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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft chirurgische Instrumente, die die Verwendung
von sehr kleinen Bildsensoren und zugehöriger Elektronik beinhalten,
und betrifft insbesondere chirurgische Instrumente, wie z. B. Endoskope
mit einer inhärenten
bildgebenden Fähigkeit
in Form von komplementären
metalloxidhalbleiterintegrierten Schaltkreissensoren, einschließlich Arrays
mit aktiven Bildpunkten und zugeordneter Verarbeitungsschaltkreiselektronik.
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STAND DER
TECHNIK
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In
den letzten Jahren wurde die endoskopische Chirurgie der akzeptierte
Standard zur Durchführung
vieler Arten von chirurgischen Verfahren, sowohl in medizinischen
als auch zahnmedizinischen Bereichen. Die Verfügbarkeit von bildgebenden Vorrichtungen,
die einen Chirurgen oder einen Zahnarzt in die Lage versetzen, ein
bestimmtes chirurgisches Gebiet durch ein Endoskop mit kleinem Durchmesser,
das in kleine Hohlräume
oder Öffnungen
im Körper
eingeführt
wird, zu betrachten, ergab sehr viel weniger Patiententraumata als
auch viele andere Vorteile.
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In
vielen Krankenhäusern
werden immer noch die Stablinsenendoskope in der endoskopischen
Chirurgie verwendet. Das Stablinsenendoskop schließt eine
sehr präzise
Gruppe von Linsen in einer langgezogenen und starren Röhre ein,
die in der Lage sind, ein Bild an eine entfernte Kamera, die linear
hinter der Linsengruppe angeordnet ist, exakt zu übertragen.
Das Stablinsenendoskop wird, wegen seiner Herstellungskosten, Fehlerrate
und Anforderung für
ein starres und gerades Gehäuse
zunehmend durch Halbleiterbilderzeugungstechnologien ersetzt, die
den Bilderzeugungssensor in die Lage versetzen, an einem äußeren Ende
des Untersuchungsgerätes
angeordnet zu werden. Die drei am meisten verwendeten Halbleiterbilderzeugungssensoren
schließen
ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD), Ladungsinjektionsvorrichtungen
(CID) und Photodiodenarrays (PDA) ein. In der Mitte der 80iger Jahre
wurden komplementäre
Metalloxidhalbleiter (CMOS) für
den industriellen Gebrauch entwickelt. CMOS-Bilderzeugungsvorrichtungen
bieten verbesserte Funktionalität und
eine vereinfachte Systemkopplung. Weiterhin können viele CMOS-Bildgeber zu
einem Bruchteil der Kosten von anderen Halbleiterbilderzeugungstechnologien
hergestellt werden.
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Ein
besonderer Vorteil der CMOS-Technologie lag bei den aktiven Bildpunkt-Typ-CMOS-Bildgebern, die aus
wahlfrei zugreifbaren Bildpunkten mit einem Verstärker an
jeder Bildpunktseite bestehen. Ein Vorteil der aktiven Bildpunkt-Typ-Bildgeber
ist, dass sich aus der Anordnung des Verstärkers ein geringeres Rauschniveau
ergibt als bei CCD's
oder anderen Halbleiterbilderzeugern. Ein anderer größerer Vorteil
ist, dass diese CMOS-Bildgeber auf Standart-Halbleitefierstellungslinien
in Massen produziert werden kann. Ein besonders hervorzuhebender
Vorteil im Bereich der CMOS-Bildgeber einschließlich der aktiven Bildpunkt-Typ-Arrays
ist der CMOS-Bildgeber, der in dem US-Patent-Nr. 5,471,515 von Fossum
et al. beschrieben wird. Dieser CMOS-Bildgeber kann eine Vielzahl
von anderen unterschiedlichen elektronischen Steuerungen beinhalten,
die normalerweise auf einer Vielzahl von Leiterplatten, die viel größer sind,
gefunden werden. Z. B. Timingschaltkreise und spezielle Funktionen,
wie z. B. Zoom- und Antijittersteuerungen, können auf die selbe Leiterplatte
angeordnet werden, die das CMOS-Bildpunktarray enthält, ohne
die Gesamtgröße der Leiterplatte bedeutend
zu erhöhen.
Weiterhin erfordert dieser besondere CMOS-Bildgeber hundert mal weniger Energie
als ein Bildgeber vom CCD-Typ. Kurz gesagt, ermöglichte der CMOS-Bildgeber,
der in Fossum et al. offenbart wird, die Entwicklung einer „Kamera
auf einem Chip".
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Die
Offenlegungsschrift der europäischen Patentanmeldung
mit der Nr. 492 349 A1 offenbart einen Kamerakopf für eine Halbleiterbildaufnahmevorrichtung
und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Diese Erfindung offenbart
einen kompakten Kamerakopf für
eine Halbleiterbildaufnahmevorrichtung, deren Abmessungen durch
ein Gehäuse
für ein Halbleiterbildaufnahmeelement
nicht so begrenzt ist. Äußere Drähte sind über innere
Drähte
entsprechend mit Elektroden des Halbleiterbildaufnehmerchips verbunden,
um das Halbleiterbildaufnahmeelement zu bilden. Eine optische Glasplatte
ist an einer lichtaufnehmenden Oberfläche des Halbleitebildaufnehmerchips
angebracht. Die äußeren Drähte sind
mit Seitenelektroden eines Schaltkreismoduls verbunden, das durch
eine Chipverbindungsbaugruppe, eine Leiterplatte und eine Verbindungsbaugruppe
gebildet wird, wodurch eine Bildaufnehmereinheit bereitgestellt
wird. Die Bildaufnahmeeinheit wird in einen Aufnahmerahmen eingeschoben,
wobei die gegenüberliegenden
offenen Enden des Aufnahmerahmens durch einen optischen Filter und
eine Abdichtplatte abgedichtet werden. Dieses Stand der Technik-Dokument
ist stellvertretend für
allgemeine CCD-Technologie, worin die Bildebene entfernt von anderen Elektronikschaltkreisen
innerhalb der Kammer angeordnet ist. Obwohl die Größe des Kamerakopfes
reduziert wurde, indem Schaltkreiselemente stapelförmig angeordnet
wurden, ist die Vorrichtung immer noch dadurch eingeschränkt, dass
eine Anzahl von Drähten
noch erforderlich sind, um mit der Ebene in Verbindung zu treten,
die das Bildaufnahmeelement enthält.
Die extern montierten Drähte
vergrößern das frontale
Profil des Kamerakopfes.
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In
einem Artikel mit dem Titel „Active
pixel image Sensor Integrated With Read-Out-Circuits", der in den Nasa Techs Briefs im Oktober
1996 erschienen ist, wurde das oben angeführte Patent von Fossum et al.
zusammengefasst. Dieser Artikel ist konsistent mit der Offenbarung,
die man in Fossum et al. findet.
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Zusätzlich zu
den aktiven Bildpunkttyp-CMOS-Bildgebern wurden die passiven Bildpunkttyp-CMOS-Bildgeber
kürzlich
verbessert, so dass auch sie in einer Bilderzeugungsvorrichtung verwendet
werden können,
die man als eine „Kamera auf
einem Chip" bezeichnen
kann. Kurz gesagt, führt ein
passiver Bildpunkttypbildgeber keine Signalverstärkung an jeder Bildpunktstelle
durch.
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Obwohl
das Konzept einer Kamera auf einem Chip eines ist, das große Vorteile
für Anwendungen
in vielen industriellen Bereichen aufweist, existiert immer noch
eine Notwendigkeit für
eine Bilderzeugungsvorrichtung mit reduzierter Fläche, die selbst
in den kleinsten Typen von endoskopischen Instrumenten verwendet
werden kann, um Bereiche im Körper
zu sehen, die besonders schwer erreichbar sind, und um Patiententraumata
durch ein invasives Instrument mit noch kleinerem Durchmesser weiter zu
minimieren.
