JP7812832B2 - Imaging System - Google Patents
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Description
本開示の技術は、撮像装置、情報処理装置、イメージングシステム、及び観察方法に関する。 The technology disclosed herein relates to an imaging device, an information processing device, an imaging system, and an observation method.
近年、不妊治療の需要が高まっている。体外受精の処置がなされた受精卵の培養には、受精卵用のインキュベータが用いられている。インキュベータで培養された受精卵(胚)は、胚移植又は凍結される。なお、胚とは、分裂状態にある受精卵を指す。 In recent years, the demand for infertility treatment has increased. Fertilized egg incubators are used to culture fertilized eggs that have undergone in vitro fertilization. Fertilized eggs (embryos) cultured in the incubator are then either transferred or frozen. An embryo is a fertilized egg that is in a dividing state.
従来、培養中の受精卵を観察するには、インキュベータから受精卵が入った培養ディッシュ(トレイともいう。)を取り出した後、顕微鏡で観察する必要があった。インキュベータから培養ディッシュを取り出すと、温度変化などにより受精卵にストレスが加わることが問題となっていた。Previously, to observe fertilized eggs during cultivation, it was necessary to remove the culture dish (also called a tray) containing the fertilized eggs from the incubator and then observe them under a microscope. Removing the culture dish from the incubator caused stress to the fertilized eggs due to temperature changes, which was a problem.
そこで、特開2018-093795号公報において、培養ディッシュを取り出さずに培養中の受精卵を観察することを可能とするインキュベータが提案されている。特開2018-093795号公報に記載のインキュベータは、複数の培養ディッシュを培養環境に保持する培養部と、培養部に保持された培養ディッシュに対応して設けられた撮像部とを含む。特開2018-093795号公報に記載のように、受精卵を培養ディッシュで培養しながら、培養ディッシュを培養部から取り出さずに受精卵を観察することを可能とするインキュベータは、タイムラプスインキュベータと呼ばれている。 In response to this, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-093795 proposes an incubator that allows for the observation of fertilized eggs being cultured without removing the culture dish. The incubator described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-093795 includes a culture unit that holds multiple culture dishes in a culture environment, and an imaging unit that corresponds to the culture dishes held in the culture unit. As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-093795, an incubator that allows for the observation of fertilized eggs while culturing them in the culture dish without removing the culture dish from the culture unit is called a time-lapse incubator.
また、特開2018-093795号公報に記載の撮像部は、レンズを有する光学カメラであるので、レンズを光軸に沿って移動させることにより焦点調節が行われている。人の卵子は、ほぼ球状であって、直径は100~150μm程度である。卵子の受精を判断する際に手がかりとなる前核等の存在位置が卵子のいずれの位置に存在するかは分からない。このため、特開2018-093795号公報に記載の撮像部は、焦点位置が異なる画像を複数撮像している。 Furthermore, the imaging unit described in JP 2018-093795 A is an optical camera with a lens, and focus adjustment is performed by moving the lens along the optical axis. Human eggs are approximately spherical, with a diameter of approximately 100 to 150 μm. It is not known where in the egg the pronucleus, which provides clues for determining egg fertilization, is located. For this reason, the imaging unit described in JP 2018-093795 A captures multiple images with different focus positions.
しかしながら、特開2018-093795号公報に記載のようなタイムラプスインキュベータは、培養部に撮像部が組み込まれた一体型の装置であるため高価である。このようなタイムラプスインキュベータは、規模の小さいクリニック等では導入が難しいことが課題となっている。また、特開2018-093795号公報に記載のインキュベータでは、撮像部として光学カメラが用いられているため、焦点調整が難しいといった課題がある。However, time-lapse incubators such as those described in JP 2018-093795 A are expensive because they are all-in-one devices with an imaging unit built into the culture unit. This type of time-lapse incubator presents a challenge as it is difficult to introduce into small-scale clinics. Furthermore, the incubator described in JP 2018-093795 A uses an optical camera as the imaging unit, which presents a challenge in that it is difficult to adjust the focus.
本開示の技術は、受精卵用のインキュベータに用いることが可能であって、安価でかつ焦点調節が不要である撮像装置、情報処理装置、イメージングシステム、及び観察方法を提供することを目的とする。 The technology disclosed herein aims to provide an imaging device, information processing device, imaging system, and observation method that can be used in an incubator for fertilized eggs, are inexpensive, and do not require focus adjustment.
上記目的を達成するために、本開示の撮像装置は、光源及び撮像センサを備え、培養容器内に播種された受精卵を撮像することにより干渉縞像を含む画像データを生成する撮像装置であって、受精卵用のインキュベータに設けられた培養室に出し入れ可能である。 In order to achieve the above-mentioned objective, the imaging device disclosed herein is an imaging device that includes a light source and an imaging sensor, and generates image data including interference fringe images by capturing images of fertilized eggs seeded in a culture container, and is capable of being inserted into and removed from a culture chamber provided in an incubator for fertilized eggs.
高さを調整可能とする高さ調整機構を備えることが好ましい。 It is preferable to have a height adjustment mechanism that allows the height to be adjusted.
光源を支持する支柱を備え、高さ調整機構は、支柱の長さを変更可能とすることが好ましい。 It is preferable that the device is provided with a support pillar to support the light source, and the height adjustment mechanism allows the length of the support pillar to be changed.
高さが10cm未満であることが好ましい。 It is preferable that the height is less than 10 cm.
インキュベータには、培養室が複数設けられており、培養室の各々に出し入れ可能であることが好ましい。 It is preferable that the incubator has multiple culture chambers and that it is possible to enter and exit each of the culture chambers.
画像データを、無線送信する通信部を備えることが好ましい。 It is preferable to have a communication unit that transmits image data wirelessly.
本開示の情報処理装置は、上記撮像装置から送信された画像データを受信し、受信した画像データに基づいて再構成処理を行うことにより、任意の焦点位置における再構成画像を生成することを可能とする。 The information processing device disclosed herein receives image data transmitted from the imaging device and performs reconstruction processing based on the received image data, thereby enabling the generation of a reconstructed image at any focal position.
情報処理装置は、培養室に収容された撮像装置から定期的に送信される画像データを受信し、画像データを受信するたびに再構成処理を行い、再構成処理により生成した再構成画像をディスプレイに表示させることが好ましい。 It is preferable that the information processing device receives image data transmitted periodically from the imaging device housed in the culture chamber, performs reconstruction processing each time image data is received, and displays the reconstructed image generated by the reconstruction processing on the display.
光源は、複数の発光点を有し、撮像装置は、発光点を順に発光させながら複数回の撮像動作を行うことにより、複数の画像データを生成することが好ましい。 It is preferable that the light source has multiple light-emitting points, and the imaging device generates multiple image data by performing multiple imaging operations while illuminating the light-emitting points in sequence.
複数の画像データに基づいて高解像度の画像データを生成し、生成した高解像度の画像データに基づいて再構成処理を行うことが好ましい。 It is preferable to generate high-resolution image data based on multiple image data and perform reconstruction processing based on the generated high-resolution image data.
本開示のイメージングシステムは、光源及び撮像センサを有し、培養容器内に播種された受精卵を撮像することにより干渉縞像を含む画像データを生成する撮像装置を備えたインキュベータと、画像データに基づいて再構成処理を行うことにより、任意の焦点位置における再構成画像を生成する情報処理装置とを備える。 The imaging system disclosed herein comprises an incubator equipped with an imaging device having a light source and an imaging sensor that generates image data including an interference fringe image by capturing an image of a fertilized egg seeded in a culture vessel, and an information processing device that generates a reconstructed image at any focal position by performing reconstruction processing based on the image data.
情報処理装置は、撮像装置が画像データを生成するたびに再構成処理を行い、再構成処理により生成した再構成画像をディスプレイに表示させることが好ましい。 It is preferable that the information processing device performs reconstruction processing each time the imaging device generates image data, and displays the reconstructed image generated by the reconstruction processing on a display.
インキュベータは、培養容器を収容する培養室と、培養室を気密状態とするための蓋とを有し、光源は、蓋に設けられていることが好ましい。 The incubator has a culture chamber that houses the culture vessel and a lid that keeps the culture chamber airtight, and it is preferable that the light source be provided on the lid.
撮像センサは、培養容器が載置される培養室の底部に設けられていることが好ましい。 It is preferable that the imaging sensor be located at the bottom of the culture chamber in which the culture vessel is placed.
光源は、複数の発光点を有し、撮像装置は、発光点を順に発光させながら複数回の撮像動作を行うことにより、複数の画像データを生成することが好ましい。 It is preferable that the light source has multiple light-emitting points, and the imaging device generates multiple image data by performing multiple imaging operations while illuminating the light-emitting points in sequence.
