細胞アクティブセンシングのための実時間マイクロＰＩＶシステム

• Project Area: Hyper Bio Assembler for 3D Celluler Innovation
• Project/Area Number: 24106509
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 石井 抱 広島大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40282686)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2013: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2012: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: マイクロ計測 / 画像計測

Research Abstract

前年度に構築した実時間マイクロPIV/PTVシステムに対し，高速マイクロ流量制御機能を付加した上で，マイクロ流路内における細胞位置・形状と流れ分布を同時計測し，細胞のダイナミクス・形状特性を捉える細胞アクティブセンシング機能を実現し，その性能評価を行った．
A) 細胞アクティブセンシングのための実時間マイクロ流量制御: 1) 流量制御用アクチュエータのフィードフォワード制御時における制御目標値と，実時間マイクロPIVシステム
により計測された流路内の流れ分布を比較した．2) 計測された流れ分布に基づき，実時間流量ビジュアルフィードバック制御を行った場合の流れの計測精度及び時間応答性を評価した．
B) 高速搬送される細胞に対するマイクロ流路ベースドアクティブセンシング: 1) 径100um前後のウニ卵細胞をマイクロ流路に流した場合に流れ分布と細胞位置・形状が同時計測できることを流速1m/sを超える場合でも確認した．2) ブアン固定したウニ卵細胞と通常のウニ卵細胞をマイクロ流路内に流した場合，細胞の硬さにより、流速に比例した形で円形度に基づく画像特徴量に違いがあり，これらの情報を実時間判別できることを確認した．3) 産卵後の時間経過とともに細胞の硬さが徐々に柔らかくなることを定量的に計測できることを確認した。
C) 高速搬送される細胞に対する瞬時細胞ブロブ解析: 1) B)のシステムに細胞の大きさ、透明度、円形度を瞬時に計算可能とする画像処理機能をハードウェア実装した。2) 受精したウニ卵細胞の成長の時間遷移を統計的かつ実時間解析できることを確認し、セルソーティングに向けた瞬時細胞ブロブ解析を2000fps以上の速度で実現した。3) 構築したシステムの最終的な性能評価を行い、バイオアセンブラのハイスループット化に向けた細胞アクティブセンシングの応用展開について検討した。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A Real-Time Microscopic PIV System Using Frame Straddling High-Frame-Rate Vision (2013)
  • Author(s): Motofumi Kobatake, Tadayoshi Aoyama, Takeshi Takaki, and Idaku Ishii
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: Vol. 25 No.4 Pages: 586-595
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simultaneous Vision-Based Shape and Motion Analysis of Cells Fast-Flowing in a Microchannel (2013)
  • Author(s): Qingy Gu, Tadayoshi Aoyama, Takeshi Takaki, Idaku Ishii
  • Journal Title: IEEE Transactions on Automation Science and Engineering Volume: - Issue: 1 Pages: 204-215
  • DOI: 10.1109/tase.2013.2292583
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Accuracy of Gradient-Based Optical Flow Estimation in High-Frame-Rate Video Analysis (2012)
  • Author(s): Lei Chen
  • Journal Title: IEICE Transactions on Information and Systems Volume: E95.D Issue: 4 Pages: 1130-1141
  • DOI: 10.1587/transinf.E95.D.1130
  • NAID: 10030942254
  • ISSN: 0916-8532, 1745-1361
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Real-Time Optical Flow Estimation Using Multiple Frame-Straddling Intervals (2012)
  • Author(s): Lei Chen
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: 24 Pages: 686-698
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Self-Projected Light-Section Method for Fast Three-Dimensional Shape Inspection (2012)
  • Author(s): Hao Gao
  • Journal Title: International Journal of Optomechatronics Volume: 23 Issue: 1 Pages: 30-45
  • DOI: 10.1109/tcsvt.2012.2202195
  • Peer Reviewed
• [Presentation] フルピクセルマイクロPIVシステムを用いた毛細血管レベルマイクロチャンネルの実時間流れ解析 (2014)
  • Author(s): 小畠 基史, 中村 尚喜, 青山 忠義, 高木 健, 石井 抱
  • Organizer: 第19回ロボティクスシンポジア
  • Place of Presentation: 有馬グランドホテル(兵庫県神戸市）
• [Presentation] A Real-Time Micro-PIV System Using Frame-Straddling High-Speed Vision (2012)
  • Author(s): Motofumi Kobatake
  • Organizer: IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation
  • Place of Presentation: St. Paul (USA)
• [Presentation] 2000-fps Multi-Object Tracking Based on Color Histogram (2012)
  • Author(s): Qingyi Gu
  • Organizer: SPIE Photonics Europe / Real-Time Image and Video Processing
  • Place of Presentation: Brussels (Belgium)
• [Presentation] Fast Tracking System for Multi-colored Pie-Shaped Markers (2012)
  • Author(s): Qingyi Gu
  • Organizer: Proceedings of International Symposium on Optomechatronic Technologies
  • Place of Presentation: Paris (France)
• [Presentation] V字マイクロ流路における流れ分布の実時間計測 (2012)
  • Author(s): 小畠 基史
  • Organizer: ロボティクス・メカトロニクス講演会2012
  • Place of Presentation: 浜松