JP2024068067A - Magnetic Microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、細胞研究で使用される光学顕微鏡で観察されている細胞の構造や動きと同時に、細胞集合体内から発する磁界と磁界を生み出す素である電流素片を測定することによって、細胞集合体全体の活力を観察する磁気顕微鏡に関する。 The present invention relates to a magnetic microscope that observes the vitality of an entire cell aggregate by measuring the magnetic field emanating from within the cell aggregate and the electric current fragments that generate the magnetic field, while at the same time observing the structure and movement of the cells using an optical microscope used in cell research.
iPS細胞などの細胞の生育観察を行う場合、光学顕微鏡による細胞体の形態変化や運動観察に加えて、細胞集合体内に流れる電流素片を観察して、細胞集合体全体の活力を観察することが求められている。 When observing the growth of cells such as iPS cells, in addition to observing the morphological changes and movement of the cell body using an optical microscope, it is necessary to observe the vitality of the entire cell aggregate by observing the electric current fragments flowing within the cell aggregate.
しかし、細胞の大きさは20μm程度でその集合体の大きさは5mm以下である。このような微細な細胞内に流れる電流から発する磁界を測定して、電流素片の強さと方向からその細胞の活力が予測される。しかし、現在そのような微細な細胞内に流れる電流素片を測定できる磁気顕微鏡は知られていない。
ここで、磁気顕微鏡とは、微小な細胞から発する微小な磁界を検出し、細胞形状に即して、そのサイズを倍率100倍から1000倍に増幅して、磁界の分布または磁界の素となる電流素片の分布を観察する装置であると定義することができる(図1)。
However, the size of a cell is about 20 μm, and the size of the aggregate is less than 5 mm. By measuring the magnetic field emitted from the current flowing in such a minute cell, the vitality of the cell can be predicted from the strength and direction of the current element. However, there is currently no known magnetic microscope that can measure the current element flowing in such a minute cell.
Here, a magnetic microscope can be defined as a device that detects tiny magnetic fields emitted from tiny cells, amplifies the size of the magnetic fields by 100 to 1000 times in accordance with the shape of the cells, and observes the distribution of the magnetic field or the distribution of electric current fragments that are the source of the magnetic field (Figure 1).
なお、磁気センサを利用した細胞評価装置が、特許文献1に開示されている。その文献の図17に直径20μmのアモルファスワイヤを80μm間隔で碁盤目状構造に配置し、各ワイヤの両端から高周波交流電流を通電して両端の電圧からアモルファスワイヤのインピーダンスを測定して、ワイヤの交点の磁界HxまたはHyを測定することができると記載されている。
しかし、磁気インピーダンスセンサは、ワイヤ両端に電圧をかけて交流電流を通電した時に、流れるワイヤに係る磁界の平均値をとるものであって、交点の磁界を単独に測定できないことは理論的に明らかである。事実、本発明を裏付ける論文は発表されていないし、製品も販売されていない。
Incidentally, a cell evaluation device using a magnetic sensor is disclosed in
However, the magnetic impedance sensor measures the average value of the magnetic field associated with the flowing wire when a voltage is applied to both ends of the wire and an AC current is passed through it, and it is theoretically clear that it cannot measure the magnetic field at the intersection point alone. In fact, no papers supporting this invention have been published, and no products are on the market.
発明者は、おそらくグリッド(i,j)番目に素子を配置して、i番目のワイヤからj番目のワイヤに交流電流が流れるようにスイッチ操作をして、(i,j)番目に配置した素子だけを駆動させるグリッドセンサ、この種のタイプのセンサは広く知られているが、その技術と勘違いしているように思われる。つまり、2mm間隔以下の碁盤目状に磁気センサが配置された磁気グリッドセンサは、いまだ開発されていない。 The inventor appears to be mistaken in thinking that this type of sensor, which is a grid sensor in which an element is placed at the (i,j)th position of a grid and a switch is operated so that an AC current flows from the i-th wire to the j-th wire, driving only the (i,j)-th element, is widely known. Although this type of sensor is widely known, the inventor appears to be mistaken in thinking that this technology is not yet developed. In other words, a magnetic grid sensor in which magnetic sensors are placed in a checkerboard pattern with intervals of 2 mm or less has not yet been developed.
細胞から発する磁界は細胞直上で10nT以下程度と考えられる。特許文献1によると1nT以下と説明しているが、センサの測定位置が細胞体から900μmと離れているが、本発明は300μm以下を想定しており、発生する磁界が距離の自乗に反比例することから、両者の見解は整合していると言える。
The magnetic field emitted from a cell is thought to be about 10 nT or less directly above the cell.
その磁界を検出するための磁気センサ素子のサイズは、細胞のサイズを考慮すると、10μm~500μm程度が求められる。現在知られているGSRセンサは、長さ500μmの場合には検出力は15nT程度であり、上記要求を満たす小型で高感度の磁気センサは知られていない。しかもこの磁気センサ素子をX軸とY軸にグリッド上に緻密に多数個グリッド状に配置する製造技術も確立されていない。 Taking into account the size of the cells, the size of the magnetic sensor element required to detect this magnetic field should be approximately 10 μm to 500 μm. Currently known GSR sensors have a detection power of approximately 15 nT when the sensor is 500 μm long, and no small, highly sensitive magnetic sensor that meets the above requirements is known. Furthermore, the manufacturing technology for densely arranging a large number of these magnetic sensor elements in a grid on the X and Y axes has not yet been established.
小型で高感度な磁気センサとそれを使った磁気センサグリッドを開発して、磁気顕微鏡の開発が求められている。なお、磁気顕微鏡に関する先行技術文献について、j-platpatによる検索では見出ことができなかった。 There is a need to develop a small, highly sensitive magnetic sensor and a magnetic sensor grid using this sensor, in order to develop a magnetic microscope. However, a search using j-platpat did not reveal any prior art literature on magnetic microscopes.
特許第5526384号公報
Patent No. 5526384
本発明は、20μmサイズの細胞から発する磁界を測定し、細胞内に発生する微小な磁界とその素となる電流素片を観察することによって細胞の活力を計測するものである。 The present invention measures the magnetic field emitted from a 20 μm-sized cell, and measures the vitality of the cell by observing the tiny magnetic field generated within the cell and the electric current fragment that is the source of the magnetic field.
本発明者は、小型GSRセンサを開発し、その素子をX軸とY軸に沿った碁盤目状の複数列のグリッド線上に、各列に沿って複数個配置すれば20μm程度大きさの細胞を観察する磁気顕微鏡を発明できるのではとの考えを思いついた。 The inventor came up with the idea that if he developed a small GSR sensor and arranged multiple elements along each row of grid lines in a checkerboard pattern along the X and Y axes, he could invent a magnetic microscope capable of observing cells about 20 μm in size.
具体的には、光学顕微鏡で観察中のシャーレの下側に、X軸とY軸に沿って碁盤目状に多数の磁気センサを配置した磁気センサグリッドを取り付けて、微小磁界を測定し、その測定値から電流素片を算出すれば、細胞レベルの微小磁界と電流素片と細胞の活性度がリアルタイムで測定できるのではとの着想であった。そして、その実用可能性の検討を行った結果、以下の6つの課題が横たわっていることに思い至った。 Specifically, the idea was that if a magnetic sensor grid with numerous magnetic sensors arranged in a checkerboard pattern along the X and Y axes were attached to the underside of a petri dish being observed under an optical microscope, the micromagnetic field could be measured, and a current element calculated from the measured value, then it would be possible to measure the micromagnetic field, current element, and cell activity at the cellular level in real time. After examining the feasibility of this, the researchers came to the conclusion that the following six challenges lay ahead.
そのための技術開発課題として、
第1の課題は、検出力が1pT~10nT程度で、サイズが10μm~2mm以下の磁気センサを開発することである。具体的には現状のGSRセンサの小型化と高性能化を図ることであるが、磁気センサの検出力はサイズに比例し、両者の間には背反性が存在し、両特性を同時に改善するのは難しい課題である。
The technological development issues for this purpose are:
The first challenge is to develop a magnetic sensor with a detection power of about 1 pT to 10 nT and a size of 10 μm to 2 mm or less. Specifically, the goal is to reduce the size and improve the performance of current GSR sensors, but the detection power of a magnetic sensor is proportional to its size, and there is a trade-off between the two, making it difficult to improve both characteristics at the same time.
第2の課題は、ASIC基板の上に、磁気センサ素子をX軸とY軸に沿ってグリッド上に100個~400万個程度配置する技術を開発することである。なお素子の数は、40倍~1,000倍の倍率および10mm径~50mm径程度の測定面積によって選択すべき課題である。 The second challenge is to develop technology to arrange 100 to 4 million magnetic sensor elements in a grid along the X and Y axes on an ASIC board. The number of elements should be selected based on the magnification of 40 to 1,000 times and the measurement area of about 10 mm to 50 mm in diameter.
第3の課題は、電流素片から発する磁界を磁気センサグリッドで測定し、それから細胞集合体に流れる電流素片分布および磁界分布の等高線図を計算して、イメージ画像をスクリーンに表示するプログラムを開発する課題である。 The third task is to develop a program that uses a magnetic sensor grid to measure the magnetic field emitted by the current element, calculates contour maps of the current element distribution and magnetic field distribution flowing through the cell aggregate, and displays an image on a screen.
第4の課題は、超高密度に配置された磁気センサグリッドを使って、イメージ画像の画素の大きさを20μm程度とし、磁界分布の分解能を1μm程度にして、倍率1,000の磁気顕微鏡を開発することである。 The fourth challenge is to develop a magnetic microscope with a magnification of 1,000, using a magnetic sensor grid arranged at an ultra-high density to achieve an image pixel size of about 20 μm and a magnetic field distribution resolution of about 1 μm.
第1の課題については、磁気センサとして、GSRセンサを採用した。コイルピッチを0.1μm~3μmとし、および磁性ワイヤの本数を必要に応じて複数本設置することで、コイル巻き数を150回~2,000回として、検出力は1pT~50pTと高感度化する。GSRセンサを小型で高感度化を実現することでこの問題を解決できる。GSRセンサ素子を図2に示す。 For the first issue, a GSR sensor was used as the magnetic sensor. By setting the coil pitch to 0.1 μm to 3 μm and installing multiple magnetic wires as necessary, the number of coil turns can be set to 150 to 2,000, and the detection power can be increased to 1 pT to 50 pT, making it highly sensitive. This problem can be solved by making the GSR sensor small and highly sensitive. The GSR sensor element is shown in Figure 2.
ここで、GSRセンサについては、本発明者による特許公報第5839527号公報に詳細に記載されており、本発明において引用する。GSRセンサは、基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤとそれに巻回した周回コイルで形成した検出用コイルと磁性ワイヤ通電用の電極2個とコイル電圧検出用電極2個の電極を接続する配線で構成されるGSR素子、およびその磁性ワイヤにGHzの周波数を持つパルス電流を流す手段とパルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知し、コイル電圧を外部磁界Hに変換する電子回路とからなる超高感度マイクロ磁気センサである。 The GSR sensor is described in detail in Patent Publication No. 5839527 by the present inventor, and is cited in the present invention. The GSR sensor is an ultra-sensitive micromagnetic sensor that includes a GSR element that is composed of a conductive magnetic field detection magnetic wire on a substrate, a detection coil formed of a circular coil wound around the magnetic wire, two electrodes for passing current through the magnetic wire, and wiring that connects two electrodes for detecting the coil voltage, a means for passing a pulse current with a GHz frequency through the magnetic wire, and an electronic circuit that detects the coil voltage generated when the pulse current is passed through the magnetic wire and converts the coil voltage into an external magnetic field H.
第2の課題については、多数個の素子をASIC基板の上に形成し、磁性ワイヤをX軸とY軸に沿って碁盤目状に貼り、そこにコイル配線と電極配線を焼き付ける技術を利用して、この課題を解決した。ASICと多数個の素子とはベアホールを使って接合した。ASICは、多数個の素子に対応して、素子1個に対応して多数個使用してもよいし、チャンネルの切り替え機能を有する多数個の素子を制御するASICを使用してもよい。磁気センサ素子グリッドを図3~図5に示す。
図3は磁気センサ素子グリッドの上面図、図4(図4A、図4B、図4C)は磁気センサ素子グリッドの単位素子の構造の平面図、図5(図5A、図5B、図5C)は
磁気センサ素子グリッドの断面図を示している。
The second problem was solved by forming multiple elements on an ASIC board, attaching magnetic wires in a grid pattern along the X and Y axes, and then baking coil wiring and electrode wiring onto the wires. The ASIC and multiple elements were connected using via holes. Multiple ASICs may be used to correspond to multiple elements, or multiple ASICs may be used to control multiple elements with channel switching functions. The magnetic sensor element grid is shown in Figures 3 to 5.
FIG. 3 is a top view of the magnetic sensor element grid, FIG. 4 (FIGS. 4A, 4B, and 4C) is a plan view of the structure of a unit element of the magnetic sensor element grid, and FIG. 5 (FIGS. 5A, 5B, and 5C) is a cross-sectional view of the magnetic sensor element grid.
磁界の測定値としては、X軸素子とY軸素子の多数個の交点の磁界、図4A(aー1)はHz、図4A(aー2)はHx,図4A(aー3)はHyを計測し、それらの値をグリッドの磁界として、磁界分布および電流素片分布を計算することにした。すなわち、Hz=(Hz1+Hz2+Hz3+Hz4)/4、Hx=(Hx1+Hx2+Hx3+Hx4)/4、Hy=(Hy1+Hy2+Hy3+Hy4)/として求めた。 The magnetic field measurements were taken at the numerous intersections of the X-axis and Y-axis elements, Hz in Figure 4A (a-1), Hx in Figure 4A (a-2), and Hy in Figure 4A (a-3), and these values were used as the magnetic field of the grid to calculate the magnetic field distribution and current element distribution. In other words, they were calculated as Hz = (Hz1 + Hz2 + Hz3 + Hz4)/4, Hx = (Hx1 + Hx2 + Hx3 + Hx4)/4, and Hy = (Hy1 + Hy2 + Hy3 + Hy4)/.
グリッド素子基板の上面を平坦にして、その平坦面を細胞観察用シャーレの細胞液側の基板面に直接接触させて、観察用細胞から素子までの距離を300μm以下として、細胞から発する微小磁界の測定を容易にすることである。観察用細胞から素子までの距離が小さければ小さいほど良い。 The top surface of the grid element substrate is flattened, and the flat surface is brought into direct contact with the substrate surface on the cell fluid side of the cell observation dish, making the distance from the cell to the element 300 μm or less, facilitating the measurement of the micromagnetic field emitted from the cell. The shorter the distance from the cell to the element, the better.
第3の課題については、観察前に、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して初期の磁界測定値mHij(→)(b)を求め、その値をX軸とY軸平面上のグリッドサイズに対応した磁界分布として表示する。 For the third problem, before observation, the magnetic field at the sensor grid position (i, j) is measured to obtain the initial magnetic field measurement value mH ij (→) (b), and this value is displayed as a magnetic field distribution corresponding to the grid size on the X-axis and Y-axis plane.
次にシャーレに細胞を設置してから、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して磁界測定値mHij(→)(a)を求め、そこからmHij(→)(b)を差し引いて、測定値とする。すなわち、mHij(→)=mHij(→)(a)-mHij(→)(b)となる。 Next, after placing a cell in the petri dish, the magnetic field at the sensor grid position (i, j) is measured to obtain the magnetic field measurement value mH ij (→)(a), and mH ij (→)(b) is subtracted from the magnetic field measurement value to obtain the measurement value. In other words, mH ij (→)=mH ij (→)(a)-mH ij (→)(b).
この値を細胞集合体内の電流素片Idsから発する磁界と考え、磁気センサ素子グリッドの(i,j)番の位置にある磁気センサで測定してその測定値をmHij(→)とし、mHij絶対値の等高線図を作成し、mHij(→)のピークから電流素片Idsの位置P(x,y,z)とmHij(→)のピークの山の広がりから電流素片Ids(→)の長さを仮定して、細胞集合体内に電流素片Idsが存在しているとする。ピークの箇所がk個ある場合、k個の電流素片Idsがあると仮定して計算のモデルを作成する。 This value is considered to be the magnetic field emanating from the current element Ids within the cell aggregate, and measured by a magnetic sensor at the (i, j)th position of the magnetic sensor element grid, the measured value is taken as mH ij (→), a contour map of the absolute value of mH ij is created, and the position P(x, y, z) of the current element Ids from the peak of mH ij (→) and the length of the current element Ids (→) are assumed from the spread of the mountain of the peak of mH ij (→), and it is assumed that the current element Ids exists within the cell aggregate. If there are k peak locations, a calculation model is created assuming that there are k current elements Ids.
次に、k番目の電流素片Ikdsk(→)の位置Pk(xk,yk,zk)とし、磁界の測定位置Gij(x1j,y1j,0)として、前記電流素片位置Pk(xk,yk,zk)と前記測定位置Gij(x1j,y1j,0)との距離Rijk(→)とすると、
k番目の前記電流素片Ikdsk(→)が前記測定位置G(i,j)番の位置に作る磁界は、Hijk(→) =1/4πRijk3×Ikdsk(→)×Rijk(→)の基本方程式から求めることができるので、それらの磁界を加算して、前記磁気センサグリッドの前記測定位置G(i,j)番の位置に作る理論値tHij(→)は、tHij(→)=ΣtHijk(→)とする。(Σは、kを1からn個加算する。)
Next, the kth current element IkdskPosition P of (→)k(xk,yk,zk), and the magnetic field measurement position Gij(x1j,y1j, 0), and the current element position Pk(xk,yk,zk) and the measurement position Gij(x1j,y1j, 0) is Rijk(→),
The kth current element IkdskThe magnetic field that (→) creates at the measurement position G(i,j) is Hijk(→) = 1/4πRijk3×IkdskSince the magnetic fields can be calculated from the basic equation of (→) × Rijk(→), the theoretical value tH created at the measurement position G(i, j) of the magnetic sensor grid is calculated by adding up the magnetic fields.i.j.(→) is tHi.j.(→) = ΣtHijkLet (→). (Σ adds k from 1 to n.)
両者の誤差をeij(→)=mHij(→)-tHij(→)とし、 誤差関数Eij=Σ(eij)2を作成し、
Ik(→)の向きについては、XY軸平面に対して、傾斜角をφkとして、X軸に対する角度をθkとし、この誤差関数からガウスニュートン法で誤差関数を偏微分して、7k個の連立方程式を導出し、Ikの絶対値とdskとθkとφkおよびXk、Yk、Zkとからなる7k個の連立方程式を求め、その式から7k個の未知数を求め、細胞集合体に流れる多数個の電流素片を計算し、その結果を用いて電流素片の分布図を作成し、スクリーンに表示することである。
Let the error between the two be e ij (→) = mH ij (→) - tH ij (→), and create the error function E ij = Σ(e ij ) 2 .
Regarding the direction of Ik (→), the inclination angle with respect to the XY-axis plane is φk and the angle with respect to the X-axis is θk . From this error function, partial differentiation of the error function is performed using the Gauss-Newton method to derive 7k simultaneous equations, and 7k simultaneous equations consisting of the absolute value of Ik , dsk , θk , φk , Xk , Yk , and Zk are obtained. 7k unknowns are found from these equations, and a large number of current elements flowing through the cell aggregate are calculated. The results are used to create a distribution map of the current elements and displayed on the screen.
ここで、各ベクトル物理量のベクトル表示は(→)を添付することにした。
磁気顕微鏡の磁界測定値から求めた磁界分布図を図6に示し、電流素片を求める計算プログラムのフローチャートを図7に示す。
なお、本発明は磁気顕微鏡の構成を旨としたものなので、誤差関数から電流素片ベクトルを算出する方法は上記方法に限られるものではない。
Here, we have decided to affix (→) to the vector representation of each vector physical quantity.
FIG. 6 shows a magnetic field distribution map obtained from magnetic field measurements taken with a magnetic microscope, and FIG. 7 shows a flow chart of a calculation program for obtaining a current element.
It should be noted that the present invention is directed to the configuration of a magnetic microscope, and the method of calculating the current element vector from the error function is not limited to the above method.
第4の課題については、センサグリッドの単位素子において、コイルピッチを0.1μmとして、素子の長さ10μm、磁性ワイヤの本数を2本とし、コイル巻き数を180回とすることで、センサグリッドの画素を10μm×10μmとする。磁気センサの検出力は5pTを確保する。これらの測定値から、磁界分布図を作成すると、磁界分布図の画素は1μm程度となり、倍率1000倍の磁気顕微鏡を得ることができる。 For the fourth issue, in the unit element of the sensor grid, the coil pitch is set to 0.1 μm, the element length is 10 μm, the number of magnetic wires is set to two, and the number of coil windings is set to 180, resulting in a pixel of the sensor grid of 10 μm x 10 μm. The detection power of the magnetic sensor is ensured to be 5 pT. If a magnetic field distribution map is created from these measured values, the pixel of the magnetic field distribution map will be approximately 1 μm, and a magnetic microscope with a magnification of 1000 times can be obtained.
