(57)【要約】【課題】装置を複雑にせず、かつ、細胞を含む培地の画像に基づいて培地の状態を正確に監視可能にする。【解決手段】培養容器３内の培養液および細胞が存在する特定領域に照明光を照射する照明光源１５と、照明光が照射された特定領域からの観察光を撮影することによって特定領域の画像を取得する２次元撮像素子２７と、２次元撮像素子２７によって取得された特定領域の画像を細胞の画素と背景の画素とに分け、背景の画素を代表する代表画素値を算出する画像解析部１０と、２次元撮像素子２７によって特定領域の画像を所定のタイミングで繰り返し取得するとともに、取得された特定領域の画像ごとに画像解析部によって背景の画素の代表画素値を算出し、算出した代表画素値の経時変化に基づいて培養液の状態を判定する制御部９とを備える培地モニタリング装置１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の培地および細胞が存在する特定領域に照明光を照射する照明部と、
前記照明光が照射された前記特定領域からの観察光を撮影することによって前記特定領域の画像を取得する撮像部と、
該撮像部によって取得された前記特定領域の画像を前記細胞の画素と背景の画素とに分け、該背景の画素を代表する代表画素値を算出する画像解析部と、
前記撮像部によって前記特定領域の画像を所定のタイミングで繰り返し取得するとともに、取得された前記特定領域の画像ごとに前記画像解析部によって前記代表画素値を算出し、算出した前記代表画素値の経時変化に基づいて前記培地の状態を判定する制御部とを備える培地モニタリング装置。
【請求項２】
複数の微小な反射要素が配列されたアレイを有し、前記照明部との間に前記容器を挟んで配置され、前記容器内の前記特定領域を透過した前記照明光を反射する再帰性反射部材を備え、
前記撮像部が、前記再帰性反射部材によって反射された前記照明光が再度照射された前記特定領域の画像を取得する請求項１に記載の培地モニタリング装置。
【請求項３】
前記照明部が、前記撮像部の光軸に対して傾いた方向から前記特定領域を偏斜照明する偏斜照明光学系を備える請求項２に記載の培地モニタリング装置。
【請求項４】
前記照明部および前記撮像部が、前記特定領域の位相差画像を生成する位相差光学系を備える請求項２に記載の培地モニタリング装置。
【請求項５】
光を透過可能な透明部を有し、前記照明部および前記撮像部を収容する筐体を備え、
前記容器内の前記培地に前記筐体を挿入した状態で、前記照明部によって前記透明部を経由させて前記特定領域に前記照明光を照射するとともに、前記撮像部によって前記透明部を通して前記特定領域の画像を取得する請求項１に記載の培地モニタリング装置。
【請求項６】
前記照明部から前記透明部を経由して前記筐体の外部に射出された前記照明光を前記撮像部に向けて反射することによって前記特定領域を偏斜照明する反射部材を備える請求項５に記載の培地モニタリング装置。
【請求項７】
前記筐体の周囲を覆う筒状の保護チューブを備え、
該保護チューブの先端に前記反射部材が設けられている請求項６に記載の培地モニタリング装置。
【請求項８】
使用者に情報を通知する通知部を備え、
前記制御部が、前記通知部によって培地交換のタイミングを前記使用者に通知する請求項１から請求項７のいずれかに記載の培地モニタリング装置。
【請求項９】
前記容器に前記培地を供給する培地供給部と、
前記容器から前記培地を排出する培地排出部とを備え、
前記制御部が、培地交換のタイミングになったと判定した場合に、前記培地排出部によって前記容器から前記培地の一部を排出し、かつ、前記培地供給部によって前記容器に新たな前記培地を供給する請求項１から請求項８のいずれかに記載の培地モニタリング装置。
【請求項１０】
前記照明部が、単一の波長の前記照明光を発する単色光源を備える請求項１から請求項９のいずれかに記載の培地モニタリング装置。
【請求項１１】
前記単色光源が、白色光源と、該白色光源から発せられた光から単一の波長のみを抽出するバンドパスフィルタとを備える請求項１０に記載の培地モニタリング装置。
【請求項１２】
前記単色光源がＬＥＤ光源である請求項１０に記載の培地モニタリング装置。
【請求項１３】
前記照明部が、前記照明光として波長が異なる複数の単色光を発する単色光源を備え、
前記制御部が、前記特定領域に照射された前記単色光の波長ごとに前記撮像部によって取得される各前記特定領域の画像における前記背景の画素の前記代表画素値の経時変化に基づいて前記培地の状態を判定する請求項１から請求項９のいずれかに記載の培地モニタリング装置。
【請求項１４】
前記単色光源が、白色光源と、該白色光源から発せられる光の光路上に挿脱可能に設けられ、前記白色光源からの光から互いに異なる単一の波長のみを抽出する複数のバンドパスフィルタとを備える請求項１３に記載の培地モニタリング装置。
【請求項１５】
前記単色光源が、波長が異なる複数のＬＥＤ光源である請求項１３に記載の培地モニタリング装置。
【請求項１６】
前記照明部が白色光源を備え、
前記撮像部がカラーＣＣＤを備え、
前記制御部が、前記カラーＣＣＤによって取得された前記特定領域の画像における前記背景の画素から求められる前記培地の色相とｐＨとの関係に基づいて、前記培地の状態を判定する請求項１から請求項９のいずれかに記載の培地モニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、培地モニタリング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ｉＰＳ細胞（人工多能性幹細胞）をはじめとする培養細胞を使用した再生医療分野において、培養のスケールアップが望まれている。細胞の培養方法には、フラスコおよびシャーレ等の小型の容器内において細胞を培養する接着培養と、バイオリアクタ等の大型の容器内において培地を撹拌することによって培地中に細胞を浮遊させた状態で培養する浮遊培養がある。
【０００３】
細胞を大量に培養するには、培養効率が細胞の接着面積に左右されない浮遊培養の方が接着培養よりも優位であることから、接着培養に代わって浮遊培養が採用されつつある（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の技術は、容器内の浮遊細胞の培養状況を把握するために、容器内の細胞の画像を取得している。
【０００４】
細胞の培養においては、細胞を長期にわたって培養すると培地が劣化してしまう。そのため、培地の劣化度を定期的に確認し、培地の劣化が進行した場合は培地交換を行う必要がある（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２に記載の技術は、細胞を培養中の培地の光学的な透過率を定期的に測定することによって、培地の状態を判定し、培地交換のタイミングを特定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−１４０００６号公報
【特許文献２】国際公開第２０１７／１０４６９６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に記載の吸光度測定系を特許文献１に記載のバイオリアクタに適用しようとすると、培地中の細胞の画像を取得する光学系および培地の透過率の変化を測定する光学系の両方を別々に装置に組み込む必要があり、装置が複雑になるという問題がある。
【０００７】
また、培地の透過率を測定する光学系を細胞の画像を取得する光学系によって代用することも考えられるが、画像を取得する領域、すなわち撮像領域における培地中に細胞が存在すると、細胞による照明光の散乱および吸収の影響を大きく受けることになる。培地を撹拌することによって細胞は培地中にランダムに浮遊しているので、培地中における細胞が存在しない領域を特定するのは困難である。取得した画像の輝度変化が培地の劣化によるものなのか細胞による照明光の散乱によるものなのかを区別することができず、培地の状態を正確に監視することができないという問題がある。
【０００８】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、装置を複雑にせず、かつ、培地の状態を正確に監視可能な培地モニタリング装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、容器内の培地および細胞が存在する特定領域に照明光を照射する照明部と、前記照明光が照射された前記特定領域からの観察光を撮影することによって前記特定領域の画像を取得する撮像部と、該撮像部によって取得された前記特定領域の画像を前記細胞の画素と背景の画素とに分け、該背景の画素を代表する代表画素値を算出する画像解析部と、前記撮像部によって前記特定領域の画像を所定のタイミングで繰り返し取得するとともに、取得された前記特定領域の画像ごとに前記画像解析部によって前記代表画素値を算出し、算出した前記代表画素値の経時変化に基づいて前記培地の状態を判定する制御部とを備える培地モニタリング装置である。
【００１０】
本態様によれば、照明部によって容器内の培地および細胞が存在する特定領域に照明光が照射されると、その特定領域からの観察光に基づいて撮像部によって容器内の特定領域の画像が取得され、取得された特定領域の画像から細胞の画素を含まない背景の画素の代表画素値が画像解析部によって算出される。そして、制御部により、撮像部によって所定のタイミングで繰り返し取得される容器内の特定領域の各画像から画像解析部によってそれぞれ算出される背景の画素の代表画素値の経時変化に基づいて、容器内の培地の状態が判定される。
【００１１】
この場合において、培地中における細胞が存在する領域は時間とともに変化するものの、容器内の特定領域の画像から抽出される細胞の画素を含まない背景の画素のみの経時変化を監視することによって、細胞による照明光の散乱の影響を受けずに培地の状態を判定することができる。また、細胞を観察する撮像部を用いて、培地の状態を監視することによって、培地の状態を監視するための光学系を別途設けなくて済み、装置を簡素化することができる。したがって、装置を複雑にせず、かつ、容器内の特定領域の画像に基づいて培地の状態を正確に監視することができる。
