JPH06186155A

JPH06186155A - 粒子分析装置

Info

Publication number: JPH06186155A
Application number: JP4350480A
Authority: JP
Inventors: Tokihiro Kosaka; 時弘小坂
Original assignee: Sysmex Corp
Current assignee: Sysmex Corp
Priority date: 1992-10-21
Filing date: 1992-12-03
Publication date: 1994-07-08
Also published as: CN1040796C; CN1086313A; US5448349A

Abstract

(57)【要約】【目的】血液や尿等の試料液中に含まれる粒子（血
球，細胞等）の形態情報，吸光情報等の特徴パラメータ
を精度よく得る。【構成】扁平な試料液流１９を形成するフローセル１
８と、スリット状の光を試料液流に照射させるための照
射光学系と、照射光を粒子の流れ方向に移動させる光学
偏向手段１４と、粒子を横切って走査した撮像信号を走
査ごとに出力する一次元イメージセンサ２４と、撮像信
号に基づき各種の特徴パラメータを求める信号処理装置
２６と、光学偏向手段１４の動作を制御する制御装置２
８とからなり、照射光に対する粒子の相対的な移動速度
（Ｖ１−Ｖ２）を実際の粒子の移動速度Ｖ１より遅く
し、同一粒子に対する走査回数を多くするように構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、血液や尿等のような粒
子（血球，細胞等）を含む試料液をシースフローにして
流し、その試料液流に光を照射して、粒子からの光を検
出して粒子を分析する装置、詳しくは、平面シースフロ
ーセル中を流れる粒子の形態情報や吸光度等を測定する
ために、一次元イメージセンサ（例えば、ラインセン
サ）検出系を付加したフローサイトメータ（ｆｌｏｗ
ｃｙｔｏｍｅｔｅｒ）等の粒子分析装置に関する。な
お、シースフロー（ｓｈｅａｔｈｆｌｏｗ）とは、粒
子を液流れの中央部に精度良く一列に整列させて通過さ
せるために、粒子の懸濁液の周囲を層流のシース液で被
覆した流れをいう。

【０００２】

【従来の技術】流体中を移動する粒子に光を照射して、
その粒子の特徴を抽出し分析する装置として、フローサ
イトメータ，セルソータあるいはイメージングフローサ
イトメータが従来から知られている。

【０００３】米国特許第４，３３８，０２４号明細書及
び特公平３−５２５７３号公報には、フローセルにおい
て、扁平な試料液流（フラットシースフロー）を形成
し、ストロボ光を照射し粒子の静止画像を撮像すること
が記載されている。特開平２−１０５０４１号公報に
は、光偏向素子を用いて光ビームを粒子の通過方向と交
差する方向に走査し、粒子内部を透過した光をアレイ型
光検出器で検出することにより、粒子の各部分の情報を
得ることが開示されている。

【０００４】特開平３−２９８３５号公報には、光軸上
に平行平面ガラス板を設け、そのガラス板を回転させる
ことにより、光をシフトさせ光軸調整することが開示さ
れている。特開平３−１５０４４４号公報には、レーザ
光を水平方向（粒子の流れと直交する方向）に走査する
音響光学素子と、垂直方向に走査する音響光学素子とを
設け、水平走査した光を粒子の移動に追従させて同一粒
子を複数回走査することが開示されている。また、流速
よりも、流れ方向の走査速度を若干遅くすることも開示
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のフローサイトメ
ータでは、各粒子の形態情報（面積、周囲長等）の情報
を得ることはできなかった。また、試料を扁平な流れに
してストロボ光を照射し、ビデオカメラで撮像された粒
子像を画像処理することによって、各粒子の形態的特徴
を実時間（リアルタイム）で求めるには、高価なビデオ
カメラ及び高性能で高価な専用画像処理装置が必要であ
った。

【０００６】そこで、本発明者は、従来のフローサイト
メータに、一次元イメージセンサ（ラインセンサ）によ
る検出系とその信号処理系を付加し、平面シースフロー
セルの中を流れる粒子の像をスキャンニングし、その時
得られる検出信号を処理することにより、個々の粒子の
形態情報や吸光量をリアルタイムで求めることのできる
分析装置を発明し特許出願した（特願平３−２７０１０
６号、３−２７０１０７号、４−１７９２９７号）。

【０００７】ところが、上記発明では、ラインセンサに
よるスキャンサイクル時間及び粒子像分解能との関係か
ら、粒子の移動速度（サンプル流速）は、最大でも１０
０mm／sec 程度に抑える必要があった。このため、単位
時間当たりの分析量は、従来のフローサイトメータに比
べて１／５〜１／１０と少なくなる。従って、特に対象
とする粒子の濃度がうすい試料では、十分な数の粒子を
短時間で測定することはできなかった。すなわち、
（１）サンプル流速を上げると、粒子流れ方向の画像分
解能が悪くなり、得られる形態情報の精度が落ちる。
（２）ラインセンサによるスキャンサイクルを短くする
ために、絵素数の少ないラインセンサを用いると、流れ
と垂直方向の分解能が悪くなる。（３）ラインセンサに
対する絵素クロックの周波数を上げてスキャンサイクル
を短くする方法もあるが、信号処理スピードの点からの
制約があった。

【０００８】これらの事について、もう少し詳しく説明
する。フローセル内では、粒子を含む試料は、流体力学
的に扁平な流れ、すなわち、光軸方向にうすく、流れと
直角な方向に広い幅の流れになっている。従って、ライ
ンセンサによって単位時間当たり分析されるサンプル容
量は、試料流の厚み、ラインセンサの検出エリアの幅及
び試料流の速度によって決まる。つまり、試料流の速度
は、ラインセンサの１回のスキャンに要する時間と流れ
方向の粒子像分解能との兼ね合いで決められる。試料流
の速度を速くすればするほど、流れ方向の粒子像分解能
は悪くなり、得られる形態情報の精度は落ちる。精度の
良い計測をするには、ラインセンサの絵素数とも関係す
るが、通常５０mm／sec 程度に抑える必要があり、これ
では単位時間当たりの試料分析量は、従来のフローサイ
トメータと比較して約１／１０程度となってしまう。

