JP5052009B2 - Scanning microscope and specimen image acquisition method - Google Patents
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Description
本発明は、生物標本の研究ツールとして用いられる走査型顕微鏡および標本画像取得方法に関する。 The present invention relates to a scanning microscope and specimen image acquisition method used as a biological specimen research tool.
従来、生物標本の研究ツールとして用いられる走査型顕微鏡として、例えば、特開平10−10436号公報に開示されるようにレーザ光を標本上の1点に収束させ、この収束点を標本上で2次元方向に走査して標本の2次元輝度情報を取得する走査型レーザ顕微鏡が知られている。 Conventionally, as a scanning microscope used as a biological specimen research tool, for example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-10436, laser light is converged to one point on the specimen, and this convergence point is set to 2 on the specimen. There is known a scanning laser microscope that scans in a two-dimensional direction to acquire two-dimensional luminance information of a specimen.
走査型レーザ顕微鏡には、シングルビームからなるレーザ光が用いられるが、かかるレーザ光は、収束性がよいので、標本のXY平面上での微細な1点の光学的情報を取得するのに効果的である。また、標本からの検出光を、標本上の収束点と光学的に共役な位置に配置したピンホールを介して検出する共焦点光学系により検出するので、焦点のずれた位置からの光を排除することができ、さらに精度高い光学的情報を取得できる。 A laser beam consisting of a single beam is used in a scanning laser microscope, but such a laser beam has good convergence, so that it is effective for obtaining optical information of one minute point on the XY plane of a specimen. Is. In addition, the detection light from the specimen is detected by a confocal optical system that detects it through a pinhole placed at a position optically conjugate with the convergence point on the specimen, so that light from an out-of-focus position is eliminated. Optical information can be obtained with higher accuracy.
従って、共焦点レーザ顕微鏡によれば、標本の3次元空間の中の1点の光学的情報を取得でき、また、レーザ光をXY平面、XZ平面、その他の2次元平面に沿って走査し、上述した1点ごとの情報を走査した位置に応じて並べることができるので、光学的なスライス像を形成することもできる。また、レーザビームの走査には、一般的にガルバノミラーが使用される。XY方向にそれぞれ走査する2枚のガルバノミラーを組み合わせて動かすことにより、画像化領域がテレビのラスター走査のように1ラインずつXY走査される。ラスター走査ではX方向に隣り合う一点に順次レーザ光が照射され、そのときに得られる標本からの光(蛍光、反射光など)が検出器で検出される。この場合、ある点(Xn,Yn)にレーザ光を照射して蛍光を検出してから隣接する次の点(Xn+1,Yn+1)に移るまでの時間差は、マイクロ秒のオーダーである。 Therefore, according to the confocal laser microscope, one point of optical information in the three-dimensional space of the specimen can be acquired, and the laser beam is scanned along the XY plane, the XZ plane, and other two-dimensional planes. Since the information for each point described above can be arranged according to the scanned position, an optical slice image can also be formed. A galvanometer mirror is generally used for laser beam scanning. By moving two galvanometer mirrors that scan in the XY directions in combination, the imaging area is XY scanned line by line as in the raster scan of a television. In raster scanning, laser light is sequentially irradiated to a point adjacent in the X direction, and light (fluorescence, reflected light, etc.) from the specimen obtained at that time is detected by a detector. In this case, the time difference from the detection of fluorescence by irradiating a laser beam to a certain point (Xn, Yn) until moving to the next adjacent point (Xn + 1, Yn + 1) is on the order of microseconds.
ところで、共焦点レーザ顕微鏡は、蛍光観察に用いられるCaged手法等に有効とされている。ここで、Caged手法とは、標本内にケージド試薬とカルシウムイオン濃度に感受性を有する蛍光指示薬を注入し、標本のある部分に刺激用レーザ光を照射することで、ケージド試薬のケージド基を開裂させて、内部に包含された物質を放出させ、その時のカルシウムイオン濃度の経時変化を、観察用励起レーザ光を標本に照射することにより蛍光観察する方法である。この方法によれば、例えば、標本に、カルシウムイオンを結合させたCaged化合物を導入した場合、点(Xn,Yn)にCaged化合物を解除するUVレーザを照射すると、その位置にあるCaged化合物が開裂され、保持されていたCa2+イオンが放出される。このカルシウムイオンに対して観察標本がある反応を起こす。この反応によって発生した蛍光を検出器により検出することにより、カルシウムイオンの刺激に対する標本の反応の様子が観察される。 By the way, the confocal laser microscope is effective for the Caged technique used for fluorescence observation. Here, the caged method is a method in which a caged reagent and a fluorescent indicator sensitive to calcium ion concentration are injected into a specimen, and a portion of the specimen is irradiated with a stimulating laser beam to cleave the caged group of the caged reagent. In this method, the substance contained therein is released, and the time-dependent change in the calcium ion concentration at that time is observed by irradiating the specimen with an observation excitation laser beam. According to this method, for example, when a Caged compound to which calcium ions are bound is introduced into a specimen, irradiation with a UV laser that releases the Caged compound at a point (Xn, Yn) causes cleavage of the Caged compound at that position. And the retained Ca 2+ ions are released. An observation specimen reacts with this calcium ion. By detecting the fluorescence generated by this reaction with a detector, the state of the sample's reaction to the calcium ion stimulation is observed.
しかし、点(Xn,Yn)から放出されたカルシウムイオンの影響は、点(Xn,Yn)だけにとどまらず、その周囲(例えば、次の点(Xn+1,Yn))にまで及ぶ可能性がある。また、放出されたカルシウムイオンが点(Xn,Yn)にだけとどまっていたとしても、その刺激による観察標本の反応挙動は、点(Xn,Yn)にとどまらず、その周囲に及ぶ可能性もある。 However, the influence of the calcium ions released from the point (Xn, Yn) may extend not only to the point (Xn, Yn) but also to the surroundings (for example, the next point (Xn + 1, Yn)). . Moreover, even if the released calcium ions remain only at the point (Xn, Yn), the reaction behavior of the observation specimen due to the stimulation may extend beyond the point (Xn, Yn). .