【００１２】
上記態様に係る培地モニタリング装置は、複数の微小な反射要素が配列されたアレイを有し前記照明部との間に前記容器を挟んで配置され前記容器内の前記特定領域を透過した前記照明光を反射する再帰性反射部材を備え、前記撮像部が、前記再帰性反射部材によって反射された前記照明光が再度照射された前記特定領域の画像を取得することとしてもよい。
【００１３】
再帰性反射部材は、複数の微小な反射要素が配列されたアレイによって構成されていることにより、入射した照明光を入射方向と全く同一の方向に反射する。すなわち、容器の材質、形状、大きさ等に関わらず、容器内の特定領域を透過した照明光を再帰性反射部材によって入射光路と同一の光路を通って容器内の特定領域に再度照射し、撮像部によってその特定領域の画像を確実に取得することができる。したがって、制御部によって判定される培地の状態に基づいて、多種多様な培養容器でも培地を安定して監視することができる。
【００１４】
上記態様に係る培地モニタリング装置は、前記照明部が、前記撮像部の光軸に対して傾いた方向から前記特定領域を偏斜照明する偏斜照明光学系を備えることとしてもよい。
偏斜照明光学系によって、無色透明の細胞に対して立体感がある画像を用いて培地の状態を監視することができる。
【００１５】
上記態様に係る培地モニタリング装置は、前記照明部および前記撮像部が、前記特定領域の位相差画像を生成する位相差光学系を備えることとしてもよい。
位相差光学系によって、培地中の細胞の高解像でコントラストが高い画像を用いて培地の状態を監視することができる。
【００１６】
上記態様に係る培地モニタリング装置は、光を透過可能な透明部を有し、前記照明部および前記撮像部を収容する筐体を備え、前記容器内の前記培地に前記筐体を挿入した状態で、前記照明部によって前記透明部を経由させて前記特定領域に前記照明光を照射するとともに、前記撮像部によって前記透明部を通して前記特定領域の画像を取得することとしてもよい。
【００１７】
この構成によって、容器内の培地に筐体を挿入した状態で特定領域の画像を取得するので、使用する容器の形状や大きさ、材質等の制限を殆ど受けずに済む。したがって、多種多様な容器に適応できる。
【００１８】
上記態様に係る培地モニタリング装置は、前記照明部から前記透明部を経由して前記筐体の外部に射出された前記照明光を前記撮像部に向けて反射することによって前記特定領域を偏斜照明する反射部材を備えることとしてもよい。
この構成によって、容器内で照明光が照射される範囲を筐体の透明部と反射部材との間の空間に制限し、筐体の透明部と反射部材との間の空間に侵入した細胞を撮影することができる。
【００１９】
上記態様に係る培地モニタリング装置は、前記筐体の周囲を覆う筒状の保護チューブを備え、該保護チューブの先端に前記反射部材が設けられていることとしてもよい。
保護チューブによって、筐体と筐体内の照明部および撮像部とを安全に保護した状態で、これら筐体、照明部および撮像部を容器内で作動させることができる。
【００２０】
上記態様に係る培地モニタリング装置は、使用者に情報を通知する通知部を備え、前記制御部が、前記通知部によって培地交換のタイミングを前記使用者に通知することとしてもよい。
容器の材質、形状、大きさ等に関わらず、制御部によって培地の状態が正確に判定されるので、その制御部から通知部を経由して使用者に適切なタイミングで培地交換を促すことができる。
【００２１】
上記態様に係る培地モニタリング装置は、前記容器に前記培地を供給する培地供給部と、前記容器から前記培地を排出する培地排出部とを備え、前記制御部が、培地交換のタイミングになったと判定した場合に、前記培地排出部によって前記容器から前記培地の一部を排出し、かつ、前記培地供給部によって前記容器に新たな前記培地を供給することとしてもよい。
【００２２】
培地排出部によって容器内の培地の一部を排出させる一方、培地供給部によって容器に新たな培地を供給することにより、容器内の培地を交換することができる。また、画像解析部によって算出される背景の画素の代表画素値の経時変化に基づき、制御部によって容器内の培地が劣化したか否か、すなわち、培地交換のタイミングか否かが分かる。したがって、制御部によって、背景の画素の代表画素値の経時変化に基づいて培地供給部および培地排出部を制御することにより、使用者の手間をかけずに正確なタイミングで培地交換を行うことができる。
【００２３】
上記態様に係る培地モニタリング装置は、前記照明部が、単一の波長の前記照明光を発する単色光源を備えることとしてもよい。
この場合、前記単色光源が、白色光源と、該白色光源から発せられた光から単一の波長のみを抽出するバンドパスフィルタとを備えることとしてもよいし、前記単色光源がＬＥＤ光源であってもよい。
【００２４】
上記態様に係る培地モニタリング装置は、前記照明部が、前記照明光として波長が異なる複数の単色光を発する単色光源を備え、前記制御部が、前記特定領域に照射された前記単色光の波長ごとに前記撮像部によって取得される各前記特定領域の画像における前記背景の画素の前記代表画素値の経時変化に基づいて前記培地の状態を判定することとしてもよい。
この構成によって、単色光の波長ごとに得られる特定領域の各画像における背景の画素の代表画素値の経時変化に基づき、培地の状態の判定精度を向上することができる。
【００２５】
上記態様に係る培地モニタリング装置は、前記単色光源が、白色光源と、該白色光源から発せられる光の光路上に挿脱可能に設けられ、前記白色光源からの光から互いに異なる単一の波長のみを抽出する複数のバンドパスフィルタとを備えることとしてもよい。
この構成によって、バンドパスフィルタを交換するだけで所望の波長の光を特定領域に照射することができ、装置の汎用性および作業者による操作性を向上することができる。
【００２６】
上記態様に係る培地モニタリング装置は、前記単色光源が、波長が異なる複数のＬＥＤ光源であってもよい。
この構成によって、点灯させるＬＥＤを切り替えるだけの簡易な操作で済み、照明光の光路に配置するバンドパスフィルタを切り替える等の手間を不要にすることができる。
【００２７】
上記態様に係る培地モニタリング装置は、前記照明部が白色光源を備え、前記撮像部がカラーＣＣＤを備え、前記制御部が、前記カラーＣＣＤによって取得された前記特定領域の画像における前記背景の画素から求められる前記培地の色相とｐＨとの関係に基づいて、前記培地の状態を判定することとしてもよい。
この構成によって、培地の色情報から培地のｐＨを求めることにより、培地の状態をより正確に判定することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、装置を複雑にせず、かつ、培地の状態を正確に監視することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る培地モニタリング装置を上方から見た概略構成図である。
【図２】図１の培地モニタリング装置の構成を説明する概略構成図である。
【図３】図１の光学測定ユニットの構成を説明する概略構成図である。
【図４】本発明の第１実施形態の変形例に係る培地モニタリング装置を上方から見た概略構成図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る培地モニタリング装置を上方から見た概略構成図である。
【図６】図５の培地モニタリング装置の構成を説明する概略構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態の変形例に係る培地モニタリング装置の構成を説明する概略構成図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る培地モニタリング装置を上方から見た概略構成図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る培地モニタリング装置と培養容器の概略構成図である。
【図１０】図９の培地モニタリング装置を構成する筐体と保護チューブとを分離させた状態の縦断面図である。
【図１１】図９の培地モニタリング装置を構成する筐体に保護チューブを装着した状態の縦断面図である。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る培地モニタリング装置の縦断面図である。
【図１３】図１２の培地モニタリング装置と培養容器を構成する筐体と保護カバーの縦断面図である。
【図１４】図１３の培地モニタリング装置の構成を説明する概略断面図である。
【図１５】図１４のモニタリング装置によって取得される上側画像および下側画像の一例とこれら上側画像および下側画像を重ね合わせた状態の一例を示す図である。
【図１６】各実施形態の第２変形例に係る光学測定ユニットの概略構成図である。
【図１７】各実施形態の第３変形例に係る光学測定ユニットの概略構成図である。
【図１８】各実施形態の第４変形例に係る光学測定ユニットの概略構成図である。
【図１９】各実施形態の第５変形例に係る光学測定ユニットの概略構成図である。
【図２０】各実施形態の第６変形例に係る光学測定ユニットの概略構成図である。
【図２１】各実施形態の第７変形例に係る正方形の色空間（RGB）と円柱形の色空間（HSL）の一例を示す図である。
【図２２】各実施形態の第７変形例に係る色相角とｐＨの関係を示すテーブルの一例を示す図である。
【図２３】各実施形態の第７変形例に係る３板式のカラーＣＣＤの一例を示す概略構成図である。
