JP2005185305A - 電子内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ビデオスコープ内の回路構成を簡素化させるとともに、ノイズ発生、画質低下を抑え、プロセッサへの信号伝送速度を安定化させる。
【解決手段】 色フィルタ１３を配設したＣＣＤ１２を有するビデオスコープ１０内に、Ａ／Ｄ変換回路１４、画素遅延回路１６、ダウンサンプリング回路１８、１９を備えた信号出力部２４とを備える。Ａ／Ｄ変換回路１４から所定の周波数ｆで出力される一連のデジタル画素信号を、色要素（Ｇ＋Ｙ）に応じた画素信号から構成される第１の色要素対応デジタル画素信号と、色要素（Ｍｇ＋Ｃｙ）に応じた画素信号から構成される第２の色要素対応デジタル画素信号とに分離し、ｆ／２に応じた伝送レートに従い、分離された状態でそのまま２系統の信号線を介してプロセッサ４０へ出力させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像素子を有するビデオスコープ（電子内視鏡）およびビデオスコープが接続されるプロセッサを備えた電子内視鏡装置に関し、特に、ビデオスコープ先端に設けられた撮像素子から読み出される画素信号に基づいてカラー映像信号を生成する信号処理に関する。

電子内視鏡装置では、ビデオスコープ内で所定のビデオ規格に従ったフォーマット（例えば４：２：２のフォーマット）によるデジタル映像信号（例えば、輝度信号Ｙ、色差信号Ｃｂ，Ｃｒ）を生成し、デジタル映像信号をプロセッサへ出力する構成が知られている（例えば、特許文献１、２、３参照）。また、伝送されるデータのフォーマットの違いから、ビデオスコープとプロセッサとの間にアダプタを設ける構成が知られている（特許文献４参照）。
特開２０００−２６１８２１号公報（図１） 特開平５−２３６４８０号公報（図１） 特開平５−３１６５１３号公報（図１） 特開平５−１７６８８６号公報（図１）

ビデオスコープ内でデジタル映像信号を生成する場合、回路構成が複雑になり、製造コストが増大し、スコープサイズのダウンサイジングが困難になる。特に、デジタル映像信号を生成するために多くの乗算回路が必要であるため、必然的に回路構成の複雑化される。また、撮像素子から読み出される画素信号の情報量が大きいほど、信号伝送のレート（周波数）は高くなり、医療機器において電気回路的障害となるノイズ（ＥＭＣ）を生じさせる。さらに、ＴＶ規格等に従ってデジタル映像信号をプロセッサへ出力させる場合、伝送用信号線の本数を低減させることができず、ノイズ発生の起因となっている。また、画質、解像度、色再現性などはすべてビデオスコープ側で決定されてしまうため、色再現性の変更などをプロセッサ側で行う際、制約がある。

本発明に係る電子内視鏡装置は、ビデオスコープ内の回路構成を簡素化できるとともに、ノイズ発生、画質低下を生じさせず、さらにプロセッサへの信号伝送速度を一定に調整できる電子内視鏡装置であり、撮像素子と、信号読み出し手段と、デジタル変換処理手段と、デジタル画素信号出力手段とを有する。このビデオスコープに接続される本発明に係る電子内視鏡装置のプロセッサは、複数の色要素デジタル画素信号に基づき、カラー映像信号を生成する映像信号生成手段を備えたことを特徴とする。

撮像素子には、カラー映像信号に関連した複数の色要素を画素の位置に応じて規則的に配列することによって構成される色フィルタが配設されており、例えば、原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）フィルタや補色（Ｇ，Ｙｅ、Ｃｙ、Ｍｇ）フィルタが配設されている。信号読み出し手段は、複数の色要素に応じた画素信号から構成される一連のアナログ画素信号を、撮像素子から読み出す。例えば、信号読み出し手段は、単板同時式の色差線順次方式に従って一連のデジタル画素信号を読み出す。この場合、補色フィルタは、色差線順次方式に従い、４つの色要素であるシアン、マゼンタ、グリーン、イエローから成るブロックを規則的に配列することにより構成される。デジタル変換手段は、一連のアナログ画素信号を、所定の周波数によるクロックパルス信号に従い、一連のデジタル画素信号に変換する。例えば、各デジタル画素信号は、所定数ビットのデータとして表される。また、デジタル変換時の周波数（サンプリング周波数）は、撮像素子の画素数、読み出し方法に従う。

