Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7738845B2 - Cell evaluation method and cell analysis device - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7738845B2 - Cell evaluation method and cell analysis device - Google Patents

Cell evaluation method and cell analysis device

Info

Publication number
JP7738845B2
JP7738845B2 JP2021101351A JP2021101351A JP7738845B2 JP 7738845 B2 JP7738845 B2 JP 7738845B2 JP 2021101351 A JP2021101351 A JP 2021101351A JP 2021101351 A JP2021101351 A JP 2021101351A JP 7738845 B2 JP7738845 B2 JP 7738845B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cell
cells
optical thickness
area
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021101351A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022001040A5 (en
JP2022001040A (en
Inventor
歓和 永石
周平 山本
隆二 澤田
徹 江連
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shimadzu Corp
Sapporo Medical University
Original Assignee
Shimadzu Corp
Sapporo Medical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shimadzu Corp, Sapporo Medical University filed Critical Shimadzu Corp
Publication of JP2022001040A publication Critical patent/JP2022001040A/en
Publication of JP2022001040A5 publication Critical patent/JP2022001040A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7738845B2 publication Critical patent/JP7738845B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Description

本発明は、細胞の評価方法及びその評価に利用される細胞解析装置に関し、さらに詳しくは、多数の細胞の集団における細胞の形態を非侵襲で評価するのに好適な評価方法及び解析装置に関する。 The present invention relates to a cell evaluation method and a cell analysis device used for such evaluation, and more specifically to an evaluation method and analysis device suitable for non-invasively evaluating the morphology of cells in a population of multiple cells.

再生医療分野では、近年、iPS細胞やES細胞、或いは間葉系幹細胞等の多能性幹細胞を用いた研究が盛んに行われている。こうした多能性幹細胞を利用した再生医療の研究・開発においては、多能性を維持した状態の未分化の細胞を大量に培養する必要がある。そのため、適切な培養環境の選択と環境の安定的な制御が必要であるとともに、培養中の細胞の状態を高い頻度で確認する必要がある。再生医療分野における細胞状態の確認は、細胞を非破壊的、非侵襲的に行うことが重要である。こうした非破壊的・非侵襲的な細胞状態の評価は、細胞観察装置で得られる細胞画像を利用した形態学的な評価が一般的である。 In recent years, the field of regenerative medicine has seen active research using pluripotent stem cells such as iPS cells, ES cells, and mesenchymal stem cells. Research and development into regenerative medicine using these pluripotent stem cells requires the mass cultivation of undifferentiated cells that maintain pluripotency. This requires the selection of an appropriate culture environment and stable control of that environment, as well as frequent monitoring of the state of the cells during cultivation. In the field of regenerative medicine, it is important to monitor the state of cells non-destructively and non-invasively. Morphological evaluation using cell images obtained with cell observation devices is a common method of evaluating cell state non-destructively and non-invasively.

一般に細胞などの薄く透明な観察対象物は光の吸収が少ないため、光学的な強度像では対象物の形態を認識することは難しい。そのため、従来一般に、細胞の観察には位相差顕微鏡が広く利用されている。位相差顕微鏡では光が対象物を通過する際に変化する位相の変化量をコントラストとして画像化するため、透明である細胞の輪郭などを明瞭に可視化した位相差画像を得ることができる。しかしながら、位相差顕微鏡による位相差画像の画素値(信号値)では、対象物の厚み方向の情報、具体的には細胞の厚みを、定量的に評価することができないという限界がある。 Thin and transparent objects such as cells generally absorb little light, making it difficult to recognize their morphology using optical intensity images. For this reason, phase-contrast microscopes have traditionally been widely used for observing cells. Phase-contrast microscopes visualize the amount of phase change that occurs when light passes through an object as contrast, allowing for the production of phase-contrast images that clearly visualize the outlines of transparent cells. However, the pixel values (signal values) of phase-contrast images obtained using phase-contrast microscopes have the limitation that they cannot quantitatively evaluate information about the thickness of an object, specifically the thickness of a cell.

これに対し、非特許文献1に開示されているような細胞解析装置では、細胞観察画像を取得するためにホログラフィック顕微鏡が用いられている。ホログラフィック顕微鏡では、培養容器内の培地と該培地上の細胞との屈折率の差と、細胞の厚みの積である物理量、即ち光学厚み(Optical thickness)、を画像化する。そのため、ホログラフィック顕微鏡により得られる位相像は光学厚みの情報を有している。非特許文献1に開示されている細胞解析装置では、光学厚みにカラースケールに従った表示色を割り当てることで、位相像から光学厚みの分布を示すカラー画像を作成することができる。また、非特許文献1には、光学厚みの違いを利用して、iPS細胞の未分化維持コロニーと未分化逸脱細胞との識別が可能であることも示されている。 In contrast, cell analysis devices such as those disclosed in Non-Patent Document 1 use a holographic microscope to acquire cell observation images. Holographic microscopes image the physical quantity, i.e., optical thickness, which is the product of the difference in refractive index between the medium in a culture vessel and the cells on the medium and the thickness of the cells. Therefore, the phase image obtained by a holographic microscope contains information about the optical thickness. The cell analysis device disclosed in Non-Patent Document 1 assigns display colors according to a color scale to the optical thickness, thereby creating a color image showing the distribution of optical thickness from the phase image. Non-Patent Document 1 also shows that differences in optical thickness can be used to distinguish between undifferentiated iPS cell colonies and undifferentiated deviation cells.

国際特許公開第2016/084420号パンフレットInternational Patent Publication No. 2016/084420

「細胞培養解析装置 CultureScanner CS-1」、[online]、[2020年5月14日検索]、株式会社島津製作所、インターネット<URL: https://www.an.shimadzu.co.jp/bio/cell/cs1/index.htm>"Cell Culture Analysis Device CultureScanner CS-1," [online], [searched May 14, 2020], Shimadzu Corporation, Internet <URL: https://www.an.shimadzu.co.jp/bio/cell/cs1/index.htm>

例えば、mRNAやタンパク質の核内蓄積や、異常な脂質代謝によって、細胞核の肥大化が引き起こされる場合があり、細胞核が肥大化した細胞を正常な細胞と識別できれば、再生医療や核酸医薬等の細胞関連の各種分野における研究・開発、或いは製品化において有用である。しかしながら、一般に、細胞の培養時において、個々の細胞の形態のばらつきは比較的大きい。そのため、培養条件や培養環境等の相違による細胞形態の違いや変化を評価する際には、個々の細胞ではなく、100~1011程度の数の細胞の集団を対象として評価を行う必要がある。従来の細胞解析装置では、上述したように、個々の細胞の厚みをカラースケールで表した画像を表示することができるので、これを利用することで、複数の試料についてどちらが全体的に細胞の厚みが大きい傾向にある、といった主観的な評価を行うことは可能である。しかしながら、こうした評価は客観的なものでないため、評価者によって評価結果がばらつくことが避けられない。また、複数の試料に対しどの程度の差異があるのかといった定量性を持った評価結果を得ることができないため、細胞の形態の変化の度合や形態の差異の程度を比較することは困難である。 For example, nuclear accumulation of mRNA and proteins or abnormal lipid metabolism can cause cell nuclei to become enlarged. Being able to distinguish cells with enlarged nuclei from normal cells would be useful for research, development, and commercialization in various cell-related fields, such as regenerative medicine and nucleic acid medicine. However, during cell culture, the morphology of individual cells generally varies considerably. Therefore, when evaluating differences and changes in cell morphology due to differences in culture conditions and culture environments, it is necessary to evaluate a population of cells numbering approximately 100 to 10 cells rather than individual cells. As described above, conventional cell analysis devices can display images showing the thickness of individual cells on a color scale. This allows for subjective evaluation of multiple samples, such as which one tends to have a larger overall cell thickness. However, because such evaluations are not objective, variations in evaluation results are inevitable depending on the evaluator. Furthermore, because it is not possible to obtain quantitative evaluation results that indicate the degree of difference between multiple samples, it is difficult to compare the degree of changes in cell morphology or the extent of morphological differences.

本発明はこうした課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、多数の細胞を含む細胞集団における細胞の形態の比較や形態の変化の把握を客観的に又は定量的に行うことができる細胞の評価方法及び細胞解析装置を提供することである。 The present invention was made to solve these problems, and its main purpose is to provide a cell evaluation method and cell analysis device that can objectively and quantitatively compare cell morphologies and understand changes in morphology in a cell population containing a large number of cells.

上記課題を解決するために成された本発明に係る細胞の評価方法の一態様は、
ホログラフィック顕微鏡を用いて容器内の細胞の集団に対する撮影を行い、所定の観察範囲についての位相像を取得する位相像取得ステップと、
前記位相像において個々の細胞領域を抽出する細胞領域抽出ステップと、
前記位相像において前記細胞領域毎に光学厚みの代表値をそれぞれ求める個別光学厚み取得ステップと、
前記個別光学厚み取得ステップにおいて細胞領域毎に得られた光学厚みの代表値から前記観察範囲における細胞の光学厚みの頻度分布を作成し、該頻度分布を用いて該観察範囲に存在する細胞の集団についての細胞厚みの評価指標を求める評価指標算出ステップと、
を有する。
In order to solve the above problems, one aspect of the cell evaluation method according to the present invention is to
a phase image acquisition step of capturing an image of a group of cells in a container using a holographic microscope to acquire a phase image of a predetermined observation range;
a cell region extraction step of extracting individual cell regions from the phase image;
an individual optical thickness acquisition step of calculating a representative value of the optical thickness for each of the cellular regions in the phase image;
an evaluation index calculation step of creating a frequency distribution of the optical thickness of cells in the observation range from the representative value of the optical thickness obtained for each cell region in the individual optical thickness acquisition step, and using the frequency distribution to calculate an evaluation index of cell thickness for a group of cells present in the observation range;
It has.

また上記課題を解決するために成された本発明に係る細胞解析装置の一態様は、
ホログラフィック顕微鏡である観察部と、
容器内の細胞の集団に対し前記観察部により得られたホログラムデータに基いて、所定の観察範囲についての位相像を作成する位相像作成部と、
前記位相像において個々の細胞領域を抽出する細胞領域抽出部と、
前記位相像において前記細胞領域毎に光学厚みの代表値をそれぞれ求める個別光学厚み取得部と、
前記個別光学厚み取得部で細胞領域毎に得られた光学厚みの代表値から前記観察範囲における細胞の光学厚みの頻度分布を作成し、該頻度分布を用いて該観察範囲に存在する細胞の集団についての細胞厚みの評価指標を算出する評価指標算出部と、
を備える。
In order to solve the above problems, one aspect of the cell analysis device according to the present invention is to
an observation unit which is a holographic microscope;
a phase image creating unit that creates a phase image of a predetermined observation range based on hologram data obtained by the observation unit for the cell population in the container;
a cell region extraction unit that extracts individual cell regions from the phase image;
an individual optical thickness acquisition unit that calculates a representative value of the optical thickness for each of the cellular regions in the phase image;
an evaluation index calculation unit that creates a frequency distribution of the optical thickness of cells in the observation range from the representative value of the optical thickness obtained for each cell region by the individual optical thickness acquisition unit, and calculates an evaluation index of the cell thickness for a group of cells present in the observation range using the frequency distribution;
Equipped with.

本発明に係る上記態様の細胞の評価方法及び細胞解析装置によれば、培養容器内で培養中である多数の細胞に対し、細胞集団としての細胞の厚みの評価指標が得られる。従って、この評価指標を用いて、例えば培養容器毎の細胞の厚みを客観的に比較したり評価したりすることができる。それによって、評価者の主観に頼らない比較や評価が行える。また、細胞集団としての細胞の厚さを定量化して示すことで、従来は不明瞭であった僅かな細胞の形態の相違や変化を把握することが可能となる。例えば、細胞核は細胞内において屈折率が高い部位であり、この肥大化によって計測される細胞の光学厚みの最大値は増加する。従って、細胞の光学厚み最大値のような代表的な光学厚みの指標を利用して、例えば、正常な細胞と細胞核が肥大化した細胞とを識別することができる。 The cell evaluation method and cell analysis device of the above aspects of the present invention provide an evaluation index for the cell thickness of a cell population for a large number of cells being cultured in a culture vessel. Therefore, this evaluation index can be used to objectively compare and evaluate the cell thickness of each culture vessel, for example. This allows comparisons and evaluations to be made without relying on the subjectivity of the evaluator. Furthermore, by quantifying and indicating the cell thickness of a cell population, it becomes possible to grasp subtle differences and changes in cell morphology that were previously unclear. For example, the cell nucleus is the part of the cell with a high refractive index, and as this nucleus enlarges, the maximum optical thickness measured for the cell increases. Therefore, a representative optical thickness index, such as the maximum optical thickness of the cell, can be used to distinguish, for example, between normal cells and cells with enlarged nuclei.

