WO2021261472A1

WO2021261472A1 - 液体の流動状態推定方法及び液体の流動状態推定システム

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Publication number: WO2021261472A1
Application number: PCT/JP2021/023542
Authority: WO
Inventors: 友香杉浦; 克己薮崎; 隆雄篠原
Original assignee: 興和株式会社
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2021-06-22
Publication date: 2021-12-30
Also published as: US20230210369A1; CN115697184A; EP4170355A1; JPWO2021261472A1

Abstract

本発明の液体の流動状態推定方法は、液体に熱を付与するステップ（ａ）と、熱が付与された液体の温度分布を取得するステップ（ｂ）と、取得された温度分布に基づいて、前記液体の流動状態を推定するステップ（ｃ）と、を有する。また、本発明の液体の流動状態推定システムは、液体に熱を付与する加熱手段１と、熱が付与された液体の温度分布を取得する温度分布取得手段２と、取得された温度分布に基づいて、液体の流動状態を推定する推定手段３と、を備える。このような液体の流動状態推定方法及び液体の流動状態推定システムによれば、非侵襲で液体の流れを推定することができる。

Description

液体の流動状態推定方法及び液体の流動状態推定システム

　本発明は、液体の流動状態を推定する方法及びシステムに関する。

　房水は、眼内の血管のない組織に栄養を供給し、老廃物を除去するとともに、眼圧を調整する役割を持っている。通常、眼圧は、眼内で産生された房水が線維柱帯を通過し、シュレム管を通じて眼外に排出されるという循環により一定に保たれている。ところが、線維柱帯で目詰まりが発生すると房水の流動性と排出機能が低下し、眼圧が上昇してしまう。眼圧の上昇は緑内障発症の主要なメカニズムの一つとして知られており、視神経が圧迫され、その結果視機能が低下し、視野が狭くなったり、視力が低下したりするなどの症状が現れる。そのため、眼内の房水の流れを把握することが、緑内障の早期発見や早期治療においては重要である。　

　眼内の房水の流れを把握するための技術として、例えば特許文献１には、染料や蛍光物質等の追跡可能な成分を房水に局所的に投与し、房水の流れを可視化してモニタリングすることが開示されている。

国際公開２００３／０７３９６８号

　しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、追跡可能な成分を房水に投与するために注射器等を用いる必要があり、眼内の房水に投与することを鑑みると、侵襲性の観点から望ましくない。

　眼内の房水の流れ以外にも、非常に弱い液体の流れ（微小流量）であったり、目に見えない液体の流れであったりを非侵襲で把握したいというニーズは様々な分野で存在している。例えば、水漏れや油漏れの有無やその原因箇所の発見のために水や油の流れの状態を把握することや、人体中の血液の流れの状態を把握すること、マイクロ流路の加工精度の検証等が具体的なニーズとして挙げられる。

　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、非侵襲で液体の流動状態を推定することができる液体の流動状態推定方法及び液体の流動状態推定システムを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、第一に本発明は、液体に熱を付与するステップ（ａ）と、熱が付与された前記液体の温度分布を取得するステップ（ｂ）と、取得された前記温度分布に基づいて、前記液体の流動状態を推定するステップ（ｃ）と、を有する液体の流動状態推定方法を提供する（発明１）。

　上記発明（発明１）によれば、熱は液体に対して非侵襲的に付与することができるという特性を活かし、熱を与えた液体の温度分布を把握することによって液体の流動状態を推定するので、非侵襲で液体の流動状態を推定することができる。

　上記発明（発明１）においては、前記ステップ（ｂ）において、前記液体の異なる時点における複数の温度分布が取得され、前記ステップ（ｃ）において、取得された複数の前記温度分布に基づいて、前記液体の流動状態が推定されてもよい（発明２）。

　上記発明（発明２）によれば、複数の温度分布に基づいて推定された液体の流動状態を総合して液体の流動状態を推定することにより、１つの温度分布から液体の流動状態を推定する場合よりも、推定精度を向上させることができる。

　上記発明（発明１，２）においては、前記ステップ（ｃ）が、前記温度分布が取得された領域内に対となる２つの位置を設定し、前記２つの位置の温度差または温度比を求めるステップ（ｃ１）と、前記ステップ（ｃ１）を複数回実行し、前記温度分布が取得された領域内における複数対の前記２つの位置の中から、最大の温度差または温度比を有する１つの対を選択するステップ（ｃ２）と、選択された前記１つの対を構成する前記２つの位置のうちの温度の低い側の位置から温度の高い側の位置に向かう方向を、前記液体が流れる方向と推定するステップ（ｃ３）と、を含むことが好ましい（発明３）。

　上記発明（発明３）においては、前記ステップ（ｃ）が、前記ステップ（ｃ２）において選択された前記１つの対を構成する前記２つの位置の温度差または温度比から、前記液体が流れる速度を推定するステップ（ｃ４）をさらに含んでもよい（発明４）。

　上記発明（発明１～４）においては、前記ステップ（ｃ）において、前記温度分布が取得された領域が複数の単位領域に分割され、当該複数の単位領域の温度に基づいて、前記液体の流動状態が推定されてもよい（発明５）。

　上記発明（発明５）においては、１つの前記単位領域の温度が、前記温度分布により定まる当該１つの単位領域の温度と当該１つの単位領域に隣接する他の単位領域の温度との平均値として算出されてもよい（発明６）。

