JPWO2017082381A1 - 液滴測定システム、液滴測定方法、及び液滴測定プログラム - Google Patents

Abstract

従来よりも演算負荷が軽い画像処理で、液滴の体積を高精度に測定することができる液滴測定システム等を提供する。液滴測定システムは、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部であって、ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域に視野を向けて設置された撮像部と、該撮像部の視野を鉛直方向に長い長方形状の領域に設定し、撮像部に撮像を実行させる撮像制御部と、撮像部から出力された画像データに基づき、上記長方形状の領域に対応し、ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域が写った画像を時系列順に複数取得し、取得した時系列順の画像に基づいて、上記液滴の体積を算出する画像処理部とを備える。

Description

本発明は、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、液滴測定方法、及び液滴測定プログラムに関する。

薬液や栄養剤等の液体（点滴液）を点滴する際には、予め決められた流量を維持することが重要である。従来、点滴の流量制御は、点滴筒内に滴下する液滴の数をカウントして単位時間あたりの滴下数を求め、液滴の体積が一定であるという前提で流量を算出し、液滴の滴下周期（滴下する時間間隔）を調節することにより行っていた。

しかし、実際には、点滴液の表面張力は粘度や環境温度等の条件に依存して変化するため、液滴１つあたりの体積は一定ではない。また、医療の現場においては、点滴中に患者が姿勢を変えてしまうことがあり、この場合、点滴液のヘッド差が変化して液滴の体積が変動してしまうことがある。そのため、液滴の滴下周期のみによって流量を制御する従来の方法においては、流量の誤差が生じ易く、高精度な流量制御が困難であった。

このような問題に対し、滴下する液滴の体積を測定して流量制御に用いる技術が知られている。例えば特許文献１には、透明な点滴筒と、該点滴筒の外部の一側に配置された発光部と、該発光部と点滴筒を挟んで対向した位置に配置された二次元イメージセンサとを備え、点滴筒内の滴下ノズル先端と、該滴下ノズルから落ちる液滴の所定落下距離分を含むようにこの二次元イメージセンサの視野を設定した液滴検出装置が開示されている。

特開２０１１−６２３７１号公報

上記特許文献１においては、滴下ノズル先端から液滴が離れて落下するまでの様子を所定時間間隔で撮像し、撮像した画像における液滴の状態が「液滴落下状態」であると判定された場合には１枚前の画像を調べ、この１枚前の画像における液滴の状態が「液滴落下前状態」と判定された場合に、当該「液滴落下状態」と判定された画像から液滴の体積を算出している。

上記特許文献１の場合、処理が煩雑であると共に、撮像した全ての画像に対して液滴の状態を検出するための画像処理を行わなければならず、演算の負荷が大きくなってしまう。そのため、高性能のプロセッサが必要となり、液滴測定システム全体の小型化や簡素化が困難になってしまう。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、従来よりも演算負荷が軽い画像処理で、液滴の体積を精度良く測定することができる液滴測定システム、液滴測定方法、及び液滴測定プログラムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る液滴測定システムは、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部であって、前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域に視野を向けて設置された撮像部と、前記撮像部の視野を鉛直方向に長い長方形状の領域に設定し、前記撮像部に撮像を実行させる撮像制御部と、前記撮像部から出力された画像データに基づき、前記長方形状の領域に対応し、前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域が写った画像を時系列順に複数取得し、取得した時系列順の画像に基づいて、前記液滴の体積を算出する画像処理部と、を備える。

上記液滴測定システムにおいて、前記画像処理部は、前記時系列順の画像の各々に対し、前記液滴が前記先端部から離れた直後の状態が写った画像である液切れ画像を検出する液切れ検出部と、前記時系列順の画像から、前記液切れ画像と、該液切れ画像に続く所定数の画像とを取得し、前記液切れ画像及び前記所定数の画像を用いて前記体積を算出する体積算出部と、を有しても良い。

上記液滴測定システムは、鉛直方向の軸に対する前記ノズルの傾きを検出するセンサをさらに備え、前記画像処理部は、前記センサによる前記傾きの検出結果に基づいて、前記体積算出部が算出する前記体積に対する補正演算を行う補正部をさらに有しても良い。

上記液滴測定システムにおいて、前記画像処理部は、前記長方形状の領域に対応する画像における前記ノズルの像の寸法の基準値を保持し、前記液切れ画像又は前記所定数の画像に写った前記ノズルの像の寸法と前記基準値とに基づいて、前記体積算出部が算出する前記体積に対する補正演算を行う補正部をさらに有しても良い。

上記液滴測定システムにおいて、前記撮像部の撮像フレームレートは１００フレーム／秒以上であっても良い。

上記液滴測定システムにおいて、前記長方形状の領域における水平方向の長さに対する鉛直方向の長さの比は、１．５以上４．５以下であっても良い。

上記液滴測定システムにおいて、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、をさらに備えても良い。

液滴測定システムにおいて、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、予め取得され、液滴の体積と該液滴の滴下周期との相関関係を表す情報を記憶する記憶部と、前記情報に基づいて、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、をさらに備えても良い。

上記液滴測定システムにおいて、前記記憶部は、前記情報を液体の種類に応じて複数種類記憶し、前記流量制御部は、前記記憶部に記憶された複数種類の情報のうちから、前記容器内に充填された液体に対応する情報を取得し、該取得した情報に基づいて前記アクチュエータを制御しても良い。

上記液滴測定システムは、前記撮像部と対向して設けられ、少なくとも前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域を照明する光源と、前記光源から出射する光の配光を制御するフィルタと、をさらに備えても良い。