【０００９】単位時間当たりの試料分析量を上げるため
には、試料流の速度を上げる他に、試料流の厚みを増す
方法、あるいはラインセンサ受光面への投影倍率を下げ
て、ラインセンサの検出エリアの幅を広げることが考え
られる。しかし、これらの方法では、粒子像のピントボ
ケの問題や流れ方向と直角の方向の像分解能が低下する
という問題がある。

【００１０】また、前記特開平３−２９８３５号公報記
載の発明において、ガラス板を回転させているのは、光
軸を調整して最良の光学アライメントを得るためであ
り、本発明とは、後述のように、目的が異なる。特開平
２−１０５０４１号公報及び特開平３−１５０４４４号
公報記載の発明は、光を水平に高速走査しているが、動
作安定性に欠ける恐れがある。また、特開平３−１５０
４４４号公報には、光を粒子の移動に追従させて粒子を
複数回走査することが開示されているが、これは同一粒
子の中心を複数回走査することであって、同一粒子の異
なる部分を走査することは開示されていない。また、流
速よりも流れ方向の走査速度を若干遅くするのは、粒子
の中心にレーザ光が照射される確率を向上させるためで
ある。

【００１１】上記のように、流れる粒子の透過光像を１
次元イメージセンサ（ラインセンサ）に結像させ、その
検出信号を処理して各粒子の形態情報を求める場合、粒
子の移動速度が速過ぎると、精度の良い情報を求めるこ
とはできない。逆に、移動速度を遅くすると、単位時間
当たりの測定細胞数が減るという問題がある。

【００１２】本発明は、上記の諸点に鑑みなされたもの
で、電気的に光軸の傾きを変化させることのできる光学
偏向手段を用いて、一次元イメージセンサ（ラインセン
サ）に投影される粒子像のみかけの移動速度を遅くし、
上記問題を改善したものである。本発明の目的は、角度
可変プリズム、音響光学偏向器、ガルバノミラー等の光
学偏向手段を用いることによって、数μm に細く絞った
照射ビームを、粒子の流れ方向に移動できるようにし、
粒子を透過した光を粒子の流れ方向に幅の広い１次元イ
メージセンサ（ラインセンサ）で受光するようにするこ
とによって、粒子の移動速度が速くても一次元イメージ
センサで受光される粒子透過光像の変化のスピードを相
対的に遅くすることができるようにした粒子分析装置を
提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の粒子分析装置は、図１に示すように、フ
ローセルのノズルから被検粒子を含む試料液を吐出する
とともに、試料液の周囲にシース液を流すことによりシ
ースフローを形成させ、その試料液流に光を照射し、粒
子からの光を検出し、その検出信号に基づき粒子の分析
を行う粒子分析装置において、一方向には幅が狭く他方
向には幅が広い扁平な試料液流１９を形成させるフロー
セル１８と、光源１０からの光を、試料液流の幅の広い
方の面から粒子の流れ方向には幅が狭く粒子の流れ方向
と直交する方向には幅が広いスリット状の光として、試
料液流１９に照射するための照射光学系と、上記照射光
を粒子の流れ方向に移動させる光学偏向手段１４と、粒
子の流れ方向と垂直な方向に多数の光受光素子が一列に
並んで設けられ、受光面の粒子の流れ方向の長さは粒子
径以上であり、その受光面上に粒子の透過光像が結像さ
れることにより粒子を横切って走査した撮像信号Ｓｉを
走査ｉごとに出力する一次元イメージセンサ２４と、こ
の一次元イメージセンサ２４からの撮像信号Ｓｉに基づ
き、粒子を検出し粒子個々に各種の特徴パラメータを求
める信号処理手段２６と、粒子検出タイミング信号Ｓｐ
に基づき、光源１０からの照射光を粒子の移動方向と同
方向に粒子の移動速度Ｖ１とは異なる速度Ｖ２で移動さ
せるとともに、照射光に対する粒子の相対的な移動速度
（Ｖ１−Ｖ２）を実際の粒子の移動速度Ｖ１より遅くす
ることにより、同一粒子に対する走査回数を多くするよ
うに、光学偏向手段１４の動作を制御する制御手段２８
と、を備えて構成される。

【００１４】また、本発明の他の粒子分析装置は、上記
の粒子分析装置において、図９に示すように、試料液流
の幅の狭い面から、試料液流に光を照射する第２の光源
３８と、この第２の光源３８により粒子から発せられた
散乱光や蛍光等の光を検出する光検出器４６とを備え、
制御手段２８が、光検出器４６の信号Ｓにより粒子を検
出した粒子検出タイミング信号Ｓｐに基づき、第１の光
源１０からの照射光を粒子の移動方向と同方向に粒子の
移動速度Ｖ１とは異なる速度Ｖ２で移動させるように、
光学偏向手段１４の動作を制御するように構成される。

【００１５】上記の図１及び図９に示す粒子分析装置に
おいて、光学偏向手段１４は、２枚の透明板の間に介在
させた高屈折率の媒体の厚さを可変することにより光を
偏向させる、角度可変プリズムとしたり、音響光学偏向
器やガルバノミラー等としたりする。なお、角度可変プ
リズム，音響光学偏向器、ガルバノミラーについては、
実施例で説明する。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の好適な実施例
を詳細に説明する。ただし、この実施例に記載されてい
る構成機器の材質、形状、その相対配置などは、とくに
特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれらのみ
に限定する趣旨のものではなく、単なる説明例にすぎな
い。実施例１図１は、本発明の粒子分析装置の基本的な構成を示す図
（側面図）である。１８は扁平な試料液流１９を形成さ
せるためのフローセルである。このフローセル１８はガ
ラス，プラスチック等の透明体からなり、被検粒子を含
む試料液流（サンプル流）１９は扁平なフローセル１８
へ導かれ、サンプル流の周囲を被覆するようにシース液
が供給されて扁平シースフローが形成される。試料液流
１９はＺ方向（紙面上下方向）に流れ、Ｙ方向（紙面左
右方向）には粒子径と同程度の狭い幅を有し、Ｘ方向
（紙面表裏方向）には粒子径の数倍以上の広い幅を有す
る扁平な流れである。２４はＸ方向に延設された一次元
イメージセンサ（ラインセンサ）である。