　上記発明（発明１～６）においては、前記ステップ（ｂ）において、前記液体に熱が付与されている加熱期間の前記液体の温度分布と、前記液体への熱の付与が停止された後の冷却期間の前記液体の温度分布の少なくとも一方が取得され、前記ステップ（ｃ）において、前記加熱期間の前記温度分布と、前記冷却期間の前記温度分布の少なくとも一方に基づいて、前記液体の流動状態が推定されてもよい（発明７）。

　上記発明（発明１～７）においては、前記ステップ（ａ）において、光源から光を前記液体に照射することにより前記液体に熱が付与されてもよい（発明８）。

　上記発明（発明１～８）においては、前記ステップ（ｂ）において、サーモグラフィカメラにより前記液体を撮影することによって、前記液体の温度分布が取得されてもよい（発明９）。

　第二に本発明は、液体に熱を付与する加熱手段と、熱が付与された前記液体の温度分布を取得する温度分布取得手段と、取得された前記温度分布に基づいて、前記液体の流動状態を推定する推定手段と、を備える液体の流動状態推定システムを提供する（発明１０）。

　本発明に係る液体の流動状態推定方法及び液体の流動状態推定システムによれば、熱は液体に対して非侵襲的に付与することができるという特性を活かし、熱を与えた液体の温度分布を把握することによって液体の流動状態を推定するので、非侵襲で液体の流動状態を推定することができる。

本発明の実施形態に係る液体の流動状態推定システムの概略構成図である。同実施形態に係る液体の流動状態推定システムの推定装置の構成を示すブロック図である。同実施形態に係る液体の流動状態推定システムの推定装置で主要な役割を果たす機能を説明するための機能ブロック図である。同実施形態に係る液体の流動状態推定システムによって熱を与えた液体の温度分布画像を模式的に示した説明図である。液体の温度分布画像に対して解析領域を設定した状態を模式的に示した説明図である。温度分布画像の解析領域において液体が流れる方向を推定する様子を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る液体の流動状態推定システムによって液体の流動状態を推定する流れを示すフローチャートである。解析領域の変形例を模式的に示した説明図であり、（ａ）は正方形の単位領域からなる解析領域を設定した例、（ｂ）は単位領域の大きさが等しくなるように同心円を複数の単位領域に分割した円形状の解析領域を設定した例である。実施例に用いた評価装置の概略構成図である。温度分布の時間変化を示す実施例１の温度分布画像を模式的に示した図である。流速の違いによる温度分布の違いを示す実施例２の温度分布画像を模式的に示した図である。実施例から得られた温度分布画像に２つの領域を設定した状態を示す図である。２つの領域の温度差の時間変化を示すグラフである。各流速パターンの温度差の変化量を示すグラフである。

　以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で説明される実施形態は例示であり、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。

　本実施形態においては、液体の流動状態推定システム１００によって、被検眼Ｅの房水の流動状態を推定する場合を例にして説明する。なお、房水の流動状態とは、房水の流れの有無、房水の流れの方向及びその流速を含む概念であり、本実施形態においては、液体の流動状態推定システム１００によって、房水の流れの有無を確認するとともに、房水の流れの方向及びその流速を推定している。

　図１に示すように、本実施形態に係る液体の流動状態推定システム１００は、被検眼Ｅに対して近赤外光を照射し、被検眼Ｅの房水に熱を付与する光源１と、光源１によって熱が付与された被検眼Ｅの房水の温度分布を取得するために、被検眼Ｅを撮影するサーモグラフィカメラ２と、取得された房水の温度分布情報（撮影された温度分布画像）から房水の流動状態を推定する推定装置３とを備える。

　本実施形態で被検眼Ｅの房水に熱を付与するために用いられる光源１としては、例えば近赤外光を照射可能なハロゲンランプ（ハロゲンヒータ）を用いることができる。光源１により所定の時間、例えば２０秒間にわたって被検眼Ｅに対して近赤外光を照射し続けることにより、近赤外光が被検眼Ｅの角膜を通過して房水に入射し、近赤外光により房水を加熱することができる。光源１は本願発明における「加熱手段」の一例であり、液体に熱を付与することができるものであれば、これに限られるものではなく、例えばレーザ光源やＬＥＤ光源等であってもよい。また、光源１に代えて、罨法器やホットタオル等を「加熱手段」として採用してもよい。

　光源１から被検眼Ｅに近赤外光が照射された位置は被検眼Ｅの加熱位置として把握するが、把握を容易にするために、光源１を複数の光源から異なる角度で光を被検眼Ｅに対して照射するものとし、その複数の光が交差する部分を加熱位置として把握してもよい。

　サーモグラフィカメラ２は、熱が付与された被検眼Ｅの房水から放射される赤外線を分析し、所定の領域の温度分布を画像として撮影する装置であり、公知の赤外線サーモグラフィカメラを用いることができる。サーモグラフィカメラ２は推定装置３に接続されており、取得した房水の温度分布情報（撮影した温度分布画像のデータ）を推定装置３へ送信可能に構成されている。なお、サーモグラフィカメラ２は本願発明における「温度分布取得手段」の一例である。