次に、光学顕微鏡で観察した細胞の形状図の上に、磁気顕微鏡で測定した電流素片分布を重ねて、その画像をスクリーンに表示することにした。これによりリアルタイムで細胞の機械的運動と形状変化の動きと各細胞の活性化度の両方を容易に観察できるようにすることができる。
光学顕微鏡と磁気顕微鏡を一体としたイメージを図8に示し、それぞれの観察結果(磁気顕微鏡はイメージ図)を図9に示す。
Next, we superimposed the current distribution measured by the magnetic microscope on the shape of the cells observed by the optical microscope and displayed the image on a screen, which makes it easy to observe both the mechanical movement and shape change of the cells, as well as the activation level of each cell, in real time.
FIG. 8 shows an image of the combined optical microscope and magnetic microscope, and FIG. 9 shows the results of each observation (the magnetic microscope is an image).
なお、磁界分解空間能を光学顕微鏡の分解能に一致させるために、離散的に測定した磁界測定値の中間の磁界は、補間法により磁界分布を関数近似して、その中間の位置での磁界の値を求めることにした。この補間法により、グリッド間隔の1/20程度の磁界空間分解能を得ることができる。
電流素片の位置精度は、電流素片の位置を算出するプログラムから、理論的にグリッド間隔の1/20程度の精度となることを確認した。
In order to make the spatial resolution of the magnetic field equal to the resolution of an optical microscope, the magnetic field at the intermediate position between the discretely measured magnetic field values is calculated by functionally approximating the magnetic field distribution using an interpolation method. This interpolation method can obtain a spatial resolution of the magnetic field of about 1/20 of the grid interval.
It was confirmed that the positional accuracy of the current element was theoretically about 1/20 of the grid interval, based on a program for calculating the position of the current element.
以上の4つの解決策を組み合わせて、磁気顕微鏡を発明することができた。
なお、本発明は、小型かつ高感度の磁気センサを対象としており、GSRセンサに限るものでない。このことはその構成から明白である。
By combining these four solutions, we were able to invent the magnetic microscope.
It should be noted that the present invention is directed to a small, highly sensitive magnetic sensor and is not limited to a GSR sensor, as is apparent from the configuration.
本発明により、細胞観察に細胞の活力度合いを観察できるようになる。しかも光学顕微鏡と一体化することで形状とその動きの様子と個々の細胞の活力がリアルタイムかつ同時に測定することができるようになり、細胞の研究の基本ツールになることが期待される。 This invention makes it possible to observe the degree of cell vitality when observing cells. Moreover, by integrating it with an optical microscope, it becomes possible to simultaneously measure the shape, movement, and vitality of individual cells in real time, and it is expected to become a basic tool in cell research.
本発明の第1実施形態は、以下の通りである。
細胞観察用シャーレの細胞液側の基板面に設置された磁気センサ素子グリッドと、
磁気センサ素子グリッドで、細胞内に流れる電流素片から生じる微小磁界に対応するグリッド電圧を検知して、グリッド電圧をグリッド磁気信号に変換する信号処理回路と、
磁気センサ素子グリッドは、センサグリッド基板上のX軸とY軸に沿った碁盤目状の交点の位置に、厳密には交点を挟んだ4か所に磁気センサ素子を配置して、交点の位置の磁界を測定し、
グリッド磁界の値を磁界等高線図として表示する表示装置とを備えていることを特徴とする磁気顕微鏡である。
A first embodiment of the present invention is as follows.
A magnetic sensor element grid is provided on a substrate surface on the cell fluid side of a petri dish for cell observation;
a signal processing circuit that detects a grid voltage corresponding to a minute magnetic field generated by a current element flowing inside a cell using a magnetic sensor element grid and converts the grid voltage into a grid magnetic signal;
The magnetic sensor element grid is a grid of magnetic sensor elements arranged at the intersections of a checkerboard pattern along the X-axis and Y-axis on a sensor grid substrate, or more precisely, at four locations on either side of each intersection, to measure the magnetic field at the intersections.
and a display device that displays the value of the grid magnetic field as a magnetic field contour map.
また、磁気顕微鏡の磁気センサ素子は、
Hz磁界、Hx磁界、Hy磁界のいずれか1磁界を測定する1軸素子からなることを特徴とする。
In addition, the magnetic sensor element of the magnetic microscope is
It is characterized by comprising a single-axis element for measuring one of the magnetic fields, Hz magnetic field, Hx magnetic field, and Hy magnetic field.
また、磁気顕微鏡の磁気センサ素子は、
Hx磁界およびHy磁界を測定する2軸素子からなることを特徴とする。
In addition, the magnetic sensor element of the magnetic microscope is
It is characterized by comprising a two-axis element for measuring the Hx magnetic field and the Hy magnetic field.
また、磁気顕微鏡の磁気センサ素子は、
Hx磁界、Hy磁界およびHz磁界を測定する3軸素子からなることを特徴とする。
In addition, the magnetic sensor element of the magnetic microscope is
It is characterized by comprising a three-axis element for measuring the Hx magnetic field, the Hy magnetic field and the Hz magnetic field.
また、磁気顕微鏡は、
グリッド磁界の値から細胞内に流れる前記電流素片を計算するプログラムおよびその値をイメージ画像としてスクリーンに表示する装置とからなることを特徴とする。
In addition, the magnetic microscope
The present invention is characterized by comprising a program for calculating the current element flowing within a cell from the value of the grid magnetic field, and a device for displaying that value as an image on a screen.
また、磁気顕微鏡は、
観察前に、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して初期の磁界測定値mHij(→)(b)を求め、その値をX軸とY軸平面上のグリッドサイズに対応した磁界分布として表示する。
In addition, the magnetic microscope
Before observation, the magnetic field at the sensor grid position (i, j) is measured to obtain an initial magnetic field measurement value mH ij (→) (b), which is then displayed as a magnetic field distribution corresponding to the grid size on the X-axis and Y-axis plane.
次にシャーレに細胞を設置してから、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して磁界測定値mHij(→)(a)を求め、そこからmHij(→)(b)を差し引いて、測定値mHij(→)とする。すなわち、測定値mHij(→)=mHij(→)(a)-mHij(→)(b)となる。 Next, after placing a cell in the petri dish, the magnetic field at the sensor grid position (i, j) is measured to obtain the magnetic field measurement value mH ij (→)(a), from which mH ij (→)(b) is subtracted to obtain the measurement value mH ij (→). In other words, the measurement value mH ij (→)=mH ij (→)(a)-mH ij (→)(b).
この測定値mHij(→)を細胞集合内の電流素片から発する磁界と考え、磁気センサ素子グリッドの(i,j)番の位置にある磁気センサで測定してその測定値をmHij(→)とし、mHij絶対値の等高線図を作成し、
mHij(→)のピークから電流素片Idsの位置P(x,y,z)を仮定し、前記mHij(→)のピークの山の広がりから電流素片Idsの長さdsを仮定して、前記細胞集合内にk個の電流素片Ids(kは1からn個)が存在しているとの計算モデルを作成する。
This measured value mH ij (→) is considered to be the magnetic field emitted from the current element in the cell aggregate, and is measured by the magnetic sensor at the (i, j)th position of the magnetic sensor element grid. The measured value is taken as mH ij (→). A contour map of the absolute value of mH ij is then created.
A computational model is created in which the position P(x, y, z) of the current fragment Ids is assumed from the peak of mH ij (→), and the length ds of the current fragment Ids is assumed from the spread of the peak of mH ij (→), and k current fragments Ids (k is 1 to n) are present within the cell population.
次に、k番目の電流素片Ikdskの位置Pk(xk,yk,zk)とし、磁界の測定位置Gij(xij,yij,0)として電流素片位置Pk(xk,yk,zk)と磁界測定位置Gij(xij,yij,0)との距離Rijkとすると、
k番目の電流素片Ikdskが作る磁界は、Hijk(→)=1/4πRijk
3×Ikdsk(→)×Rijk(→)の方程式から求めることができるので、1からn個の磁界を加算して、前記磁気センサグリッドの測定位置Gij(i,j)の位置に作る理論値tHij(→)とし、
両者の誤差をeij(→)=mHij(→)-tHij(→)とし、
誤差関数Eij=Σ(eij)2を作成する。
Next, let Pk ( xk , yk , zk ) be the position of the k -th current element Ikdsk , Gij ( xij , yij ,0) be the measurement position of the magnetic field, and Rijk be the distance between the current element position Pk ( xk , yk , zk ) and the magnetic field measurement position Gij ( xij , yij ,0), then
The magnetic field generated by the k -th current element Ikdsk can be obtained from the equation Hijk (→) = 1/ 4πRijk3 × Ikdsk ( →)× Rijk (→), so by adding up
The error between the two is e ij (→) = mH ij (→) - tH ij (→),
Create the error function E ij =Σ(e ij ) 2 .
Ik(→)の向きについては、XY軸平面に対して、傾斜角をφkとして、X軸に対する角度をθkとし、
この誤差関数からIkとdskとθkとφkおよびXk、Yk、Zkに関する7k個の連立方程式を求め、その式から未知数を求め、
細胞集合体に流れるk個の電流素片を計算し、その結果を用いて電流素片の分布図を作成し、スクリーンに表示することを特徴とする。
Regarding the direction of I k (→), the inclination angle with respect to the XY-axis plane is φ k , and the angle with respect to the X-axis is θ k .
From this error function, 7k simultaneous equations related to Ik , dsk , θk , φk , Xk , Yk , and Zk are obtained, and unknowns are obtained from the equations.
The system calculates k current elements flowing through a cell aggregate, and uses the results to create a distribution map of the current elements, which is then displayed on the screen.
以下、発明の実施形態について、図1~図9を用いて詳細に説明する。
<磁気顕微鏡>
図1に磁気顕微鏡を構成する磁気センサ素子グリッドと被検体の細胞(細胞集合体)との位置関係を示す。なお、磁気顕微鏡は磁気センサ素子で検出した磁界の信号を変換する信号処理回路および表示装置等からなる。
磁気センサ素子グリッド10は、多数個の磁気センサ素子101からなる。
シャーレ(細胞観察用)11に細胞(細胞集合体)12を載置し、その上に磁気センサ素子グリッド10を設置する。または、図1に示すように磁気センサ素子グリッド10の上にシャーレ11を設置してもよい。
両者の位置関係は、観察する細胞(細胞集合体)のサイズ・体積と磁気センサ素子グリッドの検出能、さらに光学顕微鏡との組み合わせにより任意に選択できる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
<Magnetic microscope>
The positional relationship between the magnetic sensor element grid that constitutes the magnetic microscope and the cells (cell aggregates) of the specimen is shown in Fig. 1. The magnetic microscope is also composed of a signal processing circuit that converts the magnetic field signals detected by the magnetic sensor elements, a display device, etc.
The magnetic
Cells (cell aggregates) 12 are placed on a petri dish (for cell observation) 11, and a magnetic
The positional relationship between the two can be arbitrarily selected depending on the size and volume of the cell (cell aggregate) to be observed, the detection capability of the magnetic sensor element grid, and further on the combination with an optical microscope.
<磁気センサ>
磁気センサとして、GSRセンサを採用する。そのGSR素子の基本構造を図2に示し、磁気センサ素子グリッドの構造を図3~図5に示して説明する。
磁性ワイヤ22の直径は、1μm~10μmとする。検出コイル23のコイルピッチは0.1μm~3μmとし、コイル幅は3μm~30μmとする。磁性ワイヤの本数は、必要に応じて1本~8本とする。
なお、磁気顕微鏡を構成する磁気センサとして、サイズおよび性能の点から磁気顕微鏡として特性を発揮できる場合には、GSRセンサに限定されるものではない。
<Magnetic sensor>
A GSR sensor is used as the magnetic sensor. The basic structure of the GSR element is shown in Fig. 2, and the structure of the magnetic sensor element grid is shown and explained in Figs.
The diameter of the
It should be noted that the magnetic sensor constituting the magnetic microscope is not limited to the GSR sensor, so long as it can exhibit the characteristics required for a magnetic microscope in terms of size and performance.
磁気センサ素子グリッド3の単位素子(磁気センサ素子)32のサイズは、10μm~1mmである。
単位素子32のサイズが10μmの場合は、コイルピッチは0.1μmとし、コイル幅は3μmとし、磁性ワイヤ本数は2本としてコイル巻き数を150回とすることが好ましい。
一方、単位素子32のサイズが1mmの場合には、コイルピッチは3μmとし、コイル幅は30μmとし、磁性ワイヤ本数は1本~8本までとし、コイル巻き数を2400回とすることが好ましい。
The size of the unit elements (magnetic sensor elements) 32 of the magnetic
When the size of the
On the other hand, when the size of the
ここで、GSRセンサについては、図2に示すように、基板21上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤ22とそれに巻回した周回コイルで形成した検出用コイル23とワイヤ通電用の電極24の2個とコイル電圧検出用電極28の2個の電極を接続する配線26、29で構成されるGSR素子2、およびその磁性ワイヤにGHzの周波数を持つパルス電流を流す手段とパルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知し、コイル電圧を外部磁界Hに変換する電子回路とからなる超高感度マイクロ磁気センサである。
As shown in FIG. 2, the GSR sensor is an ultra-sensitive micro-magnetic sensor that is made up of a
<磁気センサ素子グリッド(グリッド)>
磁気センサ素子グリッド3は、図3に示すように、単位素子(磁気センサ素子)32をグリッド基板31に多数個配置したものである。
磁気センサ素子グリッド3のサイズは、5mm角~20mm角、または直径5mm~直径20mmとする。その単位素子32のサイズは、10μm~1mmである。単位素子32の数は、最小の5×5の25画素~最大の2000×2000の400万画素である。
<Magnetic sensor element grid (grid)>
As shown in FIG. 3, the magnetic
The size of the magnetic
単位素子32は、図4に示すように、1軸素子(図4A)のタイプ、2軸素子(図4B)のタイプ、3軸素子(図4C)の3つのタイプがある。
そして、3つのタイプについて、図3のA1-A2線における断面図を図5(5A、5B、5C)に示す。断面図は、シャーレの上に設置した磁気センサ素子グリッドの断面を示している。
As shown in FIG. 4, the
5 (5A, 5B, and 5C) show cross-sectional views of the three types taken along line A1-A2 in Fig. 3. The cross-sectional views show a cross-section of a magnetic sensor element grid placed on a petri dish.
まず、1軸素子(図4A)のタイプは、グリッド基板31にGSRセンサ素子321をX軸とY軸の交点321oを中心にして対称に、
(a-1)Z軸素子321zをZ軸方向に各1個配置した1軸素子のタイプ、
(a-2)X軸素子321xをX軸方向に各1個配置した1軸素子のタイプ、
(a-3)Y軸素子321yをY軸方向に各1個配置した1軸素子のタイプ
がある。
First, the type of one-axis element (FIG. 4A) is a type in which the
(a-1) A one-axis element type in which the Z-axis elements 321z are arranged one by one in the Z-axis direction;
(a-2) A one-axis element type in which the
(a-3) There is a one-axis element type in which the Y-axis elements 321y are arranged one on each side in the Y-axis direction.
これらの断面図(図5A)は、
(a-1)1軸素子グリッド-z軸タイプ(4(41))にて、GSR素子411とASIC412、電極413およびグリッド配線414を保護する被覆剤415からなり、シャーレ40の上に載置されている。
(a-2)1軸素子グリッド-x軸タイプ(4(42))は、GSR素子421とASIC422、電極423およびグリッド配線424を保護する被覆剤425からなり、シャーレ40の上に載置されている。
(a-3)1軸素子グリッド-y軸タイプ(4(43))は、GSR素子431とASIC432、電極433およびグリッド配線434を保護する被覆剤435からなり、シャーレ40の上に載置されている。
These cross-sectional views (FIG. 5A) are
(a-1) One-axis element grid - z-axis type (4(41)) is made up of a GSR element 411, an ASIC 412, an electrode 413 and a coating material 415 for protecting the grid wiring 414, and is placed on a
(a-2) One-axis element grid - x-axis type (4 (42)) is made of a
(a-3) One-axis element grid - y-axis type (4 (43)) is made up of a GSR element 431, an
次に、2軸素子(図4B)のタイプは、グリッド基板31にGSRセンサ素子321をX軸とY軸の交点321oに沿って、
(b)横方向に2個のX軸素子321xと縦方向に2個のY軸素子321yを原点321o中心にして対象に配置した2軸素子のタイプ
がある。
Next, the two-axis element type (FIG. 4B) is a type in which the
(b) There is a two-axis element type in which two
この2軸素子のタイプ(4(44))の断面図は、図5Bに示すように、GSR素子441とASIC442、電極443およびグリッド配線444を保護する被覆剤445からなり、シャーレ40の上に載置されている。
The cross-sectional view of this biaxial element type (4 (44)) is shown in FIG. 5B. It consists of a GSR element 441, an
最後に、3軸素子(図4C)のタイプは、グリッド基板31に磁界ベクトルセンサをX軸とY軸の交点321oに沿って配置した3軸タイプである。
この3軸素子タイプは、四角錐台、八角錐台または変則八面錐台からなる台座330の傾斜面331に4個のGSR素子またはon-ASICタイプのGSRセンサを傾斜方向とGSR素子の磁性ワイヤ321wが一致するように4回対称で鏡像対称に配置したものである。
2個のX軸素子321xと2個のY軸素子321yからX軸方向とY軸方向の磁界を測定するとともにZ軸方向の磁界を計算により求めるものである。
なお、on-ASICタイプのGSRセンサは、発明者らが発明したもので特許公報(特許第7062216号公報)にて開示されている。詳細な内容は、当該特許公報の記載を参照する。また、この磁界ベクトルセンサは、発明者らが発明したもので特許公報(特許第7215702号公報)にて開示されている。詳細な内容は、当該特許公報の記載を参照する。
Finally, the type of three-axis element (FIG. 4C) is a three-axis type in which a magnetic field vector sensor is arranged on the
This three-axis element type has four GSR elements or on-ASIC type GSR sensors arranged in four-fold symmetry and mirror symmetry on the
The magnetic fields in the X-axis and Y-axis directions are measured from two
The on-ASIC type GSR sensor was invented by the inventors and is disclosed in a patent publication (Japanese Patent No. 7062216). Please refer to the description in this patent publication for details. The magnetic field vector sensor was invented by the inventors and is disclosed in a patent publication (Japanese Patent No. 7215702). Please refer to the description in this patent publication for details.
この3軸素子のタイプ(4(45))の断面図は、図5Cに示すように、GSR素子451とASIC452、電極453およびグリッド配線454を保護する被覆剤455からなり、シャーレ40の上に載置されている。
なお、Z軸方向の磁界は計算により求めるもので素子451zは計算上の素子である。
The cross-sectional view of this triaxial element type (4(45)) is shown in FIG. 5C, and it is made up of a GSR element 451, an
The magnetic field in the Z-axis direction is obtained by calculation, and element 451z is a calculated element.
<磁気センサ素子グリッドと細胞との位置関係>
磁気センサ素子グリッド10の位置は、シャーレ11の厚みは200μm以下とし、磁気センサ素子グリッド10の上面を平坦にして、平坦面をシャーレの裏側に直接押し当てて、細胞から磁気センサ素子101の測定部までの距離を300μm以下とすることが好ましい。細胞が発する磁界は距離の二乗に反比例するので、この距離を極力小さくすることが求められるわけである。
<Positional relationship between magnetic sensor element grid and cells>
It is preferable that the position of the magnetic
<単位素子の交点における磁界成分の測定>
(A)1軸素子における磁界成分の測定
(a-1)交点321oを中心に4個の単位素子321zで測定したHz1、Hz2、Hz3,Hz4の4個のデータから、交点の磁界成分であるHzは、Hz=(Hz1+Hz2+Hz3+Hz4)/4から求めることができる。
(a-2)交点321oを中心に4個の単位素子321xで測定したHx1、Hx2、Hx3、Hx4の4個のデータから、交点の磁界成分であるHxは、Hx=(Hx1+Hx2+Hx3+Hx4)/4から求めることができる。
(a-3)交点321oを中心に4個の単位素子321yで測定したHy1、Hy2、Hy3、Hy4の4個のデータから、交点の磁界成分であるHyは、Hy=(Hy1+Hy2+Hy3+Hy4)/4から求めることができる。
<Measurement of magnetic field components at intersections of unit elements>
(A) Measurement of magnetic field components in a one-axis element (a-1) From the four pieces of data Hz1, Hz2, Hz3, and Hz4 measured using four unit elements 321z centered on the intersection 321o, the magnetic field component Hz at the intersection can be calculated from Hz = (Hz1 + Hz2 + Hz3 + Hz4)/4.
