JP5940291B2 - 走査型レーザ顕微鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、走査型レーザ顕微鏡システムに関するものである。

従来、コンピュータが備えるＣＰＵが実行するアプリケーションプログラムによって動作が制御される走査型レーザ顕微鏡（ＬＳＭ）が知られている。アプリケーションプログラムは、ＬＳＭが実行する画像取得等の制御項目が時間軸に沿って設定されたタイムフローを管理している。ＣＰＵはアプリケーションプログラムと同時に他のソフトウェアも実行するため、設定されたタイムフローに対して各制御項目の実行時刻のばらつきが１００ミリ秒単位と大きく、１ミリ秒オーダーの生体細胞の反応等を観察するには時間精度が不十分である。

このような問題に対応するため、ＣＰＵとは別に動作するソフトウェアシーケンサをコンピュータに装備し、従来ＣＰＵが実行していた機能の一部をソフトウェアシーケンサが実行するように構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載されているソフトウェアシーケンサは、予め設定されたタイムフローを実行するものであり、タイムフローを実行中に各制御項目の条件を変更することは想定されていない。

特開２００７−１１３００号公報

しかしながら、特許文献１の場合、スキャナの追加等によりＬＳＭの機能を増大させると、ソフトウェアシーケンサの制御対象が増えて処理量が増大することにより、従来と同様に制御項目の実行時刻にばらつきが生じ、制御項目の再現性を保障することが困難になるという問題がある。

また、ＬＳＭで生細胞を長期間にわたって観察する場合等、タイムフローの実行中に、例えば、細胞が移動する等の観察条件の変化が度々発生する。数分程度の短時間の観察であれば、視野範囲を余分に広く設定するなど各種の設定を緩めることで観察条件の変化を許容できる。しかし、観察時間が長い場合には観察条件の変化量も大きくなるため、特許文献１のように予め設定されたタイムフローに従ってＬＳＭを動作させる構成では、観察条件の変化に十分に対応することが困難である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、時間制御の精度を向上して制御項目の再現性を保障するとともに観察の途中であっても制御項目の制御内容を変更することができる走査型レーザ顕微鏡システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、レーザ光源からのレーザ光をスキャナによって標本表面で走査する顕微鏡装置と、アプリケーションプログラムに時間軸と対応付けて設定された制御項目を実行させるように前記顕微鏡装置を制御するハードウェアシーケンサと、前記アプリケーションプログラムを実行するＣＰＵとは独立して設けられ、前記アプリケーションプログラムに設定された制御項目の制御内容を管理するソフトウェアシーケンサとを備え、該ソフトウェアシーケンサが、前記アプリケーションプログラムにより設定された制御項目を記憶装置から読み出し、前記制御項目の制御内容である制御データを演算し、演算された制御データを前記ハードウェアシーケンサに送信し、前記ハードウェアシーケンサが、時刻を計時して前記アプリケーションプログラムに設定された最初の制御項目の開始時刻にスタート信号を出力するスタートタイマと、前記制御項目が終了したときにインターバル時間のカウントを開始し、カウント数を出力するインターバルタイマと、前記スタート信号または前記カウント数に応答して、前記ソフトウェアシーケンサから受信した制御データに従って前記顕微鏡装置を駆動させるための同期信号を前記顕微鏡装置に出力する同期信号発生器とを備える走査型レーザ顕微鏡システムを提供する。

本発明によれば、ハードウェアシーケンサがアプリケーションプログラムに設定された制御項目を顕微鏡装置に実行させることにより、画像の取得等を行うことができる。ソフトウェアシーケンサは、アプリケーションプログラムに設定されている制御項目の制御内容を管理する。

このように、制御項目を実行させる機能をハードウェアシーケンサが担い、それ以外の制御内容を管理する機能をソフトウェアシーケンサが担うことにより、顕微鏡装置をアプリケーションプログラムに設定された通りに作動させることができ、時間制御の精度を向上して制御項目の再現性を保障することができる。また、アプリケーションプログラムに設定された一連の制御項目の実行が開始された後であっても、未実行の制御項目の制御内容をソフトウェアシーケンサによって変更することにより、変更後の制御項目をハードウェアシーケンサによって顕微鏡装置に実行させることができる。

上記発明においては、前記ハードウェアシーケンサが、前記制御項目の実行時刻およびスキャナの走査方式を制御し、前記ソフトウェアシーケンサが、前記制御項目の条件および順番を管理することとしてもよい。

