特許 6155452 基板上の粒子の検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6155452

(24)【登録日】2017年6月16日

(45)【発行日】2017年7月5日

(54)【発明の名称】基板上の粒子の検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/64 20060101AFI20170626BHJP

   G01N 15/06 20060101ALI20170626BHJP

   G01N 15/02 20060101ALI20170626BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/64 Z

   G01N15/06 E

   G01N15/02 B

   G01N15/06 C

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-26818(P2016-26818)

(22)【出願日】2016年2月16日

【審査請求日】2016年10月28日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度、国立研究開発法人日本医療研究開発機構 医療分野研究成果展開事業 研究成果最適展開支援プログラム「蛍光磁性ビーズを利用した高速高感度免疫測定システムの実用化開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】504133110

【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学

(73)【特許権者】

【識別番号】304027349

【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000203634

【氏名又は名称】多摩川精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100147500

【弁理士】

【氏名又は名称】田口 雅啓

(74)【代理人】

【識別番号】100166235

【弁理士】

【氏名又は名称】大井 一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100179914

【弁理士】

【氏名又は名称】光永 和宏

(74)【代理人】

【識別番号】100179936

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 明日香

(72)【発明者】

【氏名】サンドゥー・アダルシュ

(72)【発明者】

【氏名】シャルマ・ジャイヤム

(72)【発明者】

【氏名】高村 司

(72)【発明者】

【氏名】雪野 瞭治

(72)【発明者】

【氏名】羽生 尚広

(72)【発明者】

【氏名】安野 寛

(72)【発明者】

【氏名】浜 信治

(72)【発明者】

【氏名】田中 俊行

【審査官】 渡邊 吉喜

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００１−５２０３９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０７３０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０２５８７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ１５／００−１５／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

検出領域を特定するための目印として配線パターンを備えた基板と、
前記基板を撮影して画像データを出力する撮影手段と、
前記画像データから前記配線パターンを基準に前記検出領域を同定する同定手段と、
前記検出領域の画像データに基づいて粒子の量を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする基板上の粒子の検出装置。

【請求項2】

前記同定手段は前記画像データに対して輪郭検出処理を行うことにより前記配線パターンで囲われた検出領域を同定することを特徴とする請求項１に記載の粒子の検出装置。

【請求項3】

前記算出手段は所定の閾値で二値化した前記検出領域の画像データに基づいて粒子の量を算出することを特徴とする請求項１に記載の粒子の検出装置。

【請求項4】

前記算出手段は前記検出領域の画像データの信号強度の分布に基づいて粒子の量を算出することを特徴とする請求項１に記載の粒子の検出装置。

【請求項5】

前記撮影手段に、蛍光粒子を励起する光源を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の粒子の検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は基板上の粒子の検出装置に関し、特に、基板を撮影手段により撮影して得られた画像データから基板上の粒子の量を算出する装置に関する。

【背景技術】

【0002】

粒子を標識として用いた測定対象物質を検出するバイオセンシングにおいては、標識とした粒子を検出する装置が必要となる。標識に磁性粒子を用いた場合に磁性粒子の検出する装置としては、例えば以下の特許文献１などに記載された構成を図１１として挙げることができる。すなわち、従来の磁性粒子の検出装置１は、ホール素子２と、直流磁界発生源３と、交流磁界発生源４と、検出部５とから構成されている。前記ホール素子２の固定化領域２０には、検出物質の磁性粒子６が固定化される。前記直流磁界発生源３が前記ホール素子２の感磁領域に対して垂直方向に直流磁界を印加し、前記交流磁界発生源４が前記ホール素子２の感磁領域に対して水平方向に交流磁界を印加する。もし、前記固定化領域２０に前記磁性粒子６が固定されている場合は、前記磁性粒子６の磁化ベクトルが変化するので、前記検出部５が磁化ベクトルの変化を検出することで、前記固定化領域２０に固定されている前記磁性粒子６を検出することができる。

【0003】

また、標識に蛍光粒子を用いた場合に蛍光粒子の検出する装置としては、蛍光粒子の検出部に光電子増倍管やフォトトランジスタやフォトダイオードなどの受光器が用いられる。蛍光粒子が結合した基板上の全体の蛍光強度を測定することで蛍光粒子の数を検出するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８−２８１４７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、上記のような従来の前記磁性粒子の検出装置１は、使用する前記ホール素子２の性能上、ごく微量で小径、特にナノサイズの磁性粒子の検出は困難であるという課題があった。また、前記磁性粒子の検出装置１を使用するときには、交流磁界発生源４が必要であり装置の小型化において課題があった。

【0006】

また、上記のような従来の前記蛍光粒子の検出装置では、基板全体から信号を取っているため検出領域にある蛍光粒子とそれ以外の蛍光粒子の信号を区別することが出来ないという課題があった。また、この装置では、検出領域内部の蛍光粒子の分布を得ることができないという課題があった。

