(57)【要約】【課題】ＣＭＯＳ画像センサを採用し乍らも高い感度を実現する撮像装置システムを提供する。【解決手段】画像増強器およびＣＭＯＳ画像センサを備える撮像装置システムが開示される。該システムは、高い捕捉速度および高感度を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射窓および出射窓を含む画像増強器であって、光電陰極と、ダイノードと、陽極と、蛍光物質面と備えて成る画像増強器と、
上記画像増強器の制御および給電を許容すべく構成されると共に、該画像増強器に対して作用的に接続された画像増強器用制御／電力供給ユニットと、
入力窓を有するＣＭＯＳ画像センサと、
入力窓および出力窓を有する光結合器であって、該光結合器の上記入力窓は上記画像増強器の上記出射窓に対して直接的に接続され、該光結合器の上記出力窓は上記ＣＭＯＳ画像センサの上記入力窓に対して直接的に接続されるという光結合器と、
上記ＣＭＯＳ画像センサに対して接続されたプロセッサであって、該プロセッサは上記ＣＭＯＳセンサからのデータを照会して処理すべく作用的に構成され、該プロセッサは更に上記画像増強器用制御／電力供給ユニットに対して接続されると共に利得制御信号および光電陰極ゲーティング命令信号を生成すべく作用的に構成されるというプロセッサとを備え、
上記利得制御信号および上記陰極ゲーティング命令信号は上記画像増強器用制御／電力供給ユニットに対して印加されることで上記画像増強器の過負荷制御が行われる、
撮像装置システム。
【請求項２】
前記画像増強器の前記蛍光物質面はＰ４３蛍光物質を備えて成る、請求項１記載の撮像装置システム。
【請求項３】
前記ダイノードはマイクロチャネル・プレートである、請求項１記載の撮像装置システム。
【請求項４】
入力用の光学的帯域通過フィルタを更に備えて成る、請求項１記載の撮像装置システム。
【請求項５】
複数の入力用の光学的帯域通過フィルタを更に備え、
上記複数の入力用の光学的帯域通過フィルタは、該光学的帯域通過フィルタを光路内へと順次的に挿入すべく作用的に構成されたモータ駆動式回転盤上に設置され、
上記モータ駆動式回転盤は位置制御手段を含む、
請求項１記載の撮像装置システム。
【請求項６】
前記入力用光学的フィルタの内のひとつのフィルタは全域通過である、請求項５記載の撮像装置システム。
【請求項７】
前記入力用光学的フィルタの内のひとつのフィルタは不透明である、請求項５記載の撮像装置システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に関する相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２００６年３月２２日に提出された米国仮出願第６０／７４３，６６０号の特典を主張する。
実施例においては、画像増強器（ｉｍａｇｅ  ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）を採用する撮像装置システムが開示される。
【背景技術】
【０００２】
従来における小寸サンプルの分析は、顕微鏡下における面倒で時間の掛かる分析を伴い得る。自動化された顕微鏡検査技術を用いれば、サンプルの更に効率的な分析が実施され得る。
【０００３】
たとえば、一般的な試験プロトコルはＦＩＳＨである。典型的にＦＩＳＨ分析は、熟練した顕微鏡検査技術者による組織サンプルの手動的検査により行われる。状態を正しく特定するためには、ドットおよびその色を正しく特定することに加え、他のサイズおよび形状の特性が分類されねばならない。該分析は、その現象により課される時間的制約により、更に困難とされる。故に顕微鏡検査技術者は、検証を実施するために十分に訓練されねばならない。しかし該プロセスは、最適な条件下においてさえも単調かつ冗長であり、人的エラーに繋がることが分かっている。
【０００４】
自動化された顕微鏡検査法が利用できれば、手動操作の欠点の多くを克服する可能性がある。自動的な顕微鏡は、人的操作者により導入される不可避の主観的要因なしで全てが適時な様式にて、組織サンプルにおける蛍光ドットを確実に特定し、それらの色を正確に決定し、形状およびサイズに基づいてそれらを分類し、且つ、目標状態の有無を決定するために必要な概略的分析を実施し得る。
【０００５】
