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JP2002531840A - コンピュータを使用した適応画像形成装置及び方法 - Google Patents

コンピュータを使用した適応画像形成装置及び方法

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Publication number
JP2002531840A
JP2002531840A JP2000585823A JP2000585823A JP2002531840A JP 2002531840 A JP2002531840 A JP 2002531840A JP 2000585823 A JP2000585823 A JP 2000585823A JP 2000585823 A JP2000585823 A JP 2000585823A JP 2002531840 A JP2002531840 A JP 2002531840A
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JP
Japan
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dimensional
image
imaging volume
refractive index
refractive
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2000585823A
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カム，ズヴィ
セダト，ジョン・ダブリュー
アガード，デービッド・エイ
ホーザー，ブリジェット・エム
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yeda Research and Development Co Ltd
University of California
Original Assignee
Yeda Research and Development Co Ltd
University of California San Diego UCSD
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Publication date
Application filed by Yeda Research and Development Co Ltd, University of California San Diego UCSD filed Critical Yeda Research and Development Co Ltd
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    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T1/00—General purpose image data processing
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0052—Optical details of the image generation
    • G02B21/0072—Optical details of the image generation details concerning resolution or correction, including general design of CSOM objectives
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Image Processing (AREA)

Abstract

(57)【要約】 本発明のコンピュータを使用した適応画像形成装置は、三次元画像化ボリュームにおける屈折特性に関連する情報を提供する画像情報取得部と、屈折特性に関連する情報を用いて、三次元画像化ボリュームを介して三次元画像化ボリュームの多数の位置からの多数の光線を追跡し、それによって、位置依存性のポイント・スプレッド関数を提供する光トレーサと、位置依存のポイント・スプレッド関数を用いて、三次元画像化ボリュームにおける屈折特性の変動によってもたらされる歪みについて補正された出力画像を提供するデコンボルバとを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は一般に画像形成に関し、より詳細には、取得画像の後処理（post acq
uisition image processing）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
取得画像の後処理は、文献において周知の技術である。取得画像の後処理にお
ける技術の概論は、Lim,J.S.“Two dimensional signal and image processing
” Englewood Cliffs,NJ.Prentice Hall.(1990)、Russ,J.C.“Image processing
handbook” CRC Press.(1992)、Prett,W.K.“Digital image processing”.NY
John Wiley&Sons,Inc.(1991)、Rosenfeld,A.and Kak,A.C.“Digital picture Pr
ocessing”.Academic Press.(1976)、Castleman,K.R.“Digital Image Processi
ng”.Prentice-Hall Inc.Englewood Cliffs,New Jersey.(1979)に記載されてい
る。
【０００３】 画像化ボリューム（imaged volume）における屈折特性に関連する情報を提供
するイメージング（画像形成）は、極めて狭い用途について知られている。顕微
鏡において、Ｓｍｉｔｈ、Ｎｏｍａｒｓｋｉ及び差分干渉コントラスト（ＤＩＣ
：Differential Interference Contrast）イメージングが知られており、Nomars
ki,G.“Microinterferometre differential a onds polarisees”J.Phys.Radium
16:9S-11S(1955)、Lang,W.“Differential-Interferenz-Miikroskopie”.Carl-Z
eiss,Oberkochen(1975)、Inoui,S.and Spring K.S.“Video Microscopy;the fun
damentals”.第２版 Plenum Press,NY.(1997)、Tanford,C.“Physical chemistr
y of macromolecules”.John Wiley NY.(1961)の刊行物に記載されている。添付
資料Ｃでは、一次元屈折率変動の決定のためにすべて開発された、従来のレイリ
ー干渉法、シュリーレン画像にもとづいたＰｈｉｌｏｔ ａｎｄ Ｓｖｅｎｓｏ
ｎ法、線形変位のＬａｍｍ法、及びＧｏｕｙ干渉法を記載している。
【０００４】 ＤＩＣイメージングのコンピュータ分析は、容易に実行可能なものではない。
以下の文献、Allen,R.D.,Allen,N.S.and Travis,J.L.“Video-enhanced contras
t, differential interference contrast (AVEC-DIC) microscopy: a new metho
d capable of analyzing microtubule related motility in the reticulopodia
l network of Allogromia laticollaria. ”Cell Motility 1:291-302(1981)、C
ogswell,C.J.and Sheppard,C.J.R.“Confocal differential interference cont
rast(DIC) microscopy: including a theoretical analysis of conventional a
nd confocal DIC imaging”J.Microsc.165:81-101(1992)、Gelles,J.,Schnapp,B
.J.and Sheetz,M.P.“Tracking kinesin-driven movements with nanometre-sca
le precision”,Nature 331;450-453(1988)、Hdusler,G.and Kvrner,E.“Imagin
g with expand depth of focus”.Zeiss Inform.29:9-13(1987)、Preza,C.,Snyd
er,D.L and Conchello,J-A.“Image reconstruction for three-dimensional tr
ansmitted light DIC microscopy”.SPIE 2984:220-231 (1997)、Schormann,T.a
nd Jovin,T.M.“Contrast enhancement and depth perception in three-dimens
ional representations of differential interference contrast and confocal
scanning laser microscope images”.J.Microsc.166:155-168(1992)に記載さ
れている。
【０００５】 離散屈折表面と反射表面との間のコンピュータ化された光線追跡について、す
でに十分に開発されているが、屈折の非同次指数（non-homogeneous indices）
の環境では、あまり知られていない。この場合の技術は、以下の刊行物、Hecht
E.and Zajac A.“Optics”第２版 Addiso-Wesley Reading MA(1997)、Jekins,F.
