JPH10506460A - 細胞学的システムの映像収集の統合性をチェックするための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ディジタル・プロセッサ（５６２）によって制御されている映像化装置（５０２）を含む、自動化細胞学システム（５００）の細胞学システムの映像収集の統合性をチェックするための自動化装置。上記自動化装置は、映像化装置（５０２）およびディジタル・プロセッサ（５６２）に接続している直線性チェック装置を含む。システム周波数レスポンスは、変調伝達関数によってチェックされるが、その場合、ＭＴＦをシステム検出装置の標本化周波数以上に決定することができるように、標本化周波数をピクセル・サイズによって決定することができる。周波数スペクトルの特定の部分のシステムの信号対雑音比も、チェックすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 細胞学的システムの映像収集の統合性をチェックするための装置 本発明は、自動化機械的視覚装置の映像収集システムの性能を評価するための 方法に関する。より詳細には、上記方法は、動作中の自動化細胞学的装置に対す る直線性、周波数レスポンス、信号対雑音比およびピクセル収集の限界を特徴と している。 発明の背景 生物学的標本を自動的に分析する場合には、光学式および電子式映像化システ ムの高度な性能との調和が必要になる。生物学的標本の映像処理分析は、正確性 および再現性によって左右される、種々の分割アルゴリズムおよび形態学上の操 作を使用する。映像化光学系および検出装置のエレクトロニクスおよびディジタ ル・プロセッサからなる映像収集システムの性能は、主として三つの測定項目を 特徴とする。上記測定項目は、変調伝達関数、すなわち、周波数レスポンス、直 線性および信号対雑音比を含む。生物学的分析に使用される映像処理システムは 、人間の感染症および疾病の診断を行うため、または診断を支援するために使用 することができる。それ故、これらの診断は可能な限り最も高い統合性を持つも のでなければならない。従って、処理のための映像を捕捉するのに使用する映像 化システムは、高度な一貫性を持つ正確な性能を必ず発揮するように、操作中頻 繁にチェックしなければならない。本発明は、動作中上記システムの特徴を発揮 するために使用する技術および装置を提供する。 発明の概要 本発明は、ディジタル・プロセッサによって制御される映像化装置を含む、自 動化細胞学システムの自動化生物学システムの映像収集の統合性をチェックする ための自動化装置を提供する。上記自動化装置は、映像化装置およびディジタル プロセッサに接続している直線性をチェックするための装置を含む。映像収集シ ステムの変調伝達関数（ＭＴＦ）がチェックされるが、この場合、ＭＴＦは、映 像収集システムの標本化周波数の１／２以上に設定することができる。周波数ス ペクトルの特定の領域のシステムの信号対雑音比も、チェックすることができる 。 本発明は、動作中の映像化システムの性能の特徴を知るための一連の試験から なる。本明細書に記載する本発明の試験方法は、特に、例えば、パルス・アーク ・ランプ、生物学的顕微鏡の対物レンズおよびＣＣＤ映像化装置を持つ自動化機 械的視覚化システムに関する。しかし、本発明のコンセプトは、他の照明源、映 像収集装置、およびレーザ源、反射光学系、チューブ・カメラ、ＴＤＩセンサ、 ＰＩＮダイオードおよび光電子倍増管のような映像捕捉エレクトロニクスをチェ ックするのにも使用することができる。 当業者なら、好適な実施例の説明、請求の範囲および図面を見れば、本発明の 他の目的、特徴および利点を理解できるであろう。図面においては、類似のエレ メントには、類似の番号が使用されている。 図面の簡単な説明 本発明を説明するために、添付の図面を参照しながら好適な実施例を説明する 。 図１Ａおよび図１Ｂは、自動化細胞学システムおよび本発明の方法および装置 により使用されている自動顕微鏡の光学通路への較正および試験用目標物の設置 方法を示す。 図２は、移動可能な載物台上に装着されている較正プレートを持つ、自動化細 胞学システムで使用するタイプの自動顕微鏡の略図である。 図３は、本発明のある段階で使用する較正および試験用目標物、すなわち、プ レートの一例である。 図４は、基準マークの一例である。 図５は、自動化細胞学システムの直線性のプロファイルの一例である。 図６は、直線性を試験するために使用されるシステム装置の一例である。 図７は、横軸を読むための照明センサと、縦軸を読むための映像収集システム の検出装置の直線性の曲線を示す曲線である。 図８は、本発明の一実施例で使用されている変調伝達関数の一例である。 図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃおよび図９Ｄは、次第に増大する空間周波数のバー・ パターンおよび映像面の上記バー・パターンの輝度プロファイルである。 図１０Ａは、理論的に完全な矩形波の矩形波の曲線の図である。 図１０Ｂは、完全な矩形波のフーリエ変換である。 図１１は、検出装置の標本化周波数より高いＭＴＦ決定用のＦＦＴフォールド ・バックの一例である。 好適な実施例の詳細な説明 本発明の好適な実施例の場合には、開示のカメラ・システムは、１９９２年２ 月１８日出願のアラン Ｃ．