JP2004358094A

JP2004358094A - カプセル内視鏡

Info

Publication number: JP2004358094A
Application number: JP2003162843A
Authority: JP
Inventors: Fumiki Nakamura; 文樹中村
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】イメージセンサに入射した光による画像信号の読み出し時間よりも短時間でイメージセンサに対する露光量を低電力で最適化でき、かつ小型化を実現したカプセル内視鏡を提供する。
【解決手段】少なくとも観察光学部１０、照明光源部８、撮像部１１、周辺回路とを有するカプセル内視鏡２０において、上記撮像部１１は、上記観察光学部１０を介して患部等の被写体の撮像を行う第１の光電変換素子１と、露光量を制御する第２の光電変換素子４とで構成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カプセル内視鏡、詳しくは、観察光学部、照明光源部および撮像部等が一体に組み込まれた錠剤カプセル形状からなるカプセル内視鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、先端に撮像素子等を備えた管状の挿入部と、この挿入部に連設される操作部、およびこれに接続される画像処理装置並びに表示装置等を有し、挿入部を被検者の体腔内へと挿入し、撮像することにより体腔内における所望の部位を観察、検査し得る内視鏡装置が実用化されているが、このような内視鏡装置は、体腔内に挿入される挿入部の太さや長さ等に制約があることから、術者が観察や検査等を行い得る範囲には限界があった。
【０００３】
こうした事情に鑑みて、例えば錠剤カプセル形状の筐体の内部に撮影光学系を有する固体撮像素子等を収納した超小型の内視鏡、所謂カプセル内視鏡が近年開発されている。カプセル内視鏡は、これを被検者が嚥下する等の手段によって体腔内へ挿入し、患部等を撮像し、その画像を体外で受信することで、体腔内の観察や検査等を行い得るようになっている。したがって、従来の挿入部を有する内視鏡によっては観察や検査等を行うのが困難であった、例えば小腸等の臓器の観察や検査等をも比較的容易に行うことができる。
【０００４】
このようなカプセル内視鏡は、例えば特許文献１に提案されている。該特許文献１では、図９に示すように、カプセル内視鏡１００は、対物レンズ１０７を介して被写体（患部）１１０を撮像する光電変換素子（イメージセンサ）１０１と、該イメージセンサ１０１から出力された画像データのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路１０２と、光電変換素子１０１を駆動する光電変換素子駆動回路１０４と、患部１１０を照射するための患部照射用光源（以下、光源と称す）１０６と、該光源１０６の光量を調整する調光回路１０５と、Ａ／Ｄ変換回路１０２から出力されたデジタル信号を、例えばビデオ信号に変換して外部（体外）に出力するとともに、光電変換素子駆動回路１０４を介してイメージセンサ１０１の電荷蓄積時間（露光量）を、調光回路１０５を介して光源１０６の光量を調節することによって制御する信号処理部１０３とで構成されている。
【０００５】
光源１０６により照射された患部１１０からの反射光は、レンズ１０７を介してイメージセンサ１０１に入光され、該イメージセンサ１０１で光電変換された出力信号は、Ａ／Ｄ変換回路１０２、信号処理部１０３を介してビデオ信号に変換されて、カプセル内視鏡から無線通信等によって体外に出力される。また、信号処理部１０３は、イメージセンサ１０１からの信号に基づき光電変換素子駆動回路１０４を介してイメージセンサ１０１の露光量を、調光回路１０５によって光源１０６の光源光量を調節することにより最適化する。
【０００６】
