JP6609967B2 - Determination device, determination system, determination program, and cell manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、判定装置、判定システム、判定プログラム、及び細胞の製造方法に関するものである。 The present invention, determination device, determination system, determination program, and those related to the cell production how.
一般的に、例えば細胞の培養状態を評価する技術は、再生医療などの先端医療分野や医薬品のスクリーニングを含む幅広い分野での基盤技術となっている。この細胞の培養状態を評価するプロセスでは、細胞の状態を的確に判定することが求められる。一例として、トリパンブルーなど生細胞の細胞膜よりも、死細胞の細胞膜を優先的に透過する色素によって判定対象の細胞を染色することにより、細胞の生死判定を行う方法が開示されている(特許文献1参照)。
また、細胞の培養状態の評価の分野に限らず、様々な観察物体を撮像した画像から、観察物体の状態を評価する技術は、様々な分野で重要な技術となっている。
In general, for example, a technique for evaluating a cell culture state has become a basic technique in a wide range of fields including advanced medical fields such as regenerative medicine and drug screening. In the process of evaluating the cell culture state, it is required to accurately determine the cell state. As an example, a method for determining whether a cell is viable or not by staining a cell to be determined with a dye that permeates the cell membrane of a dead cell preferentially over the cell membrane of a living cell such as trypan blue is disclosed (Patent Document). 1).
In addition to the field of cell culture state evaluation, a technique for evaluating the state of an observation object from images obtained by imaging various observation objects is an important technique in various fields.
近年、複雑な構造を有している物体の状態を、この観察物体が撮像された画像から高精度に判定することが望まれている。 In recent years, it has been desired to determine the state of an object having a complicated structure with high accuracy from an image obtained by imaging the observation object.
そこで本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、観察物体が撮像された画像による、観察物体の状態判定の精度を向上することを可能とする判定装置を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a determination device that can improve the accuracy of state determination of an observation object using an image obtained by capturing the observation object. .
上記問題を解決するために、本発明の一態様は、位相差観察により観察された、細胞を含む観察物体の位相差画像を取得する画像取得部と、前記位相差画像における前記細胞の細胞領域を抽出し、前記細胞領域からハロ領域を削除するフィルタ部と、前記ハロ領域が除かれた前記細胞領域の輪郭の全周と、前記位相差画像をもとに得られる細胞膜の長さとに基づいて、前記細胞の状態を判定する判定部と、を備える判定装置である。 In order to solve the above problem, an aspect of the present invention provides an image acquisition unit that acquires a phase difference image of an observation object including cells, which is observed by phase difference observation , and a cell region of the cell in the phase difference image. Based on the filter section for removing the halo region from the cell region, the entire circumference of the outline of the cell region from which the halo region is removed, and the length of the cell membrane obtained based on the phase difference image And a determination unit that determines the state of the cell .
また、上記問題を解決するために、本発明の一態様は、上述の判定装置と、前記位相差画像を生成する位相差撮像部と、前記判定装置の判定結果を出力する出力部と、を備えることを特徴とする判定システムである。 In order to solve the above problem, one embodiment of the present invention includes the above-described determination device, a phase difference imaging unit that generates the phase difference image, and an output unit that outputs a determination result of the determination device. It is the determination system characterized by providing.
また、上記問題を解決するために、本発明の一態様は、コンピュータに、細胞を含む観察物体の位相差画像を取得する画像取得手順と、前記位相差画像における前記細胞の細胞領域を抽出し、前記細胞領域からハロ領域を削除する手順と、前記ハロ領域が除かれた前記細胞領域の輪郭の全周と、前記位相差画像をもとに得られる細胞膜の長さとに基づいて、前記細胞の状態を判定する判定手順と、を実行させるための判定プログラムである。 In order to solve the above problem, according to one embodiment of the present invention, an image acquisition procedure for acquiring a phase difference image of an observation object including a cell and a cell region of the cell in the phase difference image are extracted from a computer. The cell based on the procedure for deleting the halo region from the cell region, the entire circumference of the outline of the cell region from which the halo region has been removed, and the length of the cell membrane obtained based on the phase contrast image And a determination program for executing the determination procedure for determining the state of.
また、上記問題を解決するために、本発明の一態様は、上述の判定装置を用いた細胞の製造方法であって、前記画像取得部が、細胞を含む観察物体の位相差画像を取得する手順と、前記フィルタ部が、前記位相差画像における前記細胞の細胞領域を抽出し、前記細胞領域からハロ領域を削除する手順と、前記判定部が、前記ハロ領域が除かれた前記細胞領域の輪郭の全周と、前記位相差画像をもとに得られる細胞膜の長さとに基づいて、前記細胞の状態を判定する手順と、を有する細胞の製造方法である。 In order to solve the above problem, one embodiment of the present invention is a cell manufacturing method using the above-described determination apparatus, in which the image acquisition unit acquires a phase difference image of an observation object including cells. A procedure, the filter unit extracts a cell region of the cell in the phase difference image, and deletes the halo region from the cell region; and the determination unit includes the cell region from which the halo region is removed. and the entire circumference of the contour, the phase difference image based on the length of the cell membrane obtained on the basis of the procedure for determining the state of the cells, cells producing method that have a.
本発明によれば、撮像した画像から撮像した物体の状態判定の精度を向上することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the precision of the state determination of the object imaged from the imaged image can be improved.
[実施形態]
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。初めに、図1を参照して、本発明の実施形態による判定システム1の構成について説明する。
図1は、本実施形態の判定システム1の構成の概要を示す模式図である。判定システム1は、判定装置10と、表示部20と、位相差顕微鏡装置30とを備える。
[Embodiment]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, the configuration of the determination system 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of the configuration of the determination system 1 of the present embodiment. The determination system 1 includes a determination device 10, a display unit 20, and a phase contrast microscope device 30.
[位相差顕微鏡装置の構成]
位相差顕微鏡装置30は、観察対象である被検体Sに照明光Lを照射し、この被検体Sからの透過光Lpの位相差を明暗差に変換することによって得られた被検体Sの拡大像を得る。この位相差顕微鏡装置30の具体的な構成について説明する。
[Configuration of phase contrast microscope apparatus]
The phase-contrast microscope apparatus 30 irradiates the subject S to be observed with the illumination light L, and enlarges the subject S obtained by converting the phase difference of the transmitted light Lp from the subject S into a light / dark difference. Get a statue. A specific configuration of the phase contrast microscope apparatus 30 will be described.
位相差顕微鏡装置30は、照明光Lを出射する光源31と、光源31からの照明光Lを被検体Sに照射する照明光学系32と、被検体Sからの透過光Lpを結像する結像光学系33と、結像光学系33により結像された透過光Lpを受光し電気信号に変換して被検体Sの画像を生成する固体撮像素子34とを備えている。 The phase contrast microscope apparatus 30 forms an image of the light source 31 that emits the illumination light L, the illumination optical system 32 that irradiates the subject S with the illumination light L from the light source 31, and the transmitted light Lp from the subject S. An image optical system 33 and a solid-state imaging device 34 that receives the transmitted light Lp imaged by the imaging optical system 33 and converts it into an electrical signal to generate an image of the subject S are provided.
照明光学系32と結像光学系33との間には、ステージ36が配置されている。
ステージ36は、被検体Sが載置される載置面36aを有している。また、ステージ36は、その面内において互いに直交する2つの方向(図1中に示すX軸方向及びY軸方向)に移動操作される。これにより、被検体Sの観察位置を任意に変更することが可能となっている。さらに、ステージ36は、高さ方向(図1中に示すZ軸方向)に移動操作される構成であってもよい。
A stage 36 is disposed between the illumination optical system 32 and the imaging optical system 33.
The stage 36 has a placement surface 36a on which the subject S is placed. Further, the stage 36 is moved and operated in two directions (X-axis direction and Y-axis direction shown in FIG. 1) perpendicular to each other in the plane. Thereby, it is possible to arbitrarily change the observation position of the subject S. Further, the stage 36 may be configured to be moved in the height direction (Z-axis direction shown in FIG. 1).
なお、以下において、光源31から出射された照明光Lの光軸(光束の中心軸)をZ軸方向とし、このZ軸と直交する面内において互いに直交する2つの方向をX軸方向及びY軸方向として説明する。なお、光源31から出射された照明光Lを、図1の破線によって模式的に示す。 In the following, the optical axis (the central axis of the light beam) of the illumination light L emitted from the light source 31 is defined as the Z-axis direction, and two directions orthogonal to each other in a plane orthogonal to the Z-axis are defined as the X-axis direction and the Y-axis. The axial direction will be described. The illumination light L emitted from the light source 31 is schematically shown by a broken line in FIG.
光源31は、例えば白色光などの可視光又はその近傍の波長域の光を照明光Lとして照射する。光源31には、反射鏡等を利用して自然光や白色蛍光灯、白色電球などの外部光源からの光を照明光Lとして用いることができる。また、光源31には、ハロゲンランプやタングステンランプなどの内部光源からの光を照明光Lとして用いることができる。 The light source 31 irradiates, as illumination light L, visible light such as white light or light in a wavelength region in the vicinity thereof. As the light source 31, natural light or light from an external light source such as a white fluorescent lamp or a white light bulb can be used as the illumination light L using a reflecting mirror or the like. Further, as the light source 31, light from an internal light source such as a halogen lamp or a tungsten lamp can be used as the illumination light L.