本発明の一実施形態である細胞解析装置の概略構成図。1 is a schematic diagram of a cell analysis device according to one embodiment of the present invention. 本実施形態の細胞解析装置において細胞集団の形態評価を行う際の処理の流れを示すフローチャート。10 is a flowchart showing the flow of processing when morphological evaluation of a cell population is performed in the cell analysis device of this embodiment. 図2に示したフローチャートにおける位相反転補正処理の流れを示すフローチャート。3 is a flowchart showing the flow of a phase inversion correction process in the flowchart shown in FIG. 2 . 本実施形態の細胞解析装置における撮影動作及び画像再構成処理を説明するための概念図。3A and 3B are conceptual diagrams for explaining the imaging operation and image reconstruction processing in the cell analysis device of the present embodiment. 本実施形態の細胞解析装置で得られるIHM位相像とそれから求まる細胞領域抽出画像の一例を示す図。1A and 1B are diagrams showing an example of an IHM phase image obtained by the cell analysis device of the present embodiment and an extracted cell region image obtained from the IHM phase image; 図3に示した位相反転部位の補正処理の動作を説明するための画像及び位相遅れ分布を示す図。4A and 4B are diagrams showing an image and a phase delay distribution for explaining the operation of the correction process for the phase inversion portion shown in FIG. 3 . 実験例1における6種類の試料についての、IHM位相像及び光学厚み疑似カラー画像を示す図。1A and 1B are diagrams showing IHM phase images and optical thickness pseudocolor images for six types of samples in Experimental Example 1. 実験例1における6種類の試料についての、個々の細胞の面積と光学厚みとの関係を示す散布図。1 is a scatter plot showing the relationship between the area and optical thickness of individual cells for six types of samples in Experimental Example 1. 実験例1における6種類の試料についての、個々の細胞の面積と光学厚みとの関係を示すヒートマップ。1 is a heat map showing the relationship between the area and optical thickness of individual cells for six types of samples in Experimental Example 1. 実験例1における6種類の試料についての、個々の細胞の光学厚みの頻度分布を示す図。FIG. 10 is a graph showing the frequency distribution of the optical thickness of individual cells for six types of samples in Experimental Example 1. 図10に示した頻度分布から求まる薄い細胞及び厚い細胞の割合を示す図。FIG. 11 is a diagram showing the proportions of thin cells and thick cells obtained from the frequency distribution shown in FIG. 10 . 実験例1における6種類の試料についての、個々の細胞の面積の頻度分布を示す図。FIG. 10 is a graph showing the frequency distribution of the area of individual cells for six types of samples in Experimental Example 1. 図12に示した頻度分布から求まる小さい細胞及び大きい細胞の割合を示す図。FIG. 13 is a diagram showing the proportions of small cells and large cells obtained from the frequency distribution shown in FIG. 12 . 本実施形態の細胞解析装置において追加的に実施可能である細胞の外縁部の勾配度合を示す指標値を算出する処理の流れを示すフローチャート。10 is a flowchart showing the flow of a process for calculating an index value indicating the gradient degree of the outer edge of a cell, which can be additionally performed in the cell analysis device of this embodiment. 細胞の外縁部の勾配度合を示す指標値の算出方法の一例の説明図。FIG. 10 is an explanatory diagram of an example of a method for calculating an index value indicating the gradient degree of the outer edge of a cell. 実験例1における6種類の試料についての、個々の細胞の外縁部の勾配指標値を示す図。FIG. 10 is a graph showing gradient index values of the outer edges of individual cells for six types of samples in Experimental Example 1. 実験例2における6種類の試料についての位相差顕微鏡観察像を示す図。10A and 10B are diagrams showing phase-contrast microscope images of six types of samples in Experimental Example 2. 実験例2における6種類の試料についてのIHM位相像を示す図。10A and 10B are diagrams showing IHM phase images of six types of samples in Experimental Example 2. 実験例2における6種類の試料についての光学厚み疑似カラー画像を示す図。10A and 10B are diagrams showing optical thickness pseudo-color images of six types of samples in Experimental Example 2. 実験例2における6種類の試料についての、個々の細胞の面積と光学厚みとの関係を示すヒートマップ。10 is a heat map showing the relationship between the area and optical thickness of individual cells for six types of samples in Experimental Example 2. 実験例3における6種類の試料についての位相差顕微鏡観察像を示す図。10A and 10B are diagrams showing phase-contrast microscope images of six types of samples in Experimental Example 3. 実験例3における6種類の試料についてのIHM位相像を示す図。10A and 10B are diagrams showing IHM phase images of six types of samples in Experimental Example 3. 実験例3における6種類の試料についての光学厚み疑似カラー画像を示す図。10A and 10B are diagrams showing optical thickness pseudo-color images of six types of samples in Experimental Example 3. 実験例3における6種類の試料についての、個々の細胞の面積と光学厚みとの関係を示すヒートマップ。10 is a heat map showing the relationship between the area and optical thickness of individual cells for six types of samples in Experimental Example 3.

以下、本発明に係る細胞解析装置の一実施形態について、添付図面を参照して説明する。 One embodiment of a cell analysis device according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

[本実施形態の細胞解析装置の構成]
図1は、本実施形態による細胞解析装置の概略構成図である。
[Configuration of the cell analysis device of this embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram of the cell analysis device according to this embodiment.

本実施形態の細胞解析装置は、顕微観察部1と、制御・処理部2と、ユーザーインターフェイスである入力部3及び表示部4と、を備える。
本実施形態において、顕微観察部1はインライン型ホログラフィック顕微鏡であり、レーザーダイオードなどを含む光源部10とイメージセンサー11とを備え、光源部10とイメージセンサー11との間に、解析対象である細胞13を含む培養プレート12が配置される。
The cell analysis device of this embodiment includes a microscopic observation unit 1, a control and processing unit 2, an input unit 3 serving as a user interface, and a display unit 4.
In this embodiment, the microscopic observation unit 1 is an inline holographic microscope, and is equipped with a light source unit 10 including a laser diode or the like and an image sensor 11, and a culture plate 12 containing cells 13 to be analyzed is placed between the light source unit 10 and the image sensor 11.

制御・処理部2は、顕微観察部1の動作を制御するとともに顕微観察部1で取得されたデータを処理するものであって、撮影制御部20と、ホログラムデータ記憶部21と、位相情報算出部22と、画像再構成部23と、位相反転補正部24と、細胞領域抽出部25と、光学厚み/面積算出部26と、評価指標算出部27と、表示処理部28と、を機能ブロックとして備える。 The control/processing unit 2 controls the operation of the microscope observation unit 1 and processes the data acquired by the microscope observation unit 1, and includes the following functional blocks: an imaging control unit 20, a hologram data storage unit 21, a phase information calculation unit 22, an image reconstruction unit 23, a phase inversion correction unit 24, a cell region extraction unit 25, an optical thickness/area calculation unit 26, an evaluation index calculation unit 27, and a display processing unit 28.

通常、制御・処理部2の実体は、所定のソフトウェア(コンピュータープログラム)がインストールされたパーソナルコンピューターやより性能の高いワークステーション、或いは、そうしたコンピューターと通信回線を介して接続された高性能なコンピューターを含むコンピューターシステムである。即ち、制御・処理部2に含まれる各ブロックの機能は、コンピューター単体又は複数のコンピューターを含むコンピューターシステムに搭載されているソフトウェアを実行することで達成される、該コンピューター又はコンピューターシステムに記憶されている各種データを用いた処理によって具現化されるものとすることができる。 The control/processing unit 2 is typically a personal computer or a high-performance workstation with specific software (computer programs) installed, or a computer system including a high-performance computer connected to such a computer via a communications line. In other words, the functions of each block included in the control/processing unit 2 can be realized by executing software installed on a single computer or a computer system including multiple computers, and processing various data stored on that computer or computer system.

[細胞評価処理]
本実施形態の細胞解析装置では、様々な細胞についての解析を行うことができるが、ここでは一例として、解析対象の細胞は腸管上皮細胞であるものとする。腸管上皮細胞を培養する際に必要な細胞解析を目的として細胞の観察画像を取得し、該観察画像から培養中の細胞の形態を評価する際の処理について、以下に説明する。
[Cell evaluation process]
The cell analysis device of this embodiment can analyze various types of cells, but as an example, the cells to be analyzed are assumed to be intestinal epithelial cells. The following describes the process of acquiring observation images of cells for the purpose of cell analysis required when culturing intestinal epithelial cells, and evaluating the morphology of the cells during culture from the observation images.

図2は、本実施形態の細胞解析装置を用いた細胞評価作業における処理の流れを示すフローチャートである。また、図4は、本実施形態の細胞解析装置における撮影動作及び画像再構成処理を説明するための概念図である。 Figure 2 is a flowchart showing the processing flow for cell evaluation work using the cell analysis device of this embodiment. Also, Figure 4 is a conceptual diagram for explaining the imaging operation and image reconstruction processing in the cell analysis device of this embodiment.

<細胞のIHM位相像の取得>
図4(A)は本実施形態の細胞解析装置において使用される培養プレート12の略上面図である。この培養プレート12には上面視円形状である6個のウェル12aが形成されており、その各ウェル12a内で細胞が培養される。ここでは、1枚の培養プレート12全体、つまりは6個のウェル12aを含む矩形状の範囲全体が観察対象領域である。顕微観察部1は、光源部10及びイメージセンサー11の組を4組備える。各組の光源部10及びイメージセンサー11はそれぞれ、図4(A)に示すように、培養プレート12全体を4等分した四つの4分割範囲81のホログラムデータの収集を担う。つまり、4組の光源部10及びイメージセンサー11が、培養プレート12全体に亘るホログラムデータの収集を分担する。
<Acquisition of IHM phase images of cells>
FIG. 4A is a schematic top view of a culture plate 12 used in the cell analysis device of this embodiment. Six wells 12a, each circular in top view, are formed in the culture plate 12, and cells are cultured in each well 12a. In this example, the entire culture plate 12, i.e., the entire rectangular area including the six wells 12a, is the observation area. The microscope observation unit 1 includes four pairs of light source units 10 and image sensors 11. As shown in FIG. 4A, each pair of light source units 10 and image sensors 11 is responsible for collecting hologram data for four quadrant areas 81, which are obtained by dividing the entire culture plate 12 into four equal parts. In other words, the four pairs of light source units 10 and image sensors 11 are responsible for collecting hologram data across the entire culture plate 12.

一組の光源部10及びイメージセンサー11が1回に撮影可能である範囲は、図4(B)及び(C)に示すように、4分割範囲81の中の1個のウェル12aを含む略正方形状の範囲82をX軸方向に10等分、Y軸方向に12等分して得られる一つの撮像単位83に相当する範囲である。一つの4分割範囲81は15×12=180個の撮像単位83を含む。四つの光源部10と四つのイメージセンサー11はそれぞれ、光源部10及びイメージセンサー11を含むX-Y面内で、4分割範囲81と同じ大きさである矩形の四つの頂点付近にそれぞれ配置されており、培養プレート12上の異なる四つの撮像単位83についてのホログラムデータの取得を略同時に行う。 As shown in Figures 4(B) and (C), the range that can be photographed by one set of light source units 10 and image sensors 11 at a time is the range equivalent to one imaging unit 83 obtained by dividing a substantially square area 82 containing one well 12a within a quadrant 81 into 10 equal parts in the X-axis direction and 12 equal parts in the Y-axis direction. One quadrant 81 contains 15 x 12 = 180 imaging units 83. The four light source units 10 and four image sensors 11 are each positioned near the four vertices of a rectangle the same size as the quadrant 81 within the X-Y plane containing the light source units 10 and image sensors 11, and hologram data is acquired for four different imaging units 83 on the culture plate 12 approximately simultaneously.

ホログラムデータの収集に際し、オペレーターはまず、培養プレート12を顕微観察部1の所定位置にセットし、該培養プレート12を特定する識別番号や測定日時などの情報を入力部3から入力したうえで測定実行を指示する。この測定指示を受けて撮影制御部20は、顕微観察部1の各部を制御して撮影を実行する(ステップS1)。 When collecting hologram data, the operator first places the culture plate 12 in a predetermined position in the microscope observation unit 1, inputs information such as an identification number that identifies the culture plate 12 and the measurement date and time through the input unit 3, and then issues a command to perform measurement. Upon receiving this command, the imaging control unit 20 controls each component of the microscope observation unit 1 to perform imaging (step S1).

より詳しく述べると、一つの光源部10は、所定角度(例えば10°程度)の広がりを持つコヒーレント光を培養プレート12の所定の領域(一つの撮像単位83)に照射する。培養プレート12上の細胞13を透過したコヒーレント光(物体光15)は、培養プレート12上で細胞13の周囲の領域(通常は培地)を透過した光(参照光14)と干渉しつつイメージセンサー11に到達する。物体光15は細胞13を透過する際に位相が変化した光であり、他方、参照光14は細胞13を透過しないので該細胞13に起因する位相変化を受けない光である。従って、イメージセンサー11の検出面(像面)上には、細胞13により位相が変化した物体光15と位相が変化していない参照光14との干渉像、つまりホログラムがそれぞれ形成され、このホログラムに対応する2次元的な光強度分布データ(ホログラムデータ)がイメージセンサー11から出力される。 More specifically, one light source unit 10 irradiates a predetermined area (one imaging unit 83) of the culture plate 12 with coherent light having a spread of a predetermined angle (e.g., approximately 10°). The coherent light (object light 15) that has passed through the cells 13 on the culture plate 12 interferes with light (reference light 14) that has passed through the area (usually the culture medium) surrounding the cells 13 on the culture plate 12, and reaches the image sensor 11. The object light 15 is light whose phase has changed when it passed through the cells 13, while the reference light 14 is light that does not pass through the cells 13 and therefore does not undergo a phase change due to the cells 13. Therefore, an interference image, i.e., a hologram, between the object light 15 whose phase has been changed by the cells 13 and the reference light 14 whose phase has not been changed is formed on the detection plane (image plane) of the image sensor 11, and two-dimensional light intensity distribution data (hologram data) corresponding to this hologram is output from the image sensor 11.

上述したように、四つの光源部10からは略同時に培養プレート12に向けてコヒーレント光が出射され、四つのイメージセンサー11では培養プレート12上の異なる撮像単位83に対応する領域のホログラムデータが取得される。一つの測定位置での測定が終了する毎に、光源部10及びイメージセンサー11は、図示しない移動部により、X-Y面内で一つの撮像単位83に相当する距離だけX軸方向及びY軸方向にステップ状に順次移動される。これによって、4分割範囲81に含まれる180個の撮像単位83での測定が実施され、四組の光源部10及びイメージセンサー11全体で培養プレート12全体の測定が実行されることになる。このようにして顕微観察部1の四つのイメージセンサー11で得られたホログラムデータは、測定日時等の属性情報とともに、ホログラムデータ記憶部21に格納される。 As described above, the four light source units 10 emit coherent light toward the culture plate 12 substantially simultaneously, and the four image sensors 11 acquire hologram data of areas on the culture plate 12 corresponding to different imaging units 83. Each time a measurement is completed at one measurement position, the light source units 10 and image sensors 11 are sequentially moved in steps in the X-axis and Y-axis directions within the X-Y plane by a distance equivalent to one imaging unit 83 using a moving unit (not shown). This allows measurements to be taken at 180 imaging units 83 included in the quadrant 81, and the entire culture plate 12 is measured using all four sets of light source units 10 and image sensors 11. The hologram data obtained in this way by the four image sensors 11 of the microscopic observation unit 1 is stored in the hologram data storage unit 21 along with attribute information such as the date and time of measurement.

上述したような一連の測定(撮影)が終了すると、位相情報算出部22はホログラムデータ記憶部21からホログラムデータを順次読み出し、光波の伝播計算処理(位相回復処理)を行うことで2次元的な各位置における位相情報及び振幅情報を復元する。これら情報の空間分布は撮像単位83毎に求まる。全ての撮像単位83の位相情報及び振幅情報が得られたならば、画像再構成部23は、その位相情報や振幅情報に基づいて、観察対象領域全体の位相像を作成する(ステップS2)。ここでは、顕微観察部1にインライン型ホログラフィック顕微鏡 (Inline Holographic Microscope)を用いているため、得られる位相像をIHM位相像と呼ぶ。 Once the series of measurements (photographing) described above is complete, the phase information calculation unit 22 sequentially reads out the hologram data from the hologram data storage unit 21 and performs a light wave propagation calculation process (phase recovery process) to restore the phase information and amplitude information at each two-dimensional position. The spatial distribution of this information is determined for each imaging unit 83. Once the phase information and amplitude information for all imaging units 83 has been obtained, the image reconstruction unit 23 creates a phase image of the entire observation area based on that phase information and amplitude information (step S2). Here, because an inline holographic microscope is used as the microscopic observation unit 1, the resulting phase image is called an IHM phase image.

