細胞部分の境界部分では凸部に光が当たって輝度が高くなっているが、あくまでも境界の一部分であり、細胞の全体を囲んではいない。また、境界の輝度の強さは場所によっても異なる。さらに、細胞の形状は一般に複雑ありで、形状も細胞間で異なり、細胞間の接触があることも分かる。そのため、細胞の個数を精度良く計数するためには、細胞の占有率を計算するだけでは不十分である。
(Input image 601)
The input image 601 is a microscopic image of cells cultured in the culture vessel 220 of the automatic culture apparatus 210. An image 701 shown in FIG. 7 represents an image obtained by converting the input image 601 into a gray scale and further converting it into a newspaper printing format. The actual input image is color, and there is unevenness in light due to uneven illumination. Also, the distinct color features that separate the cell interior and cell exterior are generally poor. Among the cell boundaries, the boundary between the background and the cell part has a high brightness due to light hitting the convex part, but it is only a part of the boundary and does not surround the whole cell. In addition, the intensity of the boundary brightness varies depending on the location. Further, it can be seen that the shape of the cells is generally complicated, the shape is different from cell to cell, and there is contact between cells. Therefore, in order to accurately count the number of cells, it is not sufficient to calculate the cell occupancy rate.

後に明らかになるように、本実施例の細胞画像処理によれば、このような一般には画像処理に不利な条件下でも、細胞画像から個々の細胞の位置を正確に認識することができる。また、個々の細胞の位置を認識することができれば、個々の細胞の分裂状況や移動状況を追跡することができる。これにより、本実施例の細胞画像処理では、細胞の成長状況を自動的に判断するための付加的な情報を得ることができる。   As will become apparent later, according to the cell image processing of this embodiment, the position of each individual cell can be accurately recognized from the cell image even under such a disadvantageous condition for image processing. Moreover, if the position of each cell can be recognized, the division status and movement status of each cell can be tracked. Thereby, in the cell image processing of the present embodiment, additional information for automatically determining the cell growth state can be obtained.

(背景分離処理602/背景分離画像603)
背景分離処理602は、入力画像601中の細胞内部領域と背景領域を分離し、「背景分離画像A」603を生成する処理である。「背景分離画像A」603は、細胞の内部領域が白画素で表現され、背景領域が黒画素で表現される画像である。背景分離処理602においては、細胞の内部領域と背景領域を何らかの方法で区別する必要があるが、細胞からの距離が近い背景部分も細胞内部として判別される可能性がある。そのような誤った判断が生じる要因には、撮像系に起因するもの、画像処理の処理方法に起因するものなど様々な要因が考えられる。
(Background separation processing 602 / Background separation image 603)
The background separation process 602 is a process of separating a cell internal area and a background area in the input image 601 and generating a “background separated image A” 603. The “background separated image A” 603 is an image in which the internal area of the cell is expressed by white pixels and the background area is expressed by black pixels. In the background separation process 602, it is necessary to distinguish the internal area of the cell from the background area by some method, but there is a possibility that a background part having a short distance from the cell is also determined as the inside of the cell. Various factors such as those caused by the imaging system and those caused by the processing method of image processing can be considered as factors that cause such erroneous determination.

「背景分離画像A」の作成イメージを、図8を用いて模式的に説明する。ここでは、入力画像601における細胞が、模式図801のように楕円形状で表されているものとする。細胞の実際の形状は、模式図801に示すように単純ではないが、理解を容易にするために、細胞を楕円形状で表している。   A creation image of “background separation image A” will be schematically described with reference to FIG. Here, it is assumed that the cells in the input image 601 are represented in an elliptical shape as illustrated in a schematic diagram 801. The actual shape of the cell is not simple as shown in the schematic diagram 801, but for easy understanding, the cell is represented by an elliptical shape.

次に、背景分離処理602の具体例を、図9を用いて説明する。背景分離処理602においては、細胞内部の構造に起因する画像上の凹凸を抽出することにより、入力画像601を細胞の内部領域と外部領域に分離する。まず、演算装置106は、HSV変換処理901において、入力画像601をHSV表現に変換する。画像の色の表現する場合、RGB表現(赤(R)、緑(G)、青(B)の3色で色を表現する方法)が一般的であるが、ここでは、HSV表現(色相(H)、彩度(S)、明度(V)で色を表現する方法)に変換する。   Next, a specific example of the background separation process 602 will be described with reference to FIG. In the background separation process 602, the input image 601 is separated into an internal region and an external region of the cell by extracting irregularities on the image due to the internal structure of the cell. First, the arithmetic unit 106 converts the input image 601 into an HSV expression in the HSV conversion process 901. When expressing the color of an image, RGB expression (a method of expressing a color with three colors of red (R), green (G), and blue (B)) is common, but here, HSV expression (hue ( H), saturation (S), and lightness (V).

次のグレー化処理902において、演算装置106は、明度を基準として画像をグレー画像に変換する。明度(V)は0.0から1.0までの値で与えられるが、この値を0から255までの256階調値に表現し直すことにより、グレー画像を生成する。例えば明度をvとすると、255*vで計算される値の整数部を出力とする。なお、「*」は、乗算演算子である。前述のHSV変換処理901及びグレー化処理902により、入力画像601は、256階調のグレー画像に変換される。   In the next graying process 902, the arithmetic unit 106 converts the image into a gray image based on the brightness. The lightness (V) is given by a value from 0.0 to 1.0. By re-expressing this value to 256 gradation values from 0 to 255, a gray image is generated. For example, when the brightness is v, the integer part of the value calculated by 255 * v is output. Note that “*” is a multiplication operator. By the HSV conversion process 901 and the graying process 902 described above, the input image 601 is converted into a gray image of 256 gradations.

ただし、入力画像601がグレー画像の場合、これらの処理は不要である。また、明度ではなく光度を基準としたグレー化処理、明度と光度を重み付きで加えた値を基準としたグレー化処理など、他のグレー化処理手法を用いても良い。   However, when the input image 601 is a gray image, these processes are unnecessary. Also, other graying processing methods such as a graying process based on light intensity instead of lightness, and a graying process based on a value obtained by adding lightness and lightness with weights may be used.

次の凹凸抽出処理903において、演算装置106は、細胞内部の構造に起因する凹凸部分を画像から抽出する。この処理には、画像の滑らかさを計算する方法を用いることができる。例えば「Sobelフィルタ」を用いることができる。「Sobelフィルタ」による計算は、以下のように行われる。   In the next unevenness extraction process 903, the arithmetic unit 106 extracts uneven portions due to the internal structure of the cell from the image. For this process, a method of calculating the smoothness of the image can be used. For example, a “Sobel filter” can be used. The calculation by the “Sobel filter” is performed as follows.

f(i,j)をグレー画像の画素(i,j)における画素値とすると、「Sobelフィルタ」による横方向の勾配fx(i,j)と縦方向の勾配fy(i,j)は、以下のように計算される。   When f (i, j) is a pixel value in the pixel (i, j) of the gray image, the horizontal gradient fx (i, j) and the vertical gradient fy (i, j) by the “Sobel filter” are Calculated as follows:

[式1]
Fx(i,j)
={f(i+1,j+1)+2f(i+1,j)+f(i+1,j-1)-f(i-1,j+1)-2f(i-1,j)-f(i-1,j-1)}
[式2]
Fy(i,j)
={f(i+1,j+1)+2f(i,j+1)+f(i-1,j+1)-f(i+1,j-1)-2f(i,j-1)-f(i-1,j-1)}
ここで、画像の境界に位置する画素(i,j)においては、画像外の画素値fを0とおく。これより、画素(i,j)における滑らかさg(i,j)は、次式により計算できる。
[Formula 1]
Fx (i, j)
= {F (i + 1, j + 1) + 2f (i + 1, j) + f (i + 1, j-1) -f (i-1, j + 1) -2f (i-1, j) -f (i-1, j-1)}
[Formula 2]
Fy (i, j)
= {F (i + 1, j + 1) + 2f (i, j + 1) + f (i-1, j + 1) -f (i + 1, j-1) -2f (i, j- 1) -f (i-1, j-1)}
Here, the pixel value f outside the image is set to 0 for the pixel (i, j) located at the boundary of the image. Thus, the smoothness g (i, j) at the pixel (i, j) can be calculated by the following equation.