また、光源31には、発光ダイオード(LED)等を用いてもよい。この場合、光源31は、例えば赤、青、緑の各波長の光を発するLEDの組み合わせにより構成することができる。また、これら波長の異なるLEDの点灯及び消灯を制御することによって、光源31が発する照明光の波長を可変に制御できるため、このようなLEDを光源31に用いた場合は、波長フィルタなどの波長変換部材を省略することが可能である。 The light source 31 may be a light emitting diode (LED) or the like. In this case, the light source 31 can be configured by a combination of LEDs that emit light of each wavelength of red, blue, and green, for example. Further, since the wavelength of illumination light emitted from the light source 31 can be variably controlled by controlling the turning on and off of the LEDs having different wavelengths, when such an LED is used as the light source 31, the wavelength of a wavelength filter or the like is used. It is possible to omit the conversion member.
照明光学系32には、光源31側から順に、第1のコンデンサレンズ37と、第1の空間光変調素子38と、第2のコンデンサレンズ39とが配置されている。これらのうち、第1のコンデンサレンズ37、及び第2のコンデンサレンズ39は、光源31から出射された照明光Lをステージ36上の被検体Sに集光させる。 In the illumination optical system 32, a first condenser lens 37, a first spatial light modulator 38, and a second condenser lens 39 are arranged in this order from the light source 31 side. Among these, the first condenser lens 37 and the second condenser lens 39 condense the illumination light L emitted from the light source 31 onto the subject S on the stage 36.
第1の空間光変調素子38は、結像光学系33の瞳位置に対して共役となる位置に配置されている。第1の空間光変調素子38は、被検体Sに照射される照明光Lの光強度分布を可変に調整するもの(絞り)であり、この絞りの開口(照明光Lを通過させる領域)38aの形状や大きさ等を自由に変化させることが可能である。 The first spatial light modulator 38 is arranged at a position that is conjugate with the pupil position of the imaging optical system 33. The first spatial light modulation element 38 variably adjusts the light intensity distribution of the illumination light L irradiated to the subject S (aperture), and the aperture (area through which the illumination light L passes) 38a. It is possible to freely change the shape, size, etc.
結像光学系33は、上記ステージ36側から順に、対物レンズ40と、第2の空間光変調素子41とが配置されている。 In the imaging optical system 33, an objective lens 40 and a second spatial light modulator 41 are arranged in this order from the stage 36 side.
対物レンズ40は、被検体Sからの透過光Lpを固体撮像素子34の受光面上に結像させる。 The objective lens 40 images the transmitted light Lp from the subject S on the light receiving surface of the solid-state imaging device 34.
第2の空間光変調素子41は、結像光学系33の瞳位置又はその近傍に配置されている。また、第1の空間光変調素子38と第2の空間光変調素子41とは、互いに共役な位置に配置されている。 The second spatial light modulator 41 is disposed at or near the pupil position of the imaging optical system 33. Further, the first spatial light modulation element 38 and the second spatial light modulation element 41 are arranged at conjugate positions to each other.
第2の空間光変調素子41は、被検体Sからの透過光Lpに付加する位相の空間分布を可変に調整するものであり、透過光Lpに付加する位相を0°又は±90°に調整する。
具体的に、この第2の空間光変調素子41は、被検体Sからの透過光Lpのうち、被検体Sを通過した直接光(0次光)を4分の1波長(±90°)だけ位相がずれた状態で透過させる位相変調領域41aと、この位相変調領域41aの周囲に被検体Sで回折した回折光をそのままの位相(0°)で透過させる回折光透過領域41bとを有している。
The second spatial light modulator 41 variably adjusts the spatial distribution of the phase added to the transmitted light Lp from the subject S, and adjusts the phase added to the transmitted light Lp to 0 ° or ± 90 °. To do.
Specifically, the second spatial light modulation element 41 uses a quarter wavelength (± 90 °) of direct light (zero-order light) that has passed through the subject S out of the transmitted light Lp from the subject S. And a diffracted light transmission region 41b for transmitting the diffracted light diffracted by the subject S with the same phase (0 °) around the phase modulation region 41a. doing.
第2の空間光変調素子41は、この回折光透過領域41bに対して位相変調領域41aの形状や大きさ等を自由に変化させることが可能である。また、このような第2の空間光変調素子41としては、例えば液晶パネル(液晶素子)などを用いることができる。 The second spatial light modulation element 41 can freely change the shape and size of the phase modulation region 41a with respect to the diffracted light transmission region 41b. In addition, as the second spatial light modulation element 41, for example, a liquid crystal panel (liquid crystal element) or the like can be used.
さらに、第2の空間光変調素子41は、上述した位相の空間分布と共に、被検体Sからの透過光Lpを透過させる透過率の空間分布を可変に調整する機能を有することが好ましい。一般に、第2の空間光変調素子41を通過する透過光Lpのうち、位相変調領域41aを透過する直接光は、回折光透過領域41bを透過する回折光に比べて光強度が強いため、NDフィルタ等を用いて光強度を弱める調整を行う。 Furthermore, it is preferable that the second spatial light modulator 41 has a function of variably adjusting the spatial distribution of the transmittance for transmitting the transmitted light Lp from the subject S together with the spatial distribution of the phase described above. In general, of the transmitted light Lp that passes through the second spatial light modulator 41, the direct light that passes through the phase modulation region 41a has higher light intensity than the diffracted light that passes through the diffracted light transmission region 41b. Make adjustments to reduce the light intensity using a filter or the like.
なお、このようなNDフィルタについては、例えば特表2010−507119号公報に開示されているような透過率の空間分布を可変に調整できる光学素子などを用いることができる。また、上記第2の空間光変調素子41には、このような光学素子等を付加したものを用いることができる。 As such an ND filter, for example, an optical element capable of variably adjusting the spatial distribution of transmittance as disclosed in JP 2010-507119 A can be used. Further, as the second spatial light modulation element 41, an element to which such an optical element or the like is added can be used.
固体撮像素子34は、例えばCCDイメージセンサやCMOSイメージセンサなどの受光波長の異なる受光素子を複数有するものからなり、上述した結像光学系33により結像された透過光Lpを受光し電気信号(画像信号)に変換して判定装置10に出力する。 The solid-state imaging device 34 includes a plurality of light receiving elements having different light receiving wavelengths, such as a CCD image sensor and a CMOS image sensor, and receives the transmitted light Lp imaged by the imaging optical system 33 described above to receive an electrical signal ( Image signal) and output to the determination apparatus 10.
以上のような構造を有する位相差顕微鏡装置30では、光源31から出射された照明光Lが第1のコンデンサレンズ37を通過することによって、平行な照明光Lに変換された後、この平行な照明光Lが第1の空間光変調素子38に入射することになる。そして、この第1の空間光変調素子38の開口38aを通過した照明光Lが第2のコンデンサレンズ39を通過することによって、平行な照明光Lに変換された後、この平行な照明光Lがステージ36の載置面36a上に載置された被検体Sに照射される。 In the phase contrast microscope apparatus 30 having the above-described structure, the illumination light L emitted from the light source 31 passes through the first condenser lens 37 and is converted into parallel illumination light L, and then the parallel light The illumination light L is incident on the first spatial light modulator 38. The illumination light L that has passed through the opening 38a of the first spatial light modulator 38 is converted into parallel illumination light L by passing through the second condenser lens 39, and then the parallel illumination light L. Is irradiated onto the subject S placed on the placement surface 36 a of the stage 36.
そして、被検体Sからの透過光Lpが対物レンズ40を通過した後、第2の空間光変調素子41に入射する。このとき、被検体Sからの透過光Lpのうち、位相変調領域41aを透過した直接光が、4分の1波長だけ位相がずれた状態で、NDフィルタで減光された後、固体撮像素子34の受光面上に結像される。一方、回折光透過領域41bを透過した回折光がそのままの位相(0°)で、固体撮像素子34の受光面上に結像される。位相差顕微鏡では、これら直進光と回折光との干渉によって、位相の変化を光の明暗として観察することが可能である。 Then, the transmitted light Lp from the subject S passes through the objective lens 40 and then enters the second spatial light modulation element 41. At this time, after the direct light transmitted through the phase modulation region 41a out of the transmitted light Lp from the subject S is attenuated by the ND filter in a state where the phase is shifted by a quarter wavelength, the solid-state imaging device An image is formed on the light receiving surface 34. On the other hand, the diffracted light transmitted through the diffracted light transmitting region 41b is imaged on the light receiving surface of the solid-state imaging device 34 with the same phase (0 °). In the phase contrast microscope, it is possible to observe the change in the phase as the brightness of light by the interference between the straight light and the diffracted light.
