JP2015019715A - 立体電子内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】立体視及び立体計測が可能な、性能の良い立体電子内視鏡を小型で安価に提供する。
【解決手段】立体電子内視鏡装置は、ＣＭＯＳ撮像面と、ＩＳＰ１０５と、ＭＩＰＩインターフェース１０６とを備えたCMOS撮像モジュール１０８と対物レンズ１０２とをそれぞれ左右一対持った立体電子内視鏡スコープ部と、前記左右の撮像モジュール１０８から出力される映像信号を処理し所定の立体映像信号とする立体信号処理装置１１１とを備え、前記撮像モジュール１０８から出力される映像信号をＭＩＰＩ信号伝送方式からなる通信手段を介して前記信号処理装置に伝送する通信手段１２５と、前記撮像モジュール１０８の動作を制御する前記制御信号を立体信号処理装置１１１から前記撮像モジュール１０８に伝送する通信手段１２６を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、立体電子内視鏡装置に関し、特に立体電子内視鏡装置のスコープ部と信号処理部とを接続する接続ケーブルの本数を減らすと共に、波形劣化やノイズによる各信号への悪影響および外部への不要輻射を低減させ、操作性の良い小型で安価な立体電子内視鏡装置を構成する技術に関する。

電子内視鏡は、細長い管状の挿入部を持つスコープ部と、その先端部に対物レンズおよびＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子を含んだ撮像手段を配置し、撮像手段からの撮像信号を映像信号に処理する信号処理装置（プロセッサー）で構成されており、近年画質も著しく向上し医療分野などで、その有用性が認められてきている。

しかしこのような一般的な電子内視鏡では、被験体を観察した場合、被験体部位を遠近感のない平面画像としてしか捉えることができなかった。電子内視鏡の画質の向上に伴って被験体表面の微細な凸凹の観測が可能な立体電子内視鏡装置は、観察だけでなく計測にも利用できることから広い分野での利用が期待されている。

一般に電子内視鏡は細長い管状の挿入部を体腔内に挿入して使用されることが多いので、挿入部はできるだけ細くすることが要求されている。そのため、挿入部の先端部は空間が著しく制限されており、前記対物光学系および固体撮像素子などを組み込んだ際に、前記固体撮像素子のための信号処理回路や駆動回路を先端部に組み込むことは困難になる。 このため、通常固体撮像素子の信号処理回路や駆動回路は、挿入部を備えたスコープ部分の外に信号処理装置（プロセッサー）に配置し、ケーブルを用いて固体撮像素子と信号処理回路や駆動回路とを連結するのが一般的である。

このような形態の電子内視鏡は、スコープ部とプロセッサーを連結するケーブルが２０本前後になり、長さも２メートル前後になることが多く操作性が損なわれるという問題を有している。

また、スコープ先端部に設けられたＣＣＤのような固体撮像素子用の駆動信号、特にリセットゲート信号、水平転送クロック信号及び固体撮像素子の出力信号等はケーブルで伝送中に波形劣化が生じたり、信号間の干渉によって生じるノイズで信号に悪い影響を与えることもある。また、電子内視鏡装置の周辺に置かれた他の機器に不要輻射ノイズを与えることもあり、これらの対策に細心の注意を払う必要がある。

特に立体内視鏡装置の場合には、スコープ先端部に左用、右用の固体撮像素子を２個設ける必要があり、これに伴い信号処理装置も２組必要となるので、スコープ部と信号処理装置を結ぶケーブルも概略２倍となり前述の不都合が顕著になり、装置全体も大がかりになり使い勝手が悪くなるという問題が生じる。

これまでにも、前述の問題点を解決するために、スコープ部と信号処理装置を結ぶケーブル本数を大幅に削減するいろいろな技術提案（特許文献１）もなされている。

図４は、従来の一般的な電子内視鏡の構成の一例を示す概略構成図で、スコープ部４０１と信号処理装置４０２と、映像観察用のモニター４１０と、を備えている。

スコープ部４０１は細長い挿入部４０３とスコープ部を保持・操作する操作部４０４より構成されており、スコープ部４０１の先端部４０５には、円形枠４０６に拡大して表示した対物レンズ４０７とCCDのような固体撮像素子４０８が配置されている。

スコープ部４０１と信号処理装置４０２は信号伝送用のケーブル４０９で接続されている。一般の電子内視鏡装置は被験体を内視鏡先端部より照明する照明装置を備えているが照明装置は本発明の趣旨と直接関係がないので、図１を含め以降も図示しない。

固体撮像素子４０８よりの撮像信号はバッファアンプ（図示せず）を介してケーブル４０９で信号処理装置４０２に伝送される。

信号処理部４０２は、スコープ部４０１より送られてきた撮像信号を受ける受信用バッフアンプ、相関二重サンプリング回路、ＡＧＣ回路、イメージ・シグナル・プロセッサー（ＩＳＰ）、タイミング発生器（ＴＧ）、垂直駆動信号ドライバー等を備えているがよく知られている技術なので詳細な説明は省略する。