本発明のデジタル画素信号出力手段は、デジタルの輝度信号Ｙ、色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ、あるいは、アナログの画素信号をビデオスコープ外部へ出力するのではなく、デジタル画素信号をそのまま外部へ出力する。すなわち、デジタル画素信号出力手段は、一連のデジタル画素信号に基づき、所定の色要素ごとに画素信号を分離することで複数の色要素対応デジタル画素信号を生成し、所定の周波数より低い周波数によるクロックパルス信号に従い、複数の色要素対応デジタル画素信号を分離した状態でそのまま外部へ出力させる。分離して伝送する系統数は、必要に応じて適宜選択すればよい。例えば、デジタル画素信号出力手段が、一連のデジタル画素信号を、それぞれ同じ数の色要素に応じた画素信号から構成される第１の画素信号と第２の画素信号とに分離し、２つの伝送経路で外部へ出力してもよい。あるいは、色フィルタが４つの色要素からなるブロックから構成されている場合、４系統に分離してデジタル画素信号を出力してもよい。また、デジタル画素信号がパラレル信号である場合、シリアル伝送するため、デジタル画素信号出力手段は、前記複数の色要素対応デジタル画素信号を、パラレル信号からシリアル信号へ変換するパラレル／シリアル変換手段を備えてもよい。

輝度、色差信号生成に必要であって回路構成を大型化させる乗算回路を設ける必要がないため、ビデオスコープ内の回路構成が簡素化される。また、外部出力時のクロックパルス周波数が低下されるため、ノイズ発生を抑えることができるとともに、分離する信号線の数を調整することで、撮像素子の画素数に係らず、安定した伝送レートでデジタル画素信号を外部へ出力することが可能となる。また、デジタル映像信号そのものを外部へ出力しないため、画質の調整範囲が広がる。

一方、本発明の電子内視鏡装置のプロセッサは、上記ビデオスコープに接続されるプロセッサであり、例えば、輝度信号、色差信号を生成するため、複数の色要素対応画素信号から輝度信号を生成する加算処理手段と、複数の色要素対応画素信号から色信号を生成する減算処理手段と、輝度信号、色信号から原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）信号を生成するＲ，Ｇ，Ｂ変換回路と、原色信号から輝度、色差信号を生成する輝度、色差変換回路とを備える。

一連のデジタル画素信号を分離して外部へ出力する構成としては、例えば、画素遅延させてダウンサンプリングさせるように構成してもよい。この場合、デジタル画素信号出力手段は、一連のデジタル画素信号を所定画素分だけ遅延させる画素遅延手段と、一連のデジタル画素信号に対してダウンサンプリングする間引き処理手段とを備える。

本発明の電子内視鏡装置のビデオスコープにおけるデジタル画素信号出力方法は、複数の色要素に応じた画素信号から構成される一連のアナログ画素信号を、カラー映像信号に関連した複数の色要素を画素の位置に応じて規則的に配列することによって構成される色フィルタが配設された撮像素子から読み出し、一連のアナログ画素信号を、所定の周波数によるクロックパルス信号に従い、一連のデジタル画素信号に変換し、一連のデジタル画素信号に基づき、所定の色要素ごとに画素信号を分離することで複数の色要素対応デジタル画素信号を生成し、所定の周波数より低い周波数によるクロックパルス信号に従い、複数の色要素対応デジタル画素信号を分離した状態でそのまま外部へ出力させることを特徴とする。