[判定対象の細胞について]
ここで、位相差顕微鏡装置30の被検体S、すなわち判定システム1の判定対象の細胞の具体例について説明する。この一例において、被検体Sとは、染色処理された細胞である。この染色処理について、細胞が動物細胞である場合を一例にして説明する。染色処理においては、例えばトリパンブルーなどの色素が細胞に滴下される。死細胞の細胞膜には損傷があるため、生細胞に比べて色素が細胞内部に浸透しやすい。このため、トリパンブルーは、生細胞と死細胞とのうち、死細胞に選択的に浸透する。つまり、トリパンブルーによって細胞を染色した場合、生細胞は染色されずに、死細胞は青色に染色される。この青色に染色された細胞数を計数することにより、死細胞の数を算定することができる。
なお、ここでは染色処理の一例として、トリパンブルーによる染色について説明したが、これに限られない。生細胞と死細胞とを選択的に染め分けられる色素であれば、トリパンブルー以外の色素によって染色してもよい。
[About cells to be judged]
Here, a specific example of the subject S of the phase-contrast microscope apparatus 30, that is, the determination target cell of the determination system 1 will be described. In this example, the subject S is a stained cell. This staining process will be described by taking an example in which the cells are animal cells. In the staining process, for example, a dye such as trypan blue is dropped on the cells. Since the cell membrane of dead cells is damaged, the dye is likely to penetrate inside the cells compared to live cells. For this reason, trypan blue selectively permeates dead cells among live cells and dead cells. That is, when cells are stained with trypan blue, live cells are not stained and dead cells are stained blue. By counting the number of cells stained in blue, the number of dead cells can be calculated.
In addition, although dyeing | staining by trypan blue was demonstrated as an example of a dyeing | staining process here, it is not restricted to this. As long as it is a dye that can selectively dye live cells and dead cells, it may be dyed with a dye other than trypan blue.
ここで、染色処理される細胞が色素を持たない細胞であれば、細胞の色味を判定することにより、生細胞か、死細胞かを判定することが容易にできる。しかしながら、染色処理される細胞が色素を持つ細胞である場合、すなわち色素細胞(又は、有色細胞)である場合には、細胞本来の色味であるのか、染色処理による色味であるのかを判定することが困難である場合がある。特に、網膜色素上皮細胞(以下、RPE細胞とも記載する。)などの色素細胞は、その細胞自身が持つ色素による色味が、細胞の成熟に伴って淡色から濃色に変化する。したがって、RPE細胞に対してトリパンブルー染色を行った場合、細胞の色が、RPE細胞本来の色味であるのか、染色処理による色味であるのかを判定することが困難である場合がある。以下、RPE細胞などの色素細胞の生死判定を行うことができる、判定装置10の構成について説明する。 Here, if the cell to be stained is a cell having no pigment, it can be easily determined whether the cell is a living cell or a dead cell by determining the color of the cell. However, if the cell to be stained is a cell having a pigment, that is, a pigment cell (or colored cell), it is determined whether it is the original color of the cell or the color by the staining process. May be difficult to do. In particular, the color of pigment cells such as retinal pigment epithelial cells (hereinafter also referred to as RPE cells) changes from light to dark as the cells mature. Therefore, when trypan blue staining is performed on RPE cells, it may be difficult to determine whether the color of the cells is the original color of the RPE cells or the color obtained by the staining process. Hereinafter, the configuration of the determination apparatus 10 that can determine whether a pigment cell such as an RPE cell is alive or dead will be described.
[判定装置の構成]
次に、判定装置10の構成について図2を参照して説明する。
図2は、本実施形態の判定装置10の機能構成を示すブロック図である。判定装置10は、制御部11と、記憶部12とを備えている。
記憶部12には、細胞の生死判定に用いられる判定プログラムと、位相差顕微鏡装置30の制御プログラムとが予め記憶されている。
制御部11は、CPU(Central Processing Unit)を備えており、記憶部12に記憶されている制御プログラムに従って、位相差顕微鏡装置30の各部を駆動する。この制御部11による位相差顕微鏡装置30の制御の具体的な内容については、既知であるため、その説明を省略する。
[Configuration of judgment device]
Next, the configuration of the determination apparatus 10 will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a functional configuration of the determination apparatus 10 according to the present embodiment. The determination device 10 includes a control unit 11 and a storage unit 12.
The storage unit 12 stores in advance a determination program used for determining whether a cell is alive or not, and a control program for the phase-contrast microscope apparatus 30.
The control unit 11 includes a CPU (Central Processing Unit), and drives each unit of the phase-contrast microscope apparatus 30 according to a control program stored in the storage unit 12. Since the specific content of the control of the phase contrast microscope apparatus 30 by the control unit 11 is known, the description thereof is omitted.
制御部11は、画像取得部111と、フィルタ部112と、判定部113とを、その機能部として備えている。
画像取得部111は、位相差顕微鏡装置30によって撮像された位相差画像を取得する。
フィルタ部112は、画像取得部111が取得する位相差画像に対して、フィルタ処理を行う。このフィルタ処理には、位相差画像に対して画素値の積分処理及び微分処理が含まれる。この積分処理によって、位相差画像の色むらが平滑化される。また微分処理によって位相差画像の画素値が急変するエッジ部分が強調される。また、このフィルタ部112は、位相差画像に含まれる細胞の外形を示す画像を抽出する。以下の説明において、このフィルタ部112が抽出する細胞の外形を示す画像を、細胞領域ROIとも記載する。
判定部113は、画像取得部111が取得した位相差画像に含まれる細胞の画像に基づいて、細胞が生細胞と死細胞とのいずれであるかを判定する。この判定部113が行う判定処理の詳細について、図3から図7を参照して説明する。
The control unit 11 includes an image acquisition unit 111, a filter unit 112, and a determination unit 113 as functional units.
The image acquisition unit 111 acquires a phase difference image captured by the phase contrast microscope apparatus 30.
The filter unit 112 performs a filtering process on the phase difference image acquired by the image acquisition unit 111. This filter processing includes integration processing and differentiation processing of pixel values with respect to the phase difference image. By this integration processing, the color unevenness of the phase difference image is smoothed. Further, the edge portion where the pixel value of the phase difference image changes suddenly by the differentiation process is emphasized. In addition, the filter unit 112 extracts an image indicating the outer shape of the cells included in the phase difference image. In the following description, an image showing the outer shape of a cell extracted by the filter unit 112 is also referred to as a cell region ROI.
The determination unit 113 determines whether the cell is a living cell or a dead cell based on the cell image included in the phase difference image acquired by the image acquisition unit 111. Details of the determination process performed by the determination unit 113 will be described with reference to FIGS.
[判定処理の流れ]
図3は、本実施形態の制御部11による処理の流れの一例を示す流れ図である。
画像取得部111は、位相差顕微鏡装置30によって撮像された位相差画像を取得する(ステップS10)。このステップS10において取得される位相差画像の一例を、図4(A)に示す。
[Judgment process flow]
FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of a process flow by the control unit 11 of the present embodiment.
The image acquisition unit 111 acquires a phase difference image captured by the phase contrast microscope apparatus 30 (step S10). An example of the phase difference image acquired in step S10 is shown in FIG.
図4は、本実施形態の判定システム1が扱う画像の一例を示す模式図である。画像取得部111は、図4(A)に示す位相差画像を取得する。この位相差画像には、細胞C1の画像と、細胞C2の画像と、細胞C3の画像とが含まれる。これらの細胞のうち、細胞C1及び細胞C2は、いずれも生細胞である。また、細胞C3は、死細胞である。画像取得部111は、取得した位相差画像をフィルタ部112に出力する。
図4(A)中、例えば細胞C1の例では、図面上やや濃い色で表現されている輪帯状部(一部途切れている部分あり)が細胞膜存在領域であると推測される部位である。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an example of an image handled by the determination system 1 of the present embodiment. The image acquisition unit 111 acquires the phase difference image illustrated in FIG. This phase difference image includes an image of the cell C1, an image of the cell C2, and an image of the cell C3. Among these cells, the cell C1 and the cell C2 are both living cells. The cell C3 is a dead cell. The image acquisition unit 111 outputs the acquired phase difference image to the filter unit 112.
In FIG. 4 (A), for example, in the example of the cell C1, a ring-shaped portion (partially interrupted) expressed in a slightly darker color on the drawing is a portion estimated to be a cell membrane existence region.
図3に戻り、フィルタ部112は、ステップS10において取得された位相差画像に対して、フィルタ処理を行う(ステップS20)。この一例においては、フィルタ部112は、ステップS10において取得された位相差画像に対して、積分フィルタ及び微分フィルタを適用して、細胞の輪郭を抽出しやすい状態にする。なお、このステップS20におけるフィルタ処理は必須ではない。フィルタ部112は、位相差画像の状態によっては、ステップS20におけるフィルタ処理を行わなくてもよい。 Returning to FIG. 3, the filter unit 112 performs a filtering process on the phase difference image acquired in step S10 (step S20). In this example, the filter unit 112 applies an integration filter and a differentiation filter to the phase difference image acquired in step S10 to make it easy to extract a cell outline. Note that the filtering process in step S20 is not essential. The filter unit 112 may not perform the filtering process in step S20 depending on the state of the phase difference image.