【図２４】各実施形態の第７変形例に係る単板式のカラーＣＣＤの一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る培地モニタリング装置について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る培地モニタリング装置１は、例えば、図１〜図３に示すように、培養容器（容器）３内に細胞Ｓとともに収容されている培養液（培地）Ｗを撹拌する撹拌機５と、培養容器３内の培養液Ｗおよび細胞Ｓが存在する特定領域Ｒ（図３参照）の画像を取得する光学測定ユニット７と、撹拌機５および光学測定ユニット７を制御したり、培養液Ｗの状態を判定したりする制御部９と、各種情報を表示する表示部１１と、使用者に情報を通知するスマートフォン等の警告発信部（通知部）１３とを備えている。
【００３１】
培養容器３は、例えば、細胞Ｓを浮遊培養するバイオリアクタ等の容器である。この培養容器３は、上面３ａが閉塞された有底円筒状の容器である。また、培養容器３は、光学的に透明な材質によって形成されており、光学測定ユニット７による照明光を透過させることができる。培養液Ｗには、ｐＨ指示薬のフェノールレッド等が添加されている。
【００３２】
撹拌機５は、培養容器３の上面３ａを経由して培養容器３内に挿入される撹拌棒５ａと、撹拌棒５ａに設けられた複数の撹拌羽５ｂと、撹拌棒５ａを長手軸回りに回転させるモータ５ｃとを備えている。
【００３３】
光学測定ユニット７は、図３に示すように、照明光を発生する照明光源（照明部）１５と、照明光源１５から発せられた照明光を集光する集光レンズ（照明部）１７と、集光レンズ１７によって集光された照明光を培養容器３内の培養液Ｗおよび細胞Ｓが存在する特定領域Ｒに照射する対物レンズ（照明部）１９と、培養容器３内の特定領域Ｒを透過した照明光を照明光源１５に向けて戻す再帰性反射部材２１と、再帰性反射部材２１によって戻された照明光の経路を分岐するハーフミラー２３と、ハーフミラー２３によって分岐された照明光を結像させる結像光学系２５と、結像光学系２５によって結ばれた像を撮影する２次元撮像素子（撮像部）２７とを備えている。特定領域Ｒは、対物レンズ１９の焦点面、つまり撮像領域に相当する。
【００３４】
照明光源１５は、照明光として、例えば５６０ｎｍの単色光を発生するＬＥＤ（Light  Emitting  Diode）である。この照明光源１５は、培養容器３の外側から培養容器３内の特定領域Ｒに向けて照明光を照射する。
【００３５】
対物レンズ１９は、照明光源１５からの照明光を培養容器３内の特定領域Ｒに集光させる一方、再帰性反射部材２１によって培養容器３内の特定領域Ｒを再度透過して戻る照明光を集光させる。
【００３６】
再帰性反射部材２１は、培養容器３の外部において、対物レンズ１９に対して培養容器３を深さ方向に交差する方向に挟んだ状態で、照明光源１５、集光レンズ１７および対物レンズ１９に略対向して配置されている。これら照明光源１５、集光レンズ１７および対物レンズ１９と再帰性反射部材２１は、培養容器３内を進む照明光が撹拌機５の撹拌棒５ａおよび撹拌羽５ｂと干渉しない位置に配されている。
【００３７】
再帰性反射部材２１は、例えば、図１および図３に示すように、面Ｐに沿って多数の微小な反射要素２１ａが配列されたアレイを有している。面Ｐは、培養容器３を透過した照明光の光軸に交差する面である。面Ｐは、平面および曲面のいずれであってもよい。面Ｐは、例えば、図１に示されるように一定の曲率を有し一方向に湾曲する曲面であってもよいし、複数方向に湾曲する曲面であってもよい。
【００３８】
反射要素２１ａは、例えば、プリズムまたは球状のガラスビーズである。反射要素２１ａに入射した照明光は、入射時とは逆向きに反射されることによって反射要素２１ａから射出される。反射要素２１ａは微小であるので、入射時と射出時との間で照明光の経路のシフトはほとんど生じない。したがって、再帰性反射部材２１によって反射された照明光は、再帰性反射部材２１に入射する照明光の経路と同一の経路に沿って戻る。すなわち、培養容器３の内部と再帰性反射部材２１との間で照明光は同一経路を往復する。
【００３９】
再帰性反射部材２１を配置する位置および角度は任意に設定することができる。再帰性反射部材２１は、例えば図示しないスタンドまたは壁等に貼り付けることとしてもよいし、培養容器３の側面に貼り付けることとしてもよい。再帰性反射部材２１の設置位置および設置角度は、照明光源１５から培養容器３を透過してきた照明光を受けることができる位置、距離および角度であればよい。
【００４０】
ハーフミラー２３は、対物レンズ１９と２次元撮像素子２７との間の光路上に配置されている。このハーフミラー２３は、照明光源１５からの照明光を反射することによって対物レンズ１９に入射させる一方、再帰性反射部材２１から対物レンズ１９を経由して光路を戻る照明光を２次元撮像素子２７に向けて透過させる。
【００４１】
２次元撮像素子２７は、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサである。この２次元撮像素子２７は、結像光学系２５によって結ばれた像を撮影することによって、培養容器３内の特定領域Ｒの画像を取得する。
【００４２】
制御部９は、例えば、ＰＣ（Personal  Computer）である。この制御部９は、例えば、インタフェース回路と、ハードディスクドライブ等の記憶部と、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）と、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）とを備えている（いずれも図示略。）。また、制御部９は、図１に示すように、２次元撮像素子２７によって取得された画像を解析する画像解析部１０を備えている。
【００４３】
記憶部には、ＣＰＵが実行する各種プログラムが記憶されている。
ＣＰＵは、記憶部に記憶されている各種プログラムを読み込み、以下の機能を実行する。すなわち、制御部９は、照明光源１５の点灯、撹拌機５のモータ５ｃの駆動、画像解析部１０による画像解析、２次元撮像素子２７による画像の取得および取得した画像の保存、表示部１１による画像の表示、および、表示部１１または警告発信部１３による使用者への通知等を制御する。
【００４４】
画像解析部１０は、２次元撮像素子２７によって取得された培養容器３内の特定領域Ｒの画像を解析することにより、画素ごとに細胞Ｓの領域と背景の領域とに分類する。例えば、画像解析部１０は、明暗の変化が顕著に表れる細胞Ｓの輪郭を抽出し、抽出した輪郭の内側を細胞Ｓに分類する一方、抽出した輪郭の外側を背景に分類する。また、背景の画素は周波数が低いことから、画像解析部１０は、画素の分類に周波数回析を併用してもよい。
【００４５】
また、画像解析部１０は、背景の領域に分類した画素を代表する代表画素値を算出する。例えば、画像解析部１０は、背景の画素の代表画素値として、背景に分類された画素の平均輝度値または中間輝度値を求める。以下、背景の領域に分類された画素を背景画素ともいう。
【００４６】
また、制御部９は、所定の時間間隔で、照明光源１５から培養容器３内の特定領域Ｒに照明光を照射させるとともに、特定領域Ｒを透過した照明光を２次元撮像素子２７によって撮影させることにより、特定領域Ｒの画像を所定のタイミングで繰り返し取得させる。そして、制御部９は、取得された特定領域Ｒの画像ごとに画像解析部１０によって背景画素の代表画素値を算出させ、算出した代表画素値の経時変化に基づいて、培養容器３内の培養液Ｗの状態を判定する。
【００４７】
また、制御部９は、細胞Ｓの培養を開始する前に特定領域Ｒを透過させた照明光の画像における背景画素の初期の代表画素値を記憶している。この制御部９は、細胞Ｓの培養中に取得された特定領域Ｒの画像における背景画素の代表画素値を初期の代表画素値と比較する。そして、制御部９は、背景画素の代表画素値が初期の代表画素値よりも所定量以上低下した場合に、培地交換のタイミングであることを表示部１１または警告発信部１３によって使用者に通知する。
【００４８】
次に、本実施形態の培地モニタリング装置１の作用について説明する。
上記構成の培地モニタリング装置１によって細胞Ｓを培養しながら培養液Ｗの状態を監視する場合は、まず、制御部９によって撹拌機５が駆動されることにより、培養容器３内の培養液Ｗが撹拌される。これにより、培養液Ｗ中において細胞Ｓが浮遊しながら培養される。
【００４９】
次いで、制御部９によって、所定の時間間隔で照明光源１５が点灯されることによって、照明光源１５から発せられた５６０ｎｍの照明光が、集光レンズ１７、ハーフミラー２３および対物レンズ１９を経由して培養容器３内の特定領域Ｒに照射される。特定領域Ｒを透過した照明光は、再帰性反射部材２１によって反射され、再帰性反射部材２１への入射経路と同一の経路を通って培養容器３に向かって戻る。
【００５０】
そして、照明光は、培養容器３内の特定領域Ｒを再度透過した後、対物レンズ１９、ハーフミラー２３および結像光学系２５を経由して２次元撮像素子２７によって撮影される。これにより、２次元撮像素子２７によって、特定領域Ｒのタイムラプス画像が繰り返し取得される。２次元撮像素子２７によって取得された特定領域のタイムラプス画像は、制御部９によって保存される。
【００５１】
次いで、制御部９によって画像解析部１０が制御されることにより、所定の時間間隔で取得された培養容器３内の特定領域Ｒの各画像からそれぞれ背景画素が抽出され、抽出された背景画素の代表画素値（輝度値）が算出される。そして、制御部９により、画像解析部１０によって算出された画像ごとの背景画素の代表画素値の経時変化が監視される。
【００５２】
背景画素の代表画素値が初期の代表画素値よりも所定量以上低下すると、制御部９によって表示部１１または警告発信部１３が制御され、培地交換のタイミングであることが表示部１１または警告発信部１３よって使用者に通知される。
【００５３】
この場合において、培養液Ｗ中における細胞Ｓが存在する領域は時々刻々と変化するものの、培養容器３内の特定領域Ｒの画像から抽出される細胞Ｓの画素を含まない背景画素のみの経時変化を監視することによって、細胞Ｓによる照明光の散乱の影響を受けずに培養液Ｗの状態を判定することができる。