上記液滴測定システムにおいて、前記撮像部はテレセントリックレンズをさらに備えても良い。

本発明の一態様に係る液滴測定方法は、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、被写体を撮像して画像データを出力する撮像部であって、前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域に視野を向けて設置された撮像部に対し、該撮像部の視野を鉛直方向に長い長方形状の領域に設定し、撮像を実行させる撮像制御ステップと、前記撮像部から出力された画像データに基づき、前記長方形状の領域に対応し、前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域が写った画像を時系列順に複数取得し、取得した時系列順の画像に基づいて、前記液滴の体積を算出する画像処理ステップと、を含む。

本発明の一態様に係る液滴測定プログラムは、ノズルから滴下する液滴の体積を測定する液滴測定プログラムにおいて、被写体を撮像して画像データを出力する撮像部であって、前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域に視野を向けて設置された撮像部に対し、該撮像部の視野を鉛直方向に長い長方形状の領域に設定し、撮像を実行させる撮像制御ステップと、前記撮像部から出力された画像データに基づき、前記長方形状の領域に対応し、前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域が写った画像を時系列順に複数取得し、取得した時系列順の画像に基づいて、前記液滴の体積を算出する画像処理ステップと、をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、撮像部の視野を鉛直方向に長い長方形状の領域に設定し、この撮像部によってノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域を撮像した時系列順の画像に基づいて液滴の体積を算出するので、従来よりも演算負荷が軽い画像処理により液滴の体積を精度良く測定することが可能となる。

本発明の実施の形態１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に示す演算装置の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す撮像素子の視野を説明するための模式図である。 図１に示す液滴測定システムの動作中に表示装置に表示される画面の例を示す模式図である。 図１に示す液滴測定システムの動作を示すフローチャートである。 図５に示す液滴の体積算出の詳細を示すフローチャートである。 図２に示す画像処理部により生成される画像の例を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係る液滴測定システムの概略構成を示す図である。 図８に示す演算装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２における補正演算を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態３における補正演算を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態３における補正演算を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態３における補正演算を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態３における補正演算を説明するための模式図である。 点滴における液滴の滴下周期と１滴あたりの体積との相関関係の一例を示すグラフである。 本発明の実施の形態４に係る液滴測定システムが備える演算装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４に係る液滴測定システムの動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態に係る液滴測定システム、液滴測定方法、及び液滴測定プログラムについて、図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、各図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１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、実施の形態１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。

輸液バッグ２は、薬液や栄養剤等の点滴液が充填された容器であり、点滴中には支持台等に吊り下げられて保持される。中間チューブ３は、一端において輸液バッグ２の排液ポート２ａと接続され、他端において点滴筒４の上蓋４ａに取り付けれたノズル６の一端と接続されている。このノズル６の他端は、点滴筒４内に突出するように設けられている。

輸液チューブ５は弾性材料によって形成されている。この輸液チューブ５の途中には、輸液チューブ５を径方向に押圧可能なクレンメ８と、クレンメ８を駆動するアクチュエータ９とが設けられている。

アクチュエータ９は、電気的な制御の下でクレンメ８を駆動することにより、クレンメ８による輸液チューブ５に対する押圧力を変化させる。それにより、輸液チューブ５の内径が変化（開閉）し、輸液チューブ５内を流通する点滴液の流量を調節することができる。それに伴い、点滴筒４の内圧が変化し、ノズル６から滴下する液滴７の滴下周期が変化する。

また、液滴測定システム１０は、点滴筒４を照明する光源１１と、点滴筒４内を撮像して画像データを生成する撮像部１２と、撮像部１２が生成した画像データに基づいて液滴の体積を算出する演算装置１３と、液滴の体積の算出結果等を表示する表示装置１４とを備える。

光源１１は、例えばＬＥＤ（Light Emitted Diode）等の発光素子と、該発光素子から出射した光が平行光となるように配光制御するフィルタやレンズ等の光学系とを備える。光源１１は、撮像部１２の視野と対向するように設置され、少なくとも、液滴が滴下するノズル先端部６ａ及びその鉛直下方を含む領域を、液滴７の背後から照明する。

撮像部１２は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等からなる撮像素子１２ａを備える高速撮像が可能なカメラであり、被写体を撮像して画像データを出力する。撮像フレームレートとしては、１００ｆｐｓ（フレーム／秒）以上とすることが好ましく、本実施の形態１においては、１２０ｆｐｓとしている。

撮像部１２のスペックは、測定対象とする点滴装置１に応じて適宜構成することができる。一例として、点滴装置１が医療分野において一般的に用いられる装置である場合、点滴筒４を近距離から撮像することができ、且つユーザによる点滴操作の邪魔にならないように、カメラモジュールの外径が数ｍｍ〜十数ｍｍ程度、且つ、焦点距離が数ｍｍ〜数十ｍｍ、好ましくは十数ｍｍ程度の小型カメラを用いると良い。

好ましくは、撮像部１２にテレセントリックレンズを設けると良い。それにより、液滴７と撮像素子１２ａとの距離の変化に起因する液滴７の像の大きさの変動を抑え、液滴７の体積の算出誤差を抑制することができる。

