JP5078920B2

JP5078920B2 - 液面検出装置及び方法

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Publication number: JP5078920B2
Application number: JP2009015631A
Authority: JP
Inventors: 満藤岡; 耕史前田; 雅人石沢
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2029-01-27
Also published as: JP2010175291A

Description

本発明は、溶液の液面を検出する技術に関し、特に撮像装置によって得た画像より液面を検出する技術に関する。

自動分析装置には、試料や試薬を分注する分注機構が備えられている。分注機構は、分注チップによって、一定量の試料や試薬を分注して容器に滴下するものである。分注チップによる吸引量が正確でないと、反応等に大きく影響し分析結果の信頼性を損なう。従って、分注した多数の試料から、分注量が適正範囲に入った試料だけを選び出す技術を確立する必要がある。そのために、分注チップによって吸引された液の液量を正確に測定する技術が必要である。即ち、分注チップによって吸引された液の液面を正確に検出する方法が必要である。

従来、液面検出方法として、電極を用いた電気伝導度測定法、超音波測定法、カメラによる画像認識法等が知られている。電気伝導度測定法、及び、超音波測定法は、分注チップによって吸引された液の液面を測定するのに適していない。特許文献１、２には、カメラを用いた液面検出方法の例が開示されている。特許文献１の装置では、ＣＣＤカメラとガラス管とを結ぶ線の延長線に対して、ガラス管の斜め３０°後方に光源を配置する。ガラス管内に液体がある所と無いところでは屈折率が相違する。そのため、光源の反射光の像は液面で不連続になるため、液面を検出することができる。特許文献１には、１台のカメラによって液面を撮像する場合と２台のカメラによって液面を撮像する場合が記載されている。

特開平７−２１８３９７特開２００６−３００８７５

分注チップのように管径が小さい場合には、吸引量は微量である。このような場合、液面に占めるメニスカス部位の割合が大きい。そのため、液面を正確に検出するためにはメニスカス部位を高精度に計測することが求められる。

しかしながら、従来の技術では、メニスカスの発生による液面の湾曲を考慮に入れていない。そのため、メニスカス部位が不明瞭となり、液面を特定するのが困難である。更に、外乱光の影響を大きく受け、液面を正確に検出できない問題があった。

本発明の目的は、メニスカスを有する液面を高精度に検出する液面検出装置及び方法を提供することにある。

本発明の液面検出装置は、光透過性の容器又は分注チップに収容された溶液に照明光を照射する光源と、溶液を照明光に対して逆光の位置から撮像する撮像装置と、撮像装置からの画像を処理することによって液面の位置を検出する画像処理装置と、を有する。

光源の一方の縁は、撮像装置の光軸上に配置されている。光源の他方の縁は、何処に配置されていてもよいが、好ましくは撮像装置の光軸に対して１０〜４０度の角度の位置に配置されている。

本発明によれば、メニスカスを有する液面を高精度に検出することができる。

本発明の遺伝子検査装置の構造例を説明するための概観斜視図である。本発明の遺伝子検査装置によって遺伝子検査を行なう方法の例を説明するための図である。分注チップによって吸引された試薬の液面のメニスカスの例を示す図である。本発明の液面検出装置による液面検出処理の例を示す図である。本発明の液面検出装置における光源の配置を示す図である。本発明の液面検出装置における光源の配置を示す図である。本発明の液面検出装置における光源の配置を示す図である。本発明の液面検出装置によって撮像された液面の像を示す図である。本発明の液面検出装置によって撮像された液面の像を示す図である。

以下に、本発明の液面検出装置を備えた装置の例を説明する。本発明の液面検出装置は、溶液の分注機能を有する装置に適用可能である。分注機能を備えた装置として、血液の自動分析装置や免疫装置、蛋白の自動分画装置、オートサンプラー等がある。ここでは、遺伝子検査装置について説明する。遺伝子検査装置は、遺伝子増幅反応を用いて検体の増幅反応から分析対象遺伝子の定性定量の分析を行うための装置である。

