JP4998618B2 - 生体画像撮影装置 - Google Patents
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Description
1)凹面鏡M1、M2のそれぞれの曲率中心の位置C1、C2が重要であって、試料Sとその像S1、S2の各対応点がC1又はC2に対して立体的な点対称になっていることである。結像レンズ5から例えばQ点に焦点を合わせて見ているとし、結像レンズ5から試料Sの方に逆向きに進む主光線(結像レンズ5の中心を通る光)を考える。この主光線はQ点の延長上のG点で凹面鏡M1にあたり、そこで反射され試料S上のP点に向かうが、反射の入射角と射出角が等しいことから、P点とQ点の中点にミラーM1の曲率中心C1が存在する。すなわち、G点から進む光は、対称中心C1に対し、Q点と点対称のP点に向かって反射することになる。試料Sとしてマウスを測定する場合を例として挙げると、P点が図1Aに示すような、マウスの頭部の下面であるとすると、Q点はマウスの裏返った試料像S1の頭部の下部であって腹部がレンズの側を向いている。こうして主結像レンズ5から下を見ると、図1Dのようなマウスの背中が写った正面像とその両隣にマウスの腹部が写った裏面像が観測され、画像においてもP点とQ点がC1に対して点対称になっている。同様に試料Sの他の点、例えばH点は、試料像S2では、C2の反対側の点Iに写像されている。
α−θ=θ−α0
すなわち
α=2θ−α0 (1)
又は
θ=(α+α0)/2 (1')
なる関係があればよい。すなわち希望の観測角αにするには、式(1’)のように「折り曲げ平面鏡」M3の角度θを決めればよいし、逆にθが決まっておれば、観測方向は、(1)式のように決まる。
試料Sの実像をS1の位置に作る点は同じであるが、折り曲げ鏡を2枚を組み合わせ、「希望の観測角αに凹面鏡を置く」という上記の制約を外す手法を与える。図3Aを用いて説明する。図3Aでは試料Sの真裏方向(180度方向)を観測する例を挙げる。すなわちα=0度である。この場合は、第1の原理だけを使ってα=0度に凹面鏡を配置すると、凹面鏡で反射してレンズ5に向かう像は、実試料の上に重なって、レンズからは見ることができない。図3Aのように、凹面鏡を新らしいM1の位置に配置し、図2の例と同様に試料S上の点Pの実像をS1上の点Qに作った上で、実試料Sとその実像S1を一緒に上のカメラ4で撮影する。ただ異なるのはその実像S1が凹面鏡M1と2枚の折り曲げミラーM5、M6の反射を介して形成されている点である。2枚の折り曲げ鏡M5、M6を含む結像の説明には中間の虚像S’とS1’とを用いると判りやすい。ここでS’は試料Sの「折り曲げ鏡M5」による虚像、S1’は最後にできる実像S1の「折り曲げ鏡M6」による虚像である。また、同様にP’は試料S上の注目点Pの「折り曲げ鏡M5」による虚像、Q’は「Pの共役点Q」の「折り曲げ鏡M6」による虚像である。
1)カメラから試料を直接みる導光路以外の方向別の導光路では、その途中に一度実像を形成し、その実像を主結像レンズから見てほぼ試料と同じ距離に作っておいたものを、主結像レンズが他の方向の像と一緒に撮影する。
δY/D=δL/L (2)
である(図15を参照)。ここでL(mm)は主結像レンズと実像までの距離である。希望するδYの値は、測定の目的によって決まる像の位置分解能であって、例えば0.5mmや1mmが想定される与えられた値である。そうすると許容できる位置ズレδLは
δL=(L/D)δY (3)
で与えられる。例えばδY=1mmを想定し、L=300mmのとき、
D=50mmの大口径レンズならばδLは6mmに、
D=20mmの中口径レンズならばδLは15mmに、
D=2mmの小口径レンズならばδLは150mmに、