A.,and White,H.E.“Fundamentals of optics”.McGrow-Hill,NY.(1950)第８章:
Ray Tracingにおいて記載されている。
【０００６】 ポイント・スプレッド関数（ＰＳＦ）の計算は、以下の刊行物、Born M.and W
olf E.“Principle of Optics”Pergamon London(1959)、Goodman J.W.“Statis
tical Optics” John Wiley&Sons NY(1985)、Hecht E. and Zajac A.“Optics”
第２版Addison-Wesley Reading MA.(1997)、Gibson S.F.and Lanni F.“Diffrac
tion by circular aperture as a model for three-dimensional optical micro
scopy”.Opt.Soc.Am.A 6:1357-1367(1989)、Gibson S.F.and Lanni F.“Modelin
g aberrations due to mismatched layers for 3-D microscopy”SPIE optics i
n complex systems 1319:470-471(1990)、Gibson S.F.and Lanni F.“Experimen
tal test of an analytical model of aberration in an oil-immersion object
ive lens used in three-dimensional light microscopy”.J.Opt.Soc.Am.A 8:1
601-1613(1991)において記載されているように、周知である。
【０００７】 位置独立性ＰＳＦを有する三次元顕微鏡画像のデコンボリューションが周知で
あり、以下の文献（そのうちのいくつかは本発明者により著されている）、Jans
son, P.A.編“Deconvolution of images and spectra”.Academic Press NY(199
7)、Agerd,D.A.and Sedat,J.W.“Three-dimensional architecture of a polyte
ne nucleus”.Nature 302:676-681(1984)、Agard,D.A.,HIraoka,Y.,Shaw,P.and
Sedat,J.W.“Fluorescence microscopy in three dimensions”.Methods in Cel
l Biology 30:353-377(1989)、Castleman,K.R.“Digital Image Processiong”.
Prentice-Hall Inc.Englewood Cliffs,New Jersey(1979)に、記載されている。
適宜歪められた鏡の使用による、及び位置独立性のＰＳＦを有する二次元望遠画
像のデコンボリューションによる望遠画像の補正は、以下の刊行物、Boden,A.F.
,Reeding,D.C,Hanisch,R.J.Mo,J.and White,R.“Comparative results with mas
sively parallel spatially-variant maximum likelihood image restoration”
.Bul Am Astr.Soc 27:924-929(1995)、Boden,A.F.,Reeding,D.C,Hanisch,R.J. a
nd Mo,J.“Massively parallel spatially-variant maximum likelihood restor
ation of Hubble space telescope imagery”.J Opt Soc Am A13:1537-1545(199
6)、Jansson,P.A.編“Deconvolutuion of images and spectra”.Academic Pres
s NY(1997)、Tyson R.K.“Principles of Adaptive Optics”Academic Press NY
(1991)に記載されている。点物体からのぼやけた画像の再構築は、以下の刊行物
、Carrington,W.A.,Lynch,R.M.,Moore,D.W.,Isenberg,G.,Fogartry,K.E.and Fay
,F.S.“Superresolution three-dimensional images of fluorescence in cells
with minimal light exposure”.Science 268:1483-1487(1995)、Femio,A.M.,F
ay,F.S.,Fogarty,K.,and Singer,R.H.“Visualization of single RNA transcri
pts in situ”.Sience 280:585-590(1998)に記載されている。
【０００８】
【発明の概要】
本発明は、取得画像の処理のための装置及び方法を提供することを目的として
いる。 本発明の好適な実施形態により、三次元の画像化されたボリュームすなわち塊
（imaged volume）における屈折特性に関連する情報を提供する画像情報取得部
（acquirer）と、屈折特性に関連する情報を用いて、三次元画像化ボリュームを
介して三次元画像化ボリュームの多数の位置からの多数の光線を追跡し、それに
よって、位置依存性のポイント・スプレッド関数を提供する光トレーサと、位置
依存のポイント・スプレッド関数を用いて、三次元画像化ボリュームにおける屈