普及している幾つかのダウン症候群試験はＦＩＳＨ分析を採用する。たとえばアニュービジョン（ＡｎｅｕＶｙｓｉｏｎ）（登録商標）試験は、羊水細胞内の特定の染色体と結合する着色されたＤＮＡプローブを使用する。染色体分析と異なり、この試験は実験室の保温器内における細胞の成長を必要としない。故に、上記ＤＮＡプローブが加えられた後、数時間以内に細胞は分析され得る。上記ＤＮＡプローブが細胞と混合された後、それらは特定の染色体に結合する。異なるプローブは異なる様に着色された蛍光団を担持することで、区別され得る。たとえば、プローブが染色体２１を見出したときにそれは非常に特異的なスポットに結合すると共に、たとえば、胎児細胞内でオレンジ色に着色された信号が顕微鏡を通して視認可能である。その場合に実験室の技術者は各細胞内の着色スポットの個数を手作業でカウントし、且つ、予想された如く２個の第２１染色体が在るか否か、または、ダウン症候群を表すという３個の第２１染色体が在るか否かを決定せねばならない。また同時に、異なる着色スポットとして現れる各染色体である染色体１３、１８、ＸおよびＹに対して、同一の手順が実施され得る。故に、染色体１３または１８に対して３個のスポットが観察されるなら、胎児は三染色体性１３または三染色体性１８を有する。ＸおよびＹ染色体に対するプローブによれば、ターナー症候群またはクラインフェルター症候群が検出される。
【０００６】
ＦＩＳＨ分析の場合に観察者は、各蛍光団に由来する種々の放出光を識別かつ定量し得ねばならない。これを行う上での困難性は、自動化顕微鏡が利用される場合に相当に高まると言えよう。自動化顕微鏡は、組織サンプルに組み合わされて関連付けられた染料マーカからの種々の波長の蛍光の仄かな放出を定量し得ねばならない。たとえば限定的なものとしてで無く胎児細胞が分析される場合などの様に極めて希な細胞が分析されつつあるとき、顕微鏡は、大量の細胞中からの信号を検出する能力などを必要とする。
【０００７】
希な細胞もしくは要素が検出されるべき場合、分析サンプルが採取された被検者、材料などに関する診断もしくは決定を行うために多くのスライドを検証する必要性があり得る。たとえば母体血液サンプルにおける胎児細胞の如き希な細胞に関し、これは適切な決定のために２００枚を超えるスライドの検証を必要とし得る。一方、これらのスライドの各々上のサンプルは、顕微鏡の多数の視野に対応する面積を覆うことになる。故に、単一の分析を実施するために顕微鏡の多数の視野が検証される必要があり得る。当然乍ら、たとえば一定の場合には約５ミリ秒以下であるという可及的に短い単一回の画像捕捉時間を提供することが望ましい。
【０００８】
ＦＩＳＨ分析において検証は、生成され得ると共に放出された低レベルの蛍光、短い半減期、比較的に短い放出期間により、更に困難とされ得る。直面し得る更なる難題は、各マーカが、特定用のパラメータの役割を果たす異なる波長にて蛍光を発し得ることである。
【０００９】
組織サンプルにおける希な細胞の如きサンプルにおける希な成分の検出に適した自動化顕微鏡を具体的に実施するためには、たとえば、高い感度、高速の捕捉速度、大きなフレーム速度、および、優れた波長分解能などの幾つかの多様な要件を満足する画像捕捉技術が必要とされ得る。
【特許文献１】なし
【非特許文献１】なし
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
自動化顕微鏡は、光路の出力部に配置されて画像を捕捉する電子的センサを利用し得る。現在において電子的画像センサとして実用的である技術としては、荷電結合素子（ＣＣＤ）および相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）が挙げられる。ＣＣＤ技術は高感度により特徴付けられるが、その速度はＦＩＳＨ自動化顕微鏡の要件に対しては不適切であり得る。他方、ＣＭＯＳ技術は適切な速度を有するが、感度はこの用途に対して十分であるとは思われない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本明細書における実施例においては、サンプル内の各対象物を検出すべく設計されて自動化された顕微鏡検査法に対する捕捉速度および感度要件の両方が、ＣＭＯＳ画像センサデバイスによる画像増強器技術を利用することが提案される。斯かる実施例においては、放出された光レベルを、画像を高速にて捕捉するＣＭＯＳデバイスに適した光レベルへと増幅するために画像増強器が使用され得る。ひとつの可能的な選択肢においては第１世代の画像増強器が使用されるが、これは、光子から成る入力画像を、電子から成る同等の電子的画像へと変換する入力光電陰極を備える真空構造を備える。上記真空構造内において電子は陽極に向けて加速され、該陽極にて電子は蛍光物質出力面（ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ  ｏｕｔｐｕｔ  ｓｃｒｅｅｎ）を衝撃して光子へと戻し変換される。“ハニカム状”の電子増倍器構造を取入れた後世代の画像増強器も採用され得る。この構造によれば、電子は上記出力面に向かう途中で、構造壁部に衝突することで付加的な電子を放出する。今や増倍された電子“画像”は上記出力面へと続いて該出力面を衝撃し、第１世代技術により可能であるよりも明るい画像に対する更なる光子を放出する。