　サーモグラフィカメラ２は、光源１が被検眼Ｅに近赤外光の照射を開始した時点から被検眼Ｅを撮影し、被検眼Ｅ（の房水）の温度分布情報を取得する。サーモグラフィカメラ２は、例えば、光源１が照射を開始した時点から２０秒間、被検眼Ｅの温度分布情報を毎秒１フレームの撮影間隔で取得する。取得した被検眼Ｅの温度分布情報は、被検眼Ｅの温度分布画像としてサーモグラフィカメラ２から推定装置３に送信される。サーモグラフィカメラ２から推定装置３に送信された温度分布画像は、後述する推定装置３の表示部３６に表示され得る。

　推定装置３は、サーモグラフィカメラ２から送信された温度分布情報を取得し、取得した温度分布情報に基づいて房水の流動状態を推定するように構成されており、推定した房水の流動状態を可視化することができる。推定装置３は、本願発明における「推定手段」の一例であり、例えば汎用のパーソナルコンピュータを用いることができる。

　図２に示すように、推定装置３は、ＣＰＵ３１と、ＲＯＭ３２と、ＲＡＭ３３と、記憶装置３４と、表示処理部３５と、表示部３６と、入力部３７と、通信インタフェース部３８とを備えており、各部間の制御信号又はデータ信号を伝送するためのバス３０が設けられている。

　ＣＰＵ３１は、電源が推定装置３に投入されると、ＲＯＭ３２又は記憶装置３４に記憶された各種のプログラムをＲＡＭ３３にロードして実行する。本実施形態では、ＣＰＵ３１は、ＲＯＭ３２又は記憶装置３４に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、後述する画像生成手段４１、領域設定手段４２、温度算出手段４３、方向推定手段４４及び速度推定手段４５（図３に示す）の機能を実現する。

　記憶装置３４は、例えば、フラッシュメモリ、ＳＳＤ、磁気記憶装置（例えばＨＤＤ等）、光ディスク等の不揮発性の記憶装置であってもよいし、ＲＡＭ等の揮発性の記憶装置であってもよく、ＣＰＵ３１が実行するプログラムやＣＰＵ３１が参照するデータを格納する。また、記憶装置３４には、後述する変換テーブル５０が記憶されている。

　表示処理部３５は、ＣＰＵ３１から与えられる表示用データを表示部３６に表示する。表示部３６としては、例えば液晶ディスプレイを用いることができる。

　入力部３７は、ユーザの操作入力を受け入れるためのボタン群を備えており、各ボタンの押下（操作）入力を認識してＣＰＵ３１へ出力するためのインタフェース回路を含むが、入力部３７としてタッチパネル入力方式を採用していてもよい。

　通信インタフェース部３８にはサーモグラフィカメラ２が接続されており、推定装置３が、サーモグラフィカメラ２から送信された温度分布画像を取得できるように構成されている。また、通信インタフェース部３８に光源１を接続し、光源１から被検眼Ｅへの近赤外光の照射（光源１のオン・オフ）を推定装置３によって制御できるように構成されていてもよいし、通信インタフェース部３８に他の端末装置等を接続し、推定装置３から当該端末装置等に房水の流動状態の推定結果を送信できるように構成されていてもよい。

　以上のように構成された推定装置３で実現される機能について、図３を参照して説明する。図３は、本実施形態の推定装置３で主要な役割を果たす機能を説明するための機能ブロック図であり、画像生成手段４１、領域設定手段４２、温度算出手段４３、方向推定手段４４及び速度推定手段４５から構成されている。これらの手段はその全てが推定装置３の必須の構成要素ではなく、加熱対象の液体の種類や周辺環境、気象条件、システム１００の用途、推定装置３の計算負荷等を考慮して、推定装置３の機能を適宜変更することができる。

　画像生成手段４１は、推定装置３が取得した複数の温度分布画像Ｄから、房水の流動状態を推定するために用いる処理対象画像Ｄ_Ｐを生成する機能を備え、当該機能は、例えば以下のように実現される。前提として、サーモグラフィカメラ２が、光源１が照射を開始した時点から２０秒間、被検眼Ｅの温度分布情報を毎秒１フレームの撮影間隔で取得しており、推定装置３は全部で２０枚の温度分布画像Ｄ_ｎ（ｎ＝１～２０）を取得しているものとする。

　まず、推定装置３のＣＰＵ３１は、サーモグラフィカメラ２から通信インタフェース部３８を介して取得した被検眼Ｅの温度分布画像Ｄ_ｎ（ｎ＝１～２０）の中から基準となる温度分布画像を１枚、例えば、近赤外光の照射開始後５秒後に撮影された温度分布画像Ｄ_５を基準画像Ｄ_ｓとして選択する。なお、基準画像Ｄ_ｓの取得時は加熱開始後５秒後に限定されるものではなく、加熱対象の液体の種類や加熱方法、システム１００の用途等により変更されることができ、例えば実験等によって決定されてもよい。また、取得した被検眼Ｅの温度分布画像Ｄ_ｎ（ｎ＝１～２０）の中から複数枚の温度分布画像を選択し、それらの複数枚の温度分布画像の平均画像を基準画像Ｄ_ｓとしてもよい。