[式3]
g(i,j)=fx(i,j)×fx(i,j)+fy(i,j)×fy(i,j)
次の二値化処理904において、演算装置106は、g(i,j)の値が予め定めておいた閾値以上であれば白画素、それ以外であれば黒画素と判定する。これにより、図10に示すような背景分離画像1001が得られる。この段階の画像では、背景部分の局所的な画像の凹凸ノイズにより、明らかに背景領域であるのに白画素となっている部分がある。また、白画素が細胞外部の背景にいくらかはみ出して、背景であるのに白画素となっている領域が生じる場合がある。
[Formula 3]
g (i, j) = fx (i, j) × fx (i, j) + fy (i, j) × fy (i, j)
In the next binarization processing 904, the arithmetic unit 106 determines that a white pixel is obtained if the value of g (i, j) is equal to or greater than a predetermined threshold value, and a black pixel is otherwise obtained. As a result, a background separated image 1001 as shown in FIG. 10 is obtained. In the image at this stage, there is a portion that is clearly a background region but a white pixel due to local uneven noise in the background portion. In addition, some white pixels may protrude from the background outside the cell, resulting in a white pixel area.

二値化処理後の画像イメージを、図8の模式図802に示す。模式図802では、細胞内部と判別された部分を白で表し、背景と判別された部分を黒で表し、斜線部分は細胞内部と判別されたが、実際は背景である部分を表している。斜線部分の白画素が細胞外部の背景にはみ出す要因は幾つかある。例えば撮像系の問題である。光の当たり具合や撮影時の解像度、擬色等により、実際の境界よりも数ピクセルほど凹凸が生じる場合がある。また例えば前式のように画像の滑らかさを計算する場合には、周囲の画素値も考慮しなければならないために、更に数ピクセルほど凹凸が生じる場合がある。   An image after binarization processing is shown in a schematic diagram 802 of FIG. In the schematic diagram 802, the portion determined to be inside the cell is represented by white, the portion determined to be the background is represented by black, and the hatched portion is determined to be inside the cell, but actually represents the portion that is the background. There are several factors that cause the white pixels in the shaded area to protrude outside the cell. For example, it is a problem of the imaging system. Depending on how the light hits, the resolution at the time of shooting, the pseudo color, etc., there are cases where irregularities occur about several pixels from the actual boundary. Further, for example, when calculating the smoothness of the image as in the previous equation, the surrounding pixel values must be taken into account, and therefore, unevenness may occur by several pixels.

背景孤立点除去処理905において、演算装置106は、白画素の連結成分を計算し、一定の大きさ以下のものを取り除く(黒画素化する)ことにより、背景ノイズを除去する。図11に、背景分離画像1001(図10)から背景ノイズを除去した背景分離画像1101を示す。図10と図11を比較すれば分かるように、背景分離画像1101の背景からは孤立点が除去されている。ただし、背景分離画像1101には、明らかに細胞内部の領域であるのに、細胞内部の局所的に滑らかな部分の影響により、黒画素で表されている部分がある。図8の模式図802でも、細胞内部に残る黒画素を黒点で表している。   In the background isolated point removal processing 905, the arithmetic unit 106 calculates a connected component of white pixels, and removes background noise by removing those below a certain size (making them black pixels). FIG. 11 shows a background isolated image 1101 obtained by removing background noise from the background isolated image 1001 (FIG. 10). As can be seen by comparing FIG. 10 and FIG. 11, isolated points are removed from the background of the background separated image 1101. However, although the background separated image 1101 is clearly a region inside the cell, there is a portion represented by black pixels due to the influence of a locally smooth portion inside the cell. Also in the schematic diagram 802 of FIG. 8, black pixels remaining inside the cell are represented by black dots.

細胞内穴埋め処理906において、演算装置106は、背景孤立点除去処理905の場合とは反対に、黒画素の連結成分を計算し、一定の大きさ以下の黒画素の塊を取り除く(白画素化する)ことにより、細胞内部の穴埋めを行う。この結果、図12に示す背景分離画像1201が得られる。これが、図6における「背景分離画像A」603である。   In the intra-cell filling process 906, the arithmetic unit 106 calculates a black pixel connected component and removes a black pixel block having a certain size or less (conversion to a white pixel), contrary to the background isolated point removal process 905. To fill the inside of the cell. As a result, a background separated image 1201 shown in FIG. 12 is obtained. This is the “background separated image A” 603 in FIG.

以上説明した一連の処理(すなわち、背景分離処理602)により、入力画像601から「背景分離画像A」603が得られる。ただし、「背景分離画像A」には、前述したように、白画素が細胞外部の背景に幾らかはみ出し、背景であるのに白画素となっている領域が含まれている。図8の模式図803に、「背景分離画像A」の画像イメージを示す。模式図803中の斜線部分が、背景であるのに白画素になっている領域を示している。   Through the series of processes described above (that is, the background separation process 602), the “background separation image A” 603 is obtained from the input image 601. However, as described above, “background separated image A” includes a region in which white pixels protrude somewhat from the background outside the cell and are white pixels even though they are the background. A schematic diagram 803 of FIG. 8 shows an image of “background separated image A”. A hatched portion in the schematic diagram 803 indicates a region which is a white pixel although it is the background.

(輪郭抽出処理604/輪郭抽出画像605)
細胞画像601においては、前述の通り、細胞の境界部分の凸部に照明が当たり、明度が高くなっていることが想定される。前述の入力画像701(図7)でも、細胞部分の境界では凸部に光が当たり、明度が高くなっている。輪郭抽出処理604では、この明度の高い部分を抽出するために、明度が大きく変化する画素を細胞の輪郭として抽出する。
(Contour extraction processing 604 / contour extraction image 605)
In the cell image 601, as described above, it is assumed that illumination is applied to the convex portion at the boundary portion of the cell and the brightness is high. Also in the aforementioned input image 701 (FIG. 7), light hits the convex portion at the boundary of the cell portion, and the brightness is high. In the contour extraction process 604, in order to extract the portion with high brightness, pixels whose brightness changes greatly are extracted as cell outlines.

演算装置106は、例えばHSV変換処理901(図9)及びグレー化処理902(図9)と同様、明度を基準に入力画像601をグレー化し、さらにグレー画像にエッジ抽出手法の一つであるキャニーフィルタを適用する。   The arithmetic unit 106 grays the input image 601 on the basis of brightness, as in the HSV conversion process 901 (FIG. 9) and the graying process 902 (FIG. 9), for example. Apply a filter.

