WO2016121449A1 - 液面検査装置、自動分析装置および処理装置 - Google Patents

Abstract

　コンタミネーションの発生を抑制することができ、液状物質における気泡等の液面状態の検出具合の正確性を増大させることができる液面検査装置および自動分析装置、液面検査方法を提供する。液状物質１０１０が収納された容器１０１および液状物質１０１０の液面に対して光を照射する光照射部１０２と、光照射部１０２が照射した容器１０１および液状物質１０１０からの光の色情報と輝度情報を少なくとも有する映像を取得する撮影部１０３と、撮影部１０３で撮影した映像の中の色情報と輝度情報を用いて液面の状態を検出する検出部１０４とを有する。

Description

液面検査装置、自動分析装置および処理装置

　本発明は、血液，尿等の生体などの液状物質の液面又は／ 及び液体内の泡の有無などを検出する液面検査装置、自動分析装置および液面検査方法に関するものである。

　医療分野をはじめとして各種の自動分析装置が提案されている。一般的に、この自動分析装置とは、血液や尿等の生体試料を試薬と混合して反応液を自動測定することにより試料を分析するものである。生体試料と試薬の混合は、試料容器，試薬容器のそれぞれからの試料，試薬を分注装置（分注プローブ）等を用いて所定量を吸引分取し、反応容器に供給して反応させるのが一般的である。

　分取するとき、分取対象の試料や試薬の液状物質に分注プローブの先端を入れるが、深く入れるほどプローブ外壁へ液体が付着し、異なる試料間や試薬間でのコンタミネーションが大きくなってしまう。また、深く入れるほど垂直移動させる時間も長くかかってしまう。そのため、分注プローブの先端をわずかにのみ入れるように液面の高さを検知し、その高さに合わせて分注プローブ先端の高さ方向制御を行っている。この液面の高さを検知する技術に関して、液面上に気泡が発生している場合には気泡の表面を液面の高さと誤認して吸引に失敗する問題が知られている。この問題に対し、画像処理によって液面状態を検知して解決する方法が検討されている。

　例えば、特許文献１では検査対象の上部方向から照明を当ててカラーカメラで撮像して液面の画像を取得し、光のスペクトル成分の割合の違いを示す色相情報を利用して液面の照明の映り込み（鏡面反射）を抽出し計数することによって気泡の有無を検知する方法が示されている。試料容器の底面からの反射光が複雑多様な画像を生み出したり、試料容器の内壁に液面より下の位置で吸引分取に支障がない気泡が発生することがあるが。照明の鏡面反射を抽出する方法であれば液面上の気泡発生状態とは容易に区別できる。

　他の検討例として特許文献２ではカメラで撮像した際の検査画像に対して、液面円の中心を求める処理の後に、極座標変換を行ったラジアル画像のヒストグラム評価やＦＦＴ評価、さらにハフ変換による環検出を行うことにより気泡の検出を行う方法が示されている。

特開２０１３－８８１１４号 特表２０１４－５００９５５号

　しかしながら、特許文献１に記載の検討例では、安価な可視光照明を用いたときに、尿試料など液色が極めて薄い試料や、あるいは高倍率に希釈されていた試料は、可視光域のスペクトル吸収がわずかであるため液面上の照明の鏡面反射を正しく抽出できない可能性がある。この問題に対して可視光域波長の光では透過性が高い真水でも透過性が下がる可視光範囲外の波長の光を加えてスペクトル成分ごとの割合の違いが得られるようにすることで、照明の映り込みを抽出し気泡の有無を検知することも考えられるが、照明などのコストの増大が懸念される。また、脂肪分子のように照明光を試料の液中から全反射する成分を多量に含む試料の場合には試料の色合いが不安定になり照明の映り込みの抽出が難しくなることがある。特許文献２が示す方法では計算処理量が膨大であり、処理時間やハードウェアコストが大きくなってしまうなどの問題がある。

　本発明の目的は、以上の状況を鑑みて、液状物質における気泡等の液面状態の検出具合の正確性を増大させることができる液面検査装置および自動分析装置、液面検査方法を低コストで提供することにある。

　本発明は上記課題に鑑み、以下の点を備えたことを特徴とする。すなわちその一態様によれば、液体が収納された容器および前記液状物質の液面に対して上方から光を照射する照射部と、前記照射部が光を照射した液体の画像を上方から取得する撮影部と、前記画像に含まれる色情報を用いて前記液面の状態を検出する、第一の液面検査部と、前記画像に含まれる輝度情報を用いて前記液面の状態を検出する、第二の液面検査部を有することである。

　本発明に係る液面検査装置、自動分析装置および液面検査方法によれば、多様な液状物質に対して気泡等の液面状態の検出具合の正確性を増大させることができる。

本発明の実施形態に係る液面検査装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る液面検査方法のフローチャート図である。 本発明の実施形態に係る液面検査方法でカメラとプローブと試料容器の位置関係を説明する図である。 本発明の実施形態に係る画像情報処理を説明する図である。 本発明の実施形態に係る画像情報処理を説明する図である。 本発明の実施形態に係るドーナツ円の有効範囲と円座標の図である。 本発明の実施形態に係る円座標の近傍範囲を示す図である。 本発明の実施形態に係る有効範囲の１６分割を説明する図である。 本発明の実施形態に係る５×５加重マトリックスを示す図である。 本発明の実施形態に係るドーナツ円の有効範囲を展開した図である。 本発明の実施形態に係る５×３加重マトリックスを示す図である。 ５ｘ３加重マトリックスで算出した輝度勾配を示す図である。 本発明の他の実施例に係る画像情報処理を説明する図である。 本発明を適用した自動分析装置の全体図である。

