JP2017194699A5 - - Google Patents

Description

全自動高速顕微鏡スライドスキャナ

本発明は、一般に光学顕微鏡の分野に関し、より詳細には全自動高速顕微鏡スライドスキャナに関する。

光学顕微鏡に固有の制限の１つは、顕微鏡の接眼レンズを介して見ることができる試料の部分である視野と、試料を見ることができる倍率との間のトレードオフである。開口数（ＮＡ）が高い高倍率の顕微鏡対物レンズにより顕微鏡使用者は、拡大された、かつ多くの場合に高解像度の画像を得るが、倍率が増加すると視野は倍率の二乗に比例して劇的に減少する。１．２５倍（１．２５×）のような非常に低い倍率でも、従来の顕微鏡の双眼鏡によっては典型的な顕微鏡スライドの小領域しか見ることができない。光学顕微鏡の視野制限により顕微鏡使用者は、スライドを低倍率で手動スキャンして試料または標本の全体視像を得る必要がある。対象の領域が低倍率の視野の１つに現れたとき、顕微鏡使用者はより高い倍率の対物レンズを手動で選択して、標本の比例して小さくなった領域の拡大された高解像度の視像を得る。病理学者が見る組織学的な標本のような試料では、病理学者にとって、標本に自分自身を向けるための視野が広い低倍率対物レンズと、より詳細に試料を見るための高倍率で視野の狭い１つ以上の対物レンズとの間で交互に頻繁に切換えることは普通のことである。

広い視野と高倍率の両方を同時に達成するという光学顕微鏡の限界を克服するための１つの手法は、連続した視野から個別の複数のデジタル画像を取り込み、それによって広い視野の画像を作成するというものである。スキャンシステムが試料を動かすために使用され、面スキャン電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラなどの方形の光学センサが所望の倍率で各視野の画像を取り込む。これらの小さな視野（これ以降、画像タイルと呼ぶ）を１つの一貫した画像に組み合わせるプロセスは、画像タイル化と呼ばれる。米国特許第４，７６０，３８５号（Ｊａｎｎｓｏｎら）で論じられているシステムなど、初期の画像タイル化システムは、オペレータによってあらかじめ対話式に選択された試料の領域で取り込まれた、およそ３６個の個別のビデオフレーム画像タイルから連続した高解像タイル化画像を作成することに基づいていた。類似しているがより高度な画像タイル化システムがもっと最近では利用可能になっている。このようなシステムの１つが、Ｂａｃｕｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．、Ｄｏｗｎｅｒｓ Ｇｒｏｖｅ、ＩＬ．から、Ｂａｃｕｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．、Ｓｌｉｄｅ Ｓｃａｎｎｅｒ（これ以降「ＢＬＩＳＳ」と呼ぶ）の名称で販売されている。ＢＬＩＳＳシステムの要素は、特許協力条約公報のＷＯ９８／３９７２８およびＷＯ９８／４４４４６に記載されている。

ＢＬＩＳＳシステムは主に、非常に低い倍率で得られる組織学的な標本の解剖学上の向きと、マクロ画像とも呼ばれる、低倍率のタイル化画像から病理学者によって対話式に選択された標本の領域のいくつかの高倍率視像とを一緒に合成することを必要とする病理解剖学者のために設計されている。ＢＬＩＳＳシステムによって、病理学者は、２０倍または４０倍で取り込まれた選択領域の選択された高解像度ミクロ画像と、１．２５倍で取り込まれた低解像度マクロ画像とを素早く交互に取り替えて、従来の顕微鏡を病理学者が手動で使用することをある意味で模倣することができる。あるいは、ＢＬＩＳＳシステムのユーザインターフェースは、別々の分割スクリーンを表示モニタに提示し、それにより病理学者には、全体のマクロ視像と、現在の高倍率視像がどこに位置するかを示すマーカとが示される。１つのタイル化画像は、標本の全体の大視野を得るための第１の倍率のいくつかの隣り合う元の顕微鏡視像を、高倍率のいくつかの隣り合う元の顕微鏡視像と組み合わせて、結合されたデータ構造を作成することによって構築される。データ構造は、低倍率画像タイルをそのマッピング座標でデジタル的にスキャンし格納すること、および同様に、高倍率画像タイルをそのマッピング座標でデジタル的にスキャンし格納することによって得られる。さらに、病理学者は標本の診断上重要な領域だけをデジタル的にスキャンし格納するために対話式に選択して、高解像度で格納される画像画素の数を大幅に減らすことができる。仮想顕微鏡スライドに似ているデータ構造は、次に、インターネットなどのネットワークを通じて遠隔の閲覧者に転送することができる。したがって、遠隔のユーザには、一連の連続したタイル化画像が提供され、各画像タイルは、２つの異なる光学倍率それぞれで、１つの小さな光学視野に実質的に等しい。

ＢＬＩＳＳシステムは、ニューヨークのソーンウッドにあるＣａｒｌ Ｚｅｉｓｓ社から販売されているＡｘｉｏｐｌａｎ−２顕微鏡システムなどの、コンピュータ制御自動化顕微鏡の周辺に一体化されている。このタイプのハイエンドの顕微鏡は、照明サブシステム、合焦サブシステム、顕微鏡対物レンズサブシステム、フィルタリングサブシステム、ならびに最適なケーラー照明を実現するために使用できる複数の視野絞りおよびコンデンサ絞り、または光学止め具を含む、いくつかのサブシステムのコンピュータ制御のための機能を有する。本質的に、顕微鏡のすべての可動要素はコンピュータから、また原則としてインターネットを介して遠隔地から、制御することができる。すべての絞りの位置、ならびにフォーカスおよび照明レベルなどの他の設定はコンピュータに格納されて、手作業の介在なしに顕微鏡の対物レンズを変えることが可能になる。ＢＬＩＳＳシステムはまた、優れた位置調整性能を得るための位置エンコーダおよび閉ループフィードバック制御を用いて０．１μｍの位置調整精度を達成する、コンピュータ制御２軸（上下左右の動きに対するｘ／ｙ）平行移動ステージを備える。７５２×４８０画素を有するＣＣＤカメラ、および画像フレームグラバもまた、ＢＬＩＳＳシステムに一体化される。

画像タイルに基づいているので、ＢＬＩＳＳシステムには、画像タイル手法のいくつかの知られている不利な点がある。例えば、ＢＬＩＳＳシステムの第１の不利な点は、タイル化データ構造を取得するのに長時間（通常は２０分以上）かかることである。これらの時間見積には、手作業の介在中に、例えば低倍率マクロ画像の選択領域から高倍率タイル化画像を取得する前に、受ける可能性のあるいかなる追加的な遅延も考慮されていない。タイル化には、電動ステージ上にあるスライドを、単独の視野の幅に等しい離散的な段階で、ＢＬＩＳＳシステムで使用されるＣＣＤカメラなどの静止面スキャンカメラに対して動かすことを要する。画像タイルは段階ごとに得られる。次に、個々の画像は一緒にタイル化されて、対象の領域の継ぎ目のない大きい画像が作成される。画像のタイル化は、画像が取り込まれている間の試料とカメラとの間のいかなる顕著な相対的動きも最小にする必要があるために、比較的遅い。相対的動きの主たる原因は、一連の停止および進行コマンドを発行した後の、機械的位置調整ステージの整定時間である。容認できないスミアリングのない画像を取得するには、ステージが整定されるまで、理想的には１つ未満の画素内まで、待つことが必要である。例えば、４０×倍率で、１／２インチ型ＣＣＤカメラで取り込まれた単一の画像タイルの幅は、試料の１６０μｍに相当する。この倍率で、７５２画素幅のＣＣＤカメラの個々の画素それぞれは、試料の約０．２μｍの範囲を定める。したがって、単一のタイル化ステップには、機械ステージの加速および減速に伴って、比較的大きな１６０μｍの移動が必要となる。画像のいかなるスミアリングも避けるために、画像タイルは、機械ステージが１つより少ない画素、すなわち約０．２μｍの動きまでに整定した後でしか取り込まれてはならない。米国特許５，９１２，６９９号（Ｈａｙｅｎｇａら）では、従来の面スキャンカメラを用いる画像タイル化とストロボ光同期とを組み合わせる代替方法を提案することによって、従来の画像タイル化システムのこのよく知られた整定時間制限に対処している。ＢＬＩＳＳシステムを含むタイル化システムの取り込み時間が遅いことにより、画像タイル化の実際的な実用性は、最初の非常に低い倍率のマクロ画像と、後に続く高い倍率の取り込みのための小領域の選択との間に長い手作業介在がある、２ステッププロセスに限定される。

タイル化システムに付随する遅い取得時間は、タイル化されたデータ構造を作成するプロセス中に手作業が介在する必要があるという、ＢＬＩＳＳシステムの第２の不利な点につながる。１．２５×という非常に低い顕微鏡対物レンズ倍率でスライドをプレスキャンした後、ＢＬＩＳＳ操作者は、高倍率対物レンズを用いてスキャンされるべき対象の関連領域のマクロ画像を調べる。手作業介在の１つの動機付けは最終データ構造の大きさを制限することであり得るが、手作業介在は妥当な時間で取得できるより小さな領域を画定するのに絶対に必要である。例えば、２０×で顕微鏡スライドを完全にスキャンするためにＢＬＩＳＳシステムを使用することは、取得時間の考慮の故に、実用的ではない。２０×倍率では、７５２×４８０画素の１／２インチ型面スキャンＣＣＤを用いて、顕微鏡スライドの２インチ×１インチの領域をデジタル化するために、約１６，３００の個別画像タイルを取り込まなければならない。各画像タイルを得るために約１秒かかると仮定すると、繰り返される１６，３００の停止および進行のコマンドのそれぞれに伴う比較的長い機械的整定時間に大部分は起因して、合計取得時間は４時間３０分になるはずである。４０×倍率では、取得時間が４倍の１８時間になるはずである。１０×倍率でさえも、取得時間が１時間を越えるはずである。しかし、ＢＬＩＳＳシステムの１．２５×という非常に低い倍率では、顕微鏡の２インチ×１インチ面積のマクロ画像を作成するのに６４の画像タイルしか必要がない。このようなマクロ画像の合計取得時間は約１分である。

どんな画像タイル化システムの取得時間制限でも非常に低い倍率のマクロ画像の取り込みを必要とし、高倍率で取り込まれるべき小さな領域のこのマクロ画像から対話式に選択することが後に続くことをここで理解すると、ＢＬＩＳＳシステムの第３の不利な点が明らかになる。この第３の不利な点は、非常に低い倍率のマクロ画像から対象の領域の位置を特定することが、解剖学的参照情報が利用可能である試料に実際上限定されるという認識にある。したがって、ＢＬＩＳＳシステムは、Ｐａｐスミアリングなどの非組織学的試料では有用性が限定されている。なぜならば、このような細胞試料は本来的に解剖学的な向きについての情報を欠いているからである。このような試料では、細胞は、顕微鏡スライドの広い領域にわたって多かれ少なかれランダムに分布している。高い光学倍率でタイル化されるべき対象の特定の小さな領域を画定する機能を用いずに、マクロ画像を用いる、唯一の代替法は試料全体をスキャンしデジタル化することである。しかし、前に説明したように、画像タイル化方法で必要とされた長い取得時間により、この代替法は実際には非実用的なものになる。別の言いかたをすれば、高倍率での画像タイル化で顕微鏡スライドの特定の、かつ著しく小さい領域を画定するための手作業介在がなければ、細胞学的試料が不可能性、タイル化手法は有用性が限定される。手作業介在の必要がない、全自動であるスキャン顕微鏡スライドのシステムが好まれるはずである。このようなシステムはまた、スライドが解剖学的参照情報を含むか否かにかかわらず、すべてのタイプの顕微鏡スライドに適しているはずである。

