(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小対象物が載置される試料ステージと、
前記微小対象物を保持するための第１ピペットを備える第１マニピュレータと、
前記第１ピペットに保持された前記微小対象物を操作するための第２ピペットを備える第２マニピュレータと、
前記微小対象物を撮像する撮像部と、
前記試料ステージ、前記第１ピペット、前記第２ピペット及び前記撮像部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記撮像部の画像データに基づいて前記微小対象物の操作対象位置を検出し、前記第２ピペットを前記操作対象位置に移動させて、前記微小対象物に対する操作を前記第２ピペットに実行させ、
前記制御部は、前記微小対象物の保持操作を行うために前記試料ステージ上にあらかじめ設定された第１領域において、前記第１ピペットを陰圧にして前記微小対象物を前記第１ピペットに保持し、前記撮像部の画像データに基づいて、前記微小対象物が保持されたことを検出するマニピュレーションシステム。
【請求項２】
前記第１領域は複数箇所設定されており、前記微小対象物の保持が検出されない場合、前記制御部は、所定の順番で複数の前記第１領域に前記試料ステージを移動させて、複数の前記第１領域において前記第１ピペットによる保持操作を実行させる請求項１に記載のマニピュレーションシステム。
【請求項３】
前記撮像部は、高さ方向に焦点位置を異ならせて複数回、前記微小対象物を撮像し、
前記制御部は、焦点位置が異なる複数の画像データに基づいて前記操作対象位置を検出する請求項１又は請求項２に記載のマニピュレーションシステム。
【請求項４】
微小対象物が載置される試料ステージと、
前記微小対象物を保持するための第１ピペットを備える第１マニピュレータと、
前記第１ピペットに保持された前記微小対象物を操作するための第２ピペットを備える第２マニピュレータと、
前記微小対象物を撮像する撮像部と、
前記試料ステージ、前記第１ピペット、前記第２ピペット及び前記撮像部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記撮像部の画像データに基づいて前記微小対象物の操作対象位置を検出し、前記第２ピペットを前記操作対象位置に移動させて、前記微小対象物に対する操作を前記第２ピペットに実行させ、
前記撮像部は、高さ方向に焦点位置を異ならせて複数回、前記微小対象物を撮像し、
前記制御部は、焦点位置が異なる複数の画像データに基づいて前記操作対象位置を検出するマニピュレーションシステム。
【請求項５】
前記撮像部は、前記微小対象物の中心の高さ位置から順次焦点位置を変化させて撮像し、
前記制御部は、前記撮像部の前記焦点位置の高さに一致させるように、前記第２ピペットの高さ位置を移動させる請求項３又は請求項４に記載のマニピュレーションシステム。
【請求項６】
前記制御部は、前記第１ピペットが前記微小対象物を保持した状態で前記微小対象物の近傍に前記第２ピペットを移動させ、前記第１ピペットの吸引を停止させる請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマニピュレーションシステム。
【請求項７】
前記制御部は、前記操作対象位置が検出されない未操作の微小対象物を、前記試料ステージ上の前記第１領域と異なる所定の第２領域に載置する請求項１に記載のマニピュレーションシステム。
【請求項８】
前記制御部は、前記第２ピペットにより操作が実行された微小対象物を前記第２領域と異なる第３領域に載置する請求項７に記載のマニピュレーションシステム。
【請求項９】
微小対象物が載置される試料ステージと、
前記微小対象物を保持するための第１ピペットを備える第１マニピュレータと、
前記第１ピペットに保持された前記微小対象物を操作するための第２ピペットを備える第２マニピュレータと、
前記微小対象物を撮像する撮像部と、
前記試料ステージ、前記第１ピペット、前記第２ピペット及び前記撮像部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記撮像部の画像データに基づいて前記微小対象物の操作対象位置を検出し、前記第２ピペットを前記操作対象位置に移動させて、前記微小対象物に対する操作を前記第２ピペットに実行させ、
前記制御部は、前記第１ピペットが前記微小対象物を保持した状態で前記微小対象物の近傍に前記第２ピペットを移動させ、前記第１ピペットの吸引を停止させるマニピュレーションシステム。
【請求項１０】
微小対象物が載置される試料ステージと、
前記微小対象物を保持するための第１ピペットを備える第１マニピュレータと、
前記第１ピペットに保持された前記微小対象物を操作するための第２ピペットを備える第２マニピュレータと、
前記微小対象物を撮像する撮像部と、
前記試料ステージ、前記第１ピペット、前記第２ピペット及び前記撮像部を制御する制御部とを備えるマニピュレーションシステムの駆動方法であって、
前記制御部が、前記微小対象物の保持操作を行うために前記試料ステージ上にあらかじめ設定された第１領域において、前記第１ピペットを陰圧にして前記微小対象物を前記第１ピペットに保持し、前記撮像部の画像データに基づいて、前記微小対象物が保持されたことを検出するステップと、
前記第１ピペットに保持された前記微小対象物の操作対象位置を、前記撮像部の画像データに基づいて前記制御部が検出するステップと、
前記第２ピペットを前記操作対象位置に移動させ、前記微小対象物に対する操作を実行させるステップと、を含むマニピュレーションシステムの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレーションシステム及びマニピュレーションシステムの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオテクノロジ分野において、顕微鏡観察下で細胞や卵にＤＮＡ溶液や細胞を注入する等のように、微小な対象物に微細な操作を行うマイクロマニピュレーションシステムが知られている。微小対象物を保持するための保持用ピペットで微小対象物の位置を固定しつつ、操作用ピペットを微小対象物の操作対象の位置に突き刺してインジェクション操作が行われる。
【０００３】
下記特許文献１の受精卵観察の画像処理方法では、受精卵の属性に応じた複数の高倍画像の特徴量を算出して、培地に含まれるゴミやオイル等と受精卵とを識別する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−４６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
保持用ピペットと操作用ピペットとをジョイスティック等で操作して、微小対象物の保持及び微小対象物に対するインジェクション操作を行う場合、操作者の高い技術が必要であり、微小対象物の損傷や、操作者の感覚に依存した操作のバラツキが生じる可能性がある。これらの操作を自動制御で行う場合、微小対象物の操作対象位置を検出することが困難であり、操作対象位置に操作用ピペットを突き刺すことが困難な場合がある。特許文献１の画像処理方法は、受精卵の形態観察によりゴミやオイル等と識別しているが、インジェクション操作を行う操作対象を検出することについて記載されていない。
【０００６】
本発明は、操作者の熟練度、技術によらず、効率よくかつ好適に微小対象物を操作することができるマニピュレーションシステム及びマニピュレーションシステムの駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムは、微小対象物が載置される試料ステージと、前記微小対象物を保持するための第１ピペットを備える第１マニピュレータと、前記第１ピペットに保持された前記微小対象物を操作するための第２ピペットを備える第２マニピュレータと、前記微小対象物を撮像する撮像部と、前記試料ステージ、前記第１ピペット、前記第２ピペット及び前記撮像部を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記撮像部の画像データに基づいて前記微小対象物の操作対象位置を検出し、前記第２ピペットを前記操作対象位置に移動させて、前記微小対象物に対する操作を前記第２ピペットに実行させる。