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Es
ist eine Aufgabe dieser Erfindung, chirurgische Instrumente mit
Bilderzeugungsvorrichtungen mit reduzierter Fläche bereitzustellen, die den
Vorteil des CMOS-Typbildgebers von Fossum et al., oder von passiven
Bildpunkttyp-CMOS-Bildgebern aufnehmen, jedoch die begleitenden
Schaltkreise in einer gestapelten Anordnung neu ordnen, so dass
sich ein minimales Profil ergibt, wenn es in dem chirurgischen Instrument
verwendet wird. Es ist eine andere Aufgabe dieser Erfindung, Bilderzeugungsvorrichtungen
mit niedrigen Kosten bereitzustellen, die „wegwerfbar" sei können. Es
ist noch eine andere Aufgabe dieser Erfindung, eine Bilderzeugungsvorrichtung
mit reduzierter Fläche
bereitzustellen, die in Verbin dung mit Standardendoskopen verwendet
werden können, indem
die bilderzeugende Vorrichtung durch Kanäle platziert wird, die normalerweise
andere chirurgische Vorrichtungen aufnehmen, oder die Flüssigkeiten oder
Gase zum Spülen
des chirurgischen Bereiches aufnehmen. Es ist noch eine andere Aufgabe
dieser Erfindung, eine chirurgische Vorrichtung mit innewohnender
Bilderzeugungsfähigkeit
bereitzustellen, die batteriebetrieben sein kann und nur einen Leiter zur Übertragung
eines Rohvideosignals zum Videoverarbeitungsschaltkreis innerhalb
oder außerhalb des
sterilen Feldes des chirurgischen Bereiches erfordert.
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Zusätzlich zur
vorgesehenen Verwendung der vorangehenden Erfindung wird hinsichtlich
der chirurgischen Abläufe,
die von medizinischen Doktoren durchgeführt werden, auch darüber nachgedacht,
dass die Erfindung, die hier beschrieben wird, große Nützlichkeit
hinsichtlich der Mundchirurgie und allgemeinen zahnärztlichen
Abläufen
aufweist, worin eine sehr kleine Bilderzeugungsvorrichtung verwendet
werden kann, um ein Bild von Orten mit besonders schwierigem Zugang
bereitzustellen. Zusätzlich erkennt
der Fachmann ebenso, dass, obwohl die vorangehende Erfindung Anwendungen
in medizinischen und zahnmedizinischen Gebieten aufweist, die geringe
Größe der Bilderzeugungsvorrichtung,
die hier ausgeführt
wird, auf andere funktionale Disziplinen angewendet werden kann,
worin die bilderzeugende Vorrichtung verwendet werden, um schwer
zugängliche
Orte von industriellen Ausrüstungsgegenständen und ähnlichem
zu betrachten. Deshalb könnte
die Bilderzeugungsvorrichtung dieser Erfindung verwendet werden,
um viele industrielle Boroskope zu ersetzen.
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Die
CMOS-Bilderzeugungssensortechnologie kann weiterhin hinsichtlich
der Reduzierung der Querschnittsfläche der „Kamera auf einem Chip" verbessert werden
und hinsichtlich des Einsetzens solch einer Bilderzeugungsvorrichtung
mit reduzierter Fläche
in sehr kleine Untersuchungsinstrumente, die in medizinischen, zahnmedizinischen
oder industriellen Bereichen verwendet werden kann.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der folgenden
Erfindung werden chirurgische Instrumente bereitgestellt, die Bilderzeugungsvorrichtungen
mit reduzierter Fläche
beinhalten. Der Ausdruck „Bilderzeugungsvorrichtung", wie er hier verwendet
wird, beschreibt Bilderzeugungselemente und den Ver arbeitungsschaltkreis,
der verwendet wird, um eine Videosignal zu erzeugen, das von einem
Standardvideogerät,
wie z. B. einem Fernseher oder einem Videomonitor für einen
Personalcomputer, akzeptiert werden kann. Der Ausdruck „Bilderzeugungssensor", wie er hier verwendet
wird, beschreibt das CMOS-Bildpunkt-Array, das Bilder aufnimmt und
sie in der Struktur der Bildpunkte in dem Array speichert. Wie weiter
unten diskutiert wird, können
die Timing- und Steuerschaltkreise entweder auf dem selben planaren
Substrat wie das Bildpunktarray angeordnet werden, und der Bilderzeugungssensor
kann deshalb auch als eine integrierte Schaltung definiert werden,
oder die Timing- und Steuerschaltkreise können entfernt von dem Bildpunktarray angeordnet
werden. Die Ausdrücke „Signal" oder „Bildsignal", wie sie hier verwendet
werden, beziehen sich, außer
es wird anders spezieller definiert, auf ein Bild, das man zeitweise
während
seiner Verarbeitung durch die Bilderzeugungsvorrichtung in Form
von Elektronen vorfindet, die in einem speziellen Format oder einer
Domäne
angeordnet worden sind. Der Ausdruck „Verarbeitungsschaltkreis", wie er hier verwendet
wird, bezieht sich auf elektronische Komponenten innerhalb der Bilderzeugungsvorrichtung,
die das Bildsignal von dem Bilderzeugungssensor aufnehmen und das
Bildsignal schließlich
in eine verwendbare Form umwandeln. Die Ausdrücke „Timing und Steuerschaltkreise
oder Schaltung",
wie sie hier verwendet werden, beziehen sich auf elektronische Komponenten,
die die Ausgabe des Bildsignals von dem Bildpunktarray steuern.
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In
einer ersten Vorrichtung kann der Bilderzeugungssensor mit oder
ohne Timing oder Steuerschaltung an einer Endspitze des endoskopischen Instrumentes
angeordnet werden, während
man die restliche Verarbeitungsschaltung in einer kleinen entfernten
Steuerbox finden kann, die mit dem Bilderzeugungssensor durch ein
einzelnes Kabel in Kontakt stehen kann.
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Eine
Bilderzeugungsvorrichtung gemäß der Erfindung
wird in Anspruch 1 definiert. Ein Endoskop, das die Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung umfasst, ist in Anspruch 8 definiert.
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In
einer Ausführungsform
können
der Bilderzeugungssensor und die Verarbeitungsschaltung alle in
einer gestapelten Anordnung von Leiterplatten angeordnet werden
und an der Endspitze des endoskopischen Instrumentes positioniert
werden. In dieser Ausführungsform
kann das Bildpunktarray des Bilderzeugungssensors auf seiner eigenen
Leiterplatte angeordnet werden, während die Timing- und Steuerschaltung
und die Verarbeitungsschaltung auf einer oder mehreren anderen Leiterplatten
angeordnet werden. Alternativ kann die Schaltung für das Timing und
die Steuerung zusammen mit dem Bildpunktarray auf einer Leiterplatte
angeordnet werden, während
die restlichen Verarbeitungsschaltkreise auf einer oder mehreren
anderen Leiterplatten untergebracht werden können.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann die Bilderzeugungsvorrichtung zur Verwendung mit einem Standardstablinsenendoskop
angepasst werden, worin die Bilderzeugungsvorrichtung in einem Standardkameragehäuse angeordnet
wird, der mit Standard „C" oder „V" Fassungen ausgestattet
ist.
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Ein
allgemeines Endoskop kann in Ausführungsformen verwendet werden,
die einen röhrenförmigen Bereich
mit einem sehr kleinen Durchmesser einschließen, der in einem Patienten
eingeführt
wird. Der röhrenförmige Bereich
kann aus einem flexiblen Material mit einem zentralen Lumen oder
einer Öffnung
dann für
die Aufnahme der Elemente der bilderzeugenden Vorrichtung hergestellt
sein. Der röhrenförmige Bereich
kann so abgewandelt werden, dass er eine zusätzliche konzentrische Röhre einschließt, die
in dem zentralen Lumen angeordnet ist, und die es ermöglicht,
eine Vielzahl von Lichtleitern um den Rand des Endes des röhrenförmigen Bereiches
anzuordnen. Zusätzlich
können
sich Steuerdrähte
entlang des röhrenförmigen Bereiches
erstrecken, um das Endoskop lenkbar zu machen. Das Material, das verwendet
wird, um das Endoskop herzustellen, kann kompatibel zur irgend einem
erforderlichen Sterilisationsprotokoll sein, oder das gesamte Endoskop kann
sterilisierbar und nach der Verwendung wegwerfbar gemacht werden.
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Für die Konfiguration
der Bilderzeugungsvorrichtung, die sich darauf bezieht, dass das
Array von Bildpunkten und die Timing und Steuerschaltung auf der
selben Leiterplatte angeordnet ist, ist nur ein Leiter erforderlich,
um das Bildsignal zu der Verarbeitungsschaltung zu übertragen.
