JP4714674B2 - 光補正要素を有した顕微鏡画像処理システム - Google Patents

Description

本発明は顕微鏡画像処理システムに関し、特に、顕微鏡解像性能にて１ｃｍ２以上の大きさの物体の画像を取得し、保存し、提供し、観察させるシステムに関する。

そのような画像システムの１適用法は病理分野であり、顕微鏡級解像性能で標準病理スライド全体の画像を取得することである。病理スライドは典型的には２ｃｍｘ４ｃｍであり、１μｍ程度の解像度にて診断目的に供される。従来の臨床病理環境では、顕微鏡スライドの組織サンプルは通常の顕微鏡を使用して病理学者によって観察される。サンプルを観察するとき、病理学者はサンプル全体の低倍率画像とサンプル選択部分の高倍率画像との間で反復的に切り替える。病理学者はそれら観測結果に基づいて診断を下す。続いて診断報告書が作成される（通常は画像を含まない）。スライドは長期保管用に記録され、必要に応じて将来の診断で活用される。

この処理方法にはいくつかの固有な欠点が含まれる。スライドを高低倍率で反復的に観察するプロセスは高度な技術と時間を必要とする。病理学者は見本への物理的なアクセスも必要とし、遠隔診断及び/又は別の病理学者の見解を求めることは困難である。加えて
、組織サンプルは時間の経過と共に劣化し、利用価値が低下する。

例えば顕微鏡に取り付けたカメラで顕微鏡画像を記録することは可能であるが、カメラは顕微鏡の瞬時的視界を記録するだけである。これは低倍率の広い画像であったり、一連の狭い範囲の高倍率画像であったりする。もしこれら画像が電子的に記録されたものであれば、第三者に提供可能である。しかし、第三者は供給された画像のみを観察でき、サンプルの他の部分を高倍率で観察するために選択することはできない。

この問題の１つの対処方法は、一連の高倍率部分画像を取得し、それら画像を継ぎ合わせてサンプル全体の画像を碁盤目状に構築することである。しかしこの方法にはいくつかの重大な欠点がある。１つは高倍率画像では歪みが不可避で正確な碁盤目継合が困難であることと、サンプルは２方向でのスキャン処理を必要とし、処理にはかなりの長時間を要することである。

国際特許公開ＷＯ０１/８４２０９で解説されている別対処方法は顕微鏡対物レンズを
有したラインスキャンカメラを使用し、サンプルを一連の帯体にスキャン処理し、それら画像帯体を１体の連続デジタル画像に変換することで全体的顕微鏡サンプル画像を構築するものである。帯体のそれぞれは比較的に狭いものであり、１．５ｍｍ以下の幅で、全サンプル画像の構築には１０から２０の画像帯体を要する。従って、スキャン処理プロセスは比較的に時間がかかり、画像帯体を組み合わせて最終的に１体化したデジタル画像とするには相当規模の画像処理機器を必要とする。

ＷＯ０１/８４２０９で解説されているプロセスは、もしサンプル全体が１枚の画像帯
体としてスキャン処理されるならば大きな改善が可能である。１本のラインに１００００画素以上のＣＣＤアレイを有した線状の検光器が利用できるので、理論的には約２０ｍｍの幅を有したサンプルの約１μｍの解像度でスキャン処理された画像を発生させることができる。しかし、そのような広い視野での顕微鏡解像度の達成は非常に困難である。なぜなら、高絞り光学機器を使用しなければならず、そのようなシステムの収差は画像領域の軸を外れると急速に増加するからである。

本発明の１目的は前述の問題点の少なくとも一部を軽減する顕微鏡画像処理システムの提供である。

本発明によれば、画像処理対象物体を受領する受領手段、線状の検光器、受領手段内の物体の画像を検光器に焦点処理する焦点手段、画像と検光器との間で検光器の軸に垂直な方向での相対移動を提供するスキャン処理手段、及び検光器に焦点処理された画像内の収差を減少させる光補正要素を含んだ顕微鏡画像処理システムが提供される。