折特性の変動によってもたらされる歪みについて補正された出力画像を提供する
デコンボルバ（deconvolver）とを含む、コンピュータを使用した適合画像形成
装置が提供される。
【０００９】 画像情報取得部は、三次元画像化ボリュームの少なくとも２つの三次元画像を
取得し、その少なくとも一方の三次元画像が三次元画像化ボリュームにおける屈
折特性に関連する情報を含むことが好ましい。 屈折特性を、歪みについて補正されるべき画像から抽出することができる場合
、又は、屈折特性が独立であることが知られている場合、１つの三次元画像のみ
を取得すればよい。 画像取得部は、たとえば、ステイン強度が屈折率増分に比例しているＤＮＡに
関連したステイン剤において、たとえば位相顕微鏡又は蛍光顕微鏡によるＤＩＣ
から、屈折率情報を得てもよい。 屈折率マッピングを屈折率が既知のサンプルに適用してもよい。これは、たと
えば構成が既知のマイクロチップ・ウェハ構造に適用できる。
【００１０】 本発明の好適な実施形態によれば、画像取得部は、三次元画像化ボリュームの
少なくとも３つの三次元画像を取得する。 画像取得部は、離散の波長帯をそれぞれ有する、三次元画像化ボリュームの複
数の三次元画像を取得することが好ましい。 その代わりに、画像取得部は、多数の三次元画像それぞれの波長帯が連続する
波長帯を構成している、三次元画像化ボリュームの多数の三次元画像を取得して
もよい。
【００１１】 本発明の好適な実施形態によれば、光トレーサ及びデコンボバは、三次元画像
の１つから得られた三次元画像化ボリュームにおける屈折特性に関連する情報を
用いて、該三次元画像又は少なくとも１つの別の三次元画像を補正する。 取得部は、たとえば、ステイン強度が屈折率増分に比例している、ＤＮＡに関
連したステイン剤において、ＤＩＣから、すなわち位相差顕微鏡又は蛍光顕微鏡
から屈折率情報を得てもよい。 屈折率マッピングを屈折率が既知のサンプルに適用してもよい。これは、たと
えば、構成が知られているマイクロチップ・ウェハ構造に適用できる。
【００１２】 本発明の好適な一実施形態によれば、三次元画像は、電磁エネルギ画像である
。好ましくは、三次元画像は赤外線画像である。 三次元画像は、非電磁画像であってもよい。 本発明の実施形態によれば、画像取得部はデジタル画像ソースからデジタル画
像データを受け、該デジタル画像データから三次元画像化ボリュームにおける屈
折特性に関連する情報を抽出する。 光トレーサ及びデコンボルバは、三次元画像化ボリュームにおける屈折特性の
変動よってもたらされる歪みについてそれぞれ補正された多数の出力画像を提供
するよう、経時に繰り返し処理することが好ましい。このようなデコンボリュー
ションプロセスを、屈折率の予測（estimate）を改善するために、全プロセスに
繰り返し用いることができる。
【００１３】 本発明の好適な一実施形態によれば、出力画像はアコースティック像であり、
屈折特性は音響エネルギが通過する材料の特性である。 本発明の代替的な実施形態によれば、出力画像は電磁画像であり、屈折特性は
電磁エネルギが通過する材料の特性である。
【００１４】 また、本発明の好適な実施形態による、コンピュータを使用した適応画像形成
方法は、 三次元画像化ボリュームにおける屈折特性に関連する情報を提供するステップ
と、 屈折特性に関連する情報を用いて、三次元画像画像化ボリュームを介して三次
元画像化ボリュームの多数の位置からの多数の光線を光線追跡して、位置依存性
のポイント・スプレッド関数を提供するステップと、 デコンボリューティングし、位置依存性のポイント・スプレッド関数を用いて
、三次元画像化ボリュームにおける屈折特性の変動よってもたらされる歪みにつ
いて補正された出力画像を提供するステップと、を含む。かかるデコンボリュー
ティングを、屈折率の予測を改善するために全プロセスに繰り返し用いることが
できる。
【００１５】 好ましくは、情報を提供するステップは、三次元画像化ボリュームの少なくと
も２つの三次元画像を出臆するステップを含み、該画像の少なくとも一方が、三
次元画像化ボリュームにおける屈折特性に関連する情報を含んでいる。 屈折特性を歪みについて補正されるべき画像から引き出すことができるか、又
は屈折特性が独立性であることが知られている場合、１つの三次元画像のみを取
得すればよい。 本発明の好適な実施形態によれば、情報を提供するステップは、三次元画像化
ボリュームの少なくとも３つの三次元画像を取得するステップを含む。 好ましくは、情報を提供するステップは、離散（別々の）の波長帯をそれぞれ
有する、三次元画像化ボリュームの複数の三次元画像を取得するステップを含む
。 本発明の好適な実施形態によれば、情報を提供するステップは、多数の三次元
画像の波長帯によって示される連続体の一部である波長帯をそれぞれ有する、三
次元画像化ボリュームの多数の三次元画像を取得するステップを含む。
【００１６】 本発明の実施形態の１つによれば、三次元画像は電磁エネルギ画像である。好
ましくは、三次元画像は赤外線画像である。 本発明の別の実施形態によれば、三次元画像は非電磁画像である。 屈折率は、任意の媒体にあってもよく、画像形成方法は画像を歪める場合もあ
る不均質な媒体のための一般化方法であってもよい。 情報を提供するステップは、デジタル画像ソースからデジタル画像データを受
け取るステップと、三次元画像化ボリュームにおける多数の光路に沿って、屈折
特性に関連する情報をデジタル画像データから導出するステップとを含むことが
好ましい。 本発明の好適な実施形態によれば、情報を提供するステップ、光線追跡するス
テップ、及びデコンボリューティングするステップは、三次元画像化ボリューム
における屈折特性の変動よってもたらされる歪みについてそれぞれ補正される多
数の出力画像を提供するよう、経時に繰り返し動作する。デコンボリューション