即ち、画像再構成部23は撮像単位83毎に算出された位相情報の空間分布に基づいて、各撮像単位83のIHM位相像を再構成する。そして、その限られた範囲のIHM位相像を繋ぎ合わせるタイリング処理(図4(D)参照)を行うことにより、観察範囲全体つまりは培養プレート12全体についてのIHM位相像を作成する。タイリング処理の際には、撮像単位83の境界においてIHM位相像が滑らかに繋がるように、適宜の補正処理を行うとよい。
なお、上記のような位相情報の算出や画像再構成の際には、特許文献1等に開示されている周知のアルゴリズムを用いることができる。
That is, the image reconstruction unit 23 reconstructs an IHM phase image of each imaging unit 83 based on the spatial distribution of phase information calculated for each imaging unit 83. Then, a tiling process (see FIG. 4D ) is performed to connect the IHM phase images of the limited range together to create an IHM phase image of the entire observation range, that is, the entire culture plate 12. During the tiling process, it is advisable to perform appropriate correction processing so that the IHM phase images are smoothly connected at the boundaries of the imaging units 83.
When calculating the phase information and reconstructing the image as described above, a well-known algorithm disclosed in Patent Document 1 or the like can be used.

<位相反転補正処理>
ホログラフィック顕微鏡による測定の原理上、位相回復処理によって得られるIHM位相像における画素値は2πの幅の範囲に限定され、その範囲を超えた値は位相が反転した値となる。例えば、画素値(位相遅れ量)を-π~πの範囲で表現している場合には、或る画素の真の値が1.2πであったとしてもπを超える数値は表現できないため、その画素値は-0.8πとなってしまう。ここでは、この現象を「位相反転」という。細胞が薄いもののみであれば位相反転は問題とならないが、腸管上皮細胞などの比較的厚い細胞を観察する場合には、位相反転が生じ易く、細胞の厚さを正確に求める際に支障をきたす。そこで、ここでは、IHM位相像上で位相反転が生じている領域を検出し、その領域の画素値を補正する処理を行う。即ち、位相反転補正部24は、ステップS2で得られた補正前のIHM位相像に対し、位相が反転している部位を検出してこの部位における画素値を補正する処理を実行する(ステップS3)。
<Phase inversion correction processing>
Due to the principles of holographic microscope measurements, pixel values in the IHM phase image obtained by phase recovery processing are limited to a range of 2π, and values outside this range are phase-inverted. For example, if pixel values (phase delay amounts) are expressed in the range of -π to π, even if a pixel's true value is 1.2π, values exceeding π cannot be expressed, resulting in a pixel value of -0.8π. This phenomenon is referred to as "phase inversion." While phase inversion is not a problem when only thin cells are observed, phase inversion is likely to occur when observing relatively thick cells such as intestinal epithelial cells, hindering accurate determination of cell thickness. Therefore, in this example, regions where phase inversion occurs on the IHM phase image are detected and the pixel values in those regions are corrected. That is, the phase inversion correction unit 24 detects regions where phase inversion occurs in the uncorrected IHM phase image obtained in step S2 and corrects the pixel values in those regions (step S3).

図3は、図2に示したフローチャートにおける位相反転補正処理の流れを示すフローチャートである。また、図6は、図3に示した位相反転補正処理の動作を説明するための画像及び位相遅れ分布を示す図である。図3及び図6を用いて、位相反転補正処理を説明する。 Figure 3 is a flowchart showing the flow of the phase inversion correction process in the flowchart shown in Figure 2. Figure 6 is a diagram showing an image and phase delay distribution to explain the operation of the phase inversion correction process shown in Figure 3. The phase inversion correction process will be explained using Figures 3 and 6.

位相反転補正部24は、補正前のIHM位相像を読み込み(ステップS31)、まず、位相遅れ量が低い領域Pを抽出する(ステップS32)。図6(A)は1個の細胞のIHM位相像であり、該IHM位相像上で線90で示す領域の位相遅れ分布を(Aa)に示している。腸管上皮細胞は、通常、中央部が盛り上がった形状であり、輪郭部の厚さは-π~πの範囲に入っているものの、中央部の厚さはπを超えているために位相反転が生じている。図6(Aa)に示した位相遅れ分布では、細胞の輪郭部では背景領域よりも位相遅れ量が十分に高くなっているものの、輪郭部を除く細胞の大半の領域では、位相遅れ量が背景領域に比べてもかなり低くなっている。従って、例えば位相遅れ量が所定の閾値よりも低い領域を検出すればよい。 The phase inversion correction unit 24 reads the uncorrected IHM phase image (step S31) and first extracts the region P with a low phase delay (step S32). Figure 6(A) is an IHM phase image of a single cell, and (Aa) shows the phase delay distribution of the region indicated by line 90 on the IHM phase image. Intestinal epithelial cells typically have a raised central shape, and although the thickness of the contour region is in the range of -π to π, the thickness of the central region exceeds π, resulting in phase inversion. In the phase delay distribution shown in Figure 6(Aa), the phase delay at the cell contour region is significantly higher than the background region, but in most regions of the cell excluding the contour region, the phase delay is significantly lower than the background region. Therefore, it is sufficient to detect regions where the phase delay is lower than a predetermined threshold, for example.

次に位相反転補正部24は、輝度が周囲の画素よりも低い画素Qを抽出する(ステップS33)。そして、上記領域Pで且つ画素Qでもある画素を、位相が反転している画素として選択する(ステップS34)。図6(B)は、ステップS34で選択された画素を黒色、それ以外の画素を白色の二値で示す画像である。この二値画像では、細胞の外周部を示す線(厳密には細胞の外縁部よりも少し内側の範囲を示す線)が概ね示される。 Next, the phase inversion correction unit 24 extracts pixel Q, which has a lower brightness than the surrounding pixels (step S33). Then, pixels that are both in the above region P and pixel Q are selected as pixels with inverted phase (step S34). Figure 6(B) is an image in which the pixels selected in step S34 are shown in black and the other pixels in white, representing a binary image. This binary image roughly shows the lines indicating the periphery of the cell (strictly speaking, lines indicating the area slightly inside the outer edge of the cell).

そのあと位相反転補正部24は、上記二値画像において閉じた曲線で囲まれる領域を穴埋めする処理を行うことにより、補正対象マスク画像を作成する(ステップS35)。例えば、図6(B)に示す二値画像において描かれている細胞の外周部を示す線は閉じた曲線であるから、その曲線で囲まれる領域、つまりは細胞の大半を占める領域が穴埋めされ、図6(C)に示すような補正対象マスク画像が得られる。そして、元のIHM位相像において上記補正対象マスク画像上のマスク領域(図6(C)において白い領域)に存在する画素の値に2πを加算することで、その画素値を補正する(ステップS36)。こうして位相反転領域の画素値が補正されたIHM位相像を出力する(ステップS37)。 The phase inversion correction unit 24 then creates a correction target mask image by filling in areas surrounded by closed curves in the binary image (step S35). For example, since the line representing the periphery of the cell depicted in the binary image shown in Figure 6(B) is a closed curve, the area surrounded by this curve, i.e., the area that occupies the majority of the cell, is filled in, resulting in a correction target mask image as shown in Figure 6(C). Then, the pixel values of the pixels in the mask area (white area in Figure 6(C)) on the correction target mask image in the original IHM phase image are corrected by adding 2π to the pixel values (step S36). An IHM phase image with corrected pixel values in the phase inversion area is output (step S37).

図6(D)は、図6(A)に示したIHM位相像に対し上述した手順による位相反転補正処理がなされたあとの画像(補正済みIHM位相像)であり、図6(Da)は、該補正済みIHM位相像上において線91で示す領域の位相遅れ分布である。図6(Da)に示すように、細胞領域における位相遅れ量は、中央が盛り上がった良好な形状となる。
このようにして、各細胞において位相反転が生じている領域の画素値が補正され、位相反転の影響を回避することができる。なお、すでに述べたように、解析対象の細胞の厚さによっては位相反転が生じない場合もあるから、位相反転補正処理は必須の処理ではなく、解析対象の細胞の種類等に応じて適宜省略することができる。
Figure 6(D) is an image (corrected IHM phase image) after the phase inversion correction process described above has been performed on the IHM phase image shown in Figure 6(A), and Figure 6(Da) shows the phase delay distribution in the region indicated by line 91 on the corrected IHM phase image. As shown in Figure 6(Da), the phase delay amount in the cellular region has a favorable shape with a raised center.
In this way, the pixel values of the regions where phase inversion occurs in each cell are corrected, and the effects of phase inversion can be avoided. Note that, as already mentioned, phase inversion may not occur depending on the thickness of the cell to be analyzed, so the phase inversion correction process is not essential and can be omitted as appropriate depending on the type of cell to be analyzed, etc.

<個々の細胞の光学厚さ及び面積の算出>
図2に戻り説明を続ける。補正済みIHM位相像が得られると、細胞領域抽出部25は、その補正済みIHM位相像に対し、ガウシアンフィルター等を用いたノイズ除去処理を実行する(ステップS4)。これにより、主として細胞が存在しない背景領域のノイズが除去される。なお、このノイズ除去処理は省略してもよい。また、ガウシアンフィルターを用いる以外の、適宜のノイズ除去の手法を用いることができる。
<Calculation of optical thickness and area of individual cells>
Returning to FIG. 2 , the explanation will be continued. Once the corrected IHM phase image is obtained, the cellular region extraction unit 25 performs noise removal processing on the corrected IHM phase image using a Gaussian filter or the like (step S4). This removes noise mainly from background regions where no cells exist. Note that this noise removal processing may be omitted. Furthermore, any appropriate noise removal method other than using a Gaussian filter may be used.

そのあと細胞領域抽出部25は、ノイズ除去後のIHM位相像に対し、所定の閾値を判定基準とした単純二値化処理を行うことにより個々の細胞領域を抽出する(ステップS5)。これにより、例えば細胞領域が白、背景領域(培地の領域)が黒色で示される細胞領域抽出画像が得られる。図5は、腸管上皮細胞に対する補正済みIHM位相像(A)とそれに対する細胞領域抽出画像(B)の一例を示す図である。図5から、IHM位相像上の細胞に対応する細胞領域が概ね適切に抽出できていることが分かる。 The cell region extraction unit 25 then extracts individual cell regions by performing simple binarization processing on the noise-removed IHM phase image using a predetermined threshold as a judgment criterion (step S5). This results in a cell region extraction image in which, for example, cell regions are shown in white and the background region (culture medium region) is shown in black. Figure 5 shows an example of a corrected IHM phase image (A) of intestinal epithelial cells and the corresponding cell region extraction image (B). It can be seen from Figure 5 that the cell regions corresponding to the cells on the IHM phase image have been generally appropriately extracted.

上記二値化処理の際には、背景領域を細胞領域であるとして誤認識しないようにする必要がある。また、コロニーを形成している複数の細胞を、一つの細胞領域として認識せず、できるだけ個々の細胞領域に分離することが望ましい。このため、二値化のための閾値は、背景領域の光学厚みや解析対象である細胞種の立体形状等に応じて適宜に定めることが好ましい。そのため、この閾値は予め装置(又はソフトウェア)に設定された固定値でもよいが、ユーザーが適宜に変更又は選択できるようにするとよい。 During the above binarization process, it is necessary to avoid mistakenly recognizing background regions as cell regions. It is also desirable to separate multiple cells forming a colony into individual cell regions as much as possible, rather than recognizing them as a single cell region. Therefore, it is preferable to appropriately determine the threshold value for binarization depending on the optical thickness of the background region and the three-dimensional shape of the cell type being analyzed. Therefore, this threshold value can be a fixed value preset in the device (or software), but it is also desirable to allow the user to change or select it as appropriate.

なお、多くの細胞種では、細胞の外縁部は厚み方向に急峻に立ち上がっているわけではなく、外縁部から中央部側に向かって徐々に厚みが厚くなるような勾配を有している。そのため、或る閾値を基準として単純な二値化を行うと、本来は細胞である部分の一部が細胞領域に入らなくなる、つまりは本来の細胞の外周部の一部が細胞領域としては欠損する可能性がある。しかしながら、後述するようにして細胞の光学厚みを求める際には、こうした欠損は問題とならない。一方、細胞領域の欠損は細胞の面積に影響する。但し、ここで実施している細胞評価では、個々の細胞の面積の絶対値の厳密さはあまり重要ではなく、細胞集団での相対的な定量評価が行えればよいので、上述したような細胞領域の欠損は面積を求める際にも実質的に問題とはならない。 In many cell types, the outer edge of the cell does not rise steeply in the thickness direction, but has a gradient where the thickness gradually increases from the outer edge toward the center. Therefore, if simple binarization is performed using a certain threshold as a reference, part of what would normally be a cell may not be included in the cell region, meaning that part of the outer periphery of the cell may be missing from the cell region. However, such missing parts do not pose a problem when calculating the optical thickness of the cell, as described below. On the other hand, missing cell regions do affect the area of the cell. However, in the cell evaluation performed here, the strictness of the absolute values of the area of individual cells is not very important; all that is required is a relative quantitative evaluation of the cell population, so missing cell regions as described above do not actually pose a problem when calculating the area.

続いて細胞領域抽出部25は、細胞領域抽出画像上の個々の細胞領域に対しラベリングを行う(ステップS6)。ここでいうラベリングとはナンバリングであり、例えば細胞領域抽出画像上の全ての細胞領域についてそれぞれ固有の番号を割り当て、その番号と各細胞領域の中心位置の座標とを組としたリストを作成すればよい。 Next, the cell region extraction unit 25 labels each cell region on the extracted cell region image (step S6). "Labeling" here refers to numbering, and for example, a unique number may be assigned to each cell region on the extracted cell region image, and a list may be created that pairs the number with the coordinates of the center position of each cell region.

光学厚み/面積算出部26は、ステップS4で得られた補正済みで且つノイズ除去後のIHM位相像とステップS5で得られた細胞領域抽出画像とを用い、ラベリングされた細胞領域毎に、光学厚みの代表値を求める(ステップS7)。具体的には、例えば、IHM位相像において細胞領域毎に、その領域に含まれる複数の画素の画素値の中で最大の値を探索し、その値をその細胞領域に対応する細胞の光学厚みの代表値とすることができる。もちろん、単に最大値を選択するのではなく、最大値を示す位置及びその周囲の複数の位置での光学厚みの平均値を用いる等、他の方法によって光学厚みの代表値を決めてもよい。例えば、光学厚みの最大値を示す画素を含む予め指定された範囲(例えば最大値を示す画素を中心とする3×3画素の範囲)における光学厚みの平均値やその中の中央値を光学厚みの代表値とすることができる。また、二値化処理によって細胞領域であると判定された領域に含まれる全画素における光学厚みの平均値やその中の中央値を光学厚みの代表値とすることもできる。 The optical thickness/area calculation unit 26 uses the corrected and noise-removed IHM phase image obtained in step S4 and the cell region extraction image obtained in step S5 to determine a representative optical thickness value for each labeled cell region (step S7). Specifically, for example, for each cell region in the IHM phase image, the maximum pixel value among the pixel values of the multiple pixels contained in that region can be found, and this value can be used as the representative optical thickness value for the cell corresponding to that cell region. Of course, instead of simply selecting the maximum value, the representative optical thickness value can also be determined using other methods, such as using the average optical thickness values at the position where the maximum value is found and multiple positions surrounding it. For example, the average optical thickness or the median optical thickness value within a pre-specified range including the pixel showing the maximum optical thickness (e.g., a 3 x 3 pixel range centered on the pixel showing the maximum optical thickness) can be used as the representative optical thickness value. Alternatively, the average optical thickness or the median optical thickness value of all pixels contained in a region determined to be a cell region by binarization processing can be used as the representative optical thickness value.