(a-2) From the four pieces of data Hx1, Hx2, Hx3, and Hx4 measured by the four
(a-3) From the four data Hy1, Hy2, Hy3, and Hy4 measured by the four unit elements 321y centered on the intersection 321o, Hy, which is the magnetic field component of the intersection, can be calculated from Hy=(Hy1+Hy2+Hy3+Hy4)/4.
(B)2軸素子における磁界成分の測定
(b)交点321oを中心にX軸向きの2個の単位素子321xとY軸向きの2個の単位素子321yとで測定したHx1、Hx2、Hy1、Hy2の4個のデータから、交点の磁界成分であるHxとHyは、Hx=(Hx1+Hx2)/2、Hy=(Hy1+Hy2)/2から求めることができる。
(B) Measurement of magnetic field components in a two-axis element (b) From the four pieces of data Hx1, Hx2, Hy1, and Hy2 measured with two
(C)3軸素子における磁界成分の測定
(c)磁界ベクトルセンサにおいて、台座の傾斜角度をθとし、交点321oを中心にX軸向きの2個の単位素子321xとY軸向きの2個の単位素子321yとで測定したHx1、Hx2、Hy1、Hy2の4個のデータから、交点321oの磁界成分であるHxとHyは、Hx=(1/2cosθ)(Hx1-Hx2)、Hy=(1/2sinθ)(Hy1-Hy2)から求めることができる。そして、Z軸方向のHzは、Hz=(1/4sinθ)(Hx1+Hx2+Hy1+Hy2)からもとめることができる。
(C) Measurement of magnetic field components in a three-axis element (c) In a magnetic field vector sensor, the tilt angle of the base is θ, and from the four data Hx1, Hx2, Hy1, and Hy2 measured with two
なお、測定前にまず環境磁界を測定し、シャーレに細胞を載せて観察する際に、測定値から環境磁界を差し引くと、外部磁界の影響を受けることはない。 In addition, if you first measure the environmental magnetic field before taking measurements, and then subtract the environmental magnetic field from the measured value when placing the cells in the petri dish for observation, there will be no effect from the external magnetic field.
磁気センサ素子グリッドは、単位素子32の交点の位置をX軸方向のi番とY軸方向のj番の位置をPijとし表し、Pijにおける測定値をHijとして、Hijを電流素片分布計算プログラムに転送する電子回路を兼ね備えている。
なお、単位素子32を構成する各素子(X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向の素子)のグリッド基板上の位置を(i,j)番として、各素子の測定値を直接グリッド磁界測定値として、磁界分布および電流素片分布を計算してもよい。
The magnetic sensor element grid also has an electronic circuit that expresses the position of the intersection of the
In addition, the position on the grid substrate of each element (elements in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions) that constitutes the
<電流素片分布を計算するプログラム>
電流素片分布を計算するプログラムは、細胞集合体内の電流素片から発する磁界を磁気センサ素子グリッドの(i,j)番の位置にある磁気センサで測定し、その測定値をmHijとする。
<Program to calculate current element distribution>
The program for calculating the current element distribution measures the magnetic field emanating from the current element in the cell aggregate with a magnetic sensor at the (i, j)th position of the magnetic sensor element grid, and defines the measured value as mH ij .
実際には環境磁界の影響を受けるので、観察前に、磁気センサ素子グリッド位置(i,j)における磁界を計測して初期の磁界測定値mHij(→)(b)を求め、その値をX軸とY軸平面上のグリッドサイズに対応した磁界分布として表示する。 In practice, since the measurement is affected by the environmental magnetic field, the magnetic field at the magnetic sensor element grid position (i, j) is measured before observation to obtain the initial magnetic field measurement value mH ij (→) (b), and this value is displayed as the magnetic field distribution corresponding to the grid size on the X-axis and Y-axis plane.
次にシャーレに細胞を設置してから、磁気センサ素子グリッド位置(i,j)における磁界を計測して磁界測定値mHij(→)(a)を求め、そこからmHij(→)(b)を差し引いて、測定値とする。
すなわち、mHij(→)=mHij(→)(a)-mHij(→)(b)となる。
この値を細胞集合体内の電流素片から発する磁界と考え、磁気センサ素子グリッドの(i,j)番の位置にある磁気センサで測定してその測定値をmHij(→)とする。
Next, after placing a cell in a petri dish, the magnetic field at the magnetic sensor element grid position (i, j) is measured to obtain the magnetic field measurement value mH ij (→)(a), from which mH ij (→)(b) is subtracted to obtain the measurement value.
That is, mH ij (→)=mH ij (→)(a)-mH ij (→)(b).
This value is considered to be the magnetic field emanating from the current element within the cell aggregate, and is measured by a magnetic sensor at the (i, j)th position of the magnetic sensor element grid, and the measured value is taken as mH ij (→).
mHij絶対値の等高線図を作成し、k個のピーク位置を特定し、各mHij絶対値のピークから電流素片の位置Pk(xk,yk,zk)とピークの山の広がりから電流素片dsk(→)の長さを仮定して、細胞集合体内の位置Pk(xk,yk,zk)に電流素片Ikdsk(→)が存在していると仮定する。ピークの箇所がk個(1個以上の複数個)ある場合、k個の電流素片があると仮定して計算のモデルを作成する。 A contour map of the absolute value of mH ij is created, k peak positions are identified, and the position P k (x k , y k , z k ) of the current fragment from the peak of each absolute value of mH ij and the length of the current fragment ds k (→) are assumed from the spread of the peak, and it is assumed that the current fragment I k ds k (→) exists at the position P k (x k , y k , z k ) within the cell aggregate. When there are k peak locations (one or more), a calculation model is created assuming that there are k current fragments.
次に、k番目の電流素片Ikdskの位置Pk(xk,yk,zk)とし、磁界の測定位置Gij(xij,yij,o)として電流素片位置Pk(xk,yk,zk)と測定位置Gij(xij,yij,o)との距離Rijkとすると、
k番目の電流素片Ikdskが作る磁界は、Hijk(→)=1/4πRijk
3×Ikdsk(→)×Rijk(→)の方程式から求めることができるので、それらの磁界を加算して、磁気センサ素子グリッドの(i,j)番の位置に作る理論値tHij(→)=ΣtHijk(→)とする。
Next, let Pk ( xk , yk , zk ) be the position of the k - th current element Ikdsk, Gij ( xij , yij ,o) be the measurement position of the magnetic field, and Rijk be the distance between the current element position Pk ( xk , yk , zk ) and the measurement position Gij ( xij , yij ,o), then
The magnetic field generated by the kth current element Ikdsk can be obtained from the equation Hijk (→) = 1 / 4πRijk3 × Ikdsk ( →) × Rijk (→), so by adding these magnetic fields together, the theoretical value tHij (→) = ΣtHijk (→) generated at the (i, j)th position of the magnetic sensor element grid is obtained.
両者の誤差をeij=mHij(→)-tHij(→)とし、誤差関数E=Σ(eij)2を作成し、
Ikの向きについては、XY軸平面に対して、傾斜角をφkとして、X軸に対する角度をθkとし、この誤差関数からガウスニュートン法で誤差関数を偏微分して、7n個の連立方程式を導出し、Ikとdsk とθkとφkおよびXk、Yk、Zkとからなる7n個の連立方程式を求め、その式から7k個の未知数を求め、細胞集合体に流れる多数個の電流素片を計算し、その結果を用いて電流素片の分布図を作成し、磁界分布図としてスクリーンに表示する。
The error between the two is e ij =mH ij (→)-tH ij (→), and the error function E=Σ(e ij ) 2 is created.
Regarding the direction of Ik , the inclination angle with respect to the XY-axis plane is φk and the angle with respect to the X-axis is θk . From this error function, the error function is partially differentiated using the Gauss-Newton method to derive 7n simultaneous equations, and 7n simultaneous equations consisting of Ik , dsk , θk , φk , Xk , Yk , and Zk are obtained. 7k unknowns are obtained from these equations, and a large number of current elements flowing through the cell aggregate are calculated. The results are used to create a distribution map of the current elements, which is then displayed on the screen as a magnetic field distribution map.
プログラムの手順は次の通りである(図7)。なお、ベクトル表示は、(→)とする。
第1ステップ(101);
観察前に、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して初期の磁界測定値mHij(→)(b)を求める。
ただし、センサグリッド座標系O-XYZとして、各素子の位置を特定しておくものとする。
The program procedure is as follows (Figure 7). Note that vectors are displayed as (→).
First step (101);
Before observation, the magnetic field at the sensor grid position (i, j) is measured to obtain an initial magnetic field measurement mH ij (→)(b).
However, the position of each element is specified in advance using a sensor grid coordinate system O-XYZ.
第2ステップ(102);
シャーレに細胞を設置してから、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して磁界測定値mHij(→)(a)を求め、そこからmHij(→)(b)を差し引いて、測定値mHij(→)とし、磁界分布を計算し、mHij(→) 絶対値分布にk個のピークがある場合、そのピーク位置Pk(Xk、Yk、Zk)に電流素片Ikdskが存在すると仮定する。dsの長さはピーク位置を中心に、その山の広がりから定めるものとする。
Second step (102);
After placing the cells in the dish, measure the magnetic field at the sensor grid position (i, j) to obtain the magnetic field measurement value mHi.j.(→) Find (a), and from there find mHi.j.(→) Subtract (b) to get the measured value mHi.j.(→), calculate the magnetic field distribution, mHi.j.(→) If there are k peaks in the absolute value distribution, the peak positions Pk(Xk, Yk, Zk) to current element IkdskAssume that exists. The length of ds is determined from the peak position and the spread of the mountain.
図6に磁界分布図の例を示す。
細胞集合体4は、細胞41~細胞45の5個(=k)からなり、それぞれの細胞の等高線411~等高線451が図示され、等高線図を示している。それぞれの等高線図のピークに電流素片I1ds1~電流素片I5ds5があり、その位置が位置P1~位置P5でなる。
それを電流素片分布計算プログラムに転送する。
FIG. 6 shows an example of a magnetic field distribution diagram.
The
This is transferred to the current element distribution calculation program.
第3ステップ(103);
ピーク位置Pkに電流素片Ikdskが存在すると仮定してPkの位置にあるk個の電流素片Idsが作る各磁気センサ素子グリッドの位置Gij(Xij,Yij)における理論的磁界強度は、k番目の電流素片が発する磁界は、計算式tHijk(→)=1/4πRijk
3×Ikdsk(→)×Rijk(→)で求めることができる。電流素片は1からn個あるので、Gij(Xij,Yij)の位置における理論的磁界強度は、Hij=Σ 1/4πRijk
3×Ikdsk×Rijkとn個の和で求める。
Third step (103):
Assuming that a current element Ikdsk exists at peak position Pk , the theoretical magnetic field strength at position Gij ( Xij , Yij ) of each magnetic sensor element grid created by k current elements Ids at position Pk can be calculated by the formula tHijk (→)=1 /4πRijk3×Ikdsk(→)×Rijk ( → ) for the magnetic field emitted by the kth current element. Since there are 1 to n current elements, the theoretical magnetic field strength at position Gij ( Xij , Yij ) is calculated by the sum of Hij =Σ1/ 4πRijk3 × Ikdsk × Rijk , which is n.
第4ステップ(104);
k番目の電流素片位置Ikdskと磁界の測定位置Gij(Xij,Yij)までの距離ベクトルRijk(→)と、電流素片のZ軸との傾きをφkとし、X軸との傾きをθkとすると、
tHijkは、電流強度Ikと電流素片の長さdskと位置Xijk、Yijk、Zijkと方位角θk、φkの関数となる。
A fourth step (104):
If the distance vector R ijk (→) between the k-th current element position I k ds k and the magnetic field measurement position G ij (X ij , Y ij ) is φ k, the inclination of the current element with respect to the Z axis is φ k , and the inclination with respect to the X axis is θ k , then
tH ijk is a function of the current intensity I k , the length ds k of the current element, the positions X ijk , Y ijk , and Z ijk , and the azimuth angles θ k and φ k .
第5ステップ(105);
測定誤差を計算する。
eijk(→) = mHijk(→)-tHijk(→)
Fifth step (105);
Calculate the measurement error.
eijk (→) = mHijk (→) - tHijk (→)
第6ステップ(106);
誤差の平方和を求める。
Eij = Σeijk
2
A sixth step (106);
Calculate the sum of squares of the errors.
Eij = Σeijk2
第7ステップ(107);
ガウスニュートン法で 誤差平方和が最小となる電流強度Ikと電流素への長さdskとXk、Yk、Zkと方位角θk、φkを算出する。
Seventh step (107);
The current intensity Ik , length dsk to the current element, Xk , Yk , Zk, and azimuth angles θk , φk that minimize the sum of squares of the error are calculated using the Gauss-Newton method.
第8ステップ(108);
各電流素片の大きさIkdskと位置Xk、Yk、Zkの値から、電流素片分布を計算し、それをPC画面にイメージ画像として表示する。または各電流素片の電流の強度Ikと位置Xk、Yk、Zkの値から、電流分布を計算し、それをPC画面にイメージ画像として表示する
Eighth step (108);
A current distribution is calculated from the magnitude Ikdsk of each current element and the values of the positions Xk , Yk , and Zk , and the calculated current distribution is displayed as an image on a PC screen. Alternatively, a current distribution is calculated from the current intensity Ik of each current element and the values of the positions Xk , Yk , and Zk , and the calculated current distribution is displayed as an image on a PC screen.
電流素片の中心位置は、画素の大きさの1/10以下の位置精度を持ち、電流の強度は、±10%以下の精度で計算することができる。 The center position of the current segment has a positional accuracy of less than 1/10 of the pixel size, and the current intensity can be calculated with an accuracy of less than ±10%.
また、各電流素片の分布と電流保存の法則によって制約を受けており、電流保存の法則と矛盾しないか、確認する。 In addition, it is constrained by the distribution of each current element and the law of conservation of current, so we check whether there is any contradiction with the law of conservation of current.
本発明の実施形態は、図8および図9に示すように、シャーレ51の基板面の下方に磁気センサ素子グリッド50を設置し、上方には光学顕微鏡が設置されていて、細胞52の動きを光学的に観察し、同時に磁気的に時に観察することができる。 As shown in Figures 8 and 9, in an embodiment of the present invention, a magnetic sensor element grid 50 is placed below the substrate surface of a petri dish 51, and an optical microscope is placed above, allowing the movement of cells 52 to be observed optically and simultaneously observed magnetically.
光学顕微鏡で観察し、撮影した細胞52の形状図の上に、磁気顕微鏡で測定した電流素片分布を重ねて、その画像をスクリーンに表示する。
これによりリアルタイムで細胞の機械的運動と形状変化の動き(図9(a))と各細胞の活性化度71(図9(b))の両方を容易に観察できるようにすることができる。
The current element distribution measured by the magnetic microscope is superimposed on a shape diagram of the cell 52 observed and photographed by an optical microscope, and the image is displayed on a screen.
This makes it possible to easily observe both the mechanical movement and shape change of the cells (FIG. 9(a)) and the activation level 71 of each cell (FIG. 9(b)) in real time.
[実施例1]
本発明の第1実施形態において、各設計要素を、以下の通りとしたものである。
磁気センサとして、GSRセンサを採用する。GSR素子の構造を図2に示す。
磁性ワイヤ22の長さを0.95mmとし、ワイヤ径は10μmとし、コイルピッチは3μmとし、コイルの幅は30μmとし、および磁性ワイヤの本数は、4本とした。コイル巻き数を1,200回とした。センサグリッドの単位素子のサイズは、1mmとした。これにより、単位素子の磁気検出力は1pTであった。
[Example 1]
In the first embodiment of the present invention, the design elements are as follows:
A GSR sensor is used as the magnetic sensor. The structure of the GSR element is shown in Figure 2.
The length of the
ここで、用いたGSRセンサについては、図2に示すように、基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤとそれに巻回した周回コイルで形成した検出用コイルとワイヤ通電用の電極2個とコイル電圧検出用電極2個の電極を接続する配線で構成されるGSR素子、およびその磁性ワイヤに1.2GHzの周波数を持つパルス電流を流す手段とパルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知し、コイル電圧を外部磁界Hに変換する電子回路とからなる超高感度マイクロ磁気センサである。 The GSR sensor used here is an ultra-sensitive micro-magnetic sensor consisting of a GSR element, as shown in Figure 2, which is composed of a conductive magnetic wire for detecting a magnetic field on a substrate, a detection coil formed by a circular coil wound around the magnetic wire, two electrodes for passing current through the wire, and wiring connecting two electrodes for detecting the coil voltage, and a means for passing a pulse current having a frequency of 1.2 GHz through the magnetic wire, and an electronic circuit that detects the coil voltage generated when the pulse current is passed and converts the coil voltage into an external magnetic field H.
磁気センサ素子グリッドは、単位素子を図3のように多数個配置したものである。単位素子は2軸素子からなり、図4B(b)に示すように、グリッド基板にGSRセンサ素子をX軸とY軸に沿って各2個配置し、X軸素子とY軸素子の交点の磁界(Hx,Hy)が計測できる構造としたものである。グリッドセンサのサイズは、20mm角とした。グリッドの素子の数は、361画素とした。 The magnetic sensor element grid is an arrangement of many unit elements as shown in Figure 3. The unit elements are made up of two-axis elements, and as shown in Figure 4B (b), two GSR sensor elements are arranged on the grid substrate along the X-axis and two along the Y-axis, making it possible to measure the magnetic field (Hx, Hy) at the intersection of the X-axis element and the Y-axis element. The size of the grid sensor is 20 mm square. The number of elements in the grid is 361 pixels.
グリッド基板は、平坦な絶縁素材や絶縁被膜コーティングしたASIC基板を用いた。グリッド基板は、最上面の素子の配置面と信号処理をする電子回路面と機械的強度を保証する強度素材から成り立っている。電子回路と強度部材からなるASIC基板面にGSR素子を配置して、両者をベアホールで接続した。 The grid substrate is made of a flat insulating material or an ASIC substrate coated with an insulating film. The grid substrate consists of a top surface for arranging elements, an electronic circuit surface for signal processing, and a strong material to ensure mechanical strength. The GSR elements are placed on the ASIC substrate surface, which consists of electronic circuits and strong materials, and the two are connected with via holes.
グリッド基板の位置は、シャーレの厚みを160μmとし、磁気センサ素子グリッドの上面を平坦にして、平坦面をシャーレの裏側に直接押し当てて、細胞から細胞液面までの磁気センサ素子の測定部までの距離を240μmとした。 The position of the grid substrate was set so that the thickness of the dish was 160 μm, the top surface of the magnetic sensor element grid was flattened, and the flat surface was pressed directly against the back side of the dish, so that the distance from the cell to the measurement part of the magnetic sensor element at the cell liquid surface was 240 μm.
単位素子で測定したHx1,Hx2,Hy1,Hy2の4個のデータから、交点の磁界成分であるHxとHyは、Hx=(Hx1+Hx2)/2、Hy=(Hy1+Hy2)/2から求めた。測定前にまず環境磁界を測定し、シャーレに細胞を載せて観察する際に、測定値から環境磁界を差し引いて、外部磁界の影響を受けないようにした。 From the four data points Hx1, Hx2, Hy1, and Hy2 measured by the unit element, the magnetic field components Hx and Hy at the intersection were calculated from Hx = (Hx1 + Hx2)/2 and Hy = (Hy1 + Hy2)/2. Before measurement, the environmental magnetic field was first measured, and when the cells were placed in the dish and observed, the environmental magnetic field was subtracted from the measured value to avoid the influence of external magnetic fields.
センサグリッドは、センサ素子の交点の位置をX軸方向のi番とY軸方向のj番の位置をPijと表し、Pijにおける測定値をHij(→)とし、磁界測定分布を求めた。この測定値Hij(→)は電流素片分布計算プログラムに電子回路を経由して転送された。
さらに、グリッド間の磁界については、補間法で近似曲線を作成し、グリッド間隔の1/20程度の磁界空間分布能を得ることができた。
The sensor grid represents the intersection of the sensor elements at the i-th position in the X-axis direction and the j-th position in the Y-axis direction as P ij , and the measured value at P ij is H ij (→) to obtain the magnetic field measurement distribution. This measured value H ij (→) was transferred to the current element distribution calculation program via an electronic circuit.
