DE102020119172A1

DE102020119172A1 - Endoskopanordnung

Info

Publication number: DE102020119172A1
Application number: DE102020119172.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Härter; Alexander Köhler; Stefan Schröer; Lutz Labusch
Original assignee: Schoelly Fiberoptic GmbH
Current assignee: Schoelly Fiberoptic GmbH
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2022-01-27
Also published as: US20230292994A1; WO2022017885A1; CN115916026A

Abstract

Endoskopanordnung (1) mit einem Kamerakopf (2) mit wenigstens einem distal angeordneten Bildsensor (4) und einer Bildverarbeitungseinheit (3), die über eine Verbindungsleitung (14) mit dem Kamerakopf (2) verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung (14) wenigstens eine optische Leitung (15) zur Übertragung von Bildinformationen aufweist. Die Verbindungsleitung (14) weist zusätzlich eine elektrische Leitung (16) zur seriellen Übertragung von elektrischen Signalen auf, über die elektrische Steuersignale bidirektional übertragbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Endoskopanordnung mit einem Kamerakopf mit wenigstens einem distal angeordneten Bildsensor und einer Bildverarbeitungseinheit(CCU), die über eine Verbindungsleitung mit dem Kamerakopf verbunden ist.
Bei solchen Endoskopanordnungen ist es bekannt, die Bildinformationen als Videodatenstrom über die Verbindungsleitung vom Bildsensor zur CCU zu übertragen. Hierbei ist es üblich, die Videodaten über elektrische oder optische Leitungen zu übertragen.
Aufgabe der Erfindung ist es den apparativen Aufbau in Verbindung mit einer optischen Übertragung zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Endoskopanordnung der vorgenannten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
Die Endoskopanordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung eine elektrische Leitung zur seriellen Übertragung von Signalen aufweist.
Auf diese Weise kann im Kamerakopf auf Umsetzer verzichtet werden, die dem optischen Videodatenstrom beigemischte Signale extrahieren, beispielsweise Steuersignale. Somit kann auch auf einen Rückkanal in der optischen Leitung des unidirektionalen Videodatenstroms verzichtet werden, wodurch der apparative Aufwand wesentlich verringert wird. Insbesondere da solche Umsetzer in der Regel aufwändig programmiert werden müssen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass vorzugsweise nur eine elektrische Leitung in der Verbindungsleitung vorhanden ist, über die die Signale übertragen werden.
In einer Ausführung wird über die elektrische Leitung wenigstens ein Taktsignal und ein erstes Steuersignal übertragen, die im Kamerakopf dem Bildsensor zugeführt sind. Auf diese Weise ist im Kamerakopf keine Verarbeitung oder andere Aufbereitung der Steuersignale für den Bildsensor notwendig. Insbesondere sind die Steuersignale direkt, also ohne einen zwischengeschalteten Prozessor dem Bildsensor zugeführt. Der Vorteil besteht in einem sehr einfachen Aufbau des Kamerakopfs ohne Prozessor. Insbesondere kann dadurch auch die Wärmeentwicklung im Kamerakopf reduziert werden, so dass auch der potenzielle Wärmeeintrag in die Umgebung verringerbar ist.
In einer Ausführung wird über die elektrische Leitung ein zweites Steuersignal übertragen, das im Kamerakopf zusätzlichen Funktionseinheiten zugeführt ist, insbesondere Speicher, Sensoren und/oder Betätigungselementen. Auf diese Weise können zusätzliche Funktionseinheiten mit der Bildverarbeitungseinheit verbunden werden, ohne die Steuerung des Bildsensors zu beeinträchtigen und ohne die Notwendigkeit eines Prozessors im Kamerakopf.
In einer Ausführung ist die elektrische Leitung als eine Zwei-Draht Leitung, insbesondere als Twisted Pair, Shielded Twisted Pair (STP) oder Koaxialkabel, ausgebildet. Auf diese Weise ist die serielle Übertragung der Signale mit geringem Aufwand möglich. Serielle Übertragungsprotokolle, wie beispielsweise I2C, sind standardisiert und einfach mit speziellen Schnittstellenbausteinen, insbesondere ohne Prozessor, umsetzbar.