また、特許文献１では、カプセル内視鏡におけるイメージセンサの電荷蓄積時間の制御に関してＣＰＵにて行っている旨が開示されている。一方、電子内視鏡における光源光量の調整に関する技術が、特許文献２に示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１―２４５８４４号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開２００２―５８６４２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１では、光源の具体的な制御方法については、何ら記載がなく、最適な露光条件下で撮像できるか否かが定かではない。また、制御回路に用いるＣＰＵは、消費電力が大きいので、カプセル内視鏡には不向きである。
【００１０】
また、特許文献２に開示された光源光量の調整は、イメージセンサの出力を元に行っており、被写体に照射する光を最適化するには、イメージセンサの全画素を読み出す時間（露光時間のフィードバック）が１フレーム以上必要となってしまう。よって、前フレームで最適であった光量が次フレームでも最適であるとは限らず、最適な光量を常時得ることは難しい。また、無駄になってしまうフレームも増えるため露光量調整の効率が悪い。
【００１１】
また、イメージセンサは、電源投入直後の初期状態では電圧が安定しないことから、電源投入直後の１〜２フレームは適切な撮像を行うことができない。よって、この１〜２フレームの間は、信号読み出し機能が使えないので電力が無駄になってしまうため、この技術は、内蔵する電源の容量が小さいカプセル内視鏡においては問題である。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、イメージセンサに入射した光による画像信号の読み出し時間よりも短時間でイメージセンサに対する露光量を低電力で最適化でき、かつ小型化を実現したカプセル内視鏡を提供するにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段、及び作用】
上記の目的を達成するために本発明によるカプセル内視鏡は、少なくとも観察光学部、照明光源部、撮像部、周辺回路とを有するカプセル内視鏡において、上記撮像部は、上記観察光学部を介して患部等の被写体の撮像を行う撮像用光電変換部と、露光量を制御する露光量調整用光電変換部とで構成されていることを特徴とし、また、上記周辺回路は、上記露光量調整用光電変換部からの出力に基づいて露光量の調整を行う制御回路を有し、該制御回路における露光量の調整は、少なくとも撮像用光電変換部の露光時間、または照明光源部の光量であることを特徴とし、さらに、上記露光量調整用光電変換部は、上記撮像用光電変換部とは別個に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
また、上記露光量調整用光電変換部は、上記撮像用光電変換部と同一チップ上に設けられていることを特徴とし、さらに、上記露光量調整用光電変換部は、上記撮像用光電変換部の画素の一部であることを特徴とし、また、上記露光量調整用光電変換部は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、またはその他の増幅型イメージセンサで構成されていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図示の実施の形態によって本発明を説明する。
図１は、本発明の第１実施の形態を示すカプセル内視鏡の電気回路の構成の概略を示すブロック図、図２は、図１の第２の光電変換素子を複数個配設したときの配設位置の一例を、被写体側から見て示した正面図、図３は、図１の第２の光電変換素子を複数個配設したときの配設位置の他の例を、被写体側から見て示した正面図である。
【００１６】
図１に示すように、カプセル内視鏡２０は、観察光学部である対物レンズ１０を介して被写体（患部）９を撮像する撮像用光電変換部である第１の光電変換素子（イメージセンサ）１、および該イメージセンサ１に近接して配設され、該イメージセンサ１とは別個に設けられた露光／ＡＥ用の１個または複数個の露光量調整用光電変換部である第２の光電変換素子４からなる撮像部１１と、該イメージセンサ１から出力された画像データのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２と、該Ａ／Ｄ変換回路２から出力されたデジタル信号を、例えばビデオ信号に変換して、内蔵する通信回路（図示せず）よりカプセル内視鏡の外部（体外）にビデオ信号を出力する信号処理部３と、後述する制御回路５からの制御信号に応じてイメージセンサ１の電荷蓄積時間（露光時間）を設定する、タイミングジェネレータの機能を有する光電変換素子駆動回路６と、被写体（患部）９を照射するための、例えば複数のＬＥＤからなる照明光源部である患部照射用光源（以下、光源と称す）８と、後述する制御回路５からの制御信号に応じて該光源８の光量を調節する調光回路７と、制御回路５とで、その主要部が構成されている。尚、Ａ／Ｄ変換回路２、信号処理部３、制御回路５、光電変換素子駆動回路６、調光回路７は、本発明における周辺回路を構成している。