次に、フィルタ部112は、細胞領域ROIを抽出する(ステップS30)。このフィルタ部112により抽出された細胞領域ROIの一例を図4(B)に示す。フィルタ部112は、図4(A)に示す位相差画像に含まれる細胞の輪郭を抽出する。この一例では、フィルタ部112は、細胞C1の輪郭を、細胞領域ROI1として抽出する。また、フィルタ部112は、細胞C2の輪郭を、細胞領域ROI2として、細胞C3の輪郭を、細胞領域ROI3として、それぞれ抽出する。このフィルタ部112が行う輪郭抽出処理には、エッジ検出などの既知の方法が適用される。フィルタ部112は、細胞領域ROIを抽出した後の画像を、判定部113に出力する。 Next, the filter unit 112 extracts the cell region ROI (step S30). An example of the cell region ROI extracted by the filter unit 112 is shown in FIG. The filter unit 112 extracts the outline of the cell included in the phase difference image shown in FIG. In this example, the filter unit 112 extracts the outline of the cell C1 as the cell region ROI1. Further, the filter unit 112 extracts the outline of the cell C2 as the cell area ROI2 and the outline of the cell C3 as the cell area ROI3. A known method such as edge detection is applied to the contour extraction processing performed by the filter unit 112. The filter unit 112 outputs the image after extracting the cell region ROI to the determination unit 113.
図3に戻り、判定部113は、ステップS30において抽出された細胞領域ROIごとに、細胞の生死の状態を判定する。具体的には、判定部113は、細胞領域ROIの径方向の判定ラインJLを定める(ステップS40)。ここで、判定対象の細胞が生細胞である場合の、判定部113が定める判定ラインJLの一例について、図5(A)を参照して説明する。 Returning to FIG. 3, the determination unit 113 determines the viability state of the cell for each cell region ROI extracted in step S <b> 30. Specifically, the determination unit 113 determines a determination line JL in the radial direction of the cell region ROI (step S40). Here, an example of the determination line JL defined by the determination unit 113 when the determination target cell is a living cell will be described with reference to FIG.
[判定対象が生細胞である場合]
図5は、本実施形態の判定部113による生細胞の判定例を示す模式図である。判定部113が、ある生細胞の画像PCell1について判定する場合の一例を、図5(A)に示す。画像PCell1とは、生細胞が撮像された位相差画像である。この画像PCell1には、細胞核Cnと、細胞膜Cmと、細胞質Cyとの各画像が含まれる。なお、この図5(A)においては、位相差画像の位相差Δpが大きい部分を黒く、位相差Δpが小さい部分を白くして、位相差Δpを示す。
[When the judgment target is a living cell]
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an example of determination of a living cell by the determination unit 113 of the present embodiment. An example in the case where the determination unit 113 determines the image PCell1 of a certain living cell is shown in FIG. The image PCell1 is a phase difference image in which live cells are imaged. The image PCell1 includes images of the cell nucleus Cn, the cell membrane Cm, and the cytoplasm Cy. In FIG. 5A, the phase difference Δp is shown by blackening the portion where the phase difference Δp of the phase difference image is large and whitening the portion where the phase difference Δp is small.
判定部113は、画像PCell1の径方向に判定ラインJLを定める。画像PCell1の径方向とは、図5(A)に示す一例では、同図のX軸方向である。すなわち、この一例では、画像PCell1の径方向とは、画像PCell1の直径方向である。 The determination unit 113 determines a determination line JL in the radial direction of the image PCell1. In the example shown in FIG. 5A, the radial direction of the image PCell1 is the X-axis direction of FIG. That is, in this example, the radial direction of the image PCell1 is the radial direction of the image PCell1.
図3に戻り、判定部113は、判定ラインJL上の位相差Δpの変化の回数を求める(ステップS50)。具体的には、判定部113は、位相差のしきい値ThL1と、位相差Δpの変化曲線W1との交点の個数を算出することにより、判定ラインJL上の位相差Δpの変化の回数を求める。 Returning to FIG. 3, the determination unit 113 obtains the number of changes of the phase difference Δp on the determination line JL (step S50). Specifically, the determination unit 113 calculates the number of changes of the phase difference Δp on the determination line JL by calculating the number of intersections between the phase difference threshold ThL1 and the change curve W1 of the phase difference Δp. Ask.
より具体的には、判定部113は、図5(A)に示す判定ラインJLに沿ってX軸方向に位相差Δpの変化曲線を求める。この図5(A)に示す一例では、判定ラインJL上の位置x2から位置x3と、位置x5から位置x7と、位置x9から位置x10の部分の位相差Δpが比較的大きい。また、この図5(A)に示す一例では、判定ラインJL上の位置x1と、位置x4から位置x5と、位置x7から位置x8と、位置x11との部分の位相差Δpが比較的小さい。この判定ラインJLに沿った位相差Δpの変化曲線W1を図5(B)に示す。 More specifically, the determination unit 113 obtains a change curve of the phase difference Δp in the X-axis direction along the determination line JL shown in FIG. In the example shown in FIG. 5A, the phase difference Δp between the position x2 to position x3, the position x5 to position x7, and the position x9 to position x10 on the determination line JL is relatively large. Further, in the example shown in FIG. 5A, the phase difference Δp between the position x1, the position x4 to the position x5, the position x7 to the position x8, and the position x11 on the determination line JL is relatively small. A change curve W1 of the phase difference Δp along the determination line JL is shown in FIG.
ここで、トリパンブルーによって染色された細胞が生細胞である場合、その生細胞の位相差画像には、細胞膜Cmを示す位相差Δpの変化が現れる。つまり、生細胞の細胞膜Cmの部分の位相差Δpは、比較的大きい。また、生細胞の細胞質Cyの部分、及び細胞外の部分の位相差Δpは、比較的小さい。ここで、図5(A)に示す判定ラインJL上の位置x1は、細胞外の部分を示す。この判定ラインJL上の位置x2から位置x3の部分は、細胞膜Cmを示す。この判定ラインJL上の位置x4から位置x5の部分は、細胞質Cyを示す。 Here, when the cell stained with trypan blue is a living cell, a change in the phase difference Δp indicating the cell membrane Cm appears in the phase difference image of the living cell. That is, the phase difference Δp of the cell membrane Cm portion of the living cell is relatively large. Further, the phase difference Δp between the cytoplasmic Cy portion and the extracellular portion of the living cell is relatively small. Here, a position x1 on the determination line JL shown in FIG. 5A indicates an extracellular portion. A portion from position x2 to position x3 on the determination line JL indicates a cell membrane Cm. The portion from position x4 to position x5 on this determination line JL indicates cytoplasm Cy.
この図5(A)に示す判定ラインJL上の、細胞外の位置x1から、細胞膜Cmを示す位置x2の間において、位相差Δpの変化曲線W1がしきい値ThL1を超えるように、変化曲線W1としきい値ThL1とが交差する。この位置x1と位置x2との間における、変化曲線W1としきい値ThL1との交点は、細胞膜Cmの外周部の位置を示している。
また、判定ラインJL上の、細胞膜Cmを示す位置x3から細胞質Cyを示す位置x4の間において、位相差Δpの変化曲線W1がしきい値ThL1以下になるように、変化曲線W1としきい値ThL1とが交差する。この位置x3と位置x4との間における、変化曲線W1としきい値ThL1との交点は、細胞膜Cmの内周部の位置を示している。
つまり、変化曲線W1としきい値ThL1との2つの交点は、細胞膜Cmの外周部の位置と、内周部の位置とを示している。
A change curve such that the change curve W1 of the phase difference Δp exceeds the threshold ThL1 between the extracellular position x1 on the determination line JL shown in FIG. 5A and the position x2 indicating the cell membrane Cm. W1 and threshold value ThL1 intersect. An intersection between the change curve W1 and the threshold value ThL1 between the position x1 and the position x2 indicates the position of the outer peripheral portion of the cell membrane Cm.
Further, on the determination line JL, between the position x3 indicating the cell membrane Cm and the position x4 indicating the cytoplasm Cy, the change curve W1 and the threshold ThL1 are set such that the change curve W1 of the phase difference Δp is equal to or less than the threshold ThL1. And intersect. An intersection between the change curve W1 and the threshold value ThL1 between the position x3 and the position x4 indicates the position of the inner peripheral portion of the cell membrane Cm.
That is, the two intersections of the change curve W1 and the threshold value ThL1 indicate the position of the outer peripheral portion and the position of the inner peripheral portion of the cell membrane Cm.
