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技術 目標物運動状態及びその磁性粒子含量の測定に用いる電磁泳動測定システム

出願人 中原大學
発明者 葛宗融陳威宇王廷瑞黄筱軒孫文蔚黄ワン穎
出願日 2016年12月16日 (2年10ヶ月経過) 出願番号 2016-244025
公開日 2018年5月24日 (1年4ヶ月経過) 公開番号 2018-081069
状態 特許登録済
技術分野 磁気的手段による材料の調査、分析 粒子の特徴の調査
主要キーワード 垂直方向流 変加速度 イメージ識別 磁場発生ユニット 時間セクション アクティブプローブ 代表速度 第三速度
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (15)

課題

目標物運動状態及びその磁性粒子含量の測定に用いる電磁泳動測定システムを提供する。

解決手段

本発明による電磁泳動測定システム2は、顕微デバイス20、磁場発生ユニット21、イメージピックアップユニット22及び演算処理ユニット24を有する。顕微デバイス20は複数の目標物を有する液体サンプル90を拡大し、各目標物内には複数の磁性粒子を含む。磁場発生ユニット21は液体サンプルに対して磁場を加え、これにより目標物は移動運動を行う。イメージピックアップユニットは顕微デバイスの観測視野内の液体サンプルの動態イメージピックアップする。演算処理ユニットは動態イメージを受け取り、動態イメージ中の動く各目標物を自動的にマークし、各目標物に対して運動状態を分析し、各目標物の運動状態を決定する。演算処理ユニットは各目標物の運動状態に基づき目標物内の磁性粒子を含有する数量を決定することができる。

概要

背景

近年、医療診断機器発展は急速で、磁性ナノ粒子バイオテクノロジー上での応用は、日増しに拡大し、しかも重要な役割を果たしている。
例えば、NMRアクティブプローブマルチモデル画像、遺伝子導入ドラッグデリバリーシステムセルキャリブレーション等は、ナノ磁性粒子を含む細胞を、生物体内に注入し、或いは生物体の細胞株或いは菌株表面に接着することで、関連する応用を行う。

しかし、各種の細胞或いは菌株の、磁性ナノ粒子吸收の程度には違いがあるため、応用において、測定細胞内に含まれる磁性粒子数量、或いは接着される磁性粒子数量を、いかにして定量するかは、応用領域における重要な課題である。

現在、定量細胞が含む磁性粒子数量を検証する機器は、ICP-MS(inductively coupled plasma-mass spectrometer)で、それは磁性粒子数量分析の主流となっている。
しかし、当該分析器は、煩雑なステップを経なければならない。
しかも、生物サンプルに対する破壊性が極めて大きいため、生物サンプル構造の完璧性を留保することはできない。
さらに、知ることができるデータ結果は、多数の細胞内鉄含量の重量だけで、及び価格が高価で、しかも体積が中大型に属する機器を用いなければならないため、研究空間及び価格が使用上の制限となっている。

従来の技術には、特許文献1の磁性粒子数量を測定する技術がある。
同技術では、細胞マイクロスペクトロ分析を利用して、粒子数量の測定を行う。

また、特許文献2は、先ずparticleに重力場磁力場等の固定の力場を加える。
続いて、粒子に関わる少なくとも2枚のデジタルイメージ読み取り、しかもこの2枚のイメージ中の粒子に関わる位置と座標システム識別及び定位し、次にこの座標システムと位置に基づき、速度を決定する。
最後に、固定力場の強度と方式及び速度に基づき、粒子の特性を決定する。

黄氏等が発表した「Compare analysis for the nanotoxicity effects of different amounts of endocytic iron oxide nanoparticles at single cell level," PloS one, vol. 9, p. e96550, 2014」では、細胞内磁性ナノ粒子数量を測定する技術を教導する。
同技術中では、多数のイメージを読み取り、しかも固定磁場流体粘滞度に基づき、数1を用いて、ナノ磁性粒子の数量を決定することができる。
同技術中では、ImageJ(http://rsb.info.nih.gov/ij/, NIH, Bethesda, MD)、及びプラグイン手動トラッキング(plug-in "manual tracking)(http://rsb.info.nih.gov/ij/plugins/track/track.html, developed by F. Cordeli・res)を利用し、イメージと移動の分析を行い、こうして速度を知り、粒子含量を分析する。

従来の電磁泳動分析方式の多くは、人手により動く目標物マークし、固定時間或いは固定距離により、マークされた目標物の速度を算出する。
人手による目標物マークは、目標物の速度を算出することはできるが、目標物が大量である時に、各目標物に対して速度測定を行うのは、一定の難度があり、逐一測定したなら、大量の時間を費やさなければならない。
そのため、磁性粒子含量の測定に用いる電磁泳動測定システムの開発が待たれている。