【０００８】
これによれば、制御部が、画像データに基づいて操作対象位置を検出するため、操作者の熟練度によらず、操作対象位置を検出することができる。また、操作対象位置の検出と、微小対象物に対する操作が制御部により自動で行われるため、微小対象物の損傷や、第２ピペットの損傷を抑制して、効率よくかつ好適に微小対象物を操作することができる。
【０００９】
本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記制御部は、前記微小対象物の保持操作を行うために前記試料ステージ上にあらかじめ設定された第１領域において、前記第１ピペットを陰圧にして前記微小対象物を前記第１ピペットに保持し、前記撮像部の画像データに基づいて、前記微小対象物が保持されたことを検出する。これによれば、微小対象物を保持する操作が、制御部により自動で行われるため、効率よくかつ好適に微小対象物を操作することができる。
【００１０】
本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記第１領域は複数箇所設定されており、前記微小対象物の保持が検出されない場合、前記制御部は、所定の順番で複数の前記第１領域に前記試料ステージを移動させて、複数の前記第１領域において前記第１ピペットによる保持操作を実行させる。これによれば、微小対象物を試料ステージの上に載置する位置がずれた場合であっても、微小対象物を顕微鏡等で探す等の工数を省いて、効率よく微小対象物の保持を自動で行うことが可能である。
【００１１】
本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記撮像部は、高さ方向に焦点位置を異ならせて複数回、前記微小対象物を撮像し、前記制御部は、焦点位置が異なる複数の画像データに基づいて前記操作対象位置を検出する。これによれば、精度よく操作対象位置を検出することができる。
【００１２】
本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記撮像部は、前記微小対象物の中心の高さ位置から順次焦点位置を変化させて撮像し、前記制御部は、前記撮像部の前記焦点位置の高さに一致させるように、前記第２ピペットの高さ位置を移動させる。これによれば、第２ピペットの高さ位置の調整を容易に行うことができるので、操作対象位置への操作を確実に行うことができる。
【００１３】
本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記制御部は、前記第１ピペットが前記微小対象物を保持した状態で前記微小対象物の近傍に前記第２ピペットを移動させ、前記第１ピペットの吸引を停止させる。これによれば、第１ピペットの吸引が停止することで微小対象物がわずかに移動し、第２ピペットに接触して回転する。このため、操作対象位置が検出されない場合においても、微小対象物を回転操作することで操作対象位置が変化し、操作対象位置の検出が可能となる。また、微小対象物の損傷を抑制しつつ回転させることができる。
【００１４】
本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記制御部は、前記操作対象位置が検出されない未操作の微小対象物を前記試料ステージ上の所定の第２領域に載置。これによれば、保持操作の対象となる微小対象物と、操作対象位置が検出されない未操作の微小対象物との混在を防ぐことができるので、連続して複数の微小対象物の操作が可能となる。
【００１５】
本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムにおいて、前記制御部は、前記第２ピペットにより操作が実行された微小対象物を前記第２領域と異なる第３領域に載置する。これによれば、未操作の微小対象物と、操作が実行された微小対象物との混在を防ぐことができるので、連続して複数の微小対象物の操作が可能となる。
【００１６】
本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムの駆動方法は、微小対象物が載置される試料ステージと、前記微小対象物を保持するための第１ピペットを備える第１マニピュレータと、前記第１ピペットに保持された前記微小対象物を操作するための第２ピペットを備える第２マニピュレータと、前記微小対象物を撮像する撮像部と、前記試料ステージ、前記第１ピペット、前記第２ピペット及び前記撮像部を制御する制御部とを備えるマニピュレーションシステムの駆動方法であって、前記第１ピペットに保持された前記微小対象物の操作対象位置を、前記撮像部の画像データに基づいて前記制御部が検出するステップと、前記第２ピペットを前記操作対象位置に移動させ、前記微小対象物に対する操作を実行させるステップと、を含む。
【００１７】
これによれば、制御部が、画像データに基づいて操作対象位置を検出するため、操作者の熟練度によらず、操作対象位置を検出することができる。また、操作対象位置の検出と、微小対象物に対する操作が制御部により自動で行われるため、微小対象物の損傷や、第２ピペットの損傷を抑制して、効率よくかつ好適に微小対象物を操作することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、操作者の熟練度、技術によらず、効率よくかつ好適に微小対象物を操作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施形態に係るマニピュレーションシステムの構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は、微動機構の一例を示す断面図である。
【図３】図３は、マニピュレーションシステムの制御ブロック図である。
【図４】図４は、実施形態のマニピュレーションシステムの動作の一例を示すフローチャート図である。
【図５】図５は、マニピュレーションシステムによる細胞の保持操作の一例を示すフローチャート図である。
【図６】図６は、試料ステージの初期領域、第１領域、第２領域及び第３領域の関係を説明するための模式平面図である。
【図７】図７は、マニピュレーションシステムによる細胞の保持操作の一例を示す説明図である。
【図８】図８は、保持対象の細胞に付着した細胞を分離する操作を説明するための説明図である。
【図９】図９は、試料ステージの第１領域の変形例を示す模式平面図である。
【図１０】図１０は、マニピュレーションシステムによる細胞の核の位置の検出操作の一例を示す模式図である。
【図１１】図１１は、画像処理により検出された細胞及び核の模式図である。
【図１２】図１２は、マニピュレーションシステムによる核の位置の検出操作の他の例を示すフローチャート図である。
【図１３】図１３は、マニピュレーションシステムによる核の位置の検出操作の他の例を説明するための説明図である。
【図１４】図１４は、未操作の細胞の移動操作の一例を示すフローチャート図である。
【図１５】図１５は、未操作の細胞の移動操作の一例を説明するための説明図である。
【図１６】図１６は、未操作の細胞の配置の一例を示す模式平面図である。
【図１７】図１７は、マニピュレーションシステムによる細胞に対するインジェクション操作の一例を示すフローチャート図である。
【図１８】図１８は、マニピュレーションシステムによる細胞に対するインジェクション操作を説明するための説明図である。
【図１９】図１９は、操作後の細胞の移動操作の一例を示すフローチャート図である。
【図２０】図２０は、操作後の細胞の移動操作の一例を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
【００２１】
図１は、実施形態に係るマニピュレ−ションシステムの構成を模式的に示す図である。マニピュレーションシステム１０は、顕微鏡観察下で微小対象物である試料を操作するためのシステムである。図１において、マニピュレーションシステム１０は、顕微鏡ユニット１２と、第１マニピュレータ１４と、第２マニピュレータ１６と、マニピュレーションシステム１０を制御するコントローラ４３とを備えている。顕微鏡ユニット１２の両側に第１マニピュレータ１４と第２マニピュレータ１６とが分かれて配置されている。
【００２２】