ネルソンの「通常の生物医学標本の識別方法」とい う名称の米国特許出願第０７／８３８，０６４号；１９９２年２月１８日出願の ジェームズ・リー他の「データ処理技術を使用して対象物を識別するための方法 」という名称の米国特許出願第０７／８３８，３９５号の一部継続出願である１ ９９４年１月１０日出願の米国特許出願第０８／１７９，８１２号；１９９２年 ２月１８日出願のリチャード Ｓ．ジョンストンらの「データ・シーケンスを迅 速に処理するための方法および装置」という名称の現在は米国特許第５，３１５ ，７００号となっている、米国特許出願第０７／８３８，０７０号；１９９２年 ２月１８日出願のジョン Ｗ．ハイエンガ他の「顕微鏡映像信号の動的修正のた めの方法および装置」という名称の米国特許出願第０７／８３８，０６５号；お よび１９９２年２月１８日出願の第０７／８３８，０６３号の一部継続出願であ るハイエンガ他の「焦点が合っている顕微鏡映像を迅速に捕捉するための方法お よび装置」という名称の１９９４年９月７日出願の米国特許出願第０８／３０２ ，３５５号に開示されている頸管乳首塗沫標本を分析するためのシステムで使用 されている。これら特許および特許出願の全文は、参考文献として本明細書に組 み込まれている。 本発明は、また本発明の譲渡人に譲渡されている、他に別段の指定のない限り 、１９９４年９月２０日出願の下記特許出願に開示されている、生物学的および 細胞学的システムにも関連している。上記特許出願は、すべて参考文献として本 明細書に組み込まれている。 上記特許出願とは、１９９４年９月８日出願の「細胞学システムの照明の統合性 をチェックするための装置および方法」という名称の米国特許出願第０８／３０ ３，１７９号；オーチン他の「細胞学システムの自動焦点統合性をチェックする ための装置」という名称の米国特許出願第０８／３０９，１３０号；１９９４年 ９月１９日出願の「自動化細胞学システムの位置の統合性をチェックするための 方法および装置」という名称の米国特許出願第０８／３０８，１４０号；オーチ ン他の「生物学的標本分析システムの処理の統合性をチェックするための装置」 という名称の米国特許出願第０８／３０９，２４９号である。 図１Ａおよび図１Ｂについて説明すると、これらの図は、本発明の自動顕微鏡 の照明の統合性をチェックするための装置の一実施例である。本発明の方法およ び装置を、説明の都合上、本明細書では例示としての自動細胞学装置に関連して 説明するが、本発明はそれによって制限されるものでないことを理解されたい。 本発明の特徴および原理は、例えば、連続アーク・ランプ、フィラメント・ラン プ、レーザ源、チューブ・カメラ、ＰＩＮダイオードおよび光電子倍増管を使用 する尿分析プロセス、半導体プロセスの欠陥、液晶装置および他のタイプの処理 システムをチェックするのに使用することができる。 本発明の装置は、映像化システム５０２、移動制御システム５０４、映像処理 システム５３６、中央処理システム５４０、およびワークステーション５４２か らなる。映像化システム５０２は、照明装置５０８、映像化光学装置５１０、Ｃ ＣＤカメラ５１２、照明センサ５１４および映像捕捉／焦点システム５１６から なる。映 像捕捉／焦点システム５１６は、ＣＣＤカメラ５１２にビデオ・タイミング・デ ータを供給し、ＣＣＤカメラ５１２は、映像捕捉／焦点システム５１６に走査線 からなる映像を供給する。照明センサの輝度は、映像捕捉／焦点システム５１６ に送られ、そこで照明センサ５１４は、光学装置５１０から映像のサンプルを受 光する。本発明のある実施例の場合には、上記光学装置は、さらに自動顕微鏡を 含む。照明装置５０８は、スライドを照明する。映像捕捉／焦点システム５１６ は、ＶＭＥバス５３８にデータを供給する。ＶＭＥバス５３８は、映像処理シス テム５３６にデータを分配する。映像処理システム５３６は、視野プロセッサ５ ６８からなる。映像は、映像バス５６４を通して、映像捕捉／焦点システム５１ ６から送られる。中央プロセッサ５４０は、ＶＭＥバス５３８を通して本発明の 動作を制御する。本発明の一実施例の場合には、中央プロセッサ５６２は、モト ローラ社の６８０３０ＣＰＵを使用している。移動コントローラ５０４は、トレ イ・ハンドラ５１８、顕微鏡載物台コントローラ５２０、顕微鏡トレイ・コント ローラ５２２、および較正スライド５２４からなる。モータ駆動装置５２６が、 スライドを光学装置の下に位置させる。バー・コード・リーダ５２８は、スライ ド５２４上のバー・コードを読む。触覚センサ５３０は、スライドが顕微鏡の対 物レンズに下にあるかどうかを判断し、ドアが開いている場合には、ドア・イン ターロック５３２が動作を禁止する。移動コントローラ５３４は、中央プロセッ サ５４０の指示に従って、モータ駆動装置５２６を制御する。イーサネット（登 録商標）通信システム５６０が、システムを制御するために、ワークステーショ ン５４２と通信する。ハード・ディスク５４４は、ワークステーシ ョン・プロセッサ５５０により制御される。本発明の一実施例の場合には、ワー クステーション５４２は、サン・スパーク・クラシック（登録商標）ワークステ ーションを使用している。テープ・ドライブ５４６は、ワークステーション・プ ロセッサ５５０およびモデム５４８、モニタ５５２、キーボード５５４およびマ ウス・ポインティング・デバイス５５６に接続している。プリンタ５５８は、イ ーサネット（登録商標）ネットワーク・システム５６０に接続している。 