撮像素子１２ａとしては、受光面の縦横比が縦：横＝１：２或いは２：３といった一般的な形状の撮像素子を用いることができる。ただし、後述するように、少なくとも液滴測定システム１０の動作中、撮像部１２が設置された姿勢において、撮像素子１２ａの受光面のうち、鉛直方向に長い長方形状の領域が、実際に画像を取り込む実効的な撮像領域となるように制御される。つまり、実効的な撮像領域内に配置された画素のみから画像信号が取得される。ここで、鉛直方向とは、液滴７が滴下する方向（ｚ方向）、即ち重力方向である。もちろん、撮像素子１２ａとして特定の縦横比を有する長方形状の素子を用い、撮像素子１２ａの長辺が鉛直方向となるように撮像部１２を設置して、撮像素子１２ａの受光面全域の画素から画像信号を取得しても良い。このように撮像素子１２ａの撮像領域を制御することで、撮像部１２の視野が、鉛直方向に長い長方形状の領域に設定される。

このような撮像部１２は、ノズル先端部６ａ及び該ノズル先端部６ａから鉛直下方に延びる領域が視野と一致するように設置される。撮像部１２に設定される視野（即ち、撮像素子１２ａの撮像領域）の縦横比については後述する。

演算装置１３としては、本液滴測定システム１０専用に構成した機器の他、パーソナルコンピュータ等の汎用の演算装置を用いることもできる。図２は、演算装置１３の概略構成を示すブロック図である。図２に示すように、演算装置１３は、入出力部１３１と、記憶部１３２と、操作入力部１３３と、プロセッサ１３４とを備える。

入出力部１３１は、撮像部１２や表示装置１４等の各種外部機器との間で画像データや種々の信号の入出力を行う外部インタフェースである。

記憶部１３２は、ディスクドライブやＲＯＭ、ＲＡＭといった半導体メモリ等によって構成される。記憶部１３２は、当該演算装置１３の各部を制御するための制御プログラムや、演算装置１３に所定の動作を実行させるためのプログラムを記憶するプログラム記憶部１３２ａを有する。具体的には、プログラム記憶部１３２ａは、撮像部１２から入力された画像データに基づいて、液滴が写った複数の画像から液滴の体積を算出する画像処理プログラムを記憶する。また、記憶部１３２は、この画像処理プログラムの実行に用いられる各種パラメータや、撮像部１２から入力された画像データや、液滴の体積の算出結果等を記憶する。

操作入力部１３３は、入力ボタン、スイッチ、キーボード、マウス、タッチパネル等の入力デバイスによって構成され、ユーザによりなされた操作に応じた信号をプロセッサ１３４に入力する。

プロセッサ１３４は、ＣＰＵ等の算術論理演算ユニット及び各種レジスタによって構成され、プログラム記憶部１３２ａに記憶されている各種プログラムを読み込んで実行することにより、演算装置１３の各部へのデータ転送や指示を行い、演算装置１３の動作を統括的に制御する。

詳細には、プロセッサ１３４は、撮像部１２の動作を制御する撮像制御部１３５と、点滴装置１における点滴液の流量を制御する流量制御部１３６と、撮像部１２から入力された画像データに基づいて液滴７の体積算出等の画像処理を行う画像処理部１３７とを有する。

撮像制御部１３５は、撮像部１２を所定の撮像フレームレートで動作させると共に、撮像素子１２ａの撮像領域を制限する制御を行う。具体的には、撮像制御部１３５は、図３に示すように、撮像素子１２ａの受光面のうち鉛直方向（ｚ方向）に長い長方形の領域を実効的な撮像領域１２ｂとして設定し、この撮像領域１２ｂ内に配置された画素のみから画像信号を取得するよう撮像素子１２ａを制御する。

撮像領域１２ｂの縦横比は、ノズル６の径や点滴液の種類（粘度等）に応じて決まる液滴７のサイズと、撮像フレームレートとの関係から、液滴７がノズル先端部６ａから離れて落下する様子を数ショット（３ショット以上）にかけて撮像できるように決定すると良い。

詳細には、撮像領域１２ｂに対応する画像の水平方向の幅は、液滴７が落下する際の擾乱を考慮して、液滴７の像の１．５〜２倍程度にすることが好ましい。また、画像の垂直方向の長さは、液滴７の落下速度を考慮して、液滴７の像の３〜９倍程度にすることが好ましい。これは、垂直方向の長さが短すぎる場合、落下する液滴７がすぐに視野から外れてしまい、長すぎる場合、画像の下方では加速した液滴７の像がぼけてしまうため、いずれにしても画像処理に使用するには適さないからである。

従って、撮像領域１２ｂの縦横比、即ち、縦（長辺）／横（短辺）は概ね１．５以上４．５以下の範囲にすると良い。撮像領域１２ｂのサイズの具体例として、縦１９３６ピクセル×横１０９６ピクセル、或いは、縦１９３６ピクセル×横４９６ピクセル等が挙げられる。

流量制御部１３６は、画像処理部１３７が算出した液滴７の体積に基づいて、アクチュエータ９の動作を制御する。ここで、点滴液の流量は、液滴７の体積を液滴７の滴下周期で除算することにより得られる。流量制御部１３６は、予めユーザにより設定された目標流量を保持しており、この目標流量に実際の流量が近づくように制御を行う。

画像処理部１３７は、撮像部１２から入力された画像データに基づいて、ノズル先端部６ａ及びノズル先端部６ａから鉛直下方に延びる領域が写った縦長の長方形の画像を時系列順に生成し、これらの画像をもとに液滴７の体積を算出する処理を行う。詳細には、画像処理部１３７は、液切れ検出部１３７ａ及び体積算出部１３７ｂを備える。