顕微鏡ユニット１２は、撮像素子を含むカメラ１８と、顕微鏡２０と、試料ステージ２２とを備えている。試料ステージ２２は、シャーレなどの試料保持部材１１を支持可能であり、試料保持部材１１の直上に顕微鏡２０が配置される。顕微鏡ユニット１２は、顕微鏡２０とカメラ１８とが一体構造となっており、試料保持部材１１に向けて光を照射する光源（図示は省略している）を備えている。なお、カメラ１８は、顕微鏡２０と別体に設けてもよい。
【００２３】
試料保持部材１１には、試料を含む溶液が収容される。試料保持部材１１の試料に光が照射され、試料保持部材１１の試料で反射した光が顕微鏡２０に入射すると、試料に関する光学像は、顕微鏡２０で拡大された後カメラ１８で撮像される。カメラ１８で撮像された画像を基に試料の観察が可能となっている。
【００２４】
図１に示すように、第１マニピュレータ１４は、第１ピペット保持部材２４と、Ｘ−Ｙ軸テーブル２６と、Ｚ軸テーブル２８と、Ｘ−Ｙ軸テーブル２６を駆動する駆動装置３０と、Ｚ軸テーブル２８を駆動する駆動装置３２とを備える。第１マニピュレータ１４は、Ｘ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の３軸構成のマニピュレータである。なお、本実施形態において、水平面内の一方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と交差する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれと交差する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。
【００２５】
Ｘ−Ｙ軸テーブル２６は、駆動装置３０の駆動により、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に移動可能となっている。Ｚ軸テーブル２８は、Ｘ−Ｙ軸テーブル２６上に上下移動可能に配置され、駆動装置３２の駆動によりＺ軸方向に移動可能になっている。駆動装置３０、３２は、コントローラ４３に接続されている。
【００２６】
第１ピペット保持部材２４は、Ｚ軸テーブル２８に連結され、先端に毛細管チップである第１ピペット２５が取り付けられている。第１ピペット保持部材２４は、Ｘ−Ｙ軸テーブル２６とＺ軸テーブル２８の移動に従って３次元空間を移動領域として移動し、試料保持部材１１に収容された試料を、第１ピペット２５を介して保持することができる。すなわち、第１マニピュレータ１４は、微小対象物の保持に用いられる保持用マニピュレータであり、第１ピペット２５は、微小対象物の保持手段として用いられるホールディングピペットである。
【００２７】
図１に示す第２マニピュレータ１６は、第２ピペット保持部材３４と、Ｘ−Ｙ軸テーブル３６と、Ｚ軸テーブル３８と、Ｘ−Ｙ軸テーブル３６を駆動する駆動装置４０と、Ｚ軸テーブル３８を駆動する駆動装置４２とを備える。第２マニピュレータ１６は、Ｘ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の３軸構成のマニピュレータである。
【００２８】
Ｘ−Ｙ軸テーブル３６は、駆動装置４０の駆動により、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に移動可能となっている。Ｚ軸テーブル３８は、Ｘ−Ｙ軸テーブル３６上に上下移動可能に配置され、駆動装置４２の駆動によりＺ軸方向に移動可能になっている。駆動装置４０、４２は、コントローラ４３に接続されている。
【００２９】
第２ピペット保持部材３４は、Ｚ軸テーブル３８に連結され、先端にガラス製の第２ピペット３５が取り付けられている。第２ピペット保持部材３４は、Ｘ−Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８の移動に従って３次元空間を移動領域として移動し、試料保持部材１１に収容された試料を人工操作することが可能である。すなわち、第２マニピュレータ１６は、微小対象物の操作（ＤＮＡ溶液の注入操作や穿孔操作など）に用いられる操作用マニピュレータであり、第２ピペット３５は、微小対象物のインジェクション操作手段として用いられるインジェクションピペットである。
【００３０】
Ｘ−Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８は、第２ピペット保持部材３４を、試料保持部材１１に収容された試料などの操作位置まで粗動駆動する粗動機構（３次元移動テーブル）として構成されている。また、Ｚ軸テーブル３８と第２ピペット保持部材３４との連結部には、ナノポジショナとして微動機構４４が備えられている。微動機構４４は、第２ピペット保持部材３４をその長手方向（軸方向）に移動可能に支持するとともに、第２ピペット保持部材３４をその長手方向（軸方向）に沿って微動駆動するように構成される。
【００３１】
図２は、微動機構の一例を示す断面図である。図２に示すように微動機構４４は、第２ピペット保持部材３４を駆動対象とする圧電アクチュエータ４４ａを備える。圧電アクチュエータ４４ａは、筒状のハウジング８７と、ハウジング８７の内部に設けられた転がり軸受８０、８２と、圧電素子９２とを含む。ハウジング８７の軸方向に第２ピペット保持部材３４が挿通される。転がり軸受８０、８２は、第２ピペット保持部材３４を回転可能に支持する。圧電素子９２は、印加される電圧に応じて第２ピペット保持部材３４の長手方向に沿って伸縮する。第２ピペット保持部材３４の先端側（図２左側）には第２ピペット３５（図１参照）が取り付けられ固定される。
【００３２】
第２ピペット保持部材３４は、転がり軸受８０、８２を介してハウジング８７に支持される。転がり軸受８０は、内輪８０ａと、外輪８０ｂと、内輪８０ａと外輪８０ｂとの間に設けられたボール８０ｃとを備える。転がり軸受８２は、内輪８２ａと、外輪８２ｂと、内輪８２ａと外輪８２ｂとの間に設けられたボール８２ｃとを備える。各外輪８０ｂ、８２ｂがハウジング８７の内周面に固定され、各内輪８０ａ、８２ａが中空部材８４を介して第２ピペット保持部材３４の外周面に固定される。このように、転がり軸受８０、８２は、第２ピペット保持部材３４を回転自在に支持するようになっている。
【００３３】
中空部材８４の軸方向の略中央部には、径方向外方に突出するフランジ部８４ａが設けられている。内輪間座としての該フランジ部８４ａを挟んで転がり軸受８０の内輪８０ａと、転がり軸受８２の内輪８２ａとが配置される。転がり軸受８０はフランジ部８４ａに対して第２ピペット保持部材３４の軸方向の先端側に配置され、転がり軸受８２はフランジ部８４ａに対して後端側に配置される。このとき、中空部材８４とフランジ部８４ａとは一体になっている。第２ピペット保持部材３４の外周面にねじ加工が施されており、内輪８０ａの先端側、及び内輪８２ａの後端側からロックナット８６、８６が第２ピペット保持部材３４に螺合されて、転がり軸受８０、８２の軸方向の位置が固定される。なお、中空部材８４の軸方向寸法は、転がり軸受８０、８２の内輪８０ａ、８２ａの軸方向寸法と、中空部材８４のフランジ部８４ａの軸方向寸法との合計より小さい。このため、内輪８０ａの軸方向先端側及び内輪８２ａの軸方向後端側は中空部材８４よりも軸方向に突出する。この結果、内輪８０ａ、８２ａが直接ロックナット８６、８６により軸方向に固定されるので、内輪８０ａ、８２ａの軸方向移動が規制される。
【００３４】
なお、本実施形態では、中空部材８４を設けることで、使用する第２ピペット保持部材３４と転がり軸受８０、８２の内径とが同一径でなくともよい。一方で、同一径の場合は、中空部材８４を省いた構成であってもよい。また、中空部材８４とフランジ部８４ａとは一体に構成したが、別体にしてもよい。さらに、一体となった中空部材８４とフランジ部８４ａとを内輪間座として取り扱ってもよい。
【００３５】