このことは、点(Xn,Yn)のデータ取得を行った直後に隣り合う次の点(Xn+1,Yn)のデータ取得を行うと、前の点(Xn,Yn)に対する刺激の反応挙動の影響が合わさったデータになってしまうおそれがある。これは、個々の点(Xn,Yn)(Xn+1,Yn)それぞれの反応挙動のデータを独立して取得したいという研究者の要求に反する。 This is because if the data acquisition of the next point (Xn + 1, Yn) immediately after the data acquisition of the point (Xn, Yn) is performed, the reaction behavior of the stimulus with respect to the previous point (Xn, Yn) is affected. There is a risk that the data will be combined. This is contrary to the researcher's request to acquire the reaction behavior data of each individual point (Xn, Yn) (Xn + 1, Yn) independently.
また、刺激を行わず単に標本内に導入した蛍光色素をレーザ光で励起して蛍光観察を行う場合も、観察する蛍光の寿命が短ければ、さほど問題にならないが、例えば、マイクロ秒オーダーの長い寿命を持つ場合は、隣り合う点を順に走査して行くと、やはり、ある点(Xn+1,Yn)のデータが前の点(Xn,Yn)の影響を受けてしまうという問題が生じる。 In addition, when fluorescence observation is performed by simply exciting a fluorescent dye introduced into a specimen with a laser beam without stimulating it, if the lifetime of the fluorescence to be observed is short, it does not matter so much. When there is a lifetime, when the adjacent points are scanned in sequence, there is still a problem that the data at a certain point (Xn + 1, Yn) is affected by the previous point (Xn, Yn).
本発明の目的は、データ取得を行う標本の点相互の影響を排除して個々の点の輝度を正しく検出する走査型顕微鏡を提供することである。 An object of the present invention is to provide a scanning microscope that correctly detects the brightness of each point by eliminating the influence of the points of the sample from which data is acquired.
本発明は走査型顕微鏡に向けられている。本発明による走査型顕微鏡は、レーザ光を射出する光源手段と、標本上のデータ取得点に前記レーザ光を収束して照射する照射手段と、隣り合うデータ取得点が連続しないデータ取得順序を決定するデータ取得順序決定手段と、前記データ取得順序に従って前記レーザ光を走査する走査手段と、各データ取得点において複数回のサンプリングを連続して行うことにより各データ取得点からの光の複数の輝度情報を検出する検出手段と、前記検出手段により検出される各データ取得点からの光の複数の輝度情報を前記データ取得点の位置情報に対応付けして保存する記憶手段と、前記検出手段により検出される各データ取得点からの光の複数の輝度情報のうち、各データ取得点において同じ順位で検出された輝度情報同士をそれぞれの前記データ取得点の前記位置情報と対応付けて1枚の2次元画像を生成し、これを各取得順位について行うことにより複数の2次元画像を形成する画像形成手段とを備えている。The present invention is directed to a scanning microscope. The scanning microscope according to the present invention determines a data acquisition order in which adjacent data acquisition points are not continuous, light source means for emitting laser light, irradiation means for converging and irradiating the laser light to a data acquisition point on a specimen Data acquisition order determination means for performing scanning, scanning means for scanning the laser light in accordance with the data acquisition order, and a plurality of brightnesses of light from each data acquisition point by continuously performing sampling at each data acquisition point a plurality of times Detection means for detecting information, storage means for storing a plurality of pieces of luminance information of light from each data acquisition point detected by the detection means in association with position information of the data acquisition points, and the detection means among the plurality of luminance information of the light from each data obtaining point detected, each of the data detected luminance information with each other at the same rank in each data acquisition point While correlating with the location information of the acquired points generates two-dimensional image of a single, and an image forming means for forming a plurality of 2-dimensional images by performing this for each acquisition order.
また本発明は標本画像取得方法に向けられている。本発明による標本画像取得方法は、標本上のデータ取得点にレーザ光を収束して照射し、前記データ取得点が隣り合わない順序に従って前記レーザ光を走査し、各データ取得点において複数回のサンプリングを連続して行うことにより各データ取得点からの光の複数の輝度情報を検出し、検出した各データ取得点からの光の複数の輝度情報を前記データ取得点の位置情報に対応付けして保存し、各データ取得点からの光の複数の輝度情報のうち、各データ取得点において同じ順位で検出された輝度情報同士をそれぞれの前記データ取得点の前記位置情報と対応付けて1枚の2次元画像を生成し、これを各取得順位について行うことにより複数の2次元画像を形成する。The present invention is also directed to a specimen image acquisition method. The sample image acquisition method according to the present invention converges and irradiates a laser beam to a data acquisition point on a sample, scans the laser beam in an order in which the data acquisition points are not adjacent, and performs multiple times at each data acquisition point. By continuously sampling, a plurality of luminance information of light from each data acquisition point is detected, and a plurality of detected luminance information of light from each data acquisition point is associated with the position information of the data acquisition point. One piece of luminance information detected in the same order at each data acquisition point among the plurality of pieces of luminance information of light from each data acquisition point is associated with the position information of each data acquisition point. These two-dimensional images are generated and performed for each acquisition order to form a plurality of two-dimensional images.
本発明によれば、データ取得を行う標本の点相互の影響を排除して、個々の点の輝度を正しく検出する走査型顕微鏡が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the scanning microscope which eliminates the influence of the points of the sample which acquires data, and detects the brightness | luminance of each point correctly is provided.
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<第1の実施の形態>
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる共焦点レーザ顕微鏡の概略構成を示している。
<First Embodiment>
FIG. 1 shows a schematic configuration of a confocal laser microscope according to the first embodiment of the present invention.
