JP2008136415A - 観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、コストを抑えながら薬剤刺激観察の精度を向上させることのできる観察装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の観察装置は、被観察物に対する投薬の有無を監視するセンサ（１５１）と、前記センサ（１５１）の出力に基づき投薬タイミングを記録する記録手段（１７０）とを備えたことを特徴とする。このようにして投薬タイミングを自動管理すれば、電動投薬装置を使用しなくともユーザの手間を軽減することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、培養細胞などの薬剤刺激観察に適用可能な観察装置に関する。

培養容器の培地の環境を制御しながら、培地で生育中の培養細胞を拡大撮影する顕微鏡システムが実用化されている（特許文献１などを参照）。この顕微鏡システムでは、培養細胞に生じる緩やかな時間変化を視覚的に捉えるため、タイムラプス撮影が有効である（特許文献２などを参照）。このタイムラプス撮影のインターバルを短期間（例えば１００ｍｓｅｃ）に設定すれば、培養細胞に薬剤刺激を与えたときに生じる急速な薬剤反応を捉えることもできる。

タイムラプス撮影で取得された多数の画像データは、コンピュータによって管理される。薬剤反応を観察するためにユーザが投薬を行った場合は、その投薬タイミングを示す情報（投薬情報）も画像データと共に管理されることが望ましい。
特開２００５−３２６４９５号公報 特開２００６−２２０９０４号公報

しかし、投薬情報をコンピュータへ入力する作業は手間が掛かり、仮に投薬情報をワンタッチで入力できたとしても、投薬の際にユーザの意識を投薬のみに集中させることができないので、投薬に失敗する可能性がある。例えば、培地に振動が加わり、培養細胞が培地内を浮遊して対物レンズの視野から外れる可能性がある。このような失敗を防ぐために電動投薬装置も提案されているが、コスト高である。

そこで本発明は、コストを抑えながら薬剤刺激観察の精度を向上させることのできる観察装置を提供することを目的とする。

本発明の観察装置は、被観察物に薬剤が投薬されたときの変化を観察する観察装置において、前記被観察物に対する前記投薬の有無を監視するセンサと、前記センサの出力に基づき投薬タイミングを記録する記録手段とを備えたことを特徴とする。
なお、前記被観察物を収容する容器に前記薬剤を導くための管を更に備えることが望ましい。

また、前記センサは、前記薬剤の経路である前記管の圧力変化を検出してもよい。
また、前記センサは、前記被観察物の重量変化を検出してもよい。
また、前記センサは、前記投薬された前記薬剤により起こる前記被観察物の光学的特性の変化を検出してもよい。
また、前記センサは、前記薬剤の経路である前記管の光学的特性の変化を検出してもよい。

また、本発明の何れかの観察装置は、前記被観察物のタイムラプス撮影を行う撮影手段を更に備えてもよい。
また、本発明の何れかの観察装置は、前記記録手段が記録した投薬タイミングの情報を表示する表示手段を更に備えてもよい。

本発明によれば、コストを抑えながら薬剤刺激観察の精度を向上させることのできる観察装置が実現する。

［実施形態］
本発明の実施形態を説明する。本実施形態は、顕微鏡システムの実施形態である。
先ず、顕微鏡システムの構成を説明する。
図１は、顕微鏡システムの構成図である。図１に示すとおり顕微鏡システムには、装置本体１０と、コンピュータ１７０と、モニタ１６０と、入力器１８０とが備えられる。装置本体１０には、顕微鏡部１５０と、透過照明部４０と、冷却カメラ３００と、励起用光源７０と、光ファイバ７とが備えられる。

顕微鏡部１５０には、ステージ２３と、対物レンズ部２７と、蛍光フィルタ部３４と、結像レンズ３８と、偏向ミラー４５２と、フィールドレンズ４１１と、コレクタレンズ４１とが備えられ、透過照明部４０には、透過照明用光源４７と、フィールドレンズ４４と、偏向ミラー４５とが備えられる。
ステージ２３には、透明な培養容器２０を納めたチャンバ１００が載置される。培養容器２０は培地で満たされており、蛍光物質で標識された培養細胞がその培地内で生育している。その培養細胞をチャンバ１００の外側から観察するため、チャンバ１００の底面の一部ａと、チャンバ１００の上面の一部ｂとはそれぞれ透明部になっている。ここでは簡単のため、培養容器２０の上面が開放されている場合を説明するが、必要があれば培養容器２０の上面は培養容器２０と同質の蓋で覆われる。

