DE102009059977A1

DE102009059977A1 - Endoskopsystem mit Abtastfunktion

Info

Publication number: DE102009059977A1
Application number: DE102009059977A
Authority: DE
Inventors: Yoichi Hitokata
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2010-07-15
Also published as: JP2010142605A; US20100157038A1

Abstract

Ein Endoskopsystem hat einen Lichtleiter, der Beleuchtungslicht aus einer Lichtquelle zu dem Spitzenteil eines Betrachtungsgeräts überträgt; einen Abtaster zum spiralförmigen Abtasten eines Zielbereichs mit dem Beleuchtungslicht durch Schwingungsbewegung des Spitzenteils des Lichtleiters; und einen Pixelsignaldetektor zum Erfassen von Pixelsignalen aus an dem Zielbereich reflektiertem Licht mit vorgegebener Sampling-Rate. Das Endoskopsystem hat ferner einen Bildpixelgenerator, der Bildpixel eines Betrachtungsbildes aus den Pixelsignalen erzeugt, die entsprechend der Sampling-Rate gesamplet oder erfasst werden. Der Bildpixelgenerator erzeugt jenes Bildpixel aus einer "Nachbarpixelgruppe".

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Endoskopsystem, das Beleuchtungslicht abtastend über einen Zielbereich wie z. B. Gewebe führt. Insbesondere betrifft die Erfindung das Erzeugen eines Betrachtungsbildes.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein Endoskopsystem mit Abtastfunktion ist mit einem Abtastlichtleiter wie einem Singlemode-Faserlichtleiter ausgerüstet, der in einem Betrachtungsgerät angeordnet ist. Wie in den USP 6 294 775 und 7 159 782 beschrieben ist, wird der Spitzenteil des Abtastlichtleiters mit einem Antrieb wie z. B. einer piezoelektrischen Vorrichtung gehalten, der den Spitzenteil spiralförmig und schwingungsartig bewegt, indem die Amplitude (Signalform) der Schwingung moduliert und verstärkt wird. Daher wird das Beleuchtungslicht, welches den Faserlichtleiter durchläuft, spiralförmig abtastend über einen Betrachtungsbereich geführt.
Das an dem Betrachtungsbereich reflektierte Licht tritt in einen Bildlichtleiter ein und wird über diesen einem Prozessor zugeführt. Das übertragene Licht wird durch Fotosensoren in Pixelsignale umgesetzt. Dann wird jedes in Zeitfolge erfasste Pixelsignal einer Abtastposition zugeordnet. So wird ein Pixelsignal eines jeden Pixels identifiziert, und daraus werden Bildsignale erzeugt. Die spiralförmige Abtastung wird periodisch auf der Basis eines vorbestimmten Zeitintervalls (Bildrate) durchgeführt, und die Pixelsignale für ein Bildfeld werden nacheinander aus den Fotosensoren entsprechend der Bildrate ausgelesen.
Obwohl Pixelsignale mit einem Fotosensor bei einer vorbestimmten Sampling-Rate erfasst werden, sind Vollpixelsignale nicht rasterartig angeordnet. Nur ein Teil der erfassten Pixelsignale wird zum Erzeugen eines Betrachtungsbildes benutzt; die übrigen Pixelsignale bleiben unberücksichtigt. Die Auswahl der Pixelsignale zum Erzeugen des Betrachtungsbildes erfolgt z. B. durch ein sogenanntes Downsampling. Viele Pixelsignale im zentralen Teil einer Spiralabtastung werden nicht genutzt, da die Länge einer Kreisbewegung im Zentralbereich relativ kurz ist. Ferner kann ein ausgewähltes Pixel bei Erfassung der Pixelsignale mit einem konstanten Pixelintervall einen großen Rauschanteil haben, während ein ihm benachbartes Pixelsignal kein Rauschen enthält. In diesem Fall ist die Erzeugung eines hochqualitativen Bildes schwierig.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Endoskopsystem anzugeben, mit dem durch effektives Ausnutzen erfasster Pixelsignale eine hohe Bildqualität erzielt werden kann.
Ein Endoskopsystem nach der vorliegenden Erfindung hat einen Lichtleiter, der Beleuchtungslicht aus einer Lichtquelle zu dem Spitzenteil eines Betrachtungsgeräts überträgt; einen Abtaster zum spiralförmigen Abtasten eines Zielbereichs mit dem Beleuchtungslicht durch Schwingungsbewegung des Spitzenteils des Lichtleiters; und einen Pixelsignaldetektor, der die Pixelsignale auf der Basis der Lichtreflektion an dem Zielbereich mit einer vorgegebenen Sampling-Rate erfasst. Das Endoskopsystem hat ferner einen Bildpixelgenerator, der Bildpixel eines Betrachtungsbildes auf der Basis der gesampleten oder erfassten Pixelsignale entsprechend der Sampling-Rate erzeugt.
Bei der vorliegenden Erfindung erzeugt der Bildpixelgenerator jedes Bildpixel aus einer „Nachbarpixelgruppe”. Die Nachbarpixelgruppe repräsentiert eine Gruppe Pixelsignale, die aus einem Hauptpixelsignal und den umgebenden Pixelsignalen besteht. Das Hauptpixelsignal befindet sich an einer Pixelposition eines entsprechenden Bildpixels. Die umgebenden Pixelsignale können aus Pixelsignalen erzeugt sein, die auf einer aktuellen Abtastbahn oder zweidimensional auf einer Anzahl spiralförmiger Abtastbahnen angeordnet sind. Die Nachbarpixelgruppe kann auch aus Pixelsignalen bestehen, die in einem einzelnen Bildintervall oder über zwei Bildintervalle erfasst werden.