図1に示されるように、共焦点レーザ顕微鏡は、レーザ光(励起光)を射出するための光源手段としてのレーザ光源ユニット1と、レーザ光の光路を曲げる反射ミラー7と、レーザ光を2次元走査するための走査手段としての走査光学ユニット9と、レーザ光を標本11上のデータ取得点に収束させる対物レンズ10と、レーザ光と蛍光とを分離するダイクロイックミラー8と、蛍光を検出するための検出手段としての検出器12とを有している。
As shown in FIG. 1, the confocal laser microscope has a laser
レーザ光源ユニット1は、レーザ光源2、3と、反射ミラー4と、ダイクロイックミラー5と、音響光学可変フィルタ(AOTF)6とを含んでいる。レーザ光源2、3は、波長の異なるレーザ光を発する。反射ミラー4は、レーザ光源2からのレーザ光の光路上に配置されている。ダイクロイックミラー5は、レーザ光源3からのレーザ光の光路上で、反射ミラー4で反射されるレーザ光との交点上に配置されている。ダイクロイックミラー5は、これら2つのレーザ光路を合成する。ダイクロイックミラー5は、レーザ光源3からのレーザ光を透過し、反射ミラー4で反射されるレーザ光を反射する。AOTF6は、ダイクロイックミラー5により合成されたレーザ光の光路上に配置されている。AOTF6は、レーザ光の強度、レーザ光の波長成分、レーザ光照射のオンオフなどの制御を可能にしている。
The laser
反射ミラー7はAOTF6の射出光路上に配置されている。ダイクロイックミラー8は反射ミラー7の反射光路上に配置されている。ダイクロイックミラー8は、反射ミラー7で反射されるレーザ光(励起光)を透過し、後述する標本11から発せられる検出光(蛍光)を反射する。
The
走査光学ユニット9はダイクロイックミラー8の透過光路上に配置されている。走査光学ユニット9は、直交する2方向に光を偏向するためのY方向スキャナ9aとX方向スキャナ9bを有し、これらのY方向スキャナ9aとX方向スキャナ9bにより標本11上に収束されるレーザ光を2次元平面の任意の点に照射可能にしている。
The scanning
対物レンズ10は走査光学ユニット9から射出されるレーザ光の光路上に配置されている。走査光学ユニット9から射出されたレーザ光は、対物レンズ10によって標本11上のデータ取得点に収束して照射される。言い換えれば、対物レンズ10は、レーザ光を標本11上のデータ取得点に収束して照射する照射手段としての光学系を構成している。
The
標本11は、レーザ光(励起光)の照射に反応して、検出光(蛍光)を発する。標本11から発せられた検出光(蛍光)は、上述した光路を逆行し、対物レンズ10と走査光学ユニット9を経てダイクロイックミラー8まで戻る。
The
検出器12は、ダイクロイックミラー8によって選択的に反射される検出光の光路上に配置されている。検出器12は、これに限らないが、例えばフォトマルチプライヤで構成される。検出器12は、標本11からの検出光の輝度を反映したアナログ電気信号を出力する。
The
共焦点レーザ顕微鏡はさらに、信号処理手段としてのA/D変換器13、制御手段としてのパーソナルコンピュータ(PC)14、Y方向スキャナ9aとX方向スキャナ9bを駆動するための駆動手段としてのスキャナ駆動部21と、情報入力手段としての入力装置22、表示手段としてのモニタ23とを有している。
The confocal laser microscope further includes an A /
入力装置22は、これに限らないが、例えばキーボードで構成される。あるいは入力装置22は、マウスなどのポインティングデバイスとGUI(グラフィカルユーザーインターフェース)とで構成されてもよい。モニタ23は、これに限らないが、例えばCRTで構成される。
Although the
パーソナルコンピュータ(PC)14はA/D変換器13を介して検出器12に接続されている。A/D変換器13は、検出器12からのアナログの電気信号をデジタル信号に変換してPC14に出力する。
A personal computer (PC) 14 is connected to the
PC14は、制御プログラム部15、レーザ出力制御部16、フレームメモリ17、X方向スキャナ駆動波形メモリ18、Y方向スキャナ駆動波形メモリ19およびクロック生成部20を有している。
The
フレームメモリ17は、検出器12で検出されA/D変換器13を介してデジタル信号に変換された輝度データを画像化領域内の各ポイント座標(データ取得点の位置情報)に対応付けして保存する。フレームメモリ17は、検出光の輝度情報をデータ取得点の位置情報に対応付けして保存する記憶手段を構成している。
The
制御プログラム部15は、図2に示すように、走査条件入力部151、走査ポイント配列生成部152およびXY、XYT画像生成部153を有している。走査条件入力部151は、入力装置22から、XYスキャンサイズ、サンプリングスピード、画像化領域内の1ポイント当たりのデータ取得時間などの走査条件が入力される。走査ポイント配列生成部152は、画像化領域内の隣り合う2点を連続してデータ取得しないランダムな走査ポイント配列を作成する。走査ポイント配列生成部152は、隣り合うデータ取得点が連続しないデータ取得順序を決定するデータ取得順序決定手段を構成している。このランダムな走査ポイント配列の作成には、例えば乱数を用いる。そして、生成された配列の中に隣り合うポイントがないかをチェックし、隣り合うポイントがあった場合には他のポイントと入れ替えるなどの処理を行う。XY、XYT画像生成部153は、フレームメモリ17に書き込まれる輝度データと画像化領域内の各ポイント座標(データ取得点の位置情報)の対応付けに基づいて画像データを生成する。XY、XYT画像生成部153は、検出光の輝度情報とデータ取得点の位置情報の対応付けに基づいて2次元画像を形成する画像形成手段を構成している。
As illustrated in FIG. 2, the
レーザ出力制御部16は、走査条件入力部151に設定される1ポイント当たりのデータ取得時間に応じてレーザ光源ユニット1のレーザ光の出力を制御する。
The laser
X方向スキャナ駆動波形メモリ18およびY方向スキャナ駆動波形メモリ19は、走査ポイント配列生成部152で生成されたランダムな走査ポイント配列から変換されるX方向スキャナ9bおよびY方向スキャナ9aを走査するための駆動波形データ(スキャナ駆動部21のD/Aコンバータに与える波形DACデータ)を保存する。
The X-direction scanner
スキャナ駆動部21は、X方向スキャナ駆動波形メモリ18およびY方向スキャナ駆動波形メモリ19に接続されている。スキャナ駆動部21は、クロック生成部20のクロックパルスに同期して読み出されるX方向スキャナ駆動波形メモリ18およびY方向スキャナ駆動波形メモリ19からの波形データ(波形DACデータ)に従って、Y方向スキャナ9aとX方向スキャナ9bを駆動する。
The
クロック生成部20は、制御プログラム部15、レーザ出力制御部16、フレームメモリ17、X方向スキャナ駆動波形メモリ18、Y方向スキャナ駆動波形メモリ19の動作タイミングを決定するクロックパルスを生成する。
The
次に、第1の実施の形態の作用を説明する。 Next, the operation of the first embodiment will be described.