なお、ここでは、判定ラインJL上の位置のうち、中心線CLからX軸の負方向側、つまり、位置x1から位置x6の範囲について説明した。すなわち、径方向の長さの半分以下の範囲について説明した。判定ラインJL上の位置のうち、中心線CLからX軸の正方向側、つまり、位置x6から位置x11の範囲についても同様である。すなわち、位置x8と位置x9との間における、変化曲線W1としきい値ThL1との交点は、細胞膜Cmの内周部の位置を示している。また、位置x10と位置x11との間における、変化曲線W1としきい値ThL1との交点は、細胞膜Cmの外周部の位置を示している。 Here, of the positions on the determination line JL, the negative direction side of the X axis from the center line CL, that is, the range from the position x1 to the position x6 has been described. That is, the range of less than half of the radial length has been described. Of the positions on the determination line JL, the same applies to the positive direction side of the X axis from the center line CL, that is, the range from the position x6 to the position x11. That is, the intersection between the change curve W1 and the threshold value ThL1 between the position x8 and the position x9 indicates the position of the inner periphery of the cell membrane Cm. Further, the intersection between the change curve W1 and the threshold value ThL1 between the position x10 and the position x11 indicates the position of the outer peripheral portion of the cell membrane Cm.
ここで、判定ラインJL上の位置のうち、中心線CLからX軸の負方向側、又は中心線CLからX軸の正方向側のいずれかの位置において、細胞膜Cmを示す位相差Δpの変化が存在すれば、判定部113は、判定対象の細胞を生細胞であると判定する。つまり、細胞の径方向の長さの半分以下の範囲において、細胞膜Cmを示す位相差Δpの変化が存在すれば、判定部113は、判定対象の細胞を生細胞であると判定する。 Here, among the positions on the determination line JL, a change in the phase difference Δp indicating the cell membrane Cm at any position on the negative direction side of the X axis from the center line CL or on the positive direction side of the X axis from the center line CL. Is present, the determination unit 113 determines that the determination target cell is a living cell. That is, if there is a change in the phase difference Δp indicating the cell membrane Cm within a range of half or less of the length in the radial direction of the cell, the determination unit 113 determines that the determination target cell is a living cell.
[判定対象が死細胞である場合]
次に、上述したステップS40及びステップS50において、判定部113による判定対象の細胞が死細胞である場合について、図6を参照して説明する。
図6は、本実施形態の判定部113による死細胞の判定例を示す模式図である。判定部113が、ある死細胞の画像PCell2について判定する場合の一例を、図6(A)に示す。画像PCell2とは、死細胞が撮像された位相差画像である。この画像PCell2においては、細胞核Cnと、細胞膜Cmと、細胞質Cyとが判別困難な状態である。なお、この図6(A)においては、上述した図5(A)と同様に、位相差画像の位相差Δpが大きい部分を黒く、位相差Δpが小さい部分を白くして、位相差Δpを示す。
[When the judgment target is dead cells]
Next, the case where the cell to be determined by the determination unit 113 is a dead cell in step S40 and step S50 described above will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of determining a dead cell by the determination unit 113 according to the present embodiment. An example in the case where the determination unit 113 determines the image PCell2 of a certain dead cell is shown in FIG. The image PCell2 is a phase difference image in which dead cells are imaged. In this image PCell2, the cell nucleus Cn, the cell membrane Cm, and the cytoplasm Cy are difficult to distinguish. In FIG. 6 (A), as in FIG. 5 (A) described above, the portion where the phase difference Δp of the phase difference image is black, the portion where the phase difference Δp is small is white, and the phase difference Δp is set. Show.
判定部113は、画像PCell2の径方向に判定ラインJLを定める。画像PCell2の径方向とは、図6(A)に示す一例では、同図のX軸方向である。すなわち、この一例では、画像PCell2の径方向とは、画像PCell2の直径方向である。 The determination unit 113 determines a determination line JL in the radial direction of the image PCell2. In the example shown in FIG. 6A, the radial direction of the image PCell2 is the X-axis direction of FIG. That is, in this example, the radial direction of the image PCell2 is the radial direction of the image PCell2.
判定部113は、上述したステップS50において、判定ラインJL上の位相差Δpの変化の回数を求める。具体的には、判定部113は、位相差のしきい値ThL1と、位相差Δpの変化曲線W2との交点の個数を算出することにより、判定ラインJL上の位相差Δpの変化の回数を求める。 In step S50 described above, the determination unit 113 obtains the number of changes in the phase difference Δp on the determination line JL. Specifically, the determination unit 113 calculates the number of changes in the phase difference Δp on the determination line JL by calculating the number of intersections between the phase difference threshold ThL1 and the change curve W2 of the phase difference Δp. Ask.
より具体的には、判定部113は、図6(A)に示す判定ラインJLに沿ってX軸方向に位相差Δpの変化曲線を求める。この図6(A)に示す一例では、判定ラインJL上の位置x2から位置x10の部分の位相差Δpが比較的大きい。また、この図6(A)に示す一例では、判定ラインJL上の位置x1と、位置x11との部分の位相差Δpが比較的小さい。この判定ラインJLに沿った位相差Δpの変化曲線W2を図6(B)に示す。 More specifically, the determination unit 113 obtains a change curve of the phase difference Δp in the X-axis direction along the determination line JL shown in FIG. In the example shown in FIG. 6A, the phase difference Δp between the position x2 and the position x10 on the determination line JL is relatively large. In the example shown in FIG. 6A, the phase difference Δp between the position x1 on the determination line JL and the position x11 is relatively small. FIG. 6B shows a change curve W2 of the phase difference Δp along the determination line JL.
ここで、トリパンブルーによって染色された細胞が死細胞である場合、その死細胞の位相差画像には、細胞膜Cmを示す位相差Δpの変化が現れにくい。つまり、死細胞においては、細胞膜Cmの部分の位相差Δpと、細胞質Cyの部分の位相差Δpとの差が小さい。これは、生細胞において、細胞膜Cmの部分の位相差Δpが比較的大きく、細胞質Cyの部分、及び細胞外の部分の位相差Δpが比較的小さいことと相違する。 Here, when a cell stained with trypan blue is a dead cell, a change in the phase difference Δp indicating the cell membrane Cm hardly appears in the phase difference image of the dead cell. That is, in dead cells, the difference between the phase difference Δp in the cell membrane Cm portion and the phase difference Δp in the cytoplasm Cy portion is small. This is different from the fact that in a living cell, the phase difference Δp of the cell membrane Cm portion is relatively large, and the phase difference Δp of the cytoplasmic Cy portion and the extracellular portion is relatively small.
より具体的には、図6(A)に示す判定ラインJL上の、細胞外の位置x1から、細胞膜Cmを示す位置x2の間において、位相差Δpの変化曲線W2がしきい値ThL1を超えるように、変化曲線W2としきい値ThL1とが交差する。この位置x1と位置x2との間における、変化曲線W2としきい値ThL1との交点は、細胞膜Cmの外周部の位置を示している。
また、判定ラインJL上の、位置x2から位置x6の間において、位相差Δpの変化曲線W2がしきい値ThL1以下にならない。これは、生細胞において、位相差Δpの変化曲線W2がしきい値ThL1以下になるのと相違する。
More specifically, the change curve W2 of the phase difference Δp exceeds the threshold ThL1 between the extracellular position x1 on the determination line JL shown in FIG. 6A and the position x2 indicating the cell membrane Cm. Thus, the change curve W2 and the threshold value ThL1 intersect. An intersection between the change curve W2 and the threshold value ThL1 between the position x1 and the position x2 indicates the position of the outer peripheral portion of the cell membrane Cm.
Further, the change curve W2 of the phase difference Δp does not become equal to or less than the threshold value ThL1 between the position x2 and the position x6 on the determination line JL. This is different from the case where the change curve W2 of the phase difference Δp is equal to or less than the threshold value ThL1 in the living cell.
なお、ここでは、判定ラインJL上の位置のうち、中心線CLからX軸の負方向側、つまり、位置x1から位置x6の範囲について説明した。すなわち、径方向の長さの半分以下の範囲について説明した。判定ラインJL上の位置のうち、中心線CLからX軸の正方向側、つまり、位置x6から位置x11の範囲についても同様である。 Here, of the positions on the determination line JL, the negative direction side of the X axis from the center line CL, that is, the range from the position x1 to the position x6 has been described. That is, the range of half or less of the length in the radial direction has been described. Of the positions on the determination line JL, the same applies to the positive direction side of the X axis from the center line CL, that is, the range from the position x6 to the position x11.