Jedes Bildpixel wird erzeugt, indem das Hauptpixelsignal und die umgebenden Pixelsignale genutzt werden, die dem Bildpixel eng zugeordnet sind. Somit wird ein hochqualitatives Betrachtungsbild anstelle eines Bildes aus Pixeln mit einem großen Rauschanteil realisiert.
Beispielsweise kann der Bildpixelgenerator zumindest einen Mittelwert-Rechenprozess, einen Tiefpassfilter-Prozess, einen Zentralpixel-Samplingprozess oder einen Maximalwert-Rechenprozess ausführen.
Da Bildpixel vorzugsweise unter Anwendung von Realzeit-Pixelinformationen erzeugt werden, kann der Bildpixelgenerator die Nachbarpixelgruppen auf der Basis von Pixelsignalen konfigurieren, die längs einer spiralförmigen Abtastbahn vor und hinter dem Hauptpixelsignal liegen. Der Bildpixelgenerator kann nämlich die umgebenden Pixelsignale als die vorher und nachher auf derselben Abtastbahn vorhandenen Pixelsignale definieren.
Wenn andererseits die umgebenden Pixelsignale möglichst häufig genutzt werden, kann der Bildpixelgenerator die Nachbarpixelgruppe auf der Basis von Pixelsignalen konfigurieren, die zweidimensional auf mehreren spiralförmigen Abtastbahnen angeordnet sind. Insbesondere kann der Bildpixelgenerator zur Auswahl oder Definition einer ausgeglichenen Gruppe von Pixelsignalen nahe dem Hauptpixelsignal die Nachbarpixelgruppe auf der Basis von Pixelsignalen konfigurieren, die in einem vorherigen Bildintervall erfasst wurden. Beispielsweise kann die Nachbarpixelgruppe aus einem Block erzeugt werden, der aus 3×3 Pixeln besteht, die auf drei spiralförmigen, einander benachbarten Abtastbahnen angeordnet sind. Ferner ist es möglich, die Realzeit-Pixelinformation und die zuvor erfasste Pixelinformation zu nutzen.
Ist die Abtastrate konstant, ändert sich ein Pixelintervall zwischen erfassten Pixelsignalen mit jeder spiralförmigen Abtastbahn. Je größer der Radius der spiralförmigen Abtastbahn ist, um so länger wird das Pixelintervall. Besonders im äußeren Bereich des Betrachtungsbildes kommt ein Pixelintervall dem Intervall zwischen benachbarten Bildpixeln nahe. Deshalb kann der Wert eines Bildpixels im äußeren Bereich gleichmäßig werden, wenn die umgebenden Pixelsignale zum Erzeugen von Bildpixeln genutzt werden.
Um diese Situation zu vermeiden, kann der Bildpixelgenerator die Nachbarpixelgruppe zum Erzeugen von Bildpixeln nutzen, während ein vorbestimmter Bereich abgetastet wird. Der Bereich ist so definiert, dass das Verhältnis der Bildpixelanzahl zur Anzahl gesampleter (erfasster) Pixelsignale einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Beispielsweise erzeugt der Bildpixelgenerator Bildpixel durch Benutzen der Nachbarpixelgruppe während der Abtastung eines Zentralbereichs. Wenn andererseits ein anderer als der vorbestimmte Bereich abgetastet wird, kann der Bildpixelgenerator einen Downsampling-Prozess mit den Pixelsignalen ausführen. Der Downsampling-Prozess basiert auf einem vorgegebenen Pixelintervall, das für jede spiralförmige Abtastbahn definiert ist.
Wenn der Luminanzwert des Betrachtungsbildes hoch ist, wird vorzugsweise ein Signalprozess zum Aussondern des Rauschens, z. B. ein Tiefpassfilterprozess durchgeführt. Wenn viele rauschbehaftete Pixelsignale in den Gesamtpixelsignalen enthalten sind, ist es auch vorteilhaft, die Anzahl der Pixelsignale der Nachbarpixelgruppe zu verändern. Deshalb kann der Bildgenerator mindestens die Anzahl der Pixelsignale der Nachbarpixelgruppe oder ein Bildpixel-Erzeugungsverfahren entsprechend dem Luminanzwert der Pixelsignale eines Bildfeldes verändern.
Eine Einrichtung für Bildpixel eines Betrachtungsbildes in einem Endoskopsystem enthält gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Pixelsignaldetektor, der Pixelsignale auf der Basis des an einem Zielbereich reflektierten Lichtes mit einer vorgegebenen Sampling-Rate erfasst, während der Zielbereich mit Beleuchtungslicht spiralförmig entsprechend einem vorgegebenen Bildintervall abgetastet wird; und einen Bildpixelgenerator, der Bildpixel eines Betrachtungsbildes auf der Basis der erfassten Pixel signale erzeugt. Der Bildpixelgenerator erzeugt jedes Bildpixel aus einer Nachbarpixelgruppe, die ein Hauptpixelsignal an einer Position des Bildpixels und Umgebungspixelsignale enthält.
Ein Verfahren für Bildpixel eines Betrachtungsbildes bei einem Endoskopsystem enthält gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung die folgenden Schritte: a.) Erfassen von Pixelsignalen auf der Basis des an einem Zielbereich reflektierten Lichtes mit einer vorgegebenen Sampling-Rate, während der Zielbereich mit Beleuchtungslicht entsprechend einem vorgegebenen Bildintervall spiralförmig abgetastet wird; und b.) Erzeugen von Bildpixeln eines Betrachtungsbildes auf der Basis der erfassten Pixelsignale. Die Erzeugung schließt das Erzeugen eines jeden Bildpixels aus einer Nachbarpixelgruppe ein, die ein Hauptpixelsignal für eine Position des Bildpixels und Umgebungspixelsignale enthält.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich aus der folgenden Beschreibung vorzugsweiser Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen:
1 das Blockdiagramm eines Endoskopsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist;
2 eine Darstellung des optischen Faserlichtleiters, einer Abtasteinheit und eines spiralförmigen Abtastmusters ist;
3 ein schematisches Blockdiagramm des Signalprozessors ist;
4A und 4B den Prozess der Erzeugung von Bildpixeln eines Betrachtungsbildes zeigen;
5 eine schematische Ansicht einer spiralförmigen Abtastung ist;
6 ein Flussdiagramm eines Bildpixel-Erzeugungsprozesses ist;
7 ein Blockdiagramm eines Signalprozessors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist;
8 ein Blockdiagramm des Pixelinformationsgenerators ist;
9 eine Ansicht eines Pixelblocks in einem vorherigen Bildintervall ist;
10A und 10B Ansichten eines Pixelerzeugungsverfahrens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind;
11 ein Zeitdiagramm eines Bildpixel-Erzeugungsprozesses und eines Aufzeichnungsprozesses sind; und
12 ein Zeitdiagramm eines Bildpixel-Erzeugungsprozesses gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist.