In einer Ausführung weist die Bildverarbeitungseinheit einen Umsetzer auf, der die Signale zum seriellen Übertragen über die elektrische Leitung kombiniert. Der Kamerakopf weist einen Umsetzer auf, der die seriell übertragenen Signale wieder trennt. Auf diese Weise können verschiedene Signale, wie Steuersignale oder Taktsignale, über eine Leitung übertragen werden, ohne dass sie sich gegenseitig beeinflussen.
In einer Ausführung ist/sind der/die Umsetzer jeweils als Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) Serialisierer/Deserialisierer ausgebildet. Auf diese Weise können sehr viele Daten über eine einfache Zwei-Draht Leitung übertragen werden. Bei einer abgeschirmten Leitung sogar über größere Entfernungen bis zu 15 Meter.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass solche Umsetzer, insbesondere auch GMSL Serialisierer/Deserialisierer, als einzelne Bauteile verfügbar sind, die keinerlei zusätzliche Hardware, insbesondere keinen Prozessor und keine spezielle Programmierung benötigen. Der technische Aufwand ist daher sehr gering, wodurch die Endoskopanordnung einfach und kostengünstig herstellbar ist. Da die Umsetzer bidirektional arbeiten ist eine bidirektionale Übertragung der Signale ohne Probleme möglich.
In einer Ausführung weist die Bildverarbeitungseinheit einen Hauptprozessor auf, der die Signale getrennt dem Umsetzer zuführt. Auf diese Weise kann der Hauptprozessor mehrere getrennte Signale erzeugen, die für unterschiedliche Funktionseinheiten im Kamerakopf bestimmt sind. Diese werden im Kamerakopf vom Umsetzer getrennt und den Funktionseinheiten direkt zugeführt. Ein Prozessor im Kamerakopf ist daher nicht mehr notwendig, wodurch auch eine aufwändige Programmierung entfallen kann. Die serielle Signalübertragung ist daher vollständig transparent, so als ob der Hauptprozessor über jeweils getrennte Leitungen jeweils direkt mit der Funktionseinheit im Kamerakopf verbunden wäre.
In einer alternativen Ausführung weist die Bildverarbeitungseinheit einen Hauptprozessor auf, der über die elektrische Leitung, insbesondere direkt, mit einer Funktionseinheit, insbesondere einem Speicher, des Kamerakopfs verbunden ist.
In einer Ausführung ist der Hauptprozessor mit einem Coprozessor des Kamerakopfs über eine elektrische Leitung der Verbindungsleitung verbunden. Über diese elektrische Leitung werden ein Betriebsprogramm und Steuersignale vom Hauptprozessor zum Coprozessor übertragen.
Die elektrische Verbindung zwischen Hauptprozessor und Coprozessor kann beispielsweise über die elektrische Leitung erfolgen oder über eine separate, zweite elektrische Leitung.
Der Coprozessor kann beispielsweise zur Bildbearbeitung und Steuerung des Bildsensors ausgebildet sein, insbesondere als FPGA. Auf diese Weise kann der Coprozessor beispielsweise die Programmierung des FPGA vom Hauptprozessor erhalten. Die Funktionalität des Coprozessors kann dadurch anpassbar sein.
In einer Ausführung weist die Verbindungsleitung für jeden optischen Bildkanal einen optischen Leiter auf. Auf diese Weise können mehrere Videos übertragen werden.
In einer Ausführung sind dem optischen Leiter Serialisierer/Deserialisierer vor- und nachgeschaltet, um die optischen Bildkanäle auf den vorhandenen optischen Leiter zu übertragen. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, mehrere Bildkanäle auf einem optischen Leiter zu übertragen.
In einer Ausführung ist ein optischer Leiter einer eigenen optischen Faser in der Verbindungsleitung zugeordnet. Auf diese Weise ist eine gute Trennung der Bildkanäle und eine hohe Bandbreite zur Übertragung möglich.
Eine solche Faser kann eine Singlemode- oder Multimode-Faser sein. Insbesondere in Multimode-Fasern kann ein optischer Leiter auch einer Mode einer Faser zugeordnet sein.
In einer weitere Ausführungsform ist die Verbindung mittels mehrerer Verbindungsleitungen denkbar. Dabei beinhaltet jede Verbindungsleitung eine oder mehrere optische Leitungen sowie eine elektrische Leitung.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:

