JP7071301B2 - 生体試料検出装置 - Google Patents
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Description
また、特許文献2によれば、ラベルの境界を求めて血清量を測定するが、分析対象の色情報を取得し、検体種別を判別することはできない。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではないことを理解する必要がある。
また、実施形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
図1は、本実施形態による生体試料検出装置100の概略構成例を示す図である。図1に示されるように、生体試料検出装置100は、撮像部201と、背景板404と、光源701aおよび701bと、光源用ドライバ702aおよび702bと、生体試料管ホルダ703と、コントローラ704と、メモリ705と、記憶装置706と、入出力インタフェース707と、データバス708と、把持機構1001と、移動機構1002と、上下制御ドライバ1003と、回転機構1004と、回転制御ドライバ1005と、を備えている。
図2は、メモリ705あるいは記憶装置706に格納されたプログラムがコントローラ(プロセッサ)704内で展開され実現される概略機能を示す図である。図2に示されるように、コントローラ704は、ソフトウェア的に実現される機能として、画像処理部210と関心領域設定部220とを備える。
図3は、画像処理部210の内部構成例を示す図である。図3に示されるように、画像処理部210は、色付ラベル解析部310と、ラベル抽出部320と、検出対象領域抽出部330と、解析部340と、を含んでいる。各処理部の動作の詳細については後述する(図7など)が、簡単に説明すると、それぞれ以下のような処理を実行する。
解析部340は、検出対象領域抽出部330で抽出された検出対象領域204の色を特定し、当該色の情報から生体試料の種別を判定する処理と、検出対象領域抽出部330で抽出された検出対象領域204から生体試料の液量を計算する処理を行う。
図4は、色付ラベル解析部310の内部構成例を示す図である。図4に示されるように、色付ラベル解析部310は、色情報取得部410と、解析対象関心領域抽出部420と、色分布取得部430と、色付ラベル有無判定部440と、動的閾値設定部450と、色付ラベル領域除去部460と、を含んでいる。各処理部の動作の詳細については後述する(図7など)が、簡単に説明すると、それぞれ以下のような処理を実行する。
色分布取得部430は、解析対象関心領域抽出部420で抽出された解析対象の関心領域の色分布(例えば、図11参照)を生成する処理を実行する。
図5は、本実施形態による生体試料検出装置100で実行される生体試料分析処理の概要を説明するためのフローチャートである。以下の説明において、各ステップの動作主体を、対応する各処理部としているが、各処理部はメモリ705あるいは記憶装置706に格納されたプログラムによって実現されているため、当該プログラムの実行主体であるコントローラ(プロセッサ)704を各ステップの動作主体として説明を読み替えても良い。本実施形態による生体試料分析処理によれば、生体試料管202に色付ラベル203が貼付されている場合にも、検出対象領域204を撮像し、二次元のカラー画像を取得して、画像処理部210において検出対象領域204の色と量を解析することが可能となる。また、色付ラベル203が貼付された生体試料管202において、検出対象領域204に類似した色の色付ラベル203を検出対象領域204の一部として誤抽出することを回避し、検出対象領域204の色と量の解析精度を向上する効果がある。