Beschreibung der vorzugsweisen Ausführungsformen
Im Folgenden werden die vorzugsweisen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm eines Endoskopsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. 2 ist eine Darstellung des Abtastlichtleiters, der Abtasteinheit und des spiralförmigen Abtastmusters.
Das Endoskopsystem hat einen Prozessor 30 und ein Endoskop 10, welches einen Abtastlichtleiter 17 und einen Bildlichtleiter 14 enthält. Der Singlemode-Abtastlichtleiter 17 überträgt Beleuchtungslicht, während der Bildlichtleiter 14 Licht überträgt, das an einem Betrachtungsziel S wie z. B. Gewebe reflektiert wird. Das Endoskop 10 ist mit dem Prozessor 30 lösbar verbunden, und der Monitor 60 ist mit dem Prozessor 30 verbunden.
Der Prozessor 30 hat drei Laser 20R, 20G und 20B, die jeweils Rotlicht, Grünlicht und Blaulicht abgeben. Die Laser 20R, 20G und 20B werden durch drei Lasertreiber 22R, 22G und 22B angesteuert. Die gleichzeitig abgegebenen Rotlicht-, Grünlicht- und Blaulicht-Anteile werden mit halbdurchlässigen Spiegelgruppen 24 und einer Sammellinse 25 gesammelt. Daher tritt Weißlicht in den Abtastlichtleiter 17 ein und wird zu dem Spitzenteil 10T des Endoskops 10 übertragen. Das aus dem Abtastlichtleiter 17 austretende Licht beleuchtet das Ziel S.
Wie 2 zeigt, ist eine Abtasteinheit 16 in dem Spitzenteil 10T des Betrachtungsgeräts vorgesehen. Die Abtasteinheit 16 hat einen zylindrischen Antrieb 18 und führt das Licht abtastend über das Ziel S. Der Lichtleiter 17 ist durch die Achse des Antriebs 18 geführt. Der Spitzenteil 17A, der aus dem Antrieb 18 austritt, ist an diesem gelagert oder gehalten.
Der an dem Spitzenteil 10T des Betrachtungsgeräts befestigte Antrieb 18 ist hier ein piezoelektrischer rohrförmiger Antrieb, der den Spitzenteil 17A des Lichtleiters in zwei Richtungen resonanzartig bewegt. Konkret vibriert der Antrieb 18 den Spitzenteil 17A längs zwei Achsen, die rechtwinklig zueinander stehen, in einem Resonanzbetrieb. Die Schwingungsbewegung des Spitzenteils 17A verlagert die Position der Stirnfläche 17S des Lichtleiters 17 spiralförmig gegenüber seiner axialen Richtung.
Das an der Stirnfläche 17S des Abtastlichtleiters 17 austretende Licht wird durch eine Objektivlinse 19 geführt und erreicht den Zielbereich S. Ein mit einem Abtaststrahl durchlaufener Weg, d. h. eine Abtastbahn PT, erzeugt ein spiralförmiges Muster (siehe 2). Da ein Spiralintervall AT in radialer Richtung schmal ist, wird der gesamte Betrachtungsbereich S mit spiralförmig abtastendem Licht beleuchtet.
Das an dem Ziel S reflektierte Licht tritt in den Bildlichtleiter 14 ein und wird dem Prozessor 30 zugeführt. Wenn das reflektierte Licht aus dem Bildlichtleiter 14 austritt, wird es durch eine optische Linse 26 und halbdurchlässige Spiegelgruppen 27 in Rotlicht R, Grünlicht G und Blaulicht B geteilt. Die so getrennten Lichtanteile werden dann den Fotosensoren 28R, 28G und 28B jeweils zugeführt, die das Rotlicht, das Grünlicht und das Blaulicht in Bildpixelsignale entsprechend den Farben „R”, „G” und „B” umsetzen.
Die erzeugten analogen Bildpixelsignale werden durch A/D-Umsetzer 29R, 29G und 29B in digitale Pixelsignale umgesetzt und dann einem Signalprozessor 32 zugeführt, in dem ein Mapping-Prozess ausgeführt wird. Die nacheinander erzeugten digitalen R-, G- und B-Bildpixelsignale werden entsprechend der Ordnung eines spiralförmigen Abtastmusters angeordnet. In dem Mapping-Prozess wird jedes digitale R-, G- und B-Bildpixelsignal einer entsprechenden Abtastposition zugeordnet, so dass rasterförmig angeordnete Bildpixelsignale erzeugt werden. Daher ist die Pixelposition eines jeden digitalen R-, G- und B-Bildpixelsignals hinsichtlich der Ordnung identifiziert, und es werden die digitalen R-, G- und B-Bildpixelsignale für ein Bildfeld nacheinander erzeugt.