1: ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Endoskopanordnung, und
2: ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen Endoskopanordnung.

Die Endoskopanordnung 1 der 1 besitzt einen Kamerakopf 2 und eine Bildverarbeitungseinheit 3, die über eine Verbindungsleitung 14 miteinander verbunden sind. Die Verbindungsleitung 14 besitzt eine optische Leitung 15 und eine elektrische Leitung 16. Die optische Leitung 15 dient zur Übertragung von Bildinformationen vom Kamerakopf 2 zur Bildverarbeitungseinheit 3. Die optische Leitung 15 weist wenigstens eine Faser auf, die als Singlemode- oder Multimode-Faser ausgebildet sein kann. Vorzugsweise besitzt die optische Leitung 15 so viele Fasern oder Moden wie Bildkanäle vorhanden sind.
Die elektrische Leitung 16 ist eine Zwei-Draht Leitung, die als Twisted Pair, Shielded Twisted Pair (STP) oder als Koaxialkabel ausgebildet sein kann.
Der Kamerakopf 2 weist einen Bildsensor 4 auf, der mit einem Serialisierer 5 für Bilddaten verbunden ist. Der Serialisierer 5 liest die Bilddaten des Bildsensors 4 und bereitet die Bilddaten für die Übertragung vor. Der Serialisierer 5 ist ein Standardbauteil, das ohne weitere Programmierung einsetzbar ist. Die serialisierten Bilddaten werden in einem optischen Wandler 6 in optische Signale gewandelt, die in die optische Leitung 15 gekoppelt werden.
Der Kamerakopf 2 weist weiter einen Umsetzer 7 für elektrische Signale auf. Dieser Umsetzer 7 ist im Beispiel ein Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) Serialisierer/Deserialisierer, der als Standardbaustein verfügbar und ebenfalls ohne weitere Programmierung einsetzbar ist. Der Umsetzer 7 ist mit dem elektrischen Leiter 16 der Verbindungsleitung 14 verbunden. Vom Umsetzer 7 führt ein Taktsignal 11 und ein erstes Steuersignal 12 direkt zum Bildsensor 4.
Durch den Umsetzer 7, also über die GMSL-Verbindung des elektrischen Leiters 16 kann auch eine Spannungsversorgung der elektrischen Bauteile des Kamerakopfs 2 erfolgen.
Der Kamerakopf 2 ist ohne Prozessor oder ein anderes Bauteil, das eine Programmierung benötigt, ausgebildet.
Vom Umsetzer 7 führt ein zweites Steuersignal 13 zu weiteren Funktionseinheiten, wie beispielsweise einem Speicher 8, einem Sensor 9 und/oder einem Bedienelement 10. Selbstverständlich können weitere, andere oder auch weniger Elemente in der Funktionseinheit vorhanden sein. Es können auch mehrere Funktionseinheiten vorhanden sein, die über weitere getrennte Steuersignale mit dem Umsetzer verbunden sind. Die Anzahl der elektrischen Signale, die getrennt vom Umsetzer geführt werden können ist nur durch den verwendeten Baustein beschränkt.
Das erste Steuersignal 12 und das zweite Steuersignal 13 sind bevorzugt als serielle Signale mit einer Zwei-Draht-Leitung, insbesondere als I2C Bus, ausgebildet.
Die Bildverarbeitungseinheit 3 weist einen Hauptprozessor 17 auf, der das erste Steuersignal 12, das zweite Steuersignal 13 und das Taktsignal 11 als getrennte Signale herausführt. Diese drei Signale sind über einzelne elektrische Leitungen mit einem Umsetzer 7 der Bildverarbeitungseinheit 3 verbunden. Der Umsetzer 7 entspricht dem Umsetzer 7 des Kamerakopfs 2. Demnach kombiniert der Umsetzer 7 die separaten Signale zur seriellen Übertragung über die elektrische Leitung 16 der Verbindungsleitung 14. Der Vorteil besteht darin, dass verschiedene Signale über nur eine elektrische Leitung seriell übertragen werden, ohne dass diese sich gegenseitig beeinflussen. Dabei können die Signale bidirektional übertragen werden, so dass beispielsweise Eingaben der Bedienelemente 10 und Messwerte der Sensoren 9 an den Hauptprozessor übermittelbar sind.