ここで、判定ラインJL上の位置のうち、中心線CLからX軸の負方向側、又は中心線CLからX軸の正方向側のいずれかの位置において、細胞膜Cmを示す位相差Δpの変化が存在しなければ、判定部113は、判定対象の細胞を死細胞であると判定する。つまり、細胞の径方向の長さの半分以下の範囲において、細胞膜Cmを示す位相差Δpの変化が存在しなければ、判定部113は、判定対象の細胞を死細胞であると判定する。
また本実施形態では、フィルタ部112で抽出した特定部位である細胞領域ROIの情報と上記とは異なる部位の特定領域である細胞膜の画像情報とを用い、細胞膜の長さまたは面積、細胞面積に着目し、例えば細胞の生死判定等の物体の状態判定を行うことが可能である。
まず、図4(A)の細胞C1を例に説明する。
細胞C1について上記と同様の処理を実施し、図4(B)に示すように細胞領域ROI1を抽出する。この細胞領域ROI1には、図4(A)で判るように図面上やや濃い色で表現されている輪帯状部(一部途切れている部分あり)で図示されている細胞膜と推測される外側領域に白くにじんだ領域のハロ領域(ノイズ成分)が存在する。このハロ領域は、細胞は存在していない領域である。したがって、ハロ領域を削除することで細胞C1の輪郭を抽出することが可能となる。この輪郭は細胞膜の外側の壁部分と仮定できる。このハロ領域の特定は位相差画像の輝度情報を基に画像認識により行うことが可能である。または、細胞種毎に予めハロ領域の寸法情報、例えば、ハロ領域の外周部から細胞内部に向かうハロが存在する長さ情報を記憶しておき、この情報を基にハロ領域を除くことも可能である。このようにハロ領域を除いた細胞C1の輪郭は細胞膜の外周部に相当が存在する領域であると定義でき、細胞C1の細胞膜の全周を測定することが可能となる。
次に上記と同様の処理を実施し、図4(C)に示すように例えば細胞C1を対象にした場合、細胞膜の画像CT11〜CT14を認識し、抽出する。この細胞膜の画像CT11〜CT14の周方向の長さに着目する。上記の様に細胞膜の全周の長さは測定可能となっている。この細胞膜の全周の長さに対する細胞膜の画像CT11〜CT14の長さの和の割合(比)を算出することで細胞の生死判定の基準とすることが可能である。この基準は、細胞種によっても異なる。したがって、細胞種毎に生死判定基準値を予め記憶しておき、この基準値を満たすか否かでの判断を行うことも可能である。また、上記の例では細胞膜全周の長さに対する実際の細胞膜の長さの割合で生死判断を行ったがこれに限定されるものではい。例えば実際の細胞膜の長さの絶対値によっても生死判定することが可能である。この場合、細胞種や培養条件等毎の生死判定基準を予め定め、これに従って判定することも可能である。
更に、細胞の面積と細胞膜の面積を用い判定することも可能である。
この例では、まず、上記と同様の処理により図4(B)に示すようにフィルタ部112により、細胞領域ROIを抽出する(ステップS30)。次に細胞領域ROIの面積を算出する。例えば細胞C1を対象にした場合、細胞領域ROI1の面積を算出する。次に上記と同様に細胞膜の画像CT11〜CT14を認識し、抽出する。この細胞膜の画像CT11〜CT14の面積に着目し、面積を算出する。この細胞膜の画像CT11〜CT14の面積の和と細胞領域ROI1の面積の割合(比)を算出することで細胞の生死判定の基準とすることが可能である。この基準は、細胞種によっても異なる。したがって、細胞種毎に生死判定基準値を予め記憶しておき、この基準値を満たすか否かでの判断を行うことも可能である。また、例えば実際の細胞膜の面積の絶対値によっても生死判定することが可能である。この場合、細胞種や培養条件等毎の生死判定基準を予め定め、これに従って判定することも可能である。
上記のような細胞膜、細胞領域の長さや面積は、例えば撮像素子のピクセルを用い、ピクセル数をもとに算出することが可能である。
本願発明は、培養された複数の細胞の中から、少なくとも1つの細胞を抜き取り、上記のような画像解析を行うことが可能であることから抜き取られた検査細胞以外の培養中の細胞に対しては悪影響を及ぼすことなく細胞状態を判定することが可能である。
本発明に適用可能な観察物は、本実施例で説明したような細胞に限られるものではなく、例えば幹細胞や神経細胞、心筋細胞、皮膚細胞、肝細胞、血液細胞、免疫細胞等の各種細胞のほか、微生物等の生物や組織等に適用可能であり、位相差観察が可能な観察物全般に適用可能である。
また、細胞の生死判定に限らず、分化状態、分化時期、スクリーニングにおける薬効、毒性等の細胞状態判定に用いることができる。また。細胞に限らず、微生物の成育状態、機能検出にも応用可能である。このようなスクリーニング、薬品の毒性試験、薬効試験または再生医療の処理工程に本願発明の状態判定方法を採用することにより、より効率的なスクリーニング、効率的な薬品の製造、または効率的な再生細胞の作製を行うことが可能となる。
また、本願発明の方法をプログラミングした制御装置により観察装置を駆動させることで観察対象となる物体の状態を判定可能な観察装置、スクリーニング装置、細胞培養装置を構築することも可能である。
Here, among the positions on the determination line JL, a change in the phase difference Δp indicating the cell membrane Cm at any position on the negative direction side of the X axis from the center line CL or on the positive direction side of the X axis from the center line CL. If no exists, the determination unit 113 determines that the cell to be determined is a dead cell. That is, if there is no change in the phase difference Δp indicating the cell membrane Cm within a range of half or less of the length in the radial direction of the cell, the determination unit 113 determines that the determination target cell is a dead cell.
In the present embodiment, the information on the cell region ROI that is a specific region extracted by the filter unit 112 and the image information on the cell membrane that is a specific region different from the above are used to calculate the length or area of the cell membrane and the cell area. It is possible to pay attention and to determine the state of an object, for example, whether a cell is alive or dead.
First, the cell C1 in FIG. 4A will be described as an example.
The same processing as described above is performed on the cell C1, and the cell region ROI1 is extracted as shown in FIG. As shown in FIG. 4A, the cell region ROI1 is an outer region that is assumed to be a cell membrane illustrated by a ring-shaped portion (partially interrupted) expressed in a slightly darker color on the drawing. There is a halo region (noise component) that is white-bleeded. This halo region is a region where cells are not present. Therefore, the outline of the cell C1 can be extracted by deleting the halo region. This contour can be assumed to be the outer wall portion of the cell membrane. The halo region can be specified by image recognition based on the luminance information of the phase difference image. Alternatively, it is possible to store dimension information of the halo region in advance for each cell type, for example, length information indicating that there is a halo from the outer periphery of the halo region toward the inside of the cell, and removing the halo region based on this information It is. As described above, the outline of the cell C1 excluding the halo region can be defined as a region in which the equivalent exists in the outer peripheral portion of the cell membrane, and the entire circumference of the cell membrane of the cell C1 can be measured.
Next, the same processing as described above is performed, and as shown in FIG. 4C, for example, when the cell C1 is targeted, the cell membrane images CT11 to CT14 are recognized and extracted. Attention is paid to the circumferential lengths of the cell membrane images CT11 to CT14. As described above, the entire length of the cell membrane can be measured. By calculating the ratio (ratio) of the sum of the lengths of the cell membrane images CT11 to CT14 with respect to the total length of the cell membrane, it can be used as a reference for cell viability determination. This criterion also varies depending on the cell type. Therefore, it is also possible to store a life / death determination reference value for each cell type in advance and determine whether or not this reference value is satisfied. In the above example, the life / death judgment is made based on the ratio of the actual cell membrane length to the entire length of the cell membrane. However, the present invention is not limited to this. For example, it is possible to determine whether the life or death is based on the absolute value of the actual cell membrane length. In this case, it is also possible to determine in advance a life / death criterion for each cell type, culture condition, etc., and make a determination according to this.
Furthermore, it is also possible to determine using the area of the cell and the area of the cell membrane.
In this example, first, the cell region ROI is extracted by the filter unit 112 as shown in FIG. 4B by the same processing as described above (step S30). Next, the area of the cell region ROI is calculated. For example, when the cell C1 is targeted, the area of the cell region ROI1 is calculated. Next, cell membrane images CT11 to CT14 are recognized and extracted in the same manner as described above. Paying attention to the area of the cell membrane images CT11 to CT14, the area is calculated. By calculating the sum of the areas of the cell membrane images CT11 to CT14 and the ratio (ratio) of the area of the cell region ROI1, it can be used as a reference for cell viability determination. This criterion also varies depending on the cell type. Therefore, it is also possible to store a life / death determination reference value for each cell type in advance and determine whether or not this reference value is satisfied. In addition, for example, life / death can be determined by the absolute value of the actual cell membrane area. In this case, it is also possible to determine in advance a life / death criterion for each cell type, culture condition, etc., and make a determination according to this.
The length and area of the cell membrane and cell region as described above can be calculated based on the number of pixels using, for example, pixels of the image sensor.
The invention of the present application extracts at least one cell from a plurality of cultured cells, and can perform the image analysis as described above. Can determine the cell state without adverse effects.
Observables applicable to the present invention are not limited to the cells described in the present embodiment, and for example, various cells such as stem cells, nerve cells, cardiomyocytes, skin cells, hepatocytes, blood cells, immune cells, etc. In addition, the present invention can be applied to living organisms such as microorganisms, tissues, and the like, and can be applied to all observation objects capable of phase difference observation.
Moreover, it can be used not only for cell viability determination but also for cell state determination such as differentiation state, differentiation time, drug efficacy in screening, toxicity and the like. Also. It is applicable not only to cells but also to the growth status and function detection of microorganisms. By adopting the condition determination method of the present invention in such screening, drug toxicity test, drug efficacy test or regenerative medicine processing process, more efficient screening, efficient drug production, or efficient regenerative cells Can be made.
