JP5658816B2 - 画像センサの画像シャッタと光源とをワイヤレスで同期化する装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像センサの画像シャッタと光源とをワイヤレスで同期化する装置およびその装置の作動方法に係り、内視鏡カメラ・ユニットの動作を別個の内視鏡機器に設けられた内視鏡光源ユニットの動作とワイヤレスで同期化する画像センサの画像シャッタと光源とをワイヤレスで同期化する装置およびその装置の作動方法に関する。

有線接続を介して相互に接続された内視鏡機器の遠隔制御は、外科手術を実行するのによく知られている。カメラ、刃具、洗浄機器、光源、および吸引機器を含む複数の機器がネットワークを介してシステム・コントローラに接続される。システム・コントローラは、様々な機器と通信し、様々な機器を制御する能力をもつ。

照射光スイッチング機能をもつ内視鏡システムは、２００７年８月２１日に発行された米国特許第７２５８６６３号明細書に開示されている。このシステムの内視鏡は、挿入ユニットに組み込まれた画像センサを含む。画像センサの感度は、カメラ・コントローラから画像センサに複数の脈動駆動信号を印加することにより変化され得る。カメラ・コントローラは、使用される内視鏡のタイプに応じて画像センサの感度を調節する。別個の光源が、挿入ユニットの中を通って延在する光ガイドを介して光を手術部位に供給する。光は、手術部位で反射され、画像センサによって受けられる。挿入ユニットは、有線接続を介して内視鏡のタイプに関する情報を画像センサのためのカメラ・コントローラに供給するメモリを含む。さらに、光源コントローラからカメラ・コントローラまでの有線接続は、光源の他のパラメータを供給する。

‘６６３号特許はまた、１フィールドまたは１間隔の間に画像センサからの個々のビデオ画像出力信号の電圧レベルの平均から光出力を計算するための光レベルセンサを利用することをも開示いている。この平均値は、光源から出力される熱の量を最小限に抑えるように光源が動作する期間を制御することによって有線接続を介して光源動作の時間の長さを調節するために使用され得る。光出力調節は、光源の絞りダイヤフラムが画像センサによって検出された輝度に応答して開閉されるように与えられたダイヤフラム制御コマンドを用いて行われる。したがって、光源から供給される光の強度は、画像センサによって感知された光の強度を考慮して自動的に調節される。‘６６３号特許のフィードバック配置構成は、カメラ・コントローラと光源コントローラとの間の有線接続によってもたらされる。画像センサおよび光源は、内視鏡と同じ挿入ユニットを介して光を供給し、光を感知する。したがって、光源コントローラおよびカメラ・コントローラは、互いに隣接して配置され、コントローラ間の有線接続が実用的である。

しかしながら、ある種の関節鏡視外科手術では、光源およびカメラは、別個の内視鏡機器に設けられる。このような場合には、カメラ・コントローラと光源コントローラとの間に有線接続を設けることは、カメラと光源との間の接続ケーブルの存在が原因となって、カメラと相対的な光源の運動が制限され、ぎこちなくなるので、実用的ではない。さらに、ＥＮＴ手術のようなある種の手術では、携帯型で軽量の小型手持ち式光源ユニットが非常に望ましい。さらに、カメラ・ユニットへの有線接続は、実用的ではない。手持ち式光源による光の一定出力は、操作されるべき光源ユニットの重量化と、望ましくない熱の出力とをもたらす大型バッテリを必要とし、したがって、技術的課題を示している。

携帯型光源によって必要とされる光出力、したがって、エネルギー量を削減するために、一目的は、ビデオ画像を取得するために十分な光を維持しながら、光源の周期的または断続的動作をビデオ・カメラ・ユニットの画像シャッタと同期化することである。光源からのエネルギー出力の削減は、既存バッテリのバッテリ寿命を延長する。他方においては、この光源使用の削減は、より小型のバッテリ、したがって、動作中に出力する熱も少なくなる、より小型でより軽量の携帯型光源ユニットの使用を可能にする。有線接続のないビデオ・カメラ・ユニットおよび光源ユニットを同期化できないことは、本発明によって解決されるべき技術的課題である。

米国特許第７２５８６６３号明細書

前述されたような既知の配置構成の不利点を除去するか、または、少なくとも最小限に抑えるために、本発明は、断続的または周期的光源出力をビデオ・カメラ・ユニットの電子カメラ・シャッタと同期化するための、ビデオ・カメラ・ユニットから光源ユニットへのワイヤレス通信を与える。

さらに、本発明は、たとえば、ＥＮＴ（耳、鼻、喉）外科手術で用いるための最小限の大きさにされたバッテリ付きの携帯型ワイヤレス光源ユニットを提供する。本発明は、種々の角度をなす内視鏡先端がカメラ・ユニットと光源ユニットとを同じ内視鏡内に設ける際に問題となる関節鏡検査にさらに適用できる。

本発明の一実施形態は、光源の動作を始動させる目標位相もしくは時間シフトに関する情報またはデータと、光源の動作の時間の長さを提供するデータとを含むワイヤレスメッセージパケットをカメラ・ユニットから光源ユニットに供給する。

