JP7126737B1 - 顕微鏡システム及びデータ処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
焦点面における検体の画像を取得する顕微鏡と、
前記顕微鏡が取得した前記画像を撮像する撮像部と、
前記焦点面を前記顕微鏡の光軸方向に移動する焦点面移動機構と、
前記撮像部が撮像した複数の前記画像の画像データを圧縮して、圧縮画像データを生成する圧縮部と、
制御部であって、
前記焦点面を所定の焦点座標に移動する焦点面制御信号を前記焦点面移動機構に送信し、
複数の前記画像を撮像するタイミングを指示する複数の撮像タイミング信号を前記撮像部に送信し、
前記複数の撮像タイミング信号の数を示すレイヤー数データを前記圧縮部に送信する、
制御部と、
を有する、顕微鏡システムである。
焦点面における検体の画像を顕微鏡で撮像部に結像し、
前記焦点面を前記顕微鏡の光軸方向に沿って、所定の焦点座標に移動し、
撮像タイミング信号に基づいて、前記画像を前記撮像部が撮像し、
前記撮像タイミング信号の数を示すレイヤー数データを圧縮部に送信し、
前記撮像部が撮像した複数の前記画像の画像データを前記圧縮部が圧縮して圧縮画像データを生成する、
データ処理方法である。
顕微鏡20は、焦点面における検体Sの画像を取得する。顕微鏡20は、レンズなどの光学系を有する。
撮像部30は、撮像タイミング信号に基づいて、顕微鏡20が取得した画像を撮像する。撮像部30は、例えば、デジタルカメラである。
ステージ移動機構42は、ステージ移動制御信号に基づいて、顕微鏡20とステージ10とを光軸方向に直交する方向(XY方向)に相対的に移動する。
また、撮像部30の出力側の一部として第1の画像バッファ55が構成されるとともに、圧縮部60の入力側の一部として第2の画像バッファ55が構成されてもよい。
記憶部70は、圧縮部60が生成した圧縮画像データを記憶する。
送信部80は、圧縮画像データを外部に送信する。
具体的には、制御部50は、焦点面を所定の焦点座標(Z座標)に移動する焦点面制御信号を焦点面移動機構40に送信する。制御部50は、画像を撮像するタイミングを指示する撮像タイミング信号を撮像部30に送信する。制御部50は、焦点座標を有する撮像位置データを圧縮部60に送信する。制御部50は、この複数の撮像タイミング信号の数を示すレイヤー数データを圧縮部60に送信する。ここで、レイヤー数データとは、1つのスポットにおけるZ方向の撮像数を示すデータである。1つのスポットにおけるZ方向の撮像数は、予め設定される。
なお、焦点面付近における被写界深度は、光学系によって定まる。そのため、レイヤー間距離と被写体深度とが概ね同等程度となるように、光学系を設定することが好ましい。例えば、対物レンズの開口数や照明光の開口数によって、被写体深度が決まる。透過光により撮像する場合、検体Sに入射する透過照明光の開口を、開口絞りによって調整できる。
垂直ステージは、単一のステージでもよい。また、垂直ステージは、光学系を退避させる粗動ステージと、対物レンズと検体の間の距離を微調整する微動ステージなど、2種類以上のステージを組み合わせた構成でもよい。積層画像のレイヤー間距離に対して十分な精度で、垂直ステージは微動動作できる。
取得した複数個所の積層画像を統合するため、制御部50は、撮像時に、垂直ステージ位置のデータを記録する。例えば、制御部50は、ステージ10に搭載されたエンコーダを用いて、垂直ステージ位置を検出する。また、制御部50は、ステージ10の原点位置からの移動量を積算して、垂直ステージ位置を検出してもよい。また、制御部50は、ステージ10を動作させるステッピングモータのパルスや、ステッピングモータのコントローラに入力される制御パルスをデジタル回路により監視して、垂直ステージ位置を検出してもよい。
なお、後者の撮像方法において、撮像部30の露光時間中における焦点面の移動距離が光学系の被写体深度に対して十分に大きいと、画像がぼけることがある。これを避けるため、光学系の被写体深度に合わせて撮像部30の露光時間と焦点面の移動速度とを設定することが好ましい。また、焦点面の移動速度をより高速にしたい場合は、照明22にフラッシュランプを用いることにより、焦点面の移動による画像のボケを削減できる。
また、制御部50は、焦点面移動機構40に対して、フォーカス位置、移動範囲、レイヤー間距離などを設定する。これにより、焦点面移動機構40は、所望の焦点面制御信号のタイミングで動作する。
なお、制御部50は、必ずしも一定の時間間隔で撮像タイミング信号を送信しなくてもよい。
