JP4331748B2 - Manipulator device and treatment instrument operating method using manipulator device - Google Patents

Manipulator device and treatment instrument operating method using manipulator device Download PDF

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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。
特開平０６−１０９９７９号公報 特開２００３−３２５１６１ Conventionally, as a means for introducing a gene into a biological sample such as a cell as an object and expressing the gene, a physical method such as a microinjection method, an electroporation method or a particle gun method, a calcium phosphate method There are known methods using cell endocytosis, such as lipofection and lipofection.
Among these methods, in the microinjection method described in Patent Document 1 below, a DNA solution is directly injected into individual cells, so that genes can be selectively introduced into arbitrary cells. In this method, if the tip of the treatment tool of the manipulator device is thick, damage to the biological sample increases, and the survival rate after the operation cannot be said to be good, which may hinder the experiment after introduction.
Therefore, for example, in Patent Document 2 below, an ultrafine needle-shaped part that does not cause damage when inserted into a cell is used as a treatment tool, and a gene or a substance involved in gene expression is immobilized on the needle-shaped part. In this state, the gene is introduced into the cell by inserting and retaining the cell.
Japanese Patent Laid-Open No. 06-109979 JP 2003-325161 A

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 Patent Document 2 described above, if the diameter of the distal end of the treatment instrument is reduced in order to reduce damage to cells, it is difficult to detect the distal end of the treatment instrument with an optical microscope. . Therefore, in Patent Document 2, an atomic force microscope (AFM) is added to measure the distance between the treatment tool and the cell, and to measure the atomic force acting between the cantilever that is the treatment tool and the cell. Is going. Therefore, there is a drawback that an atomic force microscope that is expensive and complicated in structure and operation is required.
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.

本発明のマニピュレータ装置の第１の実施の形態を示す図であって、マニピュレータ装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows 1st Embodiment of the manipulator apparatus of this invention, Comprising: It is a figure which shows schematic structure of a manipulator apparatus. 倒立顕微鏡の全反射照明光学系の概略を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the outline of the total reflection illumination optical system of an inverted microscope. 洗浄ユニットの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a washing | cleaning unit. 溶液台の構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of a solution stand. 本発明の実施の形態におけるマニピュレータ装置の作業手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement procedure of the manipulator apparatus in embodiment of this invention. 倒立顕微鏡における全反射状態の生体試料と針との関係を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the relationship between the biological sample and the needle | hook of a total reflection state in an inverted microscope. 本発明のマニピュレータ装置の第２の実施の形態を示す図であって、マニピュレータ装置に備わる倒立顕微鏡の暗視野照明光学系の概略を示す側断面図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment of the manipulator apparatus of this invention, Comprising: It is a sectional side view which shows the outline of the dark field illumination optical system of the inverted microscope with which a manipulator apparatus is equipped. 本発明のマニピュレータ装置の第３の実施の形態を示す図であって、マニピュレータ装置に備わる倒立顕微鏡の共焦点光学系の概略を示す側断面図である。It is a figure which shows 3rd Embodiment of the manipulator apparatus of this invention, Comprising: It is a sectional side view which shows the outline of the confocal optical system of the inverted microscope with which a manipulator apparatus is equipped. 共焦点光学系に用いるニポーディスクの模式図である。It is a schematic diagram of the Nipo disk used for a confocal optical system. 上記第３の実施の形態の変形例を示す図であって、正立顕微鏡におけるレーザ走査型の共焦点光学系の模式図である。It is a figure which shows the modification of the said 3rd Embodiment, Comprising: It is a schematic diagram of the laser scanning type confocal optical system in an erecting microscope.

符号の説明Explanation of symbols

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 manipulator device 1 introduces an appropriate gene (introduced substance) into the nucleus of a cell (biological sample) C that is an operation target existing in the medium Ca, and expresses the protein encoded by the gene. (See FIG. 6).

