特開 2022-181080 微小流量検出システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022181080

(43)【公開日】2022-12-07

(54)【発明の名称】微小流量検出システム

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/00 20220101AFI20221130BHJP

   C12M 1/00 20060101ALI20221130BHJP

   G01F 23/292 20060101ALI20221130BHJP

【ＦＩ】

G01F1/00 H

C12M1/00 C

G01F23/292 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021087916

(22)【出願日】2021-05-25

(71)【出願人】

【識別番号】000106760

【氏名又は名称】ＣＫＤ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121821

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 強

(74)【代理人】

【識別番号】100125575

【弁理士】

【氏名又は名称】松田 洋

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 仁也

(72)【発明者】

【氏名】堀 邦聡

【テーマコード（参考）】

2F014

2F030

4B029

【Ｆターム（参考）】

2F014FA04

2F030CA02

2F030CC01

2F030CC20

2F030CE04

2F030CF08

4B029AA02

4B029BB11

4B029BB12

4B029DF05

4B029FA15

(57)【要約】

【課題】細い流路を必要とせず、液体の微小流量を正確に検出することができる微小流量検出システムを提供する。
【解決手段】液体（Ｌ）を貯留し、外部から内部を視認可能とする透明部を含むタンク（３４）と、タンクに貯留された液体の液面（Ｌａ）を、透明部を介して逐次撮影するカメラ（４１）と、カメラにより撮影された液面の高さの変化速度を算出し、変化速度に基づいて、タンクにおいて流入又は流出する液体の５００［μＬ／分］以下の微小流量を算出する算出部（４５）と、を備える微小流量検出システム。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体を貯留し、外部から内部を視認可能とする透明部を含むタンクと、
前記タンクに貯留された前記液体の液面を、前記透明部を介して逐次撮影するカメラと、
前記カメラにより撮影された前記液面の高さの変化速度を算出し、前記変化速度に基づいて、前記タンクにおいて流入又は流出する前記液体の５００［μＬ／分］以下の微小流量を算出する算出部と、
を備える微小流量検出システム。

【請求項2】

前記変化速度は、前記カメラにより前記液面を撮影した画像において、基準時間当たりに前記液面の高さが変化した距離に相当する画素数である、請求項１に記載の微小流量検出システム。

【請求項3】

前記算出部は、前記画像において前記基準時間に前記液面の高さが１画素分変化する場合の前記液体の流量である基準流量に、前記画素数を掛けて、前記微小流量を算出する、請求項２に記載の微小流量検出システム。

【請求項4】

前記算出部は、前記画像における水平方向の複数箇所での前記画素数の平均を前記画素数として用いる、請求項２又は３に記載の微小流量検出システム。

【請求項5】

前記基準時間は２［秒］である、請求項２～４のいずれか１項に記載の微小流量検出システム。

【請求項6】

前記算出部は、前記カメラにより撮影された前記液面の高さを算出する、請求項１～５のいずれか１項に記載の微小流量検出システム。

【請求項7】

前記液体は、細胞の培養に用いられる培養液である、請求項１～６のいずれか１項に記載の微小流量検出システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体の微小流量を検出するシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、液体の微小流量を検出するために、熱式流量センサが使われている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－８２７６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、熱式流量センサでは、液体の微小流量を検出するために細い流路を必要とする。このため、粘度の高い液体は流路に詰まりやすく、さらに流路を洗浄しにくいといった問題がある。また、熱式流量センサは、液体に粒子や気泡が含まれている場合に、流量を誤検出するおそれがある。

【0005】

なお、シリンジポンプやチューブポンプの動作量に基づき液体の流量を推定することも可能であるが、例えば液体が適切に送られていない場合は、微小流量を正確に推定することができない。

【0006】

本発明は、こうした課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、細い流路を必要とせず、液体の微小流量を正確に検出することができる微小流量検出システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するための第１の手段は、微小流量検出システムであって、
液体を貯留し、外部から内部を視認可能とする透明部を含むタンクと、
前記タンクに貯留された前記液体の液面を、前記透明部を介して逐次撮影するカメラと、
前記カメラにより撮影された前記液面の高さの変化速度を算出し、前記変化速度に基づいて、前記タンクにおいて流入又は流出する前記液体の５００［μＬ／分］以下の微小流量を算出する算出部と、
を備える。

【0008】

上記構成によれば、タンクは、液体を貯留し、外部から内部を視認可能とする透明部を含んでいる。カメラは、前記タンクに貯留された前記液体の液面を、前記透明部を介して逐次撮影する。このため、カメラにより前記液体の液面を撮影した画像を処理することにより、液面の高さを逐次算出することができ、ひいては液面の高さの変化速度を算出することができる。なお、液面の高さの変化速度は、基準時間当たりに液面の高さが変化した距離や、液面を撮影した画像において基準時間当たりに液面の高さが変化した距離に相当する画素数等を含む。

【0009】

そして、算出部は、前記カメラにより撮影された前記液面の高さの変化速度を算出し、前記変化速度に基づいて、前記タンクにおいて流入又は流出する前記液体の５００［μＬ／分］以下の微小流量を算出する。このため、タンクの断面積を、液面の高さの変化をカメラで捉えることができる大きさにすればよく、熱式流量センサと比較して細い流路を必要としない。その結果、粘度の高い液体であってもタンクに詰まることを抑制することができ、さらにタンクの洗浄をしやすくなる。