また、上記発明においては、前記ハードウェアシーケンサが、前記制御項目の開始時刻の直前に前記ソフトウェアシーケンサへの割り込みを発生させ、前記ソフトウェアシーケンサが、前記ハードウェアシーケンサによる前記開始時刻まで前記制御項目の制御内容を変更可能であることとしてもよい。

このようにすることで、ハードウェアシーケンサが制御項目を顕微鏡装置に実行させる直前に、その制御項目の制御内容をソフトウェアシーケンサによって変更する機会が与えられる。これにより、観察条件が変化したときに、その変化に合わせて制御内容を迅速に変更することができる。

また、上記発明においては、前記ハードウェアシーケンサが、前記制御項目の開始時刻を管理するタイマを備え、前記開始時刻の所定時間前に前記ソフトウェアシーケンサに割り込みを出力し、前記ソフトウェアシーケンサが、前記ハードウェアシーケンサからの割り込みを受けてから次に前記顕微鏡装置に実行させる制御項目を前記ハードウェアシーケンサに送信することとしてもよい。

このようにすることで、顕微鏡装置による１つの制御項目が終了する毎に、ソフトウェアシーケンサは次の顕微鏡装置に実行させる制御項目およびその制御内容をハードウェアシーケンサに送信する。このように制御項目を１つずつソフトウェアシーケンサからハードウェアシーケンサに送信することにより制御項目の設定の自由度をさらに向上することができる。

本発明によれば、時間制御の精度を向上して制御項目の再現性を保障するとともに観察の途中であっても制御項目の制御内容を変更することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る走査型レーザ顕微鏡システムの全体構成図である。 図１に示されるハードウェアシーケンサの構成を示すブロック図である。 （ａ），（ｂ）図１の走査型レーザ顕微鏡システムの動作の一例を示すタイムチャートである。

以下に、本発明の一実施形態に係る走査型レーザ顕微鏡（ＬＳＭ）システム１００について図面を参照して説明する。
本実施形態に係るＬＳＭシステム１００は、図１に示されるように、顕微鏡装置１と、インターフェイス（図示略）を介して該顕微鏡装置１と接続されたコンピュータ１０とを備えている。

顕微鏡装置１は、本体２と、該本体２の各部位の動作を制御するコントロールユニット３とを備えている。
コントロールユニット３は、本体２が備える各部位に対応した複数のハードウェアシーケンサ４ａ，４ｂ，４ｃ（以下、これらをまとめてハードウェアシーケンサ４とも言う。）を備え、各ハードウェアシーケンサ４によって本体２にタスク（制御項目）を実行させ、必要に応じて顕微鏡２ｉと標本が載置されたステージの位置を制御するステージコントローラ２ｊとを制御する。

具体的には、１つのハードウェアシーケンサ４ａは、観察用スキャンユニット（スキャナ）２ａ、検出器２ｂ，２ｃおよび観察用レーザユニット（レーザ光源）２ｄを制御して標本（図示略）の特殊光画像の取得を本体２に実行させるものである。すなわち、観察用レーザユニット２ｄから出射させた観察用レーザ光を観察用スキャンユニット２ａによって走査し、標本から発せられた蛍光やラマン散乱光等の特殊光を各検出器２ｂ，２ｃによって検出させる。

もう１つのハードウェアシーケンサ４ｂは、刺激用スキャンユニット（スキャナ）２ｅおよび刺激用レーザユニット（レーザ光源）２ｆを制御して標本の光刺激を本体２に実行させるものである。すなわち、刺激用レーザユニット２ｅから出射させた刺激用レーザ光を刺激用スキャンユニット２ｅによって走査することにより標本の所定の領域に光刺激を与える。
もう１つのハードウェアシーケンサ４ｃは、ＣＣＤカメラ２ｇおよび照明ユニット２ｈを制御して標本の明視野画像の取得を実行させるものである。すなわち、照明ユニット２ｈから照明光を標本に照明させ、照明された標本の明視野画像をＣＣＤカメラ２ｇによって撮影させる。

図２は、ハードウェアシーケンサ４の内部構成を示す図である。図２に示されるように、ハードウェアシーケンサ４は、スタートタイマ４１と、同期信号発生器４２と、ループコントローラ４３と、インターバルタイマ４４とを備え、同期信号発生器４２が保持する制御データ（制御内容）に従って上述した各タスクを本体２に実行させる。