線状の検光器を使用し、検光器の軸に垂直な方向で物体をスキャン処理すると、個別の検光器要素の数よりも大幅に多くの画素を有した物体全体の詳細な２次元画像を構築できる。非常に高価な２次元検光器システムの使用はこれで回避できる。さらに、画像内の収差を減少させるための補正要素の使用は非常に広い視野領域の顕微鏡画像を獲得させ、比較的に大きな物体を１回の操作で高解像度にてスキャン処理させる。

例えば、本発明を利用することで１回の操作によって約２ｃｍＸ４ｃｍで１ミクロンの解像度の１枚のサンプルスライドの画像を得ることが可能である。その画像は保存したり電子的に伝送することができ、普通のコンピュータを利用して画像の選択部分を異なる倍率で容易に観察できる。病理学関連の場合にはこのことは多くの利点を提供する。その利点には診断を容易に行うことができ、第三者の診断を入手することが容易であり、特殊専門能力を必要とせず、記録管理が改善されるという利点が含まれる。

補正要素の目的は画像処理装置の光学装置の残りの軸外収差の補償である。補正要素の形態と形状は関与する残留収差のタイプと大きさで決定される。一般的に、そのような収差はかなり複雑であり、１つの補正要素を利用するだけでは十分に補償することができないかも知れない。高絞り広視野画像化装置の場合には収差は視界の非点収差及び湾曲により支配されることが一般的である。この場合、補正要素を非点収差円筒レンズの形態で製造することができる。これで光学装置の軸からエッジにまで延びる狭い縞体の収差が補償される。この狭い縞体は線状の検光器の視野も充分にカバーする。

一般的に補正要素は屈折率ｎ＞１の厚板材料の場合と同様に幾何学用語で説明できる。これは２つの双錐面で挟まれる（すなわち、ｘ面とｙ面で錘形部分を形成する表面）。これら部分は一般的に異なる湾曲率と錘体定数を有する。実際にはそれら部分はパラボラ形状または円形に規制される。後者の場合には問題の表面は非点収差レンズに近く、２つの異なる湾曲率をｘとｙ方向に有していると解説できる。しかし、ここで解説する補正要素と単純非点収差レンズとの間の重要な相違は、この場合に倍率と非点収差の兆しが１つの座標に沿って（この場合にはｙ）変動できることである。これで両方のタンジェンシャル方向（ｘ面）とサジタル方向（ｙ面）の焦点の独立的で、線状の検光器の全視野に渡る軸位置の補正を可能にする。

従って、本発明の１好適実施例においては光補正要素は非点収差型である。有利には、サジタル方向とタンジェンシャル方向の光補正要素の光屈折力は関数Ｄｘ＝ｆ（ｙ）とＤｙ＝ｇ（ｙ）で定義される。ＤｘとＤｙはｘとｙ方向での要素の光屈折力であり、ｆ（ｙ）とｇ（ｙ）はｙの一般関数である。例えば、補正要素のｘ方向での光屈折力は式Ｄ _ｘ ＝−Ａｙ^２/（Ｂ−Ｃｙ ^２ ）であり、Ａ、Ｂ、Ｃは係数である。特に好適な実施例では、光補正要素の光屈折力は式Ｄｘ＝−０．４８６ｙ^２/（１０−０．００４８６ｙ ^２ ）で、Ｄ_ｙ＝０であり、ｙはｍｍ単位である。