まず、入力装置22から、PC14の走査条件入力部151に対して走査条件が入力される。入力される走査条件は、画像化領域(例えば、512×512ポイント)を決定するためのXYスキャンサイズ、A/D変換器13における検出信号のサンプリング間隔を決めるサンプリングスピード、画像化領域内の1ポイント当たりのデータ取得時間などである。すると、走査ポイント配列生成部152により、画像化領域内の隣り合う2点を連続してデータ取得しないランダムな走査ポイント配列が作成され、データ取得点が隣り合わないデータ取得順序が決定される。また、サンプリングスピードと1ポイント当たりのデータ取得時間により、1ポイント当たりのサンプリング回数が算出される。この第1の実施の形態では、1ポイント当たりのサンプリング回数は1回に設定されている。
First, scanning conditions are input from the
次に、走査ポイント配列生成部152により生成されたランダムな走査ポイント配列(座標データ)がX方向スキャナ9bとY方向スキャナ9aを走査するための駆動波形データ(波形DACデータ)に変換され、X方向スキャナ駆動波形メモリ18およびY方向スキャナ駆動波形メモリ19に保存される。
Next, the random scanning point array (coordinate data) generated by the scanning point
ランダムな走査ポイント配列は、例えば、図3Aに示すように、(10)、(250)、(120)…のX位置データ配列301と、(20)、(40)、(200)、…のY位置データ配列302の512×512ポイントの座標データとして与えられる。これらの座標データは、図3Bに示すように、(2500)、(1000)…のXDACデータ配列401と(1000)、(500)…のYDACデータ配列402に変換される。そして、これらXDACデータ配列401およびYDACデータ配列402のそれぞれのDACデータは、それぞれX方向スキャナ駆動波形メモリ18およびY方向スキャナ駆動波形メモリ19に保存される。
For example, as shown in FIG. 3A, the random scan point array includes the X
X方向スキャナ駆動波形メモリ18およびY方向スキャナ駆動波形メモリ19の駆動波形データはクロック生成部20のクロックパルスに同期してスキャナ駆動部21に読み出され、スキャナ駆動部21はY方向スキャナ9aとX方向スキャナ9bを駆動する。これと同時に、レーザ出力制御部16の指示によりレーザ光源ユニット1はレーザ光を射出する。レーザ光は、Y方向スキャナ9aとX方向スキャナ9bにより偏向され、対物レンズ10を介して標本11上の各データ取得ポイントに順番に照射される。
The drive waveform data of the X direction scanner
レーザ光の照射に反応して、標本11上の各データ取得ポイントから検出光(蛍光)が発せられる。検出光(蛍光)は、対物レンズ10と走査光学ユニット9を経てダイクロイックミラー8に入射し、ダイクロイックミラー8で反射され、検出器12により検出される。検出器12は検出光の輝度を反映したアナログ信号を出力する。検出器12から出力されるアナログ信号は、A/D変換器13によってデジタル信号に変換され、フレームメモリ17に書き込まれる。検出器12により取得される画像化領域内の各ポイントの輝度データは、走査ポイント配列生成部152により生成されたランダムな走査ポイント(図3Aに示すX位置データ配列301とY位置データ配列302)に対応付けされてフレームメモリ17に書き込まれる。
In response to the laser light irradiation, detection light (fluorescence) is emitted from each data acquisition point on the
そして、XY、XYT画像生成部153は、フレームメモリ17に書き込まれた輝度データと画像化領域内の各ポイント座標の対応付けに基づいてXY画像データを生成する。そのXY画像データに対応する画像はモニタ23に表示される。
Then, the XY, XYT
従来のラスター走査による蛍光観察では、ある点(Xn,Yn)のデータが取得された直後に隣り合う次の点(Xn+1,Yn)のデータが取得される。例えばケージド手法による観察においては、点(Xn,Yn)から放出されたカルシウムイオンの影響は、点(Xn,Yn)だけにとどまらず、その周囲(例えば、次の点(Xn+1,Yn))にまで及ぶ可能性がある。従って、点(Xn+1,Yn)のデータは前の点(Xn,Yn)に対する刺激の反応挙動の影響を受けたものになってしまうおそれがある。また刺激を行わない蛍光観察においても、蛍光が例えばマイクロ秒オーダーの長い寿命を持つ場合、やはり、ある点(Xn+1,Yn)のデータが前の点(Xn,Yn)の影響を受けてしまうという問題が生じる。 In fluorescence observation by conventional raster scanning, data of the next adjacent point (Xn + 1, Yn) is acquired immediately after data of a certain point (Xn, Yn) is acquired. For example, in the observation by the caged method, the influence of calcium ions released from the point (Xn, Yn) is not limited to the point (Xn, Yn), but around it (for example, the next point (Xn + 1, Yn)). There is a possibility to extend to. Therefore, the data at the point (Xn + 1, Yn) may be affected by the response behavior of the stimulus to the previous point (Xn, Yn). Even in fluorescence observation without stimulation, if the fluorescence has a long lifetime, for example, on the order of microseconds, the data of a certain point (Xn + 1, Yn) is also affected by the previous point (Xn, Yn). Problems arise.