映像収集の統合性をチェックしている間、リアルタイム動作システムを作動し ている中央コンピュータ５４０は、顕微鏡からの映像を取得し、ディジタル化す るために、自動顕微鏡およびプロセッサを制御する。例えば、コンピュータ制御 の触覚センサを使用して、スライドの四隅を接触させることによって、スライド の平面度をチェックすることができる。コンピュータ５４０も、顕微鏡の対物レ ンズ、およびコンピュータ５４０の制御の下で映像を受け取る１−１５視野（Ｆ ＯＶ）プロセッサ５６８の下に標本を置くために、顕微鏡の載物台を制御する。 図２について説明すると、この図はタレット２２を持つ自動顕微鏡３の光学通 路に較正および試験用目標物１を設置する方法である。この較正および試験用目 標物１は、光学通路と交差しているほぼ水平な面Ｘ，Ｙの載物台５２１上に装着 することができる。載物台５２１は、Ｘ，Ｙ面およびＸ，Ｙ面に垂直であり、自 動顕微鏡の光学軸に平行なＺ軸に沿って移動させることができる。タレット２２ は、当業者にとって周知の複数の対物レンズを含むことができる。顕微鏡タレッ ト制御装置５２２は、周知の方法で、選択した対物レ ンズを、例えば、スライドを見ることができる位置に設置するための信号を供給 する。 システムの直線性、システムの周波数レスポンスおよびシステムの信号対雑音 比のチェックに関連して説明してきた種々のプロセスは、ディジタル・プロセッ サ上で動作するのに適当なソフトウェアで実行することができることを理解され たい。上記ソフトウェアは、例えば、中央プロセッサ５４０に内蔵することもで きる。 図３について説明すると、この図は較正および試験用目標物の一例である。本 発明が使用しているいくつかのプロセスは、較正および試験用プレートを必要と する。透過顕微鏡の場合には、較正および試験用目標物１は、厚さ約１．４５ミ リのガラス片で作ることができる。較正および試験用目標物は、水平および垂直 バー目標物３６のような周期的な縞模様を含む、指定の透明部分３４および／ま たは映像プリミティブからなることが好ましい。基準マークのような他のタイプ の映像プリミティブも使用することができる。図４は、基準マークの一例である 。このような較正および試験用目標プレートは、基板、カバー・ガラスおよび標 本媒体により導入される光学通路の違いによる効果をシミュレートするために、 大部分の透過顕微鏡に使用することができる。本発明のいくつかの実施例の場合 には、較正および試験用目標物は、載物台上に容易に設置し、そこから容易に除 去するために従来のカンチレバー上に設置することが好ましい。 〈システムの直線性の試験〉 図５について説明すると、この図は、自動化細胞学システムの直線性のプロフ ァイルである。このプロファイルは、一般的な単位で エネルギーを表している水平軸、およびミリボルト単位で電圧出力を示している 縦軸に対して描かれている。レスポンスの直線性は、光レベルの入力に対するシ ステムからの電圧の変化である。飽和特性曲線５０に留意されたい。約７０単位 の入力エネルギーに対応する６００ミリボルト以下の領域においては、このプロ ファイルは、システムが入力エネルギーの変化にかなり直線的に応答しているこ とを示している。６００ミリボルト以上の電圧の場合には、システムは、各追加 エネルギー入力に対して、もっと少ない電圧出力を生成するように見える。入力 が１１０エネルギー単位を超えると、システムは飽和し、エネルギー入力に対応 する変化に対して、電圧の変化を生じない。 多くの構成部分が、検出装置およびその後に接続しているエレクトロニクス、 光学的構成部分、漂遊光遮断部材およびその他のエレメントを含む、自動化細胞 学分析システムのような映像捕捉システムの直線性に影響を与える。大部分のシ ステムは、直線領域で動作するように設計される。しかし、システムが直線領域 から非直線領域に少し入り込んだところで動作することができる場合には、少し ダイナミック・レンジを広げることができる。多くの設計の場合にこのようなこ とがよく起こる。このようなタイプのシステムの場合には、いろいろな時間の間 およびいろいろな温度にわたって、同じ特性の直線性の曲線上で動作することが 極めて重要である。それ故、システムの直線性を試験することは非常に望ましい ことである。 図６に、システムの直線性を試験するための装置の一例を示す。直線性試験装 置６０は、照明源５０８、カメラ５１２、標本平面６２、第一レンズ６３、第二 レンズ６４、ビーム・スプリッタ７４、 光検出機構７６、中性濃度くさび６６、第三レンズ７２、および第四レンズ７０ からなる。第一レンズ６３は、自動顕微鏡の対物レンズを含むことができる。こ の場合、上記対物レンズとしては、所定の倍率のものが選択され、較正および試 験用プレート１の公称透明部分３４上に設置される。高倍率および低倍率の両方 を持つ対物レンズを使用して、直線性の試験を行うことが望ましい。 二つの対物レンズを持つ自動顕微鏡を使用している本発明の一実施例の場合は 、２０倍および４倍の倍率について試験を行う。中性濃度くさび６６は、必要な 照明レベルが得られる位置に設置されている。映像化装置を使用して一つの映像 を入手し、選択した照明レベルでのカメラ・レスポンスの特性を知るために、平 均ピクセル輝度の計算を行う。中性濃度くさび６６は、他の照明レベルに設置す る。