プロセスを、屈折率マッピングについての予測を改善するために、全プロセスに
繰り返し用いてもよい。
【００１７】 また、本発明の好適な実施形態により、差分干渉コントラスト画像を用いて、
三次元屈折率情報を提供し、物体の屈折率の方向導関数を逆にするためにその方
向導関数を表示する差分干渉コントラスト画像を処理する線積分器を含み、それ
により、物体の屈折率の複数の二次元表示を提供するための装置が提供される。
代替的に、三次元屈折率マップを、位相差顕微鏡又は蛍光顕微鏡から得ることも
でき、この場合、ステイン（着色剤）が屈折率増分に比例している。 さらに、本発明の好適な実施形態により、差分干渉コントラスト画像を用いて
三次元屈折率情報を提供し、また、物体の屈折率の複数の二次元表示のデコンボ
リューションを実行するデコンボルバを含む装置を提供する。 さらに、本発明の好適な実施形態により、差分干渉コントラスト画像を用いて
、三次元屈折率情報を提供し、物体の屈折率の方向導関数を逆にするためにその
該方向導関数を表示する差分干渉コントラスト画像に線積分を実行することを含
み、それにより、物体の屈折率の複数の二次元表示を提供するための方法を提供
する。代替的に、三次元屈折率マップを位相差顕微鏡又は蛍光顕微鏡から得るこ
とができ、この場合、ステインが屈折率増分に比例している。
【００１８】 さらに、本発明の好適な実施形態により、差分干渉コントラスト画像を用いて
、三次元屈折率情報を提供し、また、物体の屈折率の複数の二次元表示のデコン
ボリューションを実行することを含み、それにより、物体の屈折率の二次元表示
に関する焦点外れ（out-of-focus contribution）を低減するための方法を提供
する。さらにまた、三次元屈折率マップを、ステインが屈折率増分に比例する位
相差顕微鏡又は蛍光顕微鏡から得ることができる。
【００１９】 さらに、本発明の好適な実施形態により、異なる方向で多数の位置に照射され
る複数の光線について、媒体における多数の位置での、屈折率の既知の局所変量
を用いることによって、媒体における多数の位置を介しての、分析的に決定され
た光線経路を採用するコンピュータを含む、屈折率が変動する媒体を介しての光
線を追跡するための装置を提供する。
【００２０】 さらに、本発明の好適な実施形態により、 媒体における多数の位置での屈折率の局所変量を決定するステップと、 異なる方向で多数の位置に照射される複数の光線について、媒体における多数
の位置を介しての光線経路を分析的に決定するステップと を含む、屈折率が変動する媒体を介して進行する光線を追跡するための方法を提
供する。光線を追跡するステップはまた、光線の吸収、反射、及び散乱の計算、
ならびに画像形成プロセスへの負担の計算を含む。
【００２１】 さらに、本発明の好適な実施形態により、 サンプルにおける少なくとも１つの点から発生し、該サンプルを介して通過す
る多数の光線の経路を決定するために、三次元サンプルにおける屈折率の既知の
変量を用いて、それぞれの点についての収差波面を決定する光トレーサと、 収差波面を用いて共焦点顕微鏡における適合光エレメントを制御し、屈折率の
変動によってもたらされる収差を補正する適合光制御装置と を備える、共焦点顕微鏡のための装置を提供する。
【００２２】 さらに、本発明の好適な実施形態により、 三次元サンプルにおける屈折率の変量を決定するステップと、 サンプルにおける少なくとも１つの点から発生し、該サンプルを介して通過す
る多数の光線の経路を決定して、各点についての収差波面を決定するステップと
、 収差波面を用いて共焦点顕微鏡における適応光素子を制御して、屈折率の変動
によってもたらされる収差を補正するステップと を備える、共焦点顕微鏡のための方法を提供する。
【００２３】 さらに、本発明の好適な実施形態により、画像形成経路において、三次元サン
プルの歪みについて補正する屈折特性を有する三次元媒体（アンチサンプル）を
（コンピュータにより、又は物理的に）付加する方法を提供する。 本発明は、図面とともに以下の詳細な説明からより十分に理解されよう。
【００２４】
【発明の実施の態様】
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）にはそれぞれ、従来技術及び本発明による物体すな
わち対象物の三次元顕微鏡画像を示している。 従来技術においては、屈折率に実質的な変動がないことを表示する理想的なサ
ンプルにおいて、１つの点光源又は複数の点光源の集束をイメージングすること
が知られている。理想的な光学系がサンプルにおいて少々異なる深さで集束され
る場合には、図１（Ａ）においてローマ数字Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖで示さ
れた複数の二次元回析が制限された画像を含む三次元画像が現れる。このような
従来技術は、上記のＡｇａｒｄらの１９８９年の参考文献におけるインターエイ
リアス（inter alia）に記載されており、画像Ｉ〜Ｖからのほぼ全ての画像強度
を含んだ集束された１つの二次元画像ＶＩを含むデコンボリューション処理され
た三次元画像、及び、実質的に画像強度を含んでいない集束がはずれた複数の二
次元画像に、複数の二次元画面Ｉ〜Ｖをデコンボリューション処理することがで
きる。
【００２５】 しかしながら、従来技術では、屈折率の変動を表しているサンプルを適切に扱
う方法が知られていない。 本発明は、この問題に対する解決を提供する。図１（Ｂ）は、屈折率が実質的
に変動する、たとえば生物学的サンプル等の非理想的なサンプル画像を示してい
る。理想的な光学系が、非理想的なサンプルにおいてわずかに異なる深さで集束
する場合には、図１（Ｂ）において、ローマ数字Ｉ〜Ｖで示された複数の二次元