さらに、円環状のスペーサ９０は、転がり軸受８０、８２と同軸に外輪８２ｂの軸方向後端側に配置される。スペーサ９０の軸方向後端側には、円環状の圧電素子９２がスペーサ９０と略同軸に配置され、さらにその軸方向後端側にはハウジング８７の蓋８８が配置される。蓋８８は、圧電素子９２を軸方向に固定するためのもので、第２ピペット保持部材３４が挿通する孔部を有する。この蓋８８は、ハウジング８７の側面に不図示のボルトにより締結されている。なお、蓋８８は、ハウジング８７の軸方向後端側の内周面及び蓋８８の外周面にねじ加工を施して、両者を螺合することにより固定しても良いが、圧電素子９２にねじりモーメントが生じる可能性がある。このため、蓋８８はボルト等により締結固定されることが好ましい。なお、圧電素子９２は、棒状または角柱状としてスペーサ９０の周方向に略等配となるように並べても良く、第２ピペット保持部材３４を挿通する孔部を有した角筒としても良い。
【００３６】
圧電素子９２はスペーサ９０を介して転がり軸受８２と接している。圧電素子９２は、リード線（図示せず）を介して制御回路としてのコントローラ４３に接続されている。圧電素子９２は、コントローラ４３からの印加電圧に応答して第２ピペット保持部材３４の軸方向に沿って伸縮し、第２ピペット保持部材３４をその軸方向に沿って微動させるようになっている。第２ピペット保持部材３４が軸方向に沿って微動すると、この微動が第２ピペット３５（図１参照）に伝達され、第２ピペット３５の位置が微調整されることになる。また、圧電素子９２により第２ピペット保持部材３４が軸方向に振動すると、第２ピペット３５も軸方向に振動する。
【００３７】
このような構成によれば、第２ピペット３５と圧電素子９２とが同軸上に配置されるので、圧電素子９２の駆動時に、余分な振動、即ち第２ピペット保持部材３４の軸方向以外の方向に生じる振動を軽減することができる。ここで、「同軸上」とは、円環状の圧電素子９２の中心軸と第２ピペット３５の中心軸とが一致する場合のみを示すのではなく、中心軸が互いに平行な場合や、第２ピペット３５の中心軸が円環状の圧電素子９２の中心を通る場合を含む。また、図２の圧電アクチュエータ４４ａは、第２マニピュレータ１６及び第２ピペット保持部材３４に直接固定されるため、第２マニピュレータ１６、第２ピペット保持部材３４への固定のための部品が不要となる。このため、部品数低減による組立性の向上とコスト低減を実現できる。さらに、微動機構４４は、圧電アクチュエータ４４ａと第２ピペット保持部材３４を直接固定するため、圧電素子９２と第２ピペット３５との距離を短くすることが可能となる。この結果、微小対象物への操作（ＤＮＡ溶液や細胞の注入操作や穿孔操作など）の際には、より正確な操作が可能となり、圧電素子９２による穿孔作用の向上を実現できる。
【００３８】
なお、上述の微動機構４４は、微小対象物の操作用の第２マニピュレータ１６に設けられるとしているが、もちろん微小対象物の保持用の第１マニピュレータ１４にも設けてもよく、省略することも可能である。
【００３９】
次に、コントローラ４３によるマニピュレーションシステム１０の制御について図３を参照して説明する。図３は、マニピュレーションシステムの制御ブロック図である。
【００４０】
コントローラ４３は、演算手段としてのＣＰＵ（中央演算処理装置）及び記憶手段としてのハードディスク、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等のハードウェア資源を備える。コントローラ４３は、記憶部４６Ｂに格納された所定のプログラムに基づいて各種の演算を行い、演算結果に従って制御部４６Ａが各種の制御を行うように駆動信号を出力する。
【００４１】
制御部４６Ａは、顕微鏡ユニット１２の焦点合わせ機構８１、第１マニピュレータ１４の駆動装置３０、駆動装置３２、吸引ポンプ２９、第２マニピュレータ１６の駆動装置４０、駆動装置４２、圧電素子９２、注入ポンプ３９を制御し、必要に応じて設けられたドライバやアンプ等を介してそれぞれに駆動信号を出力する。制御部４６Ａは、駆動装置３０、３２、４０、４２にそれぞれ駆動信号Ｖｘｙ、Ｖｚ（図１参照）を供給する。駆動装置３０、３２、４０、４２は、駆動信号Ｖｘｙ、Ｖｚに基づいてＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に駆動する。制御部４６Ａは、微動機構４４にナノポジショナ制御信号ＶＮ（図１参照）を供給して、微動機構４４の制御を行ってもよい。
【００４２】
コントローラ４３は、情報入力手段としてジョイスティック４７と、キーボードやタッチパネル等の入力部４９とが接続されている。また、コントローラ４３は、液晶パネル等の表示部４５が接続される。表示部４５にはカメラ１８で取得した顕微鏡画像や各種制御用画面が表示されるようになっている。なお、入力部４９としてタッチパネルが用いられる場合には、表示部４５の表示画面にタッチパネルを重ねて用い、操作者が表示部４５の表示画像を確認しつつ入力操作を行うようにしてもよい。
【００４３】
ジョイスティック４７は公知のものを用いることができる。ジョイスティック４７は、基台と、基台から直立するハンドル部とを備えており、ハンドル部を傾斜させるように操作することで駆動装置３０、４０のＸ−Ｙ駆動を行うことができ、ハンドル部をねじることで駆動装置３２、４２のＺ駆動を行うことができる。ジョイスティック４７は、吸引ポンプ２９、圧電素子９２、注入ポンプ３９の各駆動を操作するためのボタンを備えていてもよい。
【００４４】
図３に示すように、コントローラ４３は、さらに画像入力部４３Ａ、画像処理部４３Ｂ、画像出力部４３Ｃ及び位置検出部４３Ｄを備えている。顕微鏡２０を通してカメラ１８で撮像した画像信号Ｖｐｉｘ（図１参照）が画像入力部４３Ａに入力される。画像処理部４３Ｂは、画像入力部４３Ａから画像信号を受け取って、画像処理を行う。画像出力部４３Ｃは、画像処理部４３Ｂで画像処理された画像情報を表示部４５へ出力する。位置検出部４３Ｃは、カメラ１８で撮像された微小対象物である細胞等の位置や、第２ピペット３５によるインジェクション操作を行う操作対象である細胞の核等の位置を、画像処理後の画像情報に基づいて検出することができる。位置検出部４３Ｃは、画像情報に基づいてカメラ１８の撮像領域内における細胞等の有無を検出することができる。また、位置検出部４３Ｃは、第１ピペット２５及び第２ピペット３５の位置を検出してもよい。画像入力部４３Ａ、画像処理部４３Ｂ、画像出力部４３Ｃ及び位置検出部４３Ｄは、制御部４６Ａにより制御される。
【００４５】
画像処理部４３Ｂは、例えば細胞の位置や細胞の核の位置を検出するために、画像入力部４３Ａから受け取った画像信号について二値化処理とフィルタ処理を実行する。画像処理部４３Ｂは、画像信号をグレースケール化して、あらかじめ設定された所定の閾値に基づいて、このグレースケール画像をモノクロ画像に変換する。そして、画像処理部４３Ｂは、二値化処理とフィルタ処理により得られたモノクロ画像に基づいてエッジ抽出処理やパターンマッチングを行う。その処理結果に基づいて位置検出部４３Ｄは、細胞の位置や細胞の核の位置を検出することができる。
【００４６】
制御部４６Ａは、位置検出部４３Ｃからの位置情報、及び細胞等の有無の情報に基づいて、第１マニピュレータ１４及び第２マニピュレータ１６を制御する。本実施形態において、制御部４６Ａは、第１マニピュレータ１４及び第２マニピュレータ１６を所定のシーケンスで自動的に駆動する。かかるシーケンス駆動は、記憶部４６Ｂにあらかじめ保存された所定のプログラムによるＣＰＵの演算結果に基づいて、制御部４６Ａが順次それぞれに駆動信号を出力することで行われる。
【００４７】
次にマニピュレーションシステム１０の駆動方法について説明する。図４は、実施形態のマニピュレーションシステムの動作の一例を示すフローチャート図である。本実施形態のマニピュレーションシステム１０は、試料保持部材１１に載置された複数の細胞に対して、１つの細胞ごとに操作を行い、複数の細胞について操作を繰り返し実行する。コントローラ４３は、複数の細胞に対する操作を自動で実行する。
【００４８】
操作者は、まず、操作を行う細胞の個数、すなわちマニピュレーションシステム１０が複数回操作を実行した後、操作を終了する回数である操作終了回数Ｎｅを、入力部４９（図３参照）を介してコントローラの制御部４６Ａに入力する（ステップＳＴ１０）。制御部４６Ａは、実行した操作回数のカウンタ値である操作実行回数ＮをＮ＝０として記憶部４６Ｂに記憶させる（ステップＳＴ１１）。
【００４９】