対物レンズ部２７には、図１のＸ方向に亘り複数種類の対物レンズが装着されており、対物レンズ部２７が不図示の機構によりＸ方向へ駆動されると、装置本体１０の光路に配置される対物レンズの種類が切り替わる。この切り替えはコンピュータ１７０の制御下で行われる。
蛍光フィルタ部３４には、図１のＸ方向に亘り複数種類のフィルタブロックが装着されており、蛍光フィルタ部３４が不図示の機構によりＸ方向へ駆動されると、装置本体１０の光路に配置されるフィルタブロックの種類が切り替わる。この切り替えもコンピュータ１７０の制御下で行われる。

コンピュータ１７０は、光路に配置される対物レンズの種類と、光路に配置されるフィルタブロックの種類との組み合わせを、装置本体１０に設定されるべき観察方法に応じて切り替える。以下では、この切り替えによって装置本体１０の観察方法が位相差観察と２種類の蛍光観察との間で切り替わるものとする。
このうち位相差観察と蛍光観察との間では、光路に配置されるフィルタブロックの種類と、光路に配置される対物レンズの種類との双方が異なり、２種類の蛍光観察の間では、光路に配置されるフィルタブロックの種類のみが異なる。また、位相差観察と蛍光観察との間では、照明方法も異なる。

コンピュータ１７０は、位相差観察時には、透過照明部４０の光路を有効とするべく透過照明用光源４７をオンし、蛍光観察時には、落射照明部の光路（励起用光源７０、光ファイバ７、コレクタレンズ４１、フィールドレンズ４１１、偏向ミラー４５２、蛍光フィルタ部３４、対物レンズ部２７を順に経由する光路）を有効とするべく、励起用光源７０をオンする。なお、透過照明用光源４７がオンされるときに励起用光源７０はオフされ、励起用光源７０がオンされるときに透過照明用光源４７はオフされる。

位相差観察時、透過照明用光源４７から射出した光は、フィールドレンズ４４、偏向ミラー４５、チャンバ１００の透明部ｂを介して培養容器２０の中の観察ポイントｃを照明する。その観察ポイントｃを透過した光は、培養容器２０の底面、チャンバ１００の透明部ａ、対物レンズ部２７、蛍光フィルタ部３４、結像レンズ３８を介して冷却カメラ３００の受光面に達し、観察ポイントｃの位相差像を形成する。この状態で冷却カメラ３００が駆動されると、位相差像が撮像され、画像データが生成される。この画像データ（位相差画像の画像データ）は、コンピュータ１７０へ取り込まれる。

蛍光観察時、励起用光源７０から射出した光は、光ファイバ７、コレクタレンズ４１、フィールドレンズ４１１、偏向ミラー４５２、蛍光フィルタ部３４、対物レンズ部２７、チャンバ１００の透明部ａ、培養容器２０の底面を介して培養容器２０の中の観察ポイントｃを照明する。これによって、観察ポイントｃに存在する蛍光物質が励起され、蛍光を発する。この蛍光は、培養容器２０の底面、チャンバ１００の透明部ａ、対物レンズ部２７、蛍光フィルタ部３４、結像レンズ３８を介して冷却カメラ３００の受光面に達し、観察ポイントｃの蛍光像を形成する。この状態で冷却カメラ３００が駆動されると、蛍光像が撮像され、画像データが生成される。この画像データ（蛍光画像の画像データ）は、コンピュータ１７０へ取り込まれる。

なお、コンピュータ１７０は、ステージ２３のＸＹ座標及び対物レンズ部２７のＺ座標を制御することにより、培養容器２０における観察ポイントｃのＸＹＺ座標を制御する。
また、チャンバ１００には、不図示のシリコンチューブを介して不図示の加湿器が接続されており、チャンバ１００の内部の湿度及びＣＯ₂濃度は、予め決められた値の近傍にそれぞれ制御される。また、チャンバ１００の周辺の雰囲気は、不図示の熱交換器によって適度に循環され、それによってチャンバ１００の内部温度も予め決められた値の近傍に制御される。このようなチャンバ１００の内部の湿度、ＣＯ₂濃度、温度は、不図示のセンサを介してコンピュータ１７０が監視する。その一方で、冷却カメラ３００は装置本体１０の他の部分とは別の筐体に納められており、チャンバ１００の内部温度に拘わらず装置本体１０の外気温度と同程度に保たれる。