　続いてＣＰＵ３１は、基準画像Ｄ_ｓの撮影後に撮影された温度分布画像Ｄ_ｎの中から１枚の温度分布画像、例えば近赤外光の照射開始後６秒後に撮影された温度分布画像Ｄ_６を選択し、温度分布画像Ｄ_６から基準画像Ｄ_ｓを差し引いて温度分布の差分画像を生成し、これを処理対象画像Ｄ_Ｐとする。生成される処理対象画像Ｄ_Ｐは１枚に限られるものではなく、複数枚の処理対象画像Ｄ_Ｐを生成してもよい。例えば近赤外光の照射開始後６秒後に撮影された温度分布画像Ｄ_６と、近赤外光の照射開始後７秒後に撮影された温度分布画像Ｄ_７とを選択し、温度分布画像Ｄ_６と温度分布画像Ｄ_７とからそれぞれ基準画像Ｄ_ｓを差し引くことにより、２枚の処理対象画像Ｄ_Ｐを生成することができる。

　処理対象画像Ｄ_Ｐは、必ずしも基準画像Ｄ_ｓと温度分布画像Ｄ_ｎとから生成された差分画像とする必要はなく、加熱対象の液体の種類や加熱方法、システム１００の用途等によっては、温度分布画像Ｄ_ｎをそのまま処理対象画像Ｄ_Ｐとして液体の流動状態を推定してもよい。ただし、房水のように非常に流れが遅く、付与された熱が液体中を拡散していくスピードがその液体自体の流れのスピードよりも速いような液体の流動状態を推定する場合には、基準画像Ｄ_ｓと温度分布画像Ｄ_ｎとから生成された差分画像を処理対象画像Ｄ_Ｐとして用いることにより、流動状態の可視化が容易にできるという利点がある。

　領域設定手段４２は、処理対象画像Ｄ_Ｐを複数の単位領域に分割する機能を備え、当該機能は、例えば以下のように実現される。推定装置３のＣＰＵ３１は、図４に示すような画像生成手段４１によって生成された被検眼Ｅの処理対象画像Ｄ_Ｐを取得すると、図５に示すように、当該処理対象画像Ｄ_Ｐに対して解析領域Ａを設定する。

　解析領域Ａは、例えば、その領域の中心位置が、光源１による加熱位置（光源１によって加熱された被検眼Ｅ上の位置）に一致するように、処理対象画像Ｄ_Ｐに対して設定される。本実施形態においては、解析領域Ａを、図５に示すように、領域全体の外形が略正六角形になるように正六角形の単位領域をハニカム状に配置したものとしている。このような解析領域Ａを処理対象画像Ｄ_Ｐに対して設定することにより、処理対象画像Ｄ_Ｐを複数の単位領域に分割することができる。

　温度算出手段４３は、各単位領域の温度を算出する機能を備え、当該機能は、例えば以下のように実現される。推定装置３のＣＰＵ３１は、温度を算出する対象となる１つの単位領域の温度を処理対象画像Ｄ_Ｐに基づいて取得するとともに、当該１つの単位領域に隣接する他の単位領域の温度を処理対象画像Ｄ_Ｐに基づいて取得する。続いて、それらの温度の平均値を算出し、算出された平均値を対象とした１つの単位領域の温度とする。このように周囲の単位領域の温度も考慮して１つの単位領域の温度を算出することにより、当該１つの単位領域の温度をそのまま用いるよりも温度のばらつきを抑えることができるため、各単位領域の温度を精度良く算出することができる。なお、１つの単位領域の温度を算出するために、必ずしも全ての隣接する単位領域の温度を用いる必要はなく、加熱対象の液体の種類や周辺環境、気象条件、システム１００の用途、推定装置３の計算負荷等を考慮して、温度の算出方法を適宜変更することができる。

　例えば、図５に示す単位領域Ｈ_１を温度算出の対象領域とすると、ＣＰＵ３１は、単位領域Ｈ_１の温度Ｔ_１を処理対象画像Ｄ_Ｐのデータから取得するとともに、単位領域Ｈ_１に隣接する４つの単位領域Ｈ_２、Ｈ_３、Ｈ_４、Ｈ_５それぞれの温度Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４、Ｔ_５を処理対象画像Ｄ_Ｐのデータから取得する。得られた全部で５つの温度（Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４、Ｔ_５）を平均して算出された温度Ｔ_Ａ１を、単位領域Ｈ_１の温度とする。ＣＰＵ３１は、処理対象画像Ｄ_Ｐに設定された解析領域Ａを構成する全ての単位領域の温度を、同様の方法で算出することができる。

　方向推定手段４４は、処理対象画像Ｄ_Ｐから房水の流れの方向を推定する機能を備え、当該機能は、例えば以下のように実現される。まず、推定装置３のＣＰＵ３１は、処理対象画像Ｄ_Ｐの解析領域Ａ内に対となる２つの位置を設定し、当該２つの位置の温度差を算出する。例えば、図６（ａ）に示すように、解析領域Ａの外周部分に位置する単位領域の中から、対向する位置にある２つの単位領域Ｈ_Ａ１及びＨ_Ａ２を設定し、単位領域Ｈ_Ａ１の温度と単位領域Ｈ_Ａ２の温度との差を算出する。なお、説明をわかりやすくするために、図６の処理対象画像Ｄ_Ｐには温度分布を描いていない。

