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JP7834528B2 - Microparticle measurement system and microparticle measurement method - Google Patents
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JP7834528B2 - Microparticle measurement system and microparticle measurement method - Google Patents

Microparticle measurement system and microparticle measurement method

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JP7834528B2 JP2022048740A JP2022048740A JP7834528B2 JP 7834528 B2 JP7834528 B2 JP 7834528B2 JP 2022048740 A JP2022048740 A JP 2022048740A JP 2022048740 A JP2022048740 A JP 2022048740A JP 7834528 B2 JP7834528 B2 JP 7834528B2
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Description

本発明の実施形態は、微小粒子計測システム、および、微小粒子計測方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to a microparticle measurement system and a microparticle measurement method.

従来から、例えば、有機系廃水処理では、様々な有用微生物を利用して廃水中の有機物分解、窒素やリンの除去等を行っている。その際、汚泥濃度や処理水質などの指標に基づいて廃水処理を行っているが、有機物分解や窒素除去等に寄与する有用微生物の濃度を測定できれば有意義である。 Traditionally, in organic wastewater treatment, for example, various beneficial microorganisms have been used to decompose organic matter and remove nitrogen and phosphorus from wastewater. While wastewater treatment is currently based on indicators such as sludge concentration and treated water quality, it would be beneficial to be able to measure the concentration of beneficial microorganisms that contribute to organic matter decomposition and nitrogen removal.

有用微生物(バチルスなどの微小粒子)の濃度を測定する従来技術として、例えば、コロニーカウント法やPCR(Polymerase Chain Reaction)法が存在する。しかし、これらの手法での測定には専門性の高い設備が必要であり、検体を専門施設に輸送する手間がかかったり、測定時間が長かったりするという問題がある。 Conventional techniques for measuring the concentration of beneficial microorganisms (such as Bacillus microparticles) include colony counting and PCR (Polymerase Chain Reaction). However, these methods require highly specialized equipment, involve the hassle of transporting samples to specialized facilities, and have lengthy measurement times.

そこで、測定対象の微小粒子による光の屈折の特性を利用し、深層学習を用いた画像処理によって撮像画像から微小粒子(例えばバチルス芽胞)を検出する技術が提案されている。これにより、専門施設への検体の輸送が不要になり、かつ、短時間で微小粒子の濃度測定を行うことができる。 Therefore, a technique has been proposed that utilizes the characteristics of light refraction by the target microparticles and detects microparticles (e.g., Bacillus spores) from captured images using deep learning-based image processing. This eliminates the need to transport samples to specialized facilities and allows for rapid measurement of microparticle concentrations.

特開2016-147044号公報Japanese Patent Publication No. 2016-147044

しかしながら、上述の深層学習の手法では、測定精度が一定ではないという問題がある。例えば、汚泥中のバチルス濃度は均一ではなく濃淡があり、撮像画像に映っているバチルスの個数(濃度)にばらつきが存在する。したがって、例えば、撮像画像1枚あたりで検出されるバチルスの個数が少ない場合、撮像画像の枚数が少ないと、測定結果の精度が低くなってしまう。また、撮像画像が少ないか否かの判断は作業者にとって容易とは限らない。 However, the deep learning methods described above have a problem in that the measurement accuracy is not consistent. For example, the concentration of Bacillus in sludge is not uniform but varies, and there is variability in the number (concentration) of Bacillus particles visible in the captured images. Therefore, if, for example, the number of Bacillus particles detected per image is small, the accuracy of the measurement results will decrease if the number of captured images is small. Furthermore, it is not always easy for operators to determine whether or not there are too few captured images.

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、撮像画像を用いて微小粒子に関する測定を行う場合の精度を向上可能な微小粒子計測システム、および、微小粒子計測方法を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and aims to provide a microparticle measurement system and a microparticle measurement method that can improve the accuracy of measurements related to microparticles using captured images.

実施形態の微小粒子測定システムは、測定対象の微小粒子を含む液体に対して照明光を出射する光源と、前記照明光を集光する対物レンズと、集光された前記照明光を結像する結像レンズと、結像された前記照明光を撮像して撮像画像を出力するイメージセンサと、前記撮像画像に映っている前記微小粒子を検出する検出部と、前記検出部による検出結果と所定の指標に基づいて微小粒子検出の信頼度を算出する算出部と、前記信頼度に基づいて次の処理を決定する処理部と、を備える。 The microparticle measurement system of this embodiment comprises: a light source that emits illumination light onto a liquid containing microparticles to be measured; an objective lens that focuses the illumination light; an imaging lens that forms an image of the focused illumination light; an image sensor that captures the image of the illumination light and outputs an image; a detection unit that detects the microparticles visible in the image; a calculation unit that calculates the reliability of microparticle detection based on the detection result from the detection unit and a predetermined index; and a processing unit that determines the next processing step based on the reliability.

図1は、実施形態の微小粒子計測システムの概要構成図である。Figure 1 is a schematic diagram of the microparticle measurement system according to an embodiment. 図2は、光線追跡行列におけるパラメータの説明図である。Figure 2 is an explanatory diagram of the parameters in the ray tracing matrix. 図3は、バチルス芽胞についての相対透過光強度などの説明図である。Figure 3 is an explanatory diagram showing the relative transmitted light intensity and other parameters for Bacillus spores. 図4は、アクリル粒子についての相対透過光強度などの説明図である。Figure 4 is an explanatory diagram showing the relative transmitted light intensity and other properties of acrylic particles. 図5は、汚泥の撮像画像の例を示す図である。Figure 5 shows an example of an image of sludge. 図6は、深層学習で使用する撮像画像と教示画像の例を示す図である。Figure 6 shows examples of captured images and training images used in deep learning. 図7は、深層学習によるバチルス検出結果の例を示す図である。Figure 7 shows an example of Bacillus detection results using deep learning. 図8は、信頼度算出用の参照テーブルの例を示す図である。Figure 8 shows an example of a reference table used for calculating confidence levels. 図9は、実施形態の微小粒子計測システムによる処理を示すフローチャートである。Figure 9 is a flowchart showing the processing performed by the microparticle measurement system of the embodiment.