図13に、グレー画像にグレー画像にキャニーフィルタを適用して得られる細胞輪郭画像1301を示す。この画像が、図6の「細胞輪郭画像A」605となる。エッジ部分(白画素)が輪郭部分である。この段階では、細胞の境界だけでなく、背景や細胞内部にも白画素がある。図8の模式図804が、「細胞輪郭画像A」605のイメージである。   FIG. 13 shows a cell contour image 1301 obtained by applying a canny filter to a gray image. This image is a “cell outline image A” 605 in FIG. The edge portion (white pixel) is the contour portion. At this stage, there are white pixels not only in the cell boundary but also in the background and inside the cell. A schematic diagram 804 in FIG. 8 is an image of the “cell outline image A” 605.

(細胞外部輪郭除去処理606/細胞輪郭画像607)
細胞外部輪郭除去処理606では、「細胞輪郭画像A」605に混入しているノイズ成分のうち細胞の背景部分に生じたノイズ成分を、「背景分離画像A」603の背景領域でフィルタリングし、除去する。すなわち、「細胞輪郭画像A」605に混入している背景部分の白画素を除去する(黒画素化する)。具体的には、演算装置106は、「背景分離画像A」603の黒画素に対応する「細胞輪郭画像A」605の白画素を黒画素化する。これにより、背景部分にある細胞輪郭のノイズを除去した「細胞輪郭画像B」607が生成される。「細胞輪郭画像B」607は、図13に示す細胞輪郭画像1301のうち、図12に示す背景分離画像1201の黒画素に対応する部分を黒画素化した画像となる。この画像イメージを模式的に表現すると、図8の模式図805となる。模式図804と比較すれば分かるように、背景部分に対応する白画素が除去されている。
(Outside cell outline removal processing 606 / cell outline image 607)
In the cell outer contour removal processing 606, the noise component generated in the background portion of the cell among the noise components mixed in the “cell contour image A” 605 is filtered by the background region of the “background separated image A” 603 and removed. To do. That is, white pixels in the background portion mixed in “cell outline image A” 605 are removed (set to black pixels). Specifically, the arithmetic unit 106 converts the white pixel of the “cell outline image A” 605 corresponding to the black pixel of the “background separated image A” 603 to a black pixel. As a result, a “cell outline image B” 607 from which the noise of the cell outline in the background portion is removed is generated. “Cell outline image B” 607 is an image in which a portion corresponding to the black pixel of the background separated image 1201 shown in FIG. 12 in the cell outline image 1301 shown in FIG. When this image is schematically represented, a schematic diagram 805 in FIG. 8 is obtained. As can be seen from comparison with the schematic diagram 804, white pixels corresponding to the background portion are removed.

(細胞外成分除去処理608/背景分離画像609)
細胞外成分除去処理608では、「背景分離画像A」603に混入している、本来は細胞の外部部分であるにもかかわらず細胞の内部領域と認識されたノイズ成分を除去する。具体的には、「背景分離画像A」603において細胞の内部領域のうち、「細胞輪郭画像B」607の輪郭よりも外側の領域部分を細胞の外部領域とみなして除去する。換言すると、「背景分離画像A」603に含まれる白画素のうち、本来は細胞の外側に位置する画素を、「細胞輪郭画像B」607の輪郭を用いて除去(黒画素化)する。
(Extracellular component removal processing 608 / background separation image 609)
In the extracellular component removal processing 608, the noise component that is mixed in the “background separated image A” 603 and is recognized as an internal region of the cell although it is originally an external portion of the cell is removed. Specifically, in the “background separation image A” 603, the region outside the outline of the “cell outline image B” 607 is regarded as the outside area of the cell, and is removed. In other words, among the white pixels included in the “background separated image A” 603, pixels originally located outside the cell are removed (made black pixels) using the outline of the “cell outline image B” 607.

ここで、演算装置106は、「背景分離画像A」603の黒画素に隣接する白画素に対応する「細胞輪郭画像B」607の画素が白画素(輪郭)でない場合(すなわち黒画素の場合)、判断対象となった「背景分離画像A」603の白画素を黒画素化する。この処理により、背景(黒画素)に隣接する白画素のうち輪郭ではない画素部分が黒画素化される。この処理を何度か実行することにより、「細胞輪郭画像B」607の輪郭よりも外側に位置する細胞外成分が除去される。   Here, the arithmetic unit 106 determines that the pixel of the “cell outline image B” 607 corresponding to the white pixel adjacent to the black pixel of the “background separated image A” 603 is not a white pixel (outline) (that is, a black pixel). The white pixel of the “background separated image A” 603 that is the determination target is changed to a black pixel. By this process, a pixel portion that is not a contour among white pixels adjacent to the background (black pixel) is changed to a black pixel. By executing this process several times, extracellular components located outside the outline of “cell outline image B” 607 are removed.

ただし、図8の模式図805に示すように、「細胞輪郭画像B」607の輪郭は、細胞を包囲するように細胞の内部を全て囲っているわけではないので、この処理を繰り返しすぎると細胞内部も黒画素化される可能性がある。   However, as shown in the schematic diagram 805 of FIG. 8, the outline of the “cell outline image B” 607 does not surround the entire cell so as to surround the cell. There is a possibility that the inside also becomes black pixels.

そこで、演算装置106では、平均的なはみ出し画素分に当たる回数だけ、前述の黒画素化処理を繰り返すように予め設定しておく。後述する細胞セグメンテーション処理612においては、小さい孤立成分は細胞とみなされないため、細胞の外部成分を完全に除去できなくとも、その部分が小さければよい。一方で、細胞外成分除去処理608により、細胞の内部が多少黒画素化されたとしても、最終的な出力結果に問題は生じない。   Therefore, the arithmetic device 106 is set in advance so as to repeat the above-described black pixel conversion processing as many times as the number corresponding to the average protruding pixel. In the cell segmentation process 612 described later, since a small isolated component is not regarded as a cell, even if the external component of the cell cannot be completely removed, it is sufficient that the portion is small. On the other hand, even if the inside of the cell is made somewhat black by the extracellular component removal processing 608, there is no problem in the final output result.

また、これらの影響を軽減するために、まず、「細胞輪郭画像B」607の輪郭を太線化した後に、前述の黒画素化処理を実行しても良い。すなわち、「細胞輪郭画像A」603の輪郭部(白画素)に接する黒画素を白画素化する、という処理を何度が繰り返してもよい。   In order to reduce these influences, the black pixel conversion process described above may be executed after the outline of the “cell outline image B” 607 is first bolded. That is, the process of making the black pixel in contact with the contour portion (white pixel) of the “cell contour image A” 603 into a white pixel may be repeated many times.

以上のように、背景部分から細胞の輪郭に当たるまでの部分を黒画素化することで、「背景分離画像A」603に混入している白画素を黒画素化する。この処理の結果、「背景分離画像B」609が得られる。「背景分離画像B」609の画像イメージを図8の模式図806に示す。   As described above, the white pixel mixed in the “background separated image A” 603 is converted into a black pixel by converting the portion from the background portion to the outline of the cell into a black pixel. As a result of this processing, “background separated image B” 609 is obtained. An image of “background separated image B” 609 is shown in a schematic diagram 806 of FIG.