一つの映像を再び入手し、第二の選択した照明レベルでのカメラ・レスポン スの特性を知るために、第二の平均ピクセル輝度の計算を行う。このシステムの 直線性プロファイルの特性を知るために、本発明の一実施例において、このプロ セスを六つの異なる領域で反復して行う。 図６に示す実施例は、円形で直線的に変化させることができる中性濃度くさび ６６を回転することによって、照明レベルを設定することができる二重ビーム・ システムを使用している。選択した照明レベルを設定するためのフィードバック は、主光学通路１１０から枝分かれした光が、標本平面６２で標本を照明する前 に、上記光を受光するセンサ７６によって行われる。図７は、本質的には、横軸 を読む照明センサおよび縦軸を読むカメラの曲線である直線性の曲線である。表 ２は、図７にチューブ状の形で示したデータである。 このセンサは、その直線性を確認するために前もって較正されている。それ故、 この直線性の曲線は、基本的には、システムの直線性の曲線である。直線性試験 の限界は動的であり、下記の式によって決定することができる。カメラ・レスポ ンスの限界は、照明またはセンサ・レスポンス・レベルの関数として計算するこ とができる。センサ・レスポンス・レベルは、１００％の照明で測定したセンサ ・レスポンスの百分率で表したある照明レベルで測定したセンサ・レスポンスで ある。 カメラ・レスポンスの限界の計算式を下記に示す。 限界＝（センサ・レスポンス・レベル） ｘ 勾配 ＋ 修正差 この式により、表１の情報を使用してカメラ・レスポンスの限界を決定するこ とができる。 〈変調伝達関数試験〉 変調伝達関数（ＭＴＦ）試験は、システムの周波数レスポンスを特徴としてい る。変調伝達関数は、周知のものであり、通常映像面のコントラスト対対物面の 正弦波入力の空間ライン周波数曲線からなる。例えば、１９６６年マグロー・ヒ ル社発行のスミス著の「近代光学エンジニアリング」の３０８−３２３ページを 参照されたい。図８はＭＴＦの一例である。対象物のライン周波数が増大するに つれ、すなわち、対象物が小さくなり、互いにもっと近接するにつれ、映像のコ ントラストを供給する光学システムの能力は増大する。図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ および図９Ｄは、次第に増大する空間周波数のバー・パターンを示す。これらの 図は、また映像面の上記バー・ パターンの輝度プロファイル８０、８２、８４および８６を示す。ライン周波数 が増大するにつれて、映像面のコントラストが低下する。所定のカットオフ周波 数を超えると、コントラストはゼロになる。（すなわち、映像には変調が存在し なくなる。） 変調は下記式によって表される。 変調＝（最大−最小）／（最大＋最小） 但し、最大および最小は、映像面の最大輝度値と最小輝度値である。 ＭＴＦ曲線を描くには、通常二つの方法が使用される。第一の方法の場合には 、一組の個々のバー・パターンについて一連のコントラストの測定が行なわれる 。上記コントラストは、各バー・パターンについて測定され、擬似ＭＴＦ曲線が 次第に作成される。この第一の方法は、実際にはＭＴＦ曲線を描かない。何故な ら、本当のＭＴＦ試験は正弦波入力を持っているからである。正弦波目標物は生 成するのが非常に難しく、周波数がちょっと高くなると通常生成することができ ない。それ故、矩形波を生成するバー・パターンが通常使用される。このような 方法で生成した波形は、本当のＭＴＦではないが、通常この方法が使用される。 第一の方法のもう一つの問題は、矩形波パターンであっても、２５０ ｌｐ／ｍ ｍ（すなわち、２ミクロンのライン幅）以上の非常に高い周波数の場合にはバー ・パターンを生成するのが難しいということである。この問題は、多くの光学シ ステムは、２０００ｌｐ／ｍｍ付近にカットオフ周波数を持っているということ を示している。それ故、ミリメートル当たり２５０までのペアのラインのＭＴＦ 曲線の下部の擬似（矩形波）ＭＴＦ試験を行うにはこの方法しかない。 ＭＴＦを試験するのに使用するもう一つの方法は、対象物面の非常に細いスリ ットまたは小さな点を映像化する方法を使用している。上記スリットまたは点が システムの光学的解像度と比較して小さい場合には、その結果得られる映像面の 光の分布は、それぞれ線拡散関数および点拡散関数と呼ばれる。（入力関数とし て）正弦波対象物を持つ一定の光学システムの点拡散関数または線拡散関数のコ ンボルーションは、試験中のシステムに対するそのシステムの（コントラストお よび位相シフトを含む）映像を作る。それ故、ＭＴＦ曲線は、上記方法で線拡散 関数を決定し、それをあるシステムのＭＴＦ関数を決定するために、変化する周 波数の一連の入力正弦波でコンボルーションすることによって作ることができる 。この方法は、ＭＴＦ試験システムの低い開口率の単一のレンズに対してよく使 用される。この方法により正確な結果を得るためには、二つの条件を満たさなけ ればならない。第一の条件は、試験サンプル（例えば、スリットまたは点）は、 そのシステムの光学的解像度と比較して小さいものでなければならないというこ とである。第二の条件は、そのシステムのピクセル・サイズまたはサンプル・サ イズに関連する倍率が、結果として点拡散関数の正確な量化を行うものでなけれ ばならないということである。これら二つの制限を一致させることは多くの場合 困難である。下記の例は上記事実を示す。