【0007】

この発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、特に、撮影した画像に対して信号処理を行うことで、粒子を検出するための検出領域を限定し、さらに、検出領域内の粒子の量を算出することで、微量で小径の粒子の検出と粒子の分布の取得を可能とし、さらに、装置を小型化することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この発明に係る粒子の検出装置は、検出領域を特定するための目印として配線パターンを備えた基板と、前記基板を撮影して画像データを出力する撮影手段と、前記画像データから前記配線パターンを基準に前記検出領域を同定する同定手段と、前記検出領域の画像データに基づいて粒子の量を算出する算出手段とを備える構成である。

【0009】

また、この発明に係る粒子の検出装置は、前記基板を検出領域の周囲を囲った目印が印されていることを特徴とする基板とすることができる。

【0010】

また、この発明に係る粒子の検出装置は、前記同定手段を画像データに対して輪郭検出処理を行うことより目印で囲われた検出領域を同定することを特徴とする同定手段とすることができる。

【0011】

また、この発明に係る粒子の検出装置は、前記算出手段を検出領域内の画像データを所定の閾値で二値化し、二値化した画像に基づいて粒子の量を算出することを特徴とするとする算出手段とすることができる。

【0012】

また、この発明に係る粒子の検出装置は、前記算出手段を検出領域内の画像データの信号強度の分布に基づいて粒子の量を算出することを特徴とするとする算出手段とすることができる。

【0013】

また、この発明に係る粒子の検出装置は、蛍光を励起する光源を更に備えることを特徴とする装置とすることができる。

【0014】

また、この発明に係る粒子の検出装置は、前記基板を目印の代わりに配線パターンを備えた基板とし、前記同定手段を基板の配線パターンを目印として検出領域を同定することを特徴とする同定手段とすることができる。

【発明の効果】

【0015】

この発明の基板上の粒子の検出装置によれば、検出領域を特定するための目印が印された基板と、前記基板を撮影して画像データを出力する撮影手段と、画像データから基板の目印を基準に検出領域を同定する同定手段と、検出領域内の画像データに基づいて粒子の量を算出する算出手段とを備える構成であるので、微量で小径の粒子の検出と粒子の分布の取得を可能とし、さらに、装置を小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】この発明の実施の形態に係る粒子の検出装置の構成の概略図である。

【図2】図１に示す目印８の構成を示す概略図である。

【図3】この発明の目印８の画像に対する平均化の処理を示す図である。

【図4】この発明の目印８の画像に対する境界線特定の処理を示す図である。

【図5】この発明の目印８の画像に対する検出領域１１の抽出の処理を示す図である。

【図6】この発明の目印８の画像に対する検出領域１１の部分の画像抜出しの処理を示す図である。

【図7】この発明の目印８の画像に対するしきい値処理を示す図である。

【図8】この発明の目印８の画像に対するしきい値を基に粒子が存在する部分を検出する処理を示す図である。

【図9】この発明の目印８の画像に対する粒子の量の計算の処理を示す図である。

【図10】この発明の目印８の画像に対する粒子の分布の検出の処理を示す図である。

【図11】従来の磁性粒子の検出装置の構成を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、この発明の実施の形態を添付図面の図１〜図２に基づいて説明する。なお、従来例と同一又は同等部分には同一符号を付して説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係る粒子の検出装置の構成の概略図である。粒子の検出装置１０は、基板７と、前記基板７上に形成された目印８と、前記基板７を撮影する撮影手段９０と、同定手段９１ａおよび算出手段９１ｂにより信号処理を行う処理部９１とから構成されている。

【0018】

前記撮影手段９０は、前記目印８が記された基板７に対向し、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮影素子を用いた撮影手段であり、前記目印８が撮影された画像に対して同定手段９１ａおよび算出手段９１ｂにより信号処理を行う処理部９１を備えても良い。

【0019】

図２に示す前記基板７の概略図のように、前記目印８と検出領域１１は、前記基板７上に形成されている。前記目印８間に斜線で示すように検出領域１１が形成されていても良い。前記検出領域１１には、測定対象物質と特異的に結合する物質が結合されていても良い。前記基板７と測定対象物質と検出物質と特異的に結合する物質の固定化方法としては、化学的な共有結合だけでなく疎水的な分子間力でもよい。

【0020】

次に、前記基板７に測定対象物質を含む溶液を滴下して基板７の前記検出領域１１に測定対象物質を結合させ、さらに、測定対象物質と特異的に結合する物質が表面に修飾された粒子を含む溶液を滴下することで、粒子は前記検出領域１１に結合させることができる。

【0021】

次に、図１に示すように、前記撮影手段９０により前記基板７が撮影される。前記撮影手段９０から出力された画像データは、処理部９１内の同定手段９１ａで検出領域１１が同定される。

【0022】

具体的には、まず、平均化の処理を示す図３に示すように、撮影された画像データ（図３（Ａ））に対してヒストグラムストレッチングが行なわれ画像全体を明るくされる（図３（Ｂ））。次に、複数の画像を重ねて平均化されるフレームアベレージングが行なわれ、画像が平均化されて前記目印８の輪郭がクリアにされる（図３（Ｃ））。