ここで、「背景分離画像A」603と「背景分離画像B」609の違いを確認する。図14には、入力画像601の画素のうち、「背景分離画像A」603で黒画素(背景)に対応する部分を、黒画素化した画像である。図15は、入力画像の画素のうち、「背景分離画像B」609で黒画素(背景)に対応する部分を黒画素化した画像である。いずれもカラー画像であるが、グレー化し、新聞印刷形式のドット図に変換している。図14では、細胞外部に黒画素で無い部分が存在するのに対し、図15では、それらの部分が除去されていることが分かる。   Here, the difference between “background separated image A” 603 and “background separated image B” 609 is confirmed. FIG. 14 shows an image obtained by converting a portion corresponding to a black pixel (background) in the “background separated image A” 603 out of the pixels of the input image 601 into a black pixel. FIG. 15 is an image in which the portion corresponding to the black pixel (background) in the “background separated image B” 609 among the pixels of the input image is changed to a black pixel. All are color images, but they are grayed out and converted to a dot diagram in newspaper printing format. In FIG. 14, there are portions that are not black pixels outside the cell, whereas in FIG. 15, these portions are removed.

(細胞内部輪郭除去処理610/細胞輪郭画像611)
細胞内部輪郭除去処理610では、「細胞輪郭画像B」607に混入しているノイズ成分のうち、細胞内部の領域に生じているノイズ成分を、「背景分離画像B」609の背景と接触していない連結領域を除去する。具体的には、「細胞輪郭画像B」607に含まれる白画素のうち細胞の境界以外の輪郭(すなわち、細胞の内部に存在する輪郭)を除去する。
(Cell inner contour removal processing 610 / cell contour image 611)
In the cell inner contour removal processing 610, among the noise components mixed in the “cell contour image B” 607, the noise components generated in the region inside the cell are in contact with the background of the “background separated image B” 609. Remove no connected regions. Specifically, contours other than the cell boundaries (that is, contours present inside the cells) are removed from the white pixels included in the “cell contour image B” 607.

図13の「細胞輪郭画像A」605からも分かるように、細胞の境界以外(細胞の内部領域)にも白画素が存在する。ところで、「背景分離画像B」609の黒画素に接する輪郭は、境界であると考えられる。そこで、「細胞輪郭画像B」609の輪郭と連結している成分(白画素の連結成分)のうち、一部又は全部が黒画素と一定以上接している部分を除き、黒画素化する。   As can be seen from the “cell outline image A” 605 in FIG. 13, there are also white pixels other than the cell boundary (inside cell region). By the way, it is considered that the outline in contact with the black pixel of “background separated image B” 609 is a boundary. Therefore, black pixels are formed except for a part of all the components connected to the outline of the “cell outline image B” 609 (connected components of white pixels) where a part or all of the components are in contact with the black pixels at a certain level.

なお、連結成分ではなく、「背景分離画像B」609の黒画素に接している白画素や当該画素に近接する白画素のみを残し、他の白画素を黒画素化するという処理を用いても良い。   Note that instead of the connected component, a process may be used in which only the white pixel that is in contact with the black pixel of the “background separated image B” 609 or the white pixel close to the pixel is left and the other white pixels are converted to black pixels. good.

いずれにしても、細胞内部輪郭除去処理610の実行により、「細胞輪郭画像C」611が生成される。図16に、「細胞輪郭画像C」611の生成イメージを模式的に示す。図中、模式図1601が、「細胞輪郭画像C」611のイメージである。また、図17に、「細胞輪郭画像C」611に対応する細胞輪郭画像1701の画像イメージを示す。図17と図13を比較すれば、「細胞輪郭画像C」611では、「細胞輪郭画像A」605に比べ、背景部と細胞内部の輪郭(白画素)が除去されていることが分かる。   In any case, the “cell outline image C” 611 is generated by executing the cell inner outline removal processing 610. FIG. 16 schematically shows a generation image of “cell outline image C” 611. In the drawing, a schematic diagram 1601 is an image of “cell outline image C” 611. FIG. 17 shows an image image of the cell contour image 1701 corresponding to the “cell contour image C” 611. Comparing FIG. 17 and FIG. 13, it can be seen that the “cell outline image C” 611 has a background portion and the outline (white pixel) inside the cell removed compared to the “cell outline image A” 605.

以上の処理により、「背景分離画像B」609を用いて細胞領域と背景領域が分離された「細胞輪郭画像C」611が得られる。また、「細胞輪郭画像C」611により、細胞の輪郭部部分の画像が得られる。   Through the above processing, a “cell outline image C” 611 in which the cell region and the background region are separated using the “background separated image B” 609 is obtained. In addition, an image of a cell outline portion is obtained by “cell outline image C” 611.

(細胞セグメンテーション処理612)
前述の処理により、「背景分離画像B」609と「細胞輪郭画像C」611が得られると、演算装置106は、細胞セグメンテーション処理612を実行する。すなわち、「背景分離画像B」609により得られた細胞領域(細胞クラスタ)から個々の細胞領域を分割する又は分離する処理を実行する。この際、演算装置106は、個々の細胞領域の分割又は分離に、「細胞輪郭画像C」611の輪郭線を使用する。ここで、演算装置106は、輪郭によって囲われた細胞の内部領域を個々の細胞領域とみなす。
(Cell segmentation process 612)
When “background separation image B” 609 and “cell outline image C” 611 are obtained by the above-described processing, the arithmetic unit 106 executes the cell segmentation processing 612. That is, a process of dividing or separating individual cell regions from the cell region (cell cluster) obtained by the “background separated image B” 609 is executed. At this time, the arithmetic unit 106 uses the outline of the “cell outline image C” 611 for dividing or separating individual cell regions. Here, the arithmetic unit 106 regards the internal area of the cell surrounded by the outline as an individual cell area.

ただし、画像処理によって抽出された細胞の輪郭は、前述したように、細胞の境界の一部で欠けている場合がある。このことは、図16に示す「細胞輪郭画像C」611からも分かる。   However, as described above, the outline of the cell extracted by the image processing may be missing at a part of the cell boundary. This can also be seen from the “cell outline image C” 611 shown in FIG.

そこで、演算装置106は、輪郭の一部に欠けが存在するものとみなして、以下に示す処理を実行する。図17に、細胞セグメンテーション処理612のイメージを示す。まず、演算装置106は、「細胞輪郭画像C」1802の輪郭の太線化し、輪郭太線化済み「細胞輪郭画像C」1803を生成する。   Therefore, the arithmetic unit 106 considers that a part of the outline is missing and executes the following processing. FIG. 17 shows an image of the cell segmentation process 612. First, the arithmetic unit 106 thickens the outline of the “cell outline image C” 1802 and generates a “cell outline image C” 1803 that has been bolded.

次に、演算装置106は、「背景分離画像B」1801における白画素のうち、輪郭太線化済み「細胞輪郭画像C」1803の白画素に対応する画素部分を黒画素化した輪郭部黒画素化「背景分離画像B」1804を生成する。   Next, the arithmetic unit 106 converts the pixel portion corresponding to the white pixel in the “cell outline image C” 1803 that has been bolded out of the white pixels in the “background separated image B” 1801 into a black pixel in the outline portion. A “background separated image B” 1804 is generated.

この後、演算装置106は、輪郭部黒画素化「背景分離画像B」1804から白画素の連結成分を取り出し、連結成分のうち予め定めておいた閾値以上の大きさを有する成分を1つの細胞として認識する。また、演算装置106は、個々の細胞の位置を、例えば連結成分の重心位置として算出する。また、演算装置106は、入力画像601に含まれる細胞の数、細胞が占有する面積、入力画像601に対して細胞が占有する比率なども成長段階に応じて計算する。細胞が占有する面積は、「背景分離画像B」609の白画素部分の面積や比率に基づいて計算できる。   Thereafter, the arithmetic unit 106 extracts a connected component of the white pixel from the contour portion black pixelation “background separated image B” 1804, and selects a component having a size equal to or larger than a predetermined threshold among the connected components as one cell. Recognize as Further, the arithmetic device 106 calculates the position of each cell as, for example, the position of the center of gravity of the connected component. The arithmetic device 106 also calculates the number of cells included in the input image 601, the area occupied by the cells, the ratio of cells occupied with respect to the input image 601, and the like according to the growth stage. The area occupied by the cells can be calculated based on the area and ratio of the white pixel portion of the “background separated image B” 609.