別の実施形態では、カメラ・ユニットは、画像センサから分離し、光源が光を供給する正確な開始時間および動作の時間を検出するフォトセンサまたは光検出器を含む。光検出器によって決定された情報は、光源動作がビデオ・カメラ・ユニットの電子カメラ・シャッタと同期化されていることを確保するために、光源コントローラに送信されたワイヤレス制御信号のための情報を調節するフィードバックをカメラ・コントローラに供給する。このフィードバックは、光源の動作がビデオ・カメラ・ユニットのカメラ・シャッタと直接に同期化されることを確保する閉ループ系を与える。この配置構成は、光源ユニットのためのバッテリの使用を最小限に抑え、したがって、バッテリのサイズ要件および重量要件を低減する。

本発明は、ビデオ・カメラ・ユニットのカメラ・コントローラから別個の携帯型内視鏡光源ユニットの光源コントローラにワイヤレス信号を供給する方法にさらに関する。光源ユニットによって受信されたワイヤレス信号中の周期的メッセージパケットは、光源の開始時間と、光源が手術部位に照明を行う時間の長さとを制御する。したがって、一般に一定に保たれる画像センサのシャッタ速度ではなく、光源の動作が典型的に制御される。

別の実施形態では、光源コントローラは、ランプもしくは発光ダイオードの動作を始動する際の付加的な所定の位相シフトまたは時間遅延を行う。付加的な位相シフトは、カメラ・コントローラからのワイヤレス信号によって提供された目標位相で単に動作するのではなく、ビデオ・カメラ・ユニットの光検出器によってその後に検出される個別のデータビットに対応する。たとえば、光源出力の始まりおよび終わりは、「１」というビット信号を供給するために２マイクロ秒だけ順方向シフトされるか、または、そうではなく、２マイクロ秒だけ遅延された時間でもよい。光源出力の始まりおよび終わりは、どちらも「零」ビット信号を供給するために１マイクロ秒だけ順方向シフトされるか、または、遅延されることがある。光源が光出力を提供する全体的な時間の長さは、変化しない。

このデータ転送配置構成では、光出力の始まりおよび終わりでのシフトは、バッテリ給電型光源に関する様々な情報をカメラ・コントローラに供給する。たとえば、光源バッテリのバッテリ残量と、ＬＥＤが駆動された期間と、光源に設けられたＬＥＤまたはランプコンポーネントのタイプおよび仕様とがカメラ・コントローラに供給され得る。

本発明の別の実施形態では、カメラ・コントローラは、カメラおよび光源ユニットを同期化するためのワイヤレス信号を光源コントローラに送信する。光源制御ユニットは、後にワイヤレスＲＦ信号をビデオ・カメラ・ユニットのＲＦ受信機に送信するＲＦ送信機を含む。この配置構成は、デジタル信号パケットとＲＦ送信機／受信機ペアとが代わりに設けられているので、光源出力の位相および時間の長さを決定する光検出器を必要としない。光源ユニットに関するデータは、光源ユニットのＲＦ送信機からビデオ・カメラ・ユニットのＲＦ受信機に送信された返送信号を備える。

本発明は、断続的または周期的光源出力をビデオ・カメラ・ユニットの電子カメラ・シャッタと同期化するための、ビデオ・カメラ・ユニットから光源ユニットへのワイヤレス通信を与える。

図１は携帯型内視鏡ビデオ・カメラ・ユニットおよび携帯型光源ユニットを含む手術室システムを示す図である。 図２はビデオ・カメラ・ユニットのブロック図である。 図３は光源ユニットのブロック図である。 図４はカメラ・シャッタ動作、光源出力およびカメラ・コントローラ・データ通信の時間に対するグラフである。 図５はカメラ・シャッタ動作、光源動作、および光源動作を制御するＲＦ信号の時間に対するグラフである。 図６はビデオ・カメラ・ユニットの第２の実施形態のブロック図である。 図７は光源ユニットの第２の実施形態のブロック図である。

本発明の一実施形態は、光源の動作を始動させる目標位相もしくは時間シフトに関する情報またはデータと、光源の動作の時間の長さを提供するデータとを含むワイヤレスメッセージパケットをカメラ・ユニットから光源ユニットに供給する。

図１に、入力信号をシステム・コントローラ１４に選択的に供給する入力機器１２を含む手術室制御システム１０を示す。システム・コントローラ１４は、ディスプレイ・パネル１６に接続されている。システム・コントローラ１４はまた、ネットワーク１８を介して、ビデオ・ディスプレイ２０を含む複数の手術機器にも接続されている。

図１では、システム・コントローラ１４は、ネットワーク１８を介して刃具コントローラ２２および壁面吸引ユニット２４に接続されている。制御信号線２６は、刃具コントローラ２２をオン／オフスイッチ３１を有している内視鏡刃具３０に接続する。一端で壁面吸引ユニット２４に接続された吸引チューブ３２は、内視鏡刃具３０に吸引流路を設ける。刃具３０は、剃刀または他の切断機器であり、手術部位３４から組織および破片を除去するための吸引制御作動器３３を有している。

図１に、アンテナ配置構成３８、３９を有しているワイヤレス携帯型内視鏡ビデオ・カメラ・ユニット３６を示す。内視鏡ワイヤレスビデオ・カメラ・ユニット３６は、アンテナ配置構成３８を介して非ビデオ光源制御信号をワイヤレスで送信し、アンテナ配置構成３９を介してビデオ信号を送信する。

