JP2010152829A

JP2010152829A - 細胞培養管理システム

Info

Publication number: JP2010152829A
Application number: JP2008332815A
Authority: JP
Inventors: Taijiro Kiyota; 泰次郎清田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】最適な手術予定日時を決定する。
【解決手段】スケジュール記憶部３３には、施設および医師に関する情報が記憶されている。スケジュール作成部３２は、細胞が培養されて増殖し、細胞を用いた手術に必要となる必要細胞量に到達する到達日を予測し、その到達日における施設および医師に関する情報に基づいて、細胞を用いた手術を行う手術予定日時を決定する。そして、観察機構２２は、細胞の培養が開始されてから所定の時点での細胞の培養状態を観察し、スケジュール作成部３２は、その観察結果に従って、到達日を再度予測し、その到達日に応じて手術予定日時を修正する。本発明は、例えば、培養スケジュールを管理する細胞培養管理システムに適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、細胞培養管理システムに関し、特に、最適な手術予定日時を決定することができるようにした細胞培養管理システムに関する。

近年、研究が盛んに行われている再生医療は、例えば、培養容器で細胞を培養して、失われた人体の組織などを再生し、その組織などを患者に移植することにより機能を回復させる医療である。

例えば、特許文献１には、病院や医師の治療体制に合わせて採取細胞の培養計画を管理する管理システムが開示されている。この管理システムでは、患者の病状や、病院または医師のスケジュールなどに合わせて培養中の細胞の培養速度を制御し、幹細胞または組織の出荷予定がスケジューリングされる。

特開２００４−２９０１４７号公報

ところで、一般的に、細胞の培養期間は、その細胞の培養状態に大きく依存しているため、特許文献１に開示されているように、病院や医師の治療体制に合わせて培養速度を管理した場合には、細胞に異常が発生することがある。また、スケジュール通りに培養が進行しなかった場合には、手術予定日の直前に大幅な予定の変更が行われることがあり、十分な医療体制を確保することが困難になることがある。

従って、細胞の培養状態と、病院や医師の治療体制との両方を考慮し、それらの組み合わせが最適なものとなる手術予定日時を決定するシステムが求められていた。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、最適な手術予定日時を決定することができるようにするものである。

本発明の細胞培養管理システムは、細胞を培養し、培養スケジュールを管理する細胞培養管理システムであって、施設および医師に関する情報を記憶する記憶手段と、前記細胞が培養されて増殖し、前記細胞を用いた手術に必要となる必要細胞量に到達する到達日を予測する予測手段と、前記予測手段により予測された前記到達日における前記施設および医師に関する情報に基づいて、前記細胞を用いた手術を行う手術予定日時を決定する決定手段とを備えることを特徴とする。

本発明の細胞培養管理システムにおいては、細胞が培養されて増殖し、細胞を用いた手術に必要となる必要細胞量に到達する到達日が予測され、到達日における施設および医師に関する情報に基づいて、細胞を用いた手術を行う手術予定日時が決定される。

本発明の細胞培養管理システムによれば、最適な手術予定日時を決定することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した細胞培養管理システムの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。

図１において、細胞培養管理システム１１は、細胞の培養に適した培養環境に維持されている培養室を備えた細胞培養装置１２、細胞培養装置１２による細胞の培養を管理する管理装置１３、管理装置１３により作成されたスケジュールなどを表示する表示装置１４、および、管理装置１３に対する操作を入力する入力装置１５を備えて構成される。

細胞培養管理システム１１では、管理装置１３による管理に従って、細胞培養装置１２で細胞が培養される。そして、細胞培養装置１２で培養されている細胞（以下、適宜、培養細胞と称する）が患者への移植に必要となる必要細胞量に到達すると、その培養細胞を患者に移植する手術が行われる。

細胞培養装置１２は、細胞の培養に適した条件（例えば、温度３７度、湿度９０％以上、二酸化炭素濃度５％）で培養室を維持するための培養機構２１、培養細胞の挙動や状態などを観察するための観察機構２２、細胞の培養工程で必要となる培地を交換するための培地交換機構２３、増殖した細胞を播種するための継代機構２４、および、細胞の分化誘導や増殖を促進するための溶液添加機構２５を備えて構成されている。

管理装置１３は、細胞培養装置１２が備える各ブロックを制御する制御部３１、培養細胞を患者に移植する手術日などのスケジュールを作成するスケジュール作成部３２、管理装置１３に入力されたデータやスケジュール作成部３２により作成されたスケジュールなどを記憶するスケジュール記憶部３３、細胞の培養に関する情報が登録されたデータベースを記憶する培養データ記憶部３４、培養データ記憶部３４に記憶されているデータベースを検索する検索部３５、および、観察機構２２による観察で得られる画像を画像処理して培養細胞の細胞量を求める画像処理部３６を備えて構成される。

培養データ記憶部３４には、細胞培養管理システム１１において過去に培養された細胞の培養履歴（例えば、細胞の種類や、培養条件、増殖率などの細胞の成長に関するデータ）や、その他の情報（例えば、その細胞の患者に関する情報や、培養に使用した容器および試薬などの情報）が登録されたデータベースが記憶されている。そして、スケジュール作成部３２は、細胞培養装置１２で細胞の培養を開始する際に管理装置１３に入力される情報に基づいて、検索部３５を介して培養データ記憶部３４のデータベースを参照し、培養細胞が必要細胞量に到達すると予測される予測完了日（到達日）を求める。

また、スケジュール作成部３２は、患者に関する情報や、手術が行われる施設に関する情報、手術を行う医師に関する情報などに基づいて、手術日時の候補日を決定する。スケジュール作成部３２は、これらの情報を、細胞培養管理システム１１の使用者に入力させるための入力画面を、CRT（Cathode Ray Tube）やLCD（Liquid Crystal Display）などからなる表示装置１４に表示し、使用者は、キーボードやマウスなどからなる入力装置１５を操作して必要な情報を入力する。