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 manipulator device 1 includes an inverted microscope (observation optical system) 2 and a manipulator body 5 as main components. The inverted microscope 2 is used for magnifying and observing the cells C and the like. The manipulator main body 5 introduces the introduced substance into the cell C held via the culture medium Ca in the sample container 4 placed on the XY stage 3 of the inverted microscope 2 using, for example, a treatment tool such as a needle 14. . Here, the sample container 4 is made of a translucent material or a transparent material, and is made of, for example, glass.

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 inverted microscope 2 includes an XY stage 3 that can be moved in two horizontal directions (front and rear and left and right) by installing a sample container 4 and the like, a main gantry 6 that supports the XY stage 3, and a biological sample in the sample container 4. Objective lens 7 (see FIG. 2) for observing the image from below, an eyepiece lens 8 for observing an image observed by the objective lens 7, and a light source 9 provided on the upper part of the main gantry 6. The inverted microscope 2 is provided with an imaging means 10 including a lens and a CCD camera for taking an image of a biological sample observed with the objective lens 7. The imaging unit 10 is connected to a control unit 12 via an image processing unit (detection unit) 11. The XY stage 3 is provided with driving means 3 a connected to the control unit 12. When the driving unit 3a is driven according to a signal from the control unit 12, the XY stage 3 moves in the front-rear direction or the left-right direction.

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 manipulator body 5 includes a holding device 13 that holds an introduced substance to be introduced into cells C or the like of a biological sample. The holding device 13 cleans and activates a needle (treatment tool) 14 that is an introduction means inserted into a cell C or the like of a biological sample, a positioning means 15 that controls the position of the needle 14, and a tip 14 a of the needle 14. A cleaning unit 16 to be converted into a liquid, and a solution stage 17 in which an introduction substance to be adsorbed and held by the needle 14 is stored.

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 needle 14 has a sharp tip portion 14a and a base portion 14b having a diameter larger than that of the tip portion 14a. The tip 14 a of the needle 14 is smaller than the optical resolution of the inverted microscope 2. In addition, the needle 14 holds the base portion 14 b in the positioning means 15. In this embodiment, at least the surface of the needle 14 is made of a conductive material such as platinum, and is connected to a power source (not shown) via a power cord 14c. The positioning means 15 includes a retracting stage 21 that holds the base portion 14b of the needle 14, a Z stage 22 that supports the retracting stage 21 so as to be movable in the Z direction (vertical direction), and the XY stage 3. The XY stage 3 is also used as the inverted microscope 2.

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 stage 21 has a holding member 21 a that holds the base portion 14 b of the needle 14. The holding member 21 a is connected to the driving unit 24. When the driving unit 24 is driven according to a signal from the control unit 12, the holding member 21a moves in the horizontal direction. The Z stage 22 is provided with driving means 25. When the driving unit 25 is driven in accordance with a signal from the control unit 12, the Z stage 22 moves in the vertical direction. That is, the Z stage 22 and the driving unit 25 constitute an elevating unit that raises and lowers the needle 14 via the holding unit 21 a and the retracting stage 21.
The Z stage 22 is attached to the main mount 6 via a support member 26.

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 optical system 2a of the inverted microscope 2 is obtained by adding a wedge prism 30 and an eccentric slit 31 to an epi-illumination system that performs fluorescence observation. The total reflection illumination optical system 2a selectively irradiates illumination light to a region where the distal end portion 14a of the needle 14 can exist among regions observed by the inverted microscope 2, and holds the cell C. The evanescent light is generated on the bottom surface. In the total reflection illumination optical system 2a, the light emitted from the fluorescent lamp 29 passes through the excitation filter 32, the wedge prism 30, and the eccentric slit 31 in this order. Then, the light is reflected by the mirror 33, passes through the lens 34, further reflected by the dichroic mirror 35, and enters the back surface side (lower surface side) of the sample container 4 through the dedicated objective lens 7.