【００１２】
斯かる実施例において画像増強器の出力面は、選択された蛍光物質化合物の特性に依存した応答時間および出力光波長を有する。上記蛍光物質化合物を適切に選択することにより、上記システムは、当該用途のために十分に高速な画像捕捉を実現するために十分に高速な応答時間を有すべく設計され得る。上記で論じられた如く従来の画像増強器技術によれば、出力光波長は元の画像の波長に依存しない。それは、蛍光物質の特性のみにより決定される。画像増強器に対する波長識別を行うひとつの方法は、光電陰極に対する画像の入力の前に、該画像の光学的な帯域通過フィルタリング段階を採用することである。一群の直交する光学的帯域通過フィルタを通して時間的に連続して複数の画像を捕捉すると共に、該複数の画像を演算的に結合することにより、顕微鏡視野における真の色の電子的表現が生成され得る。
【００１３】
画像増強器／ＣＭＯＳ画像化システムを実現するには、適切なダイナミック・レンジも提供せねばならない。画像増強器およびＣＭＯＳの各構成要素は、対処されるべき個々のダイナミック・レンジ制限を有している。画像増強器の場合、過負荷の解消は重要な検討事項である。光電陰極に対して過剰な光レベルが印加されると、性能低下に帰着し、または、極端な場合には、上記増強器の各要素に対する物理的損傷に帰着し得る。実用的な設計態様は、損傷を防止し乍ら高い光レベルへと調節する自動化対策を含むべきである。画像全体の強度、ならびに、該画像内における“ホットスポット（ｈｏｔ−ｓｐｏｔ）”の両者が対処されるべきである。
【００１４】
各実施例においては、以下のシステムが開示される：
【００１５】
入射窓および出射窓と、光電陰極と、ダイノードと、陽極と、蛍光物質面と備えて成る画像増強器と、
上記画像増強器の制御および給電を許容すべく構成されると共に、該画像増強器に対して作用的に接続された画像増強器用制御／電力供給ユニットと、
入力窓を有するＣＭＯＳ画像センサと、
入力窓および出力窓を有する光結合器であって、該光結合器の上記入力窓は上記画像増強器の上記出射窓に対して直接的に接続され、該光結合器の上記出力窓は上記ＣＭＯＳ画像センサの上記入力窓に対して直接的に接続されるという光結合器と、
上記ＣＭＯＳ画像センサに対して接続されたプロセッサであって、該プロセッサは上記ＣＭＯＳセンサからのデータを照会して処理すべく作用的に構成され、該プロセッサは更に上記画像増強器用制御／電力供給ユニットに対して接続されると共に利得制御信号および光電陰極ゲーティング命令信号を生成すべく作用的に構成されるというプロセッサとを備え、
上記利得制御信号および上記陰極ゲーティング命令信号は上記画像増強器用制御／電力供給ユニットに対して印加されることで上記画像増強器の過負荷制御が行われる、撮像装置システム。
【００１６】
一実施例は、上記画像増強器の蛍光物質面であってＰ−４３を採用した蛍光物質面を更に備えて成る。付加的実施例において上記撮像装置は、上記画像増強器に先立ち光学的帯域通過フィルタリング段階を含む。ひとつの構成において上記帯域通過フィルタリング段階は複数の入力用の光学的帯域通過フィルタを備え、上記複数の入力用の光学的帯域通過フィルタは、該光学的帯域通過フィルタを光路内へと順次的に挿入すべく作用的に構成されたモータ駆動式回転盤上に設置され、上記モータ駆動式回転盤は位置制御手段を含む。これに加え、フィルタの選択肢は全域通過フィルタおよび不透明フィルタを含む。
【発明の効果】
【００１７】
ＣＭＯＳ画像センサを採用し乍らも高い感度を実現する撮像装置システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