ＢＬＩＳＳシステムの第４の不利な点は、複雑であることや高価であることである。ＢＬＩＳＳシステムは大部分が、複数の対物レンズおよび高価なｘ／ｙステージ閉制御ループを備えたサードパーティのハイエンド全自動顕微鏡を含む、市販の構成要素に基づいている。ＢＬＩＳＳシステムの提示エンドユーザ価格は１０万ドルを優に超える。ＢＬＩＳＳシステムの多数の自動化要素は、その高価な自動化にもかかわらず、操作および維持が困難なことがある複雑なシステムである。簡単で信頼性が高く、ＢＬＩＳＳシステムのコストの約１／３で得ることができる、顕微鏡スライドをスキャンするシステムが好ましいはずである。

ＢＬＩＳＳシステムの固有のコスト的に不利な点は、従来の顕微鏡に基づくあらゆる顕微鏡スライドスキャンシステムのいくつかの制限事項である。ＢＬＩＳＳシステムの最も高価な構成要素は、自動化顕微鏡自体である。全自動顕微鏡をＢＬＩＳＳシステムに組み入れる理由の１つは、顕微鏡の対物レンズタレットが自動的に回転して顕微鏡の対物レンズを例えば１．２５×から４０×へ変えるとき、多くの設定を自動的に変更する必要性である。典型的な顕微鏡は、顕微鏡の対物レンズを変えると最適な焦点面が異なることになり、ケーラー照明を得るには視野絞りおよびコンデンサ絞りの新しい設定が必要になる。また異なる照明強度もＣＣＤのダイナミックレンジを最適に満たすために必要になる。顕微鏡の対物レンズを変える必要性をなくすことができれば、このような大規模な自動化の必要性がなくなる。従来の光学顕微鏡の視野制限事項を克服することができるだけでなく、顕微鏡の複数の対物レンズの必要性をなくすこともできる、ＢＬＩＳＳなどの画像タイル化システムに勝る十分なコストの利点が得られる高速スキャン方法が好ましい。単一の顕微鏡の対物レンズの必要性はまた、従来の顕微鏡の光学部品によって課せられた制限事項を削除することにも密接な関係がある。顕微鏡スライドがスキャンされ、回折制限解像度でデジタル化されること、すなわち、顕微鏡の対物レンズの解像度で得られるすべての可能な空間細部がデジタル画像で取り込まれることを確実にする光学設計に基づいたシステムが好ましい。回折制限デジタル画像が取り込まれた後、悪化した低い解像度と倍率の画像を標準的なコンピュータアルゴリズムを用いて作成することができる。

多くの顕微鏡の用途において、試料全体または試料の大部分が、欠陥がないか、あるいは特殊な物体、例えば異常な細胞が存在するか存在しないかを調べられる必要がある。それに続く高解像度調査で対象の特定の領域を識別するために、試料の大部分または試料全体さえも低解像度（通常は１０×〜２０×）で手動スキャンしなければならないとき、顕微鏡検査は非常に労働集約的なものになる。長時間の手動スクリーニング、または単一視野を見続けることにより、生産性および正確さに悪影響を及ぼし得る疲れ目、疲労および視覚順化が起こる。それに続く高解像度調査に関する、対象の関連領域を素早く見つけ位置を特定することの問題は、顕微鏡を、補助的なリニアアレイ検出器付きの顕微鏡と自動位置調整テーブルとを組み合わせ、すべてコンピュータ制御される従来のリアルタイムのスキャンシステムを使用して対処されている。米国特許第５，９２２，２８２号（Ｌｅｄｌｅｙら）で論じられているシステムなど、いくつかの手法は、物理的スライドの領域上で見つけた関連対象物のｘ／ｙステージの座標を格納して、対象物（この場合、特製のガラス顕微鏡スライド上にあるマイコバクテリア）の再配置を可能にすることに基づいている。マイコバクテリアのｘ／ｙ座標は、専用のリアルタイムパターン認識回路を用いて得られ、この座標は、比較的大きい５μｍステップで動くステージに同期しているラインスキャンカメラで測定された強度情報に適用される。あるいは、ビデオカメラなどの面スキャンセンサを類似した回路とともに、選択された対象物のｘ／ｙ座標を得るための基礎として使用することができる。この後者の場合、ステージは、タイル化方法で必要なステージ移動と同様に、完全な像フィールドに対応した大きなステップで動く。フォーカスは即時自動焦点制御を用いて維持される。米国特許第４，７００，２９８号（Ｐａｌｃｉｃら）で論じられている代替システムでは、組織フラスコで成長する細胞のｘ／ｙ座標をリアルタイムで記録する目的で広い領域をスキャンするために、オートフォーカス手段を備えた、市販の顕微鏡に取り付けられたリニアアレイＣＣＤを用いる。これらの既知の方法およびシステムはすべて、スキャン過程の間に取得され処理されるデジタル情報のリアルタイム分析に基づいている。多くの場合、専用回路が、リニアアレイ検出器から読み出された強度データを直ちに処理して決定をリアルタイムで行うことを可能にするために使用される。新規の代替アプローチは、手動スライドスキャンの労働集約的態様を自動化するのに十分な光学解像度で顕微鏡スライド全体の大きな連続した画像を素早く組み立てるために、リニアアレイセンサを使用することである。デジタル画像処理方法と一緒に使用できるシステムが、手動スライドスキャンの代替として好ましい。

顕微鏡スライドの手動スキャンに付随する別の共通問題は、スライドの一部分がスライドの手動のｘ／ｙスキャンの間に容易に見逃されることである。特にスライドが顕微鏡から取り外されされた後では、以前に特定した細胞を再配置することは難しい可能性がある。ｘ／ｙの手動スキャンの間にスライドのあらゆる領域を見逃さないという課題は、手動で調べられた物理的スライドの領域のｘ／ｙ位置および滞留時間を記録して、見逃された、または場合によって速く見すぎたスライドの領域を強調表示する位置エンコード品質保証システムによって対処されてきた。米国特許第５，７９３，９６９号（Ｋａｍｅｎｔｓｋｙら）では、技術者が以前に見直したＰａｐスミアリングスライドの品質保証の方法を論じている。この方法は、スライド見直しの間に技術者が訪れたすべてのフィールドのｘ／ｙステージ座標を記録すること、および関係のあるスライド滞留時間のｘ／ｙマップを作成することに基づいている。

顕微鏡スライド全体を高速でスキャンしデジタル化することができる簡単で信頼性の高いシステムが確かに必要とされている。このスキャンおよびデジタル化は、顕微鏡スライドの手動スキャンで用いられるものと同等の光学解像度で実施されるべきであり、それによって、スライド全体を手動スキャンする代わりに、またはそれに加えて、デジタル画像データセットに画像処理アルゴリズムを適用することが可能になる。理想的には、このようなシステムは、画像取得プロセス中にいかなるタイプの手作業介在も必要とされるべきではない。このようなシステムはまた、スライドが解剖学的参照情報を含むか否かにかかわらず、あらゆるタイプの顕微鏡標本に適しているべきである。理想的には、このようなシステムは、従来のシステムよりも低コストであるべきである。このようなシステムはまた、従来の市販の顕微鏡の制限事項および固有のコストによって制約されるべきでもなく、それによって回折制限デジタル画像の取得を可能にする光学設計が可能になる。本発明の主たる目的は、これらの必要性を解決すること、および関係するさらなる利点をもたらすことである。

本発明は、コンピュータ制御顕微鏡スライドスキャナの一部である位置調整ステージと同期したリニアアレイ検出器を用いて、顕微鏡試料全体、または顕微鏡試料のかなり大きい部分を完全自動化高速スキャンおよびデジタル化するための装置および方法を提供する。本発明はまた、試料の一連のスキャンから得られた画像ストリップを単一の連続したデジタル画像に構成する方法を提供する。本発明はさらに、この大きなデジタル画像のサブ領域を異なる倍率で、試料全体の低倍率のマクロ画像とともに、静止状態で表示する方法を提供する。本発明はまた、連続したデジタル画像の一部分を、操作者と対話して、または対話せずに、動的に表示する方法も提供する。本発明の好ましい１つの実施形態では、スキャナのすべての要素は、インターネットまたはローカルインターネットなどのネットワークとの一次接続を有する単一のエンクロージャの一部である。この実施形態では、好ましい試料のタイプは顕微鏡スライドであり、照明および画像化光学部品は、回折制限デジタル画像化用に最適化された透過モード光学部品と一致している。

本発明の目的、利点、および特徴は、添付の図面と併せ読めば以下の詳細な説明からより容易に理解されよう。

本発明による光学顕微鏡システムの好ましい実施形態のブロック図である。 本発明による光学顕微鏡システムの第２の実施形態のブロック図である。 本発明による、リニアアレイ検出器によって得られた連続した画像ストリップにより試料の一部分をデジタル化する方法を示す図である。 本発明による、リニアアレイ検出器によって得られた連続した画像ストリップにより試料の一部分をデジタル化する方法を示す図である。 本発明による、リニアアレイ検出器によって得られた連続した画像ストリップにより試料の一部分をデジタル化する方法を示す図である。 本発明による光学顕微鏡システムの動作の簡略化フローチャートである。 本発明による画像表示フレームの概略図である。 本発明による画像表示フレームの概略図である。 本発明による動画像表示フレームの概略図である。 本発明による動画像表示フレームの概略図である。

まず、図１を参照すると、本発明による光学顕微鏡システム１０の好ましい実施形態のブロック図が示されている。システム１０の心臓部は、標本または試料１２をスキャンしかつデジタル化する機能を果たす顕微鏡スライドスキャナ１１である。試料１２は、光学顕微鏡によって調べられるあらゆるものであり得る。例えば、試料１２は、光学顕微鏡によって調べられる顕微鏡スライドまたは他の試料タイプであり得る。顕微鏡スライドが、生きている、または死んでいる、標示付きまたは標示なしの組織や細胞、染色体、ＤＮＡ、蛋白質、血液、骨髄、尿、バクテリア、ビーズ、生検材料、または他のタイプの生物学的な材料もしくは物質を含む標本の観察基板としてしばしば使用される。試料１２はまた、マイクロアレイとして通常知られている任意の、およびすべての試料を含めて、あらゆるタイプのスライドまたは他の基板の上に堆積されている、ｃＤＮＡもしくはＲＮＡなどのあらゆるタイプのＤＮＡもしくはＤＮＡ関連材料または蛋白質のアレイであり得る。試料１２はマイクロタイター板（例えば９６ウェルプレート）でよい。試料１２の他の例には、集積回路基板、電気泳動レコード、ペトリ皿、フィルム、半導体材料、法医学材料または機械加工部品が含まれる。

スキャナ１１は、電動ステージ１４、顕微鏡対物レンズ１６、ラインスキャンカメラ１８およびデータ処理装置２０を含む。試料１２はスキャン用の電動ステージ１４の上に配置される。電動ステージ１４はステージコントローラ２２に接続され、このステージコントローラはデータ処理装置２０に接続される。データ処理装置２０は、ステージコントローラ２２によって電動ステージ１４上の試料１２の位置を決定する。好ましい本実施形態では、電動ステージ１４は、試料１２の平面にある少なくとも２つの軸（ｘ／ｙ）で試料１２を動かす。光学のｚ軸に沿った試料１２の微小な動きもまた、スキャナ１１の特定の用途に、例えば焦点制御のために必要になり得る。ｚ軸の動きは、Ｐｏｌｙｔｅｃ ＰＩのＰＩＦＯＣ、またはＰｉｅｚｏｓｙｓｔｅｍ ＪｅｎａのＭＩＰＯＳ ３などのピエゾポジショナー２４を用いて好ましくは実現される。ピエゾポジショナー２４は、顕微鏡対物レンズ１６に直接取り付けられ、データ処理装置２０に接続され、かつ、ピエゾコントローラ２６を介してデータ処理装置２０によって指示される。粗い焦点調節を行う手段もまた必要になる場合があり、電動ステージ１４または手動のラックアンドピニオンの粗い焦点調節（図示せず）の一部としてのｚ軸の動きによって行うことができる。