Die Bildverarbeitungseinheit 3 besitzt weiter einen optischen Wandler 6, der die optischen Signale der optischen Leitung empfängt und in elektrische Signale umwandelt. Die elektrischen Bilddaten werden einem Deserialisierer 18 zugeführt. Vom Deserialisierer 18 werden die Bilddaten dem Hauptprozessor 17 zur weiteren Bildverarbeitung zugeführt. Der Hauptprozessor 17 ist beispielsweise als FPGA ausgebildet. Von Vorteil ist, dass die Bilddaten unidirektional übertragen werden können und kein Rückkanal für Steuersignale in der optischen Leitung vorgesehen sein müssen. Auf diese Weise können die Serialisierer 5 und Deserialisierer 18 wesentlich einfacher ausgebildet sein, insbesondere als Standardbausteine, die ohne Programmierung einsetzbar sind.
In einem Beispiel sind die Umsetzer 7 und der Serialisierer 5 beziehungsweise der Deserialisierer 18 jeweils in einem Baustein realisiert.
Die 2 zeigt ein alternatives Beispiel einer Endoskopanordnung 1 mit einem Kamerakopf 2 und einer Bildverarbeitungseinheit 3, die über eine Verbindungsleitung 14 miteinander verbunden sind. Die Verbindungsleitung 14 weist hier neben der optischen Leitung 15 und der elektrischen Leitung 16 eine zweite elektrische Leitung 19 auf.
Die elektrische Leitung 16 ist als Zwei-Draht Leitung zur seriellen Datenübertragung ausgebildet und verbindet den Hauptprozessor 17 direkt mit einem Speicher 8 des Kamerakopfs 2. Neben dem Speicher 8 können auch andere oder weitere Funktionseinheiten des Kamerakopfs 2 verbunden sein.
In diesem Beispiel sind im Kamerakopf 2 kein Serialisierer 5 für Bilddaten und in der Bildverarbeitungseinheit 3 kein Deserialisierer 18 vorhanden. Der Kamerakopf 2 weist einen Coprozessor 20 auf, der stattdessen zwischen dem Bildsensor 4 und dem optischen Wandler 6 angeordnet ist. Die Bilddaten können bei diesem Beispiel über eine entsprechende Anzahl an Fasern und/oder Moden der optischen Leitung 15 übertragen werden. Es können jedoch auch mehrere optische Leitungen 15 vorhanden sein.
Es kann jedoch auch der Coprozessor 20 eine Serialisierung durchführen und/oder einfache Bildbearbeitungen im Kamerakopf 2 direkt ausführen. Die optische Leitung 15 ist im Beispiel als CRS/SDI Verbindung ausgeführt.
Der Hauptprozessor 17 und der Coprozessor 20 sind über die zweite elektrische Leitung 19 direkt verbunden. Über diese zweite elektrische Leitung 19 können Steuerbefehle an den Coprozessor gesendet werden, etwa zur Steuerung des Bildsensors 4. Es kann jedoch auch das Betriebsprogramm oder ein Bootprogramm vom Hauptprozessor 17 an den Coprozessor 20 übertragen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise das FPGA des Coprozessors 20 konfiguriert werden. Es ist auch möglich, dadurch Änderungen am Coprozessor 20 vorzunehmen, um beispielsweise die Bildverarbeitung im Coprozessor zu ändern.
Bezugszeichenliste