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 eccentric slit 31 can be changed by the adjusting means 31a. By changing the position of the eccentric slit 31, it is possible to freely set the incident angle of the illumination light to the objective lens 7 at least in the vicinity of the critical angle, and hence the incident angle to the back surface of the sample container 4. Note that the illumination optical system of the present embodiment can perform illumination without depending on the spectral characteristics of the excitation filter 32 and the dichroic mirror 35.

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 cleaning unit 16 has a cover 41 for dust prevention. The cover 41 is substantially rectangular and has a space inside. An opening 42 into which the needle 14 is inserted is provided at the approximate center of the upper surface portion 41 a of the cover 41. The diameter of the opening 42 is such that the needle 14 can be inserted in a necessary amount for dust prevention. An ultrasonic cleaning tank 43 and an ultrasonic vibrator 44 are disposed in the cover 41. The ultrasonic cleaning tank 43 holds a medium (for example, pure water, a neutral detergent, or an alkaline solution) that can sufficiently immerse the tip portion 14a of the needle 14. The ultrasonic transducer 44 is attached to the lower part of the ultrasonic cleaning tank 43. A wiring cord 45 is connected to the ultrasonic transducer 44, and the wiring cord 45 passes through the cover 41 and is connected to a power source (not shown).
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 ultrasonic cleaning tank 43. FIG.

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 introduction substance solution 17a such as a plurality of different types of DNA (deoxyribonucleic acid) solutions is dispensed. An electrode 46 is embedded in the solution table 17. The electrode 46 is connected to a power source (not shown) via a wiring cord 47.
Instead of providing a recess for dispensing the solution 17a in the solution table 17, the upper surface of the solution table 17 is water-repellent and a plurality of hydrophilic regions are formed, and the solution 17a is held in the hydrophilic region. It may be.

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 manipulator device 1, a procedure for holding the introduced substance at the distal end portion 14 a of the needle 14 and introducing the introduced substance into the biological sample will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 5.
First, the positioning means 15 shown in FIG. 1 is moved, the needle 14 is inserted into the opening 42 of the cleaning unit 16, and the tip end portion 14a of the needle 14 is placed in the ultrasonic cleaning tank 43 as indicated by a virtual line in FIG. Immerse in the medium. In this state, power is supplied from the power source to the ultrasonic transducer 44 via the drive wiring 45 to vibrate the ultrasonic transducer 44. Ultrasonic waves are applied to the medium in the ultrasonic cleaning tank 43, and the surface of the tip end portion 14 a of the needle 14 is cleaned. For example, when the surface of the tip 14a of the needle 14 is contaminated with an organic substance or the like, the organic substance is removed. As a result, the surface of the tip 14a of the needle 14 is cleaned, and a state in which there is no substance that inhibits adsorption of other elements or the like, that is, an active state (S1).

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 tip 14a of the needle 14 is activated by ultrasonic cleaning, the positioning means 15 is activated to cause the tip 14a of the needle 14 to move the droplet of the introduced substance solution 17a injected into a predetermined recess of the container base 17. Insert into a predetermined place and immerse. At this time, a predetermined voltage is applied between the needle 14 and the electrode 46 via the wiring cord 47 for a predetermined time. When the introduced substance is DNA that generally has a negative charge, the DNA is adsorbed on the surface of the tip 14a of the needle 14 using the needle 14 as an anode (S2).
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 light source 9 is often used as the illumination mode. A biological sample in the sample container 4 is observed with a microscope using bright field illumination or phase difference illumination by a light source 9, and a cell C to be introduced is selected. If necessary, the position data of the selected cell C is stored in the storage unit (position storage unit) 12a of the control unit 12 (S4).

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 tip 14a of the needle 14 is connected via the driving means 25 or the like to the location where the cell C is not adhered and the bottom surface of the sample container 4 is exposed. , And approach sufficiently within a range where coordinate management can be safely performed (S5). As means for safely managing the coordinates, for example, 10 coordinates from the bottom surface of the sample container 4 based on the coordinates of the objective lens 7 at the focus position between the base side portion of the needle 14 that can be sufficiently observed with a microscope and the bottom surface of the sample container 4 are used. There is a method in which the tip end portion 14a of the needle 14 is lowered to a height of about tens of μm.