ビデオスコープ内の回路構成を簡素化できるとともに、ノイズ発生、画質低下を抑え、プロセッサへの信号伝送速度を安定化できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態である電子内視鏡装置におけるビデオスコープのブロック図である。図２は、電子内視鏡装置におけるプロセッサのブロック図である。

電子内視鏡装置には、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）１２を有するビデオスコープ１０と、ビデオスコープ１０から送られてくる画像信号を処理するプロセッサ４０とが備えられており、被写体像を表示するモニタ７０がプロセッサ１０に接続される。ビデオスコープ１０はプロセッサ４０に着脱自在に接続され、検査、手術等が開始されると、ビデオスコープ１０の挿入部が体内へ挿入される。

プロセッサ４０内に設けられたランプ（図示せず）から放射された光は、ビデオスコープ１０内に設けられたライトガイド（図示せず）を介してビデオスコープ１０の先端部１０Ａから出射する。これにより、観察部位Ｓに照明光が照射される。

観察部位Ｓにおいて反射した光は、ＣＣＤ１２の受光領域１２Ａに到達し、これにより観察部位Ｓの光学像がＣＣＤ１２の受光領域１２Ａに形成される。本実施形態では、カラー撮像方式として単板同時式が適用されており、ＣＣＤ１２の受光領域１２Ａ上にはイエロー（Ｙｅ）、シアン（Ｃｙ）、マゼンタ（Ｍｇ）、グリーン（Ｇ）の色要素が市松状に並べられた補色カラーフィルタ１３が受光領域１２Ａの各画素位置に対応するよう配置されている。カラーフィルタ１３は、色要素Ｃｙ、Ｙｅ、Ｍｇ、ＧからなるブロックＢを１つの単位として規則的に並べることによって構成されている。ここでは、電荷転送方式としてインタライン転送方式が適用されており、受光領域１２Ａ上の画素（色要素）はインタライン転送方式に従って配列されている。

ＣＣＤ１２の受光領域１２Ａでは、観察部位Ｓの光学像が補色カラーフィルタ１３の各色要素を通る色に応じた複数の画素信号から成る一連のアナログ画素信号に変換され、所定時間間隔ごとに１フレーム／１フィールド分の画像信号が読み出される。本実施形態では、カラーテレビジョン方式としてＮＴＳＣ方式が適用されており、１／３０秒間隔ごとに１フレーム（１／６０秒間隔ごとに１フィールド）分の画像信号が順次読み出される。また、同時単板式として色差線順次方式が適用されており、垂直方向に沿った２画素を加算しながら読み出すとともに、奇数フィールドと偶数フィールドにおいて、隣接する走査ラインの組み合わせを交互に代えながら信号を読み出す。これにより、ＣＣＤ１２の垂直方向に沿った隣接する２画素が組み合わされた状態で、一連のアナログ画素信号Ｇ１＋Ｙ１、Ｍｇ１＋Ｃｙ１、Ｇ２＋Ｙ２、Ｍｇ２＋Ｃｙ２、・・がＣＣＤ１２から出力される。ＣＣＤ駆動回路１７は、所定の周波数で一連のアナログが素信号を読み出すため、クロックパルス信号をＣＣＤ１２へ出力する。

読み出された一連のアナログ画素信号は、Ａ／Ｄ変換回路１４へ送られる。そして、周波数ｆ（＝１４ＭＨｚ）によるクロックパルス信号に従い、一連のアナログ画素信号が一連のデジタル画素信号に変換される。ここでは、各デジタル画素信号は、１０ビットデータとして表される。一連のデジタル画素信号は、信号出力部２４へ送られる。

信号出力部２４では、Ａ／Ｄ変換回路１４から出力された一連のデジタル画素信号は２方向に分離され、画素遅延回路１６を介してダウンサンプリング回路１８へ入力されるとともに、そのままダウンサンプリング回路１９へ送られる。画素遅延回路１６では、一連のデジタル画素信号（以下では、第１の一連のデジタル画素信号という）に対し、ＣＣＤ１２の２画素分だけ遅延処理が施される。これにより、ダウンサンプリング１９に入力された一連のデジタル画素信号（以下では、第２の一連のデジタル画素信号という）に対し、第１の一連のデジタル画素信号は２画素分（Ｇ＋Ｙ）だけずれている。