以下、図面を参照して、本発明の微小粒子計測システム、および、微小粒子計測方法の実施形態について説明する。なお、以下では、バチルス芽胞を単にバチルスとも称する。 The embodiments of the microparticle measurement system and microparticle measurement method of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following, Bacillus spores will also be simply referred to as Bacillus.

図1は、実施形態の微小粒子計測システム10の概要構成図である。微小粒子計測システム10は、光源11と、ステージ13と、ステージ駆動部14と、レーザ変位計15と、対物レンズ16と、結像レンズ17と、イメージセンサ18と、計測制御部19と、情報処理装置20と、を備える。なお、計測制御部19と情報処理装置20を一体に構成してもよい。また、情報処理装置20を2つ以上に分けて構成してもよい。 Figure 1 is a schematic diagram of the microparticle measurement system 10 according to an embodiment. The microparticle measurement system 10 comprises a light source 11, a stage 13, a stage drive unit 14, a laser displacement meter 15, an objective lens 16, an imaging lens 17, an image sensor 18, a measurement control unit 19, and an information processing device 20. The measurement control unit 19 and the information processing device 20 may be configured as a single unit. Alternatively, the information processing device 20 may be configured as two or more separate units.

光源11は、測定対象の微小粒子を含む測定用試料SP(液体。検体)に対して照明光Lを出射する。 The light source 11 emits illumination light L towards the measurement sample SP (liquid; specimen) containing the minute particles to be measured.

ステージ13は、測定用試料SPを保持するスライドガラス(プレパラート)12を支持する。 Stage 13 supports the slide glass (preparation slide) 12 that holds the sample SP for measurement.

ステージ駆動部14は、ステージ13を光軸に沿って図1の上下方向に移動させる。
レーザ変位計15は、スライドガラス12の位置をレーザによって検出する。
The stage drive unit 14 moves the stage 13 along the optical axis in the vertical direction shown in Figure 1.
The laser displacement meter 15 detects the position of the slide glass 12 using a laser.

対物レンズ16は、照明光Lを集光して平行光とする。
結像レンズ17は、平行光となった照明光Lを集光して結像する。
The objective lens 16 focuses the illumination light L to form parallel light.
The imaging lens 17 focuses the illumination light L, which has become parallel light, to form an image.

イメージセンサ18は、結像レンズ17により結像された照明光を撮像して撮像画像を出力する。
計測制御部19は、ステージ駆動部14やイメージセンサ18を制御する。
The image sensor 18 captures the illumination light imaged by the imaging lens 17 and outputs the captured image.
The measurement control unit 19 controls the stage drive unit 14 and the image sensor 18.

情報処理装置20は、取得部21と、検出部22と、算出部23と、処理部24と、記憶部25と、表示部26と、を備える。 The information processing device 20 comprises an acquisition unit 21, a detection unit 22, a calculation unit 23, a processing unit 24, a storage unit 25, and a display unit 26.

取得部21は、イメージセンサ18から撮像画像を取得する。 The acquisition unit 21 acquires the captured image from the image sensor 18.

検出部22は、撮像画像に映っている微小粒子や夾雑物などを検出する。 The detection unit 22 detects minute particles, impurities, and other contaminants visible in the captured image.

算出部23は、検出部22による検出結果と所定の指標に基づいて微小粒子検出の信頼度を算出する(詳細は後述)。 The calculation unit 23 calculates the reliability of the detection of minute particles based on the detection results from the detection unit 22 and predetermined indicators (details will be described later).

処理部24は、各種の情報処理を実行する。例えば、処理部24は、信頼度に基づいて次の処理を決定する。例えば、処理部24は、信頼度が所定の閾値未満の場合に、信頼度を向上させるための所定の動作をユーザ(作業者)に要求する画面を表示部26に表示させる。例えば、処理部24は、信頼度が所定の閾値未満の場合に、追加の撮像画像の取得をユーザに要求する。 The processing unit 24 performs various information processing tasks. For example, the processing unit 24 determines the next action based on the reliability level. For example, if the reliability level is below a predetermined threshold, the processing unit 24 displays a screen on the display unit 26 requesting the user (operator) to perform a predetermined action to improve the reliability level. For example, if the reliability level is below a predetermined threshold, the processing unit 24 requests the user to acquire additional captured images.

また、例えば、処理部24は、信頼度が所定の閾値未満の場合に、自動的に追加の撮像画像を取得するようにしてもよい。 Furthermore, for example, the processing unit 24 may automatically acquire additional images if the confidence level falls below a predetermined threshold.

記憶部25は、各部21~24の動作プログラムや、各種パラメータや、取得部21が取得した撮像画像や、検出部22による検出結果や、算出部23による信頼度などの算出結果や、処理部24による処理結果などを記憶する。 The memory unit 25 stores the operation programs for each unit 21-24, various parameters, captured images acquired by the acquisition unit 21, detection results from the detection unit 22, calculation results such as reliability scores from the calculation unit 23, and processing results from the processing unit 24.

表示部26は、処理部24からの指示により各種情報を表示する。 The display unit 26 displays various information based on instructions from the processing unit 24.

なお、上記の各部21~24で行われる処理の全て若しくは一部は、記憶部25に記憶されている動作プログラムや各種のパラメータに基づいて1つのプロセッサ(制御部)によって実行される場合がある。 Furthermore, all or part of the processing performed in each of the above-mentioned sections 21-24 may be executed by a single processor (control unit) based on the operation program and various parameters stored in the storage unit 25.

次に、微小粒子の計測原理について説明する。液体中の微小粒子の背面側から照明光を照射した場合、微小粒子のレンズ効果により、照明光は微小粒子の粒子径及び屈折率に応じた位置に集光される。 Next, we will explain the measurement principle for minute particles. When illumination light is shone from the back side of minute particles in a liquid, the lens effect of the minute particles causes the illumination light to be focused to a position corresponding to the particle size and refractive index of the minute particles.

