(57)【要約】デジタル画像収集システムおよび方法は、領域をスキャンしてそこからデジタル画像データを取得するエリアスキャンカメラを含み、エリアスキャンカメラは光学スキャン軸を有する。標本装着ユニットは、標本がエリアスキャンカメラによってスキャンされることを可能にするために、その上面に装着された標本を受容する。標本装着ユニットの上面は、エリアスキャンカメラに対してある角度で傾斜し、その結果として、光学スキャン軸が標本装着ユニットの上面に対して斜めになる。
2009526272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある領域をスキャンしてそこからデジタル画像データを取得するように構成されるエリアスキャンカメラであって、該エリアスキャンカメラは光学スキャン軸を有する、エリアスキャンカメラと、
該エリアスキャンカメラによって、標本がスキャンされることを可能にするために、その上面に装着された該標本を受容するように構成される、標本装着ユニットと、
を備える、デジタル画像収集システムであって、
該標本装着ユニットの該上面は、該エリアスキャンカメラに対してある角度で傾斜し、その結果として、該光学スキャン軸が該標本装着ユニットの該上面に対して斜めになる、
システム。
【請求項２】
カメラセンサと、
前記光学スキャン軸に沿って該カメラセンサの下流に設けられたチューブレンズと、
該光学スキャン軸に沿って該カメラセンサの該チューブレンズの下流に設けられた対物レンズと、
をさらに備える、請求項１に記載のデジタル画像収集システム。
【請求項３】
前記標本装着ユニットを単一平面に沿って、前記エリアスキャンカメラに対して移動させるように構成される、移動ユニットをさらに備える、請求項１に記載のデジタル画像収集システムであって、
前記光学スキャン軸は、Ｘ、Ｙ、Ｚ３次元座標系においてＺ方向に沿って設けられている、
システム。
【請求項４】
前記標本装着ユニットの前記上面が前記エリアスキャンカメラに対して傾斜する前記角度は、２度と１０度との間である、請求項１に記載のデジタル画像収集システム。
【請求項５】
前記標本装着ユニットの前記上面が前記エリアスキャンカメラに対して傾斜する前記角度は、撮像される標本の厚さに基づいて決定される、請求項１に記載のデジタル画像収集システム。
【請求項６】
前記エリアスキャンカメラは、複数のラインスキャンカメラを備え、該複数のラインスキャンカメラは、該ラインスキャンカメラのそれぞれが、該エリアスキャンカメラに焦点勾配を課す固有の焦点位置またはレンズ構成を受容するように、光学的に装着される、請求項１に記載のデジタル画像収集システム。
【請求項７】
前記複数のラインスキャンカメラのそれぞれは、撮像される前記標本のＸ軸およびＹ軸に沿った複数の隣接するピクセル位置を効果的にスキャンするように構成される、請求項６に記載のデジタル画像収集システム。
【請求項８】
前記移動ユニットは、前記標本装着ユニットを前記単一平面に沿って、一定速度で移動させるように構成される、請求項３に記載のデジタル画像収集システム。
【請求項９】
Ｘ，Ｙ，Ｚ３次元座標系に関して、１回のスキャンで前記標本の３次元画像を取得するために、該標本のＺ方向画像がＸ方向画像およびＹ方向画像と共に取得される、請求項１に記載のデジタル画像収集システム。
【請求項１０】
前記移動ユニットは、少なくとも１つの超音波圧電モータを備える、請求項３に記載のデジタル画像収集システム。
【請求項１１】
前記標本装着ユニット上の前記標本を単一平面に沿って、前記エリアスキャンカメラに対して移動させることにより、該エリアスキャンカメラに焦点勾配が投射され、該エリアスキャンカメラの前記光学軸は、Ｘ、Ｙ、Ｚ３次元座標系におけるＺ方向に対応する、請求項１に記載のデジタル画像収集システムであって、
該システムは、前記傾斜角度と同じ平面内でセンサ寸法にわたって取得される、異なる焦点深度をサンプリングするように構成される処理ユニット、をさらに備え、
該処理ユニットは、該エリアスキャンカメラに対する該単一平面上の該標本装着ユニットの単一パス内で、その結果として該標本の３次元画像を取得する、
システム。
【請求項１２】
前記標本の３次元画像は、前記エリアスキャンカメラに対する前記単一平面上で移動させられた前記標本装着ユニットの単一パスに基づいて取得され、該単一平面は、該単一パスの間に、該エリアスキャンカメラのさらに近くへ、またはそれからさらに遠くへの、該標本の移動をもたらす、請求項３に記載のデジタル画像収集システム。
【請求項１３】
ベイヤーパターンに基づいて、前記エリアスキャンカメラによって取得された前記デジタル画像データ内の、ＲＧＢ色識別のための一対の色成分を決定するように構成されるプロセッサ部をさらに備える、請求項１に記載のデジタル画像収集システムであって、
該ＲＧＢ色識別のための第３の色成分は、補間によって取得される、
システム。
【請求項１４】
標本がエリアスキャンカメラによってスキャンされることを可能にするために、標本装着ユニットの上面に該標本を装着するステップであって、該エリアスキャンカメラは光学スキャン軸を有する、ステップと、
該エリアスキャンカメラで領域をスキャンして、そこからデジタル画像データを取得するステップと、
該エリアスキャンカメラに対する該標本の単一パスに基づいて、該標本の３次元画像を取得するために、該デジタル画像データを処理するステップと、
を包含する、デジタル画像収集方法であって、
該標本装着ユニットの該上面は、該エリアスキャンカメラに対してある角度で傾斜し、その結果として、該光学スキャン軸が該標本装着ユニットの該上面に対して斜めになる、
デジタル画像収集方法。
【請求項１５】
前記標本装着ユニットを単一平面に沿って、該エリアスキャンカメラに対して移動させるステップをさらに包含する、請求項１４に記載の方法であって、
前記光学スキャン軸は、Ｘ，Ｙ，Ｚ３次元座標系においてＺ方向に沿って設けられている、
方法。
【請求項１６】
前記標本装着ユニットの前記上面が前記エリアスキャンカメラに対して傾斜する前記角度は、２度と１０度との間である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記標本装着ユニットの前記上面が前記エリアスキャンカメラに対して傾斜する前記角度は、撮像される標本の厚さに基づいて決定される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記エリアスキャンカメラは、複数のラインスキャンカメラを備え、該複数のラインスキャンカメラは、該ラインスキャンカメラのそれぞれが、該エリアスキャンカメラに焦点勾配を課す固有の焦点位置またはレンズ構成を受容するように、光学的に装着される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数のラインスキャンカメラのそれぞれは、撮像される前記標本のＸ軸およびＹ軸に沿った複数の隣接するピクセル位置を効果的にスキャンするように構成される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記標本装着ユニットは、単一平面に沿って一定速度で移動させられる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
Ｘ，Ｙ，Ｚ３次元座標系に関して、１回のスキャンで前記標本の３次元画像を取得するために、該標本のＺ方向画像がＸ方向画像およびＹ方向画像と共に取得される、請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