図１に示された携帯型光源ユニット４０は、内視鏡ビデオ・カメラ・ユニット３６からワイヤレス非ビデオ信号を受信する受信アンテナ配置構成４２を含む。

図２は、携帯型内視鏡ビデオ・カメラ・ユニット３６の電気コンポーネントのブロック図である。電源またはバッテリ５２は、電力を様々な電気コンポーネントに供給する。画像センサ５４は、典型的に、ビデオ・カメラ・ユニット３６の近接端部（図示せず）に配置され、手術部位３４で画像を感知する。画像センサ５４は、典型的に、Ｃ−ＭＯＳセンサまたはＣＣＤセンサである。画像センサ５４は、ビデオ画像をカメラ・コントローラ５６に供給する。フォトセンサなどの別個の光検出器５８が画像センサ５４に近接して設けられ、カメラ・コントローラ５６に接続されている。光検出器５８は、カメラ・コントローラが、ビデオ・カメラ・ユニット４６によって受信された、光源ユニット４０からの光出力の特定の時間位相および時間長さを測定するために、出力をカメラ・コントローラ５６に供給する。カメラ・コントローラ５６は、非ビデオ・カメラ・ユニット送信機６０に接続し、送信アンテナ配置構成３８を介して光源制御信号を光源ユニット４０に送信する。さらに、カメラ・コントローラ５６は、アンテナ配置構成３９を含むビデオ送信機６２を含む。ビデオ送信機６２は、カメラ・コントローラ５６からシステム・コントローラ１４の受信機（図示せず）および／またはビデオ・ディスプレイ２０にワイヤレスビデオ信号を送信する。ワイヤレスビデオ信号およびワイヤレス非ビデオ信号は、典型的に、異なったチャネルを介して送信される。

内視鏡ビデオ・カメラ・ユニット３６の別の実施形態では、図１に破線で示されたビデオ・ケーブル４４が、ビデオ・カメラ・ユニット３６を同様に破線で示されたカメラ通信ユニット４６に接続している。本実施形態では、ビデオ画像信号は、ケーブル４４を介して、カメラ通信ユニット４６に送信される。カメラ通信ユニット４６は、ネットワーク１８を介して、または、専用ケーブル（図示せず）を介して、ビデオ信号をシステム・コントローラ１４および／またはビデオ・ディスプレイ２０に供給する。さらに、電力ケーブル（図示せず）は、ビデオ・ケーブル４４と組み合わせて、内視鏡ビデオ・カメラ・ユニット３６に接続され得る。本実施形態では、ビデオ・カメラ・ユニット３６は、バッテリ５２またはワイヤレスビデオ送信機６２を必要としない。

図３は、携帯型光源ユニット４０の電気コンポーネントのブロック図である。光源ユニット４０は、ワイヤレス信号受信アンテナ配置構成４２を含む。受信アンテナ配置構成４２は、光源非ビデオ受信機６５を介して、受信されたワイヤレス制御信号を光源コントローラ７０に供給する。光源コントローラ７０は、駆動信号を電力スイッチ７４に供給する。電力スイッチ７４は、典型的に、光源電源またはバッテリ７６が光源８０に給電することを可能にする電子スイッチング機器などである。電源７６はまた、動作電力を受信機６６および光源コントローラ７０にさらに供給する。

光源８０に関して、本発明の一実施形態は、赤色−緑色−青色発光ダイオードからなるＬＥＤアレイを提供する。別の実施形態では、光源８０は、白色発光ダイオードからなるアレイを含む。ある種の実施形態では、光源は、ＲＧＢ回転フィルタ光源を含む。さらに、様々なタイプのランプを含む他の光源が考えられる。
同期化動作−メッセージパケット実施形態

カメラ制御ユニット３６では、高精細ビデオ信号が、ＮＴＳＣ信号（全米テレビジョン放送方式標準化委員会）の１／６０秒に対応する０．０１６６秒のフィールドレートで画像センサ５４によって感知される。したがって、図４に示されたカメラ・シャッタ周期Ｓは、本実施形態では、約０．０１６６秒に対応する。

カメラ・コントローラ５１が光源ユニット４０と同期するために、図４において標示されるように小さい通信またはメッセージパケットＳ／Ｐ／Ｔが、データチャネルを介して連続ＲＦ搬送波上で周期的に非ビデオ・カメラ送信機６０によって出力される。個々の通信またはメッセージパケットＳ／Ｐ／Ｔは、１００ナノ秒（０．１マイクロ秒）以下から１ミリ秒以上までの持続期間を有している。図４に示されたカメラ・シャッタ周期Ｓは、画像収集周期毎に画像センサの電子シャッタが閉じられる、または、オフになる短い時間と、手術部位３４から光を受け、画像を収集するために電子シャッタが開かれる長いカメラ・シャッタ・オン時間とを含む。