【００５４】
また、細胞Ｓの画像取得用の光学系、すなわち、対物レンズ１９、結像光学系２５および２次元撮像素子２７を用いて培養液Ｗの状態を監視することによって、背景画素の経時変化を測定するための光学系を別途設けなくて済み、装置を簡素化することができる。したがって、装置を複雑にせず、かつ、培養容器３内の特定領域Ｒの画像に基づいて培養液Ｗの状態を正確に監視することができる。
【００５５】
また、培養容器３内の特定領域Ｒを透過した照明光が再帰性反射部材２１によって入射光路と同一の光路を通って培養容器３内の特定領域Ｒに再度照射されることにより、培養容器３の材質、形状、大きさ等に関わらず、その特定領域Ｒの画像を２次元撮像素子２７によって確実に取得することができる。したがって、制御部９によって判定される培養液Ｗの状態に基づいて、多種多様な培養容器３でも培養液Ｗを安定して監視することができる。
【００５６】
本実施形態は以下の構成に変形することができる。
例えば、図４に示すように、再帰性反射部材２１が配置される位置に、照明光源１５および集光レンズ１７からなる偏斜照明光学系２９を配置することとしてもよい。
【００５７】
この場合、偏斜照明光学系２９の照明光源１５から発せられた照明光は、集光レンズ１７を経由して培養容器３内の特定領域Ｒに偏斜照明される。そして、特定領域Ｒを透過した照明光は、対物レンズ１９によって集光された後、結像光学系２５によって結像されて２次元撮像素子２７によって撮影される。
【００５８】
本変形例によれば、培養容器３内の特定領域Ｒを透過した照明光がハーフミラー２３および再帰性反射部材２１を通らず、かつ、その照明光が対物レンズ１９を通過するのは１回なので、照明光の利用効率を向上することができる。
【００５９】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る培地モニタリング装置について説明する。
本実施形態に係る培地モニタリング装置３１は、例えば、図５および図６に示すように、培養容器３に培養液Ｗを供給する培地供給部３３と、培養容器３から培養液Ｗを排出する培地排出部４１とを備え、制御部９が培地供給部３３および培地排出部４１を制御する点で第１実施形態と異なる。
以下、第１実施形態に係る培地モニタリング装置１と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。
【００６０】
培地供給部３３は、図６に示すように、新しい培養液Ｗを保持している培地供給タンク３５と、培地供給タンク３５から培養容器３へ培養液Ｗを送るための流路を形成する培地供給管３７と、培地供給タンク３５内の培養液Ｗを培地供給管３７を経由させて培養容器３に送る培地供給ポンプ３９とを備えている。
【００６１】
培地供給管３７は、培養容器３内において、照明光の経路を妨げず、かつ、撹拌羽５ｂと干渉しない位置に挿入されている。また、培地供給管３７は、培養液Ｗを供給する供給口３７ａが、例えば、培養容器３内に収容されている培養液Ｗの液面付近に配置されていることが好ましい。
【００６２】
培地排出部４１は、培養容器３から排出された培養液Ｗを回収する培地排出タンク４３と、培養容器３から培地排出タンク４３へ培養液Ｗを送るための流路を形成する培地排出管４５と、培養容器３内の培養液Ｗを培地排出管４５を経由させて培地排出タンク４３に送る培地排出ポンプ４７とを備えている。
【００６３】
培地排出管４５は、培養容器３内において、照明光の経路を妨げず、かつ、撹拌羽５ｂと干渉しない位置に挿入されている。また、培地排出管４５は、培養液Ｗを吸い出す吸出口４５ａが、例えば、培養容器３内に収容されている培養液Ｗの深さの中間付近に配置されていることが好ましい。
【００６４】
培地排出ポンプ４７は、例えば、培養液Ｗの撹拌を停止、または、撹拌速度を落とすことにより、重力によって浮遊細胞Ｓが培養容器３の下方に移動した状態で、培養液Ｗ中の細胞Ｓを吸い出さない程度の速度で、培養容器３内の培養液Ｗを排出することができる。
【００６５】
制御部９は、培地供給ポンプ３９の駆動を制御することによって、培地供給タンク３５から培養容器３への培養液Ｗの供給のＯＮ／ＯＦＦを切り換える。また、制御部９は、培地排出ポンプ４７の駆動を制御することによって、培養容器３から培地排出タンク４３への培養液Ｗの排出のＯＮ／ＯＦＦを切り換える。
【００６６】
また、制御部９は、画像解析部１０によって算出される背景画素の代表画素値が初期の代表画素値よりも所定量以上低下した場合に、まず、撹拌機５のモータ５ｃの駆動を停止することによって、培養液Ｗの撹拌を停止する。そして、制御部９は、培地排出ポンプ４７を駆動することよって培養容器３から培養液Ｗの一部を培地排出管４５を経由させて培地排出タンク４３へ排出し、さらに、培地供給ポンプ３９を駆動することによって培地供給タンク３５から培地供給管３７を経由させて培養容器３に新たな培養液Ｗを供給する。
【００６７】
次に、本実施形態の培地モニタリング装置３１の作用について説明する。
上記構成の培地モニタリング装置３１によって細胞Ｓを培養しながら培養液Ｗの状態を監視する場合は、第１実施形態と同様に、制御部９によって光学測定ユニット７が制御されることにより、所定の時間間隔で、培養容器３内の特定領域Ｒの画像が繰り返し取得され、特定領域Ｒの各画像における背景画素の代表画素値の経時変化に基づいて培養液Ｗの状態が判定される。
【００６８】
画像解析部１０によって算出される培養容器３内の特定領域Ｒの画像における背景画素の代表画素値が初期の代表画素値よりも所定量以上低下すると、制御部９によって撹拌機５のモータ５ｃが制御されることにより、培養液Ｗの撹拌が停止する。これにより、培養液Ｗ中に浮遊していた細胞Ｓが培養容器３内の下部に沈む。
【００６９】
次いで、制御部９によって培地排出ポンプ４７が駆動されることにより、培養容器３内の培養液Ｗの約半分の量が排出され、排出された培養液Ｗが培地排出タンク４３によって回収される。培地排出管４５の吸出口４５ａは培養液Ｗの深さの中間付近に配置されており、また、培養液Ｗ中の細胞Ｓは培養容器３内の下部に沈んでいるので、培養容器３内の培養液Ｗのみを効率的に回収することができる。
【００７０】
次いで、制御部９によって培地供給ポンプ３９が駆動されることにより、培地供給タンク３５から培養容器３に新しい培養液Ｗが補給される。これにより、培養容器３内の培養液Ｗが交換される。
【００７１】
培養液Ｗの交換後は、制御部９によって、再び所定の時間間隔で、培養容器３内の特定領域Ｒに照明光が照射されるとともに特定領域Ｒの画像が取得され、各画像の背景画素の代表画素値の経時変化に基づいて培養液Ｗの状態が監視される。
【００７２】
したがって、本実施形態に係る培地モニタリング装置３１によれば、画像解析部１０によって算出される特定領域Ｒの画像における背景画素の代表画素値の経時変化に基づき、制御部９によって培養容器３内の培養液Ｗが劣化したか否か、すなわち、培地交換のタイミングか否かが分かる。したがって、制御部９によって、背景画素の代表画素値の経時変化に基づいて培地供給部３３および培地排出部４１を制御することにより、使用者の手間をかけずに正確なタイミングで培地交換を行うことができる。
【００７３】
また、培地交換時は培養液Ｗの撹拌を停止しておくことにより、培養液Ｗ中の細胞Ｓが重力によって培養容器３内の下部に移動する。培地排出管４５の吸出口４５ａが培養容器３内の培養液Ｗの深さの中間付近に配置されていることにより、培地排出部４１によって排出される培養液Ｗと一緒に培養液Ｗ中の細胞Ｓが排出されてしまうのを抑制することができる。
【００７４】
本実施形態は以下の構成に変形することができる。
本実施形態においては、培地供給管３７の供給口３７ａを培養容器３内の培養液Ｗの液面付近に配置することとしたが、これに代えて、例えば、図７に示すように、培地供給管３７を培養容器３内の下部まで延ばし、供給口３７ａを培養容器３の底面３ｂ付近に配置することとしてもよい。
【００７５】
この場合、培地供給管３７の供給口３７ａが、培養容器３の底面３ｂ近傍において、上面３ａに向かって折り返す上向きのＵ字状に形成されていることが望ましい。また、培地排出管４５の吸出口４５ａは、培養液Ｗの液面よりも若干低い位置に配置することが好ましい。
【００７６】
制御部９は、培地交換時には、撹拌機５のモータ５ｃの駆動を停止し、培養液Ｗの撹拌を停止する。また、制御部９は、培地排出部４１の培地排出ポンプ４７および培地供給部３３の培地供給ポンプ３９を制御することによって、培養容器３からの培養液Ｗの排出と培養容器３への培養液Ｗの供給とを同時に行う。
【００７７】
交換が必要な劣化した培養液Ｗは新しい培養液Ｗに比べて比重が軽いので、培養容器３内の上部が劣化した培養液Ｗで、培養容器３内の下部が新しい培養液Ｗに分かれる。また、培地交換時は培養液Ｗの撹拌を停止することにより、培養液Ｗ中の細胞Ｓが重力によって培養容器３内の下部に移動する。
【００７８】
したがって、本変形例に係る培地モニタリング装置３１によれば、培地排出管４５の吸出口４５ａを培養液Ｗの液面近くに配置することによって、培養液Ｗと一緒に細胞Ｓが排出されてしまうリスクを低減することができる。また、新たに供給した新しい培養液Ｗが培養容器３の下方に留まるのに対し、交換が必要な劣化した培養液Ｗは培養容器３の上方に移動するので、培養液Ｗの排出と供給を同時に行っても、劣化した培養液Ｗのみを選択的に排出することができる。したがって、培養液Ｗの排出と供給とを同時に行うことによって、培地交換にかかる時間を短縮することができる。
【００７９】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る培地モニタリング装置について説明する。