液切れ検出部１３７ａは、時系列順に生成される複数の画像の各々に対し、ノズル先端部６ａから液滴７が離れた直後の状態が写った画像（液切れ画像）を検出する。体積算出部１３７ｂは、液切れ画像と、該液切れ画像に対して時系列順に続く所定数の画像とを取得し、これらの画像に対して所定の画像処理を行うことにより、取得した画像に写った液滴の体積を算出する。

表示装置１４は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等によって構成され、演算装置１３の制御の下、演算装置１３から出力された制御信号や表示用の画像データに基づいて、所定の画面を表示する。

図４は、液滴測定システム１０の動作中に表示装置１４に表示される画面の例を示す模式図である。図４に示すように、画面Ｍ１は、液滴７の体積算出処理実行の指示を入力するための指示ボタンｍ１０と、撮像部１２から入力された画像データに基づいて生成された複数の画像ｍ１１〜ｍ１５と、これらの画像ｍ１１〜ｍ１５に対する画像処理により検出された液滴７の２次元形状を示す画像ｍ１６と、液滴７の体積算出結果が表示される表示欄ｍ１７とを含む。

なお、液滴測定システム１０において、表示装置１４は必須ではなく、図４に示す画像ｍ１１〜ｍ１６も、必ずしも画面に表示する必要はない。また、表示装置１４として、液滴７の体積算出結果のみを数値で示す小型の表示装置を設けても良いし、体積算出結果をもとに制御される実際の流量のみを数値で示す小型の表示装置を設けても良いし、体積算出結果に基づくアラームを表示する表示装置を設けても良い。さらには、アラームを音声や特定の音で通知するスピーカ等の音声発生装置を追加しても良い。

撮像部１２、演算装置１３、及び表示装置１４は、互いにケーブルで接続された別体の機器として設けても良いし、これらの機器を１つの筐体に収納しても良い。後者の場合、撮像部１２、演算装置１３、及び表示装置１４が収納された筐体と光源１１とによって液滴測定システム１０を構成できるので、液滴測定システム１０全体を小型化することができ、携帯にも便利である。

次に、液滴測定システム１０の動作について説明する。図５は、液滴測定システム１０の動作を示すフローチャートである。

点滴開始に先立って、ユーザは、点滴筒４の近傍に光源１１及び撮像部１２を設置する（図１参照）。この際、ノズル先端部６ａ及びノズル先端部６ａから鉛直下方に延びる領域が撮像素子１２ａの視野に入るように、表示装置１４に表示される画面（図４参照）を見ながら、光源１１、点滴筒４、及び撮像部１２の位置関係を調整すると良い。

ステップＳ１０において、流量制御部１３６の制御の下でアクチュエータ９を駆動し、クレンメ８に輸液チューブ５を開放させることにより、点滴装置１における点滴動作を開始する。

続くステップＳ１１において、撮像制御部１３５は撮像部１２に対し、予め設定した撮像領域１２ｂ（図３参照）において所定の撮像フレームレートで撮像を開始させる。

続くステップＳ１２において、画像処理部１３７は、液滴７の体積を算出する。図６は、液滴７の体積算出の詳細を示すフローチャートである。また、図７は、画像処理部１３７により生成される画像の例を示す模式図である。図７に示す画像ｍ２０には、図１に示すノズル６、ノズル先端部６ａ、及び液滴７それぞれの像ｍ２１、ｍ２２、ｍ２３が写っている。

まず、ステップＳ１２１において、画像処理部１３７は、撮像部１２から出力される画像データを順次取得して所定の処理を施すことにより、画像（輝度画像）を時系列順に生成する。

ステップＳ１２２において、画像処理部１３７は、生成した画像に対して液切れ検出処理を実行する。詳細には、液切れ検出部１３７ａが、ステップＳ１２１において生成された画像（例えば、図７の画像ｍ２０参照）に対し、ノズル先端部６ａの像ｍ２２の直下から所定の範囲Δｚ内のラインに含まれる各画素の輝度が閾値以上であるか否かを判定する。そして、範囲Δｚ内のラインに含まれる全画素の輝度が閾値以上である場合に、その範囲Δｚは背景であると判定する。液切れ検出部１３７ａは、この判定を生成された画像に対して順次行い、範囲Δｚが背景ではない状態から背景に切り替わった画像を、液切れ画像として検出する。

液切れ画像が検出されない場合（ステップＳ１２３：Ｎｏ）、画像処理部１３７は、順次生成する画像に対して引き続き液切れ検出処理を実行する（ステップＳ１２２）。この場合、先に液切れ検出処理に使用した画像は削除しても良い。

一方、液切れ画像が検出された場合（ステップＳ１２３：Ｙｅｓ）、画像処理部１３７は、液切れ画像（図４の画像ｍ１１参照）と、この液切れ画像に続く所定数の画像（図４の画像ｍ１２〜ｍ１５参照）をメモリに保存する（ステップＳ１２４）。この際、図４に示すように、保存された画像ｍ１１〜ｍ１５を表示装置１４に表示しても良い。

また、この際、画像処理部１３７は、今回検出された液切れ画像と、前回検出された液切れ画像との画像間隔を算出し、画像間隔と撮像フレームレートとを掛け合わせることにより、液滴７の滴下周期を算出しておく。

続くステップＳ１２５において、画像処理部１３７は、液滴７の体積算出処理を実行する。詳細には、体積算出部１３７ｂが、ステップＳ１２４において保存された画像ｍ１１〜ｍ１５を用いて所定のアルゴリズムで演算を行う。アルゴリズムとしては、公知の種々の手法を用いることができる。一例として、保存された画像をもとにノイズｍ１８を除去し、移動（落下）している液滴７の像のみを計測対象として抽出し、閾値処理により２次元形状を検出する。この２次元形状から液滴７の体積を算出する。

