JP7123697B2 - 点滴監視センサ - Google Patents

Description

本開示は、点滴監視センサに関する。

栄養剤や薬液などの液体を、患者などの生体に投与するために、点滴筒を備えた輸液装置が用いられる。輸液装置は、点滴筒、輸液チューブ、及び各種医療機器等を備え、これらにより、液体を輸送するための経路（輸液ライン）が形成されている。輸液チューブには、輸液ラインを流れる液体の流量を調整するための、クランプや輸液ポンプが装着されている。

上述の輸液装置等が備える点滴筒の内部を落下する液体を監視するための点滴監視センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。具体的に、特許文献１に記載の点滴監視センサは、点滴筒の同一側面に配置された発光素子及び受光素子を備え、発光素子から発光した光が、点滴筒内の液体により反射した後、受光素子で受光されるように構成されている。そして、受光素子からの受光信号に基づいて、液体が断続的に滴下する液滴状態である場合の滴下数、滴下間隔等を監視することができる。

特開２０１２－１２５４５０号公報

輸液装置では、例えば、クランプの閉め忘れや、輸液ポンプの誤動作等により、輸液ラインを流れる液体の流量が過剰になる場合がある。液体は、流量が過剰になると、断続的に滴下する状態（以下、「滴下状態」とも記載する。）ではなく、連続的に柱状に落下する状態（以下、「液柱状態」とも記載する。）となる場合がある。しかし、特許文献１には、点滴筒の内部を落下する液体の液柱状態を検出することについては記載されていない。

本開示の目的は、点滴筒の内部を落下する液体の液柱状態を検出可能な点滴監視センサを提供することである。

本発明の第１の態様としての点滴監視センサは、点滴筒の内部を落下する液体を監視する点滴監視センサであって、前記液体に向けて入射光を照射可能な発光部と、前記入射光が前記液体により反射されて生じる反射光を受光可能であり、前記発光部の発光光線と同一平面内で鈍角を形成する受光光線を受光可能な受光部と、前記受光部からの受光信号に基づいて、前記液体の液柱状態を検出する液柱検出部と、を備える。

本発明の一実施形態としての点滴監視センサにおいて、前記受光部は、前記入射光が前記液体により屈折されて生じる屈折光をさらに受光可能である。

本発明の一実施形態としての点滴監視センサにおいて、前記液柱検出部は、前記受光信号に所定の交流波形が含まれるとき、前記液体の液柱状態を検出する。

本発明の一実施形態としての点滴監視センサにおいて、前記受光信号に、振幅絶対値が所定範囲内であり、かつ、時間幅が所定範囲内であるピーク波形が含まれるとき、前記液体の液滴状態を検出する液滴検出部をさらに備える。

本発明の一実施形態としての点滴監視センサにおいて、前記発光部は、前記同一平面内に広がりを持った平行光を前記入射光として照射可能である。

本発明の一実施形態としての点滴監視センサにおいて、前記発光部は、発光光線の方向が同一となるように前記同一平面内に配置された複数の発光素子を備える。

本発明の一実施形態としての点滴監視センサにおいて、前記発光部は、発光素子と、前記発光素子からの光を前記平行光に変換可能な光学素子と、を備える。

本発明の一実施形態としての点滴監視センサにおいて、前記受光部は、前記同一平面内に広がりを持った平行光を前記反射光として受光可能である。

本発明の一実施形態としての点滴監視センサにおいて、前記受光部は、受光光線の方向が同一となるように前記同一平面内に配置された複数の受光素子を備える。

本発明の一実施形態としての点滴監視センサにおいて、前記受光部は、受光素子と、前記反射光を前記受光素子に集光可能な光学素子と、を備える。

本発明の一実施形態としての点滴監視センサにおいて、前記受光部は、鉛直方向に互いに異なる位置に設置された２つの受光素子を備え、前記２つの受光素子のうちの上方の受光素子により液体が検出された後、所定時間以内に下方の受光素子により前記液体が検出された場合に、液体が落下していると判定する落下判定部をさらに備える。

本発明の一実施形態としての点滴監視センサにおいて、前記同一平面は水平面である。

本開示の点滴監視センサによれば、点滴筒の内部を落下する液体の液柱状態を検出可能である。

本発明の第１実施形態の点滴監視センサが点滴筒に装着された状態の輸液装置の正面図である。 図１の輸液装置の一部を拡大して示す図であり、図１に示す点滴監視センサと点滴筒とを示す正面図である。 図１に示す点滴監視センサの構成を示すブロック図である。 図１に示す点滴監視センサの発光部及び受光部の上面視での位置関係を示す概略図である。 入射光の入射角に対する反射光の反射率を示す図である。 図４に示す発光部を構成する発光素子から出射される光の指向特性の一例を示す図である。 図４に示す受光部を構成する受光素子に入射する光の指向特性の一例を示す図である。 図１に示す点滴監視センサにおける、第１の変形例に係る発光部及び第１の変形例に係る受光部の上面視での位置関係を示す概略図である。 図１に示す点滴監視センサにおける、第２の変形例に係る発光部及び第２の変形例に係る受光部の上面視での位置関係を示す概略図である。 図１に示す点滴監視センサによる入射光と屈折光とを示す概略図である。 落下液体が液滴状態であるときの受光信号の一例と振幅絶対値の移動区間積分の期間を示す図である。 液滴状態の落下液体により受光信号に生じるピーク波形の一例を示す図である。 図１２に示すピーク波形を振幅絶対値の移動区間積分波形に変換した波形を示す図である。 液柱検出部による液柱状態検出処理を説明する図である。 実施例の点滴監視センサを用いた、受光部からの受光信号の時間変化を示す。 比較例の点滴監視センサを用いた、受光部からの受光信号の時間変化を示す。 本発明の第２実施形態の点滴監視センサと、点滴筒とを示す正面図である。 図１７に示す点滴監視センサの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。各図において共通の構成部には、同一の符号を付している。本明細書において、上下方向とは、後述する点滴筒１１０の生体への使用時における鉛直の方向を意味し、上方は排出部１１２から見て滴下部１１１が位置する方向（すなわち、図２における上方）、下方はその反対方向を意味するものとする。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の点滴監視センサ１が点滴筒１１０に装着された状態の輸液装置１００を示す図である。図２は、図１の一部を拡大して示す図であり、点滴監視センサ１と点滴筒１１０とを示す正面図である。図３は、点滴監視センサ１の構成を示すブロック図である。図３に示す矢印は、電気信号が流れる方向を示す。