また光学厚み/面積算出部26は、細胞領域抽出画像に基き、ラベリングされた細胞領域毎にその面積値を求める(ステップS8)。これは、単純に細胞領域に含まれる画素の数を計数し、その計数値から面積値を計算すればよい。
ステップS7及びS8の処理によって、観察範囲全体に含まれる、ラベリングされた細胞領域(つまりは細胞)の一つ一つについて、光学厚みの値と面積値とが求まる。
The optical thickness/area calculation unit 26 calculates the area value of each labeled cell region based on the extracted cell region image (step S8). This can be done by simply counting the number of pixels included in the cell region and calculating the area value from the counted value.
By the processing of steps S7 and S8, the optical thickness value and area value are determined for each labeled cell region (that is, cell) included in the entire observation range.

<細胞集団における光学厚さ及び面積の評価指標の算出>
そのあと、評価指標算出部27は、観察範囲全体について細胞領域毎つまりは細胞毎に得られた光学厚みの値と面積値とに基いて、種々の評価指標を作成又は算出する。
まず、評価指標算出部27は、観察範囲全体についての各細胞の光学厚み値と面積値との関係を示す散布図を作成し、さらに散布図をヒートマップに変換する(ステップS9)。
<Calculation of evaluation indexes of optical thickness and area in cell populations>
Thereafter, the evaluation index calculation unit 27 creates or calculates various evaluation indexes based on the optical thickness value and area value obtained for each cell region, that is, for each cell, over the entire observation range.
First, the evaluation index calculation unit 27 creates a scatter diagram showing the relationship between the optical thickness value and the area value of each cell for the entire observation range, and further converts the scatter diagram into a heat map (step S9).

即ち、光学厚み値と面積値と互いに直交する二軸とした2次元グラフ上で、ラベリングされた各細胞はそれぞれ1点として表すことができるから、観察範囲内でラベリングされた全ての細胞に対応する点を上記2次元グラフ上で描画することにより散布図を作成することができる。また、この散布図を所定のサイズの矩形状の小領域に区切って小領域毎に点の数を計数し、その計数値にカラースケールに従った表示色を割り当てることで、散布図をヒートマップに変換することができる。即ち、このヒートマップは、散布図上の点の集積度合(密度)を示す2次元グラフである。これらグラフの具体例は後述する。 In other words, since each labeled cell can be represented as a single point on a two-dimensional graph with optical thickness and area values as mutually orthogonal axes, a scatter diagram can be created by plotting points corresponding to all labeled cells within the observation range on the two-dimensional graph. Furthermore, by dividing the scatter diagram into small rectangular regions of a specified size, counting the number of points in each region, and assigning a display color according to a color scale to the count, the scatter diagram can be converted into a heat map. In other words, this heat map is a two-dimensional graph that shows the concentration (density) of points on the scatter diagram. Specific examples of these graphs will be described later.

また評価指標算出部27は、観察範囲内でラベリングされた全ての細胞の光学厚み値の頻度分布、及び、その全ての細胞の面積値の頻度分布をそれぞれ求める(ステップS10)。そして、それらの頻度分布からそれぞれ、細胞集団としての光学厚み値や面積値の傾向を特徴付けるような指標値を算出する(ステップS11)。 The evaluation index calculation unit 27 also calculates the frequency distribution of the optical thickness values of all labeled cells within the observation range and the frequency distribution of the area values of all those cells (step S10). Then, from these frequency distributions, it calculates index values that characterize the trends in the optical thickness values and area values of the cell population (step S11).

一例としては、観察範囲内でラベリングされた全ての細胞の数に対し、光学厚み値又は面積値が特定の範囲に含まれる細胞の数の割合を頻度分布から計算し、それを指標値とすることができる。また、頻度分布においてピークが形成される場合には、そのピークのトップの位置に対応する光学厚み値や面積値とそのピーク幅とを指標値とすることもできる。また、全ての細胞の数に対して所定の割合の数の細胞が含まれるような光学厚み値の範囲や面積値の範囲を求め、これを指標値としてもよい。これら指標値の具体例は後述する。 As an example, the ratio of the number of cells whose optical thickness or area values fall within a specific range to the total number of labeled cells within the observation range can be calculated from the frequency distribution and used as the index value. Furthermore, if a peak is formed in the frequency distribution, the optical thickness or area value corresponding to the top position of the peak and its peak width can also be used as the index value. Alternatively, a range of optical thickness values or area values that includes a predetermined ratio of cells to the total number of cells can be determined and used as the index value. Specific examples of these index values will be described later.

表示処理部28は、ステップS10で作成された散布図やヒートマップと、ステップS11で得られた光学厚み値及び面積値の頻度分布、及び該頻度分布から求まる指標値とを、表示部4の画面上に解析結果として表示する(ステップS12)。なお、ユーザーによる入力部3からの指示に応じて、必要なグラフや情報のみを表示することができる。
以上のようにして、本実施形態の細胞解析装置では、培養中の細胞について、細胞集団としての細胞の光学厚みや面積に関する評価指標をユーザーに提供することができる。
The display processing unit 28 displays the scatter diagram and heat map created in step S10, the frequency distribution of the optical thickness values and area values obtained in step S11, and the index values calculated from the frequency distribution as analysis results on the screen of the display unit 4 (step S12). Note that, in response to an instruction from the user via the input unit 3, only necessary graphs and information can be displayed.
As described above, the cell analysis device of this embodiment can provide the user with evaluation indices relating to the optical thickness and area of cells as a cell population during culture.

上記方法により細胞の評価を行った幾つかの実験例について説明する。
[実験例1]
この実験では、解析対象の細胞はラット腸管上皮細胞であり、細胞障害性サイトカイン(TNFα:Tumor Necrosis Factor‐α)による細胞刺激の有無、及びTNFα刺激下における細胞保護剤の添加の有無、による細胞形態の相違(変化)を評価した。
試料は次の6種類である。
・TNFα0:ラット腸管上皮細胞にTNFαを添加せずに72時間培養を行った試料
・TNFα66:ラット腸管上皮細胞に66ng/mLの量のTNFαを添加して72時間培養を行った試料
・TNFα100:ラット腸管上皮細胞に100ng/mLの量のTNFαを添加して72時間培養を行った試料
・TNFα200:ラット腸管上皮細胞に200ng/mLの量のTNFαを添加して72時間培養を行った試料
・TNFα200+A:ラット腸管上皮細胞に200ng/mLの量のTNFα及び細胞保護剤Aを添加して72時間培養を行った試料
・TNFα200+B:ラット腸管上皮細胞に200ng/mLの量のTNFα及び細胞保護剤Bを添加して72時間培養を行った試料
Several experimental examples in which cells were evaluated using the above method will be described.
[Experimental Example 1]
In this experiment, rat intestinal epithelial cells were analyzed, and differences (changes) in cell morphology were evaluated depending on whether or not the cells were stimulated with a cytotoxic cytokine (TNFα: Tumor Necrosis Factor-α), and whether or not a cytoprotective agent was added under TNFα stimulation.
The samples are of the following six types:
TNFα0: A sample obtained by culturing rat intestinal epithelial cells for 72 hours without adding TNFα. TNFα66: A sample obtained by culturing rat intestinal epithelial cells for 72 hours after adding 66 ng/mL of TNFα. TNFα100: A sample obtained by culturing rat intestinal epithelial cells for 72 hours after adding 100 ng/mL of TNFα. TNFα200: A sample obtained by culturing rat intestinal epithelial cells for 72 hours after adding 200 ng/mL of TNFα. TNFα200+A: A sample obtained by culturing rat intestinal epithelial cells for 72 hours after adding 200 ng/mL of TNFα and cytoprotectant A. TNFα200+B: A sample obtained by culturing rat intestinal epithelial cells for 72 hours after adding 200 ng/mL of TNFα and cytoprotectant B.

図7は、上記6種類の試料について得られたIHM位相像と該IHM位相像から求めた光学厚みの疑似カラー画像(但し、ここではカラー画像をグレイスケールに変換して示している)を示す図である。
図7に示すIHM位相像から、次のような定性的な評価が可能である。
TNFα添加なしの試料では、細胞の密度が高く、細胞が敷石状に存在している。また、個々の細胞の輝度(ハロ)は明瞭ではなく、細胞の厚みは比較的薄い。これに対し、TNFαを添加した試料では、個々の細胞の輝度が増加しており、細胞の厚みが増している。また、個々の細胞の面積が増大しており、細胞同士の間隔が広がっている。こうした変化は、TNFαの濃度が高いほど顕著である。また、細胞保護剤を添加することで、上記のような変化は軽減されている。
FIG. 7 shows IHM phase images obtained for the six types of samples and pseudocolor images of the optical thicknesses calculated from the IHM phase images (note that the color images are shown here converted to grayscale).
The IHM phase image shown in FIG. 7 allows the following qualitative evaluation.
In the sample without TNFα, the cells were densely packed and arranged in a paving-stone pattern. Furthermore, the brightness (halo) of individual cells was unclear, and the cells were relatively thin. In contrast, in the sample with TNFα, the brightness of individual cells increased, and the cells were thicker. Furthermore, the area of individual cells increased, and the spacing between cells increased. These changes were more pronounced with higher TNFα concentrations. Furthermore, the addition of a cytoprotective agent reduced these changes.

また図7に示す光学厚みの疑似カラー画像から、次のような定性的な評価が可能である。
TNFαの添加によって、面積が小さく光学厚みが薄い細胞が減少している。逆に、面積が大きく光学厚みが厚い細胞が増加している。細胞保護剤を添加することで、こうした変化は軽減されている。また、TNFα添加なしの試料では、細胞輪郭が不鮮明である。
Furthermore, the following qualitative evaluation is possible from the pseudo-color image of the optical thickness shown in FIG.
The addition of TNFα resulted in a decrease in cells with small area and thin optical thickness. Conversely, the addition of a cytoprotective agent reduced the number of cells with large area and thick optical thickness. Furthermore, in samples without TNFα, the cell outlines were unclear.

図8は、6種類の試料について得られたIHM位相像から上述した手順に従って作成された散布図である。また、図9は、この散布図から求めたヒートマップ(本来はカラー図面であるが、ここではカラー画像をグレイスケールに変換して示している)である。ヒートマップを作成する際にデータ点の密集度合はデータ点数で正規化している。
散布図ではデータ点の密集度合を十分に表現しきれないが、ヒートマップでは密集度合を定性的に比較することが可能である。これにより、培養条件の相違によって、面積小で光学厚みが薄いような細胞と面積大で光学厚みが厚いような細胞の密集度合が変化していることが確認できる。
Figure 8 shows scatter plots created from IHM phase images of six samples according to the procedure described above. Figure 9 shows heat maps (originally color plots, but converted to grayscale for this illustration) derived from these scatter plots. When creating the heat maps, the density of data points was normalized by the number of data points.
While a scatter plot cannot adequately represent the density of data points, a heat map allows for a qualitative comparison of the density, making it possible to confirm that differences in culture conditions affect the density of cells with small areas and thin optical thickness, and cells with large areas and thick optical thickness.

図10は6種類の試料についての細胞の光学厚み値の頻度分布を示す図、図11はこの頻度分布から算出した薄い細胞の割合及び厚い細胞の割合を比較した図である。図11において、薄い細胞とは光学厚みが0.1~0.2πの範囲にある細胞であり、厚い細胞とは光学厚みが0.5~1.0πの範囲にある細胞である。ここでは、これらがそれぞれ光学厚みに関する評価の指標値である。
また、図12は6種類の試料についての面積値の頻度分布を示す図、図13はこの頻度分布から算出した小さい細胞の割合及び大きい細胞の割合を比較した図である。図13において、小さい細胞とは面積値が100~200um2の範囲にある細胞であり、大きい細胞とは面積値が500~1000um2の範囲にある細胞である。ここでは、これらがそれぞれ面積値に関する評価の指標値である。
図10、図12のいずれにおいても、縦軸の頻度はデータ総数を用いて正規化している。また、面積が100um2に達しない細胞は光学厚みの頻度分布を求める際に除外している。
Figure 10 shows the frequency distribution of the optical thickness values of cells for six types of samples, and Figure 11 shows a comparison of the percentages of thin and thick cells calculated from this frequency distribution. In Figure 11, thin cells are cells with an optical thickness in the range of 0.1 to 0.2π, and thick cells are cells with an optical thickness in the range of 0.5 to 1.0π. Here, these are index values for evaluating optical thickness, respectively.
Figure 12 shows the frequency distribution of area values for six types of samples, and Figure 13 compares the proportions of small and large cells calculated from this frequency distribution. In Figure 13, small cells are cells with area values in the range of 100 to 200 μm2 , and large cells are cells with area values in the range of 500 to 1000 μm2 . Here, these are index values for evaluation of area values, respectively.
10 and 12, the frequency on the vertical axis is normalized using the total number of data. Cells with an area less than 100 μm2 are excluded when calculating the frequency distribution of optical thickness.

図11に示した光学厚みに関する指標値の比較結果から、TNFαの添加によって、薄い細胞が減少し厚い細胞が増加するという大きな変化が生じていることが数値として分かる。また、細胞保護剤の添加によって、その変化が或る程度軽減されていることも数値として分かる。
一方、図13に示した面積値に関する指標値の比較結果から、TNFαの添加によって、小さな細胞が減少し大きな細胞が増加するという大きな変化が生じていることが数値として分かる。また、細胞保護剤の添加によって、その変化が軽減されており、その軽減の程度は細胞の厚みについての軽減よりも大きいことが数値として分かる。
The comparison of the index values for optical thickness shown in Figure 11 reveals that the addition of TNFα significantly reduces thin cells and increases thick cells, and that the addition of a cytoprotective agent reduces this change to some extent.
On the other hand, the comparison of the index values related to area values shown in Figure 13 reveals that the addition of TNFα caused a significant change, with a decrease in small cells and an increase in large cells. Furthermore, the addition of a cytoprotective agent reduced this change, and the degree of reduction was greater than the reduction in cell thickness.