前記標本装着ユニットは、少なくとも１つの超音波圧電モータを用いて移動させられる、請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記標本装着ユニット上の前記標本を単一平面に沿って移動させることにより、前記エリアスキャンカメラに焦点勾配が投射され、該エリアスキャンカメラの前記光学軸は、Ｘ，Ｙ，Ｚ３次元座標系におけるＺ方向に対応する、請求項１４に記載の方法であって、
前記処理するステップは、前記傾斜角度と同じ平面内でセンサ寸法にわたって取得される、異なる焦点深度をサンプリングするステップ、をさらに包含し、
該処理するステップは、該エリアスキャンカメラに対する該標本装着ユニットの単一パス内で、その結果として該標本の３次元画像を取得する、
方法。
【請求項２４】
前記標本の３次元画像は、前記エリアスキャンカメラに対して前記単一平面上で移動させられた前記標本装着ユニットの単一パスに基づいて取得され、該単一平面は、該単一パスの間に、該エリアスキャンカメラのさらに近くへ、またはそれからさらに遠くへの、該標本の移動をもたらす、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
ベイヤーパターンに基づいて、前記エリアスキャンカメラによって取得された前記デジタル画像データ内の、ＲＧＢ色識別のための第１の一対の色成分を決定するステップと、
補間によって、該ＲＧＢ色識別のための第３の色成分を決定するステップと、
をさらに包含する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２６】
コンピュータ可読媒体において具現化されるコンピュータプログラム製品であって、該コンピュータプログラム製品は、コンピュータ上で実行される際に、
標本がエリアスキャンカメラによってスキャンされることを可能にするために、標本装着ユニットの上面に該標本を装着するステップであって、該エリアスキャンカメラは光学スキャン軸を有する、ステップと、
該エリアスキャンカメラで領域をスキャンして、そこからデジタル画像データを取得するステップと、
該エリアスキャンカメラに対する該標本の単一パスに基づいて、該標本の３次元画像を取得するために、該デジタル画像データを処理するステップと、
を該コンピュータに実行させ、
該標本装着ユニットの該上面は、該エリアスキャンカメラに対してある角度で傾斜し、その結果として、該光学スキャン軸が該標本装着ユニットの該上面に対して斜めになる、
コンピュータプログラム製品。
【請求項２７】
前記標本装着ユニットを単一平面に沿って、前記エリアスキャンカメラに対して移動させるステップをさらに備える、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品であって、
前記光学スキャン軸は、Ｘ，Ｙ，Ｚ３次元座標系においてＺ方向に沿って設けられている、
コンピュータプログラム製品。
【請求項２８】
前記標本装着ユニットの前記上面が前記エリアスキャンカメラに対して傾斜する前記角度は、２度と１０度との間である、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項２９】
前記標本装着ユニットの前記上面が前記エリアスキャンカメラに対して傾斜する前記角度は、撮像される標本の厚さに基づいて決定される、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３０】
前記エリアスキャンカメラは、複数のラインスキャンカメラを備え、該複数のラインスキャンカメラは、該ラインスキャンカメラのそれぞれが、該エリアスキャンカメラに焦点勾配を課す固有の焦点位置またはレンズ構成を受容するように、光学的に装着される、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３１】
前記複数のラインスキャンカメラのそれぞれは、撮像される前記標本のＸ軸およびＹ軸に沿った複数の隣接するピクセル位置を効果的にスキャンするように構成される、請求項３０に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３２】
前記標本装着ユニットは、前記単一平面に沿って一定速度で移動させられる、請求項２７に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３３】
Ｘ，Ｙ，Ｚ３次元座標系に関して、１回のスキャンで前記標本の３次元画像を取得するために、該標本のＺ方向画像がＸ方向画像およびＹ方向画像と共に取得される、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３４】
前記標本装着ユニットは、少なくとも１つの超音波圧電モータを用いて移動させられる、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３５】
前記標本装着ユニット上の前記標本を単一平面に沿って移動させることにより、前記エリアスキャンカメラに焦点勾配が投射され、該エリアスキャンカメラの前記光学軸はＸ，Ｙ，Ｚ３次元座標系におけるＺ方向に対応する、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品であって、
前記処理するステップは、前記傾斜角度と同じ平面内のセンサ寸法にわたって取得される、異なる焦点深度をサンプリングするステップ、をさらに包含し、
該処理するステップは、該エリアスキャンカメラに対する該標本装着ユニットの単一パス内で、その結果として該標本の３次元画像を取得する、
コンピュータプログラム製品。
【請求項３６】
前記標本の３次元画像は、前記エリアスキャンカメラに対して前記単一平面上で移動させられた前記標本装着ユニットの単一パスに基づいて取得され、該単一平面は、該単一パスの間に、該エリアスキャンカメラのさらに近くへ、またはそれからさらに遠くへの、該標本の移動をもたらす、請求項２７に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３７】
ベイヤーパターンに基づいて、前記エリアスキャンカメラによって取得された前記デジタル画像データ内の、ＲＧＢ色識別のための一対の色成分を決定するステップと、
補間によって、該ＲＧＢ色識別のための第３の色成分を決定するステップと、
をさらに備える、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｄａｔａ  Ｆｒｏｍ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｓａｍｐｌｅｓ」と題された米国仮特許出願第６０／７７１，８９３号（２００６年２月１０日出願）に対する優先権を主張し、該仮特許出願は、その全体が本明細書において参考として援用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、概して、顕微鏡媒体上またはその中に装着された標本のデジタル画像を取得するためのシステムおよび方法およびコンピュータプログラム製品に関し、より具体的には、フィールドの深度を拡張した高解像度画像の迅速な獲得のためのシステムおよび方法に関する。ある実施形態において、本発明は、透過光画像診断法を使用する、光学的に厚い標本のデジタル化に特に適した、多焦点面画像を提供する。
【背景技術】
【０００３】