点滴監視センサ１は、点滴筒１１０の内部を落下する液体を監視するセンサである。図２に示すように、点滴監視センサ１は、点滴筒１１０の内部を落下する薬液等の液体に向けて入射光Ｌ１を照射可能な発光部１０と、入射光Ｌ１が当該液体により反射されて生じる反射光Ｌ２を受光可能な受光部３０と、受光部３０からの受光信号に基づいて当該液体の液柱状態を検出する液柱検出部５０と、を備える。図１に示すように、本実施形態の点滴監視センサ１は、点滴筒１１０の周囲に装着した状態で使用される。点滴筒１１０は、図１に示すように、例えば輸液装置１００の一部を構成する。

図１に示す輸液装置１００は、栄養剤や薬液などの液体を、患者などの生体に投与するために用いられる。輸液装置１００は、液体を生体まで輸送するための輸液ラインを形成している。具体的に、輸液装置１００は、液体が収容された輸液バッグなどの輸液容器１０１と、輸液容器１０１から供給される液体の流量を視認可能な点滴筒１１０と、生体に留置された留置針等に接続可能なコネクタ１０２と、これら各部材を接続する複数の輸液チューブ１０３と、を備えている。輸液ラインは、輸液容器１０１と、点滴筒１１０と、コネクタ１０２と、輸液チューブ１０３と、により形成されている。図１に示す例では、輸液装置１００は、輸液ラインを流れる液体の流量を調整するための、輸液チューブ１０３に装着されたクランプ１０４及び輸液ポンプ１０５を更に備えている。

図２に示すように、点滴筒１１０は、輸液ラインの上流から輸送される液体を内部の滴下室１１３内に導入する滴下部１１１と、滴下室１１３内の液体を輸液ラインの下流に排出する排出部１１２と、滴下室１１３の周面を区画する周壁部１１４と、を備えている。周壁部１１４は、光透過性の素材で形成された光透過部を少なくとも一部に備えている。具体的に、周壁部１１４の光透過部は、少なくとも、後述する貯留液体１１７の液面よりも上方の位置に備えられている。

点滴筒１１０に輸送された液体は、滴下部１１１から落下液体１１６として落下し、滴下室１１３内に貯留液体１１７として貯留される。排出部１１２は貯留液体１１７の一部を排出する。そのため、貯留液体１１７は適量に保たれる。

点滴監視センサ１は、点滴筒１１０の内部の滴下室１１３内を落下する落下液体１１６を監視するために用いられる。図２に示すように、本実施形態の点滴監視センサ１は、点滴筒１１０の周壁部１１４の、貯留液体１１７の液面よりも上方に位置する光透過部の位置で、周壁部１１４を挟み込むようにして装着されている。図２及び図３に示すように、本実施形態の点滴監視センサ１は、発光部１０と、受光部３０と、液柱検出部５０と、液滴検出部６０と、増幅部７０と、報知部８０と、を備える。

発光部１０は、周壁部１１４の光透過部を通じて、点滴筒１１０の滴下室１１３内を落下する落下液体１１６に向けて入射光Ｌ１を照射可能である。発光部１０は、例えば、１つ又は複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode:発光ダイオード）又はレーザダイオード等の光を出射する発光素子で構成される。

受光部３０は、発光部１０からの入射光Ｌ１が落下液体１１６により反射されて生じる反射光Ｌ２を受光可能である。本実施形態の受光部３０は、発光部１０からの入射光Ｌ１が落下液体１１６により屈折されて生じる屈折光Ｌ３（後述する図１０参照）を受光可能であってもよい。受光部３０は、例えば、１つ又は複数のフォトトランジスタ又はフォトダイオード等の受光素子で構成される。受光部３０は、反射光Ｌ２を含む受光した光に基づく受光信号を、増幅部７０を介して、液柱検出部５０及び液滴検出部６０に出力する。図２に示すように、本実施形態の点滴監視センサ１では、発光部１０と受光部３０とが同一平面である水平面Ｈ内に位置している。

液柱検出部５０は、受光部３０からの受光信号に基づいて、落下液体１１６の液柱状態を検出可能である。液柱検出部５０は、例えば、種々の情報及びプログラムを記憶する記憶装置、及び、当該記憶装置に記憶された種々の情報及びプログラムのうち、所定の情報及びプログラムを読み込むことにより所定の機能を実現するプロセッサ等により構成される。液柱検出部５０が落下液体１１６の液柱状態を検出する方法の詳細については、後述する。液柱検出部５０は、液柱状態を検出すると、検出結果を報知部８０に出力する。