図２に示されるように、同期化のため、カメラ・コントローラ５６は、非ビデオ送信機６０およびアンテナ配置構成３８を介して、周期的なメッセージパケットＳ／Ｐ／Ｔを送信する。図３に示された受信機アンテナ配置構成４２は、メッセージパケットＳ／Ｐ／Ｔを光源ユニット４０の光源非ビデオ受信機６６に供給し、この光源非ビデオ受信機は、このメッセージパケットＳ／Ｐ／Ｔを光源コントローラ７０に転送する。光源コントローラ７０は、カメラ・シャッタ周期に対応する基準値を供給するために、受信された目標カメラ・シャッタ周期Ｓを利用する。目標カメラ・シャッタ周期Ｓは、光源８０の動作のために図４の垂直点線によって表された基準点を設定し、または、基準点に対応する。さらに、メッセージパケットＳ／Ｐ／Ｔは、目標カメラ・シャッタ周期Ｓから決定された基準点と相対的な、光源８０の照明を開始すべきときを決定するために光源目標位相Ｐまたは時間シフト値を含む。メッセージパケットはまた、光源８０が目標位相Ｐ１の後に時間長さＴの間動作するように光源目標オン時間Ｔをさらに供給する。

したがって、図４に示されたメッセージパケットＳ１／Ｐ１／Ｔ１に応答して、光源コントローラ７０は、光源オン時間Ｔ１に亘って手術部位３４を照明するために、カメラ・シャッタ周期Ｓと相対的な目標位相Ｐ１の終わりから始めてバッテリ７６からの電力が光源８０に給電することを可能にする電力スイッチ７４を制御する。メッセージパケットＳ／Ｐ／Ｔは、目標オン時間Ｔに亘って望ましい目標位相Ｐで光源８０を順次制御することを繰り返す。

動作中、目標シャッタ周期Ｓは、カメラ制御ユニット３６のクロックと光源ユニット４０のクロックとの同期化の期間を表す。目標位相Ｐの値がフィールドまたは間隔毎に一定値を有している場合、ユニット３６のクロックとユニット４０のクロックとは、互いに相対的な固定周波数にある。

図４に示されるように、光源ユニット４０は、それぞれの目標位相Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の終わりにそれぞれの光源目標オン時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４に亘って光を順次出力する。オン時間の値Ｔは、望ましいビデオ画像を取得するためのビデオ・カメラ・ユニット３６の画像センサ５４によって必要とされる光の量に依存して変化する。したがって、画像センサ５４が望ましい画像を取得するためのより多くの光を必要とする場合、オン時間Ｔが増大される。

閉ループフィードバック型の配置構成がビデオ・カメラ・ユニット３６の光検出器５８によって提供される。光検出器５８は、光源８０から出力される光の立ち上がり時間および持続期間を感知し、光出力信号をカメラ・コントローラ５６に供給する。実際の測定立ち上がり時間（目標位相Ｐの終わりに対応する）と実際の測定光出力持続期間（光源オン時間Ｔに対応する）とに応答して、カメラ・コントローラ５６は、カメラ送信機６０によって光源ユニット４０に送信された後続の目標位相Ｐの値と後続の目標オン時間Ｔの値とが、結果として適切、かつ、同期化された光出力をもたらすことになることを確保する。さらに、目標カメラ・シャッタ周期Ｓの値の微調節が、適切な基準点を維持するために必要に応じて行われる。同期化された閉ループフィードバック配置構成は、電子カメラ・シャッタがフィールド毎にオン／開である時間中に限り光源８０から出力された光が生ずることを確保する。図４に示されるように、カメラ・シャッタ・オン時間は、光が十分な量で出力される光源オン時間Ｔを上回る。シャッタが開いている余分な時間は、手術部位３４が光源８０によって照明されていないので、重要ではない。

ある種の実施形態では、ビデオ・カメラ・ユニットの電源がオンにされたままでビデオ・カメラ・ユニット３６の画像センサ５４が給電されないとき、カメラ・コントローラ５６はオフメッセージを光源ユニット４０に出力する。光源コントローラ７０は、画像を取得していない画像センサ５４に応答して光源８０の動作を停止する。

ある種の実施形態では、ビデオ・カメラ・ユニット３６が給電されない（オフにされている）とき、メッセージパケットＳ／Ｐ／Ｔは、送信されず、それによって、光源ユニット４０によって受信されない。メッセージパケットを検出しない所定の時間後、光源ユニット４０は、光を出力することを停止し、自動的にオフになる。

メッセージパケットＳ／Ｐ／Ｔの持続時間が１ミリ秒以上であるとき、受信された値Ｓ／Ｐ／Ｔは、次のカメラ・シャッタ周期Ｓの間に光源８０の後の動作を制御するために使用される。たとえば、図４に示された時系列において、メッセージパケットＳ１／Ｐ１／Ｔ１は、ここでは、Ｓ２、Ｐ２、Ｔ２とラベル付されたカメラ・シャッタ周期内で光源８０の動作を制御できる。光検出器５８を通るフィードバックとカメラ・コントローラ５６による計算とは、その結果、１周期または１フィールドの遅延の原因になる。