などとなる。高感度化を目指して大口径の主結像レンズを使うほど、導光路の途中の狭い距離範囲に実像を一度結像しておく必要があることが判る。上述したδLは、「ほぼ試料と同じ距離」の許容距離である。主結像レンズの焦点前後のプラス・マイナスのδLの範囲、すなわち距離にして2δLの範囲の結像を主結像レンズの「実質的合焦点範囲」と定義ずることにする。このように2δLの範囲は、目的とする位置分解δYと主結像レンズの口径によって変わるけれども、上記のように定義することで本発明の要件を「所要の導光路に対して試料の実像を主結像レンズの実質的合焦点範囲内に形成するとともに実像を形成した後の光線が主結像レンズの方向に進むように」構成したことの意義が明確になる。
試料から複数の方向に出る光線を、それぞれの導光路により直接に又は光学素子で折り曲げて、共通の二次元検出器の異なる場所に導く。光を折り曲げる光学素子はその導光路の光を1つの検出器上で試料からの直接像から適当に離れた位置に導く機能を有する。光学素子の種類によっては、図16Aの平面鏡のように方向間の光路長差異のため焦点のボケが生じたり、補助レンズを必要としたりするが、本発明では光学素子の結像能力を利用することで主結像レンズから見て試料と同じ焦点位置に実像を作るので、試料から主結像レンズまでの間には、補助レンズなどの焦点補正を必要としないことが最大の利点となっている。
(4−1)主結像レンズと試料との距離を変えることで、同時に観測する方向数を選択できる。
(4−2)複数試料1方向観測と、1つの試料の複数方向観測という2種の測定法の切替えが極めて簡単になる。
5 主結像レンズ
M1−M6 凹面鏡又は平面鏡
[5方向の同時観測法用の光学系]
5つの方向から同時観測する場合を例として、図4Aと図4Bを用いて説明する。図4Aにおいて、中央に配置した試料Sに対して、真上(観測角度0度方向)に主結像レンズ5及びCCD4が配置され、4つの凹面鏡M3、M1、M2、M4がそれぞれ観測角度60°、135°、205°、300°の方向に配置されている。すなわち0度方向の導光路は試料Sから直接にレンズ5に進む光が占める領域であり、60°方向の導光路は試料S→凹面鏡M3→平面鏡M5→レンズ5の順に進む光の占める領域であり、同様に135°方向は試料S→凹面鏡M1→レンズ5、205°方向は試料S→凹面鏡M2→レンズ5、300°方向は試料S→凹面鏡M4→平面鏡M6→レンズ5にそれぞれ進む光の占める領域である。このうち135°、205°方向の導光路中、凹面鏡M1、M2による試料Sの実像が原理1のようにしてS1、S2の位置にできており、一旦結像した後主結像レンズ5に向かって進み、再びCCD4上で結像する。また、60°方向及び300°方向の導光路中では、斜め上の凹面鏡M3とM4の実像がS3、S4にできているが、これは原理2の説明のように折り曲げ鏡M5とM6の効果によって実像から進む光の方向と実像の場所を必要な条件に変換した結果による。
上述の説明は、化学発光又は生物発光モードの場合であって、試料中の分子プローブ自身が発光するときに該当する。次に分子プローブが励起光を受けたとき蛍光を生じることで発光する系、すなわち蛍光モードへの利用法につて説明する。照明用光源部IL1、IL2、IL3、IL4及びIL5(ILはilluminationを表す)が5箇所備えてあり、各光源部の中に含まれる蛍光励起光源が試料Sを照射し、試料Sから発生する蛍光を5方向の蛍光像としてCCD4に結像させて撮影する。なお主結像レンズ5の前に蛍光用(励起光除去)フィルタFEMを挿入できるようになっており、蛍光測定時は励起波長成分をこの励起光除去フィルタFEMで阻止することで、蛍光だけによる画像をCCD上に作るようになっている。
第1の実施例における5方向測定のうち、「斜め上から見た像」を得るための手段である2つの凹面鏡を平面鏡に変更した方式であって、図6を用いて説明する。「斜め上から見た像」を得るための凹面鏡(図4AのM3及びM4)に替えて、試料Sの斜め上方に配置した平面鏡M5及びM6によってそれぞれ虚像S3とS4を作っている。すなわち5つの導光路のうち、斜め上の観測方向の2つが、試料S→平面鏡M5→レンズ5、及び試料S→平面鏡M6→レンズ5にそれぞれ代わっており、他の3つの方向の導光路は、第1の実施例と同じである。斜め上の観測方向の導光路の光路長は、平面鏡で折り曲げるため試料Sから直接にレンズ5に達する導光路の光路長より僅かに長いので、平面鏡M5及びM6によるそれぞれの虚像S3及びS4は、実像S1、S2及び試料Sに比べ僅かにレンズ5より遠くなる。第1の実施例のような、試料S及び実像S1、S2、S3、S4の総てがレンズ5から厳密な等距離にできる理想的条件ではないけれども、(S3、S4)と(S1、S、S2)との距離の差は軽微で、斜め上の観測方向の導光路中に補助レンズを入れなくても実用上許容できるレベルである。すなわち、平面鏡M5及びM6は、それぞれの虚像S3及びS4をレンズ5の実質的合焦点範囲内に形成し、虚像S3及びS4を形成した後の光線がレンズ5の方向に進むという条件を満たすように配置されている。