Furthermore, for the magnetic field between the grids, an approximation curve was created by the interpolation method, and a magnetic field spatial distribution ability of about 1/20 of the grid interval was obtained.
電流素片分布を計算するプログラムは、細胞集合体内の電流素片から発する磁界を磁気センサグリッドの(i,J)番の位置にある磁気センサで測定し、その測定値をmHij(→)とし、k番目の電流素片が作る理論値tHij(→)を各電流素片が作る磁界はHijk(→) =1/4πRijk 3×Ikdsk(→)×Rijk(→)、n個の加算を行って求めた。両者の誤差をeij(→)=mHij(→)-tHij(→)とし、誤差関数E=Σ(eij)2と定義する。Iの向きについては、XY軸平面に対して、傾斜角をφとして、X軸に対する角度をθと定義した。 The program that calculates the current element distribution measures the magnetic field emitted from the current element in the cell aggregate using a magnetic sensor at position (i, J) of the magnetic sensor grid, and converts the measured value into mHi.j.(→), and the theoretical value tH generated by the kth current element isi.j.(→) The magnetic field created by each current element is Hijk(→) = 1/4πRijk 3×Ikdsk(→) × Rijk(→), n additions were made. The error between the two is ei.j.(→) = mHi.j.(→) -tHi.j.(→), and the error function E = Σ(ei.j.)2The direction of I is defined as the inclination angle φ with respect to the XY-axis plane, and the angle with respect to the X-axis is defined as θ.
6個の電流素片がある場合、ガウスニュートン法で誤差関数を偏微分すると、42個の連立方程式を導出し、それから求めることができる。 When there are six current segments, by partially differentiating the error function using the Gauss-Newton method, 42 simultaneous equations can be derived and then the solution can be found.
プログラムの手順は以下の通り(図7)である。なお、ベクトル表示は、(→)とする。
第1ステップ(101)は、観察前に、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して初期の磁界測定値mHij(→)(b)を求める。
ただし、センサグリッド座標系O-XYZとして、各素子の位置を特定しておくものとする。
The program procedure is as follows (Figure 7). Note that vectors are displayed as (→).
The first step (101) is to measure the magnetic field at a sensor grid position (i,j) before observation to obtain an initial magnetic field measurement mH ij (→)(b).
However, the position of each element is specified in advance using a sensor grid coordinate system O-XYZ.
第2ステップ(102)は、シャーレに細胞を設置してから、磁気センサ素子グリッド位置(i,j)における磁界を計測して磁界測定値mHij(→)(a)を求め、そこからmHij(→)(b)を差し引いて、磁界測定値mHij(→)とし、磁界分布を計算し、mHij(→) 絶対値分布にk個のピークがある場合、そのピーク位置Pk(xk、yk、zk)に電流素片Ikdskが存在すると仮定する。dsの長さはピーク位置を中心に、その山の広がりから定めるものとする。それを電流素片分布計算プログラムに転送する。 The second step (102) is to place the cells in the petri dish, measure the magnetic field at the magnetic sensor element grid position (i, j), and obtain the magnetic field measurement value mHi.j.(→) Find (a), and from there find mHi.j.(→) Subtract (b) to get the magnetic field measurement value mHi.j.(→), calculate the magnetic field distribution, mHi.j.(→) If there are k peaks in the absolute value distribution, the peak positions Pk(xk, yk, zk) to current element IkdskAssume that exists. The length of ds is determined from the spread of the peak, centered on the peak position. Transfer this to the current element distribution calculation program.
第3ステップ(103)は、ピーク位置Pkに電流素片Idskが存在すると仮定してPkの位置にあるk個の電流素片Idsが作る各磁気センサ素子グリッドの位置P(i,j)における理論的磁界強度は、電流素片が発する磁界は、計算式tHij=1/4πRij
3×Ids×Rijで求めることができる。電流素片はk個あるので、P(i,j)の位置における理論的磁界強度は、Hij=Σ 1/4πRijk
3×Idsk×Rijkとk個の和で求める。
In the third step (103), assuming that a current element Ids k exists at the peak position P k , the theoretical magnetic field strength at position P(i,j) of each magnetic sensor element grid generated by the k current elements Ids at position P k can be calculated by the formula tH ij = 1/4πR ij 3 × Ids × R ij . Since there are k current elements, the theoretical magnetic field strength at position P(i,j) is calculated by the sum of H ij =
第4ステップ(104)は、k番目の電流素片位置Ikdskと磁界の測定位置Gkまでの距離ベクトルRijk(→)と、電流素片のZ軸との傾きをφkとし、X軸との傾きをθkとすると、理論的磁界強度tHijは、電流強度Ikと電流素片の長さdskと位置Xijk、Yijk、Zijkと方位角θk、φkの関数となる。 In the fourth step (104), when the distance vector R ijk (→) between the kth current element position I k ds k and the magnetic field measurement position G k is φ k, the inclination of the current element with respect to the Z axis is φ k , and the inclination with respect to the X axis is θ k , the theoretical magnetic field strength tH ij is a function of the current strength I k , the length ds k of the current element, the positions X ijk , Y ijk , Z ijk , and the azimuth angles θ k and φ k .
第5ステップ(105)は、測定誤差を計算する。
eijk(→) = mHijk(→)-tHijk(→)
The fifth step (105) is to calculate the measurement error.
eijk (→) = mHijk (→) - tHijk (→)
第6ステップ(106)は、誤差の平方和を求める。
Eij = Σeijk
2
The sixth step (106) is to find the sum of the squares of the errors.
Eij = Σeijk2
第7ステップ(107)は、ガウスニュートン法で 誤差平方和が最小となるIkとdskとXk、Yk、Zkと方位角θk、φkを算出する。 The seventh step (107) is to calculate Ik , dsk , Xk , Yk , Zk , and azimuth angles θk and φk that minimize the sum of squares of the error by the Gauss-Newton method.
第8ステップ(108)は、各電流素片の大きさIkとdskと位置Xk、Yk、Zkと方位角θk、φkの値から、電流素片ベクトル分布または電流素片の電流強度を計算し、それをPC画面にイメージ画像として表示する。
電流素片の中心位置と強度・方位は、画素の大きさの1/10以下の位置精度を持ち、電流の強度はと方位は、±10%以下の精度で計算することができる。
また、各電流素片の分布と電流保存の法則とが矛盾していなかった。
The eighth step (108) is to calculate the current element vector distribution or the current intensity of the current element from the magnitude Ik and dsk of each current element, the positions Xk , Yk , Zk , and the azimuth angles θk and φk , and display it as an image on the PC screen.
The center position, intensity, and direction of the current segment have a positional accuracy of 1/10 of the pixel size or less, and the current intensity and direction can be calculated with an accuracy of ±10% or less.
Furthermore, the distribution of each current element was consistent with the law of conservation of current.
センサグリッドのサイズは、20mm角とした。グリッドの素子の数は、400画素とした。
磁気顕微鏡の磁界空間分解能と電流素片の中心位置の位置精度は50μmで、これにより20倍の光学顕微鏡の精度に対応することができた。電流の強度と方位は、±10%以下の精度になると電流素片の計算プログラムを使ったシュミユレーション計算の結果、見積もることができた。
The size of the sensor grid was 20 mm square, and the number of elements in the grid was 400 pixels.
The magnetic field spatial resolution of the magnetic microscope and the positional accuracy of the center position of the current element were 50 μm, which corresponds to the accuracy of a 20x optical microscope. The intensity and direction of the current were estimated to be within ±10% accuracy as a result of simulation calculations using a current element calculation program.
[実施例2]
実施例1において、GSRセンサとして、磁性ワイヤ長さを10μmとし、ワイヤ径は8μmとし、コイルピッチは0.1μmとし、コイルの幅は20μmとし、およびワイヤの本数は、2本とした。センサグリッドの単位素子のサイズは、0.10mmとした。コイル巻き数を200回とした。これにより、単位素子の磁気検出力は100pTであった。
[Example 2]
In Example 1, the GSR sensor had a magnetic wire length of 10 μm, a wire diameter of 8 μm, a coil pitch of 0.1 μm, a coil width of 20 μm, and a number of wires of 2. The size of the unit element of the sensor grid was 0.10 mm. The number of coil turns was 200. As a result, the magnetic detection power of the unit element was 100 pT.
センサグリッドのサイズは、10mm角とした。グリッドの素子の数は、2500画素とした。 The size of the sensor grid was 10 mm square. The number of elements in the grid was 2,500 pixels.
磁気顕微鏡の磁界空間分解能と電流素片の中心位置の位置精度は10μmで、これ
により100倍の光学顕微鏡の精度に対応することができた。電流の強度と方位は、±10%以下の精度となると理論的に予測された。
The spatial resolution of the magnetic field of the magnetic microscope and the positional accuracy of the center position of the current element were 10 μm, which corresponds to the accuracy of a 100x optical microscope. The intensity and direction of the current were theoretically predicted to be accurate to within ±10%.
[実施例3]
実施例1において、GSRセンサとして、磁性ワイヤ長さを10μmとし、ワイヤ径は2μmとし、コイルピッチは0.2μmとし、コイルの幅は4.5μmとし、およびワイヤの本数は、2本とした。センサグリッドの単位素子のサイズは、0.011mmとした。コイル巻き数を100回とした。これにより、単位素子の磁気検出力は500pTであった。
[Example 3]
In Example 1, the GSR sensor had a magnetic wire length of 10 μm, a wire diameter of 2 μm, a coil pitch of 0.2 μm, a coil width of 4.5 μm, and a number of wires of 2. The size of the unit element of the sensor grid was 0.011 mm. The number of coil turns was 100. As a result, the magnetic detection power of the unit element was 500 pT.
センサグリッドのサイズは、5mm角とした。グリッドの素子の数は、25万画素とした。 The size of the sensor grid was 5 mm square. The number of elements in the grid was 250,000 pixels.
磁気顕微鏡の磁界空間分解能と電流素片の中心位置の位置精度は1μmで、これに
より1000倍の光学顕微鏡の精度に対応することができた。電流の強度と方位は、±5%以下の精度となると電流素片の計算プログラムを使ったシュミュレーション計算の結果、見積もることができた。
The magnetic field spatial resolution of the magnetic microscope and the positional accuracy of the center position of the current element were 1 μm, which corresponds to the accuracy of a 1000x optical microscope. The intensity and direction of the current were estimated to be within ±5% as a result of simulation calculations using a current element calculation program.
[実施例4]
実施例1において、GSRセンサとして、磁性ワイヤ長さを2mmとし、ワイヤ径は10μmとし、コイルピッチは3μmとし、コイルの幅は40μmとし、およびワイヤの本数は、4本とした。センサグリッドの単位素子のサイズは、0.011mmとした。コイル巻き数を2000回とした。これにより、単位素子の磁気検出力は5pTであった。
[Example 4]
In Example 1, the GSR sensor had a magnetic wire length of 2 mm, a wire diameter of 10 μm, a coil pitch of 3 μm, a coil width of 40 μm, and a number of wires of 4. The size of the unit element of the sensor grid was 0.011 mm. The number of coil turns was 2000. As a result, the magnetic detection power of the unit element was 5 pT.
センサグリッドのサイズは、50mm角とした。グリッドの素子の数は、625画素とした。 The size of the sensor grid was 50 mm square. The number of elements in the grid was 625 pixels.
磁気顕微鏡の磁界空間分解能と電流素片の中心位置の位置精度は50μmで、これ
により10倍の光学顕微鏡の精度に対応することができた。電流の強度と方位は、±10%以下の精度となると電流素片の計算プログラムを使ったシュミュレーション計算の結果、見積もることができた。
The magnetic field spatial resolution of the magnetic microscope and the positional accuracy of the center position of the current element were 50 μm, which corresponds to the accuracy of a 10x optical microscope. The intensity and direction of the current were estimated to be within ±10% as a result of simulation calculations using a current element calculation program.
[実施例5]
実施例1~実施例4の磁気顕微鏡に光学顕微鏡を組み合わせたものである。
図8に示すように、磁気センサ素子グリッド50をシャーレ51の基板面の下方に設置し、上方には光学顕微鏡53が設置したことにより、細胞52の動きを光学的に観察してCCDカメラ64で撮影し、同時に磁気的に観察することができた。光学顕微鏡で観察した細胞の形状図の上に、磁気顕微鏡で測定した電流素片分布を重ねて、その画像をスクリーンに表示した。これによりリアルタイムで細胞の機械的運動と形状変化の動きと各細胞の活性化度の両方を容易に観察できた(図9)。
[Example 5]
This is a combination of the magnetic microscope of Examples 1 to 4 and an optical microscope.
As shown in Fig. 8, a magnetic sensor element grid 50 was placed below the substrate surface of a petri dish 51, and an
本発明により、リアルタイムで細胞の機械的運動と形状変化の動きと各細胞の活性化度の両方を容易に観察できるようになり、細胞特にIPS細胞の生育観察がより正確に観察できるようになる。 The present invention makes it easy to observe both the mechanical movement and shape change of cells, as well as the degree of activation of each cell, in real time, allowing for more accurate observation of the growth of cells, particularly IPS cells.
10:磁気センサ素子グリッド、101:磁気センサ素子、11:シャーレ、12:細胞(細胞集合体)
2:磁気センサ素子(GSRセンサ素子)
21:基板、22:磁性ワイヤ、23:検出コイル、24:ワイヤ端子、25:ワイヤ電極、26:配線、27:コイル端子、28:コイル電極、29:配線
3:磁気センサ素子グリッド
31:センサグリッド基板(基板)
32:グリッド単位素子(単位素子)
321x:X軸方向の磁気センサ素子(GSRセンサ素子)、321y:Y軸方向の磁気センサ素子(GSRセンサ素子)、321z:Z軸方向の磁気センサ素子(GSRセンサ素子)、321o:原点(単位素子の原点、磁界ベクトルセンサの原点)、321w:磁性ワイヤ
33:素子台座
330:台座、331:台形斜面、332:稜線、333:上面
4:単位素子
4(41):1軸素子グリッド-Z軸タイプ
40:シャーレ、411:GSR素子、412:ASIC、413:電極、414:グリッド配線(配線)、415:被覆剤
4(42):1軸素子グリッド-X軸タイプ
40:シャーレ、421:GSR素子、422:ASIC、423:電極、424:グリッド配線(配線)、425:被覆剤
4(43):1軸素子グリッド-Y軸タイプ
40:シャーレ、431:GSR素子、432:ASIC、433:電極、434:グリッド配線(配線)、435:被覆剤
4(44):2軸素子グリッド
40:シャーレ、441:GSR素子、442:ASIC、443:電極、444:グリッド配線(配線)、445:被覆剤
4(45):3軸素子グリッド
40:シャーレ、451:GSR素子、452:ASIC、453:電極、454:グリッド配線(配線)、455:被覆剤
5:細胞集合体
51:細胞、511:等高線、512:電流素片
52:細胞、521:等高線、522:電流素片
53:細胞、531:等高線、532:電流素片
54:細胞、541:等高線、542:電流素片
55:細胞 551:等高線、552:電流素片
6:磁気顕微鏡と光学顕微鏡の一体システム
61:磁気顕微鏡、611:磁気センサ素子(GSRセンサ素子)、62:シャーレ、63:細胞集合体、64:光学顕微鏡、65:CCDカメラ
7:細胞集合体
71:激しい運動箇所
10: magnetic sensor element grid, 101: magnetic sensor element, 11: petri dish, 12: cell (cell aggregate)
2: Magnetic sensor element (GSR sensor element)
21: Substrate, 22: Magnetic wire, 23: Detection coil, 24: Wire terminal, 25: Wire electrode, 26: Wiring, 27: Coil terminal, 28: Coil electrode, 29: Wiring 3: Magnetic sensor element grid 31: Sensor grid substrate (substrate)
32: Grid unit element (unit element)
321x: magnetic sensor element in the X-axis direction (GSR sensor element), 321y: magnetic sensor element in the Y-axis direction (GSR sensor element), 321z: magnetic sensor element in the Z-axis direction (GSR sensor element), 321o: origin (origin of unit element, origin of magnetic field vector sensor), 321w: magnetic wire 33: element base 330: base, 331: trapezoidal slope, 332: ridge line, 333: upper surface 4: unit element 4 (41): 1-axis element grid-Z-axis type 40: petri dish, 411: GSR element, 412: ASIC, 413: electrode, 414: grid wiring (wiring), 415: coating agent 4 (42): 1-axis element grid-X-axis type 40: petri dish, 421: GSR element, 4 22: ASIC, 423: electrode, 424: grid wiring (wiring), 425: coating 4 (43): 1-axis element grid - Y-axis type 40: petri dish, 431: GSR element, 432: ASIC, 433: electrode, 434: grid wiring (wiring), 435: coating 4 (44): 2-axis element grid 40: petri dish, 441: GSR element, 442: ASIC, 443: electrode, 444: grid wiring (wiring), 445: coating 4 (45): 3-axis element grid 40: petri dish, 451: GSR element, 452: ASIC, 453: electrode, 454: grid wiring (wiring), 455: coating 5: cell aggregate 51: cell, 511: contour line, 512: current piece
52: cell, 521: contour line, 522: current element 53: cell, 531: contour line, 532: current element 54: cell, 541: contour line, 542: current element 55: cell 551: contour line, 552: current element 6: integrated system of magnetic microscope and optical microscope 61: magnetic microscope, 611: magnetic sensor element (GSR sensor element), 62: petri dish, 63: cell aggregate, 64: optical microscope, 65: CCD camera 7: cell aggregate 71: area of intense movement
本発明は、細胞研究で使用される光学顕微鏡で観察されている細胞の構造や動きと同時に、細胞集合体内から発する磁界と磁界を生み出す素である電流素片を測定することによって、細胞集合体全体の活力を観察する磁気顕微鏡に関する。 The present invention relates to a magnetic microscope that observes the vitality of an entire cell aggregate by measuring the magnetic field emanating from within the cell aggregate and the electric current fragments that generate the magnetic field, while at the same time observing the structure and movement of the cells using an optical microscope used in cell research.
iPS細胞などの細胞の生育観察を行う場合、光学顕微鏡による細胞体の形態変化や運動観察に加えて、細胞集合体内に流れる電流素片を観察して、細胞集合体全体の活力を観察することが求められている。 When observing the growth of cells such as iPS cells, in addition to observing the morphological changes and movement of the cell body using an optical microscope, it is necessary to observe the vitality of the entire cell aggregate by observing the electric current fragments flowing within the cell aggregate.
しかし、細胞の大きさは20μm程度でその集合体の大きさは5mm以下である。このような微細な細胞内に流れる電流から発する磁界を測定して、電流素片の強さと方向からその細胞の活力が予測される。しかし、現在そのような微細な細胞内に流れる電流素片を測定できる磁気顕微鏡は知られていない。
ここで、磁気顕微鏡とは、微小な細胞から発する微小な磁界を検出し、細胞形状に即して、そのサイズを倍率100倍から1000倍に増幅して、磁界の分布または磁界の素となる電流素片の分布を観察する装置であると定義することができる(図1)。
However, the size of a cell is about 20 μm, and the size of the aggregate is less than 5 mm. By measuring the magnetic field emitted from the current flowing in such a minute cell, the vitality of the cell can be predicted from the strength and direction of the current element. However, there is currently no known magnetic microscope that can measure the current element flowing in such a minute cell.
Here, a magnetic microscope can be defined as a device that detects tiny magnetic fields emitted from tiny cells, amplifies the size of the magnetic fields by 100 to 1000 times in accordance with the shape of the cells, and observes the distribution of the magnetic field or the distribution of electric current fragments that are the source of the magnetic field (Figure 1).
なお、磁気センサを利用した細胞評価装置が、特許文献1に開示されている。その文献の図17に直径20μmのアモルファスワイヤを80μm間隔で碁盤目状構造に配置し、各ワイヤの両端から高周波交流電流を通電して両端の電圧からアモルファスワイヤのインピーダンスを測定して、ワイヤの交点の磁界HxまたはHyを測定することができると記載されている。
しかし、磁気インピーダンスセンサは、ワイヤ両端に電圧をかけて交流電流を通電した時に、流れるワイヤに係る磁界の平均値をとるものであって、交点の磁界を単独に測定できないことは理論的に明らかである。事実、本発明を裏付ける論文は発表されていないし、製品も販売されていない。
Incidentally, a cell evaluation device using a magnetic sensor is disclosed in
However, the magnetic impedance sensor measures the average value of the magnetic field associated with the flowing wire when a voltage is applied to both ends of the wire and an AC current is passed through it, and it is theoretically clear that it cannot measure the magnetic field at the intersection point alone. In fact, no papers supporting this invention have been published, and no products are on the market.