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 sample container 4 using the fluorescent lamp 29 (S6). Total reflection illumination is suitable for detecting the position of the treatment instrument. Further, the position of the eccentric slit 31 is adjusted using the adjusting means 31a so that a so-called pseudo-evanescent light in which some transmitted light is mixed in addition to the evanescent light is irradiated above the bottom surface of the sample container 4. At the same time, the focus of the microscope is adjusted so as to be located 5 to 10 μm above the bottom surface of the sample container 4. For example, when the needle 14 is lowered by a minute feed of about 2 μm per feed, and the scattered light of the pseudo evanescent light reflected by the tip 14 a of the needle 14 starts to be detected by the image processing means 11, the needle 14 descent is stopped. This completes the coarse motion approach.

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 eccentric slit 31 is adjusted using the adjusting means 31 a so that only the evanescent light is irradiated above the bottom surface of the sample container 4. At the same time, the microscope is adjusted so that the focus of the microscope coincides with the bottom surface of the sample container 4 or is within about 200 nm above the bottom surface. Then, for example, when the needle 14 is lowered by a very small feed of about 100 nm per feed, and the scattered light of the evanescent light reflected by the tip 14a of the needle 14 starts to be detected by the image processing means 11 (that is, When the scattered light changes from the non-lighted state to the lighted state), the lowering of the needle 14 is stopped. This completes the tremor approach. The height of the needle 14 at this time is set as a reference height. That is, the position of the needle 14 when the tip 14a is in a very close position immediately before contacting the bottom surface of the sample container 4 is set as a reference height, and this value is stored in the storage unit 12a in the control unit 12 in the form of data. (S7).
When the image processing means 11 detects the scattered light of the evanescent light reflected by the tip portion 14a of the needle 14, in addition to the height position data of the tip portion 14a of the needle 14, the horizontal plane of the tip portion 14a of the needle 14 is used. It is also possible to detect position data in the XY directions along the line. Therefore, the detected position data in the XY directions is stored in the storage unit 12a in the control unit 12 as the accurate position of the distal end portion 14a of the needle 14.

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 needle 14, and in this state, the tip of the needle 14 is focused on the tip portion 14a. If the part 14a is detected and the tip part 14a is detected, the illumination optical system is set to the second illumination mode for irradiating illumination light to the cell C (second region) that is the object to be operated, and the cell The position of is detected. In this way, the illumination mode is switched to a mode suitable for detecting the distal end portion 14a of the needle 14 serving as the treatment instrument or a mode suitable for detecting the cell C serving as the operation target, and the distal end portion 14a of the needle 14 is detected. Detect position and cell position.
In FIG. 6, X represents the optical path of the total reflection illumination optical system, Y represents immersion oil interposed between the objective lens 7 and the bottom surface of the sample container, and Z represents the evanescent illumination area.

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 needle 14 is once retracted upward by the driving means 25, the XY stage is provided via the driving means 3a so that the tip 14a of the needle 14 is positioned at a predetermined position such as the nucleus of the cell C to be introduced. 3 is moved. In this state, the driving means 25 is driven to lower the needle 14. This operation may be automatically performed by a command signal issued from the control unit 12 based on data input to the control unit 12. And the front-end | tip part 14a of the needle | hook 14 is inserted in the predetermined position of the cell C to be introduced. At this time, by setting the reaching height of the distal end portion 14a of the needle 14, that is, the intrusion limit height, a predetermined distance (for example, 1 μm) above the reference height set in S7, the distal end portion 14a of the needle 14 is moved. Since it does not collide with the bottom face of the sample container 4, the front-end | tip part 14a of the needle | hook 14 can be reliably penetrated to the target position in the cell C (S8).
The data to be input to the control unit 12 may be the above-described stored tip position data of the needle 14, and the relative position of the cell C at this time and the tip 14a of the needle 14 is obtained. The tip portion 14a of the needle 14 may be inserted into a predetermined position of the cell C to be introduced using a method for matching the two.