図１は、本発明の液面検出装置を備えた遺伝子検査装置の例を示す。図示のようにＸＹＺ座標を設定する。即ち、遺伝子検査装置の台座１１１に平行にＸＹ軸をとり、それより垂直下方にＺ軸をとる。本例の液面検出装置は、光源１０４と、光源と向かい合うように配置されたＣＣＤカメラ１１３と、ＣＣＤカメラ１１３によって撮像された画像を処理する演算処理部１１２とを有する。光源１０４として、平行光線を生成するように構成された比較的幅が広い面光源を用いる。しかしながら、光源１０４として、点光源を用いてもよい。その場合には、光源１０４の前に、光を平行光線化する光学素子、例えば、拡散板、レンズ等を設ける。光源１０４とカメラ１１３の間には、反応試薬を吸引した分注チップ１０３が配置されるように構成されている。分注チップ１０３は、光透過性の又は透明な材料からなり、どのような色又は模様が付されていてもよい。例えば、識別用に赤色、黄色、青色等が着色されていてもよい。更に、識別用の模様、シンボル等が付されていてもよい。分注チップ１０３は、どのような形式のチップであってもよい。例えば、ディスポーザブル型のチップ、ポリプロピレン等のプラスチック製のチップ等でもよい。更に、樹脂プローブでもよい。尚、本発明による液面検出装置は、液面を検出するものであり、液体を収納する容器は光透過性の又は透明な材料によって形成されていれば、どのような形状であってもよい。

光源１０４からの照明光は、分注チップ１０３を照射する。カメラ１１３は、分注チップ１０３の像を逆光の位置から撮像する。光源１０４は、平行光線又は略平行な光線を生成するように構成されているものであればどのような光源であってもよく、例えば発光ダイオード（LED）であってよい。本例では、光源１０４とカメラ１１３は向かい合うように配置されているが、カメラ１１３によって、分注チップ１０３の像を逆光の位置から撮像することができればどのような配置であってもよく、例えば、鏡などの反射板を用いて光路を変更してもよい。この場合には、光源１０４とカメラ１１３の間の相対的な位置の自由度が大きくなる。また、撮像時に外乱光を遮蔽するように構成してもよい。それによって、照度が安定し、再現性のある撮像データを得ることができる。

分注チップ１０３は、Ｚ方向に移動可能な分注アーム１０２に装着されている。分注アーム１０２は、駆動軸１０１に沿ってＹ方向に移動可能である。駆動軸１０１には、Ｚ方向に移動可能な容器運搬アーム１１４が装着されている。容器運搬アーム１１４は駆動軸１０１に沿ってＹ方向に移動可能である。駆動軸１０１は、台座１１１上に装着された移動レール１０７に沿ってＸ方向に移動可能である。従って、分注アーム１０２及び容器運搬アーム１１４はＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に自由に移動することができる。

台座１１１には、温度制御用のペルチェ素子を備えた前処理ブロック１０５、分注チップ１０３を保管する分注チップブロック１１０、反応試薬を保管する反応試薬ブロック１０８、サンプル架設ポジション１０９、攪拌ユニット１１５、ターンテーブル１０６、及び、検出器１１６が設けられている。

図２を参照して、本例の遺伝子検出装置を用いて遺伝子の分析を行なう方法の例を説明する。サンプル架設ポジション１０９には、核酸抽出されたサンプルを含むサンプル容器が保管されている。ステップＳ１０１にて、容器運搬アーム１１４を操作して、サンプル容器を、サンプル架設ポジション１０９から前処理ブロック１０５に運搬する。