ダウンサンプリング回路１８、１９では、ＣＣＤ１２、Ａ／Ｄ変換回路１４に対する画素信号の読み出しクロック周波数（＝ｆ）に対し半分のクロック周波数（＝ｆ／２）に基づき、第１の一連のデジタル画素信号と第２の一連のデジタル画素信号に対してダウンサンプリング処理（間引き処理）が施される。ここでのダウンサンプリング回路１８、１９に対するサンプリングのタイミングは同期しており、第１の一連のデジタル画像信号は遅延処理回路１６により２画素分ずれているため、色要素Ｇ，Ｙのみに応じた画素信号から構成される画素信号（以下では、第１の色要素対応デジタル画素信号（Ｇ１＋Ｙ１、Ｇ２＋Ｙ２、・・・）という）がダウンサンプリング回路１８から出力される。一方、第２の一連のデジタル画素信号は、色要素Ｍｇ、Ｇのみに応じた画素信号からなる画素信号（以下では、第２の色要素対応デジタル画素信号（Ｍｇ１＋Ｃｙ１、Ｍｇ２＋Ｃｙ２、・・・）という）に変換され、ダウンサンプリング回路１９より出力される。

第１、第２の色要素対応デジタル画素信号は、それぞれシリアル変換回路２０、２２において、パラレル信号からシリアル信号に変換される。シリアル変換された第１および、第２の画像信号は、それぞれプロセッサ１０内のシリアル−パラレル変換回路４２、４４へ向けてビデオスコープ１０から出力される。なお、メモリ１５にはビデオスコープ１０の特性に関する様々なデータが記憶されており、プロセッサ４０に接続されるとデータが読み出される。

プロセッサ４０に送られた第１、第２の色要素対応デジタル画素信号は、シリアル−パラレル変換回路４２、４４において、それぞれシリアル信号からパラレル信号に変換され、それぞれ加算回路４６、減算回路４８へ送られる。加算回路４６では、第１、第２の色要素対応デジタル画素信号が加算されることにより、輝度信号Ｙ（＝Ｇ＋Ｙ＋Ｍｇ＋Ｃｙ）が生成される。一方、減算回路４８では、第１、第２の色要素対応デジタル画素信号が走査フィールド（偶数フィールド／奇数フィールド）に従って減算される。これにより、赤色（Ｒ）に応じたｎ番目の走査線における色信号Ｃｒ（＝（Ｍｇ＋Ｙｅ）−（Ｇ＋Ｃｙ））と青色に応じた色信号Ｃｂ（＝（Ｍｇ＋Ｃｙ）−（Ｇ＋Ｙｅ））とが生成される。

色信号Ｃｂ、Ｃｒは、１ライン遅延回路５０を介してＲＧＢ変換回路５２へ送られるとともに、そのままＲＧＢ変換回路５２へ送られる。そして、ＲＧＢ変換回路５２では、輝度信号Ｙ、色差信号Ｃｂ，Ｃｒに基づいて原色信号（Ｒ，Ｇ，Ｂ）が生成される。Ｒ，Ｇ，Ｂ信号はそれぞれＲ，Ｇ，Ｂメモリ５４、５６、５８へ格納された後、輝度・色差（Ｙ、Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ）変換回路６０に送られる。

輝度・色差変換回路６０では、送られてきたＲ，Ｇ、Ｂ信号に基づいて輝度信号Ｙ、色差信号（Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ）が生成される。そして、輝度、色差信号は、Ｄ／Ａ変換回路６２においてアナログ信号に変換された後、モニタ７０へ出力される。これにより、観察画像がモニタ７０に表示される。

