研究内容RESEARCHES

本研究では，フレームストラドリング高速ビジョンプラットフォームに複数被写体の特徴抽出アルゴリズムを実装することで，高速なマイクロ流路流れにおける細胞の形状と運動を同時計測するシステムを提案した．

これまでは，一般的なオフライン高速カメラが細胞形状計測に使用されていた．しかしながら，顕微鏡により拡大された視野内での見かけ上高速な細胞の運動を補足するにはフレーム間隔が長いため，マイクロ流路内を流れる細胞の計測可能速度はフレーム間隔の時間により制限されていた． 本研究での提案システムは，この制限を大幅に改善し，細胞の機械的特性に応じて細胞形状が変化するような毎秒数メートルのマイクロ流路流れでの実時間細胞検査ツールとして運用することが可能である． Lab-on-a-chip従事者は，良質な細胞の自動量産へ向け，大きさや形状，硬さ，その他の画像ベースのパラメータを計測することで検査すべき対象である赤血球やiPS細胞に対して，提案システムをマイクロ流路内の高速流れに対して容易に適用することが可能となる．　

Fig. 1: The frame-straddling nultiobject feature extraction concept.

提案システムはサブミリ秒単位のわずかな時間差を持つ2つの同一視野画像の同時取得することが可能である． 2つの入力画像に対して4000fps，512×256画素画像内の複数の細胞のモーメント特徴計算を高速ビジョンに回路実装することで，実時間ビデオ処理が行われ，フレームストラドリング時間は0から0.25ミリ秒まで9.9ナノ秒ごとに設定することが可能である． 2つのカメラ入力画像間の変位が大きくなるのを避けるため，フレームストラドリング時間を適切な範囲に設定することで，構築されたフレームストラドリング高速ビジョンプラットフォームは1m/s以上の高速マイクロ流路流れにおける細胞の形状と運動の同時解析が可能である．

提案した細胞解析システムは，マイクロ流路内の高速流れにおけるウニ卵細胞の変形度と移動速度を実時間解析する実験を通して，その有効性を実証した．


System configuration and overview

Fig. 2: System configuration.	Fig. 3: System Overview.

Processing flow

Fig. 4: Flow chart of the implemented algorithms.

Experiment results in I-type microchannel

Fig. 5: Snapshots of sea urchin egg cells when observing them at different flow rates. (a) One-day-old egg cell. (b) Bouin’s fixed egg cell.	Fig. 6: Eccentricity histograms for sea urchin egg cells when observing them at different flow rates. (a) One-day-old egg cell. (b) Bouin’s fixed egg cell.
Fig. 7: Speeds of sea urchin egg cells when observing them at different flow rates.	Fig. 8: Eccentricities of aging sea urchin egg cells.
	WMV movie(21.3M) recorded video for 250 ul/min flow (30/4000 replay)

Experiment results in L-type microchannel