本実施形態に係る培地モニタリング装置５１は、例えば、図８に示すように、光学測定ユニット７が、細胞Ｓの位相差画像を生成するために培養液Ｗ中に浮遊する細胞Ｓを照明する照明光学系（照明部）５３と、照明光が照射された培養液Ｗ中に浮遊する細胞Ｓの位相差画像を光検出部上に結像させる検出光学系５９とからなる位相差光学系６３を備える点で第１実施形態および第２実施形態と異なる。培地モニタリング装置５１は、制御部９、表示部１１および警告発信部１３を備えているが、図８においては、制御部９、表示部１１および警告発信部１３の図示を省略している。
以下、第１実施形態および第２実施形態に係る培地モニタリング装置１，３１と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。
【００８０】
照明光学系５３は、照明光源１５と、集光レンズ１７と、円環状の開口であるリングスリット５５ａを有する絞り５５と、リレー光学系５７と、ハーフミラー２３と、対物レンズ１９とを備えている。
【００８１】
絞り５５のリングスリット５５ａは、対物レンズ１９の瞳位置と光学的に共役な位置に配置されている。集光レンズ１７によって集光された照明光は、絞り５５においてリングスリット５５ａのみを通過する。絞り５５の位置は、絞り５５に入射する照明光の光軸に直交する方向に調整可能である。
リレー光学系５７は、リングスリット５５ａを通過した照明光をリレーする。このリレー光学系５７は、例えば、一対の凸レンズから構成される。
【００８２】
ハーフミラー２３は、照明光源１５からリレー光学系５７によってリレーされてきた照明光の一部、例えば、ハーフミラー２３に入射した照明光の約５０％を対物レンズ１９に向けて反射する一方、対物レンズ１９側から入射する照明光の一部、例えば、ハーフミラー２３に入射した照明光の約５０％を透過させる。
【００８３】
対物レンズ１９は、光軸が略水平方向に配置され、培養容器３に向けられて配置されている。対物レンズ１９は、焦点面Ｆが培養容器３の内部に配置される。ハーフミラー２３によって反射された照明光は、対物レンズ１９の光軸に沿って対物レンズ１９に入射し、対物レンズ１９から培養容器３へ向かって射出される。対物レンズ１９から射出された照明光は、培養容器３の側壁を透過した後、培養容器３の内部を略水平方向に横断し、培養容器３の側壁を再び透過した後、培養容器３の外部へ射出される。絞り５５の位置を調整することによって、対物レンズ１９から培養容器３に入射する照明光の位置を照明光の光軸に交差する方向に変更することができる。
【００８４】
再帰性反射部材２１は、対物レンズ１９との間に培養容器３を略水平方向に挟んで配置されている。
対物レンズ１９および再帰性反射部材２１は、対物レンズ１９と再帰性反射部材２１との間の照明光の経路に撹拌機５の撹拌棒５ａおよび撹拌羽５ｂが干渉しない位置に配置される。
【００８５】
検出光学系５９は、対物レンズ１９と、対物レンズ１９の瞳位置に配置された位相膜６１と、結像光学系２５と、２次元撮像素子２７とを備えている。すなわち、対物レンズ１９は、照明光学系５３および検出光学系５９として機能する。
【００８６】
位相膜６１は、照明光学系５３のリングスリット５５ａの形状に対応する形状、すなわち円環状を有する。また、位相膜６１は、位相膜６１を透過する照明光の位相をλ／４シフトさせる。この位相膜６１は、照明光学系５３のリングスリット５５ａと共役な位置に配置されている。位相膜６１は、対物レンズ１９の瞳位置と光学的に共役な位置に配置されていてもよい。
【００８７】
次に、本実施形態に係る培地モニタリング装置５１の作用について説明する。
まず、上記構成の培地モニタリング装置５１によって細胞Ｓを位相差観察しながら培養液Ｗの状態を監視する場合は、制御部９によって照明光源１５が点灯されることにより、照明光源１５から発せられた照明光が集光レンズ１７、絞り５５、リレー光学系５７、ハーフミラー２３および対物レンズ１９を経由して培養容器３内の特定領域Ｒに照射される。
【００８８】
特定領域Ｒに照射された照明光は、特定領域Ｒを透過した後、再帰性反射部材２１によって反射される。そして、照明光は、培養容器３内の特定領域Ｒを逆向きに透過した後、対物レンズ１９によって集光される。したがって、培養容器３内の特定領域Ｒにおいて培養液Ｗ中に浮遊する細胞Ｓは、対物レンズ１９による落射照明と再帰性反射部材２１による透過照明の２種類の照明法によって照明される。
【００８９】
培養容器３内を２回透過する間に、照明光の一部（信号光）は、培養液Ｗ中に浮遊する透明な細胞Ｓを透過し、屈折する。培養容器３内の培養液Ｗを２回透過した後、照明光は、対物レンズ１９およびハーフミラー２３を透過し、結像光学系２５によって２次元撮像素子２７上に結像される。
【００９０】
ここで、対物レンズ１９内には、リングスリット５５ａと光学的に共役な位置に位相膜６１が配置されている。培養容器３内で細胞Ｓを透過した照明光（屈折光）は、対物レンズ１９内で位相膜６１とは異なる位置を通過し、対物レンズ１９から射出される。一方、培養容器３内で細胞Ｓを透過しなかった照明光（直進光）は、対物レンズ１９内で位相膜６１を透過することによって位相にシフトが与えられ、対物レンズ１９から射出される。したがって、２次元撮像素子２７上には、屈折光と直進光との干渉による明暗がついた細胞Ｓの光学像が形成される。これにより、２次元撮像素子２７によって細胞Ｓの位相差画像が取得される。
【００９１】
次いで、制御部９によって光学測定ユニット７が制御されることにより、所定の時間間隔で、培養容器３内の特定領域Ｒの画像が繰り返し取得され、特定領域Ｒの画像における背景画素の代表画素値の経時変化に基づいて培養液Ｗの状態が判定される。
【００９２】
そして、背景画素の代表画素値が初期の代表画素値よりも所定量以上低下した場合に、制御部９によって表示部１１または警告発信部１３が制御され、培地交換のタイミングであることが表示部１１または警告発信部１３よって使用者に通知される。
【００９３】
この場合において、再帰性反射部材２１は、上述したように、多数の微小な反射要素２１ａによって入射時と同一経路に沿って照明光を反射する。したがって、再帰性反射部材２１から培養容器３内に入射した照明光は、再帰性反射部材２１と培養容器３の内部との間に存在する培養容器３の側壁の形状に関わらず、培養容器３内の特定領域Ｒを同一方向から同一角度で照明する。
【００９４】
例えば、培養容器３の側壁が曲率または凹凸を有する場合、培養容器３の側壁は照明光に対してレンズ効果を発揮する。ただし、培養容器３の側壁を照明光が同一経路に沿って往復することによって、レンズ効果はキャンセルされる。すなわち、再帰性反射部材２１から培養容器３内に入射する照明光の向きおよび角度は、再帰性反射部材２１と培養容器３の内部との間の側壁の影響を受けない。
【００９５】
したがって、培養容器３が柔軟な材質からなり培養容器３の側壁が継時的に変形したとしても、あるいは、培養容器３を形状およびサイズが異なる他の培養容器３に交換したとしても、再帰性反射部材２１からの照明光によって培養容器３内の細胞Ｓを安定的に照明することができる。
【００９６】
対物レンズ１９と培養容器３の内部との間の培養容器３の側壁が平坦である場合は、対物レンズ１９から培養容器３内に入射した照明光は、対物レンズ１９の光軸に沿って進む。すなわち、同軸落射照明が実現される。
【００９７】
一方、対物レンズ１９と培養容器３の内部との間の培養容器３の側壁が曲率または凹凸を有する場合は、対物レンズ１９から培養容器３内に入射する照明光の光軸が、培養容器３の側壁のレンズ効果によって対物レンズ１９の光軸に対して傾く。その結果、再帰性反射部材２１から対物レンズ１９に戻った照明光（直進光）の位置が、位相膜６１の位置から光軸に交差する方向にずれることがある。この場合には、絞り５５の位置調整によって、照明光学系５３から培養容器３に照射される照明光の位置を調整することにより、再帰性反射部材２１から対物レンズ１９に戻る照明光（直進光）が位相膜６１を透過する。
【００９８】
以上説明したように、本実施形態に係る培地モニタリング装置５１によれば、照明光学系５３と検出光学系５９とからなる位相差光学系６３によって、培養液Ｗ中の細胞Ｓの高解像でコントラストが高い画像を用いて培養液Ｗの状態を監視することができる。
【００９９】
〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態に係る培地モニタリング装置について説明する。
本実施形態に係る培地モニタリング装置７１は、例えば、図９〜図１１に示すように、光学測定ユニット７を構成する照明光源１５、結像光学系２５および２次元撮像素子２７を収容する筐体７３と、筐体７３の周囲を覆う筒状の保護チューブ７７とを備え、保護チューブ７７によって周囲が覆われた筐体７３を培養容器３内の培養液Ｗに挿入した状態で、培養容器３内の特定領域Ｒの画像を取得する点で第１実施形態と異なる。本実施形態においては、画像解析部１０、表示部１１および警告発信部１３の図示を省略する。
以下、第１〜３実施形態に係る培地モニタリング装置１，３１，５１と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。
【０１００】
本実施形態においては、図９に示すように、培養容器３には、各種チューブ７５を挿入するための複数のポート３ｃが上面３ａに設けられている。図９に示す例では、培養容器３の上面３ａに３つのポート３ｃが設けられ、その内の２つのポート３ｃには、培養液Ｗ中の細胞Ｓを採取したり培養液Ｗに薬液を投与したりするチューブ７５が挿入されている。各ポート３ｃには、チューブ７５との隙間を塞ぐためのＯリング（図示略）が設けられている。これにより、培養容器３内は密封状態に維持されている。
【０１０１】
筐体７３は、保護チューブ７７に挿脱可能な細長い筒状の形態を有している。この筐体７３は、例えば、ポリ塩化ビニル等により形成され、柔軟性を有している。筐体７３は、図１０に示すように、長手方向の先端において、照明光および観察光を透過させる透明部７３ａを有している。
【０１０２】