顕微鏡媒体のデジタル化には、臨床的および研究的に大きな関心が寄せられている。これは、コンピュータ化された自動および半自動の画像処理および分析における、必要不可欠な第１のステップである。加えて、デジタル画像は、教育、訓練、熟達度試験、および病理学との連携のために、次第に多く使用されるようになっている。そのようなデジタル化の目的は、従来の光学的な透過光顕微鏡法で観察され得るものの忠実な表現を取得することである。したがって、工学技術的観点から、従来の顕微鏡法において実現されるものと同様の空間的（Ｘ、Ｙ、およびＺ次元）および放射測定的（スペクトルおよび光度計によるもの両方）な解像度の画像を生み出すことが必要である。さらに、画像は、検出可能なアーチファクトを含有せず、合理的な時間枠内に、例えば、顕微鏡スライド基板上の利用可能なすべてのフィールドについて５分未満で捕捉されるべきである。
【０００４】
顕微鏡媒体上に装着された、またはその中に収納された標本は、３次元物体である。したがって、標本をデジタル化すべき体積とみなすことが可能である。さらに、時間の次元をデジタル化して、４次元画像またはビデオデータシーケンスを得ることもできる。最近まで、デジタル顕微鏡法は、顕微鏡媒体内に装着または収納された標本のサブセットを表す不完全な体積の捕捉に限られていた。これは、高い空間解像度が必要とされる用途の場合に特に当てはまる。この制約の１つの理由は、従来の顕微鏡装置を用いて、任意の一時点にデジタル化され得る媒体の、視野または体積が制限されることに起因する。例えば、対物倍率４０倍において、有効画像寸法１０ｍｍ×１０ｍｍのカメラセンサは、０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍのフィールドの２次元サンプリングエリアを投射する。Ｚ方向におけるサンプリングは、システムのフィールドの光学的深さ（物体が鮮明に見える、Ｚ軸における距離）によって測定される。対物倍率４０倍において、従来の顕微鏡光学のフィールドの深度は、１マイクロメートルのオーダーである。したがって、本例では、１回ごとのカメラ露出時に、０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍ×０．００１ｍｍの体積の、焦点が合っている標本をサンプリングすることのみが可能である。この内在的な光学視野または体積よりも大きい体積をデジタル化するためには、拡大エリアの「モザイク」を形成するために、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向に隣接する場所において、複数の画像を捕捉することが必要である。高い光学倍率、例えば対物倍率４０倍においては、程よいサイズの体積でさえもすべての次元で網羅的に（ｅｘｈａｕｓｔｉｖｅｌｙ）デジタル化するためには、何万ものそのような画像を捕捉することが必要となり得る。機械的なステージの移動とカメラ露出時間との大きな相乗効果により、これは、一般に、数時間もの獲得時間をもたらす。
【０００５】
網羅的なデジタル化に対するさらなる制約は、関連する大型データファイルサイズであり、それは、目視によるか自動的であるかにかかわらず、これらのファイルの格納、ネットワーキング、および処理のために高価なハードウェアを必要とした。この制約は、近年、計算能力の向上、より速いネットワーク、低コストのストレージ、および、ＪＰＥＧ２０００のような、このようなアプリケーションのために設計された新しい画像フォーマットによって取り組まれてきた。本発明に特に関連するＪＰＥＧ２０００フォーマットは、多焦点面画像内に存在する冗長な情報を活用することができるマルチコンポーネント変換モジュールから成り、関連ファイルサイズを大幅に削減し、空間的３次元画像を処理する効率を増大させる。
【０００６】
従来のアプローチの主な欠点は長期にわたる獲得時間であるが、さらなる欠点は、各個別の視野画像を単一のモンタージュに自動的かつ「シームレス」にモザイク化する必要性である。これらの従来のデジタル化に関する問題については、先行技術、例えば特許文献１において詳細に考察されている。
【０００７】
近年、いくつかのシステムが、顕微鏡ベースのデジタル化の従来の方法に関連する獲得速度の問題に取り組んできた。これらのシステムはこの目的において成功を収めているものの、それらは概して２次元（ＸおよびＹ）のみで網羅的にサンプリングするものである。したがって、デジタル化に使用される光学のフィールドの深度よりも光学的に厚い標本に対しては、これらのシステムは部分的に焦点を合わせた画像のみを生み出す。本発明は、ｘ次元およびｙ次元でのサンプリングと同時に、ｚ次元をも網羅的にサンプリングするための方法を提供することによって、この欠点に取り組むものである。
【０００８】
Ａｐｅｒｉｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．は、よく知られた平台型文書スキャナと同様の方式で操作される線形アレイカメラおよび移動ステージを備える、特許文献１に記載されているＳｃａｎＳｃｏｐｅシステムを開発した。このシステムは、各空間的位置において単一面焦点を捕捉し、光学的に厚い標本の部分的に焦点を合わせた画像をもたらす。この効果を削減するために、当該システムは、スキャニングステージを標本全体にわたる最適焦点のエリアへ方向付ける焦点マップを取得するためのプレスキャンステージを備える。
【０００９】
Ｉｎｔｅｒｓｃｏｐｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．は、エリアスキャンカメラと、移動ステージと、当該移動ステージによる画像ブレを排除するストロボ光源とを備え、特許文献２に記載されている、Ｘｃｅｌｌｅｒａｔｏｒシステムを開発した。獲得速度の問題は、ステージが常に移動していることにより取り組まれており、これによって従来のＳｔｏｐ‐Ｃａｐｔｕｒｅ‐Ｇｏ（停止・捕捉・進行）システムに関連する遅延期間を排除する。このシステムもまた、単一面焦点において画像を捕捉し、プレスキャン焦点マッピングシーケンスにより焦点誤差を最小化する。
【００１０】
ＤＭｅｔｒｉｘ，Ｉｎｃ．は、スライドを並列に撮像し、それによって超高速スキャニング時間に到達することができる小型光学アレイを備えるＤＸ‐４０システムを開発した。このシステムは速い獲得時間を実現しているが、それは、媒体の各パス中、単一面焦点においてのみ実現される。このシステムは、特許文献３に記載されている。
【００１１】
単一面焦点においてデジタル化するシステムにおける主要問題は、スキャニング中、標本の可能な限り多くの部分が鮮明に見えるような、最適Ｚ位置を維持することである。Ｔｒｅｓｔｌｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは、光学軸に対してカメラまたはカメラセンサを傾けることによって焦点情報を取得するための、特許文献４に記載されている方法を開発した。この焦点情報は、二次画像捕捉シーケンスのためにＺ軸を位置付けるために使用された。
【００１２】
単一面焦点システムのさらなる不利点は、スケーラビリティの欠如である。複数の焦点面を捕捉するようにこれらのシステムを転換するためには、必要とされるそれぞれのさらなる焦点面について、標本全体のさらに１回のスキャンを実行することが必要である。これは直列的に実行されなければならないために、このアプローチに関連する時間ペナルティは乗法的である。さらに、各焦点面は、正確な３次元画像を生み出すために、相互整合されていなくてはならない。これは、各スキャン中の位置誤差の蓄積のために、月並みな操作ではない。
【００１３】