(出力処理613)
細胞セグメンテーション処理612の実行後、演算装置106は、細胞の位置に目印を付けた画像、入力画像601に含まれる細胞の個数、細胞が占有する面積、細胞占有率などを出力する。
(Output processing 613)
After the execution of the cell segmentation process 612, the arithmetic unit 106 outputs an image in which the position of the cell is marked, the number of cells included in the input image 601, the area occupied by the cell, the cell occupation rate, and the like.

(細胞画像認識処理のまとめ)
前述の通り、本実施例に係る細胞画像認識処理においては、細胞セグメンテーション処理612の実行に先立って、背景分離画像と細胞輪郭画像のそれぞれに含まれるノイズ成分を他方の画像を用いて除去するため、背景の分離精度と細胞輪郭の抽出精度を向上させることができる。この結果、入力画像に含まれる細胞の位置の認識精度、細胞占有領域の認識精度を向上することができる。
(Summary of cell image recognition processing)
As described above, in the cell image recognition process according to the present embodiment, prior to the execution of the cell segmentation process 612, the noise component included in each of the background separation image and the cell outline image is removed using the other image. The background separation accuracy and the cell contour extraction accuracy can be improved. As a result, it is possible to improve the recognition accuracy of the position of the cell included in the input image and the recognition accuracy of the cell occupation region.

なお、本実施例では、細胞外部輪郭除去処理606の後、細胞外成分除去処理608を実行し、さらにその後、細胞内部輪郭除去処理610を実行しているが、その理由は以下による。まず、細胞内部輪郭除去処理610を実行するには、「背景分離画像A」602の背景が細胞の境界と接している必要である。しかし、前述したように、「背景分離画像A」602のうち細胞内部と認識されている部分には、本来は細胞の内部ではない領域部分(細胞外成分ノイズ)が含まれている。このように本来は細胞の内部ではない領域部分が含まれていると、細胞内部輪郭除去処理610が困難となるため、事前に細胞外成分除去処理608を実行している。   In the present embodiment, the extracellular component removal processing 608 is executed after the cell outer contour removal processing 606, and then the cell inner contour removal processing 610 is executed. The reason is as follows. First, in order to execute the cell inner contour removal processing 610, the background of the “background separated image A” 602 needs to be in contact with the cell boundary. However, as described above, the portion of the “background separated image A” 602 that is recognized as being inside the cell includes a region portion (extracellular component noise) that is not originally inside the cell. As described above, if an area portion that is not originally inside the cell is included, the cell inner contour removal processing 610 becomes difficult, and thus the extracellular component removal processing 608 is executed in advance.

また、細胞外成分除去処理608は、輪郭を頼りに「背景分離画像A」602から細胞外成分を除去する処理であり、この場合には、細胞の内部に輪郭のノイズが含まれていても構わないが、細胞の外側に輪郭ノイズがあると問題となる。そこで、細胞外成分除去処理608の処理に先立って細胞外部輪郭除去処理606を実行し、細胞の外側の輪郭ノイズを除去している。   The extracellular component removal process 608 is a process of removing extracellular components from the “background separated image A” 602 by relying on the contour. In this case, even if the noise of the contour is included inside the cell. It doesn't matter, but there is a problem if there is contour noise outside the cell. Therefore, prior to the processing of the extracellular component removal processing 608, the external cell contour removal processing 606 is executed to remove contour noise outside the cell.

(実施例1の効果)
以上説明したように、本実施例に係る自動培養装置210は、培養容器中の細胞を定期的に撮影し、取得された画像中から細胞の位置及び細胞占有領域を認識し、細胞の成長段階の判定、成長段階に応じた細胞成長の異常判定、品質評価などを自動的に実行する。これにより、本実施例に係る自動培養装置210は、細胞の成長状況等を定量的にモニタリングできる。この結果、人手により細胞の成長状況を定期的にチェックする場合に比して、コスト(人件費)、技術者の熟練度への依存度、生物学的汚染リスクをいずれも低減することができる。また、細胞の成長段階に応じた適切な環境制御及び情報提供を自動的に実行することができる。
(Effect of Example 1)
As described above, the automatic culture apparatus 210 according to the present embodiment periodically photographs the cells in the culture container, recognizes the position of the cells and the cell occupation area from the acquired image, and the cell growth stage. Automatically, cell growth abnormality determination according to the growth stage, quality evaluation, etc. are automatically executed. Thereby, the automatic culture apparatus 210 which concerns on a present Example can monitor the growth condition etc. of a cell quantitatively. As a result, it is possible to reduce costs (labor costs), dependence on the skill level of engineers, and the risk of biological contamination, compared with the case where cell growth is regularly checked manually. . Moreover, appropriate environmental control and information provision according to the cell growth stage can be automatically executed.

また、培養する細胞の実際の形状は、比較的単純な形状(例えば楕円状、線状など)に限らず複雑であり、細胞の大きさも様々であるが、本実施例に係る自動培養装置210が搭載する細胞画像認識処理を用いれば、複雑な形状の細胞や大きさの異なる細胞についても扱うことができる。また、前記細胞画像認識処理を用いれば、細胞同士の接触、細胞の内外を分ける輝度、色などの特徴に乏しい細胞の画像でも入力画像601として扱うことができる。これにより、従来の手法では扱えないような入力画像を用いても、細胞の成長状況をモニタリングでき、細胞の占有率、個数を精度良く定量的に算出することができる。また、動画像処理を用いれば、細胞の追跡も容易になり、細胞の成長状況をモニタリングするために有用な情報を取得することができる。   In addition, the actual shape of the cells to be cultured is not limited to a relatively simple shape (for example, an ellipse, a line, etc.) and is complex, and the size of the cells varies. If the cell image recognition processing installed in is used, it is possible to handle cells having complicated shapes and cells having different sizes. If the cell image recognition process is used, an image of a cell having poor characteristics such as contact between cells, brightness for separating the inside and outside of the cell, and color can be handled as the input image 601. As a result, even when an input image that cannot be handled by a conventional method is used, the cell growth state can be monitored, and the cell occupancy and number can be calculated quantitatively with high accuracy. In addition, if moving image processing is used, cell tracking can be facilitated, and useful information for monitoring the cell growth status can be acquired.

本実施例では、実施例1の背景分離処理602(図9)とは異なる手順により「背景分離画像A」603を生成する自動培養装置210について提案する。本実施例における自動分析装置210のその他の構成や処理内容は実施例1と同様である。   The present embodiment proposes an automatic culture apparatus 210 that generates a “background separated image A” 603 by a procedure different from the background separation processing 602 (FIG. 9) of the first embodiment. Other configurations and processing contents of the automatic analyzer 210 in the present embodiment are the same as those in the first embodiment.

本実施例で使用する背景分離処理602の処理を、図19を用いて説明する。本実施例における背景分離処理602は、機械学習により細胞領域と背景領域を判別する方法であり、その処理フェーズは学習フェーズと識別フェーズに分離できる。   The background separation processing 602 used in this embodiment will be described with reference to FIG. Background separation processing 602 in the present embodiment is a method for discriminating cell regions and background regions by machine learning, and the processing phase can be separated into a learning phase and an identification phase.