【００１７】
患部９からの反射光は、レンズ１０を介してイメージセンサ１の後述する受光部１ａ（図２参照）および第２の光電変換素子４に入光するようになっており、イメージセンサ１は、Ａ／Ｄ変換回路２に接続されていて、該Ａ／Ｄ変換回路２は、信号処理部３に接続されている。また、第２の光電変換素子４は、制御回路５に接続されており、該制御回路５は、調光回路７および光電変換素子駆動回路６に接続されている。さらに、該光電変換素子駆動回路６は、イメージセンサ１に接続されており、また、調光回路７は光源８に接続されていて、光源８は患部９を照射するようになっている。
【００１８】
第１の光電変換素子であるイメージセンサ１は、被写体（患部）９に対してレンズ１０の後方の焦点位置に配設されており、また、図２，図３に示すように、その中央部には、光源８からの出射光に基づく被写体９の反射光を受光する受光部１ａが配設されている。
【００１９】
イメージセンサ１の初期動作後、即ち電源がオンされ電圧が安定した後では、イメージセンサ１は、受光部１ａに入射した被写体反射光より、フレーム単位で画像データを制御回路５および光電変換素子駆動回路６の制御により読み出し、Ａ／Ｄ変換回路２に、この読み出したアナログ画像信号を出力する。
【００２０】
第２の光電変換素子４は、例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、またはその他の増幅型イメージセンサ等で構成されており、図２，図３に示すように、イメージセンサ１の周辺に近接するように複数個配設されている。これは、一般に、カプセル内視鏡は、できるだけ小さい構造にしなければならないため、カプセル内視鏡に用いる対物レンズは、レンズ径の小さい暗いレンズが用いられる。よって、レンズにより集光される光の明るさは、結像されるイメージセンサ１の中心部に比べ周辺部の光量が極端に落ちてしまうので、第２の光電変換素子４は、レンズ１０の焦点位置に配設されているイメージセンサ１に近接して配設する必要があるためである。
【００２１】
尚、第２の光電変換素子４は、図２，図３に示すように、イメージセンサ１の周辺に近接するように配設されれば、その状態によって何個、どのような位置に配設されていても構わない。
【００２２】
また、光源部８もイメージセンサ１の周辺に複数個配設されている。尚、光源部８も、その状態によって何個、どのような位置に配設されていても構わない。
【００２３】
ここで、イメージセンサ１の受光部１ａに入射する被写体反射光の露光量は、光源８の光量と、該イメージセンサ１の露光時間とで決定される。よって、制御回路５は、第２の光電変換素子４の入射光量に応じた電気信号（アナログ信号）をリアルタイムで読み出すことで、光電変換素子駆動回路６を介してイメージセンサ１の露光時間、またはイメージセンサ１の読み出しのタイミングを制御し、また調光回路７を介して光源８の光量（電源電圧／パルス周期）およびどのＬＥＤを発光させるかを制御することにより、イメージセンサ１の露光量を決定する。尚、この制御回路５は、ＣＰＵ等の複雑な処理を行う回路である必要は無く、光電変換素子駆動回路６および調光回路７の制御パターンを有する簡単な構成の回路で良い。従って、この制御回路５の消費電力は小さい。
【００２４】
また、第２の光電変換素子４が複数個配設された場合には、制御回路５は、この第２の光電変換素子４からの出力信号の平均値、または既知の荷重平均値等を用いてイメージセンサ１の露光量を決定する。
【００２５】
このように主要部が構成されたカプセル内視鏡２０では、患部９からレンズ１０を介してイメージセンサ１に入射した被写体反射光は、フレーム単位で画像データが読み出された後、Ａ／Ｄ変換回路２に出力され、このＡ／Ｄ変換回路２および信号処理部３で上述した処理が行われた後、該信号処理部３からカプセル内視鏡の外部に出力される。尚、この際、信号処理部３にメモリ等の記憶素子を設けて、送信前に一時的に保管しておくようにしても良い。