携帯型内視鏡ビデオ・カメラ・ユニット３６と携帯型内視鏡光源ユニット４０との同期化の結果として、ビデオ・カメラ・ユニットは、ビデオ信号をビデオ・ディスプレイ２０に供給するように動作する。カメラ・コントローラ５６は、画像センサ５４からビデオ画像を受信し、ビデオ信号をビデオ・ディスプレイ２０および／またはシステム・コントローラ１４のビデオ受信機に直接に送信するためにビデオ出力信号をワイヤレスビデオ送信機６２に供給する。このようなビデオ・カメラ出力通信構成配置の一実施例は、２００８年１１月２１日付けで出願された仮特許出願第６１／１９９，９２１号に対応する２００９年１０月３０日付けで出願されたＷＩＲＥＬＥＳＳ ＯＰＥＲＡＴＩＮＧ ＲＯＯＭ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＩＮＣＬＵＤＩＮＧ ＶＩＤＥＯ ＯＵＴＰＵＴ ＤＥＶＩＣＥ ＡＮＤ ＶＩＤＥＯ ＤＩＳＰＬＡＹと題する同一出願人による米国国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０９／００５９３４号明細書に開示され、これらの出願の開示内容は、ここで参照によって本明細書に組み込まれる。

上記配置構成は、１フィールド当たり１／６０秒を有するＮＴＳＣ配置構成に関して説明されているが、別の実施形態では、カメラ・シャッタ周期Ｓと他の特徴とは、たとえば、ＰＡＬ（位相反転線）配置構成のための１／５０秒カメラ・シャッタ周期に基づいている。

本発明の別の実施形態では、通信またはメッセージパケットＳ／Ｘ／Ｔは、連続搬送波上でビデオ・カメラ・ユニット３６から周期的に送信される。目標カメラ・シャッタ周期Ｓおよび光源目標オン時間Ｔは、前述されている通りである。本実施形態では、「Ｘ」は、光源８０のオン時間Ｔの始めに参照される開始時間を有する光源目標トリガ時間Ｘを表す。目標トリガ時間Ｘは、光源８０のための時間長さ、または、オン時間Ｔと後続のオフ時間とに対応する値を有している。この目標トリガ時間Ｘは、光源８０のための次の開始オン時間で終了する。図４を参照すると、トリガ時間Ｘ１は、Ｓ１＋Ｐ２−Ｐ１に等しい。したがって、トリガ時間Ｘ１は、目標位相Ｐ１の終わり（目標オン時間Ｔ１での光源出力の始まり）に始まり、目標位相Ｐ２の終わり（目標オン時間Ｔ２での第２の光源出力の始まり）まで継続する。一実施形態では、目標トリガ時間Ｘは、後続の期間に亘って繰り返す。

別の実施形態では、目標トリガ時間Ｘは、光源出力の始まりまで、かつ、後続の光源出力のための後続の立ち上がり時間までに参照される目標時間であるため、Ｓ／Ｘ／Ｔパケットは、目標カメラ・シャッタ周期Ｓに亘る初期同期化後に、後続のメッセージパケットとして時間値Ｘ／Ｔを送信することによりビデオ・カメラ・ユニット３６を動作させる能力をもつ。本実施形態は、参照時点として、カメラ・シャッタ周期の始まりではなく、光源８０のオン時間の始まりを利用する。

別の変形形態または実施形態では、カメラ・シャッタ周期Ｓに基づく目標トリガ時間Ｘの初期値は、カメラ・コントローラ５６によって計算される。したがって、シャッタ周期は、ビデオ・カメラ・ユニット３６から光源ユニット４０に送信されない。その代わりに、目標トリガ時間Ｘおよび目標オン時間Ｔのみが光源ユニット４０に送信される。

目標位相Ｐおよび目標トリガ時間Ｘを含む実施形態は、光源出力の始まりのための目標開始を与えるように作用する。

別の実施形態では、目標トリガ時間Ｘは、後述の通り、目標オフ時間Ｏによって置換される。ビデオ・カメラ・コントローラ５６は、部分的にシャッタ周期Ｓに基づいて、目標オン時間Ｔおよび目標オフ時間Ｏを計算する。したがって、シャッタ期間Ｓは、ビデオ・カメラ・ユニット３６から光源ユニット４０に送信されない。目標オン時間は、当然ながら、光源８０がオンである時間に対応する。目標オフ時間は、次の目標オン時間Ｔの前に、光源がオフである時間に対応する。このようにして、値目標オン時間Ｔおよび値目標オフ時間は、順番になる。

当然ながら、前述の実施形態の全部（Ｓ／Ｘ／Ｔ、Ｘ／ＴおよびＴ／Ｏ）は、ビデオ・カメラ・ユニット３６の光検出器５８によって提供される閉ループフィードバック型の配置構成で動作することが意図される。前述の通り、光検出器５８は、光源８０による光出力の立ち上がり時間および持続期間を感知する。カメラ・コントローラ５６は、様々な実施形態のための目標値Ｓ／Ｘ／Ｔ、Ｘ／ＴまたはＴ／Ｏを計算するために必要に応じて画像センサ５４からの出力と共にこの情報を利用する。次いで、目標値は、光源コントローラ７０による処理のために光源ユニット４０に送信される。

Ｓ／Ｐ／Ｔ実施形態に関して前述の通り、Ｓ／Ｘ／Ｔ、Ｘ／ＴおよびＴ／Ｏのそれぞれの実施形態の値は、ビデオ・カメラ・ユニット３６の非ビデオ送信機６０から光源ユニット４０の非ビデオ受信機６６にワイヤレスデータパケットとして送信され得る。

