JP5025363B2 - 電子内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、電子内視鏡に関し、特に電源ラインに映像信号を重畳して伝送する電源重畳方式の電子内視鏡に関する。

近年、先端部に撮像素子が配された細長の挿入部を挿入して、体腔内臓器等を観察したりする電子内視鏡が広く利用されている。また、工業用分野においても、ボイラ、タービン、エンジン等の検査に工業用の電子内視鏡が用いられている。これらの電子内視鏡は、挿入性の改善のために挿入部の細径化が求められている。このような挿入部の細径化の方式の１つとして、特許文献１において提案されるように、電源電圧を供給するための電源ラインに撮像素子で得られる映像信号等の他の信号を重畳することで配線数を減らし、これによって挿入部の細径化を図る方式（以下、このような方式を電源重畳方式と呼ぶ）がある。
特公平３−３０３６５号公報

上述したような電源重畳方式の場合、電源ラインに接続された負荷の変動によって電源電圧が変動すると、電源電圧に重畳された信号が歪んでエラーを起こす可能性がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、電源電圧が変動してもエラーを起こすことなく信号を伝送できる電子内視鏡を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様の電子内視鏡は、被検体を撮像して映像信号を得る撮像手段と、少なくとも電源ラインに接続された負荷が変動する期間では、前記映像信号の代わりにクロック再生用信号を送信するように前記映像信号の送信を制御する信号送信手段と、前記信号送信手段から送信された映像信号及びクロック再生用信号を前記電源ラインに重畳する信号重畳手段と、前記重畳された映像信号及びクロック再生用信号を前記電源ラインから分離する信号分離手段とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、電源電圧が変動してもエラーを起こすことなく信号を伝送できる電子内視鏡を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に用いられる電子内視鏡のブロック図である。図１に示す電子内視鏡は、体内機１０と体外機２０とを有し、これらがケーブル３０を介して通信自在に接続されて構成されている。また、体外機２０には画像表示機器４０が接続されている。体内機１０は、撮像素子１１と、タイミング発生回路１２と、駆動回路１３と、同期信号発生回路１４と、信号処理回路（内部画像処理回路１５１、ＬＥＤ制御回路１５２、信号送信回路１５３を有する）１５と、負荷となる発光ダイオード（ＬＥＤ）１６と、ＬＥＤ駆動回路１７と、電源重畳回路１８と、内部電源回路１９とを有している。また、体外機２０は、電源／信号分離回路２１と、外部電源回路２２と、外部画像処理回路２３とを有している。

撮像素子１１は、被検体の体内臓器等を撮像して映像信号を取得し、取得した映像信号を内部画像処理回路１５１に出力する。タイミング発生回路１２は、撮像素子１１、ＬＥＤ１６、信号送信回路１５３の動作タイミングを制御するためのタイミング信号を、駆動回路１３、負荷となるＬＥＤを制御するＬＥＤ制御回路１５２、同期信号発生回路１４にそれぞれ送信する。駆動回路１３は、タイミング発生回路１２からのタイミング信号に従って撮像素子１１を駆動する。同期信号発生回路１４は、タイミング発生回路１２からのタイミング信号をカウントして同期信号（垂直同期信号）を生成し、生成した垂直同期信号を信号送信回路１５３に出力する。ここで、同期信号は、少なくともＬＥＤ１６が発光しない期間が判別できる信号であれば垂直同期信号でなくてもよい。また、同期信号発生回路１４は、タイミング発生回路１２からのタイミング信号から、クロック再生信号を生成して、信号送信回路１５３に出力する。