補正要素の設計のさらなるバリエーションはその表面の１つを平面にすることである。１好適実施例ではこの補正要素はただ１つの湾曲面（ｈ＝Ｍｙ^２ｘ^２＋Ｎｙ^２：ｈは表面の光学機器（ｚ）軸方向の名目高、ＭとＮは湾曲係数）を有する。この式の第１項はタンジェンシャル方向の焦点の移動の導入に関与し、第２項はサジタル方向焦点を平坦化する。タンジェンシャル方向の焦点が充分に平坦であり、特に追加の補正が必要でないとき、第２項はゼロでよい。特に好適な実施例では、表面はｈ＝１０^−４ｙ^２ｘ^２で表される（ｍｍ単位）。

補正要素は焦点手段と検光器との間に設置できる。好適には検光器に隣接させる。あるいは、補正要素はサンプルに隣接させることもできる。

好適にはスキャン手段は受領手段を検光器に対して相対的に移動するように設計される。

検光器は一次元配列のＣＣＤアレイを含むことができ、少なくとも２０００画素の幅、好適には少なくとも１００００画素の幅の画像を得ることができるものである。

この装置は１回のスキャン操作で１ｃｍから４ｃｍ、好適には２ｃｍ程度の幅を有した物体の画像を捕獲できるものである。この装置は０．５から５．０ミクロン、好適には約１ミクロンの解像度の物体の画像を捕獲できるものである。

この顕微鏡画像処理装置は検光器で得られた複数のライン画像を組み合わせることで物体の２次元画像を発生させるデータ処理装置を含むことができる。そのデータ処理装置は少なくとも４ｘ１０６画素、好適には少なくとも４ｘ１０７画素、さらに好適には約４ｘ１０８画素のサイズの物体の画像を発生させることができるものである。

この顕微鏡画像処理装置は装置で捕獲された画像を観察する手段を含むことができ、画像の観察対象部分を選択して選択部分のスケールを制御する制御手段をも含むことができる。

図面を利用して本発明の１実施例を解説する。図１は本発明の１実施例による顕微鏡画像処理装置の主要部品を示すブロック図である。図２は顕微鏡画像処理装置の主要光学部品を示す側面図である。図３は図２のものに垂直な側面図であり、装置の主要光学部品を示す。図４は装置の主要光学部品の一部を示す斜視図である。図５は光補正要素の斜視図であり、その典型的な表面形状を示す。図６はスキャン処理された画像であり、全体組織断面と拡大倍率でのその一部とを示している。

この顕微鏡画像処理装置は図１で示すように光学部品と電気部品とを含んでいる。この光学装置はサンプルホルダー２を含んでいる。これは装置の利用に際して組織サンプル等の対象サンプル４を顕微鏡スライド上にて運搬させるものである。サンプルは４ｃｍ長で２ｃｍ幅が典型的である。サンプルホルダーはステージモータ６によってサンプルの長軸方向に前後可動な状態に搭載される。線状の光源８はサンプルホルダー２の下側に搭載され、その軸はサンプルの長軸に垂直に提供され、サンプルを照明する。

レンズ装置１０（例えば顕微鏡対物レンズ）はサンプル４の上方に搭載され、絞り１２と補正要素１４を介してサンプル画像は線状の検光器１６に焦点処理する。それは軸をサンプルの長軸に対して垂直に搭載される。例えば、検光器１６は一次元配列の電荷結合装置（ＣＣＤ）アレイを含むことができる。レンズ装置１０は焦点固定タイプであって焦点操作を不要とするものであっても、焦点制御モータ１８等による調整式であってもよい。焦点制御モータ１８とステージモータ６はデータプロセッサー２０に接続されて制御される。

線状の検光器１６もデータプロセッサー２０に接続される。データプロセッサーはメモリ２２とデータストア２４（例えばディスクドライブ）に接続され、コマンドと装置で捕獲された画像を保存する。データプロセッサー２０も入力装置２８（例えばキーボード及び/又はマウス）を有したコンピュータ２６に接続され、装置とモニター３０を制御して装置で捕獲した画像を観察させる。コンピュータは通常の方法でネットワーク、データリンクまたはインターネットに接続される。