具体的には、スタートタイマ４１は、図示しないクロックから時刻信号が入力され、時刻信号が所定の時刻になったときにスタート信号を同期信号発生器４２に出力する。同期信号発生部４２は、スタートタイマ４１からのスタート信号の入力をトリガにし、制御データに従って対応する各部位に駆動を指令する同期信号の出力を開始することにより本体２にタスクを実行させる。該同期信号は、ループコントローラ４３を介してインターバルタイマ４４にも出力される。

同期信号発生部４２は、１つのタスクが完了する毎に、後述するソフトウェアシーケンサ１１に対して割り込み信号を出力することにより、ソフトウェアシーケンサ１１への割り込みを発生させる。これと同時に、インターバルタイマ４４は、インターバル時間のカウントを開始し、そのカウント数を同期信号発生器４２に出力する。同期信号発生器４２は、インターバルタイマ４４が所定のインターバル時間に達すると、次のタスクを実行させるように本体２の各部位に同期信号の出力を開始する。以上のように、ハードウェアシーケンサ４は、各タスクの開始時刻やインターバル時間などの各種の時間、および、本体２の各部位の実際の動作を管理する。

コンピュータ１０は、ＣＰＵ（図示略）と、該ＣＰＵとは別に動作するソフトウェアシーケンサ１１とを備えている。ＣＰＵは、コンピュータ１０が備える記憶装置（図示略）に記憶されているアプリケーションプログラムを実行させる。該アプリケーションプログラムは、時間軸とタスクとが対応付けて設定された制御テーブルをコンピュータ１０に接続されたモニタ（図示略）に表示すると共に、マウスやキーボード等の入力手段（図示略）によって制御テーブルにタスクの登録や各タスクの条件の入力を操作者に行わせるグラフィカル・ユーザー・インターフェイス（ＧＵＩ）を備えている。タスクの条件とは、例えば、スキャンユニット２ａ，２ｅの走査方式、検出器２ｂ，２ｃの感度、レーザ光の光路に挿入するＮＤフィルタ、光路の切り替え等である。操作者は、入力手段を使用して制御テーブルにタスクを登録し、または、既に登録されているタスクの条件を変更することにより制御テーブルを書き換えることができる。

ソフトウェアシーケンサ１１は、記憶装置からＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）ボード１２を介して、制御テーブルを読み出し、制御テーブルに登録されているタスクのうち、次に本体２によって実行させるタスクの内容に基づいて本体２の各部の制御内容である制御データを演算する。ソフトウェアシーケンサ１１は、ハードウェアシーケンサ４からの割り込み信号を待機している間、記憶装置からの制御テーブルの読み出しと、次に本体２に実行させるタスクの条件に変更がある場合には開始時刻設定の更新や本体２の各部位の制御データの再演算を繰り返す。

そして、ソフトウェアシーケンサ１１は、制御テーブルに設定されている次のタスクの開始時刻の所定の時間前になったときに制御テーブルの読み出しと、開始時刻設定の更新・制御データの再演算とを中止し、割り込み信号を受け取ってから最終的な演算結果である制御データを対応するハードウェアシーケンサ４に送信する。すなわち、ハードウェアシーケンサ４への制御データの設定はインターバル期間中に実行される。したがって、インターバル期間は、制御データの演算および設定が完了するのに十分な時間に設定される。このようにしてソフトウェアシーケンサ１１は、操作者によって制御テーブルに設定されたタスクの条件や実行順序を管理する。

次に、このように構成されたＬＳＭシステム１００の作用について図３（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ），（ｂ）は、観察用スキャンユニット２ａの走査方式がＸＹＺ方式に設定され、視野の位置をＺ方向に移動しながら複数のＸＹ平面の特殊光画像を取得するタスクを実行するときのＬＳＭシステム１００の動作の一例を示している。なお、ＸＹ方向は水平方向を示し、Ｚ方向は垂直方向を示している。

図３（ａ）に示されるように、コンピュータ（ＨｏｓｔＰＣ）１０の記憶装置に記憶されている制御テーブルにＧＵＩによってタスクおよびその条件が書き込まれると（メモリライト）、ソフトウェアシーケンサ（ＳｅｑＣＰＵ）１１は制御テーブルを読み出し（メモリリード）、１番目のタスクの制御データの演算および設定を行う。

