JP6406590B2 - 液滴測定システム、液滴測定方法及びプログラム - Google Patents
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Description
上記液滴測定システムにおいて、撮像装置は、長手方向の画素数が480以上800以下、短手方向の画素数が320以上600以下、且つトータルの画素数が50万画素以下である撮像素子を備えても良い。
上記液滴測定システムにおいて、前記撮像装置は、テレセントリックレンズを備えても良い。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る液滴測定システムの概略構成を示す図である。図1に示すように、本実施形態に係る液滴測定システム10は、輸液バッグ2に充填された液体(点滴液)を、中間チューブ3、点滴筒4、及び輸液チューブ5を介して供給する点滴装置1に対し、点滴筒4内に設けられたノズル6の先端部(以下、ノズル先端部ともいう)6aから滴下する液滴7の体積を測定すると共に、測定した体積をもとに点滴の流量を制御するシステムである。
点滴開始に先立って、ユーザは、点滴筒4の近傍に光源11及びカメラ12を設置する(図1参照)。この際、カメラ12により撮像された画像を表示装置14に表示させ、画像を見ながら、ノズル先端部6a及びノズル先端部6aの下方の所定範囲が撮像素子12aの視野に入るように、光源11、点滴筒4、及びカメラ12の位置関係を調整する。この状態で、ユーザは情報処理装置13を操作し、カメラ12に撮像を実行させる。
ステップS131において、滴下検出部137bは、ステップS131において生成された最新の画像M(i)から、ノズルの像m10の先端部から所定の距離(画素数)Zだけ離れた位置にある幅Δzの領域Jに含まれる画素の画素値を抽出する。領域Jは、成長した液溜まりがノズルから離れ、液滴として滴下する際に液が切れる位置に設定される。距離Zは、使用するノズル6の径や液体の粘度、滴下周期、ワークディスタンスWD等によって変化するため、例えば、予め点滴のテストを行った際に取得した画像に基づいて決定すれば良い。また、幅Δzは、1画素〜数画素に相当する幅である。
再び図3を参照すると、ステップS13に続くステップS14において、流量制御部136は、ステップS13において算出された液滴7の体積を滴下周期で除算することにより、点滴液の現在の流量を算出する。
ノズルから液体を滴下させ、本発明の第1の実施形態における体積算出処理(図5〜図7参照)により液滴の体積(以下、算出体積VCともいう)を算出すると共に、滴下した液滴の実質的な体積(以下、実質体積VRともいう)を求めることにより、本実施形態における体積算出処理の精度を検証する実験を行った。カメラとしては、縦640画素×横480画素(トータル約30万画素)の撮像素子を備える汎用の製品を用い、撮像フレームレートは60fpsとした。
C0=VR・AVE/VP・AVE …(1)
算出体積VCはキャリブレーション係数C0を用いて、次式(2)により算出した。
VC=C0×VP …(2)
誤差率(%)=|VC・AVE−VR|/VR×100…(3)
滴下周期0.5秒/滴:誤差率0.39%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率1.62%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率2.39%
次に、本発明の第1の実施形態の変形例について説明する。図11は、本変形例における液滴の体積算出処理を説明するための模式図である。
点滴に使用するノズルの径、液体の粘性、滴下周期等の点滴条件やワークディスタンス等の撮像条件によっては、図11に示すように、滴下直前画像M12内に、ノズルに垂下する液体の像全体が収まらない場合がある。一例として、1mlを20滴で滴下(平均50μl/滴)させるための大人用ノズルを用いて生理食塩水を点滴する場合、ワークディスタンスを20mmにすると、滴下直前画像においては、ノズルに垂下する液体の一部が視野からはみ出してしまう。このような場合、ノズルに垂下する液体全体が視野に収まっていれば、滴下直前画像M12の代わりに、滴下検出画像M13の数フレーム前の画像を用いて液滴の体積を算出しても良い。以下、滴下検出画像M13の所定フレーム前に取得された画像を滴下前画像という。
上述した大人用ノズルを用い、ワークディスタンスを20mmに設定し、その他の条件は実施例1−1と同様にして点滴を行い、上記変形例における体積算出処理により液滴の体積を算出した。滴下前画像としては、滴下検出画像の2フレーム前の画像を用いた。そして、上記実施例1−1と同様にして誤差率を算出したところ、以下の結果が得られた。
滴下周期0.5秒/滴:誤差率4.84%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率1.93%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率7.18%