【0010】

さらに、液面の高さの変化速度に基づいて、すなわちタンク内の液体の量の変化に基づいて、液体の微小流量を算出している。このため、液体に粒子や気泡が含まれている場合であっても、液体の微小流量を正確に算出することができる。しかも、タンク内の液体の量が実際に変化したことに基づき液体の流量を算出しているため、液体が適切に送られていない場合に誤った流量を算出することを抑制することができる。したがって、シリンジポンプやチューブポンプの動作量に基づき液体の流量を推定する場合と比較して、算出した流量の信頼性を向上させることができる。また、酸性、アルカリ性、導電性等の液体の性質にかかわらず、液体の微小流量を安定して算出することができる。

【0011】

第２の手段では、前記変化速度は、前記カメラにより前記液面を撮影した画像において、基準時間当たりに前記液面の高さが変化した距離に相当する画素数である。こうした構成によれば、前記カメラにより前記液面を撮影した画像を処理することにより、容易に前記液面の高さの変化速度を算出することができる。

【0012】

液体の既知の流量、タンクの断面積、基準時間、及び撮影画像の１画素に相当する距離に基づいて、撮影画像において基準時間に前記液面の高さが１画素分変化する場合の液体の流量である基準流量を、予め算出しておくことができる。

【0013】

この点、第３の手段では、前記算出部は、前記画像において前記基準時間に前記液面の高さが１画素分変化する場合の前記液体の流量である基準流量に、前記画素数を掛けて、前記微小流量を算出する。したがって、基準流量に、基準時間当たりに前記液面の高さが変化した距離に相当する画素数を掛けることにより、液体の微小流量を容易に算出することができる。

【0014】

第４の手段では、前記算出部は、前記画像における水平方向の複数箇所での前記画素数の平均を前記画素数として用いる。こうした構成によれば、基準時間当たりに前記液面の高さが変化した距離に相当する画素数が、撮影時のノイズや液面の揺れ等に起因してばらつくことを抑制することができる。したがって、液体の微小流量を安定して算出することができる。

【0015】

具体的には、第５の手段のように、前記基準時間は２［秒］である、といった構成を採用することができる。こうした構成によれば、２［秒］という比較的短い時間毎に、液体の微小流量を算出することができる。

【0016】

第６の手段では、前記算出部は、前記カメラにより撮影された前記液面の高さを算出する。こうした構成によれば、微小流量検出システムにより、液体の微小流量を算出する機能、及び液面の高さを算出する機能を兼ねることができる。

【0017】

細胞の培養に用いられる培養液の微小流量を熱式流量センサにより検出する場合は、熱式流量センサ等を洗浄及び滅菌処理する必要がある。しかし、熱式流量センサ等に含まれる電子部品を滅菌処理した場合は、微小流量の検出精度を保証することが困難となる。

【0018】

この点、第７の手段では、第１～第６のいずれか１つの手段に記載の微小流量検出システムにおいて、前記液体は、細胞の培養に用いられる培養液である。こうした構成によれば、上述したように、熱式流量センサと比較して、タンクの洗浄をしやすくなるとともに、タンクを滅菌処理したとしても流量の検出に影響はなく、微小流量の検出精度を保証することができる。さらに、タンクを使い捨てにする場合に、熱式流量センサを使い捨てにする場合と比較して、ランニングコストを下げることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】細胞培養システムを示す模式図。

【図2】培養液の液面を撮影する態様を示す模式図。

【図3】培養液の液面高さの変化を示す模式図。

【図4】図２の培養液の液面を撮影した画像。

【図5】図３の培養液の液面を撮影した画像。

【図6】図４の画像を二値化処理した画像。

【図7】図５の画像を二値化処理した画像。

【図8】培養液の液面を撮影した画像と検出領域とを示す図。

【図9】図８の画像を二値化処理した画像。

【図10】１画素に対応する画像と実物の大きさとの関係を示す模式図。

【図11】培養液減少前の二値化処理画像の一例を示す模式図。

【図12】培養液減少後の二値化処理画像の一例を示す模式図。

【図13】流量５００［μＬ／分］における撮影周期毎の画素変化数の測定結果を示すグラフ。

【図14】流量３００［μＬ／分］における撮影周期毎の画素変化数の測定結果を示すグラフ。

【図15】流量２００［μＬ／分］における撮影周期毎の画素変化数の測定結果を示すグラフ。

【図16】変更例の微小流量検出システムにより培養液の液面を撮影した画像。

【図17】図１６の画像を二値化処理した画像。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、細胞を培養する細胞培養システムに具現化した一実施形態について、図面を参照して説明する。

【0021】

図１に示すように、細胞培養システム１０は、圧力制御送液部２０、細胞培養槽５０、混合器６０、マスフロコントローラ（ＭＦＣ）６１～６３、制御部４５、表示部７０、ポンプ９０等を備えている。

【0022】

圧力制御送液部２０（流量調節部）は、空気供給源２１、流量比例弁２４、絞り弁２７、滅菌フィルタ３１、タンク３４、圧力センサ３７、カメラ４１、ライト４８、流量センサ８５等を備えている。

【0023】

空気供給源２１（気体の供給源）は、所定圧力の空気（気体）を供給する。空気供給源２１は、配管２２，２３によりタンク３４に接続されている。配管２２には、流量比例弁２４が設けられている。流量比例弁２４は、入力信号に比例して開度を調節可能であり、空気供給源２１から供給される空気の流量を調節する。流量比例弁２４は制御部４５によって制御される。