情報処理装置は、複数の画像データに基づいて高解像度の画像データを生成し、生成した高解像度の画像データに基づいて再構成処理を行うことが好ましい。 It is preferable that the information processing device generates high-resolution image data based on multiple image data and performs reconstruction processing based on the generated high-resolution image data.
本開示の観察方法は、培養容器内に播種された受精卵を撮像することにより干渉縞像を含む画像データを生成し、生成した画像データに基づいて再構成処理を行うことにより、任意の焦点位置における再構成画像を生成することにより、受精卵を観察する観察方法であって、受精卵の直径は、100μm以上200μm未満である。 The observation method disclosed herein is a method for observing fertilized eggs by capturing images of fertilized eggs seeded in a culture vessel to generate image data including an interference fringe image, and then performing reconstruction processing based on the generated image data to generate a reconstructed image at an arbitrary focal position, wherein the diameter of the fertilized eggs is greater than or equal to 100 μm and less than 200 μm.
受精卵は、培養容器に滴下された培養液中に浮遊しており、培養液の高さは、1mm以上20mm未満であることが好ましい。 The fertilized eggs are suspended in culture medium dropped into the culture vessel, and it is preferable that the height of the culture medium is at least 1 mm but less than 20 mm.
本開示の技術によれば、受精卵用のインキュベータに用いることが可能であって、安価でかつ焦点調節が不要である撮像装置及び情報処理装置を提供することができる。 The technology disclosed herein makes it possible to provide an imaging device and information processing device that can be used in an incubator for fertilized eggs, is inexpensive, and does not require focus adjustment.
添付図面に従って本開示の技術に係る実施形態の一例について説明する。 An example of an embodiment of the technology disclosed herein is described with reference to the accompanying drawings.
図1は、撮像装置の一例を示す。撮像装置10は、光源11、撮像センサ12、支柱13、基台14、及びステージ15を有する。光源11は、例えばレーザーダイオードである。撮像装置10は、光学レンズを用いずに観察対象物を撮像する、いわゆるレンズフリーイメージングを行う。 Figure 1 shows an example of an imaging device. The imaging device 10 has a light source 11, an imaging sensor 12, a support 13, a base 14, and a stage 15. The light source 11 is, for example, a laser diode. The imaging device 10 performs so-called lens-free imaging, which captures an image of an object being observed without using an optical lens.
光源11は、発光ダイオードとピンホールとを組み合わせて構成されたものであってもよい。光源11は、放射状の照明光16を、ステージ15に向けて出射する。照明光16は、コヒーレントな光である。照明光16の波長は、640nm、780nm等である。 The light source 11 may be configured by combining a light-emitting diode and a pinhole. The light source 11 emits radial illumination light 16 toward the stage 15. The illumination light 16 is coherent light. The wavelength of the illumination light 16 is 640 nm, 780 nm, etc.
光源11は、ほぼL字状の支柱13の一端に接続されている。支柱13の他端は、基台14に接続されている。基台14は、平板状であって、ほぼ中央にステージ15が設けられている。ステージ15には、受精卵を培養するための培養容器20が載置される凹状の載置部15Aが設けられている。支柱13は、光源11が撮像センサ12の撮像面12Aに対向するように、光源11を支持している。 The light source 11 is connected to one end of a substantially L-shaped support 13. The other end of the support 13 is connected to a base 14. The base 14 is flat, with a stage 15 provided approximately in the center. The stage 15 is provided with a concave mounting portion 15A on which a culture vessel 20 for culturing fertilized eggs is placed. The support 13 supports the light source 11 so that the light source 11 faces the imaging surface 12A of the image sensor 12.
以下、光源11と撮像面12Aとが対向する方向をZ方向という。Z方向は、照明光16の照射方向でもある。また、Z方向に直交する一方向をX方向という。そして、Z方向及びX方向に直交する方向をY方向という。撮像面12Aは、Z方向に直交し、かつX方向及びY方向に平行である。 Hereinafter, the direction in which the light source 11 and the imaging surface 12A face each other will be referred to as the Z direction. The Z direction is also the direction of irradiation of the illumination light 16. The direction perpendicular to the Z direction will be referred to as the X direction. The direction perpendicular to the Z direction and the X direction will be referred to as the Y direction. The imaging surface 12A is perpendicular to the Z direction and parallel to the X and Y directions.
撮像センサ12は、例えば、モノクロのCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型イメージセンサにより構成されている。撮像センサ12の撮像面12A上に培養容器20が載置される。培養容器20は、円筒状の浅い容器であり、培養ディッシュとも称される。培養容器20は、図示しない蓋とともに用いられる。培養容器20は、透明であり、照明光16を透過させる。なお、培養容器20の直径は、30~60mm程度である。培養容器20の厚みは、10~20mm程度である。 The imaging sensor 12 is composed of, for example, a monochrome CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor. The culture vessel 20 is placed on the imaging surface 12A of the imaging sensor 12. The culture vessel 20 is a shallow cylindrical container, also called a culture dish. The culture vessel 20 is used with a lid (not shown). The culture vessel 20 is transparent and allows the illumination light 16 to pass through. The diameter of the culture vessel 20 is approximately 30 to 60 mm. The thickness of the culture vessel 20 is approximately 10 to 20 mm.
培養容器20には、体外受精の処置がなされた受精卵21が播種されている。体外受精の処置には、顕微鏡下で行なわれる顕微授精による処置と、卵子と精子を所定の容器内で一緒にして行なわれる通常の体外受精による処置とが含まれる。培養する受精卵21の受精の手法は問わない。受精卵21は、例えば、人の受精卵である。受精卵21は、ほぼ球形であって、直径は100~200μm程度である。 The culture vessel 20 is seeded with fertilized eggs 21 that have been subjected to in vitro fertilization treatment. IVF treatments include intracytoplasmic sperm injection (ICS) performed under a microscope, and standard in vitro fertilization, in which eggs and sperm are combined in a designated vessel. The method of fertilization of the fertilized eggs 21 to be cultured is not important. The fertilized eggs 21 are, for example, human fertilized eggs. The fertilized eggs 21 are approximately spherical, with a diameter of approximately 100 to 200 μm.
受精卵21は、培養容器20に滴下された培養液22中に浮遊している。培養液22は、培養容器20に充填されたオイル23で覆われている。オイル23は、培養液22の蒸発及びpHの変化を抑制する。なお、分裂状態にある受精卵21は、胚とも称される。本開示における受精卵21には、胚が含まれる。 The fertilized egg 21 is suspended in culture solution 22 that has been dropped into the culture vessel 20. The culture solution 22 is covered with oil 23 that has been filled into the culture vessel 20. The oil 23 prevents evaporation and changes in pH of the culture solution 22. The fertilized egg 21 in a dividing state is also referred to as an embryo. In this disclosure, the fertilized egg 21 includes an embryo.
基台14は、X方向及びY方向に平行な辺を有する平板状の部材である。基台14のX方向への長さをXiとし、Y方向への長さをYiとする。本実施形態では、長さXiは、撮像装置10のX方向への最大の長さであり、長さYiは、撮像装置10のX方向への最大の長さである。 The base 14 is a flat member having sides parallel to the X and Y directions. The length of the base 14 in the X direction is Xi, and the length in the Y direction is Yi. In this embodiment, the length Xi is the maximum length of the imaging device 10 in the X direction, and the length Yi is the maximum length of the imaging device 10 in the X direction.
図2は、培養容器20が載置された撮像装置10の側面図である。図2に示すように、基台14の底面から光源11の上端までの長さをZiとする。本実施形態では、長さZiは、撮像装置10のZ方向への最大の長さである。以下、長さZiを、撮像装置10の高さともいう。すなわち、撮像装置10の大きさは、長さXi、Yi、及びZiにより規定される。 Figure 2 is a side view of the imaging device 10 on which the culture vessel 20 is placed. As shown in Figure 2, the length from the bottom surface of the base 14 to the top end of the light source 11 is designated Zi. In this embodiment, length Zi is the maximum length of the imaging device 10 in the Z direction. Hereinafter, length Zi will also be referred to as the height of the imaging device 10. In other words, the size of the imaging device 10 is determined by lengths Xi, Yi, and Zi.
撮像センサ12は、光源11から出射され、培養容器20を透過した照明光16を検出する。具体的には、培養容器20に、照明光16が入射し、受精卵21で照明光16が回折されることにより、受精卵21の形状及び内部構造が反映された干渉縞像が生じる。干渉縞像は、ホログラム画像とも称される。撮像センサ12は、受精卵21により生成される干渉縞像を撮像する。 The imaging sensor 12 detects the illumination light 16 emitted from the light source 11 and transmitted through the culture vessel 20. Specifically, the illumination light 16 enters the culture vessel 20 and is diffracted by the fertilized egg 21, generating an interference fringe image that reflects the shape and internal structure of the fertilized egg 21. The interference fringe image is also called a hologram image. The imaging sensor 12 captures the interference fringe image generated by the fertilized egg 21.