しかしながら、実施形態Ｘ／ＴおよびＴ／Ｏは、後述されるような光源ユニット４０からビデオ・カメラ・ユニット３６への情報の光データ伝送の課題となる。
光データ伝送

別のメッセージパケット実施形態では、光源ユニット４０は、光データ伝送によってデータまたは情報をビデオ・カメラ・ユニット３６に供給する。

光源ユニット４０から情報を送信するために、光源コントローラ７０は、光源８０の動作のために付加的な所定の目標位相または時間シフトを提供する。カメラ・コントローラ５６から提供された目標位相Ｐで単純に動作するのではなく、付加的な所定の位相目標または時間シフトには、個別のデータビットに対応する所定の大きさが与えられる。光源８０からの光源出力の始まりの時間シフトまたは位相変化は、ビデオ・カメラ・ユニット３６の光検出器５８によって検出される。所定の時間シフトまたは位相変化は、十分に大きいので、カメラ・コントローラは、閉ループ系を調節するために、次のメッセージパケットによる訂正を必要とする単なる最小誤差ではなく、データビットが送信されたことを認識する。

たとえば、図４の第３のカメラ・シャッタ周期Ｔ３に示されるように、光源出力オン時間または間隔Ｔ３の始まりおよび終わりは、ビット信号「１」を提供するために、２マイクロ秒間だけ時間シフトによって前方へ時間シフトされるか、または、代わりに、間隔Ｔ３’に対応する破線に示されるように２マイクロ秒Ｃ３だけ遅延される。２マイクロ秒の時間シフトは、十分に大きいので、カメラ・コントローラ５６は、光源８０が適切に同期化されていないことを示唆するフィードバック誤差ではなく、データビットが送信されていることを認識する。光源出力の全体的な時間長さＴ３、Ｔ３’は、変化しない。

「零」ビット信号の転送は、図４の第４のカメラ・シャッタ周期に示される。光源出力７４の始まりは、ビット信号「零」を提供するために時間間隔Ｔ４’に対応する破線に示されるように、前方へシフトされ得るか、または、１マイクロ秒Ｃ４に亘って遅延され得る。１マイクロ秒の時間シフトＣ４が検出され、光源ユニット４０によって「零」ビットとして認識される。光源８０が光出力を提供する時間間隔Ｔ４’の全体的な長さは、時間間隔Ｔ４の長さから変化しない。

第１のカメラ・シャッタ周期Ｓの間の時間シフトＣ３からのビット信号「１」または時間シフトＣ４からのビット信号「零」の検出後、カメラ・コントローラ５６は、光検出器５８からの受信信号の期待時間値を調節する。したがって、カメラ・コントローラ５６は、ビット信号によって引き起こされた実際の位相または時間シフトを無視する後続のメッセージパケットを送信するために、必要に応じて、値Ｓ／Ｐ／Ｔを調節する。ビットデータのための時間シフトＣ３、Ｃ４は、１マイクロ秒または２マイクロ秒である必要はない。時間シフト値Ｃ３、Ｃ４は、カメラ・コントローラ５８が訂正を必要とするフィードバック誤差から時間シフトを区別できるように、十分に大きくされるべきである。さらに、時間シフト値Ｃ３、Ｃ４は、光源８０がカメラ・シャッタ周期Ｓのカメラ・シャッタ・オフ部分の間に光を放出するほどに、大きくされるべきではない。

ビット転送配置構成では、ビット値の系列は、バッテリ給電型光源ユニット４０の特性または条件に関するデータまたは情報をカメラ・コントローラ５６に供給する。このようなデータまたは情報は、光源ユニット４０のタイプを特定することと、光源バッテリ７６のバッテリ残量と、光源のＬＥＤの累積時間を含む光源８０の寿命に亘る使用量と、光源８０に設けられたＬＥＤまたはランプのタイプとを含む。ある種の実施形態では、情報は、光源８０を駆動するため必要とされる目標オン時間Ｔを決定するのに役立つ。
ＲＦ信号存在の実施形態

図５のグラフに示された本発明の別の実施形態は、前述され、図４に示されたメッセージパケット配置構成とは異なった方式で動作する。前述された通りの光源５８およびカメラ・コントローラ５６を使用する同じタイプの光出力フィードバックが、内視鏡ビデオ・カメラ・ユニット３６との内視鏡光源ユニット４０の光源８０の閉ループ型同期を提供する。

本実施形態では、メッセージパケットＳ／Ｐ／Ｔを送信するのではなく、カメラ・コントローラ５６は、送信機６０およびアンテナ配置構成３８を介して周期的または断続的ワイヤレスＲＦ信号を供給する。このマークスペース体系では、光源オン時間Ｔは、ＲＦ搬送波信号の単なる存在によって指定される。ＲＦ信号は、アンテナ配置構成４２および非ビデオ受信機６６によって受信される。

図５に示されるように、ＲＦ搬送波信号の存在は、光源コントローラ７０に電力スイッチ７４を作動させ、バッテリ電力を光源８０に供給する。光源８０は、光検出器５８によって感知された光出力を供給する。ＲＦ信号が検出されないとき、光源ユニット４０は、光源８０が光を出力することを止める。ＲＦ信号が最初に送信され、受信されるとき、ＲＦ信号波が最大値または最小値を取ることがあるので、光源８０の持続期間またはオン時間の制御の分解能がＲＦ信号配置構成の搬送波周波数によって制限される点を除いては、同期化システムは、図３に示された配置構成と同様の方式で動作する。さらに、ＲＦ干渉および雑音は、このＲＦ信号実施形態の頑強性を低減することがある。