好ましい本実施形態では、電動ステージ１４は、滑らかな運動および優れた直線および平面精度を得るために、ボールベアリングリニアウェイを備えた高精度位置調整テーブルを含む。例えば、電動ステージ１４は、互いに上に積み重ねられた２つのＤａｅｄａｌモデル１０６００４テーブルを含む。他のタイプの電動ステージ１４は、スキャナ１１にも適しており、ボールベアリング以外の方法に基づいた、積み重ねられた１軸ステージ、中央が開いており試料の下からの透過照明に特に適している１軸もしくは複数軸の位置調整ステージ、または複数の試料を支持することのできる大きなステージを含む。好ましい本実施形態では、電動ステージ１４は２つの積み重ねられた一軸の位置調整テーブルを含んでおり、それぞれが、２ミリメートルの親ネジおよびＮｅｍａ−２３ステッピングモータに連結されている。毎秒２５回転という最大親ネジ速度で、電動ステージ１４上の試料１２の最大速度は、毎秒５０ミリメートルになる。直径の大きい（例えば５ミリメートル）親ネジを選択することにより、最大速度を毎秒１００ミリメートル以上に増加させることができる。電動ステージ１４は、機械的または光学的位置エンコーダを装備することができるが、システムにかなりの費用が加わるという欠点がある。それゆえに、好ましい本実施形態は位置エンコーダを含まない。しかし、ステッピングモータの所定の場所にサーボモータを使用する場合には、適切な制御のために位置フィードバックを使用しなければならない。

データ処理装置２０からの位置コマンドは、ステージコントローラ２２においてモータ電流コマンドまたは電圧コマンドに変換される。好ましい本実施形態では、ステージコントローラ２２は２軸サーボ／ステッパモータコントローラ（Ｃｏｍｐｕｍｏｔｏｒ ６Ｋ２）および２つの４アンプマイクロステッピングデバイス（Ｃｏｍｐｕｍｏｔｏｒ ＯＥＭＺＬ４）を含む。マイクロステッピングは、１．８度の比較的大きな単一モータステップよりはるかに小さな刻みでステッパモータに命令する手段になる。例えば、１００のマイクロステップでは、試料１２は、０．１マイクロメートルほどにも小さなステップで移動するように命令することができる。２５，０００のマイクロステップが、本発明の好ましい本実施形態で用いられる。より小さなステップサイズもまた可能である。電動ステージ１４およびステージコントローラ２２の最適な選択が、試料１２の性質、試料をデジタル化するための所望の時間、および試料１２の得られるデジタル画像の所望の解像度を含む多くの要因に依存することは明らかなはずである。

顕微鏡対物レンズ１６は一般に利用可能なあらゆる顕微鏡対物レンズとすることができる。当業者には、どの対物レンズを用いるべきかの選択が特定の状況によって決まることが理解されよう。本発明の好ましい実施形態では、顕微鏡対物レンズ１６は無限補正タイプのものである。

試料１２は、光源３０および照明光学部品３２を含む照明システム２８によって照明される。好ましい本実施形態の光源３０は、光出力を最大限にするための凹面反射鏡、および熱を抑えるＫＧ−１フィルタを備えた可変強度ハロゲン光源を含む。しかし、光源３０はまた、他のタイプのアークランプ、レーザーまたは他の光源とすることもできる。好ましい本実施形態の照明光学部品３２は、光軸に直角である２つの結合した平面を備える標準のケーラー照明システムを含む。照明光学部品３２は、カールツァイス、ニコン、オリンパスまたはライカなどの会社から販売される市販の最も入手可能な複合顕微鏡に見いだすことができる、明視野照明光学部品を代表するものである。結合した面の１つの組は、（ｉ）光源３０によって照明される視野絞り開口、（ｉｉ）試料１２の焦点面によって画定される対物面、および（ｉｉｉ）ラインスキャンカメラ１８の光感応要素を含む面、を含む。第２の結合した平面は、（ｉ）光源３０の一部であるバルブのフィラメント、（ｉｉ）照明光学部品３２の一部である集光器光学部品の直前にある集光器絞りの開口、および（ｉｉｉ）顕微鏡対物レンズ１６の後焦点面、を含む。好ましい本実施形態では、試料１２は透過モードで照らされ、試料１２によって放射される光エネルギー、または逆に試料１２で吸収される光エネルギーを感知するラインスキャンカメラ１８を用いて撮像される。

本発明のスキャナ１１は、試料１２から反射される光エネルギーを検出するのに同様に適している。この場合、光源３０、照明光学部品３２および顕微鏡対物レンズ１６は、反射撮像との適合性に基づいて選択されなければならない。したがって、可能な１つの実施形態は、試料１２の上に配置された光ファイバー束を介する照明であり得る。他の可能性には、モノクロメータによってスペクトル的にコンディショニングされる励起が含まれる。顕微鏡対物レンズ１６が位相差顕微鏡との互換性をもつように選択される場合、照明光学部品３２の一部である集光器光学部品の少なくとも１つの位相止めを組み込むことにより、スキャナ１１を位相差顕微鏡に使用することが可能になる。当業者には、微分干渉コントラスト顕微鏡法および共焦点顕微鏡法などの他のタイプの顕微鏡法に必要な修正がすぐに明らかになるはずである。全体として、スキャナ１１は、適切であるがよく知られている修正によって、光学顕微鏡の任意の既知のモードで顕微鏡を用いる試料の調査に適している。

顕微鏡対物レンズ１６とラインスキャンカメラ１８との間に、顕微鏡対物レンズ１６によって取り込まれる光信号の焦点をラインスキャンカメラ１８の光感応要素の上に合わせるラインスキャンカメラ合焦光学部品３４がある。現代の無限補正顕微鏡では、顕微鏡対物レンズと接眼レンズ光学部品との間、または顕微鏡対物レンズと外部画像ポートとの間の合焦光学部品は、顕微鏡の観察チューブの一部であるチューブレンズとして知られている光学要素からなる。多くの場合チューブレンズは、コマまたは非点収差が生じることを防ぐために複数の光学要素からなる。比較的最近の、従来の有限チューブ長光学部品から無限補正光学部品への変化の動機のうちの１つは、試料１２からの光エネルギーが平行である物理的な空間を増加させることであって、この光エネルギーの焦点ポイントが無限遠にあることを意味する。この場合、ダイクロイックミラーまたはフィルタなどの付属要素は、光学パス倍率を変更せず、または、好ましくない光学アーチファクトを生じさせずに無限空間に挿入することができる。

無限補正の顕微鏡対物レンズには通常、無限マークが記される。無限補正顕微鏡対物レンズの倍率は、チューブレンズの焦点距離を対物レンズの焦点距離で割った商で与えられる。例えば、焦点距離が９ミリメートルの対物レンズが用いられる場合、焦点距離が１８０ミリメートルのチューブレンズでは倍率２０×になる。別々の顕微鏡メーカーによって製造された対物レンズが互換性をもたないことの理由の１つは、チューブレンズ焦点距離の標準化がされていないためである。例えば、オリンパス（１８０ミリメートルのチューブレンズ焦点距離を使用する会社）の２０×対物レンズは、２００ミリメートルの異なるチューブ長焦点距離に基づくニコン顕微鏡では２０×倍率が得られない。代わりに、２０×が記された焦点距離が９ミリメートルのオリンパス対物レンズの有効倍率は、２００ミリメートルのチューブレンズ焦点距離を対物レンズの９ミリメートルの焦点距離で割ることにより得られる２２．２×になる。顕微鏡を分解しなければ、従来の顕微鏡のチューブレンズの変更は実際上不可能である。チューブレンズは顕微鏡の重要な固定要素の一部である。別々のメーカーによって製造された対物レンズと顕微鏡との間の非互換性をもたらすもう１つの要因は、接眼レンズ光学部品、試料を観察するための双眼鏡の設計である。光学補正のほとんどは顕微鏡対物レンズの中で設計されているが、ほとんどの顕微鏡ユーザは、１つのメーカーの双眼鏡光学部品とその同じメーカーの顕微鏡対物レンズとを一致させることには、最良の視像を得るための何らかの利益があると依然として確信している。

ラインスキャンカメラ合焦光学部品３４は、機械的なチューブの内部に装着されたチューブレンズ光学部品を含む。その好ましい実施形態では、スキャナ１１が従来の視覚観察用の双眼鏡または接眼レンズを欠いているので、対物レンズと双眼鏡との間の潜在的な非互換性という従来の顕微鏡による問題は直ちになくなる。当業者には、顕微鏡の接眼レンズとディスプレイモニタ上のデジタル画像との間で同焦点を実現する問題もまた、いかなる接眼レンズもないために解消されることが同様に理解されよう。スキャナ１１もまた、試料１２の物理的な境界によってのみ実際に制限される視野を得ることによって従来の顕微鏡の視野制限を克服するので、このスキャナ１１によって実現されるような全デジタル撮像顕微鏡における倍率の重要度が限定される。試料１２の一部分がデジタル化された後は、その倍率を増加させるために、ときには電気的ズームとしても知られる電子倍率を試料１２の画像に適用することは簡単である。画像の倍率を電子的に増大させることには、画像を表示するために用いられるモニタ上のその画像サイズを増大させる効果がある。あまりに大きな電子ズームが適用される場合には、ディスプレイモニタは拡大画像の一部分しか示すことができない。しかし、電子倍率を用いて、最初にデジタル化された元の光信号になかった情報を表示することは不可能である。スキャナ１１の目的の１つが高品質デジタル画像を得ることであるので、顕微鏡の接眼レンズによる視覚観察の代わりに、スキャナ１１によって得られた画像の内容が可能な限り画像の細部を含むことが重要である。解像度という用語はこのような画像の細部を記述するために通常用いられる。また、回折制限という用語は光信号で得られる波長制限最大空間細部を記述するために用いられる。スキャナ１１は、チューブレンズ焦点距離を選択することによる回折制限デジタル撮像を行う。このチューブレンズ焦点距離は、よく知られているナイキストサンプリング基準に従って、ラインスキャンカメラ１８などの光感知カメラの個々の画素要素のサイズと、顕微鏡対物レンズ１６の開口数との両方に適合する。倍率ではなく開口数が顕微鏡対物レンズ１６の解像度制限属性であることはよく知られている。

一例が、ラインスキャンカメラ合焦光学部品３４の一部であるチューブレンズ焦点距離の最適選択を説明する助けになる。前に論じた９ミリメートルの焦点距離を有する２０×顕微鏡対物レンズ１６を再び考察し、この対物レンズが０．５０の開口数を有していると仮定する。集光器からのかなりの低下がないと仮定すると、５００ナノメートルの波長でのこの対物レンズの回折制限解像力は、およそ０．６マイクロメートルになり、よく知られているアッベ（Ａｂｂｅ）の関係を利用して得られる。好ましい実施形態で複数の１４平方マイクロメートルの画素を有するラインスキャンカメラ１８が、試料１２の一部分を検出するために用いられるとさらに仮定する。サンプリング理論に従って、少なくとも２つのセンサ画素が最も小さな分解可能な空間的特徴に内在する必要がある。この場合チューブレンズは、２つの１４マイクロメートル画素に相当する２８マイクロメートルを０．６マイクロメートル（最小の分解可能な特徴寸法）で割って得られる４６．７の倍率を達成するように選択されなければならない。したがって、最適のチューブレンズ光学焦点距離は、４６．７×９で得られる約４２０ミリメートルになる。したがって、４２０ミリメートルの焦点距離を有するチューブレンズ光学部品を備えたラインスキャン合焦光学部品３４は、最良の可能な空間分解能を備えた画像を、同じ２０×対物レンズを用いて、顕微鏡で標本を観察することにより得られものと同様に、取得することができる。繰り返すと、スキャナ１１は、高倍率（この例では約４７×）光学構成の従来の２０×顕微鏡対物レンズ１６を、回折制限のデジタル画像を得るために利用する。より高い開口数（例えば０．７５）を有する従来の２０×倍率対物レンズ１６が用いられる場合、回折制限撮像のために必要なチューブレンズ光学倍率は、６８×の全体の光学倍率に対応する約６１５ミリメートルになる。同様に、２０×対物レンズの開口数が０．３だけである場合、最適のチューブレンズ光学倍率は、およそ２５２ミリメートルのチューブレンズ光学焦点距離に対応する約２８×にしかならない。ラインスキャンカメラ合焦光学部品３４はスキャナ１１のモジュール要素であり、最適なデジタル画像化に必要なときに交換することができる。回折制限デジタル撮像の利点は、例えば、倍率の増加に伴う信号輝度の減少が、適切に設計された照明システム２８の強度を増加させることにより容易に補償される、明視野顕微鏡の用途で特に重要な意義を持つ。