次に、制御部４６Ａは、第１領域で操作対象の細胞を第１ピペット２５の先端に保持する操作を自動で行う（ステップＳＴ２０）。図５から図７を参照して、マニピュレーションシステムによる細胞保持操作について説明する。図５は、マニピュレーションシステムによる細胞の保持操作の一例を示すフローチャート図である。図６は試料ステージの初期領域、第１領域、第２領域及び第３領域の関係を説明するための模式平面図である。図７は、マニピュレーションシステムによる細胞の保持操作の一例を示す説明図である。
【００５０】
操作者は、シャーレ等の試料保持部材１１を用意し、操作対象の細胞を試料保持部材１１の所定の位置に載置する。そして、操作者は、操作対象の細胞が載置された試料保持部材１１を、図６に示す試料ステージ２２の第１領域ＡＳ１ａに載置する（図５、ステップＳＴ２０−１）。なお、マニピュレーションシステム１０による操作を開始した初期状態において、試料ステージ２２は、顕微鏡２０の観察視野と重なる位置が、図６に示す初期領域ＡＳ０となっている。
【００５１】
図６に示すように、第１領域ＡＳ１ａは、操作対象の細胞を載置する領域であり、初期領域ＡＳ０と異なる位置に設定されている。第１領域ＡＳ１ａは、保持操作を行う対象となる細胞を載置する領域としてあらかじめ設定された位置情報であり、記憶部４６Ｂに記憶されている。また、初期領域ＡＳ０及び第１領域ＡＳ１ａと離れた位置に第２領域ＡＳ２と第３領域ＡＳ３とが設定されている。後述するように、第２領域ＡＳ２は、細胞の核が検出されず操作を行っていない未操作の細胞を載置するための領域であり、第３領域ＡＳ３は、インジェクション操作終了後の細胞を載置するための領域である。第２領域ＡＳ２及び第３領域ＡＳ３は、あらかじめ設定された位置情報であり、記憶部４６Ｂに記憶されている。
【００５２】
ここで、初期領域ＡＳ０のステージ座標を（ＳＸ０、ＳＹ０）とする。また第１領域ＡＳ１ａのステージ座標を（ＳＸ１、ＳＸ２）とする。各領域は矩形状の領域となっており、ステージ座標は、対向する２辺の中点同士を結ぶ線の交点の座標としてもよい。なお、各領域の座標は、これに限られず、各領域の角部としてもよい。
【００５３】
制御部４６Ａは、試料ステージ２２を駆動させ、第１領域ＡＳ１ａを顕微鏡２０の観察視野と重なる位置に移動させる。これにより、図７のステップＳＴ２０−１に示すように、第１領域ＡＳ１ａに配置された細胞１００は、第１ピペット２５及び第２ピペット３５の近傍に配置される。ここで細胞１００は卵細胞であり、図７に示すように、第１ピペット２５と第２ピペット３５とは、間隔を有して対向して配置されている。ここで、初期状態における第２ピペット３５の先端は、座標（ＩＸ０、ＩＹ０）に位置する。
【００５４】
次に、制御部４６Ａは第２ピペット３５を移動させる（図５、ステップＳＴ２０−２）。図７のステップＳＴ２０−２に示すように、第２ピペット３５は、先端の位置が座標（ＩＸ０、ＩＹ０）から座標（ＩＸ１、ＩＹ１）に位置するように移動する。座標（ＩＸ１、ＩＹ１）は、あらかじめ設定された位置情報であり、第１ピペット２５と第２ピペット３５の先端とのＸ方向の距離ｄ１は卵細胞の平均的な直径の１倍程度、第１ピペット２５の開口２５ａの中心位置と第２ピペット３５の先端とのＹ方向の距離ｄ２が卵細胞の平均的な半径の１倍程度となる。
【００５５】
制御部４６Ａは、吸引ポンプ２９（図３参照）を駆動させ、第１ピペット２５の吸引を実行させる（図５、ステップＳＴ２０−３）。これにより、第１ピペット２５の内部が陰圧となり、第１ピペット２５の開口２５ａに向かって試料保持部材１１の培養液の流れが発生する。細胞１００は、培養液とともに吸引されて、第１ピペット２５と第２ピペット３５との間を通って、図７のステップＳＴ２０−３に示すように、第１ピペット２５の開口２５ａに保持される。
【００５６】
このとき、第１ピペット２５の先端が座標（ＩＸ１、ＩＹ１）に位置しているため、複数の細胞が付着した状態で吸引された場合であっても、最初の１個の細胞１００が第１ピペット２５と第２ピペット３５との間を通過する際に、他の細胞が第１ピペット２５又は第２ピペット３５に接触して切り離される。後述するインジェクション操作では、細胞１００に対する第２ピペット３５の位置の調整を、１個ずつ行う必要があるため、一度に多数の細胞１００を保持した状態でインジェクション操作を行うことが困難な場合がある。本実施形態では、細胞１００の保持操作において、第１ピペット２５と第２ピペット３５との間隔を調整することで、１個の細胞１００が第１ピペット２５に保持される。
【００５７】
次に、画像処理部４３Ｂは、顕微鏡２０を通してカメラ１８が撮像した撮像データの画像処理を行い、位置検出部４３Ｄは、細胞１００が第１ピペット２５に保持されたかを判断する（図５、図７、ステップＳＴ２０−４）。ここで、画像処理を行う画像処理領域ＡＩを、細胞１００の直径程度を１辺とする矩形状の領域として、図７に示すように第１ピペット２５の開口２５ａ近傍に配置することで、画像処理部４３Ｂが画像処理を行う画像データ量を低減することができる。
【００５８】
ここで細胞が画像検出されず保持できていないと判断された場合（図５、ステップＳＴ２０−５、Ｎｏ）、試料ステージ２２を別の第１領域ＡＳ１ｂに移動して（図５、ステップＳＴ２０−６）、再度ステップＳＴ２０−２からステップＳＴ２０−４を繰り返す。図６に示すように、第１領域ＡＳ１ｂは、第１領域ＡＳ１ａのＹ方向側に隣接しており、第１領域ＡＳ１ａと同じ面積を有する。第１領域ＡＳ１ａの位置は座標（ＳＸ１、ＳＹ１）であり、第１領域ＡＳ１ｂの位置は座標（ＳＸ１、ＳＹ２）である。第１領域ＡＳ１ｂのＸ方向の位置は第１領域ＡＳ１ａと同じとなっている。
【００５９】
図６に示すように、第１領域ＡＳ１ａの周囲に、第１領域ＡＳ１ｃ、ＡＳ１ｄ、ＡＳ１ｅが設定されている。第１領域ＡＳ１ｃは、第１領域ＡＳ１ａに対して第１領域ＡＳ１ｂの反対側に配置される。第１領域ＡＳ１ｄは、第１領域ＡＳ１ａのＸ方向側に隣接している。第１領域ＡＳ１ｅは、第１領域ＡＳ１ａに対して第１領域ＡＳ１ｄの反対側に配置される。第１領域ＡＳ１ｃの位置は座標（ＳＸ１、ＳＹ３）であり、第１領域ＡＳ１ｄの位は座標（ＳＸ２、ＳＹ１）であり、第１領域ＡＳ１ｅの位置は座標（ＳＸ３、ＳＹ１）である。第１領域ＡＳ１ｂ−ＡＳ１ｅは、あらかじめ設定された位置情報であり、記憶部４６Ｂに記憶されている。
【００６０】
第１領域ＡＳ１ｂにおいても細胞１００が保持できていないと判断された場合、試料ステージ２２を第１領域ＡＳ１ｃ、ＡＳ１ｄ、ＡＳ１ｅに順次移動させて、各領域においてステップＳＴ２０−２からステップＳＴ２０−４を実行する。いずれの領域でも細胞が保持されない場合、操作者は、試料保持部材１１の細胞１００を載置し直して操作を再度実行する。
【００６１】
図６では、第１領域ＡＳ１ａに加えて４つの第１領域ＡＳ１ｂ、ＡＳ１ｃ、ＡＳ１ｄ、ＡＳ１ｅが設定されているが、これに限定されない。図８は、試料ステージの第１領域の変形例を示す模式平面図である。試料ステージ２２は、さらに第１領域ＡＳ１ｆ、ＡＳ１ｇ、ＡＳ１ｈ、ＡＳ１ｉが設定されている。第１領域ＡＳ１ｆの位置は座標（ＳＸ３、ＳＹ２）であり、第１領域ＡＳ１ｇの位は座標（ＳＸ３、ＳＹ３）であり、第１領域ＡＳ１ｈの位置は座標（ＳＸ２、ＳＹ２）であり、第１領域ＡＳ１ｉの位置は座標（ＳＸ２、ＳＹ３）である。制御部４６Ａは、試料ステージ２２を第１領域ＡＳ１ｆ、ＡＳ１ｇ、ＡＳ１ｈ、ＡＳ１ｉに順次移動させて、ステップＳＴ２０−２からステップＳＴ２０−４を繰り返す。
【００６２】
細胞が画像検出されて保持できていると判断された場合（図５、ステップＳＴ２０−５、Ｙｅｓ）、制御部４６Ａは、第１ピペット２５が細胞１００を保持した状態で試料ステージ２２を駆動させ、初期領域ＡＳ０が顕微鏡２０の観察視野と重なる位置になるように試料ステージ２２を移動する（図５及び図７、ステップＳＴ２０−７）。
【００６３】
なお、細胞が保持された後、保持された細胞１００に他の細胞が付着している可能性がある。図９は、保持対象の細胞に付着した細胞を分離する操作を説明するための説明図である。図９のステップＳＴ２０−８に示すように、保持された細胞１００に細胞１０１が付着している場合、試料ステージ２２を初期領域ＡＳ０に移動させる前に、制御部４６Ａは、第２ピペット３５を駆動させて、第１ピペット２５に近づく方向に移動させる。第２ピペット３５は、図７に示す座標（ＩＸ１、ＩＹ１）から図９に示す座標（ＩＸ２、ＩＹ１）に移動する。このとき、細胞１００と細胞１０１との間に第２ピペット３５が配置される。