別の実施形態では、周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）は、ＲＦ信号存在配置構成と同じ結果を取得する。一定の搬送波信号が送信され、周波数シフトキーイングが図５に示された間隔Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の間に行われる。周波数の変化またはシフトは、光源コントローラ７０によって簡単に検出される。検出された周波数変化は、光源８０または光源ユニット４０の動作を可能にする。オン時間の間に基本搬送波周波数が光源コントローラ７０によって受信され、原則的に無視される。
双方向ワイヤレス通信の実施形態

双方向ワイヤレス通信の実施形態は、図６に示されるような修正された携帯型内視鏡ビデオ・カメラ・ユニット１３６と、図７に示されるような修正された携帯型光源ユニット１４０とを含む。図２および図３に提示された符号と同じ符号で図６および図７においてラベル付されたコンポーネントは、原則的に同じ機能を有している。

図６に示された携帯型内視鏡ビデオ・カメラ・ユニット１３６は、カメラ非ビデオ受信アンテナ配置構成１３９を備えるカメラ非ビデオ受信機１３７を含む。光検出器５８などの光検出器は、本実施形態では設けられていない。

図７に示された携帯型光源ユニット１４０は、光源ユニット送信アンテナ配置構成１４５を備えるワイヤレス光源非ビデオ送信機１４１が設けられている点を除いて、図３に示された光源ユニット４０に類似する。

動作中、カメラ・コントローラ５６は、図４に関して前述された通り、非ビデオ送信機６０およびアンテナ配置構成３８を介して、メッセージパケットＳ／Ｐ／ＴまたはＳ／Ｘ／Ｔを送信する。非ビデオ光源受信機６６は、カメラ送信機６０からメッセージパケットを有しているワイヤレス搬送波信号を受信し、メッセージパケットＳ／Ｐ／ＴまたはＳ／Ｘ／Ｔを光源コントローラ７０に供給する。目標カメラ・シャッタ周期Ｓ、目標位相Ｐ／トリガ時間Ｘおよび目標オン時間Ｔは、光源８０の動作のために光源コントローラ７０に供給される。

図４に関して前述された通りビデオ・カメラ・ユニットと光源ユニット１４０との同期化を支援するためにビデオ・カメラ・ユニット１３６に別個の光検出器を設ける代わりに、双方向通信実施形態は、同じカメラ・シャッタ周期Ｓ、または、後続のカメラ・シャッタ周期Ｓの内部の異なった期間に、好ましくは、メッセージパケットのような返送信号を用いて、受信アンテナ配置構成１３９を介してカメラ非ビデオ受信機１３７に無線周波数信号を返送するための光源ワイヤレス非ビデオ送信機１４１およびアンテナ配置構成１４５に依拠する。返送メッセージパケットは、同期化目的とデータ伝送目的とのため使用される。

返送データ伝送に関して、光源コントローラ７０は、Ａ）発光ダイオードなどの光源８０のタイプと、Ｂ）光源ユニット１４０が設けられたバッテリ７６のタイプと、Ｃ）残りバッテリ充電時間と、Ｄ）光源８０が駆動されてきた使用法または時間とに関する情報を含むことがある返送メッセージパケット上で１つまたは複数のデータ項目を供給する。光源ユニット１３６のタイプなどの他の情報が供給される可能性がある。

双方向ワイヤレス配置構成においては、メッセージパケットとのＲＦ信号の交換は、光源８９がカメラ・シャッタ周期Ｓのカメラ・シャッタ・オン部分の間に限り光を出力するために、ビデオ・カメラ・ユニット１３６と携帯型内視鏡光源ユニット１４０とを同期化するように作用する。

さらに、別の双方向ワイヤレス配置構成では、メッセージパケットＸ／ＴおよびＴ／Ｏが利用される。メッセージパケットの送信時間は、必要に応じて参照時点として利用され得る。

ある種の実施形態では、上記に開示されたアンテナ配置構成３８、３９、４２、１３９、１４５は、単一アンテナである。他の実施形態では、アンテナ配置構成３８、３９、４２、１３９、１４５の一部は、複数のアンテナ、または、アンテナのアレイによって形成される。ある種の実施形態では、図２に示されたアンテナ配置構成３８、３９は、合成アンテナまたは共用アンテナとして設けられる。ある種の実施形態では、図６に示されたアンテナ配置構成３８、３９、１３９は、共用アンテナまたはアンテナアレイとして設けられる。最後に、ある種の実施形態では、図７に示されたアンテナ配置構成４２、１４５は、１個または複数個のアンテナを有している合成アンテナ配置構成または共用アンテナ配置構成として設けられる。

前述の実施形態では、光源８０は、一定の照明値で光を出力することが意図されている。他の実施形態では、光出力レベルは、外科手術のタイプ、ワイヤレスビデオ・カメラ・ユニットのタイプ、または、他の要因に依存して制御されるか、または、変化され得る。