開口率が０．７５、検出装置のピクセ ル・サイズが１０ミクロンである、倍率が２０倍の光学システムについて考えて みよう。このシステムの場合には、対象物面の回折により制限を受ける光学的解 像度は、（下記式によって決定されるように）０．４ミクロンである。従って、 全エアリーの円盤（登録商標）直径は僅か０．８ミクロンである。 δ半径＝０．６１λ／ＮＡ 但し、λは０．５００ミクロンである。 同様に、対象物面のピクセル・サイズは、（ピクセル・サイズ／倍率）、すな わち、１０ミクロン／２０＝０．５ミクロン・ピクセルである。この場合は、こ の方法に関する二つの問題が生じる。第一の問題は、サブミクロンの幅を持つス リットを製造することが難しいことである。第二の問題は、エアリーの円盤（登 録商標）直径が０．８ミクロンの線拡散関数または点拡散関数を標本化するには 、０．５ミクロンのピクセル・サイズでは不適当であることである。サンプルの 数がこの関数を再び作るには十分でない。 上記の両方の方法は、多くの光学システムのＭＴＦの特徴を表すには不適当で ある。本明細書に開示した方法は、これらの欠点の影響を軽減する。 本発明の方法は、一定の光学的軸の正確なＭＴＦを決定するのに、一つの低い 周波数バー・パターンを使用する。上記周波数は低く、上記バー・パターンは矩 形波である。それ故、容易に目標物を製造することができる。また、本発明の方 法を使用すれば、光学システムのカットオフ周波数に関するＭＴＦを決定するこ とができ、そのＭＴＦは検出装置のピクセル・サイズに比較的左右されない。 フーリエ理論は、空間周期λを持つｘの周期関数は、その波長がλのサブ整数 倍（すなわち、λ、λ／２、λ／３．．．）である高調波関数を合計することに よって合成できるといっている。この方法を、光学システムのＭＴＦを決定する 場合に使用するのは得策である。その場合、矩形波が、波長が元の矩形波の周波 数λの奇数高調波（λ／３、λ／５、λ／７．．．）の正弦波の合計であると考 えられる場合には、矩形波またはバー目標物を使用することができる。図１０Ａ は、矩形波のグラフを示す。図１０Ａに示す完全な矩形波のフーリエ変換を図１ ０Ｂに示す。ＤＣ成分または０周波数点の強度が、入力矩形波の明るい部分の輝 度の半分であることに留意されたい。上記ＤＣ成分はＡｏ／２に等しい。この場 合、Ａｏはピークピーク輝度、すなわち、入力矩形波の振幅の２倍である。同様 に、基本周波数、すなわち、第一の高調波の強度は、４Ａｏ／πである。下記の フーリエ級数展開に対する式によれば、追加の各高調波の強度は、基本周波数の 強度の１／Ｎである。例えば、第五高調波の影響は、基本周波数の影響の１／５ である。矩形波に対するフーリエ級数展開は、下記式によって表される。 ｆ（ｘ）＝Ａｏ／２ ＋ ４Ａｏ／π（ｓｉｎ ｋｘ ＋１／３ ｓｉｎ ３ ｋｘ ＋ １／５ ｓｉｎ ５ｋｘ ＋ ．．．） 真の光学システムのＭＴＦを測定することができる。バー目標物のような周期 的縞模様の映像プリミティブを持つ較正および試験用目標物は、映像収集システ ムの目標物の焦点面に置くことができる。この映像プリミティブの映像は、映像 収集システムの検出装置によって得ることができる。個々の高速フーリエ交換（ ＦＦＴ）技術を使用して、入手した映像のフーリエ変換を決定することができる 。ＦＦＴの信号スペクトル・ピークの強度および周波数は量化することができる 。バー目標物の場合と同様に、各信号ピークは、バー目標物の矩形波映像からな る成分正弦波の一つを表していることに留意されたい。入手した映像のＦＦＴか らの各信号スペクトル・ピークは、基準量によって拡大したバー目標物を表す、 縮尺した振幅の矩形波のフーリエ変換からの等価信号スペクトル・ピークによっ て 分割することができる。矩形波の振幅は、自動化細胞学システムのバー目標物の 完全な映像によって作られる振幅にマッチするように縮尺される。倍率の基準量 は、映像収集システムから期待されるものと等しい。図１０Ｂは、そのような矩 形波のフーリエ変換である。入手した映像のＦＦＴと代表的矩形波のフーリエ変 換との間の信号ピークは、光学的および電子的映像化システムによる変調損失で ある。この開示を読んだ当業者なら、ＦＦＴを計算する前に、ウィンドウ関数を 映像に有利に適用できることを理解できるだろう。回折、収差、製造時の許容誤 差または信号処理による変調による損失を受けない完全な光学システムは、映像 面に矩形波パターンを完全に再現するはずである。この場合、ＦＦＴは図１０Ｂ に示すグラフと同じグラフを描く。主として回折効果のために、完全な光学シス テムを作ることは不可能であることにも留意されたい。各構成高調波周波数の強 度比のグラフは、システムのＭＴＦの真のグラフである。それ故、対象物面で入 力波形として、比較的低い周波数の矩形波を使用すると、カットオフ周波数に対 する多数の周波数の変調を量子化することができる。 本発明の方法の真の利点の一つは、映像収集システムの検出装置の古典的なナ イキスト標本化速度を遙かに超える、映像収集システムのＭＴＦ決定機能である 。この場合、高次の高調波を表す信号ピークはＦＦＴにあるが、それらのピーク はフォールド・バック・ピークまたは偽のピークであるように思われる。これら のピークは元の高調波上に戻る標本化周波数からフォールド・バックする。それ 故、フォールド・バック周波数が低次の高調波の間に出現することができるよう に、映像収集システムの標本化周波数と一緒に基本 周波数を選択することができる。