まず、学習フェーズについて説明する。学習フェーズでは、まず、ラベル付き入力画像1901を集めたデータベースを作成する。このとき、演算装置106は、細胞画像の一部を切り取り、その画像中に細胞が映っているかどうか否かに基づいてラベル付けを行う。細胞画像は、予め定めておいた一定の大きさの矩形画像に加工しておくと便利である。なるべく大量の画像(例えば、数百以上)の画像とラベルの対を用意しておく。   First, the learning phase will be described. In the learning phase, first, a database in which labeled input images 1901 are collected is created. At this time, the arithmetic unit 106 cuts out a part of the cell image and performs labeling based on whether or not the cell is reflected in the image. It is convenient to process the cell image into a rectangular image having a predetermined size. Prepare as many image and label pairs as possible (for example, several hundred or more).

特徴抽出処理1902において、演算装置106は、一つの画像をベクトル値に変換する処理を行う。この処理には、例えばHOG特徴、SIFT特徴など、画像認識の分野で用いられる特徴抽出方法を用いることができる。もっとも単純な処理方法には、全画素値を並べたベクトルを画素特徴とする方法などもある。この場合、グレースケールであれば画素数次元のベクトルとなり、RGBであれば(画素数*3)次元のベクトルとなる。因みに、「*」は乗算演算子である。ベクトルの次元数をnとする。   In the feature extraction process 1902, the arithmetic unit 106 performs a process of converting one image into a vector value. For this processing, for example, a feature extraction method used in the field of image recognition such as HOG feature or SIFT feature can be used. The simplest processing method includes a method in which a vector in which all pixel values are arranged is used as a pixel feature. In this case, if it is a gray scale, it will become a vector of a pixel number dimension, and if it is RGB, it will become a (pixel number * 3) dimension vector. Incidentally, “*” is a multiplication operator. Let n be the number of dimensions of the vector.

識別学習処理1903において、演算装置106は、値として実数値を採り、n次元ベクトルを引数とするパラメータ付きの関数f(x)を生成する。演算装置106は、例えば細胞が映っている画像から抽出されたベクトルxに対する関数f(x)の値が正(>0)となり、細胞が映っていない画像から抽出されたベクトルxに対する関数f(x)の値が負(<0)となるように、可能な限りパラメータを学習する。学習アルゴリズムには、ニューラルネットワークやSVM(Support Vector Machine)などを用いることができる。識別学習処理1903で生成した関数f(x)は、識別辞書1904に記憶される。   In the identification learning process 1903, the arithmetic unit 106 takes a real value as a value and generates a function f (x) with a parameter having an n-dimensional vector as an argument. For example, the value of the function f (x) with respect to the vector x extracted from the image showing the cell is positive (> 0), and the arithmetic device 106 has the function f (with respect to the vector x extracted from the image where the cell is not shown. Parameters are learned as much as possible so that the value of x) is negative (<0). As the learning algorithm, a neural network, SVM (Support Vector Machine), or the like can be used. The function f (x) generated in the identification learning process 1903 is stored in the identification dictionary 1904.

次に、識別フェーズについて説明する。識別フェーズでは、入力画像601について特徴抽出処理1905が実行される。特徴抽出処理1905において、演算装置106は、入力画像601を、ラベル付き入力画像1901と同じ大きさの矩形に分割し、特徴抽出処理1902と同じ方法により、各矩形をベクトルに変換する。このとき、矩形同士は重なり合っていてもよい。識別処理1906では、特徴抽出処理1905で抽出したベクトルxに対して関数f(x)の値を計算する。f(x)>0であれば細胞領域と判定し、f(x)<0であれば背景領域と判定する。入力画像601の各画素について、全ての矩形の中心位置との距離を比較し、距離が最も近い矩形の識別結果を、該当画素の識別結果とし、細胞領域と背景を判定する。以上の結果、細胞領域は白画素、背景領域は黒画素とした「背景分離画像A」603を生成する。   Next, the identification phase will be described. In the identification phase, feature extraction processing 1905 is executed for the input image 601. In the feature extraction processing 1905, the arithmetic unit 106 divides the input image 601 into rectangles having the same size as the labeled input image 1901, and converts each rectangle into a vector by the same method as the feature extraction processing 1902. At this time, the rectangles may overlap each other. In the identification process 1906, the value of the function f (x) is calculated for the vector x extracted in the feature extraction process 1905. If f (x)> 0, it is determined as a cell region, and if f (x) <0, it is determined as a background region. For each pixel of the input image 601, the distances from the center positions of all the rectangles are compared, and the identification result of the rectangle having the closest distance is set as the identification result of the corresponding pixel, and the cell region and the background are determined. As a result, a “background separated image A” 603 is generated in which the cell region is a white pixel and the background region is a black pixel.

前述の実施例1及び実施例2においては、細胞培養装置101の内部に細胞画像処理機能も備えている場合を扱った。しかし、細胞培養装置101には画像を取得する機能のみを搭載し、細胞画像処理機能の一部又は全部は、細胞培養装置101の外部に接続されたパーソナルコンピュータなどに実装しても良い。また、細胞画像処理機能のみを独立したソフトウェアや画像処理装置としても良い。   In the above-described first and second embodiments, the case where the cell culture apparatus 101 is also provided with a cell image processing function has been dealt with. However, the cell culture apparatus 101 may be equipped with only an image acquisition function, and part or all of the cell image processing function may be implemented in a personal computer connected to the outside of the cell culture apparatus 101. Further, only the cell image processing function may be an independent software or image processing apparatus.

本発明は、上述した実施例の構成に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。前述の実施例では、「背景分離画像A」603と「細胞輪郭画像B」607を用いて「背景分離画像B」609を生成する場合について説明したが、図6に示す手法とは異なる手法により「背景分離画像B」609を生成しても良い。例えば「背景分離画像A」603と「細胞輪郭画像A」605を用いて「背景分離画像B」609を生成しても良い。また例えば「細胞輪郭画像A」605から背景ノイズ成分を除去した細胞輪郭画像と「背景分離画像A」603を用いて「背景分離画像B」609を生成しても良い。   The present invention is not limited to the configuration of the embodiment described above, and includes various modifications. In the above-described embodiment, the case where the “background separated image B” 609 is generated using the “background separated image A” 603 and the “cell outline image B” 607 has been described. However, the method is different from the method illustrated in FIG. “Background separation image B” 609 may be generated. For example, “background separated image B” 609 may be generated using “background separated image A” 603 and “cell outline image A” 605. Further, for example, “background separated image B” 609 may be generated by using the cell contour image obtained by removing the background noise component from “cell contour image A” 605 and “background separated image A” 603.

また、前述の実施例では、入力画像601として細胞培養装置101において撮像された画像を用いているが、入力画像601は任意であり、例えば上述の実施例で説明した手法によりノイズ成分が除去された画像を用いても良い。   In the above-described embodiment, an image captured by the cell culture device 101 is used as the input image 601. However, the input image 601 is arbitrary, and for example, noise components are removed by the method described in the above-described embodiment. You may use the image.

上述の実施例は、本発明における一部の実施例を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備える必要は無い。また、ある実施例の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成に他の構成を追加し、又は、各実施例の一部構成を他の構成で置換し、又は各実施例の一部構成を削除することも可能である。   The above-described embodiments are detailed descriptions of some embodiments of the present invention, and it is not always necessary to provide all the configurations described. Further, a part of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment. It is also possible to add other configurations to the configuration of each embodiment, replace a partial configuration of each embodiment with another configuration, or delete a partial configuration of each embodiment.