液滴検出部６０は、受光部３０からの受光信号に基づいて、落下液体１１６の液滴状態を検出可能である。液滴検出部６０は、例えば、種々の情報及びプログラムを記憶する記憶装置、及び、当該記憶装置に記憶された種々の情報及びプログラムのうち、所定の情報及びプログラムを読み込むことにより所定の機能を実現するプロセッサ等により構成される。液滴検出部６０を構成する記憶装置及びプロセッサ等は、液柱検出部５０を構成する記憶装置及びプロセッサ等と共通の部材でもよいし、別部材でもよい。液滴検出部６０が落下液体１１６の液滴状態を検出する方法の詳細については、後述する。液滴検出部６０は、液滴状態を検出すると、検出結果を報知部８０に出力する。

増幅部７０は、例えば増幅回路等で構成され、受光部３０からの受光信号を増幅して、液柱検出部５０及び液滴検出部６０に出力する。

報知部８０は、液柱検出部５０からの検出結果及び液滴検出部６０からの検出結果を外部に報知する。具体的に、報知部８０は、例えばスピーカで構成され、検出結果を音で報知してもよい。報知部８０は、例えば発光素子又は表示デバイスで構成され、検出結果を光で報知してもよい。報知部８０は、例えば有線又は無線による通信装置で構成され、検出結果を外部の装置に送信することで報知してもよい。当該外部の装置は、例えば輸液ポンプ１０５（図１参照）であってもよく、その場合、輸液ポンプ１０５は、検出結果に基づいて、輸液ラインを流れる液体の流量を調整してもよい。

点滴筒１１０を含む輸液装置１００は、通常、蛍光灯や白熱灯などの周囲環境による環境光が存在する病室などで使用されるため、点滴監視センサ１の受光部３０には、環境光が入射する場合がある。また、発光部１０からの入射光Ｌ１が落下液体１１６により反射されて生じる反射光Ｌ２は、落下液体１１６が液柱状態である場合の方が、落下液体１１６が液滴状態である場合よりも、強度が小さくなり易い。従って、液柱検出部５０が落下液体１１６の液柱状態を検出するのに用いる受光部３０からの受光信号は、落下液体１１６が液柱状態である場合、環境光によるノイズの影響を受け易い。そこで、本実施形態の点滴監視センサ１は、受光部３０が受光する反射光Ｌ２の強度を向上させて、受光部３０からの受光信号に基づく液柱検出部５０による液柱状態の検出を可能としている。この詳細は後述する。

図４は、点滴監視センサ１の発光部１０及び受光部３０の上面視での位置関係を示す概略図である。図４に示す例では、発光部１０は、１つの発光素子１１のみで構成されている。また、図４に示す例では、受光部３０は、１つの受光素子３１のみで構成されている。図４に示すように、発光部１０から照射される入射光Ｌ１の代表光線ＯＸ１（以下、「発光光線ＯＸ１」とも記載する。）と、受光部３０が受光する反射光Ｌ２の代表光線ＯＸ２（以下、「受光光線ＯＸ２」とも記載する。）とが水平面Ｈ内でなす角α（以下、「光軸交差角α」とも記載する。）は、鈍角、すなわち９０°超かつ１８０°未満である。入射光Ｌ１の入射角α１及び反射光Ｌ２の反射角α２は、互いに同一の角度であり、かつ、合計の角度が光軸交差角αの角度と等しいため、共に４５°超かつ９０°未満である。ここで、発光光線ＯＸ１は、落下液体１１６に入射する場合、入射光Ｌ１のうち落下液体１１６に入射する直前の光線である。また、受光光線ＯＸ２は、落下液体１１６から反射する場合、反射光Ｌ２のうち落下液体１１６により反射した直後の光線である。本実施形態の発光光線ＯＸ１は、発光素子１１から出射される出射光の中心軸である。また、本実施形態の受光光線ＯＸ２は、受光素子３１が受光可能な光の中心軸である。

図５は、入射光Ｌ１の入射角α１に対する反射光Ｌ２の反射率を示す図である。具体的に、横軸は入射光Ｌ１の入射角α１を示し、縦軸は反射光Ｌ２の反射率を示す。水平偏光（Ｐ偏光）の反射率をＲｐ、垂直偏光（Ｓ偏光）の反射率をＲｓ、無偏光の反射率をＲａとする。

本実施形態の点滴監視センサ１は、光軸交差角αが鈍角、すなわち入射角α１が４５°超であるので、発光部１０を例えばＬＥＤ等の無偏光の光を出射する発光素子で構成する場合、図５に示すように、反射率Ｒａを高めることができる。これにより、受光部３０が受光する反射光Ｌ２の強度が向上するので、受光部３０からの受光信号に基づく液柱検出部５０による液柱状態の検出が可能となる。

光軸交差角αは、１２０°以上であることが好ましく、１４０°以上であることがより好ましい。換言すれば、入射角α１は、６０°以上であることが好ましく、７０°以上であることがより好ましい。光軸交差角α及び入射角α１を上記下限値以上とすることで、反射率をより高めることができるので、受光部３０が受光する反射光Ｌ２の強度をより向上させることができる。