【００６４】
その後、図９のステップＳＴ２０−９に示すように、制御部４６Ａは、第２ピペット３５を細胞１００から離れる方向に移動させる。第２ピペット３５は、座標（ＩＸ２、ＩＹ１）から座標（ＩＸ２、ＩＹ１）に移動する。これにより、細胞１００から付着していた細胞１０１を分離することができる。
【００６５】
次に、制御部４６Ａは、細胞１００の操作対象位置である核１００Ａを画像処理により検出する（図４、ステップＳＴ３０）。ここで、操作対象位置は、細胞１００の内部にある特定の領域であり、第２ピペット３５によりＤＮＡ溶液等を注入する位置である。図１０から図１３を参照して、マニピュレーションシステム１０による細胞１００の核検出操作について説明する。図１０は、マニピュレーションシステムによる細胞の核の位置の検出操作の一例を示す模式図である。第２ピペット３５の先端は座標（ＩＸ０、ＩＺ０）に位置しており、制御部４６Ａは、顕微鏡２０の焦点位置ＳＦ０の高さを第２ピペット３５の高さ位置と一致させてカメラ１８により撮像する。
【００６６】
図１１は、画像処理により検出された細胞及び核の模式図である。卵細胞は半透明なので、図１１左図に示すように、焦点が合っている高さ（焦点位置ＳＦ０）で、細胞１００をスライスしたような画像データが得られる。この画像データについて、画像処理部４３Ｂが画像処理を行う。画像処理部４３Ｂは上述した二値化処理とフィルタ処理を実行する。これにより、図１１右図に示すように、画像処理部４３Ｂは、核１００Ａと対応する位置の色が周囲と異なるモノクロ画像を出力し、エッジ抽出処理やパターンマッチングを行う。位置検出部４３Ｄは、核１００Ａと対応する同等の大きさで、円形に近く、かつ周囲と色が異なる領域を検出することで、細胞１００の核１００Ａの位置を検出することができる。このとき、画像処理を行う領域を、例えば図７のステップＳＴ２０−３に示す画像処理領域ＡＩと同様の領域に限定して、画像処理を高速化することができる。検出された核１００Ａの位置は（ＥＸ０、ＥＹ０）として記憶部４６Ｂに記憶される。
【００６７】
なお、画像処理により、２以上の核１００Ａが検出された場合、位置検出部４３Ｄは、検出した複数の核のうち、画像処理領域ＡＩの中心に近い方に位置する核１００Ａを検出対象として位置情報を出力する。
【００６８】
位置検出部４３Ｄにより、焦点位置ＳＦ０において細胞１００の核１００Ａが検出されない場合、焦点位置を初期状態の焦点位置ＳＦ０から高さ距離ｈ１ずつ移動させて、焦点位置ＳＦ１、ＳＦ２、ＳＦ３、ＳＦ４でそれぞれカメラ１８により撮像する。このとき、顕微鏡２０の対物レンズ（図示しない）の高さ位置を変えることで焦点位置を変化させることができる。
【００６９】
焦点位置ＳＦ１、ＳＦ２、ＳＦ３、ＳＦ４で撮像された画像データについて、画像処理部４３Ｂはそれぞれ画像処理を実行し、位置検出部４３Ｄは、細胞１００の核１００Ａの位置を検出する。核１００Ａが検出された焦点位置の高さが、核１００Ａの高さ位置として検出される。焦点位置ＳＦ１、ＳＦ２、ＳＦ３、ＳＦ４の順番は特に限定されないが、例えば、焦点位置ＳＦ０からＺ方向（顕微鏡２０の対物レンズが細胞１００から離れる方向）に高さ距離ｈ１ずつ移動させて焦点位置ＳＦ１、ＳＦ２で核１００Ａの検出を実行する。この過程で核１００Ａが検出されない場合、焦点位置ＳＦ０に戻り、Ｚ方向の反対方向（顕微鏡２０の対物レンズが細胞１００に近づく方向）に高さ距離ｈ１ずつ移動させて焦点位置ＳＦ３、ＳＦ４で核１００Ａの検出を実行する。
【００７０】
なお、顕微鏡２０の焦点を焦点位置ＳＦ１、ＳＦ２、ＳＦ３、ＳＦ４に変化させるごとに、第２ピペット３５の高さも焦点位置ＳＦ１、ＳＦ２、ＳＦ３、ＳＦ４と同じ高さに移動させることが好ましい。例えば焦点位置ＳＦ１に変化した場合、第２ピペット３５の高さ位置（Ｚ座標）がＩＺ０＋ｈ１となるように移動させる。この方法により、核１００Ａを検出した後に第２ピペット３５の高さ方向の位置調整が不要となる。例えば、卵細胞は通常の細胞に比べて球体に近く厚みを有するので、インジェクション操作を行う核１００Ａの位置を検出することが困難な場合がある。上述した画像処理及び第２ピペット３５の移動操作により、核１００Ａの位置を容易に検出するとともに、第２ピペット３５の位置調整を容易に行うことができる。
【００７１】
図１０に示した方法で核１００Ａが検出されない場合、以下に示す方法で核１００Ａを検出してもよい。図１２は、マニピュレーションシステムによる核の位置の検出操作の他の例を示すフローチャート図である。図１３は、マニピュレーションシステムによる核の位置の検出操作の他の例を説明するための説明図である。
【００７２】
制御部４６Ａは、試料ステージ２２を駆動させ初期領域ＡＳ０に移動させる（図１２、図１３、ステップＳＴ３０−１）。この際、第２ピペット３５及び顕微鏡２０の焦点位置も初期状態の位置に戻す。次に、制御部４６Ａは、第２ピペット３５を移動させる（図１２、図１３、ステップＳＴ３０−２）。これにより、第２ピペット３５の先端が座標（ＩＸ３、ＩＹ３）に位置する。座標（ＩＸ３、ＩＹ３）は、細胞１００の中心１００Ｃを通るＹ軸に平行な直線と、中心１００Ｃと第２ピペット３５の先端とを結ぶ直線とのなす角度θが４５°以下となる領域に位置する。
【００７３】
次に、制御部４６Ａは、吸引ポンプ２９を停止し、第１ピペット２５による吸引を停止させる（図１２、図１３、ステップＳＴ３０−３）。制御部４６Ａは、第１ピペット２５の内部がわずかに陽圧になるように駆動してもよい。これにより、細胞１００は第１ピペット２５から離れる方向にわずかに移動する。細胞１００が移動する際に、第２ピペット３５の先端と接触することにより、細胞１００が回転する（図１２、図１３、ステップＳＴ３０−４）。この操作により細胞１００をＸＹ平面内で回転させることが可能となる。このような操作によれば、細胞１００の移動に伴って回転するため、第２ピペット３５を操作して細胞１００を回転させる場合と比較して、細胞１００の損傷を抑制することができる。
【００７４】
所定の時間、細胞１００の回転操作を行った後、制御部４６Ａは、吸引ポンプ２９の吸引を再開し、第１ピペット２５の内部を陰圧にして吸引する（図１２、図１３、ステップＳＴ３０−５）。これにより第１ピペット２５に細胞１００が保持される。その後、第２ピペット３５を初期状態の位置（座標（ＩＸ０、ＩＹ０））に移動させ、再び画像処理を実行する（図１２、図１３、ステップＳＴ３０−６）。核１００Ａが検出された場合（図１２、ステップＳＴ３０−７、Ｙｅｓ）、細胞１００へのインジェクション操作を実行する（図４、ステップＳＴ５０）。核１００Ａが検出されない場合（図１２、ステップＳＴ３０−７、Ｎｏ）、再度回転操作を繰り返して核１００Ａの検出操作を実行してもよい。
【００７５】
上述の画像処理及び回転操作を行っても、核１００Ａが検出されない場合（図４、ステップＳＴ３１、Ｎｏ）、操作対象の細胞１００が核１００Ａを形成しておらず正常な操作対象ではない可能性がある。制御部４６Ａは、核１００Ａが検出されず操作を行っていない未操作の細胞１００を第２領域ＡＳ２（図６参照）に載置する（図４、ステップＳＴ４０）。第２領域ＡＳ２は、各種操作を行う初期領域ＡＳ０、第１領域ＡＳ１ａ−ＡＳ１ｉと離れた領域である。第２領域ＡＳ２は、例えば座標（ＳＸ５、ＳＹ５）に位置しており、あらかじめ設定された領域である。
【００７６】
次に図１４から図１６を参照して、マニピュレーションシステム１０による未操作細胞１００ａの処理方法について説明する。図１４は、未操作の細胞の移動操作の一例を示すフローチャート図である。図１５は、未操作の細胞の移動操作の一例を説明するための説明図である。図１６は、未操作の細胞の配置の一例を示す模式平面図である。
【００７７】
まず、第１ピペット２５が未操作細胞１００ａを保持した状態で、試料ステージ２２を駆動させ、第２領域ＡＳ２に移動させる（図１４、図１５、ステップＳＴ４０−１）。これにより、第２領域ＡＳ２が顕微鏡２０の観察視野と重なる位置となる。次に、第２ピペット３５をＸ方向及びＹ方向に移動させる（図１４、図１５、ステップＳＴ４０−２）。第２ピペット３５の先端は座標（ＩＸ４、ＩＹ４）に位置する。第２ピペット３５のＸ方向の位置は、未操作細胞１００ａの中心位置の近傍であり、第２ピペット３５のＹ方向の位置は、未操作細胞１００ａから離れた位置になっている。