画像処理部210は、撮像部201によって撮像された、生体試料管202の複数のカラー画像(各画像の各ピクセルの位置情報、HSV値などを含む)を取得する。ここで、生体試料管202の撮像方法について説明する。図6は、生体試料管202の色付ラベル203の貼付位置と撮像部201の位置関係を示す図である。色付ラベル203が貼付された生体試料管202のカラー画像から検出対象領域204の色と量を解析するためには、図6Aのようにバーコード部分を撮像したカラー画像ではなく、図6Bおよび図6Cのように、色付ラベル203の隙間から検出対象領域204が露出した領域を撮像したカラー画像が必要である。また、検出対象領域204の色と当該検出対象領域204の色に類似した色付ラベル203の色とを解析し、検出対象領域204の色のみを抽出するためには、図6Bのように色付ラベル領域を撮像したカラー画像も必要である。このため、生体試料管202を回転させることにより、同じ生体試料管202の図6Bおよび図6Cのように、検出対象領域204を撮像したカラー画像と色付ラベル領域を撮像したカラー画像の両方を取得する必要がある。
画像処理部210は、色付ラベル解析部310、ラベル抽出部320、および検出対象領域抽出部330における各画像処理(詳細については後述する)を実行し、ステップ501で取得したカラー画像から検出対象領域204を抽出する。
画像処理部210は、解析部340の処理を実行し、検出対象領域204で取得した検出対象の色と量などの情報を取得(演算で求める)する。例えば、メモリ705あるいは記憶装置706に生体試料の種別に対応する色情報を事前に格納しておき、取得した色情報とメモリ705等に予め格納している色情報とを解析部340によって照合することにより、検出対象領域204の色情報から生体試料の種別を判別することができる。例えば、検出対象領域204が血清の場合、血清状態(正常、溶血、黄疸、乳び)によって血清色に特徴がある。このため、色特徴量と分類に使用する色空間の範囲と閾値をメモリ705等に格納し、解析部340で取得した色情報を照合することで、検体の血清状態を判別することができる。また、検出対象領域204の高さ方向(カラー画像の鉛直方向)の画素数の情報と、生体試料管202の直径の情報から検出対象の溶液量を算出することができる。生体試料管202の直径は、例えば、ユーザが入出力インタフェース707であるタッチパネルを用いて、使用する生体試料管202の型番または生体試料管202の直径などの情報を直接入力するなどによって取得する。
図7は、図5のステップ502(画像処理)の詳細内容を説明するためのフローチャートである。以下の説明において、各ステップの動作主体を、対応する各処理部としているが、各処理部はメモリ705あるいは記憶装置706に格納されたプログラムによって実現されているため、当該プログラムの実行主体であるコントローラ(プロセッサ)704を各ステップの動作主体として説明を読み替えても良い。
関心領域設定部220は、ユーザによる関心領域(ROI)の設定入力またはメモリ705あるいは記憶装置706に格納してある設定ファイルに応答して、ステップ501で取得した複数のカラー画像のそれぞれに対して関心領域を設定する。ユーザによる設定入力または設定ファイルの記述内容は、上述のように、例えば、ROIの個数、各ROIの撮像画像内の基準座標値、領域サイズ(ROIの画素数)、各ROIのピッチなどの情報である。設定入力される情報によって、色付ラベルの検出感度が変わる。まず、長手方向の個数を増やすことで検出可能な色付ラベルの最大の長さ(長手方向の幅)が長くなり、長手方向のROIのピッチを小さくすることで検出可能な色付ラベルの最小の長さ(長手方向の幅)を短くすることができる。また、短手方向の個数を増やしピッチを狭くすることで、例えば、生体試料管202の回転時に回転軸が安定しない場合にも色付ラベルを検出でき、検出可能な色付ラベルの最小の幅(短手方向の幅)を小さくできる。このように関心領域の個数は多いほど検出感度は高くなるが、多すぎると処理速度(スループット)が低下してしまう。そこで、生体試料管202の長さによって、生体試料管202の長手方向に例えば4個から50個、短手方向に例えば1個から5個の関心領域を設定する(例えば、長手方向に20個以下、短手方向に3個以下としてもよい)。また、設定値を変更することにより比較的短い生体試料管202にも対応することが可能である。
色情報取得部410は、ステップ701で設定された各関心領域の、少なくとも色相(H:Hue)、彩度(S:Saturation)、および明度(V:Value)の情報を取得する。