　同様にして、図６（ｂ）に示すように、対向する位置にある２つの単位領域のペア（対）を５つ設定し、それぞれのペアを構成する２つの単位領域（図６（ｂ）における単位領域Ｈ_Ｂ１及びＨ_Ｂ２、Ｈ_Ｃ１及びＨ_Ｃ２、Ｈ_Ｄ１及びＨ_Ｄ２、Ｈ_Ｅ１及びＨ_Ｅ２、Ｈ_Ｆ１及びＨ_Ｆ２）の温度差を算出する。このようにして得られた６つのペアの単位領域の中から、２つの単位領域間の温度差が最大である１つのペアを選択する。ここでは、単位領域Ｈ_Ｂ１及びＨ_Ｂ２の温度差が最大となっており、当該２つの単位領域から構成される１つのペアが選択されたものとする。

　続いてＣＰＵ３１は、選択された１つのペアを構成する２つの単位領域Ｈ_Ｂ１及びＨ_Ｂ２のうち、温度の低い側の単位領域から温度の高い側の単位領域に向かう方向を、房水が流れる方向と推定する。例えば、単位領域Ｈ_Ｂ１の温度が単位領域Ｈ_Ｂ２の温度よりも低い場合、図６（ｃ）に示すように、房水は単位領域Ｈ_Ｂ１から単位領域Ｈ_Ｂ２へと向かう方向に流れていると推定される。推定された房水が流れる方向は、ＣＰＵ３１から表示処理部３５に表示用データとして伝送され、表示部３６に表示された被検眼Ｅの撮影画像（温度分布画像や処理対象画像、差分画像等を含む）上に重ねて方向指示画像（例えば矢印）を用いて表示され得る。

　本実施形態においては、各ペアにおける２つの位置が解析領域Ａの外周部分に、かつ双方が対向するように（対角線上にくるように）設定されたが、これに限られるものではなく、例えば、図６（ｄ）に示すように、ペアとなる２つの位置の一方を解析領域Ａの中心に、他方を解析領域Ａの外周部分に設定して、解析領域Ａの中心位置と複数の外周部分の位置との温度差に基づいて房水の流れの方向を推定してもよい。この例では、解析領域Ａの中心にある単位領域Ｈ_０と外周部分にある単位領域Ｈ_０１、Ｈ_０２、Ｈ_０３、Ｈ_０４、Ｈ_０５、Ｈ_０６、のそれぞれとで構成される６つのペアを設定し、単位領域Ｈ_０の温度と単位領域Ｈ_０１の温度との差、単位領域Ｈ_０の温度と単位領域Ｈ_０２の温度との差、のように、それぞれのペアの２つの単位領域間の温度差を算出することになる。

　なお、ペアとする２つの位置をそれぞれ１つの単位領域とせず、複数の単位領域から形成される単位領域の集合体としてもよい。その場合、当該単位領域の集合体の温度は集合体を形成する単位領域の温度の平均値としてもよい。

　また、画像生成手段４１が複数枚の処理対象画像Ｄ_Ｐを生成していた場合、それら複数枚の処理対象画像Ｄ_Ｐから得られる各単位領域の温度の処理対象画像Ｄ_Ｐ間の平均値を各単位領域の温度とし、その平均温度に基づいて上述のように流れの方向を推定してもよい。あるいは、それら複数枚の処理対象画像Ｄ_Ｐのそれぞれについて上述のように流れの方向を推定し、得られた結果を総合的に勘案して房水が流れる方向を推定してもよい。

　速度推定手段４５は、方向推定手段４４が房水の流れる方向を推定するために用いた２つの位置の温度差から、房水の流れる速度を推定する機能を備え、当該機能は、例えば以下のように実現される。

　推定装置３のＣＰＵ３１は、方向推定手段４４が房水の流れる方向を推定するために用いた２つの位置、すなわち単位領域Ｈ_Ｂ１及びＨ_Ｂ２の温度差を、記憶装置３４に記憶されている変換テーブル５０と照合し、当該温度差から導き出される流速を房水の流れる速度として推定する。具体的には、変換テーブル５０は、種々の流速において２つの位置の温度差を計測するモデルを用いて、２つの位置の温度差の変化量と流速の関係を数値化することによって事前に作成されるものであり、温度差の時間変化量（傾き）と流速との関係が規定されている。この変換テーブル５０に、実際に推定装置３が取得した２つの位置の温度差の変化量を照らし合わせることにより、房水の流れる速度を推定することができる。推定された房水が流れる速度は、ＣＰＵ３１から表示処理部３５に表示用データとして伝送され、表示部３６に表示された被検眼Ｅの撮影画像及び方向指示画像の近傍に表示され得る。

　変換テーブル５０の一例を表１に示す。表１の変換テーブル５０では、流速０μＬ／分（流れなし）、５μＬ／分、１０μＬ／分、１５μＬ／分、２０μＬ／分において２つの位置の温度差を計測するモデルを用いて、２つの位置の温度差の変化量と流速の関係が数値化されており、事前にこのような変換テーブル５０を作成し、記憶装置３４に記憶させておく。なお、事前に温度差の変化量と流速との関係に基づいて回帰分析を行い、得られた回帰式を変換テーブル５０としてもよい。