スライドデジタル化の分野における関連特許は、とりわけ、「Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ  ｉｍａｇｅ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｆｏｒ  ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｃｏｄｅｄ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍｓ」と題された特許文献５、および「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｌａｓｅｒ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｆ  ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ  ｓａｍｐｌｅｓ」と題された特許文献６、を含む。
【特許文献１】米国特許第６，７１１，２８３号明細書
【特許文献２】国際公開０３／０１２５１８号パンフレット
【特許文献３】国際公開２００４／０２８１３９号パンフレット
【特許文献４】国際公開２００５／０１０４９５号パンフレット
【特許文献５】国際公開０３／０７３１５３号パンフレット
【特許文献６】米国特許第６，０７２，６２４号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、顕微鏡媒体上またはその中に装着された標本を、Ｚ次元を付加的且つ網羅的にデジタル化するための複数の焦点面の捕捉と同時に、高いＸおよびＹの空間解像度で、迅速にデジタル化するための方法を提供する。好適な用途において、これは、媒体の平面が（したがって標本の平面が）光学軸に対して直角に配置されないようにするために、顕微鏡媒体を光学軸に対して傾斜させることによって達成される。
【００１５】
一局面において、本発明は、ＸおよびＹの単一面焦点のみを捕捉するシステムと同様の時間枠内で、従来の顕微鏡法において観察され得るものに匹敵するＸ、Ｙ、およびＺの空間的解像度を有する、３次元画像を提供する。
【００１６】
別の局面において、本発明は、複数の焦点面が単一平面に合成的に圧縮される画像を提供し、それによって単一の画像内の焦点が合っている画像物体すべてをレンダリングし、視覚的評価およびコンピュータ分析の両方の間に画像を３次元的にナビゲートするための要件を除去する。
【００１７】
本発明の一局面によるデジタル画像収集システムは、領域をスキャンしてそこからデジタル画像データを取得するように構成されるエリアスキャンカメラであって、光学スキャン軸を有するエリアスキャンカメラを含む。当該システムはまた、標本がエリアスキャンカメラによってスキャンされることを可能にするために、その上面に装着された標本を受容するように構成される標本装着ユニットを含む。標本装着ユニットの上面は、エリアスキャンカメラに対してある角度で傾斜し、その結果として、光学スキャン軸は標本装着ユニットの上面に対して斜めになる（直角でない）。
【００１８】
本発明のさらに別の局面によるデジタル画像収集方法は、標本がエリアスキャンカメラによってスキャンされることを可能にするために、標本装着ユニットの上面に標本を装着するステップであって、エリアスキャンカメラは光学スキャン軸を有する、ステップを含む。当該方法は、エリアスキャンカメラで領域をスキャンして、そこからデジタル画像データを取得するステップを、さらに含む。当該方法は、エリアスキャンカメラに対する標本の単一パスに基づいて、標本の３次元画像を取得するためにデジタル画像データを処理するステップを、さらに含む。標本装着ユニットの上面は、エリアスキャンカメラに対してある角度で傾斜し、その結果として、光学スキャン軸は標本装着ユニットの上面に対して斜めになる。
【００１９】
本発明のさらに別の局面によると、コンピュータ可読媒体において具現化されるコンピュータプログラム製品であって、コンピュータにおいて実行される際に、標本がエリアスキャンによってスキャンされることを可能にするために、標本装着ユニットの上面に標本が装着された後、光学スキャン軸を有するエリアスキャンカメラで領域をスキャンして、そこからデジタル画像データを取得するステップをコンピュータに実行させる、コンピュータプログラム製品が提供される。次いで、コンピュータは、エリアスキャンカメラに対する標本の単一パスに基づいて、標本の３次元画像を取得するためにデジタル画像データを処理するステップを実行する。標本装着ユニットの上面は、エリアスキャンカメラに対してある角度で傾斜し、その結果として、光学スキャン軸は標本装着ユニットの上面に対して斜めになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本明細書に組み込まれその一部を構成する添付図面は、本発明の例示的な実施形態を示し、上述の概要および以下に記載する実施形態の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明する役割を果たすものである。
【００２１】
以下、図面を参照して本発明が説明される。これらの図面は、本発明のシステムおよび方法およびプログラムを実装する、特定の実施形態のある詳細を示す。しかしながら、図面によって本発明を説明することは、図面中に存在し得る何らかの制限を本発明に課すものと解釈されるべきではない。本発明は、その操作を達成するために、任意の機械可読媒体における方法、システム、およびプログラム製品を想定する。本発明の実施形態は、現存するコンピュータプロセッサを使用して、または、この目的もしくは別の目的で組み込まれた特殊用途コンピュータプロセッサによって、または有線システムによって、実装され得る。
【００２２】
上述したように、本発明の範囲内の実施形態は、そこに格納された機械実行可能命令またはデータ構造を担持または有するための、機械可読媒体を備えるプログラム製品を含む。そのような機械可読媒体は、汎用もしくは特殊用途コンピュータ、またはプロセッサを有するその他の機械によってアクセスされ得る、任意の利用可能な媒体であり得る。例として、そのような機械可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ‐ＲＯＭ、もしくはその他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージもしくはその他の磁気ストレージデバイス、または、機械実行可能命令の形態の所望のプログラムコードもしくはデータ構造を担持もしくは格納するために使用され得、汎用もしくは特殊用途コンピュータ、もしくはプロセッサを有するその他の機械によってアクセスされ得る、その他の任意の媒体を含み得る。ネットワークまたは別の通信接続（有線、無線、または有線もしくは無線の組み合わせ）を介して情報が機械へ転送または提供されると、当該機械は、当該接続を正当に機械可読媒体とみなす。したがって、そのような接続はいずれも、正当に機械可読媒体と称される。上記の組み合わせもまた、機械可読媒体の範囲内に含まれる。機械実行可能命令は、例えば、汎用コンピュータ、特殊用途コンピュータ、または特殊用途処理機械に、ある一定の機能または機能群を実行させる命令およびデータを備える。
【００２３】
プログラムコードなどの機械実行可能命令を、例えばネットワーク化された環境内で機械によって実行されるプログラムモジュールの形態で含むプログラム製品によって、一実施形態において実装され得る方法ステップの一般的な文脈において、本発明の実施形態が説明される。一般的に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行する、または特定の抽象データ型を実装する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。機械実行可能命令、関連するデータ構造、およびプログラムモジュールは、本明細書において開示する方法のステップを実行するための、プログラムコードの例を表す。そのような実行可能命令の特定のシーケンスまたは関連するデータ構造は、そのようなステップに記載される機能を実装するための対応する行為の例を表す。