これに対して、本実施の形態では、画像化領域(例えば、512×512ポイント)について、隣り合う2点を連続してデータ取得しないランダムな走査ポイント配列を作成してデータ取得順序を決定し、この決定した取得順序にあわせてY方向スキャナ9aとX方向スキャナ9bの駆動信号を生成し、駆動信号によりポイント走査を行い、各データ取得ポイントからの検出光を検出して輝度データを取得し、取得した各ポイントの輝度データをランダムな走査ポイント配列に対応付けしてフレームメモリ17に保存し、最終的にすべてのポイントの輝度データを取得して2次元画像を完成させる。このため、各ポイントからの取得データは、隣り合う2点が連続して取得されたものを含まず、他のポイントの光の影響を受けていない。つまり、データ取得を行う際の点相互の影響が確実に排除される。従って、個々の点の輝度が他の点の影響を受けることなく正しく検出される
なお、上述した実施の形態では、データ取得点を移動する間、レーザ光が射出され続けているが、Y方向スキャナ9aおよびX方向スキャナ9bの動作に同期させてAOTF6を制御し、データ取得点を次のデータ取得点に移動する間はレーザ光の射出を停止してもよい。こうすれば、データ取得点の移動の際にレーザ光が与えるすべての影響が排除される。また、画像化領域は、定まった矩形でなく、標本の存在する領域に限ってもよい。
On the other hand, in the present embodiment, for an imaging region (for example, 512 × 512 points), a random scanning point array that does not continuously acquire data from two adjacent points is created to determine the data acquisition order. In accordance with the determined acquisition order, drive signals for the Y-
<第2の実施の形態>
第2の実施の形態にかかる共焦点レーザ顕微鏡の概略構成は、図1と同様なので、同図を援用する。
<Second Embodiment>
The schematic configuration of the confocal laser microscope according to the second embodiment is the same as that shown in FIG.
第1の実施の形態では、1ポイント当たりのデータ取得時間をサンプリング1回分に設定することで、標本11上の1枚のXY画像を取得するが、この第2の実施の形態では、1ポイント当たりのデータ取得時間の中でサンプリングを複数回行うことで、時間的に連続した複数枚のXY画像のスタック(束)であるXYT画像を取得する。
In the first embodiment, one XY image on the
サンプリングスピードと1ポイント当たりのデータ取得時間により算出される1ポイント当たりのサンプリング回数が、複数、例えば50サンプリングに設定されたものとする。また、フレームメモリ17は、1ポイント当たりのサンプリング回数に対応して50枚用意される。 It is assumed that the number of samplings per point calculated by the sampling speed and the data acquisition time per point is set to a plurality, for example, 50 samplings. In addition, 50 frames are prepared corresponding to the number of samplings per point.
走査ポイント配列生成部152により生成されたランダムな走査ポイント配列は、例えば、上述の図3Aに示すX位置データ配列301とY位置データ配列302が画像化領域の座標データとして与えられる。これらX位置データ配列301およびY位置データ配列302より変換される駆動波形データ(波形DACデータ)は、図3Aに示す最初のX位置データ(10)に対して50データ分のXDACデータ(2500)が生成され、同様に、最初のY位置データ(20)に対しても50データ分のYDACデータ(1000)が生成される。以下、同様にして、各データ取得ポイントのXY位置データに対して50データずつのXDACデータとYDACデータが生成される。図4Aと図4Bは、このようにして生成されるXDACデータ配列501とYDACデータ配列502をそれぞれ示している。
As for the random scanning point array generated by the scanning point
これらXDACデータ配列501とYDACデータ配列502は、X方向スキャナ駆動波形メモリ18およびY方向スキャナ駆動波形メモリ19にそれぞれ保存される。
The
これらX方向スキャナ駆動波形メモリ18およびY方向スキャナ駆動波形メモリ19の駆動波形データはクロック生成部20のクロックパルスに同期してスキャナ駆動部21に読み出され、スキャナ駆動部21はY方向スキャナ9aとX方向スキャナ9bを駆動する。
The drive waveform data of the X direction scanner
この状態で、レーザ光源ユニット1から射出されるレーザ光は、Y方向スキャナ9aとX方向スキャナ9bにより偏向され、対物レンズ10を介して標本11上の各データ取得ポイントに照射される。レーザ光の照射に反応して、標本11上の各データ取得ポイントから検出光(蛍光)が発せられる。検出光(蛍光)は検出器12によって検出される。検出器12は検出光の輝度を反映したアナログ信号を出力する。検出器12から出力されるアナログ信号は、A/D変換器13によってデジタル信号に変換され、フレームメモリ17に書き込まれる。
In this state, the laser light emitted from the laser
この場合、XDACデータ配列501の1番目のXDACデータとYDACデータ配列502の1番目のYDACデータに対応した輝度データは、走査ポイント配列生成部152により生成されたランダムな走査ポイント(図3Aに示すX位置データ配列301およびY位置データ配列302)に対応付けされた#1のフレームメモリ17に書き込まれる。また、XDACデータ配列501の2番目のXDACデータとYDACデータ配列502の2番目のYDACデータに対応した輝度データは、走査ポイント配列生成部152により生成されたランダムな走査ポイントに対応付けされた#2のフレームメモリ17に書き込まれる。以下、同様にしてXDACデータ配列501の3番目から50番目のXDACデータ、YDACデータ配列502の3番目から50番目のYDACデータに対応した輝度データについても同じ順位のものが、#3から#50のフレームメモリ17に書き込まれる。この動作は、ランダムな走査ポイントに対応するXDACデータ配列501のXDACデータとYDACデータ配列502のYDACデータに対応して取得されるすべての輝度データについて繰り返され、図5に示すように#1から#50のフレームメモリ17に書き込まれる。
In this case, the luminance data corresponding to the first XDAC data in the
そして、XY、XYT画像生成部153は、#1から#50のフレームメモリ17に書き込まれた輝度データと画像化領域内の各データ取得ポイント座標の対応付けに基づいてXYT画像データを生成する。そのXY画像データに対応する画像はモニタ23に個別に表示される。
Then, the XY, XYT
本実施の形態では、ランダムに設定されたデータ取得ポイントのそれぞれについて所定の時間間隔をおいて複数回ずつ繰り返してデータ取得(サンプリング)を行い、これら取得される各ポイントの複数個(t=T1、T2、…Tn)(n=50)の輝度データのうち同じ順位で検出されたものについて#1から#50のフレームメモリ17に個別に書き込むので、各ポイントの検出データが他のポイントの影響を受けないとともに、各フレームメモリ17に書き込まれた輝度データに基づいて、XY、XYT画像生成部153で生成される複数のXYT画像により標本11の刺激に対する反応挙動の動的変化を観察できる。
In the present embodiment, data acquisition (sampling) is repeated a plurality of times at predetermined time intervals for each of randomly set data acquisition points, and a plurality of these acquired points (t = T1). , T2,..., Tn) (n = 50) detected in the same order are individually written in the
<第3の実施の形態>
第3の実施の形態にかかる共焦点レーザ顕微鏡の概略構成は、図1と同様なので、同図を援用する。
<Third Embodiment>
The schematic configuration of the confocal laser microscope according to the third embodiment is the same as that shown in FIG.
