JP4331748B2 - Manipulator device and treatment instrument operating method using manipulator device - Google Patents
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Description
本発明は、マニピュレータ装置、マニピュレータ、およびマニピュレータ装置を用いた処置具の操作方法に関する。
本願は、2004年3月30日に出願された特願2004−100820号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。The present invention relates to a manipulator device, a manipulator, and a method for operating a treatment tool using the manipulator device.
This application claims priority about Japanese Patent Application No. 2004-100820 for which it applied on March 30, 2004, and uses the content here.
従来、対象物としての細胞等の生体試料に遺伝子を導入し、該遺伝子を発現させるための手段としては、マイクロインジェクション法、エレクトロポレーション法やパーティクルガン法等の物理的手法によるもの、リン酸カルシウム法やリポフェクション法等の細胞のエンドサイトーシスを利用する手法によるものが知られている。
これらの方法のうち、下記の特許文献1に記載されているようなマイクロインジェクション法では、個々の細胞に直接DNA溶液を注入するので、任意の細胞に選択的に遺伝子を導入することができる。この方法では、マニピュレータ装置の処置具の先端が太いと、生体試料に与えるダメージが大きくなり、操作後の生存率が良好とはいえず、導入後の実験に支障を来すことがある。
そこで、例えば下記の特許文献2では、処置具として、細胞への挿入時にダメージを与えない極細径の針状部を使用し、遺伝子または遺伝子発現に関与する物質をこの針状部に固定化し、その状態で細胞への挿入及び保持を行うことで細胞への遺伝子導入を行っている。
Among these methods, in the microinjection method described in
Therefore, for example, in
一般に、上記のような遺伝子導入を行うためのマニピュレータ装置では、対象となる細胞の選択を光学顕微鏡下で行う。同様に、細胞に対して処置を行う処置具の先端もその光学顕微鏡で検出し、対象となる細胞との相対的な位置関係(面内位置および高さ)を制御する。
ここで、上記の特許文献2に記載されているように、細胞へのダメージを軽減するために処置具の先端の径を細くすると、処置具の先端を光学顕微鏡で検出することが困難になる。そこで、特許文献2では、原子間力顕微鏡(AFM)を付加し、処置具と細胞との距離の測定を、処置具であるカンチレバーと細胞との間に作用する原子間力を測定することで行っている。そのため、高価で構造や操作が複雑な原子間力顕微鏡が必要となる欠点がある。
また、このような構成であっても、細胞と処置具先端との位置合わせを正確に行うことができない。Generally, in a manipulator apparatus for performing gene introduction as described above, selection of target cells is performed under an optical microscope. Similarly, the tip of a treatment tool that treats cells is also detected by the optical microscope, and the relative positional relationship (in-plane position and height) with the target cells is controlled.
Here, as described in
Further, even with such a configuration, it is not possible to accurately align the cell and the distal end of the treatment instrument.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、安価でかつ簡単な構成で、マニピュレータの処置具の先端部の位置を正確に求め、同先端部の位置制御を良好に行うことを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and has an object to accurately obtain the position of the distal end portion of the treatment instrument of the manipulator with a low-cost and simple configuration, and to satisfactorily control the position of the distal end portion. And
本発明は、観察光学系の観察下で、操作対象物に対して操作を行うマニピュレータ装置であって:前記操作対象物に対して操作を行う処置具と;前記処置具に含まれ、前記操作対象物に接触または最も接近する先端部と;前記先端部の変位に伴って発生する、照明光によって照明された前記先端部からの散乱光を含む光の変化を検出する検出手段と;を備えるマニピュレータ装置を提供する。 The present invention relates to a manipulator device that performs an operation on an operation target under observation by an observation optical system: a treatment tool that performs an operation on the operation target; included in the treatment tool; A tip portion that is in contact with or closest to the object; and detecting means that detects a change in light including scattered light from the tip portion that is illuminated by illumination light and that is generated when the tip portion is displaced. A manipulator device is provided.
上記のマニピュレータ装置によれば、非常に微細であるために観察の困難な処置具であっても、処置具の先端部からの散乱光を検出し、それを利用するだけで、処置具が物体に触れることがなく、処置具を破損する虞もなしにその先端部の位置を正確に求めることができる。 According to the manipulator device described above, even if the treatment tool is very fine and difficult to observe, the treatment tool can be detected only by detecting scattered light from the distal end of the treatment tool and using it. It is possible to accurately determine the position of the distal end portion without touching and without fear of damaging the treatment instrument.
上記のマニピュレータ装置は、前記観察光学系によって観察される領域のうち、前記先端部が存在し得る領域に対して前記照明光を選択的に照射する照明光学系を更に備えることが好ましい。 It is preferable that the manipulator device further includes an illumination optical system that selectively irradiates the illumination light to a region where the tip portion can exist among regions observed by the observation optical system.
上記のマニピュレータ装置によれば、位置決めを行いたい所定の領域に処置具先端部が達したときだけ、検出手段が散乱光の像の変化を検出できるので、処置具の先端部の位置を検出する精度を向上させることができる。 According to the manipulator device described above, the detection means can detect a change in the image of scattered light only when the distal end of the treatment instrument reaches a predetermined region to be positioned, so that the position of the distal end of the treatment instrument is detected. Accuracy can be improved.
上記のマニピュレータ装置において、前記照明光は、前記観察光学系を介して前記先端部が存在し得る領域に照射されることが好ましい。 In the manipulator device described above, it is preferable that the illumination light is irradiated to a region where the tip portion can exist through the observation optical system.
上記のマニピュレータ装置において、前記照明光学系は、前記操作対象物を保持する面にエバネッセント光を生じさせることが好ましい。 In the manipulator device described above, it is preferable that the illumination optical system generates evanescent light on a surface that holds the operation target.
上記のマニピュレータ装置によれば、操作対象物を保持した面に対し、50〜150nmという限りなく近接した位置まで処置具の先端部を近接させることができ、また、ほぼ処置具の先端部のみが検出されるので、処置具の先端部の位置を検出す精度を極めて向上させることができる。 According to the manipulator device described above, the distal end portion of the treatment instrument can be brought close to the surface holding the operation target as close as possible to 50 to 150 nm. Since it is detected, the accuracy of detecting the position of the distal end portion of the treatment instrument can be greatly improved.
上記のマニピュレータ装置は、前記先端部の存在し得る位置と前記観察光学系の光軸とを合わせる第1の位置合わせ手段を更に備え、前記照明光学系は、暗視野照明光学系であることが好ましい。 The manipulator device may further include a first alignment unit that aligns a position where the tip portion can exist and an optical axis of the observation optical system, and the illumination optical system is a dark field illumination optical system. preferable.
上記のマニピュレータ装置によれば、暗視野観察光学系を用い、処置具の先端部を移動させることにより、照明光学系からの照明光を直接検出することなく、対物レンズから離れた位置にある処置具でも、その先端部からの散乱光の像を簡単な顕微鏡の構成で選択的に検出することができる。 According to the manipulator device described above, the treatment at a position away from the objective lens without directly detecting the illumination light from the illumination optical system by using the dark field observation optical system and moving the distal end portion of the treatment instrument. Even with a tool, it is possible to selectively detect an image of scattered light from the tip portion with a simple microscope configuration.