回析制限画像を含む三次元画像が現れる。図１（Ａ）において現れる画像とは対
照的に、図１（Ｂ）のこれらの画像は、サンプルにおける種々の位置での屈折率
の変動により、非一様に歪んでいる。
【００２６】 以下に記載するように、本発明は、サンプルにおける種々の位置での屈折率の
変動による大きな歪みにもかかわらず、図１（Ｂ）における複数の二次元画像Ｉ
〜Ｖをデコンボリューション処理することができ、これにより、画像Ｉ〜Ｖから
のほぼ全ての画像強度を含んだ、集束された１つの二次元画像ＶＩを含むデコン
ボリューション処理された、歪のない三次元画像、及び、実質的に画像強度を含
んでいない集束（フォーカス）がはずれた複数の二次元画像が得られる。
【００２７】 次に、図２を参照する。図２は、本発明の好適な実施形態により構成され動作
可能な、コンピュータを使用した適応画像形成装置の簡略部分画の部分ブロック
図である。図２における装置は、通常、たとえば、Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓにより
製造され、Ａｘｉｓｏｓｋｏｐという商品名で販売されている顕微鏡等の、従来
のコンピュータ制御型の光学顕微鏡１０を含む。顕微鏡１０に付随して、コンピ
ュータ制御型のフィルタ・ホイール１２及び１４を設けることが好ましい。フィ
ルタ・ホイール１２は、コンピュータ制御型のシャッター１８及びフィルタ・ホ
イール１２を介して顕微鏡１０内のダイクロイック（二色性）・ミラー２０に対
して、前方照明（epi-illumination）を提供する水銀アークランプ等の励起光源
１６の下に配置される。
【００２８】 後方照明（trans-illumination）は、通常、コンピュータ制御型のシャッター
３０を介してハロゲン光源２８によって、２つのスライド２４及び２６の間に取
り付けられ、サンプル２２を照射する。シャッター１８又は３０のいずれかが開
放することにより、サンプルは後方照明又は前方照明を受け、ＤＩＣ画像又は蛍
光画像のいずれかを提供する。ＤＩＣ画像は、図２においては簡潔かつ明確の目
的で省略されているイメージング光路における付加的な光素子（フォト・エレメ
ント）を本来必要とすることに留意されたい。 本発明の好適な実施形態によれば、ＤＩＣ画像又は蛍光画像は、フォトメトリ
クス（Photometrics）ＰＸＬ等の、コンピュータ制御のフィルタ・ホイール１４
を介して、デジタルＣＣＤセンサ３２により受け取られる。好ましくは、ポーラ
ライザ（偏光子）がフィルタ・ホイール１４の窓の１つに含まれ、ＤＩＣイメー
ジングのために用いられる。
【００２９】 本発明の好適な実施形態によれば、デジタルＣＣＤセンサ３２の出力を、シリ
コングラフィックス０２ワークステーション等のコンピュータ３４に供給する。
コンピュータ３４は、サンプルにおける屈折特性に関連する情報を用いて、サン
プルを介して、該サンプルの多数の位置からの多数の光線を追跡し、それにより
、位置依存性のポイント・スプレッド関数を提供する。また、デコンボリューテ
ィングし、位置依存性のポイント・スプレッド関数を用いて、三次元画像化ボリ
ュームにおける屈折特性の変動よってもたらされる歪みについて補正された出力
画像を提供する機能を有する。 波面積分を、光線追跡の後に、かつ、デコンボリューション処理の前に行うこ
とが好ましい。 本発明の好適な実施形態によれば、サンプルの屈折特性に関連する情報は、Ｄ
ＩＣ画像の線積分により提供される。
【００３０】 図３は、図２のコンピュータを使用した適応画像形成装置の動作の簡略フロー
チャートである。図３に示すように、顕微鏡１０及びＣＣＤ３２からの三次元画
像は、通常、複数の観測蛍光３Ｄ画像４０、及び差分（微分）干渉コントラスト
（ＤＩＣ）３Ｄ画像４２を含む。 本発明の好適な実施形態によれば、線積分４４がＤＩＣ上で実行される。線積
分４４は、３Ｄ屈折率マップ４６を提供することが好ましい。 本発明の好適な実施形態によれば、光線追跡４８は、３Ｄ屈折率マップ４６上
で行われ、その結果もたらされる波面は波面積分５０にかけられ、それにより、
位置依存性のポイント・スプレッド関数（ＰＳＦ）５２が得られる。 本発明の好適な実施形態によれば、位置依存性のＰＳＦは、観測蛍光３Ｄ画像
４０に適用されるデコンボリューション処理ステップ５４において用いられる。 本発明の好適な実施形態によれば、デコンボリューション処理により、図１（
Ｂ）における参照符号ＶＩに示されるような補正された画像を生成することがで
きる。
【００３１】 図４は、図２の装置により実行される線積分機能の簡略図である。図４は、た
とえば均一な屈折率の球体６０等のサンプルを示しており、該サンプルは、周囲
の媒体６２のサンプルとは別のものである。サンプル６０が核を表し、周囲の媒
体６２が細胞質を表す場合であってもよい。走査線６４は、線６５に沿った位置
の関数としての屈折率を示す。ＤＩＣイメージング・モードにおいて動作する顕
微鏡１０のＰＳＦ特性を、参照符号６６で示す。ＰＳＦはまた、トレース６８に
より示される。 ＤＩＣモードにおいて動作するＣＣＤセンサ３２のサンプル６０の出力画像は
、参照符号７０で示され、かつトレース７２によって示される。出力画像の線積
分は、参照符号６０及び６２に見られるように、もとのサンプルを正確に表す画
像７４を提供する。
【００３２】 ＤＩＣ画像の線積分は、実際には２つの複雑な負担（complex contribution）
を有することが理解されてあろう。その１つは、積分における雑音の累積量であ
り、他は、低強度の集束外れによる低感度（slow）の負担である。雑音の問題を
、線積分における減衰関数を導入することにより軽減することが好ましい。積分
されたＤＩＣ画像をデコンボリューション処理することにより、集束外れによる
負担を著しく低減することができる。