第3の実施の形態では、1ポイント当たりのデータ取得時間の中でサンプリングを複数回行い、さらに、これら1ポイント当たりの複数のサンプリングに対応させてレーザ光強度、レーザ光の波長成分、レーザ光照射のオンオフなどのレーザ条件を設定する。 In the third embodiment, sampling is performed a plurality of times during the data acquisition time per point, and further, the laser light intensity, the wavelength component of the laser light, and the laser light corresponding to the plurality of samplings per point. Set laser conditions such as irradiation on / off.
サンプリングスピードと1ポイント当たりのデータ取得時間により算出される1ポイント当たりのサンプリング回数が、例えば10サンプリングに設定されたものとする。 Assume that the number of samplings per point calculated by the sampling speed and the data acquisition time per point is set to 10 samplings, for example.
走査ポイント配列生成部152により生成されたランダムな走査ポイント配列は、例えば、上述の図3Aに示すX位置データ配列301とY位置データ配列302が画像化領域の座標データとして与えられる。第2の実施の形態で述べたと同様な手順により、X位置データ配列301およびY位置データ配列302の最初の位置データに対して10データ分の駆動波形データ(X(Y)DACデータ)A1、A2、…A10が生成され、以下、同様にして、続く各位置データに対しても10データ分ずつのX(Y)DACデータB1、B2、…、C1、C2、…が生成される。図6の上段は、このようにして生成されるX(Y)DACデータ配列601を示している。
As for the random scanning point array generated by the scanning point
また、それぞれの10データ分のX(Y)DACデータA1、A2、…、B1、B2、…、C1、C2、…に対応させて、図6の下段に示すようにレーザ条件が書き込まれたレーザ設定データ配列701が生成される。レーザ設定データは、X(Y)DACデータA3、B3、C3、…に対してのみレーザ光照射のオンデータONが設定され、その他のX(Y)DACデータに対してレーザ光照射のオフデータOFFが設定されている。
Further, the laser conditions are written as shown in the lower part of FIG. 6 in correspondence with the X (Y) DAC data A1, A2,..., B1, B2,..., C1, C2,. A laser setting
レーザ設定データ配列701は、レーザ出力制御部16のメモリ16aに保存される。レーザ出力制御部16は、メモリ16aに保存したレーザ設定データ配列701をデータ取得時のサンプリングタイミングに同期して読み出し、AOTF6によりレーザ光照射のオンオフを制御する。
The laser setting
この構成によると、クロック生成部20のクロックパルスに同期して読み出されるX(Y)DACデータ配列601のX(Y)DACデータA1、A2、…、B1、B2、…、C1、C2、…に応じて標本11上のデータ取得ポイントが設定される。同時にレーザ設定データ配列701のレーザ設定データに基づいてレーザ光照射のオンオフが制御される。この場合、レーザ設定データ配列701には、それぞれ10データ分のX(Y)DACデータA、B、C、…のうち、A3、B3、C3、…に対してのみレーザ光照射のオンデータONが設定されるので、これらのタイミングでのみAOTF6がONになり、標本にレーザ光が照射される。
According to this configuration, the X (Y) DAC data A1, A2,..., B1, B2,..., C1, C2,. Accordingly, the data acquisition point on the
本実施の形態では、各データ取得点からの光を所定の時間間隔をおいて複数回ずつ検出し、これら複数回の検出のそれぞれの検出タイミングに対応させて異なるレーザ条件を設定できる。ここでは、データ取得ポイントでの複数回のデータ取得(サンプリング)によって取得される複数個(t=T1、T2、・・・Tn)(n=10)の輝度データに対して、t=T3(A3、B3、C3、…)のときのみレーザ光照射をオンにし、その他のt=T1、T2、T4…Tnではレーザ光照射をオフにするので、刺激を与える前からの標本11の状態を観察できるとともに、刺激を与えた時点および刺激をやめた後の標本11の動的挙動を観察できる。
In the present embodiment, light from each data acquisition point is detected a plurality of times at a predetermined time interval, and different laser conditions can be set in accordance with the detection timings of the plurality of detections. Here, for a plurality of (t = T1, T2,... Tn) (n = 10) luminance data acquired by a plurality of times of data acquisition (sampling) at a data acquisition point, t = T3 ( The laser beam irradiation is turned on only when A3, B3, C3,..., And the laser beam irradiation is turned off at the other t = T1, T2, T4,. In addition to being observable, it is possible to observe the dynamic behavior of the
なお、データ取得ポイントでの複数回のデータ取得時に設定するデータ条件は、レーザ光照射のオンオフに限らず、レーザ光の強度と波長成分の一方または両方を異ならせて設定することも可能である。例えば多重染色された蛍光標本の観察において、それぞれの蛍光色素に対応する励起波長のレーザ光をひとつずつ順に照射するようにしてもよい。 The data condition to be set at the time of data acquisition at a data acquisition point is not limited to on / off of laser beam irradiation, and can be set by changing one or both of laser beam intensity and wavelength component. . For example, in observing multiple stained fluorescent specimens, laser light having an excitation wavelength corresponding to each fluorescent dye may be sequentially irradiated.
<第4の実施の形態>
図7は、本発明の第4の実施の形態にかかる共焦点レーザ顕微鏡の概略構成を示している。図7において、図1に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
<Fourth embodiment>
FIG. 7 shows a schematic configuration of a confocal laser microscope according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 7, members indicated by the same reference numerals as those shown in FIG. 1 are similar members, and detailed description thereof is omitted.