図3は、撮像センサ12の構成の一例を示す。撮像センサ12は、撮像面12Aに配置された複数の画素12Bを有する。画素12Bは、入射光を光電変換することにより、入射光量に応じた画素信号を出力する光電変換素子である。 Figure 3 shows an example of the configuration of the image sensor 12. The image sensor 12 has a plurality of pixels 12B arranged on the imaging surface 12A. The pixels 12B are photoelectric conversion elements that convert incident light photoelectrically and output pixel signals corresponding to the amount of incident light.
画素12Bは、X方向及びY方向に沿って等ピッチで配列されている。画素12Bの配列は、いわゆる正方配列である。なお、X方向は、Z方向に直交する方向である。Y方向は、X方向及びZ方向に直交する方向である。画素12Bは、X方向に第1配列ピッチΔxで配列されており、かつ、Y方向に第2配列ピッチΔyで配列されている。 The pixels 12B are arranged at equal pitches along the X and Y directions. The arrangement of the pixels 12B is a so-called square arrangement. The X direction is perpendicular to the Z direction. The Y direction is perpendicular to the X and Z directions. The pixels 12B are arranged at a first arrangement pitch Δx in the X direction and at a second arrangement pitch Δy in the Y direction.
撮像センサ12は、撮像面12Aに入射する光を撮像し、画素12Bの各々から出力される画素信号により構成される画像データを出力する。 The image sensor 12 captures light incident on the imaging surface 12A and outputs image data composed of pixel signals output from each of the pixels 12B.
図4は、受精卵21に照明光16が入射することにより干渉縞像が生成される様子を示す。培養容器20に入射した照明光16は、一部が受精卵21によって回折される。すなわち、照明光16は、受精卵21によって回折される回折光30と、受精卵21によって回折されず、培養容器20を透過する透過光31とに分かれる。透過光31は球面波あるいは平面波である。回折光30及び透過光31は、培養容器20の底面を透過して、撮像センサ12の撮像面12Aに入射する。 Figure 4 shows how an interference fringe image is generated when illumination light 16 is incident on a fertilized egg 21. Part of the illumination light 16 incident on the culture vessel 20 is diffracted by the fertilized egg 21. That is, the illumination light 16 is split into diffracted light 30, which is diffracted by the fertilized egg 21, and transmitted light 31, which is not diffracted by the fertilized egg 21 and passes through the culture vessel 20. The transmitted light 31 is a spherical wave or a plane wave. The diffracted light 30 and transmitted light 31 pass through the bottom surface of the culture vessel 20 and are incident on the imaging surface 12A of the image sensor 12.
回折光30と透過光31とは、互いに干渉することにより、干渉縞像33を生成する。干渉縞像33は、明部36及び暗部38により構成される。図4では、干渉縞像33は、明部36及び暗部38をそれぞれ円形として図示しているが、干渉縞像33の形状は、受精卵21の形状及び内部構造に応じて変化する。撮像センサ12は、撮像面12Aに形成された干渉縞像33を含む光像を撮像し、干渉縞像33を含む画像データを出力する。 The diffracted light 30 and the transmitted light 31 interfere with each other to generate an interference fringe image 33. The interference fringe image 33 is composed of bright areas 36 and dark areas 38. In Figure 4, the bright areas 36 and dark areas 38 of the interference fringe image 33 are each illustrated as being circular, but the shape of the interference fringe image 33 changes depending on the shape and internal structure of the fertilized egg 21. The imaging sensor 12 captures a light image including the interference fringe image 33 formed on the imaging surface 12A and outputs image data including the interference fringe image 33.
図5は、タイムラプスイメージングシステムの構成の一例を示す。図5に示すように、タイムラプスイメージングシステム2には、撮像装置10、インキュベータ40、及び情報処理装置50が含まれる。インキュベータ40は、受精卵用のマルチルームインキュベータであり、胚培養装置とも称される。受精卵21は、インキュベータ40内で所定の期間(例えば、7日間)培養される。 Figure 5 shows an example of the configuration of a time-lapse imaging system. As shown in Figure 5, the time-lapse imaging system 2 includes an imaging device 10, an incubator 40, and an information processing device 50. The incubator 40 is a multi-room incubator for fertilized eggs, and is also called an embryo culture device. The fertilized eggs 21 are cultured in the incubator 40 for a predetermined period of time (e.g., 7 days).
インキュベータ40は、受精卵以外の細胞を培養するための一般的なインキュベータのように1つの培養室を有するものではなく、複数の培養室41を有する。これは、培養室41の各々に撮像装置10を収容することで、受精卵21を他人の受精卵21と取り違えることのないよう個別に管理するためである。培養室41は、培養チャンバとも称される。なお、図5に示すインキュベータ40には、2つの培養室41が設けられているが、培養室41の数はこれには限定されず、適宜変更可能である。 The incubator 40 does not have a single culture chamber like a typical incubator for culturing cells other than fertilized eggs, but has multiple culture chambers 41. This is because each culture chamber 41 houses an imaging device 10, allowing for individual management of fertilized eggs 21 to prevent them from being mistaken for someone else's fertilized eggs 21. The culture chambers 41 are also referred to as culture chambers. Note that while the incubator 40 shown in Figure 5 has two culture chambers 41, the number of culture chambers 41 is not limited to this and can be changed as appropriate.
培養室41の各々には、開閉式の蓋42が設けられている。インキュベータ40には、培養室41ごとに、蓋42を開閉するためのスイッチ43が設けられている。ユーザがスイッチ43を操作することにより、図示しない駆動機構によって蓋42が開閉動作を行う。なお、蓋42は、手動で開閉する構成であってもよい。培養室41は、蓋42が閉じると、気密状態に保たれる。 Each culture chamber 41 is provided with an openable/closable lid 42. The incubator 40 is provided with a switch 43 for opening and closing the lid 42 for each culture chamber 41. When the user operates the switch 43, the lid 42 is opened and closed by a drive mechanism (not shown). The lid 42 may also be configured to be opened and closed manually. When the lid 42 is closed, the culture chamber 41 is kept airtight.
培養室41には、図示しない外部のガスボンベから二酸化炭素(CO2)ガス、及び窒素(N2)ガスと、外気(空気)とを混合した混合ガスが、HEPAフィルタ(High Efficiency Particulate Air Filter)を介して供給される。また、培養室41の側面及び底面には、図示しないヒータが設けられている。培養室41は、混合ガスの濃度、温度、及び湿度が一定となるように制御されることで、培養環境が一定に保たれる。 A mixed gas of carbon dioxide (CO 2 ) gas, nitrogen (N 2 ) gas, and outside air (air) is supplied from an external gas cylinder (not shown) to the culture chamber 41 via a HEPA filter (High Efficiency Particulate Air Filter). Heaters (not shown) are provided on the sides and bottom of the culture chamber 41. The culture chamber 41 maintains a constant culture environment by controlling the concentration, temperature, and humidity of the mixed gas to be constant.
撮像装置10は、培養室41内に出し入れ可能な大きさである。図5に示すように、1つの培養室41には、1つの撮像装置10が挿入される。すなわち、培養容器20が載置された撮像装置10を培養室41内に挿入した状態で、蓋42を閉じることが可能である。これにより、培養室41内で受精卵21を培養しながら、培養室41から培養容器20を取り出すことなく、撮像装置10により受精卵21を撮像することができる。 The imaging device 10 is sized so that it can be inserted and removed from the culture chamber 41. As shown in Figure 5, one imaging device 10 is inserted into one culture chamber 41. In other words, the lid 42 can be closed while the imaging device 10 with the culture container 20 placed on it is inserted into the culture chamber 41. This allows the fertilized egg 21 to be imaged by the imaging device 10 while culturing the fertilized egg 21 in the culture chamber 41, without having to remove the culture container 20 from the culture chamber 41.