【００３３】 図５は、図２の装置により実行される光線を追跡する機能の簡略図である。図
５に見られるように、光線の等方性ファン（isotropic fan）が画像化ボリュー
ム（たとえば、サンプル）におけるあらゆる点から引き出されることがわかる。
これらの光線は、サンプルの屈折率の変量に応じて、その経路及び位相が修正さ
れるように追跡された光線である。光線追跡の結果、画像化ボリュームにおける
あらゆる点について収差波面が得られる。
【００３４】 図６は、図２の装置によって実行される、従来技術の波面積分機能の簡略図で
ある。図６に見られるように、焦点Ｒ０の付近におけるあらゆる点について、波
面にわたり干渉積分が行われる。焦点Ｒ０の付近における点毎の積分は、グッド
マン（Goodman）に対する上記の従来技術において記載されたインターエイリア
スのように、三次元ポイント・スプレッド関数を決定する。
【００３５】 図７は、図２の装置によって実行されるデコンボリューション処理機能を示す
簡略フローチャートである。図７に見られるように、観測蛍光３Ｄ画像４０（図
３）等の観測画像８０が、図５及び図６を参照して記載されたように計算された
ポイント・スプレッド関数（ＰＳＦ）を用いて、デコンボリューション処理され
る。好ましくは位置依存性のＰＳＦは、多重解像度ＰＳＦであることが理解され
るであろう。この計算は、画像化されたサンプルのより良い近似をもたらすよう
にするための繰り返しプロセスにおいて実行されることが好ましい。
【００３６】 この繰り返しプロセスは、通常、観測画像と同一である推測物体をまず決定す
ることにより始まる。推測物体は、ぼやけた画像８６をもたらすために光線追跡
及び波面積分（図３）により導出される位置依存性のポイント・スプレッド関数
８４を用いて、コンボリューション処理される。このぼやけた画像は、観測画像
と比較され、この比較にもとづいた補正が推測物体に繰り返し用いられる。多数
回の繰り返しの後に、推測物体が、本発明の好適な実施形態による、サンプルの
補正３Ｄ画像を形成することになる。
【００３７】 本発明の好適な実施形態のさらなる技術の記載は、発明者Ｚ．Ｋａｍによる論
文、“Microscopic Differential Interference Contrast Image Processing by
Line Integration(LID) and Deconvolution”. Bioimaging 6(4):166~176(1998
)に開示されている。
【００３８】 本発明は、特に、上記に示され記載された事項に限定されないことを当業者は
理解するであろう。本発明の技術的範囲はむしろ、上記の記載を読むことで当業
者が想到し、かつ従来記述には見られない、上記に記載の種々の特徴の組み合わ
せ及び従属的な組み合わせ、ならびにそれに対する変更及び付加を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１Ａは、従来技術による物体の三次元顕微鏡画像の図である。 図１Ｂは、本発明による物体の三次元顕微鏡画像の図である。
【図２】 本発明の好適な実施形態により構成され動作可能なコンピュータを使用した適
応画像形成装置の簡略部分画の部分ブロック図である。
【図３】 図２のコンピュータを使用した適応画像形成装置の動作の簡略フローチャート
である。
【図４】 図２の装置によって実行される線積分機能の簡略図である。
【図５】 図２の装置によって実行される光線追跡機能の簡略図である。
【図６】 図２の装置によって実行される波面積分機能の簡略図である。
【図７】 図２の装置によって実行されるデコンボリューション処理機能の簡略フローチ
ャートである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＩＬ，Ｊ Ｐ，ＵＳ (71)出願人 ザ・リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシ ティー・オブ・カリフォルニア ＴＨＥ ＲＥＧＥＮＴＳ ＯＦ ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＣＡＬＩＦ ＯＲＮＩＡ アメリカ合衆国、カリフォルニア州94607 −5200、オークランド、フランクリン・ス トリート1111、トゥエルブス・フロア (72)発明者 カム，ズヴィ イスラエル国64365 テル・アビブ，ハシ ョフティム・ストリート 38 (72)発明者 セダト，ジョン・ダブリュー アメリカ合衆国カリフォルニア州94127， サンフランシスコ，ヤーバ・ブエナ・アベ ニュー 294 (72)発明者 アガード，デービッド・エイ アメリカ合衆国カリフォルニア州94127， サンフランシスコ，ジュアニタ・ウェイ 283 (72)発明者 ホーザー，ブリジェット・エム アメリカ合衆国カリフォルニア州94122， サンフランシスコ，シックスス・アベニュ ー 1285 Ｆターム(参考） 2G043 AA03 EA01 FA02 GA02 GA04 GB01 GB18 GB19 HA01 HA09 JA03 KA03 LA03 2G059 EE01 EE02 EE05 EE07 EE09 FF01 FF02 FF03 GG04 GG10 HH01 JJ07 JJ19 JJ23 KK04 MM01 MM09 PP04 2H052 AA03 AA08 AA09 AF14 AF21 AF25

Claims (37)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 コンピュータを用いた適応画像形成装置において、 三次元画像化ボリュームにおける屈折特性に関連する情報を提供する画像情報
    取得部と、 屈折特性に関連する情報を用いて、三次元画像化ボリュームを介して該三次元