上述したように、光学厚みの頻度分布や面積値の頻度分布から算出される指標値による評価結果は、IHM位相像や光学厚み疑似カラー画像に基く定性的な評価結果と概ね一致しているが、その評価は客観性及び定量性を有しているので、評価者の主観に左右されることなく、常に的確で信頼性のある評価を行うことができる。また、複数の試料の結果を比較したり或る試料の時間的な変化を調べたりする際に、どの程度の差異があるのかを定量的に示すことができ、比較結果の可視化が容易である。 As mentioned above, the evaluation results based on index values calculated from the frequency distribution of optical thickness and the frequency distribution of area values are generally consistent with the qualitative evaluation results based on IHM phase images and optical thickness pseudocolor images. However, because the evaluation is objective and quantitative, it is possible to perform accurate and reliable evaluations at all times without being influenced by the evaluator's subjectivity. Furthermore, when comparing the results of multiple samples or examining changes in a certain sample over time, the extent of the differences can be quantitatively shown, making it easy to visualize the comparison results.

[実験例2]
この実験では、解析対象の細胞はヒト大腸癌細胞であり、代謝拮抗薬(ピリミジン拮抗薬)の一種である5-フルオロウラシル(以下「5-FU」と称す)を使用し、各種濃度の5-FUを用いた細胞刺激による細胞形態の相違(変化)を評価した。
試料は次の6種類である。
・5-FU 0μM:ヒト大腸癌細胞に5-FUを添加せずに48時間培養を行った試料
・5-FU 2.5μM:ヒト大腸癌細胞に2.5μMの濃度の5-FUを添加して48時間培養を行った試料
・5-FU 5μM:ヒト大腸癌細胞に5μMの濃度の5-FUを添加して48時間培養を行った試料
・5-FU 10μM:ヒト大腸癌細胞に10μMの濃度の5-FUを添加して48時間培養を行った試料
・5-FU 20μM:ヒト大腸癌細胞に20μMの濃度の5-FUを添加して48時間培養を行った試料
・5-FU 40μM:ヒト大腸癌細胞に40μMの濃度の5-FUを添加して48時間培養を行った試料
[Experimental Example 2]
In this experiment, the cells analyzed were human colon cancer cells, and 5-fluorouracil (hereinafter referred to as "5-FU"), a type of metabolic antagonist (pyrimidine antagonist), was used to evaluate the differences (changes) in cell morphology caused by cell stimulation with various concentrations of 5-FU.
The samples are of the following six types:
・5-FU 0 μM: A sample of human colon cancer cells cultured for 48 hours without adding 5-FU. ・5-FU 2.5 μM: A sample of human colon cancer cells cultured for 48 hours with 2.5 μM 5-FU added. ・5-FU 5 μM: A sample of human colon cancer cells cultured for 48 hours with 5-FU added at a concentration of 5 μM. ・5-FU 10 μM: A sample of human colon cancer cells cultured for 48 hours with 10 μM 5-FU added. ・5-FU 20 μM: A sample of human colon cancer cells cultured for 48 hours with 20 μM 5-FU added. ・5-FU 40 μM: A sample of human colon cancer cells cultured for 48 hours with 40 μM 5-FU added.

図17は、上記6種類の試料について得られた位相差顕微鏡観察像を示す図である。図17に示す位相差顕微鏡観察像から、次のような定性的な評価が可能である。
5-FU未添加の試料(5-FU 0μM)では、細胞同士が接着して隙間が殆どない。即ち、細胞の密度は高く、細胞が敷石状に存在している。これに対し、試料に5-FUを添加することにより、個々の細胞の形態が紡錘形や突起を伸ばした多角形に変化する。試料に添加する5-FUの濃度を増加するに伴い、細胞間の接着性が低下して細胞間の距離が拡大し、ハロが高い細胞の数が増加する。5-FUの濃度が20μMを越えると、突起を伸ばした面積の大きい細胞とハロが高く面積が小さい細胞とが混在し、細胞の大きさの不揃いが顕著になる。
Fig. 17 shows phase-contrast microscope images obtained for the six types of samples. The following qualitative evaluations are possible from the phase-contrast microscope images shown in Fig. 17.
In samples without added 5-FU (5-FU 0 μM), cells adhere to each other with almost no gaps. In other words, the cells are densely packed and arranged in a paving-stone pattern. In contrast, adding 5-FU to the sample changes the shape of individual cells to spindle shapes or polygonal shapes with extended processes. As the concentration of 5-FU added to the sample increases, intercellular adhesion decreases, the distance between cells increases, and the number of cells with large halos increases. When the 5-FU concentration exceeds 20 μM, cells with large areas and extended processes coexist with cells with small areas and high halos, resulting in significant unevenness in cell size.

図18は、上記6種類の試料について得られたIHM位相像を示す図である。
図18に示すIHM位相像から、次のような定性的な評価が可能である。
5-FU未添加の試料(5-FU 0μM)では、細胞同士が接着してコロニーを形成している。試料に5-FUを添加することにより、その濃度が増加するに伴い、コロニーを形成する細胞数が減少する。また、5-FU 10μMの濃度までは、細胞突起の延伸が観測され、個々の細胞面積は拡大する。5-FUの濃度が20μMを越えると、細胞面積の大きい細胞に加えて、孤立して散在する小形の細胞が出現する。
FIG. 18 shows IHM phase images obtained for the six types of samples.
The IHM phase image shown in FIG. 18 allows the following qualitative evaluation.
In samples without 5-FU (5-FU 0 μM), cells adhered to each other to form colonies. By adding 5-FU to the sample, the number of cells forming colonies decreased as the concentration increased. Furthermore, up to a concentration of 10 μM 5-FU, cell processes were observed to elongate, and the area of each individual cell expanded. When the 5-FU concentration exceeded 20 μM, small, isolated cells appeared in addition to the large cells.

図19は、上記6種類の試料について得られたIHM位相像から求めた光学厚みの疑似カラー画像(但し、ここではカラー画像をグレイスケールに変換して示している)を示す図である。
図19に示す光学厚みの疑似カラー画像から、次のような定性的な評価が可能である。
5-FU未添加の試料(5-FU 0μM)では、細胞面積が小さく、光学厚みが薄い細胞が多い。試料に5-FUを添加することにより、細胞面積が大きく光学厚みが厚い細胞が増加する。5-FUの添加量が多いほど、光学厚みが厚い細胞が増えている。5-FUの濃度が20μMを越える高濃度になると、光学厚みの厚い部分のみが残り、光学厚みの薄い細胞突起部分が消失した細胞が増える。
FIG. 19 shows pseudo-color images (however, here, the color images are converted into grayscale images) of the optical thicknesses obtained from the IHM phase images obtained for the above six types of samples.
The pseudo-color image of the optical thickness shown in FIG. 19 allows the following qualitative evaluation.
In samples without added 5-FU (5-FU 0 μM), many cells have small cell area and thin optical thickness. By adding 5-FU to the sample, the number of cells with large cell area and thick optical thickness increases. The more 5-FU added, the more cells with thick optical thickness increase. At high concentrations of 5-FU above 20 μM, only the thick optical thickness portion remains, and the number of cells in which the thin optical thickness cell protrusion portion has disappeared increases.

図20は、6種類の試料について得られたIHM位相像から上述した手順に従って作成された散布図から求めたヒートマップ(本来はカラー図面であるが、ここではカラー画像をグレイスケールに変換して示している)である。ヒートマップを作成する際にデータ点の密集度合はデータ点数で正規化している。
このヒートマップでは、細胞の密集度合を定性的に比較することが可能である。これにより、培養条件の相違によって、面積小で光学厚みが薄いような細胞と面積大で光学厚みが厚いような細胞の密集度合が変化していることが確認できる。
なお、この実験例2では、細胞の光学厚みが全体的に厚いため、光学厚みのスケールを2倍に伸ばし、細胞領域を抽出するための閾値を実験例1と比較して0.075π[rad]から0.15π[rad]に上げた。
Figure 20 shows heat maps (originally color images, but converted to grayscale) derived from scatter plots created from IHM phase images of six samples according to the procedure described above. When creating the heat maps, the density of data points was normalized by the number of data points.
This heat map allows for qualitative comparison of cell density, revealing that differences in culture conditions affect the density of cells with small areas and thin optical thickness, and cells with large areas and thick optical thickness.
In Experimental Example 2, since the optical thickness of the cells was thick overall, the scale of the optical thickness was doubled, and the threshold for extracting the cell region was increased from 0.075π [rad] to 0.15π [rad] compared to Experimental Example 1.

図20に示すヒートマップの疑似カラー画像から、次のような定性的な評価が可能である。
5-FU未添加の試料(5-FU 0μM)では、細胞面積が小さく光学厚みも薄い細胞が多い。これに対し、試料に5-FUを添加するとき、添加量を増加するに伴って、面積の小さい細胞が減り、面積の大きい細胞が増える。また、光学厚みが厚い細胞も増える。
また、作成されたヒートマップの疑似カラー画像から光学厚みの最頻値を抽出することができるため、その最頻値を指標値として算出し、画像に映り込んだ細胞の状態を評価してもよい。この場合には、上記の定性的な評価だけでなく、定量的な評価も行えるようになる。
The pseudocolor image of the heat map shown in FIG. 20 allows the following qualitative evaluation.
In samples without added 5-FU (0 μM 5-FU), many of the cells had small cell areas and thin optical thicknesses. In contrast, when 5-FU was added to the sample, as the amount added increased, the number of small cells decreased and the number of large cells increased. In addition, the number of cells with thick optical thickness also increased.
Furthermore, since the mode of optical thickness can be extracted from the pseudocolor image of the created heat map, the mode can be calculated as an index value to evaluate the state of the cells reflected in the image. In this case, not only the above-mentioned qualitative evaluation but also a quantitative evaluation can be performed.

[実験例3]
この実験では、解析対象の細胞はヒト大腸癌細胞であり、白金製剤の一種であるオキサリプラチン(Oxaliplatin、以下「Oxa」と称す)を使用し、各種濃度のOxaを用いた細胞刺激による細胞形態の相違(変化)を評価した。
試料は次の6種類である。
・Oxa 0μM:ヒト大腸癌細胞にOxaを添加せずに48時間培養を行った試料
・Oxa 2.5μM:ヒト大腸癌細胞に2.5μMの濃度のOxaを添加して48時間培養を行った試料
・Oxa 5μM:ヒト大腸癌細胞に5μMの濃度のOxaを添加して48時間培養を行った試料
・Oxa 10μM:ヒト大腸癌細胞に10μMの濃度のOxaを添加して48時間培養を行った試料
・Oxa 20μM:ヒト大腸癌細胞に20μMの濃度のOxaを添加して48時間培養を行った試料
・Oxa 40μM:ヒト大腸癌細胞に40μMの濃度のOxaを添加して48時間培養を行った試料
[Experimental Example 3]
In this experiment, the cells analyzed were human colon cancer cells, and oxaliplatin (hereinafter referred to as "Oxa"), a type of platinum compound, was used to evaluate the differences (changes) in cell morphology caused by cell stimulation with various concentrations of Oxa.
The samples are of the following six types:
Oxa 0 μM: A sample of human colon cancer cells cultured for 48 hours without adding Oxa. Oxa 2.5 μM: A sample of human colon cancer cells cultured for 48 hours with Oxa added at a concentration of 2.5 μM. Oxa 5 μM: A sample of human colon cancer cells cultured for 48 hours with Oxa added at a concentration of 5 μM. Oxa 10 μM: A sample of human colon cancer cells cultured for 48 hours with Oxa added at a concentration of 10 μM. Oxa 20 μM: A sample of human colon cancer cells cultured for 48 hours with Oxa added at a concentration of 20 μM. Oxa 40 μM: A sample of human colon cancer cells cultured for 48 hours with Oxa added at a concentration of 40 μM.

図21は、上記6種類の試料について得られた位相差顕微鏡観察像を示す図である。
図21に示す位相差顕微鏡観察像から、次のような定性的な評価が可能である。
Oxa未添加の試料(Oxa 0μM)では、ハロが小さい小形の細胞が多く、細胞同士が接着して隙間が少ない。
Oxaを添加することにより、個々の細胞が紡錘形や突起を伸ばした多角形を呈するようになり、細胞面積が大きくなる。添加するOxaの濃度が増加するに伴い、細胞間の距離が増加し、10μM以上の濃度ではコロニー形成は観測されない。またOxaの濃度が10μMを越えると、ハロが大きい類円形状の細胞が出現する。さらに、Oxaの濃度が20μMを越えると、細胞突起が短縮して細胞面積が減少し、ハロが大きい細胞が増える。
FIG. 21 shows phase-contrast microscope images obtained for the six types of samples.
The phase contrast microscope image shown in FIG. 21 allows the following qualitative evaluation.
In the sample without Oxa (0 μM Oxa), there were many small cells with small halos, and the cells were adhered to each other with few gaps.
Addition of Oxa causes individual cells to assume a spindle or polygonal shape with extended processes, increasing the cell area. As the concentration of Oxa added increases, the distance between cells increases, and colony formation is not observed at concentrations above 10 μM. Furthermore, at Oxa concentrations above 10 μM, round-shaped cells with large halos appear. Furthermore, at Oxa concentrations above 20 μM, cell processes shorten, cell area decreases, and the number of cells with large halos increases.

図22は、上記6種類の試料について得られたIHM位相像を示す図である。
図22に示すIHM位相像から、次のような定性的な評価が可能である。
Oxa未添加の試料(Oxa 0μM)では、個々の細胞面積が小さく、細胞同士が密に接してコロニーを形成している。
Oxaを添加することにより細胞同士が離れ、その濃度を高くするに伴いコロニーを形成する細胞数が減少する。また、Oxaの濃度を増加させると、細胞突起の延伸と個々の細胞の面積の増大が観測される。Oxaの濃度が20μmを越えると、細胞面積の大きい細胞に混じって、孤立して存在する小形の細胞が出現する。Oxaの濃度が40μMを越えると、細胞突起が短縮・消失して細胞面積が減少した細胞が大部分となり、各細胞は孤立して散在する。
FIG. 22 shows IHM phase images obtained for the above six types of samples.
The IHM phase image shown in FIG. 22 allows the following qualitative evaluation.
In the sample without Oxa (0 μM Oxa), the area of each cell was small and the cells were in close contact with each other to form colonies.
The addition of Oxa causes cells to separate, and the number of cells forming colonies decreases as the concentration increases. Furthermore, increasing the Oxa concentration leads to the extension of cell processes and an increase in the area of individual cells. When the Oxa concentration exceeds 20 μM, small, isolated cells appear among the large cells. When the Oxa concentration exceeds 40 μM, the majority of cells have shortened or lost their cell processes, resulting in a decrease in cell area, and the individual cells become isolated and scattered.