前述のような電子内視鏡装置では、スコープ部４０１と信号処理装置４０２の間は２ｍくらいの距離があるので制御データーの伝送が行われるケーブル線は外乱ノイズの影響を受けやすく、また不要輻射（ＥＭＣ）によって周辺の電子機器にノイズを与えることもある。

このようなケーブルによる不具合を減らす技術としては、クロック信号と固体撮像素子の撮像信号を差動信号として伝送することで各信号間のノイズによる影響や、不要輻射ノイズを軽減させることができる。（例えば特開２００５−３０５１２４号公報）。

また、前記信号の伝送手段をとることで、スコープ部４０１と信号処理装置４０２を接続するケーブル４０９の本数を大幅に減らすことが可能になる。

図５は、図４で説明した従来の電子内視鏡技術で構成した立体電子内視鏡装置の構成をしめす。基本的には従来の電子内視鏡装置を左右１組備え、左系映像と右系映像を立体画像信号処理装置で立体モニターに適した立体映像信号を出力する。

スコープ部５０１は細長い挿入部５０３とスコープ部を保持・操作する操作部５０４より構成されており、スコープ部５０１の先端部５０５には、円形枠５０６に拡大して表示した右系対物レンズ５０７R及び右系固体撮像素子５０８Rと左系対物レンズ５０７L及び左系固体撮像素子５０８Lで左右の撮像系が配置されている。

このような構成の立体電子内視鏡装置では、スコープ部５０１と右系信号処理装置５０２R及び左系信号処理装置５０２Lを接続するケーブル数が増えるので、前述のクロック信号と固体撮像素子の撮像信号を差動信号として伝送することで各信号間のノイズによる影響や、不要輻射ノイズを軽減させる技術手段は非常に効果が大きい。同時にケーブル数が減少するのでスコープ部の操作性も向上する。

しかし、これまでの技術提案では、スコープ部５０１と信号処理装置５０２R、５０２Lを結ぶケーブル本数を大幅に削減することで立体電子内視鏡の安定性及び使い勝手は改善されるが、左系、右系の信号処理装置を必要とするので、全体の構成が大がかりになる点は改善されていない。

前述のような問題点があるため、立体電子内視鏡装置は価格も高価で、装置も大がかりになるため立体観察を重要とする用途以外にはあまり普及していない。

特開２００５−３０５１２４号公報

この発明の課題は、立体視及び立体計測が可能な、性能及び操作性の良い立体電子内視鏡装置を小型で安価に提供する技術に関する。

前記課題を解決するための手段は、
近年著しい進歩を遂げているＣＭＯＳ撮像センサーと、ＩＳＰ（Ｉｍａｇｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｓｅｓｓｏｒ）とＭＩＰＩ（Ｍｏｂｉｌｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）インターフェースを一体化したＣＭＯＳ撮像モジュールを立体内視鏡に組込むことを特徴としている。

ＣＭＯＳ撮像素子はＣＭＯＳ撮像センサー、ＣＭＯＳイメージセンサー等、色々な呼び方をされるが、ここでは後述のＣＭＯＳ撮像モジュールの中に一体として集積されるのでＣＭＯＳ撮像部と呼ぶことにする。

具体的には、ＣＭＯＳ撮像部と、イメージ・シグナル・プロセッサー（ＩＳＰ）と、ＭＩＰＩインターフェースとを備えたＣＭＯＳ撮像モジュールと対物レンズとをそれぞれ左右一対持った立体電子内視鏡スコープ部と、
前記左右の撮像モジュールから出力される映像信号を処理し所定の立体映像信号とする立体信号処理装置（プロセッサー）とを備えた立体電子内視鏡装置に於いて、
前記立体信号処理装置は、前記ＣＭＯＳ撮像モジュールの動作を制御する制御信号発生手段を備え、
前記ＣＯＭＳ撮像モジュールから出力される映像信号をＭＩＰＩ信号伝送方式からなる通信手段を介して前記立体信号処理装置に伝送する第１の通信手段と、
前記撮像モジュールの動作を制御する制御信号を立体信号処理装置から前記ＣＯＭＳ撮像モジュールに伝送する第２の通信手段を備えた立体電子内視鏡装置を特徴としている。