　以下、本発明の一実施形態を図面に即して説明する。なお、この実施形態は例示として挙げるものであり、これにより本発明を限定的に解釈するものではない。
＜本発明の第一の実施形態＞
　まず、本発明の一実施形態に係る液面検査装置について説明する。

　図１は、本発明の第一の実施形態に係る液面検査装置の構成図である。本実施形態に係る液面検査装置は、図１に示されているように、液体（以下、液状物質１０１０と称する）が、容器としての試験管１０１に収納されている。

　試験管１０１は、各種樹脂材料や各種ガラス材料などから構成された、実質的に透明な上下方向に細長い有底筒状であって、円筒状あるいは円錐テーパ状の容器である。試験管１０１に収容される液状物質１０１０としては、血液や尿等の生体試料、これら生体試料の分析に使用される試薬、当該生体試料と試薬とを混合した混合液、これらが反応した反応液等が挙げられる。試験管１０１は、試験管ラック１０１１に保持されている。なお、試験管１０１が、試験管ラック１０１１に保持された状態でなくても、例えば、試験管１０１単独で本発明の液面検査装置にて、液面状態を検出することができる。また、ラックは図１では複数本の試験管を保持可能なものを例示しているが、1本の試験管のみを保持するラックであっても良い。

　試験管１０１の上方には、試験管１０１内に収納された液状物質１０１０の液面に対して光を照射する光照射部としての照明１０２が設けられている。照明１０２は一般に「リング照明」と呼ばれるもので、中空部１０２１を有し、リング状に複数の白色ＬＥＤ（青色発光ダイオードなどに蛍光体を組み合わせた疑似白色であり若干の色味を帯びている）を密に配して構成されている。

　照明１０２の上方には、試験管１０１および試験管１０１内に収納された液状物質１０１０からの光の色情報（異なる複数の波長域毎の露光量を取得）を少なくとも有する映像（以下、画像とも言う。）を撮影する撮影部としてのカメラ１０３が設けられている。

　カメラ１０３のレンズ１０３１は、照明１０２の中空部１０２１を通じて下方が覗きこめるように配置構成されている。カメラ１０３は、一般的にはＲＧＢの３つの波長域の光による色情報を有する画像を撮影するものであり、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサを応用したもので構成されている。カメラ１０３には、撮影した画像中の色情報を用いて液面の状態を検出する検出部としての画像処理装置１０４が電気的に接続されている。

　画像処理装置１０４は、例えば、マイクロプロセッサやメモリ等で構成されたコンピュータとして構成されている。画像処理装置１０４には、液面状態の方式を最適に選択する方式選択部１０４１を有する。さらに、画像処理装置１０４には、液体表面で鏡面反射している照明色の領域から、液面上に泡があるか否かを判定する、第一の泡検知部１０４２が設けられている。さらに、画像処理装置１０４には、試験管の内壁面形状に沿った方向の輝度勾配を算出し、算出した輝度勾配に基づいて液面上に泡があるか否かを判定する、第二の泡検知部１０４３が設けられている。

　さらに画像処理装置１０４には、カメラ１０３が撮影した色情報を有する画像や、当該画像を処理した処理結果等を記憶する記憶部としての記憶装置１０５が電気的に接続されている。記憶装置１０５は、例えば、ハードディスクやフラッシュメモリなどで構成されている。また、画像処理装置１０４には、その他の装置、機器等の入出力部と電気的に接続可能なようにインタフェース部としてのインタフェース装置１０６が接続されている。また、画像処理装置１０４には、カメラ１０３が撮影した色情報を有する映像や、当該映像を処理した処理結果等を表示する表示部としての表示装置１０７が電気的に接続されている。表示装置１０７は、例えば、液晶モニタ等で構成されている。また、画像処理装置１０４には、画像処理装置１０４に対し、外部から情報を入力可能なように入力部としての入力装置１０８が電気的に接続されている。入力装置１０８は、例えば、キーボードやマウス等で構成されている。

　なお、検出部としての画像処理装置１０４と、記憶装置１０５、インタフェース装置１０６、表示装置１０７、入力装置１０８とは、個別の装置であるように説明したが、それぞれが個別の装置として構成されていても、全部、または一部が一体として構成されていても良い。例えば、画像処理装置１０４と、記憶装置１０５、インタフェース装置１０６、表示装置１０７、入力装置１０８の全部、または一部が一体として検出部として構成されても良い。

　本発明の一実施形態においては、照明１０２とカメラ１０３は、容器１０１の液面に対して垂直上方に設置され、照明の光が液面で鏡面反射してカメラで撮像できるように構成されている。カメラ１０３は、画像処理装置１０４に接続し、撮影した画像情報を画像処理装置１０４に送信することで画像処理できるものである。また、画像処理装置１０４は記憶装置１０５に接続して撮影した画像情報や処理結果を格納できる。また、処理の過程や記憶装置１０５に格納した情報を表示装置１０７に表示できる。さらに、入力装置１０８は画像処理装置１０４の調整設定や実行指示に用いる。