なお、集光位置に近づくほど透過光強度は高くなり、集光位置で透過光強度が最大となり、ふたたび集光位置から離れることにより、透過光強度は低下する。すなわち、透過光強度が最大となる位置が集光位置である。このとき、対物レンズ16と透過光強度が最大となる位置との間の距離を測定することにより、集光位置を特定することができる。 Furthermore, the transmitted light intensity increases as you approach the focusing position, reaching its maximum at the focusing position. As you move away from the focusing position, the transmitted light intensity decreases again. In other words, the position where the transmitted light intensity is maximum is the focusing position. At this time, the focusing position can be determined by measuring the distance between the objective lens 16 and the position where the transmitted light intensity is maximum.

この場合において、照明光の光路は、以下の式により表すことができるので、対物レンズ16と透過光強度が最大となる位置との間の距離に加えて、微小粒子の粒子径がわかっていれば、下記の光線追跡行列により表された方程式を解くことで、微小粒子の屈折率がわかる。 In this case, the optical path of the illumination light can be expressed by the following equation. Therefore, if the distance between the objective lens 16 and the position where the transmitted light intensity is maximum, as well as the particle size of the minute particles, are known, the refractive index of the minute particles can be determined by solving the equation expressed by the ray tracing matrix below.

図2は、光線追跡行列におけるパラメータの説明図である。上記光線追跡行列において、微小粒子PCの半径をrとし、微小粒子の屈折率をnとし、対象となる微小粒子において照明光Lの透過光強度が最大となるときの微小粒子と対物レンズ16との間の距離をzとする。また、微小粒子に照明光Lが入射したときの光軸からの距離をxとし、微小粒子に照明光Lが入射したときの入射角度をuとする。また、イメージセンサ18に入射した照明光Lの光軸からの距離をxとし、イメージセンサ18に入射した照明光Lの入射角度をuとする。 Figure 2 is an explanatory diagram of the parameters in the ray tracing matrix. In the ray tracing matrix described above, the radius of the microparticle PC is r, the refractive index of the microparticle is n, and the distance between the microparticle and the objective lens 16 when the transmitted light intensity of the illumination light L is maximum is z. Also, the distance from the optical axis when the illumination light L is incident on the microparticle is x0 , and the angle of incidence when the illumination light L is incident on the microparticle is u0 . Also, the distance from the optical axis of the illumination light L incident on the image sensor 18 is x1 , and the angle of incidence of the illumination light L incident on the image sensor 18 is u1 .

さらに、対物レンズ16と結像レンズ17との距離をlとし、結像レンズ17とイメージセンサ18との距離をlとする。また、対物レンズの焦点距離をfとし、結像レンズ17の焦点距離をfとする。 Furthermore, let l1 be the distance between the objective lens 16 and the imaging lens 17, and l2 be the distance between the imaging lens 17 and the image sensor 18. Also, let f1 be the focal length of the objective lens, and f2 be the focal length of the imaging lens 17.

そして、上述のように、微小粒子の屈折率がわかっていれば、上記光線追跡行列により表された方程式を解くことにより、微小粒子の粒子径を算出できる。 Furthermore, as described above, if the refractive index of a minute particle is known, the particle size of the minute particle can be calculated by solving the equation expressed by the ray tracing matrix mentioned above.

また、有機系廃水処理において用いられる有用微生物は、条件によっては、微小粒子とみなすことが可能である。条件とは、例えば、有用微生物が芽胞を形成している場合である。芽胞を形成している場合には、形状等が変化しなくなるとともに、その形状も有用微生物によりほぼ一定であるためである。 Furthermore, beneficial microorganisms used in organic wastewater treatment can be considered as microparticles under certain conditions. These conditions include, for example, the formation of spores. When spores are formed, their shape and other characteristics remain unchanged, and their shape is almost constant due to the beneficial microorganisms themselves.

有用微生物の芽胞は、固有の大きさ(例えば粒子径)及び固有の屈折率を有していることから、微小粒子と同様に取り扱うことにより、このような有用微生物の検出、観測視野あたりの個数(ひいては、濃度)を計測することが可能となる。 Because spores of beneficial microorganisms possess a unique size (e.g., particle diameter) and refractive index, treating them similarly to fine particles makes it possible to detect such beneficial microorganisms and measure their number (and consequently, their concentration) per observation field.

濃度を計測する場合には、光軸方向に沿って、観察位置(画像撮像位置)を走査することにより、観察視野×走査距離に対応する容積中における有用微生物の個数を計測することで、濃度の計測が可能となる。 To measure concentration, the number of beneficial microorganisms in a volume corresponding to the observation field of view × scanning distance is measured by scanning the observation position (image acquisition position) along the optical axis, thereby enabling concentration measurement.

ところで、光の屈折率が既知で粒径が1μm以下である汚泥中のバチルス(Bacillus)属菌株の芽胞(バチルス芽胞)では、透過光強度が最大となる距離zに対応する位置は画像取得においての焦点距離fに対応する被写界深度内(実効的な焦点位置)に位置することがわかっている。このため、あらかじめ設定した透過光強度閾値に基づいて閾値以上の光強度を持つ部分をバチルス芽胞と見なすことができる。 Incidentally, it has been found that in spores of Bacillus strains in sludge with a known refractive index and particle size of 1 μm or less (bacillus spores), the position corresponding to the distance z where the transmitted light intensity is maximum is located within the depth of field (effective focal position) corresponding to the focal length f1 in image acquisition. Therefore, based on a pre-set transmitted light intensity threshold, the portion with a light intensity above the threshold can be considered a bacillus spore.

この場合において、バチルス芽胞を含む液体の透過光強度は、バチルス芽胞を含まない液体の透過光強度よりも大きくなる。
したがって、バチルス芽胞を含むか否かの判断を行うための透過光強度の閾値を、芽胞を含まない液中における透過光強度よりやや大きな値とすることにより、バチルス芽胞を確実に検出することができる。
In this case, the transmitted light intensity of the liquid containing Bacillus spores will be greater than that of the liquid without Bacillus spores.
Therefore, by setting the threshold for transmitted light intensity used to determine whether or not a sample contains Bacillus spores to a value slightly greater than the transmitted light intensity in a solution without spores, Bacillus spores can be reliably detected.