【００１７】図２は光軸側からフローセル１８を見た試
料液流部分の拡大図である。２０は分析すべき被検粒子
（例えば血球や細胞）である。２０は、以降単に粒子と
称する。Ｂ１は試料液流上に形成されたラインセンサ２
４の検出エリアである。なお、絵素はＸ方向に一列に並
んでいる。また、検出エリアＢ１のＺ方向の幅は粒子の
径以上あるのが好ましい。図１において、光源１０から
出射された白色光はコリメータレンズ１２により平行光
にされ、シリンドリカルレンズ１６により図２のＡ１で
示すような、Ｘ方向の幅が試料液流１９の幅よりも広く
Ｚ方向の厚みが粒子径の数分の１以下の非常に細長いス
リット状の光にされ、検出エリアＢ１に照射される。Ａ
１は光源１０からの出射光の照射エリアである。すなわ
ち、コリメータレンズ１２，シリンドリカルレンズ１６
で照射光学系が構成される。粒子２０が移動してきて照
射エリアＡ１に到達すると、粒子を透過した透過光は対
物レンズ２２を経てラインセンサ２４の受光面上に結像
されて、ラインセンサ２４からは粒子２０を横切って走
査された撮像信号Ｓｉが走査ｉごとに出力される。撮像
信号Ｓｉは信号処理装置２６に入力され、個々の粒子に
対し各種の特徴パラメータが実時間で求められる。

【００１８】本発明の装置においては、照射光学系（図
１ではコリメータレンズ１２とシリンドリカルレンズ１
６の間）に光学偏向手段１４が設けられている。光学偏
向手段とは光軸の向きを変える手段であり、具体的には
高屈折率の媒体を挟んだ２枚の透明板の傾きを可変する
ことにより光の方向を変える角度可変プリズムや、媒体
に超音波を伝搬させその超音波の周波数を変えることに
より光の方向を変える音響光学偏向器（Ａｃｏｕｓｔｏ
−ＯｐｔｉｃＤｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＡＯＤ）やミラー
の角度を変えることにより光の方向を変えるガルバノミ
ラー等が使用できる。角度可変プリズム、音響光学偏向
器、ガルバノミラーは例えば、それぞれキャノン
（株）、ＨＯＹＡ（株）、ジェネラルスキャニング社か
ら入手できる。

【００１９】図３及び図４は角度可変プリズムの構成を
示す概略図である。図３は初期状態、図４は偏向状態を
示す。角度可変プリズム１４は、２枚の透明板３０，３
２（例えばガラス板やプラスチック板）の周囲を蛇腹３
４でつなぎ、その中に屈折率の高い透明な液体物質３６
（例えばシリコーン系の液体）を封入した構成となって
いる。そしてボイスコイル等の電気的駆動手段（図示せ
ず）により、２枚の板３０，３２の角度を任意に変化さ
せることにより、図４に示すように光を破線から一点鎖
線で示す方向に偏向させることができる。

【００２０】照射エリアＡ１における照射光は図２に示
すように、始め検出エリアＢ１における上流側の部分を
照射している。流れてきた粒子が照射エリアＡ１に接す
ると、粒子検出タイミング信号Ｓｐに基づき制御装置２
８（図１参照）において角度制御信号Ｓａが発せられ、
この制御信号Ｓａにより角度可変プリズム１４の偏向角
度が所定角度に制御されて、照射エリアＡ１における照
射光が粒子の流れと同じ方向に移動させられる。なお、
本例においては粒子検出タイミング信号Ｓｐは信号処理
装置２６から供せられる。

【００２１】図５及び図６は照射光学系部分の説明図で
ある。図５は細胞（粒子）が照射エリアＡ１と接した状
態、すなわち初期状態である。角度可変プリズム１４の
２枚のガラス板は平行となっている。粒子２０の移動と
ともに角度制御信号Ｓａに従って、図６に示すように、
２枚のガラス板３０，３２が角度を持ち始め、照射光が
粒子の移動方向と同方向（図５及び図６において下方）
に粒子の移動速度Ｖ１よりも遅い速度Ｖ２で移動する。
このことにより粒子の照射光に対する速度（Ｖ１−Ｖ
２）を粒子の実際の移動速度Ｖ１よりも遅くすることが
できる。すなわち、見かけ上粒子の移動速度を遅くする
ことができ、その間、図７に示すように、一つの粒子に
対して場所を変えながら多数回走査することができる。
なお、図７における（）内の数字は走査サイクルの番
号を示しており、ｌは１回の走査の間に粒子が移動する
距離である。図８はラインセンサ２４から走査ｉごとに
順次出力される撮像信号Ｓｉを示している。このように
して、従来よりも高速で移動する粒子に対しても、従来
と同様に一つの粒子に対して多数回の走査を行うことが
できる。また、粒子移動速度が従来と同程度の場合に
は、従来以上の回数の走査を行うことができる（すなわ
ち、より高精度の解析を行うことができる）。

【００２２】実施例２図９は図１の装置に散乱光及び蛍光検出のための光学系
を付加した装置の平面図を示している。３８は第２の光
源であり、例えば、波長４８８nmレーザ光を発するアル
ゴンレーザである。第１の光源１０は第２の光源３８の
波長とは異なる波長の光である、例えば、近赤外光を発
するレーザダイオードである。扁平な試料液流１９は紙
面表裏方向（Ｚ方向）に流れ、第２の光源３８は第１の
光源１０と直交する向きに、その出射面を向けるように
設けられている。第２の光源３８からの光はコンデンサ
レンズ４０により細胞の流れ方向（Ｚ方向）に粒子径の
数倍程度に絞られ、試料液流１９の幅の狭い面から試料
液流の広い方の幅よりも長いビームウエストを有するよ
うに照射される。詳細は平成４年４月１日付で同出願人
により出願された特願平４−１０８８２７号の明細書に
記載されている。このようにして、第１の光源１０から
の光と第２の光源３８からの光は、試料液流１９上の同
じ領域をあるいは両者はごく近い領域を照射する。