In der anderen Konfiguration der bilderzeugenden Vorrichtung, wo
die Timing und Steuerschaltkreise auf anderen Leiterplatten untergebracht
sind, sind eine Vielzahl von Verbindungen erforderlich, um die Timing
und Steuerschaltung mit dem Bildpunktarray zu verbinden, und der eine
Leiter ist ebenso erforderlich, um das Bildsignal zu übertragen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1a veranschaulicht
eine Vorrichtung einschließlich
einer Querschnittsteilansicht eines allgemeinen endoskopischen Instruments
und eine perspektivische Teilansicht einer Steu erbox, wobei das Endoskop
und die Steuerbox jeweils Elemente einer Bilderzeugungsvorrichtung
mit reduzierter Fläche enthält;
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1b ist
eine vergrößerte perspektivische Teilansicht,
teilweise als Explosionsdarstellung, eines Endes des endoskopischen
Instrumentes, das insbesondere die Anordnung des Bilderzeugungssensors
hinsichtlich der anderen Elemente des röhrenförmigen Bereiches des Endoskops
veranschaulicht.
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2a ist
eine Querschnittsteilansicht einer Ausführungsform dieser Erfindung,
die ein anderes allgemeines Endoskop veranschaulicht, worin die
Bilderzeugungsvorrichtung vollständig
an dem äußeren Ende
des Endoskops untergebracht ist;
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2b ist
eine vergrößerte perspektivische Teilansicht,
teilweise in Explosionsdarstellung, des äußeren Endes des Endoskops von 2a,
das die Bilderzeugungsvorrichtung veranschaulicht;
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3a ist
eine Teilaufrissquerschnittsansicht des Bilderzeugungssensors, der
mit einem Standardkameragehäuse
zur Verbindung mit einem Stablinsenendoskop eingebaut ist;
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3b ist eine Querschnittsteilansicht der bilderzeugenden
Vorrichtung, die in dem Kameragehäuse von 3a eingebaut
ist;
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3c ist
eine Querschnittsteilansicht, ähnlich
zu der von 3b, die eine Batterie als
eine alternative Stromquelle veranschaulicht.
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4 ist
ein schematisches Diagramm der funktionalen Elektronikkomponenten,
die die Bilderzeugungsvorrichtung bilden;
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4a ist
ein vergrößertes schematisches Diagramm
einer Leiterplatte, die das Array von Bildpunkten und die Timing-
und Steuerschaltung einschließen
kann;
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4b ist
ein vergrößertes schematisches Diagramm
der Videoverarbeitungsbaugruppe, auf der die Verarbeitungsschaltung
angeordnet ist, die das Rohvideosignal verarbeitet, das von dem
Array von Bildpunkten erzeugt wird, und die das Rohvideosignal zu
einem nachverarbeiteten Videosignal umwandelt, das von einem Standardvideogerät akzeptiert
wird;
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die 5a bis 5e sind
schematische Diagramme, die ein Beispiel für bestimmte Schaltungen veranschaulichen,
die für
die Bilderzeugungsvorrichtung verwendet werden können; und
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6 ist
ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines passiven Bildpunktes,
der in einem Array von passiven Bildpunkten angeordnet werden kann,
der kompatibel zu einem Bilderzeuger einer Konstruktion vom CMOS-Typ
ist.
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BESTE ART
ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
Vorrichtung, wie sie in 1a gezeigt
ist, wird ein Endoskop 10 bereitgestellt, das eine Bilderzeugungsvorrichtung 11 mit
reduzierter Fläche,
die in 1b gezeigt ist, verwendet. Wie
weiter unten diskutiert wird, können
die Elemente der Bilderzeugungsvorrichtung alle an einem Ort gefunden werden,
oder die Elemente können
voneinander getrennt sein und durch geeignete Kabel miteinander verbunden
sein. Das Array von Bildpunkten, die den Bilderzeugungssensor bilden,
nimmt das Bild auf und speichert es in Form von elektrischer Energie
durch Umwandlung der Lichtphotonen in Elektronen. Diese Umwandlung
findet durch Photodioden in jedem Bildpunkt statt, der mit einem
oder mehreren Kondensatoren verbunden ist, der die Elektronen speichert.
Die Struktur des Endoskops 10 schließt einen flexiblen oder starren
röhrenförmigen Bereich 14 ein,
der in den Körper
eines Patienten eingeführt
wird, und der an der geeigneten Stelle zum Betrachten eines gewünschten
chirurgischen Bereichs platziert wird. Der röhrenförmige Bereich 14 ist
an seinem äußeren Ende
mit einem Griffbereich 12 verbunden, der von einem Chirurgen,
der den endoskopischen Vorgang durchführt, gegriffen werden kann.
Der Handgriff 12 kann ein zentrales Lumen oder einem Kanal 13 einschließen, der
darin ein oder mehrere Kabel oder andere Strukturen aufnimmt, die
sich zu dem äußeren Ende 16 des
röhrenförmigen Bereiches 14 erstrecken.
Der Griffbereich 12 kann weiterhin einen Zusatzkanal 15 einschließen, der
den zentralen Kanal 13 schneidet und der einen anderen
Zugang für
andere Kabel, Fluide oder Operationsinstrumente, die durch das Endoskop
platziert werden sollen, bereitstellen kann.
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1b veranschaulicht
das äußere Ende des
Endoskops 16. Das äußere Ende 16 kann
durch eine äußere Röhre 18 charakterisiert
werden, die die Länge
des röhrenförmigen Bereiches 14 durchläuft und
mit dem Griffbereich 12 verbunden ist. Innerhalb der äußeren Röhre 18 können eine
oder mehrere innere Röhren 20 konzentrisch
angeordnet sein. In 1b bildet die Lücke zwischen
der inneren Röhre 20 und
der äußeren Röhre 20,
einen Raum, in dem eine oder mehrere Lichtleiter 22 oder
Steuerdrähte 24 angeordnet
sein können.
Wie der Fachmann sofort versteht, kann eine Vielzahl von umlaufend
beabstandeten Lichtleitern, wie in 1b dargestellt
ist, verwendet werden, um die Behandlungsstelle zu beleuchten. Zusätzlich können die
Steuerdrähte 24 mit einem
Steuermechanismus (nicht gezeigt) verbunden sein, der auf dem Griffbereich 12 integriert
ist, um das äußere Ende 16 des
Endoskops in eine gewünschte
Richtung zu dirigieren. Der flexible röhrenförmige Bereich 14,
der mit einem Lenkmechanismus gekoppelt ist, ermöglicht es, das Endoskop innerhalb gewundener
Körperdurchgänge oder
anderen schwer zu erreichenden Orten innerhalb des Körpers zu
platzieren.
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Ein
Bilderzeugungssensor 40 kann innerhalb des zentralen Kanals,
der durch die innere Röhre 20 definiert
wird, platziert werden. In der Konfiguration, die in 1b gezeigt
ist, wird ein Kabel 26 verwendet, um die Leiter zu umhüllen, die
mit dem Bilderzeugungssensor 40 in Verbindung stehen. Eine
dazwischenliegende Trägerröhre 28 kann
konzentrisch außerhalb
des Kabels 26 und konzentrisch innerhalb der inneren Röhre 20 angeordnet
werden, um die notwendige Stabilität für das Kabel 26 bereitzustellen,
während
es durch den inneren Kanal, der durch die innere Röhre 20 definiert
wird, durchläuft.
Anstelle der Trägerröhre 28 können andere
gut bekannte Einrichtungen bereitgestellt werden, um das Kabel 26 zu
stabilisieren, wie z. B. Clips oder andere Befestigungsmittel, die
an der inneren konzentrischen Oberfläche der inneren Röhre 20 anhaften.
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Eine
Steuerbox 30 kann entfernt vom Endoskop 10 angeordnet
werden. Die Steuerbox 30 enthält einige der Verarbeitungsschaltkreise,
die verwendet werden, um das Bildsignal, das von dem Bilderzeugungssensor 40 erzeugt
wurde, zu verarbeiten. Deshalb würde
die Bilderzeugungsvorrichtung 11, wie sie vorher definiert
wurde, den Verarbeitungsschaltkreis innerhalb der Steuerbox 30 und
den Bilderzeugungssensor 40, der an der äußeren Spitze des
Endoskops liegt, einschließen.