In dem Signalprozessor 32 werden die erzeugten zweidimensionalen Bildpixelsignale verschiedenen Bildverarbeitungsprozeduren unterzogen, zu denen ein Weißabgleichsprozess gehört, so dass Videosignale erzeugt werden. Die erzeugten Videosignale werden dem Monitor 60 über einen Codierer 37 zugeführt, so dass ein Betrachtungsbild auf dem Monitor 60 dargestellt wird.
Eine Systemsteuerung 40, die eine ROM-Einheit, eine RAM-Einheit und eine CPU enthält, steuert die Betätigung des Videoprozessors 30 und des Videoskops 10 durch Abgabe von Steuersignalen an den Signalprozessor 32, die Lasertreiber 22R, 22G und 22B usw. Ein Steuerprogramm ist in der ROM-Einheit gespeichert. Eine Zeitsteuerung 34 gibt Synchronisiersignale an die Lichtleitertreiber 36a, 36b zum Ansteuern der Abtasteinheit 16 und an die Lasertreiber 22R, 22G und 22B ab, um die Schwingungsbewegung des Spitzenteils 17A des Lichtleiters mit der Zeitsteuerung der Lichtabgabe zu synchronisieren.
Eine Betriebsarttaste 62 wird betätigt, um die Auflösung eines Betrachtungsbildes zu ändern oder zu verbessern. Wenn die Betriebsarttaste 62 betätigt ist, wird ein Normalbetrachtungsbetrieb zu einem Pixelerzeugungsbetrieb umgeschaltet, und es wird ein Bildpixelerzeugungsprozess ausgeführt, der eine Anzahl gesampleter Pixelsignale benutzt, wie noch beschrieben wird.
3 ist ein schematisches Blockdiagramm des Signalprozessors 32.
Der Signalprozessor 32 hat eine Downsampling-Schaltung 72, eine Pixelmittelwert-Rechenschaltung 74, eine Zentralpixel-Erfassungsschaltung 76, eine Tiefpassfilterschaltung (LPF) 78 und eine Luminanzmaximalwert-Erfassungsschaltung 80. Jede Schaltung ist selektiv mit einem Wähler 82 verbunden. Die Downsampling-Schaltung 72 und der Wähler 82 sind mit einem Wähler 84 verbunden. Digitale Pixelsignale, die entsprechend einer vorbestimmten Sampling-Rate (vorgegebene Taktimpulsfrequenz) erfasst werden, werden als Pixeldaten der Downsampling-Schaltung 72, der Luminanzmittelwert-Rechenschaltung 74, der Zentralpixel-Erfassungsschaltung 76, der Tiefpassfilterschaltung 78 und der Luminanzmaximalwert-Erfassungsschaltung 80 zugeführt.
Die Downsampling-Schaltung 72, die eine Verzögerungsschaltung enthält, führt einen Downsampling-Prozess aus. Die Downsampling-Schaltung 72 samplet oder wählt spezifische Pixel aus einer Folge erfasster Pixelsignale entsprechend vorbestimmten Pixelintervallen, die für jede Spiralbahn definiert sind. Jedes gewählte Pixelsignal wird im Folgenden als ein „Hauptpixel” bezeichnet. Die Hauptpixel sind weitgehend an Pixelpositionen von Bildpixeln angeordnet, die ein Betrachtungsbild erzeugen.
Die Pixelmittelwert-Erfassungsschaltung 74 berechnet eine Reihe mittlerer Pixel aus den Hauptpixeln und den sie umgebenden Pixelsignalen. Beispielsweise wird ein Pixel mit einem mittleren Wert aus einem Hauptpixel und benachbarten vorherigen und nachfolgenden Pixelsignalen berechnet. Im Folgenden wird eine Reihe Pixelsignale zum Erzeugen von Bildpixeln als eine „Nachbarpixelgruppe” bezeichnet.
Die Zentraldaten-Erfassungsschaltung 76 erfasst ein Pixel mit mittlerem Luminanzwert einer jeden Nachbarpixelgruppe, während die Tiefpassfilterschaltung 78 Pixel mit Niederfrequenzkomponenten samplet. Die Luminanzmaximalwert-Erfassungsschaltung 80 erfasst das Pixel mit maximaler Lumi nanz aus jeder Nachbarpixelgruppe.
Der Signalprozessor 32 enthält ferner eine Y/C-Wandlerschaltung 86, eine Histogrammschaltung 88 und eine Betriebsschaltung 90. Die Y/C-Wandlerschaltung 86 erzeugt Luminanzsignale für die erfassten Bildsignale eines Bildfeldes. Dann erzeugt die Histogrammschaltung 88 Histogrammdaten der Luminanzsignale. Die Betriebsschaltung 90 berechnet einen Helligkeitswert eines Betrachtungsbildes aus den Histogrammdaten. Es wird hier eine mittlere Luminanz berechnet.
Der Wähler 82 gibt Bildpixelsignale an den Wähler 84 aus der Pixelmittelwert-Rechenschaltung 74, der Zentralpixel-Erfassungsschaltung 76, der Tiefpassfilterschaltung 78 oder der Luminanzmaximalwert-Erfassungsschaltung 80 ab. Ferner schaltet der Wähler 82 einen Verbindungszustand zu dem Wähler 84 auf der Basis des Helligkeitswertes, den die Betriebsschaltung 90 abgibt.
Ferner ist der Signalprozessor 32 mit einem Spiralzähler 92, einer Schwellenausgabeschaltung 94, einem Komparator 96 und einer AND-Schaltung 98 ausgerüstet. Während einer spiralförmigen Abtastung zählt der Spiralzähler die Anzahl Spiralbahnen in jedem Bildintervall. Die Schwellenausgabeschaltung 94 gibt ein Signal ab, das einem Schwellenwert entspricht. Der Komparator 96 vergleicht die Anzahl der Spiralbahnen mit dem Schwellenwert und ändert seinen Signalpegel, wenn die Anzahl Spiralbahnen den Schwellenwert überschreitet. Die AND-Schaltung 98 gibt ein Steuersignal an den Wähler 84 abhängig von einem Erfassungssignal aus der Betriebsarttaste 62 und einem Erfassungssignal des Komparators 96 ab. Der Wähler 84 gibt selektiv Bildpixelsignale entweder aus der Downsampling-Schaltung 72 oder dem Wähler 82 an den ersten Bildspeicher 31A oder den zweiten Bildspeicher 31B ab.