　次に、上述の液面検査装置により実施される液面検査工程の一例としての液面状態の検査工程を、図２～図５に沿って簡単に説明する。

　最初に、方式選択部１０４１により、泡検知の方式を選択する検出方式選択ステップを実行する。

　検出方式ステップでは、初めに、照明光１０２を試験管１０１および試験管１０１内に対して照射し、カメラ１０３で撮像することで、液状物質１０１０の液面からの反射光や透過光等の光の色情報を含んだ画像を取得する（Ｓ２００）。なお、色情報の取得は、試験管１０１および試験管１０１に収納された液状物質１０１０の液面に対して照明１０２から光を照射し、カメラ１０３が試験管１０１および試験管１０１内に収納された液状物質１０１０からの反射光や透過光等の光の色情報を取得することにより実施される。

　次に、検出方式の選択に不要な領域（周辺領域）を画像処理で除き、有効範囲を設定する処理をおこなう（Ｓ２０１）。これにより、試験管１０１の内部の液面に対して画像情報を取得する範囲を限定し、検知方式選択の信頼性を上げることが可能となる。

　次に、設定した有効範囲内における液状物質１０１０について予め定めた色（以下、基本色と称する）を示す画素数（画素の個数）を数える（Ｓ２０２）。ここで計数される画素の色は、撮像対象である液状物質１０１０に依存して決定される。例えば、血液や尿であれば、赤や黄色などの基本的な色に設定される。有効範囲内の各画素の色相（Ｈｕｅ）を算出し、その値があらかじめ定めた色相の所定範囲にあれば有効画素として選択する。なお、基本色は、液状物質が有する光の吸収スペクトルの特性に基づき、液状物質を通過した照明光の波長スペクトルが変化することにより生じる。

　次に、有効範囲内で液状物質１０１０が通常状態ではない色（以下、異常色と称する。）を示す画素数を数える（Ｓ２０３）。異常色か否かの判断は、あらかじめ定めた色相（血液や尿であれば、例えば緑や黄緑など）の所定範囲の画素を有効画素として数えればよい。脂肪成分などを多量に含む試料の場合には試料の色合いが不安定になり通常状態の試料では無い色の画素が多く現れる。

　次に、Ｓ２０１で計数された基本色を示す画素数があらかじめ定めた閾値未満であるか判断する（Ｓ２０４）。閾値未満であれば、透過性が高い試料のため、第一の検知部１０４２による判定は困難と判断し、第二の検知部１０４３による判定を選択しＳ２１２のステップに進む。基本色を示す画素数が閾値未満でなければ、次のステップに進む。

　次に、Ｓ２０３で計数された異常色を示す画素数があらかじめ定めた閾値以上であるか判断する（Ｓ２０５）。閾値以上であれば、試料の色合いが不安定で、第一の検知部１０４２では判定困難として、第二の検知部１０４３による判定を選択し、Ｓ２１２のステップに進む。通常状態では無い色を示す画素数が閾値以上でなければ、第一の検知部１０４２のステップに進む。

　続いて、第一の検知部１０４２による液面検査を説明する。

　初めに、Ｓ２００で取得した画像から不要な周辺領域の情報を取り除き、なおかつ分注プローブ先端が降下する位置での液面検査の信頼性を上げるため、試料容器の内部の液面に対して有効範囲を設定する処理を行う（Ｓ２０６）。

　次に、有効範囲内の液体表面に鏡面反射して映り込んでいる照明色の領域を抽出する（Ｓ２０７）。照明色の領域を抽出する方法は特に限定されないが、例えば照明色に対応する色相（Ｈｕｅ）の範囲を予め定めておき、その色相を有する画素を選択する方法が考えられる。照明色の領域の選択に色相を用いることによって、液面以外の位置（例えば、試験管１０１の底部や液面より下の位置に生じた気泡など）からの反射光と、検出対象である液面の泡を識別しやすい。また、カメラや照明から液面までの距離の違いによって、液面の画像情報の輝度は変化するが、光のスペクトル成分の割合の違いを表す色相をチェックすることによって、液面までの距離に関わらず、正確に液体表面で鏡面反射した照明光を選択できる。

　次に、抽出された照明色画素の領域の数を計数する（Ｓ２０８）。照明色領域とは、画素数や領域の面積には関係なく、Ｓ２０７で抽出された画素の集合で、画像内で互いに接することなく孤立した領域を意味する。具体的には画像処理技術において一般に知られる「ラべリング(Ｌａｂｅｌｉｎｇ，Ｉｍａｇｅ－ｌａｂｅｌｉｎｇ)」の処理手順によって実現できる。領域の数を計数することにより、カメラから液面までの距離の違いや気泡の大きさにより依存することなく、照明光の写り込み数をチェックすることができる。

　次に、Ｓ２０８で計数した照明色の写り込み領域の数が、使用している照明の数よりも大きいか否かを判定する（Ｓ２０９）。液面上に泡がない場合は液体表面に照明が照明の数だけ映り込むが、液面上に泡がある場合、液面だけでなく、各泡の表面に照明光が映りこむため、照明光の写り込み領域が増えるためである。本実施例においては、単一のリング状光源を使用しているため、計数された領域が１より大きい場合には液面上に泡があると判定し（Ｓ２１０）、１以下の場合には泡がないと判定する（Ｓ２１１）。

　続いて、第二の検知部１０４３が行う、試験管形状に沿った方向の輝度勾配に基づく液面検査を説明する。（Ｓ２１２～Ｓ２１６）
　初めに、Ｓ２００で取得した画像情報から有効範囲を設定する処理をおこなう（Ｓ２１２）。これにより、ノイズを含む可能性がある不要な周辺領域の情報を取り除き、なおかつ分注プローブ先端が降下する位置での液面検査の信頼性を上げることが可能となる。