101 細胞培養装置
102 入力装置
103 表示装置
104 イメージ取得装置
105 通信装置
106 演算装置(CPU)
107 外部記憶装置
108 培養容器
109 環境制御装置
210 自動培養装置
211 細胞培養室扉
212 冷蔵庫扉
213 細胞培養室
214 冷蔵庫
215 制御部
216 中間室
217 中間室扉
220 培養容器
221 培養容器ベース
222 回転機構
223 ポンプ
224 弁
225 タンク
227 駆動ベース
228 顕微鏡
229 ステージ
230 コネクタボード
231 コネクタ
232 培地ベース
233 シール
234 ツメ
240 流路
241 チューブ
243 シリンジ
244 シリンジポンプ
250 ファン(中間室)
251 フィルタ(中間室)
252 ファン(制御部)
253 吸気用フィルタ
254 排気用フィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Cell culture apparatus 102 Input apparatus 103 Display apparatus 104 Image acquisition apparatus 105 Communication apparatus 106 Arithmetic apparatus (CPU)
107 External storage device 108 Culture vessel 109 Environmental control device 210 Automatic culture device 211 Cell culture chamber door 212 Refrigerator door 213 Cell culture chamber 214 Refrigerator 215 Control unit 216 Intermediate chamber 217 Intermediate chamber door 220 Culture vessel 221 Culture vessel base 222 Rotating mechanism 223 Pump 224 Valve 225 Tank 227 Drive base 228 Microscope 229 Stage 230 Connector board 231 Connector 232 Medium base 233 Seal 234 Claw 240 Channel 241 Tube 243 Syringe 244 Syringe pump 250 Fan (intermediate chamber)
251 Filter (intermediate chamber)
252 Fan (control unit)
253 Intake filter 254 Exhaust filter

Claims (13)

