JP2011133377A - 分注装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既知量移動させて移動前後の撮像を行ったり、レンズを複数枚用意したりすることなく、レンズの歪みの影響をクリアして正確な分注量を測定することができる分注装置を提供する。
【解決手段】本発明の分注装置は、複数のエッジを有する撮像物を撮像し、カメラのレンズの中心付近のエッジ間の距離およびカメラのレンズの外周付近のエッジ間の距離のそれぞれからレンズの中心付近およびレンズの外周付近の一画素辺りの長さを求める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微量液体の取扱いが実施される分野、例えば、生化学検査装置，免疫検査装置，遺伝子検査等を用いる臨床検査分野，生物学，化学等の理学分野，薬学分野で、用いる分注装置に関する。

試料や試薬の分注機構を備えた装置において、容器等に分注する試料や試薬の分注量が規定量を満たしていないと、その後の工程、例えば分注液同士での反応等に大きく影響し実験結果の信頼性を損なう。

従来は分注装置に圧力センサを備えた手法や電極を用いた電気伝導度測定法，超音波測定法を用いて、分注動作を管理してきた。近年、カメラによる画像認識を行いて分注量を測定する手法が開発されている。その際には、既知の長さの基準を撮像し一画素辺りの長さを算出するか、文献１に示すような、画面上のサンプルの輝度分布を測定し、該分布上に任意の基準点を設定し、位置決めステージを１方向に既知量分移動させることにより、基準点の移動量から画像センサの一画素辺りの長さを算出する。

特開平５−１２６５３４号公報

一般に画像処理により分注量を検知する場合、事前に単位画素辺りの長さを求めるために、基準サンプルを用意し、撮像画面内のある位置で撮像が実施され、算出し寸法を測定する。

画像処理による検知は、精密な検知が可能であるがそれを成し得る為に、構成要素であるＣＣＤカメラ，照明及び、撮像対象との距離や位置が最適な条件であることが求められる。

様々な液量の分注を実施する場合において、少量の吸引量と大量の吸引量では、吸引した溶液の上液面と下液面の距離は異なる。通常、レンズ中心から離れるほど歪みが大きく、単位画素あたりの長さは歪みの影響が違うため、吸引量によってレンズの歪みの影響も異なる。そのため、基準サンプルの撮像画面における撮像位置と、測定対象である液量の画面内の位置が異なる場合、レンズの歪みの影響は異なる点について配慮がされておらず、高精度に分注量を確認するにはレンズの歪みの影響を受けるといった問題があった。

文献１に示すような位置決めステージを１方向に既知量分移動させる手法では、移動の前後の撮像動作が必要であり、レンズの歪みを考慮するためにはさらに複数回の移動撮像動作が必要になる。また、レンズを複数枚組み合わせ使用することによる歪みは解消されるが、レンズ自体が大きくなったり、レンズの枚数が増えることによってコストや重量も増す。図２のような可動部に画像処理機構を設置しコンパクトな構成，迅速な動作確認を目的とした場合、分注機構などのような可動部に画像処理機構を設置するためには可動部を頑強に設計する必要があるため、画像処理機構は軽量であることが望まれる。

本発明の目的は、既知量移動させて移動前後の撮像を行ったり、レンズを複数枚用意したりすることなく、レンズの歪みの影響をクリアして正確な分注量を測定することができる分注装置を提供することである。

本発明の分注装置は、複数のエッジを有する撮像物を撮像し、カメラのレンズの中心付近のエッジ間の距離およびカメラのレンズの外周付近のエッジ間の距離のそれぞれからレンズの中心付近およびレンズの外周付近の一画素辺りの長さを求め、これらの結果を用いて、撮像機構が異常かどうかを判定している。