【００２３】試料液は蛍光染色処理がなされている。蛍
光染色された細胞は、第２の光源３８からの照射光によ
り励起され蛍光が発せられる。細胞から発せられた側方
蛍光は対物レンズ２２によって集められ、ダイクロイッ
クミラー４８で反射され、ダイクロイックミラー５０を
透過しダイクロイックミラー５２で反射されて、対象と
する蛍光が光検出器４６ｂで受光される。第２の光源３
８からの照射光による側方散乱光は、ダイクロイックミ
ラー４８で反射されダイクロイックミラー５０で反射さ
れて、光検出器４６ａで受光される。第１の光源１０か
らの光はコリメータレンズ１２により平行光にされ、角
度可変プリズム１４を介しシリンドリカルレンズ１６に
より、実施例１と同様、図２に示すように試料液流１９
に対しスリット状に照射される。粒子透過光像は対物レ
ンズ２２を経てダイクロイックミラー４８を透過し、投
影レンズ２６によりラインセンサ２４の受光面に結像さ
れる。

【００２４】本実施例では、光検出器４６ａの検出信号
Ｓ１又は光検出器４６ｂの検出信号Ｓ２（光検出器４６
の検出信号Ｓ）により得られた、信号処理装置４２から
の粒子検出タイミング信号Ｓｐに基づき、制御手段２８
にて角度制御信号Ｓａが得られる。図１０はこれらの信
号Ｓ，Ｓｐ，Ｓａのタイミングチャートである。検出信
号ＳをＳ１とする場合には全ての粒子を走査の対象とす
ることができ、Ｓ２とする場合には蛍光を発する粒子の
みを走査の対象とすることができる。角度制御信号Ｓａ
は粒子検出タイミング信号Ｓｐの立ち上がりと同時に角
度可変プリズム１４の偏向角度を粒子の移動に従って徐
々に可変させるため、徐々に波高値が上昇し、粒子検出
タイミング信号Ｓｐの立ち下がりとともに初期状態に戻
っている。なお、実施例１においては、ラインセンサ２
４の検出信号Ｓｉから粒子検出タイミング信号Ｓｐをつ
くり出す。

【００２５】光検出器４６ａ，４６ｂ及びラインセンサ
２４で検出された信号は、信号処理装置４２にて個々の
粒子に対し特徴パラメータが実時間で求められる。特徴
パラメータとは蛍光強度、散乱光強度、面積や円形度等
の形態情報及び吸光度や複雑度等である。これら特徴パ
ラメータの求め方は、同出願人による特願平３−２７０
１０６号、特願平３−２７０１０７号、特願平４−１７
９２９７号の明細書に詳しく記載されている。すなわ
ち、光検出器４６ｂで蛍光強度が検出され、光検出器４
６ａで側方散乱光強度が検出される。また、流れる粒子
に対するラインセンサ２４による検出信号を信号処理装
置４２にインプットし処理することにより、粒子の形態
情報及び吸光情報等を得ることができる。

【００２６】ラインセンサ２４から得られる検出信号Ｓ
ｉを処理する信号処理装置２６の一例を図１１に示す。
ラインセンサ２４からの信号Ｓｉは増幅器６２で増幅さ
れ、ラインセンサのシフトクロックと同じ周波数のサン
プリングクロックでＡ／Ｄ変換器６４によりＡ／Ｄ変換
され、そのデータを、バックグラウンド補正部６６で補
正処理する。バックグラウンド補正部６６では、粒子が
検出部を通過していない時の透過光によるｌライン分の
データを、あらかじめメモリに保持しておき、計測中に
得られるＡ／Ｄ変換データとの差を導き出す処理を、リ
アルタイムで行なっている。この処理の目的は、レーザ
ビームの照射むらやラインセンサの各絵素の感度のバラ
ツキ等を補正することである。補正されたデータは、粒
子によって遮られた透過光像に対応する信号の範囲を切
り出すために、ある適当な基準レベルのデータと比較し
て２値化処理部６８でする。さらに、濃く染まった核の
部分だけを切り出すために、上記基準レベルより大きな
レベルのデータと比較しての２値化をも行なう。

【００２７】２値化処理されたデータは、小さなゴミを
除去したり、１個１個の粒子に対応する２値化データの
範囲を区分する、すなわち、２値データ処理部７０で領
域分割のための前処理が行なわれる。ここでいう領域分
割処理とは、連続した複数ラインデータ中に現われる１
個の粒子に対応する２値化データの範囲（タイミング）
を切り出すことであり、１個１個の粒子の形態情報や吸
光情報をリアルタイムで演算するためのタイミング制御
信号を作り出すのに必要となる処理である。この領域分
割処理及び演算制御回路７２からの制御信号によって吸
光量、複雑度、形態情報を求めるための演算器７４がコ
ントロールされて、各粒子に対するパラメータを実時間
で求めることができる。また、２値データ処理されたデ
ータより、同時通過判定部７６で粒子が同時通過してい
るかの判定がされ、その時に得られるパラメータは無視
するように制御することができる。７８は微分器、８０
は吸光量演算部、８２は複雑度演算部である。ここで言
う複雑度とは、検出信号のＡ／Ｄ変換されたデータの隣
り合うデータの差分を、１個の粒子に対応する範囲内で
足し合わせた値（複雑量）を、さらに面積で割った値で
ある。複雑量として、隣り合うデータの差分を２乗した
ものを、１個の粒子に対応する範囲内で足し合わせた値
を用いることも可能である。信号処理装置４２で求めら
れた粒子個々の特徴パラメータデータはデータ解析装置
４４に送られ、２次元スキャッタグラムや１次元ヒスト
グラム等が作成され、粒子分類等の解析が高精度で行わ
れる。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、上記のように構成されている
ので、つぎのような効果を奏する。（１）粒子の透過光像を得るための照射光学系に、光
学偏向手段を付加し、粒子の移動とともに照射光を移動
させている。このため、粒子の照射光に対する相対的な
移動速度を遅くすることができ、粒子の実際の移動速度
を高速にしても、同一粒子に対して複数の走査を行うこ
とができる。すなわち、単位時間当たりの粒子分析数を
多くすることができる。あるいは、粒子の移動速度はそ
のままにして、同一粒子に対する走査回数を多くするこ
とができる。すなわち、粒子の流れ方向の画像分解能を
向上させることができ、形態情報等の特徴パラメータを
より精度よく求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の粒子分析装置の一実施例を示す側面説
明図である。

