JP2015509745A - 内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

内視鏡装置（１０）は少なくとも１つの画像センサ（１１）を遠位端部（１０ａ）と近位端部（１０ｂ）に有しており、その際に画像センサが固有のセンサクロックを生成するために配置されており、そのセンサクロックが内視鏡装置の近位端部にある制御電子回路によって影響を与えられ得、その結果このようなセンサ又は複数のこのようなセンサが互いに同期して又は外部から送られたクロックに同期して作動され得る。制御電子回路は、センサクロック及び／又はセンサフレームレート及び／又はセンサ画像フェーズを検知し、参照クロックにマッチングさせる手段を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は少なくとも１つの画像センサを遠位端部に備えた内視鏡装置に関し、その際に固有のセンサクロックを生成するために画像センサが配置されており、このセンサクロックは内視鏡装置の近位端部の制御電子回路によって影響を与えられ得る。

本公開において「画像フェーズ」とは、複数の画像センサの交互の画像撮影シーケンスのフェーズ、又は外部クロックに相対する画像センサの画像撮影フェーズを意味する（例えばパルス状照明光源）。これは「フェーズ画像」の撮影と混同してはならない。フェーズ画像は、各画素からこの画素上の該当する周波数のフェーズ状態に関する情報を検出し、画像的な信号として伝送するが、画像フェーズは、それ自体は本発明においては観察している対象物に関する情報を検出する役目は果たさない。重要なことは例えば複数の画像センサが同期して作動され得るよう、これらすべての画像センサが個別のパルス状の光源によって照明され得ることである。

医学的な診断、手術及び分析にはしばしば内視鏡が使用される。体に元から存在する開口部又は小さい創傷による切開部から操作箇所又は診断箇所に到達するために、内視鏡は可能な限り小さい直径が使用される。従来からこのような内視鏡は光導体の束で作られてきた。今日では、ＣＭＯＳセンサ技術の使用が増加しており、この技術では微小化された画像センサが直接内視鏡の遠位端部に取り付けられ、画像が電気信号の形で伝送される。

医療用内視鏡の遠位端部で使用するための画像センサは、今日では主に、広範囲にわたって自律的に機能し得るように、及びデータケーブルと電源供給のみで近位端部と接続されているように構成される。クロックラインの引き入れは、センサ接点の追加とクロック用の追加信号ケーブルが必要になるため、たいていの場合望ましくない。そのため、このようなセンサにはセンサクロックを自律的に与える発振器が内蔵される。最も簡単な形では、デジタル式のリング発振器が使用される。非特許文献１参照。しかしこの種類の方法には、センサクロックがおよそでしか決められず、製造プロセスでの変動や作動温度のような作動条件に大きく影響されるという欠点がある。

水晶発振器で知られているような安定性を備えた周波数が安定した発振器を実現することは、純粋なＣＭＯＳ技術だけでは不可能である。このような純粋なＣＭＯＳ発振器で提供されるクロックは、特にセンサの温度が変化するか又は電源供給が変動する場合に、水晶発振器を使って生成されたクロックに比べて生成されるクロックが大きく変動する。非特許文献２には、微小化された画像センサをその機能への影響に関して、特に周囲条件の作動周波数への影響に関して、ロバストに形成する技術が説明されている。これにはしかしそのような自律的に機能するセンサを外部から送られるクロックに合わせる手段又は方法が欠けている。画像を撮影するために、しばしばセンサが外部クロックに同期することが望まれ、その結果画像データが中間保存なしに、例えばビデオモニターなどの画像出力デバイスに出力されることが可能になる。さらに例えば有利には複数の画像センサを互いに同期させて作動させる立体画像の撮影のような使用が有利である。

特許文献１は、自律的に機能し、そのセンサクロックを自身で生成する最小寸法の、内視鏡用の微小化画像記録装置に関する。この公報には、このような複数の画像記録装置を互いに又はこのような画像記録装置を外部にある（例えばパルス状の照明に起因する）クロックに同期させて作動させる方法又は手段が欠けている。

特許文献２には蛍光画像を撮影するための発光手段を含む装置が記述されている。この公報に記述されている照明光源は、制御装置を使用して画像記録装置の画像周波数に同期されるが、反対に画像記録装置を照明のクロックに同期する手段がない。さらに、同じくこの公報では３Ｄ画像を得るために複数の画像記録装置を使用することに言及されているが、これらの画像記録装置が互いに同期される可能性はまったくない。これは特に画像内で動く対象物を３Ｄデータに録画する際に、軽度のアーチファクトと誤計算が生じる。なぜなら画像内で動く物体が２つのセンサ間の画像撮影の時差の間に２つのセンサが動いた距離が誤って立体情報であると感知されるからである。