図４に示すように、本実施形態の点滴監視センサ１では光軸交差角αが鈍角であるので、発光部１０からの出射光の一部が受光部３０に直接入射し易い。以下、発光部１０から受光部３０へ直接入射する光を「直接入射光」と記載する。このような直接入射光も、液柱検出部５０が落下液体１１６の液柱状態を検出するのに用いる受光部３０からの受光信号のノイズとなる場合がある。直接入射光を低減させるために、発光部１０を構成する発光素子１１からの出射光は、高い指向性を有することが好ましい。同様に、受光部３０に入射する光は、高い指向性を有することが好ましい。また、直接入射光を低減させるために、光軸交差角αは、１７０°以下であることが好ましく、１６０°以下であることがより好ましい。

図６は、図４に示す発光部１０を構成する発光素子１１から出射する光の指向特性の一例を示す図である。具体的に、図６は、発光素子１１の中心軸となす角度と、当該中心軸に沿う出射光の強度に対する出射光の強度の割合（以下、「出射率」とも記載する。）との関係を示す図である。図７は、図４に示す受光部３０を構成する受光素子３１に入射する光の指向特性の一例を示す図である。具体的に、図７は、受光素子３１の中心軸となす角度と、当該中心軸に沿う入射光の強度に対する入射光の強度の割合（以下、「入射率」とも記載する。）との関係を示す図である。

図６に示す例では、発光素子１１からの出射光の強度が中心軸に沿う出射光の強度の半分となる角度である半値角は、±９°である。図７に示す例では、受光素子３１への入射光の強度が中心軸に沿う入射光の強度の半分となる角度である半値角は、±１３°である。以下、図４に示す発光素子１１として図６に示す指向特性を有する発光素子を用い、かつ、図４に示す受光素子３１として図７に示す指向特性を有する受光素子を用いた場合について説明する。このとき、図４に示す入射角α１を７０°とし、発光素子１１から落下液体１１６までの距離と、受光素子３１から落下液体１１６までの距離とが等しいと仮定すると、発光素子１１から見た受光素子３１の位置は、発光素子１１の中心軸としての発光光線ＯＸ１となす角度が２０°の位置となる。ここで、発光素子１１の中心軸となす角度が２０°のときの出射率は約５％であり（図６参照）、受光素子３１の中心軸となす角度が２０°のときの入射率は約２０％であるので（図７参照）、直接入射光の強度は、発光素子１１の中心軸としての発光光線ＯＸ１に沿う入射光Ｌ１の強度に対して、約５％×約２０％＝約１％となる。一方、発光素子１１から中心軸としての発光光線ＯＸ１に沿って出射され、落下液体１１６により反射されて受光光線ＯＸ２に沿って受光部３０により受光される反射光Ｌ２の強度は、入射角α１が７０°であるので、発光素子１１の中心軸としての発光光線ＯＸ１に沿う入射光Ｌ１の強度に対して、約１３％となる（図５参照）。このように、反射光Ｌ２の強度は、直接入射光の強度に対して十分に大きいため、直接入射光によるノイズを相対的に低減することができる。なお、詳細は省略するが、発光素子１１として、例えばレーザー等の、より指向性の高い発光素子を用いることで、入射角α１を８０°～８５°としても、直接入射光によるノイズを低減することができる。

発光部１０は、後述する第１の変形例及び第２の変形例として示すように、水平面Ｈ内に広がりを持った平行光を入射光Ｌ１として照射可能であることが好ましい。同様に、受光部３０は、後述する第１の変形例及び第２の変形例として示すように、水平面Ｈ内に広がりを持った平行光を反射光Ｌ２として受光可能であることが好ましい。このような構成によれば、点滴筒１１０の滴下室１１３の水平面Ｈ内の広範囲に亘って、落下液体１１６を検出することができる。

図８は、点滴監視センサ１の第１の変形例に係る発光部１０ａ及び第１の変形例に係る受光部３０ａの上面視での位置関係を示す概略図である。図８に示す例では、発光部１０ａは、発光光線ＯＸ１の方向が同一となるように、水平面Ｈ内に配置された複数の発光素子１１を備えている。また、図８に示す例では、受光部３０ａは、受光光線ＯＸ２の方向が同一となるように水平面Ｈ内に配置された複数の受光素子３１を備えている。図８に示す例の発光光線ＯＸ１は、各発光素子１１から出射される出射光の中心軸である。また、図８に示す例の受光光線ＯＸ２は、各受光素子３１が受光可能な光の中心軸である。「発光光線ＯＸ１の方向が同一」とは、発光光線ＯＸ１の方向が完全に同一、すなわち完全に平行であることが好ましいが、複数の発光素子１１の取り付け精度を考慮して、誤差が±１°であればよい。同様に、「受光光線ＯＸ２の方向が同一」とは、受光光線ＯＸ２の方向が完全に同一、すなわち完全に平行であることが好ましいが、複数の受光素子３１の取り付け精度を考慮して、誤差が±１°であればよい。

図９は、点滴監視センサ１の第２の変形例に係る発光部１０ｂ及び第２の変形例に係る受光部３０ｂの上面視での位置関係を示す概略図である。図９に示す例では、発光部１０ｂは、１つの発光素子１１と、１つの発光素子１１からの光を平行光としての入射光Ｌ１に変換可能な光学素子１２と、を備えている。光学素子１２は、図９に示すように、１つの発光素子１１から入射する光を透過させて平行光としての入射光Ｌ１に変換することが可能な、例えば、シリンドリカルレンズ、球面レンズ、フレネルレンズ等で構成することができる。或いは、光学素子１２は、１つの発光素子１１から入射する光を反射させて平行光としての入射光Ｌ１に変換することが可能な、例えば、フレネルミラー、放物面ミラー等で構成することができる。図９には、発光素子１１が１つの場合を示すが、発光素子１１は複数であってもよい。図９に示す例の発光光線ＯＸ１は、光学素子１２により変換された平行光の光線である。

