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公開番号2025024402
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-20
出願番号2023128479
出願日2023-08-07
発明の名称画像解析装置、画像解析方法およびプログラム、ならびに複眼光学系量子計測システムおよび複眼光学系量子計測方法
出願人国立大学法人広島大学,国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
代理人個人
主分類G01N 21/64 20060101AFI20250213BHJP(測定;試験)
要約【課題】量子センシングにおいて何度も計測を繰り返すことなくより少ない計測回数、好ましくは1回の計測で高い精度で物理量を計測可能にする。
【解決手段】量子センサを含む試料に量子センサが蛍光励起する波長の励起光および量子センサが光検出磁気共鳴する周波数のマイクロ波が照射された状態で複眼光学系により撮像された試料の多視点画像を解析する画像解析装置30は、試料の多視点画像中の複数の要素画像に捉えられた量子センサの蛍光光線から量子センサの蛍光強度を求める蛍光強度特定部32と、量子センサの蛍光強度から量子センサが示す物理量を算出する物理量算出部33とを備える。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
量子センサを含む試料に前記量子センサが蛍光励起する波長の励起光および前記量子センサが光検出磁気共鳴する周波数のマイクロ波が照射された状態で複眼光学系により撮像された前記試料の多視点画像を解析する画像解析装置であって、
前記試料の多視点画像中の複数の要素画像に捉えられた前記量子センサの蛍光光線から前記量子センサの蛍光強度を求める蛍光強度特定部と、
前記量子センサの蛍光強度から前記量子センサが示す物理量を算出する物理量算出部と、
を備えた画像解析装置。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記試料の多視点画像が、前記マイクロ波の周波数を前記量子センサの光検出磁気共鳴の共鳴周波数前後でスイープさせて前記試料を連続撮像したものであり、
前記物理量算出部が、前記量子センサの蛍光強度の変化パターンから前記量子センサの光検出磁気共鳴の共鳴周波数を特定し、当該特定した共鳴周波数に対応する前記物理量を算出する
請求項１に記載の画像解析装置。
【請求項３】
前記試料の多視点画像が、さらに前記マイクロ波を一定周期でオン／オフしながら前記試料を連続撮像したものであり、
前記蛍光強度特定部が、時系列的に相前後する前記マイクロ波がオンのときとオフのときの前記多視点画像に捉えられた前記量子センサの蛍光強度の相対値を前記量子センサの蛍光強度として求める
請求項２に記載の画像解析装置。
【請求項４】
前記試料の多視点画像が、さらに前記マイクロ波を一定周期でオン／オフしながら前記試料を連続撮像したものであり、
前記画像解析装置が、前記多視点画像において前記マイクロ波のオン／オフ周期で明暗する光線を前記量子センサの蛍光光線として識別する蛍光光線識別部をさらに備え、
前記蛍光強度特定部が、前記識別された蛍光光線の強度を求める
請求項２に記載の画像解析装置。
【請求項５】
前記蛍光強度特定部が、前記量子センサの蛍光光線を捉えた複数の要素画像の中から当該蛍光光線が一定以上強いものを選択し、当該選択した要素画像に捉えられた前記量子センサの蛍光光線の画素値を平均化して前記量子センサの蛍光強度を求める
請求項１に記載の画像解析装置。
【請求項６】
前記量子センサが蛍光ナノダイヤモンドである
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の画像解析装置。
【請求項７】
前記物理量が温度である
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の画像解析装置。
【請求項８】
前記量子センサが蛍光ナノダイヤモンドであり、
前記物理量が温度である
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の画像解析装置。
【請求項９】
量子センサを含む試料に前記量子センサが蛍光励起する波長の励起光および前記量子センサが光検出磁気共鳴する周波数のマイクロ波が照射された状態で複眼光学系により撮像された前記試料の多視点画像を解析する画像解析方法であって、
蛍光強度特定部が、前記試料の多視点画像中の複数の要素画像に捉えられた前記量子センサの蛍光光線から前記量子センサの蛍光強度を求めるステップと、
物理量算出部が、前記量子センサの蛍光強度から前記各量子センサが示す物理量を算出するステップと、
を備えた画像解析方法。
【請求項１０】
コンピューターに、量子センサを含む試料に前記量子センサが蛍光励起する波長の励起光および前記量子センサが光検出磁気共鳴する周波数のマイクロ波が照射された状態で複眼光学系により撮像された前記試料の多視点画像を解析させるプログラムであって、
前記試料の多視点画像中の複数の要素画像に捉えられた前記量子センサの蛍光光線から前記量子センサの蛍光強度を求める蛍光強度特定手段、および
前記量子センサの蛍光強度から前記量子センサが示す物理量を算出する物理量算出手段、
