JP2007020761A - 電子内視鏡及び電子内視鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】 装置を大型化させたり部品点数を増加させたりすることなく、正確且つ高速に調光を行う。
【解決手段】 撮像素子の出力信号に所定の処理を施す信号処理手段と、該出力信号の中から所定の処理が施される前の段階の処理前輝度信号を抽出する輝度信号抽出手段と、抽出された処理前輝度信号を、該所定の処理が施された処理後輝度信号に重畳させて外部機器に出力する輝度信号重畳手段とを備えた電子内視鏡を提供する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、撮像素子を有した電子内視鏡、及び、該電子内視鏡に照明光を提供するための光源を備えた電子内視鏡システムに関する。

その先端部に備えられた撮像素子で体腔内を撮像する電子内視鏡と、該撮像素子から出力される信号を処理してモニタに出力するプロセッサを備えた電子内視鏡システムが広く知られ実用に供されている。このような電子内視鏡システムでは、電子内視鏡とプロセッサとの間で信号の整合性をとるため、電子内視鏡に備えられたＤＳＰ（Digital Signal processor）によって撮像素子からの出力信号に処理を施している。すなわち前記の出力信号は、プロセッサ側の仕様を満たすように電子内視鏡側で処理される。

ここで、前記の出力信号に含まれる輝度信号を利用して照明光の光量を調整（調光）し、モニタに表示され得る体腔内の映像の輝度を調整することが一般に知られている。しかしながら調光用の信号としてＤＳＰで処理が施された輝度信号を利用すると、当該輝度信号が、処理後の信号であり、撮像素子出力時の輝度信号（すなわち処理前の輝度信号）とダイナミックレンジが異なるため電子内視鏡システム全体の応答を遅延させる要因となっていた。また、その特性が異なることから調光用の制御系が非線形となり、調光処理を不正確にする要因にもなっていた。

上記の如き問題点を解決すべく例えば特許文献１に、ＤＳＰ処理前の輝度信号（Ｙ_ＩＲＩＳ信号）を抽出して調光用の信号として利用した電子内視鏡システムが開示されている。これにより、正確且つ高速に調光を行うことが可能となっている。例えば撮像素子の画素が既存のＮＴＳＣ／ＰＡＬ放送規格に対して不足する（別の観点では有効映像信号期間が短い）場合であっても、明るく調光してしまうことがなくなる。
特開平１１−１６９３３９号公報

しかしながら上記特許文献１に示されたような電子内視鏡システムではＹ_ＩＲＩＳ信号用の信号線を別途追加する必要があり、装置の大型化や部品点数増加等の観点から望ましくないといえる。

そこで、本発明は上記の事情に鑑み、装置を大型化させたり、部品点数を増加させたりすることなく、正確且つ高速に調光を行うことができる電子内視鏡システム、及び、このようなシステムに備えられた電子内視鏡を提供することを課題としている。

上記の課題を解決する本発明の一態様に係る、撮像素子を有した電子内視鏡は、撮像素子の出力信号に所定の処理を施す信号処理手段と、該出力信号の中から所定の処理が施される前の段階の処理前輝度信号を抽出する輝度信号抽出手段と、抽出された処理前輝度信号を、該所定の処理が施された処理後輝度信号に重畳させて外部機器に出力する輝度信号重畳手段とを備えたことを特徴とする。

なお、上記電子内視鏡において、輝度信号重畳手段は、該処理後輝度信号の映像ブランキング期間に該処理前輝度信号を重畳させることができる。

また、上記電子内視鏡において、該所定の処理が、該外部機器との信号の整合性をとるための処理であっても良く、例えば、クリッピング処理、ガンマ補正処理の中の少なくとも一の処理を含んだものであっても良い。

また、上記の課題を解決する本発明の一態様に係る電子内視鏡システムは、上記電子内視鏡と、該電子内視鏡に提供される照明光を出射する光源とを備えたシステムであり、輝度信号重畳手段によって重畳された信号を該処理前輝度信号と該処理後輝度信号とに分離する信号分離手段と、分離された処理前輝度信号に基づいて該電子内視鏡に提供される照明光の量を調整する調光手段とを備えたことを特徴とする。

なお、上記電子内視鏡システムにおいて、調光手段は、光源からの照明光の量を制限する絞り機構を有したものであっても良く、分離された処理前輝度信号に基づいて絞り機構の開口制御を行うことができる。

また、上記電子内視鏡システムは、分離された処理後輝度信号を用いて映像信号を生成する映像信号生成手段を更に備えたものであっても良い。

本発明の電子内視鏡、及び、電子内視鏡システムでは、正確且つ高速に調光制御が行われる一方で、調光用信号の信号線を別途備える必要がないため、装置が大型化したり部品点数が増加したりすることがない。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態の電子内視鏡システムについて説明する。