図９に示す例では、受光部３０ｂは、１つの受光素子３１と、平行光としての反射光Ｌ２を受光素子３１に集光可能な光学素子３２と、を備えている。光学素子３２は、図９に示すように、入射する平行光としての反射光Ｌ２を透過させて受光素子３１に集光させることが可能な、例えば、シリンドリカルレンズ、球面レンズ、フレネルレンズ等で構成することができる。或いは、光学素子３２は、入射する平行光としての反射光Ｌ２を反射させて受光素子３１に集光させることが可能な、例えば、フレネルミラー、放物面ミラー等で構成することができる。図９には、受光素子３１が１つの場合を示すが、受光素子３１は複数であってもよい。図９に示す例の受光光線ＯＸ２は、光学素子３２により変換される前の平行光の光線であり、光学素子３２により、受光素子３１に集光可能な光線である。

図８には、点滴監視センサ１が第１の変形例に係る発光部１０ａ及び第１の変形例に係る受光部３０ａを備える例を示し、図９には、点滴監視センサ１が第２の変形例に係る発光部１０ｂ及び第２の変形例に係る受光部３０ｂを備える例を示したが、点滴監視センサ１は、第１の変形例に係る発光部１０ａ及び第２の変形例に係る受光部３０ｂを備えてもよいし、第２の変形例に係る発光部１０ｂ及び第１の変形例に係る受光部３０ａを備えてもよい。さらに、点滴監視センサ１が備える発光部及び受光部のいずれか一方が図４に示した発光部１０又は受光部３０であり、かつ、他方が変形例に係る発光部１０ａ、発光部１０ｂ、受光部３０ａ、又は受光部３０ｂであってもよい。ただし、発光部及び受光部のいずれもが、変形例に係る発光部１０ａ、発光部１０ｂ、受光部３０ａ、及び受光部３０ｂのいずれかである方が、点滴筒１１０の滴下室１１３の水平面Ｈ内の広範囲に亘って、落下液体１１６を検出することができる点で好ましい。

受光部３０は、特に落下液体１１６の透明度が高い場合、入射光Ｌ１が落下液体１１６により屈折されて生じる屈折光Ｌ３を更に受光可能であってもよい。図１０は、点滴監視センサ１による入射光Ｌ１と屈折光Ｌ３とを示す概略図である。図１０に示すように、落下液体１１６に入射する入射光Ｌ１のうち、水平面Ｈ内で落下液体１１６の中心付近に入射する入射光Ｌ１ａは、落下液体１１６により屈折され、略直進する屈折光Ｌ３ａに変換される。落下液体１１６に入射する入射光Ｌ１のうち、水平面Ｈ内で落下液体１１６の右側に入射する入射光Ｌ１ｂは、落下液体１１６により屈折され、左側に向かう屈折光Ｌ３ｂに変換される。落下液体１１６に入射する入射光Ｌ１のうち、水平面Ｈ内で落下液体１１６の左側に入射する入射光Ｌ１ｃは、落下液体１１６により屈折され、右側に向かう屈折光Ｌ３ｃに変換される。図１０に示す例では、太線で示した屈折光Ｌ３ｃは、受光部３０（図４参照）が位置する方向に向かい、受光部３０で受光され得る。受光部３０は、光軸交差角αが鈍角であるとき、屈折光Ｌ３をより受光し易い。本実施形態の点滴監視センサ１は、光軸交差角αが鈍角であるので、受光部３０に屈折光Ｌ３をより受光させることができる。

以下、液柱検出部５０及び液滴検出部６０による検出処理の一例について、図１１～図１４を参照して説明する。受光部３０から液柱検出部５０及び液滴検出部６０に出力される受光信号は、受光部３０が落下液体１１６からの反射光Ｌ２（図４等参照）を受光したとき、落下液体１１６が液柱状態であるか、液滴状態であるかによって、異なる信号として検出される。しかし、落下液体１１６が液柱状態であっても、液滴状態であっても、それぞれの場合の受光信号は、微小時間ごとに複雑に変化するため、受光信号のままでは液柱状態の検出及び液滴状態の検出が容易ではない。そこで、液柱検出部５０及び液滴検出部６０は、後述するように、まず、受光信号に振幅絶対値の移動区間積分を演算して、液柱状態の検出及び液滴状態の検出をし易い形に変換することができる。

図１１～図１３は、液滴検出部６０による液滴状態検出処理、具体的には受光信号のピーク波形を振幅絶対値の移動区間積分する過程を説明する図である。図１１は、落下液体１１６が液滴状態であるときの受光信号の一例と振幅絶対値の移動区間積分の期間を示す図である。受光信号に時刻ｔにおける振幅絶対値の移動区間積分を演算して得られる積分値Ｚ（ｔ）は、下記の数式（１）で表される。
Z(t) = |Y(t)|+|Y(t-1)|+|Y(t-2)|+|Y(t-3)|+ … +|Y(t-N-1)| ・・・（１）
ここで、｜Ｙ（ｔ）｜は時刻ｔにおける振幅の絶対値を示し、Ｔ１は移動区間積分の積分区間としての第１期間を示す。移動区間積分の積分値Ｚ（ｔ）は、時刻ｔにおける直近の第１期間Ｔ１での落下液体１１６の流量の合計に相関する。第１期間Ｔ１は、液滴状態の落下液体１１６による受光信号において生じる振幅のピークのみを含む波形（以下、「ピーク波形」とも記載する。）の時間幅と同程度であることが好ましい。