所定時間内に1つのスポットにおけるZ方向の撮像数の画像データを受信しなかった場合、圧縮部60は、エラー処理を行う(ステップS6)。具体的には、撮像タイミング信号の数に比べて撮像数が少ない場合が有り得る。これは、撮像部30が撮像タイミング信号を適切に処理できず、一部のレイヤーについて撮像できていない可能性がある。そのため、圧縮部60は、エラー処理として、同じスポットに対して再度撮像を行うか、タイムアウト処理を行うほか、受信した画像データを圧縮して保存するなど、その後の処理に必要となる処理をおこなう。
そして、圧縮画像データは、記憶部70に転送される。記憶部70は、転送された圧縮画像データを記憶する(ステップS8)。
このようにして、単一スポットの撮像を行う。
一方、撮像部30がローリングシャッターのイメージセンサの場合、シャッターのタイミングは、画素によって異なる。そのため、シャッターの動作タイミングから各画素のZ位置を推定できる。または、露光時間をローリングシャッターの移動時間より十分に長くし、撮像タイミング信号から一定の遅延時間後に顕微鏡照明をパルス動作させることで、ストロボ露光により、全画素で同一のシャッタータイミングで露光できる。このようにして撮像された各レイヤーの垂直ステージの撮像位置情報は、画像情報と共に保存される。このとき、照明の絞りや光源の強度、撮像部30のシャッタースピードやゲイン、ホワイトバランスなどの情報も記録されることが好ましい。
このとき、隣接するスポットをわずかに重複させることにより、撮像後に隣接するスポットの画像を貼り合わせ、1枚の大きな画像を形成できる。
図3のように移動と停止を返す方法では、停止後に検体Sが完全に静止してから撮像を開始することが好ましい。そのため、待ち時間が発生する。これに対し、図4のように、奥行方向とともに水平面上の移動を連続的に行いながら撮像を行うことで、移動後の停止による揺れの影響を避けられる。これにより、待ち時間を削減し、高速で撮像できる。
予め検体S内の複数位置のフォーカス位置を取得し、その結果から、焦点面を推定する。ここで、焦点面とは、複数位置におけるフォーカス位置との距離の総和が最小となる平面である。これにより、ステージ10の任意の撮像位置におけるフォーカス位置を計算できる。
なお、焦点面の推定には、他の最適化法を用いても良いし、光学特性から推定される焦点面は、平面に限られない。また、直前もしくはそれ以前のステージ10の位置におけるフォーカス位置と撮像範囲から、現在の位置での焦点面を推定して、フォーカス位置を計算できる。
また、圧縮部60は、各予測ブロックに対して圧縮性能の高い予測方法を個別に選定できる。これにより、画像全体に対して、高い圧縮効果が得られる。なお、YUV変換などによってカラー画像を輝度成分と色差成分に分離している場合、輝度成分および色差成分の各々に対して、イントラレイヤー予測を適用できる。
直交変換には、例えば、離散コサイン変換や離散サイン変換である。ブロックによっては、変換を行わなくてもよい。なお、離散コサイン変換や離散サイン変換は、実数精度ではなく整数精度で行うことが好ましい。これにより、環境に依存せず、一定した結果が得られ、演算が高速になる。
計算処理に要する時間を短縮するためには、未圧縮の画像データの転送や保存を減らすことが好ましい。そのため、3次元画像を撮像したら、速やかに圧縮を行い、データ容量を速やかに削減する。3次元の顕微鏡画像は、例えば、CMOSなどのエリアセンサを搭載した撮像部30を用いて、複数レイヤーの平面画像を連続して撮像することで取得できる。この場合、撮像部30の内部、もしくは撮像部30から画像データの信号を受け取ったコンピュータ内部において、速やかに画像データを圧縮することが好ましい。
転送された画像は、チップ上のフレームバッファもしくはSRAMの他、コンピュータに接続されたDRAMなどのメモリ上に保持される。圧縮のための画像処理には、撮像部30の内部と同様に集積されたハードウェアであるISPを用いる他、並列に集積されるGPU(Graphics processing unit)を用いることもできる。GPUには、汎用的な画像処理が可能な並列演算器アレイの他、演算器と高速でデータの転送が可能なVRAM(Video RAM)、画像処理のためのグラフィックスパイプラインが集積されており、ソフトウエア処理によりハードウェア処理に類似したリアルタイム処理を実現できる。
また、撮像部30の出力画像の形式と、圧縮部60が必要とする画像の形式が異なる場合に、圧縮部60の入力側に複数の画像バッファを用意して、並列に変換処理を行ってもよい。これにより、撮像部30の入力フレームレートと、圧縮部60の動作フレームレートを、ハードウェアの取りうる最大の値に保ちながら、リアルタイム処理を実現できる。