この装置の光学部品のアレンジは図２、図３及び図４でさらに詳細に示される。図２はサンプルの長軸に垂直な方向の側面図であり、図３はその直角方向の側面図（サンプル長軸に平行）である。

サンプルホルダー２は従来のサンプルスライドを受領してレンズ装置１０（ここでは単レンズ）の焦点面にそれを設置するための搭載部３２を含んでいる。サンプルの画像は検光器１６の平面で創出される。固定焦点装置ではこれでレンズ装置の焦点に関する必要事項が調整される。しかし、焦点の微調整が必要な場合はサーボモータがこの目的で提供される。必要であれば、それは自動焦点装置で制御できる。サンプルホルダー２はサンプル長軸の方向で移動するように搭載される。サンプルホルダーの動きはステージモータ６で制御される。

光源８はサンプルホルダーの背後に搭載され、伝達された光線でサンプル４を照明する。光源８は長型であり、サンプルの長軸に垂直な方向でサンプル４の全幅を横断する。

レンズ装置１０は約４０ｍｍの焦点距離を有しており、サンプルから約３０ｍｍの位置に提供され、一次元配列のＣＣＤを含む検光器アレイ機器１６はレンズ後方約６０ｍｍの後焦点面に配置される。これで検光器の平面で２倍の倍率が提供される。このレンズ装置１０は比較的に高絞り、例えば０．２から０．５程度を有しており、広角で浅い深度の視野を提供する。

絞りストップ１２はレンズ１０の直後に搭載され、そのレンズで発生する光収差の一部を減少させる。

検出器１６は約４０ｍｍ幅であり、例えば２００００検光要素の単ラインを有した一次元配列のＣＣＤアレイで成る。レンズで提供された２倍の倍率で、装置は約１μｍの最大解像度を有する。あるいは線状の検光器１６は異なる波長の光に反応し、カラー画像を発生させる３セットの検光要素を含むことができる。これら３セットの検光要素は平行軸上に並べて搭載できる。検光器は必ずしも１次元的でなくも構わず、約６ミクロンの厚みを有した狭いものであっても１次元の線状の検光器として効果的に作用する。

非点収差光補正要素１４は検光器１６の前方数ミリのところに搭載される。補正要素１４はアレイ１６にかかる狭いライン画像のために視野の湾曲とレンズによる非点収差を排除するように設計されている。線状の検光器１６は１次元的であるため、補正要素１４の設計は検光器の軸に沿った収差の補正を最良化できる。

典型的な補正要素１４の表面形状は図５で示されている。３本の直交基準軸はｘ、ｙ、ｚで表されている。要素１４はｘ−ｙ面に提供されており、ｚ軸で表される装置の光軸に垂直である。ｘ軸とｙ軸はそれぞれ非点収差補正要素１４のタンジェンシャル方向及びサジタル方向を表す。

図示の表面において、画像化帯体の長軸はｙ方向に存在し、スキャン処理はｘ方向で実行される。この実施例で、表面は分析形態ｈ＝Ａｙ^２ｘ^２−Ｂｙ^２で表される。ｈはｚ軸方向の名目高であり、ＡとＢはそれぞれ２５と０．５である係数である。位置領域に応じて式の第２項であるＢｙ^２はサジタル方向の焦点（ｙ方向と平行）を補正し、第１項であるＡｙ^２ｘ^２はタンジェンシャル方向の焦点（ｘ方向と平行）を平坦化する。この式の形態と係数は装置の主画像化要素の特性に利用できる。

操作にはサンプルスライド４がサンプルホルダー２に配置され、必要であればレンズ１０の焦点が調整される。サンプル４はステージモータ６を起動させ、サンプル４を長軸方向に移動させることでスキャン処理される。同時に、一次元配列のＣＣＤアレイ１４で検出されたサンプル４の画像を一連のライン画像を記録することで捕獲する。典型的には、２ｃｍ幅で４ｃｍ長、４００００本のライン画像のサンプルが捕獲される。それぞれ２００００画素を含んでおり、両直交方向の最大解像度は１ミクロンである。