【図２】図１における光軸側からフローセルを見た試料
液流部分の拡大図で、ラインセンサの検出エリアＢ１及
び照射光の照射エリアＡ１を示す図である。

【図３】図１における角度可変プリズムの初期状態を示
す説明図である。

【図４】図１における角度可変プリズムの偏向状態を示
す説明図である。

【図５】図１における照射光学系部分の初期状態を示す
拡大説明図である。

【図６】図１における照射光学系部分の偏向状態を示す
説明図である。

【図７】細胞（粒子）スキャンニングの一例を示す説明
図である。

【図８】ラインセンサから走査ｉごとに出力される撮像
信号の一例を示す波形図である。

【図９】本発明の粒子分析装置の他の実施例を示す平面
説明図である。

【図１０】光検出器の信号Ｓ，粒子検出タイミング信号
Ｓｐ，角度制御信号Ｓａのタイミングチャートである。

【図１１】信号処理装置の一例を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

１０光源１４光学偏向手段（角度可変プリズム、音響光学偏向
器又はガルバノミラー）１８フローセル１９試料液流２０粒子２４一次元イメージセンサ（ラインセンサ）２６信号処理手段（信号処理装置）２８制御手段（制御装置）３８第２の光源４２信号処理装置４４データ解析装置４６光検出器

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【手続補正書】

【提出日】平成６年１月２０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】粒子分析装置

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、血液や尿等のような
粒子（血球、細胞等）を含む試料液をシースフローにし
て流し、その試料液流に光を照射して、粒子からの光を
検出して粒子を分析する装置、詳しくは、平面シースフ
ローセル中を流れる粒子の形態情報や吸光度等を測定す
るために、一次元イメージセンサ（例えば、ラインセン
サ）検出系を付加したフローサイトメータ（ｆｌｏｗｃ
ｙｔｏｍｅｔｅｒ）等の粒子分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体中を移動する粒子に光を照射し
て、その粒子の特徴を抽出し分析する装置として、フロ
ーサイトメータ、セルソータあるいはイメージングフロ
ーサイトメータが従来から知られている。

【０００３】米国特許第４，３３８，０２４号明細書
及び特公平３−５２５７３号公報には、フローセルにお
いて、扁平な試料液流（フラットシースフロー）を形成
し、ストロボ光を照射し粒子の静止画像を撮像すること
が記載されている。特開平２−１０５０４１号公報に
は、光偏向素子を用いて光ビームを粒子の通過方向と交
差する方向に走査し、粒子内部を透過した光をアレイ型
光検出器で検出することにより、粒子の各部分の情報を
得ることが開示されている。

【０００４】特開平３−２９８３５号公報には、光軸
上に平行平面ガラス板を設け、そのガラス板を回転させ
ることにより、光をシフトさせ光軸調整することが開示
されている。特開平３−１５０４４４号公報には、レー
ザ光を水平方向（粒子の流れと直交する方向）に走査す
る音響光学素子と、垂直方向に走査する音響光学素子と
を設け、水平走査した光を粒子の移動に追従させて同一
粒子を複数回走査することが開示されている。また、流
速よりも、流れ方向の走査速度を若干遅くすることも開
示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のフローサイト
メータでは、各粒子の形態情報（面積、周囲長等）の情
報を得ることはできなかった。また、試料を扁平な流れ
にしてストロボ光を照射し、ビデオカメラで撮像された
粒子像を画像処理することによって、各粒子の形態的特
徴を実時間（リアルタイム）で求めるには、高価なビデ
オカメラ及び高性能で高価な専用画像処理装置が必要で
あった。

【０００６】そこで、本発明者は、従来のフローサイ
トメータに、一次元イメージセンサ（ラインセンサ）に
よる検出系とその信号処理系を付加し、平面シースフロ
ーセルの中を流れる粒子の像をスキャンニングし、その
時得られる検出信号を処理することにより、個々の粒子
の形態情報や吸光量をリアルタイムで求めることのでき
る分析装置を発明し特許出願した（特願平３−２７０１
０６号、３−２７０１０７号、４−１７９２９７号）。

【０００７】前記特開平３−２９８３５号公報記載の
発明において、ガラス板を回転させているのは、光軸を
調整して最良の光学アライメントを得るためであり、本
発明とは、後述のように、目的が異なる。特開平２−１
０５０４１号公報及び特開平３−１５０４４４号公報記
載の発明は、光を水平に高速走査しているが、動作安定
性に欠ける恐れがある。また、特開平３−１５０４４４
号公報には、光を粒子の移動に追従させて粒子を複数回
走査することが開示されているが、これは同一粒子の中
心を複数回走査することであって、同一粒子の異なる部
分を走査することは開示されていない。また、流速より
も流れ方向の走査速度を若干遅くするのは、粒子の中心
にレーザ光が照射される確率を向上させるためである。

【０００８】流れる粒子の透過光像を１次元イメージ
センサ（ラインセンサ）に結像させ、その検出信号を処
理して各粒子の形態情報を求める場合、粒子の移動速度
が速過ぎると、精度の良い情報を求めることはできな
い。逆に、移動速度を遅くすると、単位時間当たりの測
定細胞数が減るという問題がある。

【０００９】本発明は、上記の諸点に鑑みなされたも
ので、一次元イメージセンサ（ラインセンサ）に投影さ
れる粒子像のみかけの移動速度を遅くし、上記問題を改
善したものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する
ために、本発明の粒子分析装置は、被検粒子を含む試料
液をシースフローでつつんで流すためのフローセルと、
試料液に光を照射する照射光学系と、試料液中の被検粒
子の透過光を走査して検出するための一次元イメージセ
ンサと、照射光学系の光路中に設けられ、照射光学糸の
照明光を偏向させてフローセルへ導く光学偏向手段と、
液中を移動する被検粒子を追跡して光を照射できるよう
に光学偏向手段の偏向角を制御する制御手段と、一次元
イメージセンサの出力信号に基づき被検粒子の分析を行
なう信号処理手段と、を備えて構成される。