【0024】

配管２２と配管２３とは、接続部２５において接続されている。配管２３には、滅菌フィルタ３１が設けられている。滅菌フィルタ３１は、配管２３を介してタンク３４へ流れる空気を滅菌する。タンク３４は、ガラス等の透明の材質により有底円筒状に形成されており、気密性であり、培養液Ｌ（液体）を貯留（収納）している。すなわち、タンク３４は、外部から内部を視認可能としている。タンク３４の内径は、例えば１０［ｍｍ］である。配管２３は、タンク３４の上部に接続されている。すなわち、配管２３は、タンク３４において培養液Ｌの液面よりも高い位置に接続されており、培養液Ｌと接していない。なお、タンク３４の形状は、有底円筒状に限らず、任意である。上記では、タンク３４全体が透明部に相当しているが、タンク３４が外部から内部を視認可能とする透明部を含んでいればよい。

【0025】

培養液Ｌには、例えば重炭酸塩等、ｐＨ６～８の範囲において遊離してｐＨ緩衝機能を有する試薬が添加されている。重炭酸塩としては、重炭酸ナトリウム（炭酸水素ナトリウム）、炭酸水素カリウム、炭酸水素カルシウム等を採用することができる。その他、培養液Ｌには、血管を有する細胞組織Ｂ（細胞）が活動するために必要な養分として、血清、アミノ酸、ビタミン、糖類等が添加されている。なお、培養液Ｌには、ｐＨを目視で確認するためにフェノールレッド等の指示薬が添加されている。

【0026】

圧力センサ３７は、タンク３４の下部における培養液Ｌの圧力Ｐ１を検出する。カメラ４１は、例えば１００万画素のカラーカメラであり、撮影画像を制御部４５へ送信する。カメラ４１は、タンク３４に貯留された培養液Ｌの液面を、タンク３４を介して逐次（例えば２［秒］毎に）撮影する。ライト４８は、白色光を照射する周知のライトであり、タンク３４に対してカメラ４１と反対側に配置されている。すなわち、ライト４８は、タンク３４に貯留された培養液Ｌの液面を、タンク３４の背後からカメラ４１へ向けて照らす。

【0027】

接続部２５には、配管２６が接続されている。接続部２５は、配管２６により空気の排出部２８に接続されている。配管２６には、絞り弁２７が設けられている。絞り弁２７（絞り部）は、例えば微少な流量を調節するニードル弁であり、排出部２８へ排出される空気の流量を制限（調節）する。絞り弁２７の開度は、タンク３４内の空気の圧力（タンク３４内の圧力）を目標圧力にすべく、所定開度に設定されている。タンク３４内の空気の目標圧力に応じて、絞り弁２７の開度を変更してもよい。排出部２８へ流れた空気は圧力制御送液部２０の外部（大気）へ排出される。

【0028】

細胞培養槽５０（培養槽）は、中空の直方体状に形成されており、内部に培養液Ｌを貯留（収納）している。なお、細胞培養槽５０の形状は、中空の直方体状に限らず、中空の円柱状等であってもよい。

【0029】

細胞培養槽５０の内部には、細胞収納部５１が設置（収納）されている。細胞収納部５１は、上底のない中空の直方体状に形成されている。細胞収納部５１の内部には、上記細胞組織Ｂが収納されている。なお、細胞収納部５１の形状は、上底のない中空の直方体状に限らず、上底のない中空の円柱状等であってもよい。

【0030】

送液配管４２Ａ，４２Ｂ（供給配管）は、タンク３４に貯留された培養液Ｌの中と細胞収納部５１（細胞培養槽５０）とを接続している。すなわち、送液配管４２Ａ，４２Ｂは、細胞培養槽５０の外部から内部へ培養液Ｌを供給する。送液配管４２Ａは、タンク３４に貯留された培養液Ｌの中に挿入されており、タンク３４内において送液配管４２の下端は培養液Ｌの液面よりも低い位置にある。

【0031】

送液配管４２Ａ，４２Ｂには、電磁弁４６、チェック弁４７等が設けられている。電磁弁４６は、送液配管４２Ａを開閉する。電磁弁４６は、制御部４５によって制御される。チェック弁４７（逆止弁）は、電磁弁４６（タンク３４）から細胞収納部５１（細胞培養槽５０）への培養液Ｌの流通を許容し、細胞収納部５１（細胞培養槽５０）から電磁弁４６（タンク３４）への培養液Ｌの流通を禁止する。

【0032】

細胞培養槽５０には、タンク３４から送液配管４２Ａ，４２Ｂを介して培養液Ｌが送液（供給）される。詳しくは、送液配管４２Ｂを介して細胞収納部５１へ培養液Ｌが直接送液される。これにより、細胞組織Ｂ内に培養液Ｌの流路Ｂｐが形成され、細胞組織Ｂ内に培養液Ｌの流れが生じる。流路Ｂｐ内を流れた培養液Ｌは、破線矢印で示すように細胞収納部５１の外部へ流出する。細胞組織Ｂは、例えば血管を有する動物細胞組織である。細胞組織Ｂは、培養液Ｌにより培養され、所定の生体機能を発現する。その際に、細胞の活動により細胞培養槽５０内の培養液Ｌの溶存酸素濃度ＤＯ及びｐＨが変化する。