なお、図４においては、メモリに保存された画像として５つの画像ｍ１１〜ｍ１５を示しているが、保存する画像の数は５つに限定されない。液滴７の体積算出処理のアルゴリズムに応じて必要な枚数を適宜保存すれば良い。しかし、画像の数の上限については、液滴７の落下開始からの経過時間が長くなるほど液滴７が加速して像がぶれてしまい、画像処理に適さない画像になってしまう。従って、例えば撮像フレームレートを１２０ｆｐｓとする場合、保存する画像は８つあれば十分である。

画像処理部１３７は、さらに、算出した液滴の体積を出力し、表示装置１４に表示させる。その後、処理はメインルーチンに戻る。

再び図５を参照すると、ステップＳ１２に続くステップＳ１３において、流量制御部１３６は、ステップＳ１２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、液滴７（点滴液）の現在の流量を算出する。

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現在の流量と、予め設定されている目標流量との誤差が閾値以下であるか否かを判定する。この閾値は、点滴の目的に応じて予め設定しておく。なお、この際、現在の流量と目標流量とが等しいか否かを判定することとしても良い。

誤差が閾値以下であると判定された場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、流量制御部１３６は、現在の流量をメモリに積算する（ステップＳ１５）。これにより、流量の積算量が更新される。

一方、現在の流量と目標流量との誤差が閾値よりも大きいと判定された場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、流量制御部１３６は、アクチュエータ９を介してクレンメ８の開閉制御を行う（ステップＳ１６）。具体的には、現在の流量が目標流量よりも大きい場合にはクレンメ８を閉じる制御を行い、現在の流量が目標流量よりも小さい場合にはクレンメ８を開く制御を行う。その後、処理はステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５に続くステップＳ１７において、流量制御部１３６は、流量の積算量が予め設定された流量の設定値以上であるか否かを判定する。流量の積算量が設定値に満たないと判定された場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）、処理はステップＳ１２に戻る。

一方、流量の積算量が設定値以上であると判定された場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）、流量制御部１３６は、アクチュエータ９を介してクレンメ８に輸液チューブ５を閉塞させることにより、点滴を終了させる（ステップＳ１８）。その後、撮像制御部１３５が撮像部１２による撮像動作を停止させる。それにより、液滴測定システム１０の動作は終了する。

以上説明したように、本発明の実施の形態１によれば、ノズル先端部６ａ及びノズル先端部６ａから鉛直下方に延びる領域に限定して撮像を行うので、撮像部１２から演算装置１３への画像データの送信や、演算装置１３内部における画像データの転送、さらには、画像処理部１３７が実行する画像処理に要する負荷を従来よりも軽減することができる。また、画像処理部１３７においては、時系列順に生成される画像に対して液切れ検出処理を行い、検出された液切れ画像及びこれに続く所定数の画像のみを用いた画像処理により液滴７の体積を算出するので、従来よりも軽い負荷で、高精度な体積算出処理をリアルタイムに行うことが可能となる。従って、高性能のプロセッサは不要となり、液滴測定システム全体の構成の小型化や、簡素化、さらにはコストの低減も可能となる。

また、本発明の実施の形態１によれば、液滴７の体積の算出結果に基づき、アクチュエータ９を介して流量をフィードバック制御するので、正確な点滴を行うことが可能となる。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２に係る液滴測定システムの概略構成を示す図である。図８に示すように、実施の形態２に係る液滴測定システム２０は、図１に示す液滴測定システム１０に対し、演算装置１３の代わりに演算装置２１を備え、さらに、点滴筒４に取り付けられた傾きセンサ２２を備える。演算装置２１及び傾きセンサ２２以外の液滴測定システム２０の各部の構成は、実施の形態１と同様である。

傾きセンサ２２は、例えば、ジャイロセンサや加速度センサによって構成され、鉛直方向の軸に対する点滴筒４の傾きを検出する。ここで、ノズル６は点滴筒４に固定されているため、点滴筒４の傾きはノズル６の傾きとほぼ等しい。

図９は、演算装置２１の概略構成を示すブロック図である。演算装置２１は、図２に示す演算装置１３と同様に、入出力部１３１、記憶部１３２、及び操作入力部１３３を備え、プロセッサ２１１の構成のみが図２に示すプロセッサ１３４と異なる。プロセッサ２１１は、撮像制御部１３５と、流量制御部１３６と、液切れ検出部１３７ａ及び体積算出部１３７ｂに加えて補正部２１２ａを有する画像処理部２１２とを備える。撮像制御部１３５、流量制御部１３６、液切れ検出部１３７ａ、及び体積算出部１３７ｂの動作は、実施の形態１と同様である。

補正部２１２ａは、傾きセンサ２２により検出された点滴筒４の傾き（即ち、ノズル６の傾き）に基づいて、体積算出部１３７ｂによる液滴の体積算出処理に対する補正演算を行う。

図１０は、本発明の実施の形態２における補正演算を説明するための模式図であり、鉛直方向の軸Ｇに対して点滴筒４の中心軸Ｃが角度θだけ傾いている状態を示している。ここで、点滴筒４が傾いていないとすれば、被写体である液滴７と撮像素子１２ａとの距離がｄ１となるように設定されていた場合、点滴筒４が傾くことにより、液滴７と撮像素子１２ａとの距離がｄ２に変化してしまう。つまり、角度θの傾きに起因する距離ｄ１、ｄ２の変動によって、液滴７の画像が拡大又は縮小されることになり、体積測定の精度が低下してしまう。