例えば、スケジュール作成部３２は、細胞の培養を開始する際に、その細胞の患者を特定するための患者ID（Identification）を入力させて、患者IDに対応付けて患者に関する情報をスケジュール記憶部３３に記憶させ、その患者についてのスケジュールを作成する。患者に関する情報としては、患者が通院可能な日時、患者が入院可能な日時、患者が手術可能な日時、患者についてのその他の検査情報、および、手術時間などの詳細な条件がある。

例えば、図２には、患者に関する情報を入力または表示させるときに操作される操作画面４１が示されている。

細胞培養管理システム１１の使用者は、プルダウンメニュー４２を操作して、所望の患者IDを指定したり、検索ボタン４３を操作して患者IDを検索するための検索画面を表示させて、検索結果から所望の患者IDを指定したりすることができる。これにより、使用者に指定された患者ID（図２の例では患者ID「125856」）がプルダウンメニュー４２に表示される。そして、患者に関する各種の情報に対応する表示ボタン４４ａ乃至４４ｅが操作されると、指定された患者IDにより特定される患者に関するそれぞれの情報を表示する表示画面が表示される。また、患者に関する各種の情報に対応する入力ボタン４５ａ乃至４５ｅが操作されると、指定された患者IDにより特定される患者に関するそれぞれの情報を入力する入力画面が表示され、使用者は、それらの入力画面を利用して、患者に関する各種の情報を入力する。

次に、図３には、施設に関する情報を入力または表示させるときに操作される操作画面５１が示されており、図４には、医師に関する情報を入力または表示させるときに操作される操作画面６１が示されている。

図３の操作画面５１では、プルダウンメニュー５２を操作して所望の手術室を特定する手術室IDを指定したり、検索ボタン５３を操作して手術室IDを検索するための検索画面を表示させ、検索結果から所望の手術室IDを指定したりすることができ、指定された手術室ID（図３の例では「OR0101」）がプルダウンメニュー５２に表示される。そして、表示ボタン５４を操作し、指定された手術室IDで特定される手術室の予約状況を表示する表示画面を表示させたり、入力ボタン５５を操作して、指定された手術室IDで特定される手術室に対する予約を入力する入力画面を表示させて、手術室の予約を入力（変更）することができる。

図４の操作画面６１では、プルダウンメニュー６２を操作して所望の医師を特定する医師IDを指定したり、検索ボタン６３を操作して医師IDを検索するための検索画面を表示させ、検索結果から所望の医師IDを指定したりすることができ、指定された医師ID（図４の例では「A456」）がプルダウンメニュー６２に表示される。そして、医師の出勤予定（通常勤務か否か、施術可能か否か）に対応する表示ボタン６４ａまたは６４ｂを操作し、指定された医師IDで特定される医師の出勤予定を表示する表示画面を表示させたり、医師の出勤予定に対応する入力ボタン６５ａまたは６５ｂを操作して、指定された医師IDで特定される医師の出勤予定を入力する入力画面を表示させて、出勤予定を入力（変更）することができる。

なお、施設および医師に関する情報は、必要に応じて管理装置１３に適宜入力され、図７を参照して後述するように、手術予定日の候補を決定する際に参照される。

また、スケジュール作成部３２は、細胞の培養を開始する際に、その細胞の患者の患者IDに対応付けて、培養細胞に関する情報をスケジュール記憶部３３に記憶させる。培養細胞に関する情報としては、培養細胞を特定する細胞ID、培養細胞の培養を開始した投入日、培養細胞の投入量、患者への移植に必要となる培養細胞の必要細胞量、必要細胞量に対する許容量、培養細胞が必要量に到達すると予測される予測完了日、および、スケジュールを修正するか否かを判断するタイミングを指定するクリティカルポイントがある。

ここで、細胞培養管理システム１１では、施設および医師の医療体制を十分に構築しながら、かつ、適正な培養細胞を提供することができるように、細胞の培養を開始してから手術予定日までの間に、１回以上のクリティカルポイントが設定される。クリティカルポイントにおいて、培養細胞の観察を行うことで、培養工程中での増殖率の増減に対応して、適宜、スケジュールを修正することができる。

図５には、培養細胞に関する情報を表示する表示画面７１が示されている。なお、図２乃至図４の操作画面４１乃至６１および図５の表示画面７１は、それぞれ対応するタブを操作することにより切り替えることができる。

図５の表示画面７１では、プルダウンメニュー７２を操作して所望の患者IDを指定したり、検索ボタン７３を操作して患者IDを検索するための検索画面を表示させ、検索結果から所望の患者IDを指定したりすることができる。そして、表示画面７１では、指定された患者ID（図５の例では「125856」）がプルダウンメニュー７２に表示されるとともに、その患者の培養細胞の細胞ID、投入日、投入量、必要細胞量、許容量、予測完了日、およびクリティカルポイントが表示される。

例えば、細胞ID、投入日、投入量、必要細胞量、許容量、およびクリティカルポイントは、細胞の培養を開始する際に、使用者により入力され、予測完了日は、それらの情報に基づいてスケジュール作成部３２により予測される。具体的には、図５に示されているように、投入日が「2008年10月31日」で、投入量が「１×１０^５個＝２μｌ」で、必要細胞量が「１×１０^８個＝２ｍｌ」で、許容量が「１×１０^６個＝２μｌ」であるとき、スケジュール作成部３２は、予測完了日を「2008年11月31日」と予測する。

さらに、スケジュール作成部３２は、クリティカルポイント「2008年11月5日」および「2008年11月12日」において、培養細胞の細胞量を測定した結果に基づいて、スケジュールを修正するか否かを判断する。