ちょうどこのスキャナ１１について説明されているように、チューブレンズ倍率を有効に増加させる従来の顕微鏡に基づいたデジタル画像システムに、外部の倍率増加光学部品を取り付けて回折制限撮像を実現することが原則としては可能である。しかし、結果として生じる視野の減少は受け入れがたいことが多く、この手法が非実際的なものになる。さらに、顕微鏡の多くのユーザが、独力でこれらの技術を有効に使用するために、通常は回折制限撮像の詳細に関して十分に理解してない。実際上、接眼レンズを通して見ることができるものにより似ているものに視野のサイズを増加させようとして、デジタルカメラは、倍率を減少する光学カプラを備えた顕微鏡ポートに取り付けられる。目標が回折制限のデジタル画像を得ることである場合、非拡大光学部品を加える標準的な行為は誤ったステップである。

従来の顕微鏡では、異なる解像度および倍率で標本を観察するために、異なる能力の対物レンズが典型的に用いられている。標準顕微鏡は、５つの対物レンズを保持する対物レンズ取り付け台を有している。このスキャナ１１などの全デジタル撮像システムでは、望ましい最高空間解像度に対応する開口数を備えた単一の顕微鏡対物レンズ１６が必要とされる。スキャナ１１の好ましい本実施形態では、１つだけの顕微鏡対物レンズ１６を提供する。一旦回折制限デジタル画像がこの解像度で取り込まれたら、標準のデジタル画像処理技術を用いて、任意の望ましい低い解像度および倍率で画像情報を提示することは簡単である。

スキャナ１１の好ましい本実施形態は、リニアアレイで整列された１０２４個の画素（画像素子）を備えた、各画素が１４×１４マイクロメートルの寸法を有する、Ｄａｌｓａ ＳＰＡＲＫラインスキャンカメラ１８に基づく。任意の他のタイプのリニアアレイは、カメラの一部としてパッケージ化されていても、撮像電子モジュールにカスタム組み込みされていても、用いることができる。好ましい本実施形態におけるリニアアレイは、８ビット量子化を有効に行うが、より高い、または低いレベルの量子化を行う他のアレイも用いことができる。３チャネルの赤緑青（ＲＧＢ）の色情報または時間遅延積分（ＴＤＩ）に基づいた別のアレイも用いられてよい。ＴＤＩアレイは、試料の以前の画像化領域からの強度データを合計して、積分段階数の平方根に比例しているＳＮＲを増加させることによって、出力信号の実質的によりよい信号対雑音比（ＳＮＲ）を実現する。ＴＤＩアレイは、リニアアレイの複数の段階を含むことができる。ＴＤＩアレイは、２４、３２、４８、６４、９６、またはそれより多くの段階で利用可能である。スキャナ１１はまた、５１２画素のもの、１０２４画素のもの、４０９６画素のものを含む様々なフォーマットで製造されるリニアアレイもサポートする。照明システム２８およびラインスキャンカメラ合焦光学部品３４への適切であるがよく知られている修正が、より大きなアレイを収容するために必要とされ得る。様々な画素サイズを備えたリニアアレイもスキャナ１１に用いることができる。任意のタイプのラインスキャンカメラ１８を選択するための顕著な要件は、高品質像を得るために、試料１２のデジタル化の間に、試料１２がラインスキャンカメラ１８に対して動くことができるということであり、従来技術で知られている従来の画像タイル化手法の静止要件を克服する。

ラインスキャンカメラ１８の出力信号はデータ処理装置２０に接続される。好ましい本実施形態におけるデータ処理装置２０は、撮像基板またはフレームグラバなどの少なくとも１つの信号デジタル化電子回路基板をサポートするための、付随的な電子装置（例えばマザーボード）を備えた中央処理装置を含む。好ましい本実施形態では、撮像基板はＥＰＩＸ ＰＩＸＣＩＤ２４ ＰＣＩバスの撮像基板であるが、ＥＰＩＸ基板の代わりに用いることができる、様々なメーカーからの他の多くのタイプの撮像基板またはフレームグラバがある。一代替実施形態は、撮像基板をすべてバイパスし、ハードディスクなどのデータ記憶装置３８にデータを直接格納するために、Ｆｉｒｅｗｉｒｅとして知られているＩＥＥＥ １３９４などのインターフェースを用いるラインスキャンカメラであり得る。

データ処理装置２０もまた、データの短期記憶のためにランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などのメモリ３６に接続され、長期データ記憶のためにハードドライブなどのデータ記憶装置３８に接続される。さらに、データ処理装置２０は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）などのネットワーク４２、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、大都市圏ネットワーク（ＭＡＮ）、イントラネット、エクストラネットまたはグローバルインターネットに接続される通信ポート４０に接続される。メモリ３６およびデータ記憶装置３８もまた互いに接続される。データ処理装置２０はまた、ラインスキャンカメラ１８およびステージコントローラ２２などのスキャナ１１の重要な要素を制御するために、または様々な画像処理機能、画像解析機能もしくはネットワーキングのために、コンピュータプログラムをソフトウェアの形で実行することができる。データ処理装置２０は、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）、Ｌｉｎｕｘ、ＯＳ／２、Ｍａｃ ＯＳおよびＵｎｉｘ（登録商標）などのオペレーティングシステムを含む任意のオペレーティングシステムに基づくことができる。好ましい本実施形態では、データ処理装置２０は、Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴオペレーティングシステムに基づいて動作する。

データ処理装置２０、メモリ３６、データ記憶装置３８および通信ポート４０はそれぞれ、従来のコンピュータに見られる要素である。一例は、Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）ＩＩＩ ５００ＭＨｚプロセッサおよび最大７５６メガバイト（ＭＢ）のＲＡＭを特徴として備えるＤｅｌｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ＸＰＳ Ｔ５００などのパーソナルコンピュータである。好ましい本実施形態では、コンピュータ、データ処理装置２０、メモリ３６、データ記憶装置３８を含む要素および通信ポート４０は、すべてスキャナ１１に内部にあり、その結果、システム１０の他の要素とのスキャナ１１の唯一の接続部は通信ポート４０になる。スキャナ１１の代替実施形態では、コンピュータ要素は、コンピュータ要素とスキャナ１１の間の対応する接続部を備えたスキャナ１１の外部にある。

スキャナ１１は、本発明の好ましい本実施形態では、光学顕微鏡検査、デジタル撮像、電動の試料位置調整、計算、およびネットワークベースの通信手段を単一エンクロージャユニットに組み込む。データの入出力の主要手段として通信ポート４０を備えた単一エンクロージャユニットのようにスキャナ１１をパッケージすることの主な利点は、複雑さの低減、および信頼性の向上である。顕微鏡、光源、電動ステージ、カメラおよびコンピュータが通常は別々の供給業者から供給され、大幅な統合化およびメンテナンスを必要とする従来の顕微鏡ベースの撮像システムとは非常に対照的に、スキャナ１１の様々な要素は一緒に機能するように最適化される。

通信ポート４０は、ネットワーク４２を含めた、システム１０の他の要素との高速通信手段を提供する。通信ポート４０用の好ましい本通信プロトコルは、伝送制御およびインターネットワーキング用のＴＣＰ／ＩＰプロトコルと共に、イーサーネットなどのキャリヤ検知多重アクセス衝突検出プロトコルである。スキャナ１１は、広帯域、ベースバンド、同軸ケーブル、撚線対、光ファイバー、ＤＳＬまたは無線を含む、任意のタイプの伝送媒体で動作することが意図されている。

好ましい本実施形態では、スキャナ１１の制御、およびスキャナ１１によって取り込まれた画像データの見直しは、ネットワーク４２に接続されているコンピュータ４４で行われる。コンピュータ４４は、その好ましい実施形態において、オペレータに画像情報を提供するためにディスプレイモニタ４６に接続される。複数のコンピュータ４４は、ネットワーク４２に接続することができる。好ましい本実施形態では、コンピュータ４４は、ＭｉｃｒｏｓｏｆｔのＩｎｔｅｒｎｅｔ ＥｘｐｌｏｒｅｒまたはＡＯＬのＮｅｔｓｃａｐｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｏｒなどのネットワークブラウザを用いて、スキャナ１１と通信する。画像は、ほとんどの市販ブラウザに既に組み込まれる標準的な画像圧縮方法と互換性がある画像フォーマットである、ＪＰＥＧなどの共通圧縮形式でスキャナ１１に格納される。他の標準または非標準、不可逆または可逆の画像圧縮フォーマットもまた機能する。好ましい本実施形態では、スキャナ１１は、スキャナ１１からコンピュータ４４へ送られるウェブページに基づくオペレータインターフェースを提供するウェブサーバである。画像データの動的な見直しでは、スキャナ１１の好ましい本実施形態は、ＭｉｃｒｏｓｏｆｔのＭｅｄｉａ−Ｐｌａｙｅｒ、Ａｐｐｌｅ ＣｏｍｐｕｔｅｒのＱｕｉｃｋｔｉｍｅ、あるいはＲｅａｌ ＮｅｔｗｏｒｋのＲｅａｌＰｌａｙｅｒなどのソフトウェアパッケージと互換性のある標準的な複数フレームのブラウザを用いて、コンピュータ４４に接続されているディスプレイモニタ４６上での見直しのために、画像データの複数フレームを再生することに基づいている。好ましい本実施形態では、コンピュータ４４上のブラウザは、伝送制御のためのＴＣＰと一緒に、ハイパーテキストトランスミッションプロトコル（ｈｔｔｐ）を用いる。

スキャナ１１がコンピュータ４４または複数のコンピュータと通信することのできる、多くの様々な手段およびプロトコルが現在あり、将来にもあろう。好ましい本実施形態は、標準的な手段およびプロトコルに基づいているが、アプレットとして知られている１つまたは複数のカスタマイズされたソフトウェアモジュールを開発する方法が同様に実施可能であり、スキャナ１１の選択された将来の用途には望ましい可能性がある。さらに、コンピュータ４４が、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの何らかの特定のタイプであること、またはＤｅｌｌなどの特定の会社によって製造されたものであること、という制約はない。標準化された通信ポート４０の利点の１つは、共通ネットワークブラウザソフトウェアを操作する任意のタイプのコンピュータ４４がスキャナ１１と通信できるということである。

要望があれば、スペクトル的に分解された画像を得ることは、スキャナ１１に対するいくつかの修正によって可能である。スペクトル的に分解された画像とは、スペクトルの情報が画像画素ごとに測定される画像のことである。スペクトルで分解された画像は、スキャナ１１のラインスキャンカメラ１８を光学スリットおよび撮像分光器に置き換えることによって得られる。撮像分光器は、検出器の列のそれぞれに沿って光学スリットに合焦される光信号をプリズムまたは回折格子を用いて分散させることによって画像画素の列の波長に特定的な強度データを捕捉するために、二次元のＣＣＤ検出器を用いる。

ここで図２を参照すると、本発明による光学顕微鏡検査システム１０の第２の実施形態のブロック図が示されている。このシステム１０では、スキャナ１１は、図１で示された好ましい本実施形態よりも複雑で高価である。示されているスキャナ１１の付加的な属性は、任意の代替実施形態にすべてが存在して適正に機能する必要はない。図２は、スキャナ１１に組み入れることができる付加的な特徴および機能の適切な一例を提示するものである。