さらに、設定した閾値を用いて、試料を光軸方向に連続的に移動させつつ、順次画像を撮像し、撮像画像から得られた場所毎(画素毎)の透過光強度と微小粒子としてのバチルス芽胞の大きさ(粒子径)を判断基準とする深層学習(機械学習)を組み合わせることでバチルス芽胞の検出及び個数の計測、ひいては、バチルス芽胞の濃度の計測を高精度化することが可能となる。 Furthermore, by using a set threshold to continuously move the sample in the optical axis direction while sequentially acquiring images, and combining this with deep learning (machine learning) that uses the transmitted light intensity at each location (per pixel) obtained from the acquired images as criteria, it becomes possible to detect and measure the number of Bacillus spores, and ultimately, the concentration of Bacillus spores, with higher accuracy.

深層学習を行う場合、例えば、微小粒子の濃度が異なる複数の試料を予め調整し、各試料毎にユーザ(作業者)の人手による検出結果が深層学習による検出結果と等しくなるように、教師あり学習を行って、学習対象の微小粒子の粒子径及び屈折率に応じて得られる微小粒子の検出結果を得るようにすればよい。 When performing deep learning, for example, multiple samples with different concentrations of microparticles can be prepared in advance. Supervised learning can then be performed for each sample so that the detection results obtained by the user (operator) are equal to the detection results obtained by deep learning. This allows for obtaining detection results for microparticles according to the particle size and refractive index of the microparticles being studied.

次に、図3は、バチルス芽胞についての相対透過光強度などの説明図である。詳しくは、この図3は、バチルス芽胞について透過光強度が最大となるときのバチルス芽胞と対物レンズ16との間の距離zに対する実際の対物レンズ16の位置の差と、相対透過光強度と、の関係を説明する図である。 Next, Figure 3 is an explanatory diagram illustrating the relative transmitted light intensity for Bacillus spores. More specifically, Figure 3 illustrates the relationship between the relative transmitted light intensity and the difference between the actual position of the objective lens 16 and the distance z between the Bacillus spore and the objective lens 16, when the transmitted light intensity for the Bacillus spore is maximized.

また、図4は、アクリル粒子についての相対透過光強度などの説明図である。より詳しくは、この図4は、粒子径=30μmのアクリル粒子について透過光強度が最大となるときのアクリル粒子(微小粒子)と対物レンズ16との間の距離zに対する実際の対物レンズ16の位置の差と、相対透過光強度と、の関係を説明する図である。 Furthermore, Figure 4 is an explanatory diagram regarding the relative transmitted light intensity for acrylic particles. More specifically, Figure 4 explains the relationship between the relative transmitted light intensity and the difference in the actual position of the objective lens 16 relative to the distance z between the acrylic particle (microparticle) and the objective lens 16, when the transmitted light intensity is maximized for acrylic particles with a particle diameter of 30 μm.

まず、バチルス芽胞及びアクリル粒子について、イメージセンサ18により焦点位置における画像を取得した。
その後、ステージ駆動部14によりステージ13を光軸方向に沿って上下方向に移動させ、イメージセンサ18上でそれぞれの微小粒子の相対透過光強度が最大となるときの対物レンズ16の位置と、実際の対物レンズ16の位置との位置差Δzをレーザ変位計15により測定した。
First, images of Bacillus spores and acrylic particles were acquired at the focal point using the image sensor 18.
Subsequently, the stage 13 was moved vertically along the optical axis direction by the stage drive unit 14, and the positional difference Δz between the position of the objective lens 16 when the relative transmitted light intensity of each minute particle on the image sensor 18 was maximum and the actual position of the objective lens 16 was measured by the laser displacement meter 15.

図3(A)は、バチルス芽胞を含む液体において、相対透過光強度が最大となった場合の撮像画像である。図3(A)に示すように、撮像領域の中心で相対透過光強度が最大となっていることがわかる。そして、図3(B)に示すように、バチルス芽胞を含む液体においては、位置差Δz=0μmで相対透過光強度が最大となると算出された。 Figure 3(A) shows the image acquired when the relative transmitted light intensity is maximum in a liquid containing Bacillus spores. As shown in Figure 3(A), it can be seen that the relative transmitted light intensity is maximum at the center of the imaging region. Furthermore, as shown in Figure 3(B), it was calculated that in a liquid containing Bacillus spores, the relative transmitted light intensity is maximum at a positional difference Δz = 0 μm.

これに対し、図4(B)に示すように、粒子径=30μmのアクリル粒子を含む液体の場合、バチルス芽胞において相対透過光強度が最大となった位置差Δ0μmにおいては、相対透過光強度は負の値を有している。すなわち、透過光強度は、背景光強度より低くなっていることがわかる。また、図4(A)に示すように、アクリル粒子の周辺で相対透過光強度が最小となっていることがわかる。そして、図4(B)に示すように、粒子径=30μmのアクリル粒子を含む液体においては、位置差Δz=±15μmより外側で相対透過光強度が最大となると算出された。 In contrast, as shown in Figure 4(B), in the case of a liquid containing acrylic particles with a particle size of 30 μm, the relative transmitted light intensity is negative at a position difference of Δ0 μm where the relative transmitted light intensity is maximum in the Bacillus spore. That is, the transmitted light intensity is lower than the background light intensity. Furthermore, as shown in Figure 4(A), the relative transmitted light intensity is minimum around the acrylic particles. Finally, as shown in Figure 4(B), it was calculated that in a liquid containing acrylic particles with a particle size of 30 μm, the relative transmitted light intensity is maximum outside a position difference of Δz = ±15 μm.

また、図4(C)は、粒子径=30μmのアクリル粒子を含む液体において、相対透過光強度が最大となった場合の撮像画像である。図4(C)に示すように、撮像領域の中心で相対透過光強度が最大となっていることがわかる。そして、図4(D)に示すように、粒子径=30μmのアクリル粒子を含む液体においては、位置差Δz=26μmで相対透過光強度が最大となると算出された。 Furthermore, Figure 4(C) shows the image captured when the relative transmitted light intensity was maximum in a liquid containing acrylic particles with a particle size of 30 μm. As shown in Figure 4(C), it can be seen that the relative transmitted light intensity is maximum at the center of the imaging region. And, as shown in Figure 4(D), it was calculated that the relative transmitted light intensity is maximum in a liquid containing acrylic particles with a particle size of 30 μm at a position difference Δz = 26 μm.