上記のマニピュレータ装置は、前記先端部の存在し得る位置と前記観察光学系の光軸とを合わせる第2の位置合わせ手段と、前記照明光が照射された領域と光学的に共役な位置に設けられた開口部を有する部材を更に備え、前記検出手段は、前記開口部を通過した前記散乱光を含む光の変化を検出することが好ましい。 The manipulator device is provided at a position optically conjugate with the second alignment means for aligning the position where the tip portion can exist and the optical axis of the observation optical system, and the region irradiated with the illumination light. further comprising a member having an opening portion, said detecting means preferably detects a change in the light including the scattered light that has passed through the opening.
上記のマニピュレータ装置によれば、共焦点光学系を用いたうえで処置具の先端部を移動させることにより、照明光学系で照明された部分のうち、開口部と光学的に共役な位置に処置具の先端部が達したときのみ、散乱光の像を検出手段上で結像させることができるので、処置具の先端部からの散乱光を選択的に捉えることができ、処置具の先端部の位置を検出する精度を極めて向上させることができる。 According to the manipulator device described above, the distal end portion of the treatment tool is moved after using the confocal optical system, so that the portion illuminated by the illumination optical system is treated at a position optically conjugate with the opening. Since the image of the scattered light can be formed on the detection means only when the distal end of the instrument reaches, the scattered light from the distal end of the treatment instrument can be selectively captured, and the distal end of the treatment instrument The accuracy of detecting the position can be greatly improved.
上記のマニピュレータ装置は、前記観察光学系は、複数の前記開口部を持つディスクを備えるとともに、前記ディスクを回転させることにより当該開口部を通じて前記先端部の存在し得る領域を走査して照明し、前記検出手段は、前記ディスクに設けられた前記開口部を通過した前記散乱光を含む光の変化を検出することが好ましい。 In the manipulator device, the observation optical system includes a disk having a plurality of openings, and scans and illuminates a region where the tip portion can exist through the opening by rotating the disk. It is preferable that the detection means detects a change in light including the scattered light that has passed through the opening provided in the disk.
上記のマニピュレータ装置によれば、ディスクを回転させることにより、照明光を観察視野内で走査させ、観察光学系の焦点が合った部分に達した処置具の先端部からの散乱光を、検出手段によって確実に検出することができる。 According to the manipulator device described above, by rotating the disk, the illumination light is scanned within the observation visual field, and the scattered light from the distal end portion of the treatment instrument that has reached the in-focus portion of the observation optical system is detected. Can be reliably detected.
上記のマニピュレータ装置は、前記照明光学系は、レーザ光を出射するとともに、前記レーザ光を前記先端部の存在し得る領域で収束させた状態で走査し、前記検出手段は、前記レーザ光を収束させた領域と光学的に共役な位置に設けられた前記開口部を通過した前記散乱光を含む光の変化を検出することが好ましい。 In the manipulator device, the illumination optical system emits laser light and scans the laser light in a state where the laser light is converged in a region where the tip portion can exist, and the detection unit converges the laser light. It is preferable to detect a change in light including the scattered light that has passed through the opening provided at a position optically conjugate with the formed region.
上記のマニピュレータ装置によれば、レーザ光を観察視野内で走査させることにより、開口部と光学的に共役な位置に達した処置具の先端部からの散乱光を検出手段で確実に検出することができる。 According to the manipulator device described above, the detection means reliably detects the scattered light from the distal end portion of the treatment instrument that has reached a position optically conjugate with the opening by scanning the laser beam within the observation visual field. Can do.
上記のマニピュレータ装置は、前記照明光学系が、少なくとも、前記先端部の存在しうる第1の領域に前記照明光を照射する第1の照明モードと、前記第1の領域とは異なる前記操作対象物の存在しうる第2の領域に前記照明光を照射する第2の照明モードとをそれぞれ切り換えることが好ましい。 In the manipulator device described above, the operation target is different from the first region in which the illumination optical system irradiates at least the first region where the tip portion can exist with the illumination light. It is preferable to switch each of the second illumination modes in which the illumination light is irradiated to the second region where an object can exist .
上記のマニピュレータ装置によれば、処置具の先端部の粗い位置検出と精密な位置検出、処置具の先端部への照明と他の部分への照明等をそれぞれ切り替え、種々の操作を行うことができる。 According to the manipulator device described above, it is possible to perform various operations by switching between a rough position detection and a precise position detection of the distal end of the treatment instrument, illumination on the distal end of the treatment instrument, illumination on other parts, and the like. it can.
上記のマニピュレータ装置は、前記照明光学系が、少なくとも、前記先端部に前記照明光を照射する第1の照明モードと、前記操作対象物に前記照明光を照射する第2の照明モードとをそれぞれ切り換えることが好ましい。 In the manipulator device described above, the illumination optical system has at least a first illumination mode in which the illumination light is irradiated on the distal end portion and a second illumination mode in which the operation object is irradiated with the illumination light, respectively. It is preferable to switch .
上記のマニピュレータ装置によれば、処置具の先端部と操作対象物との正確な位置を検出することができる。 According to the manipulator device, it is possible to detect an accurate position between the distal end portion of the treatment tool and the operation target.
上記のマニピュレータ装置は、前記先端部が、前記観察光学系の光学的分解能よりも小さいことが好ましい。 In the manipulator device, it is preferable that the tip portion is smaller than an optical resolution of the observation optical system.
上記のマニピュレータ装置によれば、極めて微細な処置具を用いれば、操作対象物へのダメージが最小限に抑制でき、このような処置具であっても、散乱光を検出する方法であれば確実にその先端部の位置を検出することができる。 According to the manipulator device described above, if an extremely fine treatment tool is used, damage to the operation target can be suppressed to a minimum, and even such a treatment tool can be reliably used as long as it is a method for detecting scattered light. In addition, the position of the tip can be detected.
上記のマニピュレータ装置は、前記検出手段が検出した前記先端部の位置を記憶する位置記憶手段を更に備えることが好ましい。 The manipulator device preferably further includes a position storage unit that stores the position of the tip portion detected by the detection unit.
上記のマニピュレータ装置によれば、処置具の先端部の位置を、例えば基準位置として記憶すれば、一度の位置検出で確実に処置具の先端部の位置制御を行うことができる。 According to the manipulator device described above, if the position of the distal end portion of the treatment instrument is stored as, for example, the reference position, the position control of the distal end portion of the treatment instrument can be reliably performed with one position detection.
上記のマニピュレータ装置は、前記操作対象物が保持された面と前記処置具との相対的な距離を調節する駆動手段を更に備え、前記駆動手段は、前記検出手段が検出した結果に基づいて前記処置具の移動を制御することが好ましい。 The manipulator device further includes a drive unit that adjusts a relative distance between the surface on which the operation target object is held and the treatment tool, and the drive unit is configured based on a result detected by the detection unit. It is preferable to control the movement of the treatment instrument.
上記のマニピュレータ装置によれば、検出手段が検出した処置具の先端部の位置を基準位置として用いるなどして、処置具を破損することなく、その位置調節や操作対象物への操作を行うことができる。 According to the manipulator device described above, the position of the treatment instrument detected by the detection means is used as a reference position, and the position of the treatment instrument is adjusted and the operation target is operated without damaging the treatment instrument. Can do.