It is also possible to construct an observation device, a screening device, and a cell culture device that can determine the state of an object to be observed by driving the observation device with a control device programmed with the method of the present invention.
[生細胞及び死細胞の判定]
上述したように、生細胞と、死細胞とでは、判定ラインJL上の位相差Δpの変化曲線が相違する。判定部113は、この位相差Δpの変化曲線が、生細胞を示す変化曲線(例えば、図5(B)に示す変化曲線W1)であれば、判定対象の細胞を生細胞であると判定する。また、判定部113は、この位相差Δpの変化曲線が、死細胞を示す変化曲線(例えば、図6(B)に示す変化曲線W2)であれば、判定対象の細胞を死細胞であると判定する。
[Determination of live and dead cells]
As described above, the change curve of the phase difference Δp on the determination line JL is different between the living cell and the dead cell. If the change curve of the phase difference Δp is a change curve indicating a live cell (for example, the change curve W1 shown in FIG. 5B), the determination unit 113 determines that the determination target cell is a live cell. . If the change curve of the phase difference Δp is a change curve indicating a dead cell (for example, the change curve W2 shown in FIG. 6B), the determination unit 113 determines that the determination target cell is a dead cell. judge.
ここで、判定部113は、判定対象の細胞の径方向の長さの半分以下の範囲における、位相差Δpの変化曲線と、しきい値ThL1との交点の個数に基づき、判定対象の細胞が生細胞であるか死細胞であるかを判定する(ステップS60)。
具体例として、判定対象の細胞が生細胞の場合について説明する。図5(B)に示すように、位置x1から位置x6の範囲において、変化曲線W1としきい値ThL1との交点の個数は、2個である。この場合、判定部113は、変化曲線W1としきい値ThL1との交点の個数を、2個であると算出する。
また他の具体例として、判定対象の細胞が死細胞の場合について説明する。図6(B)に示すように、位置x1から位置x6の範囲において、変化曲線W2としきい値ThL1との交点の個数は、1個である。この場合、判定部113は、変化曲線W2としきい値ThL1との交点の個数を、1個であると算出する。
Here, the determination unit 113 determines whether the cell to be determined is based on the number of intersections between the change curve of the phase difference Δp and the threshold value ThL1 in a range that is less than or equal to half the radial length of the cell to be determined. It is determined whether the cell is a live cell or a dead cell (step S60).
As a specific example, a case where the determination target cell is a living cell will be described. As shown in FIG. 5B, in the range from the position x1 to the position x6, the number of intersections between the change curve W1 and the threshold value ThL1 is two. In this case, the determination unit 113 calculates that the number of intersections between the change curve W1 and the threshold value ThL1 is two.
As another specific example, a case where the determination target cell is a dead cell will be described. As shown in FIG. 6B, in the range from the position x1 to the position x6, the number of intersections between the change curve W2 and the threshold value ThL1 is one. In this case, the determination unit 113 calculates that the number of intersections between the change curve W2 and the threshold value ThL1 is one.
この一例では、判定部113は、位相差Δpの変化曲線と、しきい値ThL1との交点の個数が2個以上であれば、判定対象の細胞を生細胞である(ステップS60;YES)と判定して、処理をステップS70に進める。また、判定部113は、位相差Δpの変化曲線と、しきい値ThL1との交点の個数が1個以下であれば、判定対象の細胞を死細胞である(ステップS60;NO)と判定して、処理をステップS80に進める。 In this example, if the number of intersections between the change curve of the phase difference Δp and the threshold value ThL1 is two or more, the determination unit 113 determines that the determination target cell is a living cell (step S60; YES). Determination is made and the process proceeds to step S70. If the number of intersections between the change curve of the phase difference Δp and the threshold value ThL1 is 1 or less, the determination unit 113 determines that the determination target cell is a dead cell (step S60; NO). Then, the process proceeds to step S80.
次に、判定部113は、判定対象のすべての細胞領域ROIについて生死判定したか否かを判定する(ステップS90)。判定部113は、判定対象のすべての細胞領域ROIについて生死判定していないと判定した場合(ステップS90;NO)には、処理をステップS40に戻して、次の細胞領域ROIについての処理を継続する。判定部113は、判定対象のすべての細胞領域ROIについて生死判定したと判定した場合(ステップS90;YES)には、一連の処理を終了する。 Next, the determination unit 113 determines whether or not all the cell regions ROI to be determined have been determined to be alive (step S90). If the determination unit 113 determines that all the cell regions ROI to be determined are not determined to be alive (step S90; NO), the process returns to step S40 to continue the process for the next cell region ROI. To do. If the determination unit 113 determines that all the cell regions ROI to be determined have been determined to be alive (step S90; YES), the series of processing ends.
以上説明したように、本実施形態の判定システム1は、判定部113を備えている。この判定部113は、画像取得部111が取得した位相差画像に基づいて、細胞が生細胞と死細胞とのいずれであるかを判定する。上述したように、位相差画像によると、位相差を用いない画像に比べて、被検体Sの物理的な構造がその画像に現れやすい。例えば、動物細胞においては、その細胞膜の物理的な構造が位相差画像に現れやすい。したがって、位相差画像による判定を行うことにより、判定対象の細胞が色素細胞であった場合でも、その細胞の色味が判定に及ぼす影響を低減することができる。つまり、本実施形態の判定部113によれば、位相差画像に基づいて判定することにより、細胞の色味が判定に及ぼす影響を低減することができる。 As described above, the determination system 1 of this embodiment includes the determination unit 113. The determination unit 113 determines whether the cell is a live cell or a dead cell based on the phase difference image acquired by the image acquisition unit 111. As described above, according to the phase difference image, the physical structure of the subject S is likely to appear in the image as compared with an image not using the phase difference. For example, in an animal cell, the physical structure of the cell membrane tends to appear in a phase difference image. Therefore, by performing the determination based on the phase difference image, even when the determination target cell is a pigment cell, the influence of the color of the cell on the determination can be reduced. That is, according to the determination unit 113 of the present embodiment, it is possible to reduce the influence of the color of the cell on the determination by determining based on the phase difference image.
また、本実施形態の判定部113は、細胞を示す画像の、径方向の位相差Δpの変化に基づいて、細胞が生細胞と死細胞とのいずれであるかを判定する。上述したように、死細胞に対して選択的に染色を行うと、色素が死細胞の内部に透過する。これにより、死細胞においては、細胞内部の物理的な構造が位相差画像に現れにくくなる。換言すれば、生細胞においては、細胞内部の物理的な構造に応じて、位相差Δpに変化が生じやすい。一方、死細胞においては、細胞内部の物理的な構造に応じて、位相差Δpに変化が生じにくい。つまり、生細胞と死細胞とでは、位相差画像の位相差Δpの変化の状態が相違する。判定部113は、この位相差画像の位相差Δpの変化の状態が相違する点を利用して、判定対象の細胞が生細胞であるか、死細胞であるかを判定する。したがって、本実施形態の判定部113によれば、細胞の色味が判定に及ぼす影響を低減することができる。つまり、本実施形態の判定システム1によれば、細胞の生死判定の精度を向上することができる。 In addition, the determination unit 113 according to the present embodiment determines whether the cell is a live cell or a dead cell based on a change in the radial phase difference Δp of the image showing the cell. As described above, when the dead cells are selectively stained, the dye penetrates into the dead cells. Thereby, in the dead cell, the physical structure inside the cell is less likely to appear in the phase difference image. In other words, in a living cell, the phase difference Δp is likely to change according to the physical structure inside the cell. On the other hand, in a dead cell, the phase difference Δp hardly changes depending on the physical structure inside the cell. That is, the change state of the phase difference Δp of the phase difference image is different between the living cell and the dead cell. The determination unit 113 determines whether the cell to be determined is a living cell or a dead cell by utilizing the difference in the change state of the phase difference Δp of the phase difference image. Therefore, according to the determination unit 113 of the present embodiment, it is possible to reduce the influence of cell color on determination. That is, according to the determination system 1 of the present embodiment, it is possible to improve the accuracy of cell life / death determination.
また、本実施形態の判定部113は、細胞の径方向の長さの半分以下の範囲における位相差Δpの変化に基づいて、細胞が生細胞と死細胞とのいずれであるかを判定する。すなわち、本実施形態の判定部113は、細胞の径方向のすべての範囲ではなく、一部の範囲における位相差Δpの変化に基づいて、細胞が生細胞と死細胞とのいずれであるかを判定する。これにより、判定部113は、位相差画像に細胞膜を示す画像が一部でも含まれていれば、細胞が生細胞と死細胞とのいずれであるかを判定することができる。 In addition, the determination unit 113 of the present embodiment determines whether the cell is a live cell or a dead cell based on a change in the phase difference Δp in a range that is half or less of the length in the radial direction of the cell. That is, the determination unit 113 of the present embodiment determines whether a cell is a live cell or a dead cell based on a change in the phase difference Δp in a part of the range, not the entire range in the radial direction of the cell. judge. Thereby, the determination part 113 can determine whether a cell is a living cell or a dead cell, if the image which shows a cell membrane is contained in the phase difference image at least.