また、チャンバ１００には、図１に示すとおり２本のガラス管１１９，１２０が設けられている。ガラス管１１９，１２０の各々はチャンバ１００の側壁を貫通しており、かつチャンバ１００に対し位置及び姿勢が固定されている。
ガラス管１１９，１２０の各々の一端は、装置本体１０を納めた筐体の外側に位置し、ガラス管１１９，１２０の各々の他端は、培養容器２０における培地の周辺部（観察ポイントｃから外れた部分）に浸される。これらのガラス管１１９，１２０は、装置本体１０の光路を妨げないよう適切に配管される。

ユーザが培養容器２０の培養細胞へ薬剤刺激を与える際には、一方のガラス管１２０の一端から培地を排出し、その直後に他方のガラス管１１９の一端へ薬剤を注入すればよい。この場合、ガラス管１１９は、培地に対する薬剤の注入口、ガラス管１２０は培地の排出口となる。また、薬剤の注入及び培地の排出には、通常ピペット（又はシリンジ）が使用されるので、ガラス管１１９，１２０の各々の内径は、ピペット（又はシリンジ）の先端の外径よりも若干広い程度に設定される。

前述したとおりガラス管１１９，１２０とチャンバ１００との位置関係及び姿勢関係は固定されているので、これらのガラス管１１９，１２０を介して薬剤が注入されたり培地が排出されたりしても、培地に生じる揺らぎは少なく、培養細胞が浮遊する可能性は低い。
さらに、注入口として使用されるガラス管１１９の表面には、投薬センサ１５１が取り付けられる。投薬センサ１５１は圧力センサであり、ガラス管１１９の中空部を薬剤が通過すると、その通過のタイミングで反応して信号を生成し、コンピュータ１７０へ送出する。よって、コンピュータ１７０は、投薬センサ１５１を介して投薬の有無を監視することができる。したがって、ユーザは、手動で投薬を行ったタイミング（投薬タイミング）を把握したり、その投薬タイミングをコンピュータ１７０へ入力したりする必要は無い。

次に、タイムラプス撮影に関するコンピュータ１７０の動作を説明する。
コンピュータ１７０には、観察用のプログラムがインストールされており、コンピュータ１７０はそのプログラムに従って動作するものとする。ユーザからコンピュータ１７０への情報入力は、何れも入力器１８０を介して行われるものとする。
図２は、コンピュータ１７０の動作フローチャートである。図２に示すとおり、最初にコンピュータ１７０は、装置本体１０の観察方法を位相差観察（正確には低倍率の位相差観察）に設定し、その状態でバードビュー画像の画像データを取得し、それをモニタ１６０へ表示する（ステップＳ１１）。バードビュー画像とは、培養容器２０の比較的広い領域の画像である。

バードビュー画像の画像データを取得するに当たって、コンピュータ１７０は、培養容器２０における観察ポイントｃをＸＹ方向へ移動させながら位相差画像の画像データを繰り返し取得し、取得された複数の画像データを１枚の画像の画像データに合成する。個々の画像データは、所謂タイル画像の画像データであり、合成後の画像データがバードビュー画像の画像データである。

ユーザは、モニタ１６０に表示されたバードビュー画像を観察しながら、タイムラプス撮影の条件（インターバル，ラウンド数，観察ポイント，観察方法など）を決定する。
コンピュータ１７０は、ユーザから条件が入力されると（ステップＳ１２ＹＥＳ）、その条件が書き込まれたレシピを作成する（ステップＳ１３）。レシピの格納先は、例えばコンピュータ１７０のハードディスクである。以下、レシピに書き込まれたインターバル，ラウンド数，観察ポイント，観察方法をそれぞれ「指定インターバル」，「指定ラウンド数」，「指定ポイント」，「指定観察方法」と称す。