【００２６】
一方、患部９からレンズ１０を介して第２の光電変換素子４に入射した反射光は、制御回路５に出力され、この制御回路５は、イメージセンサ１の露光時間を制御するための信号を光電変換素子駆動回路６に出力し、また、光源８の光量を制御するための信号を調光回路７に出力する。この信号を受けて、光電変換素子駆動回路６は、イメージセンサ１の露光時間を設定し、また、調光回路７は、光源８の光量を調節する。尚、この一連の動作は、イメージセンサ１の上記初期動作期間中に行われる。
【００２７】
このように、本発明の第１実施の形態を示すカプセル内視鏡２０では、撮像部１１に、撮像用の第１の光電変換素子であるイメージセンサ１とは別個に、露光量調整用の第２の光電変換素子４を１個または複数個配設し、第２の光電変換素子４からの出力を基に光源８の光量とイメージセンサ１の露光時間を設定する制御回路５を設けた。
【００２８】
よって、制御回路５は、第２の光電変換素子４からの入射光量に応じた電気信号の出力をリアルタイムに読み出すことで、第１の光電変換素子であるイメージセンサ１の撮像処理とは独立して、光源８の光量およびイメージセンサ１の露光量を制御することができる。つまり、得られる患部９の画像の明部も暗部もはっきり見える、詳しくは、露出オーバで黒つぶれがなく、露出アンダーで白つぶれがない明るさの均一な最適露光量となるよう制御することができるため、イメージセンサ１の１フレームを更新する時間（フレームレート）よりも高速に、イメージセンサに対する露光量を最適化することができる。
【００２９】
また、イメージセンサ１の電源オン後、該イメージセンサ１が正常動作する１フレーム以下の期間で、第２の光電変換素子４により最適露光量を決定することができるので、イメージセンサ１が画像信号の読み出しを行う最初のフレーム目から最適露光条件下で画像を取得することができる。
【００３０】
尚、本実施の形態においては、制御回路５には、第２の光電変換素子４からの入射光量に応じたアナログ信号が入力されるように構成したが、これに限らず、第２の光電変換素子４と制御回路５の間にＡ／Ｄ変換回路を接続して、第２の光電変換素子４から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換してから制御回路５に入力するようにしてもよい。この場合、制御回路５とＡ／Ｄ変換回路をワンチップ化してもよい。
【００３１】
また、制御回路５と信号処理部３とを同一のチップ上に構成してもよい。このようにワンチップ化すれば、カプセル内視鏡を更に小型化することができる。
【００３２】
図４は、本発明の第２実施の形態を示すカプセル内視鏡における複数の第２の光電変換素子の配設位置を被写体側から見て示した図である。
【００３３】
この第２実施形態のカプセル内視鏡の構成および作用は、前記図１に示した第１実施形態のカプセル内視鏡と殆ど同じであるが、本実施の形態では、第２の光電変換素子を第１の光電変換素子と同一チップ上に別個に配設した点のみが異なる。よって、この相違点のみを説明し、第１実施形態と同様の構成には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００３４】
図４に示すように、カプセル内視鏡３０における第２の光電変換素子２４は、第１の光電変換素子であるイメージセンサ２１と同一チップ上に、イメージセンサ２１の受光部２１ａと重畳しない位置に別個に、例えば四角状に形成したイメージセンサ２１上の対向する角部に配設されている。尚、第２の光電変換素子２４は、その性能により１個または複数個配設しても構わない。また、イメージセンサ２１と同一チップ上で受光部２１ａと重畳しない位置であれば、どの位置に配設しても良い。
【００３５】
このように、カプセル内視鏡３０を構成しても、上述した第１実施形態のカプセル内視鏡と同様の効果を得ることができる。また、第２の光電変換素子２４を第１の光電変換素子であるイメージセンサ２１と同一チップ上に配設することにより、これらを搭載するカプセル内視鏡の小型化を更に図ることができる。
【００３６】