次に、図６を参照して、スケジュール作成部３２による予測完了日の予測および修正について説明する。

図６には、図５に示した条件で細胞の培養が開始されたときの細胞量の変化が示されている。図６において、縦軸は細胞量を表しており、横軸は日付を表している。

例えば、投入日「2008年10月31日」に、投入量「１×１０^５個＝２μｌ」の細胞で培養を開始するとき、スケジュール作成部３２は、培養データ記憶部３４のデータベースに登録されている増殖率などを参照して、図６に示されている予測線Ｌ１に示すように、培養細胞の増加を予測する。そして、スケジュール作成部３２は、必要細胞量「１×１０^８個＝２ｍｌ」に、予測完了日「2008年11月31日」に到達すると予測する。

そして、１回目のクリティカルポイント「2008年11月5日」で、培養細胞の細胞量を測定した結果、細胞量が、予測線Ｌ１で予測される細胞量よりも少ない細胞量Ｖ１であった場合、スケジュール作成部３２は、投入日から１回目のクリティカルポイントまでの培養細胞の増加に従った直線を延長した予測線Ｌ２に応じて、予測完了日を「2008年12月10日〜15日」に修正する。

その後、２回目のクリティカルポイント「2008年11月12日」で、培養細胞の細胞量を測定した結果、細胞量が、予測線Ｌ２で予測される細胞量よりも多い細胞量Ｖ２であった場合、スケジュール作成部３２は、１回目のクリティカルポイントから２回目のクリティカルポイントまでの培養細胞の増加に従った直線を延長した予測線Ｌ３に従って、予測完了日を「2008年12月3日〜5日」に修正する。

ここで、修正された予測完了日が３日間となっているのは、必要細胞量に対して許容量が設定されているためであり、スケジュール作成部３２は、許容量に応じた必要細胞量の下限値に到達すると予測される日から、許容量に応じた必要細胞量の上限値に到達すると予測される日までを、予測完了日範囲として予測する。なお、クリティカルポイントにおいて培養細胞の細胞量を測定した結果、細胞量が、予測線で予測された細胞量であった場合、スケジュール作成部３２において、予測完了日は修正されない。

このように、スケジュール作成部３２は、予測完了日の予測および修正を行い、その予測完了日における施設および医師に関する情報に基づいて、手術予定日時の候補を求める。

図７には、２回目のクリティカルポイントで求めた予測完了日「2008年12月3日〜5日」における手術予定日時のスケジュール（医師可能日時、施設可能日時、および手術予定日時）が示されている。

スケジュール記憶部３３には、医師に関する情報として、医師IDごとの施術可能な日時が記憶されているとともに、施設に関する情報として、手術室IDごとの予約状況が記憶されている。図７では、医師ID「a564」、「a533」、および「a511」の医師が施術可能な日時であることを示すハッチングが医師可能日時に施されており、手術室ID「OR0101」、「OR0104」、および「OR0201」の手術室が使用可能な日時であることを示すハッチングが施設可能日時に施されている。

スケジュール作成部３２は、医師が施術可能な日時であり、かつ、手術室が使用可能な日時である日時を手術予定日時の候補として求める。図７では、12月3日13〜15時、12月4日7〜9時、および12月4日24時〜12月5日6時に、手術予定日時の候補であることを示すハッチングが施されている。

このように、スケジュール作成部３２は、細胞の培養を開始してから、クリティカルポイントごとに培養細胞の培養量に基づいた予測完了日の修正を行い、クリティカルポイントで求めた予測完了日範囲から、施設および医師に関する情報に基づいて、手術予定日時の候補を求めることができる。そして、スケジュール作成部３２は、表示装置１４に手術予定日時の候補を表示し、使用者は、これらの候補の中から手術予定日時を選択する。

なお、スケジュール作成部３２は、手術時間などの制約条件に基づいたマッチングを行って手術予定日時に順位付けをして、手術に最適な手術予定日の順位を使用者に提示してもよい。図７の例では、手術予定日時が最も長い「12月4日24時〜12月5日6時」を優先順位１位とし、手術予定日時が次に長い「12月3日13〜15時」を優先順位２位とし、手術予定日時が最も短い「12月4日7〜9時」を優先順位３位として使用者に提示することができる。その他、スケジュール作成部３２は、医師の希望や手術時間帯の希望などをマッチングの制約条件とすることができる。

次に、図８は、図１の管理装置１３において、所定の培養細胞についてのスケジュールを作成および修正する処理を説明するフローチャートである。

例えば、細胞培養管理システム１１の使用者が、新たに培養を開始する細胞を細胞培養装置１２の培養室に収納すると処理が開始され、ステップＳ１１において、スケジュール作成部３２は、培養細胞に関する情報を入力させる入力画面を表示装置１４に表示する。使用者が、入力装置１５を操作して、細胞ID、投入日、投入量、必要細胞量、許容量、およびクリティカルポイントなどの培養細胞に関する情報を入力すると、スケジュール作成部３２は、それらの情報を取得し、処理はステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２において、スケジュール作成部３２は、ステップＳ１１で取得した細胞IDを検索するように検索部３５に指示をし、検索部３５は、培養データ記憶部３４のデータベースを検索して該当する増殖率、即ち、ステップＳ１１で取得した細胞IDに対応付けて登録されている増殖率を取得して、スケジュール作成部３２に供給する。そして、スケジュール作成部３２は、投入量の培養細胞が増殖率に従って増殖するとした予測に応じて、培養細胞が必要細胞量に到達するまでに必要な日数を求め、その日数を投入日に加算することで予測完了日を予測し、処理はステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３において、スケジュール作成部３２は、必要細胞量に対する許容量に従って、図６を参照して説明したように予測完了日範囲を求める。さらに、スケジュール作成部３２は、図７を参照して説明したように施設および医師に関する情報に基づいて、予測完了日範囲から手術予定日時の候補を抽出する。そして、スケジュール作成部３２は、手術予定日時の候補を表示装置１４に表示し、手術予定日時の候補の中から使用者により選択されたものを、手術予定日時として決定する。スケジュール作成部３２は、決定した手術予定日とともに、ステップＳ１１で取得した培養細胞に関する情報をスケジュール記憶部３３に記憶させる。