例えば、培養室41は、ほぼ直方体形状の空間である。培養室41のX方向への長さをXcとし、Y方向への長さをYcとし、Z方向への長さをZcとする。以下、長さZcを培養室41の高さともいう。受精卵21の培養に用いられる培養容器20の高さは、通常10~20mm程度であるため、培養室41の高さZcは、受精卵以外の細胞を培養するための一般的なインキュベータの培養室の高さよりも低く、例えば10cm未満である。このため、撮像装置10の高さZiは、Zi<Zcの関係を満たし、かつZi<10cmの関係を満たすことが好ましい For example, the culture chamber 41 is a space with a substantially rectangular parallelepiped shape. The length of the culture chamber 41 in the X direction is designated Xc, the length in the Y direction is designated Yc, and the length in the Z direction is designated Zc. Hereinafter, the length Zc is also referred to as the height of the culture chamber 41. Since the height of the culture vessel 20 used to culture the fertilized eggs 21 is typically about 10 to 20 mm, the height Zc of the culture chamber 41 is lower than the height of a culture chamber of a typical incubator used to culture cells other than fertilized eggs, and is, for example, less than 10 cm. For this reason, it is preferable that the height Zi of the imaging device 10 satisfy the relationship Zi<Zc and also satisfy the relationship Zi<10 cm.
また、撮像装置10の長さXi及びYiは、Xi<Xcの関係、及びYi<Ycの関係を満たす。また、撮像装置10の長さXi及びYiは、それぞれ10cm程度である。 Furthermore, the lengths Xi and Yi of the imaging device 10 satisfy the relationships Xi<Xc and Yi<Yc. Furthermore, the lengths Xi and Yi of the imaging device 10 are each approximately 10 cm.
情報処理装置50は、例えば、デスクトップ型のパーソナルコンピュータである。情報処理装置50には、ディスプレイ51、キーボード52、及びマウス53などが接続されている。キーボード52及びマウス53は、ユーザが情報を入力するための入力デバイス54を構成する。入力デバイス54には、タッチパネル等も含まれる。 The information processing device 50 is, for example, a desktop personal computer. A display 51, a keyboard 52, a mouse 53, and the like are connected to the information processing device 50. The keyboard 52 and the mouse 53 constitute an input device 54 through which the user inputs information. The input device 54 also includes a touch panel, etc.
情報処理装置50は、無線通信により、培養室41の各々に収容された撮像装置10との間でデータの授受を行う。撮像装置10は、定期的(例えば、5~15分ごと)に撮像を行う。情報処理装置50は、定期的に撮像装置10から干渉縞像33(図4参照)を含む画像データを受信し、受信した画像データに基づいて再構成処理を行い、再構成処理により生成した再構成画像を表示する。再構成画像は、断層画像とも称される。 The information processing device 50 wirelessly communicates with the imaging devices 10 housed in each of the culture chambers 41 to exchange data. The imaging devices 10 periodically capture images (e.g., every 5 to 15 minutes). The information processing device 50 periodically receives image data including an interference fringe image 33 (see Figure 4) from the imaging devices 10, performs reconstruction processing based on the received image data, and displays the reconstructed image generated by the reconstruction processing. The reconstructed image is also called a tomographic image.
図6は、撮像装置10及び情報処理装置50の内部構成の一例を示す。図6に示すように、撮像装置10は、光源11及び撮像センサ12の他に、プロセッサ60、記憶装置61、通信部62、給電部63、及びバッテリ64を備え、これらはバスライン65を介して相互接続されている。 Figure 6 shows an example of the internal configuration of the imaging device 10 and the information processing device 50. As shown in Figure 6, in addition to the light source 11 and the imaging sensor 12, the imaging device 10 includes a processor 60, a storage device 61, a communication unit 62, a power supply unit 63, and a battery 64, which are interconnected via a bus line 65.
プロセッサ60は、例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array)であり、撮像装置10内の各部の動作を制御する。記憶装置61は、RAM(Random Access Memory)又はフラッシュメモリなどである。記憶装置61は、撮像装置10により生成された画像データ、及び各種データを記憶する。 The processor 60 is, for example, an FPGA (Field Programmable Gate Array) and controls the operation of each component within the imaging device 10. The storage device 61 is, for example, a RAM (Random Access Memory) or flash memory. The storage device 61 stores image data generated by the imaging device 10 and various other data.
通信部62は、情報処理装置50との間で無線通信を行う通信回路である。プロセッサ60は、通信部62を介して、画像データを情報処理装置50に送信する。 The communication unit 62 is a communication circuit that performs wireless communication with the information processing device 50. The processor 60 transmits image data to the information processing device 50 via the communication unit 62.
バッテリ64は、リチウムポリマーバッテリ等の二次電池である。給電部63は、電源回路及び充電制御回路を含む。給電部63は、バッテリ64から供給される電力を、プロセッサ60等に供給する。また、給電部63は、外部から供給される電力によるバッテリ64の充電を制御する。なお、給電部63は、バッテリ64を無線により充電することが可能に構成されていてもよい。 The battery 64 is a secondary battery such as a lithium polymer battery. The power supply unit 63 includes a power supply circuit and a charge control circuit. The power supply unit 63 supplies power from the battery 64 to the processor 60, etc. The power supply unit 63 also controls the charging of the battery 64 using power supplied from an external source. The power supply unit 63 may be configured to be able to charge the battery 64 wirelessly.
情報処理装置50は、プロセッサ55、記憶装置56、及び通信部57を備え、これらはバスライン58を介して相互接続されている。また、バスライン58には、前述のディスプレイ51及び入力デバイス54が接続されている。 The information processing device 50 includes a processor 55, a storage device 56, and a communication unit 57, which are interconnected via a bus line 58. The aforementioned display 51 and input device 54 are also connected to the bus line 58.
プロセッサ55は、例えばCPU(Central Processing Unit)により構成されており、記憶装置56に格納された作動プログラム56A及び各種データを読み出して処理を実行することにより、各種機能を実現する。 The processor 55 is composed of, for example, a CPU (Central Processing Unit) and realizes various functions by reading out the operating program 56A and various data stored in the memory device 56 and executing the processing.
記憶装置56は、例えば、RAM、ROM(Read Only Memory)、又はストレージ装置等を含む。RAMは、例えば、ワークエリア等として用いられる揮発性メモリである。ROMは、例えば、作動プログラム56A及び各種データを保持するフラッシュメモリ等の不揮発性メモリである。ストレージ装置は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)又はSSD(Solid State Drive)である。ストレージは、OS(Operating System)、アプリケーションプログラム、画像データ、及び各種データ等を記憶する。 The storage device 56 includes, for example, RAM, ROM (Read Only Memory), or a storage device. RAM is, for example, volatile memory used as a work area, etc. ROM is, for example, non-volatile memory such as flash memory that stores the operating program 56A and various data. The storage device is, for example, an HDD (Hard Disk Drive) or SSD (Solid State Drive). The storage stores the OS (Operating System), application programs, image data, various data, etc.
通信部57は、撮像装置10の通信部62との間で無線通信を行う通信回路である。プロセッサ55は、通信部57を介して撮像装置10から送信された画像データを受信する。また、プロセッサ55は、通信部57を介して、撮像装置10に撮像を制御するための制御信号を送信する。 The communication unit 57 is a communication circuit that performs wireless communication with the communication unit 62 of the imaging device 10. The processor 55 receives image data transmitted from the imaging device 10 via the communication unit 57. The processor 55 also transmits control signals to the imaging device 10 via the communication unit 57 to control imaging.
ディスプレイ51は、各種画面を表示する。情報処理装置50は、各種画面を通じて、入力デバイス54からの操作指示の入力を受け付ける。 The display 51 displays various screens. The information processing device 50 accepts input of operation instructions from the input device 54 through the various screens.
図7は、情報処理装置50の機能構成の一例を示す。情報処理装置50の機能は、作動プログラム56Aに基づいてプロセッサ55が処理を実行することにより実現される。図7に示すように、プロセッサ55には、撮像制御部70、画像データ取得部71、再構成処理部72、及び表示制御部73が構成される。 Figure 7 shows an example of the functional configuration of the information processing device 50. The functions of the information processing device 50 are realized by the processor 55 executing processing based on the operating program 56A. As shown in Figure 7, the processor 55 is configured with an imaging control unit 70, an image data acquisition unit 71, a reconstruction processing unit 72, and a display control unit 73.
撮像制御部70は、撮像装置10の動作を制御する。具体的には、撮像制御部70は、撮像装置10に制御信号を送信することにより、光源11による照明光16の発生動作、及び撮像センサ12の撮像動作を制御する。以下、光源11による照明光16の発生動作と、撮像センサ12の撮像動作とを合わせて、撮像装置10の撮像動作という。撮像制御部70は、入力デバイス54から入力される操作信号に基づいて、撮像装置10に撮像動作を開始させる。 The imaging control unit 70 controls the operation of the imaging device 10. Specifically, the imaging control unit 70 controls the generation of illumination light 16 by the light source 11 and the imaging operation of the imaging sensor 12 by sending control signals to the imaging device 10. Hereinafter, the generation of illumination light 16 by the light source 11 and the imaging operation of the imaging sensor 12 will be collectively referred to as the imaging operation of the imaging device 10. The imaging control unit 70 causes the imaging device 10 to start the imaging operation based on an operation signal input from the input device 54.