　ＣＰＵ３１は、方向推定手段４４が房水の流れる方向を推定するために用いた２つの位置の温度差を基にして温度差の変化量を求め、変換テーブル５０においてその温度差の変化量に対応する流速を、房水の流れる速度として推定する。例えば、方向推定手段４４が房水の流れる方向を推定するために用いた２つの位置の温度差を基にした温度差の変化量が０.０１５８と算出された場合、変換テーブル５０において最も近い値は０.０１６であるため、ＣＰＵ３１は、房水の流れる速度を１５μＬ／分と推測する。

　本実施形態においては、推定装置３が、方向推定手段４４及び速度推定手段４５において、解析領域Ａ内の２つの位置の温度差から房水が流れる方向や房水が流れる速度を推定しているが、温度差に代えて温度比を用いて推定してもよい。

　以上のように構成された液体の流動状態推定システム１００により行われる、被検眼Ｅの房水の流動状態を推定する液体の流動状態推定方法の主要な処理の流れを、図７に示すフローチャートを参照しながら説明する。

　まず、光源１を点灯状態にして、被検眼Ｅに対して近赤外光の照射を開始する（ステップＳ１０１）。これにより、近赤外光が被検眼Ｅの角膜を通過して房水に入射し、近赤外光により房水の加熱が開始される。

　光源１から近赤外光を被検眼Ｅに対して照射し続けながら、サーモグラフィカメラ２で被検眼Ｅを撮影し、被検眼Ｅ（の房水）の温度分布情報を取得する（ステップＳ１０２）。本実施形態では、サーモグラフィカメラ２は、光源１が照射を開始した時点から２０秒間、被検眼Ｅの温度分布情報を毎秒１フレームの撮影間隔で取得し、サーモグラフィカメラ２により取得された温度分布情報は、被検眼Ｅの温度分布画像Ｄ_ｎ（ｎ＝１～２０）としてサーモグラフィカメラ２から推定装置３に送信される。推定装置３は、全部で２０枚の被検眼Ｅの温度分布画像を取得するが、必要に応じてその全てまたは一部の温度分布画像を記憶装置３４に記憶する。

　推定装置３は、被検眼Ｅの温度分布画像Ｄ_ｎ（ｎ＝１～２０）をサーモグラフィカメラ２から取得すると、当該温度分布画像Ｄ_ｎ（ｎ＝１～２０）の中から、近赤外光の照射開始後５秒後に撮影された温度分布画像Ｄ_５を基準画像Ｄ_ｓとして選択する（ステップＳ１０３）。推定装置３は、基準画像Ｄ_ｓとした１枚以外の温度分布画像Ｄ_ｎ（ｎ＝１～２０）の中から１枚の温度分布画像Ｄ_ｎを選択し、選択された温度分布画像Ｄ_ｎから基準画像Ｄ_ｓを差し引いて温度分布の差分画像を生成し、これを処理対象画像Ｄ_Ｐとする（ステップＳ１０４）。

　一方、推定装置３は、処理対象画像Ｄ_Ｐに対して複数の単位領域に分割された解析領域Ａを設定する（ステップＳ１０５）。続いて、推定装置３は、解析領域Ａを構成する全ての単位領域の温度を処理対象画像Ｄ_Ｐに基づいて取得する（ステップＳ１０６）。１枚の処理対象画像Ｄ_Ｐにおける１つの単位領域の温度は、１枚の処理対象画像Ｄ_Ｐから得られる当該単位領域の温度と、それに隣接する複数の単位領域の温度との平均値として算出される。

　続いて、推定装置３は、処理対象画像Ｄ_Ｐの解析領域Ａ内に複数ペアの２つの位置を設定し、それぞれのペアを構成する２つの位置の温度差を算出する（ステップＳ１０７）。次に、推定装置３は、複数ペアの中から、それぞれのペアを構成する２つの位置の温度差が最大である１つのペアを選択し（ステップＳ１０８）、選択された１つのペアを構成する２つの位置のうち、温度の低い側の位置から温度の高い側の位置に向かう方向を、房水が流れる方向と推定する（ステップＳ１０９）。

　加えて、推定装置３は、房水の流れる方向を推定するために用いた２つの位置の温度差を、記憶装置３４に記憶されている変換テーブル５０と照合し、当該温度差から導き出される房水の流れる速度として推定する（ステップＳ１１０）。

　このようにして、本実施形態に係る液体の流動状態推定システム１００及び当該システム１００を用いて実施される液体の流動状態推定方法は、熱は液体に対して非侵襲的に付与することができるという特性を活かし、熱を与えた液体の温度分布を把握することにより、非侵襲で房水の流動状態、すなわち、房水の流れの方向と流速とを推定することができる。

　なお、上述の実施形態においては、光源１による近赤外光の照射によって房水に熱が付与されている加熱期間における房水の温度分布を取得し、当該加熱期間の温度分布に基づいて房水の流動状態を推定しているが、房水に熱を付与した後に光源１による近赤外光の照射を停止し、房水への熱の付与が停止された後の冷却期間における房水の温度分布を取得し、当該冷却期間の温度分布に基づいて房水の流動状態を推定してもよいし、加熱期間の温度分布及び冷却期間の温度分布の両方を取得し、それら両方に基づいて房水の流動状態を推定してもよい。