解析対象関心領域抽出部420は、色相(H:Hue)、彩度(S:Saturation)、および明度(V:Value)の固定閾値1をメモリ705あるいは記憶装置706から取得し、当該固定閾値に基づいて、設定された複数の関心領域から解析対象とすべき関心領域を抽出する。固定閾値1は、例えば、検出対象(例:血清)が取り得るHSV値の範囲(最小値と最大値)を規定するものである(例えば、赤色から黄色)。色付ラベルの色が検出対象のとり得るHSV値の範囲に該当する場合(例えば、検出対象が血清で色付ラベルの色が赤色や黄色の場合)には、それらを分離するための処理(色付ラベル解析処理1:ステップ701からステップ710)が実行されることになる。また、色付ラベルの色が検出対象のとり得るHSV値の範囲に該当しない場合には、別途その色付ラベル(例えば、青色や緑色)を抽出する処理(色付ラベル解析処理2:ステップ714からステップ716)が実行される。
色分布取得部430は、ステップ701で設定された各関心領域の色相、明度、および彩度の情報を取得し、各画像(フレーム)に対するそれぞれの要素(HSVそれぞれ)の分布(色分布)を作成する。図11は、例として、ひとつの関心領域を各画像に設定した場合の関心領域における平均明度値の分布を示している。回転角度10度ずつ生体試料管202を回転させながら生体試料管202全周のカラー画像を取得する場合には、36枚のカラー画像が得られるため、ひとつの関心領域を各画像に設定すると、36個の関心領域の明度情報が取得され、平均明度値の分布が生成される。図11Aは、固定閾値1で前述した解析対象の関心領域を抽出する前の分布を示し、図11Bは、固定閾値1で解析対象の関心領域を限定した後の分布を示している。また、図12は、各画像の関心領域における色相の分布範囲を示す図である。なお、図12の例では、固定閾値1で色相範囲を限定した後の分布が示されている。
色付ラベル有無判定部440は、解析対象の関心領域に色相差があるか判断する。例えば、色付ラベル有無判定部440は、ステップ704で生成した色相平均値の分布(図12)を参照して関心領域の色相の最小値および最大値を特定し、“色相の最大値-色相の最小値”が所定の閾値(色相差有無判断の閾値TH_H)よりも大きいか否か判断する。色相差があると判断された場合(ステップ705でYesの場合:“色相の最大値-色相の最小値”≧TH_Hの場合には、色相差があり、固定閾値1で指定する色範囲内の色を有する色付ラベルが存在すると判断される)、処理はステップS707に移行する。色相差がないと判断された場合(ステップ705でNoの場合:“色相の最大値-色相の最小値”<所定の閾値の場合には、色相差がなく、固定閾値1で指定する範囲の色付ラベルは存在しないと判断される)、処理はステップ706に移行する。
色付ラベル有無判定部440は、解析対象の関心領域に明度差があるか判断する。例えば、色付ラベル有無判定部440は、ステップ704で生成した明度平均値の分布(図11B:固定閾値1で明度領域を限定した後の分布)を参照して関心領域の明度の最小値および最大値を特定し、“明度の最大値-明度の最小値”が所定の閾値(明度差有無判断の閾値TH_V)よりも大きいか否か判断する。明度差があると判断された場合(ステップ706でYesの場合:“明度の最大値-明度の最小値”≧TH_Vの場合には、明度差があり、固定閾値1で指定する色範囲内の色を有する色付ラベルが存在すると判断される)、処理はステップS708に移行する。明度差がないと判断された場合(ステップ706でNoの場合:“明度の最大値-明度の最小値”<TH_Vの場合には、明度差がなく、固定閾値1で指定する色範囲内の色を有する色付ラベルは存在しないと判断される)、処理はステップ713に移行する。ステップ713以降の処理(色付ラベル解析処理2)によって、固定閾値1で指定する色範囲外の色を有する色付ラベル(例えば、検出対象が血清の場合は青や緑)の有無が判断されることになる。