概要

目標物運動状態及びその磁性粒子含量の測定に用いる電磁泳動測定システムを提供する。本発明による電磁泳動測定システム2は、顕微デバイス20、磁場発生ユニット21、イメージピックアップユニット22及び演算処理ユニット24を有する。顕微デバイス20は複数の目標物を有する液体サンプル90を拡大し、各目標物内には複数の磁性粒子を含む。磁場発生ユニット21は液体サンプルに対して磁場を加え、これにより目標物は移動運動を行う。イメージピックアップユニットは顕微デバイスの観測視野内の液体サンプルの動態イメージピックアップする。演算処理ユニットは動態イメージを受け取り、動態イメージ中の動く各目標物を自動的にマークし、各目標物に対して運動状態を分析し、各目標物の運動状態を決定する。演算処理ユニットは各目標物の運動状態に基づき目標物内の磁性粒子を含有する数量を決定することができる。

目的

しかし、各種の細胞或いは菌株の、磁性ナノ粒子吸收の程度には違いがあるため、応用において、測定細胞内に含まれる磁性粒子数量、或いは接着される磁性粒子数量を、いかにして定量するかは、応用領域における重要な課題である

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

電磁泳動測定システムであって、少なくとも1個の顕微デバイス、少なくとも1個の光源モジュール、少なくとも1個の磁場発生ユニット、少なくとも1個のイメージピックアップユニット及び少なくとも1個の演算処理ユニットを有し、前記少なくとも1個の顕微デバイスにより、液体サンプルを拡大し、前記液体サンプル内には、複数の目標物を有し、前記各目標物内には、複数の磁性粒子を含み、前記少なくとも1個の光源モジュールは、少なくとも1個の光源を、前記液体サンプル上に投射し、前記少なくとも1個の磁場発生ユニットは、前記液体サンプルの少なくとも片側に設置され、前記液体サンプルに対して磁場を加え、これにより前記目標物は、移動運動を行い、前記少なくとも1個のイメージピックアップユニットは、前記顕微デバイスと接続し、前記液体サンプルの、前記顕微デバイスの観測視野内の少なくとも1個の動態イメージピックアップし、前記少なくとも1個の演算処理ユニットは、イメージピックアップユニットと電気的に連接し、前記動態イメージを受け取り、前記演算処理ユニットは、前記動態イメージ中で、各動く目標物を自動的にロックし、各動く目標物に対して速度の分析を行い、各動く目標物の運動状態を判断することを特徴とする電磁泳動測定システム。

請求項2

前記電磁泳動測定システムは、少なくとも1個の表示ユニットをさらに有し、前記イメージピックアップユニット及び演算処理ユニットと電気的に連接し、前記イメージピックアップユニットがピックアップした少なくとも1個の動態イメージを表示し、前記動態イメージは、複数フレームのイメージを有し、前記演算処理ユニットは、受け取った各フレームのイメージに対して、イメージ処理を行い、続いて、少なくとも2フレームのイメージに対して、イメージ差異比較を行い、動く目標物を決定し、前記演算処理ユニットは、比較の結果に対して臨界処理を行い、物体輪郭識別し、動く目標物輪郭に標記を与え、前記演算処理ユニットは、各動く目標物が第一境界と第二境界を通過する第一時間を記録し、各動く目標物の第一速度を決定し、及び各動く目標物が第二境界及び第三境界を通過する第二時間を記録し、各動く目標物の第二速度を決定し、前記演算処理ユニットは、各動く目標物の第一速度と第二速度に基づき、各動く目標物の運動状態を判断し、前記演算処理ユニットは、第四境界をさらに決定し、各動く目標物が前記第三境界と前記第四境界を通過する第三時間を記録し、各動く目標物の第三速度を決定し、前記演算処理ユニットは、各動く目標物の第一速度と第二速度に基づき、第一加速度を決定し、及び第二速度と第三速度に基づき、第二加速度を決定し、さらに前記第一及び第二加速度に基づき、各動く目標物の運動状態を判断し、前記運動状態は、等速度運動であることを特徴とする請求項1に記載の電磁泳動測定システム。

請求項3

前記電磁泳動測定システムは、少なくとも1個の表示ユニットをさらに有し、前記イメージピックアップユニット及び演算処理ユニットと電気的に連接し、前記イメージピックアップユニットがピックアップした少なくとも1個の動態イメージを表示し、前記動態イメージは、複数フレームのイメージを有し、前記演算処理ユニットは、受け取った各フレームのイメージに対して、イメージ処理を行い、続いて、少なくとも2フレームのイメージに対して、イメージ差異比較を行い、動く目標物を決定し、前記演算処理ユニットは、比較の結果に対して臨界処理を行い、物体の輪郭を識別し、動く目標物輪郭に標記を与え、前記演算処理ユニットは、各動く目標物が第一境界と第二境界を通過する第一時間を記録し、各動く目標物の第一速度を決定し、及び各動く目標物が第二境界及び第三境界を通過する第二時間を記録し、各動く目標物の第二速度を決定し、前記演算処理ユニットは、第四境界をさらに決定し、各動く目標物が前記第三境界と前記第四境界を通過する第三時間を記録し、各動く目標物の第三速度を決定し、前記演算処理ユニットは、各動く目標物の第一速度と第二速度に基づき、第一加速度を決定し、及び第二速度と第三速度に基づき、第二加速度を決定し、さらに前記第一及び第二加速度に基づき、各動く目標物の運動状態を判断し、前記運動状態は、等加速度運動或いは変加速度運動であることを特徴とする請求項1に記載の電磁泳動測定システム。