国際公開第２００７／１０１３６０Ａ１号パンフレット 欧州特許出願公開第２１０８９４３Ａ２号明細書

Ｍ．Ｗａｅｎｙ他、ＳＰＩＥ定期刊行物「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｗｅｓｔ」、２００９年１月、参照：ＥＩ０９−ＥＩ１１４−９＿７２４９−３２ Ｍ．Ｗａｅｎｙ他、「Ｕｌｔｒａ ｓｍａｌｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、２００９年 Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ会報、２００９年３月２６日（２００９−０３−２６）ＸＰ５５０３５３０６、Ｂｅｒｇｅｎ、Ｎｏｒｗａｙ

内視鏡先端ではスペース条件が制限されているため画像センサ上への電子回路配置が望ましいことから、本発明の課題は、センサの合計面積を可能な限り本来の画像撮影に使用できるよう、画像センサ上の電子回路を減らすことであり、その際に画像センサは一方で、特に外部クロック信号の供給なしで自律的に機能しなければならず、他方で外部クロックに同期して又は複数の画像センサが互いに同期して個々の画像を同時に撮影し、伝送することが求められる。

この課題を解決する驚くべき方法は、制御電子回路が、センサクロック及び／又はセンサフレームレート及び／又はセンサ画像フェーズを検知し、参照クロックにマッチングさせる手段を備えていることである。

本発明は従って、制御電子回路がセンサクロック及び／又はセンサフレームレート及び／又はセンサ画像フェーズを検出し、参照クロックとマッチングさせる手段を有しており、その結果少なくとも１つのそのようなセンサが、このセンサ自身が出していないクロックに同期して作動され得ることを特徴とする内視鏡装置を提示する。

このセンサは単純で純粋なＣＭＯＳ発振器を使用して画像センサ上で画像を外部クロックに同期して撮影し、伝送し及び／又は複数のセンサを互いに同期させ、画像データを同期して出力することを可能にする。

本発明によるセンサの実現により、追加の電子回路のためにセンサ面を使用することなく画像センサの機能を拡張することが可能になる。

好ましくは内視鏡装置は１つ又は複数の画像センサを遠位端部に備え、それについてそれぞれその固有のセンサクロックを自身で生成し、このセンサクロックに内視鏡装置の近位端部の制御電子回路が影響を与えることが可能であり、その際上述の制御電子回路が、センサクロック及び／又は伝送されたセンサフレームレート及び／又はセンサ画像フェーズを、それぞれ個別のセンサが、上述のセンサが複数であることを検出し、その量をそれぞれ対応する他のセンサの量と比較し、センサのすべて又は一部を上述の複数のセンサと互いにマッチングさせる手段を有している。

さらに、上述の画像センサが有利にはＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体、Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｙｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）技術を使用して仕上げられている。

本発明による内視鏡装置は、有利にはセンサクロックの影響がセンサ供給電圧の変化によって実行され得るように設計されている。

本発明による内視鏡装置は、有利には、画像データインターフェースを介して上述の制御電子回路からセンサまでコンフィギュレーションデータを伝達することによってセンサクロックに影響を与えることが可能であり、画像センサが上述のコンフィギュレーションデータを評価し、センサの周波数がクロック生成に相応してコンフィギュレーションデータを変更することが可能であるように設計されている。

本発明による内視鏡装置は、有利には、上述のコンフィギュレーションデータが画像データインターフェースを介して多重に伝送され得るように設計されている。

本発明による内視鏡装置は、非常に有利には、上述のコンフィギュレーションデータがそれぞれ１つの画像線の伝送後に伝送され得るように設計されている。

本発明による内視鏡装置は、有利には、上述のコンフィギュレーションデータがそれぞれ１つの画像の伝送後に伝送され得るように設計されている。

本発明による内視鏡装置は、有利には、複数の画像センサの画像データから立体画像評価を使用して３Ｄ画像データを獲得できるように設計されている。

本発明による内視鏡装置は、非常に有利には、上述の画像センサがパルス状の光源によって同期され得るように設計されている。

以下では、本発明の実施例が図を使用して説明される。

センサ供給電圧による制御を使った画像センサクロック生成のマッチングを備えた内視鏡のブロック線図である。 内視鏡先端への内蔵に適した画像センサのブロック線図である。 ベースチップクロック生成のためのチップ給電を備えたリング発振器の図である。 コンフィギュレーションインターフェースを使用した画像センサクロック生成のマッチングを備えた内視鏡のブロック線図である。