4A und 4B zeigen den Prozess der Erzeugung von Bildpixeln, die ein Betrachtungsbild aufbauen. 5 ist eine schematische Darstellung einer spiralförmigen Abtastung. Das Erzeugungsverfahren wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 4A, 4B und 5 beschrieben.
Wie oben beschrieben, werden Pixelsignale mit den Fotosensoren 28R, 28G und 28B entsprechend der vorbestimmten Sampling-Rate erfasst. Diese ist für jede spiralförmige Abtastbahn konstant, wobei 2000 Pixelsignale pro Umdrehung in zeitlicher Folge erfasst werden. Andererseits besteht ein Betrachtungsbild M1 nach Abtastung eines Abtastbereichs M aus 500×500 Bildpixeln. Deshalb ist die Zahl spiralförmiger Abtastbahnen für ein Bildintervall 250, so dass 250 Bildpixel ausgehend von einem Abtast-Startpunkt in radialer Richtung angeordnet sind. Die tatsächliche Dichte der Abtastbahnen in radialer Richtung ist viel höher als in 5 dargestellt.
Bei Normalbetrachtungsbetrieb ergeben sich die 500×500-Bildpixelsignale durch Downsampling in der Downsampling-Schaltung 72. Konkret werden die Pixelsignale aus einer Reihe erfasster Pixelsignale bei einem vorgegebenen Pixelintervall (siehe 4A) gesamplet oder gewählt. Das Pixelintervall ändert sich mit der Anzahl Spiralbahnen; je kleiner der Radius einer spiralförmigen Abtastbahn ist, um so kürzer wird das Pixelintervall.
Beispielsweise ist in einem Zentralbereich MC, der den Zentralpunkt (Abtaststartpunkt) O enthält, die Länge einer Umdrehung kurz, verglichen mit einem Außenbereich MD des Abtastbereichs M. Andererseits ist die Erfassungsrate für Pixelsignale konstant, d. h. 2000 pro Umdrehung für den Zentralbereich MC und den Außenbereich MD. Als Ergebnis werden viele Pixelsignale im Zentralbereich MC bei der Erzeugung rasterartig angeordneter Bildpixel nicht berücksichtigt, während im Außenbereich MD die meisten Pixelsignale genutzt werden. In der Downsampling-Schaltung 72 wird ein Pixelintervall zum Sampling erfasster Pixelsignale entsprechend der Anzahl gezählter Spiralbahnen eingestellt, d. h. entsprechend einer vorliegenden Abtastbahn. In 4A werden Pixelsignale in 20 Pixel-Intervallen gewählt.
Wenn die Bildpixel-Erzeugungsart eingestellt ist, werden die Bildpixel andererseits in anderer Weise als bei der Normalbetrachtung erzeugt. Konkret wird jedes Bildpixel durch Nutzen eines entsprechenden Hauptpixelsignals und der Pixelsignale davor und danach längs der spiralförmigen Abtastbahn erzeugt. Über jedes Hauptpixelsignal wird durch das Pixelintervall einer jeden spiralförmigen Abtastbahn entschieden.
In 4B ist ein Erzeugungsprozess für Bildpixel dargestellt. Die Pixelmittelwert-Rechenschaltung 74 enthält ein Schieberegister, das erfasste Pixelsignale speichert. In dem Schieberegister sind die Pixelsignale zweidimensional angeordnet, während sie um jeweils ein Pixel verschoben werden. Die Pixelmittelwert-Rechenschaltung 74 berechnet ein mittleres Pixel aus einem entsprechenden Hauptpixelsignal und den Pixelsignalen davor und danach. Wenn beispielsweise das Hauptpixelsignal P20 ist, wird ein Bildpixel PV aus den Register-Pixelsignalen erzeugt. Das Bildpixel PV repräsentiert einen Mittelwert des Hauptpixelsignals P20 und der Pixelsignale P19 und P21 davor und danach.
Andererseits selektiert die Tiefpassschaltung 78 ein Pixelsignal mit dem niedrigsten Luminanzwert der drei Pixelsignale, d. h. des Hauptpixelsignals und der Pixelsignale davor und danach. Auch selektiert die Luminanzmaximalwert-Erfassungsschaltung 80 ein Pixelsignal mit dem maximalen Luminanzwert der drei Pixelsignale. Ferner selektiert die Zentralpixel- Erfassungsschaltung 78 das Pixelsignal mit dem mittleren Luminanzwert aus den drei Pixelsignalen.
Auf diese Weise wird jedes Bildpixelsignal aus einer Anzahl Pixelsignale erzeugt, die sich an einer Pixelposition des Bildpixels und des unmittelbar vorherigen sowie nachfolgenden Pixelsignals befinden. Dieser Prozess wird für jedes der R-, G- und B-Pixelsignale durchgeführt.
6 ist ein Flussdiagramm des Bildpixel-Erzeugungsprozesses.
In Schritt S101 wird gefragt, ob die Betriebsarttaste 62 betätigt wurde, um in den Erzeugungsbetrieb für die Bildpixel umzuschalten. Ist die Betriebsarttaste 62 nicht betätigt, so wird das normale Downsampling durchgeführt (S107). Konkret gibt der Wähler 84 (siehe 2) ein gewähltes Pixelsignal als Bildpixel entweder an den ersten Bildspeicher 31A oder den zweiten Bildspeicher 31B ab. Wenn andererseits von dem Normalbetrachtungsbetrieb auf den Bildpixel-Erzeugungsbetrieb umgeschaltet wird, geht der Prozess zu Schritt S102.