このように、滴下検出画像の2フレーム前の滴下前画像を用いる場合であっても、滴下周期によって若干ばらつきはあるものの、実質体積と比較的近い値の体積算出結果が得られることがわかる。
参考例として、ノズルから滴下する液滴全体を捉えることができるカメラを用い、液滴全体が写った画像から液滴の体積を算出する実験を行った。カメラとしては、縦1936画素×横496画素の撮像素子を備える製品を用い、撮像フレームレートは120fpsとした。
滴下周期0.5秒/滴:誤差率0.84%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.10%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率0.92%
滴下周期0.5秒/滴:誤差率1.44%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.12%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率1.90%
他方、参考例により算出された体積の誤差率を基準に、上記実施例1−1、1−2より算出された体積の誤差率を評価すると、実施例1−1の場合には、概ね参考例に対して遜色のない結果が得られることがわかる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。本発明の第2の実施形態に係る液滴測定システム及び液滴測定方法は、全体として上記第1の実施形態と同様であり(図1〜図3参照)、図3のステップS13における液滴の体積算出処理が第1の実施形態と異なる。図13は、本発明の第2の実施形態における液滴の体積算出処理を説明するための模式図である。
大人用ノズル及び小人用ノズルを用い、ワークディスタンスを20mmに設定し、その他の条件は実施例1−1と同様にして点滴を行い、第2の実施形態における体積算出処理により液滴の体積を算出した。そして、上記実施形態1−1と同様にして誤差率を算出したところ、以下の結果が得られた。
滴下周期0.5秒/滴:誤差率2.04%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率1.22%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率4.74%
滴下周期0.5秒/滴:誤差率0.51%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率1.62%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率2.51%
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。本発明の第3の実施形態に係る液滴測定システム及び液滴測定方法は、全体として上記第1の実施形態と同様であり(図1〜図3参照)、図3のステップS13における液滴の体積算出処理が第1の実施形態と異なる。
大人用ノズル及び小人用ノズルを用い、ワークディスタンスを28mmに設定し、その他の条件は実施例1−1と同様にして点滴を行い、第3の実施形態における体積算出処理により液滴の体積を算出した。そして、上記実施例1−1と同様にして誤差率を算出したところ、以下の結果が得られた。
滴下周期0.5秒/滴:誤差率1.68%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.79%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率0.13%
滴下周期0.5秒/滴:誤差率0.75%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.37%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率1.15%
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。本発明の第4の実施形態に係る液滴測定システム及び液滴測定方法は、全体として上記第1の実施形態と同様であり(図1〜図3参照)、図3のステップS13における液滴の体積算出処理が第1の実施形態と異なる。
大人用ノズル及び小人用ノズルを用い、ワークディスタンスを28mmに設定し、その他の条件は実施例1−1と同様にして点滴を行い、第4の実施形態における体積算出処理により液滴の体積を算出した。そして、上記実施例1−1と同様にして誤差率を算出したところ、以下の結果が得られた。
滴下周期0.5秒/滴:誤差率0.25%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.59%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率1.19%