保護チューブ７７は、培養容器３のポート３ｃを経由して培養液Ｗ中に挿入可能な細長い形状を有している。また、保護チューブ７７は、内部に筐体７３を収容可能に形成されている。保護チューブ７７は、ポート３ｃに挿入されると、図示しないＯリングによってポート３ｃとの隙間が塞がれる。この保護チューブ７７は、例えば、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）またはポリ塩化ビニル等の透明な樹脂材料により形成されている。したがって、保護チューブ７７の全体が照明光および観察光を透過させる光学的に透明な透明部を構成している。本実施形態においては、保護チューブ７７の長手方向の先端を透明部７７ａとする。
【０１０３】
保護チューブ７７は、透明部７７ａの外側において、保護チューブ７７の長手方向に突出する突起７９を有している。突起７９は、例えば、図１０および図１１に示すように、保護チューブ７７の先端から保護チューブ７７の長手方向に沿って延びる柱状部７９ａと、柱状部７９ａの先端から保護チューブ７７の長手方向に交差する方向に屈曲することによって透明部５３ａの前方を遮る位置に配置される屈曲部（反射部材）７９ｂとを備えている。
【０１０４】
柱状部７９ａは、保護チューブ７７に筐体７３が挿入された状態で、照明光源１５および結像光学系２５の各光軸からずれた位置に配置される
屈曲部７９ｂは、保護チューブ７７に筐体７３が挿入された状態で、照明光源１５および結像光学系２５の光軸上に配置される。この屈曲部７９ｂは、照明光源１５から筐体７３の透明部７３ａおよび保護チューブ７７の透明部７７ａを経由して保護チューブ７７の外部に射出された照明光を結像光学系２５に向けて反射することによって培養容器３内の特定領域Ｒを偏斜照明する反射部材として機能する。
【０１０５】
照明光源１５は、図１０および図１１に示すように、筐体７３の先端部において、透明部７３ａに対向した状態で配置されている。
結像光学系２５は、筐体７３の先端部において、透明部７３ａに対向した状態で照明光源１５と並んで配置されている。この結像光学系２５は、透明部７３ａを経由して筐体７３内に入射する観察光を２次元撮像素子２７の受光面上に結像させる。
２次元撮像素子２７は、筐体７３の先端部において、結像光学系２５よりも基端側に配置されている。
【０１０６】
次に、本実施形態に係る培地モニタリング装置７１の作用について説明する。
上記構成の培地モニタリング装置７１によって細胞Ｓを観察しながら培養液Ｗの状態を監視する場合は、図９〜図１１に示すように、保護チューブ７７によって周囲が覆われた筐体７３を培養容器３のポート３ｃを経由させて培養液Ｗ内に挿入する。筐体７３には予め滅菌処理を施しておく。
【０１０７】
次いで、筐体７３内の照明光源１５から筐体７３の透明部７３ａおよび保護チューブ７７の透明部７７ａを経由して照明光が射出される。保護チューブ７７の透明部７７ａから射出された照明光は、透明部７７ａの前方において、突起７９の屈曲部７９ｂによって透明部７７ａに向かって反射される。これにより、保護チューブ７７の透明部７７ａと屈曲部７９ｂとの間における培養容器３内の特定領域Ｒに照明光が照射される。
【０１０８】
照明光が照射されることによって特定領域Ｒから戻る観察光は、保護チューブ７７の透明部７７ａおよび筐体７３の透明部７３ａを経由して結像光学系２５によって結像され、観察光の光学像が２次元撮像素子２７によって撮影される。
【０１０９】
次いで、制御部９によって光学測定ユニット７が制御されることにより、所定の時間間隔で、培養容器３内の特定領域Ｒの画像が繰り返し取得され、特定領域Ｒの画像における背景画素の代表画素値の経時変化に基づいて培養液Ｗの状態が判定される。
【０１１０】
そして、背景画素の代表画素値が初期の代表画素値よりも所定量以上低下した場合に、制御部９によって表示部１１または警告発信部１３が制御され、培地交換のタイミングであることが表示部１１または警告発信部１３よって使用者に通知される。
【０１１１】
以上説明したように、本実施形態に係る培地モニタリング装置７１によれば、培養容器３にチューブ７５を挿入するためのポート３ｃを利用して、保護チューブ７７によって周囲を覆われた状態で筐体７３を培養容器３内に挿入でき、さらに、培養液Ｗ中に挿入した筐体７３から特定領域Ｒに照明光を照射するとともに特定領域Ｒからの観察光を受光することによって、使用する培養容器３の形状や大きさ、材質等の制限を殆ど受けずに特定領域Ｒの良好な観察像を得ることができる。したがって、多種多様な培養容器３に適応でき、様々な培養容器３において培養液Ｗの状態を安定して監視することができる。
【０１１２】
また、保護チューブ７７が培養容器３のポート３ｃを経由して培養液Ｗ中に挿入可能な形状を有することによって、保護チューブ７７によって筐体７３と筐体７３内の照明光源１５、結像光学系２５および２次元撮像素子２７とを安全に保護した状態で、これら筐体７３、照明光源１５、結像光学系２５および２次元撮像素子２７を培養容器３内に挿入するとともに培養容器３内で作動させることができる。また、保護チューブ７７をアクリル樹脂やポリ塩化ビニル等の透明な樹脂材料により形成することによって、保護チューブ７７をＵＶ滅菌した状態で使用し、使用後は保護チューブ７７のみをディスポーザブルにして交換することができる。これにより、繰り返し使用する筐体７３を培養液Ｗ中に直接挿入する場合よりも、培養液Ｗが汚染されるのを回避することができる。
【０１１３】
また、培養容器３内で照明光が照射される特定領域Ｒが保護チューブ７７の透明部７７ａと突起７９の屈曲部７９ｂとの間の空間内に制限されることによって、保護チューブ７７の透明部７７ａと突起７９の屈曲部７９ｂとの間の空間に侵入した細胞Ｓを撮影することができる。
【０１１４】
〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態に係る培地モニタリング装置について説明する。
本実施形態に係る培地モニタリング装置８１は、例えば、図１２および図１３に示すように、保護チューブ７７に代えて、内部に偏斜照明ミラー８９を有し筐体７３を収容可能な保護カバー８３を備え、光学測定ユニット７がステレオ計測を行う点で第４実施形態と異なる。
以下、第４実施形態に係る培地モニタリング装置７１と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。
【０１１５】
本実施形態に係る光学測定ユニット７は、図１４に示すように、照明光源１５と、照明光源１５から発せられた照明光を導光するライトガイドファイバ８５と、同一の細胞Ｓに対して、異なる視点から見た互いに視差がある２つの像を結像させるステレオ光学系８７と、ステレオ光学系８７によって結像された２つの像をそれぞれ撮影する２次元撮像素子２７とを備えている。
【０１１６】
これら照明光源１５、ステレオ光学系８７および２次元撮像素子２７は、筐体７３に収容されている。本実施形態においては、筐体７３は、長手方向の基端部において、長手方向に交差する幅方向に広がるフランジ部７３ｂを有している。
【０１１７】
照明光源１５は、筐体７３の基端側に配置されている。
ライトガイドファイバ８５は、照明光源１５からの照明光を筐体７３の先端に導光する。
ステレオ光学系８７は、先端側から順に、特定領域Ｒからの観察光を集光する対物光学系８７ａと、対物光学系８７ａによって集光された観察光を分割する絞り開口部８７ｂと、絞り開口部８７ｂによって分割された観察光をそれぞれ偏向する偏向プリズム８７ｃと、偏向プリズム８７ｃによって偏向された観察光をそれぞれ結像させる結像光学系８７ｄとを備えている。
【０１１８】
このステレオ光学系８７は、ステレオ光学系８７の光軸に直交し、かつ、互いに直交する方向の一方がステレオになっている。以下、ステレオ光学系８７の視点の配列方向をステレオ方向という。
絞り開口部８７ｂは、対物光学系８７ａの瞳位置に配置されている。この絞り開口部８７ｂには、例えば、図示しない２つの孔がステレオ方向に間隔をあけて形成されている。
２次元撮像素子２７は、筐体７３の最も基端側に配置されている。
【０１１９】
保護カバー８３は、筐体７３を収容した状態で、培養容器３のポート３ｃを経由して培養液Ｗ中に挿入可能な筒形状を有している。また、保護カバー８３は、ポート３ｃに挿入されると、図示しないＯリングによってポート３ｃとの隙間が塞がれる。また、保護カバー８３は、滅菌処理されており、１回の使用毎に使い捨てるディスポーザブルな部品として交換することができる。この保護カバー８３は、筐体７３を収容した状態において、筐体７３のフランジ部７３ｂが保護カバー８３の挿入口に突き当たる内径寸法、および、保護カバー８３の先端と筐体７３の先端との間に空間が形成される長さ寸法を有している。
【０１２０】
また、保護カバー８３は、長手方向の先端部において、幅方向に対向する両側面に開口する開口部８３ａを有している。これら開口部８３ａは、保護カバー８３に筐体７３が挿入された状態において、保護カバー８３の先端と対物光学系８７ａとの間に配置される。また、開口部８３ａは、細胞Ｓおよび培養液Ｗが保護カバー８３の内部を幅方向に通過可能な大きさを有している。これら開口部８３ａは、例えば、保護カバー８３を長手方向の先端側と基端側とに分けて、これら先端側と基端側とを保護カバー８３の周方向の２ヶ所で連結することによって形成される開口部であってもよい。
【０１２１】
保護カバー８３の先端には、保護カバー８３の基端側を向いて配置された偏斜照明ミラー８９が設けられている。
偏斜照明ミラー８９は、その反射面が保護カバー８３の長手方向に対して所定の角度の傾きを有している。この偏斜照明ミラー８９は、保護カバー８３に筐体７３が収容された状態で、ライトガイドファイバ８５から射出された照明光をステレオ光学系８７に向けてステレオ方向に対して直交する方向に角度を付けて反射する。これにより、培養容器３内において、保護カバー８３の開口部８３ａ内に入り込んだ培養液Ｗ中の細胞Ｓが存在する特定領域Ｒを偏斜照明することができる。
【０１２２】