In Schritt S102 wird geprüft, ob die Anzahl der vorliegenden Spiralbahnen gleich oder kleiner als ein Schwellenwert entsprechend der Umfangslinie des Zentralbereichs MC ist, nämlich ob eine vorliegende Abtastposition im Zentralbereich MC liegt. Wenn die vorliegende Abtastposition im Zentralbereich MC liegt, geht der Prozess zu Schritt S103, um den Bildpixel-Erzeugungsprozess auszuführen, bei dem benachbarte Pixelsignale genutzt werden. Wenn andererseits die vorliegende Abtastposition außerhalb des Zentralbereichs MC liegt, wird das normale Downsampling ausgeführt (S107).
In Schritt S103 wird geprüft, ob ein Helligkeitswert Lm aus der Histogrammschaltung 88 kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert KL ist.
Der Schwellenwert KL dient zum Bestimmen, ob Pixelsignale einen übermäßig großen Rauschanteil haben oder nicht. Ist der Helligkeitswert Lm kleiner als der Schwellenwert KL, so wird ein Bildpixel mit einem mittleren Luminanzwert durch die Pixelmittelwert-Rechenschaltung 74 erzeugt (S106). Konkret gibt der Wähler 82 (siehe 3) eine Reihe Pixelmittelwertsignale an den Wähler 84 ab, und der Wähler 84 gibt die Pixelmittelwertsignale an den ersten Bildspeicher 31A oder den zweiten Bildspeicher 31B ab.
Wenn andererseits der Helligkeitswert Lm gleich oder größer als der Schwellenwert KL ist, wird die Anzahl Pixel, die eine Nachbarpixelgruppe bilden, von drei auf fünf Pixel erhöht (S104). Dann werden Pixelsignale mit der Tiefpassschaltung 78 erzeugt. Es werden nämlich Pixelsignale mit den niedrigsten Luminanzwerten an den ersten Bildspeicher 31A oder den zweiten Bildspeicher 31B über die Wähler 82 und 84 abgegeben (S105). Wenn die Abtastposition sich aus dem Zentralbereich MC herausbewegt, wird das normale Downsampling ausgeführt (S102 und S107). Die Schritte S101 bis 107 werden wiederholt, bis eine Bildbetrachtung beendet ist.
Es kann wahlweise auch ein Bildpixel-Erzeugungsprozess anders als der Tiefpassfilterprozess ausgeführt werden entsprechend dem Zustand eines Betrachtungsbildes. Beispielsweise werden, wenn der Luminanzwert eines Betrachtungsbildes extrem niedrig ist, Pixelsignale mit maximalen Luminanzwerten als Pixelsignale gewählt. Auch wenn ein aufgenommenes Bild bewegt wird, wobei die Auflösung nicht erforderlich ist, kann die Zentralpixel-Erfassungsschaltung 78 benutzt werden.
Auf diese Weise ist das Endoskopsystem des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit dem Abtastlichtleiter 17 ausgerüstet, der einen Zielbereich spiralförmig mit Beleuchtungslicht abtastet, indem sein Spitzenteil zweidimensional schwingungsartig bewegt wird. Wenn dann die Bildpixel-Erzeugung eingeschaltet wird, werden Bildpixel aus einer Reihe Nachbarpixelgruppen erzeugt, die ein Betrachtungsbild aufbauen. Jede Nachbarpixelgruppe besteht aus einem Hauptpixelsignal sowie Pixelsignalen vorher und nachher, und ein mittleres Pixel wird aus den drei Pixelsignalen erzeugt.
Somit wird der Einfluss rauschbehafteter Pixel verringert und ein hochqualitatives Bild realisiert. Ist der Luminanzwert hoch, werden rauschbehaftete Pixel mit der Tiefpassfilterschaltung 78 eliminiert.
Nun wird das zweite Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 7 bis 11 beschrieben. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten dadurch, dass Bildpixelsignale erzeugt werden, wobei Pixelsignale genutzt werden, die in einem vorherigen Bildintervall erfasst wurden.
7 ist ein Blockdiagramm eines Signalprozessors für das zweite Ausführungsbeispiel.
Der Signalprozessor 32' enthält eine Pixelmittelwert-Rechenschaltung 72', eine Zentralpixel-Erfassungsschaltung 74', eine Tiefpassfilterschaltung 78' und eine Luminanzmaximalwert-Erfassungsschaltung 80', die jeweils mit einem Wähler 84' verbunden sind. Der Signalprozessor 32' enthält ferner eine Schaltung 100' zur Erzeugung von Pixelinformationen. Diese empfangt die Pixelsignale eines Bildfeldes in Folge und gibt Pixelinformationen an die fünf Schaltungen in einem nachfolgenden Bildintervall ab. Der Wähler 84' gibt Pixelsignale aus einer der fünf Schaltungen an den ersten Bildspeicher 31A oder den zweiten Bildspeicher 31B ab.
8 zeigt ein Blockdiagramm der Schaltung 100 zum Erzeugen der Pixel informationen. 9 ist eine Darstellung eines Pixelblocks in einem vorherigen Bildintervall.
Die Schaltung 100 zum Erzeugen der vorherigen Pixelinformationen hat Pufferspeicher 102₁ bis 102₂₅₀ und Pufferspeicher 202₁ bis 202₂₅₀ entsprechend der Anzahl der Spiralbahnen. Pixelsignale einer jeden spiralförmigen Abtastbahn werden in dem entsprechenden Pufferspeicher gespeichert. Ferner enthält die Schaltung 100 zur Erzeugung der vorherigen Pixelinformationen drei Addierer (Additionsvorrichtungen) 104, 106 und 110; sechs Verzögerungsvorrichtungen 108A bis 108F; und einen Multiplizierer 112. Dieses in 8 gezeigte Schaltungssystem erlaubt das Berechnen von Pixelinformationen aus einer Anzahl spiralförmiger Abtastbahnen eines vorherigen Bildintervalls.