滴下周期0.5秒/滴:誤差率0.31%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.37%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率0.76%
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。本発明の第5の実施形態に係る液滴測定システム及び液滴測定方法は、全体として上記第1の実施形態と同様であり(図1〜図3参照)、図3のステップS13における液滴の体積算出処理が第1の実施形態と異なる。図14〜図17は、本発明の第5の実施形態における液滴の体積算出処理を説明するための模式図である。
大人用ノズル及び小人用ノズルを用い、ワークディスタンスを28mmに設定し、その他の条件は実施例1−1と同様にして点滴を行い、第5の実施形態における体積算出処理により液滴の体積を算出した。そして、上記実施例1−1と同様にして誤差率を算出したところ、以下の結果が得られた。
滴下周期0.5秒/滴:誤差率1.16%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.74%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率0.37%
滴下周期0.5秒/滴:誤差率0.94%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.25%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率1.27%
次に、本発明の第5の実施形態の変形例について説明する。
上記実施例5−1における小人用ノズルを用いた実験により得られた画像を個別に観察したところ、小人用ノズルにおいては滴下周期が不安定であり、時々液滴が連続して滴下するなどして、滴下直前画像と滴下直後画像との間で液体の像の位置が重なってしまう場合があった。そこで、滴下直前画像と滴下直後画像との間(即ち、2フレーム間隔)で液滴の像の位置が重ならないように、フレームレートを変更できるようにしても良い。例えば、ユーザが、図2に示す操作入力部133を用いてフレームレートを任意に(好ましくは、60fps±10fpsの範囲で)調整できるようにし、撮像制御部135が、調整されたフレームレートでカメラ12の動作を制御するように、演算部134を構成する。
次に、本発明の第5の実施形態の別の変形例について説明する。図17及び図18は、変形例5−2における液滴の体積算出処理を説明するための模式図である。
上記第5の実施形態のように、ノズルに液体が垂下している状態が写った滴下直前画像M31と、ノズルに液体が残留している状態が写った滴下直後画像M33との差分画像D5を作成した場合、図17に示すように、差分画像D5に対して二値化処理及び穴埋め処理を施した後の二値画像B2から抽出された領域m36の上部(ノズル側の端部)に、ツノのように突出する切れ端m37が現れることが多い。この切れ端m37が左右対称に表れている場合、当該切れ端m37は、内部が空洞のリング状の回転体の投影像と考えられる。そのため、抽出された領域m36全体の鉛直軸回りの回転体の体積は、落下する液滴の体積に相当すると考えて問題ない。
滴下周期0.5秒/滴:誤差率1.168%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.730%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率0.366%
大人用ノズル、ワークディスタンス28mm、二値画像から抽出された領域の切れ端をカットしない場合
滴下周期0.5秒/滴:誤差率1.164%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.728%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率0.370%
次に、本発明の第5の実施形態のさらに別の変形例について、図18を参照しながら説明する。
図18に示す二値画像B3から抽出された領域m40における切れ端m41に対する処理は、当該切れ端m41の大きさに応じて変更しても良い。例えば、領域m40の上端のラインLにおける領域m40の幅Wと、ラインLから上方に突出する切れ端m41の幅Δwとを検出し、ラインLにおける領域m40の幅Wに対する切れ端m41の幅Δwの比率Δw/Wを算出し、この比率Δw/Wに基づいて当該切れ端m41に対する処理を決定する。
次に、本発明の第6の実施形態について説明する。本発明の第6の実施形態に係る液滴測定システム及び液滴測定方法は、全体として上記第1の実施形態と同様であり(図1〜図3参照)、図3のステップS13における液滴の体積算出処理が第1の実施形態と異なる。
小人用ノズル、ワークディスタンス28mm、滴下直前画像及び滴下直後画像を用いた場合
滴下周期0.5秒/滴:誤差率0.465%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.822%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率1.267%