請求項4

前記演算処理ユニットは、目標物の運動状態に基づき、少なくとも1個の演算法を行い、前記目標物内の磁性粒子を含有する数量を決定し、前記液体サンプルは、一次元水平流道、二次元平面流道或いは垂直方向流道に収容され、前記目標物は、菌株細胞タンパク質、抗体、抗原、薬物或いは化学分子であることを特徴とする請求項1に記載の電磁泳動測定システム。

請求項5

前記磁場発生ユニットは、電磁石永久磁石或いは超電導磁石で、前記磁場発生ユニットは、コントロール信号により、前記外加磁場の方向を変え、測定過程において、前記外加磁場の方向を繰り返し変化させ、こうして、前記複数の目標物は、前記液体サンプル内で往復移動し、或いは前記外加磁場の強度を変え、前記目標物の数量範囲或いはサイズ大きさ範囲の測定を増やすことを特徴とする請求項1に記載の電磁泳動測定システム。

技術分野

0001

本発明は測定システムに関し、特に電磁泳動特性を利用し目標物内に含まれる磁性粒子数量を測定する目標物運動状態及びその磁性粒子含量の測定に用いる電磁泳動測定システムに関する。

背景技術

0002

近年、医療診断機器発展は急速で、磁性ナノ粒子バイオテクノロジー上での応用は、日増しに拡大し、しかも重要な役割を果たしている。
例えば、NMRアクティブプローブマルチモデル画像、遺伝子導入ドラッグデリバリーシステムセルキャリブレーション等は、ナノ磁性粒子を含む細胞を、生物体内に注入し、或いは生物体の細胞株或いは菌株表面に接着することで、関連する応用を行う。

0003

しかし、各種の細胞或いは菌株の、磁性ナノ粒子吸收の程度には違いがあるため、応用において、測定細胞内に含まれる磁性粒子数量、或いは接着される磁性粒子数量を、いかにして定量するかは、応用領域における重要な課題である。

0004

現在、定量細胞が含む磁性粒子数量を検証する機器は、ICP-MS(inductively coupled plasma-mass spectrometer)で、それは磁性粒子数量分析の主流となっている。
しかし、当該分析器は、煩雑なステップを経なければならない。
しかも、生物サンプルに対する破壊性が極めて大きいため、生物サンプル構造の完璧性を留保することはできない。
さらに、知ることができるデータ結果は、多数の細胞内鉄含量の重量だけで、及び価格が高価で、しかも体積が中大型に属する機器を用いなければならないため、研究空間及び価格が使用上の制限となっている。

0005

従来の技術には、特許文献1の磁性粒子数量を測定する技術がある。
同技術では、細胞マイクロスペクトロ分析を利用して、粒子数量の測定を行う。

0006

また、特許文献2は、先ずparticleに重力場磁力場等の固定の力場を加える。
続いて、粒子に関わる少なくとも2枚のデジタルイメージ読み取り、しかもこの2枚のイメージ中の粒子に関わる位置と座標システム識別及び定位し、次にこの座標システムと位置に基づき、速度を決定する。
最後に、固定力場の強度と方式及び速度に基づき、粒子の特性を決定する。

0007

黄氏等が発表した「Compare analysis for the nanotoxicity effects of different amounts of endocytic iron oxide nanoparticles at single cell level," PloS one, vol. 9, p. e96550, 2014」では、細胞内磁性ナノ粒子数量を測定する技術を教導する。
同技術中では、多数のイメージを読み取り、しかも固定磁場流体粘滞度に基づき、数1を用いて、ナノ磁性粒子の数量を決定することができる。
同技術中では、ImageJ(http://rsb.info.nih.gov/ij/, NIH, Bethesda, MD)、及びプラグイン手動トラッキング(plug-in "manual tracking)(http://rsb.info.nih.gov/ij/plugins/track/track.html, developed by F. Cordeli・res)を利用し、イメージと移動の分析を行い、こうして速度を知り、粒子含量を分析する。

0008

従来の電磁泳動分析方式の多くは、人手により動く目標物をマークし、固定時間或いは固定距離により、マークされた目標物の速度を算出する。
人手による目標物マークは、目標物の速度を算出することはできるが、目標物が大量である時に、各目標物に対して速度測定を行うのは、一定の難度があり、逐一測定したなら、大量の時間を費やさなければならない。
そのため、磁性粒子含量の測定に用いる電磁泳動測定システムの開発が待たれている。