その後、コンピュータ１７０は、ユーザからタイムラプス撮影の開始指示が入力されると（ステップＳ１４）、タイムラプス撮影を開始する（ステップＳ１５）。
タイムラプス撮影では、コンピュータ１７０は、培養容器２０の観察ポイントｃを指定ポイントに一致させると共に、装置本体１０の観察方法を指定観察方法に設定し、その状態で画像データを取得する。指定観察方法が３種類であった場合は、装置本体１０の観察方法を３種類の指定観察方法の間で切り替えながら３種類の画像データを連続的に取得する。これによって、第１ラウンドの撮影が終了する。

その後、コンピュータ１７０は、第１ラウンドの撮影開始時刻から指定インターバルだけ待機時間をおき、第２ラウンドの撮影を開始する。第２ラウンドの撮影方法は、第１ラウンドのそれと同じである。
さらに、以上の撮影は、実行済みのラウンド数が指定ラウンド数に達するまで（ステップＳ１８ＹＥＳとなるまで）繰り返される。

さて、タイムラプス撮影の期間中（ステップＳ１８ＮＯとなる期間中）、コンピュータ１７０は、装置本体１０から取り込んだ画像データを図３に示すとおり実施経過ファイルへ逐次蓄積する。この実施経過ファイルの格納先は、例えばコンピュータ１７０のハードディスクである。
また、タイムラプス撮影の期間中（ステップＳ１８ＮＯとなる期間中）、コンピュータ１７０は、培養容器２０の環境（チャンバ１００の内部の湿度、ＣＯ₂濃度、温度）を監視し、その環境に関する情報（環境情報）を実施経過ファイル（図３参照）のヘッダへ書き込む。

また、タイムラプス撮影の期間中（ステップＳ１８ＮＯとなる期間中）、コンピュータ１７０は、培養容器２０に対する投薬の有無を監視し（ステップＳ１６）、投薬があった場合には（ステップＳ１６ＹＥＳ）、投薬のタイミングを示す情報（投薬情報）を実施経過ファイル（図３参照）のヘッダへ書き込む（ステップＳ１７）。
さらに、コンピュータ１７０は、タイムラプス撮影の期間中又はタイムラプス撮影の終了後にユーザから確認指示が入力されると、その時点における実施経過ファイルの内容を参照し、それに基づき以下に説明する実施経過確認用画面をモニタ１６０へ表示する。

図４は、実施経過確認用画面を示す図である。図４に示すとおり、実施経過確認用画面には、表示領域１０１，１０２，１０３，１０４と、再生コントロール部１０５とが配置される。
表示領域１０１は、位相差画像の動画像が表示されるべき領域であり、表示領域１０２は、２種類の蛍光画像の一方（第１の蛍光画像）の動画像が表示されるべき領域であり、表示領域１０３は、２種類の蛍光画像の他方（第２の蛍光画像）の動画像が表示されるべき領域である。また、表示領域１０４は、位相差画像と蛍光画像との合成画像の動画像が表示されるべき領域である。

動画像の表示に先立ち、コンピュータ１７０は、各ラウンドで取得された３種類の画像データを実施経過ファイル（図３参照）から読み出し、このうち位相差画像の画像データの各フレームを時系列順に連結して位相差画像の動画像ファイルを作成し、第１の蛍光画像の画像データの各フレームを時系列順に連結して第１の蛍光画像の動画像ファイルを作成し、第２の蛍光画像の画像データの各フレームを時系列順に連結して第２の蛍光画像の動画像ファイルを作成する。また、コンピュータ１７０は、位相差画像の画像データと蛍光画像の画像データとをフレーム毎に合成し、合成後の各フレームを時系列順に連結して合成画像の動画像ファイルを作成する。これら４種類の動画像ファイルの格納先は、例えばコンピュータ１７０のハードディスクである。

動画像の表示に当たり、コンピュータ１７０は、作成された４種類の動画像ファイルを同時並列的に読み出し、４種類の動画像を４つの表示領域１０１，１０２，１０３，１０４へ個別に表示するための動画像信号を生成し、それを生成順にモニタ１６０へ送出する。以下、この動画像ファイルの読み出し、動画像信号の生成、及び動画像信号の送出からなるコンピュータ１７０の一連の処理を「動画像ファイルの再生」という。