　ここで、本実施形態に係る液体の流動状態推定システム１００及び当該システム１００を用いて実施される液体の流動状態推定方法においては、取得した１つの液体の温度分布情報(１枚の温度分布画像)からでも当該液体の流動状態、例えば液体流れの有無や流れの方向を推定することが可能である。一方で、複数の温度分布情報（取得タイミングの異なる複数枚の温度分布画像）に基づいて推定された液体の流動状態を総合して液体の流動状態を推定する場合には、１つの温度分布情報から液体の流動状態を推定する場合よりも、推定精度を向上させることができる。

　以上、本発明に係る液体の流動状態推定方法及び液体の流動状態推定システムについて説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変更実施が可能である。例えば、上記実施形態においては、複数の正六角形の単位領域をハニカム状に並べた解析領域を温度分布画像に対して設定しているが、解析領域において液体の流れの方向を的確に推定できるものであればこれに限られるものではなく、例えば、図８（ａ）に示すように、複数の正方形の単位領域からなる解析領域Ａ_１として設定してもよいし、図８（ｂ）に示すように、単位領域の大きさが等しくなるように同心円を複数の単位領域に分割した円形状の解析領域Ａ_２を設定してもよい。また、各ピクセルを単位領域として解析領域を設定してもよい。

　また、上記実施形態においては、サーモグラフィカメラ２が被検眼Ｅの温度分布画像を毎秒１フレームの撮影間隔で取得しているが、これに限られるものではなく、例えば毎秒１０フレームの撮影間隔で取得してもよく、連続する複数フレーム（例えば３フレーム）の平均画像を、推定装置３が処理する温度分布画像として、房水の流動状態が推定されてもよい。このように前後数フレームの温度分布画像の平均画像を用いることにより、撮影ごとの画像のばらつきや温度の経時変化のばらつきを低減することができる。

　さらに、本発明に係る液体の流動状態推定方法及び液体の流動状態推定システムは、上記実施形態においては房水の流動状態を推定するために用いられているが、適用分野はこれに限られるものではない。例えば水漏れや油漏れの有無やその原因箇所の発見のために水や油の流れの状態を把握することや、人体中の血液の流れの状態を把握すること、マイクロ流路の加工精度の検証等にも適用可能である。

　本発明に係る液体の流動状態推定方法及び液体の流動状態推定システムについて、以下、実施例を示してさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。

［評価装置］
　図９に示すような評価装置５を用いて、液体（水）の流動状態を推定する実験を行った。評価装置５は、ガラス基板５１上に、平面視円形状の液体流動空間５２１が形成された樹脂製のガスケット５２を配置し、ガスケット５２上にカバーガラス５３を配置して一体としたものであり、ガスケット５２の液体流動空間５２１の一側部（図９における左側）にはガスケット５２へと液体を供給する流入管５４が挿し込まれる流入部５２２が、液体流動空間５２１の反対側の側部（図９における右側）にはガスケット５２から液体が排出される流出管５５が挿し込まれる流出部５２３が設けられている。また、評価装置５は、ポンプ（不図示、Ｆｉｓｈｅｒ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ製ＭＩＮＩ－ＰＵＭＰ　ＶＡＲＩＡＢＬＥ　ＦＬＯＷ。）を用いてガスケット５２の流入部５２２から液体を供給し、流出部５２３から液体を排出することにより、ガスケット５２の液体流動空間５２１内の液体に流れを発生させることができるように構成されており、ポンプを制御することにより、液体流動空間５２１内の液体の流速を所望の速度に制御することができるようになっている。

　評価装置５は、ガスケット５２の液体流動空間５２１の中心に対して、近赤外光源（不図示、住田光学ガラス製赤外線ハロゲンランプ用照明装置。）から近赤外光を照射し、サーモグラフィカメラ（不図示、ＦＬＩＲ　Ｓｙｓｔｅｍｓ製Ｂｏｓｏｎ３２０、９２°（ＨＦＯＶ）２．３ｍｍ。）によって当該液体流動空間５２１内の液体の温度分布画像を撮影できるようになっている。

［実施例１］
　このような評価装置５を用いて、流動状態を推定する対象となる液体として水を用いて、その流動状態を推定する実験を行った。まず、水を２０μＬ／分の流速で液体流動空間５２１内に流すとともに、発光強度を２４．６ｍＷとした近赤外光の照射を開始して水の加熱を行い、照射開始時（０秒）、照射開始から５秒後、１５秒後、３０秒後の液体流動空間５２１内の水の温度分布画像をサーモグラフィカメラで撮影した。撮影した４枚の温度分布画像を模式化したものを図１０に示す。図１０には、水の流速を固定した状態で、加熱し続けた水の温度分布が時間とともにどのように変化していくのかが表されている。

［実施例２］
　次に、このような評価装置５を用いて、液体流動空間５２１内に流す水の流速を０μＬ／分（流れなし）、５μＬ／分、１０μＬ／分、２０μＬ／分と変えた４つのパターンで、近赤外光の照射を開始して水の加熱を行い、照射開始から１５秒後の液体流動空間５２１内の水の温度分布画像をサーモグラフィカメラで撮影した。撮影した４枚の温度分布画像を模式化したものを図１１に示す。図１１には、加熱開始から所定の時間が経過した時点で、水の流速の違いにより温度分布がどのように異なるのかが表されている。

　実施例１及び実施例２で撮影された温度分布画像から、液体に熱を付与し、熱が付与された液体の温度分布を取得することにより、その取得された温度分布に基づいて、液体の流動状態を推定できることがわかる。