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 distal end portion 14a of the needle 14 is inserted into the cell C, the driving means 25 is driven to raise the needle 14 and retract from the cell C. The above is the step of introducing the substance into the target cell C. As a result, the DNA introduced into the needle 14 is dropped from the needle 14 in the nucleus of the cell C, whereby gene introduction is performed.

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 needle 14 is inserted into the washing unit 16, and the introduced substance remaining on the needle 14 and the substance adhered in the cell C are washed away. Thereafter, until the cells are selected and the introduction to all the planned locations is completed, the needle 14 is washed by the washing unit 16 to adsorb a predetermined introduced substance, and then the needle 14 is removed from the biological sample. The process of introducing the substance to be introduced into the cell C is repeated (S9).
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 sample container 4 and the needles are used continuously without changing the needle every time, the detection of the needle tip position (S6, S7) is performed once at the beginning. You may just do it.

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 needle 14 is gradually lowered by the lifting / lowering means including the driving means 25 and the Z stage 22 under observation using the total reflection illumination in the incident direction by the inverted microscope 2. At that time, when the distal end portion 14a of the needle 14 reaches the evanescent illumination area Z, the needle 14 is illuminated with evanescent light. At this time, since the scattered light emitted from the tip 14a of the needle is detected by the image processing means 11, the height position of the needle 14 at this time is set as a reference height. Since the height of the needle 14 when the needle 14 is inserted into the cell C is set based on this reference height, the tip 14a of the needle 14 does not contact the bottom surface of the sample container 4, and the needle 14 14 can be safely inserted into cell C. Even if the tip 14a of the needle 14 is so fine that it cannot be captured by an optical microscope, it can be prevented from colliding with the bottom surface of the sample container 4 and breaking.

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 needle 14 using the driving unit 24, the raising / lowering operation of the needle 14 using the driving unit 25, the moving operation of the XY stage 3 using the driving unit 3a, and the illumination switching operation of the inverted microscope 2 are performed. The operation may be performed automatically based on a command signal from the control unit 12, or may be performed manually. When the above operation is performed manually, after the descent position of the needle 14 after obtaining the reference height reaches the set entry height of the cell C, a command signal from the control unit 12 is output. On the basis of this, the further lowering of the needle 14 is restricted, and a display means (not shown) connected to the control unit 12 displays that the position when the needle 14 is lowered reaches a predetermined height. good.
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 manipulator device 1 of the present invention and the operation method of the treatment tool using the device have been described by taking the case of gene introduction using insertion / injection with the needle 14 as an example. However, the present invention is not limited to this, and other treatment tools may be used in place of the needle 14 to perform operations such as movement, cutting, holding, physical or electrical stimulation. Further, the operation target is not limited to the cell C, and the above-described operation may be performed on a biological sample such as bacteria or a workpiece other than a biological sample such as a semiconductor or a nanotube.

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 needle 14 to electrically adsorb the introduced substance. However, the present invention is not limited to this, and it may be chemically adsorbed. Further, if it is sufficiently fine, the introduced substance solution may be directly discharged from the tip of the nozzle to the cell C or the like as a nozzle.

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 needle 14 is cleaned using ultrasonic waves. However, the present invention is not limited to this, and dry cleaning using plasma, ultraviolet light, ozone, or the like is not limited to this. It may be used. Instead of cleaning the needle 14 and reusing it, a plurality of needles 14 may be prepared in advance, and a predetermined operation may be performed by changing the needles.

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 fluorescent lamp 29 is used as the light source for the total reflection illumination in the epi-illumination direction, but the present invention is not limited to this, and a laser may be used as the light source. Further, the position set in advance as the position of the tip end portion 14a of the needle 14 and stored in the storage unit 12a in the control unit 12 is corrected based on the position of the scattered light by the evanescent light detected by the image processing means 11. May be.