細胞培養装置において培養されている細胞を撮像した画像から背景分離画像と細胞輪郭画像を生成し、前記背景分離画像に含まれるノイズ成分を前記細胞輪郭画像で除去し、前記細胞輪郭画像に含まれるノイズ成分を前記背景分離画像により除去し、ノイズ成分を除去した背景分離画像と細胞輪郭画像を用いて個々の細胞領域を認識する細胞認識部と
前記認識の結果に基づいて、細胞の成長段階を判定する細胞成長段階判定部と、
細胞の成長段階の前期では、前記細胞認識部において算出された細胞数と細胞位置に基づいて異常の有無判定を行い、細胞の成長段階の後期では、前記細胞認識部において算出された細胞占有率に基づいて異常の有無を判定する異常判定部と、
前記異常判定において異常が認められた場合には、環境制御又はアラームを発する異常状態処理部と、
前記細胞占有率に基づいて前記細胞培養装置による細胞の培養が完成したか否か判定し、及び/又は、前記細胞占有率に基づいて品質評価値を出力する完成判定部と
を有する細胞画像処理装置。
A background separation image and a cell outline image are generated from an image obtained by imaging cells cultured in a cell culture device, noise components included in the background separation image are removed by the cell outline image, and included in the cell outline image A cell recognition unit that removes noise components from the background separation image, recognizes individual cell regions using the background separation image and the cell contour image from which the noise components are removed, and a cell growth stage based on the recognition result. A cell growth stage determination unit for determining;
In the first stage of the cell growth stage, the presence or absence of abnormality is determined based on the number of cells and the cell position calculated in the cell recognition unit, and in the second stage of the cell growth stage, the cell occupancy calculated in the cell recognition unit An abnormality determination unit for determining the presence or absence of an abnormality based on
When an abnormality is recognized in the abnormality determination, an abnormal state processing unit that issues environmental control or an alarm,
A cell image processing comprising: a completion determination unit that determines whether or not cell culture by the cell culture device is completed based on the cell occupancy rate and / or outputs a quality evaluation value based on the cell occupancy rate apparatus.
請求項1に記載の細胞画像処理装置において、
前記細胞認識部は、
前記細胞輪郭画像に含まれる輪郭成分のうち、前記背景分離画像の背景部分に位置する輪郭成分を除去することにより、前記ノイズ成分を除去した細胞輪郭画像を生成する
ことを特徴とする細胞画像処理装置。
The cell image processing apparatus according to claim 1,
The cell recognition unit
Cell image processing characterized by generating a cell contour image from which the noise component has been removed by removing a contour component located in a background portion of the background separation image from the contour components included in the cell contour image apparatus.
請求項1に記載の細胞画像処理装置において、
前記細胞認識部は、
前記背景分離画像における細胞内部分のうち、前記細胞輪郭画像の輪郭成分よりも外側に位置する細胞内部分を、背景領域と接触する部分から前記輪郭に接触するまで、又は、背景領域と接触する部分から前記輪郭の方向に所定量だけ除去することにより、前記ノイズ成分を除去した背景分離画像を生成する
ことを特徴とする細胞画像処理装置。
The cell image processing apparatus according to claim 1,
The cell recognition unit
Among the intracellular portions in the background separation image, the intracellular portion located outside the contour component of the cell contour image is in contact with the background region from the portion in contact with the background region or until the background region is contacted. A cell image processing apparatus, wherein a background separated image from which the noise component is removed is generated by removing a predetermined amount from a portion in the direction of the contour.
請求項1に記載の細胞画像処理装置において、
前記細胞認識部は、
前記細胞輪郭画像に含まれる輪郭成分のうち、前記背景分離画像の背景とは接触していない輪郭と連結する成分を除去することにより、前記ノイズ成分を除去した細胞輪郭画像を生成する
ことを特徴とする細胞画像処理装置。
The cell image processing apparatus according to claim 1,
The cell recognition unit
A cell contour image in which the noise component is removed is generated by removing a component connected to a contour that is not in contact with the background of the background separation image from the contour components included in the cell contour image. A cell image processing apparatus.
請求項1に記載の細胞画像処理装置において、
前記細胞認識部は、
前記細胞輪郭画像に含まれる輪郭成分のうち、前記背景分離画像の背景部分に位置する輪郭成分を除去することにより、前記ノイズ成分を除去した細胞輪郭画像を生成し、
前記背景分離画像における細胞内部分のうち、前記ノイズ成分を除去した細胞輪郭画像の輪郭成分よりも外側に位置する細胞内部分を、背景領域と接触する部分から前記輪郭に接触するまで、又は、背景領域と接触する領域から前記輪郭の方向に所定量だけ除去することにより、前記ノイズ成分を除去した背景分離画像を生成し、
前記ノイズ成分を除去した細胞輪郭画像に含まれる輪郭成分のうち、前記ノイズ成分を除去した背景分離画像の背景領域とは接触していない輪郭の連結成分を除去することにより、ノイズ成分を更に除去した細胞輪郭画像を生成し、
前記ノイズ成分を除去した背景分離画像と前記ノイズ成分を更に除去した細胞輪郭画像を用いて個々の細胞領域を認識する
ことを特徴とする細胞画像処理装置。
The cell image processing apparatus according to claim 1,
The cell recognition unit
Of the contour components included in the cell contour image, by removing the contour component located in the background portion of the background separation image, to generate a cell contour image from which the noise component has been removed,
Among the intracellular portions in the background separation image, the intracellular portion located outside the contour component of the cell contour image from which the noise component has been removed, until the portion comes into contact with the contour from the portion that contacts the background region, or By removing a predetermined amount from the region in contact with the background region in the direction of the contour, a background separated image from which the noise component has been removed is generated,
Among the contour components included in the cell contour image from which the noise component has been removed, the noise component is further removed by removing the connected component of the contour that is not in contact with the background region of the background separated image from which the noise component has been removed. Generated cell contour image,
An individual cell region is recognized using a background separation image from which the noise component has been removed and a cell outline image from which the noise component has been further removed.
請求項1に記載の細胞画像処理装置において、
前記細胞成長段階判定部は、
算出された前記細胞占有率が予め定めた閾値以下の場合を成長段階の前期と判定し、それ以外の場合を成長段階の後期と判定する
ことを特徴とする細胞画像処理装置。
The cell image processing apparatus according to claim 1,
The cell growth stage determination unit
A cell image processing apparatus, wherein when the calculated cell occupancy is equal to or less than a predetermined threshold value, it is determined as the first stage of the growth stage, and other cases are determined as the second stage of the growth stage.
請求項1に記載の細胞画像処理装置において、
前記異常判定部は、
予め同種の細胞について取得された正常時の細胞数を基準値として使用し、前記基準値に対して所定値以上の乖離が生じた場合に異常と判定する
ことを特徴とする細胞画像処理装置。
The cell image processing apparatus according to claim 1,
The abnormality determination unit
A cell image processing apparatus, wherein a normal number of cells acquired in advance for the same type of cells is used as a reference value, and an abnormality is determined when a deviation of a predetermined value or more occurs with respect to the reference value.
細胞を撮像した画像を記憶するメモリと、
前記画像から背景分離画像と細胞輪郭画像を生成し、前記背景分離画像に含まれるノイズ成分を前記細胞輪郭画像で除去し、前記細胞輪郭画像に含まれるノイズ成分を前記背景分離画像により除去し、ノイズ成分を除去した背景分離画像と細胞輪郭画像を用いて個々の細胞領域を認識する細胞認識部と
を有することを特徴とする細胞画像認識装置。
A memory for storing images of cells,
A background separation image and a cell outline image are generated from the image, a noise component included in the background separation image is removed by the cell outline image, a noise component contained in the cell outline image is removed by the background separation image, A cell image recognition apparatus comprising: a background separation image from which a noise component has been removed; and a cell recognition unit that recognizes individual cell regions using a cell contour image.
請求項8に記載の細胞画像認識装置において、
前記細胞認識部は、
前記細胞輪郭画像に含まれる輪郭成分のうち、前記背景分離画像の背景部分に位置する輪郭成分を除去することにより、前記ノイズ成分を除去した細胞輪郭画像を生成する
ことを特徴とする細胞画像認識装置。
In the cell image recognition device according to claim 8,
The cell recognition unit
Cell image recognition characterized by generating a cell contour image from which the noise component is removed by removing a contour component located in a background portion of the background separation image from the contour components included in the cell contour image apparatus.
請求項8に記載の細胞画像認識装置において、
前記細胞認識部は、
前記背景分離画像における細胞内部分のうち、前記細胞輪郭画像の輪郭成分よりも外側に位置する細胞内部分を、背景領域と接触する部分から前記輪郭に接触するまで、又は、背景領域と接触する部分から前記輪郭の方向に所定量だけ除去することにより、前記ノイズ成分を除去した背景分離画像を生成する
ことを特徴とする細胞画像認識装置。
In the cell image recognition device according to claim 8,
The cell recognition unit
Among the intracellular portions in the background separation image, the intracellular portion located outside the contour component of the cell contour image is in contact with the background region from the portion in contact with the background region or until the background region is contacted. A cell image recognition apparatus characterized by generating a background separated image from which the noise component has been removed by removing a predetermined amount from a portion in the direction of the contour.
請求項8に記載の細胞画像認識装置において、
前記細胞認識部は、
前記細胞輪郭画像に含まれる輪郭成分のうち、前記背景分離画像の背景とは接触していない輪郭と連結する成分を除去することにより、前記ノイズ成分を除去した細胞輪郭画像を生成する
ことを特徴とする細胞画像認識装置。
In the cell image recognition device according to claim 8,
The cell recognition unit
A cell contour image in which the noise component is removed is generated by removing a component connected to a contour that is not in contact with the background of the background separation image from the contour components included in the cell contour image. A cell image recognition apparatus.
請求項8に記載の細胞画像認識装置において、
前記細胞認識部は、
前記細胞輪郭画像に含まれる輪郭成分のうち、前記背景分離画像の背景部分に位置する輪郭成分を除去することにより、前記ノイズ成分を除去した細胞輪郭画像を生成し、
前記背景分離画像における細胞内部分のうち、前記ノイズ成分を除去した細胞輪郭画像の輪郭成分よりも外側に位置する細胞内部分を、背景領域と接触する部分から前記輪郭に接触するまで、又は、背景領域と接触する領域から前記輪郭の方向に所定量だけ除去することにより、前記ノイズ成分を除去した背景分離画像を生成し、
前記ノイズ成分を除去した細胞輪郭画像に含まれる輪郭成分のうち、前記ノイズ成分を除去した背景分離画像の背景領域とは接触していない輪郭の連結成分を除去することにより、ノイズ成分を更に除去した細胞輪郭画像を生成し、
前記ノイズ成分を除去した背景分離画像と前記ノイズ成分を更に除去した細胞輪郭画像を用いて個々の細胞領域を認識する
ことを特徴とする細胞画像認識装置。
In the cell image recognition device according to claim 8,
The cell recognition unit
Of the contour components included in the cell contour image, by removing the contour component located in the background portion of the background separation image, to generate a cell contour image from which the noise component has been removed,
Among the intracellular portions in the background separation image, the intracellular portion located outside the contour component of the cell contour image from which the noise component has been removed, until the portion comes into contact with the contour from the portion that contacts the background region, or By removing a predetermined amount from the region in contact with the background region in the direction of the contour, a background separated image from which the noise component has been removed is generated,
Among the contour components included in the cell contour image from which the noise component has been removed, the noise component is further removed by removing the connected component of the contour that is not in contact with the background region of the background separated image from which the noise component has been removed. Generated cell contour image,
An individual cell region is recognized using a background separated image from which the noise component has been removed and a cell outline image from which the noise component has been further removed.
細胞を撮像した画像を記憶するメモリと、前記画像から個々の細胞領域を認識する細胞認識部とを有する細胞画像認識装置において実行される細胞画像認識方法において、
前記画像から背景分離画像と細胞輪郭画像を生成する処理と、
前記背景分離画像に含まれるノイズ成分を前記細胞輪郭画像で除去する処理と、
前記細胞輪郭画像に含まれるノイズ成分を前記背景分離画像により除去する処理と、
ノイズ成分を除去した背景分離画像と細胞輪郭画像を用いて個々の細胞領域を認識する処理と
を有することを特徴とする細胞画像認識方法。
In a cell image recognition method executed in a cell image recognition apparatus having a memory for storing an image obtained by imaging a cell and a cell recognition unit for recognizing an individual cell region from the image,
Processing to generate a background separation image and a cell contour image from the image;
A process of removing noise components included in the background separation image in the cell contour image;
A process of removing noise components included in the cell outline image by the background separation image;
A cell image recognition method comprising: a background separated image from which noise components have been removed, and a process of recognizing individual cell regions using a cell contour image.
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