ステップＳ１３の処理後、処理はステップＳ１４に進み、スケジュール作成部３２は、スケジュール記憶部３３に記憶されている培養細胞のクリティカルポイントに従って、培養細胞の状態を確認するか否かを判定し、培養細胞の状態を確認すると判定するまで処理を待機する。そして、培養細胞のクリティカルポイントで指定された日付になると、ステップＳ１４において、スケジュール作成部３２は培養細胞の状態を確認すると判定し、処理はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５において、スケジュール作成部３２は、制御部３１に細胞状態観察処理（後述する図１２のフローチャートの処理）を実行させる。細胞状態観察処理では、観察機構２２が、制御部３１の制御に従って培養細胞の画像を撮像し、画像処理部３６が、培養細胞の画像を画像処理して培養細胞の細胞量を求めてスケジュール作成部３２に供給する。

ステップＳ１５の細胞状態観察処理の処理後、処理はステップＳ１６に進み、スケジュール作成部３２は、画像処理部３６により求められた培養細胞の細胞量に基づき、手術予定日時を修正するか否かを判定する。

例えば、スケジュール作成部３２は、直前のステップＳ１５で画像処理部３６により求められた培養細胞の細胞量と、予測完了日を前回予測した際の予測線（例えば、図６のＬ１またはＬ２）上の細胞量とが一致していれば手術予定日時を修正しないと判定し、一致していなければ手術予定日時を修正すると判定する。

ステップＳ１６において、スケジュール作成部３２が、スケジュールを修正すると判定した場合、処理はステップＳ１７に進み、スケジュール作成部３２は、クリティカルポイントでの培養細胞の細胞量、その培養細胞の増殖率、および必要細胞量に対する許容量に基づいて、予測完了日範囲を再度予測する。さらに、スケジュール作成部３２は、再度予測した予測完了日範囲における施設および医師に関する情報に基づいて、手術予定日時の候補を求める。

ステップＳ１７の処理後、処理はステップＳ１８に進み、スケジュール作成部３２は、ステップＳ１７で求めた手術予定日時の候補を表示装置１４に表示し、手術予定日時を、手術予定日時の候補の中から使用者により選択されたものに修正し、スケジュール記憶部３３に記憶されているスケジュールを更新する。

ステップＳ１８の処理後、または、ステップＳ１６でスケジュール作成部３２が、手術予定日時を修正しないと判定した場合、処理はステップＳ１４に戻り、以下、同様の処理が繰り返される。

以上のように、細胞培養管理システム１１では、最適な手術日を決定することができる。即ち、細胞培養管理システム１１では、投入量や増殖率から予測された予測完了日における、施設および医者のスケジュールに基づいて、手術予定日時が決定されるので、細胞の培養状態と、施設および医者のスケジュールとのどちらにも都合が良い日時を手術予定日時として決定することができる。

また、クリティカルポイントで培養細胞の細胞量が測定され、測定結果と施設および医者のスケジュールとに基づいて、手術予定日時が修正されるので、手術予定日時を精度良く予測することができ、例えば、最後のクリティカルポイントで決定された手術予定日時から変更が発生することが抑制される。これにより、一定期間前でのスケジュールを確保することができるので、十分な医療体制を確保することができる。また、複数のクリティカルポイントを設定することにより、予測完了日の予測精度を向上させることができる。

また、必要細胞量に対する許容量を設定することで、手術予定日時を選択する幅を拡げることができ、所望の手術予定日時を決定することができる。また、必要細胞量に対する許容量を設定することで、最終的な培養細胞の細胞量が、必要細胞量に対して増減していたとしても、許容量内であれば手術予定日時を変更することが回避され手術を実施することができる。

また、クリティカルポイントで測定された細胞量が、予測された細胞量に対して若干の増減があったとしても、その増減量が許容範囲内であれば、スケジュールを変更せずに、前回のスケジュールを維持するようにしてもよい。これにより、スケジュールの変更が頻発することが回避され、医者や患者の負担を軽減させることができる。

このように、細胞培養管理システム１１では、従来よりも適正な細胞状態で、ある一定期間前でのスケジュールを確保することができるため、患者と医者との両方にメリットを与えることができる。

次に、図９乃至図１４を参照して、培養細胞の細胞量を測定する方法について説明する。

例えば、図９に示すように、観察機構２２は、Ｚ軸方向の異なる位置で複数枚（図９の例では、５枚）の画像を位相差観察方法により撮像し、画像処理部３６は、それらの画像から細胞領域および細胞画像の三次元体積を算出する。

まず、画像処理部３６は、観察機構２２により撮像された所定の画像上における全ての画素に対して、Ｚ軸位置が異なる同一位置（同一ＸＹ座標）における輝度の分散値を算出する。

即ち、図９に示すように、画像処理部３６は、Ｚ軸位置１からＺ軸位置５までの５枚の画像それぞれから、点Ｐ（座標（Ｘ，Ｙ）＝（200,300）の点）の輝度値を取得し、それらの輝度値の分散値を算出する。例えば、Ｚ軸位置１の画像における点Ｐの輝度値が150、Ｚ軸位置２の画像における点Ｐの輝度値が170、Ｚ軸位置３の画像における点Ｐの輝度値が165、Ｚ軸位置４の画像における点Ｐの輝度値が164、Ｚ軸位置５の画像における点Ｐの輝度値が162である場合、画像処理部３６は分散値55.2を算出する。