動的閾値設定部450は、色相に関して、固定閾値1とは異なる新たな閾値を設定する。つまり、複数の生体試料管202について検体情報を取得する場合、各生体試料管202について動的に色相の閾値が設定されることになる。新たな閾値(動的閾値)は、例えば、(色相最大値+色相最小値)/2や(色相最大値+色相最小値)/2+所定のオフセット値によって設定することができる。つまり、図12において色相動的閾値は関心領域の色相最小値と最大値で指定される色相の色範囲を分割する値となる。ここで、色相は一般的に0~180°や0~360°の円環で表されるため、固定閾値1に対して動的閾値を上限の閾値とする(動的閾値で指定する色範囲を固定閾値1から動的閾値までとする:領域1)か、動的閾値を下限の閾値とする(動的閾値で指定する色範囲を動的閾値から固定閾値1までとする:領域2)か決定し、検出対象の色相範囲と色付ラベルの色相範囲がどちらの領域になるか判別する必要がある。判別する方法としては、例えば、検出対象が血清の場合には、まず、2つの領域それぞれの色相範囲に該当する色相をもつ解析対象の関心領域を抽出し、抽出した関心領域の明度平均値を求める。求めた明度平均値を比較し、血清では明度が低く色付ラベルでは明度が高くなる傾向を利用して、明度平均値が高い領域を色付ラベルの色相範囲とし、低い領域を血清の色相範囲とするなどの方法がある。または、検出対象領域204の面積と色付ラベルの面積に差があり、例えば、色付ラベルの面積が検出対象領域204の面積より小さいなどの条件がある場合には、2つの領域それぞれの色相範囲に該当する色相をもつ解析対象の関心領域の個数を比較し、多い方を検出対象領域204とするなどの方法などがある。また、使用する色付ラベルの色情報をユーザが、例えば入出力インタフェース707であるタッチパネルなどを用いて入力し、取得した色付ラベルの色情報から色付ラベルの色相範囲を決定しても良い。なお、ステップ705で色相差がないと判断された場合には、固定閾値1に含まれる色相の閾値が引き続き用いられることになる。
動的閾値設定部450は、明度に関して、固定閾値1とは異なる新たな閾値を設定する。つまり、複数の生体試料管202について検体情報を取得する場合、各生体試料管202について動的に明度の閾値が設定されることになる。新たな閾値(動的閾値)は、例えば、(明度最大値+明度最小値)/2や(明度最大値+明度最小値)/2+所定のオフセット値によって設定することができる。なお、ステップ706で明度差がないと判断された場合には、固定閾値1に含まれる明度の閾値が引き続き用いられることになる。
動的閾値設定部450は、解析対象の関心領域における彩度平均値または彩度最小値などを算出し、彩度平均値または彩度最小値が彩度に関する固定閾値1よりも小さいか否か判断する。彩度平均値または彩度最小値が固定閾値1よりも小さい場合、動的閾値設定部450は、固定閾値1よりも小さい、予め決められた固定閾値TH_S2(例えば、血清と分離剤とを分離できる閾値)に変更する。彩度平均値または彩度最小値が固定閾値1以上の場合には、彩度に関して閾値1がそのまま用いられる。
色付ラベル領域除去部460は、ステップ707からステップ709で設定された閾値を用いて、画像から検出対象領域204を抽出するためのマスク(検出対象領域204抽出マスク)を作成する。当該検出対象領域204抽出マスクは、取得された画像から、動的閾値で指定する色相範囲内の色相値および明度値が動的明度閾値よりも小さく、彩度値が固定閾値TH_S2あるいは固定閾値1以上の画素のみを抽出するためのマスクとなる。
ラベル抽出部320は、ステップ501で取得した複数のカラー画像のうち、検出対象領域204の面積が一番大きい画像をベストフレームとして選択する(ベストフレーム選択処理1)。例えば、ラベル抽出部320は、ステップ710で作成した検出対象領域抽出マスクを用いて、複数のカラー画像について色付ラベル領域を除去した検出対象領域204の面積を算出し、当該面積が最大の画像をベストフレームとする。図14は、採血管(生体試料管202)の撮像方向と血清抽出領域面積(検出対象領域204面積)との関係を示す図である。図14Aから図14Fは、生体試料管202の撮像時の向き(撮像方向)を示す図であり、図14Gはそれらに対応する検出対象領域204の面積を示す図である。図14Gに示されるように、生体試料管202の回転角度に応じて検出対象領域204の面積は変化(増加)するが、色付ラベル領域を除去しない場合には、色付ラベルの領域を検出対象領域204と誤検出してしまい、図14Eの画像がベストフレーム(検出対象領域204の面積が最大)として選択されてしまう。一方、色付ラベル領域を除去する場合には、図14Dの画像がベストフレームとして選択される。