先行技術

0009

米国特許第US20110236882号明細書
米国特許US.Pat.No.5,974,901号明細書

発明が解決しようとする課題

0010

本発明の目的は、目標物運動状態及びその磁性粒子含量の測定に用いる電磁泳動測定システムを提供することである。

課題を解決するための手段

0011

本発明による電磁泳動測定に用いるシステムは、磁場を液体サンプル上に加えることで、液体内に磁性粒子を含有する目標物は、電磁泳動現象を生じ、さらにイメージ処理を通して動く目標物を自動的にマークし、等速度、等加速度或いは変加速度などの目標物の運動状態を判断する。
最後に、目標物の運動状態に基づき、移動目標物内に含まれる磁性粒子の数量を算出する。
本発明のシステムと方法は、目標物構造を破壊する必要がなく、各移動目標物の速度を測定でき、これにより目標物を回収して再利用でき、貴重サンプルの場合には、サンプル資源節減の効果は大きい。
また、本発明は各目標物に対して運動状態測定を行い、各目標物の運動状態分布を得ることができるため、人手による目標物のマークを減らせ、測定効率向上の効果を達成できる。

0012

本発明による電磁泳動測定システムは、磁場を加える条件において、磁場勾配方向を変えることで、液体サンプル内の磁性粒子を含有する目標物は、往復移動の電磁泳動現象を生じ、各回の移動は、等速度の目標物数量を算出でき、往復移動の電磁泳動現象を通して、複数組測定速度情報を取得し、こうして測定の誤差を減らす。

0013

本発明による電磁泳動測定システムは、液体サンプルを通路において流動させ、液体サンプル内の磁性粒子を含む目標物の次元上での流動を拘束し、これにより等速度目標物の数量をより正確に測定し、こうして各等速度目標物内の磁性粒子数を知ることができる。

0014

一実施形態において、本発明による電磁泳動測定システムは、少なくとも1個の顕微デバイス、少なくとも1個の光源モジュール、少なくとも1個の磁場発生ユニット、少なくとも1個のイメージピックアップユニット及び少なくとも1個の演算処理ユニットを有する。
該少なくとも1個の顕微デバイスにより、液体サンプルを拡大し、該液体サンプル内には、複数の目標物を有し、該各目標物内には、複数の磁性粒子を含む。
該少なくとも1個の光源モジュールは、少なくとも1個の光源を、該液体サンプル上に投射する。
該少なくとも1個の磁場発生ユニットは、該液体サンプルの少なくとも片側に設置され、該液体サンプルに対して磁場を加え、これにより該目標物は、移動運動を行う。
該少なくとも1個のイメージピックアップユニットは、該顕微デバイスと接続し、該液体サンプルの、該顕微デバイスの観測視野内の少なくとも1個の動態イメージピックアップする。
該少なくとも1個の演算処理ユニットは、イメージピックアップユニットと電気的に連接し、該動態イメージを受け取り、該演算処理ユニットは、該動態イメージ中で、各動く目標物を自動的にロックし、各動く目標物に対して速度の分析を行い、各動く目標物の運動状態を判断する。

0015

一実施形態において、該電磁泳動測定システムは、少なくとも1個の表示ユニットをさらに有し、該イメージピックアップユニット及び演算処理ユニットと電気的に連接し、該イメージピックアップユニットがピックアップした少なくとも1個の動態イメージを表示する。
該動態イメージは、複数フレームのイメージを有し、該演算処理ユニットは、受け取った各フレームのイメージに対して、イメージ処理を行う。
続いて、少なくとも2フレームのイメージに対して、イメージ差異比較を行い、動く目標物を決定する。
該演算処理ユニットは、比較の結果に対して臨界処理を行い、物体輪郭を識別し、動く目標物輪郭に標記を与える。
該演算処理ユニットは、各動く目標物が第一境界と第二境界を通過する第一時間を記録し、各動く目標物の第一速度を決定し、及び各動く目標物が第二境界及び第三境界を通過する第二時間を記録し、各動く目標物の第二速度を決定し、該演算処理ユニットは、各動く目標物の第一速度と第二速度に基づき、各動く目標物の運動状態を判断する。
該演算処理ユニットは、第四境界をさらに決定し、各動く目標物が該第三境界と該第四境界を通過する第三時間を記録し、各動く目標物の第三速度を決定し、該演算処理ユニットは、各動く目標物の第一速度と第二速度に基づき、第一加速度を決定し、及び第二速度と第三速度に基づき、第二加速度を決定し、さらに該第一及び第二加速度に基づき、各動く目標物の運動状態を判断する。
該運動状態は、等速度運動である。

0016

一実施形態において、該電磁泳動測定システムは、少なくとも1個の表示ユニットをさらに有し、該イメージピックアップユニット及び演算処理ユニットと電気的に連接し、該イメージピックアップユニットがピックアップした少なくとも1個の動態イメージを表示する。
該動態イメージは、複数フレームのイメージを有し、該演算処理ユニットは、受け取った各フレームのイメージに対して、イメージ処理を行い、続いて、少なくとも2フレームのイメージに対して、イメージ差異比較を行い、動く目標物を決定する。
該演算処理ユニットは、比較の結果に対して臨界処理を行い、物体の輪郭を識別し、動く目標物輪郭に標記を与え、該演算処理ユニットは、各動く目標物が第一境界と第二境界を通過する第一時間を記録し、各動く目標物の第一速度を決定し、及び各動く目標物が第二境界及び第三境界を通過する第二時間を記録し、各動く目標物の第二速度を決定する。
該演算処理ユニットは、第四境界をさらに決定し、各動く目標物が該第三境界と該第四境界を通過する第三時間を記録し、各動く目標物の第三速度を決定し、該演算処理ユニットは、各動く目標物の第一速度と第二速度に基づき、第一加速度を決定し、及び第二速度と第三速度に基づき、第二加速度を決定し、さらに該第一及び第二加速度に基づき、各動く目標物の運動状態を判断する。
該運動状態は、等加速度運動或いは変加速度運動である。