本実施形態においては、１番目のタスクが、１枚の画像を取得するサブタスクが複数繰り返されることにより構成されている。このような場合には、ソフトウェアシーケンサ１１は、１番目のサブタスクである１枚目の画像取得のための制御データを演算し（演算１）、演算した制御データをインターフェイス（ＨＯＳＴＩＦ）を介してハードウェアシーケンサ（ＴＲＡＣ１）４ａの同期信号発生器４２に送信して設定する（設定１）。ＣＰＵは、制御データの設定が完了したことを確認して（ＲＥＡＤＹ）、制御テーブルによる制御の開始をソフトウェアシーケンサ１１およびハードウェアシーケンサ４ａに指示する（スタート）。

次に、ハードウェアシーケンサ４は、スタートタイマ４１によって時刻を監視し、開始時刻になるのを待って１枚目の画像取得のための本体２の制御を開始する（フレーム開始、Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ１ Ｆｒａｍｅ＃１）。ハードウェアシーケンサ４が本体２に最初の画像取得を実行させている間、ソフトウェアシーケンサ１１は記憶装置から制御テーブルを読み出し（メモリリード）、制御データを演算し（演算２）することにより２枚目の画像取得のための制御データを生成する。

ハードウェアシーケンサ４は、１枚目の画像取得の制御が完了すると、それを通知する信号をソフトウェアシーケンサ１１に送信し（フレーム終了）、次の画像取得のための制御データをソフトウェアシーケンサ１１から受け取って同期信号発生器４２に設定する（設定２）。これと共に、ハードウェアシーケンサ４は、インターバルタイマ４４によりサブインターバル時間のカウントを開始する。サブインターバル時間は、同期信号発生器４２への制御データの設定が完了するのに十分な時間に設定されている。ハードウェアシーケンサ４は、インターバルタイマ４４によるカウント数が所定の時間に達するのを待って２枚目の画像取得のための本体２の制御を開始する（フレーム開始、Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ１ Ｆｒａｍｅ＃２）。

ソフトウェアシーケンサ１１は、ハードウェアシーケンサ４からの通知に基づいてそれまで実行された画像取得の回数をカウントしながら、視野の位置が異なる複数の画像を取得するための制御データを順番にハードウェアシーケンサ４に送信する。
ＬＳＭシステム１００は、以上のようにしてサブタスクを繰り返し、全てのＺ位置における特殊光画像を取得して１番目のタスクを完了する。なお、観察用スキャンユニット２ａの走査方式としては、ＸＹＺ方式の他に、ＸＹ方式、ＸＹＴ方式、ＸＹＺＴ方式、ＸＺＴ方式、ＸＺ方式、ＸＴ方式等がある。Ｔ方向は時間軸を示している。

１番目のタスクが完了した後、図３（ｂ）に示されるように、ハードウェアシーケンサ４は割り込み信号をソフトウェアシーケンサ１１に出力する（インストラクション開始）。ソフトウェアシーケンサ１１は、割り込み信号を受け取ると、記憶装置から制御テーブルを読み出し（メモリリード）、２番目のタスクの制御データを演算し（演算１’）、制御データをハードウェアシーケンサ４に設定する（設定１’）。図３において、２番目のタスクとして、例えば、１フレーム毎にＺ位置を移動するＸＹＺ方式により複数の一連の画像を取得するタスクを実行させる場合が示されている。以下、１番目のタスクと同様であるので説明を省略する。

このように、本実施形態によれば、タスクの実行に必要な機能のうち、時間の管理に係る機能はハードウェアシーケンサ４に、その他の機能はソフトウェアシーケンサ１１にそれぞれ分担されている。これにより、ハードウェアシーケンサ４は、制御テーブルに設定されたタスクをそのスケジュール通りに本体２に実行させることが可能となり、時間制御の精度を向上してタスクの再現性を保障することができる。また、ハードウェアシーケンサ４でタスクの時間を管理することにより、同時に複数の時間軸を組み合わせることも容易になる。例えば、Ｚ軸やＴ軸毎にインターバル時間を変更することができ、マイクロ秒以下の高い時間精度も確保できる。

また、ソフトウェアシーケンサ１１は、時間を管理する必要がなく、ハードウェアシーケンサ４からの割り込み信号や通知に応じて処理を行えばよいので、ソフトウェアシーケンサ１１の負荷を軽減することができる。また、このようにソフトウェアシーケンサ１１の負荷が軽減されることにより、スキャンユニット２ａ，２ｅ毎に独立に設けられた複数のハードウェアシーケンサ４ａ，４ｂの制御データの管理を１つのソフトウェアシーケンサ１１が担ったとしても十分な時間精度を確保することができる。

