共焦点顕微鏡の操作を革新

FLUOVIEW Smart™ ソフトウェア登場

直感的なソフトウェアインターフェースとAIにより効率化された次世代ワークフロー

はじめに

共焦点レーザー走査型顕微鏡は、細胞や組織といった生物試料の高解像度な観察や三次元構造の解析を可能にする装置として、現在では生命科学・医学研究の現場において不可欠なツールとなっています。細胞生物学、神経科学、発生学など、さまざまな分野で広く利用されており、研究の質と再現性を支える基盤技術のひとつです。こうした多様なニーズに応えるため、共焦点顕微鏡は年々多機能化が進み、撮影条件の自由度が大きく向上してきました。その一方で、操作系であるソフトウェアインターフェース（SWインターフェース）は複雑化し、特に初心者ユーザーにとっては、設定や操作に時間がかかる、誤操作が起きやすいといった課題が顕在化し研究活動における大きな障壁となっています。

このような課題を解決するためには、ユーザーワークフローを考慮した直感的でシンプルなSWインターフェースの構築が不可欠です。

AI技術による初心者ユーザーの支援

FLUOVIEW Smart™はUXに沿った画面設計によって操作の簡便化を実現するだけでなく、AI技術を活用することで、初心者ユーザーが特に苦労しやすい操作ステップを自動化・最適化し、さらなる支援を提供します。

自動サンプル検出

焦点外の光を除外して断層像を取得する原理上、xyおよびzの一方でも標本位置と合っていない場合に画面に何も表示されず、初心者にとってはどの位置に標本があるか見当がつかず探索が困難となります。画像が表示されないことが装置の不具合に由来するものか、設定に由来するものかを識別できないため。しばしば管理者への問い合わせに繋がることもあります(図4)。

この課題に対し、生命科学分野でのAI開発にて実績のあるEpistra社とエビデントが共同開発した画像認識アルゴリズムにより、顕微鏡を標本探索に最適な状態に切り替え、標本の存在領域を自動で特定します。初心者にとって難度の高かった標本探索をより簡便に短時間で完了します。図5に標本位置推定における全体の処理フローを示します。本システムは、低倍率の対物レンズ(4x)で粗くZ軸およびXY軸の位置合わせを行い、その後に高倍率の対物レンズ(10x)で微調整を行うという、エキスパートユーザーによる標本探索手順を模倣する形で設計されています。具体的には、以下の４つのステップを順に実行することで最適な標本位置を自動的に特定します。

Zサーチ（4X）

4x対物レンズを用いた逐次探索*で、探索範囲内における最適なZ位置を粗く特定するステップです。各候補Z位置で撮像を行い、取得した画像に対してAIがフォーカススコアを評価します。その結果に基づき次に探索するZ位置を更新するという試行錯誤を自律的に繰り返し、最終的にフォーカススコアが最大となるZ座標に撮影位置を収束させます。なお、Z探索範囲は、ウィザードにおけるユーザーの選択に基づいて適切に設定されます。

XYサーチ（4倍）

4x対物レンズで取得された画像において、局所輝度が最も高い領域が画面中心に位置するように、XYステージを移動させるステップです。この処理に先立ち、定型異物（例：容器端など）の検知処理が実施され、画面内に異物が認められた場合には、システムが異物検知アラートを出して、処理を停止します。ユーザーはこのアラートに基づき、サンプルのXY位置を手動で調節するなどの対応を行うことができます。

Zサーチ（10倍）

10x対物レンズに切り替え、逐次探索で、探索範囲内における最適なZ位置を特定するステップです。この際、Z探索範囲は、x4で得た最適Z位置、とx4レンズのZ解像度に基づいて決定されます。

XY-SEARCH (10X)

10対物レンズで取得された画像において、局所輝度が最も高くなる場所が画面中心になるようにXYステージを移動させるステップです。本プロセス終了後、システムはその時点の顕微鏡画像をユーザーに提示し、探索処理を完了します。

*逐次探索:一定の探索範囲内を撮像と評価を繰り返すことで効率的に探索し、標本位置を特定する方策。アルゴリズムとしてはベイズ最適化をベースにした方法を採用しています。

検出器感度を高めるとノイズが増え、レーザー強度を高めるとサンプルを損傷する恐れがあるというジレンマに初心者は頻繁に直面します。

イメージング条件の最適化

通常共焦点レーザー走査型顕微鏡においては、検出器感度とレーザーパワーのトレードオフがあり、適切な設定を見つけるまでに試行錯誤が必要となります。初心者は感度を上げすぎるとノイズが増え、レーザーパワーを上げすぎると標本が損傷するというジレンマの中で撮像設定を決める必要があり、しばしば設定に時間を要してしまいます。

一方、エビデントでは自社独自で開発した次世代検出器「SilVIR」によって検出器感度を調整する必要がなく、ユーザーが調整すべき主なパラメータが減り、よりシンプルな操作を実現しています。これにより、「適切なコントラストを得るためのレーザーパワー設定」が、撮影品質を左右する最重要ポイントとなっています。

FLUOVIEW Smartでは、リアルタイムの画像解析と機械学習による推定に基づき、最適なレーザーパワーを自動で決定します。ユーザーは、標本へのダメージとコントラストの優先度に応じてモードを選択することで、ニーズに適した設定を簡便に適用できます。

処理の全体フローは以下の通りです。

モード選択

ユーザーは、標本へのダメージとコントラストの優先度に応じて、Gentle/Balanced/Quality の3つのモードから1つを選択します。

レーザーパワー自動調整:

ユーザーが実行ボタンをクリックすると、システムは最適なレーザーパワーを自動で設定し、処理を完了します。機能実行中は、以下の処理が装置内部で行われます。

• 4枚の画像が異なるレーザーパワーで撮影されます。
• 各画像について、画質の指標となるAIスコアを算出(図7. 手順 1-3)AIスコアをグラフ化
• 選択されたモードに基づいて最適なレーザーパワーを推定(図 7. 手順4)