前記立体信号処理装置は、左系、右系のＣＭＯＳ撮像モジュールからの映像信号を一時的に格納するメモリーと、
左系、右系の映像信号を処理し所定の立体映像信号に変換するＦＰＧＡと、
前記ＣＭＯＳ撮像モジュールの動作を制御する制御信号生成手段と、を備え
前記ＦＰＧＡで処理された立体モニター用の立体映像信号を立体モニターに伝送するトランスミッター及びＤＶＩインターフェースと、
前記ＦＰＧＡで処理されたＰＣ用立体映像信号をＰＣに伝送するＵＳＢ３．０のコントローラ及びＵＳＢ３．０インターフェースと、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の立体電子内視鏡装置を特徴としている。

前述のようなＣＭＯＳ撮像モジュールを立体電子内視鏡のスコープ先端部に組み込みことで、これまでに問題となっていた撮像素子と、信号処理装置をつなぐケーブルの持つトラブルはなくなり、安定した映像信号が得られ、立体電子内視鏡の小型化に大きく寄与する。

また、上記立体電子内視鏡装置は、スコープ部から直接左系、右系の映像信号を得ることが出来るため、従来必要としていたスコープ部の外部に設けていた撮像素子からの撮像信号を映像信号に処理する信号処理装置（図２の２０２R、２０２L）は不要となり、スコープ部２０１と信号処理装置２０２R、２０２Lを結ぶケーブル２０９も不要となるので小型化と安価な装置を提供する目的が達成できる。

また、立体内視鏡装置のスコープ部で撮像した左系、右系の映像信号は立体信号処理装置のＦＰＧＡで、フレームシーケンシャル方式、ラインバイライン方式等、種々の方式の立体モニター用の立体映像信号に変換でき、またＰＣに適した立体映像信号に変換することが出来る。

この発明による立体電子内視鏡装置は、不要輻射も少なくまた外乱の影響も少ない等の特徴を持ち、小型で安価に生産でき医用内視鏡以外の産業分野にも適用可能で、広い分野での利用が可能になる。

図１は、本発明による立体電子内視鏡装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明に係るＣＭＯＳ撮像モジュールの外形形状を示す一例である。 図３は、本発明による立体電子内視鏡装置のスコープ部の先端構造を示す説明図である。 図４は、従来の一般的な電子内視鏡の構成を説明する概略構成図である 図５は、従来の一般的な電子内視鏡技術で構成した立体電子内視鏡装置の構成を説明する概略構成図である。

図１は、本発明による立体電子内視鏡装置の構成を示すブロック図でスコープ部１０１と立体信号処理装置１１１を備えている。

スコープ部１０１は、右撮像系と左撮像系を備えており、右撮像系は対物レンズ１０２RとＣＭＯＳ撮像モジュール１０８Rとを備え、左撮像系は対物レンズ１０２LとＣＭＯＳ撮像モジュール１０８Lとを備えている。以下の説明では各要素は右目系も左系も同じなので、場合によっては煩雑さを避けるため右系、左系を示すR、L、を省略して説明する。

ＣＭＯＳ撮像モジュール１０８は、ＣＭＯＳ撮像部１０３とＴＧ（タイミング・ジェネレータ１０４、ＩＳＰ（イメージ・シグナル・プロセッサー）１０５等を同一チップ上に集積したもので、従の来内視鏡装置でスコープ部の外に設けた信号処理装置の機能を備えており、さらにＭＩＰＩ（Ｍｏｂｉｌｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１０６も組み込まれているので高品質の通信手段を備えている。

前述のＣＭＯＳ撮像モジュールとしては、Ｏｍｎｉ Ｖｉｓｉｏｎ社のＯＶ７７３５があり形状・性能も立体電子内視鏡に適している。

ＯＶ７７３５のパッケージ形状を図５に示す。パケージのサイズは４×３．７ｍｍでＣＭＯＳセンサーの撮像面は２×１．５ｍｍ（ハッチングで示す）でＶＧＡの画素数を備えている。

ＣＯＭＳ撮像モジュール１０８R、１０８L（ＯＶ７７３５）と対物レンズ１０２R、１０２Lをスコープ部１０１の先端に組み込んだ一例を図６（ａ）、図６（ｂ）に示す。図６（b）はスコープを正面から見た端面図で、図６（ａ）は図６（ｂ）のA−A’断面を示す。対物レンズは構造がわかるよう断面で示す。

図６に示す様に、ＣＭＯＳ撮像モジュール１０８R、１０８Lを横に並べて配置した場合には概略１１Φ位の立体スコープ部となり、図中X、Yで示した三日月状の空間にはＬＥＤ等の照明部材及び鉗子孔を設けることができる。

立体信号処理装置１１１はＦＰＧＡを中心に構成されており、スコープ部からの映像信号を受けるＭＩＰＩインターフェース１１６Ｒ、１１６L及びスコープ部からの映像信号を一時的に格納するメモリー１１９を備えている。