上記のマニピュレータ装置は、前記処置具による操作が、前記操作対象物への前記処置具の挿入、前記操作対象物への物質の注入、前記操作対象物の切断、前記操作対象物の保持、および前記操作対象物への物理的または電気的な刺激を含むことが好ましい。 In the manipulator device, the operation by the treatment tool is performed by inserting the treatment tool into the operation target object, injecting a substance into the operation target object, cutting the operation target object, holding the operation target object, and It is preferable to include physical or electrical stimulation to the operation target.
上記のマニピュレータ装置において、操作とは、処置具の先端部分が対象物に触れる、触れない、のいずれの場合をも含め、種々のマニピュレーションを指す。 In the above-described manipulator device, the operation refers to various manipulations including cases where the distal end portion of the treatment tool touches or does not touch the object.
上記のマニピュレータ装置において、前記操作対象物は生体試料を含むことが好ましい。また、前記生体試料は生細胞であることが好ましい。 In the manipulator device, it is preferable that the operation target includes a biological sample. The biological sample is preferably a living cell.
本発明は、観察光学系の観察下で操作対象物に対して操作を行う、マニピュレータ装置を用いた処置具操作方法であって:前記操作対象物に対して操作を行う処置具に含まれ、前記操作対象物に接触または最も接近する先端部を、照明光によって照明する工程と;前記先端部の変位に伴って発生する、前記照明光によって照明された前記先端部からの散乱光を含む光の変化を検出する工程と;を備えるマニピュレータ装置を用いた処置具操作方法を提供する。 The present invention is a treatment tool operation method using a manipulator device that performs an operation on an operation target under observation of an observation optical system, and includes: a treatment tool that operates on the operation target; A step of illuminating the distal end portion that is in contact with or closest to the operation target object with illumination light; and light that includes scattered light from the distal end portion that is illuminated by the illumination light and that is generated when the distal end portion is displaced. And a treatment tool operating method using a manipulator device comprising:
エバネッセント光を利用した微小領域の照明、暗視野照明光学系、共焦点光学系等の技術は従来から存在するが、これらの技術を使って非常に微細な針先を検出するという技術思想は、過去には存在しなかった。しかしながら、上記のマニピュレータ装置によれば、観察の困難な微細な処置具であっても、処置具先端からの散乱光を検出し、それを利用するだけで、処置具が物体に触れることなく、処置具を破損する虞なしにその先端の位置を正確に求められる。 Technologies such as illumination of minute areas using evanescent light, dark field illumination optical systems, confocal optical systems, etc. have existed conventionally, but the technical idea of detecting very fine needle tips using these technologies is, It did not exist in the past. However, according to the manipulator device described above, even if the treatment tool is difficult to observe, the scattered light from the distal end of the treatment tool is detected, and the treatment tool does not touch the object simply by using it. The position of the tip can be accurately obtained without fear of damaging the treatment tool.
本発明の観察光学系によって観察することができる所定の領域に対し、照明光を選択的に照射する照明光学系としては、操作対象物を保持する面を含み、かつ観察に必要な光を透過する基板と操作対象物の媒質との界面において全反射する全反射照明光学系を適用することができる。 The illumination optical system that selectively irradiates illumination light to a predetermined region that can be observed by the observation optical system of the present invention includes a surface that holds an operation target and transmits light necessary for observation. It is possible to apply a total reflection illumination optical system that totally reflects at the interface between the substrate to be operated and the medium of the operation target.
この全反射照明光学系によれば、照明光は観察に必要な光を透過する基板と操作対象物の媒質の界面において全反射する。このとき、操作対象物の媒質中に、光軸方向に進行するエバネッセント波が発生する。このエバネッセント波は、基板と媒質の界面から50〜150nm程度の領域にのみ存在するので、処置具を下降させてその先端部がこの領域に入ると、先端部で反射したエバネッセント波が、観察光学系を介して検出器上に結像し、検出される。エバネッセント波が存在する領域、すなわち全反射照明光学系によって照明される領域は50〜150nm程度の領域であり、処置具の先端部以外は照明されないので、その先端部のみをコントラスト良く検出することができる。 According to this total reflection illumination optical system, the illumination light is totally reflected at the interface between the substrate that transmits light necessary for observation and the medium of the operation target. At this time, an evanescent wave traveling in the optical axis direction is generated in the medium of the operation target. Since this evanescent wave exists only in the region of about 50 to 150 nm from the interface between the substrate and the medium, when the treatment tool is lowered and its tip enters this region, the evanescent wave reflected by the tip is An image is formed on the detector through the system and detected. The area where the evanescent wave exists, that is, the area illuminated by the total reflection illumination optical system is an area of about 50 to 150 nm, and since only the distal end portion of the treatment instrument is illuminated, only the distal end portion can be detected with good contrast. it can.
照明光学系としては、暗視野照明光学系を適用することもできる。暗視野照明光学系では、照明光は対物レンズの外側から対物レンズの開口数よりも大きな角度で照明されるので、水平面で反射した光は、対物レンズには直接は入射しない。しかしながら、処置具の先端部のように微小なものが照明領域に存在すれば、反射光の一部は対物レンズに入射するので、処置具の先端部を検出することができる。 As the illumination optical system, a dark field illumination optical system can also be applied. In the dark field illumination optical system, since the illumination light is illuminated from the outside of the objective lens at an angle larger than the numerical aperture of the objective lens, the light reflected by the horizontal plane does not enter the objective lens directly. However, if a minute object such as the distal end portion of the treatment instrument is present in the illumination region, a part of the reflected light is incident on the objective lens, so that the distal end portion of the treatment instrument can be detected.
また、照明光学系および観察光学系として、試料の一点を照明し、結像位置での一点のみで反射光強度を検出する共焦点光学系を適用することもできる。これらを用いると、試料に焦点の合った領域だけが照明され、結像するので、この領域に処置具の先端部があるときのみ、その先端部を検出できる。共焦点光学系としては、ディスク走査型、レーザ走査型のいずれをも適用可能である。 Further, as the illumination optical system and the observation optical system, a confocal optical system that illuminates one point of the sample and detects the reflected light intensity at only one point at the imaging position can be applied. When these are used, only the region in focus on the sample is illuminated and imaged, so that the tip can be detected only when the tip of the treatment tool is in this region. As the confocal optical system, either a disk scanning type or a laser scanning type is applicable.
さらに、本発明のマニピュレータ装置においては、操作対象物あるいは操作対象物が保持された面と処置具との相対的な距離を調節する駆動手段を備え、この駆動手段が、前記観察光学系を通じて選択的に検出する検出手段によって検出された処置具の像に基づいて、操作対象物が保持された面と処置具との相対的な距離を調節するようにしてもよい。 Furthermore, the manipulator device according to the present invention further includes a driving unit that adjusts a relative distance between the treatment object or the surface on which the manipulation object is held and the treatment tool, and the driving unit is selected through the observation optical system. The relative distance between the surface on which the operation target is held and the treatment tool may be adjusted based on the image of the treatment tool detected by the detection means that detects the target.
このような構成では、操作対象物が保持された面を照明するモードと、処置具を照明するモードが切り替え可能である。そして、操作対象物あるいは操作対象物が保持された面と処置具先端とを、それぞれ最適な照明方法で照明することによって容易に検出することができる。これにより、処置具と操作対象物の相対的な距離を調整することが可能となる。 In such a configuration, the mode for illuminating the surface on which the operation target is held and the mode for illuminating the treatment tool can be switched. And it can detect easily by illuminating the operation target object or the surface on which the operation target object is held, and the distal end of the treatment instrument with an optimal illumination method. Thereby, it becomes possible to adjust the relative distance between the treatment tool and the operation target.