そこで、補正部２１２ａは、傾きセンサ２２によって検出された傾きの角度θを取得し、液切れ検出処理（図６のステップＳ１２２参照）の後、体積算出処理（同ステップＳ１２５参照）において体積算出部１３７ｂにより検出された液滴の２次元形状（図４の画像ｍ１６参照）を、角度θに応じて拡大又は縮小することにより補正する。体積算出部１３７ｂは、この補正後の２次元形状に基づいて、液滴の体積を算出する。

以上説明したように、本発明の実施の形態２によれば、傾きセンサ２２により検出された点滴筒４の傾きに基づく補正演算を行うので、より高精度な体積算出及び流量制御が可能となる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る液滴測定システム及び該液滴測定システムが備える演算装置の構成は、全体として図８及び図９と同様である。本実施の形態３においては、図９に示す補正部２１２ａが、体積算出処理（図６のステップＳ１２５参照）において、撮像部１２の焦点のずれに起因する液滴の体積の算出誤差を補正する。この場合、補正部２１２ａは、実施の形態２において説明した点滴筒４の傾きに基づく補正演算と、以下に説明する補正演算との両方を行っても良いし、以下に説明する補正演算のみを行うこととしても良い。後者の場合、図８に示す傾きセンサ２２を省略しても良い。

図１１Ａ〜図１２Ｂは、本発明の実施の形態３における補正演算を説明するための模式図である。例えば２０滴／ｍｌ程度の一般的な点滴を行う場合、図１１Ａに示すように、上蓋４ａにノズル６が固定された点滴筒４が用いられる。この場合、液滴７の体積を測定する際には、ノズル６の中心軸上に撮像部１２の焦点を合わせて撮像を行う。通常、ノズル６は、その中心軸が点滴筒４の中心軸と一致するように設計されているため、点滴筒４の位置を目安として、点滴筒４の中心軸に合焦するように、撮像部１２と点滴筒４の相対位置が決められる。しかし、実際には、部品公差等により、点滴筒４の中心軸に対してノズル６の中心軸の位置や傾きがずれてしまうことがある。そのような場合、撮像部１２の焦点がノズル６の中心軸からずれてしまい、図１１Ｂに示す画像ｍ３０において、液滴７の像ｍ３１がぼけてしまう。その結果、このような像ｍ３１をもとに算出される液滴７の体積に誤差が生じてしまう。

また、例えば６０滴／ｍｌ程度の低流量の点滴を行う場合、図１２Ａに示すように、点滴筒４に対して別途ニードル（針状のノズル）６ｂが取り付けられて使用される。この場合、部品公差に加え、ニードル６ｂの取り付け方によっても、撮像部１２の焦点がニードル６ｂの中心軸からずれてしまうことがある。それにより、図１２Ｂに示す画像ｍ４０において、液滴７の像ｍ４１にぼけが生じてしまう。

そこで、補正部２１２ａは、液切れ検出処理（図６のステップＳ１２２参照）の後、メモリに保存された複数の画像（同ステップＳ１２４参照）のいずれかを取得し、取得した画像に基づいて、撮像部１２の焦点ずれに起因する液滴の体積の算出誤差を補正する。

詳細には、ノズル６又はニードル６ｂの設計上の幅（直径）ｗ１、ｗ３と、撮像部１２の焦点距離と、撮像素子１２ａのサイズとの関係から、撮像部１２の焦点がノズル６又はニードル６ｂの中心軸に合っているときのノズル６の像又はニードル６ｂの像の画像上での幅を算出し、基準値として予め補正部２１２ａに保持させておく。

ノズル６を用いて点滴を行う場合、補正部２１２ａは、予め保持しているノズル６の像の幅の基準値と、例えば図１１Ｂに示す画像ｍ３０におけるノズル６の像ｍ３２の幅ｗ２との比率を算出する。そして、この比率を用いて、体積算出部１３７ｂにより検出された液滴７の２次元形状（図４の画像ｍ１６参照）を拡大又は縮小することにより補正する。体積算出部１３７ｂは、この補正後の２次元形状に基づいて、液滴７の体積を算出する。

ニードル６ｂを用いて点滴を行う場合も同様に、補正部２１２ａは、予め保持しているニードル６ｂの像の幅の基準値と、例えば図１２Ｂに示す画像ｍ４０におけるニードル６ｂの像ｍ４２の幅ｗ４との比率を算出し、この比率を用いて液滴７の２次元形状を補正する。

以上説明したように、本発明の実施の形態３によれば、撮像部１２の焦点ずれに起因する液滴７の体積の算出誤差を補正するので、より高精度な体積算出及び流量制御が可能となる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る液滴測定システムについて説明する。図１３は、点滴における液滴の滴下周期（秒）と１滴あたり体積との相関関係の一例を示すグラフであり、図１に示す液滴測定システム１０を用いた実験により得られたものである。

ここで、従来、点滴の流量制御は、点滴筒内に滴下される液滴の体積が一定であるという前提で液滴の滴下周期を調節することにより行っていた。しかし、滴下周期を正確に制御した場合であっても、実際には、点滴の終了予定時刻になっても点滴が終了していなかったり、反対に、点滴が既に終了していたりすることがあり、高精度な流量制御が困難という問題があった。