画像データ取得部71は、撮像装置10が培養容器20内の受精卵21を撮像した後、撮像装置10から送信される生成される画像データを取得する。画像データ取得部71は、取得した画像データを再構成処理部72に供給する。 The image data acquisition unit 71 acquires the image data generated and transmitted from the imaging device 10 after the imaging device 10 captures an image of the fertilized egg 21 in the culture container 20. The image data acquisition unit 71 supplies the acquired image data to the reconstruction processing unit 72.
再構成処理部72は、画像データに基づいて演算を行うことにより、再構成画像を生成する。例えば、図8に示すように、再構成処理部72は、再構成位置PをZ方向に一定値ずつ変更しながら、再構成位置Pを変更するたびに再構成画像を生成する。再構成位置Pは、撮像センサ12の撮像面12Aから光源11の方向への距離dにより表される位置(いわゆる深さ位置)である。以下、再構成位置Pを焦点位置ともいう。The reconstruction processing unit 72 generates a reconstructed image by performing calculations based on the image data. For example, as shown in FIG. 8, the reconstruction processing unit 72 changes the reconstruction position P in the Z direction by a fixed amount, and generates a reconstructed image each time the reconstruction position P is changed. The reconstruction position P is a position (so-called depth position) represented by the distance d from the imaging surface 12A of the image sensor 12 in the direction of the light source 11. Hereinafter, the reconstruction position P is also referred to as the focal position.
再構成処理部72は、例えば、下式(1)~(3)で表されるフレネル変換式に基づいて再構成処理を行う。 The reconstruction processing unit 72 performs reconstruction processing, for example, based on the Fresnel transform equations expressed by the following equations (1) to (3).
ここで、I(x,y)は、画像データを表す。xは、撮像センサ12の画素12B(図3参照)のX方向に関する座標を表す。yは、画素12BのY方向に関する座標を表す。Δxは、前述の第1配列ピッチであり、Δyは、前述の第2配列ピッチである(図3参照)。λは、照明光16の波長である。 Here, I(x, y) represents image data. x represents the coordinate in the X direction of pixel 12B of the image sensor 12 (see Figure 3). y represents the coordinate in the Y direction of pixel 12B. Δx is the first array pitch mentioned above, and Δy is the second array pitch mentioned above (see Figure 3). λ is the wavelength of the illumination light 16.
式(1)に示すように、Γ(m,n)は、画像データに含まれる干渉縞像がフレネル変換された複素振幅画像である。ここで、m=1,2,3,・・・Nx-1、及びn=1,2,3,・・・Ny-1である。Nxは、画像データのX方向への画素数を表している。Nyは、画像データのY方向への画素数を表している。 As shown in equation (1), Γ(m, n) is a complex amplitude image obtained by Fresnel transforming the interference fringe image contained in the image data. Here, m = 1, 2, 3, ... Nx-1, and n = 1, 2, 3, ... Ny-1. Nx represents the number of pixels in the X direction of the image data. Ny represents the number of pixels in the Y direction of the image data.
式(2)に示すように、A0(m,n)は、複素振幅画像Γ(m,n)の強度成分を表す強度分布画像である。式(3)に示すように、φ0(m,n)は、複素振幅画像Γ(m,n)の位相成分を表す位相分布画像である。 As shown in equation (2), A 0 (m, n) is an intensity distribution image representing the intensity components of the complex amplitude image Γ(m, n). As shown in equation (3), φ 0 (m, n) is a phase distribution image representing the phase components of the complex amplitude image Γ(m, n).
再構成処理部72は、式(1)に基づいて複素振幅画像Γ(m,n)を求め、求めた複素振幅画像Γ(m,n)を、式(2)又は式(3)に適用することにより、強度分布画像A0(m,n)又は位相分布画像φ0(m,n)を求める。再構成処理部72は、強度分布画像A0(m,n)と位相分布画像φ0(m,n)とのうちのいずれか1つを求めて、再構成画像として出力する。 The reconstruction processing unit 72 obtains a complex amplitude image Γ(m,n) based on equation (1), and obtains an intensity distribution image A 0 (m,n) or a phase distribution image φ 0 (m,n) by applying the obtained complex amplitude image Γ(m,n) to equation (2) or equation (3). The reconstruction processing unit 72 obtains either the intensity distribution image A 0 (m,n) or the phase distribution image φ 0 (m,n) and outputs it as a reconstructed image.
本実施形態では、再構成処理部72は、位相分布画像φ0(m,n)を再構成画像として出力する。位相分布画像φ0(m,n)は、観察対象物体の屈折率分布を表す画像である。本実施形態での観察対象物体である受精卵21は、半透明であるので、照明光16の大部分は、受精卵21により吸収されずに、透過するか、又は回折されるので、強度分布には像がほとんど現れない。このため、本実施形態では、再構成画像として位相分布画像φ0(m,n)を用いることが好ましい。 In this embodiment, the reconstruction processing unit 72 outputs a phase distribution image φ 0 (m, n) as a reconstructed image. The phase distribution image φ 0 (m, n) is an image that represents the refractive index distribution of the object to be observed. Since the fertilized egg 21, which is the object to be observed in this embodiment, is semi-transparent, most of the illumination light 16 is not absorbed by the fertilized egg 21 but is transmitted or diffracted, and therefore almost no image appears in the intensity distribution. For this reason, in this embodiment, it is preferable to use the phase distribution image φ 0 (m, n) as the reconstructed image.
再構成処理部72は、フレネル変換式を用いる方法に限られず、フーリエ反復位相回復法等により再構成処理を行ってもよい。 The reconstruction processing unit 72 is not limited to methods using the Fresnel transform formula, and may also perform reconstruction processing using methods such as Fourier iterative phase recovery.
表示制御部73は、再構成処理部72により生成された再構成画像をディスプレイ51に表示させる。ディスプレイ51に、1つの焦点位置における再構成画像を表示してもよいし、複数の焦点位置における再構成画像を表示してもよい。また、ディスプレイ51に表示される再構成画像の焦点位置を、ユーザが入力デバイス54を操作することにより設定又は選択可能としてもよい。 The display control unit 73 displays the reconstructed image generated by the reconstruction processing unit 72 on the display 51. The display 51 may display a reconstructed image at one focal position, or may display reconstructed images at multiple focal positions. In addition, the user may be able to set or select the focal position of the reconstructed image displayed on the display 51 by operating the input device 54.
受精卵21は、100~200μm程度の厚みがあり、かつ培養液22中に浮遊しているため、従来の顕微鏡観察では、受精卵21の内部の前核等に対する焦点位置の調整が難しい。このため、特開2018-093795号公報に記載の従来技術では、焦点位置が異なる画像を複数撮像している。これに対して、本開示のレンズフリーイメージングでは、1回の撮像で得られた画像データに基づいて、任意の焦点位置における再構成画像を生成することが可能である。 The fertilized egg 21 is approximately 100 to 200 μm thick and suspended in the culture solution 22. This makes it difficult to adjust the focal position on the pronucleus and other internal components of the fertilized egg 21 using conventional microscope observation. For this reason, the conventional technology described in JP 2018-093795 A captures multiple images with different focal positions. In contrast, the lens-free imaging disclosed herein makes it possible to generate a reconstructed image at any focal position based on image data obtained from a single capture.
次に、タイムラプスイメージングシステム2の全体動作の一例を、図9に示すフローチャートを用いて説明する。まず、ユーザは、培養容器20を撮像装置10のステージ15に載置させた後、撮像装置10をインキュベータ40の培養室41内に挿入する(ステップS10)。なお、複数の培養室41のうち、少なくとも1つの培養室41に撮像装置10を挿入すればよい。Next, an example of the overall operation of the time-lapse imaging system 2 will be described using the flowchart shown in Figure 9. First, the user places the culture vessel 20 on the stage 15 of the imaging device 10, and then inserts the imaging device 10 into the culture chamber 41 of the incubator 40 (step S10). Note that it is sufficient to insert the imaging device 10 into at least one of the multiple culture chambers 41.
次に、ユーザは、培養室41の蓋42を閉め、インキュベータ40に培養を開始させる(ステップS11)。インキュベータ40が培養を開始すると、情報処理装置50からの制御に基づき、撮像装置10は培養容器20内の受精卵21を撮像する(ステップS12)。撮像装置10は、撮像動作を行うことにより生成した画像データを、情報処理装置50に無線送信する(ステップS13)。Next, the user closes the lid 42 of the incubation chamber 41 and causes the incubator 40 to start incubation (step S11). When the incubator 40 starts incubation, the imaging device 10 captures an image of the fertilized egg 21 in the incubation container 20 under control of the information processing device 50 (step S12). The imaging device 10 wirelessly transmits image data generated by the imaging operation to the information processing device 50 (step S13).