図２の代替実施形態は、図１の好ましい本実施形態よりもはるかに大きいレベルの自動化を提示する。照明システム２８のより完全なレベルの自動化は、データ処理装置２０と、照明システム２８の光源３０および照明光学部品３２両方との間を接続することによって達成される。光源３０への接続部は、光源３０の輝度を制御するために、ループが開いているか閉じているかで電圧または電流を制御することができる。好ましい本実施形態では、光源３０がハロゲンバルブであることを思い起こされたい。データ処理装置２０と照明光学部品３２との接続部には、視野絞り開口および集光器絞りの閉ループ制御を設けて、最適のケーラー照明が維持されることを保証する手段にすることもできる。

蛍光撮像のためにスキャナ１１を使用することは、光源３０、照明光学部品３２および顕微鏡対物レンズ１６への容易に識別される修正を必要とする。図２の第２の実施形態ではまた、励起フィルタ、ダイクロイックフィルタおよびバリアフィルタを含む蛍光フィルタキューブ５０を設ける。蛍光フィルタキューブ５０は、顕微鏡対物レンズ１６とラインスキャンカメラ合焦光学部品３４との間に存在する無限補正ビーム経路に配置される。蛍光撮像の１つの実施形態は、市販されている様々な蛍光色素またはナノクリスタルに対して適切なスペクトルの励起を行うために、照明光学部品３２へのフィルタホイールまたはチューナブルフィルタの追加を含むこともできる。

撮像経路に少なくとも１つのビームスプリッタ５２を追加すると、光信号を少なくとも２つの経路に分割することが可能になる。前に論じたように、ラインスキャンカメラ１８による回折制限撮像を可能にするために、主要な経路はラインスキャンカメラ合焦光学部品３４を経由する。第２の経路は、面スキャンカメラ５６によって撮像するために、面スキャンカメラ合焦光学部品５４を経由して設けられる。これらの２つの合焦光学部品を適切に選択することにより、画素サイズが異なる２つのカメラセンサによる回折制限撮像を保証できることは、すぐに明らかになるはずである。面スキャンカメラ５６は、単純なカラービデオカメラ、高性能冷却ＣＣＤカメラ、または可変積分時間高速フレームカメラを含む、現在利用可能な多くのタイプのうちの１つとすることができる。面スキャンカメラ５６は、スキャナ１１に従来の撮像システム構成をもたらす。面スキャンカメラ５６はデータ処理装置２０に接続される。２つのカメラ、例えばラインスキャンカメラ１８および面スキャンカメラ５６が用いられる場合、両カメラタイプは、単一の二目的撮像基板、２つの異なる撮像基板、または一方もしくは両方の撮像基板が不要になり得るＩＥＥＥ１３９４ Ｆｉｒｅｗｉｒｅインターフェースのいずれかを用いて、データ処理装置に接続することができる。撮像センサとデータ処理装置２０をインターフェースする別の関連方法もまた利用可能である。

スキャナ１１の、コンピュータ４４との主要インターフェースはネットワーク４２によるが、例えばネットワーク４２が機能停止する場合もあり、この場合、ディスプレイモニタ５８などのローカル出力デバイスにスキャナ１１を直接に接続できること、およびスキャナ１１のデータ処理装置２０に直接接続されるキーボードとマウス６０などのローカル入力デバイスを設けることができることは、有益である。この場合には、適切なドライバソフトウェアおよびハードウェアが同様に提供されなければならない。

図２に示された第２の実施形態はまた、より高いレベルの自動化撮像性能を実現する。スキャナ１１の増強された撮像の自動化は、よく知られているオートフォーカスの方法を用いて、ピエゾポジショナー２４、ピエゾコントローラ２６およびデータ処理装置２０を含む焦点制御ループを閉じることによって達成され得る。第２の実施形態はまた、いくつかの対物レンズに対応するための電動対物レンズ取り付け台６２を設ける。電動対物レンズ取り付け台６２は、データ処理装置２０に接続され、対物レンズ取り付け台コントローラ６４を介してデータ処理装置２０によって指示される。

組み込むことができるスキャナ１１の他の特徴および機能がある。例えば、試料１２のｘ／ｙ平面に実質的に固定されている顕微鏡対物レンズ１６に対して試料１２をスキャンするプロセスは、固定されている試料１２に対して顕微鏡対物レンズ１６をスキャンすることを含むように修正することもできる。試料１２をスキャンすること、または顕微鏡対物レンズ１６をスキャンすること、または試料１２と顕微鏡対物レンズ１６の両方を同時にスキャンすることは、前に論じたのと同じ試料１２の大きな連続したデジタル画像を提供できるスキャナ１１のあり得る実施形態である。

スキャナ１１はまた、多くのタイプの顕微鏡ベースの分析を自動化するための汎用プラットフォームも提供する。照明システム２８は、レーザー励起によって試料１２をスキャンすることを可能にするために、従来のハロゲンランプまたはアークランプからレーザーベースの照明システムに修正することができる。光電子増倍管または他の非イメージング検出器を組み込むことを含む修正が、ラインスキャンカメラ１８もしくは面スキャンカメラ５６に加えて、またはその代わりに、試料１２とのレーザーエネルギーの相互作用から生じた光信号を検出する手段を提供するために用いられる。

ここで図３Ａ〜３Ｃを参照すると、本発明によるリニアアレイ検出器によって連続画像ストリップが得られる方法が示されている。図１のラインスキャンカメラ１８は、図３Ａに示されるラインスキャンカメラ視野７０を観察する。ラインスキャンカメラ視野７０は、図３Ｂに示されるリニアアレイ７４になるように直線に配列されている多くの個々の画素要素７２によって撮像される、図１の試料１２の領域を含む。好ましい本実施形態のリニアアレイ７４は、１０２４個の個々の画素要素７２を備え、画素要素７２のそれぞれは１４平方マイクロメートルである。好ましい本実施形態のリニアアレイ７４の物理的寸法は、１４．３４ミリメートル×１４マイクロメートルである。スキャナ１１の動作について論じる目的のために、試料１２とラインスキャンカメラ１８の間の倍率が１０であると仮定すると、ラインスキャンカメラ視野７０は、１．４３ミリメートル×１．４マイクロメートルに等しい寸法を有する試料１２の領域に相当する。各画素要素７２は、約１．４マイクロメートル×１．４マイクロメートルの領域を撮像する。

図３Ｃは、試料１２をデジタルスキャンする間に、画像ストリップ７７などの画像ストリップの画像７６が、第１の画像ストリップ７８から始まり、第２の画像ストリップ８０が続き、以下同様に画像７６をデジタル化するのに必要な最後の画像ストリップ８２が得られるまで、取得される。当業者には、このスキャンが、頂部から底部または底部から頂部のいずれでもよく、あるいは試料上の任意の点から開始してもよいことが理解されよう。デジタルスキャンはまた、水平画像ストリップではなく垂直画像ストリップでもよい。望ましいが、画像ストリップが連続して得られる必要もない。画像７６は試料１２全体を含むことも試料１２の一部分だけを含むこともできる。スキャナ１１の好ましい本実施形態では、図３Ａに示されるように、スキャンおよびデジタル化は、画像ストリップ間で交代する進行方向８４で行われる。この種の双方向スキャンは、画像ストリップごとに同じ進行方向８４を必要とするスキャンおよびデジタル化の方法である単方向スキャンよりも高速のデジタル化処理を実現する。

ラインスキャンカメラ１８の機能により通常、スキャナ１１の好ましい本実施形態と同様に、スキャンを双方向で行うことができるか、単方向で行うことができるかが決まる。単方向システムは、しばしば、図３Ｂに示される３チャネルカラーアレイ８６またはマルチチャネルＴＤＩアレイ８８などの２つ以上のリニアアレイ７４を含む。カラーアレイ８６は、カラー画像を得るために必要なＲＧＢ輝度を検出する。カラー情報を得るための代替実施形態では、広帯域の光信号を３つのカラーチャネルに分割するためのプリズムを用いる。ＴＤＩアレイ８８は、スキャナ１１の代替実施形態で使用して、速いデータ速度を維持しながら、またデジタル画像データの信号対雑音比の顕著な低下なしで、ラインスキャンカメラ１８の有効積分時間を増加させる手段を得ることもできる。

ここで図４を参照すると、本発明による光学顕微鏡検査システム１０の動作の単純化されたフローチャートが示されている。試料１２はステップ２００でスキャナ１１に装填される。試料装填の最も単純な方法は、オペレータが電動ステージ１４上に試料１２を物理的に置くか配置することである。試料装填の最も高度な方法とは、スキャナ１１が、あらかじめ装填された試料カセットから１つまたは複数の試料１２を自動的に装填するものである。試料装填の他の実施形態が当技術分野で知られている。本発明の好ましい本実施形態では、試料装填は、システム費用および機械的な複雑さを減らすために手動で行われる。

スキャナ１１は、コンピュータ４４から、またはスキャナ１１の代替実施形態の一部であり得るボタンから同様に出されたコマンドによって、ステップ２０１で初期化される。デジタル化プロセスの所望の解像度、画像７６を作成するためにデジタル化される試料１２の部分、および関連較正ファイルの名前を含む初期設定パラメータは、ステップ２０１でオペレータによって入力される。別に指示がない限りスキャナ１１は、デフォルトで試料全体をデジタル化する。試料を装填し、スキャナを初期化後、後に続く画像取得プロセスにおいてオペレータの手作業介在の必要がないはずであることに留意することが重要である。

自動スキャンおよび試料１２を画像７６にデジタル化することは、ステップ２０２〜２１０を含む。これらのステップは、ラインスキャンカメラ１８からの画像データの読み出しを１度に１つのラインまたは１つの画像ストリップに同期させるデータ処理装置２０によって調整され、試料１２は、ステージコントローラ２２の制御下にある電動ステージ１４上で実質的に一定速度で移動する。スキャナ１１は、ステップ２０２で試料１２の自動デジタル化を、試料１２のあらかじめ決められた領域、例えば、図３Ｃで示される試料１２の左上側のコーナでスタートする試料１２の移動、およびラインスキャンカメラ１８からの単一ライン画像取得と共に開始する。ステップ２０２で、電動ステージ１４は、ラインスキャンカメラ１８に対して前に論じたように、双方向の前後に動く。ステップ２０４の決定ブロックの制御論理は、画像ストリップ７７などの画像ストリップの端に到達したかどうかを判定する。この論理を実施する多くの可能な方法があり、いくつかは位置エンコーダからの位置フィードバックがない。例えば、ラインスキャンカメラ１８によって読み取られた画像ラインの合計数は、画像ストリップの端にいつ到達したかを知る手段として用いることができる。総経過スキャン時間や、試料１８の一部分であるかまたはそれに隣接して配置された較正マーキングなどの他のパラメータもまた使用することができる。光学リミットスイッチがスキャナ１１の好ましい本実施形態の電動ステージ１４に、新しいスキャンのために電動ステージ１４の位置を変える時間がいつかを示すために設けられる。ステップ２０４で画像ストリップ７７の端に達していなければ、デジタル化プロセスはステップ２０２で、次のライン画像の取得を継続する。試料１２は、デジタル化プロセスの間、常にほぼ一定速度で移動し続け、いかなる必要な焦点調整も、ステップ２０６で示されるように機械ステージ１４の進行中の運動と並行して行われる。焦点は１つの画像ストリップから次のもので劇的に変わらないので、焦点調整は比較的遅く徐々に行われる。スキャナ１１の動作について論じる目的のために、１０×の倍率でデジタル化されるべき試料１２の領域が５０ミリメートル×２５ミリメートルであると再び仮定すると、画像ストリップ７７と同様の、それぞれの寸法が１．４３ミリメートル×５０ミリメートルである１８個の画像ストリップが、画像７６を生成するために取得されなければならない。各画像ストリップ７７は、約３６，０００×１８，０００画素を含む全画像７６を備えた約３６，０００×１０２４画素の要素を含む。画像７６を作成するために試料１２の所望部分をデジタル化する、ステップ２０８の判定によって判定されるプロセスが終了しない限り、かつ終了するまで、新しいスキャンのための試料１２の位置調整がステップ２１０で行われる。ステップ２１０は、新しいスキャンのために電動ステージ１４を位置調整するために、１つの画像ストリップから別の画像ストリップまで電動ステージ１４を動かすことを含む。