図４に示す再生コントロール部１０５は、動画像ファイルの再生に関する指示をユーザがコンピュータ１７０へ入力するためのＧＵＩ画像である。
図５は、再生コントロール部１０５の拡大図である。図５に示すとおり再生コントロール部１０５には、停止ボタン５２、スキップボタン５３、再生ボタン５４、早送りボタン５５、選択再生ボタン５６、区間指定ボタン５７、タイムライン５０などが配置される。

ユーザが再生ボタン５４を選択すると、動画像ファイルの再生が開始され、表示領域１０１，１０２，１０３，１０４に対する動画像の表示が開始される。また、ユーザが停止ボタン５２を選択すると、表示領域１０１，１０２，１０３、１０４に表示されている動画像が静止する。
動画像ファイルにおける再生箇所は、タイムライン５０に反映される。タイムライン５０の左端（１）は動画像ファイルの先頭（タイムラプス撮影の開始時点）を示し、タイムライン５０の右端（２）は動画像ファイルの後尾（タイムラプス撮影の終了時点）を示す。なお、タイムラプス撮影が終了していないときには、タイムライン５０の右端（２）は現時点を示す。このタイムライン５０上にスラーダーバー６０が配置され、動画像ファイルにおける再生箇所は、スラーダーバー６０の左右方向の位置によってリアルタイムで表される。

このスラーダーバー６０の左右方向の位置は、ユーザによって自由に変更することが可能である。スラーダーバー６０の左右方向の位置が変化すると、動画像ファイルにおける再生箇所もそれに応じて変化する。
また、タイムライン５０上には、このスラーダーバー６０と共に投薬マーク５１−１，５１−２，５１−３，…が配置される。個々の投薬マーク５１−１，５１−２，５１−３，…は、ピペットやシリンジなどの投薬器具をアイコン化したものである。投薬マーク５１−１，５１−２，５１−３，…の配置箇所の各々は、タイムラプス撮影の期間中に発生した投薬タイミングを示す。これら投薬マーク５１−１，５１−２，５１−３，…の表示に先立ち、コンピュータ１７０は、実施経過ファイル（図３参照）のヘッダを参照し、タイムラプス撮影の期間中に発生した全ての投薬タイミングを認識する。

この状態でユーザが選択再生ボタン５６を選択すると、スラーダーバー６０は、その右側に隣接する投薬マーク（図５では投薬マーク５１−３）へジャンプする。そしてコンピュータ１７０は、その投薬マーク５１−３の前後所定区間（十数フレーム分）の再生を行う。これによって、ユーザは培養細胞の薬剤反応をワンタッチで観察することができる。
なお、ユーザが選択再生ボタン５６を選択したとき、スラーダーバー６０の右側に投薬マークが配置されていなかった場合は、スラーダーバー６０のジャンプ先は、スラーダーバー６０の左側に隣接する投薬マークの配置箇所となり、再生区間はその投薬マークの前後所定区間（十数フレーム分）となる。

また、ユーザが選択再生ボタン５６を選択したときにおける再生区間のフレーム数は、予めユーザにより設定可能であることが望ましい。
また、選択再生ボタン５６には、図５にも示すとおり、投薬マーク５１−１，５１−２，５１−３，…と同じマークが付与されていることが望ましい。
以上、本実施形態の顕微鏡システムは、投薬センサ１５１（図１参照）を備え、その投薬センサ１５１の出力を利用してコンピュータ１７０が投薬タイミングを自動管理する。したがって、投薬時におけるユーザの意識を投薬のみに集中させることができる。

しかも、本実施形態の顕微鏡システムには、投薬用のガラス管１１９，１２０が装備されるので、ユーザが投薬に失敗する可能性は、より低く抑えられる。
［第１変形例］
上述した実施形態の顕微鏡システムでは、投薬センサ１５１の取り付け先がガラス管１１９であったが、図６に符号Ａ又は符号Ｂで示す箇所、すなわちチャンバ１００とステージ２３との間に変更してもよい。この場合に検出されるのは、チャンバ１００の重量変化（すなわち培養容器２０の重量変化）である。なお、チャンバ１００の姿勢が不安定にならないよう、ステージ２３の表面に投薬センサ１５１を設けるための凹部を形成しておくことが望ましい。また、投薬センサ１５１が信号を生成するタイミングは、チャンバ１００の重量が増加したときのみに制限されることが望ましい。