この計測結果に基づき、上述した光線追跡行列を用いてバチルス芽胞及び粒子径30μmのアクリル粒子について、透過光強度が最大となるときの微小粒子であるバチルス芽胞及び粒子径30μmのアクリル粒子から対物レンズ16迄の距離zと、対物レンズの焦点距離との差に相当する位置差Δzを算出したところ、バチルス芽胞を含む液体における位置差Δz=0.9μm、粒子径30μmのアクリル粒子を含む液体における位置差Δz=22.5μmとなり、レーザ変位計15を用いた計測結果とほぼ一致することがわかった。このときの対物レンズ16と結像レンズ17との距離をl=130mm、結像レンズ17とイメージセンサ18との距離をl=164.5mm、対物レンズの焦点距離をf=4.1125mm、結像レンズ17の焦点距離をf=164.5mmとした。また、バチルス芽胞のr=1μm、n=1.4とし、アクリル粒子のn=1.5とした。 Based on these measurement results, the position difference Δz, which corresponds to the difference between the distance z from the Bacillus spores and 30 μm acrylic particles (which are the finest particles when the transmitted light intensity is maximum) to the objective lens 16 and the focal length of the objective lens, was calculated using the ray tracing matrix described above. The position difference Δz was found to be 0.9 μm for the liquid containing Bacillus spores and 22.5 μm for the liquid containing 30 μm acrylic particles, which was found to be in close agreement with the measurement results using the laser displacement meter 15. At this time, the distance between the objective lens 16 and the imaging lens 17 was set to l1 = 130 mm, the distance between the imaging lens 17 and the image sensor 18 was set to l2 = 164.5 mm, the focal length of the objective lens was set to f1 = 4.1125 mm, and the focal length of the imaging lens 17 was set to f2 = 164.5 mm. Furthermore, the r = 1 μm and n = 1.4 were set for Bacillus spores, and n = 1.5 for acrylic particles.

特に、バチルス芽胞を含む液体における位置差Δz=0.9μmは、実効的に対物レンズ16の焦点距離と等しく(被写界深度内)、相対透過光強度は、焦点位置において最大となることがわかった。
このことから、バチルス芽胞の計測においては、焦点距離における透過光強度を測定することで、バチルス芽胞の検出が可能であるということがわかった。
In particular, it was found that the positional difference Δz = 0.9 μm in the liquid containing Bacillus spores is effectively equal to the focal length of the objective lens 16 (within the depth of field), and the relative transmitted light intensity is maximum at the focal point.
This indicates that Bacillus spores can be detected by measuring the transmitted light intensity at the focal length.

このようにして、バチルス芽胞について、透過光強度が最大の時に中心部が明るく光るという特性を利用し、撮像画像からバチルス芽胞のみを検出可能である。 In this way, by utilizing the characteristic that the center of a Bacillus spore glows brightly when the transmitted light intensity is maximum, it is possible to detect only Bacillus spores from the acquired image.

次に、図5は、汚泥の撮像画像の例を示す図である。図5(a)(b)に示すように、撮像画像には、バチルス芽胞Bのほかに、夾雑物Cが映る場合もある。 Next, Figure 5 shows an example of an image of sludge. As shown in Figures 5(a) and 5(b), the image may also show contaminants C in addition to Bacillus spores B.

次に、図6は、深層学習で使用する撮像画像と教示画像の例を示す図である。(a)はバチルス芽胞Bと夾雑物Cが映っている撮像画像である。この撮像画像に対してユーザが正解データとしてバチルス芽胞Bの中心位置Pを与えて(b)に示す教示画像とする。これらの画像を用いて、撮像画像においてバチルス芽胞Bの中心位置Pを検出するようにネットワークを学習させることで、深層学習を行うことができる。 Next, Figure 6 shows examples of captured images and training images used in deep learning. (a) is a captured image showing a Bacillus spore B and impurities C. The user provides the central position P of the Bacillus spore B as ground truth data for this captured image, resulting in the training image shown in (b). By training the network to detect the central position P of the Bacillus spore B in the captured image using these images, deep learning can be performed.

次に、図7は、深層学習によるバチルス検出結果の例を示す図である。検出部22は、深層学習を用いた画像処理によるバチルス芽胞の検出結果の尤度(画素ごとのバチルス芽胞の中心位置である可能性(確からしさ))を算出する。 Next, Figure 7 shows an example of Bacillus detection results using deep learning. The detection unit 22 calculates the likelihood (the probability (likelihood) that each pixel is the central position of a Bacillus spore) of the Bacillus spore detection result using deep learning-based image processing.

図7(a)は入力画像(撮像画像)である。検出部22は、例えば、図7(b)に示す尤度マップを算出する。この尤度マップは、明るいほど尤度が高く、暗いほど尤度が低いことを示す。符号Qは、バチルス芽胞B(図7(a))に対応して尤度が高くなっている部分である。 Figure 7(a) is the input image (captured image). The detection unit 22 calculates a likelihood map, for example, shown in Figure 7(b). This likelihood map indicates that brighter areas have a higher likelihood, and darker areas have a lower likelihood. The symbol Q corresponds to the Bacillus spore B (Figure 7(a)), where the likelihood is high.

そして、検出部22は、この尤度を閾値処理し、一定以上の尤度を持つ画素をバチルスの中心位置とすることで、図7(c)に示す検出結果を得る。図7(c)において、符号Sは、検出したバチルス芽胞の中心位置を示す。 The detection unit 22 then performs thresholding on this likelihood and selects pixels with a likelihood above a certain level as the central position of the Bacillus spore, thereby obtaining the detection result shown in Figure 7(c). In Figure 7(c), the symbol S indicates the central position of the detected Bacillus spore.