また、タスクまたはサブタスクの制御データは、当該タスクまたはサブタスクが本体２によって実行される直前にソフトウェアシーケンサ１１からハードウェアシーケンサ４に設定される。すなわち、制御テーブルに設定された一連のタスクの実行が開始した後であっても、次のタスクまたはサブタスクの制御データの書き換えが終了する前にＧＵＩによりアプリケーションプログラムの制御テーブルに次のタスクまたはサブタスクの条件の変更を入力することにより、当該変更の内容を次のタスクまたはサブタスクの制御データに反映させることができる。これにより、例えば、標本である生細胞が移動してステージコントローラ２ｊの設定を変更する必要が生じたときに迅速にその設定を変更して、観察条件の変化に合わせてタスクまたはサブタスクの条件をリアルタイムで変化させることができる。

なお、本実施形態においては、ソフトウェアシーケンサ１１が、一度制御テーブルに設定されたタスクの実行と未実行とを選択可能とされていてもよい。この場合、ＧＵＩは、制御テーブルに一度設定されたタスクを削除可能に構成される。ソフトウェアシーケンサ１１は、次のタスクまたはサブタスクの記憶装置からの読み出しおよび制御データの演算を開始した後に、当該タスクまたはサブタスクが制御テーブルから削除されたときには、その制御データの演算を中止して演算結果を消去する。このようにすることで、タスクまたはサブタスクを開始される直前に中止することができる。

１ 顕微鏡装置
２ 本体
２ａ 観察用スキャンユニット（スキャナ）
２ｂ，２ｃ 検出器
２ｄ 観察用レーザユニット（レーザ光源）
２ｅ 刺激用スキャンユニット（スキャナ）
２ｆ 刺激用レーザユニット（レーザ光源）
２ｇ ＣＣＤカメラ
２ｈ 照明ユニット
２ｉ 顕微鏡
２ｊ ステージコントローラ
３ コントロールユニット
４ａ，４ｂ，４ｃ ハードウェアシーケンサ
１０ コンピュータ
１１ ソフトウェアシーケンサ
１２ ＰＣＩボード
４１ スタートタイマ
４２ 同期信号発生器
４３ ループコントローラ
４４ インターバルタイマ
１００ 走査型レーザ顕微鏡システム

Claims (4)

1. レーザ光源からのレーザ光をスキャナによって標本表面で走査する顕微鏡装置と、
   アプリケーションプログラムに時間軸と対応付けて設定された制御項目を実行させるように前記顕微鏡装置を制御するハードウェアシーケンサと、
   前記アプリケーションプログラムを実行するＣＰＵとは独立して設けられ、前記アプリケーションプログラムに設定された制御項目の制御内容を管理するソフトウェアシーケンサとを備え、
   該ソフトウェアシーケンサが、前記アプリケーションプログラムにより設定された制御項目を記憶装置から読み出し、前記制御項目の制御内容である制御データを演算し、演算された制御データを前記ハードウェアシーケンサに送信し、
   前記ハードウェアシーケンサが、
   時刻を計時して前記アプリケーションプログラムに設定された最初の制御項目の開始時刻にスタート信号を出力するスタートタイマと、
   前記制御項目が終了したときにインターバル時間のカウントを開始し、カウント数を出力するインターバルタイマと、
   前記スタート信号または前記カウント数に応答して、前記ソフトウェアシーケンサから受信した制御データに従って前記顕微鏡装置を駆動させるための同期信号を前記顕微鏡装置に出力する同期信号発生器とを備える走査型レーザ顕微鏡システム。
2. 前記ハードウェアシーケンサが、前記制御項目の実行時刻および前記スキャナの走査方式を制御し、
   前記ソフトウェアシーケンサが、前記制御項目の条件および順番を管理する請求項１に記載の走査型レーザ顕微鏡システム。
3. 前記ハードウェアシーケンサが、前記制御項目の開始時刻の直前に前記ソフトウェアシーケンサへの割り込みを発生させ、
   前記ソフトウェアシーケンサが、前記ハードウェアシーケンサによる前記開始時刻まで前記制御項目を変更可能である請求項１または請求項２に記載の走査型レーザ顕微鏡システム。
4. 前記ハードウェアシーケンサが、前記制御項目の開始時刻を管理するタイマを備え、前記開始時刻の所定時間前に前記ソフトウェアシーケンサに割り込みを出力し、
   前記ソフトウェアシーケンサが、前記ハードウェアシーケンサからの割り込みを受けてから次に前記顕微鏡装置に実行させるタスクを前記ハードウェアシーケンサに送信する請求項３に記載の走査型レーザ顕微鏡システム。

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