図１は、本実施形態の電子内視鏡システム１００の構成を示したブロック図である。電子内視鏡システム１００は、患者の体腔内を術者が観察・診断するためのシステムであり、体腔内を撮像可能な電子内視鏡１０、光源装置と画像処理装置とを兼ね備えたプロセッサ３０、及び、体腔内の映像を表示可能なモニタ６０を有している。

電子内視鏡１０は、体腔内に挿入される可撓性を有した挿入部可撓管１を有している。電子内視鏡１０内部には、その先端部から末端部に掛けて、光の伝送路である光ファイバから成るライトガイド２が延在している。挿入部可撓管１の先端部前面には照明光を照射するための配光レンズ３が、ライトガイド２の一端（先端側）と結合するように設けられている。また、上記先端部前面には配光レンズ３の他に対物レンズ４が設けられており、その後方に固体撮像素子５が配置されている。また、複数の伝送路が束ねられた信号線６が固体撮像素子５から電子内視鏡１０の末端部に掛けて引き出されている。電子内視鏡１０の末端部にはコネクタ部７が設けられており、これにより、電子内視鏡１０はプロセッサ３０と光学的及び電気的に接続される。なお、コネクタ部７近傍には、電子内視鏡１０とプロセッサ３０との間で信号の整合性をとるため、固体撮像素子５の出力信号に所定の処理を施すＤＳＰ２１が配置されている。ここでいう所定の処理には、例えば、信号のダイナミックレンジを所定の範囲に制限するクリッピング処理や、輝度の階調特性や色再現性特性が適切になるようにγ（ガンマ）特性を補正するガンマ補正処理等が含まれる。上記出力信号は、これらの処理を施されることにより、プロセッサ３０の仕様を満たすよう変換される。

プロセッサ３０は、光源装置として、ランプ用電源３１、ランプ３２、絞り３３、モータ３４、モータドライバ３５、調光回路３６、及び、コンデンサレンズ３７を有している。ランプ３２は、ランプ用電源３１から供給される電圧によって点灯する、体腔内照明用の白色光の光源であり、例えばメタルハライドランプや、キセノンランプ、ハロゲンランプ等が想定される。なお、ランプ３２は、コリメートレンズを有しており、上記白色光を平行光に変換後に出射する。絞り３３は、ランプ３２から出射された白色光を物理的に制限するものであり、その開口径が可変し得る。モータ３４は、後述の調光制御を行う調光回路３６からの信号に基づいて作動するモータドライバ３５によって駆動制御され、絞り３３の開口形状を可変させる。これにより、白色光が適正な光量に調整されてコンデンサレンズ３７に向けて進行する。ここで、電子内視鏡１０とプロセッサ３０とが接続されているとき、ライトガイド２の他端（末端側）は、コンデンサレンズ３７前方であり、その焦点位置近傍に位置する。従ってコンデンサレンズ３７を通過した白色光は、ライトガイド２の他端近傍に収束して、その内部に入射して進行し、配光レンズ３を介して外部を照明する。これにより例えば体腔内が照明され、術者は体腔内の観察・診断或いは処置を行うことができる。

配光レンズ３から照射された照明光は、観察対象である生体組織を照明し、当該組織で反射される。この反射光は、対物レンズ４に入射し、そのパワーによって後方に配置された固体撮像素子５の受光面（複数の受光素子がマトリクス状に配列された面）上に観察対象（例えば体腔内の生体組織）の光学像として結像する。結像された光学像は、各受光素子においてその光量に応じた電荷として蓄積され、生体組織の像となり得る画像信号に変換される。ここで生成された画像信号は信号線６を伝送してＤＳＰ２１に入力される。なお、固体撮像素子５は、後述の同期信号発生回路から出力されるタイミングパルスに基づいて駆動し、蓄積された電荷すなわち画像信号をＤＳＰ２１に出力する。

図２は、本実施形態の電子内視鏡１０が有しているＤＳＰ２１の構成を示したブロック図である。ＤＳＰ２１は、同期信号発生回路２２、信号処理回路２３、Ｙ積分回路２４、及び、Ｙ多重回路２５を有している。

同期信号発生回路２２は、固体撮像素子５にタイミングパルスを出力すると共に、信号処理回路２３、Ｙ多重回路２５、及び、後述のＹ分離回路４１に、それぞれを作動させるためのタイミングパルスを出力する。