Die Steuerbox 30 steht in Verbindung mit dem Bilderzeugungssensor 40 mittels
eines Kabels 32, das einfach ein isoliertes geschirmtes
Kabel sein kann, das dann das Kabel 26 einschließt. Das
Kabel 32 ist bezüglich
des Griffberei ches 12 durch einen Anschluss 34 stabilisiert,
der sicherstellt, dass das Kabel 32 in dem Kabel 13 nicht unbeabsichtigt
verschoben oder gezogen werden kann. Zusätzlich kann ein zusätzlicher
Anschluss 35 bereitgestellt sein, um den Eingang eines
Lichtkabels 36 zu stabilisieren, das die Vielzahl von Lichtleitern 22 umschließt.
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Der
Bilderzeugungssensor 40 wird als ein planares und quadratisch
geformtes Element veranschaulicht. Jedoch kann der Bilderzeugungssensor so
modifiziert werden, dass er eine planare und kreisförmige Gestalt
aufweist, so dass er besser in den Kanal passt, der durch die innere
Röhre 20 definiert wird.
Entsprechend zeigt 1b weiterhin einen alternativ
geformten Bilderzeugungssensor 40', der rund ist. Eine Linsengruppe
oder ein System 42 kann an dem äußeren Ende des Endoskops eingefügt sein,
um das Bild zu beeinflussen, bevor es auf dem Array von Bildpunkten
auf dem Bilderzeugungssensor 40 eingeprägt wird. Dieses Linsensystem 42 kann an
dem äußeren Ende 16 des
Endoskops so abgedichtet werden, dass der röhrenförmige Bereich 14 für Fluide
undurchlässig
ist, die durch das äußere Ende 16 eindringen
können.
In die Konfiguration der Bilderzeugungsvorrichtung in den 1a und 1b gibt
es nur drei Leiter, die zur Bereitstellung von Energie für den Bilderzeugungssensor 40 und zur Übertragung
eines Bildes von dem Bilderzeugungssensor zurück zu dem Verarbeitungsschaltkreis,
den man in der Steuerbox 30 findet, notwendig sind. Und
zwar gibt es eine Stromverbindung 44, eine Erdverbindung 46 und
eine Bildsignalverbindung 48, wovon jede mit dem Bilderzeugungssensor
fest verdrahtet ist. Deshalb kann das Kabel 26 einfach
ein Dreileiter 50 Ohm-Kabel sein.
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Der
Bilderzeugungssensor 40 kann an seiner größten Abmessung
nur 1 mm aufweisen. Jedoch würde
eine bevorzugtere Größe für die meisten endoskopischen
Abläufe
vorgeben, dass der Bilderzeugungssensor 40 zwischen 4 mm
bis 8 mm an seinen größten Abmessungen
wäre. Auf
das Bildsignal, das von dem Bilderzeugungssensor durch den Leiter 48 übertragen
wird, wird hier auch als auf ein Rohvideosignal bezug genommen.
Wurde das Rohvideosignal von dem Bilderzeugungssensor 40 durch
den Leiter 48 übertragen,
wird es von der Videoverarbeitungsbaugruppe 50 empfangen.
Die Videoverarbeitungsbaugruppe 50 führt dann alle notwendigen Aufbereitungen
des Rohvideosignals durch und stellt es in einer Form bereit, so
dass es direkt auf einer Standardvideovorrichtung, einem Fernseher
oder einem Standardcomputervideomonitor betrachtet werden kann.
Das Signal, das durch die Videoverarbeitungsbaugruppe 50 erzeugt
wird, kann weiterhin als ein nachbearbeitetes Videosignal definiert
werden, das von einem Standardvideogerät akzeptiert werden kann. Wie
in 1a gezeigt wird, wird ein Leiter 49 bereitgestellt,
der das nachverarbeitete Videosignal an einen Ausgangsanschluss 58 an
der äußeren Seite
der Steuerbox 30 überträgt. Das
Kabel (nicht gezeigt), das sich von dem gewünschten Videogerät (nicht
gezeigt) erstreckt, kann das nachverarbeitete Videosignal durch
den Anschluss 58 empfangen. Die Stromversorgungsbaugruppe 52 kann
die hereinkommende Energie, die von der Stromquelle 54 empfangen
wird, in die gewünschte
Spannung umwandeln. In diesem CMOS-Bildgeber ist der Strom zu der Bilderzeugungsvorrichtung
einfach ein Gleichstrom, der aus einer 1,5 Volt bis 12 Volt Spannungsquelle stammen
kann. Die ankommende Energie von z. B. einer Steckdose steht in
Verbindung mit der Stromversorgungsbaugruppe 52 über den
Anschluss 56. Die Stromversorgungsbaugruppe 52 verwendet
die ankommende Energie und regelt sie auf das gewünschte Niveau.
Zusätzlich
wird auch die Erdleitung 46 gezeigt, die sich zurück zu der
Stromquelle über den
Anschluss 56 erstreckt.
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2a veranschaulicht
eine Ausführungsform
dieser Erfindung, worin sich die Bilderzeugungsvorrichtung vollständig innerhalb
des äußeren Endes 16 des
Endoskops befindet, und eine Stromquelle, die den Schaltkreis innerhalb
der bilderzeugenden Vorrichtung antreibt, kann aus einer Batterie 66 erfolgen,
die sich innerhalb des Griffbereiches 12 befindet.
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Wein 2b gezeigt
ist, kann die Videoverarbeitungsbaugruppe 50 direkt hinter
dem Bilderzeugungssensor 40 angeordnet sein. Eine Vielzahl
von Stiftverbindungen 62 dient dazu, den Bilderzeugungssensor 50 mit
der Videoverarbeitungsbaugruppe 50 abhängig von der speziellen Konfiguration
des Bilderzeugungssensors 40 elektrisch zu koppeln. Die Stiftverbindungen 62 können entweder
nur zur strukturellen Stützung
bereitgestellt werden, oder um eine Einrichtung bereitzustellen,
durch die Bildsignale zwischen dem Bilderzeugungssensor 40 und
der Baugruppe 50 übertragen
werden. Falls notwendig können
ein oder mehrere Ergänzungsbaugruppen 60 bereitgestellt
werden, die weitere Verarbeitungsschaltkreise enthalten, um das
Bildsignal zu verarbeiten und es in einer Form zu präsentieren,
die direkt von einem gewünschten
Videogerät
aufgenommen werden kann. Die Fläche,
die von dem Bilderzeugungssensor 40 belegt wird, kann als
die Querschnittsfläche
der Bilderzeugungsvorrichtung definiert werden, welche seine kritischen
Dimensionen bestimmt. Alle Bilderzeugungselemente, die auf den Baugruppen 50 oder 60 gefunden
werden, müssen
in der Lage sein, dass man sie auf einem der mehreren Schaltkreisbaugruppen
platzieren kann, die longitudinal zu dem Bilderzeugungssensor 40 entlang
der longitudinalen Achse XX ausgerichtet sind. Wenn die Querschnittsfläche nicht
kritisch ist in dem Sinne, dass das Bilderzeugungselement innerhalb
der Bilderzeugungsvorrichtung mit der größten Ausdehnung begrenzt wird,
dann können
die zusätzlichen
Schaltkreisbaugruppen 50 und 60, die normalerweise
in Reihe zum Bilderzeugungssensor 40 angeordnet sind, versetzt
ausgerichtet werden, oder können
größer als
die Querschnittsfläche
des Bilderzeugungssensors 40 sein. In der Konfiguration
von 2b ist es wünschenswert,
dass die Elemente 40, 50 und 60 ungefähr die selbe
Größe aufweisen,
so dass sie einheitlich in den zentralen Kanal des Endoskops passen.
Zusätzlich
kann der Bilderzeugungssensor 40 an ein Linsensystem 42 gebondet
sein, um weitere strukturelle Stabilität für die Bilderzeugungsvorrichtung 11 bereitzustellen,
wenn es an das äußere Ende 16 montiert
wird.
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In
Bezug auf den Griffbereich 12 in 2a kann
ein zusätzlicher
Kanal 64 bereitgestellt sein, so dass ein Stromversorgungskabel 68 in
Verbindung mit einer Batterie 66 stehen kann. Bequemerweise kann
die Batterie 66 selbst in einer Vertiefung 65,
die in dem Griffbereich 12 ausgebildet ist, montiert sein. Das
Kabel 68 trägt
die Leitung 44 und die Erdleitung 46. Das Kabel 68 kann
dem Kanal 13 mit Kabel 33 zusammengeführt sein.
Die Kabel 68 und 33 erstrecken sich dann zu dem äußeren Ende 16.