圧縮が完了したデータは、チップ上のRAMもしくは接続されたDRAMなどに保持された後、SSDやHDDなどの外部ストレージに保存される。また、圧縮後にバッファを介すことなく、データ転送バスから直接外部ストレージに書き込まれてもよい。外部ストレージへのアクセスには時間を要するため、圧縮が完了したデータを保存が必要なタイミングで書き込むことが好ましい。また、必要に応じて、圧縮データに対して、追加の符号化処理や計算処理を行ってもよい。
また、積層画像の位置情報は、既存の顕微鏡20で取得された際に記録されている位置情報を用いる他、積層画像を配置して貼り合わせ、その一致度から各画像の位置を推定して位置情報を生成してもよい。撮像情報についても、個々の画像の背景や細胞の輝度情報や色情報から推定した情報などを付加してもよい。
圧縮した3次元画像を、デコード計算で積層した2次元画像に復元することにより、容易に閲覧でき、画像処理計算に用いることができる。例えば、デコードした3次元画像を入力として、深層学習などの人工知能による画像処理を行うことで、特定の種類の細胞を自動的に検出し、また、検出した細胞を分類することもできる。閲覧などの処理に使用しない間は、データを圧縮ファイルの形式で保存し、必要になった際に都度デコードしてもよい。
また、タイリング処理の前もしくは後のいずれかにおいて、積層画像に対してデコンボリューション計算を行い、焦点ずれによるボケを削減した画像を取得してもよい。
また、例えば、細胞質や細胞核などの特定の領域を抽出もしくはセグメンテーションしてボクセルデータとして連結し、その表面に対して透過率と反射率を設定して画像を表示するボリュームレンダリングにより、3次元データを表示できる。
また、ボリュームレンダリングの表面情報のみを抽出し、その表面の法線方向のベクトルと、その位置の画像情報から、ボクセル情報を表面のポリゴン情報に変換し、ポリゴンで構成された3次元モデルとして表示できる。
20 顕微鏡
22 照明
30 撮像部(カメラ)
40 焦点面移動機構
42 ステージ移動機構
50 制御部
55 画像バッファ
60 圧縮部
70 記録部
80 送信部
S 検体
Claims (9)
- 焦点面における検体の画像を取得する顕微鏡と、
前記顕微鏡が取得した前記画像を撮像する撮像部と、
前記焦点面を前記顕微鏡の光軸方向に移動する焦点面移動機構と、
前記撮像部が撮像した複数の前記画像の画像データを圧縮して、圧縮画像データを生成する圧縮部と、
制御部であって、
前記焦点面を所定の焦点座標に移動する焦点面制御信号を前記焦点面移動機構に送信し、
複数の前記画像を撮像するタイミングを指示する複数の撮像タイミング信号を前記撮像部に送信し、
前記複数の撮像タイミング信号の数を示すレイヤー数データを前記圧縮部に送信する、
制御部と、
を有し、
前記圧縮部は、
所定時間内に前記レイヤー数データに基づく撮像数の前記画像データを受信しなかった場合に、エラー処理を行う、
顕微鏡システム。 - 前記検体が載置されるステージと、
前記顕微鏡と前記ステージとを前記光軸方向に直交する方向に相対的に移動するステージ移動機構と、
を更に有し、
前記制御部は、前記顕微鏡と前記ステージとを前記光軸方向に直交する方向に相対的に移動させるステージ移動制御信号を前記ステージ移動機構に送信する、
請求項1に記載の顕微鏡システム。 - 前記圧縮部が生成した前記圧縮画像データを記憶する記憶部を更に有する、
請求項1又は2に記載の顕微鏡システム。 - 前記制御部は、前記焦点面制御信号及び前記ステージ移動制御信号に基づき、前記焦点座標が所定の座標となるタイミングで前記撮像タイミング信号を前記撮像部に送信する、
請求項2に記載の顕微鏡システム。 - 前記記憶部は、撮像位置データを、前記圧縮画像データとともに記録する、
請求項3に記載の顕微鏡システム。 - 焦点面における検体の画像を顕微鏡で撮像部に結像し、
前記焦点面を前記顕微鏡の光軸方向に沿って、所定の焦点座標に移動し、
撮像タイミング信号に基づいて、前記画像を前記撮像部が撮像し、
前記撮像タイミング信号の数を示すレイヤー数データを圧縮部に送信し、
前記撮像部が撮像した複数の前記画像の画像データを前記圧縮部が圧縮して圧縮画像データを生成し、
所定時間内に前記レイヤー数データに基づく個数の前記画像データを受信しなかった場合に、前記圧縮部は、エラー処理を行う、
データ処理方法。 - ステージ移動制御信号に基づいて、前記検体が載置されるステージと前記顕微鏡とを、前記光軸方向に直交する方向に相対的に移動する、
請求項6に記載のデータ処理方法。 - 前記圧縮画像データを記憶する、
請求項6又は7に記載のデータ処理方法。 - 前記焦点座標が所定の座標となるタイミングで、前記撮像タイミング信号を前記撮像部に送信する、
請求項6又は7に記載のデータ処理方法。
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