本発明によれば、処置具の先端部の像を良好に検出することが可能となる。そのため、処置具が通常の光学顕微鏡では捉えることができないほど微細なものであっても、処置具の先端部を基板に接触・破損させることなく、操作対象物に対して所定の操作を安全に行うことができる。したがって、操作対象物への挿入深さを正確に管理して、操作対象物に対する操作を非常に効率よく行うことができる。 According to the present invention, it is possible to satisfactorily detect the image of the distal end portion of the treatment instrument. Therefore, even if the treatment tool is so fine that it cannot be captured by a normal optical microscope, the predetermined operation can be safely performed on the operation target without causing the tip of the treatment tool to contact or break the substrate. It can be carried out. Therefore, the insertion depth to the operation target can be accurately managed, and the operation on the operation target can be performed very efficiently.
1,1a,1b,1c:マニピュレータ装置、2:倒立顕微鏡、2a:全反射照明光学系、3:XYステージ、3a:駆動手段、4:試料容器、5:マニピュレータ本体、6:主架台、7:対物レンズ、8:接眼レンズ、9:光源、10:撮像手段、11:画像処理手段、12:制御部、13:保持装置、14:針、14a:先端部、14b:基部、14c:電源コード、15:位置決め手段、16:洗浄ユニット、17:溶液台、17a:導入物質溶液、21:退避ステージ、21a:保持部材、22:Zステージ、24,25:駆動手段、26:支持部材、29:蛍光ランプ、30:楔プリズム、31:偏心スリット、31a:調整手段、32:励起フィルタ、33:ミラー、34:レンズ、35:ダイクロイックミラー、41:カバー、41a:上面部、42:開口部、43:超音波洗浄槽、44:超音波振動子、45:配線コード、46:電極、47:配線コード、50:ランプ、51:穴あきミラー、52:暗視野対物レンズ、52a:照明光導光部、53:結像レンズ、54:ビームスプリッタ、55:ニポーディスク、56:回転モータ、60:レーザ光源、61:ビームスプリッタ、62:2次元光走査機構、63:瞳投影レンズ、64:集光レンズ、65:共焦点ピンホール、66:光検出器、67:駆動手段(第1の位置合わせ手段)、68:駆動手段(第2の位置合わせ手段) 1, 1a, 1b, 1c: Manipulator device, 2: Inverted microscope, 2a: Total reflection illumination optical system, 3: XY stage, 3a: Driving means, 4: Sample container, 5: Manipulator main body, 6: Main mount, 7 : Objective lens, 8: eyepiece lens, 9: light source, 10: imaging means, 11: image processing means, 12: control unit, 13: holding device, 14: needle, 14a: tip part, 14b: base part, 14c: power supply Code: 15: Positioning means, 16: Cleaning unit, 17: Solution stage, 17a: Introducing substance solution, 21: Retraction stage, 21a: Holding member, 22: Z stage, 24, 25: Driving means, 26: Supporting member, 29: fluorescent lamp, 30: wedge prism, 31: eccentric slit, 31a: adjustment means, 32: excitation filter, 33: mirror, 34: lens, 35: dichroic mirror, 41: cover 41a: upper surface portion, 42: opening, 43: ultrasonic cleaning tank, 44: ultrasonic transducer, 45: wiring cord, 46: electrode, 47: wiring cord, 50: lamp, 51: perforated mirror, 52: Dark field objective lens, 52a: illumination light guide, 53: imaging lens, 54: beam splitter, 55: Nipo disk, 56: rotary motor, 60: laser light source, 61: beam splitter, 62: two-dimensional light scanning Mechanism: 63: pupil projection lens, 64: condenser lens, 65: confocal pinhole, 66: photodetector, 67: drive means (first alignment means), 68: drive means (second alignment) means)
本発明に係る第1の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1に、本発明に係るマニピュレータ装置の構成例を示す。このマニピュレータ装置1は、例えば、培地Ca中に存在する操作対象物である細胞(生体試料)Cの核内に適当な遺伝子(導入物質)を導入し、遺伝子にコードされているタンパク質を発現させるものである(図6参照)。A first embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration example of a manipulator device according to the present invention. For example, the
マニピュレータ装置1は、倒立顕微鏡(観察光学系)2と、マニピュレータ本体5とを主な構成要素としている。倒立顕微鏡2は、細胞C等を拡大して観察するために使用される。マニピュレータ本体5は、倒立顕微鏡2のXYステージ3上に載置される試料容器4に培地Caを介して保持される細胞Cに対し、例えば針14等の処置具を使って導入物質を導入する。ここで、試料容器4は、半透明材または透明材からなり、例えばガラスにより作られる。
The
倒立顕微鏡2は、試料容器4等を設置して水平2軸方向(前後及び左右)に移動可能なXYステージ3と、このXYステージ3を支持する主架台6と、試料容器4内の生体試料を下方から観察するための対物レンズ7(図2参照)と、対物レンズ7で観察された画像を観察する接眼レンズ8と、主架台6の上部に設けられた光源9とを備えている。倒立顕微鏡2には、対物レンズ7で観察された生体試料の像を撮影するためのレンズ及びCCDカメラからなる撮像手段10が設けられている。この撮像手段10は、画像処理手段(検出手段)11を介して制御部12に接続されている。また、XYステージ3には、制御部12に接続された駆動手段3aが設けられている。この駆動手段3aが制御部12からの信号に従って駆動されると、XYステージ3が前後または左右方向へ移動する。
The
マニピュレータ本体5は、生体試料の細胞C等に導入する導入物質を保持する保持装置13を備えている。保持装置13は、生体試料の細胞C等に挿入される導入手段である針(処置具)14と、針14の位置を制御する位置決め手段15と、針14の先端部14aを洗浄して活性化させる洗浄ユニット16と、針14に吸着保持させる導入物質が収容される溶液台17とを備えている。
The
針14は、鋭利な先端部14aと、先端部14aよりも大径な基部14bとを有している。針14の先端部14aは、倒立顕微鏡2の光学的分解能よりも小さい。また、針14は、基部14bを位置決め手段15に保持されている。この実施の形態において、針14は、少なくとも表面が白金等の導電性材料からなり、電源コード14cを介して不図示の電源に接続されている。位置決め手段15は、針14の基部14bを保持する退避ステージ21と、退避ステージ21をZ方向(上下方向)に移動可能に支持するZステージ22と、前記XYステージ3とを備えている。なお、XYステージ3は、倒立顕微鏡2と兼用されている。