【００２４】
本発明の実施形態は、プロセッサを有する１つ以上のリモートコンピュータとの論理接続を使用して、ネットワーク化された環境内において実践され得る。論理接続は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）およびワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を含み得、これらは、限定としてではなく例として本明細書において提示されている。そのようなネットワーキング環境は、事務所規模または企業規模のコンピュータネットワーク、イントラネット、およびインターネットにおいてありふれたものであり、多種多様な異なる通信プロトコルを使用することができる。当業者であれば、そのようなネットワークコンピューティング環境が、一般に、パーソナルコンピュータ、ハンドヘルドデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースまたはプログラム可能な家庭用電化製品、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、などを含む多種のコンピュータシステム構成を包含することを、理解する。本発明の実施形態はまた、通信ネットワークを介してリンク（有線リンク、無線リンク、または、有線もしくは無線リンクの組み合わせによって）されたローカルおよびリモート処理デバイスによってタスクが実行される、分散コンピューティング環境においても実践され得る。分散コンピューティング環境において、プログラムモジュールは、ローカルおよびリモートのメモリストレージデバイスの両方に配置され得る。
【００２５】
本発明のシステム全体または一部を実装するための例示的なシステムは、処理ユニットを含むコンピュータの形態の汎用コンピューティングデバイス、システムメモリ、および、システムメモリから処理ユニットまでを含む種々のシステムコンポーネントを連結するシステムバスを含み得る。システムメモリは、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含み得る。コンピュータはまた、磁気ハードディスクから読み出す／に書き込むための磁気ハードディスクドライブ、リムーバブル磁気ディスクから読み出す／に書き込むための磁気ディスクドライブ、および、ＣＤ‐ＲＯＭのようなリムーバブル光ディスクもしくはその他の光媒体から読み出す／に書き込むための光ディスクドライブを含み得る。ドライブおよびそれらの関連する機械可読媒体は、機械実行可能命令、データ構造、プログラムモジュール、およびコンピュータへのその他のデータの不揮発性ストレージを提供する。
【００２６】
概して、本発明は、標的媒体内の同じ空間的場所に複数のスキャニングシーケンスを実行することを必要とせずに少なくとも３次元画像情報を捕捉し、Ｚ次元を網羅的にサンプリングする光学的断面を取得するためのプレスキャン焦点マッピングステップおよびｚにおける複数画像捕捉を実行する要件を除去する、デジタル化システムを対象とする。好適な実施形態において、これは、図２に示すように、その上または中に標本が装着された媒体を、光学軸に対して傾斜させることによって実現される。画像面において焦点勾配を実現する代替的な方法が使用され得る。「画像フィールド（Ｉｍａｇｅ  Ｆｉｅｌｄ）」と標記されたエリアは、光学コンポーネントによって２次元カメラセンサ上に投射される３次元撮像体積を示す。この画像フィールドは、そのＸ、Ｙ、およびＺ次元によって特徴付けられる。この体積内の物体のみが、カメラセンサにおいて鮮明に表されることになる。画像フィールドのｘ、ｙ、およびＺ位置は、一般的に、光学コンポーネントの静的配置によって固定される。図１は、図２、図３、および図４において使用される直交座標系を示す。ＸおよびＺ次元は紙面と同一面内にあり、一方、Ｙ次元は紙面に対して直角であることに留意されたい。
【００２７】
図２は、カメラセンサと、チューブレンズと、対物レンズとを備える本発明の光学的構成を示し、ここでチューブレンズおよび対物レンズは、標準的な顕微鏡光学コンポーネントに対応する。図２にはまた、標本がエリアスキャンカメラによってスキャンされることを可能にするために、その上面に装着された媒体装着標本を受容する、標本装着ユニット（またはステージ）が示されている。標本装着ユニットの上面は、エリアスキャンカメラに対して角度αで傾斜し、その結果として、エリアスキャンカメラの光学スキャン軸は、標本装着ユニットの上面に対して直角でない（例えば、斜めになる）。図２はまた、現在エリアスキャンカメラによってスキャンされている標本の領域に対応する画像フィールドを示す。
【００２８】
画像フィールド外にある標本を網羅的に撮像するためには、現存するシステムにおいては、デジタル化される次の体積が画像フィールドの３次元エリア内に配置されるように、媒体を移動することが必要である。ＸおよびＹの変位は、一般的に、スキャニング電子機械ステージによって提供される。Ｚの変位は、一般的に、機械ステージによって、または、等価的に、圧電駆動型対物レンズ、またはその他一部のメカニズムもしくはメカニズムの組み合わせによって提供される。現存するシステムは、光学軸に対して直角な角度に媒体を配置し、Ｚ軸の面内サンプリングをもたらす。このアプローチの欠点は、標本のＺ次元を網羅的にサンプリングするために、画像フィールドのＺ次元を移動させて、複数の画像を捕捉する必要があることである。対照的に、本発明にしたがって媒体を傾斜させることによって、焦点勾配がカメラセンサに投射され、その結果として、センサ全体にわたって異なる焦点深度がサンプリングされる。傾斜角度が十分であれば、Ｚ軸におけるさらなる移動なしに、標本のＺ次元を網羅的にサンプリングすることが可能である。標本を３次元で網羅的にサンプリングするために次に必要となるのは、サンプルをＸおよびＹ次元において移動することのみである。
【００２９】
標本のｚ次元を網羅的にサンプリングするために必要な傾斜角度は、標本の光学的厚さｄｔと、フィールドにおける投射されたセンサ寸法ｄｓとの比として算出され得る。この比は、光学軸に対する直角からの角度として、アークタンジェント（ｄｔ／ｄｓ）によって表され得る。一例として、比較的厚い標本についてさえも、この角度は小さいままであることを示す。標本の光学的厚さが２０マイクロメートル、対物倍率が４０倍、カメラセンサが１０ミリメートルの面内寸法を有すると仮定した場合には、必要な傾斜角度は、わずか４．５７度（アークタンジェント（０．０２／（１０／４０））である。フィールドの光学的深さｄ０が１マイクロメートルであると仮定すると、この角度は、従来のシステムよりも２０倍大きいフィールドの有効深度を与える。限定ではなく例として、傾斜角度は、標本をスキャンするために使用されるカメラの光学軸に対して２度と１０度との間で変化し得る。
【００３０】