試料の体全体でなく、その一部、例えば試料であるマウスの頭部(脳)について、上下左右の4方向からの測定を行う反射鏡の組み合わせの例を示す実施例であり、図7A−7Cを用いて説明する。
結像の回数は、正面方向がCCD上で1回だけ、その他の3方向が、それぞれの導光路の途中で1回、CCD上で1回、計2回となる。
カメラと試料の間の距離を変えることで測定方向の数を可変にできる実施例である。図8A−8Dを用いて説明する。図8A、8B、8Cのように、レンズ5とCCD4を含むカメラ10を上下に移動して、試料Sからレンズ5までの距離を変えるなら、5方向、3方向、1方向の3つのケースを簡単に選択することができる。
また、さらに異なる変形例として、観測視野を変える手段としてカメラと試料間の距離を変える代わりに、主結像レンズの焦点距離を可変にする方法もある。主結像レンズの焦点距離を変える手段としては、主結像レンズとして異なる焦点距離のレンズを複数個用意しておきスライド式又は着脱式で交換する、焦点距離の段階的可変方法がある。また、当然ながら可変焦点距離のレンズを使ってもよい。可変焦点距離のレンズとしては、主結像レンズの構成の一部のレンズを移動又は着脱するとか、連続的な可変焦点距離が得られるいわゆるズームレンズを用いてもよい。このような「主結像レンズの焦点距離を可変にすることで観測方向数を変える」方式は、前述の試料・カメラ間の距離移動方式に比べ、カメラを移動する図8Dのような機構が不要となる反面、主結像レンズの側の機構が複雑となって費用がかかる。とりわけ極度に明るい可変焦点レンズは一般に得難く、得られるとしても高価になる欠点がある。
以上をまとめるなら、試料・カメラ間距離可変方式と可変焦点距離方式にはそれぞれ、一長一短があるけれども、いずれかの方法で観測視野を選ぶことで観測方向数を可変にすることが、弟4の実施例の要点である。
複数試料の1方向観測と、1つの試料の複数方向観測という2種の測定法を切り替え可能にする実施例であって、図10A、図10Bを用いて説明する。
凹面鏡の曲率中心C1を移動させることのできる実施例について図11Aに示した。本発明の第1の原理のところで繰り返し述べたように、凹面鏡の曲率中心C1などに対して、試料とその実像が点対称に形成されることを利用する。曲率中心C1を変位させれば試料とその隣にできる像との距離を変えることができる。図11Aでは凹面鏡の曲率中心位置調整ネジSC1、SC2を用いて凹面鏡の角度を可変にし、曲率中心C1及びC2の位置を変えている。図11Aでは、曲率中心C1及びC2が試料の近くに寄っており、小さい試料の測定に適する。試料Sが大きくなるとき、そのままで観測しようとすると試料Sとその像が重なってしまうので、曲率中心C1及びC2を試料から遠ざけるように移動させると、図11Bのように像が試料Sから離れる。ただカメラの視野からはみ出すかもしれないので、そのときは必要に応じてカメラの上下移動機構を用いてカメラを上に移動させ、大きい試料の3つの像がCCD4上に収まるようにすればよい。このように、カメラの移動で視野範囲を選ぶ機能と凹面鏡の曲率中心を移動させる機構を組み合わせることで、マウスなどの試料の大小に拘わらず最も効率的な測定を自在に行うことができるようになる。