本実施の形態の共焦点レーザ顕微鏡は、図7に示すように、図1の装置構成に加えて、標本11からの電流値を検出するための電流検手段としての電流検出器24をさらに有している。電流検出器24は、検出した電流値を反映したアナログ電気信号を出力する。
As shown in FIG. 7, the confocal laser microscope of the present embodiment further includes a
電流検出器24から出力される電流値のアナログ信号は、検出器12からの検出光の輝度と同様に、A/D変換器13に入力されてデジタル信号に変換される。その電流値データは輝度情報としてフレームメモリ17に書き込まれる。つまり、電流値は、蛍光検出のサンプリングタイミングと同じタイミングで取得される。電流値データは、走査ポイント配列生成部152により生成されたランダムな走査ポイント(図3Aに示されるX位置データ配列301とY位置データ配列302)に対応付けされてフレームメモリ17に書き込まれる。
The analog signal of the current value output from the
そして、XY、XYT画像生成部153はフレームメモリ17に書き込まれた電流データと画像化領域内の各ポイント座標の対応付けに基づいてXY画像データを生成する。そのXY画像データに対応する画像はモニタ23に表示される。
Then, the XY and XYT
本実施の形態では、直前のレーザ照射影響を排除して電流値を計測できる。従って、標本11の各データ取得点にレーザ光を照射した際の標本11の電気的反応を正確に視覚化できる。本実施の形態を第1〜第3の実施の形態と組み合わせて実施してもよい。
In the present embodiment, the current value can be measured without the influence of the last laser irradiation. Therefore, the electrical reaction of the
第4の実施の形態の応用例
図8に示されるように、神経細胞25のスパイン25aを含む領域26にランダムスキャン方式で刺激光を照射し、この刺激に対する神経細胞25の反応を部位25bに挿入した電流検出器24によって測定する。
Application Example of Fourth Embodiment As shown in FIG. 8, the
電流値の計測は複数の部位に対して行われてもよい。その場合、それぞれの計測部位に電流検出器24が挿入される。
The current value may be measured for a plurality of parts. In that case, the
<第5の実施の形態>
第1の実施の形態では、隣り合うデータ取得点が連続しないデータ取得順序をランダムに決定している。これに対して本実施の形態では、規則性をもって隣り合うデータ取得点が連続しないデータ取得順序を決定する。
<Fifth embodiment>
In the first embodiment, the data acquisition order in which adjacent data acquisition points are not consecutive is determined at random. In contrast, in the present embodiment, a data acquisition order in which adjacent data acquisition points are not consecutive with a regularity is determined.
第5の実施の形態にかかる共焦点レーザ顕微鏡の概略構成は、図1と同様なので、同図を援用する。 The schematic configuration of the confocal laser microscope according to the fifth embodiment is the same as that shown in FIG.
本実施形態では、走査ポイント配列生成部152が、例えば図9、図10のような照射順序の走査ポイント配列を生成する。XY、XYT画像生成部153は、第1実施形態と同じように、取得した輝度データと各走査ポイントの対応付けに基づいて画像データを生成する。
In the present embodiment, the scanning point
図9の例では、ひとつの走査領域を同じ大きさの8つの領域A〜Hに分割する。そして、ACEGBDFHの順に各分割領域の左上ポイントを照射する。一巡したらXライン方向にひとつ隣のポイントを同じようにACEGBDの順序で照射する。1ライン分が完了したら各領域の2ライン目を同じように照射する。つまり、領域A〜Hを一定の順序で同じ規則に従ってレーザ光を照射する。図9は、64×64ピクセルの走査領域における照射順序を示している。各マスの数字が照射順序を示す。この例では、1番目に照射されたポイントの隣は9番目に照射されるので、隣同士のポイントのレーザ照射の時間間隔はピクセル8個分のデータ取得時間となる。 In the example of FIG. 9, one scanning area is divided into eight areas A to H having the same size. Then, the upper left point of each divided region is irradiated in the order of ACEGBDFH. After one round, the next point in the X-line direction is irradiated in the same order as ACEGBD. When one line is completed, the second line of each region is irradiated in the same way. That is, the regions A to H are irradiated with laser light according to the same rule in a certain order. FIG. 9 shows the irradiation order in a scanning region of 64 × 64 pixels. The numbers in each square indicate the irradiation order. In this example, since the point next to the first irradiated point is irradiated ninth, the laser irradiation time interval between the adjacent points is the data acquisition time for eight pixels.
図10の例では、ひとつの走査領域を同じ大きさの4つの領域A〜Dに分割する。そして、ABDCの順で、各分割領域を上記と同じように照射していく。この例では、1番目に照射されたポイントの隣は5番目に照射されるので、隣同士のポイントのレーザ照射の時間間隔はピクセル4個分の取得時間となる。また、ABCDの順で照射するとB→CおよびD→Aの移動距離が他と比べて大きくなるが、本実施の形態ではABDCの順に照射するので、領域間の移動距離をほぼ均一にできる。従って、ピクセル単位の非連続的走査において走査の安定性を高めるのに有利である。 In the example of FIG. 10, one scanning area is divided into four areas A to D having the same size. Then, each divided region is irradiated in the same order as described above in the order of ABCD. In this example, the point next to the first irradiated point is irradiated fifth, so the time interval of laser irradiation of the adjacent points is an acquisition time for four pixels. Further, when irradiation is performed in the order of ABCD, the movement distances of B → C and D → A are larger than others, but in this embodiment, irradiation is performed in the order of ABCC, so that the movement distances between regions can be made almost uniform. Therefore, it is advantageous to increase the stability of scanning in a non-continuous scanning in units of pixels.
図9と図10のほかにも分割領域をX方向やY方向に適宜に設定することにより、隣り合う照射ポイントの照射時間間隔を調整してもよい。また照射順序も、例えばY方向に順に照射していくなど、適宜変更してもよい。 In addition to FIGS. 9 and 10, the irradiation time interval between adjacent irradiation points may be adjusted by appropriately setting the divided regions in the X direction and the Y direction. Further, the irradiation order may be changed as appropriate, for example, irradiation is sequentially performed in the Y direction.