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 manipulator device 1a shown in FIG. 7 includes a lamp 50, an illumination optical system 50a, a perforated mirror 51, a dark field objective lens 52, an imaging lens 53, an imaging means 10, and an image processing means (detection means). 11. An illumination light guide 52 a is provided on the outer periphery of the dark field objective lens 52. The needle 14 is supported by a driving unit (first positioning unit) 67 that aligns the position where the distal end portion 14a can exist with the optical axis of the observation optical system. The illumination optical system of the manipulator device 1a is a dark field illumination optical system.

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 lamp 50 enters the perforated mirror 51 through the illumination optical system 50a, and enters the illumination light guide 52a as a ring-shaped light beam. The light beam incident on the illumination light guide 52a is reflected or refracted by the tip portion of the dark field objective lens 52 as shown by a broken line in the figure, and the sample is at an angle larger than the angle of the light beam that can be captured by the objective lens 52. The container 4 is illuminated.

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 sample container 4 does not enter the objective lens 52, but is reflected by a fine shape like the tip portion 14a of the needle 14. Some of the scattered light is incident on the objective lens 52. This light is captured by the objective lens 52, passes through the opening of the perforated mirror 51, is condensed by the imaging lens 53, forms an image, and is imaged by the imaging unit 10. Thereby, it is detected by the image processing means 11 that the scattered light has changed from a non-lighted state to a lighted state.

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 sample container 4 and the medium Ca, partially refracted, transmitted through the medium Ca, and also illuminates the part away from the bottom surface of the sample container 4. Thereby, even if the tip end portion 14 a of the needle 14 is separated from the bottom surface of the sample container 4, the tip end portion 14 a can be detected by the image processing means 11. For this reason, the possibility of collision / breakage of the tip end portion 14a of the needle 14 can be further reduced as compared with the case where the evanescent light is illuminated. Further, since a total reflection state is not required, it is not necessary to use an expensive oil immersion type objective lens, and workability is improved.

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 manipulator device 1b shown in FIG. 8 includes a lamp 50, an illumination optical system 50a, a beam splitter 54, a Nipo disk 55, a rotation motor 56, an imaging lens 53, an imaging means 10, an image processing means ( Detection means) 11. As shown in FIG. 9, the Nipo disk 55 has a spiral minute opening 55a. The distance between each minute opening 55a is about 10 times the diameter of the minute opening 55a. The rotation motor 56 rotates the Nipo disk 55 at a constant speed. The needle 14 is supported by a driving means (second positioning means) 68 that matches the position where the tip end portion 14a can exist with the optical axis of the observation optical system. In this manipulator device 1b, the Nipo disk 55 is disposed at the image position of the imaging lens 53, and constitutes a disk scanning confocal microscope together with the illumination optical system and the observation optical system.

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 lamp 50 is reflected by the beam splitter 54 through the illumination optical system and is incident on the Nipo disk 55. The light beam that has passed through the minute aperture 55a passes through the imaging lens 53 and the objective lens 7 and converges at a predetermined point, and illuminates and reflects the distal end portion 14a of the needle 14 that reaches that point. The light reflected by the tip end portion 14 a enters the Nipo disk 55 again through the objective lens 7 and the imaging lens 53. Here, if the position where the tip end portion 14a is illuminated and the minute opening 55a are optically conjugate, the reflected light (scattered light) is on the Nipo disk 55 when the tip end portion 14a is in focus. However, if the needle tip 14a is not in focus, the reflected light will not be collected on the Nipo disk 55 and will pass through the micro opening 55a in a converged state. Can not. The light that has passed through the minute aperture 55a passes through the beam splitter 54, forms an image on the imaging means 10, and is imaged. As a result, the image processing means 11 detects that the reflected light has changed from a state where it is not imaged to a state where it is imaged.