図５，図６は、本発明の第３の実施の形態を示すカプセル内視鏡における光電変換素子の構成を示したものであって、撮像用の第１の光電変換素子であるイメージセンサの受光部の画素の一部に露光用の第２の光電変換素子を配設したことを示した図である。
【００３７】
この第３実施形態のカプセル内視鏡の構成および作用も、前記図１に示した第１実施形態、図４に示した第２実施形態のカプセル内視鏡の構成と殆ど同じであるが、本実施の形態では、第２の光電変換素子を第１の光電変換素子であるイメージセンサの受光部の画素の一部に配設した点のみが異なる。よって、この相違点のみを説明し、第１実施形態および第２実施形態と同様の構成には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００３８】
図５，図６に示すように、カプセル内視鏡４０の第２の光電変換素子３１ｂは、イメージセンサ３１の受光部３１ａの画素の中心に１個配設されている。イメージセンサ受光部３１ａの画素は、列選択スイッチ３１ｃにより、列単位で画像信号を読み出せるようになっており、第２の光電変換素子３１ｂは、上述した第１実施の形態に示すように、制御回路５（図１参照）に接続され、入射光量に応じた電気信号を出力するようになっている。
【００３９】
このように、第２の光電変換素子３１ｂをイメージセンサ受光部３１ａの画素の中心に配設することにより、第２の光電変換素子３１ｂは、イメージセンサ３１の受光部３１ａに入射する光の中点を受光することができる。よって、入射する光の最も均一となる領域で、露光およびＡＥを行うことができるため、感度が向上する。
【００４０】
また、第２の光電変換素子３１ｂをイメージセンサ３１の受光部３１ａの画素内に設けることにより、上述した図４に示した第２の実施形態よりも、さらにカプセル内視鏡をより一層小型化することができ、また、消費電力を小さくすることができる。
【００４１】
尚、第２の光電変換素子３１ｂは、イメージセンサ３１の受光部３１ａの画素の略中心で、受光部としての機能を著しく低下させない範囲であれば複数個設けても良い。また、上述したように、イメージセンサの画素生成に用いる中心の画素を、第２の光電変換素子に用いると、得られる画像としては、中心が欠落した画像となるが、これは、現在のデジタルカメラで一般的に行われている、例えば周辺画素情報を基にした欠陥補正処理等を行うことにより対処することができる。また、複数の画素を第２の光電変換素子に用いた場合でも同様である。
【００４２】
さらに、このように、カプセル内視鏡４０を構成しても、上述した第１実施形態を示すカプセル内視鏡と同様の効果を得ることができる。
【００４３】
図７，図８は、本発明の第４実施の形態を示すカプセル内視鏡における光電変換素子の構成を示したものであって、撮像用の光電変換素子であるイメージセンサの受光部の外側の画素に露光用の第２の光電変換素子を配設したことを示した図である。
【００４４】
この第４実施形態のカプセル内視鏡の構成および作用は、前記図１に示した第１実施形態、前記図４に示した第２実施形態、前記図５，６に示した第３実施形態のカプセル内視鏡の構成と殆ど同じであるが、本実施の形態では、第２の光電変換素子を第１の光電変換素子であるイメージセンサの受光部の外側の画素で構成した点のみが異なる。よって、この相違点のみを説明し、第１実施形態乃至第３実施形態と同様の構成部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００４５】
図７，図８に示すように、カプセル内視鏡５０における露光／ＡＥ用の第２の光電変換素子４４は、第１の光電変換素子であるイメージセンサ４１の受光部４１ａの外側の周辺に、複数個配設された画素で構成されている。イメージセンサ４１の受光部４１ａを構成する画素は、列選択スイッチ４１ｃにより、列単位で画像信号を読み出せるようになっており、第２の光電変換素子４４は、上述した第１実施の形態に示すように、制御回路５（図１参照）に接続され、入射光量に応じた電気信号を出力するようになっている。
【００４６】
このように、第２の光電変換素子４４に第１の光電変換素子であるイメージセンサ４１の受光部４１ａの外側の画素を用いることにより、第２の光電変換素子４４を複数設けることができる。この周辺部に複数配設された第２の光電変換素子４４の各電気信号を加算して用いることにより、イメージセンサ４１の感度を向上させることができる。