本発明を実施することによって、レンズの歪みの影響を考慮することができるので、高精度に液量を画像処理により算出する効果がある。

本発明の一実施例である遺伝子検査装置の全体図である。 図１における分注装置の構成の一例を示す図である。 本発明の遺伝子検査装置によって遺伝子検査を行う方法の例を説明するための図である。 分注装置における基準サンプルの一例を示す図である。 基準サンプルをエッジ検出した一例を示す図である。 本発明の液面検出装置による液面検出処理の例を示す図である。 分注チップに溶液を吸引した状態でエッジ検出した一例を示す図である。 異常が発生した場合や、部品交換が発生した場合に保守メンテナンス者が確認するインターフェース画面の一例である。 保守メンテナンスを示すフローチャートである。

本発明は、微量液体の取扱いが実施される分野、例えば、生化学検査装置，免疫検査装置，遺伝子検査等を用いる臨床検査分野，生物学，化学等の理学分野，薬学分野で、分注装置を用いて、安定的な吸引動作，高い定量性をもつ高精度の作業または処理を維持するための画像処理機構の調整およびメンテナンスを簡易的に実施するものである。分注装置は、ピペットチップまたはノズル，分注プローブを用いて、検体や試薬などの液体や磁性ビーズを含む液体を収納した容器から、さまざまな作業または処理を行うものである。分注装置による作業または動作として主に駆動動力としてモータにより実施され、液体の吸引，吐出のみならず、貯溜，攪拌，移送，分離，懸濁，混合，清澄，分注チップの装着，脱着等の種々の目的が可能である。上記動作の確認を実施するに辺り、ＣＣＤカメラ，レンズ，照明などを用いて実施される。本発明は、ＣＣＤカメラ，レンズ，照明などの画像処理機構による動作確認機能を用いた分注装置のメンテナンス作業において、簡易的に調整およびメンテナンスが成し得るための装置または方法に関するものである。

以下、本発明の工程を図１より説明する。図１は、分注装置１０２の詳細図である図２に示すシリンジモータ１１４によって駆動する分注シリンジ１１３，レンズ１２１，ミラー１２２，窓１２３，ＣＣＤカメラ１２０から構成される分注装置を適用した遺伝子検査装置を示す図である。ここでは例として遺伝子検査装置を取り上げるが、本発明は溶液の分注機能を持つ分析装置全てに適用可能である。一例として、血液の自動分析装置や免疫装置、また蛋白の自動分画装置やオートサンプラー等がある。ここで例示した遺伝子検査装置は、遺伝子増幅反応を用いて検体の増幅反応から分析対象遺伝子の定性定量の分析を行うための装置である。

図１において、撮像対象である分注チップ１１６は、分注機構Ｚ軸モータ１１９によりＺ方向に移動可能な分注装置１０２に装着される。分注装置１０２は、駆動軸１０１に沿ってＹ方向にも移動可能である。駆動軸１０１には、Ｚ方向に移動可能な容器運搬アーム１１０が装着されている。容器運搬アーム１１０は駆動軸１０１に沿ってＹ方向に移動可能である。駆動軸１０１は、台座１０９上に装着された移動レール１０５に沿ってＸ方向に移動可能である。従って、分注装置１０２及び容器運搬アーム１１０はＸ方向，Ｙ方向及びＺ方向に自由に移動することができる。台座１０９には、温度制御用のペルチェ素子を備えたペルチェ型前処理ブロック１０３，分注チップ１１６を保管する分注チップラック１０８，反応試薬を保管する反応試薬ブロック１０６，サンプル架設ポジション１０７，攪拌ユニット１１１，ターンテーブル１０４、及び、検出器１１２が設けられている。

図２に示す分注装置の構成で分注チップに吸引した液体を撮像する場合、撮像物の後方に光源を光軸から傾斜した位置に光源を配置することにより屈折率の関係より液面のコントラストを明確にすることが可能である。しかし、過度に光源の輝度が高いと撮像対象の端が押しつぶされ、本来の位置ではない箇所で液面などが画像処理により検知されてしまう。そのため、予め撮像時に採用する輝度の範囲を設定し、光源の撮像にて輝度が適切か否か評価する。輝度は一つの画素もしくは複数の画素の値より評価される。輝度が適切でない場合は、光源の明るさ，レンズの絞り，露光感度，露光時間を調節し、適切な輝度にする。また、同時に一定の範囲で輝度の分布状況を確認することにより光源の輝度が均一に照射されているか、撮像光軸上に汚れや目的外物が存在するのか確認を行うことも可能である。