発明者は、おそらくグリッド(i,j)番目に素子を配置して、i番目のワイヤからj番目のワイヤに交流電流が流れるようにスイッチ操作をして、(i,j)番目に配置した素子だけを駆動させるグリッドセンサ、この種のタイプのセンサは広く知られているが、その技術と勘違いしているように思われる。つまり、2mm間隔以下の碁盤目状に磁気センサが配置された磁気グリッドセンサは、いまだ開発されていない。 The inventor appears to be mistaken in thinking that this type of sensor, which is a grid sensor in which an element is placed at the (i,j)th position of a grid and a switch is operated so that an AC current flows from the i-th wire to the j-th wire, driving only the (i,j)-th element, is widely known. Although this type of sensor is widely known, the inventor appears to be mistaken in thinking that this technology is not yet developed. In other words, a magnetic grid sensor in which magnetic sensors are placed in a checkerboard pattern with intervals of 2 mm or less has not yet been developed.
細胞から発する磁界は細胞直上で10nT以下程度と考えられる。特許文献1によると1nT以下と説明しているが、センサの測定位置が細胞体から900μmと離れているが、本発明は300μm以下を想定しており、発生する磁界が距離の自乗に反比例することから、両者の見解は整合していると言える。
The magnetic field emitted from a cell is thought to be about 10 nT or less directly above the cell.
その磁界を検出するための磁気センサ素子のサイズは、細胞のサイズを考慮すると、10μm~500μm程度が求められる。現在知られているGSRセンサは、長さ500μmの場合には検出力は15nT程度であり、上記要求を満たす小型で高感度の磁気センサは知られていない。しかもこの磁気センサ素子をX軸とY軸にグリッド上に緻密に多数個グリッド状に配置する製造技術も確立されていない。 Taking into account the size of the cells, the size of the magnetic sensor element required to detect this magnetic field should be approximately 10 μm to 500 μm. Currently known GSR sensors have a detection power of approximately 15 nT when the sensor is 500 μm long, and no small, highly sensitive magnetic sensor that meets the above requirements is known. Furthermore, the manufacturing technology for densely arranging a large number of these magnetic sensor elements in a grid on the X and Y axes has not yet been established.
小型で高感度な磁気センサとそれを使った磁気センサグリッドを開発して、磁気顕微鏡の開発が求められている。なお、磁気顕微鏡に関する先行技術文献について、j-platpatによる検索では見出ことができなかった。 There is a need to develop a small, highly sensitive magnetic sensor and a magnetic sensor grid using this sensor, in order to develop a magnetic microscope. However, a search using j-platpat did not reveal any prior art literature on magnetic microscopes.
特許第5526384号公報
Patent No. 5526384
本発明は、20μmサイズの細胞から発する磁界を測定し、細胞内に発生する微小な磁界とその素となる電流素片を観察することによって細胞の活力を計測するものである。 The present invention measures the magnetic field emitted from a 20 μm-sized cell, and measures the vitality of the cell by observing the tiny magnetic field generated within the cell and the electric current fragment that is the source of the magnetic field.
本発明者は、小型GSRセンサを開発し、その素子をX軸とY軸に沿った碁盤目状の複数列のグリッド線上に、各列に沿って複数個配置すれば20μm程度大きさの細胞を観察する磁気顕微鏡を発明できるのではとの考えを思いついた。 The inventor came up with the idea that if he developed a small GSR sensor and arranged multiple elements along each row of grid lines in a checkerboard pattern along the X and Y axes, he could invent a magnetic microscope capable of observing cells about 20 μm in size.
具体的には、光学顕微鏡で観察中のシャーレの下側に、X軸とY軸に沿って碁盤目状に多数の磁気センサを配置した磁気センサグリッドを取り付けて、微小磁界を測定し、その測定値から電流素片を算出すれば、細胞レベルの微小磁界と電流素片と細胞の活性度がリアルタイムで測定できるのではとの着想であった。そして、その実用可能性の検討を行った結果、以下の6つの課題が横たわっていることに思い至った。 Specifically, the idea was that if a magnetic sensor grid with numerous magnetic sensors arranged in a checkerboard pattern along the X and Y axes were attached to the underside of a petri dish being observed under an optical microscope, the micromagnetic field could be measured, and a current element calculated from the measured value, then it would be possible to measure the micromagnetic field, current element, and cell activity at the cellular level in real time. After examining the feasibility of this, the researchers came to the conclusion that the following six challenges lay ahead.
そのための技術開発課題として、
第1の課題は、検出力が1pT~10nT程度で、サイズが10μm~2mm以下の磁気センサを開発することである。具体的には現状のGSRセンサの小型化と高性能化を図ることであるが、磁気センサの検出力はサイズに比例し、両者の間には背反性が存在し、両特性を同時に改善するのは難しい課題である。
The technological development issues for this purpose are:
The first challenge is to develop a magnetic sensor with a detection power of about 1 pT to 10 nT and a size of 10 μm to 2 mm or less. Specifically, the goal is to reduce the size and improve the performance of current GSR sensors, but the detection power of a magnetic sensor is proportional to its size, and there is a trade-off between the two, making it difficult to improve both characteristics at the same time.
第2の課題は、ASIC基板の上に、磁気センサ素子をX軸とY軸に沿ってグリッド上に100個~400万個程度配置する技術を開発することである。なお素子の数は、40倍~1,000倍の倍率および10mm径~50mm径程度の測定面積によって選択すべき課題である。 The second challenge is to develop technology to arrange 100 to 4 million magnetic sensor elements in a grid along the X and Y axes on an ASIC board. The number of elements should be selected based on the magnification of 40 to 1,000 times and the measurement area of about 10 mm to 50 mm in diameter.
第3の課題は、電流素片から発する磁界を磁気センサグリッドで測定し、それから細胞集合体に流れる電流素片分布および磁界分布の等高線図を計算して、イメージ画像をスクリーンに表示するプログラムを開発する課題である。 The third task is to develop a program that uses a magnetic sensor grid to measure the magnetic field emitted by the current element, calculates contour maps of the current element distribution and magnetic field distribution flowing through the cell aggregate, and displays an image on a screen.
第4の課題は、超高密度に配置された磁気センサグリッドを使って、イメージ画像の画素の大きさを20μm程度とし、磁界分布の分解能を1μm程度にして、倍率1,000の磁気顕微鏡を開発することである。 The fourth challenge is to develop a magnetic microscope with a magnification of 1,000, using a magnetic sensor grid arranged at an ultra-high density to achieve an image pixel size of about 20 μm and a magnetic field distribution resolution of about 1 μm.
第1の課題については、磁気センサとして、GSRセンサを採用した。コイルピッチを0.1μm~3μmとし、および磁性ワイヤの本数を必要に応じて複数本設置することで、コイル巻き数を150回~2,000回として、検出力は1pT~50pTと高感度化する。GSRセンサを小型で高感度化を実現することでこの問題を解決できる。GSRセンサ素子を図2に示す。 For the first issue, a GSR sensor was used as the magnetic sensor. By setting the coil pitch to 0.1 μm to 3 μm and installing multiple magnetic wires as necessary, the number of coil turns can be set to 150 to 2,000, and the detection power can be increased to 1 pT to 50 pT, making it highly sensitive. This problem can be solved by making the GSR sensor small and highly sensitive. The GSR sensor element is shown in Figure 2.
ここで、GSRセンサについては、本発明者による特許公報第5839527号公報に詳細に記載されており、本発明において引用する。GSRセンサは、基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤとそれに巻回した周回コイルで形成した検出用コイルと磁性ワイヤ通電用の電極2個とコイル電圧検出用電極2個の電極を接続する配線で構成されるGSR素子、およびその磁性ワイヤにGHzの周波数を持つパルス電流を流す手段とパルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知し、コイル電圧を外部磁界Hに変換する電子回路とからなる超高感度マイクロ磁気センサである。 The GSR sensor is described in detail in Patent Publication No. 5839527 by the present inventor, and is cited in the present invention. The GSR sensor is an ultra-sensitive micromagnetic sensor that includes a GSR element that is composed of a conductive magnetic field detection magnetic wire on a substrate, a detection coil formed of a circular coil wound around the magnetic wire, two electrodes for passing current through the magnetic wire, and wiring that connects two electrodes for detecting the coil voltage, a means for passing a pulse current with a GHz frequency through the magnetic wire, and an electronic circuit that detects the coil voltage generated when the pulse current is passed through the magnetic wire and converts the coil voltage into an external magnetic field H.
第2の課題については、多数個の素子をASIC基板の上に形成し、磁性ワイヤをX軸とY軸に沿って碁盤目状に貼り、そこにコイル配線と電極配線を焼き付ける技術を利用して、この課題を解決した。ASICと多数個の素子とはベアホールを使って接合した。ASICは、多数個の素子に対応して、素子1個に対応して多数個使用してもよいし、チャンネルの切り替え機能を有する多数個の素子を制御するASICを使用してもよい。磁気センサ素子グリッドを図3~図5に示す。
図3は磁気センサ素子グリッドの上面図、図4(図4A、図4B、図4C)は磁気センサ素子グリッドの単位素子の構造の平面図、図5(図5A、図5B、図5C)は磁気センサ素子グリッドの断面図を示している。
The second problem was solved by forming multiple elements on an ASIC board, attaching magnetic wires in a grid pattern along the X and Y axes, and then baking coil wiring and electrode wiring onto the wires. The ASIC and multiple elements were connected using via holes. Multiple ASICs may be used to correspond to multiple elements, or multiple ASICs may be used to control multiple elements with channel switching functions. The magnetic sensor element grid is shown in Figures 3 to 5.
FIG. 3 is a top view of the magnetic sensor element grid, FIG. 4 (FIGS. 4A, 4B, and 4C) is a plan view of the structure of a unit element of the magnetic sensor element grid, and FIG. 5 (FIGS. 5A, 5B, and 5C) is a cross-sectional view of the magnetic sensor element grid.
磁界の測定値としては、X軸素子とY軸素子の多数個の交点の磁界、図4A(aー1)はHz、図4A(aー2)はHx,図4A(aー3)はHyを計測し、それらの値をグリッドの磁界として、磁界分布および電流素片分布を計算することにした。すなわち、Hz=(Hz1+Hz2+Hz3+Hz4)/4、Hx=(Hx1+Hx2+Hx3+Hx4)/4、Hy=(Hy1+Hy2+Hy3+Hy4)/として求めた。 The magnetic field measurements were taken at the numerous intersections of the X-axis and Y-axis elements, Hz in Figure 4A (a-1), Hx in Figure 4A (a-2), and Hy in Figure 4A (a-3), and these values were used as the magnetic field of the grid to calculate the magnetic field distribution and current element distribution. In other words, they were calculated as Hz = (Hz1 + Hz2 + Hz3 + Hz4)/4, Hx = (Hx1 + Hx2 + Hx3 + Hx4)/4, and Hy = (Hy1 + Hy2 + Hy3 + Hy4)/.
グリッド素子基板の上面を平坦にして、その平坦面を細胞観察用シャーレの細胞液側の基板面に直接接触させて、観察用細胞から素子までの距離を300μm以下として、細胞から発する微小磁界の測定を容易にすることである。観察用細胞から素子までの距離が小さければ小さいほど良い。 The top surface of the grid element substrate is flattened, and the flat surface is brought into direct contact with the substrate surface on the cell fluid side of the cell observation dish, making the distance from the cell to the element 300 μm or less, facilitating measurement of the micromagnetic field emitted from the cell. The shorter the distance from the cell to the element, the better.
第3の課題については、観察前に、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して初期の磁界測定値mHij(→)(b)を求め、その値をX軸とY軸平面上のグリッドサイズに対応した磁界分布として表示する。 For the third problem, before observation, the magnetic field at the sensor grid position (i, j) is measured to obtain the initial magnetic field measurement value mH ij (→) (b), and this value is displayed as a magnetic field distribution corresponding to the grid size on the X-axis and Y-axis plane.
次にシャーレに細胞を設置してから、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して磁界測定値mHij(→)(a)を求め、そこからmHij(→)(b)を差し引いて、測定値とする。すなわち、mHij(→)=mHij(→)(a)-mHij(→)(b)となる。 Next, after placing a cell in the petri dish, the magnetic field at the sensor grid position (i, j) is measured to obtain the magnetic field measurement value mH ij (→)(a), and mH ij (→)(b) is subtracted from the magnetic field measurement value to obtain the measurement value. In other words, mH ij (→)=mH ij (→)(a)-mH ij (→)(b).
この値を細胞集合体内の電流素片Idsから発する磁界と考え、磁気センサ素子グリッドの(i,j)番の位置にある磁気センサで測定してその測定値をmHij(→)とし、mHij絶対値の等高線図を作成し、mHij(→)のピークから電流素片Idsの位置P(x,y,z)とmHij(→)のピークの山の広がりから電流素片Ids(→)の長さを仮定して、細胞集合体内に電流素片Idsが存在しているとする。ピークの箇所がn個ある場合、n個の電流素片Idsがあると仮定して計算のモデルを作成する。 This value is considered to be the magnetic field emanating from the current element Ids within the cell aggregate, and measured by a magnetic sensor at the (i, j)th position of the magnetic sensor element grid, the measured value is taken as mH ij (→), a contour map of the absolute value of mH ij is created, and the position P(x, y, z) of the current element Ids from the peak of mH ij (→) and the length of the current element Ids (→) are assumed from the spread of the mountain of the peak of mH ij (→), and it is assumed that the current element Ids exists within the cell aggregate. If there are n peak locations, a calculation model is created assuming that there are n current elements Ids.
次に、k番目の電流素片Ikdsk(→)の位置Pk(xk,yk,zk)とし、磁界の測定位置Gij(x
ij
,y
ij
,0)として、前記電流素片位置Pk(xk,yk,zk)と前記測定位置Gij(x
ij
,y
ij
,0)との距離Rijk(→)とすると、
k番目の前記電流素片Ikdsk(→)が前記測定位置G(i,j)番の位置に作る磁界は、Hijk(→) =1/4πRijk3×Ikdsk(→)×Rijk(→)の基本方程式から求めることができるので、それらの磁界を加算して、前記磁気センサ素子グリッドの前記測定位置G(i,j)番の位置に作る理論値tHij(→)は、tHij(→)=ΣtHijk(→)とする。(Σは、kを1からn個加算する。)
Next, the kth current element IkdskPosition P of (→)k(xk,yk,zk) and the magnetic field measurement position Gij(x
i.j.
,y
i.j.
,0)As the current element position Pk(xk,yk,zk) and the measurement position Gij(x
i.j.
,y
i.j.
,0)If the distance between is Rijk(→), then
The kth current element IkdskThe magnetic field that (→) creates at the measurement position G(i,j) is Hijk(→) = 1/4πRijk3×IkdskSince it can be calculated from the basic equation of (→) × Rijk(→), adding up these magnetic fields, we getthe magnetic sensor element gridThe theoretical value tHi.j.(→) is tHi.j.(→) = ΣtHijkLet (→). (Σ adds k from 1 to n.)
両者の誤差をeij(→)=mHij(→)-tHij(→)とし、 誤差関数E=Σ(e
ij
)
2 を作成し、
Ik(→)の向きについては、XY軸平面に対して、傾斜角をφkとして、X軸に対する角度をθkとし、この誤差関数からガウスニュートン法で誤差関数を偏微分して、7n個の連立方程式を導出し、Ikの絶対値とdskとθkとφkおよびXk、Yk、Zkとからなる7n個の連立方程式を求め、その式から7n個の未知数を求め、細胞集合体に流れる多数個の電流素片を計算し、その結果を用いて電流素片の分布図を作成し、スクリーンに表示することである。
Let the error between the two be e ij (→) = mH ij (→) - tH ij (→), and create the error function E = Σ(e ij ) 2 .
Regarding the direction of Ik (→), the inclination angle with respect to the XY-axis plane is φk and the angle with respect to the X- axis is θk . From this error function, the error function is partially differentiated using the Gauss-Newton method to derive 7n simultaneous equations, and 7n simultaneous equations consisting of the absolute value of Ik , dsk , θk , φk , Xk , Yk, and Zk are obtained. From these equations, 7n unknowns are obtained, and a large number of current elements flowing through the cell aggregate are calculated. The results are used to create a distribution map of the current elements and displayed on the screen.
ここで、各ベクトル物理量のベクトル表示は(→)を添付することにした。
磁気顕微鏡の磁界測定値から求めた磁界分布図を図6に示し、電流素片を求める計算プログラムのフローチャートを図7に示す。
なお、本発明は磁気顕微鏡の構成を旨としたものなので、誤差関数から電流素片ベクトルを算出する方法は上記方法に限られるものではない。
Here, we have decided to affix (→) to the vector representation of each vector physical quantity.
FIG. 6 shows a magnetic field distribution map obtained from magnetic field measurements taken with a magnetic microscope, and FIG. 7 shows a flow chart of a calculation program for obtaining a current element.
It should be noted that the present invention is directed to the configuration of a magnetic microscope, and the method of calculating the current element vector from the error function is not limited to the above method.
第4の課題については、センサグリッドの単位素子において、コイルピッチを0.1μmとして、素子の長さ10μm、磁性ワイヤの本数を2本とし、コイル巻き数を180回とすることで、センサグリッドの画素を10μm×10μmとする。磁気センサの検出力は5pTを確保する。これらの測定値から、磁界分布図を作成すると、磁界分布図の画素は1μm程度となり、倍率1000倍の磁気顕微鏡を得ることができる。 For the fourth issue, in the unit element of the sensor grid, the coil pitch is set to 0.1 μm, the element length is 10 μm, the number of magnetic wires is set to two, and the number of coil windings is set to 180, resulting in a pixel of the sensor grid of 10 μm x 10 μm. The detection power of the magnetic sensor is ensured to be 5 pT. If a magnetic field distribution map is created from these measured values, the pixel of the magnetic field distribution map will be approximately 1 μm, and a magnetic microscope with a magnification of 1000 times can be obtained.
次に、光学顕微鏡で観察した細胞の形状図の上に、磁気顕微鏡で測定した電流素片分布を重ねて、その画像をスクリーンに表示することにした。これによりリアルタイムで細胞の機械的運動と形状変化の動きと各細胞の活性化度の両方を容易に観察できるようにすることができる。
光学顕微鏡と磁気顕微鏡を一体としたイメージを図8に示し、それぞれの観察結果(磁気顕微鏡はイメージ図)を図9に示す。
Next, we superimposed the current distribution measured by the magnetic microscope on the shape of the cells observed by the optical microscope and displayed the image on a screen, which makes it easy to observe both the mechanical movement and shape change of the cells, as well as the activation level of each cell, in real time.
FIG. 8 shows an image of the combined optical microscope and magnetic microscope, and FIG. 9 shows the results of each observation (the magnetic microscope is an image).
なお、磁界分解空間能を光学顕微鏡の分解能に一致させるために、離散的に測定した磁界測定値の中間の磁界は、補間法により磁界分布を関数近似して、その中間の位置での磁界の値を求めることにした。この補間法により、グリッド間隔の1/20程度の磁界空間分解能を得ることができる。
電流素片の位置精度は、電流素片の位置を算出するプログラムから、理論的にグリッド間隔の1/20程度の精度となることを確認した。
In order to make the spatial resolution of the magnetic field equal to the resolution of an optical microscope, the magnetic field at the intermediate position between the discretely measured magnetic field values is calculated by functionally approximating the magnetic field distribution using an interpolation method. This interpolation method can obtain a spatial resolution of the magnetic field of about 1/20 of the grid interval.
It was confirmed that the positional accuracy of the current element was theoretically about 1/20 of the grid interval, based on a program for calculating the position of the current element.
以上の4つの解決策を組み合わせて、磁気顕微鏡を発明することができた。
なお、本発明は、小型かつ高感度の磁気センサを対象としており、GSRセンサに限るものでない。このことはその構成から明白である。
By combining these four solutions, we were able to invent the magnetic microscope.
It should be noted that the present invention is directed to a small, highly sensitive magnetic sensor and is not limited to a GSR sensor, as is apparent from the configuration.
本発明により、細胞観察に細胞の活力度合いを観察できるようになる。しかも光学顕微鏡と一体化することで形状とその動きの様子と個々の細胞の活力がリアルタイムかつ同時に測定することができるようになり、細胞の研究の基本ツールになることが期待される。 This invention makes it possible to observe the degree of cell vitality when observing cells. Moreover, by integrating it with an optical microscope, it becomes possible to simultaneously measure the shape, movement, and vitality of individual cells in real time, and it is expected to become a basic tool in cell research.