映像収集システムのディジタル・プロセッサの 標本化速度が、カメラの標本化速度と同期しているか、等しい場合には、標本化 周波数をカメラ・ピクセル・サイズによって決定するのが好ましい。この方法を 使用すれば、ＭＴＦを検出装置の半分の（ナイキスト）標本化周波数よりかなり 高い周波数に設定することができる。 図１１は、検出装置の標本化周波数より高いＭＴＦ決定のためのＦＦＴフォー ルド・バックの一例である。この例の場合には、検出装置の標本化周波数は、基 本周波数の９．５倍の周波数に等しかったことに留意されたい。それ故、高次の 高調波は、すなわち、１１次高調波、１３次高調波等は、（失われた）偶数の高 調波にフォールド・バックした。これらの高調波の強度は図１０Ｂに示す高調波 の強度に等しいことに留意されたい。 上記技術は、実際の映像化システムのＭＴＦの測定に使用された。その結果を 表３および４に示す。これらのグラフは、各方向の視野の三つの位置でのＭＴＦ を示すことに留意されたい。ライン周波数が５０ ｌｐ／ｍｍである垂直バー・ パターンが、水平ＭＴＦを測定するのに使用された。同様に、水平バー・パター ンが、垂直ＭＴＦを測定するのに使用された。光学システムは、２０倍の倍率の 顕微鏡の対物レンズ、０．７５ＮＡの収集アパーチャおよび０．４５ＮＡの照明 アパーチャからなるものであった。カメラ・ピクセル・サイズは、映像面におい て１１ミクロン、対物面において０．５５ミクロン（１１ミクロン／２０倍）で あった。このデータは、対物面のＭＴＦに対するものである。上記試験は、水平 および垂直５０ ｌｐ／ｍｍの矩形波目標物で顕微鏡のスライドをシミュレーシ ョン するためのガラス目標物を、光学通路に挿入することによって、自動化細胞学映 像化および分析システムの動作を行っている間に行われた。 この技術のもう一つの利点は、ＭＴＦデータから入手することができる診断情 報である。例えば、ＭＴＦ曲線から高い周波数部分が消失している場合は、反射 鏡等の表面の状態が不良であるか、または焦点が正確に結んでいないことを示し ている。このような欠陥があると、光学的波頭の収差を起こす恐れがあり、その ような収差が起こると、低い空間周波数の対象物のコントラストにはそれほどの 悪影響はないが、高い空間周波数の対象物の映像の鮮明さまたはコントラストが 低下する。反対に、映像化光学系の表面上の指紋および塵による散乱光または周 囲の光の漏洩があると、背景の光のレベルを増大する傾向がある。このように背 景の光のレベルが増大すると、低い周波数の対象物の映像面のコントラストが顕 著な影響を受ける。背景の光の増大により、高い周波数の対象物および低い周波 数の対象物両方のコントラストがともに低下する。しかし、低い周波数の対象物 のコントラストの低下の絶対値のほうが、高い周波数の対象物のコントラストの 低下の絶対値より大きい。それ故、映像収集システムの性能に関する貴重な診断 情報を測定するために、試験中の自動化細胞学システムのＭＴＦ曲線の種々の部 分を、既知で一般に承認されているＭＴＦ曲線の対応する部分と比較することが できる。当業者なら、上記試験と完全なＭＴＦ曲線との別の比較により、本発明 の範囲から逸脱しないで、他の診断情報を作ることができることを理解できるだ ろう。 この技術のもう一つの利点は、映像収集システムの倍率を決定す ることができることである。この場合、目標映像のＦＦＴからの好適な高次のス ペクトル・ピークの周波数を、基準量だけ拡大した目標物を表す縮尺振幅を持つ 矩形波のフーリエ変換からの予想周波数と比較することができる。上記矩形波の 振幅は、自動化細胞学システムでバー目標物の完全な映像によって作られる振幅 に一致するように調整される。例えば、映像収集システムにより、２０倍の予想 倍率で生成したバー目標物の映像のＦＦＴは、ミリメートル当たり、９５の組の ラインの周波数のところにスペクトル・ピークを作る。正確に２０倍の倍率を持 つ完全な映像化システムは、ミリメートル当たり、１００組のラインのところに スペクトル・ピークを作る。それ故、試験システムの実際の倍率は、下記の式に より知ることができる。 実際の倍率＝（完全な周波数／周波数映像収集システム）ｘ 完全な倍率 この場合、試験システムの実際の倍率は２１倍である。当業者なら、本発明の 範囲から逸脱しないでこの測定法を改良するために、多数のスペクトル・ピーク に使用することができることを理解できるだろう。 〈信号／雑音試験〉 上記の変調伝達関数を決定するための本発明の方法について開示したすべての コンセプトは、本発明の信号／雑音試験でも使用することができる。しかし、信 号／雑音試験の場合には、すべての信号ピークは加算される。さらに、ＦＦＴの 非信号ビンからなるビンの残りも加算される。信号対雑音比は、これらの合計の 比である。それにより、問題の特定周波数領域の信号対雑音比ばかりでなく、全 スペクトルの信号対雑音比を知ることができる。上記の信号／雑音試験のステッ プを、表５に示す信号対雑音比のデータを測定するのに使用した。表５の結果を 、スペクトルの各部分により分類する。最初の三分の一の部分は、大体ＤＣから ２６０ ｌｐ／ｍｍの間の周波数スペクトル部分である。二番目の三分の一の部 分は、大体２６１ ｌｐ／ｍｍから５７２ ｌｐ／ｍｍの間のスペクトル部分で ある。