図に示された、本発明による内視鏡装置の実施可能な形態は、単に説明のための例と理解するものとする。実施例は本発明の一般性を限定するものではない。

図１は、クロックが単純なリング発振器１２によって提供される画像センサ１１を有し、遠位側１０ａ及び近位側１０ｂを備えた、本発明による内視鏡装置１０の最も簡単な実施形態である。

この画像センサはさらに図２にも説明されており、リング発振器は図３に説明されている。画像センサ１１は、データ及び電源供給ケーブル１７を介して近位部分内にある制御及び評価電子回路と接続されている。好ましくは内視鏡装置１０内に取り付けられた画像センサ１１は、画像センサ上に生成されるピクセルクロック又はデータ流内の一定部分が、例えば線及び画像開始／終了同期パルスを使用して伝送される手段を有している。さらに、内視鏡装置１０は近位部分に、又は内視鏡装置１０と接続された制御機器又は評価機器内に、画像センサによって電送されたピクセルクロック、又はラインクロック、しかし少なくとも画像クロックを検出することを可能にする手段２１、及びこれを参照クロック２３と比較することを可能にする手段２２を有している。さらに、内視鏡装置１０は近位部分１０ｂに画像データ出力インターフェース（例えばビデオモニター接続部）２５を備えている。その上に、内視鏡装置１０は近位部分１０ｂに、又は内視鏡装置１０と接続された制御機器又は評価機器内に、センサクロックで差が検出された場合にこの差が正になるか負になるかで、センサから来たクロックが対応する参照クロックと比べて高くされ得る又は低くされ得るように、センサ供給電圧２４を適合する手段を備えている。制御及び調整技術の公知の知識レベルにより、画像センサ供給電圧の修正は、ある一定の適合時間後センサクロックが安定するように設計されている。

図２は、内視鏡装置１０内に取り付けられた画像センサ１１の簡略化したブロック線図である。上述の画像センサ１１は、画素マトリックス３４を読み取るための制御部３３と、データ伝送路３５を介して画像データを伝送するための公知の従来技術による適切な電子回路を含んでおり、例としてアナログデジタルコンバーター３６、データシリアライゼーション３７及び差分信号ドライバ３８並びに差分データインターフェース３９から構成される。センサクロックは、比例した供給電圧４１及び４２によって給電されるリング発振器１２によって生成される。

図３では、例として回路のように仕上げられ、チップクロックを生成するリング発振器１２が詳細に説明されている。リング発振器は、信号を反転させる奇数の回路素子をリング状につなげることで周期的にチップクロックを生成する。例として図３の実施例では、３つのデジタルインバーター４３が１つのリングになるよう接続される。各インバーターブロックは、チップ供給電圧４１とチップ地電位４２の間で電源を供給する。チップ供給電圧を印加するとすぐに、回路はその特有の固有振動数で振動し始める。別のインバーター４３の形で簡単な増幅回路が発振器リングの信号を捕らえ、その信号を出力信号よりも少ないインピーダンスで供給する４４。リング発振器に供給される電圧が高くなるとリング発振器の固有振動数は高くなり、供給電圧が低くなると振動周波数が小さくなる。別法としてリング発振器は供給電圧に比例した別の電圧によっても電源供給され得る。

内視鏡装置の別法の実施では、画像センサは、コンフィギュレーションデータを近位の制御及び評価電子回路から受信する手段及びこのコンフィギュレーションデータを使用してセンサクロック周波数を段階的にマッチングする手段を備えている。それゆえにこの画像センサは、センサクロックを高める又は低減する手段を備えている。上述の画像センサクロック制御のステップ幅は、公知の制御部技術の制御によって画像フェーズ及びセンサクロック周波数の安定した制御が可能であるように設計されている。特にセンサクロック周波数を、小さい連続ステップによって、目標周波数と画像撮影の目標フェーズ状態が達成されるまでマッチングすることが可能である。コンフィギュレーションデータは、公知の電子データ通信技術により、独立したコンフィギュレーションケーブルを介して、又は多重に画像データケーブルを介して伝送され得る。センサクロック周波数にマッチングさせるためのコンフィギュレーションデータの伝送は、その際に持続的にも、特定の時間までに、例えば画像線のそれぞれ完全な伝送の後に又は完全な画像の伝送の後にも行われる。画像センサを参照クロック又は複数のセンサに互いに同期させるために、上述のコンフィギュレーションデータの伝送のインターバルが大きければ大きいほど、周波数マッチングステップが細かく設計され、より多くの時間が必要となる。