自動化顕微鏡に適した生医学的撮像装置の実施例は、図１において簡素化された概略図として示される。顕微鏡の光学系により形成される光学的画像１００は、画像増強器４０の入力窓４２に対して印加され、其処でそれは増幅される。画像増強器４０は、必要とされる全ての電圧および制御信号を、画像増強器用制御／電源供給電子ユニット５０から獲得する。増強された光学的画像は、蛍光物質面の出射窓４７から出力される。受動的光結合器６０は出射窓４７からの画像を、ＣＭＯＳ画像センサ７０の入力窓７２へと伝達する。ＣＭＯＳ画像センサ７０は必要なインタフェース電子機器を含むと共に、必要とされる全ての電圧および制御信号をＣＭＯＳ撮像装置用制御／電力供給電子ユニット８０から獲得する。ＣＭＯＳ画像センサ７０は画素すなわちピクセルの配列を備え、その各々が、印加された光学的光子を比例的な電荷へと変換する。ピクセルの電荷の各々は、電子的走査回路により読取られ、コンピュータ９０の如き処理デバイスへと伝達される。コンピュータ９０はデータを演算的に処理すると共に、部分的に、所望の分析結果を抽出する。
【００１９】
図２を参照すると、画像増強器４０、および、それに対して組み合わされた制御／電力供給電子ユニット５０の更に詳細な機能的概略図が示される。画像増強器４０は、電子的構造を収容する真空囲繞体１１０を備えている。光学的入力画像は光電陰極１２０に対して印加される。光電陰極１２０を衝撃する全ての光子に対し、電子が放出されると共に、該電子は、制御／電力供給電子ユニット５０内に含まれた陽極電源１８０により陽極１５０に印加されたＤＣ電位の影響下で該陽極１５０の方向に進行する。光電陰極１２０から放出された電子は、ダイノード１３０の役割を果たす“ハニカム”状構造を有するマイクロチャネル・プレートに衝当する。ダイノード１３０に対しては、制御／電力供給電子ユニット５０内に含まれたダイノード用電源により適切な電位が印加される。電子ユニット５０は、ソフトウェア、ハードウェア、または、それらの組み合わせを備え得る。衝当する電子の各々は、同様に陽極１５０に向けて伝搬する付加的な電子の二次放出を引き起こす。各電子は、陽極電位により加速されると共に、蛍光物質面１４０に衝突する。夫々の衝突は、光子の放出に帰着する。先に記述された如く、利用される蛍光物質の時間応答は、上記システムの全体的な捕捉速度を決定する要因である。１秒当たりに約２００個より多い画像が取り込まれる必要があり得るという用途においては、Ｐ４３蛍光物質が容認可能な材料の一例である。新たに生成された光子は、画像増強器４０を出射する。
【００２０】
各光子は、光結合器６０の入力窓に対して直接的に印加される。光結合器６０は画像増強器の出射窓４７からの光子を、ＣＭＯＳ画像センサ７０の入射窓７２に対して搬送する。光結合器６０は、截頭円錐形状のテーパを形成する光ファイバの束で作成され得る。この構成によれば、画像増強器４０から出射する画像サイズは、ＣＭＯＳ画像センサ７０の入射窓７２に整合すべく拡大（または縮小）され得る。
【００２１】
画像センサ７０は、平面的配列のピクセルから成る。一例として、この用途に適したセンサは、四百万個の個別的なピクセルを有し得る。作動時において各ピクセルは、そのピクセルに降り注ぐ光の強度に正比例する電荷を蓄積する。画像が捕捉されるべきとき、各ピクセルが測定されると共に、その値はアナログ／デジタル変換器によりデジタル・ワードへと変換される。デジタル化された値の各々は、コンピュータ９０のメモリ内に記憶される。
【００２２】
記述された如く、画像増強器４０は過剰な画像光強度により過剰駆動されることがある。而して設計態様においては、２つの別体的な画像光強度特性が考慮され得る。第１の特性は画像全体の総合的な光強度であり、第２の特性は画像全体内において局限された複数の領域にて夫々が生ずる“ホットスポット”である。画像全体の強度の尺度は、上記画像増強器により吸引されつつある陽極電流である。この電流は、陽極電源１８０に配置された陽極電流モニタ２００により容易に監視され得る。一例として上記陽極電流は、陽極電源リード線内に配置された一連の抵抗器に亙る電圧降下を測定することで決定され得る。測定された電流値２２０はコンピュータ９０へと送信され得る。コンピュータ９０は、たとえば記憶されたアルゴリズムに従い、上記電流が過剰であるか否かを決定すべく構成され得る。もしそうであれば、陰極ゲート回路１９０はコンピュータ９０により命令２１０されることで、急激な速度にて上記光電陰極を周期的にＯＦＦ切断およびＯＮ投入する。これにより上記光電陰極のデューティ・サイクルは減少され、全体的な電子の流れは比例的に減少される。過負荷システムの第２部分は、“ホットスポット”を管理する。上記ＣＭＯＳセンサにより測定されたピクセル電荷値は、コンピュータ９０によりアルゴリズム的に検証される。所定値を超過する一切のピクセル値もしくは一群のピクセル値は“ホットスポット”の存在を表す。局所的な“ホットスポット”がコンピュータ９０により検出される結果、利得制御ユニット２４０に対するコンピュータ命令２３０が生成されることで、別体的な制御電圧を介して上記画像増強器の利得は減少される。