本発明の第1実施形態は、以下の通りである。
細胞観察用シャーレの細胞液側の基板面に設置された磁気センサ素子グリッドと、
磁気センサ素子グリッドで、細胞内に流れる電流素片から生じる微小磁界に対応するグリッド電圧を検知して、グリッド電圧をグリッド磁気信号に変換する信号処理回路と、
磁気センサ素子グリッドは、センサグリッド基板上のX軸とY軸に沿った碁盤目状の交点の位置に、厳密には交点を挟んだ4か所に磁気センサ素子を配置して、交点の位置の磁界を測定し、
グリッド磁界の絶対値を等高線図として表示する表示装置とを備えていることを特徴とする磁気顕微鏡である。
A first embodiment of the present invention is as follows.
A magnetic sensor element grid is provided on a substrate surface on the cell fluid side of a petri dish for cell observation;
a signal processing circuit that detects a grid voltage corresponding to a minute magnetic field generated by a current element flowing inside a cell using a magnetic sensor element grid and converts the grid voltage into a grid magnetic signal;
The magnetic sensor element grid is a grid of magnetic sensor elements arranged at the intersections of a checkerboard pattern along the X-axis and Y-axis on a sensor grid substrate, or more precisely, at four locations on either side of each intersection, to measure the magnetic field at the intersections.
and a display device that displays the absolute value of the grid magnetic field as a contour map .
また、磁気顕微鏡の磁気センサ素子は、
Hz磁界、Hx磁界、Hy磁界のいずれか1磁界を測定する1軸素子からなることを特徴とする。
In addition, the magnetic sensor element of the magnetic microscope is
It is characterized by comprising a single-axis element for measuring one of the magnetic fields, Hz magnetic field, Hx magnetic field, and Hy magnetic field.
また、磁気顕微鏡の磁気センサ素子は、
Hx磁界およびHy磁界を測定する2軸素子からなることを特徴とする。
In addition, the magnetic sensor element of the magnetic microscope is
It is characterized by comprising a two-axis element for measuring the Hx magnetic field and the Hy magnetic field.
また、磁気顕微鏡の磁気センサ素子は、
Hx磁界、Hy磁界およびHz磁界を測定する3軸素子からなることを特徴とする。
In addition, the magnetic sensor element of the magnetic microscope is
It is characterized by comprising a three-axis element for measuring the Hx magnetic field, the Hy magnetic field and the Hz magnetic field.
また、磁気顕微鏡は、
グリッド磁界の値から細胞内に流れる前記電流素片を計算するプログラムおよびその値をイメージ画像としてスクリーンに表示する装置とからなることを特徴とする。
In addition, the magnetic microscope
The present invention is characterized by comprising a program for calculating the current element flowing within a cell from the value of the grid magnetic field, and a device for displaying that value as an image on a screen.
また、磁気顕微鏡は、
観察前に、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して初期の磁界測定値mHij(→)(b)を求め、その値をX軸とY軸平面上のグリッドサイズに対応した磁界分布として表示する。
In addition, the magnetic microscope
Before observation, the magnetic field at the sensor grid position (i, j) is measured to obtain an initial magnetic field measurement value mH ij (→) (b), which is then displayed as a magnetic field distribution corresponding to the grid size on the X-axis and Y-axis plane.
次にシャーレに細胞を設置してから、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して磁界測定値mHij(→)(a)を求め、そこからmHij(→)(b)を差し引いて、測定値mHij(→)とする。すなわち、測定値mHij(→)=mHij(→)(a)-mHij(→)(b)となる。 Next, after placing a cell in the petri dish, the magnetic field at the sensor grid position (i, j) is measured to obtain the magnetic field measurement value mH ij (→)(a), from which mH ij (→)(b) is subtracted to obtain the measurement value mH ij (→). In other words, the measurement value mH ij (→)=mH ij (→)(a)-mH ij (→)(b).
この測定値mHij(→)を細胞集合体内の電流素片から発する磁界と考え、磁気センサ素子グリッドの(i,j)番の位置にある磁気センサで測定してその測定値をmHij(→)とし、mHij絶対値の等高線図を作成し、
mHij(→)の絶対値のピークから電流素片Idsの位置P(x,y,z)を仮定し、前記mHij(→)の絶対値のピークの山の広がりから電流素片Idsの長さdsを仮定して、前記細胞集合体内にn個の電流素片Idsが存在しているとの計算モデルを作成する。
This measured value mH ij (→) is considered to be the magnetic field emitted from the current element in the cell aggregate , and is measured by the magnetic sensor at the (i, j)th position of the magnetic sensor element grid. The measured value is taken as mH ij (→). A contour map of the absolute value of mH ij is then created.
A computational model is created in which n current fragments Ids exist within the cell aggregate by assuming the position P(x, y, z) of the current fragment Ids from the peak of the absolute value of mH ij (→) and assuming the length ds of the current fragment Ids from the spread of the peak mountain of the absolute value of mH ij (→).
次に、k番目の電流素片Ikdskの位置Pk(xk,yk,zk)とし、磁界の測定位置Gij(xij,yij,0)として電流素片位置Pk(xk,yk,zk)と磁界測定位置Gij(xij,yij,0)との距離Rijkとすると、
k番目の電流素片Ikdskが作る磁界は、Hijk(→)=1/4πRijk
3×Ikdsk(→)×Rijk(→)の方程式から求めることができるので、1からn個の磁界を加算して、前記磁気センサ素子グリッドの測定位置Gij(i,j)の位置に作る磁界の理論値をtHij(→)=ΣHijk(→)とし、
両者の誤差をeij(→)=mHij(→)-tHij(→)とし、
誤差関数E=Σ(e
ij
)
2 を作成する。
Next, let Pk ( xk , yk , zk ) be the position of the k -th current element Ikdsk , Gij ( xij , yij ,0) be the measurement position of the magnetic field, and Rijk be the distance between the current element position Pk ( xk , yk , zk ) and the magnetic field measurement position Gij ( xij , yij ,0), then
The magnetic field generated by the k -th current element Ikdsk can be obtained from the equation Hijk (→) = 1/ 4πRijk3 × Ikdsk ( →)× Rijk (→), so by adding up
The error between the two is e ij (→) = mH ij (→) - tH ij (→),
Create the error function E=Σ(e ij ) 2 .
Ik(→)の向きについては、XY軸平面に対して、傾斜角をφkとして、X軸に対する角度をθkとし、
この誤差関数からIkとdskとθkとφkおよびXk、Yk、Zkに関する7n個の連立方程式を求め、その式から未知数を求め、
細胞集合体に流れるn個の電流素片を計算し、その結果を用いて電流素片の分布図を作成し、スクリーンに表示することを特徴とする。
Regarding the direction of I k (→), the inclination angle with respect to the XY-axis plane is φ k , and the angle with respect to the X-axis is θ k .
From this error function, 7n simultaneous equations related to I k , ds k , θ k , φ k , X k , Y k , and Z k are obtained, and unknowns are obtained from the equations.
The device calculates n current elements flowing through a cell aggregate, and uses the results to create a distribution map of the current elements, which is then displayed on the screen.
以下、発明の実施形態について、図1~図9を用いて詳細に説明する。
<磁気顕微鏡>
図1に磁気顕微鏡を構成する磁気センサ素子グリッドと被検体の細胞(細胞集合体)との位置関係を示す。なお、磁気顕微鏡は磁気センサ素子で検出した磁界の信号を変換する信号処理回路および表示装置等からなる。
磁気センサ素子グリッド10は、多数個の磁気センサ素子101からなる。
シャーレ(細胞観察用)11に細胞(細胞集合体)12を載置し、その上に磁気センサ素子グリッド10を設置する。または、図1に示すように磁気センサ素子グリッド10の上にシャーレ11を設置してもよい。
両者の位置関係は、観察する細胞(細胞集合体)のサイズ・体積と磁気センサ素子グリッドの検出能、さらに光学顕微鏡との組み合わせにより任意に選択できる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
<Magnetic microscope>
The positional relationship between the magnetic sensor element grid that constitutes the magnetic microscope and the cells (cell aggregates) of the specimen is shown in Fig. 1. The magnetic microscope is also composed of a signal processing circuit that converts the magnetic field signals detected by the magnetic sensor elements, a display device, etc.
The magnetic
Cells (cell aggregates) 12 are placed on a petri dish (for cell observation) 11, and a magnetic
The positional relationship between the two can be arbitrarily selected depending on the size and volume of the cell (cell aggregate) to be observed, the detection capability of the magnetic sensor element grid, and further on the combination with an optical microscope.
<磁気センサ>
磁気センサとして、GSRセンサを採用する。そのGSR素子の基本構造を図2に示し、磁気センサ素子グリッドの構造を図3~図5に示して説明する。
磁性ワイヤ22の直径は、1μm~10μmとする。検出コイル23のコイルピッチは0.1μm~3μmとし、コイル幅は3μm~30μmとする。磁性ワイヤの本数は、必要に応じて1本~8本とする。
なお、磁気顕微鏡を構成する磁気センサとして、サイズおよび性能の点から磁気顕微鏡として特性を発揮できる場合には、GSRセンサに限定されるものではない。
<Magnetic sensor>
A GSR sensor is used as the magnetic sensor. The basic structure of the GSR element is shown in Fig. 2, and the structure of the magnetic sensor element grid is shown and explained in Figs.
The diameter of the
It should be noted that the magnetic sensor constituting the magnetic microscope is not limited to the GSR sensor, so long as it can exhibit the characteristics required for a magnetic microscope in terms of size and performance.
磁気センサ素子グリッド3の単位素子(磁気センサ素子)32のサイズは、10μm~1mmである。
単位素子32のサイズが10μmの場合は、コイルピッチは0.1μmとし、コイル幅は3μmとし、磁性ワイヤ本数は2本としてコイル巻き数を150回とすることが好ましい。
一方、単位素子32のサイズが1mmの場合には、コイルピッチは3μmとし、コイル幅は30μmとし、磁性ワイヤ本数は1本~8本までとし、コイル巻き数を2400回とすることが好ましい。
The size of the unit elements (magnetic sensor elements) 32 of the magnetic
When the size of the
On the other hand, when the size of the
ここで、GSRセンサについては、図2に示すように、基板21上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤ22とそれに巻回した周回コイルで形成した検出用コイル23とワイヤ通電用の電極24の2個とコイル電圧検出用電極28の2個の電極を接続する配線26、29で構成されるGSR素子2、およびその磁性ワイヤにGHzの周波数を持つパルス電流を流す手段とパルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知し、コイル電圧を外部磁界Hに変換する電子回路とからなる超高感度マイクロ磁気センサである。
As shown in FIG. 2, the GSR sensor is an ultra-sensitive micro-magnetic sensor that is made up of a
<磁気センサ素子グリッド(グリッド)>
磁気センサ素子グリッド3は、図3に示すように、単位素子(磁気センサ素子)32をグリッド基板31に多数個配置したものである。
磁気センサ素子グリッド3のサイズは、5mm角~20mm角、または直径5mm~直径20mmとする。その単位素子32のサイズは、10μm~1mmである。単位素子32の数は、最小の5×5の25画素~最大の2000×2000の400万画素である。
<Magnetic sensor element grid (grid)>
As shown in FIG. 3, the magnetic
The size of the magnetic
単位素子32は、図4に示すように、1軸素子(図4A)のタイプ、2軸素子(図4B)のタイプ、3軸素子(図4C)の3つのタイプがある。
そして、3つのタイプについて、図3のA1-A2線における断面図を図5(5A、5B、5C)に示す。断面図は、シャーレの上に設置した磁気センサ素子グリッドの断面を示している。
As shown in FIG. 4, the
5 (5A, 5B, and 5C) show cross-sectional views of the three types taken along line A1-A2 in Fig. 3. The cross-sectional views show a cross-section of a magnetic sensor element grid placed on a petri dish.
まず、1軸素子(図4A)のタイプは、グリッド基板31にGSRセンサ素子321をX軸とY軸の交点321oを中心にして対称に、
(a-1)Z軸素子321zをZ軸方向に各1個配置した1軸素子のタイプ、
(a-2)X軸素子321xをX軸方向に各1個配置した1軸素子のタイプ、
(a-3)Y軸素子321yをY軸方向に各1個配置した1軸素子のタイプ
がある。
First, the type of one-axis element (FIG. 4A) is a type in which the
(a-1) A one-axis element type in which the Z-axis element 321z is arranged one by one in the Z-axis direction,
(a-2) A one-axis element type in which the
(a-3) There is a one-axis element type in which the Y-axis elements 321y are arranged one on each side in the Y-axis direction.
これらの断面図(図5A)は、
(a-1)1軸素子グリッド-z軸タイプ(4(41))にて、GSR素子411とASIC412、電極413およびグリッド配線414を保護する被覆剤415からなり、シャーレ40の上に載置されている。
(a-2)1軸素子グリッド-x軸タイプ(4(42))は、GSR素子421とASIC422、電極423およびグリッド配線424を保護する被覆剤425からなり、シャーレ40の上に載置されている。
(a-3)1軸素子グリッド-y軸タイプ(4(43))は、GSR素子431とASIC432、電極433およびグリッド配線434を保護する被覆剤435からなり、シャーレ40の上に載置されている。
These cross-sectional views (FIG. 5A) are
(a-1) One-axis element grid - z-axis type (4(41)) is made up of a GSR element 411, an ASIC 412, an electrode 413 and a coating material 415 for protecting the grid wiring 414, and is placed on a
(a-2) One-axis element grid - x-axis type (4 (42)) is made of a
(a-3) One-axis element grid - y-axis type (4 (43)) is made up of a GSR element 431, an
次に、2軸素子(図4B)のタイプは、グリッド基板31にGSRセンサ素子321をX軸とY軸の交点321oに沿って、
(b)横方向に2個のX軸素子321xと縦方向に2個のY軸素子321yを原点321o中心にして対象に配置した2軸素子のタイプ
がある。
Next, the two-axis element type (FIG. 4B) is a type in which the
(b) There is a two-axis element type in which two
この2軸素子のタイプ(4(44))の断面図は、図5Bに示すように、GSR素子441とASIC442、電極443およびグリッド配線444を保護する被覆剤445からなり、シャーレ40の上に載置されている。
The cross-sectional view of this biaxial element type (4 (44)) is shown in FIG. 5B. It consists of a GSR element 441, an
最後に、3軸素子(図4C)のタイプは、グリッド基板31に磁界ベクトルセンサをX軸とY軸の交点321oに沿って配置した3軸タイプである。
この3軸素子タイプは、四角錐台、八角錐台または変則八面錐台からなる台座330の傾斜面331に4個のGSR素子またはon-ASICタイプのGSRセンサを傾斜方向とGSR素子の磁性ワイヤ321wが一致するように4回対称で鏡像対称に配置したものである。
2個のX軸素子321xと2個のY軸素子321yからX軸方向とY軸方向の磁界を測定するとともにZ軸方向の磁界を計算により求めるものである。
なお、on-ASICタイプのGSRセンサは、発明者らが発明したもので特許公報(特許第7062216号公報)にて開示されている。詳細な内容は、当該特許公報の記載を参照する。また、この磁界ベクトルセンサは、発明者らが発明したもので特許公報(特許第7215702号公報)にて開示されている。詳細な内容は、当該特許公報の記載を参照する。
Finally, the type of three-axis element (FIG. 4C) is a three-axis type in which a magnetic field vector sensor is arranged on the
This three-axis element type has four GSR elements or on-ASIC type GSR sensors arranged in four-fold symmetry and mirror symmetry on the
The magnetic fields in the X-axis and Y-axis directions are measured from two
The on-ASIC type GSR sensor was invented by the inventors and is disclosed in a patent publication (Japanese Patent No. 7062216). Please refer to the description in this patent publication for details. The magnetic field vector sensor was invented by the inventors and is disclosed in a patent publication (Japanese Patent No. 7215702). Please refer to the description in this patent publication for details.
この3軸素子のタイプ(4(45))の断面図は、図5Cに示すように、GSR素子451とASIC452、電極453およびグリッド配線454を保護する被覆剤455からなり、シャーレ40の上に載置されている。
なお、Z軸方向の磁界は計算により求めるもので素子451zは計算上の素子である。
The cross-sectional view of this triaxial element type (4(45)) is shown in FIG. 5C, and it is made up of a GSR element 451, an
The magnetic field in the Z-axis direction is obtained by calculation, and element 451z is a calculated element.
<磁気センサ素子グリッドと細胞との位置関係>
磁気センサ素子グリッド10の位置は、シャーレ11の厚みは200μm以下とし、磁気センサ素子グリッド10の上面を平坦にして、平坦面をシャーレの裏側に直接押し当てて、細胞から磁気センサ素子101の測定部までの距離を300μm以下とすることが好ましい。細胞が発する磁界は距離の二乗に反比例するので、この距離を極力小さくすることが求められるわけである。
<Positional relationship between magnetic sensor element grid and cells>
It is preferable that the position of the magnetic
<単位素子の交点における磁界成分の測定>
(A)1軸素子における磁界成分の測定
(a-1)交点321oを中心に4個の単位素子321zで測定したHz1、Hz2、Hz3,Hz4の4個のデータから、交点の磁界成分であるHzは、Hz=(Hz1+Hz2+Hz3+Hz4)/4から求めることができる。
(a-2)交点321oを中心に4個の単位素子321xで測定したHx1、Hx2、Hx3、Hx4の4個のデータから、交点の磁界成分であるHxは、Hx=(Hx1+Hx2+Hx3+Hx4)/4から求めることができる。
(a-3)交点321oを中心に4個の単位素子321yで測定したHy1、Hy2、Hy3、Hy4の4個のデータから、交点の磁界成分であるHyは、Hy=(Hy1+Hy2+Hy3+Hy4)/4から求めることができる。
<Measurement of magnetic field components at intersections of unit elements>
(A) Measurement of magnetic field components in a one-axis element (a-1) From the four pieces of data Hz1, Hz2, Hz3, and Hz4 measured using four unit elements 321z centered on the intersection 321o, the magnetic field component Hz at the intersection can be calculated from Hz = (Hz1 + Hz2 + Hz3 + Hz4)/4.
(a-2) From the four pieces of data Hx1, Hx2, Hx3, and Hx4 measured by the four
(a-3) From the four data Hy1, Hy2, Hy3, and Hy4 measured by the four unit elements 321y centered on the intersection 321o, Hy, which is the magnetic field component of the intersection, can be calculated from Hy=(Hy1+Hy2+Hy3+Hy4)/4.
(B)2軸素子における磁界成分の測定
(b)交点321oを中心にX軸向きの2個の単位素子321xとY軸向きの2個の単位素子321yとで測定したHx1、Hx2、Hy1、Hy2の4個のデータから、交点の磁界成分であるHxとHyは、Hx=(Hx1+Hx2)/2、Hy=(Hy1+Hy2)/2から求めることができる。
(B) Measurement of magnetic field components in a two-axis element (b) From the four pieces of data Hx1, Hx2, Hy1, and Hy2 measured with two
(C)3軸素子における磁界成分の測定
(c)磁界ベクトルセンサにおいて、台座の傾斜角度をθとし、交点321oを中心にX軸向きの2個の単位素子321xとY軸向きの2個の単位素子321yとで測定したHx1、Hx2、Hy1、Hy2の4個のデータから、交点321oの磁界成分であるHxとHyは、Hx=(1/2cosθ)(Hx1-Hx2)、Hy=(1/2sinθ)(Hy1-Hy2)から求めることができる。そして、Z軸方向のHzは、Hz=(1/4sinθ)(Hx1+Hx2+Hy1+Hy2)からもとめることができる。
(C) Measurement of magnetic field components in a three-axis element (c) In a magnetic field vector sensor, the tilt angle of the base is θ, and from the four data Hx1, Hx2, Hy1, and Hy2 measured with two
なお、測定前にまず環境磁界を測定し、シャーレに細胞を載せて観察する際に、測定値から環境磁界を差し引くと、外部磁界の影響を受けることはない。 In addition, if you first measure the environmental magnetic field before taking measurements, and then subtract the environmental magnetic field from the measured value when placing the cells in the petri dish for observation, there will be no effect from the external magnetic field.
磁気センサ素子グリッドは、単位素子32の交点の位置をX軸方向のi番とY軸方向のj番の位置をPijとし表し、Pijにおける測定値をHijとして、Hijを電流素片分布計算プログラムに転送する電子回路を兼ね備えている。
なお、単位素子32を構成する各素子(X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向の素子)のグリッド基板上の位置を(i,j)番として、各素子の測定値を直接グリッド磁界測定値として、磁界分布および電流素片分布を計算してもよい。
The magnetic sensor element grid also has an electronic circuit that expresses the position of the intersection of the
In addition, the position on the grid substrate of each element (elements in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions) that constitutes the
<電流素片分布を計算するプログラム>
電流素片分布を計算するプログラムは、細胞集合体内の電流素片から発する磁界を磁気センサ素子グリッドの(i,j)番の位置にある磁気センサで測定し、その測定値をmHijとする。
<Program to calculate current element distribution>
The program for calculating the current element distribution measures the magnetic field emanating from the current element in the cell aggregate with a magnetic sensor at the (i, j)th position of the magnetic sensor element grid, and defines the measured value as mH ij .