0017

一実施形態において、該演算処理ユニットは、目標物の運動状態に基づき、少なくとも1個の演算法を行い、該目標物内の磁性粒子を含有する数量を決定する。
該液体サンプルは、一次元水平流道、二次元平面流道或いは垂直方向流道に収容される。
目標物は、菌株、細胞、タンパク質、抗体、抗原、薬物或いは化学分子である。

0018

一実施形態において、該磁場発生ユニットは、電磁石永久磁石或いは超電導磁石である。
該磁場発生ユニットは、コントロール信号により、該外加磁場の方向を変え、測定過程において、該外加磁場の方向を繰り返し変化させ、こうして該複数の目標物は、該液体サンプル内で往復移動し、或いは該外加磁場の強度を変え、該目標物の数量範囲或いはサイズ大きさ範囲の測定を増やす。

発明の効果

0019

本発明の目標物運動状態及びその磁性粒子含量の測定に用いる電磁泳動測定システムを利用し、低コストの測定システムを確立でき、測定システムを実験室に普及させることで、研究開発コストを引き下げることができる。

図面の簡単な説明

0020

本発明による電磁泳動測定システム実施形態の模式図である。
本発明による磁場発生ユニットの一実施形態の立体模式図である。
本発明において目標物が等速度運動をしているか否かを識別し、及び磁性粒子数量を計算するフローチャートである。
本発明において、イメージピックアップユニットがピックアップした動態イメージに対してイメージ処理プロセスを行うフローチャートである。
イメージ処理プロセス処理の結果模式図である。
イメージ処理プロセス処理の結果模式図である。
イメージ処理プロセス処理の結果模式図である。
イメージ処理プロセス処理の結果模式図である。
イメージ処理プロセス処理の結果模式図である。
本発明において、目標物の移動速度を計算する模式図である。
本発明において、目標物の移動速度を計算する模式図である。
距離と磁場強度との関係図である。
特定磁場強度における目標物等速度泳動速度分布図である。
本発明の目標物が等速度運動をしているか否かを識別し、及び磁性粒子数量を計算する別種の実施形態のフローチャートである。

実施例

0021

(一実施形態)
図1は、本発明による電磁泳動測定システム実施形態の模式図である。
本実施形態において、電磁泳動測定システム2は、顕微デバイス20、磁場発生ユニット21、イメージピックアップユニット22、光源モジュール23、及び演算処理ユニット24を有する。

0022

顕微デバイス20は、一個或いは多数で、各顕微デバイス20は、対物レンズ200を有し、液体サンプル90を拡大する。
顕微デバイス20の顕微能力に基づき、ナノレベル或いはミクロレベルの目標物を見ることができる。
液体サンプル90は、搭載台25上に設置する。
液体サンプル90内部には、複数の目標物を有する。
各目標物内には、複数の磁性粒子を含む。
目標物は、菌株、細胞、タンパク質、抗体、抗原、薬物或いは化学分子であるが、これに制限されず、磁性粒子を含むことができる、或いは表面に磁性粒子が付着できる物体であれば、本発明の目標物の実施形態とすることができる。
該磁性粒子は、ナノレベルの磁性粒子であるが、これに制限されない。
本実施形態において、目標物は、磁性粒子を含む能力を有する細胞である。
目標物の数量には特定の制限はなく、必要に応じて決められる。
また、液体サンプル90は、ナノ或いはミクロレベルの一次元水平微流道内に収容され、目標物の流動方向を拘束し、これにより目標物は一次元方向で運動する。
また、別種の実施形態において、流道はシャーレ、或いは垂直方向の一次元などの平面流道である。
流道の形態は、使用者の必要に応じて決めることができる。

0023

磁場発生ユニット21は、一個或いは多数である。
各磁場発生ユニット21は、液体サンプル90の片側或いは両側に設置し、液体サンプル90に磁場を加え、これにより目標物は、移動運動を行う。
本実施形態において、図2に示す通り、磁場発生ユニット21は、コイル通電方式により構成される電磁石で、凹部空間210を有し、これにより液体サンプル90を収容する。
磁場発生ユニット21は、電力を受けて、磁場を発生する。
本実施形態において、磁場発生ユニット21は、連接柱211を有し、その両端には、それぞれサポートアーム212を連接する。
2個のサポートアーム212の間には、凹部空間210を有し、これに液体サンプル90を設置する。
本実施形態のサポートアーム212は、L型構造のサポートアームであるが、これに制限されない。
各サポートアーム212上には、複数層コイル213を巻きつける。
コイルの巻き付き効果を強化するため、コイル213の両側に、エプロン構造214をさらに設置することができる。
また、別種の実施形態において、磁場発生ユニット21は、永久磁石或いは超電導磁石を用いて実施できる。