【0033】

細胞組織Ｂの培養時において、細胞組織Ｂの血管を損傷しないように、培養液Ｌは損傷圧力Ｐｄ［ｍｍＨｇ］よりも低い圧力（加圧）で細胞培養槽５０の細胞収納部５１へ送液される。損傷圧力Ｐｄは、細胞組織Ｂが損傷し始める所定の圧力（例えば５～１０［ｍｍＨｇ］）であり、細胞組織Ｂの種類によって変化する。また、細胞組織Ｂが所定の生体機能を発現するためには、目標流量の培養液Ｌを送液する流量制御送液ではなく、目標圧力で培養液Ｌを送液する圧力制御送液とすることが望ましい。この理由は、実際の動物の動物細胞組織では、心臓により血液が送液されており、流量制御送液よりも圧力制御送液に近いためである。

【0034】

さらに、細胞組織Ｂが所定の生体機能を発現するためには、細胞組織Ｂに作用する圧力が安定していることが望ましい。なお、培養液Ｌを損傷圧力Ｐｄ［ｍｍＨｇ］よりも低い圧力（加圧）で細胞収納部５１へ送液する場合、培養液Ｌの流量は培養流量Ｆｇ［ｍＬ／分］よりも小さくなる。培養流量Ｆｇ（第２流量）は、例えば１～３［ｍＬ／分］である。本実施形態では、５００［μＬ／分］以下の微小流量で培養液Ｌを、細胞収納部５１へ送液する。なお、タンク３４の内径（断面積）及びカメラ４１の画素数（解像度）は、培養液Ｌを例えば１００［μＬ／分］（５００［μＬ／分］以下）の流量で送液した場合に、タンク３４内の培養液Ｌの液面の高さの変化をカメラ４１で捉えることができるように設定されている。

【0035】

細胞培養槽５０に貯留された培養液Ｌの中には、酸素濃度センサ８１、ｐＨセンサ８２、及び温度センサ８３が挿入されている。酸素濃度センサ８１（状態センサ）は、細胞培養槽５０内の培養液Ｌの溶存酸素濃度ＤＯ（状態）を検出する。ｐＨセンサ８２（状態センサ）は、細胞培養槽５０内の培養液ＬのｐＨ（状態）を検出する。ｐＨセンサ８２により培養液ＬのｐＨを検出する際には、ｐＨセンサ８２から基準液（内部液）が培養液Ｌへ若干漏れ出すことがある。温度センサ８３（状態センサ）は、細胞培養槽５０内の培養液Ｌの温度（状態）を検出する。また、細胞組織Ｂの流路Ｂｐ（細胞組織Ｂ）の中には、圧力センサ８４が挿入されている。圧力センサ８４は、流路Ｂｐ内の培養液Ｌの圧力、すなわち送液配管４２Ｂにより細胞収納部５１（細胞培養槽５０）へ供給される培養液Ｌの圧力を検出する。

【0036】

細胞培養槽５０には、ヒータ５２が設けられている。ヒータ５２（状態調節部）は、細胞培養槽５０内に貯留された培養液Ｌを加熱する。ヒータ５２は、制御部４５によって制御される。なお、細胞培養槽５０の内部の培養液Ｌは、図示しないスターラにより撹拌されている。

【0037】

細胞培養槽５０は、返液配管４３によりタンク３４に接続されている。返液配管４３には、ポンプ９０及びチェック弁９２が設けられている。ポンプ９０は、細胞培養槽５０から返液配管４３を介してタンク３４へ培養液Ｌを圧送する。ポンプ９０の駆動状態は、制御部４５により制御される。チェック弁９２（逆止弁）は、ポンプ９０からタンク３４への培養液Ｌの流通を許容し、タンク３４からポンプ９０への培養液Ｌの流通を禁止する。返液配管４３は、タンク３４において培養液Ｌの液面よりも低く、且つ送液配管４２Ａの下端よりも高い位置に接続されている。

【0038】

細胞培養システム１０において、培養液Ｌに接触する部分は、洗浄及び滅菌処理されている。

【0039】

制御部４５（算出部）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータである。制御部４５は、カメラ４１により培養液Ｌの液面を撮影した画像に基づいて、タンク３４内の培養液Ｌの液面の高さを検出する。制御部４５は、培養液Ｌの液面の高さが所定高さよりも下がった場合に、ポンプ９０により培養液Ｌを圧送させる。そして、制御部４５は、培養液Ｌの液面の高さが所定高さよりも上がった場合に、ポンプ９０による培養液Ｌの圧送を停止させる。制御部４５は、目標圧力で培養液Ｌを細胞培養槽５０へ送液すべく、流量比例弁２４を制御する。すなわち、圧力制御送液部２０は、送液配管４２Ａ，４２Ｂに流れる培養液Ｌの流量を調節する。そして、制御部４５は、カメラ４１により撮影された培養液Ｌの液面の高さの変化速度を算出し、変化速度に基づいて、タンク３４において流出する培養液Ｌの５００［μＬ／分］以下の微小流量Ｑ１を算出する。制御部４５が培養液Ｌの液面の高さを検出する方法、及び培養液Ｌの微小流量Ｑ１を算出する方法については、後述する。なお、タンク３４、カメラ４１、及び制御部４５により、微小流量検出システムが構成されている。