情報処理装置50は、撮像装置10から送信された画像データを受信する(ステップS14)。情報処理装置50の再構成処理部72は、画像データに基づいて再構成処理を行うことにより、少なくとも1枚の再構成画像を生成する(ステップS15)。表示制御部73は、再構成処理部72により生成された再構成画像をディスプレイ51に表示させる(ステップS16)。The information processing device 50 receives the image data transmitted from the imaging device 10 (step S14). The reconstruction processing unit 72 of the information processing device 50 performs reconstruction processing based on the image data to generate at least one reconstructed image (step S15). The display control unit 73 displays the reconstructed image generated by the reconstruction processing unit 72 on the display 51 (step S16).
次に、情報処理装置50は、インキュベータ40による培養が終了したか否かを判定する(ステップS17)。培養は、培養開始から、例えば最長7日間行われる。情報処理装置50は、例えば、培養開始からの経過時間に基づいて培養が終了したか否かを判定する。情報処理装置50は、培養が終了していないと判定した場合には(ステップS17:NO)、前回の撮像から一定時間(例えば、10分間)が経過したか否かを判定する(ステップS18)。Next, the information processing device 50 determines whether the culture in the incubator 40 has finished (step S17). The culture is carried out for, for example, up to 7 days from the start of the culture. The information processing device 50 determines whether the culture has finished based on, for example, the time elapsed since the start of the culture. If the information processing device 50 determines that the culture has not finished (step S17: NO), it determines whether a certain time (for example, 10 minutes) has passed since the previous image capture (step S18).
情報処理装置50は、前回の撮像から一定時間が経過したと判定した場合には(ステップS18:YES)、処理をステップS12に戻す。ステップS12~S18の処理は、ステップS17において判定が肯定されるまでの間、繰り返し実行される。ステップS17において、情報処理装置50がインキュベータ40による培養が終了したと判定した(ステップS17:YES)後、ユーザによりインキュベータ40の培養室41から撮像装置10が取り出される(ステップS19)。 If the information processing device 50 determines that a certain amount of time has passed since the previous image capture (step S18: YES), it returns the process to step S12. The processes of steps S12 to S18 are repeatedly executed until the determination in step S17 is affirmative. After the information processing device 50 determines in step S17 that incubation in the incubator 40 has ended (step S17: YES), the user removes the imaging device 10 from the incubation chamber 41 of the incubator 40 (step S19).
以上のように、本開示の技術に係る撮像装置10は、受精卵用のインキュベータ40の培養室41に出し入れ可能である。受精卵用のインキュベータ40は、光学カメラ等が一体化されたものでないため、安価である。また、本開示の技術に係る撮像装置10は、レンズフリーイメージングにより干渉縞像を撮像するものであるので、撮像時に焦点調節を行う必要はない。 As described above, the imaging device 10 according to the technology of the present disclosure can be taken in and out of the incubation chamber 41 of the incubator 40 for fertilized eggs. The incubator 40 for fertilized eggs is inexpensive because it does not have an optical camera or the like integrated into it. Furthermore, the imaging device 10 according to the technology of the present disclosure captures interference fringe images using lens-free imaging, so there is no need to adjust the focus when capturing images.
[変形例]
次に、撮像装置10の変形例について説明する。図10は、変形例に係る撮像装置10Aを示す。撮像装置10Aは、高さZiが変更可能である点が、上記実施形態に係る撮像装置10と異なる。撮像装置10Aの高さZiは、支柱13の長さを変更することにより、変更可能となっている。
[Modification]
Next, a modified example of the imaging device 10 will be described. Fig. 10 shows an imaging device 10A according to the modified example. The imaging device 10A differs from the imaging device 10 according to the above embodiment in that the height Zi of the imaging device 10A is changeable. The height Zi of the imaging device 10A can be changed by changing the length of the support 13.
具体的には、本変形例に係る撮像装置10Aの支柱13は、上部13Aと下部13Bとに分離されている。上部13Aには、光源11が接続されている。下部13Bは、基台14に接続されている。上部13Aと下部13Bとは、スライド自在に、互いに勘合されている。上部13A及び下部13Bは、本開示の技術に係る「高さ調整機構」の一例である。 Specifically, the support 13 of the imaging device 10A according to this modified example is separated into an upper portion 13A and a lower portion 13B. The light source 11 is connected to the upper portion 13A. The lower portion 13B is connected to the base 14. The upper portion 13A and the lower portion 13B are slidably fitted together. The upper portion 13A and the lower portion 13B are an example of a "height adjustment mechanism" according to the technology of the present disclosure.
図11に示すように、下部13Bに対して上部13Aをスライドさせることにより、撮像装置10Aの高さZiを変更することができる。支柱13には、上部13Aと下部13Bに対して固定するための固定ねじ17が設けられている。ユーザは、下部13Bに対する上部13Aの位置を調整し、撮像装置10Aの高さZiを所望の値とした状態で固定ねじ17を操作することにより、下部13Bに対して上部13Aを固定する。 As shown in Figure 11, the height Zi of the imaging device 10A can be changed by sliding the upper part 13A relative to the lower part 13B. The support 13 is provided with a fixing screw 17 for fixing the upper part 13A to the lower part 13B. The user adjusts the position of the upper part 13A relative to the lower part 13B, and then operates the fixing screw 17 when the height Zi of the imaging device 10A is at the desired value, thereby fixing the upper part 13A to the lower part 13B.
下部13Bに対して上部13Aが、図示しない駆動機構によってスライドするように構成されていてもよい。この場合、図示しないスイッチを操作することにより、上部13Aが移動するように構成することが好ましい。The upper portion 13A may be configured to slide relative to the lower portion 13B using a drive mechanism (not shown). In this case, it is preferable to configure the upper portion 13A to move by operating a switch (not shown).
なお、撮像装置10Aの高さZiを調整可能とする高さ調整機構は、上述した構成に限られず、適宜変更可能である。 The height adjustment mechanism that enables adjustment of the height Zi of the imaging device 10A is not limited to the configuration described above and can be modified as appropriate.
受精卵用のインキュベータ40は、様々なメーカから販売されており、培養室41の高さZcも統一された規格はなく様々である。本変形例に係る撮像装置10Aは、高さZiを変更することが可能であるので、様々なメーカのインキュベータ40の培養室41に挿入することができる。 Incubators 40 for fertilized eggs are sold by a variety of manufacturers, and the height Zc of the incubation chamber 41 varies widely, with no unified standard. The imaging device 10A of this modified example allows the height Zi to be adjusted, so it can be inserted into the incubation chamber 41 of incubators 40 from a variety of manufacturers.
図11に示すように、撮像装置10Aの高さZiを低くすることにより、光源11が撮像センサ12に近づいた場合に、光源11からの照明光16が撮像面12Aの全体を照射するように、照明光16は放射状の光であることが好ましい。 As shown in Figure 11, by lowering the height Zi of the imaging device 10A, when the light source 11 approaches the imaging sensor 12, it is preferable that the illumination light 16 from the light source 11 be radial light so that the entire imaging surface 12A is illuminated by the illumination light 16.
さらに、撮像装置10は種々の変形が可能である。上記実施形態では、基台14上に撮像センサ12を有するステージ15を設けているが、ステージ15は、基台14と一体化されていてもよい。また、上記実施形態では、基台14を矩形平板状としているが、基台14は、円形等の形状であってもよい。 Furthermore, the imaging device 10 can be modified in various ways. In the above embodiment, a stage 15 having an imaging sensor 12 is provided on a base 14, but the stage 15 may be integrated with the base 14. Also, in the above embodiment, the base 14 is a rectangular flat plate, but the base 14 may be circular or other shapes.
また、上記実施形態では、光源11は支柱13の端部に接続されているが、光源11は支柱13に埋め込まれていてもよい。 Also, in the above embodiment, the light source 11 is connected to the end of the support 13, but the light source 11 may also be embedded in the support 13.
また、光源11は、複数の発光点(例えば、36個の発光点)が2次元アレー状に配列されたレーザ光源であってもよい。このレーザ光源として、垂直共振器型面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)を用いることが可能である。複数の発光点を順に発光させながら、撮像センサ12により得られた複数の画像データを合成することにより、高解像度の干渉縞像(いわゆる超解像の干渉縞像)を含む画像データが得られる。この画像データを再構成することにより、高画質の再構成画像が得られる。 The light source 11 may also be a laser light source with multiple light-emitting points (e.g., 36 light-emitting points) arranged in a two-dimensional array. A vertical cavity surface-emitting laser (VCSL) can be used as this laser light source. By sequentially activating the multiple light-emitting points and combining multiple image data obtained by the imaging sensor 12, image data including a high-resolution interference fringe image (so-called super-resolution interference fringe image) can be obtained. By reconstructing this image data, a high-quality reconstructed image can be obtained.