滴下周期0.5秒/滴:誤差率1.383%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.081%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率1.528%
大人用ノズル、ワークディスタンス28mm、滴下直前画像及び滴下直後画像を用いた場合
滴下周期0.5秒/滴:誤差率1.168%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.730%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率0.366%
滴下周期0.5秒/滴:誤差率1.899%
滴下周期1.0秒/滴:誤差率0.838%
滴下周期2.0秒/滴:誤差率0.291%
このように、本発明の第6の実施形態によれば、点滴条件に応じて適切な画像を用いて体積算出処理を実行することが可能となる。
次に、本発明の第6の実施形態の変形例について説明する。
上記第6の実施形態においては、点滴に使用するノズルの種類に応じて、参照画像として使用する滴下後画像を変更できることとしたが、ノズルの種類によらず、体積算出のアルゴリズムを共通化することが好ましい場合もある。そのような場合には、大人用ノズルを使用する場合も、小人用ノズルに合わせて、参照画像として滴下検出画像の2フレーム後の画像を用いることにすると良い。
次に、本発明の第6の実施形態の別の変形例について説明する。
点滴に使用するノズルの種類によらず、体積算出のアルゴリズムを共通化しつつ、ノズルの種類に応じて最適な演算結果を得るためには、フレームレートを可変にしても良い。この場合、体積算出のアルゴリズムとしては、小人用ノズルを使用する場合に合わせて、参照画像として滴下検出画像の2フレーム後の画像(滴下後画像)を用いることとし、大人用ノズルを使用する場合には、滴下直前画像と滴下後画像との間の撮像タイミングのギャップを低減するために、滴下直前画像においてノズルに垂下する液体の像の位置と、滴下後画像において落下している液滴の像の位置とが重ならない範囲で、フレームレートを若干上げることとしても良い。
次に、本発明の第6の実施形態のさらに別の変形例について説明する。
上記第6の実施形態においては、滴下直前画像と滴下後画像との差分画像に基づく二値画像から抽出される領域に対し、上記変形例5−2において説明した切れ端をカットする処理を一律に行うことした。しかしながら、上記変形例5−3と同様に、切れ端の大きさに応じて、切れ端に対する処理を変更することとしても良い。
2 輸液バッグ
2a 排液ポート
3 中間チューブ
4a 上蓋
4 点滴筒
5 輸液チューブ
6 ノズル
6a ノズル先端部
7 液滴
8 クレンメ
9 アクチュエータ
10 液滴測定システム
11 光源
12 カメラ
12a 撮像素子
13 情報処理装置
14 表示装置
131 入出力部
132 記憶部
132a プログラム記憶部
132b 画像記憶部
133 操作入力部
134 演算部
135 撮像制御部
136 流量制御部
137 画像処理部
137a 画像生成部
137b 滴下検出部
137c 体積算出部
Claims (15)
- ノズルから滴下する液滴の体積を測定する液滴測定システムにおいて、
被写体を撮像して画像データを出力する撮像装置であって、前記ノズルの先端部と、前記ノズルに垂下する液体全体とを視野に収めるように設置される撮像装置と、
前記撮像装置から出力される画像データに基づき、前記ノズルから液滴が滴下する様子が写った画像を時系列順に生成する画像生成部と、
前記画像生成部により時系列順に生成された複数の画像のうちから、液滴が前記ノズルから離れたことが検出された画像である滴下検出画像を検出する滴下検出部と、
前記複数の画像のうち前記滴下検出画像の所定フレーム前に生成され、前記ノズルに垂下する液体が写った画像である滴下前画像と、前記複数の画像のうち前記滴下検出画像以降の所定フレーム以内に生成され、前記滴下前画像において前記ノズルに垂下していた液体が滴下した後のノズルが写った画像と、に基づいて、前記滴下前画像において前記ノズルに垂下していた液体が滴下した液滴の体積を算出する体積算出部と、
を備える液滴測定システム。 - 前記撮像装置から出力される画像データに基づいて予め生成され、前記ノズルから液滴を滴下させていない状態が写った画像である基準画像を記憶する記憶部をさらに備え、
前記体積算出部は、前記滴下前画像と前記基準画像との間の第1の差分画像と、前記滴下検出画像と前記基準画像との間の第2の差分画像とに基づいて前記液滴の体積を算出する、請求項1に記載の液滴測定システム。 - 前記滴下前画像は、前記滴下検出画像の1フレーム又は2フレーム前に生成された画像である、請求項2に記載の液滴測定システム。