信号処理回路２３は、固体撮像素子５からの出力信号に各処理を施す。具体的には、同期信号発生回路２２からのタイミングパルスに同期し、上記出力信号をサンプリングして色分離し、色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ、及び、輝度信号Ｙ_ＩＲＩＳとする。この状態の信号と上記出力信号は互いにリニアの関係（すなわち比例関係）にある。しかしながらプロセッサ３０では、映像信号として、固体撮像素子５の受光量に対する電圧出力が一定の部分を使用するため、上記状態の信号に、クリッピング処理を施してダイナミックレンジを狭くする。更に、輝度の階調特性や色再現性特性が適切になるようにガンマ補正を行い、上記状態の信号を、プロセッサ３０の仕様を満たすものに変換する。これらの処理が施された色差信号Ｒ−Ｙ及びＢ−Ｙは、プロセッサ３０に出力される。なお、クリッピング処理等を施す前の段階の輝度信号が先に示された輝度信号Ｙ_ＩＲＩＳであるのに対して、クリッピング処理等を施した後の段階の輝度信号を輝度信号Ｙとする。

ここで、クリッピング処理によって輝度情報が一部失われた輝度信号を調光用の信号として利用すると、信号が飽和状態を示している部分に対する調光を行う際にフィードバックが正常に機能せず、結果的に調光制御下の絞り３３の動作を極端に遅延させてしまうことがある。また、ガンマ補正された輝度信号を調光用の信号として利用すると、調光制御自体がガンマ補正を持つことになり、結果的に、撮像素子の出力値をリニアに反映した正確な調光を行うことができなくなってしまう。従って本実施形態では、撮像素子の出力信号とリニアの関係を持つ輝度信号を調光用の信号として利用し、正確且つ高速な調光処理を実現している。

ここで、上記特許文献１の如く調光用信号の信号線を別途追加すると、装置の大型化や部品点数の増加を引き起こす。本実施形態ではこのような問題を発生させないためにＤＳＰ２１を以下の如く構成して作動させている。

図３（ａ）〜（ｅ）に、ＤＳＰ２１中の各処理段階の信号の波形を示す。図３の各波形において、縦軸が信号の出力値であり、横軸が時間である。信号処理回路２３は、図３（ａ）に示された輝度信号Ｙ_ＩＲＩＳをＹ積分回路２４に出力すると共に、図３（ｂ）に示された輝度信号ＹをＹ多重回路２５に出力する。図３（ｂ）に示されるように輝度信号Ｙは、輝度信号Ｙ_ＩＲＩＳに対してダイナミックレンジが狭められており、所定のガンマ特性を持つ。なお、図３（ａ）や（ｂ）に示されるように、固体撮像素子５から出力される信号は、画像信号を含む期間と含まない期間とを有している。前者の期間は、固体撮像素子５の各受光素子がその受光量に応じた電荷を蓄積した期間である。また、後者の期間は、蓄積された電荷を転送した期間である。後者の期間中、固体撮像素子５は遮光されているため、実質的に何れの信号も含まれない。すなわち後者の期間には映像信号となり得る信号が含まれないため、本実施形態ではこの期間を映像ブランキング期間と称する。

Ｙ積分回路２４は、後述のシステムコントロールユニット５１により設定される時定数に基づいて輝度信号Ｙ_ＩＲＩＳを積分する。これにより輝度信号Ｙ_ＩＲＩＳは、平均化された滑らかな波形の輝度信号Ｙ_ａｖｅ（図３（ｃ）参照）に変換され、Ｙ多重回路２５に出力される。なお、輝度信号Ｙ_ａｖｅは輝度信号Ｙ_ＩＲＩＳを積分しただけのものであるため、輝度信号Ｙ_ａｖｅと撮像素子の出力信号との間にはリニアの関係が保たれている。

Ｙ多重回路２５は、同期信号発生回路２２からのタイミングパルス（図３（ｄ）参照）に同期して作動し、当該タイミングパルスが、「Ｈ」の期間中は輝度信号Ｙを出力し、「Ｌ」の期間中は輝度信号Ｙ_ａｖｅを出力する。ここで、上記タイミングパルスは、輝度信号Ｙの映像ブランキング期間の一部に対応する期間のみ「Ｌ」である。従ってＹ多重回路２５から出力される輝度信号Ｙ_ｍｉｘは、図３（ｅ）に示されるように、輝度信号Ｙに対して、その映像ブランキング期間の一部に輝度信号Ｙ_ａｖｅが重畳されたものとなる。すなわち輝度信号Ｙ_ｍｉｘは、輝度信号Ｙ中の映像信号となり得る信号の波形を保ちつつ、適切な調光に利用可能な輝度信号Ｙ_ａｖｅを含む。