検出対象領域抽出部330は、ステップ711でベストフレームとして選択された画像に対して、ステップ710で作成した検出対象領域204抽出マスクを適用し、検出対象領域204と色付ラベル領域205を分離して、それぞれの領域の情報をメモリ705あるいは記憶装置706に格納する。
ラベル抽出部320は、固定閾値1を用いて、取得した複数のカラー画像の中からベストフレームを選択する。ステップ706で明度差がないと判断された場合、生体試料管202に固定閾値1で規定される範囲の色(例えば、黄色から赤色:検出対象領域204の色に類似する色)を有する色付ラベルは存在しない。そのため、固定閾値1による検出対象領域抽出マスク(図13B)を適用すれば、この場合の検出対象領域204の領域を抽出することができる。よって、単純に、固定閾値1で限定された領域の大きさを比較し、面積が最大となる画像をベストフレームとして選択することができる。
ラベル抽出部320は、ステップ713で選択されたベストフレームの画像に対して、色相、明度、および彩度のそれぞれの固定閾値1を適用して、検出対象領域候補1を抽出する。
ラベル抽出部320は、ステップ713で選択されたベストフレームの画像に対して、固定閾値2を適用して、検出対象領域候補2を抽出する。ここで、固定閾値2は、明度および彩度については固定閾値1と同じ値であり、色相については全ての値を取得するものである。
色付ラベル有無判定部440は、ステップ714で抽出した検出対象領域候補1とステップ715で抽出した検出対象領域候補2とを比較することにより、色付ラベル領域の有無を判断すると共に、色付ラベル領域が存在すると判断した場合には、色付ラベル領域を抽出する。抽出された色付ラベル領域の情報は、メモリ705あるいは記憶装置706に格納される。
そして、色付ラベル領域除去部460は、ステップ713でベストフレームとして選択された画像から色付ラベル領域を除去する。
検出対象領域抽出部330は、ステップ716で色付ラベル領域が除去された画像に対してエッジ検出処理など検出対象領域204抽出マスク以外の検出対象領域204処理を実行し、例えば、各領域のエッジを識別することにより検出対象領域204と分離剤などの領域とを分離し、検出対象領域204を抽出する。
(1)変形例1:画像処理
図15は、本実施形態の生体試料検出装置100において実行される画像処理の変形例を示す図である。当該変形例では、ユーザ(オペレータ)によって生体試料管202に貼付された色付ラベルの色情報が入力された場合には、図7の画像処理を実行するのではなく、その代わりに、入力された色情報に応じて、画像処理A(図15A参照)あるいは画像処理B(図15B参照)を実行するようにする。
図16は、変形例による関心領域の設定例を示す図である。図16AおよびBに示されるように、関心領域の設定数は、ユーザが入出力インタフェース707を用い、関心領域設定部220を介して、生体試料管202毎に適宜変更することが可能である。また、生体試料管202の長さが短い場合にも、関心領域の設定数を適宜設定(生体試料管202の長さに応じて調整)することが可能である。または、例えば生体試料管が短い場合の関心領域の設定パターンと長い場合の設定パターンなど予め関心領域の複数の設定パターンをメモリ705あるいは記憶装置706に記憶しておき、ユーザが入力する生体試料管の種類や検査項目などに応答して設定パターンを読み出すことも可能である。
(i)本実施形態による生体試料検出装置は、生体試料管のカラー画像(例えば、複数フレーム)を取得し、その色情報(色相、明度、彩度)に基づいて、生体試料管に色付ラベルが存在するか否かを判定する色付ラベル有無判定処理と、色付ラベル有無判定処理によって存在すると判定された色付ラベルをカラー画像から抽出するラベル抽出処理と、カラー画像から色付ラベルを除去して、生体試料における検出対象領域を抽出する検出対象領域抽出処理と、検出対象領域の色情報を取得し、生体試料の種別と溶液量を解析する解析処理と、を実行する。このように、生体試料管に貼付された色付ラベルを識別して除去するので、色付ラベルと検出対象領域(例えば、血清領域)とを高精度に分離して検出対象領域に含まれる検体を解析することが可能となる。
201 撮像部
202 生体試料管
203 色付ラベル
204 検出対象領域
205 色付ラベル領域
404 背景板
701a、701b 光源
702a、702b 光源用ドライバ
703 生体試料管ホルダ