次に、信頼度の閾値について詳細に説明する。信頼度の閾値は、例えば、バチルスの優占化濃度を測定するために必要な画像枚数や、微小粒子計測システム10が測定できる最低濃度や、微小粒子計測システム10の測定誤差などに基づいて設定する。 Next, we will explain the confidence threshold in detail. The confidence threshold is set based on factors such as the number of images required to measure the dominance concentration of Bacillus, the minimum concentration that the microparticle measurement system 10 can measure, and the measurement error of the microparticle measurement system 10.

また、信頼度の閾値は、例えば、微小粒子計測システム10で事前に設定した値を使用してもよいし、あるいは、微小粒子計測システム10を導入する現場ごとに異なる値を設定してもよい。 Furthermore, the confidence threshold may be a value pre-set in the fine particle measurement system 10, or a different value may be set for each site where the fine particle measurement system 10 is installed.

具体的には、信頼度の閾値を、例えば、以下の信頼度の指標の各例について、1.0と設定する。その場合、信頼度が1.0以上になるように測定作業を実施する。また、濃度測定結果の信頼度をより高めたい場合は、閾値を1.0より大きい値に設定してもよい。逆に、信頼度が高くなくてよい場合は、閾値を1.0より小さく設定してもよい。 Specifically, the confidence threshold is set to 1.0 for each of the following confidence indicators. In this case, the measurement process is performed so that the confidence level is 1.0 or higher. Furthermore, if a higher confidence level for the concentration measurement results is desired, the threshold may be set to a value greater than 1.0. Conversely, if a high level of confidence is not required, the threshold may be set to a value less than 1.0.

以下、信頼度の指標の例について説明する。 The following are examples of confidence indicators.

(信頼度の指標が微小粒子の個数)
信頼度の指標が微小粒子の個数の場合、算出部23は、検出した微小粒子の個数に基づいて、信頼度を算出する。
(The confidence level is measured by the number of microparticles.)
If the confidence index is the number of fine particles, the calculation unit 23 calculates the confidence level based on the number of fine particles detected.

例えば、バチルス芽胞をL個計測すれば統計的に計測濃度と実際の濃度が一致すると仮定する。このとき、信頼度を以下の式で算出する。
For example, if we measure L Bacillus spores, we can assume that the measured concentration will statistically match the actual concentration. In this case, the confidence level is calculated using the following formula.

生物測定に関する手法(標準計数法)には、測定対象生物を約30個計測すれば統計的に計測濃度と実際の濃度が一致するという考え方がある。したがって、例えば、変数Lを30とすることができる。 One method for biological measurement (standard counting method) is based on the idea that measuring approximately 30 target organisms will statistically correlate the measured concentration with the actual concentration. Therefore, for example, the variable L can be set to 30.

なお、その場合、上述の式ではなく、図8に示す参照テーブルを用いて信頼度を算出してもよい。ただし、変数L=30は一例であり、バチルス個数の値の範囲や信頼度の値は任意に設定することができる。 In this case, the confidence level may be calculated using the reference table shown in Figure 8, rather than the formula described above. However, variable L = 30 is just an example; the range of values for the number of Bacillus cells and the confidence level can be set arbitrarily.

(信頼度の指標が撮像画像の枚数)
信頼度の指標が撮像画像の枚数の場合、算出部23は、撮像画像の枚数に基づいて、信頼度を算出する。
(The reliability indicator is the number of captured images)
If the reliability index is the number of captured images, the calculation unit 23 calculates the reliability based on the number of captured images.

有機系廃水処理において、バチルスが優占化する濃度は105[個/ml]以上である。この濃度を測定するために必要な撮像画像枚数から信頼度を計算する。 In organic wastewater treatment, Bacillus becomes dominant at concentrations of 10⁵ [cells/ml] or higher. The confidence level is calculated from the number of images required to measure this concentration.

例えば、バチルス濃度が105[個/ml]のとき、「撮像画像1枚あたりにバチルスがm個映る」とすると、「測定対象生物をL個計測」するためには、L/m枚の画像が必要である。よって、信頼度を以下の式で算出する。
For example, if the Bacillus concentration is 10⁵ [cells/ml], and "m Bacillus cells are captured in each image," then L/m images are needed to "measure L target organisms." Therefore, the confidence level is calculated using the following formula.

画像枚数に基づいて信頼度を算出するので、作業者にとってわかりやすい。つまり、例えば、信頼度が基準を満たさない場合、撮像画像の枚数を増やすだけでよい。 The reliability is calculated based on the number of images, making it easy for the operator to understand. In other words, for example, if the reliability does not meet the standard, all that is needed is to increase the number of images taken.

また、微小粒子計測システム10が測定できる(または測定したい)最低濃度が決められている場合、同様に信頼度を求めることができる。 Furthermore, if the minimum concentration that the fine particle measurement system 10 can measure (or that you wish to measure) is predetermined, the reliability can be similarly determined.

例えば、微小粒子計測システム10が測定できる最低濃度が103[個/ml]のとき、「撮像画像1枚あたりにバチルスがn個映る」とすると、「測定対象生物をL個計測」するためには、L/n枚の画像が必要である。よって、信頼度を以下の式で算出する。
For example, if the minimum concentration that the microparticle measurement system 10 can measure is 10³ [particles/ml], and "n Bacillus organisms are captured in each image," then L/n images are needed to "measure L target organisms." Therefore, the confidence level is calculated using the following formula.

(信頼度の指標がバチルス芽胞の検出結果の尤度)
信頼度の指標がバチルス芽胞の検出結果の尤度の場合、算出部23は、深層学習を用いた画像処理によるバチルス芽胞の検出結果の尤度に基づいて、信頼度を算出する。
(The confidence index is the likelihood of detecting Bacillus spores.)
If the confidence index is the likelihood of the Bacillus spore detection result, the calculation unit 23 calculates the confidence level based on the likelihood of the Bacillus spore detection result obtained by image processing using deep learning.

例えば、信頼度の基準を「バチルス検出結果の尤度の平均値がr以上」としたとき、信頼度を以下の式で算出する。
For example, if the confidence criterion is "the mean likelihood of the Bacillus detection result is r or greater," the confidence level is calculated using the following formula.