図１２（ａ）～図１２（ｃ）は、液滴状態の落下液体１１６により受光信号に生じるピーク波形の一例を示す図である。図１３（ａ）～図１３（ｃ）は、図１２（ａ）～図１２（ｃ）に示すピーク波形を振幅絶対値の移動区間積分波形に変換した波形を示す図である。図１２（ａ）は、振幅のピークを正方向のみに有するピーク波形であり、図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）は、振幅のピークを正負両方向に有するピーク波形である。図１３（ａ）～図１３（ｃ）に示すように、受光信号のピーク波形を振幅絶対値の移動区間積分波形に変換すると、ピークの振幅が正方向に大きいピーク波形となる。液滴検出部６０は、移動区間積分波形に、振幅が所定範囲内であり、かつ、時間幅が所定範囲内であるピーク波形が含まれるとき、液滴状態を検出する。換言すれば、液滴検出部６０は、受光信号に、振幅絶対値が所定範囲内であり、かつ、時間幅が所定範囲内であるピーク波形が含まれるとき、液滴状態を検出する。

図１４は、液柱検出部５０による液柱状態検出処理を説明する図である。具体的に、図１４は、入力波形ＩＮ、入力波形ＩＮを振幅絶対値の移動区間積分した移動区間積分波形ＯＵＴ１、入力波形ＩＮを振幅絶対値の定区間積分した定区間積分波形ＯＵＴ２、第１フラグＯＵＴ３、第２フラグＯＵＴ４をそれぞれ示す。図１４に示す入力波形ＩＮ、移動区間積分波形ＯＵＴ１、定区間積分波形ＯＵＴ２、第１フラグＯＵＴ３、及び第２フラグＯＵＴ４は、いずれも横軸が時間を示し、縦軸が値を示す。

図１４に示すように、入力波形ＩＮは、落下液体１１６が液滴状態から液柱状態に遷移する際の入力波形である。入力波形ＩＮは、落下液体１１６が液柱状態のとき、不規則な高周波の振幅を有する波形（以下、「交流波形」とも記載する。）となる。また、入力波形ＩＮは、落下液体１１６が液滴状態のとき、ピーク波形が所定時間間隔を空けながら観測される波形となる。

図１４に示すように、移動区間積分波形ＯＵＴ１は、入力波形ＩＮを、第１期間Ｔ１について振幅絶対値の移動区間積分した波形である。移動区間積分波形ＯＵＴ１の値は、上述の通り、対応する時刻における直近の第１期間Ｔ１での落下液体１１６の流量の合計に相関する。そのため、移動区間積分波形ＯＵＴ１の値が第１閾値Ｚ１未満であるとき、直近の第１期間Ｔ１で落下液体１１６の流量が所定値未満となっていることを示す。落下液体１１６が液滴状態のとき、液滴状態としての落下液体１１６が落下してから次の液滴状態としての落下液体１１６が落下するまでの間、移動区間積分波形ＯＵＴ１は、ピーク波形とピーク波形との間の微弱な振幅の波形となり、第１閾値Ｚ１未満となる。一方、落下液体１１６が液柱状態のとき、液柱状態としての落下液体１１６は常に一定以上の流量を維持するため、移動区間積分波形ＯＵＴ１は常に第１閾値Ｚ１以上となる。

液柱検出部５０は、移動区間積分波形ＯＵＴ１が第１閾値Ｚ１未満となる部分が存在する第２期間Ｔ２においては、第１フラグＯＵＴ３をセットし、移動区間積分波形ＯＵＴ１が常に第１閾値Ｚ１以上となる第２期間Ｔ２においては、第１フラグＯＵＴ３をリセットする。ここで、第２期間Ｔ２は、第１期間Ｔ１より大きく、液柱状態における液滴の発生周期以上であることが好ましく、数秒未満であることが好ましい。

図１４に示すように、定区間積分波形ＯＵＴ２は、入力波形ＩＮを、第２期間Ｔ２毎に振幅絶対値の定区間積分した波形である。定区間積分波形ＯＵＴ２の値は、対応する第２期間Ｔ２内での落下液体１１６の流量の合計に相関する。そのため、所定の第２期間Ｔ２内で定区間積分波形ＯＵＴ２の値が第２閾値Ｚ２以上となる場合、その第２期間Ｔ２での落下液体１１６の流量の合計が所定値以上であることを示す。落下液体１１６が液滴状態のとき、定区間積分波形ＯＵＴ２は、第２期間Ｔ２の終了時点で、第２閾値Ｚ２未満となる。一方、落下液体１１６が液柱状態のとき、移動区間積分波形ＯＵＴ１は、第２期間Ｔ２の終了時点において、第２閾値Ｚ２以上となる。液柱検出部５０は、定区間積分波形ＯＵＴ２が第２期間Ｔ２の終了時点において第２閾値Ｚ２以上であり、かつ、第１フラグＯＵＴ３がリセットされている場合に、第２フラグＯＵＴ４をセットし、それ以外の場合には第２フラグＯＵＴ４をリセットする。第２フラグＯＵＴ４は、液柱状態を検出したことを示すフラグである。第２フラグＯＵＴ４は、直前の第２期間Ｔ２における第２閾値Ｚ２及び第１フラグＯＵＴ３に基づいてセット又はリセットされる。図１４に示すように、液柱検出部５０は、入力波形ＩＮにおける落下液体１１６が液柱状態となる期間から第２期間Ｔ２だけ遅れた期間で、液柱状態を検出している。このように、本実施形態の液柱検出部５０は、受光信号に所定の交流波形が含まれるとき、落下液体１１６の液柱状態を検出することができる。