　次に、Ｓ２１２で設定した有効範囲内で、試験管の内壁面形状に沿った方向の輝度勾配を算出し、輝度勾配の最大値を求める（Ｓ２１３）。

　次に、Ｓ２１３で求めた輝度勾配の最大値があらかじめ定めた閾値以上であるかを判定する（Ｓ２１４）。輝度勾配の最大値が閾値以上の場合には、液面に泡があると判定し（Ｓ２１５）、輝度勾配の最大値が閾値未満の場合には泡はないと判定する（Ｓ２１６）。

　図３は、本実施例における、分注プローブ３０１と試験管１０１とカメラ１０３の位置関係を示す配置図である。

　分注プローブ３０１は水平面で回転し、垂直方向に上下動して、分注位置に位置付けられた試験管１０１から所定量の液体を分取する。分注プローブ３０１の先端が液面と接触する降下位置３０１１は、分取対象の試験管１０１の中心軸と一致するか、中心軸に近い範囲内に位置するように事前に配置調整しておくことが望ましい。分注プローブ３０１の先端が試験管１０１に接触することを防ぐと共に、液面に発生した泡は試験管１０１の内壁面に接するように位置するので、泡の位置をなるべく避けるためである。

　さらに、カメラ１０３の光軸も、分注プローブ３０１の先端の降下位置３０１１を含むように事前に配置調整しておくことが望ましい。一般的に、カメラは光軸の中心付近が最も歪みが小さく、解像度が良好だからである。

　なお、分注プローブ３０１によるサンプリング位置と、カメラ１０３による撮像位置は好ましくは同軸上だが、ずらして配置することも可能である。ずらして配置することにより、サンプリングの状態をリアルタイムにカメラ１０３で観察可能となり、分注時に泡を吸引していないことを示すことが可能となる。

　図４を用いて、色情報検知手段による泡判定方法を説明する。

　図４（ａ）は、図２のフローチャートのステップＳ２００で取得した画像の一例である。実際の画像はカラー画像４００であり、試料には通常の液色がついているものとする。判定対象は中央の試験管４０１であり、液面に２つの泡４０２ａ、４０２ｂが内壁面に接する位置に浮いている。画像４００からは、液面上の照明光の写り込み領域４０３ａの他に、泡の表面上に照明光の映り込み領域４０３ｂ、４０３ｃが存在していることが分かる。本実施例では照明光源が中空のリング照明であるため、照明光の映り込み領域も中空の円形である。また、管底からの反射光の明暗により、試験管外形と同じ形状の暗部が生じることがある。本実施例においては同心円状の暗部４０４である。

　図４（ｂ）は、図２のフローチャートのステップＳ２０１で設定される有効範囲４０５を示す画像である。分注プローブ３０１の先端の降下位置３０１１を中心に円の形で設定したことを示す。有効範囲４０５を設定することにより、左右両隣に近接して試験管が並んでいたとしても、それらが泡検知に影響を与えることがない。中央の試験管の内壁付近の情報を無効にする。

　図４（ｃ）は、図２のフローチャートのステップＳ２０２で抽出された、有効範囲４０５内で基本色の色相を有する領域４０６の所定範囲で画素を選択した画像を示す。基本色の領域を抽出することで、試験管４０１内に収容された液体の色味を帯びた領域だけが抽出される。抽出した領域内の画素数が少ない時は、第一の検知部１０４２では泡判定は困難と判断して、第二の検知部１０４３による判定を選択する。なお、ステップＳ２０３において異常色領域を抽出した後の画像は図示しないが、同様に通常状態では生じない異常色を示す領域の画素数により、第一の検知部１０４２と第二の検知部１０４３の切り替え選択を行う。

　図４（ｄ）は、図２のフローチャートのステップＳ２０６で抽出された、第一の検知部１０４２における判断のための有効範囲４０７を示す画像である。分注プローブ３０１の先端の降下位置３０１１を中心に、円形の領域として設定される。分注プローブ３０１の先端の降下位置３０１１は画像内の座標点として示してきたが、実際には分注プローブ先端部はプローブの管径に対応した太さを有しており、さらに降下位置には機械的な製造誤差や調整誤差が生じる可能性がある。そのため、分注プローブ先端が降下する可能性のある範囲である、降下範囲４０８が設けられている。降下範囲４０８の内側に泡が検出された場合は、泡と分注プローブが接触して液面誤検知を生じ、正確に液体分取できない可能性があるが、降下範囲外に泡が存在している分には、液体分取に影響を与えない。したがって、有効範囲４０７は降下範囲４０８よりも大きく設定し、たとえ試験管の内径が大きい場合であっても、降下範囲に影響を与えない範囲については判断する必要はないので、液面全体より小さく設定するのがよい。

　図４（ｅ）は、図２のフローチャートのステップＳ２０７において、照明光の色に相当する色相を示す領域を抽出した画像を示す。泡の輪郭や、試験管の内壁位置等の領域は、液体の色味を帯びているため抽出されず、照明光の鏡面反射による映り込みの領域４０９ａ～４０９ｃだけが抽出されていることがわかる。

　図４（ｆ）は、図２のフローチャートのステップＳ２０８において、照明色の領域を計数した図の一例を示す。なお、本図面は模式的に示したものであり、実際に画像に計数した数字を書き込む必要はない。本実施例では計数の結果、照明色の写り込み領域を３つ抽出したことを示している。この場合、ステップＳ２０９では抽出した照明色の写り込み領域数が１より大きいので、液面上に泡があると判定する。