ステップＳ１０２にて、分注アーム１０２を分注チップブロック１１０に移動する。そこで、分注チップブロック１１０に保管された新しい分注チップ１０３を、分注アーム１０２の先端に装着する。ステップＳ１０３にて、分注アーム１０２を反応試薬ブロック１０８に移動する。分注チップ１０３によって、第１の反応試薬を微量吸引する。ステップＳ１０４にて、分注チップ１０３を、光源１０４とカメラ１１３の間に配置する。カメラ１１３によって、分注チップ１０３内の反応試薬の液面を撮像し、画像処理を行なう。画像処理の詳細は、図４を参照して説明する。画像処置によって、分注チップ１０３内の反応試薬の液量を測定することができる。

ステップＳ１０５にて、分注チップ１０３による吸引量、即ち、反応試薬の吸引量が適切であるか否かを判定する。吸引量が適切でない場合には、ステップＳ１０３に戻り、再度、反応試薬を採取する。吸引量が適切である場合には、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６にて、分注チップ１０３によって吸引した反応試薬を、前処理ブロック１０５上のサンプル容器に吐出する。

尚、吐出後に、カメラ１１３によって分注チップ１０３を撮像し、分注チップ１０３内に、反応試薬が残存していないかを確認してもよい。更に、反応試薬の吐出前と後に、前処理ブロック１０５上のサンプル容器をカメラ１１３によって撮像してもよい。それによって、分注が適切に行なわれているか否かを確認することができる。

ステップＳ１０７にて、容器運搬アーム１１４を操作して、サンプル容器を、前処理ブロック１０５から攪拌ユニット１１５に搬送する。攪拌ユニット１１５によって、サンプル容器内の核酸と反応試薬の混合液は、攪拌される。ステップＳ１０８にて、容器運搬アーム１１４を操作して、サンプル容器を、攪拌ユニット１１５から前処理ブロック１０５に搬送する。前処理ブロック１０５にて、サンプル容器内の核酸は、分解酵素反応、転写酵素反応、逆転写酵素のいずれかの酵素反応を行なう。ステップＳ１０９にて、全ての酵素反応が終了したか否かを判定する。全ての酵素反応が終了していない場合には、ステップＳ１０２に戻し、ステップＳ１０２〜ステップＳ１０９を繰り返す。例えば、ステップＳ１０３では、第２の反応試薬を吸引する。更に、第２の反応試薬についてステップＳ１０４〜ステップＳ１０９を繰り返す。

全ての酵素反応が終了している場合には、ステップＳ１１０にて、容器運搬アーム１１４を操作して、サンプル容器を前処理ブロック１０５からターンテーブル１０６に搬送する。ターンテーブル１０６にて、核酸の増幅反応を行なう。増幅反応中に、検出器１１６によって蛍光量を検出し、遺伝子の定性及び定量分析を行う。

図３は、ＣＣＤカメラ１１３から観察した分注チップ１０３を模式的に示す。分注チップ１０３によって吸引された反応試薬の液面にメニスカス１１７が形成されている。本例の液面検出装置によると、反応試薬の液面と液面の高さＨ及びｈを測定する。液面の高さＨは、分注チップ１０３の下端から液面の中央までの高さである。液面の高さｈは、分注チップ１０３の下端から液面の縁までの高さである。これらの高さｈ及びＨは、図示のように、ＣＣＤカメラ１１３から光源１０４を観察することができる。

図４を参照して、本例の遺伝子検出装置の演算処理部１１２における画像処理の例を説明する。ステップＳ２０１にて、カメラによって得られた画像データよりエッジ検出を行なう。エッジ検出は、隣接する画素の値が急激に変化する線を求める処理であり、当業者にとって既知である。尚、必要なら微分処理を行なってもよい。ステップＳ２０２にて、２値化処理を行なう。それによって、白色と黒色の２色からなる画像が得られる。ステップＳ２０３にて、境界線を検出する。２値化された画像より、白色の領域と黒色の領域の境界線を特定する。こうして、境界線を特定することができたら、それより液面を抽出する。ステップＳ２０４にて、液面の高さを測定する。分注チップ１０３の下端から液面の中央までの高さＨ及び縁までの高さｈを測定する。ステップＳ２０５にて、分注チップ１０３によって吸引された試薬の液量を計測する。液面の高さＨ又はｈと液量の関係を予め求めておく。例えば、横軸が液面の中央の高さＨ又は縁の高さｈ、縦軸が液量を示すグラフを予め求める。ステップＳ２０４にて、液面の中央の高さＨ又は縁の高さｈが得られたら、グラフから、液量を求めることができる。