次に、画像処理部３６は、ある座標の分散値が所定の閾値以下である場合、その座標には細胞が存在していないと推定する。

ここで、一般的に、位相差画像において、位相差の輝度は、位相変化の大きい部位ほど大きくなるという特性があることより、細胞輪郭周辺で輝度値が最大となる傾向が多い。そこで、画像処理部３６は、まず、上述したように算出した輝度の分散値に基づいて、細胞の輪郭の大まかな位置を求め、細胞の輪郭の領域内、および細胞の輪郭の周辺を細胞存在領域と仮定して細胞輪郭の三次元抽出を行う。

画像処理部３６は、ある特定画像上の全ての画素に対して、Ｚ軸方向での輝度値の最大値を検出する。このように検出された画素位置に応じた輝度値の最大値を細胞高さ（Ｚ軸位置）とする。さらに、画像処理部３６は、分散値から求めた細胞領域内に対して、細胞内器官などの影響で極端に位相差が付いていない部分には、位相画像の輝度値の変化が最大となる部分を抽出して、細胞高さ（Ｚ軸位置）とする。

画像処理部３６が、上述の処理を行うことにより、図１０に示すような細胞の三次元画像を得ることができる。

図１０Ａには、Ｚ軸位置の異なる複数枚の顕微鏡画像のうちの１枚が示されており、図１０Ｂには、図１０Ａの画像中に示されているライン上における細胞高さが示されており、図１０Ｃには、細胞の三次元画像が示されている。

さらに、画像処理部３６は、図１０Ｃに示すような三次元検出された画像から、顕微鏡の倍率およびそのＺ軸位置に基づいて、三次元プロットで表示された領域全体を積分することにより細胞体積を算出する。そして、画像処理部３６は、算出した体積データと細胞密度から、観察領域内の細胞量を求めることができる。

なお、観察領域は、培養領域の全体でもよく、また、ある観察領域でのデータを代表点として、培養容器全体の細胞量を推定してもよい。

次に、以下では、細胞量を求める処理について、さらに詳細に説明する。

図１１は、図１の観察機構２２および画像処理部３６の詳細な構成例を示すブロック図である。

細胞培養装置１２では、観察の対象とされた培養細胞が収容されている培養容器８１が試料台８２に載置され、観察機構２２が、制御部３１の制御に従って培養容器８１内の培養細胞の画像を撮像し、その画像が、制御部３１を介して画像処理部３６に供給される。

培養容器８１は、例えば、シャーレや、フラスコ、ウェルプレートなどの容器であり、培養容器８１の内部に、培養細胞および培地が収容される。試料台８２は、少なくとも一部が透光性の材質で構成されており、その上面に載置した培養容器８１の位置を水平方向に調整することができる。

観察機構２２は、光源８３、コレクタレンズ８４、ミラー８５、フィールドレンズ８６、リング絞り８７（開口絞り）、コンデンサレンズ８８、対物レンズ８９、位相リング９０、結像レンズ９１、レンズ駆動部９２、および撮像部９３を備えて構成される。

図１１に示すように、光源８３から射出される照明光は、コレクタレンズ８４によって平行光となり、ミラー８５によって図１１の下方向に導かれる。そして、ミラー８５で反射された照明光は、フィールドレンズ８６で集光されてリング絞り８７に入射する。リング絞り８７は、リング状の開口を有する円板であって、照明光をリング状の絞り光とする。このリング絞り８７は、コンデンサレンズ８８の前側焦点位置に配置されている。また、コンデンサレンズ８８は、リング絞り８７を通過した光束を集光する。これによって、試料台８２に載置された培養容器８１が上側から照明光で照射される。

対物レンズ８９は、培養容器８１を透過した直接光（０次光）と、培養容器８１内の位相物体（培養細胞）に応じて発生した回折光とを透過させる。位相リング９０は、対物レンズ８９の後側焦点面位置で、リング絞り８７と光学的に共役な位置に配置されている。この位相リング９０は、培養細胞で生じた回折光の一部を透過して、この透過光の位相に遅れ（または進み）を生じさせる。また、結像レンズ９１は、上記の直接光と回折光とに基づいて、培養細胞の拡大像を撮像部９３に結像させる。

このように観察機構２２の顕微光学系が構成されており、位相リング９０を透過した光と位相リング９０以外を通過した光とが干渉し、結像レンズ９１を介して結像面に明暗の差として結像される。これにより、培養細胞の位相差観察を行うことができる。

レンズ駆動部９２は、対物レンズ８９を光軸方向（図１１の上下方向）に駆動させて、顕微光学系の焦点調節を行う。

撮像部９３は、顕微観察系による結像を撮像して顕微鏡画像のデータを生成する。この撮像部９３は、撮像素子と、撮像素子の出力信号に対するゲイン調整およびＡ／Ｄ変換を行うアナログフロントエンドと、各種の画像処理を行う画像処理部とを有している。なお、図１１では、撮像部９３の個々の構成要素の図示は省略する。

画像処理部３６は、メモリ１０１に格納されたプログラムをプロセッサ（図示せず）が実行することにより、領域分離部１０２、合焦位置演算部１０３、および三次元情報演算部１０４として機能する。

次に、図１２乃至図１４を参照して、領域分離部１０２、合焦位置演算部１０３、および三次元情報演算部１０４において行われる処理について説明する。

図１２は、図８のステップＳ１５における細胞状態観察処理を説明するフローチャートである。また、図１３には、顕微鏡画像の一例、および細胞領域と非細胞領域との分離状態が示されており、図１４には、培養細胞の輪郭表面の高さと合焦位置との関係例が示されている。