輝度信号Ｙ_ｍｉｘは、プロセッサ３０に出力され、色差信号Ｒ−Ｙ及びＢ−Ｙと共に処理を施される。ここで、輝度信号Ｙ_ｍｉｘは、例えば輝度信号Ｙの伝送に用いられていた既存の信号線でプロセッサ３０に伝送される。従って本実施形態の電子内視鏡システム１００は調光用信号の信号線を別途備えておらず、信号線６に束ねられた信号線の本数は従来と同じである。

プロセッサ３０は、画像処理を行う構成として、Ｙ分離回路４１、システムコントロールユニット５１、Ａ／Ｄ変換器５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃ、タイミング発生器５４、メモリ５５、Ｄ／Ａ変換器５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃ、及び、映像信号処理回路５７を有している。

ここで図４に、本実施形態のプロセッサ３０が有しているＹ分離回路４１の概略構成を示す。また、図５（ａ）〜（ｆ）に、Ｙ分離回路４１中の各処理段階の信号の波形を示す。図５の各波形において、縦軸が信号の出力値であり、横軸が時間である。Ｙ分離回路４１は、Ｙ多重回路２５からの輝度信号Ｙ_ｍｉｘが入力する回路であり、クランプ回路４２、スイッチ回路４３、及び、Ｓ／Ｈ回路４４を有している。輝度信号Ｙ_ｍｉｘは、Ｙ分離回路４１により輝度信号Ｙと調光用信号に分離される。

クランプ回路４２は、輝度の基準レベルを設定するために用いられる回路であり、例えば入力された輝度信号Ｙ_ｍｉｘ（図５（ａ）参照）の黒レベルを一定の電圧にクランプする機能を有している。図５（ｂ）に示されたクランプパルスＣ_Ｐは、同期信号発生回路２２からクランプ回路４２に出力される、輝度信号Ｙ_ｍｉｘに対応した信号であって、黒レベルの時間軸上の位置を示した信号である。クランプ回路４２は、輝度信号Ｙ_ｍｉｘとクランプパルスＣ_Ｐに基づいて輝度信号Ｙ_{ＣＬＰｍｉｘ}（図５（ｃ）参照）を設定し、スイッチ回路４３及びＳ／Ｈ回路４４に出力する。なお、輝度信号Ｙ_{ＣＬＰｍｉｘ}は、クランプパルスＣ_Ｐが「Ｈ」となるタイミングに対応した輝度信号Ｙ_ｍｉｘの出力値をクランプレベル（例えばグランドレベル）とした輝度信号である。

スイッチ回路４３は、同期信号発生回路２２からのタイミングパルス（図５（ｄ）参照）に同期して作動し、当該タイミングパルスが、「Ｈ」の期間中は輝度信号Ｙ_{ＣＬＰｍｉｘ}を出力し、「Ｌ」の期間中は上記クランプレベルに相当する信号を出力する。従ってスイッチ回路４３から出力される輝度信号Ｙは、図５（ｅ）に示されるように、上記クランプレベルがグランドレベルとなるように設定された信号であって、図３（ｂ）に示されている、信号処理回路２３から出力されたものと実質的に同一の信号となる。

ここで、信号処理回路２３から出力された色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ、及び、スイッチ回路４３から出力された輝度信号Ｙは、それぞれ、Ａ／Ｄ変換器５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃに入力してデジタル信号に変換され、タイミング発生器５４によって出力されるタイミングパルスに同期してメモリ５５に格納される。メモリ５５は、複数のフレームメモリを有しており、各色成分に対応した信号をそれぞれのフレームメモリに格納する。これらの各信号は、所定のタイミングで同時に読み出しされ、Ｄ／Ａ変換器５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃによってアナログ信号に変換され、映像信号処理回路５７によって所定のフォーマットの映像信号に変換されてモニタ６０に出力される。これにより、モニタ６０に例えば患者の体腔内の映像が表示される。なお、ここでいう所定のフォーマットには、例えばコンポジットビデオ信号や、Ｙ／Ｃビデオ信号、ＲＧＢビデオ信号等がある。