0024

さらに図1に示す通り、磁場発生ユニット21が通電し外加磁場を発生し、液体サンプル90上に作用する時、目標物内には磁性粒子を含むため、外加磁場の作用を受け、磁場方向に従い移動する。
また、別種の実施形態において、磁場発生ユニット21は、演算処理ユニット24と電気的に連接し、コントロール信号を受信し、電力を受け取り、液体サンプル90に作用する磁場を生じる。

0025

光源モジュール23は、一個或いは多数で、光を発し、液体サンプル90上に照射し、液体サンプル90は光を透過して、顕微デバイス20により観測される。
光源モジュール23が発する光の色には、一定の制限はなく、白色光、他の色の光、或いは目標物に基づき適当な光線を選択することができる。
例えば、目標物が蛍光を生じるなら、目標物を触発し蛍光を発生させられる光源モジュールを利用して実施する。

0026

イメージピックアップユニット22は、一個或いは多数である。
各イメージピックアップユニット22は、対応する顕微デバイス20と接続し、顕微デバイス20の観測視野内に有する液体サンプル90の動態イメージをピックアップする。
動態イメージは、目標物が液体サンプル90内で流動する動態イメージである。
イメージピックアップユニット22は、動態イメージをピックアップ後、それを演算処理ユニット24に伝送する。
一実施形態において、システムは、表示ユニット26をさらに有し、イメージピックアップユニット22がピックアップした動態イメージを即時表示する。
一実施形態においては、殼体を用い、顕微デバイス20、磁場発生ユニット21、イメージピックアップユニット22、光源モジュール23、及び演算処理ユニット24を覆い、携帯可能な測定システムを形成することができる。

0027

演算処理ユニット24は、動態イメージ信号を受け取った後、動態イメージ中で、動く各目標物を自動的にマークし、各目標物に対して運動状態の分析を行う。
運動状態は、等速度運動、等加速度運動或いは変加速度運動である。
等速度運動を例とする運動状態に基づき、目標物内に含まれる磁性粒子数を決定することができる。

0028

液体サンプル90は、粘滞度を備えるため、目標物が生じる粘滞力は、Fvisで表示され、それは以下の式で表示される。

0029

vは速度で、Rは細胞の半径で、ηは流体粘滯係数である。
目標物が磁場の作用を受けると、移動を生じる。
その受ける磁力の大きさは、以下の式で示される。

0030

dB/dxは磁場勾配で、mbeadは定数で、それはNbMsπD3/6に等しい。
Nは磁性粒子の数で、bは磁場と磁化率の比で、Msは磁化率で、Dは磁性粒子の直径である。

0031

上述の数1と数2により分かるように、粘滯力と磁力が等しい時には、合力がゼロに等しい状況下であるため、目標物は等速度運度を行うことができる。
上述の数1と数2が等式を構成する時には、目標物内に含まれる磁性粒子の数量Nを推算でき、それは下の式で表示される。

0032

0033

前述の実施形態は、目標物が一度だけ移動して得られた結果である。
しかし、目標物が流道境界に近いか、或いは磁場発生ユニット21に近いため、測定された磁場粒子数の正確率は影響を受ける。
よって、別種の実施形態においては、演算処理ユニット24を通して、コントロール信号を発生し、磁場発生ユニット21をコントロールして、磁場方向を変える。
例えば、第一時間セクション内では、第一方向に沿った磁場は、液体サンプル90に作用し、第二時間セクション内では、磁場発生ユニット21をコントロールして、磁場方向を第一方向と反対の第二方向へと変えることができる。
この種の方式に基づき、磁場方向を複数回繰り返し変えることができ、これにより目標物は液体サンプル90内で往復式の移動を行う。
各回の移動時には、上述の数3に基づき、動く目標物が備える磁性粒子数量を算出できる。
よって、複数回の数量結果を統計演算し、測定誤差縮小でき、これによりさらに正確な磁性粒子数量を得る。

0034

また、別種の実施形態において、異なる大きさの目標物が必要な泳動磁場の違いに対応するため、或いは目標物内に含まれる磁性粒子数量の不足に対応するため、磁場発生ユニットは、外加磁場の強度を変化させることで、大きさの異なる目標物或いは磁性粒子含量不足の目標物にも泳動現象を生じさせられる。
こうして、測定する該目標物の数量範囲或いは大きさ範囲を拡大することができる。

0035

続いては、演算処理ユニット24がいかにして移動する目標物を自動的にピックアップし、さらに動く目標物の運動状態を判断するかを説明する。
本実施形態において、演算処理ユニット24は、演算能力を備えるコンピューターノート型コンピューター、ワークステーション、或いはCPUを有するマザーボードで、演算プログラム執行する。