なお、以下の説明では、図１３Ａに示されるように、培養容器８１内には、培養液中に付着細胞と浮遊細胞とが存在しているものとし、画像処理部３６が、視野内の培養細胞の体積の演算を行う。

ステップＳ２１において、画像処理部３６は、制御部３１を介して観察機構２２の各ブロックを制御し、同一の視野範囲で焦点位置の異なる複数の顕微鏡画像を撮像させ、各顕微鏡画像のデータをメモリ１０１に記録させる。

具体的には、制御部３１は光源８３を点灯させて培養容器８１を照明するとともに、撮像部９３を駆動させて顕微鏡画像を撮像する。その後に、制御部３１は、レンズ駆動部９２によって対物レンズ８９の位置を光軸方向（Ｚ軸方向）にシフトさせてから、同じ撮影条件で顕微鏡画像の撮像を繰り返す。例えば、図１３Ａの培養容器８１の底面方向から上方へ座標Ｚ１〜Ｚ５のセクショニングがされた複数の顕微鏡画像を取得する。これにより、同一の視野で焦点位置がそれぞれ異なる複数の顕微鏡画像が生成される（図１３Ｂ参照）。また、各々の顕微鏡画像のデータには、その画像を撮像したときの対物レンズ８９の焦点位置を示す焦点位置情報がそれぞれ対応付けされるものとする。

ステップＳ２２において、画像処理部３６の領域分離部１０２は、ステップＳ２１で撮像された複数の顕微鏡画像の輝度値を用いて、顕微鏡画像に対応する撮影画面の画素ごとに輝度の分散値を求める。例えば、領域分離部１０２は、各顕微鏡画像の座標（ｘ，ｙ）の画素が示す複数の輝度値から、撮影画面の座標（ｘ，ｙ）の全ての画素においてそれぞれ輝度の分散値を演算する。

ステップＳ２３において、領域分離部１０２は、ステップＳ２２で算出した輝度の分散値に基づいて、培養細胞が位置する細胞領域と、培養細胞が位置しない非細胞領域とを分離する。

一例として、領域分離部１０２は、撮影画面の座標（ｘ，ｙ）における輝度の分散値を領域判定用の閾値と比較する。ここで、撮影画面で培養細胞が位置する箇所では、焦点位置の変化によって画像間で輝度の変化が生じる。そのため、培養細胞が位置する箇所では、輝度の分散値は大きくなる。一方、撮影画面で培養細胞が位置しない箇所では、焦点位置が変化しても画像間で輝度の変化はほとんど生じない。そのため、培養細胞が位置する箇所では、輝度の分散値は極めて小さくなる。

したがって、座標（ｘ，ｙ）における輝度の分散値が閾値以上であるときには、領域分離部１０２は座標（ｘ，ｙ）の画素を細胞領域と判定する。一方、輝度の分散値が閾値未満であるときには、領域分離部１０２は座標（ｘ，ｙ）の画素を非細胞領域と判定する。そして、領域分離部１０２は、撮影画面の各座標で上記の判定を行うことで、撮影画面における細胞領域と非細胞領域との分離を行う。なお、撮影画面で細胞領域と非細胞領域とを分離した状態を図１３Ｂに模式的に示す。

また、領域分離部１０２は、細胞領域の画素をグループ化するグループ化処理と、グループ化された各細胞領域に識別情報（例えば識別番号など）を一対一で対応付けするラベリング処理とを行う。

ステップＳ２４において、領域分離部１０２は、ステップＳ２３の処理で分離した非細胞領域における輝度値を用いて輝度閾値を設定する。

一例として、領域分離部１０２は、ステップＳ２１で撮像した複数の顕微鏡画像のうちから任意のフレームを選択する。そして、領域分離部１０２は、選択したフレームにおける非細胞領域の各画素の輝度値を平均して、上記の輝度閾値を求める。なお、ステップＳ２４で求めた輝度閾値は、細胞領域の各画素での合焦位置を求めるときに合焦位置演算部１０３によって使用される。

ステップＳ２５において、合焦位置演算部１０３は、撮影画面の細胞領域における各画素での合焦位置をそれぞれ求める。この合焦位置が細胞の輪郭を示すことになる。すなわち、位相差画像（顕微鏡画像）を用いた場合、位相差の輝度は、位相変化の大きい部位ほど大きくなるという特性がある。そのため、一般的に細胞の輪郭部位が輝度値最大となる。

例えば、合焦位置演算部１０３は、以下で説明する第１乃至第３の演算処理を実行することで、撮影画面の細胞領域における各画素での合焦位置をそれぞれ求める。

第１の演算処理において、合焦位置演算部１０３は、撮影画面の細胞領域のうちから、処理対象となる注目画素を選択する。そして、合焦位置演算部１０３は、ステップＳ２１で撮像した各々の顕微鏡画像のデータから上記の注目画素に対応する輝度値をそれぞれ取得する。

第２の演算処理において、合焦位置演算部１０３は、第１の演算処理で取得した各輝度値と、ステップＳ２４で設定した輝度閾値とを比較する。ここで、位相差による輝度変化が明方向に現れる画素では、対物レンズ８９が合焦位置にあるときに相対的な輝度値が最も大きくなる。一方、位相差による輝度変化が暗方向に現れる画素では、対物レンズ８９が合焦位置にあるときに相対的に輝度値が最も小さくなる。

よって、第１の演算処理で取得した各輝度値が輝度閾値以上となる場合には、合焦位置演算部１０３は以下の処理を行う。この場合、合焦位置演算部１０３は、第１の演算処理で取得した輝度値を用いて、空間方向における輝度値の最大点を求める。そして、合焦位置演算部１０３は、上記の最大点を示す顕微鏡画像を取得できる対物レンズ８９の焦点位置を、注目画素での合焦位置と判定する。これにより、位相差による輝度変化が明方向に現れる画素での合焦位置を求めることができる。