スコープ部に設けられたＣＭＯＳ撮像モジュール１０８R、１０８L、で処理された左系、右系の映像信号及びクロック信号はＭＩＰＩインターフェースを介してスコープ部から立体信号処理装置に第１の伝送路としてツイストケーブルで伝送される。

映像信号を伝送するツイストケーブルを１２５R、１２５Lで、クロック信号を伝送するツイストケーブルを１２６R、１２６Lで示す。

立体信号処理装置１１１はＣＭＯＳ撮像モジュール１０８R、１０８Lの動作を制御する制御信号発生手段１１８R、１１８Lを備えており、制御信号は第２の伝送路１２８R、１２８Lで立体信号処理装置１１１からスコープ部１０１に送られる。

また立体信号処理装置１１１には、ＣＯＳ撮像モジュール用の電源１１７R、１１７Lが備えられている。一般には電源部分は共用することも多いがＣＭＯＳ撮像モジュール１０８R、１０８Lの動作でクロストークを避けるために別電源としている。

立体信号処理装置１１１には、スコープ部１０１からR系、L系の２チャンネルの並列映像信号が伝送されてくるが、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）でこの信号を立体モニター用に適した立体映像に変換する。

立体映像を見る方式としては、フレームシーケンシャル方式、ラインバイライン方式等異なった方式に対応したモニターがあるが、今後も種々の方式が出る可能性があるので、各種方式のモニターに対応した映像信号を作るのにはＦＰＧＡが最適である。

立体信号処理装置１１１は、モニターに信号を送るＤＶＩ端子を備えている。立体映像をモニターに送る場合には、ＤＶＩ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｓｕａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）は信号の劣化が少ない。立体信号処理装置１１１はＤＶＩ信号を送るＤＶＩトランスミッタ１２１とＤＶＩインターフェース１２３を備えている。

また、立体信号処理装置１１１に組み込まれたＦＰＧＡは、立体映像をパソコン等で加工利用したり、立体計測を行なったりする目的のために目的に応じて異なった信号処理を行い、高速でデーターをパソコン側に送る必要がある。そのために立体信号処理装置１１１はＵＳＢ３．０のコントローラ１２０とＵＳＢ３．０のインターフェース１２２を備えている。

以上説明したように、本発明による立体電子内視鏡装置は映像信号をすべてデジタルで処理しているので、安定した装置になっている。また周辺機器の変化に容易に対応が可能であるので、広い分野での利用が期待できる。

１０１、４０１、５０１ スコープ部
１０２L、１０２R 対物レンズ
１０３L、１０３R ＣＭＯＳ撮像部
１０４L、１０４R ＴＧ
１０５L、１０５R ＩＳＰ
１０６L、１０６R ＭＩＰＩインターフェース
１１１、５１１ 立体信号処理装置
１１８L、１１８R ＣＭＯＳ撮像モジュール制御信号発生手段
１１９ メモリー
１２２ ＵＳＢ３．０インターフェース
１２３ ＤＶＩインターフェース
４０２、５０２L、５０２R 信号処理装置
４０７、５０７R、５０７L 対物レンズ
４０８、５０８R、５０８L 固体撮像素子
４１０、５１０ モニター

Claims (2)

1. ＣＭＯＳ撮像面と、イメージ・シグナル・プロセッサー（ＩＳＰ）と、ＭＩＰＩインターフェースとを備えたCMOS撮像モジュールと対物レンズとをそれぞれ左右一対持った立体電子内視鏡スコープ部と、
   前記左右の撮像モジュールから出力される映像信号を処理し所定の立体映像信号とする立体信号処理装置とを備えた立体電子内視鏡装置に於いて、
   前記立体信号処理装置は、前記ＣＭＯＳ撮像モジュールの動作を制御する制御信号発生手段を備え、
   前記ＣＯＭＳ撮像モジュールから出力される映像信号をＭＩＰＩ信号伝送方式からなる通信手段を介して前記信号処理装置に伝送する第１の通信手段と、
   前記撮像モジュールの動作を制御する制御信号を立体信号処理装置から前記ＣＭＯＳ撮像モジュールに伝送する第２の通信手段を備えたことを特徴とする立体電子内視鏡装置。
2. 前記立体信号処理装置は、左系、右系のＣＭＯＳ撮像モジュールからの映像信号を一時的に格納するメモリーと、
   左系、右系の映像信号を処理し所定の立体映像信号に変換するＦＰＧＡと、
   前記ＣＭＯＳ撮像モジュールの動作を制御する制御信号生成手段と、を備え、
   前記ＦＰＧＡで処理された立体モニター用の立体映像信号をモニターに伝送するトランスミッタ及びＤＶＩインターフェースと、
   前記ＦＰＧＡで処理されたＰＣ用立体映像信号をＰＣに伝送するＵＳＢ３．０コントローラー及びＵＳＢ３．０インターフェースと、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の立体電子内視鏡装置。