そこで、本願発明者らは、図１に示す液滴測定システム１０を用いて、液滴７の滴下周期を変化させながら液滴７の体積を測定する実験を行った。その結果、液滴７の体積は、点滴液の粘度や環境温度等の条件、或いは患者の動きといった突発的な状況変化によって変動するだけでなく、液滴７の滴下周期によっても変動するという知見が得られた。詳細には、図１３に示すように、液滴１つあたりの体積は、液滴の滴下周期を短くするほど増加する傾向にあることがわかった。

本実施の形態４は、上述した知見を利用したものであり、液滴の滴下周期と１滴あたりの体積との相関関係を表す情報を液滴測定システム１０（又は図８に示す液滴測定システム２０）により予め取得して蓄積し、蓄積された情報を利用することにより、高精度な流量制御を可能とするものである。また、本実施の形態４は、上記相関関係を表す情報を点滴液の種類ごとに取得し、点滴液の種類に応じた流量制御を可能とするものである。

液滴の滴下周期と１滴あたりの体積との相関関係を表す情報に基づく流量制御としては、種々の方法が考えられる。本実施の形態４においては、一例として、液滴の滴下周期と１滴あたりの体積とから、滴下周期に応じた流量を算出し、この流量を滴下周期と関連付けた相関テーブルを作成して液滴の流量制御に利用する方法を説明する。滴下周期に応じた流量は、滴下周期に対応する液滴の体積を滴下周期で除算することにより算出される。

図１４は、本発明の実施の形態４に係る液滴測定システムが備える演算装置の概略構成を示すブロック図である。なお、実施の形態４に係る液滴測定システムの構成は全体として図８と共通である。

図１４に示すように、演算装置３１は、入出力部１３１と、記憶部３１１と、操作入力部１３３と、プロセッサ３１２とを備える。このうち、入出力部１３１及び操作入力部１３３の動作は実施の形態１と同様である。

記憶部３１１は、プログラム記憶部１３２ａに加えて、液滴の滴下周期と体積との相関関係を表す情報をテーブルの形式で記憶する相関テーブル記憶部３１１ａを備える。相関テーブル記憶部３１１ａは、このようなテーブル（相関テーブル）を、点滴液の種類に応じて複数記憶している。なお、相関関係を表す情報としては、相関テーブルの代わりに関数を用いても良い。

プロセッサ３１２は、撮像制御部１３５と、流量制御部３１３と、画像処理部２１２とを備える。このうち、撮像制御部１３５及び画像処理部２１２の構成及び動作は、実施の形態１〜３と同様である。なお、実施の形態４において、傾きセンサ２２（図８参照）及び補正部２１２ａは必須ではなく、省略しても良い。

流量制御部３１３は、相関テーブル記憶部３１１ａに記憶された相関テーブルを参照して、現在の流量を目標流量に近づけるために必要な滴下周期の調整量を取得し、この調整量に基づいてアクチュエータ９を制御する。

図１５は、実施の形態４に係る液滴測定システムの動作を示すフローチャートである。
点滴開始に先立って、ユーザは、点滴液の種類に関する情報を、操作入力部１３３を介して演算装置３１に入力する。また、実施の形態１と同様に、点滴筒４の近傍に光源１１及び撮像部１２を設置しておく。

ステップＳ３０において、流量制御部３１３は、ユーザが予め入力した情報に基づいて、点滴液の種類に応じた相関テーブルを相関テーブル記憶部３１１ａから取得する。
続くステップＳ１０、Ｓ１１の処理は実施の形態１と同様である。

ステップＳ１１に続くステップＳ３１において、画像処理部２１２は、液滴７の滴下周期を取得する。詳細には、画像処理部２１２は、撮像部１２から出力される画像データを順次取得して所定の処理を施すことにより、画像を時系列順に生成し、これらの画像に対して液切れ検出処理を実行する。なお、液切れ検出処理の詳細については、図６のステップＳ１２２と同様である。そして、液切れ画像が検出された際に、前回検出された液切れ画像との画像間隔を算出し、画像間隔と撮像フレームレートとを掛け合わせることにより、滴下周期を算出する。

ステップＳ３２において、流量制御部３１３は、相関テーブルを参照することにより、ステップＳ３１において取得された滴下周期に対応する流量（現在の流量）を取得する。

ステップＳ３３において、流量制御部１３６は、現在の流量と目標流量との誤差が閾値以下であるか否かを判定する。なお、この際、現在の流量と目標流量とが等しいか否かを判定することとしても良い。

誤差が閾値以下であると判定された場合（ステップＳ３３：Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１５に移行する。ステップＳ１５並びにこれに続くステップＳ１７及びＳ１８の処理は実施の形態１と同様である。

一方、誤差が閾値よりも大きいと判定された場合（ステップＳ３３：Ｎｏ）、流量制御部３１３は、現在の流量を目標流量に遷移させるために必要な滴下周期の調整量を取得する。詳細には、相関テーブルを参照して目標流量に対応する滴下周期を取得し、この滴下周期と、現在の滴下周期との差分を算出する。この差分が、滴下周期の調整量である。

ステップＳ３５において、流量制御部１３６は、ステップＳ３４において取得された滴下周期の調整量を目途に、アクチュエータ９を介してクレンメ８の開閉制御を行う。例えば、滴下周期を短くする場合、液滴７の体積が大きくなり流量が急増するので、控えめにクレンメ８を開放するようアクチュエータ９を制御する。その後、処理はステップＳ１５に移行する。

以上説明したように、本発明の実施の形態４によれば、予め取得された液滴７の滴下周期と体積との相関関係を表す情報に基づいて滴下周期の調整することにより流量制御を行うので、点滴液の流量を素早く目標流量に近づけることができる。