ライン画像は８ｘ１０８画素である１連続画像に組み合わせられる。これはコンピュータモニター３０で全体として、あるいはいくつかの異なる倍率の部分画像として観察できる。本発明で得られた、完全組織部分と、その一部の拡大部を含んだスキャン処理画像の例を図６で示す。この画像は保存でき、遠隔地で観察できるように電子的に送信できる。さらに、この画像は電子的に処理でき、通常は認識できない情報を観測可能にすることができ、電子的に分析することができる。

本発明の装置は１回のスキャン操作によって１ｃｍ以上の幅を有したサンプルを約１ミクロンの解像度で捕獲できる。このことは補正要素の提供によって可能であり、視野湾曲とレンズ装置の非常に広角な視野の非点収差を補正し、線状の検光器の利用により補正要素の設計を単純化させることができる。本発明の装置は比較的に安価であり、利用範囲が広い。本装置は自動化でき、画像の非熟練技術者によるスキャン処理を可能にしている。

非点収差補正要素１４は視野湾曲と線状の検光器１６に焦点されたライン画像の非点収差を最低とするように設計されている。一般的に、補正要素１４は少なくとも１つの非球形面を含み、ｘ方向とｙ方向での要素の光屈折力はＤ_ｘ＝Ｆ（ｙ）並びにＤ_ｙ＝Ｇ（ｙ）で定義される。Ｄ_ｘとＤ_ｙはそれぞれｘ方向とｙ方向での要素の屈折力であり、ｆ（ｙ）とｇ（ｙ）はｙの一般関数である。

しかし、この特徴は様々な形態で現れる。以下で説明する。

補正要素は平坦後面と湾曲前面を有する。光学補正要素の光屈折力は（式）Ｄ_ｘ＝−０．４８６ｙ^２/（１０−０．００４８６ｙ ^２ ）で、Ｄｙ＝０で定義される。

補正要素は４０ｍｍ（ｙ＝±２０ｍｍ）の長さと１０ｍｍ（ｘ＝±５ｍｍ）の幅を有する。ｙ方向での補正要素の光屈折力は要素の中央軸に沿って０（ｙ＝０）から要素の縁部（ｙ＝５ｍｍ）での−１．３８まで減少する。

この装置の様々な改良は可能である。例えば、サンプルを固定光学部品を越えて移動させる代わりにサンプルを固定させ、光学システム全体またはその一部を移動させることもできる。レンズ装置に屈折要素を使用したり、補正要素を使用する代わりに同様な反射要素（鏡等）を利用することもできる。線状の検光器は前述のＣＣＤアレイを含むことも他の適当な検光器を含むこともできる。この装置は固定焦点式であっても、焦点調整機構を含んでもよい。また、手動調整式でも自動調整式でもよい。あるいは、深度が延長された視野システムも採用できる。このシステムは可視波長、赤外波長あるいは紫外波長で作動するように設計できる。補正要素１４は１面で平面（要素の前面または後面）でも他の面で非平面でもよく、または両面が非平面でもよい。あるいは複数要素補正システムが利用できる。補正要素は検光器１６に隣接するのが好ましいが、サンプル面等に隣接させることもできる。

本装置は様々な利用法があり、画像化病理スライドにも利用できる。

本発明の１実施例による顕微鏡画像処理装置の主要部品を示すブロック図で ある。 顕微鏡画像処理装置の主要光学部品を示す側面図である。 図２のものに垂直な側面図であり、装置の主要光学部品を示す。 装置の主要光学部品の一部を示す斜視図である。 光補正要素の斜視図であり、その典型的な表面形状を示す。 スキャン処理された画像であり、全体組織断面と拡大倍率でのその一部とを 示している。