Das Kabel 33 kann ein einzelnes Leitungskabel sein, das
das nachbearbeitete Videosignal zu einem gewünschten Videogerät überträgt. Mit
anderen Worten, das Kabel 33 kann einfach ein isoliertes
und abgeschirmtes Gehäuse
für den
Leiter 49 sein, das das nachbearbeitete Videosignal trägt. Da für den bevorzugten CMOS-Bilderzeugungssensor
der Bilderzeugungsvorrichtung 11 nur eine 5 Volt Stromversorgung
erforderlich ist, ist eine Batterie eine ideale Stromquelle anstelle
einer Leitung, die sich hinter dem Endoskop herschleppen würde. Entsprechend
ist das Endoskop mobiler und leichter Handzuhaben, indem zumindest
eines der hinter sich herziehenden Kabel eliminiert wird.
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3a veranschaulicht
noch eine andere Vorrichtung, worin die Bilderzeugungsvorrichtung
in Verbindung mit einem Standardstablinsenendoskop 70 verwendet
werden kann. Wie gezeigt wird, schließt das Stablinsenendoskop 70 ein
Linsengetriebe 72 ein, das eine Vielzahl von hochpräzisen Linsen
(nicht gezeigt) einschließt,
die in der Lage sind, ein Bild von dem äußeren Ende des Endoskops zu
einer Kamera, die in Reihe zu dem Endoskop angeordnet ist, zu übertragen.
Das Stapellinsenendoskop ist mit einem Lichtleiterverbindungspfosten 74 ausgestattet.
Der Lichtleiterpfosten 74 verbindet zu einer Lichtquelle
in der Form eines Kabels 77 mit einer Vielzahl von Glasfasersträngen (nicht
gezeigt), die in Verbindung mit einer Lichtquelle (nicht gezeigt)
stehen. Die allgemeinste Anordnung des Stablinsenendo skops schließt auch
eine „C" oder „V" Fassung 78 ein,
der sich an das Okular 80 anschließt. Die „C" oder „V" Fassung schließt sich an ihrem anderen Ende
an eine Kameragruppe 80 an. Die Kameragruppe 80 enthält ein oder
mehrere Elemente der Bilderzeugungsvorrichtung. In dieser Vorrichtung
ist die kleine Größe der Bilderzeugungsvorrichtung
nicht kritisch, da die Bilderzeugungsvorrichtung nicht an dem äußeren Ende
des Endoskops angeordnet ist. Jedoch stellt das Einfügen der
Bilderzeugungsvorrichtung in einem Gehäuse, das normalerweise eine traditionelle
Kamera beinhalten würde,
immer noch eine vorteilhafte Anordnung bereit. Wie gezeigt wird, kann
die Kameragruppe 80 ein Gehäuse 82 einschließen, die
mit einem Strom/Video-Kabel 86 verbunden ist. Anschluss 87 wird
bereitgestellt, um das Kabel 86 mit den inneren Elementen
der Kamera 80, die man in dem Gehäuse 82 findet, zu
koppeln. 3a veranschaulicht eine Anordnung
der Bilderzeugungsvorrichtung 11, worin der Bilderzeugungssensor 40 selbst
in dem Gehäuse 82 angeordnet
ist, und der Verarbeitungsschaltkreis der bilderzeugenden Vorrichtung
kann in einer entfernten Steuerbox angeordnet werden, wie in 1a gezeigt
ist. Entsprechend sind nur drei Leiter 44, 46 und 48 notwendig,
um Strom für
den Bilderzeugungssensor 40 bereitzustellen und um das
Rohvideosignal an die Steuerbox zu übertragen. Alternativ kann,
wie in 3b gezeigt ist, die gesamte
bilderzeugende Vorrichtung 11 in der Kameragruppe 80 eingefügt sein,
wobei jedes der Elemente der bilderzeugenden Vorrichtung in einer
gestapelten Anordnung ähnlich
zu der 2b angeordnet sein. Wie oben
diskutiert wurde, ist die Größe von nicht
so großer
Bedeutung in der Vorrichtung der 3a und 3b, da das Gehäuse 82 der Kameragruppe
viel größer als
die äußere Spitze
des Endoskops von 1a und 2a ist.
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3c zeigt
auch die Verwendung einer Batterie 66, die die Stromquelle
für die
Bilderzeugungsvorrichtung in einem der 3a oder 3b bereitstellt. In dieser Anordnung wird
das Gehäuse 82 so
abgeändert,
dass es ein Batteriegehäuse 69 einschließt, das
die Batterie 66 darin aufnimmt. Das Batteriegehäuse 69 kann
einen Kanal mit sehr kleinem Durchmesser einschließen, der
es dem Leiter 48 oder 49 ermöglicht, direkt mit dem Verarbeitungsschaltkreis bzw.
dem Videogerät
in Kontakt zu treten. Man wird auch verstehen, dass die Vorrichtung
in 1 die Verwendung einer Batterie 66 als
Stromquelle zulässt.
So kann der Griff 12 in 1a auf
die selbe Weise wie Gehäuse 82 abgeändert werden,
so dass eine Batterie an dem Griffbereich 12 angebracht
werden kann.
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4 ist
ein schematisches Diagramm, das einen Weg aufzeigt, auf dem die
Bilderzeugungsvorrichtung 11 konstruiert werden kann. Wie
dargestellt ist, kann der CMOS- Bilderzeugungssensor 40 die
Timing- und Steuerungsschaltkreise auf der selben planaren Struktur
einschließen.
Strom wird dem Sensor 40 durch die Stromversorgungsbaugruppe 52 zugeführt. Die
Verbindung zwischen dem Sensor 40 und der Baugruppe 52 kann
einfach ein Kabel mit zwei Leitern darin sein, einer für Erde und
der andere für
die Übertragung
der gewünschten
Spannung. Diese werden als Leiter 44 und 46 dargestellt.
Das Ausgangssignal von dem Bilderzeugungssensor 40 in Form
eines Rohvideosignals wird in eine Videoverarbeitungsbaugruppe 50 durch
den Leiter 48 eingegeben. In der Konfiguration von 4 kann
der Leiter 48 einfach ein 50 Ohm-Kabel sein. Auch Strom
und Erde werden der Videoverarbeitungsbaugruppe 50 durch
die Leiter 44 und 46 von der Stromversorgungsbaugruppe 52 zugeführt. Das
Ausgangssignal von der Videoverarbeitungsbaugruppe 50 erhält man in
der Form eines nachverarbeiteten Videosignals, das von einem Leiter 49 getragen
werden kann, der auch ein 50 Ohm-Kabel sein kann.
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In
der Vorrichtung, die in 1a dargestellt ist,
kann das Kabel 32 verwendet werden, die Leiter 44, 46 und 48 zu
umhüllen.
In der Ausführungsform, die
in 2a gezeigt wird, kann das Kabel 33 verwendet
werden, um den Leiter 49 zu umhüllen, wenn eine Batteriestromquelle
verwendet wird, oder alternativ, das Kabel 33 kann die
Leiter 44, 46 und 49 umhüllen, wenn
die Ausführungsform
von 2a eine Stromquelle von der Baugruppe 52 verwendet.
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Optional
kann eine Ergänzungsverarbeitungsbaugruppe 60 bereitgestellt
werden, um das Rohvideosignal weiter zu verbessern. Wie in 4 gezeigt
ist, kann die Ergänzungsbaugruppe 60 so
angeordnet werden, dass das Rohvideosignal von dem Sensor 40 zu
erst zu der Ergänzungsbaugruppe
geschickt wird und dann an die Videoverarbeitungsbaugruppe 50 ausgegeben
wird. In diesem Fall kann das Ausgangssignal von der Baugruppe 50 entlang
des Leiter 51 getragen werden. Dieses Ausgangssignal kann
als ein verbessertes Rohvideosignal definiert werden. Weiterhin
kann das nachverarbeitete Videosignal aus der Videoverarbeitungsbaugruppe 50 zu der
Ergänzungsbaugruppe 60 zur
weiteren Verarbeitung zurückgebracht
werden, wie weiter unten diskutiert wird. Der Leiter, der verwendet
wird, um das nachverarbeitete Videosignal zurück zu der Ergänzungsbaugruppe
zu übertragen,
wird als Leiter 59 gezeigt. Die Stromversorgungsbaugruppe 52 kann auch
der Ergänzungsbaugruppe
auf die selbe weise wie dem Sensor 40 und der Baugruppe
50 Strom zuführen.
D. h., eine fest verdrahtete Verbindung wird auf der Ergänzungsbaugruppe
für die
Erde und den spannungstragenden Leiter hergestellt. Wie oben diskutiert
wird, kann der Sensor 40 entfernt von den Baugruppen 50 und 60 angeordnet
werden. Alternativ können
der Sensor 40 und die Baugruppen 50 und 60 jeweils
innerhalb des äußeren Endes
des Endoskops angeordnet werden.