【0023】

次に、前記目印８の輪郭検出の処理を示す。図４に示すように、フレームアベレージング後の画像（図４（Ａ））に対して、バックグラウンド信号の見積もり及び除去が行われ、入射光のムラによる画像の蛍光強度のばらつきが除去される（図４（Ｂ））。次に、周知のキャニーエッジ検出法により、画像の信号の勾配変化から前記目印８の輪郭（エッジ情報）が検出される（図４（Ｃ））。

【0024】

次に、検出領域１１の同定の処理を示す。図５に示すように、前記目印８の輪郭が検出された画像（図５（Ａ））に対して、周知のハフ変換が行われる。円周の接線に垂直且つ接線を通るような直線状に円の中心があるという性質を利用し、輪郭線の情報の各点から前記目印８の中心位置の候補を挙げ、候補のうち最も出現頻度が高いものが前記目印８の中心位置として特定される（図５（Ｂ））。次に、ハフ変換により求められた前記目印８の中心位置と、前記目印８の設計上の値から、前記検出領域１１が同定される（図５（Ｃ））。

【0025】

次に、前記検出領域１１の部分の画像抜出の処理を示す。図６に示すように、検出領域１１が限定された画像（図６（Ａ））を基に、前記検出領域１１に対応した画像が抜き出され（図６（Ｂ））、拡大される（図６（Ｃ））。

【0026】

以上により同定された検出領域から、処理部９１内の算出手段９１ｂにより、検出領域１１の画像データに基づいて粒子の量が算出される。

【0027】

具体的には、まず、前記検出領域１１内の粒子の存在の有無を判定するしきい値処理を示す。図７に示すように、図４（Ｂ）に示したものと同じ入射光のムラによる画像の蛍光強度のばらつきが除去された画像（図７（Ａ））に対して、周知の大津の方法により画像中の前記検出領域１１の抜き出し画像（図７（Ｂ））から、画像中に粒子が存在するかしないかを判定するしきい値が求められる。

【0028】

次に、しきい値を基に粒子が結合されている部分を検出する処理を示す。図８に示すように、しきい値を基に画像が二値化され前記検出領域１１上の粒子が存在している部分が検出される（図８（Ａ〜Ｂ））。

【0029】

次に、粒子の量の計算の処理を示す。図９に示すように、前記検出領域１１上に粒子が存在している部分に基づいて、前記検出領域１１全体に対する、前記粒子が存在している部分の割合から粒子の量が算出される（図９（Ａ〜Ｂ））。

【0030】

次に、前記検出領域１１内の粒子の分布の取得の処理を示す。図１０に示すように、図６（Ｂ）に示したものと同じ前記検出領域１１内の粒子の画像（図１０（Ａ））の拡大図（図１０（Ｂ））及び画像中の画素の信号強度から、前記検出領域１１内の粒子の三次元の分布（図１０（Ｃ））が取得できる。

【0031】

このように、前記目印８を備えた前記基板７を前記撮影手段９０により撮影し、その後、撮影した画像に対して同定手段および算出手段により信号処理を行うことで、同定手段により前記検出領域１１を同定し、算出手段により画像から前記検出領域１１内の粒子が結合している結合部分を検出して前記検出領域１１内部の粒子の量を算出することで、粒子の検出装置１０による微量の磁性粒子の検出を可能とすることができる。さらに、画像から前記検出領域１１内の粒子の分布を取得することができる。

【0032】

また、検出する粒子が蛍光粒子である場合には、蛍光を励起するための光源を備えても良い。

【0033】

また、検出する粒子が磁性粒子であり、前記基板が磁性粒子を操作するために磁場勾配を発生させる配線パターンを備えた基板の場合は、前記同定手段は前記配線パターンを目印として検出領域を同定しても良い。

【0034】

本発明による粒子の検出装置は、検出領域を特定するための目印が印された基板を基板を撮影手段により撮影して画像データを出力し、同定手段により画像データから基板の目印を基準に検出領域を同定し、算出手段により検出領域内の画像データに基づいて粒子の量を算出することにより、微量の粒子の検出を可能とし、また、装置を小型化することができる。

【符号の説明】

【0035】

７ 基板
８ 目印
１０ 粒子の検出装置
１１ 検出領域
９０ 撮影手段
９１ａ 同定手段
９１ｂ 算出手段

【要約】      （修正有）

【課題】基板上の粒子の検出装置に関し、基板を撮影手段により撮影して得られた画像データから基板上の粒子の量を算出する装置を提供する。
【解決手段】撮影手段により目印８を備えた基板７を撮影し、得られた画像データから同定手段９１ａにより検出領域１１が同定され、検出領域１１の画像から算出手段９１ｂにより検出領域１１内の粒子の結合量が算出される。さらに、検出領域１１画像から、検出領域１１内の磁性粒子の分布が算出される。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】