　図５は、図２のフローチャートのステップＳ２００で取得した画像の他の一例を用いて、可視光域波長全域で光の透過性が高い試料の場合を説明する。

　図５（ａ）は、画像４００に比べて液色が薄く、液面の画像情報には明暗はあるが殆どは照明色を帯びた画像５００を示している。判定対象の試験管５０１の内部の液面に３つの気泡５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃが試験管の内壁面に接した状態で浮いている。また、管底からの反射光の明暗により、試験管外形と同心円の形状の暗部５０３がある。画像４００と同様に照明光源の映り込み領域もあるはずだが、試料の透過性が高いときは不明瞭であり、なおかつ以下の処理の説明では関連が薄いため図５（ａ）では省略している。

　図５（ｂ）は、図５（ａ）の中央の試験管１０１の内部の液面領域を拡大した図である。試験管外形と同心円の形状の暗部５０３ａ、５０３ｂは管底からの反射光の明暗によるものだが、試験管の材料や底部の形状、試料の液量などの諸要因により、大きさや太さ、多重になる数はまちまちである。管底からの反射光は、透過性が低く液色が濃い試料の場合は弱く画像上でのコントラストも小さいが、透過性が高く液色が薄い試料の場合にはコントラストが高く目立って現れる。一方、泡の外形については、透過性が低く液色が濃い試料ではコントラストは低く不明瞭で、試料の液量によっては管底からの反射光により消失してしまうこともあるが、透過性が高く液色が薄い試料では、はコントラストが高く明瞭に現れる。

　図５（ｃ）は、図２のステップＳ２１２において、図５（ｂ）の画像に対して今回の判定に不要な領域（黒塗り領域）を除くように設定した、有効範囲５０４を示す図である。有効範囲５０４は分注プローブ３０１の先端の降下位置３０１１を中心とした中空のドーナツ円の形で設定される。中空のドーナツ形状とすることにより、管底からの反射光の明暗による暗部５０３ａ，５０３ｂが有効範囲内に現れても、それらを泡と誤検知することがない。また、降下位置３０１１の近辺は有効範囲５０４として設定していないが、実際に液面上に存在する泡は試験管の液面の中心付近にとどまり続けることはなく、試験管内壁面に寄りつくため、特に問題はない。降下範囲の周辺に気泡の外形が検知されない場合は降下範囲内には気泡が無いと判断してよいため、ドーナツ円の内径５０５（＝中空部の直径）は、降下範囲と同程度であればよく、ドーナツ円の外形５０６は、用いる試験管の内径が大きくても液面全体の範囲より小さく設定すればよい。

　図５（ｄ）は、図２のステップＳ２１３において、有効範囲５０４内で画像の輝度情報（ＲＧＢ各輝度の合計）を試験管の形状に沿った方向に走査して輝度勾配を算出した結果を示す図である。輝度勾配が小さい箇所を黒く、輝度勾配が大きい箇所を白く示している。円に沿った方向に輝度勾配を算出することによって、管底からの反射光の明暗による同心円形状の暗部５０３ａ、５０３ｂに影響されずに泡の外形を検出可能となる。有効範囲５０４内で輝度勾配を算出したら、輝度勾配の最大値を求め、あらかじめ定めた閾値以上であれば気泡が発生していると判定し、閾値未満であれば気泡が発生していないと判定する。

　通常の試験管内の液面状態の判定では、液面位置によってカメラや照明から液体試料までの距離が変化し液面の輝度情報も変化するために、閾値による判定が難しいが、上記方法の輝度勾配を用いることによって、液面高さによらず泡の有無をロバストに判定できる。

　次に、図２のステップＳ２１３における、の試験管形状に沿った方向の輝度勾配の算出方法を図６～７にて説明する。

　図６は、ｘｙ直交座標平面上で図５（ｃ）に示す有効範囲５０４を表した図である。有効範囲５０４内の座標は図のように降下位置６００を原点とする円座標（ｒ，θ）で表現することができる。試験管形状の内壁形状に沿った方向とは、図６においては半径ｒの円の接線方向のことであり、円座標Ａ（ｒ，θ）においては図中の接線６０１の方向である。

　図７は円座標Ａ（ｒ，θ）付近を拡大したものである。座標Ａ（ｒ，θ）における輝度勾配を算出するには、接線６０１の方向で座標Ａ（ｒ，θ）を挟んで隣り合う２つの近傍範囲７０１と７０２の其々で画素の輝度平均を求め、２つの輝度平均の差分の絶対値を輝度勾配とすればよい。より厳密には、電子情報通信学会論文誌Ｄ－２、７９巻８号（１９９６年発行）に掲載の論文「方向依存型フィルタを用いたMRI画像の画質改善」（木戸、ほか著）における方向依存型フィルタの計算方法を円の接線方向に限定して適用し、絶対値を求めればよい。

　以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

　本実施例によれば、判定対象の試料の液色の濃淡によらず、液状物質液面の泡の有無判定を正確に実施することができる。また一般的な可視光照明を使用し、限定範囲の画像情報に対して最小限の計算処理を行うだけでよいので、低コストに実現できる。