このような照射順序(ポイント配列)は、あらかじめメモリに保存しておいて使用時に呼び出してもよいし、配列を決定するための算出式を用いてそのつど決定してもよい。またこのような走査方法を、前述の第2〜第4の実施の形態に組み合わせて用いてもよい。 Such an irradiation order (point arrangement) may be stored in a memory in advance and recalled at the time of use, or may be determined each time using a calculation formula for determining the arrangement. Such a scanning method may be used in combination with the above-described second to fourth embodiments.
その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形されてよい。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, In the implementation stage, you may change variously in the range which does not change the summary.
例えば、始めに1フレームの画像を取得して(通常のXY走査でも本発明のランダム走査でもよい)、標本の存在する位置を検出あるいはモニタ上で指定し、標本の存在する位置だけに対して、隣り合うデータ取得点が連続しないデータ取得順序を決定してレーザ走査を行うようにしてもよい。こうすれば、標本の存在しない位置は走査されないので、画像取得時間が大幅に短縮される。また、画像取得を行う平面は、XY平面でなく、XZ平面またはレーザ光軸に対して傾斜した平面であってもよい。この場合、Z方向に収束点を高速に移動させるには、デフォーマブルミラーなどの光学素子を光路中に設ければよい。 For example, first, an image of one frame is acquired (either normal XY scanning or random scanning according to the present invention), the position where the sample exists is detected or specified on the monitor, and only the position where the sample exists Alternatively, laser scanning may be performed by determining a data acquisition order in which adjacent data acquisition points are not continuous. In this way, the position where the sample does not exist is not scanned, so that the image acquisition time is greatly shortened. Further, the plane on which image acquisition is performed may be an XZ plane or a plane inclined with respect to the laser optical axis instead of the XY plane. In this case, in order to move the convergence point in the Z direction at high speed, an optical element such as a deformable mirror may be provided in the optical path.
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、実施形態中で述べられている利点が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。 Furthermore, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, if some of the configuration requirements are deleted from all the configuration requirements shown in the embodiment and the advantages described in the embodiment are obtained, the configuration in which this configuration requirement is deleted It can be extracted as an invention.
1…レーザ光源ユニット、2…レーザ光源、3…レーザ光源、4…反射ミラー、5…ダイクロイックミラー、6…音響光学可変フィルタ、7…反射ミラー、8…ダイクロイックミラー、9…走査光学ユニット、9a…Y方向スキャナ、9b…X方向スキャナ、10…対物レンズ、11…標本、12…検出器、13…A/D変換器、14…パーソナルコンピュータ、15…制御プログラム部、16…レーザ出力制御部、16a…メモリ、17…フレームメモリ、18…X方向スキャナ駆動波形メモリ、19…Y方向スキャナ駆動波形メモリ、20…クロック生成部、21…スキャナ駆動部、22…入力装置、23…モニタ、24…電流検出器、25…神経細胞、25a…スパイン、25b…部位、26…領域、151…走査条件入力部、152…走査ポイント配列生成部、153…XYT画像生成部、301…X位置データ配列、302…Y位置データ配列、401…XDACデータ配列、402…YDACデータ配列、501…XDACデータ配列、502…YDACデータ配列、601…XDACデータ配列、701…レーザ設定データ配列。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
標本上のデータ取得点に前記レーザ光を収束して照射する照射手段と、
隣り合うデータ取得点が連続しないデータ取得順序を決定するデータ取得順序決定手段と、
前記データ取得順序に従って前記レーザ光を走査する走査手段と、
各データ取得点において複数回のサンプリングを連続して行うことにより各データ取得点からの光の複数の輝度情報を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出される各データ取得点からの光の複数の輝度情報を前記データ取得点の位置情報に対応付けして保存する記憶手段と、
前記検出手段により検出される各データ取得点からの光の複数の輝度情報のうち、各データ取得点において同じ順位で検出された輝度情報同士をそれぞれの前記データ取得点の前記位置情報と対応付けて1枚の2次元画像を生成し、これを各取得順位について行うことにより複数の2次元画像を形成する画像形成手段とを備えている、走査型顕微鏡。Light source means for emitting laser light;
Irradiating means for converging and irradiating the laser beam to a data acquisition point on the specimen;
Data acquisition order determination means for determining a data acquisition order in which adjacent data acquisition points are not continuous;
Scanning means for scanning the laser beam according to the data acquisition sequence;
Detecting means for detecting a plurality of luminance information of light from each data acquisition point by continuously performing sampling a plurality of times at each data acquisition point;
Storage means for storing a plurality of pieces of luminance information of light from each data acquisition point detected by the detection means in association with position information of the data acquisition point;
Among the plurality of luminance information of light from each data acquisition point detected by the detection means, the luminance information detected in the same order at each data acquisition point is associated with the position information of each data acquisition point. A scanning microscope comprising image forming means for generating a plurality of two-dimensional images by generating one two-dimensional image for each acquisition order .
前記データ取得点が隣り合わない順序に従って前記レーザ光を走査し、
各データ取得点において複数回のサンプリングを連続して行うことにより各データ取得点からの光の複数の輝度情報を検出し、
検出した各データ取得点からの光の複数の輝度情報を前記データ取得点の位置情報に対応付けして保存し、
各データ取得点からの光の複数の輝度情報のうち、各データ取得点において同じ順位で検出された輝度情報同士をそれぞれの前記データ取得点の前記位置情報と対応付けて1枚の2次元画像を生成し、これを各取得順位について行うことにより複数の2次元画像を形成する、標本画像取得方法。Converging and irradiating laser light to the data acquisition point on the specimen,
Scanning the laser light according to an order in which the data acquisition points are not adjacent,
Detecting multiple pieces of luminance information of light from each data acquisition point by continuously performing multiple samplings at each data acquisition point,
A plurality of luminance information of light from each detected data acquisition point is stored in association with the position information of the data acquisition point,
Among a plurality of pieces of luminance information of light from each data acquisition point, luminance information detected in the same order at each data acquisition point is associated with the position information of each data acquisition point, and one two-dimensional image A sample image acquisition method for generating a plurality of two-dimensional images by generating the two-dimensional images by performing the above- described process for each acquisition order .
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