この実施例は第3の実施例と同様に、試料の体全体でなく例えばマウスの頭部を4方向から同時撮影を行う実施例である。ただ、これまで述べた実施例とは異なり、試料Sからの直接の像を利用しない方式であり、図14を用いて説明する。図14は4つの方向の各導光路の途中で一旦結像を行った後、その像を主レンズ5で二次元検出器に導くが、これまでの実施例と異なる点として、マウスを横置きでなく、立てており、その体軸が上の主結像レンズ5の方向に向いていることである。マウスを立てておき試料ホルダーへは適当なテープで貼り付けてもよいし、細い網で試料ホルダーに固定する方法でもよい。また、この図を全体として90度右に倒すならば試料ホルダーの上に普通にマウスを横方向に配置できる。
Claims (23)
- 生体試料が載置される試料ホルダーと、
前記試料ホルダー上の試料から放出される光の像を検出する二次元検出器と、
前記試料ホルダー上の試料を複数の方向から観測するとともに試料から放出される各方向の像を前記二次元検出器の方向に導く各方向毎に備えられた導光路と、
前記二次元検出器と導光路との間に配置され、前記導光路により導かれた複数の画像を前記二次元検出器上の方向毎の異なる場所に結像する主結像レンズとを備え、
前記導光路として試料からの直接光を受けない導光路を含み、試料からの直接光を受けない該導光路は試料の像を主結像レンズの実質的合焦点範囲内に形成するとともに像を形成した後の光線が該主結像レンズの方向に進むように配置された光学素子を含み、かつ少なくとも1つの導光路の前記光学素子は前記像として実像を形成する光学素子であり、
これにより、前記主結像レンズが前記導光路を経由した複数方向の画像を一括して二次元検出器上に結像することを特徴とする生体画像撮影装置。 - 前記導光路として、試料からの直接光を受けない導光路の他に、試料からの直接光を受ける導光路も含む請求項1に記載の生体画像撮影装置。
- 試料からの直接光を受けない全ての導光路が前記像として実像を形成する光学素子を含む請求項1又は2に記載の生体画像撮影装置。
- 試料の実像を前記主結像レンズの実質的合焦点範囲内に作るための光学素子として凹面鏡を含む請求項1から3のいずれか一項に記載の生体画像撮影装置。
- 前記凹面鏡を含む導光路の少なくとも一つが、さらに平面鏡を含み、凹面鏡と平面鏡により試料の実像を主結像レンズの実質的合焦点範囲内に形成する請求項4に記載の生体画像撮影装置。
- 試料からの直接光を受ける導光路と、前記凹面鏡を含んで試料の隣に実像を結像する導光路の1つ又は2つを含み、
前記主結像レンズが、試料と試料の隣に形成された実像を二次元検出器上に作ることで2方向又は3方向を同時に観測する請求項4又は5に記載の生体画像撮影装置。 - 試料から見て主結像レンズと二次元検出器の方向を真上と定義するとき、試料からの直接観測される像を二次元検出器の中央に、試料の斜め下側の2つの方向の像をその両隣に、試料の斜め上側の2つの方向の像をその2つの像の更に両隣に形成し、合計5つの観測方向の像を二次元検出器上に取得する5つの導光路が配置されている請求項1から5のいずれか一項に記載の生体画像撮影装置。
- 試料から見て主結像レンズと二次元検出器の方向を真上と定義するとき、試料からの直接観測される像を中央に、試料の横方向の2つの方向の像をその両隣に、試料の下側の像を両隣の像と垂直な方向の隣に作成することで、上下左右、合計4つの観測方向の像を二次元検出器上に取得するように前記4つの導光路が配置されている請求項1から5のいずれか一項に記載の生体画像撮影装置。
- nを整数として、主結像レンズの合焦点面内で、試料から側方方向に距離の異なる位置に像を形成するような試料からの直接光を受けないn個の導光路と、試料からの直接光を受ける導光路とからなる合計(n+1)個の導光路を備え、
主結像レンズと試料との距離が可変になるように主結像レンズ又は試料が移動可能に支持されており、
主結像レンズと試料との距離を変える又は、選択することで、同時に主結像レンズの視野に入る方向数を(n+1)個及びそれより少ない数のうちから選択できるようにした請求項1から5、7又は8のいずれか一項に記載の生体画像撮影装置。 - 試料が載置されている面を含む平面内の一直線上で試料の両側に1個ずつ、さらにその外側の両側に1個ずつの合計4個の像を形成するように4個の導光路を備え、