【００７８】
制御部４６Ａは、吸引ポンプ２９を停止させ、第１ピペット２５の吸引を停止する（図１４、図１５、ステップＳＴ４０−３）。これにより、第１ピペット２５の内部が陽圧となり、未操作細胞１００ａの保持状態が緩み、未操作細胞１００ａは第１ピペット２５から離れる方向にわずかに移動する。制御部４６Ａは、第２ピペット３５をＹ方向に移動させて、第２ピペット３５は座標（ＩＸ５、ＩＹ５）に位置する。第２ピペット３５の移動に伴って未操作細胞１００ａが所定の位置に載置される（図１４、図１５、ステップＳＴ４０−４）。その後、制御部４６Ａは、試料ステージ２２を駆動させて、初期領域ＡＳ０に移動し（図１４、図１５、ステップＳＴ４０−５）、図４に示すステップＳＴ７０に進み、他の細胞の操作を行う。このように未操作細胞１００ａが第２領域ＡＳ２に載置されるので、核１００Ａの検出操作を行っていない細胞１００や、インジェクション操作を実行した細胞１００との分別を確実に行うことができる。
【００７９】
なお、核１００Ａが検出されない細胞１００が複数ある場合、図１６に示すように、未操作細胞１００ａ、１００ｂ、１００ｃは、Ｙ方向に所定の間隔ＳＹ６を設けて載置される。１個目の未操作細胞１００ａが座標（ＳＸ５、ＳＹ５）に載置されると、２個目の未操作細胞１００ｂは座標（ＳＸ５、ＳＹ５＋ＳＹ６）に載置され、３個目の未操作細胞１００ｃは座標（ＳＸ５、ＳＹ５＋ＳＹ６＋ＳＹ６）に載置される。この結果、複数の未操作細胞１００ａ−１００ｃが、操作を行った順番に従って第２領域ＡＳ２に整列されるので、一連の操作の終了後に未操作細胞１００ａ−１００ｃの問題の検証を容易に行うことができる。また、一連の操作の終了後に、未操作細胞について再度、上述した核１００Ａの検出操作を行ってもよい。
【００８０】
次に、図４に戻って、上述した画像処理及び回転操作により、細胞１００の核１００Ａが検出された場合（図４、ステップＳＴ３１、Ｙｅｓ）、細胞１００へのインジェクション操作を実行する（図４、ステップＳＴ５０）。
【００８１】
図１７は、マニピュレーションシステムによる細胞に対するインジェクション操作の一例を示すフローチャート図である。図１８は、マニピュレーションシステムによる細胞に対するインジェクション操作を説明するための説明図である。
【００８２】
制御部４６Ａは、画像処理により得られた核１００Ａの位置情報に基づいて、第２ピペット３５の移動経路を算出する（図１７、図１８、ステップＳＴ５０−１）。このとき、第２ピペット３５は初期状態の座標（ＩＸ０、ＩＹ０）に位置しており、制御部４６Ａは、第２ピペット３５の位置情報と、記憶部４６Ｂに記憶された核１００Ａの座標（ＥＸ０、ＥＹ０）の位置情報に基づいてインジェクションするための指令位置を算出する。
【００８３】
制御部４６Ａは、第２ピペット３５のＹ方向の座標ＩＹ６として、核１００Ａの中心位置のＹ方向の座標ＥＹ０に対して、距離ＥＹ１ずれた位置を算出する。つまり、制御部４６Ａは第２ピペット３５の座標ＩＹ６としてＩＹ６＝ＥＹ０−ＥＹ１を算出する。また、制御部４６Ａは、第２ピペット３５のＸ方向の座標ＩＸ６として、核１００Ａの中心位置のＸ座標ＥＸ０よりも距離ＥＸ１だけ第１ピペット２５側に近づいた位置を算出する。制御部４６Ａは、座標ＩＸ６としてＩＸ６＝ＥＸ０−ＥＸ１を算出する。
【００８４】
制御部４６Ａは、算出した座標ＩＹ６に移動するように駆動信号を出力して、第２ピペット３５をＹ方向に移動させる（図１７、図１８、ステップＳＴ５０−２）。図１８に示すように、第２ピペット３５は、座標（ＩＸ０、ＩＹ６）に移動する。第２ピペット３５のＹ方向の座標ＩＹ６は、核１００Ａの中心位置のＹ方向の座標ＥＹ０に対して、距離ＥＹ１ずれた位置となっている。これにより、インジェクション操作時に第２ピペット３５が核１００Ａを傷つけてしまうことを抑制できる。
【００８５】
次に、制御部４６Ａは、算出した座標ＩＸ６に移動するように駆動信号を出力して、第２ピペット３５を核１００Ａの中心位置よりも第１ピペット２５側にずらした位置に移動させる（図１７、図１８、ステップＳＴ５０−３）。第２ピペット３５は、座標（ＩＸ６、ＩＹ６）に移動する。これにより細胞１００の核膜内に第２ピペット３５が差し込まれる。この方法により、第２ピペット３５を核膜内に差し込む操作において確実性を向上させることができる。
【００８６】
次に、制御部４６Ａは、第２ピペット３５をＸ方向に移動させる（図１７、図１８、ステップＳＴ５０−４）。第２ピペット３５は、第１ピペット２５から離れる方向に移動し、座標（ＩＸ７、ＩＹ６）に位置する。Ｘ座標ＩＸ７は、核１００Ａの中心位置のＸ座標ＥＸ０と一致する座標である。これにより、第２ピペット３５の先端が核１００Ａの近傍に位置する。
【００８７】
第２ピペット３５を座標（ＩＸ７、ＩＹ６）の位置で静止し、ＤＮＡ注入操作を行う（図１７、図１８、ステップＳＴ５０−５）。ＤＮＡ注入操作において、あらかじめ設定された時間の間に注入ポンプ３９（図３参照）駆動させて、細胞１００に対する注入操作を行う。これに限定されず、例えば、注入操作中に画像処理を行い、核膜の膨らみを検出して、ＤＮＡの注入が完了したかどうかを判断して注入操作を行ってもよい。
【００８８】
ＤＮＡ注入操作の完了後、制御部４６Ａは、第２ピペット３５をＸ方向に駆動し、細胞１００から引き抜いて、初期位置に移動させる（図１７、図１８、ステップＳＴ５０−６）。第２ピペット３５は、座標（ＩＸ０、ＩＹ０）に位置する。以上のように、制御部４６Ａは、細胞１００に対するインジェクション操作を自動で実行することができる。なお、第２ピペット３５を細胞１００に刺す場合の移動速度と、細胞１００から抜く場合の移動速度とは、可変とすることが好ましい。
【００８９】
次に制御部４６Ａは、インジェクション操作後の細胞１００を第３領域ＡＳ３（図６参照）に移動させる（図４、ステップＳＴ６０）。図１９は、操作後の細胞の移動操作の一例を示すフローチャート図である。図２０は、操作後の細胞の移動操作の一例を説明するための説明図である。
【００９０】
制御部４６Ａは、試料ステージ２２を駆動して、第３領域ＡＳ３に移動させる（図１９、図２０、ステップＳＴ６０−１）。第３領域ＡＳ３は、操作後の細胞１００を載置するための領域であり、上述した初期領域ＡＳ０、第１領域ＡＳ１、第２領域ＡＳ２とは離れた位置の領域である。第３領域ＡＳ３は、例えば座標（ＳＸ７、ＳＹ７）に位置しており（図６参照）、あらかじめ設定された領域である。
【００９１】
次に、制御部４６Ａは、第２ピペット３５をＸ方向及びＹ方向に移動させる（図１９、図２０、ステップＳＴ６０−２）。第２ピペット３５の先端は座標（ＩＸ８、ＩＹ７）に位置する。第２ピペット３５のＸ方向の位置は、細胞１００の中心位置の近傍であり、第２ピペット３５のＹ方向の位置は、細胞１００と離れた位置になっている。
【００９２】
制御部４６Ａは、吸引ポンプ２９を停止させ、第１ピペット２５の吸引を停止する（図１９、図２０、ステップＳＴ６０−３）。これにより、第１ピペット２５の内部が陽圧となり、細胞１００の保持状態が緩み、細胞１００は第１ピペット２５から離れる方向にわずかに移動する。制御部４６Ａは、第２ピペット３５をＹ方向に移動させて、第２ピペット３５は座標（ＩＸ８、ＩＹ８）に位置する。第２ピペット３５の移動に伴って細胞１００が所定の位置に載置される（図１９、図２０、ステップＳＴ６０−４）。その後、制御部４６Ａは、試料ステージ２２を駆動させて、初期領域ＡＳ０に移動し（図１９、図２０、ステップＳＴ６０−５）、図４に示すステップＳＴ７０に進み、他の細胞の操作を行う。このようにインジェクション操作後の細胞１００が第３領域ＡＳ３に載置されるので、核１００Ａの検出操作を行っていない細胞１００や、核１００Ａが検出されない細胞１００との分別を確実に行うことができる。
【００９３】
その後、制御部４６Ａは、操作実行回数のカウンタ値Ｎを１つ増やして、Ｎ＝Ｎ＋１として記憶する（図４、ステップＳＴ７０）。操作実行回数Ｎが操作終了回数Ｎｅよりも小さい場合（図４、ステップＳＴ７１、Ｎｏ）、ステップＳＴ２０に戻って別の細胞に対する細胞保持操作、核検出操作、インジェクション操作、細胞載置操作を繰り返し実行する。操作実行回数Ｎが操作終了回数Ｎｅ以上となった場合（図４、ステップＳＴ７１、Ｙｅｓ）、あらかじめ設定された個数の細胞１００に対する操作が終了し、一連の操作を終了する。以上のように、マニピュレーションシステム１０は細胞保持操作、核検出操作、インジェクション操作、細胞載置操作を自動で行うので、移動先の試料ステージ２２の領域を見失ったり、繰り返し行う第１ピペット２５及び第２ピペット３５の位置調整操作の際に、第１ピペット２５及び第２ピペット３５が折損することを抑制することができる。