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Obwohl 4 den
CMOS-Bilderzeugungssensor und die Timing- und Steuerschaltkreise
in einer Anordnung auf der selben planaren Struktur 40 zeigt,
ist es möglich,
die Timing- und Steuerschaltkreise von dem Bildpunktarray abzutrennen
und die Timing- und Steuerschaltkreise auf der Videoverarbeitungsbaugruppe 50 anzuordnen.
Der Vorteil bei der Anordnung der Timing- und Steuerschaltkreise auf
der selben planaren Struktur für
den Bilderzeugungssensor ist, dass nur drei Verbindungen zwischen
dem Bilderzeugungssensor 40 und dem Rest der Bilderzeugungsvorrichtung
erforderlich sind, nämlich
die Leiter 44, 46 und 48. Zusätzlich ergibt sich
aus der Anordnung der Timing- und Steuerschaltkreise auf der selben
planaren Struktur mit dem Bildpunktarray, dass das Rohvideosignal
geringeres Rauschen aufweist. Weiterhin erweitert sich die planare
Struktur 40 in einer Richtung nur um ungefähr 0,25
mm durch das Hinzufügen
der Timing- und Steuerschaltkreise auf die selbe planare Struktur,
die den Bilderzeugungssensor trägt.
Wenn das Bildpunktarray das einzige Element auf der planaren Struktur 40 ist,
müssen
zusätzliche
Verbindungen zwischen ihm und der Videoverarbeitungsbaugruppe 50 bereitgestellt
werden, um das Taktsignal und andere Steuersignale zu dem Bildpunktarray
zuzuführen.
Zum Beispiel muss ein Flachbandkabel (nicht gezeigt) oder eine Vielzahl
von 50 Ohm-Koaxialkabel verwendet werden, um das Herunterladen der
Information von dem Bildpunktarray zu steuern. Jede dieser zusätzlichen
Verbindungen wäre
zwischen den Baugruppen fest verdrahtet.
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4a ist
ein detaillierteres schematisches Diagramm des Bilderzeugungssensor 40,
der ein Array von Bildpunkten 90 und die Timing- und Steuerschaltkreise 92 enthält. Ein
bevorzugtes CMOS-Bildpunktarray 90 ist ähnlich zu dem, das in US-Patent-Nr.
5,471,515 von Fossum et al. offenbart wird. Genauer gesagt, die 3 von Fossum et al. zeigt den Schaltkreis,
aus dem jeder Bildpunkt in dem Array von Bildpunkten 90 gebildet
wird. Das Bildpunktarray, wie es in Fossum et al. beschrieben wird,
ist eine aktive Bildpunktgruppe mit einer Intra-Bildpunktladungsübertragung.
Der Bilderzeugungssensor, der das Bildpunktarray enthält, wird
als monolithisch integrierter komplementärer Metalloxidhalbleiterschaltkreis
ausgebildet, der in einem industriellen Standardprozess für komplementäre Metalloxidhalbleiter hergestellt
werden kann. Der integrierte Schaltkreis enthält ein Brennebenenarray von
Bildpunktzellen, wobei jede der Zellen ein Photogate enthält, das über dem
Sub strat liegt, um die durch Licht erzeugten Ladungen zu sammeln.
Allgemeiner gesagt, wie es von Fachleuchten verstanden wird, trifft
ein Bild auf das Bildpunktarray, wobei das Bild in Form von Photonen vorliegt,
die auf die Photodioden in dem Bildpunktarray treffen. Die Photodioden
oder Photodetektoren wandeln die Photonen in elektrische Energie
oder Elektronen um, die in den Kondensatoren, die man in jeden Bildpunktschaltkreis
findet, gespeichert werden. Jeder Pixelschaltkreis hat seinen eigenen
Verstärker,
der von dem Timing- und
Steuerschaltkreis gesteuert wird, wie unten diskutiert wird. Die
Information oder Elektronen, die in den Kondensatoren gespeichert
sind, wird in der gewünschten
Reihenfolge und bei einer gewünschten
Frequenz entladen und dann zu der Videoverarbeitungsbaugruppe 50 zur weiteren
Verarbeitung geschickt.
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Die
Timing- und Steuerschaltkreise 92 werden verwendet, um
die Freisetzung der Bildinformation oder des Bildsignals, das in
dem Bildpunktarray gespeichert ist, zu steuern. In den bevorzugten
Bilderzeugungssensor von Fossum et al. sind die Bildpunkte in einer
Vielzahl von Reihen und Spalten angeordnet. Die Bildinformation
von jedem der Bildpunkte wird zuerst in aufeinanderfolgenden Reihen zusammengeführt und
wird dann von einer oder mehreren Spalten, die die zusammengeführte Information
von den Reihen enthalten, heruntergeladen. Wie in 4a gezeigt
wird, wird die Steuerung der Information, die von den Reihen zusammengeführt werden,
durch Auffangregister 94, Zähler 96 und Decoder 98 erreicht.
Der Betrieb der Auffangregister, des Zählers und des Decoders ist ähnlich zu
dem Betrieb von ähnlichen
Steuerschaltkreisen, die man anderen Bilderzeugungsvorrichtungen
findet. D. h., ein Auffangregister ist eine Einrichtung zur Steuerung des
Elektronenflusses von jedem einzelnen adressierten Bildpunkt in
dem Bildpunktarray. Wenn ein Auffangregister 94 aktiv ist,
erlaubt die Übertragung von
Elektronen zum Decoder 98. Der Zähler 96 ist programmiert,
um diskrete Informationsbeträge
basierend auf einem Takteingang von den Timing- und Steuerschaltkreisen 92 zu
zählen.
Wenn der Zähler 96 seinen
Einstellpunkt oder seinen Überlauf
erreicht hat, wird der Bildinformation erlaubt, die Auffangregister 94 zu
durchlaufen und zu dem Decoder 98 geschickt zu werden,
der die zusammengeführte
Information in einem seriellen Format anordnet. Hat der Decoder 98 die
Information decodiert und in dem seriellen Format angeordnet, dann
ist der Reihentreiber 100 für die serielle Information
von jeder Reihe verantwortlich und ermöglicht es, dass jede Reihe
durch die Spalte oder durch die Spalten heruntergeladen werden kann.
Kurz gesagt, erlauben die Auffangregister 94 zunächst den
Zugriff auf die Information, die in jedem Bildpunkt gespeichert
ist. Der Zähler 96 kontrolliert
dann den Betrag des Informationsflusses basierend auf einer gewünschten
Zeitfolge. Hat der Zähler
ein mal seinen Einstellpunkt erreicht, dann weiss der Decoder 98,
dass er die Information aufnehmen und im seriellen Format anordnen
muss. Der gesamte Prozess wird wiederholt, basierend auf der Zeitfolge,
die programmiert ist. Wenn der Reihentreiber 100 für jede der
Reihen verantwortlich ist, liest der Reihentreiber jede der Reihen
mit einer gewünschten
Videorate aus.
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Die
Information, die von der Spalte oder den Spalten freigesetzt wird,
wird auch durch eine Reihe von Auffangregistern 102, einem
Zähler 104 und
einem Decoder 106 gesteuert. Wie bei der Information aus
den Reihen wird auch die Spalteninformation in ein serielles Format
angeordnet, das dann zu der Videoverarbeitungsbaugruppe 50 geschickt
werden kann. Dieses serielle Format der Spalteninformation ist das
Rohvideosignal, das von dem Leiter 48 getragen wird. Der
Spaltensignalaufbereiter 108 ordnet die serielle Spalteninformation
in ein bearbeitbares Format in Form von gewünschten Spannungspegeln an.
Mit anderen Worten, der Spaltensignalaufbereiter 108 akzeptiert
nur gewünschte
Spannungen von den heruntergeladenen Spalten.