【0040】

制御部４５は、圧力制御送液部２０を制御してタンク３４から送液配管４２Ａ，４２Ｂを介して培養液Ｌを細胞培養槽５０へ送液する際に、所定条件に基づき算出した目標流量の空気が供給されるように流量比例弁２４を制御する。制御部４５は、タンク３４内の圧力Ｐｖが平衡するまで、その状態を５［Ｓ］以下の所定時間（例えば３［Ｓ］）維持する。本実施形態では、略１［Ｓ］で、圧力Ｐｖが平衡する。その結果、培養液Ｌが目標圧力で細胞培養槽５０へ送液される。

【0041】

空気供給源２１から空気を供給し始めてから、タンク３４の内部の圧力Ｐｖを平衡させるまでの時間は、タンク３４の容積が大きいほど、絞り弁２７の有効断面積が大きいほど、タンク３４の内部の目標圧力が高いほど、長くなる。この点、血管を有する細胞組織Ｂの培養では、損傷圧力Ｐｄ［ｍｍＨｇ］よりも低い微圧で細胞培養槽５０へ培養液Ｌを送液する必要があるため、タンク３４の内部の目標圧力を非常に低く設定している。したがって、圧力Ｐｖが平衡するまでの時間は非常に短くなる。

【0042】

制御部４５は、タンク３４から送液配管４２Ａ，４２Ｂを介して培養液Ｌを細胞培養槽５０へ送液する際に、タンク３４の内部の圧力を平衡させた状態における空気供給源２１から供給される空気の流量とタンク３４の内部の圧力との所定の相関関係に基づいて、タンク３４の内部の目標圧力に対応する目標流量の空気が供給されるように流量比例弁２４を制御した状態でタンク３４の内部の圧力を平衡させる。換言すれば、制御部４５は、タンク３４の内部の圧力を平衡させた状態における空気供給源２１から供給される空気の流量とタンク３４の内部の圧力との所定の相関関係に基づいて、タンク３４の内部の目標圧力に対応する目標流量の空気が供給されるように流量比例弁２４を制御した状態でタンク３４の内部の圧力を平衡させて、タンク３４から送液配管４２Ａ，４２Ｂを介して培養液Ｌを細胞培養槽５０へ送液させる。

【0043】

酸素ボンベ（図示略）、二酸化炭素ボンベ（図示略）、及び窒素ボンベ（図示略）から供給される酸素、二酸化炭素、及び窒素は、それぞれＭＦＣ６１～６３を介して混合器６０へ供給される。ＭＦＣ６１～６３（状態調節部）は、それぞれ酸素、二酸化炭素、及び窒素の流量を調節する。ＭＦＣ６１～６３は、制御部４５によって制御される。混合器６０は、これらの気体を混合する。混合器６０は、細胞培養槽５０に接続されている。そして、混合器６０において混合された酸素、二酸化炭素、及び窒素は、ガス配管６５を介して細胞培養槽５０へ供給される。なお、細胞培養槽５０へ供給された気体は、細胞培養槽５０のガス排出口あるいは隙間から細胞培養槽５０の外部へ排出される。

【0044】

表示部７０は、タッチパネル（液晶パネル＋タッチパッド）により構成されている。表示部７０（圧力受付部、流量受付部、確認受付部）は、画像を表示するとともに、ユーザによるタッチ操作を受け付ける。タッチ操作は、表示されたボタン（アイコン）を押す操作、数値の入力等を含む。

【0045】

図２は、培養液Ｌの液面Ｌａを撮影する態様を示す模式図である。図２は、ポンプ９０により培養液Ｌが圧送され、培養液Ｌの液面の高さが所定高さよりも上がって、ポンプ９０による培養液Ｌの圧送が停止された状態を示している。

【0046】

図３は、培養液Ｌの液面Ｌａの高さの変化を示す模式図である。破線で示す液面Ｌａは、図２における液面Ｌａを示している。図３は、タンク３４から送液配管４２Ａ，４２Ｂを介して培養液Ｌが細胞培養槽５０へ送液され、実線で示す液面Ｌａの高さが所定高さよりも下がって、ポンプ９０による培養液Ｌの圧送が開始される状態を示している。

【0047】

図２，３に示すように、カメラ４１の画角θ及び配置は、培養液Ｌの液面Ｌａの高さが変化したとしても、液面Ｌａがカメラ４１の視野に入るように設定されている。

【0048】

図４は、図２の培養液Ｌの液面Ｌａを撮影した画像である。図５は、図３の培養液Ｌの液面Ｌａを撮影した画像である。なお、図４，５では、培養液Ｌの液面のうち最も高い位置を液面Ｌａとしているが、培養液Ｌの液面のうち最も低い位置を液面Ｌａとしてもよい。

【0049】

図６は、図４の画像を二値化処理した画像である。図７は、図５の画像を二値化処理した画像である。制御部４５は、例えば画像の濃度が閾値よりも低い（明るい）部分を白（値１）にし、画像の濃度が閾値よりも高い（暗い）部分を黒（値０）にすることで、二値化処理を実行する。閾値の設定により、培養液Ｌの液面のうち最も高い位置を液面Ｌａとするか、培養液Ｌの液面のうち最も低い位置を液面Ｌａとするか、選択することができる。なお、いずれを選択した場合も、培養液Ｌの液面Ｌａの高さを検出する精度は同様である。