図４は、この変形形態の内視鏡装置１００のブロック線図であり、センサクロックの制御に必要な機能グループを模式的に示している。

内視鏡装置１００は遠位部分１００ａと近位部分１００ｂから構成されている。遠位部分と近位部分はデータ及び電源供給ケーブル１７０を介して互いに接続されている。別法の内視鏡装置に取り付けられた画像センサ１１０は、通信データインターフェース１０３を介して通信データを受信及び評価できる手段１０４を備えている。画像センサ１１０は、供給電圧４１及び地電位４２によって電源供給され、これらは本発明による内視鏡装置のこの変形形態で固定的に設定されている。さらに画像センサは発振器１２０の周波数に対応して評価された通信信号の制御命令を適合する手段を備えている。公知の技術により、これは例えばデジタルアナログコンバーターを使用して制御された「電圧制御式発振器」によって実現可能である。さらに、別法の内視鏡装置１００は、近位の評価電子回路１００ｂが、画像センサから伝送されたピクセルクロック、又はラインクロックが少なくとも画像クロックを検出することを可能にする手段１２１、及びこれを参照クロック１２３と比較することを可能にする手段１２２を有している。さらに、この装置は画像センサの通信データに戻して伝送する手段１３３を有している。検出されたセンサクロックが参照クロックよりも高いか低いかにより、制御及び調整技術の公知の規定に従い、発振器１２０の通信インターフェース１０３及び１０４を介して、ある一定の適合時間後に画像センサ１１０の安定したセンサクロックがもたらされるようにコンフィギュレーションされ、このセンサクロックは参照クロックと周波数及びフェーズにおいて同じである。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの画像センサ（１１、１１０）を遠位端部（１０ａ、１００ａ）に有している内視鏡装置（１０、１００）であって、その際に前記画像センサが固有のセンサクロックを生成するために配置されており、該センサクロックが前記内視鏡装置の近位端部（１０ｂ、１００ｂ）にある制御電子回路によって影響を与えられ得る装置において、前記制御電子回路が、前記センサクロック及び／又はセンサフレームレート及び／又はセンサ画像フェーズを検出し、参照クロックとマッチングさせる手段を有し、その結果少なくとも１つのそのようなセンサが、このセンサ自身が出していないクロックに同期して作動され得ることを特徴とする、装置。
2. 請求項１に記載の内視鏡装置であって、複数の画像センサを遠位端部に備え、該画像センサについてそれぞれその固有のセンサクロックを自身で生成し、該センサクロックが内視鏡装置の近位端部にある制御電子回路によって影響を与えられ得、その際前記制御電子回路が、前記センサクロック及び／又は前記伝送されたセンサフレームレート及び／又はそれぞれ個別のセンサの前記センサ画像フェーズが、前記センサが複数であることを検出し、及びその量をそれぞれ他のセンサの対応する量と比較し、及びセンサのすべて又は一部を前記複数のセンサと互いにマッチングさせる手段を有していることを特徴とする、装置。
3. 請求項１又は２に記載の内視鏡装置であって、前記画像センサがＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体、Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｙｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）技術を使用して仕上げられていることを特徴とする、装置。
4. 請求項１又は２に記載の内視鏡装置であって、該内視鏡装置が、前記センサクロックの影響がセンサ供給電圧の変化によって実行され得るように設計されていることを特徴とする、装置。
5. 請求項１又は２に記載の内視鏡装置であって、該内視鏡装置が、画像データインターフェースを介して前記制御電子回路からセンサまでコンフィギュレーションデータを伝送することによって前記センサクロックへ影響を与えることが可能であり、及び前記画像センサが前記コンフィギュレーションデータを評価し、及びセンサ周波数がクロック生成に相応して前記コンフィギュレーションデータを変更することが可能であるように設計されていることを特徴とする、装置。
6. 請求項５に記載の内視鏡装置であって、該内視鏡装置が、前記コンフィギュレーションデータ画像がデータインターフェースを介して多重に伝送され得るように設計されていることを特徴とする、装置。
7. 請求項６に記載の内視鏡装置であって、該内視鏡装置が、前記コンフィギュレーションデータをそれぞれ画像線を伝送した後に伝送可能であるように設計されていることを特徴とする、装置。
8. 請求項６に記載の内視鏡装置であって、該内視鏡装置が、前記コンフィギュレーションデータをそれぞれ画像を伝送した後に伝送可能であるように設計されていることを特徴とする、装置。
9. 請求項２〜６のうちのいずれか一項に記載の内視鏡装置であって、前記複数の画像センサの画像データから立体画像評価を使用して３Ｄ画像データを獲得できることを特徴とする、装置。
10. 請求項１又は２に記載の内視鏡装置であって該内視鏡装置が、前記画像センサがパルス状の光源によって同期され得るように設計されていることを特徴とする、装置。

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