信号処理回路１５は、体内機１０の各部で発生した信号を処理する。内部画像処理回路１５１は、撮像素子１１から入力された映像信号に対してＡ／Ｄ変換、ゲインアップ等の各種信号処理を行い、処理した映像信号を信号送信回路１５３へ送る。また、内部画像処理回路１５１は、例えば撮像素子１１からの映像信号を積分することで画像の明るさを算出し、算出した画像の明るさを示す明度信号をＬＥＤ制御回路１５２へ出力する。ＬＥＤ制御回路１５２は、タイミング発生回路１２からのタイミング信号を受けて、発光開始のタイミングを判断し、内部画像処理回路１５１からの明度信号からＬＥＤ１６の発光量（発光時間又は電流）を判断し、ＬＥＤの発光を制御するためのＬＥＤ制御信号を生成してＬＥＤ駆動回路１７に出力する。ＬＥＤ駆動回路１７は、ＬＥＤ制御信号がＨＩＧＨとなったときにＬＥＤ１６を発光させ、ＬＯＷとなったときにＬＥＤ１６を消灯させる。

ここで、ＬＥＤ制御信号は、垂直同期信号がＬＯＷとなった後にＨＩＧＨとなり、ＨＩＧＨとなる前にＬＯＷとなるようにしておく。このような制御を行うために、タイミング発生回路１２からのタイミング信号は、垂直同期信号がＬＯＷとなった後、一定の期間を経過したのちにＬＥＤ制御回路１５２に送信する。あるいは、ＬＥＤ制御回路１５２内で発光開始のタイミングを制御するようにしても良い。即ち、垂直同期信号は、一定周期の波形であり、通常はＬＯＷとなる期間（垂直ブランキング期間等と呼ばれる）が既知であるため、この期間をＬＥＤ制御回路１５２内でカウントして、ＬＥＤ１６の発光期間を垂直同期信号がＬＯＷの期間内とするようにＬＥＤの発光開始タイミングと最大の発光時間（ＬＥＤ制御信号のＨＩＧＨ/ＬＯＷの切り替えタイミング）を決定すれば良い。

信号送信回路１５３は、同期信号発生回路１４からの垂直同期信号がＨＩＧＨの期間に映像信号が入力された場合には、入力された映像信号を電源重畳回路１８に出力する。即ち、垂直同期信号がＨＩＧＨの期間では、ＬＥＤ１６を発光させないため、映像信号を重畳するケーブル３０における電源電圧変動が少なく、映像信号を歪ませたりせずにケーブル３０に重畳できる。一方、垂直同期信号がＬＯＷの期間に映像信号が入力された場合は、入力された映像信号をメモリ１５３ａに保存し、同期信号発生回路１４で生成したクロック再生用信号を電源重畳回路１８に出力する。そして、垂直同期信号がＨＩＧＨとなった後、メモリ１５３ａに保存した映像信号を電源重畳回路１８に出力する。

電源重畳回路１８は、ケーブル３０を構成する電源ラインに映像信号又はクロック再生用信号を重畳させて体外機２０の電源／信号分離回路２１に出力する。また、電源重畳回路１８は、体外機２０から供給される電源電圧を取り出し、体内機１０の内部電源回路１９に送る。内部電源回路１９は、電源重畳回路１８から送られてきた電源電圧から、撮像素子１１、信号処理回路１５、ＬＥＤ１６等の体内機１０の各部を駆動するための電力を生成し、生成した電力を体内機１０の各部に供給する。

体外機２０の電源／信号分離回路２１は、ケーブル３０を構成する電源ラインから映像信号又はクロック再生用信号を分離し、分離した映像信号又はクロック再生用信号を外部画像処理回路２３に出力する。また、電源／信号分離回路２１は、外部電源回路２２から供給される電力を体内機１０に送る。外部画像処理回路２３は、映像信号又はクロック再生用信号からＰＬＬ２３ａにより信号読み取りクロックを再生して映像信号を読み取る。また、外部画像処理回路２３は、必要に応じて映像信号の画像処理を行った後、画像表示機器４０に出力する。画像表示機器４０は、入力された映像信号に基づいて画像表示を行う。