The
退避ステージ21は、針14の基部14bを保持する保持部材21aを有している。この保持部材21aは、駆動手段24に接続されている。この駆動手段24が制御部12からの信号に従って駆動されると、保持部材21aが水平方向へ移動する。Zステージ22には、駆動手段25が設けられている。この駆動手段25が制御部12からの信号に従って駆動されると、Zステージ22が上下方向へ移動する。つまり、Zステージ22及び駆動手段25は、保持手段21a及び退避ステージ21を介して針14を昇降させる昇降手段を構成している。
なお、Zステージ22は、支持部材26を介して主架台6に取り付けられている。The retracting
The
図2に示すように、倒立顕微鏡2の全反射照明光学系2aは、蛍光観察を行う落射照明系に、楔プリズム30と偏心スリット31とが付加されたものである。全反射照明光学系2aは、倒立顕微鏡2によって観察される領域のうち、針14の先端部14aが存在し得る領域に対して照明光を選択的に照射し、細胞Cを保持する試料容器4の底面にエバネッセント光を生じさせる。この全反射照明光学系2aにおいて、蛍光ランプ29から出た光は、励起フィルタ32、楔プリズム30、偏心スリット31を順に通過する。そして、ミラー33で反射してレンズ34を通過し、さらにダイクロイックミラー35で反射し、専用の対物レンズ7内を経て試料容器4の裏面側(下面側)に入射する。
As shown in FIG. 2, the total reflection illumination
ここで、偏心スリット31の位置は、調整手段31aによって変更することが可能である。この偏心スリット31の位置を変更することにより、少なくとも臨界角近傍における照明光の対物レンズ7への入射角、ひいては試料容器4の裏面への入射角を自由に設定することが可能である。なお、本実施の形態の照明光学系は、励起フィルタ32、ダイクロイックミラー35の各分光特性に依ることなく、照明を行うことが可能である。
Here, the position of the
図3にも示すように、洗浄ユニット16は、防塵のためのカバー41を有している。カバー41は、略方形状で内部に空間を有している。カバー41の上面部41aの略中央には、針14を挿入する開口部42が設けられている。この開口部42の径は、防塵のために、針14を必要な量だけ挿入することができる最小限の大きさになっている。カバー41内には、超音波洗浄槽43と、超音波振動子44とが配置されている。超音波洗浄槽43には、針14の先端部14aを十分に浸漬させられる程度の媒質(例えば、純水、中性洗剤、アルカリ性溶液)が保持されている。超音波振動子44は、超音波洗浄槽43の下部に取り付けられている。超音波振動子44には、配線コード45が接続され、配線コード45は、カバー41を貫通して不図示の電源に接続されている。
なお、洗浄液として洗剤や薬剤を使用する場合には、複数の超音波洗浄槽43を用いて、中和及びすすぎを十分に行う。As shown in FIG. 3, the
In addition, when using a detergent and a chemical | medical agent as a washing | cleaning liquid, neutralization and a rinse are fully performed using the some
図4にも示すように、溶液台17には、複数の凹部が、所定間隔をあけて設けられている。これら複数の凹部ごとに、例えば種類の異なる複数のDNA(デオキシリボ核酸)溶液等の導入物質溶液17aが分注される。溶液台17には、電極46が埋め込まれている。この電極46は配線コード47を介して不図示の電源に接続されている。
なお、溶液17aを分注する凹部を、溶液台17に設ける代わりに、溶液台17の上面を撥水加工するとともに複数の親水領域を形成しておき、この親水領域に溶液17aを保持させるようにしてもよい。As shown in FIG. 4, the solution table 17 is provided with a plurality of recesses at predetermined intervals. For each of the plurality of recesses, for example, an
Instead of providing a recess for dispensing the
このようなマニピュレータ装置1を用いて、針14の先端部14aに導入物質を保持させ、生体試料に導入物質を導入する手順を、図5に示すフローチャートを用いて説明する。
まず、図1に示す位置決め手段15を移動させて、針14を洗浄ユニット16の開口部42に挿入し、図3に仮想線で示すように、針14の先端部14aを超音波洗浄槽43内の媒質に浸漬させる。この状態で、電源から駆動配線45を介して超音波振動子44に電力を供給し、超音波振動子44を振動させる。超音波洗浄槽43内の媒質には、超音波が印加され、針14の先端部14aの表面が洗浄される。例えば、針14の先端部14aの表面が有機物等で汚染されていた場合には、その有機物が除去される。これにより、針14の先端部14aの表面が清浄化され、他の元素等の吸着を阻害する物質がない状態、つまり活性状態になる(S1)。Using such a
First, the positioning means 15 shown in FIG. 1 is moved, the
超音波洗浄によって針14の先端部14aに活性を付与したら、位置決め手段15を作動させ、針14の先端部14aを、容器台17の所定の凹部に注入された導入物質溶液17aの液滴の所定箇所に内に挿入し、浸漬させる。このとき、針14と電極46との間に配線コード47を介して所定の電圧を所定時間付与する。導入物質が一般的にマイナス電荷を帯びることが多いDNAである場合には、針14を陽極として針14の先端部14aの表面にDNAを吸着させる(S2)。
次に、照明モードを、操作対象物の観察・位置データの決定に適したものに設定する(S3)。When the
Next, the illumination mode is set to one suitable for observation / position data determination of the operation target (S3).
操作対象物が生体試料である細胞Cの場合には、照明モードとして、光源9による透過明視野照明や位相差照明が良く用いられる。試料容器4内の生体試料を、光源9による明視野照明あるいは位相差照明を用いて顕微鏡観察し、導入対象となる細胞Cを選択する。必要に応じて、選択した細胞Cの位置データを制御部12の記憶部(位置記憶手段)12aに記憶させる(S4)。
When the operation target is a cell C which is a biological sample, transmitted bright field illumination or phase difference illumination using the
次いで、顕微鏡視野内の導入対象となる細胞Cの近傍で、細胞Cが接着しておらず試料容器4の底面が露出している箇所に、駆動手段25等を介して針14の先端部14aを下降させ、安全に座標管理ができる範囲で十分に接近させる(S5)。安全に座標管理する手段としては、例えば、顕微鏡で十分観察可能な針14の根元側の部位と試料容器4の底面とのフォーカス位置における対物レンズ7の座標に基づき、試料容器4の底面から10〜数十μm程度の高さまで針14の先端部14aを下降させる方法が挙げられる。
Next, in the vicinity of the cell C to be introduced in the microscope field of view, the
次に照明モードを、蛍光ランプ29を用いる試料容器4の底面への落射方向からの全反射照明に切り替える(S6)。全反射照明は、処置具の位置検出に適している。また、調整手段31aを使って偏心スリット31の位置調整を行い、試料容器4の底面の上方に、エバネッセント光の他に若干の透過光が混入する、いわゆる疑似エバネッセント光を照射させる状態とする。これと同時に、顕微鏡のフォーカスが試料容器4の底面から上方5〜10μmに位置するように調整する。そして、例えば、1回の送りにつき2μm程度の微小送りで針14を下降させ、針14の先端部14aで反射した疑似エバネッセント光の散乱光が画像処理手段11によって検出され始めた時点で、針14の下降を停止させる。これで、粗動アプローチが完了する。
Next, the illumination mode is switched to total reflection illumination from the incident direction on the bottom surface of the