本発明の特有の好ましい実施形態は、例示目的のために詳細に開示されるが、部品またはステップの再配置を含む開示された方法および装置の変形または変更が本発明の範囲内にあることが認識されるであろう。

この発明に係る画像センサの画像シャッタと光源とをワイヤレスで同期化するための方法およびその装置は、各種システムに用いることが可能である。

１２ 入力機器
１４ システム・コントローラ
１６ ディスプレイ・パネル
２０ ビデオ・ディスプレイ
２２ 刃具コントローラ
２４ 壁面吸引
４６ カメラ通信ユニット
５２ 電源
５４ 画像センサ
５６ カメラ・コントローラ
５８ 光検出器
６０ 非ビデオ送信機
６２ ビデオ送信機
６６ 非ビデオ受信機
７０ 光源コントローラ
７４ 電力スイッチ
７６ 電源
８０ 光源
１３７ 非ビデオ受信機
１４１ 非ビデオ送信機

Claims (6)

1. ワイヤレス内視鏡ビデオ・カメラ・ユニットと携帯型光源ユニットとの組み合わせ体であって、
   前記ワイヤレス内視鏡ビデオ・カメラ・ユニットは、
   手術部位の画像を感知し、電子画像シャッタを含む画像センサと、
   手術部位での光の立ち上がり時間および持続時間を感知し、この光の立ち上がり時間および持続時間の光存在信号を供給する光検出器と、
   前記画像センサから前記感知された画像を受信し、前記光検出器は前記電子画像シャッタがオンである時間中に限り前記携帯型光源ユニットから光が出力されることを確保するように前記光存在信号を用いるための閉ループ・フィードバック系を供給し、ビデオ出力をビデオ送信機に供給し、実際の光源位相および実際の光源オン時間を測定するための前記光存在信号を受信し、前記実際の光源位相および前記実際の光源オン時間から光源目標時間値および光源目標オン時間を決定し、前記感知された画像から情報を決定するカメラ・コントローラと、
   前記カメラ・コントローラから前記光源目標時間値および前記光源目標オン時間を受信し、前記光源目標時間値および前記光源目標オン時間を含むワイヤレスＲＦ信号を出力するカメラ非ビデオＲＦ送信機とを備え、
   前記携帯型光源ユニットは、
   前記カメラ非ビデオＲＦ送信機から前記ワイヤレスＲＦ信号を受信する光源非ビデオ受信機と、
   光を手術部位に出力する光源と、
   前記光源を付勢するための電力を供給する光源バッテリと、
   前記光源目標時間値および前記光源目標オン時間に応答して前記光源の動作を制御する光源コントローラとを備え、
   前記内視鏡ビデオ・カメラ・ユニットから前記携帯型光源ユニットに提供される前記ワイアレスＲＦ信号が、前記光源からの光出力を前記画像センサの前記電子画像シャッタと同期させる、
   ことを特徴とする画像センサの画像シャッタと光源とをワイヤレスで同期化する装置。
2. 前記カメラ非ビデオＲＦ送信機によって送信された前記ワイヤレスＲＦ信号は、約０．１マイクロ秒から約１ミリ秒までの時間間隔を有しているメッセージパケット内で前記光源目標時間値および前記光源目標オン時間Ｔを搬送する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像センサの画像シャッタと光源とをワイヤレスで同期化する装置。
3. 前記光源目標時間値は、光源目標位相を備え、
   前記光源コントローラは、前記光源からの前記光出力の前記光源目標位相を前記カメラ・コントローラによってビット値として認識できる所定の期間に亘ってシフトするように構成され、
   そのために、前記光源コントローラは、情報を前記カメラ・コントローラに送信する能力を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像センサの画像シャッタと光源とをワイヤレスで同期化する装置。
4. 前記携帯型光源ユニットから前記内視鏡ビデオ・カメラ・ユニットに送信された前記情報は、前記携帯型光源ユニットのタイプと、前記光源のため設けられた発光ダイオードのタイプと、前記光源バッテリのタイプと、前記光源バッテリの充電残量と、前記光源の耐用寿命と、前記光源の駆動時間とのうちの少なくとも１つを備える、
   ことを特徴とする請求項３に記載の画像センサの画像シャッタと光源とをワイヤレスで同期化する装置。
5. 前記光源目標時間値は、光源目標位相を備え、
   前記カメラ非ビデオＲＦ送信機によって送信された前記ワイヤレスＲＦ信号は、断続的ワイヤレスＲＦ信号であり、
   前記断続的ワイヤレスＲＦ信号の始まりは、前記携帯型光源ユニットの前記光源の動作のための前記光源目標位相の終わりおよび前記光出力の始まりを表し、
   前記断続的ワイヤレスＲＦ信号の終わりは、前記光源からの光出力のための前記光源目標オン時間の終わりを表す、
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像センサの画像シャッタと光源とをワイヤレスで同期化する装置。
6. 前記内視鏡ビデオ・カメラ・コントローラは、前記内視鏡ビデオ・カメラ・ユニットがもはやビデオ画像を収集することなく、かつ、送信していないとき、前記カメラ非ビデオＲＦ送信機を介して光オフ信号を送信するように構成され、
   前記光オフ信号に応答して、前記光源コントローラは、前記光源の作動を阻止するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像センサの画像シャッタと光源とをワイヤレスで同期化する装置。

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