また、本実施形態の判定システム1は、フィルタ部112を備えている。このフィルタ部112は、細胞の外形を抽出する。このフィルタ部112により、判定部113における判定を容易にすることができる。 Further, the determination system 1 of the present embodiment includes a filter unit 112. The filter unit 112 extracts the outer shape of the cell. This filter unit 112 can facilitate the determination in the determination unit 113.
[変形例]
なお、ここまで判定部113がしきい値ThL1に基づいて判定する場合を一例にして説明したが、これに限られない。判定部113は、しきい値ThL2に基づいて、細胞の生死を判定してもよい。このしきい値ThL2によれば、図5(B)に示すように、細胞膜Cmによる位相差Δpの変化に加え、細胞核Cnによる位相差Δpの変化をも検出することができる。
[Modification]
In addition, although the case where the determination part 113 determined based on threshold value ThL1 was demonstrated as an example so far, it is not restricted to this. The determination unit 113 may determine whether the cell is alive or dead based on the threshold value ThL2. According to the threshold value ThL2, as shown in FIG. 5B, in addition to the change in the phase difference Δp caused by the cell membrane Cm, the change in the phase difference Δp caused by the cell nucleus Cn can also be detected.
また、これまで、細胞の位相差画像において、細胞膜部分の位相差Δpが大きいとして説明したが、これに限られない。図7に示すように、図5(A)及び図6(A)に示す位相差画像と、位相差が反転していてもよい。
図7は、本実施形態の変形例における位相差Δpの変化曲線の一例を示す模式図である。ここで、図7(A)に示す変化曲線W3とは、図5(A)に示す生細胞の変化曲線W1を反転させた曲線である。また、図7(B)に示す変化曲線W4とは、図6(A)に示す生細胞の変化曲線W2を反転させた曲線である。
In the above description, the cell phase difference image has been described as having a large phase difference Δp in the cell membrane portion, but the present invention is not limited to this. As illustrated in FIG. 7, the phase difference may be reversed from the phase difference image illustrated in FIGS. 5A and 6A.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an example of a change curve of the phase difference Δp in a modification of the present embodiment. Here, the change curve W3 shown in FIG. 7 (A) is a curve obtained by inverting the change curve W1 of the living cells shown in FIG. 5 (A). Moreover, the change curve W4 shown in FIG. 7B is a curve obtained by inverting the change curve W2 of the living cell shown in FIG.
また、上述したフィルタ部112は、画像取得部111が取得した位相差画像に対して画素値の積分処理及び微分処理を行うことにより、図4(c)に示すように、細胞膜部分を強調した画像を生成してもよい。この場合には、フィルタ部112は、図4(B)に示す細胞領域ROIを示す画像とともに、図4(c)に示す細胞膜部分を強調した画像を判定部113に出力する構成であってもよい。図4(c)に示す一例の場合、フィルタ部112は、細胞C1について、細胞膜の画像CT11〜CT14を強調した画像を判定部113に出力する。また、フィルタ部112は、細胞C2について、細胞膜の画像CT21〜CT23を強調した画像を判定部113に出力する。 Further, the filter unit 112 described above emphasizes the cell membrane portion as shown in FIG. 4C by performing integration processing and differentiation processing of the pixel value on the phase difference image acquired by the image acquisition unit 111. An image may be generated. In this case, the filter unit 112 is configured to output an image highlighting the cell membrane portion shown in FIG. 4C to the determination unit 113 together with the image showing the cell region ROI shown in FIG. Good. In the example shown in FIG. 4C, the filter unit 112 outputs an image in which the cell membrane images CT11 to CT14 are emphasized for the cell C1 to the determination unit 113. The filter unit 112 outputs an image in which the cell membrane images CT21 to CT23 are emphasized for the cell C2 to the determination unit 113.
また、本実施形態における判定システム1の各処理を実行するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、当該記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、上述した種々の処理を行ってもよい。 Further, by recording a program for executing each process of the determination system 1 in the present embodiment on a computer-readable recording medium, causing the computer system to read and execute the program recorded on the recording medium, You may perform the various process mentioned above.
なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。 Here, the “computer system” may include an OS and hardware such as peripheral devices. Further, the “computer system” includes a homepage providing environment (or display environment) if a WWW system is used. The “computer-readable recording medium” means a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, a writable nonvolatile memory such as a flash memory, a portable medium such as a CD-ROM, a hard disk built in a computer system, etc. This is a storage device.
さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(例えばDRAM(Dynamic Random Access Memory))のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。 Further, the “computer-readable recording medium” means a volatile memory (for example, DRAM (Dynamic DRAM) in a computer system that becomes a server or a client when a program is transmitted through a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. Random Access Memory)), etc., which hold programs for a certain period of time. The program may be transmitted from a computer system storing the program in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium or by a transmission wave in the transmission medium. Here, the “transmission medium” for transmitting the program refers to a medium having a function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication line (communication line) such as a telephone line. The program may be for realizing a part of the functions described above. Furthermore, what can implement | achieve the function mentioned above in combination with the program already recorded on the computer system, what is called a difference file (difference program) may be sufficient.
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
1…判定システム、10…判定装置、111…画像取得部、112…フィルタ部、113…判定部、20…表示部、30…位相差顕微鏡装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Determination system, 10 ... Determination apparatus, 111 ... Image acquisition part, 112 ... Filter part, 113 ... Determination part, 20 ... Display part, 30 ... Phase contrast microscope apparatus
Claims (11)
前記位相差画像における前記細胞の細胞領域を抽出し、前記細胞領域からハロ領域を削除するフィルタ部と、
前記ハロ領域が除かれた前記細胞領域の輪郭の全周と、前記位相差画像をもとに得られる細胞膜の長さとに基づいて、前記細胞の状態を判定する判定部と、
を備える判定装置。 An image acquisition unit for acquiring a phase difference image of an observation object including cells, which is observed by phase difference observation;
A filter unit for extracting a cell region of the cell in the phase difference image and deleting a halo region from the cell region;
A determination unit that determines the state of the cell based on the entire circumference of the outline of the cell region from which the halo region has been removed, and the length of the cell membrane obtained based on the phase difference image ,
A determination apparatus comprising:
前記判定部は、前記細胞領域の輪郭の全周に対する前記細胞膜の長さの和の割合を、前記細胞の状態を判定する基準として用いる、 The determination unit uses a ratio of the sum of the lengths of the cell membrane to the entire circumference of the outline of the cell region as a reference for determining the state of the cell.
請求項1に記載の判定装置。 The determination apparatus according to claim 1.
請求項2に記載の判定装置。 The determination apparatus according to claim 2.
請求項1から3の何れか一項に記載の判定装置。 The determination apparatus according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4の何れか一項に記載の判定装置。 The determination apparatus according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から5の何れか一項に記載の判定装置。The determination apparatus according to any one of claims 1 to 5.
請求項1から6の何れか一項に記載の判定装置。 The determination apparatus according to any one of claims 1 to 6.
請求項1から7の何れか一項に記載の判定装置。 The determination apparatus according to any one of claims 1 to 7.
前記位相差画像を生成する位相差撮像部と、
前記判定装置の判定結果を出力する出力部と、
を備えることを特徴とする判定システム。 The determination device according to any one of claims 1 to 8 ,
A phase difference imaging unit for generating the phase difference image;
An output unit for outputting a determination result of the determination device;
A determination system comprising:
細胞を含む観察物体の位相差画像を取得する画像取得手順と、
前記位相差画像における前記細胞の細胞領域を抽出し、前記細胞領域からハロ領域を削除する手順と、
前記ハロ領域が除かれた前記細胞領域の輪郭の全周と、前記位相差画像をもとに得られる細胞膜の長さとに基づいて、前記細胞の状態を判定する判定手順と、
を実行させるための判定プログラム。 On the computer,
An image acquisition procedure for acquiring a phase difference image of an observation object including cells;
Extracting a cell region of the cell in the phase contrast image, and removing a halo region from the cell region;
A determination procedure for determining the state of the cell based on the entire circumference of the outline of the cell region from which the halo region is removed, and the length of the cell membrane obtained based on the phase difference image ,
Judgment program for executing
前記画像取得部が、細胞を含む観察物体の位相差画像を取得する手順と、
前記フィルタ部が、前記位相差画像における前記細胞の細胞領域を抽出し、前記細胞領域からハロ領域を削除する手順と、
前記判定部が、前記ハロ領域が除かれた前記細胞領域の輪郭の全周と、前記位相差画像をもとに得られる細胞膜の長さとに基づいて、前記細胞の状態を判定する手順と、
を有する細胞の製造方法。 A method for producing a cell using the determination apparatus according to any one of claims 1 to 8,
The image acquisition unit acquires a phase difference image of an observation object including cells;
The filter unit extracts a cell region of the cell in the phase difference image, and deletes a halo region from the cell region;
The determination unit determines the state of the cell based on the entire circumference of the outline of the cell region from which the halo region is removed, and the length of the cell membrane obtained based on the phase difference image,
Cells method of manufacturing that have a.
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