(信頼度の指標が夾雑物の検出結果)
信頼度の指標がバチルス芽胞以外の夾雑物の検出結果の場合、算出部23は、夾雑物の検出結果に基づいて、信頼度を算出する。
(The confidence level is measured by the detection results of impurities.)
If the confidence index is the result of detecting impurities other than Bacillus spores, the calculation unit 23 calculates the confidence level based on the detection result of the impurities.

例えば、信頼度の基準を「バチルス以外の夾雑物が占めるピクセル数がs以下」としたとき、信頼度を以下の式で算出する。
For example, if the confidence criterion is "the number of pixels occupied by non-Bacillus particles is s or less," the confidence level is calculated using the following formula.

また、夾雑物が占めるピクセル数のほかに、夾雑物の大きさや個数などを用いて信頼度を算出するようにしてもよい。 Furthermore, in addition to the number of pixels occupied by the interfering elements, the confidence level may also be calculated using the size and number of the interfering elements.

次に、図9は、実施形態の微小粒子計測システム10による処理を示すフローチャートである。まず、この処理以前の作業などについて説明する。 Next, Figure 9 is a flowchart showing the processing performed by the microparticle measurement system 10 of the embodiment. First, we will explain the steps taken prior to this processing.

まず、測定作業者は、測定したい微生物(バチルス)が存在する水処理装置から採水する。採水した検体に所定の前処理(フィルタ処理、加熱処理など)を実施する。前処理の終わった検体を微小粒子計測システム10にセットする。 First, the measurement operator collects water from a water treatment device containing the microorganism (Bacillus) to be measured. The collected sample undergoes a predetermined pretreatment (filtering, heat treatment, etc.). The pretreated sample is then placed in the microparticle measurement system 10.

次に、図9のステップS1において、取得部21は、イメージセンサ18から撮像画像を取得する。 Next, in step S1 of Figure 9, the acquisition unit 21 acquires the captured image from the image sensor 18.

次に、ステップS2において、検出部22は、撮像画像に映っているバチルス芽胞を検出する。 Next, in step S2, the detection unit 22 detects Bacillus spores visible in the captured image.

次に、ステップS3において、算出部23は、ステップS2による検出結果と所定の指標に基づいて微小粒子検出の信頼度を算出する。 Next, in step S3, the calculation unit 23 calculates the reliability of the fine particle detection based on the detection results from step S2 and a predetermined index.

次に、ステップS4において、処理部24は、ステップS3で算出した信頼度が閾値以上か否かを判定し、Yesの場合は処理を終了し、Noの場合はステップS5に進む。 Next, in step S4, the processing unit 24 determines whether the confidence level calculated in step S3 is equal to or greater than the threshold. If the answer is Yes, the process terminates; otherwise, the process proceeds to step S5.

ステップS5において、処理部24は、信頼度を向上させるための所定の動作をユーザに要求する画面を表示部26に表示させる。例えば、処理部24は、追加の撮像画像の取得をユーザに要求する。ユーザは、この表示を見て、信頼度が上がるように、スライドガラス12をずらしてイメージセンサ18による撮像を行ったり、スライドガラス12を交換してイメージセンサ18による撮像を行ったりする。 In step S5, the processing unit 24 displays a screen on the display unit 26 requesting the user to perform a predetermined action to improve reliability. For example, the processing unit 24 requests the user to acquire additional images. The user, upon seeing this display, may shift the slide glass 12 to perform imaging with the image sensor 18, or replace the slide glass 12 to perform imaging with the image sensor 18, in order to improve reliability.

ユーザが行う作業としては、ほかに、例えば、夾雑物を除去するためのフィルタ処理や、バチルスの生菌を芽胞化させる加熱処理、活性剤注入などがある。 Other tasks performed by the user include, for example, filtering to remove impurities, heat treatment to induce spore formation of Bacillus bacteria, and injection of activators.

また、信頼度を高める操作を一定回数以上行っても信頼度が閾値以上とならない状態が続いた場合、測定結果を「計測下限以下の濃度」または「測定不能」とし、測定を終了するようにしてもよい。 Furthermore, if the reliability does not reach a threshold level even after performing reliability-enhancing operations a certain number of times, the measurement result may be marked as "concentration below the detection limit" or "unmeasurable," and the measurement may be terminated.

また、例えば、微小粒子計測システム10の構成が異なっていて、スライドガラス12を使用せずに検体を直接撮像する場合、検体を振るなどして状態を変えてからイメージセンサ18による撮像を行ってもよい。 Furthermore, for example, if the configuration of the microparticle measurement system 10 is different and the sample is imaged directly without using the slide glass 12, the sample may be shaken or otherwise altered before imaging with the image sensor 18.

また、例えば、微小粒子計測システム10の構成が異なっていて、追加の新たな撮像画像の自動的な取得が可能になっている場合、処理部24が自動的に追加の新たな撮像画像を取得するようにしてもよい。その場合、例えば、スライドガラス12を自動的にずらす装置が設けられているものとする。 Furthermore, if, for example, the configuration of the microparticle measurement system 10 is different and it is possible to automatically acquire additional new images, the processing unit 24 may be configured to automatically acquire these additional new images. In that case, for example, a device for automatically shifting the slide glass 12 may be provided.

ステップS5で要求した所定の動作が終わった後、再びステップS1以降の処理を実行する。 After the predetermined operation requested in step S5 is completed, the processes from step S1 onward are executed again.

このようにして、本実施形態の微小粒子計測システム10によれば、微小粒子検出の信頼度を算出し、信頼度に基づいて次の処理を決定することで、微小粒子測定の精度を向上させることができる。つまり、信頼度が低い場合に作業者に具体的な作業を要求することで、専門知識のない作業者でも適切な作業を容易に実行できる。 In this way, the microparticle measurement system 10 of this embodiment can improve the accuracy of microparticle measurement by calculating the reliability of microparticle detection and determining the next processing step based on that reliability. In other words, by requesting specific actions from the operator when the reliability is low, even operators without specialized knowledge can easily perform the appropriate tasks.