２ 受領手段
４ 画像処理対象物体
６ スキャン処理手段
１０ 焦点手段
１４ 光補正要素
１６ 線状の検光器

Claims (17)

1. 顕微鏡画像処理システムであって、本システムは、
   画像処理対象物体を受領する受領手段と、第１の方向ｙに延びるように配置された少なくとも２０００画素の一次元配列のアレイを備える線状の検光器と、前記受領手段内の物体の画像を前記検光器に焦点処理するための焦点手段と、画像と前記検光器との間で前記第１の方向ｙに実質的に垂直な第２の方向ｘに相対的運動を提供するためのスキャン処理手段と、前記検光器に焦点処理された画像の収差を減少させるための光補正要素とを含んでおり、
   前記光補正要素は非点収差型であり、タンジェンシャル方向での光補正要素の光屈折力Ｄ _ｘ は関数Ｄ _ｘ ＝−Ａｙ ^２ /（Ｂ−Ｃｙ ^２ ）で定義され、サジタル方向での光補正要素の光屈折力Ｄ _ｙ は関数Ｄ _ｙ ＝ｇ（ｙ）で定義され、Ａ，Ｂ及びＣは係数であり、ｇ（ｙ）はｙの一般関数であることを特徴とする顕微鏡画像処理システム。
2. 前記光補正要素の光屈折力は関数Ｄｘ＝−０．４８６ｙ^２/（１０−０．００４８６ｙ^２）で定義され、Ｄｙ＝０であることを特徴とする請求項１記載の顕微鏡画像処理システム。
3. 前記光補正要素は１平坦面と１湾曲面を含み、該湾曲面の形状は関数ｈ＝Ｍｙ^２ｘ^２＋Ｎｙ^２で定義され、ｈは表面の光学機器軸方向の名目高であり、ＭとＮは係数であることを特徴とする請求項１又は２に記載の顕微鏡画像処理システム。
4. 前記湾曲面の形状は関数ｈ＝１０−４ｙ^２ｘ^２で定義されることを特徴とする請求項３記載の顕微鏡画像処理システム。
5. 前記光補正要素は前記焦点手段と前記検光器との間に設置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の顕微鏡画像処理システム。
6. 前記光補正要素は前記検光器に隣接することを特徴とする請求項５記載の顕微鏡画像処理システム。
7. 前記光補正要素は前記焦点手段と前記受領手段との間に設置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の顕微鏡画像処理システム。
8. 前記光補正要素は前記受領手段に隣接することを特徴とする請求項７記載の顕微鏡画像処理システム。
9. 前記スキャン処理手段は検光器に対して相対的に受領手段を移動するように設計されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の顕微鏡画像処理システム。
10. 前記検光器は一次元配列のＣＣＤアレイを含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の顕微鏡画像処理システム。
11. 前記検光器は少なくとも１００００画素の幅の画像を得ることができることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の顕微鏡画像処理システム。
12. １回のスキャン処理操作で１ｃｍ幅から４ｃｍ幅、好適には略２ｃｍ幅の物体の画像を得ることができることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の顕微鏡画像処理システム。
13. ０．５から５．０ミクロン、好適には略１ミクロンの解像度の物体の画像を得ることができることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の顕微鏡画像処理システム。
14. 前記検光器によって得られる複数のライン画像を組み合わせることで物体の２次元画像を発生させるように設計されたデータ処理装置を含むことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の顕微鏡画像処理システム。
15. 前記データ処理装置は少なくとも４×１０^６画素、好適には４×１０^７画素、さらに好適には４×１０^８画素のサイズの物体の画像を発生させることができることを特徴とする請求項１４記載の顕微鏡画像処理システム。
16. 本システムによって得られた画像を観察する手段を含むことを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の顕微鏡画像処理システム。
17. 観察対象部分を選択し、該選択部分のスケールを制御する手段を含むことを特徴とする請求項１６記載の顕微鏡画像処理システム。
    

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