【００９４】
以上説明したように、本実施形態のマニピュレーションシステム１０は、細胞１００（微小対象物）が載置される試料ステージ２２と、細胞１００を保持するための第１ピペット２５を備える第１マニピュレータ１４と、第１ピペット２５に保持された細胞１００を操作するための第２ピペット３５を備える第２マニピュレータ１６と、細胞１００を撮像する顕微鏡ユニット１２（撮像部）と、試料ステージ２２、第１ピペット２５、第２ピペット３５及び顕微鏡ユニット１２を制御する制御部４６Ａを備え、制御部４６Ａは、顕微鏡ユニット１２の画像データに基づいて細胞１００の核１００Ａの位置（操作対象位置）を検出し、第２ピペット３５を核１００Ａの位置に移動させて、細胞１００に対する操作を第２ピペット３５に実行させる。
【００９５】
これによれば、制御部４６Ａが、画像データに基づいて核１００Ａの位置を検出するため、操作者の熟練度によらず、核１００Ａの位置を検出することができる。また、核１００Ａの位置の検出と、細胞１００に対する操作が制御部４６Ａにより自動で行われるため、細胞１００の損傷や、第２ピペット３５の損傷を抑制して、効率よくかつ好適に細胞１００を操作することができる。
【００９６】
本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、制御部４６Ａは、細胞１００の保持操作を行うために試料ステージ２２上にあらかじめ設定された第１領域ＡＳ１ａにおいて、第１ピペット２５を陰圧にして細胞１００を第１ピペット２５に保持し、顕微鏡ユニット１２の画像データに基づいて、細胞１００が保持されたことを検出する。これによれば、細胞１００を保持する操作が、制御部４６Ａにより自動で行われるため、効率よくかつ好適に細胞１００を操作することができる。
【００９７】
本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、第１領域ＡＳ１ａ−ＡＳ１ｉは複数箇所設定されており、細胞１００の保持が検出されない場合、制御部４６Ａは、所定の順番で複数の第１領域ＡＳ１ａ−ＡＳ１ｉに試料ステージ２２を移動させて、複数の第１領域ＡＳ１ａ−ＡＳ１ｉにおいて第１ピペット２５による保持操作を実行させる。これによれば、細胞１００を試料ステージ２２の上に載置する位置がずれた場合であっても、操作者が細胞１００を顕微鏡等で探す等の工数を省いて、効率よく細胞１００の保持を自動で行うことが可能である。
【００９８】
本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、顕微鏡ユニット１２は、高さ方向に焦点位置を異ならせて複数回、細胞１００を撮像し、制御部４６Ａは、焦点位置が異なる複数の画像データに基づいて核１００Ａの位置を検出する。これによれば、精度よく核１００Ａの位置を検出することができる。
【００９９】
本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、顕微鏡ユニット１２は、細胞１００の中心の高さ位置から順次焦点位置を変化させて撮像し、制御部４６Ａは、顕微鏡ユニット１２の焦点位置の高さに一致させるように、第２ピペット３５の高さ位置を移動させる。これによれば、第２ピペット３５の高さ位置の調整を容易に行うことができるので、核１００Ａへの操作を確実に行うことができる。
【０１００】
本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、制御部４６Ａは、第１ピペット２５が細胞１００を保持した状態で細胞１００の近傍に第２ピペット３５を移動させ、第１ピペット２５の吸引を停止させる。これによれば、第１ピペット２５の吸引が停止することで細胞１００がわずかに移動し、第２ピペット３５に接触して回転する。このため、核１００Ａが検出されない場合においても、細胞１００を回転操作することで核１００Ａの位置が変化し、検出が可能となる。また、細胞１００の損傷を抑制しつつ回転させることができる。
【０１０１】
本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、制御部４６Ａは、核１００Ａの位置が検出されない未操作細胞１００ａを試料ステージ２２上の所定の第２領域ＡＳ２に載置する。これによれば、保持操作の対象となる細胞１００と、核１００Ａの位置が検出されない未操作の細胞１００ａとの混在を防ぐことができるので、連続して複数の細胞１００の操作が可能となる。
【０１０２】
本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、制御部４６Ａは、第２ピペット３５により操作が実行された細胞１００を第２領域ＡＳ２と異なる第３領域ＡＳ３に載置する。これによれば、未操作細胞１００ａと、操作が実行された細胞１００との混在を防ぐことができるので、連続して複数の細胞１００の操作が可能となる。
【０１０３】
本実施形態のマニピュレーションシステムの駆動方法は、細胞１００が載置される試料ステージ２２と、細胞１００を保持するための第１ピペット２５を備える第１マニピュレータ１４と、第１ピペット２５に保持された細胞１００を操作するための第２ピペット３５を備える第２マニピュレータ１６と、細胞１００を撮像する顕微鏡ユニット１２と、試料ステージ２２、第１ピペット２５、第２ピペット３５及び顕微鏡ユニット１２を制御する制御部４６Ａとを備えるマニピュレーションシステム１０の駆動方法であって、第１ピペット２５に保持された細胞１００の核１００Ａの位置を、顕微鏡ユニット１２の画像データに基づいて制御部４６Ａが検出するステップと、第２ピペット３５を核１００Ａの位置に移動させ、細胞１００に対する操作を実行させるステップと、を含む。
【０１０４】
これによれば、制御部４６Ａが、画像データに基づいて核１００Ａの位置を検出するため、操作者の熟練度によらず、核１００Ａの位置を検出することができる。また、核１００Ａの位置の検出と、細胞１００に対する操作が制御部４６Ａにより自動で行われるため、細胞１００の損傷や、第２ピペット３５の損傷を抑制して、効率よくかつ好適に細胞１００を操作することができる。
【０１０５】
本実施形態のマニピュレーションシステム１０及びマニピュレーションシステム１０の駆動方法は適宜変更してもよい。例えば、第１ピペット２５、第２ピペット３５等の形状等は、微小対象物の種類や、微小対象物に対する操作に応じて適宜変更することが好ましい。細胞保持操作、核検出操作、インジェクション操作、細胞載置操作の各操作において、適宜手順の一部を省略してもよく、また、手順を置換して実行してもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１０  マニピュレーションシステム
１１  試料保持部材
１２  顕微鏡ユニット
１４  第１マニピュレータ
１６  第２マニピュレータ
１８  カメラ
２０  顕微鏡
２２  試料ステージ
２４  第１ピペット保持部材
２５  第１ピペット
２６  Ｘ−Ｙ軸テーブル
２８  Ｚ軸テーブル
３０、３２  駆動装置
３４  第２ピペット保持部材
３５  第２ピペット
３６  Ｘ−Ｙ軸テーブル
３８  Ｚ軸テーブル
４０、４２  駆動装置
４３  コントローラ
４４  微動機構
４５  表示部
４６Ａ  制御部
４６Ｂ  記憶部
４９  入力部
８０、８２  転がり軸受
９２  圧電素子
１００  細胞
１００Ａ  核
１００Ｃ  中心
【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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【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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