図２は、電源重畳回路１８及び電源／信号分離回路２１の一例を示す回路図である。
電源重畳回路１８は、体内機１０において発生した映像信号又はクロック再生用信号をＬＶＤＳドライバ１８１により差動の信号とし、これら差動の信号をコンデンサＣ１、Ｃ２を介して電源ライン（電源側、ＧＮＤ側）に重畳している。また、コンデンサＣ１、Ｃ２により電源ラインに供給される電源電圧のＬＶＤＳドライバ１８１への入力を遮断している。また、電源ラインにはコイルＬ１、Ｌ２が設けられており、コイルＬ１、Ｌ２によって電源ラインに重畳された信号の内部電源回路１９への入力を遮断し、電源電圧のみを内部電源回路１９に入力している。

また、電源／信号分離回路２１は、電源ラインに重畳された映像信号又はクロック再生用信号をコンデンサＣ３、Ｃ４を介してＬＶＤＳレシーバ２１１に入力している。ＬＶＤＳレシーバ２１１の入力には終端抵抗Ｒ１が接続されている。また、ＬＶＤＳレシーバ２１１に接続された抵抗Ｒ２〜Ｒ５によってＬＶＤＳ規格の電圧にバイアスをかけており、ＬＶＤＳレシーバ２１１に入力された差動の信号をもとの映像信号又はクロック再生用信号に復元している。また、電源ラインにはコイルＬ３、Ｌ４が設けられておりコイルＬ３、Ｌ４によって電源ラインに重畳された信号の外部電源回路２２への入力を遮断している。

図３は、本実施形態における電源重畳に係る各種信号の波形を示す図である。ここで、図３に示す信号は、上から、ＬＥＤ制御信号、電源ラインの電源電圧波形、垂直同期信号、送信信号（ハッチング部が映像信号、白部がクロック再生用信号）、電源電圧波形と送信信号の重畳信号を示している。

上述したように、ＬＥＤ１６は、ＬＥＤ制御信号がＨＩＧＨになっている期間だけ発光する。なお、ＬＥＤ１６は、撮像素子１１の撮像対象の明るさによって発光量が異なるように制御する。図３は、撮像対象の明るさによってＬＥＤ制御信号をＨＩＧＨとする期間（即ちＬＥＤ１６の発光期間）を異ならせることでＬＥＤ１６の発光量を制御する例である。具体的には、撮像対象が暗い場合には明るい場合に比べてＨＩＧＨとする期間を長くする。このようなＬＥＤ制御信号の制御を、図３では両端矢印部分で示している。ただし、ＬＥＤ制御信号をＨＩＧＨとする期間は、最大でも垂直同期信号がＬＯＷとなっている期間（垂直ブランキング期間）を超えないようにする。

ここで、図３のようなパルスのＬＥＤ制御信号を受けて駆動するＬＥＤの場合、ＬＥＤ１６が発光すると消費電流が多くなるため、体外機２０から供給される電源電圧が、電源／信号分離回路２１のコイルに発生する起電力やコイルの巻き線抵抗の影響を受けて変動（降下）する。このような電圧変動が起きる期間に映像信号を重畳すると、映像信号に歪みが発生してエラーの原因となる。そこで、本実施形態では、少なくともＬＥＤ１６の最大の発光期間内では映像信号を送信せず、但し、この期間も体外機２０のＰＬＬ２３ａによって正しく同期が取れるようにクロック再生用信号を送信する。具体的には、図３に示すように、垂直同期信号がＨＩＧＨになると映像信号の送信を開始し、ＬＯＷになると映像信号は送信せず、クロック再生用信号を送信する。上述したように、ＬＥＤ１６は発光期間が最大であっても垂直ブランキング期間を超えないため、この期間内では映像信号を送信しないことによって画像表示機器４０において表示される画像に影響を与えることはない。