三番目の三分の一の部分は、５７３ ｌｐ／ｍｍ以上のスペクトル部分で ある。すべての信号／雑音は全スペクトルを含む。 特許法に適合するように、また当業者に上記の新規な原理を適用 し、上記の特殊な構成部分を組立また使用するのに必要な情報を提供するために 、本発明をかなり詳細に説明してきた。しかし、本発明は特定の異なる装置によ っても実行することができること、また装置の詳細および操作手順の両方を、本 発明の範囲から逸脱しないで種々に変更できることを理解されたい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フロスト，キース，エル. アメリカ合衆国．98155 ワシントン，シ アトル，トウェンティシックスス アヴェ ニュー ノースイースト 15310 (72)発明者 ハイエンガ，ジョン，ダブリュ. アメリカ合衆国．98031 ワシントン，ケ ント，ナインティフォース プレイス サ ウス 21648

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ディジタル・プロセッサ（５４０）によって制御されている細胞学システム （５００）で、映像収集の統合性をチェックするための自動化装置であって、 ａ）映像収集システムの直線性をチェックするために、ディジタル・プロセッ サ（５４０）に接続している手段（５６２）と、 ｂ）映像収集システムの変調伝達関数をチェックするために、ディジタル・プ ロセッサ（５４０）に接続している手段（５６２）と、 ｃ）映像収集システムの信号（５０２）／雑音比をチェックするために、ディ ジタル・プロセッサ（５４０）に接続している手段（５６２）とを含む、自動化 装置。 ２．細胞学システムで、映像収集システムの直線性を試験するための自動化装置 であって、 ａ）光学通路（１１０）に設置されている較正および試験用目標物（５２４） と、 ｂ）較正および試験用目標物（５２４）を照明（５０８）するために、光学通 路（１１０）に沿って設置されている手段と、 ｃ）較正および試験用目標プレート（５２４）のところで、照明レベル（５１ ０）を調整するための手段と、 ｄ）較正および試験用目標物（５２４）の少なくとも一つの映像（５１２）を 入手するための、光学通路（１１０）の手段と、 ｅ）照明手段（５０８）からの光の一部を受光する場所に設置されている関連 照明（５１４）を感知するための手段と、 ｆ）較正および試験用目標物（５２４）の映像を受け取る第一の入力と、感知 手段（５０８）からの出力を受け取るための第二の入力を持つ比較（５１６）す るための手段とを含む、自動化装置。 ３．ディジタル・プロセッサ（５４０）によって制御されている細胞学システム で、変調伝達関数をチェックするための自動化装置であって、 ａ）周期的縞模様（図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃおよび図９Ｄ）からなる映像プリ ミティブ（３６）の映像（５０２）を入手するための手段と、 ｂ）ＦＦＴの結果（図１０Ｂ）がスペクトル・ピークを含んでいる場合に、入 手する映像の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の結果（図１０Ｂ）を判断するための ディジタル・プロセッサ（５４０）の手段と、 ｃ）スペクトル・ピークの強度および周波数を測定するために、ＦＦＴの結果 （５６２）を処理するためのディジタル処理装置（５４０）の手段と、 ｄ）各ＦＦＴ結果（図１０Ｂ）のスペクトル・ピークを、映像プリミティブ（ ３６）の基準フーリエ変換からの等価スペクトル・ピークの強度で割るための手 段とを含む、自動化装置。 ４．ディジタル・プロセッサ（５４０）によって制御されている細胞学システム で、信号対雑音比をチェックするための自動化装置であって、 ａ）周期的縞模様（図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃおよび図９Ｄ）からなる映像プリ ミティブ（３６）の映像（５０２）を入手するた めの手段と、 ｂ）ＦＦＴの結果（図１０Ｂ）がスペクトル・ピークを含んでいる場合に、入 手した映像のフーリエ変換（ＦＦＴ）の結果（図１０Ｂ）を判断するためのディ ジタル・プロセッサ（５４０）の手段と、 ｃ）スペクトル・ピークの強度および周波数を測定するために、ＦＦＴの結果 （５６２）を処理するためのディジタル処理装置（５４０）の手段と、 ｄ）スペクトル・ピークに含まれている第一の電力を測定するために、処理用 手段（５６２）に接続し、少なくとも一つのスペクトル・ピークを取り巻いてい る所定の周波数範囲の少なくとも一つのスペクトル・ピークに含まれていない第 二の電力（５６２）を測定する手段に接続している手段と、 ｅ）第一および第二の電力（５６２）を比較するための手段とを含む、自動化 装置。 ５．ディジタル・プロセッサ（５４０）によって制御されている自動細胞学シス テムで、映像収集システムの統合性をチェックするための自動化方法であって、 ａ）映像収集システム（５０２）の変調伝達関数（図５）をチェックするステ ップと、 ｂ）映像収集システム（５０２）の変調伝達関数（図８）をチェックするステ ップと、 ｃ）映像収集システム（５０２）の信号対雑音比（図８）をチェックするステ ップとを含む、自動化方法。 ６．