次に、前述と同様、調整手段31aを使って偏心スリット31の位置調整を行い、試料容器4の底面の上方に、エバネッセント光のみを照射させる状態とする。これと同時に、顕微鏡のフォーカスが試料容器4の底面に一致するかもしくは底面の上方約200nm以内に位置するように調整する。そして、例えば、1回の送りにつき100nm程度の極微小送りで針14を下降させ、針14の先端部14aで反射したエバネッセント光の散乱光が画像処理手段11によって検出され始めた時点で(すなわち、散乱光が光っていない状態から光った状態に変化した時点で)、針14の下降を停止させる。これで、微動アプローチが完了する。このときの針14の高さを基準高さとする。すなわち、先端部14aが試料容器4の底面に接触する直前の極近接位置にあるときの針14の位置を、基準高さとし、この値をデータの形で制御部12内の記憶部12aに記憶させる(S7)。
なお、針14の先端部14aで反射したエバネッセント光の散乱光が画像処理手段11によって検出されるとき、針14の先端部14aの高さ位置データの他に、針14の先端部14aの水平面に沿ったXY方向の位置データも検出することができる。そこで、検出されたXY方向の位置データを、正確な針14の先端部14aの位置として、制御部12内の記憶部12aに記憶させる。Next, in the same manner as described above, the position of the
When the image processing means 11 detects the scattered light of the evanescent light reflected by the
このように、照明光学系を、針14の先端部(第1の領域)14aを検出するための第1の照明モードに設定し、この状態で先端部14aに焦点を合わせて針14の先端部14aを検出し、先端部14aを検出したら、照明光学系を、操作する対象物である細胞C(第2の領域)に照明光を照射するための第2の照明モードに設定し、細胞の位置を検出する。このように、照明モードを、処置具である針14の先端部14aの検出に適したモード、または操作対象物である細胞Cの検出に適したモードに切り替えて、針14の先端部14aの位置と細胞の位置とを検出する。
なお、図6において、Xは全反射照明光学系の光路、Yは対物レンズ7と試料容器の底面との間に介在されるイマージョンオイル、Zはエバネッセント照明領域を示す。In this way, the illumination optical system is set to the first illumination mode for detecting the tip portion (first region) 14a of the
In FIG. 6, X represents the optical path of the total reflection illumination optical system, Y represents immersion oil interposed between the
次に、針14を駆動手段25によって上方へ一旦退避させた後、導入対象の細胞Cの核等の所定位置に針14の先端部14aが位置するように、駆動手段3aを介してXYステージ3を移動させる。そして、この状態で駆動手段25を駆動させ、針14を下降させる。この操作は、制御部12に入力したデータに基づき、制御部12から発せられる指令信号によって自動的に行っても良い。そして、針14の先端部14aを導入対象の細胞Cの所定位置に挿入する。このとき、針14の先端部14aの到達高さ、すなわち侵入限界高さを、S7において設定した基準高さから所定距離(例えば、1μm)上方に設定することにより、針14の先端部14aが試料容器4の底面に衝突させることないので、針14の先端部14aを細胞C内の目標位置まで確実に侵入させることができる(S8)。
なお、制御部12に入力するデータは、前述の記憶した針14の先端位置データであっても良く、このときの細胞Cの所定位置及び針14の先端部14aとの相対位置を求め、両者を一致させる方法を用いて、針14の先端部14aを導入対象の細胞Cの所定位置に挿入してもよい。Next, after the
The data to be input to the
上記針14の先端部14aの細胞C内への挿入後、駆動手段25を駆動させて針14を上昇させ、細胞Cから退避させる。以上が、対象となる細胞Cへの物質を導入工程である。これにより、針14に吸着させていたDNAが細胞Cの核内で、針14から脱落することにより、遺伝子導入が行われる。
After the
さらに、異なる細胞Cへの導入を行う際には、針14を洗浄ユニット16に挿入し、針14に残留している導入物質及び細胞C内で付着した物質を洗浄除去する。以降は、細胞を選び終え、予定している全ての箇所への導入が終了するまで、洗浄ユニット16で針14を洗浄し、所定の導入物質を吸着させてから、針14を生体試料の所定位置に挿入してその細胞Cに対する導入物質の導入工程を繰り返す(S9)。
なお、遺伝子を導入する手順は、以上で説明した順序に限定されるものでなく、遺伝子導入の目的に合致し、必要な精度を保つ範囲で適宜変更しても良い。例えば、導入針の位置検出(S6,S7)の後に細胞の位置検出(S3,S4)を行っても良いし、針先の洗浄(S1)やDNAの吸着(S2)を、細胞や針先の検出(S3〜S7)の後、遺伝子導入(S8)の直前で行っても良い。また、1つの試料容器4内で複数回導入を行い、かつ導入毎に毎回針を交換せずに連続して使用する場合には、針先位置の検出(S6,S7)は最初に1回だけ行うようにしても良い。Further, when introduction into a different cell C is performed, the
Note that the procedure for introducing a gene is not limited to the order described above, and may be appropriately changed within a range that matches the purpose of gene introduction and maintains necessary accuracy. For example, the position detection (S3, S4) of the cell may be performed after the position detection (S6, S7) of the introduction needle, or the cleaning of the needle tip (S1) or the adsorption of DNA (S2) is performed by the cell or the needle tip. After detection (S3 to S7), it may be performed immediately before gene introduction (S8). Further, when introduction is performed a plurality of times in one
この実施の形態では、倒立顕微鏡2による落射方向の全反射照明を用いた観察下で、駆動手段25及びZステージ22からなる昇降手段により針14を漸次下降させる。その際、針14の先端部14aがエバネッセント照明領域Zに至ると、エバネッセント光で照明される。このとき、針の先端部14aから発せられる散乱光が画像処理手段11によって検出されるので、このときの針14の高さ位置を基準高さとする。そして、この基準高さを基に、針14を細胞C内に挿入するときの針14の高さを設定するので、針14の先端部14aが試料容器4の底面に接触することなく、針14を細胞Cに安全に挿入させることができる。また、針14の先端14aは光学顕微鏡では捉えることができないほど微細である場合であっても、試料容器4の底面に衝突して折損するのを未然に防止することができる。
In this embodiment, the
また、駆動手段24を用いた針14の退避・進出操作、駆動手段25を用いた針14の昇降操作、駆動手段3aを用いたXYステージ3の移動操作、および倒立顕微鏡2の照明切替操作を、制御部12からの指令信号に基づいて自動的に行っても良いし、手動で行っても良い。上記の操作を手動で行う場合には、基準高さを求めた後の針14の下降位置が、設定された細胞Cの侵入限界高さに達した後は、制御部12からの指令信号に基づき、それ以上の針14の下降を規制するともに、制御部12に接続された図示せぬ表示手段に、針14の下降時の位置が所定高さに達したことを表示するようにしても良い。
なお、本発明は前記した実施の形態に限られることなく、必要に応じて適宜変更可能である。Further, the retracting / advancing operation of the
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed as necessary.