画像７６を得るのに必要な総時間は、ラインスキャンカメラ１８が情報をデジタル化することができるライン速度に比例する。スキャナ１１の好ましい本実施形態では、ライン速度は、使用されるＤＡＬＳＡ ＳＰＡＲＫモデルＳＰ１２−０１Ｋ３０では、毎秒２７，６００ライン、または毎秒２８３０万画素である。毎秒２７，６００画素のライン速度で、論じる目的のための、３６，０００×１０２４画素を含む各画像ストリップ７７は、約１．３秒（３６，０００／２７，６００）でデジタル化することができる。したがって現在の実施形態の電動ステージ１４は、ｘ軸に沿って毎秒約３８ミリメートルで移動して、この１．３秒の間に５０ミリメートルの画像ストリップ７７の全長をカバーする。画像７６が１８の画像ストリップ７７を含むので、試料１２の所望の部分をデジタル化するには２３．４秒が必要になる。前に論じたように、この時間は、本発明の好ましい実施形態で用いられているものなど、ｘ軸に沿って右から左へ、また左から右へもスキャンできる双方向ラインスキャンカメラだけに有効である。一代替実施形態では、左からだけ右へだけスキャンできる単方向タイプのラインスキャンカメラを利用することができる。この場合、電動ステージ１４は、ｘ軸に沿って同じ左基準位置まで最大のステージ速度で戻され、画像ストリップ７７などのすべての画像ストリップが、左から右へだけ行く単方向のようにして得られる。画像ストリップ７７などの個々の画像ストリップのデジタル化が完了した後に、電動ステージ１４は、減速し、停止し、ｙ軸に沿って下方に移動し、次の画像ストリップをスキャンするために再び加速する。スキャンおよびデジタル化プロセスの間に電動ステージ１４が実質的に一定速度で確実に移動するように、スキャンされる各画像ストリップの始めと終わりで電動ステージ１４が加速し減速するための余裕が、時間および距離両方にとられなければならない。加速および減速のために必要な付加的な時間は、電動ステージ１４のｘ軸性能およびステージコントローラ２２のｘ軸属性に依存する。好ましい本実施形態では、滑らかな運動を得るための、またぎくしゃくした動きを最小にするためのＳ字カーブプロファイルを用いると、加速および減速時間はおよそ０．７秒になる。電動ステージ１４の加速および減速を考慮すると、ステップ２１０を含む新しいスキャンセットアップの間にラインスキャンカメラ１８が、デジタル化されるべき試料１２の部分のエッジを離れて移動することが必要である。新しいスキャンセットアップ時間は、電動ステージ１４の特別なｙ軸性能およびステージコントローラ２２のｙ軸属性に依存し、本発明の好ましい本実施形態ではおよそ１／２秒である。したがって、１８画像ストリップ×１．４秒で得られた合計の２５．２秒が、ｘ軸に沿った加速および減速に対し、各画像ストリップの始めと終わりに加えられ、また、さらなる９秒が、次のスキャンでｙ軸に沿って電動ステージの位置を変えるために付け加えられる。したがって、現在の本例で画像７６を取り込むのに必要なプロセスのすべての部分に必要な総時間は、双方向スキャン実施形態では約１分になる。

スキャナ１１は、画像７６の総取得時間をさらに最小化するように最適化することができる。スキャナ１１によって達成することができる画像取得時間は、ラインスキャンカメラ１８のライン速度に一部依存する。本例の毎秒２７，６００ラインのライン速度では、各ライン画像が約０．０４ミリ秒で取り込まれる。５０ワットバルブを含む光源からの照明は、ラインスキャンカメラで十分な信号対雑音比の信号を記録するための十分な光をもたらす。より速い読み出し速度では、１ライン当たりの露光時間が低減され、スキャナ１１の照明システム２８の改善および増強が必要になり得る。同様に、例えば蛍光である、利用できる光が少ないスキャナ１１の適用例では、有効ライン積分時間が増加されなければならない。ＴＤＩタイプのラインスキャンカメラは、速いデータ読み出しを維持しながら、画像データの信号対雑音比の大きな低下なしで、有効積分時間を増加させる優れた手段を提供する。

速いラインスキャンカメラが市販されており、速い電動ステージと同期することができる。あるいは、リニアアレイ７４などの、しかし１０２４個を越える画素要素７２を備えるリニアアレイを選択することにより、画像７６を取り込むためにスキャンされなければならない画像ストリップの数が低減され、必要な加速および減速サイクルが少なくなる。２０４８個以上の画素を含むアレイは、１０２４個の画素を含むアレイよりもライン速度が比例して小さいことが多い。このような大きいアレイのライン速度の低減には、ライン積分時間を増加させながら、画像取り込み総時間を減らすことなく、電動ステージ１４に必要とされる最高速度が低下するという二重の利益がある。大きなフォーマットのリニアアレイの欠点は、より大きくより高価な光学部品および照明システムが、口径食および他の光学収差なしに、高品質の光信号を供給する必要があることである。複数のセンサを使用して全体の画像取得時間をさらに低減することさえ可能である。

スキャナ１１は、その好ましい本実施形態において、動的オートフォーカスのコストおよび複雑さを除去または最小化するために、比較的大きな被写界深度を有する顕微鏡対物レンズを用いて、試料のデジタル化を行う。開口数（ＮＡ）が０．１５の対物レンズの理論的な被写界深度は２０マイクロメートル以上である。被写界深度は、０．３に等しいＮＡで約５マイクロメートルに低下し、０．５に等しいＮＡで約１．８マイクロメートルに低下する。用途に応じて、開口数が中程度の対物レンズを用いるときでさえ、試料１２の全体または一部分を、焦点面を調節する必要が全くなしにスキャンすることができる。比較的小さいＮＡの対物レンズを選択することは、それが試料１２の広範囲な手動スキャンの補助として用いられるスキャナ１１の１つの適用例と一致している。このような従来の手動スキャンは通常、小さい開口数および低い倍率で行われる。したがって、試料１２の画像７６は、試料１２の選択された領域の後続の高解像度調査のための基礎としてコスト効率よく用いることができる。ステップ２２０を含む判定論理に基づいて、ステップ２２２で示された従来の光学顕微鏡、またはステップ２２４で示されたスキャナ１１の高解像度の実施形態のいずれかを、試料１２の高解像度見直しのために用いることができる。後者の場合では、動的なオートフォーカスが必要になり得る。顕微鏡スライドなどの試料１２全体、または試料１２の大部分の、現在利用可能な計算能力を用いる高解像度デジタル化は、実際的でない、またはコスト効率がよくない可能性がある。しかし、データ処理、メモリおよびデータ記憶装置の将来のコスト低減および改善が、高解像度高速デジタル化を現実のものにすると予想される。

スキャン中に合焦することの必要性はステップ２０６に示されており、スキャナ１１の特定の用途に非常に大きく依存する。スキャナ１１は、所定の形およびサイズの標準化キャリブレーション試料がデジタル化され、かつ最良焦点が当技術分野でよく知られている方法を用いて電動ステージ１４のｘ／ｙ位置の関数として決定される、キャリブレーション方法を用いる。スキャンおよびデジタル化プロセスの間に、顕微鏡対物レンズ１６の位置がこのｘ／ｙ焦点地図に従って移動する。顕微鏡対物レンズ１６の相対的な位置を試料１２に対して変更するために用いることができる、オートフォーカスの様々な手法が当技術分野で知られている。電動ステージ１４の垂直ｚ軸成分はオートフォーカスのために使用することができるが、本発明の好ましい本方法は、その代わりに市販のピエゾポジショナー２４を使用して顕微鏡対物レンズ１６を移動させるものである。顕微鏡対物レンズ１６に取り付けられているピエゾポジショナー２４の全範囲は比較的小さく、一般に１００マイクロメートルであるが、ピエゾ帯域幅は重い電動ステージの帯域幅よりも大きい。大きいピエゾ帯域幅（一般に１５０ヘルツ）は、小さい焦点変更に伴う振動を最小限にするのに、より堅い機械ステージよりもいっそう望ましい。

スキャナ１１の利点の１つは、試料１２を労働集約的に手動スキャンすることと比較すると効率的に処理しコスト効率をよくすることができる画像７６を得るための、試料１２の大部分の高速デジタル化である。これと一致して、スキャナ１１は、その最も基本的な実施形態において、いくつかの従来の画像システムで見られる動的なオートフォーカスの複雑さを必要としない。ｘ／ｙ位置の関数としての最良の焦点のプリスキャンおよびマッピングにより、ほとんどの用途で適切な焦点が得られる。スキャナ１１の、代替であるがより高価な実施形態では、面スキャンカメラ５６などの補助的な面スキャンカメラを用いて、広範囲なオートフォーカス能力を実現する。オートフォーカスのための空間情報が試料１２の一部（例えば較正マーク付きのガラス顕微鏡スライド）になっている、より進歩した較正方法もまた実施可能である。

画像７６の全体性能は、試料１２を実質的に一定速度で移動させる能力と関係している。ラインスキャンカメラ１８と電動ステージ１４との間の同期が適切に維持されなければ、画像歪みにつながるサンプリング誤差が起こり得る。用途および画像解像度の必要性に応じて、スキャナ１１は、試料動きと同期してデータを取り込むための様々な手法をサポートする。既知の形の較正ターゲット（例えば顕微鏡スライド上のＲｏｎｃｈｉ罫線）をプリスキャンすることは、スキャナ１１が一定の試料速度を達成するための１つの手段である。電動ステージ１４へ送られる位置コマンドの時間プロファイルを制御し、かつラインスキャンカメラ１８のラインデータ読み出し速度を動的に変えるための両方の機能が、データ処理装置２０に設けられる。電動ステージ１４の速度関連誤差の大部分が再現可能であるので、較正スキャンの間に最適画像を得るための位置プロファイルの最適化またはラインスキャンカメラ１８の読み出し速度の最適化は、試料１２が続いてスキャンされデジタル化されるときに優れた画像を得るのに十分である。高解像度画像をデジタル化するのにより適しているスキャナ１１の一代替実施形態では、電動ステージ１４からの位置フィードバックを利用する。スキャナ１１の好ましい本実施形態は、較正ターゲットに適用された較正方法を用いて、高品質画像を低度から中度の解像度で、高価な位置エンコーダからのフィードバックを必要とせずに生成することができる。

一例として前に論じた３６，０００×１８，０００画素の画像が８ビット（１バイト）の１画素当たり量子化で取り込まれると仮定すると、６億４８００万バイト（６４８メガバイトすなわち６４８ＭＢ）のＲＡＭが、すべての画像ストリップ７７のすべてのデータをその非圧縮の生のフォーマットでメモリ３６に格納するのに必要になる。複数の画像ストリップ７７がステップ２１２の間に組み立てられて画像７６になる。試料１２のデジタル化の間に取得された複数の画像ストリップ７７から画像を組み立てるための多くの可能な方法がある。本発明の好ましい本実施形態の画像組立方法は、画像ストリップ７７をわずかにオーバラップするように、例えば１０〜２０画素だけオーバラップするようにスキャンし、これらのオーバラップする画素を、連続した画像７６になるように、画像ストリップ７７のｘ／ｙアラインメントの微調整に使用するものである。ＪＰＥＧまたは他の画像の圧縮方法を用いると、多くの場合、特定の用途に必要な情報コンテンツのはっきり認められる損失なしに、画像７６のデータサイズ、または個々の画像ストリップ７７のデータサイズをその元のサイズの５〜１０パーセント以下に減らすことができる。スキャナ１１はまた、意味のある画像データを何ら含んでいない空の領域を画像７６から除去して、画像７６のデータ記憶要求値をさらに低減することができる。