図12は、複数の発光点11Bを有する光源11の発光面11Aの構成を示す。発光面11Aは、撮像センサ12に対向する位置に配置されている。発光面11Aには、複数の発光点11Bが2次元アレー状に配列されている。発光点11Bの配列ピッチは、10μmから100μm程度である。発光点11Bの各々は、順に選択されて、照明光16を出射する。複数の発光点11Bの発光時間間隔は、数ミリ秒である。 Figure 12 shows the configuration of the light-emitting surface 11A of the light source 11, which has multiple light-emitting points 11B. The light-emitting surface 11A is positioned opposite the image sensor 12. Multiple light-emitting points 11B are arranged in a two-dimensional array on the light-emitting surface 11A. The arrangement pitch of the light-emitting points 11B is approximately 10 μm to 100 μm. Each of the light-emitting points 11B is selected in turn to emit illumination light 16. The light-emitting time interval between the multiple light-emitting points 11B is several milliseconds.
なお、発光点11Bの配列ピッチは、画素12Bの配列ピッチ(第1配列ピッチΔx及び第2配列ピッチΔy)と異なっていればよく、必ずしも画素12Bの配列ピッチよりも小さい必要はない。例えば、発光点11Bが隣の画素12Bの真上に位置していても、発光点11Bの配列ピッチが画素12Bの配列ピッチと一致していなければよい。この場合、画素12B上の異なる位置に照明光16が照明されるので、複数の画像データを合成する際に、各々の発光点11Bの真下にあり、照明光16が照明された異なる画素12Bを同一の画素と見なして、1画素以下の精度で位置合わせを行うことにより、超解像の干渉縞像を含む画像データを生成することが可能である。 The arrangement pitch of the light-emitting points 11B only needs to be different from the arrangement pitch of the pixels 12B (first arrangement pitch Δx and second arrangement pitch Δy), and does not necessarily need to be smaller than the arrangement pitch of the pixels 12B. For example, even if a light-emitting point 11B is located directly above an adjacent pixel 12B, the arrangement pitch of the light-emitting points 11B does not need to match the arrangement pitch of the pixels 12B. In this case, since the illumination light 16 is illuminated at different positions on the pixels 12B, when combining multiple image data, different pixels 12B located directly below each light-emitting point 11B and illuminated by the illumination light 16 can be considered to be the same pixel and aligned with an accuracy of one pixel or less, thereby generating image data including super-resolution interference fringe images.
なお、図12では、発光点11Bを6×6の正方配列とし、発光面11Aに36個の発光点11Bを設けているが、発光点11Bの数及び配列パターンは、図12に示す数及び配列パターンに限定されない発光点11Bの数が多いほど、干渉縞像の高解像度化を図ることが可能である一方で、合成処理及び再構成処理の演算時間が長くなる。このため、要求される画質及び演算時間に合わせて、発光点11Bの数を最適化することが好ましい。 In Figure 12, the light-emitting points 11B are arranged in a 6x6 square, with 36 light-emitting points 11B provided on the light-emitting surface 11A, but the number and arrangement pattern of the light-emitting points 11B are not limited to the number and arrangement pattern shown in Figure 12. The more light-emitting points 11B there are, the higher the resolution of the interference fringe image can be, but the longer the calculation time for the synthesis process and reconstruction process. For this reason, it is preferable to optimize the number of light-emitting points 11B according to the required image quality and calculation time.
また、上記実施形態では、撮像装置10をインキュベータ40の培養室41内に出し入れ可能としているが、撮像装置10とインキュベータ40とを一体化することも可能である。 In addition, in the above embodiment, the imaging device 10 can be moved in and out of the culture chamber 41 of the incubator 40, but it is also possible to integrate the imaging device 10 and the incubator 40.
図13は、撮像装置が一体的に組み込まれたインキュベータ40Aと、情報処理装置50とにより構成されたタイムラプスイメージングシステム2Aを示す。図14は、撮像装置が一体的に組み込まれたインキュベータ40Aを示す。なお、タイムラプスイメージングシステム2Aは、本開示の技術に係る「イメージングシステム」の一例である。 Figure 13 shows a time-lapse imaging system 2A composed of an incubator 40A integrated with an imaging device and an information processing device 50. Figure 14 shows an incubator 40A integrated with an imaging device. The time-lapse imaging system 2A is an example of an "imaging system" according to the technology of the present disclosure.
本変形例に係るインキュベータ40Aは、上記実施形態に係るインキュベータ40(図5参照)と同様に、複数の培養室41が設けられている。培養室41の各々には、開閉式の蓋42が設けられている。本変形例では、蓋42に光源11が設けられている。具体的には、光源11は、蓋42の内面側に埋め込まれており、培養室41内に向けて照明光16を発する。光源11は、図12に示す複数の発光点11Bを有するものであってもよい。 The incubator 40A according to this modified example is provided with multiple culture chambers 41, similar to the incubator 40 according to the above embodiment (see Figure 5). Each culture chamber 41 is provided with an openable/closable lid 42. In this modified example, the lid 42 is provided with a light source 11. Specifically, the light source 11 is embedded in the inner surface of the lid 42 and emits illumination light 16 toward the inside of the culture chamber 41. The light source 11 may have multiple light-emitting points 11B as shown in Figure 12.
本変形例では、撮像センサ12は、培養室41の底部41Aに設けられている。具体的には、撮像センサ12は、培養室41の底部41Aに埋め込まれており、培養室41内に撮像面12Aが露出している。なお、底部41Aは、インキュベータ40Aを構成する筐体の一部である。In this modified example, the image sensor 12 is provided on the bottom 41A of the culture chamber 41. Specifically, the image sensor 12 is embedded in the bottom 41A of the culture chamber 41, and the image sensor surface 12A is exposed inside the culture chamber 41. The bottom 41A is part of the housing that constitutes the incubator 40A.
光源11は、蓋42を閉めた状態で、撮像センサ12に対向する位置に配置されている。培養室41の底部41Aには、培養容器20が載置される。光源11から出射された照明光16は、培養容器20を介して撮像センサ12に入射する。撮像センサ12は、受精卵21により生成される干渉縞像を撮像する。撮像センサ12は、上記実施形態と同様の動作を行う。本変形例では、光源11及び撮像センサ12が撮像装置を構成している。 With the lid 42 closed, the light source 11 is positioned opposite the image sensor 12. The culture vessel 20 is placed on the bottom 41A of the culture chamber 41. The illumination light 16 emitted from the light source 11 is incident on the image sensor 12 through the culture vessel 20. The image sensor 12 captures an interference fringe image generated by the fertilized egg 21. The image sensor 12 operates in the same manner as in the above embodiment. In this modified example, the light source 11 and the image sensor 12 constitute an imaging device.
本変形例に係るインキュベータ40Aには、図6に示した撮像装置10に含まれるプロセッサ60、記憶装置61、及び通信部62が設けられている。インキュベータ40Aは、情報処理装置50と有線又は無線により通信を行う。情報処理装置50の構成及び動作は、上記実施形態と同様である。情報処理装置50は、撮像装置が画像データを生成するたびに再構成処理を行うことにより、再構成処理を生成する。 The incubator 40A according to this modified example is provided with a processor 60, a storage device 61, and a communication unit 62 included in the imaging device 10 shown in FIG. 6. The incubator 40A communicates with the information processing device 50 via wired or wireless communication. The configuration and operation of the information processing device 50 are the same as those in the above embodiment. The information processing device 50 generates reconstruction data by performing reconstruction processing each time the imaging device generates image data.
本変形例に係るタイムラプスイメージングシステム2Aによれば、培養室41内で受精卵21を培養しながら受精卵21を観察することができる。なお、情報処理装置50をインキュベータ40Aに組み込むことにより、タイムラプスイメージングシステム2Aを1つの装置とすることも好ましい。 The time-lapse imaging system 2A according to this modified example allows the fertilized eggs 21 to be observed while being cultured in the incubation chamber 41. It is also preferable to incorporate the information processing device 50 into the incubator 40A, thereby making the time-lapse imaging system 2A a single device.
また、上記実施形態及び上記変形例では、撮像装置10に1つの撮像センサ12が設けられているが、撮像センサ12の数は1つに限られず、2以上であってもよい。 Furthermore, in the above embodiment and the above variant example, the imaging device 10 is provided with one imaging sensor 12, but the number of imaging sensors 12 is not limited to one and may be two or more.