ディジタル・プロセッサ（５４０）によって制御されている自 動細胞学システムで、映像収集システムの直線性（図５）をチェックするための 自動化方法であって、 ａ）光学通路（１１０）に較正および試験用目標物（５２４）を設置するステ ップと、 ｂ）較正および試験用目標物（５２４）のところの照明（５０８）レベルを調 整するステップと、 ｃ）較正および試験用目標物（５２４）の少なくとも一つの映像を入手するス テップと、 ｄ）関連照明レベル１を個別に感知（５１４）するステップと、 ｅ）少なくとも入手した一つの映像の一領域の照明測定値２（５１２）を計算 するステップと、 ｆ）レスポンス測定値（５１６）を入手するために、計算した照明測定値２（ ５１２）を、関連照明レベル１（５１４）と比較するステップと、 ｇ）複数のレスポンス測定値を入手するために、少なくとも一回、ステップｂ −ｆを反復するステップと、 ｈ）複数のレスポンス測定値から、輝度レスポンス特性を入手するステップと 、 ｉ）許可された範囲に特有の輝度レスポンスを比較するステップとを含む、自 動化方法。 ７．ディジタル・プロセッサ（５４０）によって制御されている自動細胞学シス テムで、映像収集システムの変調伝達関数（ＭＴＦ）（図８）をチェックするた めの自動化方法であって、 ａ）映像収集システムの対象物の焦点面（６２）に、周期的縞模様（図９Ａ、 図９Ｂ、図９Ｃおよび図９Ｄ）を含む映像プリミ ティブ（３６）を設置するステップと、 ｂ）映像収集システム（５０２）により、映像プリミティブ（３６）の映像を 入手するステップと、 ｃ）入手した映像の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の結果（図１０Ｂ）を測定す るステップと、 ｄ）スペクトル・ピークの強度および周波数を測定するために、ＦＦＴの結果 （図１０Ｂ）を処理するステップと、 ｅ）各ＦＦＴの結果のスペクトル・ピークを、映像プリミティブ（３６）の基 準フーリエ変換（図１０Ｂ）の等価スペクトル・ピークで割るステップとを含む 、自動化方法。 ８．ディジタル・プロセッサによって制御されている自動細胞学システム用の映 像収集システムをチェックするための自動化方法であって、 ａ）映像収集システムの焦点面（６２）に、周期的縞模様（図９Ａ、図９Ｂ、 図９Ｃおよび図９Ｄ）を含む映像プリミティブ（３６）を設置するステップと、 ｂ）映像プリミティブ（３６）の映像を入手するステップと、 ｃ）入手した映像の個々の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の結果（図１０Ｂ）を 測定するステップと、 ｄ）スペクトル・ピークの強度および周波数を測定するために、ＦＦＴの結果 （図１０Ｂ）を処理するステップと、 ｅ）スペクトル・ピークの少なくとも一つに含まれている第一の電力を測定し 、スペクトル・ピークには含まれていないが、少なくとも一つのスペクトル・ピ ークを取り囲む所定の周波数範囲の第二の電力を測定するステップと、 ｆ）第一および第二の電力を比較するステップとを含む、自動化方法。 ９．映像プリミティブ（３６）を設置するステップが、 ａ）映像プリミティブ（３６）の大体の焦点位置を決定するステップと、 ｂ）映像プリミティブ（３６）の最適な焦点位置の上下のある範囲の焦点位置 を含む複数の焦点位置で、映像プリミティブ（３６）の複数の映像を入手するス テップと、 ｃ）複数の焦点位置に対する複数のＭＴＦ（図８）を入手するステップと、 ｄ）複数のＭＴＦから最適なＭＴＦ（図８）を入手するステップとをさらに含 む請求の範囲第７項に記載の自動化方法。 10．少なくとも一つのＦＦＴの結果のスペクトル・ピーク（図１０Ｂ）の周波数 を、映像プリミティブ（３６）の基準フーリエ変換（図１０Ｂ）からの等価スペ クトル・ピークと比較することによって、映像収集システム（５０２）の倍率を 決定するステップをさらに含む請求の範囲第７項に記載の自動化方法。 11．ａ）ある結果を得るために、少なくとも一つの低い周波数のＭＴＦ値（図８ ）を、ゼロ周波数のＭＴＦ値（図８）と比較し、 ｂ）上記結果を所定の限界と比較することにより、 映像収集システム（５０２）の散乱光または光の漏洩を試験するステップを含む 請求の範囲第７項に記載の自動化方法。 12．ａ）ある結果を得るために、少なくとも一つの高い周波数のＭＴＦ値（図８ ）を、低い周波数のＭＴＦ値（図８）と比較し、 ｂ）上記結果を所定の限界と比較することにより、 映像収集システム（５０２）の光学的波頭収差を試験するステップをさらに含む 請求の範囲第７項に記載の自動化方法。 13．ａ）映像収集システム（５０２）の標本化周波数の１／２以下のスペクトル ・ピークでインターリーブするために、標本化周波数の１／２より高いそのスペ クトル・ピークが映像収集システム（５０２）によってフォールドバック（図１ １）されるように、映像収集システム（５０２）の標本化周波数より高いスペク トル内容を含む映像プリミティブ（３６）を選択し、映像プリミティブ（３６） の周期を選択するステップと、 ｂ）映像収集システム（５０２）の標本化周波数の１／２以上の周波数で、映 像収集システム（５０２）を特徴づけるために、標本化周波数（図１１）の１／ ２以上のピークを使用するステップとをさらに含む、映像収集システム（５０２ ）の標本化周波数の１／２以上の映像収集システム（５０２）の性能を特徴とす る請求の範囲第７項に記載の自動化方法。