    画像化ボリュームの多数の点からの多数の光線を追跡することにより、位置依存
    性のポイント・スプレッド関数を提供する光トレーサと、 位置依存性のポイント・スプレッド関数を用いて、三次元画像化ボリュームに
    おける屈折特性の変化によってもたらされる歪みに関して補正された出力画像を
    提供するデコンボルバと を含むことを特徴とする適応画像形成装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の装置において、画像情報取得部は、位相差顕微鏡
    又は蛍光顕微鏡によるＤＩＣから屈折率情報を得るよう構成されていることを特
    徴とする装置。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の装置において、画像情報取得部は、予め決定され
    た屈折特性を用いるよう構成されていることを特徴とする装置。
  4. 【請求項４】 請求項１記載の装置において、画像情報取得部は、三次元画像化
    ボリュームの少なくとも２つの三次元画像を取得するよう構成されており、該２
    つの三次元画像の少なくとも一方が、三次元画像化ボリュームの屈折特性に関連
    する情報を含んでいることを特徴とする装置。
  5. 【請求項５】 請求項４記載の装置において、画像取得部は、三次元画像化ボリ
    ュームの少なくとも３つの三次元画像を取得するよう構成されていることを特徴
    とする装置。
  6. 【請求項６】 請求項４記載の装置において、画像取得部は、別個の波長帯をそ
    れぞれ有する、三次元画像化ボリュームの複数の三次元画像を取得するよう構成
    されていることを特徴とする装置。
  7. 【請求項７】 請求項４記載の装置において、画像取得部は、三次元画像化ボリ
    ュームの複数の三次元画像を取得するよう構成されており、該三次元画像はそれ
    ぞれ、連続波長帯野市部である波長帯を有することを特徴とする装置。
  8. 【請求項８】 請求項４記載の装置において、画像取得部は、三次元画像化ボリ
    ュームの１つの三次元画像を取得するよう構成されていることを特徴とする装置
    。
  9. 【請求項９】 請求項４記載の装置において、光トレーサ及びデコンボルバは、
    複数の三次元画像の１つから得られた三次元画像化ボリュームにおける屈折特性
    に関連する情報を、少なくとも１つの別の三次元画像を補正するために用いるこ
    とを特徴とする装置。
  10. 【請求項１０】 請求項９記載の装置において、光トレーサは、サンプルにおけ
    る吸収、反射、散乱の画像に関する影響を追跡することを特徴とする装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１記載の装置において、三次元画像は、電磁エネルギ画
    像であることを特徴とする装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載の装置において、三次元画像は、赤外線画像で
    あることを特徴とする装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１記載の装置において、三次元画像は、非電磁エネルギ
    画像であることを特徴とする装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１記載の装置において、画像取得部は、デジタル画像ソ
    ースからデジタル画像データを受け取り、該デジタル画像データから三次元画像
    化ボリュームにおける屈折特性に関連する情報を導出するよう構成されているこ
    とを特徴とする装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１記載の装置において、画像取得部、光トレーサ、及び
    デコンボルバは、三次元画像化ボリュームにおける屈折特性の変化によってもた
    らされる歪みについてそれぞれ補正された多数の出力画像を提供するように、繰
    り返し動作することを特徴とする装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１記載の装置において、出力画像はアコースティック画
    像であって、屈折特性は音響エネルギが通過する材料の特性であることを特徴と
    する装置。
  17. 【請求項１７】 請求項１記載の装置において、画像出力は電磁画像であり、屈
    折特性は電磁エネルギが通過する材料の特性であることを特徴とする装置。
  18. 【請求項１８】 コンピュータを使用した画像形成方法において、 三次元画像化ボリュームにおける屈折特性に関連する情報を提供するステップ
    と、 屈折特性に関連する情報を用いて、三次元画像画像化ボリュームを介して該三
    次元画像化ボリュームの多数の点からの多数の光線を追跡することにより、位置
    依存性のポイント・スプレッド関数を提供するステップと、 デコンボリューティングし、位置依存性のポイント・スプレッド関数を用いて
    、三次元画像化ボリュームにおける屈折特性の変化よってもたらされる歪みに関
    して補正された出力画像を提供するステップと を含むことを特徴とする画像形成方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１８記載の方法において、画像形成経路において、三次
    元サンプルの歪みについて補正する屈折特性を有する三次元媒体（アンチサンプ
    ル）を加えるステップを含むことを特徴とする方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１８記載の方法において、情報を提供するステップは、