図23は、上記6種類の試料について得られたIHM位相像から求めた光学厚みの疑似カラー画像(但し、ここではカラー画像をグレイスケールに変換して示している)を示す図である。
図23に示す光学厚みの疑似カラー画像から、次のような定性的な評価が可能である。
Oxa未添加の試料(Oxa 0μM)では、細胞面積が小さく光学厚みが薄い細胞が多い。
試料にOxaを添加すると、その濃度が20μMまではOxaの添加量に依存して細胞面積が大きく光学厚みが厚い細胞が増加する。一方、40μM以上もの高濃度になると、孤立して存在する、細胞面積が小さく光学厚みが薄い細胞が再び出現する。
FIG. 23 shows pseudo-color images (however, here, the color images are converted into grayscale images) of the optical thicknesses obtained from the IHM phase images obtained for the above six types of samples.
The pseudo-color image of the optical thickness shown in FIG. 23 allows the following qualitative evaluation.
In the sample without Oxa (0 μM Oxa), many cells have small cell areas and thin optical thicknesses.
When Oxa is added to the sample, the number of cells with large cell area and thick optical thickness increases depending on the amount of Oxa added up to a concentration of 20 μM. However, at concentrations above 40 μM, isolated cells with small cell area and thin optical thickness reappear.

図24は、上記6種類の試料について得られたIHM位相像から上述した手順に従って作成された散布図から求めたヒートマップ(本来はカラー図面であるが、ここではカラー画像をグレイスケールに変換して示している)である。ヒートマップを作成する際にデータ点の密集度合はデータ点数で正規化している。
ヒートマップでは、密集度合を定性的に比較することが可能である。これにより、培養条件の相違によって、面積小で光学厚みが薄いような細胞と面積大で光学厚みが厚いような細胞の密集度合が変化していることが確認できる。なお、実験例2では実験例2と同様に、光学厚みのスケールを2倍に伸ばし、細胞領域を抽出させるための閾値を変更した。
Figure 24 shows a heat map (originally a color image, but converted to grayscale for this illustration) derived from a scatter plot created according to the procedure described above from the IHM phase images obtained for the six samples. When creating the heat map, the density of data points was normalized by the number of data points.
The heat map allows for qualitative comparison of the degree of cell density. This makes it possible to confirm that differences in culture conditions affect the degree of cell density between cells with small areas and thin optical thickness and cells with large areas and thick optical thickness. In Experimental Example 2, the scale of the optical thickness was doubled, and the threshold for extracting the cell region was changed, as in Experimental Example 2.

図24に示すヒートマップの疑似カラー画像から、次のような定性的な評価が可能である。
Oxa未添加及びOxaを低い濃度で添加した試料では、細胞面積や光学厚みの小さい細胞が多い。Oxaを5μM以上の濃度で添加すると、その濃度の増加に伴い、面積の小さい細胞が減って面積の大きい細胞が増える。また、光学厚みの薄い細胞が減って、光学厚みの厚い細胞が増える。一方、Oxaの濃度が40μM以上になると、細胞の面積は再び小さくなり、光学厚みの薄い細胞が増える。ただ、これら細胞はOxa未添加の場合とは異なり、細胞面積及び光学厚みともにばらつきが大きい。
また、実験例2で述べたように、この実験例3においてもヒートマップの疑似カラー画像から光学厚みの最頻値を求め、それを利用して定量的な評価も可能である。
The pseudocolor image of the heat map shown in FIG. 24 allows the following qualitative evaluation.
In samples without Oxa or with Oxa added at low concentrations, many cells had small cell area and optical thickness. When Oxa was added at a concentration of 5 μM or higher, the number of small area cells decreased and the number of large area cells increased as the concentration increased. Furthermore, the number of cells with thin optical thickness decreased and the number of cells with thick optical thickness increased. On the other hand, when the Oxa concentration increased to 40 μM or higher, the cell area decreased again and the number of cells with thin optical thickness increased. However, unlike in the case of Oxa not being added, these cells showed large variations in both cell area and optical thickness.
As described in Experimental Example 2, in Experimental Example 3, the most frequent value of the optical thickness can be determined from the pseudocolor image of the heat map, and quantitative evaluation can be performed using this value.

上記実験例2、3においても、実験例1において図10に示した細胞の光学厚みの頻度分布や図12に示した細胞の面積値の頻度分布から算出される指標値による評価結果は、IHM位相像や光学厚み疑似カラー画像に基く定性的な評価結果と概ね一致する。即ち、上記実施形態の細胞解析装置における細胞の評価方法は、ヒト大腸癌細胞などのヒトの病変細胞にも適用が可能である。 In Experimental Examples 2 and 3 above, the evaluation results based on index values calculated from the frequency distribution of cell optical thickness shown in Figure 10 and the frequency distribution of cell area values shown in Figure 12 in Experimental Example 1 generally match the qualitative evaluation results based on IHM phase images and optical thickness pseudocolor images. In other words, the cell evaluation method in the cell analysis device of the above embodiment can also be applied to human diseased cells such as human colon cancer cells.

[変形例]
上記実施形態の細胞解析装置では、細胞の形態として細胞の厚さと大きさ(面積)の指標値を提供することができるが、本願出願人の先願である特願2019-119042号及びPCT/JP2019/025489号で提案されているような、細胞の外縁部における厚みの勾配(傾斜)を定量化した指標値をさらに組み合わせると、細胞についてのより多面的な形態の情報に基いた評価が可能な場合がある。
[Modification]
The cell analysis device of the above embodiment can provide index values for cell thickness and size (area) as cell morphology, but by further combining an index value that quantifies the thickness gradient (inclination) at the outer edge of the cell, as proposed in the applicant's prior applications, Japanese Patent Application No. 2019-119042 and PCT/JP2019/025489, it may be possible to perform an evaluation based on more multifaceted morphological information about the cell.

ここで、細胞の外縁部における厚みの勾配の指標値を算出する方法の一例を簡単に説明する。図14は、細胞の外縁部における厚みの勾配の指標値を算出する際の手順の一例である。この場合、評価指標算出部27は、微分画像作成部、微分値ヒストグラム作成部、勾配指標値算出部を含む。 Here, we will briefly explain an example of a method for calculating an index value for the thickness gradient at the outer edge of a cell. Figure 14 shows an example of the procedure for calculating an index value for the thickness gradient at the outer edge of a cell. In this case, the evaluation index calculation unit 27 includes a differential image creation unit, a differential value histogram creation unit, and a gradient index value calculation unit.

微分画像作成部は、ノイズ除去後のIHM位相像の各画素の信号値(画素値)に対し微分フィルターを適用し、画素毎の微分値を算出する(ステップS100)。微分フィルターとしては、例えば画像のエッジ検出によく利用されるラプラシアンフィルターを用いることができる。画素毎に微分値が得られたならば、それを用いてIHM位相像に対応する微分画像を作成する(ステップS101)。上述したように、IHM位相像における各画素値は細胞の光学厚さを反映しているから、細胞の外縁部の厚み方向の傾斜が急峻であるほど、該外縁部における微分値は大きくなる。 The differential image creation unit applies a differential filter to the signal value (pixel value) of each pixel in the noise-removed IHM phase image to calculate a differential value for each pixel (step S100). A Laplacian filter, which is often used for image edge detection, can be used as the differential filter. Once the differential value for each pixel has been obtained, it is used to create a differential image corresponding to the IHM phase image (step S101). As mentioned above, each pixel value in the IHM phase image reflects the optical thickness of the cell, so the steeper the gradient in the thickness direction at the outer edge of the cell, the larger the differential value at that outer edge.

微分値ヒストグラム作成部は、微分画像を構成する全ての画素の微分値に基づいて、横軸が微分値、縦軸が出現数(画素数)であるヒストグラムを作成する(ステップS102)。微分値の増加に対する出現数の変化の状況を視覚的に把握し易くするには、ヒストグラムの横軸をリニア軸、縦軸を対数軸とするとよい。図15は微分値ヒストグラムの一例である。図15に示すように、微分値ヒストグラムには、低微分値側のスロープが急峻で、高微分値側のスロープがなだらかである左右非対称のピークが現れる。このピークのピークトップを含む低微分値側の範囲に含まれる画素は、主として細胞ではない背景領域や細胞内で厚さが比較的平坦な部位に存在する画素であると考えられる。一方、高微分値側のなだらかなスロープの範囲に含まれる画素は、主として細胞の外縁部に存在する画素であると考えられる。従って、微分値ヒストグラムにおける高微分値側のスロープの勾配の程度は、細胞の後縁部の厚み方向における勾配の程度を反映している。 Based on the differential values of all pixels constituting the differential image, the differential value histogram creation unit creates a histogram with the differential value on the horizontal axis and the occurrence count (number of pixels) on the vertical axis (step S102). To easily visually grasp the change in the occurrence count relative to an increase in differential value, it is recommended to use a linear axis for the horizontal axis and a logarithmic axis for the vertical axis. Figure 15 shows an example of a differential value histogram. As shown in Figure 15, the differential value histogram exhibits an asymmetric peak with a steep slope on the low differential value side and a gentle slope on the high differential value side. Pixels falling within the low differential value range, including the peak top, are considered to be pixels located primarily in non-cellular background regions or in areas of cells with a relatively flat thickness. On the other hand, pixels falling within the gentle slope on the high differential value side are considered to be pixels located primarily on the outer edges of cells. Therefore, the degree of gradient of the slope on the high derivative value side of the derivative value histogram reflects the degree of gradient in the thickness direction of the posterior edge of the cell.

即ち、IHM位相像に現れている多数の細胞の中で、細胞の外縁部の厚み方向における勾配が急峻である細胞の割合が多いほど、相対的に微分値が高い画素の割合が増える。そして、微分値が相対的に高い画素の割合が多いと、微分値ヒストグラムにおけるピークの右側のスロープの勾配が緩やかになる。図15では、Aで示したピークのほうがBで示したピークに比べてスロープが緩やかであり、細胞の外縁部の厚み方向における勾配が急峻である細胞の割合が多い、ということができる。そこで、微分値ヒストグラムにおいて上記スロープの勾配の程度を表す指標値を算出し、これを細胞の外縁部の厚み方向の勾配指標値とする。 In other words, among the many cells appearing in an IHM phase image, the greater the proportion of cells with a steep gradient in the thickness direction at the cell's outer periphery, the greater the proportion of pixels with relatively high derivative values. Furthermore, when the proportion of pixels with relatively high derivative values is high, the slope to the right of the peak in the derivative value histogram becomes gentler. In Figure 15, the peak indicated by A has a gentler slope than the peak indicated by B, and it can be said that there is a greater proportion of cells with a steep gradient in the thickness direction at the cell's outer periphery. Therefore, an index value representing the degree of the gradient of the above slope in the derivative value histogram is calculated, and this is used as the gradient index value for the thickness direction at the cell's outer periphery.

具体的には、勾配指標値算出部は、まず微分値ヒストグラムに対してばらつきや誤差を軽減するために微分値の変化方向に移動平均をとることでスムージング処理を実行する。図15に示すように、細胞の外縁部の厚み方向の勾配の差異が顕著に現れる高微分値範囲では、スロープの減少は指数関数で近似することができる。そこで、その高微分値範囲の中で任意の微分値を2個選択し、その2個の微分値の間におけるスロープを、y=a・e-bx(但し、a、bは任意の定数)の指数関数で近似する。ここでは、最も近似誤差が小さくなる定数a、bを探索すればよい。このときの指数部の定数bはスロープの勾配の程度を反映しており、細胞の密度の影響を受けない。そこで、この指数部の定数bを勾配指標値とする。
但し、これに限らず、上記先願に記載されているような他の方法、例えば図15に示したピークの半値幅を求める等によって勾配指標値を求めてもよい。
Specifically, the gradient index value calculation unit first performs a smoothing process on the differential value histogram by taking a moving average in the direction of change in the differential value to reduce variations and errors. As shown in Figure 15, in the high differential value range where the difference in the thickness direction gradient of the outer edge of the cell is significant, the decrease in slope can be approximated by an exponential function. Therefore, two arbitrary differential values are selected within the high differential value range, and the slope between the two differential values is approximated by an exponential function of y = a·e −bx (where a and b are arbitrary constants). Here, the constants a and b that minimize the approximation error can be found. The constant b in the exponent part reflects the degree of the slope gradient and is not affected by cell density. Therefore, this constant b in the exponent part is used as the gradient index value.
However, the present invention is not limited to this, and the gradient index value may be obtained by other methods such as those described in the above-mentioned prior application, for example, by determining the half-width of the peak shown in FIG.

図16は、上記実験例で示した6種類の試料について勾配指標値を算出した結果を示す図である。図16から、TNFαの添加によって細胞の外縁部の厚み方向の勾配が顕著に緩やかになっていることが分かる。また、上述したように、TNFαの添加による細胞の厚みや大きさの変化は細胞保護剤の添加によって明瞭に軽減されているのに対し、細胞の厚み方向の勾配の変化は細胞保護剤の添加によっても殆ど軽減されていないことが分かる。このように、細胞の厚み、大きさ以外に、外縁部における厚み方向の勾配という別の評価指標を加えることで、より詳細に細胞の状態や機能を反映した形態の評価が可能である。 Figure 16 shows the results of calculating the gradient index values for the six types of samples shown in the experimental example above. Figure 16 shows that the addition of TNFα significantly reduces the thickness gradient at the outer periphery of the cells. Furthermore, as mentioned above, while the changes in cell thickness and size caused by the addition of TNFα are clearly reduced by the addition of a cytoprotective agent, the change in the thickness gradient of the cells is hardly reduced by the addition of a cytoprotective agent. In this way, by adding another evaluation index, the thickness gradient at the outer periphery, in addition to cell thickness and size, it is possible to evaluate morphology that reflects the state and function of the cells in more detail.

なお、図1に示した細胞解析装置では、制御・処理部2において全ての処理を実施しているが、一般に、ホログラムデータに基づく位相情報の計算や画像の再構成処理には膨大な量の計算が必要である。また、細胞状態の判定処理の負荷も大きい。そこで、顕微観察部1に接続されたパーソナルコンピューターを端末装置とし、この端末装置と高性能なコンピューターであるサーバーとがインターネットやイントラネット等の通信ネットワークを介して接続されたコンピューターシステムを利用し、上記のような煩雑な計算や処理は高性能なコンピューターで行い、顕微観察部1の制御や処理後のデータを用いた表示処理などを比較的低性能のパーソナルコンピューターで実行するように役割を分けてもよい。 In the cell analysis device shown in Figure 1, all processing is performed in the control and processing unit 2. However, calculating phase information based on hologram data and reconstructing images generally require a huge amount of calculation. Furthermore, the load of determining the cell state is also heavy. Therefore, a computer system can be used in which a personal computer connected to the microscope observation unit 1 serves as a terminal device, and this terminal device is connected to a high-performance computer server via a communications network such as the Internet or an intranet. The above-mentioned complex calculations and processing can be performed by the high-performance computer, while control of the microscope observation unit 1 and display processing using processed data can be performed by a relatively low-performance personal computer.