尚、分注チップ１０３の反応試薬を、液面の中央の最下点を通る水平面によって上側と下側に分け、上側のメニスカス液量と下側の液量を算出することもできる。この場合も、液面の高さＨ又はｈと、メニスカス液量又は下側の液量の関係を予め求め、そのグラフを作成する。液面の中央までの高さＨ及び縁までの高さｈを測定し、このグラフを用いて、メニスカス液量と下側の液量を算出することができる。

図５Ａ、図５Ｂ、及び、図５Ｃを参照して、本発明による液面検出装置について詳細に説明する。分注チップ１０３は、ＣＣＤカメラ１１３の光軸上に配置される。即ち、分注チップ１０３の中心軸は、カメラ１１３の光軸上にある。図５Ａに示すように、ＣＣＤカメラ１１３から光源１０４までの距離をＬ、光源１０４の横方向の寸法をＤとする。本願の発明者は、光源１０４の位置と横方向の寸法を変化させて、液面を撮像した。その結果、液面の像の良否に関係するのは、光軸に対する光源１０４の偏奇量と、光源１０４の横方向の寸法Ｄであることが判った。光源１０４の横方向の寸法Ｄが一定のとき、即ち、同一の光源を使用するときには、光軸に対する光源１０４の位置のみがパラメータとなる。ＣＣＤカメラ１１３から光源１０４までの距離Ｌは、重要ではない。

ここで、光源１０４の横方向の寸法Ｄと光軸に対する光源１０４の偏奇量の両者を表すパラメータとして、光源１０４の両縁の角度を測定した。カメラ１１３から出発して光源１０４の両縁を通る放射状の線を描き、この放射状の線が光軸となす角を求める。図５Ｂの例では、−１０度と＋１０度である。図５Ｃの例では、０度と＋３０度である。このような２つの角度によって、光源１０４の横方向の寸法Ｄと、光軸に対する光源１０４の偏奇量を表すことができる。ここで光源１０４の両縁とは、光源のうち実際に光を発生する部分の両縁の意味である。

図６及び図７は本発明による液面検出装置によって撮像された液面の画像の例を示す。各画像の上に付された角度範囲は、上述のように、光源１０４の両縁を通る放射状の線の角度である。図６に示すように、０〜１０度、０〜１５度、０〜２０度、０〜３０度、０〜４０度、−１０〜＋１０度の光源の場合、液面の位置が明瞭である。画像処理によって、液面の位置を特定することができる。例えば、画像６０１〜６０５では、画像は液面を示す境界線と縦方向の境界線によって４つの画像領域に完全に分割されている。４つの画像領域のうち斜め向かいの２つの画像領域は、黒色又は暗い色であり、他の２つの画像領域は、白色又は明るい色である。黒色又は暗い色の２つの画像領域は互いに完全に分離しており、従って、液面を示す境界線を容易に特定することができる。画像６０６では、画像は液面を示す境界線によって２つに分離しており、従って、液面を示す境界線を容易に特定することができる。

しかしながら、図７に示すように、１０〜２０度、１０〜２５度、１０〜３０度、１０〜４０度、２０〜３０度、２０〜５０度、３０〜４０度、３０〜６０度の光源の場合、黒色領域は連結して１つの黒色領域を形成している。そのため、液面を示す境界線を特定することができない。