例えば、前述の実施の形態では、本発明のマニピュレータ装置1を及び該装置を用いた処置具の操作方法を、針14による刺入・注入を利用した遺伝子導入の場合を例に挙げて説明したが、これに限られることなく、針14の代わりに他の処置具を用い、移動、切断、保持、物理的または電気的な刺激等の操作を行っても良い。また、操作対象としては細胞Cに限られることなく、細菌等他の生体試料や、半導体やナノチューブ等の生体試料以外のワークを対象として前述の操作を行っても良い。
For example, in the above-described embodiment, the
また、前述の実施の形態では、針14の外周面に電気を流して電気的に導入物質を吸着させているが、これに限られることなく、化学的に吸着させてもよい。また、十分に微細であれば、ノズル状として、その先端から導入物質溶液を直接細胞C等へ吐出するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, electricity is caused to flow on the outer peripheral surface of the
前述の実施の形態では、超音波を利用して針14の洗浄を行っているが、これに限られることなく、目的や状況に応じて、プラズマや紫外線、あるいはオゾン等を利用したドライ洗浄を用いても良い。また、針14を洗浄して再利用する代わりに、針14を予め複数用意しておき、それら針を持ち替えて所定の操作を行っても良い。
In the above-described embodiment, the
前述の実施の形態では、落射方向の全反射照明の光源として、蛍光ランプ29を利用しているが、これに限られることなく、レーザを光源として用いてもよい。また、針14の先端部14aの位置として予め設定し、制御部12内の記憶部12aに記憶させた位置を、画像処理手段11が検出したエバネッセント光による散乱光の位置をもとに修正しても良い。
In the above-described embodiment, the
次に、本発明に係る第2の実施の形態について図7を用いて説明する。
図7に示すマニピュレータ装置1aは、ランプ50と、照明光学系50aと、穴あきミラー51と、暗視野対物レンズ52と、結像レンズ53と、撮像手段10と、画像処理手段(検出手段)11とを備えている。暗視野対物レンズ52の外周部には、照明光導光部52aが設けられている。針14は、先端部14aの存在し得る位置と観察光学系の光軸とを合わせる駆動手段(第1の位置合わせ手段)67に支持されている。このマニピュレータ装置1aの照明光学系は、暗視野照明光学系である。Next, a second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG.
A
ランプ50から発せられた照明光束は、照明光学系50aを経て穴あきミラー51に入射し、リング状の光束となって照明光導光部52aに入射する。照明光導光部52aに入射した光束は、図中破線で示すように、暗視野対物レンズ52の先端部分で反射または屈折し、対物レンズ52によって取り込むことができる光線の角度よりも大きな角度で試料容器4を照明する。
The illumination light beam emitted from the
ここで、試料容器4の底面等、比較的大きくて平坦な面で反射した光線は、対物レンズ52には入射しないが、針14の先端部14aのように微細な形状で反射して生じた散乱光には、一部、対物レンズ52に入射する光がある。この光は対物レンズ52で取り込まれ、穴あきミラー51の開口部を通過し、結像レンズ53で集光されて結像し、撮像手段10によって画像化される。これにより、この散乱光が光っていない状態から光った状態に変化したことが、画像処理手段11によって検出される。
Here, the light beam reflected by a relatively large and flat surface such as the bottom surface of the
暗視野照明光は、試料容器4と培地Caとの界面で一部が反射し、一部が屈折し、培地Ca中を透過し、試料容器4の底面から離れた部分も照明する。これにより、針14の先端部14aが試料容器4の底面から離れていても、画像処理手段11によって同先端部14aを検出することができる。このため、エバネッセント光を照明する場合よりも更に、針14の先端部14aの衝突・破損の可能性を低くすることができる。また、全反射状態を必要としないので、高価な油浸タイプの対物レンズを使う必要が無く、作業性も向上する。
The dark field illumination light is partially reflected at the interface between the
次に、本発明に係る第3の実施の形態について図8を用いて説明する。
図8に示すマニピュレータ装置1bは、ランプ50と、照明光学系50aと、ビームスプリッタ54と、ニポーディスク55と、回転モータ56と、結像レンズ53と、撮像手段10と、画像処理手段(検出手段)11とを備えている。ニポーディスク55には、図9に示すように、スパイラル状の微小開口55aが空いている。各微小開口55a間の距離は、微小開口55aの直径の10倍程度である。回転モータ56は、ニポーディスク55を一定速度で回転させる。針14は、先端部14aの存在し得る位置と観察光学系の光軸とを合わせる駆動手段(第2の位置合わせ手段)68に支持されている。このマニピュレータ装置1bにおいて、ニポーディスク55は、結像レンズ53の像位置に配置されるとともに、照明光学系および観察光学系と合わせてディスク走査型の共焦点顕微鏡を構成する。Next, a third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG.
The
ランプ50から発せられた照明光束は、照明光学系を経てビームスプリッタ54で反射し、ニポーディスク55に入射する。微小開口55aを通過した光束は結像レンズ53、対物レンズ7を経て所定の点で収束し、その点に達した針14の先端部14aを照明し、反射する。先端部14aで反射した光は、再び対物レンズ7、結像レンズ53を経てニポーディスク55に入射する。ここで、先端部14aが照明される位置と微小開口55aとが光学的に共役になっていれば、先端部14aに焦点が合っていると、反射光(散乱光)はニポーディスク55上で集光し、微小開口55aを通過するが、針先端14aに焦点が合っていないと、反射光はニポーディスク55上では集光せず、微小開口55aを収束した状態で通過することはできない。微小開口55aを収束した状態で通過した光は、ビームスプリッタ54を透過し、撮像手段10上で結像し、画像化される。これにより、この反射光が結像していない状態から結像した状態に変化したことが、画像処理手段11によって検出される。
The illumination light beam emitted from the
ニポーディスク55は定速度で回転するので、微小開口55aは焦点面全体を走査することができ、焦点面にある物体の像だけが検出され、焦点面にないものは画像化されない。したがって、針14の先端部14aが焦点面に達したときのみ画像化されるので、針14の高さを高精度で検出することができる。ここで、針14の先端部14aの像は、CCDカメラのかわりに接眼レンズで目視観察しても良い。
Since the
また、図10に示すように、顕微鏡として正立型を用い、レーザ走査型の共焦点光学系を用いも良い。図10に示すマニピュレータ装置1cは、レーザ光源60と、ビームスプリッタ61と、2次元光操作機構62と、瞳投影レンズ63と、結像レンズ53と、対物レンズ7と、集光レンズ64と、共焦点ピンホール65と、光検出器66とを備えている。2次元光走査機構62は、2組のガルバノミラースキャナからなり、レーザ光を2方向に偏向(走査)させる。光検出器66には、フォトダイオードやフォトマルチプライヤー(フォトマル)が採用される。
Further, as shown in FIG. 10, an erecting type microscope may be used and a laser scanning type confocal optical system may be used. A
レーザ光源60から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ61を透過して2次元光走査機構62に入射する。2次元光走査機構62に入射したレーザ光は、2次元光走査機構62によって2方向に偏向され、瞳投影レンズ63、結像レンズ53、対物レンズ7を経て針14等の処置具または細胞Cに照射され、反射する。針14等の処置具または細胞Cで反射した光は、再び対物レンズ7、結像レンズ53、瞳投影レンズ63を経て2次元光走査機構62に入射する。そして、2方向の偏向が解消し、ビームスプリッタ61へと入射する。針14等の処置具または細胞Cで反射した光は、ビームスプリッタ61で反射し、集光レンズ64で集光され、共焦点ピンホール65へ導かれる。
Laser light emitted from the
針14等の処置具または細胞Cが対物レンズ7の合焦位置にある場合は、上記のようにレーザ光が照射された位置と共焦点ピンホール65とが光学的に共役になっていれば、集光レンズ64による収束光は、共焦点ピンホール65上で一点に収束し、共焦点ピンホール65を通過する。そして、光検出器66によって検出され、電気信号に変換される。また、針14等の処置具または細胞Cが対物レンズ7の合焦位置に無い場合は、集光レンズ64による収束光は、共焦点ピンホール65上では収束せずに広がっているので、その一部が共焦点ピンホール65を通過しても、光検出器66によっては検出されない。
When the treatment instrument such as the
2次元光走査機構62の光偏向に同期して光検出器66の光検出を行うと、針14等の処置具または細胞Cに対物レンズの焦点があった場合のみ、収束光が画像化される。さらに対物レンズの高さを順次変えながら画像を取り込むと、針14等の処置具および細胞Cの像が得られる対物レンズ7の高さに応じて、細胞Cと処置具14との高さの差を検出することができる。
When light detection by the
このようなディスク型あるいはレーザ走査型の共焦点光学系を採用したマニピュレータ装置では、処置具の先端部の像を良好に検出することができるのに加え、その高さも精度良く検出することができる。
In a manipulator device employing such a disk type or laser scanning type confocal optical system, an image of the distal end portion of the treatment instrument can be detected well, and its height can also be detected with high accuracy. .