実際には環境磁界の影響を受けるので、観察前に、磁気センサ素子グリッド位置(i,j)における磁界を計測して初期の磁界測定値mHij(→)(b)を求め、その値をX軸とY軸平面上のグリッドサイズに対応した磁界分布として表示する。 In practice, since the measurement is affected by the environmental magnetic field, the magnetic field at the magnetic sensor element grid position (i, j) is measured before observation to obtain the initial magnetic field measurement value mH ij (→) (b), and this value is displayed as the magnetic field distribution corresponding to the grid size on the X-axis and Y-axis plane.
次にシャーレに細胞を設置してから、磁気センサ素子グリッド位置(i,j)における磁界を計測して磁界測定値mHij(→)(a)を求め、そこからmHij(→)(b)を差し引いて、測定値とする。
すなわち、mHij(→)=mHij(→)(a)-mHij(→)(b)となる。
この値を細胞集合体内の電流素片から発する磁界と考え、磁気センサ素子グリッドの(i,j)番の位置にある磁気センサで測定してその測定値をmHij(→)とする。
Next, after placing a cell in the petri dish, the magnetic field at the magnetic sensor element grid position (i, j) is measured to obtain the magnetic field measurement value mH ij (→)(a), from which mH ij (→)(b) is subtracted to obtain the measurement value.
That is, mH ij (→)=mH ij (→)(a)-mH ij (→)(b).
This value is considered to be the magnetic field emanating from the current element within the cell aggregate, and is measured by the magnetic sensor at the (i, j)th position of the magnetic sensor element grid, and the measured value is taken as mH ij (→).
mHij絶対値の等高線図を作成し、n個のピーク位置を特定し、各mHij絶対値のピークから電流素片の位置Pk(xk,yk,zk)とピークの山の広がりから電流素片dsk(→)の長さを仮定して、細胞集合体内の位置Pk(xk,yk,zk)に電流素片Ikdsk(→)が存在していると仮定する。ピークの箇所がn個(1個以上の複数個)ある場合、n個の電流素片があると仮定して計算のモデルを作成する。 A contour map of the absolute value of mH ij is created, n peak positions are identified, and the position P k (x k , y k , z k ) of the current element from the peak of each absolute value of mH ij and the length of the current element ds k (→) are assumed from the spread of the peak, and it is assumed that the current element I k ds k (→) exists at the position P k (x k , y k , z k ) within the cell aggregate. When there are n peak locations (one or more), a calculation model is created assuming that there are n current elements.
次に、k番目の電流素片Ikdskの位置Pk(xk,yk,zk)とし、磁界の測定位置Gij(xij,yij,o)として電流素片位置Pk(xk,yk,zk)と測定位置Gij(xij,yij,o)との距離Rijkとすると、
k番目の電流素片Ikdskが作る磁界は、Hijk(→)=1/4πRijk
3×Ikdsk(→)×Rijk(→)の方程式から求めることができるので、n個の電流素片が作る磁界を加算して、磁気センサ素子グリッドの(i,j)番の位置に作る理論値tHij(→)=ΣtHijk(→)とする。
Next, let Pk ( xk , yk , zk ) be the position of the k - th current element Ikdsk, Gij ( xij , yij ,o) be the measurement position of the magnetic field, and Rijk be the distance between the current element position Pk ( xk , yk , zk ) and the measurement position Gij ( xij , yij ,o), then
The magnetic field generated by the kth current element Ikdsk can be obtained from the equation Hijk (→) = 1 / 4πRijk3 × Ikdsk ( →) × Rijk (→), so the magnetic fields generated by n current elements are added together to obtain the theoretical value tHij (→) = ΣtHijk (→) generated at position (i, j) of the magnetic sensor element grid.
両者の誤差をeij=mHij(→)-tHij(→)とし、誤差関数E=Σ(eij)2を作成し、
Ikの向きについては、XY軸平面に対して、傾斜角をφkとして、X軸に対する角度をθkとし、この誤差関数からガウスニュートン法で誤差関数を偏微分して、7n個の連立方程式を導出し、Ikとdsk とθkとφkおよびXk、Yk、Zkとからなる7n個の連立方程式を求め、その式から7n個の未知数を求め、細胞集合体に流れる多数個の電流素片を計算し、その結果を用いて電流素片の分布図を作成し、磁界分布図としてスクリーンに表示する。
The error between the two is e ij =mH ij (→)-tH ij (→), and the error function E=Σ(e ij ) 2 is created.
Regarding the direction of Ik , the inclination angle with respect to the XY-axis plane is φk and the angle with respect to the X-axis is θk . From this error function, the error function is partially differentiated using the Gauss-Newton method to derive 7n simultaneous equations. 7n simultaneous equations consisting of Ik , dsk , θk , φk , Xk , Yk , and Zk are obtained, and 7n unknowns are obtained from these equations. A large number of current elements flowing through the cell aggregate are calculated, and the results are used to create a distribution map of the current elements, which is then displayed on the screen as a magnetic field distribution map.
プログラムの手順は次の通りである(図7)。なお、ベクトル表示は、(→)とする。
第1ステップ(101);
観察前に、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して初期の磁界測定値mHij(→)(b)を求める。
ただし、センサグリッド座標系O-XYZとして、各素子の位置を特定しておくものとする。
The program procedure is as follows (Figure 7). Note that vectors are displayed as (→).
First step (101);
Before observation, the magnetic field at the sensor grid position (i, j) is measured to obtain an initial magnetic field measurement mH ij (→)(b).
However, the position of each element is specified in advance using a sensor grid coordinate system O-XYZ.
第2ステップ(102);
シャーレに細胞を設置してから、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して磁界測定値mHij(→)(a)を求め、そこからmHij(→)(b)を差し引いて、測定値mHij(→)とし、磁界分布を計算し、mHij(→) 絶対値分布にk個のピークがある場合、そのピーク位置Pk(Xk、Yk、Zk)に電流素片Ikdskが存在すると仮定する。dsの長さはピーク位置を中心に、その山の広がりから定めるものとする。
Second step (102);
After placing the cells in the dish, measure the magnetic field at the sensor grid position (i, j) to obtain the magnetic field measurement value mHi.j.(→) Find (a), and from there find mHi.j.(→) Subtract (b) to get the measured value mHi.j.(→), calculate the magnetic field distribution, mHi.j.(→) If there are k peaks in the absolute value distribution, the peak positions Pk(Xk, Yk, Zk) to current element IkdskAssume that exists. The length of ds is determined from the peak position and the extent of the peak.
図6に磁界分布図の例を示す。
細胞集合体4は、細胞41~細胞45の5個(n=5)からなり、それぞれの細胞の等高線411~等高線451が図示され、等高線図を示している。それぞれの等高線図のピークに電流素片I1ds1~電流素片I5ds5があり、その位置が位置P1~位置P5でなる。
それを電流素片分布計算プログラムに転送する。
FIG. 6 shows an example of a magnetic field distribution diagram.
The
This is transferred to the current element distribution calculation program.
第3ステップ(103);
ピーク位置Pkに電流素片Ikdskが存在すると仮定してPkの位置にあるn個の電流素片Idsが作る各磁気センサ素子グリッドの位置Gij(Xij,Yij)における理論的磁界強度は、k番目の電流素片が発する磁界は、計算式tHijk(→)=1/4πRijk
3×Ikdsk(→)×Rijk(→)で求めることができる。電流素片は1からn個あるので、Gij(Xij,Yij)の位置における理論的磁界強度は、tH
ij
=Σ 1/4πR
ijk
3
×I
k
ds
k
×R
ijk とn個の和で求める。
Third step (103):
Assuming that a current element Ikdsk exists at peak position Pk , the theoretical magnetic field strength at position Gij ( Xij , Yij ) of each magnetic sensor element grid created by n current elements Ids at position Pk , that is, the magnetic field emitted by the kth current element, can be calculated by the formula tHijk (→)=1/ 4πRijk3 × Ikdsk ( →)× Rijk ( → ). Since there are 1 to n current elements, the theoretical magnetic field strength at position Gij ( Xij , Yij ) is calculated by the sum of n , tHij = Σ1/ 4πRijk3 × Ikdsk × Rijk .
第4ステップ(104);
k番目の電流素片の位置Ikdskと磁界の測定位置Gij(Xij,Yij)までの距離ベクトルRijk(→)と、電流素片のZ軸との傾きをφkとし、X軸との傾きをθkとすると、
tH
ij は、電流強度Ikと電流素片の長さdskと位置Xijk、Yijk、Zijkと方位角θk、φkの関数となる。
A fourth step (104):
If the distance vector R ijk (→) between the position I k ds k of the kth current element and the measurement position G ij (X ij , Y ij ) of the magnetic field, the inclination of the current element with respect to the Z axis is φ k , and the inclination with respect to the X axis is θ k , then
tH ij is a function of the current intensity I k , the length ds k of the current element, the positions X ijk , Y ijk , and Z ijk , and the azimuth angles θ k and φ k .
第5ステップ(105);
測定誤差を計算する。
e
ij
(→) = mH
ij
(→)-tH
ij
(→)
Fifth step (105);
Calculate the measurement error.
eij ( →) = mHij ( →) - tHij (→)
第6ステップ(106);
誤差の平方和を求める。
E = Σe
ij
2
A sixth step (106);
Calculate the sum of squares of the errors.
E = Σeij2
第7ステップ(107);
ガウスニュートン法で 誤差平方和が最小となる電流強度Ikと電流素への長さdskとXk、Yk、Zkと方位角θk、φkを算出する。
Seventh step (107);
The current intensity Ik , length dsk to the current element, Xk , Yk , Zk, and azimuth angles θk , φk that minimize the sum of squares of the error are calculated using the Gauss-Newton method.
第8ステップ(108);
各電流素片の大きさIkdskと位置Xk、Yk、Zkの値から、電流素片分布を計算し、それをPC画面にイメージ画像として表示する。または各電流素片の電流の強度Ikと位置Xk、Yk、Zkの値から、電流分布を計算し、それをPC画面にイメージ画像として表示する
Eighth step (108);
A current distribution is calculated from the magnitude Ikdsk of each current element and the values of the positions Xk , Yk , and Zk , and the calculated current distribution is displayed as an image on a PC screen. Alternatively, a current distribution is calculated from the current intensity Ik of each current element and the values of the positions Xk , Yk , and Zk , and the calculated current distribution is displayed as an image on a PC screen.
電流素片の中心位置は、画素の大きさの1/10以下の位置精度を持ち、電流の強度は、±10%以下の精度で計算することができる。 The center position of the current segment has a positional accuracy of less than 1/10 of the pixel size, and the current intensity can be calculated with an accuracy of less than ±10%.
また、各電流素片の分布と電流保存の法則によって制約を受けており、電流保存の法則と矛盾しないか、確認する。 In addition, it is constrained by the distribution of each current element and the law of conservation of current, so we check whether there is any contradiction with the law of conservation of current.
本発明の実施形態は、図8および図9に示すように、シャーレ51の基板面の下方に磁気センサ素子グリッド50を設置し、上方には光学顕微鏡が設置されていて、細胞52の動きを光学的に観察し、同時に磁気的に観察することができる。 In an embodiment of the present invention, as shown in Figures 8 and 9, a magnetic sensor element grid 50 is placed below the substrate surface of a petri dish 51, and an optical microscope is placed above, so that the movement of cells 52 can be observed optically and simultaneously magnetically .
光学顕微鏡で観察し、撮影した細胞52の形状図の上に、磁気顕微鏡で測定した電流素片分布を重ねて、その画像をスクリーンに表示する。
これによりリアルタイムで細胞の機械的運動と形状変化の動き(図9(a))と各細胞の活性化度71(図9(b))の両方を容易に観察できるようにすることができる。
The current element distribution measured by the magnetic microscope is superimposed on a shape diagram of the cell 52 observed and photographed by an optical microscope, and the image is displayed on a screen.
This makes it possible to easily observe both the mechanical movement and shape change of the cells (FIG. 9(a)) and the activation level 71 of each cell (FIG. 9(b)) in real time.
[実施例1]
本発明の第1実施形態において、各設計要素を、以下の通りとしたものである。
磁気センサとして、GSRセンサを採用する。GSR素子の構造を図2に示す。
磁性ワイヤ22の長さを0.95mmとし、ワイヤ径は10μmとし、コイルピッチは3μmとし、コイルの幅は30μmとし、および磁性ワイヤの本数は、4本とした。コイル巻き数を1,200回とした。センサグリッドの単位素子のサイズは、1mmとした。これにより、単位素子の磁気検出力は1pTであった。
[Example 1]
In the first embodiment of the present invention, the design elements are as follows:
A GSR sensor is used as the magnetic sensor. The structure of the GSR element is shown in Figure 2.
The length of the
ここで、用いたGSRセンサについては、図2に示すように、基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤとそれに巻回した周回コイルで形成した検出用コイルとワイヤ通電用の電極2個とコイル電圧検出用電極2個の電極を接続する配線で構成されるGSR素子、およびその磁性ワイヤに1.2GHzの周波数を持つパルス電流を流す手段とパルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知し、コイル電圧を外部磁界Hに変換する電子回路とからなる超高感度マイクロ磁気センサである。 The GSR sensor used here is an ultra-sensitive micro-magnetic sensor consisting of a GSR element, as shown in Figure 2, which is composed of a conductive magnetic wire for detecting a magnetic field on a substrate, a detection coil formed by a circular coil wound around the magnetic wire, two electrodes for passing current through the wire, and wiring connecting two electrodes for detecting the coil voltage, and a means for passing a pulse current having a frequency of 1.2 GHz through the magnetic wire, and an electronic circuit that detects the coil voltage generated when the pulse current is passed and converts the coil voltage into an external magnetic field H.
磁気センサ素子グリッドは、単位素子を図3のように多数個配置したものである。単位素子は2軸素子からなり、図4B(b)に示すように、グリッド基板にGSRセンサ素子をX軸とY軸に沿って各2個配置し、X軸素子とY軸素子の交点の磁界(Hx,Hy)が計測できる構造としたものである。グリッドセンサのサイズは、20mm角とした。グリッドの素子の数は、361画素とした。 The magnetic sensor element grid is an arrangement of many unit elements as shown in Figure 3. The unit elements are made up of two-axis elements, and as shown in Figure 4B (b), two GSR sensor elements are arranged on the grid substrate along the X-axis and two along the Y-axis, making it possible to measure the magnetic field (Hx, Hy) at the intersection of the X-axis element and the Y-axis element. The size of the grid sensor is 20 mm square. The number of elements in the grid is 361 pixels.
グリッド基板は、平坦な絶縁素材や絶縁被膜コーティングしたASIC基板を用いた。グリッド基板は、最上面の素子の配置面と信号処理をする電子回路面と機械的強度を保証する強度素材から成り立っている。電子回路と強度部材からなるASIC基板面にGSR素子を配置して、両者をベアホールで接続した。 The grid substrate is made of a flat insulating material or an ASIC substrate coated with an insulating film. The grid substrate consists of a top surface for arranging elements, an electronic circuit surface for signal processing, and a strong material to ensure mechanical strength. The GSR elements are placed on the ASIC substrate surface, which consists of electronic circuits and strong materials, and the two are connected with via holes.
グリッド基板の位置は、シャーレの厚みを160μmとし、磁気センサ素子グリッドの上面を平坦にして、平坦面をシャーレの裏側に直接押し当てて、細胞から細胞液面までの磁気センサ素子の測定部までの距離を240μmとした。 The position of the grid substrate was set so that the thickness of the dish was 160 μm, the top surface of the magnetic sensor element grid was flattened, and the flat surface was pressed directly against the back side of the dish, so that the distance from the cell to the measurement part of the magnetic sensor element at the cell liquid surface was 240 μm.
単位素子で測定したHx1,Hx2,Hy1,Hy2の4個のデータから、交点の磁界成分であるHxとHyは、Hx=(Hx1+Hx2)/2、Hy=(Hy1+Hy2)/2から求めた。測定前にまず環境磁界を測定し、シャーレに細胞を載せて観察する際に、測定値から環境磁界を差し引いて、外部磁界の影響を受けないようにした。 From the four data points Hx1, Hx2, Hy1, and Hy2 measured by the unit element, the magnetic field components Hx and Hy at the intersection were calculated from Hx = (Hx1 + Hx2)/2 and Hy = (Hy1 + Hy2)/2. Before measurement, the environmental magnetic field was first measured, and when the cells were placed in the dish and observed, the environmental magnetic field was subtracted from the measured value to avoid the influence of external magnetic fields.
センサグリッドは、センサ素子の交点の位置をX軸方向のi番とY軸方向のj番の位置をPijと表し、Pijにおける測定値をHij(→)とし、磁界測定分布を求めた。この測定値Hij(→)は電流素片分布計算プログラムに電子回路を経由して転送された。
さらに、グリッド間の磁界については、補間法で近似曲線を作成し、グリッド間隔の1/20程度の磁界空間分布能を得ることができた。
The sensor grid represents the intersection of the sensor elements at the i-th position in the X-axis direction and the j-th position in the Y-axis direction as P ij , and the measured value at P ij is H ij (→) to obtain the magnetic field measurement distribution. This measured value H ij (→) was transferred to the current element distribution calculation program via an electronic circuit.
Furthermore, for the magnetic field between the grids, an approximation curve was created by the interpolation method, and a magnetic field spatial distribution ability of about 1/20 of the grid interval was obtained.
電流素片分布を計算するプログラムは、細胞集合体内の電流素片から発する磁界を磁気センサグリッドの(i,J)番の位置にある磁気センサで測定し、その測定値をmHij(→)とし、k番目の電流素片が作る理論値tHij(→)は、各電流素片が作る磁界はtH ijk (→) =1/4πR ijk 3 ×I k ds k (→)×R ijk (→)となるので、n個の電流素片が作る磁界を加算して求めた。両者の誤差をeij(→)=mHij(→)-tHij(→)とし、誤差関数E=Σ(eij)2と定義する。Iの向きについては、XY軸平面に対して、傾斜角をφとして、X軸に対する角度をθと定義した。 The program for calculating the current element distribution measures the magnetic field emitted from the current element in the cell aggregate with the magnetic sensor at the (i, J)th position of the magnetic sensor grid, and the measured value is mH ij (→). The theoretical value tH ij (→) generated by the kth current element is the magnetic field generated by each current element , and tH ijk (→). = 1/4πR ijk 3 × I k ds k (→) × R ijk (→), so the magnetic fields created by n current elements were added together to find the error between the two. The error between the two is e ij (→) = mH ij (→) - tH ij (→), and the error function E is defined as E = Σ(e ij ) 2. For the direction of I, the inclination angle with respect to the XY-axis plane is defined as φ, and the angle with respect to the X-axis is defined as θ.
6個の電流素片がある場合(つまりn=6個)、ガウスニュートン法で誤差関数を偏微分すると、42個の連立方程式を導出し、それから求めることができる。 When there are six current elements (that is, n=6) , by partially differentiating the error function using the Gauss-Newton method, 42 simultaneous equations can be derived and then the solution can be obtained.
プログラムの手順は以下の通り(図7)である。なお、ベクトル表示は、(→)とする。
第1ステップ(101)は、観察前に、センサグリッド位置(i,j)における磁界を計測して初期の磁界測定値mHij(→)(b)を求める。
ただし、センサグリッド座標系O-XYZとして、各素子の位置を特定しておくものとする。
The program procedure is as follows (Figure 7). Note that vectors are displayed as (→).
The first step (101) is to measure the magnetic field at a sensor grid position (i,j) before observation to obtain an initial magnetic field measurement mH ij (→)(b).
However, the position of each element is specified in advance using a sensor grid coordinate system O-XYZ.