以上より、本発明の液面検出方法によると、光源１０４の一方の縁が０度の線上に配置される。光源１０４の他方の縁は任意の位置に配置してよいが、好ましくは、１０〜４０度の線上に配置される。それによって、液面を撮像した画像は、４つの画像領域に明瞭に分割され、液面を示す境界線を容易に且つ明瞭に特定することができる。更に、本発明の液面検出方法によると、光源１０４は少なくとも、カメラ１１３の光軸上に配置され、光源の両縁は任意の位置に配置される。しかしながら、好ましくは、光源１０４の一方の縁が−１０度の線上に配置され、光源１０４の他方の縁が＋１０度の線上に配置される。それによって、液面を撮像した画像は、２つの画像領域に明瞭に分割され、液面を示す境界線を容易に且つ明瞭に特定することができる。

以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。

１０１…駆動軸、１０２…分注アーム、１０３…分注チップ、１０４…光源、１０５…前処理ブロック、１０６…ターンテーブル、１０７…移動レール、１０８…反応試薬、１０９…サンプル架設ポジション、１１０…分注チップブロック、１１１…台座、１１２…演算処理部、１１３…カメラ、１１４…容器運搬アーム、１１５…攪拌ユニット、１１６…検出器、１１７…メニスカス底部

Claims

光透過性の分注チップに収容された溶液に照明光を照射する光源と、前記溶液を前記照明光に対して逆光の位置から撮像する撮像装置と、前記撮像装置からの画像を処理することによって液面の位置を検出する画像処理装置と、を有する液面検出装置において、
前記光源の一方の縁が前記撮像装置の光軸上に配置されており、
前記画像処理装置が、前記分注チップの下端から液面の中央までの高さＨと、前記分注チップの下端から液面の縁までの高さｈと、メニスカス液量と、メニスカスの下側の液量との関係を示すグラフを格納しており、前記画像処理装置が、前記高さＨと前記高さｈとを求め、前記グラフを基に前記メニスカス液量と前記メニスカスの下側の液量を求めることを特徴とする液面検出装置。
請求項１記載の液面検出装置において、前記光源の他方の縁が前記撮像装置の光軸に対して１０〜４０度の角度の位置に配置されていることを特徴とする液面検出装置。
請求項１記載の液面検出装置において、
前記画像処理装置は、前記撮像装置からの画像データをエッジ検出処理及び２値化処理を行なうことによって液面を特定することを特徴とする液面検出装置。
光透過性の分注チップに収容された溶液に照明光を照射する光源と、前記溶液を前記照明光に対して逆光の位置から撮像する撮像装置と、前記撮像装置からの画像を処理することによって液面の位置を検出する画像処理装置と、を有する液面検出装置において、
前記光源の両側の２つの縁は前記撮像装置の光軸より両側に０度より大きく９０度より小さい位置にそれぞれ配置されており、
前記画像処理装置が、前記分注チップの下端から液面の中央までの高さＨと、前記分注チップの下端から液面の縁までの高さｈと、メニスカス液量と、メニスカスの下側の液量との関係を示すグラフを格納しており、前記画像処理装置が、前記高さＨと前記高さｈとを測定し、前記グラフを基に前記メニスカス液量と前記メニスカスの下側の液量を求めることを特徴とする液面検出装置。
請求項４記載の液面検出装置において、前記撮像装置によって撮像された前記液面の像を含む画像は、前記液面を示す境界線によって２つの画像領域に分割されていることを特徴とする液面検出装置。
請求項４記載の液面検出装置において、
前記画像処理装置は、前記撮像装置からの画像データをエッジ検出処理及び２値化処理を行なうことによって液面を特定することを特徴とする液面検出装置。
液面検出方法において、
光透過性の分注チップに収容された溶液に光源からの照明光を照射することと、
前記照明光が逆光となるよう撮像装置を配置することと、