好適な実施形態において、エリアスキャンカメラは、画像面内において撮像センサとして使用される。代替的な実施形態は、それぞれが、エリアスキャンカメラに焦点勾配を課す固有の焦点位置またはレンズ構成を受容するように、光学的に装着された一連のラインスキャンカメラを含み得る。当業者には、その他の構成も想起される。図３は、ピクセル列が移動の一次Ｘ方向と平行であり、かつピクセル行がこの方向に対して直角であるような、エリアスキャンカメラの図を示し、そこにはフィールドの光学的深さもまた示されている。画像センサにおける焦点勾配は浅く、その結果として、隣接するピクセル行は、極めて類似した焦点位置に対応する。好適な実施形態において、ＸおよびＹ次元のサンプリングは、後述するようにフィールド面における媒体の一次および二次移動によって行われ得るので、Ｚにおいて隣接するピクセル行のみを読み出せば十分である。したがって、センサ全体にわたってＭ＝ｄｔ／ｄ０等間隔の行を読み出すだけでよく、すなわち、上記の例の、２０マイクロメートルの標本の光学的深さおよび１マイクロメートルのフィールドの深度を使用して、２０行を読み出すだけでよい。現代のデジタルカメラにおいて、このカメラピクセルのサブサンプリングは、フレームレートの直線的増加をもたらす。それ故に、１０２４×１０２４デバイスから１×１０２４の２０行のみが捕捉される場合には、ピクセルの２％未満しか必要とされないことから、カメラフルフレームのフレームレートに５０倍乗数をもたらす。カメラのスループットが設計における唯一の制限要素である場合には、これは、極めて高速の３Ｄ画像捕捉を援助する。
【００３１】
エリアスキャンカメラは、固有のｚ位置に光学的に配置さられた一連のラインスキャンカメラとして効果的に作用する。異なる倍率、フィールドの有効深度、およびＺサンプリングレートに対してソフトウェア内においてピクセル行が選択され得るために、本発明の柔軟性の貴重な源はここにある。隣接するピクセル行は、カメラ光学部品のフィールドの深度および媒体の傾斜角度に関する知識によって、Ｚ次元において標本を完全にサンプリングするように選択され得る。
【００３２】
媒体は、傾斜角度の方向に対して平行な、一次Ｘ方向に移動させられる。この移動は、各画像露光時間枠中に、投射されたピクセル幅１つ未満分だけ媒体が移動するような、一定速度で行われる。各露光期間において、Ｍ個のＺ隣接ピクセル行がカメラから読み出される。次の露光期間は、一次移動方向において同じピクセル行が前の期間に捕捉されたものに対して厳密に隣接するように、時間調整される。図４は、このプロセスがＮ回の露光（Ｎは正の整数である）について反復される場合には、捕捉されるピクセル行は、Ｘ，Ｙ、およびＺ次元において互いに効果的にスタックし、それによって３次元画像を作成することを示す。図４は、ＸおよびＺのデジタル化プロセスのみを表示する断面図であることに留意すべきである。Ｙ軸デジタル化は、図１によって定義されるように、これに対して垂直に発生する。第１露光において、捕捉されるピクセルは、黒色ピクセルとして示される。第２露光において、以前に捕捉されたピクセルに隣接するピクセルが捕捉され（それらの新たに捕捉されたピクセルは、一次移動方向に関して、以前に捕捉されたピクセルの真後ろにある）、灰色ピクセルとして示される。第３露光において、第３露光で以前に捕捉されたピクセルに隣接するピクセルが捕捉され、灰色ピクセルとして示される。このプロセスは第Ｎ露光まで反復され、標本の３次元画像を取得するために、この時までにピクセルはすべて捕捉されている。
【００３３】
媒体は、同じ方向における標本の寸法以上の距離だけ、一次方向に移動させられる。これに満たない距離は、標本のサブサンプリングをもたらすことになり、それは、一部の実施形態において望ましい場合がある。これは、ＸおよびＺにおいて標本を網羅的にデジタル化するが、Ｙ次元は、カメラセンサのＹ次元および光学機器の倍率によって決定される距離においてのみサンプリングされる。Ｙ次元において標本を網羅的にデジタル化するために、一次方向に対して直角な二次方向に媒体を移動させることによって複数の観測幅がデジタル化され、ラスタスキャンパターンをもたらす。この二次移動の距離は、好ましくは、連続する観測幅がフィールド面におけるカメラのセンサの投射されたｙ次元と隣接するようなものである。
【００３４】
上記の説明は、Ｍ個の隣接する焦点Ｚ位置に対応して単一ピクセル幅の行が集められる方法に関するものである。当業者には、この方法で単色画像情報を捕捉することのみが可能であることが明らかである。一部の実施形態において、マルチスペクトルデータを捕捉することが必要となり得る（ここで、赤色−緑色−青色（ＲＧＢ）が一例であり、ヒトによる視覚的評価に適している）。本発明は本質的にマルチスペクトルまたは多重波長データの捕捉に役立つ。一連のラインスキャンカメラとしてエリアスキャンカメラを使用するという類推は、この概念を組み込むために拡張され得る。ＲＧＢラインスキャンカメラは、一般的に、例えば、各列がＲＧＢ成分のうちの１つのみを集めることに関与する、３列のピクセルで構築される（通常、各ピクセルにおいてバンドパスマイクロレンズフィルタを使用する）。フィールド内でデジタル化されるべき各空間的位置は、列のそれぞれごとに連続的にサンプリングされ、その結果として、本発明によって集められた３Ｄ情報と同様の方法でＲＧＢデータが集められる。これまでに記述した本発明は、各Ｘ，Ｙ，Ｚ空間的位置を１度だけデジタル化するものであり、それ故に、単色画像捕捉のみを可能にするものである。しかしながら、Ｍ個の隣接するＺ位置のそれぞれにおいて１行ではなくＬ行を捕捉することによって、マルチスペクトル画像捕捉が単純明快となる。図５は、問題のＭ個のカメラセンサ領域の１つだけが考慮される、ＲＧＢ事例に関する例を示す。本例においては、単色カメラであると仮定する。各露光期間において、第１の光の波長（この場合、赤色）を使用して、Ｌ行すべてが露光される。次の露光期間において、光源によって第２の光の波長（この場合、緑色）が放出され、Ｌ行すべてが再度捕捉される。マルチスペクトル光源のＬ個の波長すべて（この場合、Ｌ＝３）について、これが反復される。Ｌ個すべての波長がサンプリングされると、すべてのピクセルがすべての波長のデータを有するようにプロセスが反復される。このプロセスは、ＲＧＢラインスキャニングの模倣として視覚化するために最も単純なものであるが、しかしながら、本発明は、ＲＧＢにも３つの光の波長にも限定されない。
【００３５】
マルチスペクトル画像捕捉中、Ｍ行のそれぞれは、画像センサにおいて課される焦点勾配のために、Ｚにおいて完璧には整列されていないことに留意すべきである。少数の波長（例えば、ＲＧＢを表す３）については、ｚにおけるこの差異は無視し得るものである。さらに、マルチスペクトル画像データは、ヒトによる視覚的評価のためのもの（すなわち、ＲＧＢ）であるために、組み合わせられることは稀であり、ここで各スペクトル成分は画像を生成するために同時に使用される。この点は、多数の診断マーカ（任意で、量子ドットまたはその他一部の信号増幅技術を用いる）が異なる光の波長で信号を放出する、多重化された標本スライドの事例を考えることによって拡大される。通常、これらの信号のそれぞれの定量化は、初めには独立に処理される（しかし、初期定量化データに対して後に適用される、データ融合および多次元パターン認識方法があり得る）。それ故に、各信号に関するマルチスペクトルデータがＸ、Ｙ、およびＺにおいて網羅的にサンプリングされる限り、これらの信号のそれぞれがＺにおいて空間的に整列されることは、基本要件ではない。
【００３６】
ＲＧＢデータ捕捉の問題に関して、本発明は、マルチスペクトル光源と併せて単色カメラが使用される上記の場合に限定されない。ほとんどの「カラー」カメラは、ＲＧＢデータを捕捉するためにベイヤー（Ｂａｙｅｒ）マスクアプローチを用いる。ベイヤーマスクの例を図６に示す。ここで、各ピクセルは、単一の光の波長からスペクトルデータを集めるのみであり（実際には、これらのカメラにおいては広帯域ＲＧＢフィルタが用いられるが、しかしながら、説明を簡単にするためにここでは単一の波長であると仮定する）、捕捉後の補間プロセスにより、各ピクセルについて完全なＲＧＢデータが取得される。この種のカメラは、上述したものと同様の技術を用いることによるＲＧＢ画像捕捉に関して本発明に適合する。この場合、Ｍ個の隣接するＺ位置のそれぞれにおいて、単色の場合の１行ではなく２行が捕捉される。図７は、各露光期間において２行を捕捉することによって、部分色情報がどのように集められるかを示す。図示は、ピクセルマスクがそれぞれ緑色‐赤色および緑色‐青色である場合の、これらの２行のうちの最初の２列を考慮するものである。ベイヤーパターンにより、赤色および青色の２倍の緑色ピクセルがある場合、そのような画像捕捉の完了時に、すべてのピクセルが緑色情報および赤色または青色を含有することになる。これを図８に示す。続いて、従来のＲＧＢ色捕捉と同様の方法の補間により、各ピクセルについて残りの色成分が取得される。従来の色補間よりも優れた本発明の利点は、各ピクセルにおいて、２つではなく１つのみの色成分が補間されることである。赤色、緑色、もしくは青色データのみ、または、これら３個のスペクトル成分のうちの１つ、２つ、もしくはすべての任意の組み合わせを捕捉するために、ベイヤーカメラがまた使用され得ることは、当業者によって認識される。