一方、第１の演算処理で取得した各輝度値が輝度閾値未満となる場合には、合焦位置演算部１０３は以下の処理を行う。この場合、合焦位置演算部１０３は、第１の演算処理で取得した輝度値を用いて、空間方向における輝度値の最小点を求める。そして、合焦位置演算部１０３は、上記の最小点を示す顕微鏡画像を取得できる対物レンズ８９の焦点位置を、注目画素での合焦位置と判定する。これにより、位相差による輝度変化が暗方向に現れる画素での合焦位置を求めることができる。

なお、第２の演算処理で、合焦位置演算部１０３は、注目画素の位置で輝度値が最大（または最小）となる顕微鏡画像を抽出するとともに、抽出された顕微鏡画像に対応する対物レンズ８９の焦点位置を合焦位置としてもよい。あるいは、合焦位置演算部１０３は、注目画素の位置における各輝度値を補間する補間曲線を求めるとともに、この補間曲線上での最大点（または最小点）に基づいて対物レンズ８９の合焦位置を演算で求めてもよい。

第３の演算処理において、合焦位置演算部１０３は、処理対象となる注目画素を別の画素に変更して第２の演算処理の処理を繰り返し、細胞領域の各画素における対物レンズ８９の合焦位置をそれぞれ求める。そして、合焦位置演算部１０３は、撮影画面の細胞領域の各画素について対物レンズ８９の合焦位置を示す合焦位置マップを生成する。

このように、ステップＳ２５において、第１乃至第３の演算処理を実行することで、合焦位置演算部１０３は、撮影画面の細胞領域における各画素での合焦位置をそれぞれ求める。

ステップＳ２６において、三次元情報演算部１０４は、対物レンズ８９の合焦位置に基づいて培養細胞の輪郭表面の高さ（光軸方向における培養細胞の輪郭表面の位置）を求める。すなわち、三次元情報演算部１０４は、公知の光学の基礎式（レンズのガウスの式）を用いて、ステップＳ２５で求めた各画素での対物レンズ８９の合焦位置から、その画素の位置に対応する培養細胞の輪郭表面の高さを求める。これにより、三次元情報演算部１０４は、培養細胞の輪郭表面の高さを示す三次元的な距離画像のデータ（点群データ）を得ることができる。なお、図１２の例において培養細胞の輪郭表面の高さと合焦位置との関係を図１４に示す。

ステップＳ２７において、三次元情報演算部１０４は、ステップＳ２６で求めた培養細胞の輪郭表面の高さに基づいて、ステップＳ２２でグループ化された各細胞領域が浮遊細胞および付着細胞のいずれの種類に属するかを判定する。

具体的には、まず、三次元情報演算部１０４は培養容器８１の底面位置を取得する。例えば、三次元情報演算部１０４は、撮影画面内のすべての細胞領域において、輪郭表面の高さが最も低い位置にあるものを培養容器８１の底面位置とみなす（図１４参照）。上記条件に該当する輪郭表面の位置は、培養容器８１の底面に付着した付着細胞の外縁に対応すると考えられるからである。

そして、三次元情報演算部１０４は、細胞領域のグループのうちで、輪郭表面の高さが培養容器８１の底面位置から一定距離（閾値ｈ）以上離れているものを浮遊細胞と判定する（図１４参照）。これにより、三次元情報演算部１０４は、撮影画面内の浮遊細胞および付着細胞を自動的に識別することが可能となる。

ステップＳ２８において、三次元情報演算部１０４は、撮影画面内に含まれる付着細胞の総体積を推定する。具体的には、まず、三次元情報演算部１０４は、撮影画面の細胞領域のうちでステップＳ２７で浮遊細胞と判定されたものを処理対象から除外する。次に、三次元情報演算部１０４は、対物レンズ８９の倍率を考慮して単位画素の面積を求める。そして、三次元情報演算部１０４は、処理対象となった細胞領域（付着細胞）に含まれる各画素の高さを積分することで個々の培養細胞の体積をそれぞれ推定する。その後、三次元情報演算部１０４は、撮影画面内に含まれる付着細胞の総体積のデータを生成してメモリ１０１に記録する。

以上のように、細胞培養管理システム１１では、焦点位置の異なる複数の位相差観察画像を用いて細胞領域における画素の合焦位置をそれぞれ求め、この合焦位置に基づいて培養細胞の三次元形状を取得する。したがって、観察機構２２では、励起光の照射や染色によるダメージを細胞に与えることなく、培養細胞の三次元情報を取得することができる。しかも、観察機構２２は、細胞培養装置１２の培養室内で培養細胞の観察を行うため、観察時の環境条件の変化によって培養細胞にダメージを与えることもない。

また、画像処理部３６は、複数の位相差観察画像を用いて、撮影画面内の細胞領域を予め絞り込んだ上で培養細胞の三次元情報を求めることができるので、培養細胞の三次元情報を求めるときの演算負荷を軽減することができる。さらに、画像処理部３６は、培養細胞の三次元情報に基づいて、浮遊細胞と付着細胞との識別や培養細胞の体積の推定を行うことができ、細胞培養管理システム１１の機能性を一層高めることが可能となる。

特に、細胞培養管理システム１１では、クリティカルポイントごとに、付着細胞の総体積の時間的な推移を示す増殖曲線（growth curve）を取得することができるので、例えば、積層した細胞についても、より的確な観察や培養状態の評価を行うことが可能となる。

なお、例えば、細胞培養管理システム１１において細胞の培養をしたことのある患者に対しては、手術希望日および必要細胞量を指定すると、スケジュール作成部３２が、培養データ記憶部３４に記憶されている過去の培養実績に基づいて、手術希望日において必要細胞量に到達するような細胞投入時期を算出することができる。