パルスジェネレータ４５は、ＣＣＤ駆動回路１７、ダウンサンプリング回路１８、１９へデジタル画素信号を所定の周波数で読み出すための信号を出力する。

プロセッサ１０では、ビデオスコープ１０から送られてきたデジタル画素信号に基づき、ホワイトバランスや輪郭強調など色再現性に関する色調整処理が可能であり、ユーザがプロセッサ４０に接続されるキーボード（図示せず）を操作することにより、ＣＰＵ６４からＲ，Ｇ，Ｂ変換回路５２、輝度・色差変換回路６０へ制御信号が送られる。Ｒ，Ｇ，Ｂ変換回路５２、輝度・色差変換回路６０では、生成される原色信号あるいは輝度・色差信号に対し、色調整に関する処理が行われる。

以上のように本実施形態によれば、色フィルタ１３を配設したＣＣＤ１２を有するビデオスコープ１０内に、Ａ／Ｄ変換器１４、画素遅延回路１６、ダウンサンプリング回路１８、１９を備えた信号出力部２４とが備えられている。Ａ／Ｄ変換器１４から所定の周波数ｆで出力される一連のデジタル画素信号は、色要素（Ｇ＋Ｙ）に応じた画素信号から構成される第１の色要素対応デジタル画素信号と、色要素（Ｍｇ＋Ｃｙ）に応じた画素信号から構成される第２の色要素対応デジタル画素信号とに分離され、ｆ／２に応じた伝送レートに従い、分離された状態でそのまま２系統の信号線を介してプロセッサ４０へ出力される。

ビデオスコープ１０内には、画素遅延させる回路と、ダウンサンプリング処理回路を設けるだけでよいため、スコープ側の信号処理回路の構成を簡素化することができる。また、プロセッサにおいても画素遅延回路とダウンサンプリング回路を設ける必要がない。

プロセッサ４０側で色調整ができるため、接続されるビデオスコープの種類が異なる場合においても、好みに応じた色で被写体像を表示することができる。また、アナログ画素信号ではなくデジタル画素信号がプロセッサ４０へ出力されるため、画質劣化の生じていない状態で色調整を行うことができる。

デジタル画素信号を分離するとともに、伝送レートを下げてデジタル画素信号をプロセッサ４０へ出力するため、ノイズ発生を抑えることができる。また、ＣＣＤ１２の画素数に影響を受けることなく、安定した伝送レートでデジタル画素信号を出力することができる。特に、シリアルデータを並列的に転送するため、信号線の減少によってノイズ発生を低下させるとともに、一定の伝送レートでデジタル画素信号を出力することができる。

本実施形態では、色差線順次方式が適用されているが、それ以外の画素読み出し方法を適用してもよい。また、色フィルタも、補色フィルタの代わりに原色フィルタを適用してもよい。すなわち、複数の色要素が規則的に配列されるフィルタを用いればよい。

シリアル伝送せずに、パラレル信号のままプロセッサ４０へ出力してもよい。また、画素遅延回路、ダウンサイジング回路以外の構成で、デジタル画素信号を分離、出力タイミング調整を行っても良い。

本実施形態である電子内視鏡装置におけるビデオスコープのブロック図である。 電子内視鏡装置におけるプロセッサのブロック図である。

符号の説明

１０ ビデオスコープ
１２ ＣＣＤ（撮像素子）
１３ カラーフィルタ
１４ Ａ／Ｄ変換回路（デジタル変換手段）
１６ 画素遅延回路
１７ ＣＣＤ駆動回路 （信号読み出し手段）
１８、１９ ダウンサンプリング回路
２４ 信号出力部（デジタル画素信号出力手段）
４０ プロセッサ

Claims (8)