ここで、図３に示したＬＥＤ制御信号及び垂直同期信号のＨＩＧＨ、ＬＯＷの関係は逆でもかまわない。

以上のような構成をとることにより、簡単な構成で負荷変動（電圧変動）によるエラーが起きない伝送を行うことが出来る。即ち、負過変動が起こる期間では映像信号を送信せずに体外機２０における画像処理の同期を外さないようにするためのクロック再生用信号を送信することで、エラーのない映像信号の伝送を行うことが可能である。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は本発明の第２の実施形態に用いられる電子内視鏡のブロック図である。図４に示す電子内視鏡は、体内機１０と体外機２０とを有し、これらがケーブル３０を介して通信自在に接続されて構成されている。また、体外機２０には画像表示機器４０が接続されている。

撮像素子１１は、被検体の体内臓器等を撮像して映像信号を取得し、取得した映像信号を内部画像処理回路１５１に出力する。タイミング発生回路１２は、撮像素子１１、負荷となるＬＥＤ１６、信号送信回路１５３の動作タイミングを制御するためのタイミング信号を、駆動回路１３、負荷となるＬＥＤを制御するＬＥＤ制御回路１５２、同期信号発生回路１４にそれぞれ送信する。駆動回路１３は、タイミング発生回路１２からのタイミング信号に従って撮像素子１１を駆動する。同期信号発生回路１４は、タイミング発生回路１２からのタイミング信号をカウントして同期信号（垂直同期信号）を生成し、生成した垂直同期信号を信号送信回路１５３に出力する。ここで、同期信号は、少なくともＬＥＤ１６が発光しない期間が判別できる信号であれば垂直同期信号でなくてもよい。また、同期信号発生回路１４は、タイミング発生回路１２からのタイミング信号から、クロック再生信号を生成して、信号送信回路１５３に出力する。

信号処理回路１５は、体内機１０の各部で発生した信号を処理する。内部画像処理回路１５１は、撮像素子１１から入力された映像信号に対してＡ／Ｄ変換、ゲインアップ等の各種信号処理を行い、処理した映像信号を信号送信回路１５３へ送る。また、内部画像処理回路１５１は、撮像素子１１からの映像信号を積分することで画像の明るさを算出し、算出した画像の明るさを示す明度信号をＬＥＤ制御回路１５２へ出力する。ＬＥＤ制御回路１５２は、タイミング発生回路１２からのタイミング信号を受けて、発光開始のタイミングを判断し、内部画像処理回路１５１からの明度信号からＬＥＤ１６の発光量（発光時間又は電流）を判断し、ＬＥＤの発光を制御するためのＬＥＤ制御信号を生成してＬＥＤ駆動回路１７と信号送信回路１５３に出力する。ＬＥＤ駆動回路１７は、ＬＥＤ制御信号に基づいてＬＥＤ１６を駆動する。

信号送信回路１５３はＬＥＤ制御信号に基づいて、ＬＥＤ１６の発光開始時と発光終了時による電圧変動が起きる期間を避けて電源重畳回路１８に映像信号を出力する。一方、ＬＥＤ１６の発光開始時と発光終了時における電圧変動が起きる期間に映像信号が入力された場合は、入力された映像信号をメモリ１５３ａに保存し、同期信号発生回路１４で生成したクロック再生用信号を電源重畳回路１８に出力する。その後、電圧が安定した後、メモリ１５３ａに保存した映像信号を電源重畳回路１８に出力する。ここで、ＬＥＤ１６の発光開始時と発光終了時における電圧変動が起きる期間は、ＬＥＤ制御信号の入力時点からカウンター１５３ｂによりカウントを行うことによって検出する。

電源重畳回路１８は、ケーブル３０を構成する電源ラインに映像信号又はクロック再生用信号を重畳させて体外機２０の電源／信号分離回路２１に出力する。また、電源重畳回路１８は、体外機２０から供給される電源電圧を取り出し、体内機１０の内部電源回路１９に送る。内部電源回路１９は、電源重畳回路１８から送られてきた電源電圧から、撮像素子１１、信号処理回路１５、ＬＥＤ１６等の体内機１０の各部を駆動するための電力を生成し、生成した電力を体内機１０の各部に供給する。