1: Endoskopanordnung
2: Kamerakopf
3: Bildverarbeitungseinheit
4: Bildsensor
5: Serialisierer
6: optischer Wandler
7: Umsetzer
8: Speicher
9: Sensor
10: Bedienelement
11: Taktsignal
12: erstes Steuersignal
13: zweites Steuersignal
14: Verbindungsleitung
15: optische Leitung
16: elektrische Leitung
17: Hauptprozessor
18: Deserialisierer
19: zweite elektrische Leitung
20: Coprozessor

Claims

Endoskopanordnung (1) mit einem Kamerakopf (2) mit wenigstens einem distal angeordneten Bildsensor (4) und einer Bildverarbeitungseinheit (3), die über eine Verbindungsleitung (14) mit dem Kamerakopf (2) verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung (14) wenigstens eine optische Leitung (15) zur Übertragung von Bildinformationen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (14) wenigstens eine elektrische Leitung (16) zur seriellen Übertragung von Signalen aufweist.
Endoskopanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die elektrische Leitung (16) wenigstens ein Taktsignal (11) und ein erstes Steuersignal (12) übertragen wird, die im Kamerakopf (2), insbesondere ohne einen zwischengeschalteten Prozessor, dem Bildsensor (4) zugeführt sind.
Endoskopanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über die elektrische Leitung (16) ein zweites Steuersignal (13) übertragen wird, das im Kamerakopf (2) zusätzlichen Funktionseinheiten zugeführt ist, insbesondere einem Speicher (8), Sensoren (9) und/oder Betätigungselementen (10).
Endoskopanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitung (16) als eine Zwei-Draht Leitung, insbesondere als Twisted Pair, Shielded Twisted Pair oder Koaxialkabel, ausgebildet ist.
Endoskopanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit (3) einen Umsetzer (7), insbesondere einen GMSL-Umsetzer, aufweist, der die Signale (11, 12, 13) zum seriellen Übertragen über die elektrische Leitung (16) kombiniert und dass der Kamerakopf (2) einen Umsetzer (7), insbesondere einen GMSL-Umsetzer, aufweist, der die über die elektrische Leitung (16) seriell übertragenen Signale (11, 12, 13) trennt.
Endoskopanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit (3) einen Hauptprozessor (17) aufweist, der die Signale (11, 12, 13) getrennt dem Umsetzer (7) zuführt.
Endoskopanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit (3) einen Hauptprozessor (17) aufweist, der über die elektrische Leitung (16), insbesondere direkt, mit einer Funktionseinheit, insbesondere einem Speicher (8), des Kamerakopfs (2) verbunden ist.
Endoskopanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptprozessor (17) mit einem Coprozessor (20) des Kamerakopfs (2) über eine, insbesondere eigene, elektrische Leitung (19) der Verbindungsleitung (14) verbunden ist, und dass über diese elektrische Leitung (19) ein Betriebsprogramm und Steuersignale vom Hauptprozessor (17) zum Coprozessor (20) übertragen werden.
Endoskopanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (14) für jeden optischen Bildkanal einen optischen Leiter (15) aufweist und/oder dass dem optischen Leiter (15) ein Serialisierer (5) und Deserialisierer (18) vorbeziehungsweise nachgeschaltet ist, um die optischen Bildkanäle auf den vorhandenen optischen Leiter (15) zu übertragen.
Endoskopanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Leiter (15) einer eigenen optischen Faser in der Verbindungsleitung und/oder einer Mode einer Faser zugeordnet ist.