前記撮像装置によって前記分注チップ内の溶液の液面を撮像することと、
前記撮像装置によって撮像された画像データより前記液面の位置を特定することと、
を有し、
前記光源の一方の縁が前記撮像装置の光軸上に配置されており、
前記分注チップの下端から液面の中央までの高さＨと、前記分注チップの下端から液面の縁までの高さｈと、メニスカス液量と、メニスカスの下側の液量との関係を示すグラフを予め求めておき、前記高さＨと前記高さｈとを求め、前記グラフを基に前記メニスカス液量と前記メニスカスの下側の液量を求めることを特徴とする液面検出方法。
請求項７記載の液面検出方法において、
前記光源の他方の縁が前記撮像装置の光軸に対して１０〜４０度の角度の位置に配置されていることを特徴とする液面検出方法。
液面検出方法において、
光透過性の分注チップに収容された溶液に光源からの照明光を照射することと、
前記照明光が逆光となるよう撮像装置を配置することと、
前記撮像装置によって前記分注チップ内の溶液の液面を撮像することと、
前記撮像装置によって撮像された画像データより前記液面の位置を特定することと、
を有し、
前記光源の両側の２つの縁は前記撮像装置の光軸より両側に０度より大きく９０度より小さい位置にそれぞれ配置され、
前記撮像装置によって撮像された前記液面の像を含む画像は、前記液面を示す境界線と前記液面に直交する境界線によって２つの画像領域に分割されており、
前記分注チップの下端から液面の中央までの高さＨと、前記分注チップの下端から液面の縁までの高さｈと、メニスカス液量と、メニスカスの下側の液量との関係を示すグラフを予め求めておき、前記高さＨと前記高さｈとを求め、前記グラフを基に前記メニスカス液量と前記メニスカスの下側の液量を求めることを特徴とする液面検出方法。
ＸＹＺ方向に移動可能な分注アームと、該分注アームの先端に装着された分注チップと、該分注チップに照明光を照射する光源と、該分注チップに吸引された溶液を逆光の位置から撮像する撮像装置と、該撮像装置によって得られた画像データより前記分注チップ内の溶液の液量を計測する画像処理装置と、を有する分注装置において、
前記光源の一方の縁が前記撮像装置の光軸上に配置されており、
前記画像処理装置が、前記分注チップの下端から液面の中央までの高さＨと、前記分注チップの下端から液面の縁までの高さｈと、メニスカス液量と、メニスカスの下側の液量との関係を示すグラフを格納しており、前記画像処理装置が、前記高さＨと前記高さｈとを測定し、前記グラフを基に前記メニスカス液量と前記メニスカスの下側の液量を求めることを特徴とする分注装置。
請求項１０記載の分注装置において、
前記光源の他方の縁が前記撮像装置の光軸に対して１０〜４０度の角度の位置に配置されていることを特徴とする分注装置。
ＸＹＺ方向に移動可能な分注アームと、該分注アームの先端に装着された分注チップと、該分注チップに照明光を照射する光源と、該分注チップに吸引された溶液を逆光の位置から撮像する撮像装置と、該撮像装置によって得られた画像データより前記分注チップ内の溶液の液量を計測する画像処理装置と、を有する分注装置において、
前記光源の両側の２つの縁は前記撮像装置の光軸より両側に０度より大きく９０度より小さい位置にそれぞれ配置されており、
前記画像処理装置が、前記分注チップの下端から液面の中央までの高さＨと、前記分注チップの下端から液面の縁までの高さｈと、メニスカス液量と、メニスカスの下側の液量との関係を示すグラフを格納しており、前記画像処理装置が、前記高さＨと前記高さｈとを求め、前記グラフを基に前記メニスカス液量と前記メニスカスの下側の液量を求めることを特徴とする分注装置。
請求項１２記載の分注装置において、前記撮像装置によって撮像された前記液面の像を含む画像は、前記液面を示す境界線によって２つの画像領域に分割されていることを特徴とする分注装置。