　本実施例では、有効範囲を一定半径の円形やドーナツ形で設定したが、例えば試験管形状が円柱形ではなく特殊形状であったり、プローブ先端の降下範囲（７０２）が機械的誤差要因によって楕円形や四角形になる場合にはそれらに合わせ、有効範囲の形状や大きさを変更して検知の正確性を向上させても良い。また、各目的に最適な形状や大きさは個別であると考えられるが、設定ステップ数を減少させるため有効範囲４０５、４０７、５０４を共通に設定しても良い。

　また、基本色および異常色を有する画素を計数するステップＳ２０２、Ｓ２０３は同時並行的に実施しても良いし、一方の計数値が判定可能な値に達した時点で、検知方式選択の処理を終了させても良い。

　計数した画素数と閾値を比較して判定するステップＳ２０４、Ｓ２０５は、設定した有効範囲４０５の全体の画素数に対する基本色または異常色の画素数の比率（面積比）を閾値と比較して判定するようにしても良い。こうした場合、カメラで撮影する映像の拡大率の変更に対してロバストになる。

　また、第一の液面検査部１０４２と第二の液面検査部１０４３によるアルゴリズムは同時並行的に実行されても良い。この場合は、第一の液面検査部１０４２と第二の液面検査部１０４３の方式を選択するS２０４およびS２０５は実行不要であり、それぞれの液面検査部の判定結果のうちの少なくとも一方の判定結果から、最終の泡有無検査結果を導く。

　また、対応可能な液状物質１０１０の種類を増やせるように、液状物質１０１０の基本的色の色相範囲を複数設定できるようにしても良い。同様に、異常色の色相範囲を複数設定できるようにしても良い。液状物質１０１０の基本色、異常色、照明色の判定には色相以外の表色系に基づくものでもよい。色相は１次元で色を指定でき、人間の色覚と対応させやすいので便利だが、被写体である液面までの距離に依存しない色情報であれば他の情報であっても良く、例えばＹＵＶフォーマットにおける色差情報UとVで色の範囲を指定しても良いし、ＲＧＢフォーマットであればＲ÷ＧとＢ÷Ｇ等の比率を用いて指定しても良い。

　また、輝度勾配を得るステップＳ２１３の元の輝度情報は、ＲＧＢ各輝度の合計ではなく、他の輝度情報を用いても良い。例えば、Ｒ、Ｇ，Ｂチャネルのどれか一つの輝度情報、あるいは平均輝度、人の視覚に合わせたモノクロ変換画像の情報などである。

　また、ステップＳ２１３において、輝度勾配の「最大値」を求めることは必ずしも必要ではなく、あらかじめ定めた閾値以上の輝度勾配の箇所が有効範囲内に少なくとも一つあれば気泡が発生していると判定しても良い。閾値を調整設定する際には、有効範囲全体の輝度勾配を確認したり、最大値が得られるようにしておくのが良いが、閾値を決定した後は最大値を求める必要はない。あらかじめ定めた閾値以上の輝度勾配の箇所が一つでもあれば気泡が発生していると判定すればよく、有効範囲の輝度情報を取得している最中に閾値以上の輝度勾配を算出した時点で判定を完了すれば、判定処理を早く終了させることができる。
＜第二の実施例＞
　第二の実施例として、図８，９を用いて、他の輝度勾配算出方法を説明する。

　図８は、有効範囲５０４の領域を等角度で等分した図である。実施例では、θ＝π／８ラジアンとなるように、有効範囲を１６等分した場合を示す。領域毎に図９（ａ）～（ｈ）に示す加重マトリックスを用いて円の接線方向の輝度勾配を近似計算する。画素（ｒ、θ）を中心とする縦５画素、横５画素（５×５）の近傍画素の輝度を用いて、輝度勾配を算出する。５×５の近傍画素の各輝度と対応する加重マトリックスの各配列要素の数値の積を求めて合計２５の積を加算し、その絶対値を輝度勾配とする。各加重マトリックスはθに対応して円の接線方向に重み付けしている。

　図９（ａ）の加重マトリックスは、―π／１６＜θ≦π／１６の領域、または１５π／１６＜θ≦１７π／１６の領域で使用する。図９（ｂ）の加重マトリックスは、π／１６＜θ≦３π／１６の領域、または１７π／１６＜θ≦１９π／１６の領域で使用する。図９（ｃ）の加重マトリックスは、３π／１６＜θ≦５π／１６の領域、または１９π／１６＜θ≦２１π／１６の領域で使用する。図９（ｄ）の加重マトリックスは、５π／１６＜θ≦７π／１６の領域、または２１π／１６＜θ≦２３π／１６の領域で使用する。図９（ｅ）の加重マトリックスは、７π／１６＜θ≦９π／１６の領域、または２３π／１６＜θ≦２５π／１６の領域で使用する。図９（ｆ）の加重マトリックスは、９π／１６＜θ≦１１π／１６の領域、または２５π／１６＜θ≦２７π／１６の領域で使用する。図９（ｇ）の加重マトリックスは、１１π／１６＜θ≦１３π／１６の領域、または２７π／１６＜θ≦２９π／１６の領域で使用する。図９（ｈ）の加重マトリックスは、１３π／１６＜θ≦１５π／１６の領域、または２９π／１６＜θ≦３１π／１６の領域で使用する。

　なお、図９に示す加重マトリックスは一例にすぎず、７×７や３×３など範囲の異なるものを用いても良いし、有効領域をより細かく３２分割とし、対応させる加重マトリックスも１６種にして計算精度を向上させても良い。また、各加重マトリックスの配列要素の値を微調整して計算精度を向上させても良い。