0036

その演算プロセスは、図3図4に示す。
外加磁場勾配は、位置の違いに応じて変化する。
例えば、図7に示す通り、固定電流0.84アンペアで、各0.5cmの磁場勾配変化を測定すると、図中から分かるように、磁場発生ユニットの両端部は、最大の磁場を備え、中央セクション勾配変化は、比較的緩やかである。
よって、移動速度を判断する区域を選択する際には、磁場勾配変化が緩やかな中央区域を、電磁泳動現象の観察区とすることができる。
すなわち、顕微デバイス20の倍率制御を通して、顕微デバイス20の視野を、電磁泳動現象の観察区内に調整し、しかも観察区内で境界を定義し、目標物の速度を測定する。

0037

動態イメージは、毎秒、複数フレームのイメージをピックアップし、各フレームのイメージは、演算処理ユニット24に送られて処理が行われる。
処理方式図3に示す通り、先ずステップ30を利用し、演算処理ユニット24は、動態イメージに対して、イメージ処理プロセスを行う。

0038

本ステップにおいては、図4に示す通り、以下のステップをさらに有する。
先ず、ステップ300を行う。
演算処理ユニット24はイメージピックアップユニット22から送り返される各フレームのイメージを即時に受け取る(図5A参照)。
続いて、ステップ301を行う。
演算処理ユニットは、受け取った各フレームのイメージに対して演算或いは転換の演算を含むイメージ処理を行う。
一実施形態において、演算或いは転換の演算により、イメージはグレースケール転換が行われる。
グレースケールに転換することで、色の干渉を排除し、背景と動く目標物との判断を助け、及び資料演算処理量を低下させ、演算処理の効率を高めることができる。

0039

次に、ステップ302により、連続するマルチフレームグレースケールイメージに対して、イメージ差異の比較を行い、動く目標物を探し出す。
図5Bに示す通り、楕円形エリアは、マルチフレームのイメージ中に動く目標物を備えることを示す。
動く目標物が見つかったら、ステップ303を行い、比較した結果に対して臨界処理を行う。

0040

本実施形態において、臨界処理は、境界強化、鋭利度上昇を含み、模処理を利用して、ノイズ等を除去し、その中の一つ或いは任意の2個以上の組合せを演算処理する。
臨界処理を通して、物体輪郭の識別を助ける。
臨界処理の結果は、図5Cに示す。

0041

最後に、ステップ304を行う。
ステップ303の結果に対して、二値化イメージ処理を行い、黒と白の区域を形成する。
図5Dに示す通り、白は動く目標物を示す。
マークされた移動目標物の、使用者の即時識別の便のため、移動目標物が見つかった時には、ステップ305により二値化した後の白色区域に輪郭標記を行う。
輪郭を即時にイメージ上に重ね、表示ユニットに表示し、これにより表示ユニット上の即時イメージは、自動的にマークを表示する(図5E参照)。
300〜305を繰り返し行うことで、動く目標物の移動状態をトラッキングし、表示ユニット上に表示し、これにより使用者は即時に観測できる。

0042

再び図3に示す通り、ステップ30により、動く目標物を見つけた後、続いてステップ31を行い、目標物の速度を決定する。
一実施形態において、顕微デバイスの観測視野は大きさが固定されているため、イメージにおいて、3個の境界B1〜B3を定義する。
図6Aに示す通り、隣り合った境界の距離は相等であるため、目標物が第一境界B1を通過し、演算処理ユニット24が計算を始める。
第二境界B2を通過すると、第一及び第二境界の距離と通過にかかった時間に基づき、目標物91aと91bの第一速度を計算する。
計算方程式は以下の数4の通りである。
その内、(X1、Y1)は第一境界時の位置で、(X2、Y2)は第二境界の位置である。

0043

同じ理由で、目標物が第二境界B2を通過した後、第三境界B3へと移動を続け、目標物が第三境界B3を通過すると、第二及び第三境界を通過するのにかかった時間が同様に記録される。
距離はすでに分かっているため、目標物91aと91bが、第二及び第三標界時を通過した第二速度を求めることができる。
計算方程式は以下の数4の通りである。
その内(X1、Y1)は第二境界時の位置で、(X2、Y2)は、第三境界の位置である。

0044

続いて、ステップ32を行う。
測定された速度に基づき、該速度に対応する目標物の運動状態を決定する。
例えば、第2境界の第一速度と第二速度とが相等なら、目標物は等速度運動を行ったことを示す。

0045

0046

また、別種の実施形態において、目標物が等加速度運動と変加速度運動のいずれにあるのかを判断しようとするなら、図6Bを例とするように、ステップ31で、4個の境界B1〜B4の境界を利用する。
前述の方式に基づき、第一及び第二境界B1、B2を利用し、第一速度V1を決定し、第二及び第三境界B2、B3を利用し、第二速度V2を決定し、第三及び第四境界B3、B4を利用し、第三速度V3を決定する。
V1からV2への速度変化、及びV2からV3への速度変化の時間はすでに分かっているため、V1とV2に基づき、第一加速度値を決定でき、V2とV3に基づき、第二加速度値を決定でき、第一及び第二加速度値に基づき、目標が行っているのは、等加速度運動か変加速度運動かを決定することができる。