培養液Ｗ中と細胞Ｓ内は互いに屈折率が異なるため、培養液Ｗと細胞Ｓとの境界で光が曲げられる。例えば、対物光学系８７ａの瞳の外側を通る方向に光が曲がった部分は像面で暗くなり、対物光学系８７ａの瞳の内側を通る方向に光が曲がった部分は像面で明るくなる。したがって、偏斜照明ミラー８９によって細胞Ｓを偏斜照明することにより、細胞Ｓのコントラストを向上した画像を取得することができる。
【０１２３】
次に、本実施形態に係る培地モニタリング装置８１の作用について説明する。
上記構成の培地モニタリング装置８１によって細胞Ｓを培養しながら培養液Ｗの状態を監視する場合は、まず、保護カバー８３を装着した筐体７３を培養容器３のポート３ｃを経由させて培養液Ｗ内に筐体７３を挿入し、照明光源１５から照明光を発生させる。
【０１２４】
照明光源１５から発せられた照明光はライトガイドファイバ８５によって導光され、ライトガイドファイバ８５の先端から保護カバー８３内の偏斜照明ミラー８９に向けて射出される。これにより、偏斜照明ミラー８９によって反射された照明光が、開口部８３ａから保護カバー８３内に入り込んでいる培養液Ｗ中の細胞Ｓが存在する特定領域Ｒに照射される。
【０１２５】
そして、特定領域Ｒを透過した照明光が筐体７３内のステレオ光学系８７に入射することにより、ステレオ光学系８７によって、特定領域Ｒに対して異なる視点から見た互いに視差がある２つの像が結ばれる。これにより、２次元撮像素子２７によって、複数の細胞Ｓに対して、個々の細胞Ｓごとにそれぞれ異なる視点から見た互いに視差がある２次元的な２つの画像、例えば図１５に示す上側画像および下側画像が取得される。
【０１２６】
次いで、画像解析部１０により、図１５に示す上側画像および下側画像のどちらか一方または両方が解析されることによってそれら画像の背景画素が抽出された後、抽出された背景画素の代表画素値が算出される。
【０１２７】
この場合において、ステレオ光学系８７により、培養液Ｗ中の複数の細胞Ｓに対して、個々の細胞Ｓごとに異なる視点から見た互いに視差がある２つの像を結像させることによって、２次元撮像素子２７によって取得されるこれら２つの像の画像間で、ステレオ光学系８７からの距離に応じて同一の細胞Ｓのステレオ方向の位置が互いに反対方向にずれる。
【０１２８】
したがって、各細胞Ｓの位置ずれ量に基づいて各細胞Ｓの３次元的な位置が分かるので、画像解析部１０により、特定領域Ｒ内に含まれる細胞Ｓと含まれない細胞Ｓとを正確に区別することができる。つまり、特定領域Ｒを３次元領域として正確に規定でき、例えば、特定領域Ｒが規定する３次元領域内に存在する細胞密度を正確に測定することができる。これにより、本実施形態に係る培地モニタリング装置８１によれば、第４実施形態と同様に、使用する培養容器３の形状および大きさ等に関わらず、培養容器３内の特定領域Ｒの画像の背景画素の代表画素値を精度よく算出することができる。
【０１２９】
上記第３実施形態〜第５実施形態は以下の構成に変形することができる。
例えば、第３実施形態〜第５実施形態にそれぞれ第２実施形態の構成、すなわち、培地供給部３３および培地排出部４１を設け、制御部９によって培地供給部３３および培地排出部４１を制御する構成を適用することとしてもよい。
【０１３０】
また、例えば、第３実施形態〜第５実施形態にそれぞれ第２実施形態の変形例に係る構成、すなわち、培地供給管３７の供給口３７ａを培養容器３の底面３ｂ付近に配置するとともに、培地排出管４５の吸出口４５ａを培養液Ｗの液面近くに配置し、制御部９によって、培地排出部４１による培養液Ｗの排出と培地供給部３３による培養液Ｗの供給とを同時に行う構成を適用することとしてもよい。
【０１３１】
また、上記各実施形態は、以下の構成に変形することができる。
第１変形例としては、第１実施形態〜第５実施形態およびその変形例において、例えば、制御部９と光学測定ユニット７を分離させず、制御部９の一部または全部を光学測定ユニット７内に含めることとしてもよい。例えば、照明光源１５および２次元撮像素子２７等を収容する筐体内に制御部９を収容することとしてもよい。
【０１３２】
第２変形例としては、第１実施形態〜第５実施形態およびその変形例において、例えば、図１６に示すように、照明光源として、ＬＥＤ等の照明光源１５に代えてハロゲン光源等の白色光源９１を採用し、さらに、白色光源９１から発せられた光を平行光に変換する集光レンズ１７と、集光レンズ１７によって平行光に変換された光から特定の波長を切り出すバンドパスフィルタ９３とを採用することとしてもよい。
【０１３３】
この場合、照明光の光強度を測定する場合は、白色光源９１を点灯させるか、図示しないシャッタを開閉することによって、白色光源９１から発せられた照明光を培養容器３内の特定領域Ｒに照射させることとしてもよい。
【０１３４】
本変形例によれば、ハロゲン光源およびバンドパスフィルタは安価であるので、コストの削減を図ることができる。また、白色光源９１およびバンドパスフィルタ９３の構成は、波長選択の自由度が高いので、様々な培養液Ｗに適用することができる。
【０１３５】
第３変形例としては、第１実施形態〜第３実施形態およびその変形例において、例えば、図１７に示すように、ハーフミラー２３の向きを９０°回転可能にすることとしてもよい。そして、ハーフミラー２３を９０°回転させることによって、照明光源１５からの照明光をハーフミラー２３によって培養容器３に向けて透過させる場合と、照明光源１５からの照明光をハーフミラー２３によって２次元撮像素子２７に向けて反射させる場合とを切り換えることとしてもよい。
【０１３６】
この場合、まず、ハーフミラー２３を図１７において実線で示す角度に配置することによって、照明光源１５からの照明光をハーフミラー２３によって２次元撮像素子２７に入射させ、培養液Ｗを通さない照明光の光強度を２次元撮像素子２７によって測定しておく。
【０１３７】
次いで、ハーフミラー２３を図１７において破線で示す角度に切り換えることによって、照明光源１５からの照明光を培養容器３内の培養液Ｗに向けて透過させる。そして、再帰性反射部材２１によって折り返されて培養液Ｗを再度透過して戻る照明光をハーフミラー２３によって２次元撮像素子２７に入射させ、培養容器３内の特定領域Ｒから戻る観察光を２次元撮像素子２７によって撮影する。
【０１３８】
そして、特定領域Ｒの画像における背景画素の代表画素値の経時変化に基づいて培養液Ｗの状態を判定する際に、培養液Ｗを通さない照明光の強度によって、照明光源１５の出力の変動の影響を補正することとしてもよい。これにより、照明光源１５の出力が変動した場合であっても、培養液Ｗの状態を正しく評価することができる。
【０１３９】
第４変形例としては、第１実施形態〜第５実施形態およびその変形例において、培養液Ｗの劣化を色変化によって測定することとしてもよい。
本変形例においては、例えば、図１８に示すように、照明光源としてハロゲン光源等の白色光源９１を採用する。また、透過波長が異なる３つのバンドパスフィルタ９３Ａ，９３Ｂ，９３Ｃと、これら３つのバンドパスフィルタ９３Ａ，９３Ｂ，９３Ｃを択一的に照明光の経路上に配置するスライダ等の切替機構９５とを集光レンズ１７とハーフミラー２３との間に配置する。さらに、培養液Ｗとして、０．００１％フェノールレッドおよび１０％牛胎児血清を含むダルベッコＭＥＭを採用する。
【０１４０】
バンドパスフィルタ９３Ａは、例えば、中心波長が４４１ｎｍでバンド幅すなわち透過波長幅が１０ｎｍのフィルタ（ＢＰ４４１）である。バンドパスフィルタ９３Ｂは、例えば、中心波長が５７８ｎｍで透過波長幅が１０ｎｍのフィルタ（ＢＰ５７８）である。バンドパスフィルタ９３Ｃは、例えば、中心波長が６３４ｎｍで透過波長幅が１０ｎｍのフィルタ（ＢＰ６３４）である。
【０１４１】
まず、段取りとして、培養液ＷのｐＨと吸光度の関係を実験によって求める。
最初に、細胞Ｓおよび培養液Ｗの両方を収容していない培養容器３内の特定領域Ｒからの観察光をバンドパスフィルタ９３Ａ，９３Ｂ，９３Ｃ毎に２次元撮像素子２７によって撮影する。この場合のバンドパスフィルタ５７Ａを用いたときの特定領域Ｒの画像における背景画素の代表画素値をＩ０＿４４１、バンドパスフィルタ９３Ｂを用いたときの特定領域Ｒの画像における背景画素の代表画素値をＩ０＿５７８、バンドパスフィルタ９３Ｃを用いたときの特定領域Ｒの画像における背景画素の代表画素値をＩ０＿６３４とする。なお、ここでは、細胞Ｓおよび培養液Ｗの両方を収容していない培養容器３内の特定領域Ｒの画像を撮影しているので、細胞Ｓの画素は抽出されず全ての画素が背景画素として抽出される。
【０１４２】
次に、ｐＨが既知の培養液Ｗを収容した培養容器３内の特定領域Ｒからの観察光をバンドパスフィルタ９３Ａ，９３Ｂ，９３Ｃ毎に２次元撮像素子２７によって撮影する。培養液ＷのｐＨは、例えば、図示しないｐＨセンサを培養液Ｗに直接挿入することによって測定しておくこととすればよい。この場合のバンドパスフィルタ９３Ａを用いたときの特定領域Ｒの画像における背景画素の代表画素値をＩ４４１、バンドパスフィルタ９３Ｂを用いたときの特定領域Ｒの画像における背景画素の代表画素値をＩ５７８、バンドパスフィルタ９３Ｃを用いたときの特定領域Ｒの画像における背景画素の代表画素値をＩ６３４とする。なお、ここでは、培養液Ｗのみを収容した培養容器３内の特定領域Ｒの画像を撮影しているので、細胞Ｓの画素は抽出されず全ての画素が背景画素として抽出される。
【０１４３】
この場合、特定領域Ｒにおける波長毎の吸光度（Ａ４４１、Ａ５７８、Ａ６３４）は以下の式によって表される。
Ａ４４１＝−ｌｏｇ（Ｉ４４１／Ｉ０＿４４１)
Ａ５７８＝−ｌｏｇ（Ｉ５７８／Ｉ０＿５７８)
Ａ６３４＝−ｌｏｇ（Ｉ６３４／Ｉ０＿６３４)
【０１４４】
培養液Ｗの複数のｐＨについて上記測定を行い、培養液Ｗにおける波長毎の吸光度とｐＨの関係式を求める。例えば、以下の式が求まる。
ｐＨ＝ｌｏｇ｛（Ａ４４１−Ａ６３４）／（Ａ５７８−Ａ６３４）｝＊１．１９＋７．８６
１．１９はｌｏｇ｛（Ａ４４１−Ａ６３４）／（Ａ５７８−Ａ６３４）｝対ｐＨのプロットを行ったときの直線の傾きを示し、７．８６はその直線の切片を示している。
【０１４５】
次いで、本測定として、培養液Ｗの経時変化を測定する。