上記実施の形態４においては、画像処理によって現在の滴下周期を取得したが、滴下する液滴の数をセンサ等により直接カウントする従来の方式により現在の滴下周期を取得しても良い。つまり、従来の方式の点滴システムに対し、本実施の形態４において説明した相関関係を表す情報に基づく流量制御を組み合わせることにより、従来よりも短時間且つ精度良く、所望の流量制御を行うことが可能となる。

本発明は、以上説明した実施の形態１〜４に限定されるものではなく、各実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成することができる。例えば、各実施の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を除外しても良いし、異なる実施の形態に示した構成要素を適宜組み合わせても良い。

１ 点滴装置
２ 輸液バッグ
２ａ 排液ポート
３ 中間チューブ
４ 点滴筒
４ａ 上蓋
５ 輸液チューブ
６ ノズル
６ａ 先端部（ノズル先端部）
６ｂ ニードル
７ 液滴
８ クレンメ
９ アクチュエータ
１０、２０ 液滴測定システム
１１ 光源
１２ 撮像部
１２ａ 撮像素子
１２ｂ 撮像領域
１３、２１、３１ 演算装置
１４ 表示装置
２２ 傾きセンサ
１３１ 入出力部
１３２、３１１ 記憶部
１３２ａ プログラム記憶部
１３３ 操作入力部
１３４、２１１、３１２ プロセッサ
１３５ 撮像制御部
１３６、３１３ 流量制御部
１３７、２１２ 画像処理部
１３７ａ 液切れ検出部
１３７ｂ 体積算出部
２１２ａ 補正部
３１１ａ 相関テーブル記憶部

Claims (13)

1. 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部であって、前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域に視野を向けて設置された撮像部と、
   前記撮像部の視野を鉛直方向に長い長方形状の領域に設定し、前記撮像部に撮像を実行させる撮像制御部と、
   前記撮像部から出力された画像データに基づき、前記長方形状の領域に対応し、前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域が写った画像を時系列順に複数取得し、取得した時系列順の画像に基づいて、前記液滴の体積を算出する画像処理部と、
   を備える、液滴測定システム。
2. 前記画像処理部は、
   前記時系列順の画像の各々に対し、前記液滴が前記先端部から離れた直後の状態が写った画像である液切れ画像を検出する液切れ検出部と、
   前記時系列順の画像から、前記液切れ画像と、該液切れ画像に続く所定数の画像とを取得し、前記液切れ画像及び前記所定数の画像を用いて前記体積を算出する体積算出部と、
   を有する請求項１に記載の液滴測定システム。
3. 鉛直方向の軸に対する前記ノズルの傾きを検出するセンサをさらに備え、
   前記画像処理部は、前記センサによる前記傾きの検出結果に基づいて、前記体積算出部が算出する前記体積に対する補正演算を行う補正部をさらに有する、
   請求項２に記載の液滴測定システム。
4. 前記画像処理部は、前記長方形状の領域に対応する画像における前記ノズルの像の寸法の基準値を保持し、前記液切れ画像又は前記所定数の画像に写った前記ノズルの像の寸法と前記基準値とに基づいて、前記体積算出部が算出する前記体積に対する補正演算を行う補正部をさらに有する、請求項２に記載の液滴測定システム。
5. 前記撮像部の撮像フレームレートは１００フレーム／秒以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の液滴測定システム。
6. 前記長方形状の領域における水平方向の長さに対する鉛直方向の長さの比は、１．５以上４．５以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の液滴測定システム。
7. 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１〜６のいずれか１項に記載の液滴測定システム。
8. 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、
   予め取得され、液滴の体積と該液滴の滴下周期との相関関係を表す情報を記憶する記憶部と、
   前記情報に基づいて、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１〜６のいずれか１項に記載の液滴測定システム。
9. 前記記憶部は、前記情報を液体の種類に応じて複数種類記憶し、
   前記流量制御部は、前記記憶部に記憶された複数種類の情報のうちから、前記容器内に充填された液体に対応する情報を取得し、該取得した情報に基づいて前記アクチュエータを制御する、請求項８に記載の液滴測定システム。
10. 前記撮像部と対向して設けられ、少なくとも前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域を照明する光源と、
    前記光源から出射する光の配光を制御するフィルタと、
    をさらに備える請求項１〜９のいずれか１項に記載の液滴測定システム。
11. 前記撮像部はテレセントリックレンズをさらに備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の液滴測定システム。
12. 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、
    被写体を撮像して画像データを出力する撮像部であって、前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域に視野を向けて設置された撮像部に対し、該撮像部の視野を鉛直方向に長い長方形状の領域に設定し、撮像を実行させる撮像制御ステップと、
    前記撮像部から出力された画像データに基づき、前記長方形状の領域に対応し、前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域が写った画像を時系列順に複数取得し、取得した時系列順の画像に基づいて、前記液滴の体積を算出する画像処理ステップと、
    を含む、液滴測定方法。
13. ノズルから滴下する液滴の体積を測定する液滴測定プログラムにおいて、
    被写体を撮像して画像データを出力する撮像部であって、前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域に視野を向けて設置された撮像部に対し、該撮像部の視野を鉛直方向に長い長方形状の領域に設定し、撮像を実行させる撮像制御ステップと、
    前記撮像部から出力された画像データに基づき、前記長方形状の領域に対応し、前記ノズルの先端部及び該先端部から鉛直下方に延びる領域が写った画像を時系列順に複数取得し、取得した時系列順の画像に基づいて、前記液滴の体積を算出する画像処理ステップと、
    をコンピュータに実行させる、液滴測定プログラム。