試料１２を大きな連続した画像７６に、通常は従来の光学顕微鏡下で試料１２を手動スキャンするために用いられる低度から中度の光学解像度で、デジタル化する動機の１つは、得られた画像データに専用コンピュータプログラムを適用できることである。ステップ２１４において、試料１２のデジタル化された部分を示す画像７６の分析は、画像７６の中の特定のタイプの対象物（例えば、正常または異常な細胞）を識別し、その位置を特定するための形態的アルゴリズムを適用することなどの様々な方法を含む。分析方法機能の他の例には、計数または測定アルゴリズム、または画像７６での欠陥を識別するための比較もしくは品質保証アルゴリズム、または画像７６を以前に測定された同様の画像と区別するための他のタイプのアルゴリズムが含まれる。試料１２の画像のデジタル化が完了した後、ステップ２１４を含む分析法が、試料１２が物理的に存在すること、または入手可能であることを必要としないのは明らかなはずである。ステップ２１４の方法は、自動的に適用すること、あるいは、ステップ２１６で示されるように画像７６を対話式に、ネットワーク４２を介してスキャナ１１に接続されるコンピュータモニタ４６で見直すオペレータを伴う反復プロセスの一部として適用することができる。

試料１２の選択された領域の高解像度調査に戻る決定は、画像７６から得られた情報（例えば、ステップ２１４および２１６において画像７６の分析から得られた対象物座標）を用いて、ステップ２１８の一部として行われる。ステップ２１８の決定論理で分析を試料１２に戻さない場合、オペレータのタスクが完了する。オペレータがステップ２１８の一部として試料１２に戻ることを望む場合、ステップ２２０の決定論理で、高解像度調査がステップ２２２に示されるように従来の光学顕微鏡上で行われるか、それともステップ２２４によりスキャナ１１を用いるかを決定する。画像７６の低度から中度の解像度分析から得られた座標情報が、従来の顕微鏡による試料１２の高解像度調査を案内するのに十分であることは理解されるはずである。スキャナ１１を用いる試料１２の高解像度見直しはステップ２２４を含み、また図２の代替実施形態の以前に説明された特徴の多くを用いてスキャナ１１を遠隔制御できることを含む。例えば、電動ステージ１４の位置、ならびにピエゾポジショナー２４の位置、および光源３０の照明強度が、ステップ２２４の間はオペレータの遠隔制御下にあり得る。例えば面スキャンカメラ５６からのリアルタイム画像は、試料１２からのデジタル化情報の代わりに、この見直しの基礎になり得る。あるいは、オペレータは、ラインスキャンカメラ１８または面スキャンカメラ５６のいずれかを用いて高解像度でデジタル化されるべき試料１２の、より小さい部分を選択することもできる。前者の場合には、プロセスは、試料１２のデジタル化を含むステップ２１０を経由してステップ２０２に戻り、次に、ステップ２２４へ直接戻る。オートフォーカスが必要に応じて、デジタル化されるべき試料１２の部分のサイズと、利用される顕微鏡対物レンズ１６の被写界深度とに基づき、利用される。

ここで図５Ａおよび５Ｂを参照すると、本発明による画像表示フレーム１００の模式図が示されており、これは、ステップ２１６による画像７６の対話式調査の目的で、ディスプレイモニタ４６に画像７６を表示するためのグラフィカルユーザインターフェースの１つの実施形態を表す。先の例で示された画像７６など、約３６，０００×１８，０００画素以上のオーダーであり得る画像７６の表示は、ディスプレイモニタ４６などの従来のモニタまたは表示デバイス上では不可能である。１９インチの日立ＣＭ７５１モニタなどの現在利用可能なモニタの画素の最大数は、約１６００×１２００画素であり、１０２４×７６８画素がより一般的である。したがって、どの時点でも画像７６の一部分しか、画像７６全体の完全な解像度で表示することができない。しかし、画像７６の低解像度バージョンであるマクロ画像１０２をディスプレイモニタ４６上に、画像７６の一部分に相当する高解像度ズーム画像１０４と一緒に表示することは可能である。ズーム画像１０４として表示されるマクロ画像１０２の領域は、オペレータによってマクロ画像１０２全体にわたって対話式にサイズ設定し移動できるズーム領域１０６として、マクロ画像１０２自体の上に表示される。その最も単純な実施形態では、ズーム領域１０６は固定された長方形領域であるが、手描きされた領域を含む他のアイコンまたは形状もまた実施することができる。ズーム領域１０６は、マクロ画像１０２とズーム画像１０４との間の重要な関連性を提示する。マクロ画像１０２の拡大された視像が図５Ｂに、マクロ画像１０２の中の８つの模式対象物の存在を説明の目的だけで強調表示して、Ｏ１ １０８、Ｏ２ １１０、Ｏ３ １１２、Ｏ４ １１４、Ｏ５ １１６、Ｏ６ １１８、Ｏ７ １２０およびＯ８ １２２と示された４つの円および４つの長方形として、示されている。同様の部類の、この場合は同様の形状の対象物のそれぞれは、特有なパターンによって同じ部類の他の対象物と区別される。非常に単純な対象物を使用するのは、画像表示フレーム１００に表示された異なるタイプの情報間の関係を図示し明確にすることだけを意図している。この場合、対象Ｏ１ １０８およびＯ２ １１２は、ズーム領域１０６内にあり、したがって、オペレータがサイズ設定可能なズーム窓１２４の一部であるズーム画像１０４に表示される。ユーザは、画像表示フレーム１００の一部でもあるユーザコマンド窓１２６の一部であるアイコンを用いて、ズーム画像１０４の電子ズームを増大させることができる。１つの実施形態では、これらのアイコンが、指示デバイスとしてマウスを用いてクリックされるが、１つのアイコンを指し示す、または１つのアイコンと関係づけられた機能を呼び出す他の手段が従来技術で知られており、ここで同様に用いることができる。コマンドアイコンは、画像表示フレーム１００の一部であるいずれの窓にも、ユーザコマンド窓１２６も含め、取り入れることができる。例えば、電子ズームアイコンは、ズーム窓１２４の一部とすることができる。電子ズームが増大するにつれて、ズーム領域１０６のサイズは、一定サイズのズーム画像１０４が維持されるようにマクロ画像１０２上で小さくなる。

画像のいずれかに関する一般的な情報は、その画像に対応する窓の一部として表示することができる。例えば、マクロ窓１２８は、マクロ画像１０２のサイズを画素単位で、ズーム領域１０６のサイズを画素単位で表示し、またズーム領域１０６の中心画素座標を表示することができる。ズーム窓１２４は、ズーム画像１０４に適用された電子ズーム量を、物理的な寸法との関連性と一緒に表示することができる。マクロ窓１２８およびズーム窓１２４などのすべての窓のサイズおよび形は、任意のｗｉｎｄｏｗｓベースのソフトウェアが機能するのと同様に、縦横比が異なる別々の試料タイプに対応するようにオペレータが対話式に変更することができる。

ステップ２１４の結果として、画像７６に専用コンピュータプログラムを適用することが、画像表示フレーム１００の対象物窓１３０に表示される。本発明の好ましい本実施形態の対象物窓１３０は、対象物画像１３２などの、各々が大きな連続デジタル画像７６の異なる部分に相当する多くの対象物画像を含む。そのサイズに応じて、対象物画像１３２は、低解像度サムプリント画像として画像ギャラリータイプ配置で表示することができる。対象物画像１３２の１つをクリックする、または指し示すことによりまた、対象物画像１３２が、ズーム窓１２４の一部であるズーム画像１０４のように最高解像度で表示されることになる。対象物窓１３０の中に対象物画像１３２を表示するための基準は、ステップ２１４で画像７６に適用される専用コンピュータプログラムに基づく。本例において、専用コンピュータプログラムは、すべての対象物、この場合、対象物Ｏ１ １０８から対象物Ｏ８ １２２までが存在するか画像７６を探索するために、単純な境界検出およびセグメンテーションアルゴリズムを用い、対象物窓１３０に対象物画像１３２としてこれらの対象物を表示する。その場合、別の専用コンピュータプログラム、例えば対象物を数えることができ、正方形と円とを識別することができるものは、各対象物画像１３２に適用して、さらなるレベルの分類を行うことができる。その結果を、この場合では多数の結果を、画像表示フレーム１００の分析窓１３４に表示することができる。本例における分析窓１３４は、対象物の総計、この場合には８を、正方形および丸の２つの種類の形のいずれかの対象物の総計と同様に含むことができる。画像７６に適用することができる多くのタイプの専用コンピュータプログラムと、このような専用コンピュータプログラムを画像７６に適用することの結果として対象物窓１３０に表示され得る、多くのタイプの対象物画像１３２とがある。また、多くの対象物画像１３２に適用されて、様々なフォーマットで分析窓１３４に後で表示するために高いレベルの対象物分類を行うことができる、多くのタイプのより洗練された専用コンピュータプログラムもある。画像表示フレーム１００のユーザコマンド窓１２６は、ステップ２１４の一部として行われる画像解析の属性と、ステップ２１６での画像７６の見直しの基準とを対話式に選択するための窓を提供する。

ここで、動的画像表示フレーム１５０の概略図が、ステップ２１６に従って画像７６を対話式で見直す目的のためにディスプレイモニタ４６に画像７６を動的に表示する、本発明によるグラフィックユーザインターフェースを表す図６Ａおよび６Ｂを参照する。画像７６を対話式に見直す方法は、試料１２を従来の顕微鏡で低度から中度の解像度で、同時に顕微鏡の接眼レンズを通して光信号を見ながら手動スキャンする代わりに、デジタル画像を提示することが意図されている。好ましい本発明の目的の１つは、試料１２の手動スキャンを、ディスプレイモニタ４６上で、試料１２の一部分のデジタル化である、かつ好ましくは試料１２の回折制限のデジタル化である、画像７６を動的に見ることに置き換える手段を提供することである。この方法には、快適かつ制御された観察環境を含めて、多くの利点があり、この観察環境では、デジタル画像データに適用される知的スキャン電子ズーミング方法が、画像中に選別対象物（例えば異常細胞）を発見する責任を負ったオペレータの生産性を増すことができる。識別される特定の対象物は次に、ステップ２１８および２２０の決定論理に応じて、従来の顕微鏡下で、またはスキャナ１１を用いて、再配置することができる。スキャナ１１をネットワーク４２に接続することによって得られる別の利点は、試料１２にアクセスする必要なしに、画像７６の動的観察を遠隔で実施できることである。さらに、試料１２のデジタル化バージョン（すなわち画像７６）を見直すこと自体が、観察された画像７６の特定の領域を監視するための様々な技術に加わる。また、オペレータが画像７６の特定の領域を観察するのに費やした時間を測定することも簡単である。

動画像表示フレーム１５０は、前に論じられた図５Ａの画像表示フレーム１００内のものと同一の、マクロ窓１２８の中のマクロ画像１０２を含む。動画像表示フレーム１５０はまた、ズーム窓１２４内のズーム画像１０４と、前に示した画像表示フレーム１００と同様の、マクロ画像１０２をズーム画像１０４に関係づけるズーム領域１０６とを含む。すべての窓のサイズはオペレータが変えることができるが、動画像表示フレーム１５０内のズーム窓１２４は通常、動画像１５２を動画窓１５４内で十分な解像度で表示できるようにするために、前に示した画像表示フレーム１００内のものよりも小さくなる。動画像１５２は、オペレータによって決定された速度および方向で画像７６をスキャンすることをシミュレートするための、必要に応じて更新される最高解像度の動的画像である。３６，０００×１８，０００画素である画像７６などの画像の例を再び参照すると、動画像１５２は、大きな画像７６を、ユーザ選択可能解像度でディスプレイモニタ４６に表示できる複数の動画像ストリップ１５６に分割することによって、生成することができる。例えば、所望の動画像解像度が６００×６００画素である場合、画像７６は、６００×３６，０００画素からなる３０個の動画像ストリップ１５６に分割されるか、または別法として、６００×１８，０００画素からなる６０個の動画像ストリップ１５６に分割される。動画像ストリップ１５６は次に、試料１２の画像７６のスキャンをシミュレートするために、動画像表示フレーム１５０の動画窓１５４に表示される。ｘ軸またはｙ軸に沿ったスキャンをシミュレートする１つの方法は、動画像１５２の対向するエッジに沿って画像画素の少なくとも１つの新しい列を追加しながら、前に示した少なくとも１つの画素の列を動画像１５２の１つのエッジに沿って除去することである。説明した互いに異なる一連の動画像１５２は、ＭｉｃｒｏｓｏｆｔのＭｅｄｉａ Ｐｌａｙｅｒなどの従来のブラウザソフトウェアを用いて、ディスプレイモニタ４６上の動画窓１５４で再生され表示されるデジタル動画の個々のフレームを含むことができる。このタイプのシミュレートされるスキャンは、手動で試料１２をスキャンしながら従来の顕微鏡の双眼鏡で観察され得るものと類似している。