Zunächst werden neun Pixelsignale die zweidimensional einander benachbart sind und eine Nachbarpixelgruppe aus 3×3 Pixeln bilden, addiert. Dann wird ein mittleres Pixel der neuen Pixel aus dem vorherigen Pixelinformationsdaten berechnet. In 9 ist eine aus neun Pixeln bestehende Nachbarpixelgruppe JS dargestellt. Die Nachbarpixelgruppe JS besteht aus einem Hauptpixel P20_n und acht Pixeln P19_n-1, P20_n-1, P21_n-1, P19_n, P21_n, P19_n+1, P20_n+1, P21_n+1; diese sind insgesamt einander in Aufwärts-Abwärtsrichtung, Links-Rechtsrichtung oder diagonal benachbart. Das Hauptpixel P20_n wird auf der spiralförmigen Abtastbahn n erfasst, während die Pixel P19_n-1, P20_n-1 und P21_n-1 auf der spiralförmigen Abtastbahn n – 1 und die Pixel P19_n ₊₁, P20_n+1, und P21_n+1 auf der spiralförmigen Abtastbahn n + 1 erfasst werden.
Ein Pixelblock eines vorhergehenden Bildintervalls ist einem jeden Hauptpixelsignal in einem vorliegenden Bildintervall definiert oder zugeordnet. Dann ergibt sich ein mittleres Pixel durch Nutzen der vorherigen Pixelinformationen.
10A und 10B zeigen ein Pixelerzeugungsverfahren in der zweiten Ausführungsform.
Ist der Bildpixel-Erzeugungsbetrieb eingestellt, werden Bildpixel durch Berechnen eines mittleren Pixels erzeugt. Bei der zweiten Ausführungsform wird ein Mittelwert aus den folgenden vier Pixeln berechnet: ein Hauptpixel P20, ein vorheriges und nachfolgendes Pixel P19 und P21 (R19 und R21) und das vorherige mittlere Pixel P20B. Das vorherige mittlere Pixel 20B ergibt sich aus einem vorherigen Pixelblock, wie in 9 gezeigt.
11 zeigt ein Zeitdiagramm eines Bildpixel-Erzeugungsprozesses und Aufzeichnungsprozesses.
Während eines Intervalls FA in dem Bildintervall n – 1 werden die Pixel eines Bildfeldes in die Pufferspeicher 102₁ bis 102₂₅₀ eingeschrieben. Das Intervall FA repräsentiert eine aktuelle spiralförmige Abtastung zum Erzeugen eines kreisrunden Betrachtungsbildes. Das verbleibende Intervall FB repräsentiert ein Intervall, in dem der Spitzenteil 17A des Abtastlichtleiters zu dem Abtaststartpunkt zurückkehrt.
Die gespeicherten Pixelsignale werden aus den Pufferspeichern 102₁ bis 102₂₅₀ während des Bildintervalls n ausgelesen. Gleichzeitig werden Bildpixel aus dem vorherigen mittleren Pixelsignal erzeugt, das durch die Schaltung 100 zum Erzeugen vorheriger Pixelinformationen erhalten wurde, sowie aus einer Nachbarpixelgruppe, die in dem Bildintervall n erfasst wird. Die erzeugten Bildpixel werden in dem zweiten Bildspeicher 31B gespeichert. Andererseits werden die Pixelsignale eines Bildfeldes, die in dem Bildintervall n erfasst wurden, in die anderen Pufferspeicher 202₁ bis 202₂₅₀ eingeschrieben. In dem Bildintervall n + 1 werden Bildpixel auf der Basis der gespeicherten Pixelsignale berechnet, die in dem ersten Bildspeicher 31A enthalten sind.
Auf diese Weise werden in dem zweiten Ausführungsbeispiel Pixelsignale, die räumlich und zeitlich eng benachbart sind, zum Erzeugen der Bildpixel genutzt. Dadurch kann auf viele Pixelsignale Bezug genommen werden, die über mehrere spiralförmige Abtastbahnen angeordnet und einander benachbart sind. Bildpixel können nur aus der vorherigen Nachbarpixelgruppe berechnet werden.
Es wird nun die dritte Ausführungsform unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten darin, dass die Pixelsignale eines Bildfeldes zum Berechnen eines mittleren Pixels in einem Rückführungsintervall erfasst werden.
12 zeigt das Zeitdiagramm eines Bildpixel-Erzeugungsprozesses gemäß der dritten Ausführungsform.
Wie 12 zeigt, werden die Pixelsignale eines Bildfeldes während des Rückführungsintervalls FB in dem Bildintervall n – 1 nochmals erfasst und in dem Pufferspeicher 102₁ bis 102₂₅₀ eingeschrieben. Es werden nämlich in dem Rückführungsintervall FB vorherige Pixelinformationen zum Berechnen eines mittleren Pixels unabhängig erfasst. In dem Bildintervall n werden Bildpixelsignale aus Pixelsignalen erzeugt, die in dem gegenwärtigen Bildintervall n erfasst werden und aus den vorherigen Pixelsignalen, die in den Pufferspeichern 102₁ bis 102₂₅₀ gespeichert sind.
Bei der dritten Ausführungsform gibt es nur eine kurze Zeitdifferenz zwischen dem Schreiben der Pixelsignale in dem Bildintervall n – 1 und dem Lesen der gespeicherten Pixelsignale. Deshalb können Bildpixel aus einer sofortigen Pixelformation berechnet werden, die in dem Rückführungsintervall FB erfasst wurde, was dem nächsten Bildintervall extrem nahe liegt.