0047

数3は、等速度状態下で、目標物内に含まれる磁性粒子数を求める演算法であるが、本領域技術の習熟者は、数3の代表速度パラメーターVに適当な修正を加え、等加速度或いは変加速度に対応させ、こうして等加速度或いは変加速度である時の目標物内の磁性粒子数量を算出することができる。

0048

再び図3に示す通り、本実施形態は、目標物が等速度運動であるか否かを判断する。
目標物が等速度運動を行っていないなら、ステップ30に戻り、動く目標物の検索を続ける。
反対に、見つかった目標物が等速度運動を行っている目標物なら、ステップ33を行い、数3に基づき、目標物内に含まれる磁性粒子数量を算出する。

0049

前述のステップ30〜33のプロセスを通して、複数の目標物に対して同時に速度測定を行うことができ、しかも目標物の構造を破壊しないため、目標物を繰り返し利用できる。
実験の結果に基づき、一実施形態において、磁場強度843ガウス磁場環境で、図8に示す通り、100個の目標物(本実施形態は細胞である。)の泳動速度は主に25-29μm/sに分布し、総平均速度が33μm/sである。
よって、数3に基づき、算出される平均のナノ磁性粒子数量は約28825個である。
さらに、細胞総数及びナノ磁性粒子の体積と密度により、目標物内の鉄含量約0.68ppm(μg)は、ICP-MSを利用して測定した0.659 ppm(μg)と近いと推算される。
これにより、本発明のシステムを利用すれば、コストが低く、細胞を破壊する必要がないという条件下で、高コストで、しかも目標物を破壊する必要があるICP-MSに近い結果を得ることができる。

0050

図9は、本発明による磁性粒子含量を測定する電磁泳動測定方法の別種のフローチャートである。
本実施形態は、基本的に図3に示すプロセスに準じるが、両者の差異は、本実施形態においては、測定上の誤差を低下させるため、ステップ34で一次的な目標物速度測定を完成させた後、演算処理ユニットは磁場発生ユニットをコントロールし磁場方向を変えさせ、一端まで移動した目標物に再度往復方向移動を行わせることができる。
往復方向移動の過程では、同様に、前述のステップ30〜33のプロセスを利用し、動く目標物を探し、さらに各目標物が等速度運動を行う分布状態を探しだすことができる。
数度磁場制御方式を繰り返すことで、測定誤差を縮小することができる。

0051

本発明は、自動イメージ識別を利用して、目標物を探しだすため、流道或いはシャーレに深みがある時に、目標物が異なる深度に位置することでピントが合わない状況でも、前述のステップ30〜33のプロセスを経ることで、ピンボケが一定範囲内の目標物を識別することができる。
すなわち、一定の深度範囲内なら、垂直方向或いは深度方向を同時に探知でき、深度が異なる目標物の移動速度に対して、目標物移動速度を測定する効率を高めることができる。

0052

また、別種の実施形態においては、深度方向の探知は、光源モジュールの設計を通して行う。
光源モジュールは、複数の深度位置が異なるレーザー光を備える。
隣り合うレーザー光の距離はすでに分かっており、目標物の垂直方向或いは深度方向での移動を探知する。
複数の深度位置が異なるレーザー光は、図6A或いは6Bの境界に相当する。
例えば、一実施形態において、流道の大きさを制御することで、目標物はレーザー光を遮断することができるが、複数の深度位置を備えるレーザー光を備えるため、連続する2個のレーザー光が遮断された時間の差を測定でき、こうして目標物の速度を算出できる。

0053

別種の実施形態においては、イメージ識別の方式を通して、目標物がレーザー光に照射されているかどうかを判断し、こうして照射された2度の時間と泳動距離から速度を算出することができる。

0054

上記を総合すると、本発明による磁性粒子含量の測定に用いる電磁泳動測定システムは、磁場のみを通して、目標物を泳動させ、しかも目標物を自動識別する方式により目標物の運動状態を判断し、こうして運動状態に基づき目標物内に含む磁性粒子数目を決定することができる。
よって、本発明の技術により、目標物構造を破壊する必要がなく、目標物を回収して再利用でき、貴重なサンプルにとっては、本発明の方式はサンプル資源を節減でき、人手による目標物のマークを減らせ、測定効率を向上させる効果を備える。
また、往復移動の電磁泳動現象を通して、複数組の測定情報を得ることができ、こうして測定誤差を減らすことができる。

0055

前述した本発明の実施形態は本発明を限定するものではなく、よって、本発明により保護される範囲は後述される特許請求の範囲を基準とする。

0056

2電磁泳動測定システム
20 顕微デバイス
200対物レンズ
21磁場発生ユニット
210凹部空間
211連接柱
212L形サポートアーム
213コイル
214エプロン構造
22イメージピックアップユニット
23光源モジュール
24演算処理ユニット
25搭載台
26表示ユニット
30〜34 ステップ
300〜305 ステップ
90 液体サンプル

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