試料１２の画像７６のこのタイプのシミュレートされたスキャンの潜在的な欠点の１つは、動画像１５２内の対象物が通常は動いていることであり、それによって、オペレータが対象物を識別することが困難になり、あるいは、試料１２の画像７６をスキャンするプロセスの間にオペレータが複数の停止および進行コマンドを実行することが必要になる。動くことのマイナス効果がない代替スキャン方法もまたスキャナ１１によって実現することができる。この代替プロセスは、動画像ストリップ１５６を、例えばそれぞれ６００×６００画素の連続した画像フィールドに分割し、次に、これらの連続した画像を一度に１つずつ、好ましくは画像間でいくらかオーバラップして、一連の動画像１５２として表示することを含む。６００×６００画素の画像に特に言及しているのは、この発案の原理を単に説明するためということにすぎない。というのは、他のサイズの画像もまた用いることができるからである。従来の顕微鏡で試料１２を観察することに勝る利点が得られる、画像７６を動的に見直す方法が多くあることは明らかなはずである。動画像１５２として前に観察された画像７６の領域を示すために、マクロ画像１０２自体の上に、スキャントラッカー１５８を示すことができる。オペレータが画像７６のシミュレートされたスキャン速度を制御することができるので、オペレータは、いくつかの領域では他よりも多くの時間を費やすことができる。スキャントラッカー１５８は、相対的滞在時間を示すために例えばカラーコード化して、画像７６の見直しの完全さに関するオペレータへの即時フィードバックをすることができる。シミュレートされた画像のより進歩した他のスキャン方法もまた実現可能である。例えば、専用コンピュータアルゴリズムにより、画像７６の領域をその重要性に関してランク付けし、このような相対的重要性基準に従って動画像１５２を提示することができる。まばらな画像については、空き領域を完全にスキップして、画像７６の本質的に空白のフィールドの観察を不要にすることにより、オペレータがより有能になり得る。動画像１５２から画像７６のいくつかの要素を除去するために、専用コンピュータアルゴリズムを使用することができる。例えば、画像７６の分析には重要ではないであろう、または画像７６に関係した診断をするのに関係がないであろうクラッタもしくは対象物、または細胞は、動画像１５２を表示する前に画像７６から削除することができる。ジョイスティック、トラックボール、ゲームパッドまたは足踏みペダルなどの人間工学的コントローラもまた、動画像表示フレーム１５０のユーザコマンド窓１２６内のアイコンまたはボタンをクリックすること、および指し示すことについてのさらなる性能改善を実現するために、利用することができる。画像７６を動的に見直すのに有用であり得る機能の例には、前方再生、後方再生、早送り、巻き戻し、休止、ループなどの機能、および従来のビデオ再生または編集環境で見ることができるものに類似している他の機能が含まれる。状況によって、個々の画像フレーム、対象物座標、または画像７６の将来の参照または後の見直しのための他のデータを格納する必要があり得ることもまた理解されたい。

本発明を特定の実施形態によって図示し説明したが、添付の特許請求の範囲およびその等価物により定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく多くの変更および修正が加えられ得ることを理解されたい。

本明細書は、好ましい設計、材料、製造方法および使用方法を記載しているが、当業者は添付された請求項を参照して本発明の範囲および精神を十分に理解するであろう。

Claims (20)

1. 少なくとも一部の顕微鏡試料の１つの連続的なデジタル画像を生成する顕微鏡スライドスキャナであって、
   顕微鏡試料を支持し、実質的に一定の速度で前記顕微鏡試料を移動させる電動ステージと、
   前記顕微鏡試料の少なくとも一部を視野とするように配置された少なくとも１つの対物レンズと、
   前記少なくとも１つの対物レンズに光学的に結合された少なくとも１つのラインスキャンカメラであって、一次元視野を定める少なくとも１つの一次元配列内に配置された複数のピクセル要素を有する、ラインスキャンカメラと、
   少なくとも１つの合焦光学系であって、当該合焦光学系によって、前記対物レンズからの光学信号が前記少なくとも１つのラインスキャンカメラの前記複数のピクセル要素上に合焦される、合焦光学系と、
   少なくとも１つのデータ処理装置であって、
   前記電動ステージの移動と並行して前記少なくとも１つの対物レンズの焦点高さを調整している間、前記電動ステージの移動速度を前記少なくとも１つのラインスキャンカメラのライン速度に同期させて、前記電動ステージ上に支持された顕微鏡試料の複数の連続的な一次元視野をデジタル化し、
   前記複数の連続的な一次元視野を１つのデジタル画像ストリップとしてメモリに格納し、
   複数のデジタル画像ストリップを組み合わせて少なくとも一部の顕微鏡試料の１つの連続的なデジタル画像を生成し、
   前記連続的なデジタル画像を格納する、
   ように構成されたデータ処理装置と、
   を備え、
   ディスプレイモニタにマクロ画像を表示すべく、前記連続的なデジタル画像が低解像度化されることを特徴とする、顕微鏡スライドスキャナ。
2. 前記少なくとも１つのデータ処理装置は、前記顕微鏡試料上の複数の位置の各々の焦点高さ値を含む焦点地図を生成するようにさらに構成され、前記少なくとも１つの対物レンズの前記焦点高さの調整は、生成された焦点地図に従って実行される、請求項１記載の顕微鏡スライドスキャナ。
3. 前記少なくとも１つの一次元配列は、複数の一次元配列を含む、請求項１記載の顕微鏡スライドスキャナ。
4. 前記少なくとも１つの一次元スキャンカメラは、時間差積分（ＴＤＩ）一次元スキャンカメラを含む、請求項３記載の顕微鏡スライドスキャナ。
5. 前記少なくとも１つのデータ処理装置は、前記連続的なデジタル画像の格納に先行して、不可逆の又は可逆の１つ以上の圧縮フォーマットを用いて前記連続的なデジタル画像を圧縮するようにさらに構成されている、請求項１記載の顕微鏡スライドスキャナ。
6. 前記少なくとも１つのデータ処理装置は、前記電動ステージへ送られる位置コマンドの時間プロファイルを制御するように、且つ、前記少なくとも１つの一次元スキャンカメラの読み出し速度を動的に変更するようにさらに構成されている、請求項１記載の顕微鏡スライドスキャナ。
7. 前記複数のデジタル画像ストリップの各々は、少なくとも他の１つの前記複数のデジタル画像ストリップの部分と重複する少なくとも１つの重複部分を含み、前記複数のデジタル画像ストリップを組み合わせて１つの連続的なデジタル画像にすることは、前記複数のデジタル画像ストリップの前記重複部分に基づいている、請求項１記載の顕微鏡スライドスキャナ。
8. 少なくとも１つのネットワークを経由したグラフィカル・ユーザー・インタフェースを提供するように構成されたウエブ・サーバをさらに含む、請求項１記載の顕微鏡スライドスキャナ。
9. 前記グラフィカル・ユーザー・インタフェースは、
   第１の解像度の前記連続的なデジタル画像を含む低解像度画像と、
   前記第１の解像度より高い第２の解像度の前記連続的なデジタル画像の領域を含む高解像度画像と、
   前記高解像度画像が含む前記連続的なデジタル画像を含む前記領域を識別する前記低解像度画像上の指標と、
   を含む、請求項８記載の顕微鏡スライドスキャナ。
10. 前記低解像度画像上の指標は、ユーザにより移動とリサイズの１つ以上となるように構成されている、請求項９記載の顕微鏡スライドスキャナ。
11. 顕微鏡試料の少なくとも一部の連続的なデジタル画像を作成する方法であって、
    電動ステージと、少なくとも１つの対物レンズと、前記少なくとも１つの対物レンズと光学的に結合し且つ一次元視野を定める少なくとも１つの一次元配列で配置された複数のピクセル要素を含む少なくとも１つの一次元スキャンカメラと、合焦光学系であって、当該合焦光学系によって、前記対物レンズからの光学信号が前記少なくとも１つの一次元スキャンカメラの前記複数のピクセル要素に合焦される少なくとも１つの合焦光学系と、を含む顕微鏡スライドスキャナの少なくとも１つのデータ処理装置によって、
    前記電動ステージの移動と並行して前記少なくとも１つの対物レンズの焦点高さを調整している間、前記電動ステージの移動速度を前記少なくとも１つのラインスキャンカメラのライン速度に同期させて、前記電動ステージ上に支持された顕微鏡試料の複数の連続的な一次元視野をデジタル化するステップと、
    前記複数の連続的な一次元視野を１つのデジタル画像ストリップとしてメモリに格納するステップと、
    複数の前記デジタル画像ストリップを組み合わせて少なくとも一部の顕微鏡試料の１つの連続的なデジタル画像を生成するステップと、
    前記連続的なデジタル画像を格納するステップと、
    ディスプレイモニタにマクロ画像を表示すべく、前記連続的なデジタル画像を低解像度化するステップと、
    を含む方法。
12. 前記顕微鏡試料上の複数の位置の各々の焦点高さ値を含む焦点地図を生成するステップをさらに含み、前記少なくとも１つの対物レンズの焦点高さの前記調整は、生成された焦点地図に従って実行される、請求項１１記載の方法。
13. 前記少なくとも１つの一次元配列は、複数の一次元配列を含む、請求項１１記載の方法。
14. 前記少なくとも１つの一次元スキャンカメラは、少なくとも１つの時間差積分（ＴＤＩ）一次元スキャンカメラを含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記連続的なデジタル画像の格納に先行して、不可逆の又は可逆の１つ以上の圧縮フォーマットを用いて前記連続的なデジタル画像を圧縮するステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
16. 前記複数のデジタル画像ストリップの各々は、少なくとも他の１つの前記複数のデジタル画像ストリップの部分と重複する少なくとも１つの重複部分を含み、前記複数のデジタル画像ストリップを組み合わせて１つの連続的なデジタル画像にすることは、前記複数のデジタル画像ストリップの前記重複部分に基づいている、請求項１１記載の方法。
17. 前記連続的なデジタル画像中の対象物の１つ以上のタイプを識別するために、前記連続的なデジタル画像における１つ以上のアルゴリズムを実行するステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
18. 少なくとも１つのネットワークを介して、グラフィカル・ユーザー・インタフェースを送信するステップをさらに含み、
    前記グラフィカル・ユーザー・インタフェースは、
    第１の解像度の前記連続的なデジタル画像を含む低解像度画像と、
    第１の解像度より高い第２の解像度の前記連続的なデジタル画像の領域を含む高解像度画像と、
    前記高解像度画像が含む前記連続的なデジタル画像を含む前記領域を定める前記低解像度画像上の指標を含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記指標の１つ以上の移動とリサイズを受信するステップをさらに含む、請求項１８記載の方法。
20. 前記グラフィカル・ユーザー・インタフェースは、前記１つ以上のアルゴリズムにより識別された１つ以上の対象物のための対象画像を含んでいる対象窓をさらに含む、請求項１８記載の方法。