図１５は、光軸交差角α＝１４０°とした本実施形態の実施例の点滴監視センサ１を用いた、受光部３０からの受光信号の時間変化を示す。具体的に、図１５（ａ）は、落下液体１１６が観測されないときの受光信号であり、図１５（ｂ）は、落下液体１１６が液滴状態であるときの受光信号であり、図１５（ｃ）は、落下液体１１６が液柱状態であるときの受光信号である。図１５（ａ）～図１５（ｃ）では、一目盛りが５００ｍＶである。図１６は、光軸交差角α＝９０°とした比較例の点滴監視センサによる、受光部からの受光信号の時間変化を示す。具体的に、図１６（ａ）は、落下液体が観測されないときの受光信号であり、図１６（ｂ）は、落下液体が液滴状態であるときの受光信号であり、図１６（ｃ）は、落下液体が液柱状態であるときの受光信号である。図１６（ａ）～図１６（ｃ）では、一目盛りが２００ｍＶである。

図１５及び図１６に示すように、光軸交差角α＝１４０°とした本実施形態の実施例の点滴監視センサ１によれば、光軸交差角α＝９０°とした比較例としての点滴監視センサよりも、落下液体１１６による受光信号の変化が、落下液体１１６が液滴状態であるか液柱状態であるかには依らずに増大する。従って、環境光等によるノイズの影響を低減できることが分かった。特に図１５（ｃ）及び図１６（ｃ）に示すように、落下液体１１６が液柱状態であるとき、比較例ではノイズの影響が大きく、検出が困難であったが、実施例ではノイズの影響が低減されて検出可能となることが分かった。

（第２実施形態）
図１７は、本発明の第２実施形態の点滴監視センサ２と、点滴筒１１０とを示す正面図である。図１８は、点滴監視センサ２の構成を示すブロック図である。本実施形態の点滴監視センサ２は、第１実施形態の点滴監視センサ１と多くの点で共通するため、以下、主に点滴監視センサ１との相違点について説明し、共通点については説明を省略する。

図１７及び図１８に示すように、点滴監視センサ２は、発光部１０と、受光部３０と、液柱検出部５０と、上液滴検出部１６０ａと、下液滴検出部１６０ｂと、落下判定部１６５と、上増幅部１７０ａと、下増幅部１７０ｂと、報知部８０と、を備える。受光部３０は、上受光部１３０ａと、下受光部１３０ｂと、を備える。点滴監視センサ２が備える発光部１０、液柱検出部５０、報知部８０は、それぞれ、点滴監視センサ１が備える発光部１０、液柱検出部５０、報知部８０と同様であるので説明を省略する。

上受光部１３０ａ及び下受光部１３０ｂは、それぞれ少なくとも１つの受光素子を備える。図１７に示すように、上受光部１３０ａは、下受光部１３０ｂよりも、延長方向の上方に設置されている。すなわち、受光部３０は、鉛直方向に互いに異なる位置に設置された２つの受光素子を備える。

上増幅部１７０ａは、例えば増幅回路等で構成され、上受光部１３０ａからの受光信号を増幅して、液柱検出部５０及び上液滴検出部１６０ａに出力する。下増幅部１７０ｂは、例えば増幅回路等で構成され、下受光部１３０ｂからの受光信号を増幅して、下液滴検出部１６０ｂに出力する。

上液滴検出部１６０ａは、上受光部１３０ａからの受光信号に基づいて、液体の液滴状態を検出可能である。上液滴検出部１６０ａは、液滴状態を検出すると、検出結果を落下判定部１６５に出力する。下液滴検出部１６０ｂは、下受光部１３０ｂからの受光信号に基づいて、液体の液滴状態を検出可能である。下液滴検出部１６０ｂは、液滴状態を検出すると、検出結果を落下判定部１６５に出力する。上液滴検出部１６０ａ及び下液滴検出部１６０ｂの詳細は、第１実施形態の液滴検出部６０と同様であるので説明を省略する。

落下判定部１６５は、上液滴検出部１６０ａからの液滴状態の検出結果と、下液滴検出部１６０ｂからの液滴状態の検出結果とに基づいて、検出された液滴状態の液体が落下液体１１６であるか否か、すなわち、液体が落下しているか否かを判定する。具体的に、上液滴検出部１６０ａにより液滴状態の液体が検出された後、所定時間以内に、下液滴検出部１６０ｂにより上液滴検出部１６０ａが検出した液滴状態の液体と同一の液体が検出された場合に、液体が落下していると判定する。ここで、上液滴検出部１６０ａと下液滴検出部１６０ｂとにより検出される液体が同一であるか否かは、受光信号の波形をパターン認識等することにより、所定以上の類似度と判断することに基づいて判定することができる。

落下判定部１６５は、例えば、種々の情報及びプログラムを記憶する記憶装置、及び、当該記憶装置に記憶された種々の情報及びプログラムのうち、所定の情報及びプログラムを読み込むことにより所定の機能を実現するプロセッサ等により構成される。落下判定部１６５を構成する記憶装置及びプロセッサ等は、液柱検出部５０、上液滴検出部１６０ａ、又は、下液滴検出部１６０ｂを構成する記憶装置及びプロセッサ等と共通の部材でもよいし、別部材でもよい。