1. カラー映像信号に関連した複数の色要素を画素の位置に応じて規則的に配列することによって構成される色フィルタが配設された撮像素子と、
   複数の色要素に応じた画素信号から構成される一連のアナログ画素信号を、前記撮像素子から読み出す信号読み出し手段と、
   前記一連のアナログ画素信号を、所定の周波数によるクロックパルス信号に従い、一連のデジタル画素信号に変換するデジタル変換手段と、
   前記一連のデジタル画素信号に基づき、所定の色要素ごとに画素信号を分離することで複数の色要素対応デジタル画素信号を生成し、前記所定の周波数より低い周波数によるクロックパルス信号に従い、前記複数の色要素対応デジタル画素信号を分離した状態でそのまま外部へ出力させるデジタル画素信号出力手段と
   を備えたことを特徴とする電子内視鏡装置のビデオスコープ。
2. 前記デジタル画素信号出力手段が、
   前記一連のデジタル画素信号を所定画素分だけ遅延させる画素遅延手段と、
   前記一連のデジタル画素信号に対してダウンサンプリングする間引き処理手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電子内視鏡装置のビデオスコープ。
3. 前記一連のデジタル画素信号の各画素信号がパラレル信号であり、
   前記デジタル画素信号出力手段が、前記複数の色要素対応デジタル画素信号を、パラレル信号からシリアル信号へ変換するパラレル／シリアル変換手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の電子内視鏡装置のビデオスコープ。
4. 前記信号読み出し手段が、単板同時式の色差線順次方式に従って一連のデジタル画素信号を読み出し、
   前記色フィルタが、色差線順次方式に従い、４つの色要素であるシアン、マゼンタ、グリーン、イエローから成るブロックを規則的に配列することにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の電子内視鏡装置のビデオスコープ。
5. 前記デジタル画素信号出力手段が、前記一連のデジタル画素信号を、それぞれ同じ数の色要素に応じた画素信号から構成される第１の画素信号と第２の画素信号とに分離し、２つの伝送経路で外部へ出力することを特徴とする請求項１に記載の電子内視鏡装置のビデオスコープ。
6. 請求項１に記載されたビデオスコープに接続される電子内視鏡装置のプロセッサであって、
   前記複数の色要素デジタル画素信号に基づき、カラー映像信号を生成する映像信号生成手段を備えたことを特徴とする電子内視鏡装置のプロセッサ。
7. 複数の色要素に応じた画素信号から構成される一連のアナログ画素信号を、カラー映像信号に関連した複数の色要素を画素の位置に応じて規則的に配列することによって構成される色フィルタが配設された撮像素子から読み出し、
   前記一連のアナログ画素信号を、所定の周波数によるクロックパルス信号に従い、一連のデジタル画素信号に変換し、
   前記一連のデジタル画素信号に基づき、所定の色要素ごとに画素信号を分離することで複数の色要素対応デジタル画素信号を生成し、前記所定の周波数より低い周波数によるクロックパルス信号に従い、前記複数の色要素対応デジタル画素信号を分離した状態でそのまま外部へ出力させることを特徴とする電子内視鏡装置のビデオスコープにおけるデジタル画素信号出力方法。
8. ビデオスコープとプロセッサとを備えた電子内視鏡装置であって、
   前記ビデオスコープが、
   カラー映像信号に関連した複数の色要素を画素の位置に応じて規則的に配列することによって構成される色フィルタが配設された撮像素子と、
   複数の色要素に応じた画素信号から構成される一連のアナログ画素信号を、前記撮像素子から読み出す信号読み出し手段と、
   前記一連のアナログ画素信号を、所定の周波数によるクロックパルス信号に従い、一連のデジタル画素信号に変換するデジタル変換手段と、
   前記一連のデジタル画素信号に基づき、所定の色要素ごとに画素信号を分離することで複数の色要素対応デジタル画素信号を生成し、前記所定の周波数より低い周波数によるクロックパルス信号に従い、前記複数の色要素対応デジタル画素信号を分離した状態でそのまま外部へ出力させるデジタル画素信号出力手段とを備え、
   前記プロセッサが、前記複数の色要素デジタル画素信号に基づき、カラー映像信号を生成する映像信号生成手段を備えたことを特徴とする電子内視鏡装置。
   
   

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