Claims (17)
前記操作対象物に対して操作を行う処置具と;
前記処置具に含まれ、前記操作対象物に接触または最も接近する先端部と;
前記先端部の変位に伴って発生する、照明光によって照明された前記先端部からの散乱光を含む光の変化を検出する検出手段と;
を備えるマニピュレータ装置。A manipulator device that operates an operation target under observation of an observation optical system:
A treatment instrument for operating the operation target;
A tip included in the treatment tool and in contact with or closest to the operation object;
Detecting means for detecting a change in light including scattered light from the tip portion illuminated by illumination light, which is generated with displacement of the tip portion;
A manipulator device comprising:
前記観察光学系によって観察される領域のうち、前記先端部が存在し得る領域に対して前記照明光を選択的に照射する照明光学系を更に備える。The manipulator device according to claim 1,
An illumination optical system that selectively irradiates the illumination light to a region where the tip portion can exist among the regions observed by the observation optical system is further provided.
前記照明光は、前記観察光学系を介して前記先端部が存在し得る領域に照射される。The manipulator device according to claim 2,
The illumination light is irradiated to a region where the tip portion can exist through the observation optical system.
前記照明光学系は、前記操作対象物を保持する面にエバネッセント光を生じさせる。The manipulator device according to claim 2,
The illumination optical system generates evanescent light on a surface that holds the operation target.
前記先端部の存在し得る位置と前記観察光学系の光軸とを合わせる第1の位置合わせ手段を更に備え、
前記照明光学系は、暗視野照明光学系である。The manipulator device according to claim 2,
A first alignment means for aligning the position where the tip portion can exist and the optical axis of the observation optical system;
The illumination optical system is a dark field illumination optical system.
前記先端部の存在し得る位置と前記観察光学系の光軸とを合わせる第2の位置合わせ手段と、前記照明光が照射された領域と光学的に共役な位置に設けられた開口部を有する部材を更に備え、
前記検出手段は、前記開口部を通過した前記散乱光を含む光の変化を検出する。The manipulator device according to claim 2,
Second alignment means for aligning the position where the tip portion can exist and the optical axis of the observation optical system, and an opening provided at a position optically conjugate with the region irradiated with the illumination light Further comprising a member ,
The sensor detects a change in the light including the scattered light that has passed through the opening.
前記観察光学系は、複数の前記開口部を持つディスクを備えるとともに、前記ディスクを回転させることにより当該開口部を通じて前記先端部の存在し得る領域を走査して照明し、
前記検出手段は、前記ディスクに設けられた前記開口部を通過した前記散乱光を含む光の変化を検出する。The manipulator device according to claim 6, wherein
The observation optical system includes a disk having a plurality of openings, and scans and illuminates a region where the tip can exist through the opening by rotating the disk.
The detection means detects a change in light including the scattered light that has passed through the opening provided in the disk.
前記照明光学系は、レーザ光を出射するとともに、前記レーザ光を前記先端部の存在し得る領域で収束させた状態で走査し、
前記検出手段は、前記レーザ光を収束させた領域と光学的に共役な位置に設けられた前記開口部を通過した前記散乱光を含む光の変化を検出する。The manipulator device according to claim 6, wherein
The illumination optical system emits laser light and scans the laser light in a state where the laser light is converged in a region where the tip portion can exist,
The detection means detects a change in light including the scattered light that has passed through the opening provided at a position optically conjugate with a region where the laser light is converged.
前記照明光学系は、少なくとも、前記先端部の存在しうる第1の領域に前記照明光を照射する第1の照明モードと、前記第1の領域とは異なる前記操作対象物の存在しうる第2の領域に前記照明光を照射する第2の照明モードとをそれぞれ切り換える。The manipulator device according to claim 2,
The illumination optical system includes at least a first illumination mode for irradiating the illumination light to a first region where the tip portion may exist, and a first object where the operation object different from the first region may exist . The second illumination mode for irradiating the illumination light to the second area is switched.
前記照明光学系は、少なくとも、前記先端部に前記照明光を照射する第1の照明モードと、前記第1の領域とは異なる前記操作対象物に前記照明光を照射する第2の照明モードとをそれぞれ切り換える。The manipulator device according to claim 2,
The illumination optical system includes at least a first illumination mode for irradiating the tip portion with the illumination light, and a second illumination mode for irradiating the operation target different from the first region with the illumination light. Switch each.
前記先端部は、前記観察光学系の光学的分解能よりも小さい。The manipulator device according to claim 1,
The tip portion is smaller than the optical resolution of the observation optical system.
前記検出手段が検出した前記先端部の位置を記憶する位置記憶手段を更に備える。The manipulator device according to claim 1,
The apparatus further includes position storage means for storing the position of the tip detected by the detection means.
前記操作対象物が保持された面と前記処置具との相対的な距離を調節する駆動手段を更に備え、
前記駆動手段は、前記検出手段が検出した結果に基づいて前記処置具の移動を制御する。The manipulator device according to claim 12, wherein
Drive means for adjusting the relative distance between the surface on which the operation object is held and the treatment tool;
The drive means controls the movement of the treatment tool based on the result detected by the detection means.
前記処置具による操作は、前記操作対象物への前記処置具の挿入、前記操作対象物への物質の注入、前記操作対象物の切断、前記操作対象物の保持、前記操作対象物の移動、および前記操作対象物への物理的または電気的な刺激を含む。The manipulator device according to claim 1,
The operation by the treatment tool includes insertion of the treatment tool into the operation object, injection of a substance into the operation object, cutting of the operation object, holding of the operation object, movement of the operation object, And physical or electrical stimulation to the manipulation object.
前記操作対象物は生体試料を含む。The manipulator device according to claim 1,
The operation target includes a biological sample.
前記生体試料は生細胞である。The manipulator device according to claim 15,
The biological sample is a living cell.
前記操作対象物に対して操作を行う処置具に含まれ、前記操作対象物に接触または最も接近する先端部を、照明光によって照明する工程と;
前記先端部の変位に伴って発生する、前記照明光によって照明された前記先端部からの散乱光を含む光の変化を検出する工程と;
を備えるマニピュレータ装置を用いた処置具操作方法。A treatment instrument operating method using a manipulator device that operates an operation target under observation of an observation optical system:
A step of illuminating, with illumination light, a distal end portion that is included in a treatment instrument that performs an operation on the operation target and is in contact with or closest to the operation target;
Detecting a change in light including scattered light from the tip illuminated by the illumination light, which occurs with displacement of the tip;
A treatment instrument operating method using a manipulator device comprising:
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