としてコンピューターを機能させるプログラム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像解析装置、画像解析方法およびプログラム、ならびに複眼光学系量子計測システムおよび複眼光学系量子計測方法に関し、特に、特定の条件下で蛍光する量子センサが含まれる試料の多視点画像を解析して試料内の物理量を計測する量子計測技術に関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
疾病や細胞の老化・がん化、放射線に対する細胞応答などの現象を理解するには、細胞や分子のわずかな変化に敏感に応答するセンサが必要となる。例えば、細胞内の温度を計測するセンサとして、これまで、タンパク質型、ポリマー型、蛍光低分子型温度計測プローブなどが開発されてきた。このような蛍光を用いた生体イメージングは、細胞や生体内の分子局在やその機能の解析のために欠かせない技術となっている。
【０００３】
生命現象が引き起こす生体内の非常に小さい変化を正確に理解するには細胞や分子のわずかな変化に敏感に応答する超高感度のセンサが必要である。そのようなセンサとして量子効果を利用して磁気、磁場、温度などの物理量を計測する量子センサがあり、中でも、蛍光ナノダイヤモンド（ＦＮＤ：Fluorescent nanodiamond）が細胞イメージングや極微量ウイルス検出などにおける高感度の蛍光標識剤として注目されている。量子センサを用いて細胞内の分子を計測するには、量子センサの大きさが数十ｎｍでは大きすぎるため分子サイズの数ｎｍサイズにする必要がある。本願発明の発明者は、世界最小の数ｎｍサイズのＦＮＤの作成に成功するとともに、ＦＮＤを使用した蛍光イメージングにおいて自家蛍光や夾雑物の蛍光などの背景光が量子センサの蛍光検出の妨げとなるといった欠点を克服し、信号／背景光比（ＳＢＲ値）の向上を実現している（例えば、非特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
Tamami Yanagi, Kiichi Kaminaga, Michiyo Suzuki, Hiroshi Abe, Hiroki Yamamoto, Takeshi Ohshima, Akihiro Kuwahata, Masaki Sekino, Tatsuhiko Imaoka, Shizuko Kakinuma, Takuma Sugi, Wataru Kada, Osamu Hanaizumi, and Ryuji Igarashi, “All-Optical Wide-Field Selective Imaging of Fluorescent Nanodiamonds in Cells, In Vivo and Ex Vivo,”ACS Nano 2021 15 (8), 12869-12879, 2021年8月2日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
量子センサを使用した量子センシングでは、光学系や撮像系の性能などに起因して量子センサの蛍光強度に誤差あるいはばらつきが生じることで、計測される物理量にも誤差が生じてしまう。計測を繰り返し行なってその平均を取ることで計測誤差あるいはばらつきを小さくすることができるが、それでは計測に時間がかかってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、量子センシングにおいて何度も計測を繰り返すことなくより少ない計測回数、好ましくは１回の計測で高い精度で物理量を計測可能にすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の態様１に係る画像解析装置は、量子センサを含む試料に前記量子センサが蛍光励起する波長の励起光および前記量子センサが光検出磁気共鳴する周波数のマイクロ波が照射された状態で複眼光学系により撮像された前記試料の多視点画像を解析する画像解析装置であって、前記試料の多視点画像中の複数の要素画像に捉えられた前記量子センサの蛍光光線から前記量子センサの蛍光強度を求める蛍光強度特定部と、前記量子センサの蛍光強度から前記量子センサが示す物理量を算出する物理量算出部と、を備えている。
【０００８】
本発明の態様２に係る画像解析装置は、前記態様１に係る画像解析装置において、前記試料の多視点画像が、前記マイクロ波の周波数を前記量子センサの光検出磁気共鳴の共鳴周波数前後でスイープさせて前記試料を連続撮像したものであり、前記物理量算出部が、前記量子センサの蛍光強度の変化パターンから前記量子センサの光検出磁気共鳴の共鳴周波数を特定し、当該特定した共鳴周波数に対応する前記物理量を算出する。
【０００９】
本発明の態様３に係る画像解析装置は、前記態様２に係る画像解析装置において、前記試料の多視点画像が、さらに前記マイクロ波を一定周期でオン／オフしながら前記試料を連続撮像したものであり、前記蛍光強度特定部が、時系列的に相前後する前記マイクロ波がオンのときとオフのときの前記多視点画像に捉えられた前記量子センサの蛍光強度の相対値を前記量子センサの蛍光強度として求める。
【００１０】
本発明の態様４に係る画像解析装置は、前記態様２に係る画像解析装置において、前記試料の多視点画像が、さらに前記マイクロ波を一定周期でオン／オフしながら前記試料を連続撮像したものであり、前記画像解析装置が、前記多視点画像において前記マイクロ波のオン／オフ周期で明暗する光線を前記量子センサの蛍光光線として識別する蛍光光線識別部をさらに備え、前記蛍光強度特定部が、前記識別された蛍光光線の強度を求める。
（【００１１】以降は省略されています）

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