【００４７】
また、第２の光電変換素子４４に、イメージセンサ４１の受光部４１ａの外周部の画素を利用したことにより、図５、６で上述した第３実施の形態に示したような、イメージセンサ４１で撮像した中心画像に欠陥補正処理を行う必要がない。
【００４８】
この第４実施形態のカプセル内視鏡も、上述した図４に示した第２の実施形態よりも、よりカプセル内視鏡を小型化することができ、さらに、消費電力を小さくすることができる。
【００４９】
また、一般に、ＡＥ用の光電変換素子からの信号は、配線容量の影響を受け易いので、この光電変換素子を配設する際の非対称、不連続性は、この影響に起因するイメージセンサの画像劣化を招く虞があるが、本実施の形態においては、レイアウトが容易であるため、この影響を無視することができる。
【００５０】
さらに、このように、カプセル内視鏡５０を構成しても、上述した第１実施の形態を示すカプセル内視鏡と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上、述べたように本発明によれば、イメージセンサに入射する光による画像信号の読み出し時間よりも、短時間でイメージセンサに対する露光量を低電力で最適化でき、かつ小型化を実現可能なカプセル内視鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態を示すカプセル内視鏡の電気回路の構成の概略を示すブロック図、
【図２】図１の第２の光電変換素子を複数個配設したときの配設位置の一例を被写体側から見て示した正面拡大図、
【図３】図１の第２の光電変換素子を複数個配設したときの配設位置の他の例を被写体側から見て示した正面拡大図、
【図４】本発明の第２実施の形態を示すカプセル内視鏡における複数の露光用光電変換素子の配設位置を被写体側から見て示した正面拡大図、
【図５】本発明の第３実施の形態を示すカプセル内視鏡における第１，第２光電変換素子の構成を被写体側から見て示した正面拡大図、
【図６】図５の第１，第２光電変換素子の接続態様を示す電気回路図、
【図７】本発明の第４実施の形態を示すカプセル内視鏡における第１，第２光電変換素子の構成を被写体側から見て示した正面拡大図、
【図８】図７の第１，第２光電変換素子の接続態様を示す電気回路図、
【図９】従来のカプセル内視鏡の電気回路の構成の概略を示すブロック図。
【符号の説明】
１…第１の光電変換素子（撮像用光電変換部）
２…Ａ／Ｄ変換回路（周辺回路）
３…信号処理部（周辺回路）
４…第２の光電変換素子（露光量調整用光電変換部）
５…制御回路（周辺回路）
６…光電変換素子駆動回路（周辺回路）
７…調光回路（周辺回路）
８…患部照射用光源（照明光源部）
１０…対物レンズ（観察光学部）
１１…撮像部
２０，３０，４０，５０…カプセル内視鏡

Claims

少なくとも観察光学部、照明光源部、撮像部、周辺回路とを有するカプセル内視鏡において、
上記撮像部は、上記観察光学部を介して患部等の被写体の撮像を行う撮像用光電変換部と、露光量を制御する露光量調整用光電変換部とで構成されていることを特徴とするカプセル内視鏡。
上記周辺回路は、上記露光量調整用光電変換部からの出力に基づいて露光量の調整を行う制御回路を有し、該制御回路における露光量の調整は、少なくとも撮像用光電変換部の露光時間、または照明光源部の光量であることを特徴とする請求項１に記載のカプセル内視鏡。
上記露光量調整用光電変換部は、上記撮像用光電変換部とは別個に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のカプセル内視鏡。
上記露光量調整用光電変換部は、上記撮像用光電変換部と同一チップ上に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のカプセル内視鏡。
上記露光量調整用光電変換部は、上記撮像用光電変換部の画素の一部であることを特徴とする請求項１又は２に記載のカプセル内視鏡。
上記露光量調整用光電変換部は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、またはその他の増幅型イメージセンサで構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のカプセル内視鏡。