光源１１７からの照明光は、分注チップ１１６を照射する。ＣＣＤカメラ１２０は、分注チップ１１６の像を逆光の位置から撮像され、カメラリンクケーブル１１８を経由してＰＣ１２５などの画像処理部に取り込まれる。光源１１７は、平行光線又は略平行な光線を生成するように構成されているものであればどのような光源であってもよく、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であってよい。本例では、光源１１７とＣＣＤカメラ１２０は向かい合うように配置されているが、ＣＣＤカメラ１２０によって、分注チップ１１６の像を逆光の位置から撮像することができればどのような配置であってもよく、例えば、鏡などの反射板を用いて光路を変更してもよい。この場合には、光源１１７とＣＣＤカメラ１２０の間の相対的な位置の自由度が大きくなる。また、撮像時に外乱光を遮蔽するように構成してもよい。それによって、照度が安定し、再現性のある撮像データを得ることができる。

図３を参照して、本例の遺伝子検出装置を用いて遺伝子の分析を行う方法の例を説明する。サンプル架設ポジション１０７には、核酸抽出されたサンプルを含むサンプル容器が保管されている。ステップＳ１０１にて、起動時に画像処理機構の初期化を実施する。初期化動作にて撮像時における輝度，輝度分布，レンズ焦点，単位画素長の測定を行い、異常が無いか確認を行う。輝度，輝度分布は撮像画面内から分注チップ及び分注機構の移動を行い、撮像画面内には光源のみ映し出し、光源の撮像を行う。輝度は所定の範囲外の場合、光源の明るさ，レンズの絞り，露光感度，露光時間を調節し、適切な輝度にする。輝度分布が所定の範囲外であればカメラ光軸上に汚れや異物がないか確認する。その確認の後、図４に示すような分注装置に備えた複数のエッジ検出可能な基準サンプル１２６を撮像し、画像内における画素長情報を求める。画素長情報とは、基準サンプルを撮像し画面内のどの位置（ＸＹ座標情報）でエッジ検出されたかを示す位置情報と、そのエッジ検出された位置間の画素数（図４を拡大した図５に示すＡやＢなど）と基準サンプルの実寸から算出される、単位画素長情報（１画素辺りの長さ）を示す。複数のエッジ検出可能な基準サンプルとして図４に示す箇所にエッジ検出箇所を記したが、これに限定されるものではない。撮像画像内に複数のエッジが検出可能であることが必要であり、分注装置の構造を利用して複数のエッジを検出してもかまわない。

ステップＳ１０２にて、容器運搬アーム１１０を操作して、サンプル容器を、サンプル架設ポジション１０７から前処理ブロック１０３に運搬する。ステップＳ１０３にて、分注機構分注装置１０２を分注チップラック１０８に移動する。そこで、分注チップラック１０８に保管された新しい分注チップ１１６を、分注チップフィッティング部位１１５の先端に装着する。ステップＳ１０４にて、分注機構分注装置１０２を反応試薬ブロック１０６に移動する。分注チップ１１６によって、第１の反応試薬を微量吸引する。ステップＳ１０５にて、分注チップ１１６を、光源１１７とＣＣＤカメラ１２０の間に配置する。ＣＣＤカメラ１２０によって、分注チップ１１６内の反応試薬の液面を撮像し、画像処理を行う。画像処理の詳細は、図６を参照して説明する。