［第２変形例］
上述した実施形態の顕微鏡システムでは、圧力センサからなる投薬センサ１５１を使用したが、図７に示すような投薬センサ１５１を使用してもよい。図７において符号１５１Ａで示すのは投薬センサ１５１の投光／受光部であり、符号１５１Ｂで示すのは投薬センサ１５１の指標であり、符号２６で示すのは使用中の対物レンズである。

［第３変形例］
上述した実施形態の顕微鏡システムでは、圧力センサからなる投薬センサ１５１を使用したが、図８に示すような投薬センサ１５１を使用してもよい。図８において、符号１５１Ｄで示すのは投薬センサ１５１の投光部であり、符号１５１Ｃで示すのは投薬センサ１５１の受光部である。投薬センサの投光部１５１Ｄと受光部１５１Ｃとは、ガラス管１１９を挟んで対向配置される。

投薬センサ１５１の投光部１５１Ｄは、薬剤に影響しない検出光を射出し、その検出光はガラス管１１９の側壁、ガラス管１１９の中空部、ガラス管１１９の側壁を介して受光部１５１Ｃへ入射する。ガラス管１１９の中空部に薬剤が存在しなければ、検出光の多くが受光部１５１Ｃへ入射するが、ガラス管１１９の中空部に薬剤が存在すると、受光部１５１Ｃへ入射する検出光の光量は低くなる。投薬センサ１５１の受光部１５１Ｃは、入射光の光量を監視し、その光量が閾値未満となったタイミングで反応して信号を生成する。このような投薬センサ１５１は、図１に示した投薬センサ１５１と同じ働きをする。

［その他］
上述した実施形態又は変形例の顕微鏡システムでは、薬剤を培養容器２０へ注入／排出するためにガラス管１１９，１２０を使用したが、薬剤と反応しない他の材料からなる管状部材を使用してもよい。
但し、第３変形例（図８参照）では、管状部材の中空部に存在する薬剤の有無を管状部材の外側から検出するので、管状部材の材質は少なくとも透明でなければならない。

顕微鏡システムの構成図である。 コンピュータ１７０の動作フローチャートである。 実施経過ファイルを説明する図である。 実施経過確認用画面を示す図である。 再生コントロール部１０５の拡大図である。 第１変形例を示す図である。 第２変形例を示す図である。 第３変形例を示す図である。

符号の説明

１０…装置本体，１７０…コンピュータ，１６０…モニタ，１８０…入力器，１５０…顕微鏡部，４０…透過照明部，３００…冷却カメラ，７０…励起用光源，７…光ファイバ，１１９，１２０…ガラス管，１５１…投薬センサ

Claims (8)

1. 被観察物に薬剤が投薬されたときの変化を観察する観察装置において、
   前記被観察物に対する前記投薬の有無を監視するセンサと、
   前記センサの出力に基づき投薬タイミングを記録する記録手段と
   を備えたことを特徴とする観察装置。
2. 請求項１に記載の観察装置において、
   前記被観察物を収容する容器に前記薬剤を導くための管を更に備えた
   ことを特徴とする観察装置。
3. 請求項２に記載の観察装置において、
   前記センサは、
   前記薬剤の経路である前記管の圧力変化を検出する
   ことを特徴とする観察装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の観察装置において、
   前記センサは、
   前記被観察物の重量変化を検出する
   ことを特徴とする観察装置。
5. 請求項１又は請求項２に記載の観察装置において、
   前記センサは、
   前記投薬された前記薬剤により起こる前記被観察物の光学的特性の変化を検出する
   ことを特徴とする観察装置。
6. 請求項２に記載の観察装置において、
   前記センサは、
   前記薬剤の経路である前記管の光学的特性の変化を検出する
   ことを特徴とする観察装置。
7. 請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の観察装置において、
   前記被観察物のタイムラプス撮影を行う撮影手段を更に備えた
   ことを特徴とする観察装置。
8. 請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の観察装置において、
   前記記録手段が記録した投薬タイミングの情報を表示する表示手段を更に備えた
   ことを特徴とする観察装置。
   

Images