図15は、培養容器20内の受精卵21の直径D及び培養液22の高さHについて説明する図である。上記実施形態又は上記変形例に係るタイムラプスイメージングシステムを用いて受精卵21を観察する観察方法において、前述のように受精卵21は、培養液22中に浮遊している。受精卵21は、人の卵子であって、ほぼ球状である。受精卵21の直径Dは、100μm以上200μm未満であることが好ましい。
また、培養液22の高さHは、受精卵21を浮遊させるために、1m以上20mm未満であることが好ましい。なお、培養液22の高さHとは、培養容器20の内側底面20Aから培養液22の頂部までのZ方向への長さである。
15 is a diagram illustrating the diameter D of the fertilized egg 21 and the height H of the culture solution 22 in the culture vessel 20. In the observation method for observing the fertilized egg 21 using the time-lapse imaging system according to the above embodiment or the above modification, as described above, the fertilized egg 21 is suspended in the culture solution 22. The fertilized egg 21 is a human ovum and is substantially spherical. The diameter D of the fertilized egg 21 is preferably equal to or greater than 100 μm and less than 200 μm.
Furthermore, the height H of the culture solution 22 is preferably 1 m or more and less than 20 mm in order to suspend the fertilized eggs 21. The height H of the culture solution 22 is the length in the Z direction from the inner bottom surface 20A of the culture vessel 20 to the top of the culture solution 22.
上記実施形態に係るタイムラプスイメージングシステム2は、撮像装置10に光学レンズを備えない、いわゆるレンズフリーイメージングと呼ばれる技術に関する。本開示の技術は、デジタルホログラフィ全般(例えば、参照光を用いる場合など)に適用可能である。 The time-lapse imaging system 2 according to the above embodiment relates to a technology known as lens-free imaging, in which the imaging device 10 does not include an optical lens. The technology disclosed herein is applicable to digital holography in general (e.g., when using reference light).
情報処理装置50を構成するコンピュータのハードウェア構成は種々の変形が可能である。例えば、情報処理装置50を、処理能力及び信頼性の向上を目的として、ハードウェアとして分離された複数台のコンピュータで構成することも可能である。 The hardware configuration of the computer that constitutes the information processing device 50 can be modified in various ways. For example, the information processing device 50 can be configured with multiple computers separated as hardware in order to improve processing power and reliability.
このように、情報処理装置50のコンピュータのハードウェア構成は、処理能力、安全性、信頼性等の要求される性能に応じて適宜変更することができる。さらに、ハードウェアに限らず、作動プログラム56A等のアプリケーションプログラムについても、安全性及び信頼性の確保を目的として、二重化すること、あるいは、複数のストレージデバイスに分散して格納することも可能である。 In this way, the hardware configuration of the computer of the information processing device 50 can be changed as appropriate depending on the required performance, such as processing power, safety, and reliability. Furthermore, not only the hardware, but also application programs such as the operating program 56A can be duplicated or stored in a distributed manner across multiple storage devices in order to ensure safety and reliability.
上記実施形態において、例えば、撮像制御部70、画像データ取得部71、再構成処理部72、及び表示制御部73といった各種の処理を実行する処理部(Processing Unit)のハードウェア的な構造としては、次に示す各種のプロセッサ(Processor)を用いることができる。各種のプロセッサには、上述したように、ソフトウェア(作動プログラム56A)を実行して各種の処理部として機能する汎用的なプロセッサであるCPUに加えて、FPGA等の製造後に回路構成を変更可能なプロセッサであるプログラマブルロジックデバイス(Programmable Logic Device: PLD)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が含まれる。 In the above embodiment, the various processors listed below can be used as the hardware structure of the processing units that perform various processes, such as the imaging control unit 70, image data acquisition unit 71, reconstruction processing unit 72, and display control unit 73. As described above, the various processors include a CPU, which is a general-purpose processor that executes software (operating program 56A) and functions as various processing units, as well as dedicated electrical circuits, such as programmable logic devices (PLDs) that are processors whose circuit configuration can be changed after manufacture, such as FPGAs, and application-specific integrated circuits (ASICs), which are processors with a circuit configuration designed specifically to perform specific processes.
1つの処理部は、これらの各種のプロセッサのうちの1つで構成されてもよいし、同種又は異種の2つ以上のプロセッサの組み合わせ(例えば、複数のFPGAの組み合わせ、及び/又は、CPUとFPGAとの組み合わせ)で構成されてもよい。また、複数の処理部を1つのプロセッサで構成してもよい。 A single processing unit may be configured with one of these various processors, or may be configured with a combination of two or more processors of the same or different types (e.g., a combination of multiple FPGAs and/or a combination of a CPU and an FPGA). Also, multiple processing units may be configured with a single processor.
複数の処理部を1つのプロセッサで構成する例としては、第1に、クライアント及びサーバ等のコンピュータに代表されるように、1つ以上のCPUとソフトウェアの組み合わせで1つのプロセッサを構成し、このプロセッサが複数の処理部として機能する形態がある。第2に、システムオンチップ(System On Chip: SoC)等に代表されるように、複数の処理部を含むシステム全体の機能を1つのIC(Integrated Circuit)チップで実現するプロセッサを使用する形態がある。このように、各種の処理部は、ハードウェア的な構造として、上記各種のプロセッサの1つ以上を用いて構成される。 Examples of configuring multiple processing units with a single processor include, first, a form in which a single processor is configured with a combination of one or more CPUs and software, and this processor functions as multiple processing units, as typified by client and server computers. Second, a form in which a processor is used to realize the functions of an entire system including multiple processing units on a single IC (Integrated Circuit) chip, as typified by systems on chips (SoCs). In this way, various processing units are configured as a hardware structure using one or more of the various processors listed above.
さらに、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造としては、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路(circuitry)を用いることができる。 Furthermore, the hardware structure of these various processors can be, more specifically, an electrical circuit that combines circuit elements such as semiconductor elements.
また、上記実施形態及び各変形例は、矛盾が生じない範囲で適宜組み合わせ可能である。 In addition, the above embodiments and variations can be combined as appropriate to the extent that no contradictions arise.
本明細書に記載された全ての文献、特許出願及び技術規格は、個々の文献、特許出願及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。 All publications, patent applications, and technical standards mentioned in this specification are incorporated by reference herein to the same extent as if each individual publication, patent application, and technical standard was specifically and individually indicated to be incorporated by reference.
Claims (4)
前記インキュベータから無線送信された前記画像データを受信し、受信した前記画像データに基づいて再構成処理を行うことにより、任意の焦点位置における再構成画像を生成する情報処理装置と、
を備えるイメージングシステムであって、
前記インキュベータは、前記培養容器を収容する培養室と、前記培養室を気密状態とするための蓋とを有し、
前記光源は、前記蓋に設けられており、
前記撮像センサは、前記培養容器が載置される前記培養室の底部に設けられている、
イメージングシステム。 an incubator including an imaging device having a light source and an imaging sensor, which generates image data including an interference fringe image by imaging a fertilized egg seeded in a culture vessel , and a communication unit which wirelessly transmits the image data ;
an information processing device that receives the image data wirelessly transmitted from the incubator and performs reconstruction processing based on the received image data to generate a reconstructed image at an arbitrary focal position;
1. An imaging system comprising:
the incubator has a culture chamber that houses the culture vessel and a lid that makes the culture chamber airtight;
The light source is provided on the lid,
The imaging sensor is provided at the bottom of the culture chamber on which the culture vessel is placed.
Imaging system .
前記撮像装置が前記画像データを生成するたびに前記再構成処理を行い、
前記再構成処理により生成した再構成画像をディスプレイに表示させる、
請求項1に記載のイメージングシステム。 The information processing device includes:
performing the reconstruction process each time the imaging device generates the image data;
displaying a reconstructed image generated by the reconstruction processing on a display;
The imaging system of claim 1 .
前記撮像装置は、前記発光点を順に発光させながら複数回の撮像動作を行うことにより、複数の前記画像データを生成する、
請求項1又は請求項2に記載のイメージングシステム。 the light source has a plurality of light-emitting points;
the imaging device performs imaging operations a plurality of times while sequentially causing the light emitting points to emit light, thereby generating a plurality of pieces of image data;
3. The imaging system according to claim 1 or claim 2 .
複数の前記画像データに基づいて高解像度の画像データを生成し、
生成した高解像度の画像データに基づいて前記再構成処理を行う、
請求項3に記載のイメージングシステム。 The information processing device includes:
generating high-resolution image data based on the plurality of image data;
performing the reconstruction process based on the generated high-resolution image data;
The imaging system of claim 3 .
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