【００３７】
上記の例は、標本が、完全に媒体を有する面内にあり、その結果として、さらなる調整なしに、ｚ画像「スタック」がすべての物体を捕捉することを仮定したものである。本発明は大幅に拡張されたフィールドの深度を捕捉するが、実際には、標本は、媒体全体にわたりｚにおける単一の位置にはない。画像フィールドのｚスキャニング位置が固定される場合には、この変差は、本発明のフィールドサンプリングの拡張された深度を上回り、焦点がずれた画像をもたらし得る。したがって、一部の実施形態において、Ｚスタック位置全体が、媒体平面性および標本付着の変動を可能にするように、標本全体にわたって調整される。リアルタイム焦点情報が当該技術において内在的なものであるために、これは本発明において容易に実現される。標準的な技術を使用して、各Ｘ，Ｙ空間的位置について焦点尺度が算出される。次いで、標本をスタック内に設置するために、必要に応じてＺスタック位置全体が微調整される。焦点情報は、完全なＺ情報が利用可能な位置についてのみ算出され得る。本発明におけるこのデータの蓄積の待ち時間により、この情報は、スキャニング方向における投射された画像センサ寸法と等しい距離によって補正される。焦点偏差はＺ再位置決めの応答時間と比較してはるかに漸次的であることから、この待ち時間は、実際に焦点調節精度に影響を及ぼさない。それ故に、画像フィールドのＺ位置に対する微調整は、同じ空間的位置でマルチパスを行うという要件なしに可能である。
【００３８】
傾斜角度は、最終３Ｄ画像データに２つのアーチファクトを課す。第１のアーチファクトは、垂直なＺ次元が傾斜角度によって斜行するものである。これは、修正されていない画像データにおいてＺ次元を介して物体を見た際に、わずかな横方向の空間的シフトが観察され得ることを意味する。これは、画像リサンプリング平行移動ポストプロセスにより、自明に修正される。さらに、横方向シフトは、スキャニング傾斜角度が捕捉されたデータすべてに対して一定の修正を行うという知識によって、よく特徴付けられる。第２のアーチファクトもまた、斜行した垂直次元によるものである。顕微鏡の光学的構成のブレ機能は双円錐であるとみなされ得、ここで、各円錐の点は、最適焦点の面において交差する。標本が、これらの円錐の中で完全に直交する向きで、焦点はずれとなる場合には、形成される画像も一様に焦点はずれとなる。しかしながら、標本がこれらの円錐内に斜めに配置され、やはり焦点はずれである場合には、形成される画像は、一様な焦点はずれとはならない。この第２のアーチファクトは、小さな傾斜角度に対しては軽微なものであり、目視による分析にも自動分析にも用いられない、焦点のずれた画像データにのみ適用可能である。しかしながら、このアーチファクトはまた、例えばウェーブレットベースの画像処理と、それに続く一様な焦点はずれ画像データの再合成による、拡張フィールド深度算出を含む、多数の手法で修正可能である。
【００３９】
本発明のデバイスおよび方法は、従来の顕微鏡法に極めて類似した方法でナビゲートされ得る３次元画像を提供する。より重要なことには、標本の焦点情報が網羅的に表されることにより、その他のシステムにおいて重大な焦点情報の欠如によって起こり得る、病理を誤って解釈する可能性を削減する。
【００４０】
さらに、焦点画像情報は、すべての物体が合成的に焦点合わせされている単一平面に折り畳まれ得る。これは、画像分析の当業者に公知の方法を使用して実現され得、例えば、ウェーブレット分解と、それに続く係数選択およびウェーブレット再構成を備え得る。この種の画像は、再度の焦点合わせを必要としない、より効率的な画像ナビゲーションを含み、それにより、複数の焦点面を処理し結果を併合する必要のない、ロバストで効率的な画像処理を可能にする、いくつかの使用法を有する。
【００４１】
ここで図９を参照すると、本発明の一実施形態による、デジタル画像データを収集する方法が説明されている。第１のステップ５１０において、標本装着ユニットの上面に標本が装着され、標本がエリアスキャンカメラによってスキャンされることを可能にし、エリアスキャンカメラは光学スキャン軸を有する。上述のように、標本装着ユニットの上面は、エリアスキャンカメラに対してある角度で傾斜し、その結果として、光学スキャン軸は標本装着ユニットの上面に対して直角ではない（例えば、斜めになる）。第２のステップ５２０において、エリアスキャンカメラで領域がスキャンされ、そこからデジタル画像データが取得される。このステップの間、標本装着ユニットは、図面の図３に示す一次移動方向に移動させられ、当該移動は好ましくは一定速度である。第３のステップ５３０において、エリアスキャンカメラに対する標本の単一パスに基づいて、標本の３次元画像を取得するために、デジタル画像データが処理される。
【００４２】
上述した本発明の方法は、以下の設計基準を満たすスキャニング撮像顕微鏡を使用して実行され得る。顕微鏡ステージの主要な要件は、標本が、高位置精度および絶対的な一定速度で、光学的中心線に対して斜角で移動させられることである。これらの２つの要件を実現するために、本発明の顕微鏡は、従来のスキャニング電子機械ステージに改良を組み込む。
【００４３】
ほぼすべての市販の顕微鏡のステージは、３本の運動軸、すなわち、光学軸に対するスライドの平行移動を表すＸおよびＹ、ならびに焦点軸を表すＺを組み込む。Ｘ軸およびＹ軸を移動させるために、親ネジが、一般的には循環式玉軸受ネジが使用される。焦点軸、つまりＺ軸には、一般的にギアラックアンドピニオンシステムが使用される。一般的に５０ナノメートル未満の解像度のために努力するときには、これらのシステムは次善の策である。これらの高解像度を達成するためには、別の運動システムが必要である。
【００４４】
高解像度画像は、優れたシステム剛性を要求する。ステージ運動軸のためのこの安定なプラットフォームを実現するために、本発明によるスキャニング撮像顕微鏡は、顕微鏡フレームに対する剛な非可動式装着具を有するように設計される。これは、ステージアセンブリもまた焦点軸において移動する、従来の顕微鏡フレームとは対照的である。このアセンブリから焦点軸を排除することによって、Ｘ／Ｙスキャニングステージは、フレームに対して堅固に締め付けられる。この剛な装着具の中で、運動軸のうちの１本を顕微鏡の光学軸に対して斜角に配置することが可能なように、設計されている。この斜角は、上述したように、撮像のために使用される光学機器の特性および倍率によって決定される。
【００４５】
焦点軸、つまりＺ軸は、ステージ形状から独立しており、顕微鏡アセンブリのカラムコンポーネントに独立に装着される。焦点運動軸は、光学軸に対して幾何学的に平行であり、ＸおよびＹステージ運動の間の相互作用の可能性を排除する。
【００４６】