また上記実施形態の細胞観察装置では、顕微観察部1としてインライン型ホログラフィック顕微鏡を用いていたが、ホログラムが得られる顕微鏡であれば、オフアクシス(軸外し)型、位相シフト型などの他の方式のホログラフィック顕微鏡に置換え可能である。 Furthermore, in the cell observation device of the above embodiment, an inline holographic microscope was used as the microscopic observation unit 1, but this can be replaced with other types of holographic microscopes, such as off-axis or phase-shifting microscopes, as long as they can obtain holograms.

また上記実施形態や各種の変形例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲でさらに適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。 Furthermore, the above-described embodiment and various modifications are merely examples of the present invention, and it is clear that further modifications, alterations, and additions made within the spirit and scope of the present invention are also encompassed within the scope of the claims.

[種々の態様]
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
Various aspects
It will be appreciated by those skilled in the art that the exemplary embodiments described above are examples of the following aspects.

(第1項)本発明に係る細胞の評価方法の一態様は、
ホログラフィック顕微鏡を用いて容器内の細胞の集団に対する撮影を行い、所定の観察範囲についての位相像を取得する位相像取得ステップと、
前記位相像において個々の細胞領域を抽出する細胞領域抽出ステップと、
前記位相像において前記細胞領域毎に光学厚みの代表値をそれぞれ求める個別光学厚み取得ステップと、
前記個別光学厚み取得ステップにおいて細胞領域毎に得られた光学厚みの代表値から前記観察範囲における細胞の光学厚みの頻度分布を作成し、該頻度分布を用いて該観察範囲に存在する細胞の集団についての細胞厚みの評価指標を求める評価指標算出ステップと、
を有し、前記評価指標に基いて前記細胞の集団を評価するものである。
(Item 1) One aspect of the cell evaluation method according to the present invention comprises:
a phase image acquisition step of capturing an image of a group of cells in a container using a holographic microscope to acquire a phase image of a predetermined observation range;
a cell region extraction step of extracting individual cell regions from the phase image;
an individual optical thickness acquisition step of calculating a representative value of the optical thickness for each of the cellular regions in the phase image;
an evaluation index calculation step of creating a frequency distribution of the optical thickness of cells in the observation range from the representative value of the optical thickness obtained for each cell region in the individual optical thickness acquisition step, and using the frequency distribution to calculate an evaluation index of cell thickness for a group of cells present in the observation range;
and evaluating the cell population based on the evaluation index.

(第8項)本発明に係る細胞解析装置の一態様は、
ホログラフィック顕微鏡である観察部と、
容器内の細胞の集団に対し前記観察部により得られたホログラムデータに基づく画像再構成処理を行い、所定の観察範囲についての位相像を作成する位相像作成部と、
前記位相像において個々の細胞領域を抽出する細胞領域抽出部と、
前記位相像において前記細胞領域毎に光学厚みの代表値をそれぞれ求める個別光学厚み取得部と、
前記個別光学厚み取得部で細胞領域毎に得られた光学厚みの代表値から前記観察範囲における細胞の光学厚みの頻度分布を作成し、該頻度分布を用いて該観察範囲に存在する細胞の集団についての細胞厚みの評価指標を求める評価指標算出部と、
を備えるものである。
(Item 8) One aspect of the cell analysis device according to the present invention is
an observation unit which is a holographic microscope;
a phase image generating unit that performs image reconstruction processing on the cell population in the container based on the hologram data obtained by the observation unit, and generates a phase image for a predetermined observation range;
a cell region extraction unit that extracts individual cell regions from the phase image;
an individual optical thickness acquisition unit that calculates a representative value of the optical thickness for each of the cellular regions in the phase image;
an evaluation index calculation unit that creates a frequency distribution of the optical thickness of cells in the observation range from the representative value of the optical thickness obtained for each cell region by the individual optical thickness acquisition unit, and calculates an evaluation index of the cell thickness for a group of cells present in the observation range using the frequency distribution;
It is equipped with the following.

第1項に記載の細胞の評価方法、及び第8項に記載の細胞解析装置よれば、培養容器内で培養中である多数の細胞に対し、細胞集団としての細胞の厚みの評価指標を得ることができる。従って、この評価指標を用いて、例えば培養容器毎の細胞の厚みを客観的に且つ定量的に比較したり評価したりすることができる。それによって、評価者の主観に頼らない正確な比較や評価が行える。また、細胞集団としての細胞の厚さを定量化して示すことで、従来は不明瞭であった僅かな細胞の形態の相違や変化を把握することが可能となる。 The cell evaluation method described in paragraph 1 and the cell analysis device described in paragraph 8 make it possible to obtain an evaluation index for the thickness of cells as a cell population for a large number of cells being cultured in a culture vessel. Therefore, using this evaluation index, it is possible to objectively and quantitatively compare and evaluate, for example, the thickness of cells in each culture vessel. This allows for accurate comparisons and evaluations that do not rely on the subjectivity of the evaluator. Furthermore, by quantifying and indicating the thickness of cells as a cell population, it becomes possible to grasp subtle differences and changes in cell morphology that were previously unclear.

(第2項、第9項)第1項に記載の細胞の評価方法、及び第8項に記載の細胞解析装置において、前記細胞厚みの評価指標は、前記観察領域における細胞数に対する所定の光学厚みの範囲に含まれる細胞数の割合であるものとすることができる。 (Items 2 and 9) In the cell evaluation method described in Item 1 and the cell analysis device described in Item 8, the evaluation index for cell thickness can be the ratio of the number of cells within a predetermined range of optical thickness to the number of cells in the observation area.

第2項に記載の細胞の評価方法、及び第9項に記載の細胞解析装置によれば、多数の細胞を含む細胞集団における、細胞の厚みの傾向を的確に表す指標を簡便に得ることができる。 The cell evaluation method described in paragraph 2 and the cell analysis device described in paragraph 9 make it possible to easily obtain an index that accurately represents the trend in cell thickness in a cell population containing a large number of cells.

(第3項)第1項又は第2項に記載の細胞の評価方法では、
前記細胞領域抽出ステップで抽出された各細胞領域の面積をそれぞれ算出する個別面積取得ステップ、をさらに有し、
前記評価指標算出ステップでは、前記個別面積取得ステップにおいて細胞領域毎に得られた面積値から前記観察範囲における細胞の面積値の頻度分布を作成し、該頻度分布を用いて該観察範囲に存在する細胞集団についての細胞面積の評価指標を求めるものとすることができる。
(Item 3) In the method for evaluating cells according to item 1 or 2,
An individual area acquisition step of calculating the area of each cell region extracted in the cell region extraction step,
In the evaluation index calculation step, a frequency distribution of the area values of cells in the observation range can be created from the area values obtained for each cell region in the individual area acquisition step, and the frequency distribution can be used to determine an evaluation index for the cell area of a cell population present in the observation range.

(第10項)第8項又は第9項に記載の細胞解析装置では、
前記細胞領域抽出部で抽出された各細胞領域の面積をそれぞれ算出する個別面積取得部、をさらに備え、
前記評価指標算出部は、前記個別面積取得部で細胞領域毎に得られた面積値から前記観察範囲における細胞の面積値の頻度分布を作成し、該頻度分布を用いて該観察範囲に存在する細胞集団についての細胞面積の評価指標を求めるものとすることができる。
(Item 10) In the cell analysis device according to item 8 or 9,
an individual area acquisition unit that calculates the area of each cell region extracted by the cell region extraction unit,
The evaluation index calculation unit can create a frequency distribution of the area values of cells in the observation range from the area values obtained for each cell region by the individual area acquisition unit, and use the frequency distribution to determine an evaluation index for the cell area of a cell population present in the observation range.

第3項に記載の細胞の評価方法、及び第10項に記載の細胞解析装置によれば、細胞集団における細胞の厚さの指標値のほかに、細胞の大きさの指標値も併せてユーザーに提供することができる。それにより、細胞の形態について、より多面的に評価することが可能となる。 The cell evaluation method described in paragraph 3 and the cell analysis device described in paragraph 10 can provide the user with an index value for cell size in addition to an index value for cell thickness in a cell population. This enables a more multifaceted evaluation of cell morphology.

(第4項)第1項~第3項のいずれか1項に記載の細胞の評価方法では、
前記細胞領域抽出ステップにおいて抽出された各細胞領域の面積をそれぞれ算出する個別面積取得ステップ、をさらに有し、
前記評価指標算出ステップでは、前記個別光学厚み取得ステップにおいて細胞領域毎に得られた光学厚み値と、前記個別面積取得ステップにおいて細胞領域毎に得られた面積値と、を用い、前記観察範囲における個々の細胞の光学厚み値と面積値との関係を示す散布図、を作成するものとすることができる。
(Item 4) In the method for evaluating a cell according to any one of Items 1 to 3,
An individual area acquisition step of calculating the area of each cell region extracted in the cell region extraction step,
In the evaluation index calculation step, the optical thickness value obtained for each cell region in the individual optical thickness acquisition step and the area value obtained for each cell region in the individual area acquisition step can be used to create a scatter plot showing the relationship between the optical thickness value and the area value of each cell in the observation range.

(第11項)また第8項~第10項のいずれか1項に記載の細胞解析装置では、
前記細胞領域抽出部で抽出された各細胞領域の面積をそれぞれ算出する個別面積取得部、をさらに備え、
前記評価指標算出部は、前記個別光学厚み取得部で細胞領域毎に得られた光学厚み値と、前記個別面積取得部で細胞領域毎に得られた面積値と、を用い、前記観察範囲における個々の細胞の光学厚み値と面積値との関係を示す散布図、を作成するものとすることができる。
(Item 11) In addition, in the cell analysis device according to any one of items 8 to 10,
an individual area acquisition unit that calculates the area of each cell region extracted by the cell region extraction unit,
The evaluation index calculation unit can use the optical thickness value obtained for each cell region by the individual optical thickness acquisition unit and the area value obtained for each cell region by the individual area acquisition unit to create a scatter plot showing the relationship between the optical thickness value and area value of each cell in the observation range.

第4項に記載の細胞の評価方法、及び第11項に記載の細胞解析装置によれば、細胞集団に含まれる個々の細胞の厚みと大きさとの関係を視覚的に把握することが可能となる。 The cell evaluation method described in paragraph 4 and the cell analysis device described in paragraph 11 make it possible to visually grasp the relationship between the thickness and size of individual cells contained in a cell population.

(第5項)第4項に記載の細胞の評価方法において、前記評価指標算出ステップでは、前記散布図から点の密集度合を2次元的に示すヒートマップを作成するものとすることができる。 (5) In the cell evaluation method described in 4, the evaluation index calculation step may involve creating a heat map from the scatter plot that shows the density of points in two dimensions.

(第12項)第11項に記載の細胞解析装置において、前記評価指標算出部は、前記散布図から点の密集度合を2次元的に示すヒートマップを作成するものとすることができる。 (Item 12) In the cell analysis device described in Item 11, the evaluation index calculation unit may create a heat map that two-dimensionally shows the density of points from the scatter plot.

第5項に記載の細胞の評価方法、及び第12項に記載の細胞解析装置によれば、細胞集団に含まれる個々の細胞の厚みと大きさとの関係の片寄り具合などを、より的確に把握することが可能となる。 The cell evaluation method described in paragraph 5 and the cell analysis device described in paragraph 12 make it possible to more accurately grasp the degree of imbalance in the relationship between the thickness and size of individual cells contained in a cell population.

(第6項)第1項~第5項のいずれか1項に記載の細胞の評価方法では、
前記位相像から画素毎の空間的な微分値を求め微分画像を作成する微分画像作成ステップと、
前記微分画像において目的細胞に対応する範囲に含まれる各画素の信号値の出現頻度分布を示すヒストグラムを作成し、該ヒストグラムに現れるピークの高信号値側のスロープの勾配の程度を数値化した指標値を算出する第2の指標値算出ステップと、
をさらに有するものとすることができる。
(Item 6) In the method for evaluating a cell according to any one of Items 1 to 5,
a differential image creating step of calculating a spatial differential value for each pixel from the phase image to create a differential image;
a second index value calculation step of creating a histogram showing an appearance frequency distribution of signal values of each pixel included in a range corresponding to the target cell in the differential image, and calculating an index value that quantifies the gradient of a slope on the high signal value side of a peak appearing in the histogram;
The above structure may further include:

(第13項)また第8項~第12項のいずれか1項に記載の細胞解析装置では、
前記位相像から画素毎の空間的な微分値を求め微分画像を作成する微分画像作成部と、
前記微分画像において目的細胞に対応する範囲に含まれる各画素の信号値の出現頻度分布を示すヒストグラムを作成し、該ヒストグラムに現れるピークの高信号値側のスロープの勾配の程度を数値化した指標値を算出する第2の指標値算出部と、をさらに備えるものとすることができる。
(Item 13) In addition, in the cell analysis device according to any one of Items 8 to 12,
a differential image creating unit that calculates a spatial differential value for each pixel from the phase image and creates a differential image;
The image processing device may further include a second index value calculation unit that creates a histogram showing the frequency distribution of signal values of each pixel included in a range corresponding to a target cell in the differential image, and calculates an index value that quantifies the gradient of the slope on the high signal value side of a peak appearing in the histogram.

第6項に記載の細胞の評価方法、及び第13項に記載の細胞解析装置によれば、細胞集団における細胞の厚さや大きさの指標値のほかに、細胞の外周部の厚み方向の勾配度合を表す指標値も併せてユーザーに提供することができる。それにより、細胞の形態について、さらに多面的に評価することが可能となる。 The cell evaluation method described in paragraph 6 and the cell analysis device described in paragraph 13 can provide the user with index values representing the thickness and size of cells in a cell population, as well as index values representing the gradient of the thickness of the outer periphery of the cells. This enables more multifaceted evaluation of cell morphology.

(第7項)第1項~第6項のいずれか1項に記載の細胞の評価方法において、前記位相像取得ステップでは、その値が所定の位相範囲を超えたために反転した画素の値を補正する補正処理を行うことで位相像を取得するものとすることができる。 (Item 7) In the cell evaluation method described in any one of Items 1 to 6, the phase image acquisition step can acquire a phase image by performing a correction process to correct pixel values that have been inverted because their values exceed a predetermined phase range.

(第14項)また第8項~第13項のいずれか1項に記載の細胞解析装置において、前記位相像作成部は、その値が所定の位相範囲を超えたために反転した画素の値を補正する補正処理を行うことで位相像を取得するものとすることができる。 (Item 14) In the cell analysis device described in any one of Items 8 to 13, the phase image creation unit can acquire a phase image by performing a correction process to correct pixel values that have been inverted because their values exceed a predetermined phase range.