各バンドパスフィルタ９３Ａ，９３Ｂ，９３Ｃを切り換えて、特定領域Ｒの画像取得を行い、取得した画像から背景画素を抽出し、背景画素の代表画素値を算出する。次に、段取りとして実験で求めた、細胞Ｓおよび培養液Ｗを収容しない状態での波長毎の背景画素の代表画素値Ｉ０＿４４１、Ｉ０＿５７８、Ｉ０＿６３４を用いて、本測定での波長毎の吸光度を求める。ここで求めた波長毎の吸光度と、段取りによって求めた吸光度とｐＨの関係式とから、培養液ＷのｐＨの経時変化を求める。
【０１４６】
本変形例によれば、複数の波長の特定領域Ｒの画像における背景画素の代表画素値の経時変化から培養液ＷのｐＨ値を求めることによって培養液Ｗの劣化を判断するので、培養液Ｗの劣化の測定精度を向上することができる。
【０１４７】
第５変形例としては、上記第４変形例の白色光源９１に代えて、例えば、図１９に示すように、照明光源として、異なる波長の照明光を発する複数のＬＥＤ光源（単色光源）１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを採用することとしてもよい。図１９に示す例では、ＬＥＤ光源１５Ａが４４１ｎｍの単色光を発し、ＬＥＤ光源１５Ｂが５７８ｎｍの単色光を発し、ＬＥＤ光源１５Ｃが６３４ｎｍの単色光を発するものとする。
【０１４８】
この場合、集光レンズ１７、バンドパスフィルタ９３Ａ，９３Ｂ，９３Ｃおよび切替機構９５に代えて、各ＬＥＤ光源１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃからの照明光を集光する集光レンズ１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃと、集光レンズ１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃによって集光された照明光を反射または透過することによって、これらの光路を合成するミラー９７およびダイクロイックミラー９９Ａ，９９Ｂとを採用することとすればよい。
【０１４９】
本変形例によれば、上記第４変形例のようにバンドパスフィルタ９３Ａ，９３Ｂ，９３Ｃを切り換えることに代えて、各ＬＥＤ光源１５Ａ，１５Ｂ，１５ＣのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるだけで、測定波長の切り換えを行うことができる。
【０１５０】
第６変形例としては、上記第１実施形態〜第３実施形態およびその変形例として、例えば、図２０に示すように、対物レンズ１９と培養容器３との間の空間に空気とは異なる屈折率を有する媒体、例えば、対物レンズ１９の液浸媒体Ｍを充填することとしてもよい。液浸媒体Ｍは、例えば、水、オイル、ゲルまたは吸水性ポリマである。液浸媒体Ｍの屈折率は、培養容器３および培養液Ｗの屈折率と同一または近いことが好ましい。
【０１５１】
本変形例によれば、対物レンズ１９と培養容器３との間の液浸媒体Ｍによって、対物レンズ１９から培養容器３内に入射する照明光および培養容器３から対物レンズ１９に入射する観察光の培養容器３および培養液Ｗの境界での屈折の影響を低減することができる。また、対物レンズ１９の開口数を上げて分解能を向上することができる。
【０１５２】
第７変形例としては、上記第１実施形態〜第３実施形態およびそれらの変形例として、照明光源として、可視光全域の波長を発する白色光源を採用し、２次元撮像素子２７としてカラーＣＣＤ（図示略）を採用し、制御部９が、カラーＣＣＤによる１度の撮影によって取得された培養容器３内の特定領域Ｒの画像の背景画素から求められる培養液Ｗの色相とｐＨとの関係に基づいて、培養液Ｗの状態を判定することとしてもよい。
【０１５３】
この場合、画像解析部１０は、カラーＣＣＤによって取得される特定領域Ｒのカラー画像から背景画素を抽出し、背景画素におけるＲＧＢの各強度の平均値または中間値を代表画素値として用いることによって、培養液Ｗの色情報、すなわち培養液Ｗの色相角を計算する。
【０１５４】
具体的には、画像解析部１０は、例えば、図２１に示すように、Ｘ（赤色）、Ｙ（緑色）、Ｚ（青色）の３軸にＲＧＢの各強度を割り当てた正方形の色空間（RGB）を色相（Hue）、彩度（Saturation）、輝度（Lightness）の３成分からなる円柱形の色空間（HSL）に変換することによって、培養液Ｗの色相角を算出する。色相は、彩度および輝度とは独立して色の情報を示す。
【０１５５】
制御部９は、例えば、色相角とｐＨの関係を示す図２２に示すようなテーブルを記憶している。制御部９は、このテーブルに基づき、画像解析部１０によって算出された色相角から培養液ＷのｐＨを求め、ｐＨの経時変化から培養液Ｗの状態を判定する。
本変形例によれば、培養液Ｗの色情報から培養液ＷのｐＨを求めることによって、培養液Ｗの状態をより正確に判定することができる。
【０１５６】
本変形例においては、２次元撮像素子２７として、３板式のカラーＣＣＤを採用することとしてもよい。この場合、例えば、図２３に示すように、特定領域Ｒからの観察光をＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の波長域に波長分離するダイクロイックプリズム１０１と、波長分離された各波長域の光を撮影する赤色用のイメージセンサ１０３Ａ、緑色用イメージセンサ１０３Ｂ、青色用のイメージセンサ１０３Ｃとによって、３枚式のカラーＣＣＤを構成することとしてもよい。
【０１５７】
また、本変形例においては、２次元撮像素子２７として、単板式のカラーＣＣＤを採用することとしてもよい。この場合、例えば、図２４に示すように、赤色の波長域の光を透過する複数のカラーフィルタ１０５ａと、緑色の波長域の光を透過する複数のカラーフィルタ１０５ｂと、青色の波長域の光を透過する複数のカラーフィルタ１０５ｃとを複数の画素に割り当てた１つのイメージセンサ１０５によって、単板式のカラーＣＣＤを構成することとしてもよい。
【０１５８】
本変形例は以下の構成に変形することができる。
本変形例においては、照明光源として白色光源９１を採用し、２次元撮像素子２７としてカラーＣＣＤを採用することとした。これに代えて、照明光源として、ＲＧＢ各色波長を発する複数のＬＥＤ光源（図示略）を採用するか、または、白色光源９１とＲＧＢ各波長を抽出する切り換え可能なバンドパスフィルタ（図示略）を採用することとしてもよい。また、２次元撮像素子２７としてモノクロＣＣＤ（図示略）を採用することとしてもよい。
【０１５９】
この場合、複数のＬＥＤ光源または複数のバンドパスフィルタの切り換えによるＲＧＢの照明波長の切り換えと、モノクロＣＣＤによる特定領域Ｒからの観察光の撮影とを同期して行うことにより、特定領域Ｒのカラー画像をシーケンシャルで取得することとすればよい。
本変形例によれば、２次元撮像素子としてモノクロＣＣＤを採用することによって、観察光の検出感度を向上することができる。
【０１６０】
第８変形例としては、第１実施形態〜第５実施形態およびそれらの変形例において、例えば、光学測定ユニット７および培養容器３を含む培地モニタリング装置１，３１，５１，７１，８１全体を暗所に配置した状態で、培養液Ｗの状態を監視することとしてもよい。
この構成によって、照明器具の光、モニタの光および外光の影響を受けずに正確に、培養液Ｗを透過させた照明光の強度を測定することができる。
【０１６１】
また、上記各実施形態においては、容器として、光学的に透明な材質によって形成された有底円筒状の培養容器３を例示して説明したが、培養容器は、袋状、球状または箱状等、任意の形状のものを採用することができる。例えば、使い捨て可能な袋状の培養容器を採用することとしてもよい。また、培養容器は、硬質またはビニール等の軟質等、任意の材質のものを採用することができる。また、培養容器３は、全体が透明である必要はなく、培養容器３が照明光を透過させる透明部を部分的に有するものであってもよい。
【０１６２】
以上、上記各実施形態によれば、培養液ＷにｐＨセンサを直接挿入することなく非接触で培養液Ｗの状態を測定でき、培養系の汚染のリスクを低減することもできる。
なお、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記各実施形態および変形例に適用したものに限定されることなく、これらの実施形態および変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定されるものではない。また、培地供給部３３および培地排出部４１と警告発信部１３とを併用し、制御部９の制御によって培地交換を自動で行う場合であっても、培地交換のタイミングであることを使用者に通知することとしてもよい。
【符号の説明】
【０１６３】
１，３１，５１，７１，８１    培地モニタリング装置
９        制御部
１０      画像解析部
１３      警告発信部（通知部）
１５      照明光源（照明部、単色光源）
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ        ＬＥＤ光源（単色光源）
１７      集光レンズ（照明部）
１９      対物レンズ（照明部）
２０      偏斜照明光学系
２１      再帰性反射部材
２７      ２次元撮像素子（撮像部）
３３      培地供給部
４１      培地排出部
５３      照明光学系（照明部）
６３      位相差光学系
７３      筐体
７７      保護チューブ
７９ｂ    屈曲部（反射部材）
９１      白色光源
９３，９３Ａ，９３Ｂ，９３Ｃ    バンドパスフィルタ
Ｓ        細胞
Ｗ        培養液（培地）
【図１】
2020167959.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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