Die Anzahl der Pixelsignale, die die Nachbarpixelgruppe bilden, kann wahlweise eingestellt werden. Für die Bildpixel-Berechnungsmethode kann ein Rechenverfahren anders als das vorstehend beschriebene Verfahren wahlweise eingesetzt werden.
Die Größe des Zentralbereichs kann entsprechend der Abtastgeschwindigkeit, der Dichte der spiralförmigen Abtastbahnen, der Sampling-Rate, dem Bildintervall usw. definiert werden. Auch kann ein Bereich, in dem die Rate der Anzahl von Bildpixeln zu der Anzahl gesampleter Pixelsignale einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, als ein Bereich zum Erzeugen von Bildpixeln definiert werden. Beispielsweise kann ein Bereich zum Erzeugen von Bildpixeln definiert werden, in dem mehr als 80% der erfassten Pixelsignale unberücksichtigt bleiben, wenn der Downsampling-Prozess durchgeführt wird. Ferner kann ein spiralförmiges Abtastverfahren anders als mit Schwingungsbewegung des Spitzenteils des Abtastlichtleiters (z. B. der Antrieb einer optischen Linse) durchgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6294775 [0002]
- US 7159782 [0002]

Claims

Endoskopsystem, enthaltend: einen Lichtleiter zum Übertragen von Beleuchtungslicht aus einer Lichtquelle zu dem Spitzenteil eines Betrachtungsgeräts; einen Abtaster zum spiralförmigen Abtasten eines Zielbereichs mit dem Beleuchtungslicht durch Schwingungsbewegung des Spitzenteils des Lichtleiters; einen Pixelsignaldetektor zum Erfassen von Pixelsignalen aus dem an dem Zielbereich reflektierten Licht mit einer vorgegebenen Sampling-Rate und einen Bildpixelgenerator, der Bildpixel eines Betrachtungsbildes aus den erfassten Pixelsignalen erzeugt und jedes Bildpixel aus einer Nachbarpixelgruppe erzeugt, die ein Hauptpixelsignal an einer Position des Bildpixels und umgebende Pixelsignale enthält.
Endoskopsystem nach Anspruch 1, bei dem der Bildpixelgenerator die Nachbarpixelgruppe aus Pixelsignalen vor und nach dem Hauptpixelsignal längs einer spiralförmigen Abtastbahn konfiguriert.
Endoskopsystem nach Anspruch 1, bei dem der Bildpixelgenerator die Nachbarpixelgruppe aus Pixelsignalen konfiguriert, die zweidimensional auf mehreren spiralförmigen Abtastbahnen angeordnet sind.
Endoskopsystem nach Anspruch 3, bei dem der Bildpixelgenerator die Nachbarpixelgruppe aus in einem vorherigen Bildintervall erfassten Pixelsignalen konfiguriert.
Endoskopsystem nach Anspruch 4, bei dem der Pixelsignalprozessor die Pixelsignale eines Bildfeldes während eines Rückführintervalls erfasst, in dem der Spitzenteil des Lichtleiters zu einem Abtaststartpunkt zurückkehrt.
Endoskop nach Anspruch 1, bei dem der Bildpixelgenerator Bildpixel durch Nutzen der Nachbarpixelgruppe erzeugt, während ein vorbestimmter Bereich abgetastet wird, in dem die Rate der Zahl der Bildpixel zu der Zahl gesampleter Pixelsignale einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Endoskopsystem nach Anspruch 6, bei dem der Bildpixelgenerator einen Downsampling-Prozess für die Pixelsignale entsprechend einem vorgegebenen Pixelintervall ausführt, das durch jede spiralförmige Abtastbahn definiert ist, wenn ein anderer Bereich als der vorbestimmte Bereich abgetastet wird.
Endoskopsystem nach Anspruch 1, bei dem der Bildpixelgenerator Bildpixel durch Nutzen der Nachbarpixelgruppe erzeugt, während ein zentraler Bereich abgetastet wird.
Endoskopsystem nach Anspruch 1, bei dem der Bildpixelgenerator mindestens die Zahl der Pixelsignale der Nachbarpixelgruppe oder ein Bildpixel-Erzeugungsverfahren entsprechend einem Helligkeitswert der Pixelsignale eines Bildfeldes ändert.
Endoskopsystem nach Anspruch 1, bei dem der Bildpixelgenerator mindestens einen Mittelwertberechnungsprozess, einen Tiefpassfilterprozess, einen Zentralpixel-Samplingprozess oder einen Maximalwertberechnungsprozess durchführt.
Einrichtung für Bildpixel eines Betrachtungsbildes entsprechend einem Endoskopsystem, umfassend: einen Pixelsignaldetektor zum Erfassen von Pixelsignalen aus an einem Zielbereich reflektiertem Licht bei einer vorgegebenen Sampling-Rate und spiralförmiger Abtastung des Zielbereichs mit Beleuchtungslicht entsprechend einem vorgegebenen Bildintervall; und einen Bildpixelgenerator, der Bildpixel eines Betrachtungsbildes aus den erfassten Pixelsignalen erzeugt und jedes Bildpixel aus einer Nachbarpixelgruppe erzeugt, die ein Hauptpixelsignal an einer Position des Bildpixels und die umgebenden Pixelsignale enthält.
Verfahren für Bildpixel eines Betrachtungsbildes gemäß einem Endoskopsystem, umfassend: Erfassen von Pixelsignalen aus an einem Zielbereich reflektiertem Licht mit vorgegebener Sampling-Rate bei spiralförmiger Abtastung des Zielbereichs mit Beleuchtungslicht entsprechend einem vorgegebenen Bildintervall; und Erzeugen von Bildpixeln eines Betrachtungsbildes aus den erfassten Bildpixelsignalen; wobei dieses Erzeugen das Erzeugen eines jeden Bildpixels aus einer Nachbarpixelgruppe umfasst, die ein Hauptpixelsignal an einer Position des Bildpixels und die umgebenden Pixelsignale enthält.