    三次元画像化ボリュームの少なくとも２つの三次元画像を取得するステップを含
    み、該三次元画像の少なくとも１つは、三次元画像化ボリュームにおける屈折特
    性に関連する情報を含んでいることを特徴とする方法。
  21. 【請求項２１】 請求項２０記載の方法において、情報を提供するステップは、
    三次元画像化ボリュームの少なくとも３つの三次元画像を取得するステップを含
    むことを特徴とする方法。
  22. 【請求項２２】 請求項２０記載の方法において、情報を提供するステップは、
    異なる波長帯をそれぞれ有する、三次元画像化ボリュームの複数の三次元画像を
    取得するステップを含むことを特徴とする方法。
  23. 【請求項２３】 請求項２０記載の方法において、情報を提供するステップは、
    三次元画像化ボリュームの複数の三次元画像を取得するステップを含み、それぞ
    れの三次元画像が異なる波長帯を有し、これら波長帯は連続していることを特徴
    とする方法。
  24. 【請求項２４】 請求項１８記載の方法において、三次元画像は電磁エネルギ画
    像であることを特徴とする方法。
  25. 【請求項２５】 請求項２４記載の方法において、三次元画像は赤外線画像であ
    ることを特徴とする方法。
  26. 【請求項２６】 請求項１８記載の方法において、三次元画像は非電磁エネルギ
    画像であることを特徴とする方法。
  27. 【請求項２７】 請求項１８記載の方法において、情報を提供するステップは、
    デジタル画像ソースからデジタル画像データを受けるステップと、該デジタル画
    像データから、三次元画像化ボリュームにおける多数の光路に沿った屈折特性に
    関連する情報を導出するステップとを含むことを特徴とする方法。
  28. 【請求項２８】 請求項１８記載の方法において、情報を提供するステップ、光
    線を追跡するステップ、及びデコンボリューティングするステップは、三次元画
    像化ボリュームにおける屈折特性の変化によってもたらされる歪みについてそれ
    ぞれ補正された多数の出力画像を提供するように、繰り返し動作することを特徴
    とする方法。
  29. 【請求項２９】 請求項２８記載の方法において、屈折特性は予測値であること
    を特徴とする方法。
  30. 【請求項３０】 差分干渉コントラスト画像を用いて、三次元屈折率情報を提供
    する装置において、対象物の屈折率の方向導関数を表示して該方向導関数を反転
    するための、差分干渉コントラスト画像上で動作する線積分器を備え、対象物の
    屈折率の複数の二次元表示を提供することを特徴とする装置。
  31. 【請求項３１】 請求項３０記載の、差分干渉コントラスト画像を用いて三次元
    屈折率情報を提供する装置において、該装置はさらに、対象物の屈折率の複数の
    二次元表示のデコンボリューションを実行するデコンボルバを備えており、対象
    物の屈折率の二次元表示の焦点外れを低減することを特徴とする装置。
  32. 【請求項３２】 差分干渉コントラスト画像を用いて、三次元屈折率情報を提供
    する方法において、対象物の屈折率の方向導関数を表示して該方向導関数を反転
    するため、差分干渉コントラスト画像に線積分を実行するステップを含み、対象
    物の屈折率の複数の二次元表示を提供することを特徴とする方法。
  33. 【請求項３３】 請求項３２記載の装置の、差分干渉コントラスト画像を用いて
    三次元屈折率情報を提供する方法において、該方法はさらに、対象物の屈折率の
    複数の二次元表示のデコンボリューションを実行するステップを含み、対象物の
    屈折率の二次元表示に対して集束外れを低減することを特徴とする方法。
  34. 【請求項３４】 屈折率が変動する媒体上の光線を追跡するための装置において
    、 異なる方向に影響を与える複数の光線について、該媒体における複数の位置で
    の屈折率の既知局所変量を用いることによって、媒体の複数の位置にわたって分
    析的に決定された光線経路を採用するコンピュータ を備えることを特徴とする装置。
  35. 【請求項３５】 屈折率が変動する媒体上の光線を追跡するための方法において
    、 該媒体における複数の位置での屈折率の局所変量を決定するステップと、 異なる方向に影響を与える複数の光線について、媒体の複数の位置にわたって
    光線経路を分析的に決定するステップと を含むことを特徴とする方法。
  36. 【請求項３６】 共焦点顕微鏡用の装置において、 三次元サンプルにおける少なくとも１つの点から発生し、該サンプルを介して
    通過する複数の光線の経路を決定するために、三次元サンプルにおける屈折率の
    既知の変量を用いて、サンプルにおけるそれぞれの点についての収差波面を決定
    する光トレーサと、 収差波面を用いて共焦点顕微鏡における適応光素子を制御し、屈折率の変動に
    よってもたらされる収差を補正する適応光制御装置と を含むことを特徴とする装置。
  37. 【請求項３７】 共焦点顕微鏡のための方法において、 三次元サンプルにおける屈折率の変量を決定するステップと、 該サンプルにおける少なくとも１つの点から発生し、該サンプルを通過する複
    数の光線の経路を決定して、サンプルの各点についての収差波面を決定するステ
    ップと、 収差波面を用いて共焦点顕微鏡における適応光素子を制御し、屈折率の変動に
    よってもたらされる収差を補正するステップと からなることを特徴とする方法。
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