　次に図１０～１２を用いて、座標系変換を用いた円の接線方向の輝度勾配算出方法を説明する。

　図１０の１０００は、有効範囲５０４（内径５０５から外径５０６、０≦θ≦２πラジアン内の領域）の画像情報を、横軸θ、縦軸ｒの平面に変換して展開したものである。管底からの反射光の明暗による同心円形状の暗部が１００１、１００２に展開されている。

　このように展開した後の画像情報では、元の円の接線方向はθ軸の方向に置き換わっていて、一つの加重マトリックスで輝度勾配を算出できる。図１１に示す５×３の加重マトリックスに基づきθ方向の輝度勾配を算出し、各画素位置の輝度勾配を画像にしたものを図１２に示す。輝度勾配が小さい箇所を黒く、輝度勾配が大きい箇所を白く示している。円に沿ったθ方向に限定して輝度勾配を算出することによって、管底からの反射光の明暗による同心円形状の暗部１００１，１００２に影響されずに気泡の外形をとらえることができる。また、図１０に示す画面上では暗部１００１，１００２は直線ではなく緩やかな曲線を描いていたが、これは降下位置３０１１が試験管外形の中心からずれていたり、あるいは試験管の管底形状が歪んでいたときに生じる事象である。しかしながら、ある程度の近傍範囲の輝度情報をもとに輝度勾配を算出すれば、支障なく気泡の外形による輝度勾配をとらえることができる。

　なお、図１１に示した５×３加重マトリックスは一例にすぎず、７×５や３×３など範囲の異なるものを用いても良い。また、加重マトリックスの各配列要素の値を微調整して検知精度を向上させても良い。
＜本発明の第三の実施形態＞
　実施例１では、液体を収容する試験管が円筒状や円錐状の容器であることを前提として、円の接線方向で輝度勾配を求める方法を説明した。本実施例では、円筒形または円錐形以外の容器の場合について、図１３を用いて説明する。

　図１３（ａ）は、角柱形の容器の例であり、血液や尿などの試料または試料と試薬の混合液等の液状物質が入っている。図１３（ｂ）はこのような角柱型容器を上面から撮影した画像１３００である。容器の内部には気泡の他に底からの反射光の明暗により、容器の形状を要因とする２重の正四角形状の暗部１３０１，１３０２が映っている。この画像について、輝度勾配検知方法における有効範囲の設定工程（図２のステップＳ２１２）および輝度勾配の算出工程（ステップＳ２１３）の処理を説明する。

　図１３（ｃ）は、ステップＳ２１２により設定された有効範囲１３０３を示す図である。図中において有効範囲１３０３は黒塗りされている以外の領域であり、有効範囲は分注プローブの降下位置を中心としてドーナツ円形状に設定される。

　図１３（ｄ）は、ステップＳ２１３により、容器の内壁面形状である正四角形に沿った方向で輝度勾配を算出するために、角度π／２毎に有効領域を４つに分割した図である。分割後の各領域で前に示した加重マトリックスの２つを用いて輝度勾配を算出すればよい。具体的には、―π／４＋ε≦θ≦π／４－εの領域では、図１７の加重マトリックスを使用する。π／４＋ε≦θ＜≦３π／４－εの領域では、図９（ｅ）の加重マトリックスを使用する。３π／４＋ε≦θ≦５π／４－εの領域では、図９（ａ）の加重マトリックスを使用する。５π／４＋ε≦θ≦７π／４－εの領域では、図９（ｅ）の加重マトリックスを使用する。なお、εは降下位置（３０１１）などの誤差を考慮するもので、適宜調整する。

　図１３（ｅ）は、算出した輝度勾配を画像に表した図である。有効領域内に容器の形状に起因し、管底からの反射光を示す暗部１３０１，１３０２があったとしても、泡の外形を正確にとらえて泡有無検知ができる。なお、π／４＋ε≦θ＜≦３π／４－εの領域と５π／４＋ε≦θ≦７π／４－εの領域は、π／２（９０°）回転させた画像情報にすれば、すべての領域を図９（ａ）の加重マトリックスだけで輝度勾配を算出できる。
以上説明したように、試験管形状に沿った方向の輝度勾配を算出すれば、最小限の処理で液面検査が可能になる。
＜自動分析装置への適用例＞
　次に本発明を適用した自動分析装置について説明する。

　図１４は、本発明の実施形態に係る自動分析装置の概略図である。なお、ここでは特に、自動分析装置として、血液，尿等の生体サンプルの定性・定量分析を自動で行う自動分析装置で、生化学項目や免疫項目、凝固項目などの項目を分析する装置について説明する。本発明を適用するにあたり、試験管から反応容器へ、または試薬容器から反応容器へ、分注プローブにより試料や試薬を分注する機能を備えているものであれば、他の分析装置であっても良い。

　自動分析装置３３０１には試薬ディスク３３０２、反応ディスク３３０３、検体分注プローブ３３０４、試薬分注プローブ３３０５、攪拌装置３３０６、光度計３３１２、搬送機構３３１３が配置されている。また、自動分析訴追３３０１には表示装置１０７や入力装置１０８を備えた制御装置が接続されている。

　試薬ディスク３３０２は回転自在で円周上に複数の試薬容器を配置することが可能である。同様に反応ディスク３３０３には円周上に複数の反応容器を備えることが可能である。搬送機構３３１３は複数の試料容器１０１を納めた試料ホルダ３３１１を搬送することができる。本実施例においては、５本の試料容器１０１を保持可能なラック形式の試料ホルダ３３１１が用いられており、試料ホルダを上に載せた状態で水平方向に駆動する搬送ベルトによって所定の位置まで試料容器１０１を搬送することが可能となっている。