【0050】

図８は、培養液Ｌの液面Ｌａを撮影した画像と検出領域Ｓとを示す図である。検出領域Ｓの横幅ｘは、例えばカメラ４１の５０画素に相当している。検出領域Ｓの縦幅ｚは、液面Ｌａの高さが変化したとしても、液面Ｌａがカメラ４１の視野に入る画素数に相当している。図９は、図８の画像を二値化処理した画像である。

【0051】

図１０は、１画素に対応する画像と実物の大きさとの関係を示す模式図である。本実施形態では、１画素に対応する画像が、実物の０．０１８［ｍｍ］×０．０１８［ｍｍ］の大きさ（距離）に相当している。なお、１画素に対応する画像と実物の大きさとの関係は、カメラ４１と撮影対象との距離やカメラの解像度等に応じて変化するが、予め測定しておくことができる。

【0052】

図１１は、培養液Ｌ減少前の二値化処理画像の一例を示す模式図である。図１２は、培養液Ｌ減少後の二値化処理画像の一例を示す模式図である。二値化処理画像において、カメラ４１による撮影時のノイズや液面Ｌａの揺れ等により、培養液Ｌの液面Ｌａの高さは位置（画素列番号）によって異なる。

【0053】

このため、例えば画素列番号７の位置で液面Ｌａの高さを検出したとすると、図１１と図１２とで液面Ｌａの高さが同じ高さとして検出される。したがって、培養液Ｌの液面Ｌａの高さを正確に検出することができない。

【0054】

そこで、制御部４５は、検出領域Ｓにおいて、培養液Ｌに対応する黒色の画素の数を合計した合計数Ｔｂを算出し、合計数Ｔｂを画素列数Ｇｘ（本実施形態ではＧｘ＝５０）で割ることにより、培養液Ｌの液面Ｌａの平均高さに対応する平均画素数Ｇｈを算出する。すなわち、制御部４５は、撮影画像における水平方向の複数箇所での液面Ｌａの高さに対応する画素数の平均を、液面Ｌａの高さに対応する画素数として用いる。そして、制御部４５は、平均画素数Ｇｈを液面Ｌａの高さを表すパラメータとして用いる。具体的には、制御部４５は、平均画素数Ｇｈが、所定高さに対応する画素数Ｇｒよりも小さくなった場合に、ポンプ９０により培養液Ｌを圧送させ、画素数Ｇｒよりも大きくなった場合に、ポンプ９０による培養液Ｌの圧送を停止させる。

【0055】

また、制御部４５は、培養液Ｌの液面Ｌａの高さの変化速度を算出し、変化速度に基づいて、タンク３４において流出する培養液Ｌの５００［μＬ／分］以下の微小流量Ｑ１を算出する。詳しくは、制御部４５は、カメラ４１による撮影周期Δｔ［秒］（基準時間、例えば２［秒］）において、液面Ｌａの高さが変化した距離に相当する画素数である画素変化数ΔＧｈ（画素数、変化速度）を算出する。制御部４５は、平均画素数Ｇｈの前回値Ｇｈ（ｎ－１）から今回値Ｇｈ（ｎ）を引くことにより、画素変化数ΔＧｈを算出する｛ΔＧｈ＝Ｇｈ（ｎ－１）－Ｇｈ（ｎ）｝。そして、制御部４５は、撮影周期Δｔに液面Ｌａの高さが１画素分変化する場合の培養液Ｌの流量である基準流量Ｑ０［μＬ／分］に、画素変化数ΔＧｈを掛けて、微小流量Ｑ１を算出する（Ｑ１＝Ｑ０×ΔＧｈ）。

【0056】

基準流量Ｑ０［μＬ／分］は、以下のように予め算出しておくことができる。まず、タンク３４から送液配管４２Ａ，４２Ｂを介して細胞培養槽５０へ送液される培養液Ｌの流量を、既知の流量Ｑ２［μＬ／分］に調節する。培養液Ｌの流量が流量Ｑ２［μＬ／分］の場合、タンク３４内の培養液Ｌは１［分］にＱ２［μＬ］（［ｍｍ＾３］）減少する。ａ＾２はａの２乗を表し、ａ＾３はａの３乗を表す。タンク３４の流路断面積をＳ［ｍｍ＾２］とすると、この場合に培養液Ｌの液面Ｌａの高さが変化する距離ΔｈはＱ２／Ｓ［ｍｍ］である（Δｈ＝Ｑ２／Ｓ）。上述したように、１画素に対応する画像は実物の０．０１８［ｍｍ］に相当する。このため、距離Δｈを０．０１８［ｍｍ］で割れば、流量Ｑ２［μＬ／分］の場合に１［分］（６０［秒］）に変化する液面Ｌａの高さに対応する画素数Ｇｈ１を算出することができる（Ｇｈ１＝Δｈ／０．０１８）。流量Ｑ２［μＬ／分］の場合に、撮影周期Δｔ［秒］に変化する液面Ｌａの高さに対応する画素数Ｇｈ２は、Ｇｈ２＝Ｇｈ１×Δｔ／６０となる。そして、Ｑ２：Ｇｈ２＝Ｑ０：１の関係が成立するため、Ｑ０［μＬ／分］＝Ｑ２／Ｇｈ２となる。