- 前記体積算出部は、前記滴下前画像と、前記滴下検出画像の所定フレーム後に生成され た画像である滴下後画像との差分画像に基づいて、前記液滴の体積を算出する、請求項1に記載の液滴測定システム。
- 前記滴下前画像は、前記滴下検出画像の1フレーム前に生成された画像である、請求項4に記載の液滴測定システム。
- 前記滴下後画像は、前記滴下検出画像の1フレーム又は2フレーム後に生成された画像である、請求項4又は5に記載の液滴測定システム。
- 前記体積算出部は、前記差分画像に対して二値化処理を施すことにより、前記ノズルに垂下する液体が写った領域を抽出し、該領域の内部領域に対して穴埋め処理を施し、前記穴埋め処理が旋された前記領域に基づいて、前記液滴の体積を算出する、請求項4〜6のいずれか1項に記載の液滴測定システム。
- 前記体積算出部は、前記差分画像に対して二値化処理を施すことにより、前記ノズルに垂下する液体が写った領域を抽出し、該抽出された領域において、前記ノズルの下端面に相当する位置から上方に突出している部分が左右非対称である場合、前記領域から前記部分を除いた残りの領域に基づいて前記液滴の体積を算出する、請求項4〜7のいずれか1項に記載の液滴測定システム。
- 前記体積算出部は、
前記差分画像に対して二値化処理を施すことにより、前記ノズルに垂下する液体が写った領域を抽出し、該抽出された領域において、前記ノズルの下端面に相当する位置から上方に突出している部分が左右非対称である場合、前記ノズルの下端面に相当する位置における前記領域の幅に対する、前記位置から上方に突出している部分の幅の比率を算出し、
前記比率が所定値未満である場合、前記領域から前記部分を除いた残りの領域に基づいて前記液滴の体積を算出し、
前記比率が所定値以上である場合、前記領域から前記部分を除いた残りの領域に基づいて算出された体積と、前記部分に基づいて算出された体積との合算値を前記液滴の体積として算出する、
請求項4〜7のいずれか1項に記載の液滴測定システム。 - 前記撮像装置のフレームレートは、60フレーム/秒±10フレーム/秒の範囲で可変である、請求項4〜9のいずれか1項に記載の液滴測定システム。
- 撮像装置は、長手方向の画素数が480以上800以下、短手方向の画素数が320以上600以下、且つトータルの画素数が50万画素以下である撮像素子を備える、請求項1〜10のいずれか1項に記載の液滴測定システム。
- 前記撮像装置は、テレセントリックレンズを備える、請求項1〜11のいずれか1項に記載の液滴測定システム。
- 前記ノズルは、容器内に充填された液体を点滴筒を介して点滴する点滴装置に設けられ、前記液体からなる液滴を前記点滴筒内に滴下し、
前記点滴筒内に溜まった前記液体を流通させるチューブに対して押圧可能に設けられたクレンメに対し、該クレンメを駆動して前記チューブに対する押圧力を変化させることにより、前記液体の流量を変化させるアクチュエータと、
前記体積の算出結果に基づいて、前記液体の流量が予め設定された範囲となるように前記アクチュエータを制御する流量制御部と、
をさらに備える請求項1〜12のいずれか1項に記載の液滴測定システム。 - ノズルから滴下する液滴の体積を測定する液滴測定方法において、
前記ノズルの先端部と、前記ノズルに垂下する液体全体とを視野に収めるように設置される撮像装置から出力される画像データに基づき、前記ノズルから液滴が滴下する様子が写った画像を時系列順に生成するステップ(a)と、
ステップ(a)において時系列順に生成された複数の画像のうちから、液滴が前記ノズルから離れたことが検出された画像である滴下検出画像を検出するステップ(b)と、
前記複数の画像のうち前記滴下検出画像の所定フレーム前に生成され、前記ノズルに垂下する液体が写った画像である滴下前画像と、前記複数の画像のうち前記滴下検出画像以降の所定フレーム以内に生成され、前記滴下前画像において前記ノズルに垂下していた液体が滴下した後のノズルが写った画像と、に基づいて、前記滴下前画像において前記ノズルに垂下していた液体が滴下した液滴の体積を算出するステップ(c)と、
を含む液滴測定方法。 - ノズルから滴下する液滴の体積を測定するプログラムにおいて、
前記ノズルの先端部と、前記ノズルに垂下する液体全体とを視野に収めるように設置される撮像装置から出力される画像データに基づき、前記ノズルから液滴が滴下する様子が写った画像を時系列順に生成するステップ(a)と、
ステップ(a)において時系列順に生成された複数の画像のうちから、液滴が前記ノズルから離れたことが検出された画像である滴下検出画像を検出するステップ(b)と、
前記複数の画像のうち前記滴下検出画像の所定フレーム前に生成され、前記ノズルに垂下する液体が写った画像である滴下前画像と、前記複数の画像のうち前記滴下検出画像以降の所定フレーム以内に生成され、前記滴下前画像において前記ノズルに垂下していた液体が滴下した後のノズルが写った画像と、に基づいて、前記滴下前画像において前記ノズルに垂下していた液体が滴下した液滴の体積を算出するステップ(c)と、
をコンピュータに実行させるプログラム。
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