また、本実施の形態では、必要細胞量に対する許容量が設定されていることにより、図６に示すように、予測完了日範囲が三日間と求められ、その範囲内で手術予定日時を決定しているが、例えば、必要細胞量に対する許容量が設定されていない場合には、予測完了日が一日と求められ、その一日内で、手術を実施する予定時刻を決定することができる。

さらに、培養データ記憶部３４に予め記憶されている培養率を参照して予測完了日を予測する他、細胞の培養を開始した初期段階でその細胞の培養率を求め（プリチェックを行い）、その結果に基づいて予測完了日を予測してもよい。また、培養細胞の細胞量とともに、培養細胞の活性状態をクリティカルポイントでの判断材料としてもよい。

また、培養細胞の細胞IDや投入量などは、ユーザが入力した値を取得する他、例えば、細胞IDを記録したICタグが付された培養容器などを利用して検出するようにしたり、培養室に搬入された培養容器の重量をセンサにより測定するようにして取得することができる。

なお、上述した一連の処理は、ハードウエアにより実行することもできるし、ソフトウエアにより実行することもできる。一連の処理をソフトウエアにより実行する場合には、そのソフトウエアを構成するプログラムが、専用のハードウエアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータなどに、プログラム記録媒体からインストールされる。

コンピュータには、図１の細胞培養装置１２、表示装置１４、および入力装置１５が接続され、コンピュータでは、ROM（Read Only Memory）に記憶されているプログラムや、ハードディスクや不揮発性のメモリなどよりなる記憶部に記憶されているプログラムなどが、RAM（Random Access Memory）にロードされ、CPU（Central Processing Unit）により実行される。それにより、上述した一連の処理が行われる。

また、それらのプログラムは、あらかじめ記憶部に記憶させておく他、ネットワークインタフェースなどよりなる通信部を介して、あるいは、磁気ディスク（フレキシブルディスクを含む）、光ディスク（CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory),DVD(Digital Versatile Disc)等）、光磁気ディスク、または半導体メモリなどのリムーバブルメディアを駆動するドライブを介して、コンピュータにインストールすることができる。

なお、コンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。また、プログラムは、１つのCPUにより処理されるものであっても良いし、複数のCPUによって分散処理されるものであっても良い。

また、本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

本発明を適用した細胞培養管理システムの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。患者に関する情報を入力または表示させるときに操作される操作画面４１を示す図である。施設に関する情報を入力または表示させるときに操作される操作画面５１を示す図である。医師に関する情報を入力または表示させるときに操作される操作画面６１を示す図である。培養細胞に関する情報を表示する表示画面７１を示す図である。スケジュール作成部３２による予測完了日の予測および修正を説明する図である。手術予定日時のスケジュールを示す図である。スケジュールを作成および修正する処理を説明するフローチャートである。Ｚ軸方向の異なる位置で複数枚の画像から細胞の三次元画像を求める処理を説明する図である。細胞の三次元画像を示す図である。観察機構２２および画像処理部３６の詳細な構成例を示すブロック図である。細胞状態観察処理を説明するフローチャートである。顕微鏡画像の一例、および細胞領域と非細胞領域との分離状態を示す図である。培養細胞の輪郭表面の高さと合焦位置との関係例を示す図である。

符号の説明

１１細胞培養管理システム，１２細胞培養装置，１３管理装置，１４表示装置，１５入力装置，２１培養機構，２２観察機構，２３培地交換機構，２４継代機構，２５溶液添加機構，３１制御部，３２スケジュール作成部，３３スケジュール記憶部，３４培養データ記憶部，３５検索部，３６画像処理部，４１操作画面，５１操作画面，６１操作画面，７１表示画面，８１培養容器，８２試料台，８３光源，８４コレクタレンズ，８５ミラー，８６フィールドレンズ，８７リング絞り，８８コンデンサレンズ，８９対物レンズ，９０位相リング，９１結像レンズ，９２レンズ駆動部，９３撮像部，１０１メモリ，１０２領域分離部，１０３合焦位置演算部，１０４三次元情報演算部

Claims

細胞を培養し、培養スケジュールを管理する細胞培養管理システムにおいて、
施設および医師に関する情報を記憶する記憶手段と、
前記細胞が培養されて増殖し、前記細胞を用いた手術に必要となる必要細胞量に到達する到達日を予測する予測手段と、
前記予測手段により予測された前記到達日における前記施設および医師に関する情報に基づいて、前記細胞を用いた手術を行う手術予定日時を決定する決定手段と
を備えることを特徴とする細胞培養管理システム。
前記細胞の培養が開始されてから所定の時点での前記細胞の培養状態を観察する観察手段と、
前記観察手段による観察結果に従って、前記到達日を再度予測し、その到達日に応じて前記手術予定日時を修正する修正手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の細胞培養管理システム。
前記予測手段は、前記細胞の細胞量が、前記必要細胞量に対して許容される範囲として指定された許容範囲内となる到達日の範囲を予測し、
前記決定手段は、前記到達日の範囲における前記施設および医師に関する情報に基づいて前記手術予定日時の候補を求めて使用者に提示し、前記手術予定日時の候補の中から使用者に指定された手術予定日時を、前記手術予定日時として決定する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の細胞培養管理システム。
前記細胞ごとの培養率を示す情報を記憶する培養データ記憶部と、
前記細胞を識別する識別情報、および、培養を開始する際に投入された前記細胞の細胞量を示す投入量情報を取得する情報取得手段と、
前記情報取得手段が取得した前記識別情報に基づいて前記培養データ記憶部を検索し、該当する前記細胞の培養率を取得する検索手段と
をさらに備え、
前記予測手段は、前記検索手段により検索された前記細胞の培養率と、前記情報取得手段が取得した前記投入量情報とに基づいて、前記到達日を予測する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の細胞培養管理システム。