主結像レンズと試料との距離を変えることで、同時に観測する方向数を5方向、3方向及び1方向のうちの2つ以上を選択できるようにした請求項9に記載の生体画像撮影装置。 - 試料の側方に複数個の実像を形成するように複数個の導光路を備え、
前記試料ホルダーの試料台として全ての実像の形成を妨げるとともに、複数の試料を配置できる大きさの光遮断性試料台と光透過性試料台を着脱可能に備え、
光遮断性試料台を配置したときの複数試料1方向観測と、光透過性試料台を配置したときの1つの試料の複数方向観測という2種の測定法を切替え可能にした請求項1から10のいずれか一項に記載の生体画像撮影装置。 - 凹面鏡を含む少なくとも1つの導光路は、形成される実像の位置を移動できるように、前記凹面鏡の曲率中心の位置を機械的に移動できる調節機構を備えた請求項4から10のいずれか一項に記載の生体画像撮影装置。
- 試料からの直接光を受けない少なくとも1つの導光路が平面鏡のみを含んで前記像として虚像を形成するものである請求項1又は2に記載の生体画像撮影装置。
- 試料からの直接光を受けない他の導光路は、試料の実像を前記主結像レンズの実質的合焦点範囲内に作るための光学素子として凹面鏡を含む請求項13に記載の生体画像撮影装置。
- 前記凹面鏡を含む導光路の少なくとも一つが、さらに平面鏡を含み、凹面鏡と平面鏡により試料の実像を主結像レンズの実質的合焦点範囲内に形成する請求項14に記載の生体画像撮影装置。
- 試料から見て主結像レンズと二次元検出器の方向を真上と定義するとき、試料からの直接観測される像を二次元検出器の中央に、試料の斜め下側の2つの方向の像をその両隣に、試料の斜め上側の2つの方向の像をその2つの像の更に両隣に形成し、合計5つの観測方向の像を二次元検出器上に取得するように前記導光路が5つ配置されている請求項13から15のいずれか一項に記載の生体画像撮影装置。
- 試料から見て主結像レンズと二次元検出器の方向を真上と定義するとき、試料からの直接観測される像を中央に、試料の横方向の2つの方向の像をその両隣に、試料の下側の像を両隣の像と垂直な方向の隣に作成することで、上下左右、合計4つの観測方向の像を二次元検出器上に取得するように前記導光路が4つ配置されている請求項13から15のいずれか一項に記載の生体画像撮影装置。
- nを整数として、主結像レンズの合焦点面内で、試料から側方方向に距離の異なる位置に像を形成するような試料からの直接光を受けないn個の導光路と、試料からの直接光を受ける導光路とからなる合計(n+1)個の導光路を備え、
主結像レンズの焦点距離を可変にすることで、同時に主結像レンズの視野に入る方向数を(n+1)個及びそれより少ない数のうちから選択できるようにした請求項1から5、7又は8のいずれか一項に記載の生体画像撮影装置。 - 試料が載置されている面を含む平面内の一直線上で試料の両側に1個ずつ、さらにその外側の両側に1個ずつの合計4個の像を形成するように4個の導光路を備え、
主結像レンズの焦点距離を可変にすることで、同時に観測する方向数を5方向、3方向及び1方向のうちの2つ以上を選択できるようにした請求項18に記載の生体画像撮影装置。 - 凹面鏡を含む少なくとも1つの導光路は、形成される実像の位置を移動できるように、前記凹面鏡の曲率中心の位置を機械的に移動できる調節機構を備えた請求項14から19のいずれか一項に記載の生体画像撮影装置。
- 前記導光路として凹面鏡と平面鏡を備えて試料からの直接光を受けない導光路のみを含む請求項1に記載の生体画像撮影装置。
- 蛍光発生のための励起光で試料を照射する励起光源と、試料から主結像レンズの間に配置され、前記励起光源の波長成分を除去するフィルタと、
をさらに備えた請求項1から21のいずれか一項に記載の生体画像撮影装置。 - 取得した多方向の各画像を表示する表示部と、前記表示部に表示する前記各画像について、表示する順序と向きの変更、反転、回転、大きさの調節及び歪曲補正の操作の内いずれか1つ以上を行う画像変換手段を備えた請求項1から22のいずれか一項に記載の生体画像撮影装置。
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