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Der
Takteingang zu den Timing- und Steuerschaltkreisen 92 kann
einfach ein Quarzkristallzeitgeber sein. Dieser Takteingang wird
in viele andere Frequenzen zur Verwendung durch die verschiedenen
Zähler
aufgeteilt. Der Programmlaufeingang (RUN) zu dem Timing- und Steuerschaltkreis 92 kann einfach
eine An/Aus-Steuerung sein. Der Voreinstellungseingang (DEFAULT)
kann es einem erlauben, das Rohvideosignal zu einer Videoverarbeitungsbaugruppe
einzugeben, die bei anderen Frequenzen laufen kann als 30 Hz. Der
Dateneingang steuert Funktionen, wie z. B. Zoom. Da auf das aktive
CMOS-Pixelarray auf wahlfreie Weise zugegriffen werden kann, können Merkmale,
wie z. B. Zoom leicht manipuliert werden, indem nur solche Bildpunkte
adressiert werden, die auf einer gewünschten, den Chirurgen interessierenden
Fläche
liegen.
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Eine
weitere Diskussion der Timing- und Steuerschaltkreise, die man auf
der Baugruppe 40 findet und die mit dem Bildpunktarray 90 einbezogen sind,
wird in einem Artikel beschrieben, der den Titel trägt "Active Pixel Image
Sensor Integrated With Readout Circuits", der in den NASA Tech Briefs, Seiten
38 und 39 im Oktober 1996 erschienen ist.
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Hat
der Bilderzeugungssensor 40 ein mal das Rohvideosignal
erzeugt, wird es zu der Videoverarbeitungsbaugruppe 50 zur
weiteren Verarbeitung geschickt. In der Baugruppe 50 wird,
wie in der 4b gezeigt ist, das Rohvideosignal
durch eine Reihe von Filtern durchgeschleust. Ein allgemeine Filteranordnung
kann zwei Tiefpassfilter 114 und 116 und einen
Bandpassfilter 112 einschließen. Der Bandpassfilter lässt nur
Signalkomponenten mit niedrigen Frequenzen durch. Sind diese niedrigen Frequenzkomponenten
durchgelassen, werden sie dann zu dem Detektor 120 und
zu einem Weißabgleichschaltkreis 124 geschickt,
wobei der Weißabgleichschaltkreis
zwischen den Farben rot und blau unterscheidet. Der Weißabgleitschaltkreis
hilft der Bilderzeugungsvorrichtung, ihr normal einzustellen, welches
weiß ist.
Der Teil des Signals, der durch den Tiefpassfilter 114 hindurchgeht,
läuft dann
durch die Verstärkungsregelung 118,
welche die Größe oder die
Amplitude dieses Teils auf einen handhabbaren Pegel reduziert. Der
Ausgang der Verstärkungsregelung 180 wird
dann auf den Weißabgleichschaltkreis 124 zurückgeführt. Der
Teil des Signals, der durch den Filter 116 durchgeht, wird
durch den Prozessor 122 geschleust. Im Prozessor 122 wird
der Teil des Signals, der die Luminanz oder nicht-Chroma trägt, abgetrennt
und zu dem Y-Chroma-Mischer 132 geschickt.
Der Chroma-Teil des Signals wird in dem Prozessor 122 gehalten.
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Hinsichtlich
des Ausgangs des Weißabgleichschaltkreises 124 wird
dieser Chroma-Teil des Signals zu einer Verzögerungsleitung 126 geschickt, wo
das Signal weiter reduziert wird durch den Schalter 128.
Das Ausgangssignal des Schalters 128 wird durch einen abgeglichenen
Modulator 130 und auch zu dem Y-Chroma-Mischer 132 geschicket,
wo der verarbeitete Chroma-Teil des Signals mit dem verarbeiteten
nicht-Chroma-Teil gemischt wird. Schließlich wird das Ausgangssignal
von dem Y-Chroma-Mischer 132 zu dem NTSC/PAL-Codierer 134 geschickt,
der allgemein in der Fachwelt als ein „Composite" Codierer bekannt ist. Die Composite-Frequenzen
werden in dem Codierer 134 dem Signal zugefügt, das
den Y-Chroma-Mischer 132 verlässt, um das nachverarbeitete
Videosignal zu erzeugen, das von einem Fernseher akzeptiert werden
kann.
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Mit
Bezug zurück
auf 4 wird die Ergänzungsbaugruppe 60 weiter
veranschaulicht, die verwendet werden kann, um das Rohvideosignal,
das von dem Bilderzeugungssensor erzeugt wird, digital zu verbessern
oder auf andere Weise weiter aufzubereiten. Z. B. kann die digitale
Verbesserung das Bild aufhellen oder die Kanten eines Bildes, das
man auf einem Videobildschirm betrachtet, auf andere Weise klarer
machen. Zusätzlich
können
Hintergrundbilder entfernt werden, so dass nur die Vordergrundbilder übrig bleiben
oder umgekehrt. Die Verbindung zwischen dem Bilderzeugungssensor 40 und
der Baugruppe 60 kann einfach durch den Leiter 48 erfolgen,
der auch das Rohvideosignal an die Baugruppe 50 übertragen
kann. Wurde das Rohvideosignal auf der Ergänzungsbaugruppe 60 ein
mal digital verbessert, wird es dann zu der Videoverarbeitungsbaugruppe 50 durch
einen anderen Leiter 51 geschickt. Das Rohvideosignal ist
ein analoges Signal. Das digital verbesserte Rohvideosignal kann
entweder ein digitales Signal sein oder es kann in das analoge zurückverwandelt
werden, bevor es zu der Baugruppe 50 geschickt wird.
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Zusätzlich zur
digitalen Verbesserung kann die Ergänzungsbaugruppe 60 weiterhin
andere Schaltkreise einschließen,
die das nachverarbeitete Videosignal weiter aufbereiten, so dass
sie in einem anderen gewünschten
Format als NTSC/PAL betrachtet werden können. Wie in den 4 gezeigt wird,
kann der Zwischenleiter 59 das Signal, das von dem Y-Chroma-Mischer 132 ausgegeben
wird, zurück
zu der Ergänzungsbaugruppe 60 übertragen werden,
wo das Signal weiter codiert wird, um es in einem bestimmten Format
zu betrachten. Ein allgemeiner Codierer, den man verwenden kann,
schließt einen
RGB-Codierer 154 ein. Der RGB-Codierer trennt das Signal
in drei getrennte Farben auf (rot, grün und blau), so dass der Chirurg
auswählen
kann, nur solche Bilder zu betrachten, die eine oder mehrere der
Farben enthält.
Insbesondere in der Gewebeanalyse, wo Farbstoffe verwendet werden,
um Gewebe anzufärben,
kann der RGB-Codierer dem Chirurgen helfen, das Zielgewebe zu identifizieren.
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Der
nächste
Codierer, der in 4 dargestellt ist, ist ein SVHS-Codierer 156 (super
video home system). Dieser Codierer spaltet oder trennt den Luminanzteil
des Signals und den Chroma-Teil des Signals, bevor es in das Videogerät eintritt.
Manche Betrachter glauben, dass ein reineres Signal durch eine solche
Trennung in das Videogerät
eingegeben wird, woraus sich umgekehrt ein klareres Videobild ergibt,
das auf dem Videogerät
zu sehen ist. Der letzte Codierer, der in 4 dargestellt
ist, ist ein VGA-Codierer 158, der es ermöglicht,
das Signal auf einem Standard-VGA-Monitor zu betrachten, der vielen
Computermonitoren gemeinsam ist.
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Ein
Unterschied zwischen der Anordnung des Bilderzeugungssensors 40 des
Ausgangssignals, das man in 3 des
Patents von Fossum et al. findet, ist, dass anstelle der Bereitstellung
von zwei analogen Ausgängen
[nämlich
VS-AUS (Signal) und VR-Aus (Reset)] die Resetfunktion in dem Timing- und
Steuerschaltkreis 92 stattfindet. Entsprechend erfordert
das Rohvideosignal nur einen Leiter 48.
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Die 5a bis 5e veranschaulichen ausführlicher
ein Beispiel einer Schaltung, die in der Videoverarbeitungsgruppe 50 verwendet
werden kann, um ein nachverarbeitetes Videosignal zu erzeugen, das
direkt von einem Videogerät,
wie z. B. einem Fernseher, akzeptiert werden kann. Der Schaltkreis,
der in den 5a bis 5e offenbart
wird, ist sehr ähnlich
zu dem Schaltkreis, den man in einer viertel Zoll Miniatur-Panasonic-Kamera
findet, Modell KS-162. Der Fachmann wird verstehen, dass die besondere
Anordnung der Elemente, die man in den 5a bis 5e findet,
nur Beispiele für
Videoverarbeitungsschaltkreise sind, die man verwenden kann, um
das Rohvideosignal aufzunehmen und es aufzubereiten, so dass es
von einem gewünschten Videogerät empfangen
werden kann.