運動システムにおけるナノメートル分解能と、高い幾何学的精度とを実現するために、可動部材は、精密な耐磨耗性の玉軸受またはころ軸受上に装着され、正確にプリロードされ、ヨー、ピッチ、およびロール誤差を最小化する。システムの原動機は、１ナノメートルまでの運動分解能が可能なセラミックの圧電リニアモータである。当該システムは、ナノメートル分解能で位置決め情報を提供する光学エンコーダを有する、閉ループサーボモードで動作する。
【００４７】
ドライブエレクトロニクスは、セラミックの圧電モータをそれらの共鳴周波数で動作させるために必要な超音波周波数を発生させる増幅器を駆動する、市販のサーボコントローラを含む。光学エンコーダは、サーボコントローラへ直接的に給電し、次にそれはモータを動作させ、カメラフレーム取り込み、パルス照明源、焦点運動などのためのトリガパルスを提供する。
【００４８】
自動処理では、さらなるスライド処理、すなわち、スライドマーキング、自動スライド装填、低解像度撮像、などのためのアクセスを提供するために、ステージ運動軸のうちの１本が拡張され得る。
【００４９】
以下に、図１０、図１１、および図１２を参照して、本発明の一実施形態によるデジタルデータ収集デバイスの説明を記載する。ここで図１０を参照すると、顕微鏡フレーム１は、デジタルデータ収集デバイス（本明細書においては「顕微鏡」とも称される）用の堅固に構築された装着具であり、焦点調節アセンブリ、照明システム、および撮像カメラ用の装着具である。ステージ装着部２は、調整可能なジンバル上に吊着されたステージアセンブリ２Ａを堅固に支持する。ステージアセンブリの両端が支持され、適所に堅固に留められる。インデックス軸は光学軸に対して垂直であり、スキャニング軸は、所定量、例えば６度まで、光学軸に対して斜めに調整可能である。照明源３が提供され、１つ以上の照明システムに対応するように構成される。カメラ／チューブレンズアセンブリ（図１０には示さず）を顕微鏡フレーム１に堅固に締め付けるために、カメラ架台４が提供される。カメラ架台４は、顕微鏡の光学軸と同心円上で回転し得る。カメラ方位調整５が提供され、スキャニング軸をカメラピクセルアレイと正確に整列させるために、ユーザによって為される顕微鏡カメラ方位角調整が可能となる。
【００５０】
ここで、顕微鏡のステージアセンブリ２Ａを主として示す図１１を参照すると、顕微鏡の光学軸が線６によって示されている。傾斜しているステージスキャニング軸を除き、その他すべてのシステムは、光学軸６に対して平行または垂直である。線７は、ジンバルの回転のステージ中心を示し、ステージアセンブリのスキャニング軸を、光学軸６に対して斜角に回転させる。ステージの回転中心７は、標本画像面上にある。線８は、標本保持メカニズム（標本スライド１２を保持する）を支持するスライドシステムのためのスキャニング軸を示す。スキャニング軸８は、スライド装填などのその他の動作に適応するために、さらに延伸する。線９は、スライドシステムがスキャニング軸アセンブリのインデックス作成をしそれを支持するための、顕微鏡のインデックス軸を示す。インデックスシステムは、本実施形態の考えられる１つの実装において、超音波圧電モータの作用によって駆動される。図１１はまた、焦点システム１０を示す。焦点システムは、顕微鏡対物６Ａを光学軸６上に置くスライドシステムを含み、画像焦点を実現するために光学機器を微細に位置決めする能力を有する。焦点システムは、本実施形態の考えられる１つの実装において、超音波圧電モータの作用によって駆動される。従来の顕微鏡とは対照的に、スライドシステムは、無限遠に修正される対物レンズのみを移動させる。図１１は、圧電モータハウジング１１をさらに示し、当該ハウジングは、焦点システムの動作のために使用される超音波圧電モータを内蔵する。超音波圧電モータは、１ナノメートル程度の小さい移動を行う能力を有する。図１１はまた、標本スライド１２を示し、当該スライドは、標準的な２５×７５×１ｍｍの実験室用スライド、またはその他任意の種類のスライドであり得る。
【００５１】
図１２は、本発明の一実施形態による顕微鏡の一部の詳細を示し、ここでは、ジンバル装着構造と、光学軸に対する傾斜の程度を示すキャリブレーションとが示されている。さらに詳細に述べると、傾斜角グラデーション設定線１３（ジンバル上に設けられている）が、それぞれ光学軸に対するスキャニング軸の傾斜角を示す複数の傾斜角グラデーション１３Ａ（ステージアセンブリ上に設けられている）の１つに設定され、これによって、当該設定線１３と線グラデーションのうちの１つとのアラインメントが、定められた傾斜角（例えば、１度、２度、３度、など）に対応する。図１２はまた、駆動モータを内蔵するスキャニング軸駆動モータハウジング１４を示し、当該モータは、すべてのステージ運動軸およびスライドシステムをそれぞれ駆動するために使用される超音波圧電モータである。これらのモータは、１ナノメートル程度の小さい移動を行う能力を有する。
【００５２】
本発明のある実施形態を参照して、本発明が上記で説明され図面中に示されたが、本発明は、そのような実施形態に限定されるものではなく、それらは単なる例示にすぎない。本明細書における教示に鑑みて、当業者には変形形態、代替形態、および修正形態が想起されるが、そのような変形形態、代替形態、および修正形態はすべて、本発明の範囲内にあると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、図２、図３、および図４において使用される直交座標系を示す。ＸおよびＺ次元は紙面と同一面内にあり、一方、ｙ次元は紙面に対して直角であることに留意されたい。
【図２】図２は、光学軸に対して傾斜したフィールドを示す、本発明の光学的構成の２次元側面図であり、傾斜角度は説明目的のために大幅に誇張されている。
【図３】図３は、フィールドのＺ次元を網羅的にサンプリングするために必要とされるピクセルのサブセットを示す斜視図であり、傾斜角度は説明目的のために大幅に誇張されている。
【図４】図４は、顕微鏡媒体内の移動画像フィールドからの一連のスタックピクセルとして３次元画像情報が派生するプロセスを示す線図であり、傾斜角度は説明目的のために大幅に誇張されている。
【図５】図５は、本発明の一実施形態による、マルチスペクトル画像捕捉を示す。
【図６】図６は、カラー画像合成用のＲＧＢスペクトル情報を取得するためにカラーカメラにおいて使用される、ベイヤーパターン例を示す。
【図７】図７は、本発明の一実施形態にしたがって、ＲＧＢカラー画像を取得するために、本発明においてベイヤーカラーカメラがどのように使用され得るかを示す。
【図８】図８は、本発明の一実施形態にしたがって、ベイヤーカメラを使用して集められたスペクトルデータと、各画像ピクセルに対して１つだけの色成分がどのように補間されるべきかを示す。
【図９】図９は、本発明の一実施形態による、デジタル画像データ収集方法に含まれるステップを示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態による、デジタル画像データ収集デバイスの斜視図である。
【図１１】図１１は、標本装着エリアおよびカメラ装着エリアの詳細を示す、図１０のデジタル画像データ収集デバイスの部分図である。
【図１２】図１２は、ジンバル装着およびキャリブレーションの詳細を示す、図１０のデジタル画像データ収集デバイスの一部分の拡大詳細図である。
【図１】
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【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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【国際調査報告】
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