【００２３】
実施例は、画像波長の選択的な識別に対処している。図３に示された如く、画像増強器４０の入力窓４２に先駆けて光路１００内には光学的帯域通過フィルタ２０が載置され得る。故に画像増強器４０に進入する画像は、上記フィルタの通過帯域内に収まる波長を有する画像成分のみから成る。第１画像が一旦捕捉されたなら、光路１００内には第２の光学フィルタが載置されることで上記第１帯域通過フィルタに置き換わり得る。次に第２画像が捕捉され得る。引き続き、第３フィルタに交換され得ると共に、第３画像が捕捉され得る。この様に捕捉された３個の画像は、コンピュータ９０において演算的に結合され得る。選択された上記３個の帯域通過フィルタが基本波長の夫々に対応する通過帯域を有するなら、結合された画像は全スペクトルを網羅し得る。図４に概略的に示された実施例において、自動化カラーホィール構成３１０内には各フィルタ３００が載置され得る。この構成において各フィルタは、カラーホィールがモータの如き回転アクチュエータ３２０により旋回されるときに各フィルタが光路１００に進入かつ退出する様に、順次的に配置される。フィルタ・ホィールの機械的位置は、コンピュータ９０の制御下にある帯域通過フィルタ用制御／電力供給電子ユニット３０により決定かつ制御され得る。更なる実施例においては、全域通過フィルタおよび不透明フィルタに対して付加的なフィルタ位置が割当てられ得る。全域通過フィルタにより獲得された画像は、全ての波長を捕捉している明るい画像である。この全域通過構成に対し、フィルタ減衰は無く、且つ、システムは最高の感度を呈する。不透明フィルタ位置は全ての光をシステム到達させないことで、ＣＭＯＳピクセルの“暗”電流を測定する条件を提供する。
【００２４】
選択的にコンピュータ９０は、帯域通過フィルタ用制御／電力供給電子ユニット３０、画像増強器用制御／電力供給電子ユニット５０およびＣＭＯＳ撮像装置用制御／電力供給電子ユニット８０に対して印加されるべき制御信号を生成し得る。
【００２５】
コンピュータ９０は、捕捉された画像に関して必要な一切の分析を実施すると共に、その結果を、当業者に公知の手段により出力する。
【００２６】
本発明は好適実施例に関して記述されたが、当業者であれば、本発明に対しては添付の各請求項により定義された本発明の精神または有効範囲から逸脱せずに種々の変更および／または改変が為され得ることを容易に理解し得よう。付加的もしくは代替的な詳細、特徴および／または技術的背景の教示に対して適切な場合、本明細書において引用された全ての文献は言及したことにより本明細書中に援用される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】生医学的な撮像装置システムの簡素化された概略図である。
【図２】画像増強器およびそれに関連する電子的支援ユニットの簡素化された概略図である。
【図３】帯域通過フィルタリング段階を加えることで波長識別を実現する生医学的な撮像装置システムの簡素化された概略図である。
【図４】自動化カラーホィールの簡素化された概略図である。
【符号の説明】
【００２８】
２０  光学的帯域通過フィルタ
３０  帯域通過フィルタ用制御／電力供給電子ユニット
４０  画像増強器
４２  入力窓
４７  出射窓
５０  画像増強器用制御／電力供給電子ユニット
６０  受動的光結合器
７０  ＣＭＯＳ画像センサ
７２  入力窓
８０  ＣＭＯＳ撮像装置用制御／電力供給電子ユニット
９０  コンピュータ
１００  光学的画像／光路
１１０  真空囲繞体
１２０  光電陰極
１３０  ダイノード
１４０  蛍光物質面
１５０  陽極
１８０  陽極電源
１９０  陰極ゲート回路
２００  陽極電流モニタ
２１０  命令
２２０  測定された電流値
２３０  コンピュータ命令
２４０  利得制御ユニット
３００  フィルタ
３１０  自動化カラーホィール構成
３２０  回転アクチュエータ
【図１】
2009530691.tif 000003
【図２】
2009530691.tif 000004
【図３】
2009530691.tif 000005
【図４】
2009530691.tif 000006
【国際調査報告】
2009530691.tif 000007