なお、以上では、微小粒子計測システム10をスタンドアロンで構成する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、微小粒子計測システム10は、ローカル端末側でイメージセンサ18により撮像画像を取得し、その撮像画像を通信インタフェース及び通信ネットワークを介してクラウドサーバに転送し、クラウドサーバ側で情報処理装置20による処理を行い、処理結果をローカル端末で表示するようにしてもよい。 The above description focuses on a standalone configuration of the microparticle measurement system 10, but it is not limited to this configuration. For example, the microparticle measurement system 10 may acquire images using an image sensor 18 on the local terminal side, transfer these images to a cloud server via a communication interface and communication network, process them using an information processing device 20 on the cloud server side, and display the processing results on the local terminal.

また、本実施形態の微小粒子計測システム10は、CPU(Central Processing Unit)などの制御装置と、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)などの記憶装置と、HDD(Hard Disk Drive)などの外部記憶装置と、ディスプレイ装置などの表示装置と、キーボードやマウスなどの入力装置を備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成となっている。 Furthermore, the microparticle measurement system 10 of this embodiment includes a control device such as a CPU (Central Processing Unit), a storage device such as a ROM (Read Only Memory) or RAM (Random Access Memory), an external storage device such as an HDD (Hard Disk Drive), a display device such as a display unit, and an input device such as a keyboard or mouse, thus having a hardware configuration that utilizes a standard computer.

また、本実施形態の微小粒子計測システム10で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルで、DVD(Digital Versatile Disk)、USB(Universal Serial Bus)メモリ、SSD(Solid State Drive)などの半導体記憶装置等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。 Furthermore, the program executed by the microparticle measurement system 10 of this embodiment is provided as an installable or executable file, recorded on a computer-readable recording medium such as a DVD (Digital Versatile Disk), USB (Universal Serial Bus) memory, or SSD (Solid State Drive) or other semiconductor storage device.

また、当該プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、当該プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。 Furthermore, the program may be configured to be stored on a computer connected to a network such as the Internet and provided by downloading it via the network. Alternatively, the program may be configured to be provided or distributed via a network such as the Internet.

また、当該プログラムを、ROM等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。 Furthermore, the program may be pre-installed and provided in ROM or similar media.

10…微小粒子計測システム、11…光源、12…スライドガラス、13…ステージ、14…ステージ駆動部、15…レーザ変位計、16…対物レンズ、17…結像レンズ、18…イメージセンサ、19…計測制御部、20…情報処理装置、21…取得部、22…検出部、23…算出部、24…処理部、25…記憶部、26…表示部

10...Microparticle measurement system, 11...Light source, 12...Slide glass, 13...Stage, 14...Stage drive unit, 15...Laser displacement meter, 16...Objective lens, 17...Imaging lens, 18...Image sensor, 19...Measurement control unit, 20...Information processing device, 21...Acquisition unit, 22...Detection unit, 23...Calculation unit, 24...Processing unit, 25...Storage unit, 26...Display unit

Claims (5)

測定対象の微小粒子を含む液体に対して照明光を出射する光源と、
前記照明光を集光する対物レンズと、
集光された前記照明光を結像する結像レンズと、
結像された前記照明光を撮像して撮像画像を出力するイメージセンサと、
前記撮像画像に映っている前記微小粒子を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果と前記撮像画像の枚数に基づいて微小粒子検出の信頼度を算出する算出部と、
前記信頼度に基づいて次の処理を決定する処理部と、
を備える微小粒子計測システム。
A light source that emits illumination light onto a liquid containing the fine particles to be measured,
An objective lens that focuses the aforementioned illumination light,
An imaging lens that forms an image of the focused illumination light,
An image sensor captures the imaged illumination light and outputs the captured image,
A detection unit for detecting the minute particles shown in the captured image,
A calculation unit calculates the reliability of minute particle detection based on the detection results from the detection unit and the number of captured images,
A processing unit that determines the next process based on the aforementioned reliability,
A microparticle measurement system equipped with the following features.
前記処理部は、前記信頼度が所定の閾値未満の場合に、前記信頼度を向上させるための所定の動作をユーザに要求する画面を表示部に表示させる、請求項1に記載の微小粒子計測システム。 The fine particle measurement system according to claim 1, wherein the processing unit displays a screen on the display unit requesting the user to perform a predetermined action to improve the reliability when the reliability is below a predetermined threshold. 前記処理部は、前記信頼度が所定の閾値未満の場合に、追加の前記撮像画像の取得をユーザに要求する、請求項1に記載の微小粒子計測システム。The microparticle measurement system according to claim 1, wherein the processing unit requests the user to acquire additional images when the reliability is below a predetermined threshold. 前記処理部は、前記信頼度が所定の閾値未満の場合に、自動的に追加の前記撮像画像を取得する、請求項1に記載の微小粒子計測システム。The microparticle measurement system according to claim 1, wherein the processing unit automatically acquires additional captured images when the reliability is below a predetermined threshold. 測定対象の微小粒子を含む液体に対して照明光を出射する光源と、前記照明光を集光する対物レンズと、集光された前記照明光を結像する結像レンズと、結像された前記照明光を撮像して撮像画像を出力するイメージセンサと、検出部と、算出部と、処理部と、を備える微小粒子計測システムによる微小粒子計測方法であって、A method for measuring minute particles using a minute particle measurement system comprising: a light source that emits illumination light onto a liquid containing minute particles to be measured; an objective lens that focuses the illumination light; an imaging lens that forms an image of the focused illumination light; an image sensor that captures the imaged illumination light and outputs an image; a detection unit; a calculation unit; and a processing unit, wherein the system comprises:
前記検出部が、前記撮像画像に映っている前記微小粒子を検出する検出ステップと、The detection unit performs a detection step of detecting the minute particles that are visible in the captured image,
前記算出部が、前記検出ステップによる検出結果と前記撮像画像の枚数に基づいて微小粒子検出の信頼度を算出する算出ステップと、The calculation unit performs a calculation step in which it calculates the reliability of the detection of minute particles based on the detection result from the detection step and the number of captured images,
前記処理部が、前記信頼度に基づいて次の処理を決定する処理ステップと、を含む微小粒子計測方法。A method for measuring fine particles, comprising a processing step in which the processing unit determines the next processing based on the reliability.
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