上述したように、モニタ６０に表示される映像の輝度は、Ｙ分離回路４１によって分離された輝度信号Ｙ_ａｖｅに基づいて調整される。Ｓ／Ｈ回路４４は、同期信号発生回路２２からのタイミングパルス（図５（ｄ）参照）に同期して作動し、当該タイミングパルスが、「Ｈ」の期間中は輝度信号Ｙ_{ＣＬＰｍｉｘ}をその値にホールドして出力し、「Ｌ」の期間中は輝度信号Ｙ_{ＣＬＰｍｉｘ}をそのままの値で出力する。従ってＳ／Ｈ回路４４から出力される信号は、図５（ｆ）に示されている輝度信号Ｙ’_ａｖｅになる。輝度信号Ｙ’_ａｖｅは、調光回路３６に出力される。なお、輝度信号Ｙ’_ａｖｅは輝度信号Ｙ_ａｖｅの出力値をホールドしたりスルーしたりしただけのものであるため、輝度信号Ｙ’_ａｖｅと撮像素子の出力信号との間にはリニアの関係が保たれている。

調光回路３６には、Ｓ／Ｈ回路４４からの輝度信号Ｙ’_ａｖｅ以外に、システムコントロールユニット５１からの参照電圧Ｖ_ｒｅｆが入力される。参照電圧Ｖ_ｒｅｆは、電子内視鏡１０に供給されるべき照明光の目標光量に対応した参照値であり、モニタ６０に表示される映像の輝度を適正にするためのものである。調光回路３６は、輝度信号Ｙ’_ａｖｅと参照電圧Ｖ_ｒｅｆとを比較して、参照電圧Ｖ_ｒｅｆに対する輝度信号Ｙ’_ａｖｅの出力（すなわち撮像対象の輝度）の差分を算出してモータドライバ３５に出力する。

モータドライバ３５は、上記差分の信号に基づいてモータ３４を制御して絞り３３を可変させる。これにより、絞り３３が適切な開口径に絞られて、上記差分の信号の出力が０に近づけられる。この結果、モニタ６０に表示される映像は、その輝度が適正なものとなり、例えば画素が光量過剰で白く潰れてしまったり、光量不足で黒く潰れてしまったりすることが軽減され、術者は、鮮明な映像で診断等を行うことができるようになる。

このように本実施形態では、撮像素子の出力信号とリニアの関係を持つ輝度信号を調光用信号として利用している。従って正確且つ高速に調光制御が行われる。また、映像信号としての輝度信号に調光用信号を重畳させているため、電子内視鏡１０とプロセッサ３０との間で調光用信号の信号線を別途備える必要がない。

以上が本発明の実施形態である。本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく様々な範囲で変形が可能である。

本発明の実施の形態の電子内視鏡システムの構成を示したブロック図である。 本発明の実施の形態の電子内視鏡が有しているＤＳＰの構成を示したブロック図である。 ＤＳＰにおける各処理段階の信号の波形を示した図である。 本発明の実施の形態の電子内視鏡システムが有しているＹ分離回路の構成を示したブロック図である。 Ｙ分離回路における各処理段階の信号の波形を示した図である。

符号の説明

１０ 電子内視鏡
２１ ＤＳＰ
３０ プロセッサ
３６ 調光回路
４１ Ｙ分離回路
６０ モニタ
１００ 電子内視鏡システム

Claims (7)

1. 撮像素子を有した電子内視鏡において、
   前記撮像素子の出力信号に所定の処理を施す信号処理手段と、
   該出力信号の中から所定の処理が施される前の段階の処理前輝度信号を抽出する輝度信号抽出手段と、
   抽出された処理前輝度信号を、該所定の処理が施された処理後輝度信号に重畳させて外部機器に出力する輝度信号重畳手段と、を備えたこと、を特徴とする電子内視鏡。
2. 前記輝度信号重畳手段は、該処理後輝度信号の映像ブランキング期間に該処理前輝度信号を重畳させること、を特徴とする請求項１に記載の電子内視鏡。
3. 該所定の処理が、該外部機器との信号の整合性をとるための処理であること、を特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の電子内視鏡。
4. 該所定の処理が、クリッピング処理、ガンマ補正処理の中の少なくとも一の処理を含むこと、を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電子内視鏡。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の電子内視鏡と、該電子内視鏡に提供される照明光を出射する光源とを備えた電子内視鏡システムであって、
   前記輝度信号重畳手段によって重畳された信号を該処理前輝度信号と該処理後輝度信号とに分離する信号分離手段と、
   分離された処理前輝度信号に基づいて該電子内視鏡に提供される照明光の量を調整する調光手段と、を備えたこと、を特徴とする電子内視鏡システム。
6. 前記調光手段は、前記光源からの照明光の量を制限する絞り機構を有し、
   分離された処理前輝度信号に基づいて前記絞り機構の開口制御を行うこと、を特徴とする請求項５に記載の電子内視鏡システム。
7. 分離された処理後輝度信号を用いて映像信号を生成する映像信号生成手段を更に備えたこと、を特徴とする請求項５又は請求項６のいずれかに記載の電子内視鏡システム。

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