704 コントローラ
705 メモリ
706 記憶装置
707 入出力インタフェース
708 データバス
1001 把持機構
1002 移動機構
1003 上下制御ドライバ
1004 回転機構
1005 回転制御ドライバ
Claims (12)
- 色付ラベルが貼付された生体試料管に収容された生体試料を分析する生体試料検出装置であって、
前記生体試料管の複数フレームのカラー画像を撮像し、出力する撮像デバイスと、
前記カラー画像に対して所定の画像処理を実行するためのプログラムを格納する記憶デバイスと、
前記記憶デバイスから前記プログラムを読み込み、前記所定の画像処理を実行するプロセッサと、を備え、
前記プロセッサは、
前記カラー画像の色情報に基づいて、前記生体試料管に色付ラベルが存在するか否かを判定する色付ラベル有無判定処理と、
前記色付ラベル有無判定処理によって存在すると判定された前記色付ラベルを前記カラー画像から抽出するラベル抽出処理と、
前記カラー画像から前記色付ラベルを除去して、前記生体試料における検出対象領域を抽出する検出対象領域抽出処理と、
前記検出対象領域の色情報を取得し、前記生体試料の液量と種別を解析する解析処理と、
前記複数フレームのカラー画像のそれぞれに、指定された画素サイズの関心領域を複数個設定し、各関心領域の前記色情報であって、明度、色相、および彩度の情報を含む色情報を取得する色情報取得処理と、
前記色情報が固定閾値で定められる所定の範囲内にある前記関心領域を解析対象関心領域として抽出する解析対象関心領域抽出処理と、
を実行し、
前記プロセッサは、前記色付ラベル有無判定処理において、前記解析対象関心領域の色相あるいは明度の情報を用いて、前記解析対象関心領域に前記色付ラベルの領域が含まれるか判定する、生体試料検出装置。 - 請求項1において、
前記プロセッサは、前記色付ラベル有無判定処理において、前記解析対象関心領域の前記色相と前記明度の変化の分布を取得し、前記明度あるいは前記色相の分布に基づいて前記色付ラベルの有無を判定する、生体試料検出装置。 - 請求項2において、
前記プロセッサは、前記色付ラベル有無判定処理において、前記解析対象関心領域の前記色相の変化幅あるいは前記明度の変化幅に基づいて前記色付ラベルの有無を判定する、生体試料検出装置。 - 請求項3において、
前記プロセッサは、前記カラー画像から前記色付ラベルを除去し、前記検出対象領域を抽出するための閾値を、前記生体試料管ごとに動的に設定する処理を実行する、生体試料検出装置。 - 請求項4において、
前記プロセッサは、前記解析対象関心領域の前記色相の変化分布と前記明度の変化の分布から、前記色相の最大値と最小値および前記明度の最大値および最小値を抽出し、これらの最大値および最小値を用いて前記検出対象領域を抽出するための色相動的閾値または明度動的閾値を設定する、生体試料検出装置。 - 請求項5において、
前記プロセッサは、さらに、前記解析対象関心領域の彩度値と彩度に関する前記固定閾値との関係に基づいて、彩度動的閾値を設定する、生体試料検出装置。 - 請求項6において、
前記プロセッサは、前記色相動的閾値、前記明度動的閾値、および前記彩度動的閾値を用いて、前記検出対象領域を抽出するマスクを生成する、生体試料検出装置。 - 請求項7において、
前記プロセッサは、前記マスクを用いて、前記複数フレームのカラー画像について前記色付ラベルの領域を除去して得られる前記検出対象領域の面積を算出し、当該面積が最大の画像をベストフレームとし、当該ベストフレームに対して前記解析処理を実行する、生体試料検出装置。 - 請求項1において、
前記プロセッサは、前記生体試料管の長手方向に前記関心領域を複数個設定する、生体試料検出装置。 - 請求項9において、
前記プロセッサは、前記生体試料管の短手方向に前記関心領域を複数個設定する、生体試料検出装置。 - 請求項10において、
前記プロセッサは、入力された指示に応答して、前記関心領域の前記長手方向および/または短手方向の個数を変更する処理を実行する、生体試料検出装置。 - 請求項11において、
前記プロセッサは、入力された指示に応答して、前記関心領域の大きさを変更する処理を実行する、生体試料検出装置。
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