第7項に記載の細胞の評価方法、及び第14項に記載の細胞解析装置によれば、細胞の厚さが厚く、ホログラフィック顕微鏡で観察可能な光学厚みの位相範囲を超えてしまうような場合であっても、補正処理によって適切な画素値を求め、細胞の厚みを評価することができる。 The cell evaluation method described in paragraph 7 and the cell analysis device described in paragraph 14 make it possible to obtain appropriate pixel values through correction processing and evaluate the thickness of a cell, even when the cell is so thick that it exceeds the phase range of the optical thickness observable with a holographic microscope.

1…顕微観察部
10…光源部
11…イメージセンサー
12…培養プレート
12a…ウェル
13…細胞
14…参照光
15…物体光
2…制御・処理部
20…撮影制御部
21…ホログラムデータ記憶部
22…位相情報算出部
23…画像再構成部
24…位相反転補正部
25…細胞領域抽出部
26…光学厚み/面積算出部
27…評価指標算出部
28…表示処理部
3…入力部
4…表示部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1...Microscopic observation section 10...Light source section 11...Image sensor 12...Culture plate 12a...Well 13...Cell 14...Reference light 15...Object light 2...Control/processing section 20...Photography control section 21...Hologram data storage section 22...Phase information calculation section 23...Image reconstruction section 24...Phase inversion correction section 25...Cell region extraction section 26...Optical thickness/area calculation section 27...Evaluation index calculation section 28...Display processing section 3...Input section 4...Display section

Claims (10)

ホログラフィック顕微鏡を用いて容器内の細胞の集団に対する撮影を行い、所定の観察範囲についての位相像を取得する位相像取得ステップと、
前記位相像において個々の細胞領域を抽出する細胞領域抽出ステップと、
前記位相像において前記細胞領域毎に光学厚みの代表値をそれぞれ求める個別光学厚み取得ステップと、
前記細胞領域抽出ステップで抽出された前記細胞領域毎に面積をそれぞれ算出する個別面積取得ステップと、
前記個別光学厚み取得ステップにおいて細胞領域毎に得られた光学厚みの代表値から前記観察範囲における細胞の光学厚みの頻度分布を作成し、該頻度分布を用いて、前記観察範囲に存在する細胞の集団についての細胞厚みの評価指標として該観察範囲における細胞数に対する所定の光学厚みの範囲に含まれる細胞数の割合を求めるとともに、前記個別面積取得ステップにおいて細胞領域毎に得られた面積値から前記観察範囲における細胞の面積値の頻度分布を作成し、該頻度分布を用いて該観察範囲に存在する細胞集団についての細胞面積の評価指標を求める評価指標算出ステップと、
を有し、前記細胞厚みの評価指標及び前記細胞面積の評価指標に基いて前記細胞の集団を評価する細胞の評価方法。
a phase image acquisition step of capturing an image of a group of cells in a container using a holographic microscope to acquire a phase image of a predetermined observation range;
a cell region extraction step of extracting individual cell regions from the phase image;
an individual optical thickness acquisition step of calculating a representative value of the optical thickness for each of the cellular regions in the phase image;
an individual area acquisition step of calculating an area for each of the cell regions extracted in the cell region extraction step;
an evaluation index calculation step of creating a frequency distribution of the optical thickness of cells in the observation range from the representative value of the optical thickness obtained for each cell region in the individual optical thickness acquisition step, and using the frequency distribution to determine the ratio of the number of cells included in a predetermined range of optical thickness to the number of cells in the observation range as an evaluation index of cell thickness for a group of cells present in the observation range, and creating a frequency distribution of the area values of cells in the observation range from the area values obtained for each cell region in the individual area acquisition step, and using the frequency distribution to determine an evaluation index of cell area for a group of cells present in the observation range;
The cell evaluation method comprises: evaluating the cell population based on the evaluation index for cell thickness and the evaluation index for cell area.
記評価指標算出ステップでは、前記個別光学厚み取得ステップにおいて細胞領域毎に得られた光学厚み値と、前記個別面積取得ステップにおいて細胞領域毎に得られた面積値と、を用い、前記観察範囲における個々の細胞の光学厚み値と面積値との関係を示す散布図、を作成する、請求項1に記載の細胞の評価方法。 2. The cell evaluation method according to claim 1, wherein the evaluation index calculation step uses the optical thickness value obtained for each cell region in the individual optical thickness acquisition step and the area value obtained for each cell region in the individual area acquisition step to create a scatter plot showing the relationship between the optical thickness value and the area value of each cell in the observation range. 前記評価指標算出ステップでは、前記散布図から点の密集度合を2次元的に示すヒートマップを作成する、請求項に記載の細胞の評価方法。 The cell evaluation method according to claim 2 , wherein the evaluation index calculation step creates a heat map that two-dimensionally shows the density of points from the scatter diagram. 前記位相像から画素毎の空間的な微分値を求め微分画像を作成する微分画像作成ステップと、
前記微分画像において目的細胞に対応する範囲に含まれる各画素の信号値の出現頻度分布を示すヒストグラムを作成し、該ヒストグラムに現れるピークの高信号値側のスロープの勾配の程度を数値化した指標値を算出する第2の指標値算出ステップと、
をさらに有する、請求項1~のいずれか1項に記載の細胞の評価方法。
a differential image creating step of calculating a spatial differential value for each pixel from the phase image to create a differential image;
a second index value calculation step of creating a histogram showing an appearance frequency distribution of signal values of each pixel included in a range corresponding to the target cell in the differential image, and calculating an index value that quantifies the gradient of a slope on the high signal value side of a peak appearing in the histogram;
The method for evaluating a cell according to any one of claims 1 to 3 , further comprising:
前記位相像取得ステップでは、その値が所定の位相範囲を超えたために反転した画素の値を補正する補正処理を行うことで位相像を取得する、請求項1~のいずれか1項に記載の細胞の評価方法。 The cell evaluation method according to any one of claims 1 to 4 , wherein in the phase image acquisition step, a phase image is acquired by performing a correction process to correct pixel values that have been inverted because their values have exceeded a predetermined phase range. ホログラフィック顕微鏡である観察部と、
容器内の細胞の集団に対し前記観察部により得られたホログラムデータに基づく画像再構成処理を行い、所定の観察範囲についての位相像を作成する位相像作成部と、
前記位相像において個々の細胞領域を抽出する細胞領域抽出部と、
前記位相像において前記細胞領域毎に光学厚みの代表値をそれぞれ求める個別光学厚み取得部と、
前記細胞領域抽出部で抽出された前記細胞領域毎に面積をそれぞれ算出する個別面積取得部と、
前記個別光学厚み取得部で細胞領域毎に得られた光学厚みの代表値から前記観察範囲における細胞の光学厚みの頻度分布を作成し、該頻度分布を用いて、前記観察範囲に存在する細胞の集団についての細胞厚みの評価指標として該観察範囲における細胞数に対する所定の光学厚みの範囲に含まれる細胞数の割合を求めるとともに、前記個別面積取得部で細胞領域毎に得られた面積値から前記観察範囲における細胞の面積値の頻度分布を作成し、該頻度分布を用いて該観察範囲に存在する細胞集団についての細胞面積の評価指標を求める評価指標算出部と、
を備える細胞解析装置。
an observation unit which is a holographic microscope;
a phase image generating unit that performs image reconstruction processing on the cell population in the container based on the hologram data obtained by the observation unit, and generates a phase image for a predetermined observation range;
a cell region extraction unit that extracts individual cell regions from the phase image;
an individual optical thickness acquisition unit that calculates a representative value of the optical thickness for each of the cellular regions in the phase image;
an individual area acquisition unit that calculates an area for each of the cellular regions extracted by the cellular region extraction unit;
an evaluation index calculation unit that creates a frequency distribution of the optical thickness of cells in the observation range from the representative value of the optical thickness obtained for each cell region by the individual optical thickness acquisition unit, and uses the frequency distribution to determine the ratio of the number of cells included in a predetermined range of optical thickness to the number of cells in the observation range as an evaluation index of cell thickness for a group of cells present in the observation range, and creates a frequency distribution of the area values of cells in the observation range from the area values obtained for each cell region by the individual area acquisition unit, and uses the frequency distribution to determine an evaluation index of cell area for a group of cells present in the observation range;
A cell analysis device comprising:
記評価指標算出部は、前記個別光学厚み取得部で細胞領域毎に得られた光学厚み値と、前記個別面積取得部で細胞領域毎に得られた面積値と、を用い、前記観察範囲における個々の細胞の光学厚み値と面積値との関係を示す散布図、を作成する、請求項に記載の細胞解析装置。 7. The cell analysis device according to claim 6 , wherein the evaluation index calculation unit uses the optical thickness value obtained for each cell region by the individual optical thickness acquisition unit and the area value obtained for each cell region by the individual area acquisition unit to create a scatter plot showing the relationship between the optical thickness value and the area value of each cell in the observation range . 前記評価指標算出部は、前記散布図から点の密集度合を2次元的に示すヒートマップを作成する、請求項に記載の細胞解析装置。 The cell analysis device according to claim 7 , wherein the evaluation index calculation unit creates a heat map that two-dimensionally indicates the density of points from the scatter diagram. 前記位相像から画素毎の空間的な微分値を求め微分画像を作成する微分画像作成部と、
前記微分画像において目的細胞に対応する範囲に含まれる各画素の信号値の出現頻度分布を示すヒストグラムを作成し、該ヒストグラムに現れるピークの高信号値側のスロープの勾配の程度を数値化した指標値を算出する第2の指標値算出部と、をさらに備える、請求項6~8のいずれか1項に記載の細胞解析装置。
a differential image creating unit that calculates a spatial differential value for each pixel from the phase image and creates a differential image;
The cell analysis device according to any one of claims 6 to 8, further comprising: a second index value calculation unit that creates a histogram showing an appearance frequency distribution of signal values of each pixel included in a range corresponding to a target cell in the differential image, and calculates an index value that quantifies the gradient of a slope on a high signal value side of a peak appearing in the histogram.
前記位相像作成部は、その値が所定の位相範囲を超えたために反転した画素の値を補正する補正処理を行うことで位相像を取得する、請求項6~9のいずれか1項に記載の細胞解析装置。 The cell analysis device according to any one of claims 6 to 9, wherein the phase image creation unit acquires a phase image by performing a correction process to correct pixel values that have been inverted because their values have exceeded a predetermined phase range.
JP2021101351A 2020-06-19 2021-06-18 Cell evaluation method and cell analysis device Active JP7738845B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020106390 2020-06-19
JP2020106390 2020-06-19

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2022001040A JP2022001040A (en) 2022-01-06
JP2022001040A5 JP2022001040A5 (en) 2023-10-03
JP7738845B2 true JP7738845B2 (en) 2025-09-16

Family

ID=79244640

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021101351A Active JP7738845B2 (en) 2020-06-19 2021-06-18 Cell evaluation method and cell analysis device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7738845B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023195491A1 (en) * 2022-04-06 2023-10-12 富士フイルム株式会社 Image capture system and culture condition adjustment method
WO2023248954A1 (en) * 2022-06-24 2023-12-28 ソニーグループ株式会社 Biological specimen observation system, biological specimen observation method, and dataset creation method
CN117764940B (en) * 2023-12-19 2024-11-05 珠海圣美生物诊断技术有限公司 Microscope state detection method, device, computer equipment and storage medium

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011010449A1 (en) 2009-07-21 2011-01-27 国立大学法人京都大学 Image processing device, culture observation apparatus, and image processing method
JP2015146747A (en) 2014-02-05 2015-08-20 浜松ホトニクス株式会社 Cell determination method
WO2016088243A1 (en) 2014-12-05 2016-06-09 株式会社ニコン Determination device, observation system, observation method, program for same, method for manufacturing cell, and cell
WO2020105534A1 (en) 2018-11-22 2020-05-28 株式会社島津製作所 Consecutive approximation calculation method, consecutive approximation calculation device, and program

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011010449A1 (en) 2009-07-21 2011-01-27 国立大学法人京都大学 Image processing device, culture observation apparatus, and image processing method
JP2015146747A (en) 2014-02-05 2015-08-20 浜松ホトニクス株式会社 Cell determination method
WO2016088243A1 (en) 2014-12-05 2016-06-09 株式会社ニコン Determination device, observation system, observation method, program for same, method for manufacturing cell, and cell
WO2020105534A1 (en) 2018-11-22 2020-05-28 株式会社島津製作所 Consecutive approximation calculation method, consecutive approximation calculation device, and program

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Biomed. Opt. Express,2018年,Vol. 9, No. 6,pp.2779-2784

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022001040A (en) 2022-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Automated evaluation of tumor spheroid behavior in 3D culture using deep learning-based recognition
JP7738845B2 (en) Cell evaluation method and cell analysis device
US10025271B2 (en) Method and system for detecting and/or classifying cancerous cells in a cell sample
Aknoun et al. Living cell dry mass measurement using quantitative phase imaging with quadriwave lateral shearing interferometry: an accuracy and sensitivity discussion
Quinn et al. Rapid quantification of pixel-wise fiber orientation data in micrographs
US11080830B2 (en) Systems and methods for segmentation and analysis of 3D images
CN109564617A (en) The method of characterization and imaging micro-object
KR20180011762A (en) Particle analysis method
JP2017102032A (en) Optical measurement method and optical measurement device
JP2014029287A (en) Device, method and program for detecting necrotic cell region
JP6873390B2 (en) Cell analysis method and cell analysis device
Opstad et al. Fluorescence fluctuations-based super-resolution microscopy techniques: an experimental comparative study
WO2020188813A1 (en) Cell analysis device
KR102209721B1 (en) Methods and apparatus for analyzing single cell motility
Chang et al. Segmentation of nucleus and cytoplasm of a single cell in three-dimensional tomogram using optical coherence tomography
Lin et al. Morphometric analysis of erythrocytes from patients with thalassemia using tomographic diffractive microscopy
Xie et al. Image processing based modeling for Rosa roxburghii fruits mass and volume estimation
JP7630131B2 (en) Method for evaluating cell function and cell analysis device
Brookes Morphometry of organ cultured corneal endothelium using Voronoi segmentation
JP2012185143A (en) Method and apparatus for evaluating tube formation test by image analysis
JP7147982B2 (en) Three-dimensional cell shape evaluation method and cell observation device
Hosseini et al. Single camera estimation of microswimmer depth with a convolutional network
Valerio Automated Algorithm for Optical Coherence Tomography (OCT) Images of 3D Spheroids
JP6832970B2 (en) Cell colony detectors and methods and programs
Lam et al. Digital Holographic Microscopy for Phenotypic Profiling of Adherent Cells

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230922

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230922

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240820

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240904

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20241004

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20250204

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20250415

RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7426

Effective date: 20250422

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20250422

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250819

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250826

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7738845

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150