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Wie
in 5a zeigt ist, wird eine 5 Volt-Spannung zusammen
mit einem Erdpotential durch die Leiter 44 und 46 an
die Baugruppe 50 bereitgestellt. Das Rohvideosignal, das
durch den Leiter 48 getragen wird, wird an dem Puffer 137 gepuffert
und dann zu der Verstärkergruppe 138 übertragen.
Die Verstärkergruppe 138 verstärkt das
Signal auf ein verwendbares Niveau und führt eine Impedanzanpassung
für den
restlichen Schaltkreis durch.
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Das
nächste
größere Element
ist die automatische Verstärkungsregelung 140,
die in 5b gezeigt wird. Die automatische
Verstärkungsregelung 140 stellt
automatisch das Signal von der Verstärkungsgruppe 138 auf
ein akzeptables Niveau ein und fügt
auch andere Charakteristiken dem Signal zu, wie unten diskutiert
wird. Genauer gesagt, die automatische Verstärkungsregelung 140 bereitet
das Signal basierend auf Eingaben von einem 12-Kanal Digital zu
Analog-Wandler 141 auf. Der Wandler 141 stellt
die gespeicherte Information aus einem EEPROM 143 (elektrisch
löschbarer
programmierbarer Nur-Lesespeicher) wieder her. EEPROM 143 ist
ein nicht flüchtiges
Speicherelement, das Benutzerinformationen speichern kann, z. B.
Einstellung für
Farbe, Farbton, Balance und ähnliches.
Auf diese Weise ändert
die automatische Verstärkungsregelung 140 die Textur
oder visuelle Charakteristiken basierend auf Benutzereingaben. Das
Signal, das die automatische Verstärkungsregelung 140 verlässt, ist
ein analoges Signal bis es von dem Analog- zu Digitalwandler 142 umgewandelt
wird.
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Der
digitale Signalprozessor 144 von 5c verarbeitet
das umgewandelte Signal weiter zu einem digitalen Signal vom seriellen
Typ. Eine Funktion des Mikroprozessor 146 ist, die Art
und Weise zu steuern, in der der digitale Signalprozessor 144 die digitalen
Signale, die aus dem Wandler 142 kommen, sortiert. Der
Mikroprozessor 146 steuert auch den Analog- zu Digitalwandler 142 hinsichtlich,
wann er aktiviert ist, wann er Daten akzeptiert, wann er Daten ausgibt,
und der Rate, mit der Daten ausgegeben werden sollten. Der Mikroprozessor 146 kann
auch andere Funktionen der Bilderzeugungsvorrichtung, wie z. B.
Weißabgleich
steuern. Der Mikroprozessor 146 kann die Information, die
in dem EEPROM 143 gespeichert ist, selektiv empfangen und
seine verschiedenen Befehle ausführen,
um die anderen Elemente innerhalb des Schaltkreises weiter zu steuern.
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Nachdem
das Signal von dem digitalen Signalprozessor 144 verarbeitet
ist, wird das Signal zu dem digitalen Codierer 148, der
in 5d veranschaulicht ist, gesendet. Einige der wichtigeren
Funktionen des digitalen Codierers 148 sind das Kodieren der
digitalen Signale mit Synchronisation, moduliertem Chroma, Auslastung,
horizontaler Ansteuerung und den anderen notwendigen Komponenten,
so dass das Signal in einen Zustand gebracht werden kann, das von
einem Videogerät,
wie z. B. einem Fernsehmonitor aufgenommen wird. Wie auch in 5d veranschaulicht
wird, wird das Signal, wenn es einmal durch den digitalen Codierer 148 durchgegangen
ist, in ein analoges Signal zurückgewandelt durch
den Digital- zu
Analogwandler 150.
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Dieses
zurückverwandelte
analoge Signal wird dann in den Puffern 151 gepuffert und
dann zu der Verstärkergruppe 152 von 5e gesendet,
die das Signal verstärkt,
so dass es leicht von einem gewünschten
Videogerät
akzeptiert wird. Insbesondere, wie in 5e gezeigt
ist, wird ein SVHS-Ausgang bei 160 bereitgestellt und zwei
Composite oder NTSC-Auslässe werden
bei 162 bzw. 164 bereitgestellt.
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Zusätzlich zu
dem CMOS-Bilderzeuger vom aktiven Bildpunkttyp, der oben diskutiert
wird, wurden bestimmte Vorteile in CMOS-Bilderzeugern vom passiven
Bildpunkttyp erreicht, so dass das traditionelle Rauschen, das mit
solchen passiven Anordnungen zusammenhängt, durch verbesserte Herstellungstechnologien überwunden
werden kann, die es deshalb nicht erforderlich machen, jedes Signal
an jeder Pixelstelle zu verstärken.
Entsprechend veranschaulicht 6 ein vereinfachtes
schematisches Diagramm eines passiven Bildpunktes, der direkt in
dem Ausleseschaltkreis von Fossum et al. verwendet werden kann (siehe 3, US-Patent Nr. 5,471,515; Ausleseschaltkreis
oder entsprechender Doppelsamplingschaltkreis 70). Wie
in 6 gezeigt ist, umfasst jeder passive Bildpunkt 160 in
einem passiven Bildpunktarray eine Photodiode 162 mit einem Transistor 164,
der das pho toelektrisch erzeugte Signal von der Photodiode 162 zu
einem Ladungsintegrationsverstärker
(nicht gezeigt) außerhalb
des Bildpunktarrays weiterleitet. Nach der Photoladungsintegration
aktiviert der Timing- und Steuerschaltkreis den Zugriffstransistor 164.
Das photoelektrisch erzeugte Signal von der Photodiode 162 überträgt dann auf
den Kondensator des Spaltenbusses 166, wo der Ladungsintegrationsverstärker (nicht
gezeigt) am Ende des Spaltenbusses 166, die sich ergebende Spannung
abtastet. Die Spaltenbusspannung setzt die Photodiode 162 zurück und der
Timing- und Steuerschaltkreis versetzt dann den Zugriffstransistor 164 in
einen Aus-Zustand. Der Bildpunkt 160 ist dann fertig für einen
weiteren Integrationszyklus. Das Ausgangssignal von entweder dem
aktiven oder dem passiven Bildpunktarray wird identisch verarbeitet. Entsprechend
veranschaulicht 6, dass der Ausleseschaltkreis 70 von
Fossum et al. kompatibel zu entweder dem aktiven oder passiven Bildpunktarray ist,
die hier offenbart werden. Ein Beispiel eines Herstellers, der ein
passives Bildpunktarray entwickelt hat mit einer Leistungsfähigkeit
die nahezu gleich zu der von bekannten aktiven Bildpunktvorrichtungen
ist und die kompatibel zu dem Ausleseschaltkreis von Fossum et al.
ist, ist VLSI Vision Ltd., 1190 Saratoga Avenue, Suite 180,
San Jose, California 95129.
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Aus
dem Vorangegangen wird ersichtlich, dass eine komplette Bilderzeugungsvorrichtung
innerhalb eines äußeren Endes
eines Endoskops untergebracht werden kann, oder dass einige Elemente der
Bilderzeugungsvorrichtung in einer kleinen entfernten Box in der
Umgebung des Endoskops angeordnet werden können. Wegen des besonderen
Typs eines CMOS-Bilderzeugungssensors, der verwendet wird, ist die
Querschnittsfläche
der Bilderzeugungsvorrichtung klein genug, dass es in einem Endoskop, das
einen sehr kleinen Röhrendurchmesser
aufweist, angeordnet werden kann. Zusätzlich kann die Bilderzeugungsvorrichtung
in den Kanälen
von existierenden Endoskopen eingeführt werden, um zusätzliche Bilderzeugungsfähigkeiten
bereitzustellen, ohne die Größe des Endoskops
zu vergrößern. Die
Bilderzeugungsvorrichtung kann von einer Standardstromversorgungseingangsverbindung
in Form eines Stromkabels mit Strom versorgt werden, oder es kann
eine kleine Lithiumbatterie verwendet werden.