【００１１】また、本発明の他の粒子分析装置は、上
記の粒子分析装置において、試料液に第２の光を照射す
る第２の照射光学系と、第２の照射光学系により照射さ
れた被検粒子からの光を検出する光検出手段とをさらに
備え、制御手段が、光検出手段の出力に基づいて、光学
偏向手段の偏向角の制御を開始し、信号処理手段が一次
元イメージセンサ及び光検出手段の出力に基づいて被検
粒子の分析を行なうように構成される。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の好適な実施
例を詳細に説明する。ただし、この実施例に記載されて
いる構成機器の材質、形状、その相対配置などは、とく
に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれらの
みに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例にすぎ
ない。実施例１図１は、本発明の粒子分析装置の基本的な構成を示す図
（側面図）である。１８は扁平な試料液流１９を形成さ
せるためのフローセルである。このフローセル１８はガ
ラス，プラスチック等の透明体からなり、被検粒子を含
む試料液流（サンプル流）１９は扁平なフローセル１８
へ導かれ、サンプル流の周囲を被覆するようにシース液
が供給されて扁平シースフローが形成される。試料液流
１９はＺ方向（紙面上下方向）に流れ、Ｙ方向（紙面左
右方向）には粒子径と同程度の狭い幅を有し、Ｘ方向
（紙面表裏方向）には粒子径の数倍以上の広い幅を有す
る扁平な流れである。２４はＸ方向に延設された一次元
イメージセンサ（ラインセンサ）である。

【００１３】図２は光軸側からフローセル１８を見た
試料液流部分の拡大図である。２０は分析すべき被検粒
子（例えば血球や細胞）である。２０は、以降単に粒子
と称する。Ｂ１は試料液流上に形成されたラインセンサ
２４の検出エリアである。なお、絵素はＸ方向に一列に
並んでいる。また、検出エリアＢ１のＺ方向の幅は粒子
の径以上あるのが好ましい。図１において、光源１０か
ら出射された白色光はコリメータレンズ１２により平行
光にされ、シリンドリカルレンズ１６により図２のＡ１
で示すような、Ｘ方向の幅が試料液流１９の幅よりも広
くＺ方向の厚みが粒子径の数分の１以下の非常に細長い
スリット状の光にされ、検出エリアＢ１に照射される。
Ａ１は光源１０からの出射光の照射エリアである。すな
わち、コリメータレンズ１２，シリンドリカルレンズ１
６で照射光学系が構成される。粒子２０が移動してきて
照射エリアＡ１に到達すると、粒子を透過した透過光は
対物レンズ２２を経てラインセンサ２４の受光面上に結
像されて、ラインセンサ２４からは粒子２０を横切って
走査された撮像信号Ｓｉが走査ｉごとに出力される。撮
像信号Ｓｉは信号処理装置２６に入力され、個々の粒子
に対し各種の特徴パラメータが実時間で求められる。

【００１４】本発明の装置においては、照射光学系
（図１ではコリメータレンズ１２とシリンドリカルレン
ズ１６の間）に光学偏向手段１４が設けられている。光
学偏向手段とは光軸の向きを変える手段であり、具体的
には高屈折率の媒体を挟んだ２枚の透明板の傾きを可変
することにより光の方向を変える角度可変プリズムや、
媒体に超音波を伝搬させその超音波の周波数を変えるこ
とにより光の方向を変える音響光学偏向器（Ａｃｏｕｓ
ｔｏ−ＯｐｔｉｃＤｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＡＯＤ）やミ
ラーの角度を変えることにより光の方向を変えるガルバ
ノミラー等が使用できる。角度可変プリズム、音響光学
偏向器、ガルバノミラーは例えば、それぞれキャノン
（株）、ＨＯＹＡ（株）、ジェネラルスキャニング社か
ら入手できる。

【００１５】図３及び図４は角度可変プリズムの構成
を示す概略図である。図３は初期状態、図４は偏向状態
を示す。角度可変プリズム１４は、２枚の透明板３０，
３２（例えばガラス板やプラスチック板）の周囲を蛇腹
３４でつなぎ、その中に屈折率の高い透明な液体物質３
６（例えばシリコーン系の液体）を封入した構成となっ
ている。そしてボイスコイル等の電気的駆動手段（図示
せず）により、２枚の板３０，３２の角度を任意に変化
させることにより、図４に示すように光を破線から一点
鎖線で示す方向に偏向させることができる。

【００１６】照射エリアＡ１における照射光は図２に
示すように、始め検出エリアＢ１における上流側の部分
を照射している。流れてきた粒子が照射エリアＡ１に接
すると、粒子検出タイミング信号Ｓｐに基づき制御装置
２８（図１参照）において角度制御信号Ｓａが発せら
れ、この制御信号Ｓａにより角度可変プリズム１４の偏
向角度が所定角度に制御されて、照射エリアＡ１におけ
る照射光が粒子の流れと同じ方向に移動させられる。な
お、本例においては粒子検出タイミング信号ＳＰは信号
処理装置２６から供せられる。

【００１７】図５及び図６は照射光学糸部分の説明図
である。図５は細胞（粒子）が照射エリアＡ１と接した
状態、すなわち初期状態である。角度可変プリズム１４
の２枚のガラス板は平行となっている。粒子２０の移動
とともに角度制御信号Ｓａに従って、図６に示すよう
に、２枚のガラス板３０，３２が角度を持ち始め、照射
光が粒子の移動方向と同方向（図５及び図６において下
方）に粒子の移動速度Ｖ１よりも遅い速度Ｖ２で移動す
る。このことにより粒子の照射光に対する速度（Ｖ１−
Ｖ２）を粒子の実際の移動速度Ｖ１よりも遅くすること
ができる。すなわち、見かけ上粒子の移動速度を遅くす
ることができ、その間、図７に示すように、一つの粒子
に対して場所を変えながら多数回走査することができ
る。なお、図７における（）内の数字は走査サイクル
の番号を示しており、１は１回の走査の間に粒子が移動
する距離である。図８はラインセンサ２４から走査ｉご
とに順次出力される撮像信号Ｓｉを示している。このよ
うにして、従来よりも高速で移動する粒子に対しても、
従来と同様に一つの粒子に対して多数回の走査を行うこ
とができる。また、粒子移動速度が従来と同程度の場合
には、従来以上の回数の走査を行うことができる（すな
わち、より高精度の解析を行うことができる）。