［水の流動性の数値化］
　実施例２における各流速のパターンで得られた温度分布画像から、水の流動性の数値化を試みた。まず、流速０μＬ／分（流れなし）のパターンにおいて撮影間隔５秒で撮影された温度分布画像と、流速２０μＬ／分のパターンにおいて撮影間隔５秒で撮影された温度分布画像とに対して、図１２に示すような２つの領域ａ、領域ｂを設定し、上述した実施形態の手法を用いて、それぞれの領域の温度を取得し、領域ａ及び領域ｂの温度差を算出した。水の加熱開始時（０秒）、加熱開始から５秒、１０秒、１５秒、２０秒、２５秒、３０秒経過後の領域ａ及び領域ｂの温度差を、縦軸に温度差、横軸に経過時間を設定したグラフにプロットすると、図１３のように図示することができた。図１３をみると、流速０μＬ／分（流れなし）のパターンは領域ａ及び領域ｂの温度差がない状態が継続し、流速２０μＬ／分のパターンのプロットはほぼ右肩上がりの直線上に並ぶことが理解される。

　また、実施例２の４つの流速のパターンに加えて、液体流動空間５２１内に流す水の流速を１５μＬ／分に設定したパターンでも同様の実験を行い、合計５つの流速のパターンについて図１３と同様のグラフを作成し、各流速パターンの温度差の傾き（Δｙ／Δｘ）を算出した。算出した各流速パターンの温度差の傾き（Δｙ／Δｘ）を各流速パターンの温度差の変化量として、当該変化量を、縦軸に温度差の変化量、横軸に流速を設定したグラフにプロットすると、図１４のように図示することができた。図１４をみると、温度差の変化量は流速に比例して定まることが理解され、このような実験を行うことにより、上述した実施形態における変換テーブル５０を事前に作成しておくことができることがわかる。

１００　液体の流動状態推定システム
１　光源（加熱手段）
２　サーモグラフィカメラ（温度分布取得手段）
３　推定装置（推定手段）
４１　画像生成手段
４２　領域設定手段
４３　温度算出手段
４４　方向推定手段
４５　速度推定手段
Ｅ　被検眼
５　評価装置

Claims

　液体に熱を付与するステップ（ａ）と、
　熱が付与された前記液体の温度分布を取得するステップ（ｂ）と、
　取得された前記温度分布に基づいて、前記液体の流動状態を推定するステップ（ｃ）と、を有する液体の流動状態推定方法。
　前記ステップ（ｂ）において、前記液体の異なる時点における複数の温度分布が取得され、
　前記ステップ（ｃ）において、取得された複数の前記温度分布に基づいて、前記液体の流動状態が推定される、請求項１に記載の液体の流動状態推定方法。
　前記ステップ（ｃ）が、
　前記温度分布が取得された領域内に対となる２つの位置を設定し、前記２つの位置の温度差または温度比を求めるステップ（ｃ１）と、
　前記ステップ（ｃ１）を複数回実行し、前記温度分布が取得された領域内における複数対の前記２つの位置の中から、最大の温度差または温度比を有する１つの対を選択するステップ（ｃ２）と、
　選択された前記１つの対を構成する前記２つの位置のうちの温度の低い側の位置から温度の高い側の位置に向かう方向を、前記液体が流れる方向と推定するステップ（ｃ３）と、を含む、請求項１または２に記載の液体の流動状態推定方法。
　前記ステップ（ｃ）が、
　前記ステップ（ｃ２）において選択された前記１つの対を構成する前記２つの位置の温度差または温度比から、前記液体が流れる速度を推定するステップ（ｃ４）をさらに含む、請求項３に記載の液体の流動状態推定方法。
　前記ステップ（ｃ）において、前記温度分布が取得された領域が複数の単位領域に分割され、当該複数の単位領域の温度に基づいて、前記液体の流動状態が推定される、請求項１～４のいずれか１項に記載の液体の流動状態推定方法。
　１つの前記単位領域の温度が、前記温度分布により定まる当該１つの単位領域の温度と当該１つの単位領域に隣接する他の単位領域の温度との平均値として算出される、請求項５に記載の液体の流動状態推定方法。
　前記ステップ（ｂ）において、前記液体に熱が付与されている加熱期間の前記液体の温度分布と、前記液体への熱の付与が停止された後の冷却期間の前記液体の温度分布の少なくとも一方が取得され、
　前記ステップ（ｃ）において、前記加熱期間の前記温度分布と、前記冷却期間の前記温度分布の少なくとも一方に基づいて、前記液体の流動状態が推定される、請求項１～６のいずれか１項に記載の液体の流動状態推定方法。
　前記ステップ（ａ）において、光源が光を前記液体に照射することによって前記液体に熱が付与される、請求項１～７のいずれか１項に記載の液体の流動状態推定方法。
　前記ステップ（ｂ）において、サーモグラフィカメラが前記液体を撮影することによって前記液体の温度分布が取得される、請求項１～８のいずれか１項に記載の液体の流動状態推定方法。
　液体に熱を付与する加熱手段と、
　熱が付与された前記液体の温度分布を取得する温度分布取得手段と、
　取得された前記温度分布に基づいて、前記液体の流動状態を推定する推定手段と、を備える液体の流動状態推定システム。