第2ステップ(102)は、シャーレに細胞を設置してから、磁気センサ素子グリッド位置(i,j)における磁界を計測して磁界測定値mHij(→)(a)を求め、そこからmHij(→)(b)を差し引いて、磁界測定値mHij(→)とし、磁界分布を計算し、mHij(→) 絶対値分布にn個のピークがある場合、そのk番目のピーク位置Pk(xk、yk、zk)に電流素片Ikdskが存在すると仮定する。dsの長さはピーク位置を中心に、その山の広がりから定めるものとする。それを電流素片分布計算プログラムに転送する。 The second step (102) is to place the cells in the dish, measure the magnetic field at the magnetic sensor element grid position (i, j), and obtain the magnetic field measurement value mHi.j.(→) Find (a), and from there find mHi.j.(→) Subtract (b) to get the magnetic field measurement value mHi.j.(→), calculate the magnetic field distribution, mHi.j.(→) Absolute value distributionn piecesIf there is a peak inThe kthPeak position Pk(xk, yk, zk) to current element IkdskAssume that exists. The length of ds is determined from the spread of the peak, centered on the peak position. Transfer this to the current element distribution calculation program.
第3ステップ(103)は、ピーク位置Pkに電流素片Idskが存在すると仮定してPkの位置にあるn個(kは1からnの値を取る)の電流素片Idsが作る各磁気センサ素子グリッドの位置P(i,j)における理論的磁界強度は、電流素片が発する磁界は、計算式tHij=1/4πRij
3×Ids×Rijで求めることができる。電流素片はn個あるので、P(i,j)の位置における理論的磁界強度は、tH
ij
=Σ 1/4πR
ijk
3
×I
k
ds
k
×R
ijk とn個の和で求める。
In the third step (103), assuming that a current element Ids k exists at the peak position P k , the theoretical magnetic field strength at position P(i,j) of each magnetic sensor element grid created by n current elements Ids (k ranges from 1 to n) at position P k can be calculated using the formula tH ij = 1/4πR ij 3 × Ids × R ij . Since there are n current elements, the theoretical magnetic field strength at position P(i,j) is calculated by the sum of n , tH ij =
第4ステップ(104)は、k番目の電流素片位置Ikdskと磁界の測定位置Gkまでの距離ベクトルRijk(→)と、電流素片のZ軸との傾きをφkとし、X軸との傾きをθkとすると、理論的磁界強度tHijは、電流強度Ikと電流素片の長さdskと位置Xijk、Yijk、Zijkと方位角θk、φkの関数となる。 In the fourth step (104), when the distance vector R ijk (→) between the kth current element position I k ds k and the magnetic field measurement position G k is φ k, the inclination of the current element with respect to the Z axis is φ k , and the inclination with respect to the X axis is θ k , the theoretical magnetic field strength tH ij is a function of the current strength I k , the length ds k of the current element, the positions X ijk , Y ijk , Z ijk , and the azimuth angles θ k and φ k .
第5ステップ(105)は、測定誤差を計算する。
e
ij
(→) = mH
ij
(→)-tH
ij
(→)
The fifth step (105) is to calculate the measurement error.
eij ( →) = mHij ( →) - tHij (→)
第6ステップ(106)は、誤差の平方和を求める。
E = Σe
ij
2
The sixth step (106) is to find the sum of the squares of the errors.
E = Σeij2
第7ステップ(107)は、ガウスニュートン法で 誤差平方和が最小となるIkとdskとXk、Yk、Zkと方位角θk、φkを算出する。 The seventh step (107) is to calculate Ik , dsk , Xk , Yk , Zk , and azimuth angles θk and φk that minimize the sum of squares of the error by the Gauss-Newton method.
第8ステップ(108)は、各電流素片の大きさIkとdskと位置Xk、Yk、Zkと方位角θk、φkの値から、電流素片ベクトル分布または電流素片の電流強度を計算し、それをPC画面にイメージ画像として表示する。
電流素片の中心位置と強度・方位は、画素の大きさの1/10以下の位置精度を持ち、電流の強度はと方位は、±10%以下の精度で計算することができる。
また、各電流素片の分布と電流保存の法則とが矛盾していなかった。
The eighth step (108) is to calculate the current element vector distribution or the current intensity of the current element from the magnitude Ik and dsk of each current element, the positions Xk , Yk , Zk , and the azimuth angles θk and φk , and display it as an image on the PC screen.
The center position, intensity, and direction of the current segment have a positional accuracy of 1/10 of the pixel size or less, and the current intensity and direction can be calculated with an accuracy of ±10% or less.
Furthermore, the distribution of each current element was consistent with the law of conservation of current.
センサグリッドのサイズは、20mm角とした。グリッドの素子の数は、400画素とした。
磁気顕微鏡の磁界空間分解能と電流素片の中心位置の位置精度は50μmで、これにより20倍の光学顕微鏡の精度に対応することができた。電流の強度と方位は、±10%以下の精度になると電流素片の計算プログラムを使ったシュミユレーション計算の結果、見積もることができた。
The size of the sensor grid was 20 mm square, and the number of elements in the grid was 400 pixels.
The magnetic field spatial resolution of the magnetic microscope and the positional accuracy of the center position of the current element were 50 μm, which corresponds to the accuracy of a 20x optical microscope. The intensity and direction of the current were estimated to be within ±10% accuracy as a result of simulation calculations using a current element calculation program.
[実施例2]
実施例1において、GSRセンサとして、磁性ワイヤ長さを10μmとし、ワイヤ径は8μmとし、コイルピッチは0.1μmとし、コイルの幅は20μmとし、およびワイヤの本数は、2本とした。センサグリッドの単位素子のサイズは、0.10mmとした。コイル巻き数を200回とした。これにより、単位素子の磁気検出力は100pTであった。
[Example 2]
In Example 1, the GSR sensor had a magnetic wire length of 10 μm, a wire diameter of 8 μm, a coil pitch of 0.1 μm, a coil width of 20 μm, and a number of wires of 2. The size of the unit element of the sensor grid was 0.10 mm. The number of coil turns was 200. As a result, the magnetic detection power of the unit element was 100 pT.
センサグリッドのサイズは、10mm角とした。グリッドの素子の数は、2500画素とした。 The size of the sensor grid was 10 mm square. The number of elements in the grid was 2,500 pixels.
磁気顕微鏡の磁界空間分解能と電流素片の中心位置の位置精度は10μmで、これ
により100倍の光学顕微鏡の精度に対応することができた。電流の強度と方位は、±10%以下の精度となると理論的に予測された。
The spatial resolution of the magnetic field of the magnetic microscope and the positional accuracy of the center position of the current element were 10 μm, which corresponds to the accuracy of a 100x optical microscope. The intensity and direction of the current were theoretically predicted to be accurate to within ±10%.
[実施例3]
実施例1において、GSRセンサとして、磁性ワイヤ長さを10μmとし、ワイヤ径は2μmとし、コイルピッチは0.2μmとし、コイルの幅は4.5μmとし、およびワイヤの本数は、2本とした。センサグリッドの単位素子のサイズは、0.011mmとした。コイル巻き数を100回とした。これにより、単位素子の磁気検出力は500pTであった。
[Example 3]
In Example 1, the GSR sensor had a magnetic wire length of 10 μm, a wire diameter of 2 μm, a coil pitch of 0.2 μm, a coil width of 4.5 μm, and a number of wires of 2. The size of the unit element of the sensor grid was 0.011 mm. The number of coil turns was 100. As a result, the magnetic detection power of the unit element was 500 pT.
センサグリッドのサイズは、5mm角とした。グリッドの素子の数は、25万画素とした。 The size of the sensor grid was 5 mm square. The number of elements in the grid was 250,000 pixels.
磁気顕微鏡の磁界空間分解能と電流素片の中心位置の位置精度は1μmで、これに
より1000倍の光学顕微鏡の精度に対応することができた。電流の強度と方位は、±5%以下の精度となると電流素片の計算プログラムを使ったシュミュレーション計算の結果、見積もることができた。
The magnetic field spatial resolution of the magnetic microscope and the positional accuracy of the center position of the current element were 1 μm, which corresponds to the accuracy of a 1000x optical microscope. The intensity and direction of the current were estimated to be within ±5% as a result of simulation calculations using a current element calculation program.
[実施例4]
実施例1において、GSRセンサとして、磁性ワイヤ長さを2mmとし、ワイヤ径は10μmとし、コイルピッチは3μmとし、コイルの幅は40μmとし、およびワイヤの本数は、4本とした。センサグリッドの単位素子のサイズは、0.011mmとした。コイル巻き数を2000回とした。これにより、単位素子の磁気検出力は5pTであった。
[Example 4]
In Example 1, the GSR sensor had a magnetic wire length of 2 mm, a wire diameter of 10 μm, a coil pitch of 3 μm, a coil width of 40 μm, and a number of wires of 4. The size of the unit element of the sensor grid was 0.011 mm. The number of coil turns was 2000. As a result, the magnetic detection power of the unit element was 5 pT.
センサグリッドのサイズは、50mm角とした。グリッドの素子の数は、625画素とした。 The size of the sensor grid was 50 mm square. The number of elements in the grid was 625 pixels.
磁気顕微鏡の磁界空間分解能と電流素片の中心位置の位置精度は50μmで、これ
により10倍の光学顕微鏡の精度に対応することができた。電流の強度と方位は、±10%以下の精度となると電流素片の計算プログラムを使ったシュミュレーション計算の結果、見積もることができた。
The magnetic field spatial resolution of the magnetic microscope and the positional accuracy of the center position of the current element were 50 μm, which corresponds to the accuracy of a 10x optical microscope. The intensity and direction of the current were estimated to be within ±10% as a result of simulation calculations using a current element calculation program.
[実施例5]
実施例1~実施例4の磁気顕微鏡に光学顕微鏡を組み合わせたものである。
図8に示すように、磁気センサ素子グリッド50をシャーレ51の基板面の下方に設置し、上方には光学顕微鏡53が設置したことにより、細胞52の動きを光学的に観察してCCDカメラ64で撮影し、同時に磁気的に観察することができた。光学顕微鏡で観察した細胞の形状図の上に、磁気顕微鏡で測定した電流素片分布を重ねて、その画像をスクリーンに表示した。これによりリアルタイムで細胞の機械的運動と形状変化の動きと各細胞の活性化度の両方を容易に観察できた(図9)。
[Example 5]
This is a combination of the magnetic microscope of Examples 1 to 4 and an optical microscope.
As shown in Fig. 8, a magnetic sensor element grid 50 was placed below the substrate surface of a petri dish 51, and an
本発明により、リアルタイムで細胞の機械的運動と形状変化の動きと各細胞の活性化度の両方を容易に観察できるようになり、細胞特にIPS細胞の生育観察がより正確に観察できるようになる。 The present invention makes it easy to observe both the mechanical movement and shape change of cells, as well as the degree of activation of each cell, in real time, allowing for more accurate observation of the growth of cells, particularly IPS cells.
10:磁気センサ素子グリッド、101:磁気センサ素子、11:シャーレ、12:細胞(細胞集合体)
2:磁気センサ素子(GSRセンサ素子)
21:基板、22:磁性ワイヤ、23:検出コイル、24:ワイヤ端子、25:ワイヤ電極、26:配線、27:コイル端子、28:コイル電極、29:配線
3:磁気センサ素子グリッド
31:センサグリッド基板(基板)
32:グリッド単位素子(単位素子)
321x:X軸方向の磁気センサ素子(GSRセンサ素子)、321y:Y軸方向の磁気センサ素子(GSRセンサ素子)、321z:Z軸方向の磁気センサ素子(GSRセンサ素子)、321o:原点(単位素子の原点、磁界ベクトルセンサの原点)、321w:磁性ワイヤ
33:素子台座
330:台座、331:台形斜面、332:稜線、333:上面
4:単位素子
4(41):1軸素子グリッド-Z軸タイプ
40:シャーレ、411:GSR素子、412:ASIC、413:電極、414:グリッド配線(配線)、415:被覆剤
4(42):1軸素子グリッド-X軸タイプ
40:シャーレ、421:GSR素子、422:ASIC、423:電極、424:グリッド配線(配線)、425:被覆剤
4(43):1軸素子グリッド-Y軸タイプ
40:シャーレ、431:GSR素子、432:ASIC、433:電極、434:グリッド配線(配線)、435:被覆剤
4(44):2軸素子グリッド
40:シャーレ、441:GSR素子、442:ASIC、443:電極、444:グリッド配線(配線)、445:被覆剤
4(45):3軸素子グリッド
40:シャーレ、451:GSR素子、452:ASIC、453:電極、454:グリッド配線(配線)、455:被覆剤
5:細胞集合体
51:細胞、511:等高線、512:電流素片
52:細胞、521:等高線、522:電流素片
53:細胞、531:等高線、532:電流素片
54:細胞、541:等高線、542:電流素片
55:細胞 551:等高線、552:電流素片
6:磁気顕微鏡と光学顕微鏡の一体システム
61:磁気顕微鏡、611:磁気センサ素子(GSRセンサ素子)、62:シャーレ、63:細胞集合体、64:光学顕微鏡、65:CCDカメラ
7:細胞集合体
71:激しい運動箇所
10: magnetic sensor element grid, 101: magnetic sensor element, 11: petri dish, 12: cell (cell aggregate)
2: Magnetic sensor element (GSR sensor element)
21: Substrate, 22: Magnetic wire, 23: Detection coil, 24: Wire terminal, 25: Wire electrode, 26: Wiring, 27: Coil terminal, 28: Coil electrode, 29: Wiring 3: Magnetic sensor element grid 31: Sensor grid substrate (substrate)
32: Grid unit element (unit element)
321x: magnetic sensor element in the X-axis direction (GSR sensor element), 321y: magnetic sensor element in the Y-axis direction (GSR sensor element), 321z: magnetic sensor element in the Z-axis direction (GSR sensor element), 321o: origin (origin of unit element, origin of magnetic field vector sensor), 321w: magnetic wire 33: element base 330: base, 331: trapezoidal slope, 332: ridge line, 333: upper surface 4: unit element 4 (41): 1-axis element grid-Z-axis type 40: petri dish, 411: GSR element, 412: ASIC, 413: electrode, 414: grid wiring (wiring), 415: coating agent 4 (42): 1-axis element grid-X-axis type 40: petri dish, 421: GSR element, 4 22: ASIC, 423: electrode, 424: grid wiring (wiring), 425: coating 4 (43): 1-axis element grid - Y-axis type 40: petri dish, 431: GSR element, 432: ASIC, 433: electrode, 434: grid wiring (wiring), 435: coating 4 (44): 2-axis element grid 40: petri dish, 441: GSR element, 442: ASIC, 443: electrode, 444: grid wiring (wiring), 445: coating 4 (45): 3-axis element grid 40: petri dish, 451: GSR element, 452: ASIC, 453: electrode, 454: grid wiring (wiring), 455: coating 5: cell aggregate 51: cell, 511: contour line, 512: current piece
52: cell, 521: contour line, 522: current element 53: cell, 531: contour line, 532: current element 54: cell, 541: contour line, 542: current element 55: cell 551: contour line, 552: current element 6: integrated system of magnetic microscope and optical microscope 61: magnetic microscope, 611: magnetic sensor element (GSR sensor element), 62: petri dish, 63: cell aggregate, 64: optical microscope, 65: CCD camera 7: cell aggregate 71: area of intense movement
Claims (6)
前記磁気センサ素子グリッドで、細胞内に流れる電流素片から生じる微小磁界に対応するグリッド電圧を検知して、前記グリッド電圧をグリッド磁界の値に変換する信号処理回路と、
前記磁気センサ素子グリッドは、センサグリッド基板上のX軸とY軸に沿った碁盤目状の交点の位置に、磁気センサ素子を配置して、交点の位置の磁界を測定し、
前記グリッド磁界の値を磁界等高線図として表示する表示装置とを備えていることを特徴とする磁気顕微鏡。 A magnetic sensor element grid is provided on a substrate surface on the cell fluid side of a petri dish for cell observation;
a signal processing circuit for detecting a grid voltage corresponding to a minute magnetic field generated by a current element flowing in a cell in the magnetic sensor element grid and converting the grid voltage into a value of a grid magnetic field;
the magnetic sensor element grid is provided with magnetic sensor elements at intersections of a checkerboard pattern along the X-axis and the Y-axis on a sensor grid substrate, and measures a magnetic field at the intersections;
and a display device for displaying the value of the grid magnetic field as a magnetic field contour map.
前記磁気センサ素子は、Hz磁界、Hx磁界、Hy磁界のいずれか1磁界を測定する1軸素子からなることを特徴とする磁気顕微鏡。 In claim 1,
The magnetic microscope according to the present invention, wherein the magnetic sensor element is a one-axis element for measuring one of a Hz magnetic field, a Hx magnetic field, and a Hy magnetic field.
前記磁気センサ素子は、Hx磁界およびHy磁界を測定する2軸素子からなることを特徴とする磁気顕微鏡。 In claim 1,
The magnetic microscope according to the present invention, wherein the magnetic sensor element is a two-axis element for measuring a Hx magnetic field and a Hy magnetic field.
前記磁気センサ素子は、Hx磁界、Hy磁界およびHz磁界を測定する3軸素子からなることを特徴とする磁気顕微鏡。 In claim 1,
The magnetic microscope, wherein the magnetic sensor element is a three-axis element for measuring a Hx magnetic field, a Hy magnetic field, and a Hz magnetic field.
前記グリッド磁界の値から細胞内に流れる前記電流素片を計算するプログラムおよび前記プログラムにより計算した値をイメージ画像としてスクリーンに表示する表示装置からなることを特徴とする磁気顕微鏡。 In any one of claims 1 to 4,
A magnetic microscope comprising a program for calculating the current segments flowing within a cell from the value of the grid magnetic field, and a display device for displaying the values calculated by the program as an image on a screen.
細胞内の前記電流素片から発する磁界を前記磁気センサ素子グリッドの(i,j)番の位置にある磁気センサで測定してその測定値をmHij(→)とし、mHij絶対値の等高線図を作成し、
前記mHij(→)のピークから前記電流素片Idsの位置P(x,y,z)を仮定し、前記mHij(→)のピークの山の広がりから前記電流素片Idsの長さを仮定して、前記細胞集合体内にk個の前記電流素片Idsが存在しているとの計算モデルを作成し、
次に、k番目の前記電流素片Ikdskの位置Pk(xk,yk,zk)とし、磁界の測定位置Gij(xij,yij,0)として前記電流素片位置Pk(xk,yk,zk)と前記磁界測定位置Gij(xij,yij,0)との距離Rijkとすると、
k番目の前記電流素片Ikdskが前記センサグリッド基板上に作る磁界は、それぞれHk(→)=1/4πRk 3×Ikdsk(→)×Rk(→)の方程式から求めることができるので、それらの磁界を加算して、前記磁気センサグリッドの測定位置G(i,j)番の位置に作る理論値tHij(→)とし、
両者の誤差をeij(→)=mHij(→)-tHij(→)とし、
誤差関数Eij=Σ(eij)2を作成し、
Ik(→)の向きについては、XY軸平面に対して、傾斜角をφkとして、X軸に対する角度をθkとし、
この誤差関数からIkとdskとθkとφkおよびXk、Yk、Zkに関する7k個の連立方程式を求め、その式から未知数を求め、
前記細胞集合体に流れるk個の前記電流素片Idsを計算し、その結果を用いて前記電流素片Idsの分布図を作成し、スクリーンに表示することを特徴とする磁気顕微鏡。
In claim 5,
The magnetic field generated from the current element in the cell is measured by a magnetic sensor at the (i, j)th position of the magnetic sensor element grid, the measured value is designated as mH ij (→), and a contour map of the absolute value of mH ij is created;
A calculation model is created in which k current pieces Ids are present in the cell assembly by assuming a position P(x, y, z) of the current piece Ids from the peak of the mH ij (→) and assuming a length of the current piece Ids from the spread of the peak of the mH ij (→),
Next, let Pk ( xk , yk , zk ) be the position of the k -th current element Ikdsk , Gij ( xij , yij , 0) be the measurement position of the magnetic field, and Rijk be the distance between the current element position Pk ( xk , yk , zk ) and the magnetic field measurement position Gij ( xij , yij , 0), then
The magnetic field generated by the k-th current element Ikdsk on the sensor grid substrate can be calculated from the equation Hk(→)=1/4πRk3×Ikdsk ( → ) × Rk (→), and these magnetic fields are added together to obtain a theoretical value tHij (→) generated at the measurement position G(i,j) of the magnetic sensor grid,
The error between the two is e ij (→) = mH ij (→) - tH ij (→),
Create the error function Eij = Σ( eij ) 2 ,
Regarding the direction of I k (→), the inclination angle with respect to the XY-axis plane is φ k , and the angle with respect to the X-axis is θ k .
From this error function, 7k simultaneous equations related to Ik , dsk , θk , φk , Xk , Yk , and Zk are obtained, and unknowns are obtained from the equations.
A magnetic microscope characterized in that k current pieces Ids flowing through the cell aggregate are calculated, and a distribution map of the current pieces Ids is created using the results and displayed on a screen.
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