【００１８】実施例２図９は図１の装置に散乱光及び蛍光検出のための光学系
を付加した装置の平面図を示している。３８は第２の光
源であり、例えば、波長４８８ｎｍレーザ光を発するア
ルゴンレーザである。第１の光源１０は第２の光源３８
の波長とは異なる波長の光である、例えば、近赤外光を
発するレーザダイオードである。扁平な試料液流１９は
紙面表裏方向（Ｚ方向）に流れ、第２の光源３８は第１
の光源１０と直交する向きに、その出射面を向けるよう
に設けられている。第２の光源３８からの光はコンデン
サレンズ４０により細胞の流れ方向（Ｚ方向）に粒子径
の数倍程度に絞られ、試料液流１９の幅の狭い面から試
料液流の広い方の幅よりも長いビームウエストを有する
ように照射される。詳細は平成４年４月１日付で同出願
人により出願された特願平４−１０８８２７号の明細書
に記載されている。このようにして、第１の光源１０か
らの光と第２の光源３８からの光は、試料液流１９上の
同じ領域をあるいは両者はごく近い領域を照射する

【００１９】試料液は蛍光染色処理がなされている。
蛍光染色された細胞は、第２の光源３８からの照射光に
より励起され蛍光が発せられる。細胞から発せられた側
方蛍光は対物レンズ２２によって集められ、ダイクロイ
ックミラー４８で反射され、ダイクロイックミラー５０
を透過しダイクロイックミラー５２で反射されて、対象
とする蛍光が光検出器４６ｂで受光される。第２の光源
３８からの照射光による側方散乱光は、ダイクロイック
ミラー４８で反射されダイクロイックミラー５０で反射
されて、光検出器４６ａで受光される。第１の光源１０
からの光はコリメータレンズ１２により平行光にされ、
角度可変プリズム１４を介しシリンドリカルレンズ１６
により、実施例１と同様、図２に示すように試料液流１
９に対しスリット状に照射される。粒子透過光像は対物
レンズ２２を経てダイクロイックミラー４８を透過し、
投影レンズ２６によりラインセンサ２４の受光面に結像
される。

【００２０】本実施例では、光検出器４６ａの検出信
号Ｓ１又は光検出器４６ｂの検出信号Ｓ２（光検出器４
６の検出信号Ｓ）により得られた、信号処理装置４２か
らの粒子検出タイミング信号Ｓｐに基づき、制御手段２
８にて角度制御信号Ｓａが得られる。図１０はこれらの
信号Ｓ，Ｓｐ，Ｓａのタイミングチャートである。検出
信号ＳをＳ１とする場合には全ての粒子を走査の対象と
することができ、Ｓ２とする場合には蛍光を発する粒子
のみを走査の対象とすることができる。角度制御信号Ｓ
ａは粒子検出タイミング信号Ｓｐの立ち上がりと同時に
角度可変プリズム１４の偏向角度を粒子の移動に従って
徐々に可変させるため、徐々に波高値が上昇し、粒子検
出タイミング信号Ｓｐの立ち下がりとともに初期状態に
戻っている。なお、実施例１においては、ラインセンサ
２４の検出信号Ｓｉから粒子検出タイミング信号Ｓｐを
つくり出す。

【００２１】光検出器４６ａ，４６ｂ及びラインセン
サ２４で検出された信号は、信号処理装置４２にて個々
の粒子に対し特徴パラメータが実時間で求められる。特
徴パラメータとは蛍光強度、散乱光強度、面積や円形度
等の形態情報及び吸光度や複雑度等である。これら特徴
パラメータの求め方は、同出願人による特願平３−２７
０１０６号、特願平３−２７０１０７号、特願平４−１
７９２９７号の明細書に詳しく記載されている。すなわ
ち、光検出器４６ｂで蛍光強度が検出され、光検出器４
６ａで側方散乱光強度が検出される。また、流れる粒子
に対するラインセンサ２４による検出信号を信号処理装
置４２にインプットし処理することにより、粒子の形態
情報及び吸光情報等を得ることができる。

【００２２】ラインセンサ２４から得られる検出信号
Ｓｉを処理する信号処理装置２６の一例を図１１に示
す。ラインセンサ２４からの信号Ｓｉは増幅器６２で増
幅され、ラインセンサのシフトクロックと同じ周波数の
サンプリングクロックでＡ／Ｄ変換器６４によりＡ／Ｄ
変換され、そのデータを、バックグラウンド補正部６６
で補正処理する。バックグラウンド補正部６６では、粒
子が検出部を通過していない時の透過光による１ライン
分のデータを、あらかじめメモリに保持しておき、計測
中に得られるＡ／Ｄ変換データとの差を導き出す処理
を、リアルタイムで行なっている。この処理の目的は、
レーザビームの照射むらやラインセンサの各絵素の感度
のバラツキ等を補正することである。補正されたデータ
は、粒子によって遮られた透過光像に対応する信号の範
囲を切り出すために、ある適当な基準レベルのデータと
比較して２値化処理部６８でする。さらに、濃く染まっ
た核の部分だけを切り出すために、上記基準レベルより
大きなレベルのデータと比較しての２値化をも行なう。