【0057】

ここで、流量Ｑ２［μＬ／分］＝５００、流路断面積Ｓ［ｍｍ＾２］＝１／４・π・Ｄ＾２、タンク３４の内径Ｄ［ｍｍ］＝１０を、上記Ｑ０［μＬ／分］を算出する式に当てはめると、基準流量Ｑ０［μＬ／分］＝４２．３９となる。このとき、上記画素数Ｇｈ２＝１１．８０となる。すなわち、流量Ｑ２［μＬ／分］＝５００である場合は、撮影周期Δｔ［秒］において液面Ｌａの高さが変化した距離に相当する画素数である画素変化数ΔＧｈは１１．８０となる。

【0058】

図１３は、流量５００［μＬ／分］における撮影周期２［秒］毎の画素変化数ΔＧｈの測定結果を示すグラフである。実線Ｌ１は、画素変化数ΔＧｈの理論値を示しており、画素変化数は１１．８０である。測定された画素変化数ΔＧｈは、１１．８０付近で推移しており、理論値に略一致している。

【0059】

同様に、図１４は、流量３００［μＬ／分］における撮影周期２［秒］毎の画素変化数ΔＧｈの測定結果を示すグラフである。実線Ｌ２は、画素変化数ΔＧｈの理論値を示しており、画素変化数は７．０８である。測定された画素変化数ΔＧｈは、７．０８付近で推移しており、理論値に略一致している。

【0060】

同様に、図１５は、流量２００［μＬ／分］における撮影周期２［秒］毎の画素変化数ΔＧｈの測定結果を示すグラフである。実線Ｌ３は、画素変化数ΔＧｈの理論値を示しており、画素変化数は４．７２である。測定された画素変化数ΔＧｈは、４．７２付近で推移しており、理論値に略一致している。

【0061】

したがって、制御部４５は、基準流量Ｑ０［μＬ／分］に、画素変化数ΔＧｈを掛けることにより、微小流量Ｑ１を正確に算出することができる。

【0062】

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

【0063】

・タンク３４は、培養液Ｌを貯留し、外部から内部を視認可能とするように透明の材質により形成されている。カメラ４１は、タンク３４に貯留された培養液Ｌの液面Ｌａを、タンク３４（透明部）を介して逐次撮影する。このため、カメラ４１により培養液Ｌの液面Ｌａを撮影した画像を処理することにより、液面Ｌａの高さを逐次算出することができ、ひいては液面Ｌａの高さの変化速度を算出することができる。

【0064】

・制御部４５は、カメラ４１により撮影された液面Ｌａの高さの変化速度を算出し、変化速度に基づいて、タンク３４において流出する培養液Ｌの５００［μＬ／分］以下の微小流量Ｑ１を算出する。このため、タンク３４の流路断面積Ｓを、液面Ｌａの高さの変化をカメラ４１で捉えることができる大きさにすればよく、熱式流量センサと比較して細い流路を必要としない。その結果、粘度の高い液体であってもタンク３４に詰まることを抑制することができ、さらにタンク３４の洗浄をしやすくなる。

【0065】

・液面Ｌａの高さの変化速度に基づいて、すなわちタンク３４内の培養液Ｌの量の変化に基づいて、培養液Ｌの微小流量Ｑ１を算出している。このため、培養液Ｌに粒子や気泡が含まれている場合であっても、培養液Ｌの微小流量Ｑ１を正確に算出することができる。しかも、タンク３４内の培養液Ｌの量が実際に変化したことに基づき培養液Ｌの流量を算出しているため、培養液Ｌが適切に送られていない場合に誤った流量を算出することを抑制することができる。したがって、シリンジポンプやチューブポンプの動作量に基づき培養液Ｌの流量を推定する場合と比較して、算出した微小流量Ｑ１の信頼性を向上させることができる。また、酸性、アルカリ性、導電性等の培養液Ｌの性質にかかわらず、培養液Ｌの微小流量Ｑ１を安定して算出することができる。

【0066】

・変化速度は、カメラ４１により液面Ｌａを撮影した画像において、撮影周期Δｔ当たりに液面Ｌａの高さが変化した距離に相当する画素数（画素変化数）である。こうした構成によれば、カメラ４１により液面Ｌａを撮影した画像を処理することにより、容易に液面Ｌａの高さの変化速度を算出することができる。

【0067】

・制御部４５は、画像において撮影周期Δｔに液面Ｌａの高さが１画素分変化する場合の培養液Ｌの流量である基準流量Ｑ０に、画素変化数ΔＧｈを掛けて、微小流量Ｑ１を算出する。したがって、基準流量Ｑ０に、撮影周期Δｔ当たりに液面Ｌａの高さが変化した距離に相当する画素変化数ΔＧｈを掛けることにより、培養液Ｌの微小流量Ｑ１を容易に算出することができる。

【0068】

・制御部４５は、画像における水平方向の複数箇所での画素変化数の平均を画素変化数ΔＧｈとして用いる。こうした構成によれば、撮影周期Δｔ当たりに液面Ｌａの高さが変化した距離に相当する画素変化数が、カメラ４１による撮影時のノイズや液面Ｌａの揺れ等に起因してばらつくことを抑制することができる。したがって、培養液Ｌの微小流量Ｑ１を安定して算出することができる。