体外機２０の電源／信号分離回路２１は、ケーブル３０を構成する電源ラインから映像信号又はクロック再生用信号を分離し、分離した映像信号又はクロック再生用信号を外部画像処理回路２３に出力する。また、電源／信号分離回路２１は、外部電源回路２２から供給される電力を体内機１０に送る。外部画像処理回路２３は、映像信号又はクロック再生用信号からＰＬＬ２３ａにより信号読み取りクロックを再生して映像信号を読み取る。また、外部画像処理回路２３は、必要に応じて映像信号の画像処理を行った後、画像表示機器４０に出力する。画像表示機器４０は、入力された映像信号に基づいて画像表示を行う。

なお、電源重畳回路１８及び電源／信号分離回路２１の回路は第１の実施形態で示した図２と同等であるので説明を省略する。

図５は、本実施形態における電源重畳に係る各種信号の波形を示す図である。ここで、図５に示す信号は、上から、ＬＥＤ制御信号、電源ラインの電源電圧波形、送信信号（ハッチング部が映像信号、白部がクロック再生用信号）、電源電圧波形と送信信号の重畳信号を示している。

上述したように、ＬＥＤ１６は、ＬＥＤ制御信号がＨＩＧＨになっている期間だけ発光する。なお、ＬＥＤ１６は、撮像素子１１の撮像対象の明るさによって発光量が異なるように制御する。このようなＬＥＤ制御信号の制御を、図５では両端矢印部分で示している。

ここで、図５のようなパルスのＬＥＤ制御信号を受けて駆動するＬＥＤの場合、ＬＥＤ１６が発光すると消費電流が多くなるため、体外機２０から供給される電源電圧が、電源／信号分離回路２１のコイルに発生する起電力やコイルの巻き線抵抗の影響を受けて変動（降下）する。このような電圧変動が起きる期間に映像信号を重畳すると、映像信号に歪みが発生してエラーの原因となる。そこで、本実施形態では、少なくともＬＥＤ制御信号がＨＩＧＨからＬＯＷに変わった直後の期間とＬＯＷからＨＩＧＨに変わった直後の期間である電源電圧が安定しない期間内では映像信号を送信せず、但し、この期間も体外機２０のＰＬＬ２３ａによって正しく同期が取れるようにクロック再生用信号を送信する。

ここで、電圧変動が開始してから電圧が安定するまでの時間（図５の電圧波形における立ち上がり時間、立ち下がり時間）は一定である。そこで、信号送信回路１５３は、ＬＥＤ制御信号がＨＩＧＨとなった時点でカウンター１５３ｂによるカウントを開始させ、カウンター１５３ｂが一定の立ち上がり時間を計時した後で、再び映像信号の送信を開始する。このように、ＬＥＤ１６が発光している期間でも、電圧が安定している期間内では映像信号の送信を行う。次にＬＥＤ制御信号がＬＯＷとなった時にＬＥＤ１６の発光が終了して電源電圧が上昇するため、その時点で映像信号の送信を停止し、クロック再生用信号の送信を行う。また、この時点でカウンター１５３ｂによるカウントを開始させ、カウンター１５３ｂが一定の立ち下がり時間を計時した後で、再び映像信号の送信を開始する。