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 Nipo disk 55 rotates at a constant speed, the minute aperture 55a can scan the entire focal plane, and only the image of the object at the focal plane is detected, and the non-focal plane is not imaged. Therefore, since the image is formed only when the distal end portion 14a of the needle 14 reaches the focal plane, the height of the needle 14 can be detected with high accuracy. Here, the image of the tip portion 14a of the needle 14 may be visually observed with an eyepiece instead of the CCD camera.

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 manipulator device 1c shown in FIG. 10 includes a laser light source 60, a beam splitter 61, a two-dimensional light operation mechanism 62, a pupil projection lens 63, an imaging lens 53, an objective lens 7, a condenser lens 64, A confocal pinhole 65 and a photodetector 66 are provided. The two-dimensional light scanning mechanism 62 includes two sets of galvanometer mirror scanners, and deflects (scans) the laser light in two directions. For the light detector 66, a photodiode or a photomultiplier (photomultiplier) is employed.

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 laser light source 60 passes through the beam splitter 61 and enters the two-dimensional light scanning mechanism 62. The laser light incident on the two-dimensional light scanning mechanism 62 is deflected in two directions by the two-dimensional light scanning mechanism 62, and passes through the pupil projection lens 63, the imaging lens 53, and the objective lens 7, or a treatment instrument such as the needle 14 or cell C. Is irradiated and reflected. The light reflected by the treatment instrument such as the needle 14 or the cell C enters the two-dimensional light scanning mechanism 62 again through the objective lens 7, the imaging lens 53, and the pupil projection lens 63. Then, the deflection in the two directions is eliminated and the light enters the beam splitter 61. The light reflected by the treatment instrument such as the needle 14 or the cell C is reflected by the beam splitter 61, collected by the condenser lens 64, and guided to the confocal pinhole 65.

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 needle 14 or the cell C is at the in-focus position of the objective lens 7, the position irradiated with the laser light and the confocal pinhole 65 are optically conjugate as described above. The convergent light from the condenser lens 64 converges at one point on the confocal pinhole 65 and passes through the confocal pinhole 65. Then, it is detected by the photodetector 66 and converted into an electric signal. Further, when the treatment tool such as the needle 14 or the cell C is not in the in-focus position of the objective lens 7, the convergent light from the condenser lens 64 spreads on the confocal pinhole 65 without converging. Even if a part passes through the confocal pinhole 65, it is not detected by the photodetector 66.

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 light detector 66 is performed in synchronization with the light deflection of the two-dimensional light scanning mechanism 62, the convergent light is imaged only when the treatment instrument such as the needle 14 or the cell C has the focus of the objective lens. The Further, when an image is captured while sequentially changing the height of the objective lens, the height of the cell C and the treatment tool 14 is changed according to the height of the treatment tool such as the needle 14 and the objective lens 7 from which an image of the cell C is obtained. Differences can be detected.

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)

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。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: 請求項１に記載のマニピュレータ装置であって、
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. 請求項２に記載のマニピュレータ装置であって、
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。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. 請求項２に記載のマニピュレータ装置であって、
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。The manipulator device according to claim 2,
The illumination optical system generates evanescent light on a surface that holds the operation target. 請求項２に記載のマニピュレータ装置であって、
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. 請求項２に記載のマニピュレータ装置であって、
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. 請求項６に記載のマニピュレータ装置であって、
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. 請求項６に記載のマニピュレータ装置であって、
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. 請求項２に記載のマニピュレータ装置であって、
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. 請求項２に記載のマニピュレータ装置であって、
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. 請求項１に記載のマニピュレータ装置であって、
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. 請求項１に記載のマニピュレータ装置であって、
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. 請求項１２に記載のマニピュレータ装置であって、
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. 請求項１に記載のマニピュレータ装置であって、
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. 請求項１に記載のマニピュレータ装置であって、
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. 請求項１５に記載のマニピュレータ装置であって、
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. 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。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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