このように、本実施形態の点滴監視センサ２によれば、上下２つの受光素子のうちの上方の受光素子により液体が検出された後、所定時間以内に下方の受光素子により当該液体が検出された場合に、液体が落下していると判定することができる。よって、例えば落下液体１１６が貯留液体１１７に落下した後の跳ね返りによる水滴等を誤検出することを抑制可能である。

本実施形態において、発光部１０は、受光部３０が備える鉛直方向に互いに異なる位置に設置された２つの受光素子に対応して、鉛直方向に互いに異なる位置に設置された２つの発光素子を備えてもよい。これにより、上受光部１３０ａ及び下受光部１３０ｂそれぞれが受光する光の光量を増加させることができる。

本発明は、上述した各実施形態で特定された構成に限定されず、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、各構成部、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部又はステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

各実施形態において、光軸交差角αが鈍角を形成する平面は、水平面Ｈには限定されず、同一平面であればよい。ただし、水平面Ｈであれば、落下液体１１６を検出し易い点で好ましい。

本開示は、点滴監視センサに関する。

１、２：点滴監視センサ
１０、１０ａ、１０ｂ：発光部
１１：発光素子
１２：光学素子
３０、３０ａ、３０ｂ：受光部
３１：受光素子
３２：光学素子
１３０ａ：上受光部
１３０ｂ：下受光部
５０：液柱検出部
６０：液滴検出部
１６０ａ：上液滴検出部
１６０ｂ：下液滴検出部
１６５：落下判定部
７０：増幅部
１７０ａ：上増幅部
１７０ｂ：下増幅部
８０：報知部
９０：落下判定部
１００：輸液装置
１０１：輸液容器
１０２：コネクタ
１０３：輸液チューブ
１０４：クランプ
１０５：輸液ポンプ
１１０：点滴筒
１１１：滴下部
１１２：排出部
１１３：滴下室
１１４：周壁部
１１６：落下液体
１１７：貯留液体
Ｈ：水平面
Ｌ１：入射光
Ｌ２：反射光
Ｌ３：屈折光
ＯＸ１：発光光線
ＯＸ２：受光光線
Ｒａ：無偏光の反射率
Ｒｐ：水平偏光（Ｐ偏光）の反射率
Ｒｓ：垂直偏光（Ｓ偏光）の反射率
Ｔ１：第１期間
Ｔ２：第２期間
Ｚ１：第１閾値
Ｚ２：第２閾値
ＩＮ：入力波形
ＯＵＴ１：移動区間積分波形
ＯＵＴ２：定区間積分波形
ＯＵＴ３：第１フラグ
ＯＵＴ４：第２フラグ
α：光軸交差角
α１：入射光の入射角
α２：反射光の反射角

Claims (15)

1. 点滴筒の内部を落下する液体を監視する点滴監視センサであって、
   前記液体に向けて入射光を照射可能な発光部と、
   前記入射光が前記液体により反射されて生じる反射光を受光可能であり、前記発光部の発光光線と同一平面内で１２０°以上１７０°以下の鈍角を形成する受光光線を受光可能な受光部と、
   前記受光部からの受光信号に基づいて、前記液体の液柱状態を検出する液柱検出部と、を備える点滴監視センサ。
2. 前記発光光線と前記受光光線との角度は、１４０°以上１６０°以下である、請求項１に記載の点滴監視センサ。
3. 前記液柱検出部は、前記受光信号の積分演算を含む処理を実行可能である、請求項１又は２に記載の点滴監視センサ。
4. 前記液柱検出部は、前記受光信号の移動積分演算を含む処理を実行可能である、請求項１から３のいずれか一項に記載の点滴監視センサ。
5. 前記受光部は、前記入射光が前記液体により屈折されて生じる屈折光をさらに受光可能である、請求項１から４のいずれか一項に記載の点滴監視センサ。
6. 前記液柱検出部は、前記受光信号に所定の交流波形が含まれるとき、前記液体の液柱状態を検出する、請求項１から５のいずれか一項に記載の点滴監視センサ。
7. 前記受光信号に、振幅絶対値が所定範囲内であり、かつ、時間幅が所定範囲内であるピーク波形が含まれるとき、前記液体の液滴状態を検出する液滴検出部をさらに備える、請求項６に記載の点滴監視センサ。
8. 前記発光部は、前記同一平面内に広がりを持った平行光を前記入射光として照射可能である、請求項１から７のいずれか一項に記載の点滴監視センサ。
9. 前記発光部は、発光光線の方向が同一となるように前記同一平面内に配置された複数の発光素子を備える、請求項８に記載の点滴監視センサ。
10. 前記発光部は、
    発光素子と、
    前記発光素子からの光を前記平行光に変換可能な光学素子と、
    を備える請求項８に記載の点滴監視センサ。
11. 前記受光部は、前記同一平面内に広がりを持った平行光を前記反射光として受光可能である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の点滴監視センサ。
12. 前記受光部は、受光光線の方向が同一となるように前記同一平面内に配置された複数の受光素子を備える、請求項１１に記載の点滴監視センサ。
13. 前記受光部は、
    受光素子と、
    前記反射光を前記受光素子に集光可能な光学素子と、
    を備える請求項１１に記載の点滴監視センサ。
14. 前記受光部は、鉛直方向に互いに異なる位置に設置された２つの受光素子を備え、
    前記２つの受光素子のうちの上方の受光素子により液体が検出された後、所定時間以内に下方の受光素子により前記液体が検出された場合に、液体が落下していると判定する落下判定部をさらに備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載の点滴監視センサ。
15. 前記同一平面は水平面である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の点滴監視センサ。

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