図６を参照して、本例の遺伝子検出装置の演算処理部における画像処理の例を説明する。ステップＳ２０１にて、カメラによって得られた画像データよりエッジ検出を行う。エッジ検出は、隣接する画素の値が急激に変化する線を求める処理であり、当業者にとって既知である。尚、必要なら微分処理を行ってもよい。ステップＳ２０２にて、２値化処理を行う。それによって、白色と黒色の２色からなる画像が得られる。ステップＳ２０３にて、境界線を検出する。２値化された画像より、白色の領域と黒色の領域の境界線を特定する。こうして、境界線を特定することができたら、それより液面を抽出する。ステップＳ２０４にて、基準サンプルから得られた複数の画素長情報及び撮像画像内位置情報と、ステップ２０３で抽出された液面の位置と長さを比較し、基準サンプルから算出された最も近似するエッジの位置と長さの単位画素長を用いる。ステップ２０５にて、図７に示す分注チップ１１６の下端から上液面までの高さＸ、下液面までの高さＹを求める。ステップＳ２０６にて、分注チップ１１６によって吸引された試薬の液量を計測する。液面の高さＸ又はＹと液量の関係を予め求めておく。例えば、横軸が液面の高さＸ、縦軸が液量を示すグラフを予め求める。ステップＳ２０５にて、液面の高さＸ又は高さＹが得られたら、グラフから、液量を求めることができる。

基準サンプルは、検出可能なエッジが多ければ多いほど詳細なレンズの歪みが考慮することが可能であり、形状が図４に示すような放熱フィン状の形状かつ、分注シリンジ近辺に構成することにより、分注シリンジと分注チップの中間を媒介する空気層の熱源による加熱を保護することが可能になる。空気層の加熱からの保護により、安定的な分注動作を実施することが可能になる。また、必ずしも分注機構に基準サンプルを用意する必要はなく、装置上のいずれかの箇所や放熱を必要とする箇所に配置してもかまわない。

ステップＳ１０６にて、分注チップ１１６による吸引量、即ち、反応試薬の吸引量が適切であるか否かを判定する。吸引量が適切でない場合には、ステップＳ１０３に戻り、再度、反応試薬を採取する。吸引量が適切である場合には、ステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７にて、分注チップ１１６によって吸引した反応試薬を、前処理ブロック１０３上のサンプル容器に吐出する。尚、吐出後に、ＣＣＤカメラ１２０によって分注チップ１１６を撮像し、分注チップ１１６内に、反応試薬が残存していないかを確認してもよい。更に、反応試薬の吐出前と後に、ペルチェ型前処理ブロック１０３上のサンプル容器をＣＣＤカメラ１２０によって撮像してもよい。それによって、分注が適切に行われているか否かを確認することができる。

ステップＳ１０８にて、容器運搬アーム１１０を操作して、サンプル容器を、前処理ブロック１０３から攪拌ユニット１１１に搬送する。攪拌ユニット１１１によって、サンプル容器内の核酸と反応試薬の混合液は、攪拌される。ステップＳ１０９にて、容器運搬アーム１１０を操作して、サンプル容器を、攪拌ユニット１１１から前処理ブロック１０３に搬送する。前処理ブロック１０３にて、サンプル容器内の核酸は、分解酵素反応，転写酵素反応，逆転写酵素のいずれかの酵素反応を行う。ステップＳ１１０にて、全ての酵素反応が終了したか否かを判定する。全ての酵素反応が終了していない場合には、ステップＳ１０２に戻し、ステップＳ１０２〜ステップＳ１１０を繰り返す。例えば、ステップＳ１０４では、第２の反応試薬を吸引する。更に、第２の反応試薬についてステップＳ１０５〜ステップＳ１１０を繰り返す。

全ての酵素反応が終了している場合には、ステップＳ１１１にて、容器運搬アーム１１０を操作して、サンプル容器を前処理ブロック１０３からターンテーブル１０４に搬送する。ターンテーブル１０４にて、核酸の増幅反応を行う。増幅反応中に、検出器１１２によって蛍光量を検出し、遺伝子の定性及び定量分析を行う。

上記の動作において異常が発生した場合や、部品交換が発生した場合に保守メンテナンス者が確認するインターフェース画面の一例を図８に示す。「ステータス表示」には、画像処理機構の状態が表示される。「日付時間」の表示には操作時の日付と時間の表記と、異常が発生した場合の日付と時間を表記する。また、タブ状に「異常原因」「異常処理」「異常画像」「交換−調整」をメンテナンス操作画面に表示することで、異常原因と異常画像を確認しつつ、異常処理の動作を指示することが可能になり、保守メンテナンス者の経験レベルに依存することなく、確実に異常処理や交換、及び調整を実施することができる。