　検体分注プローブ３３０４は回転駆動と上下駆動が可能であり、所定の位置に運ばれた試料ホルダ３３１１に保持された試料を吸引し、反応ディスク３３０３上の反応容器に分注吐出する。試薬分注プローブ３３０５も同様に回転駆動と上下駆動が可能であり、試薬ディスク３３０２上に保持された試薬容器から試薬を吸引し、反応ディスク３３０３上の反応容器に分注する。攪拌装置３３０６は反応容器内の混合液を攪拌する。光度計３３１２は攪拌後の混合液を分析する。

　本発明の自動分析装置では、搬送機構３３１１の上部に設けられた試料用液面検出装置３３０８や、試薬ディスクの上部に設けられた試薬用液面検出装置３３０７により、試料や試薬の分注を行う前に、液面の泡の有無を検知することができる。また、泡の有無は、分注をおこなう位置で検知しても良い。
さらに、反応ディスク３３０３の上部に反応液用計面検出装置３３０９を備えることにより、試料と試薬を混合した反応液の液面を撮影して、分注後や攪拌後に液面の異常を検知することも可能である。

１０１　試験管
１０１０　液状物質
１０２　照明
１０２１　中空部
１０３　カメラ
１０３１　レンズ
１０４　画像処理装置
１０５　記憶装置
１０６　インタフェース部
１０７　表示部
１０８　入力部
３３０１　自動分析装置
３３０２　試薬ディスク
３３０３　反応ディスク
３３０４　試料分注プローブ
３３０５　試薬分注プローブ
３３０６　攪拌装置
３３０７　試薬用液面検出装置
３３０８　試料用液面検出装置
３３０９　反応液用液面検出装置
３３１１　試料ホルダ　

Claims (11)

1. 　液状物質が収納された容器および前記液状物質の液面に対して上方から光を照射する照射部と、
   　前記照射部が光を照射した液状物質の画像を上方から取得する撮影部と、
   　前記画像に含まれる色情報を用いて前記液面の状態を検出する、第一の液面検査部と、
   　前記画像に含まれる輝度情報を用いて前記液面の状態を検出する、第二の液面検査部を有する液面検査装置。
2. 　請求項１記載の液面検査装置において、
   　前記画像に含まれる色情報を用いて、前記第一の液面検査部と前記第二の液面検査部のいずれを用いるか選択する方式選択部を有する、液面検査装置。
3. 　請求項１記載の液面検査装置において、　前記第二の液面検出部は、前記画像から容器の内壁面形状に沿った方向の輝度勾配を算出して液面の泡を検出する、液面検査装置。
4. 　請求項１記載の液面検査装置において、
   　前記第一の液面検出部は、前記照明部から照射される光の色に相当する色情報を有する領域の数に基づいて、液面の泡を検出する、液面検査装置。
5. 　請求項２記載の液面検査装置において、
   　前記方式選択部、前記第一の液面検出部および前記第二の液面検出部は、個別に色情報または輝度情報を取得するための領域を設定することを特徴とする、液面検査装置。
6. 　請求項１記載の液面検査装置において、
   　前記液状物質は、生体試料、これら生体試料の分析に使用される試薬、当該生体試料と試薬とを混合した混合液、または当該生体試料と試薬が反応した反応液の、いずれかである、液面検査装置。
7. 　請求項１記載の液面検査装置において、
   　前記液状物質を吸引するプローブを備え、
   　前記撮像部の光軸が、前記プローブの降下位置と略一致するように配置されている、液面検査装置。
8. 　液状物質が収納された容器に対して上方から光を照射した状態で撮像された液面の画像を処理する処理装置であって、
   　前記画像に含まれる色情報を用いて前記液面の状態を検出する、第一の液面検査部と、
   　該撮影部で撮影した映像の中の前記輝度情報を用いて前記液面の状態を検出する、第二の液面検査部を有する、処理装置。
9. 　請求項８記載の処理装置において、
   　前記画像に含まれる色情報を用いて、前記第一の液面検出部と、前記第二の液面検出部のいずれを用いるかを選択する方式選択部を有する、処理装置。
10. 　試料を収容する試料容器を搬送する試料容器搬送機構と、
    　試料と混合される試薬を収容した試薬容器を搬送する試薬容器搬送機構と、
    　前記試料と前記試薬を混合した反応液を収容した反応容器を搬送する反応容器搬送機構と、
    　前記試料容器、前記試薬容器または前記反応容器の少なくともいずれかの内部に収容された液体の画像を撮像する撮像機構と、
    　前記撮像機構に接続され、前記画像に含まれる色情報を用いて前記液面の状態を検出する第一の液面検出部、前記画像に含まれる輝度情報を用いて前記液面の状態を検出する第二の液面検出部、および前記第一または第二の液面検出部のいずれを用いるかを選択する方式選択部、を有する制御装置と、を有する自動分析装置。
11. 　請求項１０記載の自動分析装置において、
    　前記試料容器搬送機構または前記試薬容器搬送機構により分注位置に位置付けられた前記試料容器または前記試薬容器から、所定量の液体を吸引するプローブ機構を備え、
    　前記撮像機構は、前記分注位置に位置付けられる前または当該分注位置で、前記試料容器または前記試薬容器内部の液体の画像を撮像する、自動分析装置。

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