ここで、図５に示したＬＥＤ制御信号及び垂直同期信号のＨＩＧＨ、ＬＯＷの関係は逆でもかまわない。

以上のような構成をとることにより、ＬＥＤが発光している期間内でも映像信号を送信しつつ、且つ負荷変動によるエラーが起きない送信を行える。

なお、図５では、電源電圧が低下してから元の状態に戻るまでのＬＥＤ制御信号の立ち上がり、立ち下がりのタイミング以外は映像信号を送信するようにしているが、図６のようにＬＥＤが発光している期間はクロック再生用信号の送信のみを行ってもよい。これは、ＬＥＤ制御信号がＨＩＧＨになってＬＥＤ１６の発光が開始され、その後ＬＯＷになり一定時間経過後の期間であって、電源ラインの電圧波形の変動開始から終了までの期間内には、映像信号を送信しないということを意味する。これによって、映像信号の送信とクロック再生用信号の送信の切り替え回数を削減して処理を単純化できる。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。例えば、上述した実施形態では電源ラインに接続される負荷としてパルス発光するＬＥＤ１６を挙げているが、ＬＥＤ以外の照明用素子や、温度センサ等の各種センサ、撮像素子１１等も負荷として考えられ、これらの負荷に対しても本実施形態の手法を適用できる。即ち、負荷による電源電圧の変動が大きい期間内にはクロック再生用信号のみを送信し、負荷による電源電圧の変動が小さい期間内に映像信号を送信することで、上述した各実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

本発明の第１の実施形態に用いられる電子内視鏡のブロック図である。 電源重畳回路及び電源／信号分離回路の一例を示す回路図である。 第１の実施形態における電源重畳に係る各種信号の波形を示す図である。 本発明の第２の実施形態に用いられる電子内視鏡のブロック図である。 第２の実施形態における電源重畳に係る各種信号の波形を示す図である。 第２の実施形態の変形例について示す図である。

符号の説明

１０…体内機、１１…撮像素子、１２…タイミング発生回路、１３…駆動回路、１４…同期信号発生回路、１５…信号処理回路、１６…発光ダイオード（ＬＥＤ）、１７…ＬＥＤ駆動回路、１８…電源重畳回路、１９…内部電源回路、２０…体外機、２１…電源／信号分離回路、２２…外部電源回路、２３…外部画像処理回路、３０…ケーブル、４０…画像表示機器、１５１…内部画像処理回路、１５２…ＬＥＤ制御回路、１５３…信号送信回路

Claims (6)

1. 被検体を撮像して映像信号を得る撮像手段と、
   少なくとも電源ラインに接続された負荷が変動する期間では、前記映像信号の代わりにクロック再生用信号を送信するように前記映像信号の送信を制御する信号送信手段と、
   前記信号送信手段から送信された映像信号及びクロック再生用信号を前記電源ラインに重畳する信号重畳手段と、
   前記重畳された映像信号及びクロック再生用信号を前記電源ラインから分離する信号分離手段と、
   を具備することを特徴とする電子内視鏡。
2. タイミング信号に基づいて前記負荷を変動させる期間を設定し、且つ設定した期間内で前記負荷を変動させるように制御する負荷制御手段をさらに具備し、
   前記信号送信手段は、前記タイミング信号に基づいて負荷が変動する期間を判定し、前記負荷が変動する期間内では前記クロック再生用信号を前記信号重畳手段に送信し、前記負荷が変動する期間外では前記映像信号を前記信号重畳手段に送信することを特徴とする請求項１に記載の電子内視鏡。
3. 前記電源ラインに接続された負荷を制御するための負荷制御信号を前記負荷に送信する負荷制御手段をさらに具備し、
   前記信号送信手段は、前記負荷制御信号に基づいて、前記映像信号又は前記クロック再生用信号を前記信号重畳手段に送信することを特徴とする請求項１に記載の電子内視鏡。
4. 前記信号送信手段は、前記負荷制御手段から前記負荷を変動させる旨の負荷制御信号が送信された場合に、前記クロック再生用信号を送信し、一定時間経過後に前記負荷が一定になったとみなして映像信号を送信することを特徴とする請求項３に記載の電子内視鏡。
5. 前記信号送信手段は、前記負荷制御手段からの負荷制御信号により、負荷が変動を開始してから元の状態に戻るまでの期間は、前記クロック再生用信号を送信することを特徴とする請求項３に記載の電子内視鏡。
6. 前記負荷は、パルス発光により前記被検体を照明する発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電子内視鏡。

Images