上記保守メンテナンスは図９に示すフローで実施される。「異常原因」のタブでは、異常をどの検体の分注量検知の時に発生したかを知らせる検体番号を記載し、その検体は分注量が画像処理により管理されていないか知ることができる。異常コードを表示することにより、別途データベースには保守メンテナンス者が対応不可能な異常原因を記載され、照合することが可能になる。異常の原因としては図２に示す画像処理機構では、カメラ，ミラー，照明などの画像素子に撮像対象を取り込むための光軸要素による位置のズレが存在する。この現象は「異常画像」のタブで確認され、基準サンプルを撮像位置に設置し例えば、基準サンプルや照明の正常位置を枠で表示し、枠の範囲内に基準サンプルや照明が存在することによって、位置のズレを検知することが可能になる。または、基準サンプルや照明をエッジ検出し、エッジ検出の位置で位置ズレを検知することも可能である。この操作は「異常処理」のタブに表記される。処理としては、撮像対象を取り込むための光軸要素の内少なくともいずれか一つを動かすことであり、「異常処理」のタブ中に基準サンプルや照明の位置調整など、装置に応じた詳細な処理が表記される。光軸要素に交換が発生した場合は「交換−調整」のタブに表記される。

明るさに関する異常に対する処理は、輝度，輝度分布は撮像画面内には照明のみ映し出し、光源の撮像を行い実施される。光源が明るすぎたり、暗すぎる時は、「異常原因」に輝度異常と表示され所定の範囲外の輝度を持つ。光源の明るさ，レンズの絞り，露光感度，露光時間を調節し、適切な輝度に変更するか、光源の交換を光源の点灯時間から指示してもかまわない。上記の異常処理は自動で実施されてもよい。手動で処理するか自動で実施するかは選択可能な設定にしてもかまわない。

光源が異常の場合、輝度分布が所定の範囲外になり、「異常原因」には光源の異常やカメラ光軸上に汚れや異物の存在が表記され、「異常処理」において光源や汚れ及び異物の確認の指示が表示され「異常画像」及び実像にて確認する。

装置起動時の初期化動作や、カメラ，レンズ，ミラー，照明などの部品交換を実施した場合は、図４に示す複数のエッジ検出可能な基準サンプルを複数回撮像し、撮像した画像の同じ箇所のエッジ検出を行い、検出されるエッジの画像画面における座標位置の検出再現性から焦点が正しいかどうか判定する。検出再現性は、標準偏差や分散などから算出し判定する。検出したエッジ位置（撮像画像内における座標情報）の再現性が低い場合、「異常原因」にはレンズ焦点があっていないか輝度が足りないことを表示する。「異常処理」にはレンズ焦点の調整もしくは輝度の調整と、「異常画像」の確認などを表示する。レンズ焦点の調整や輝度調整の表示の脇に自動による調整アイコンを各々用意し、迅速に調整を実施可能としてもよい。ここで撮像対象として複数のエッジ検出可能な基準サンプルを例に挙げたが、エッジが検出されるものであればよく限定されるものではない。複数のエッジ検出可能な基準サンプルであれば、複数回撮像し得られる各々のエッジ間の長さを算出し、長さのバラツキ（標準偏差や分散）から焦点が正しいかどうか判定してもかまわない。

さらに上記動作を実施した時に、既知の基準サンプルの長さが所定の範囲から外れた場合は撮像距離が適切ではないことを示す。「異常原因」にはカメラと撮像対象との距離が適切ではないことを表示し、近距離にある場合は画素長が多くなり、遠距離にある場合は画素長が少なくなることが表示される。もしくは、基準サンプルに何らかの変形が起きていることを表示する。「異常処理」にはカメラと撮像対象との距離が適切ではない対応として、撮像対象の撮像位置の調整を表示する。基準サンプルの変形であれば「異常画像」もしくは実像を確認することを表示する。