【００２３】２値化処理されたデータは、小さなゴミ
を除去したり、１個１個の粒子に対応する２値化データ
の範囲を区分する、すなわち、２値データ処理部７０で
領域分割のための前処理が行なわれる。ここでいう領域
分割処理とは、連続した複数ラインデータ中に現われる
１個の粒子に対応する２値化データの範囲（タイミン
グ）を切り出すことであり、１個１個の粒子の形態情報
や吸光情報をリアルタイムで演算するためのタイミング
制御信号を作り出すのに必要となる処理である。この領
域分割処理及び演算制御回路７２からの制御信号によっ
て吸光量、複雑度、形態情報を求めるための演算器７４
がコントロールされて、各粒子に対するパラメータを実
時間で求めることができる。また、２値データ処理され
たデータより、同時通過判定部７６で粒子が同時通過し
ているかの判定がされ、その時に得られるパラメータは
無視するように制御することができる。７８は微分器、
８０は吸光量演算部、８２は複雑度演算部である。ここ
で言う複雑度とは、検出信号のＡ／Ｄ変換されたデータ
の隣り合うデータの差分を、１個の粒子に対応する範囲
内で足し合わせた値（複雑量）を、さらに面積で割った
値である。複雑量として、隣り合うデータの差分を２乗
したものを、１個の粒子に対応する範囲内で足し合わせ
た値を用いることも可能である。信号処理装置４２で求
められた粒子個々の特徴パラメータデータはデータ解析
装置４４に送られ、２次元スキャッタグラムや１次元ヒ
ストグラム等が作成され、粒子分類等の解析が高精度で
行われる。

【００２４】

【発明の効果】本発明は、上記のように構成されてい
るので、つぎのような効果を奏する。（１）粒子の透過光像を得るための照射光学系に、光
学偏向手段を付加し、粒子の移動とともに照射光を移動
させている。このため、粒子の照射光に対する相対的な
移動速度を遅くすることができ、粒子の実際の移動速度
を高速にしても、同一粒子に対して複数の走査を行うこ
とができる。すなわち、単位時間当たりの粒子分析数を
多くすることができる。あるいは、粒子の移動速度はそ
のままにして、同一粒子に対する走査回数を多くするこ
とができる。すなわち、粒子の流れ方向の画像分解能を
向上させることができ、形態情報等の特徴パラメータを
より精度よく求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の粒子分析装置の一実施例を示す側面
説明図である。

【図２】図１における光軸側からフローセルを見た試
料液流部分の拡大図で、ラインセンサの検出エリアＢ１
及び照射光の照射エリアＡ１を示す図である。

【図３】図１における角度可変プリズムの初期状態を
示す説明図である。

【図４】図１における角度可変プリズムの偏向状態を
示す説明図である。

【図５】図１における照射光学系部分の初期状態を示
す拡大説明図である。

【図６】図１における照射光学糸部分の偏向状態を示
す説明図である。

【図７】細胞（粒子）スキャンニングの一例を示す説
明図である。

【図８】ラインセンサから走査ｉごとに出力される撮
像信号の一例を示す波形図である。

【図９】本発明の粒子分析装置の他の実施例を示す平
面説明図である。

【図１０】光検出器の信号Ｓ，粒子検出タイミング信
号Ｓｐ，角度制御信号Ｓａのタイミングチャートであ
る。

【図１１】信号処理装置の一例を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】１０光源１４光学偏向手段（角度可変プリズム、音響光学偏向
器又はガルバノミラー）１８フローセル１９試料液流２０粒子２４一次元イメージセンサ（ラインセンサ）２６信号処理手段（信号処理装置）２８制御手段（制御装置）３８第２の光源４２信号処理装置４４データ解析装置４６光検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フローセルのノズルから被検粒子を含む
試料液を吐出するとともに、試料液の周囲にシース液を
流すことによりシースフローを形成させ、その試料液流
に光を照射し、粒子からの光を検出し、その検出信号に
基づき粒子の分析を行う粒子分析装置において、一方向には幅が狭く他方向には幅が広い扁平な試料液流
（１９）を形成させるフローセル（１８）と、光源（１０）からの光を、試料液流の幅の広い方の面か
ら粒子の流れ方向には幅が狭く粒子の流れ方向と直交す
る方向には幅が広いスリット状の光として、試料液流
（１９）に照射するための照射光学系と、上記照射光を粒子の流れ方向に移動させる光学偏向手段
（１４）と、粒子の流れ方向と垂直な方向に多数の光受光素子が一列
に並んで設けられ、受光面の粒子の流れ方向の長さは粒
子径以上であり、その受光面上に粒子の透過光像が結像
されることにより粒子を横切って走査した撮像信号（Ｓ
ｉ）を走査（ｉ）ごとに出力する一次元イメージセンサ
（２４）と、この一次元イメージセンサ（２４）からの撮像信号（Ｓ
ｉ）に基づき、粒子を検出し粒子個々に各種の特徴パラ
メータを求める信号処理手段（２６）と、粒子検出タイミング信号（Ｓｐ）に基づき、光源（１
０）からの照射光を粒子の移動方向と同方向に粒子の移
動速度（Ｖ１）とは異なる速度（Ｖ２）で移動させると
ともに、照射光に対する粒子の相対的な移動速度（Ｖ１
−Ｖ２）を実際の粒子の移動速度（Ｖ１）より遅くする
ことにより、同一粒子に対する走査回数を多くするよう
に、光学偏向手段（１４）の動作を制御する制御手段
（２８）と、を備えたことを特徴とする粒子分析装置。
【請求項２】試料液流の幅の狭い面から、試料液流に
光を照射する第２の光源（３８）と、この第２の光源（３８）により粒子から発せられた散乱
光や蛍光等の光を検出する光検出器（４６）とを備え、制御手段（２８）が、光検出器（４６）の信号（Ｓ）に
より粒子を検出した粒子検出タイミング信号（Ｓｐ）に
基づき、第１の光源（１０）からの照射光を粒子の移動
方向と同方向に粒子の移動速度（Ｖ１）とは異なる速度
（Ｖ２）で移動させるように、光学偏向手段（１４）の
動作を制御するようにしたことを特徴とする請求項１記
載の粒子分析装置。
【請求項３】光学偏向手段（１４）が、２枚の透明板
の間に介在させた高屈折率の媒体の厚さを可変すること
により光を偏向させる、角度可変プリズムであることを
特徴とする請求項１又は２記載の粒子分析装置。
【請求項４】光学偏向手段（１４）が、音響光学偏向
器であることを特徴とする請求項１又は２記載の粒子分
析装置。
【請求項５】光学偏向手段（１４）が、ガルバノミラ
ーであることを特徴とする請求項１又は２記載の粒子分
析装置。