【0069】

・撮影周期Δｔ（基準時間）は２［秒］である。こうした構成によれば、２［秒］という比較的短い時間毎に、培養液Ｌの微小流量を算出することができる。

【0070】

・制御部４５は、カメラ４１により撮影された液面Ｌａの高さを算出する。こうした構成によれば、微小流量検出システム（タンク３４、カメラ４１、及び制御部４５）により、培養液Ｌの微小流量Ｑ１を算出する機能、及び液面Ｌａの高さを算出する機能を兼ねることができる。

【0071】

・培養液Ｌは、細胞の培養に用いられる培養液である。この場合も、熱式流量センサと比較して、タンク３４の洗浄をしやすくなるとともに、タンク３４を滅菌処理したとしても流量の検出に影響はなく、微小流量Ｑ１の検出精度を保証することができる。さらに、タンク３４を使い捨てにする場合に、熱式流量センサを使い捨てにする場合と比較して、ランニングコストを下げることができる。

【0072】

なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。上記実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

【0073】

・図１６は、変更例の微小流量検出システムにより培養液Ｌの液面Ｌａを撮影した画像である。この変更例では、ライト４８は、タンク３４に貯留された培養液Ｌの液面Ｌａの一部を、タンク３４の背後から照らしている。図１７は、図１６の画像を二値化処理した画像である。この場合は、検出領域Ｓを、液面Ｌａが照らされている範囲に設定する。こうした構成によれば、実施形態と同様の作用効果を奏することができるとともに、液面Ｌａが良好に撮影されるように調節することができる。

【0074】

・微小流量検出システムは、タンク３４において流出する培養液Ｌの微小流量のみを検出し、培養液Ｌの液面Ｌａの高さを液面センサにより検出することもできる。また、微小流量検出システムは、タンク３４において流入する培養液Ｌの微小流量を検出することもできる。

【0075】

・制御部４５は、検出領域Ｓのうち一部の画素列において、培養液Ｌに対応する黒色の画素の数を合計した合計数Ｔｂを算出し、合計数Ｔｂを画素列の数で割ることにより、培養液Ｌの液面Ｌａの平均高さに対応する平均画素数Ｇｈを算出してもよい。また、制御部４５は、検出領域Ｓのうち複数の画素列において、培養液Ｌの液面Ｌａの高さに対応する画素数Ｇｈ（ｎ）をそれぞれ算出し、算出した画素数Ｇｈ（ｎ）を平均して平均画素数Ｇｈを算出してもよい。また、制御部４５は、検出領域Ｓのうち１つの画素列において、培養液Ｌの液面Ｌａの高さに対応する画素数を算出し、この画素数を培養液Ｌの液面Ｌａの高さとして用いることもできる。

【0076】

・検出領域Ｓの下端に対応する液面Ｌａの下端高さｈ０に、１画素に対応する距離０．０１８［ｍｍ］に平均画素数Ｇｈを掛けた加算高さｈ１を足して、液面Ｌａの高さｈ２を算出することもできる（ｈ２［ｍｍ］＝ｈ０＋ｈ１）。その場合は、制御部４５は、培養液Ｌの液面Ｌａの高さｈ２が所定高さＺｒ［ｍｍ］よりも下がった場合に、ポンプ９０により培養液Ｌを圧送させ、液面Ｌａの高さが所定高さＺｒ［ｍｍ］よりも上がった場合に、ポンプ９０による培養液Ｌの圧送を停止させる。

【0077】

・基準流量Ｑ０［μＬ／分］を以下のように算出することもできる。すなわち、タンク３４から送液配管４２Ａ，４２Ｂを介して細胞培養槽５０へ送液される培養液Ｌの流量を、既知の流量Ｑ２［μＬ／分］に調節する。この状態において、撮影周期Δｔにおける画素変化数ΔＧｈを算出し、流量Ｑ２［μＬ／分］を画素変化数ΔＧｈで割って基準流量Ｑ０［μＬ／分］を算出する（Ｑ０＝Ｑ２／ΔＧｈ）。こうした構成によれば、タンク３４の流路断面積Ｓ等が分からない場合であっても、基準流量Ｑ０［μＬ／分］を算出することができる。

【0078】

・制御部４５は、検出領域Ｓ内に高さの基準となる基準画素を設定し、基準画素から液面Ｌａに対応する画素までの画素数の変化に基づいて、画素変化数ΔＧｈ（画素数、変化速度）を算出することもできる。

【0079】

・制御部４５は、培養液Ｌの液面Ｌａの高さの変化速度として、撮影周期Δｔ（基準時間）当たりに液面Ｌａの高さが変化した距離Δｚ［ｍｍ］を採用することもできる。この場合、制御部４５は、撮影周期Δｔに液面Ｌａの高さが１［ｍｍ］変化する場合の培養液Ｌの流量を基準流量Ｑｚとし、基準流量Ｑｚに距離Δｚ［ｍｍ］を掛けて微小流量Ｑ１を算出する（Ｑ１＝Ｑｚ×Δｚ）。こうした構成によっても、上記実施形態に準じた作用効果を奏することができる。なお、基準流量Ｑｚは、予め算出しておくことができる。

【0080】

・微小流量検出システムは、培養液Ｌに限らず、薬液や、純水、その他の液体の微小流量を検出することができる。

【0081】

なお、上記の各変更例を組み合わせて実施することもできる。

【符号の説明】

【0082】

１０…細胞培養システム、２０…圧力制御送液部、３４…タンク、４１…カメラ、４５…制御部（算出部）、４８…ライト、５０…細胞培養槽。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】