ここで複数のエッジ検出可能な基準サンプルとして図４に示す箇所にエッジ検出箇所を記したが、これに限定されるものではない。撮像画像内に複数のエッジが検出可能であることが必要であり、分注装置の構造を利用して複数のエッジを検出してもかまわない。

以上、本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能である。

１０１ 駆動軸
１０２ 分注装置
１０３ ペルチェ型前処理ブロック
１０４ ターンテーブル
１０５ 移動レール
１０６ 反応試薬ブロック
１０７ サンプル架設ポジション
１０８ 分注チップラック
１０９ 台座
１１０ 容器運搬アーム
１１１ 攪拌ユニット
１１２ 検知器
１１３ 分注シリンジ
１１４ シリンジモータ
１１５ 分注チップフィッティング部位
１１６ 分注チップ
１１７ 光源
１１８ カメラリンクケーブル
１１９ 分注機構Ｚ軸モータ
１２０ ＣＣＤカメラ
１２１ レンズ
１２２ ミラー
１２３ 窓
１２５ ＰＣ
１２６ 基準サンプル

Claims (12)

1. 容器に液体を分注する分注機構と、カメラと光源を備えた撮像機構とを備え、分注機構で容器に分注した液体を撮像機構で撮像し、この撮像画像を基に分注量を求める、分注装置であって、
   複数のエッジを有する撮像物を撮像し、カメラのレンズの中心付近のエッジ間の距離およびカメラのレンズの外周付近のエッジ間の距離のそれぞれからレンズの中心付近およびレンズの外周付近の一画素辺りの長さを求める、分注装置。
2. 請求項１に記載の分注装置であって、
   レンズの中心付近の一画素辺りの長さと、レンズの外周付近の一画素辺りの長さを使って、容器内の液量を測定する、分注装置。
3. 請求項１に記載の分注装置であって、
   レンズの中心付近の一画素辺りの長さと、レンズの外周付近の一画素辺りの長さを使って、液体の吸引吐出に用いる分注チップが吸引した液量を測定する、分注装置。
4. 請求項２または３に記載の分注装置であって、
   レンズの中心付近の一画素辺りの長さと、レンズの外周付近の一画素辺りの長さを、液体の吸引吐出に用いる分注チップのレンズ内における位置、分注チップを用いて吸引した分注量に応じて使い分けて用いる、分注装置。
5. 容器に液体を分注する分注機構と、カメラと光源を備えた撮像機構とを備え、分注機構で容器に分注した液体を撮像機構で撮像し、この撮像画像を基に分注量を求める、分注装置であって、
   複数のエッジを有する撮像物を撮像し、カメラのレンズの中心付近のエッジ間の距離およびカメラのレンズの外周付近のエッジ間の距離のそれぞれからレンズの中心付近およびレンズの外周付近の一画素辺りの長さを求め、これらの結果を用いて、撮像機構が異常かどうかを判定する、分注装置。
6. 請求項５に記載の分注装置であって、
   撮像装置が異常であったとき、光源，レンズ絞り，露光時間，露光感度を自動調節する、分注装置。
7. 請求項５に記載の分注装置であって、
   分注機構には、複数の突起部が設けられている、分注装置。
8. 請求項７に記載の分注装置であって、
   各突起は等間隔に並んでいる、分注装置。
9. 請求項７に記載の分注装置であって、
   各突起は垂直方向に一列に並んでいる、分注装置。
10. 請求項７に記載の分注装置であって、
    各突起は液体の吸引吐出に用いる分注チップの長さの範囲内に複数並んでいる、分注装置。
11. 請求項５に記載の分注装置であって、
    異常かどうか判定した画像および異常対処方法を表示するメンテナンス表示手段を備えた、分注装置。
12. 請求項５に記載の分注装置であって、
    液量算出に用いる一画素辺りの長さを、液面のエッジと最も近似する座標軸から算出した一画素辺りの長さを用いる、分注装置。

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