JP6028135B1

JP6028135B1 - 内視鏡および内視鏡システム

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Publication number: JP6028135B1
Application number: JP2016543257A
Authority: JP
Inventors: 理足立
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2015-04-16
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2036-02-25
Also published as: CN106714658B; EP3195789A4; US10506917B2; US20170150869A1; WO2016167033A1; EP3195789A1; CN106714658A; JPWO2016167033A1

Abstract

パルス信号の停止時や起動時に高い電圧が撮像素子に印加されることを防止することができる内視鏡および内視鏡システムを提供する。内視鏡２は、受光部２３によって生成された撮像信号を外部へ出力する第１バッファ２６を有する第１チップ２１と、第１バッファ２６から出力された撮像信号を増幅して伝送ケーブル３に出力する第２バッファ２７を有する第２チップ２２と、を備え、第１バッファ２６は、受光部２３が撮像信号を出力しない期間に第２バッファ２７に所定の電圧を印加することによって、第２バッファ２７から所定のレベルの直流電流を伝送ケーブル３に出力させる。

Description

本発明は、被検体内に挿入され、該被検体内の体内を撮像して画像データを生成する内視鏡および内視鏡システムに関する。

従来、内視鏡の挿入部の先端にＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の撮像素子と、該撮像素子の近傍に設けた増幅器によって撮像素子が出力する撮像信号を増幅してプロセッサへ出力する技術が知られている（特許文献１参照）。この技術では、撮像素子を駆動するためのパルス信号を用いて、撮像素子および増幅器に印加される直流電圧を生成することによって、電源ケーブルの本数を減らすことで、内視鏡の挿入部の細径化を図っている。

特開２００３−１５３８５８号公報

ところで、従来の内視鏡に設けられた撮像素子の電源は、内視鏡の挿入部の細径化に伴って電源ケーブルが細くなり、電源ケーブルの抵抗が増加する。このため、従来の内視鏡では、撮像素子の消費電流による電圧降下を考慮して電源電圧を決定している。しかしながら、上述した特許文献１のように電源ケーブルの細径化を図った内視鏡では、撮像素子を駆動するためのパルス信号が停止した場合、消費電流が大きく低下し、撮像素子に高い電圧が印加されるとなり、撮像素子が故障する恐れがあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、撮像素子を駆動するパルス信号の停止時に高い電圧が撮像素子に印加されるのを防止することができる内視鏡および内視鏡システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内視鏡は、所定の画像処理を行う処理装置に伝送ケーブルを介して接続される内視鏡であって、２次元マトリクス状に配置され、外部から光を受光し、受光量に応じた撮像信号を生成して出力する複数の画素を有する撮像素子と、前記撮像素子によって生成された前記撮像信号を外部へ出力する第１バッファと、を有する第１チップと、前記第１バッファから出力された前記撮像信号を増幅して前記伝送ケーブルに出力する第２バッファを有する第２チップと、を備え、前記第１バッファは、前記撮像素子が前記撮像信号を出力しない期間に前記第２バッファに所定の電圧を印加することによって、前記第２バッファから前記撮像信号と異なるレベルの直流電流を前記伝送ケーブルに出力させることを特徴とする。

また、本発明に係る内視鏡は、上記発明において、前記第１バッファは、前記伝送ケーブルを介して前記処理装置から供給される電源電圧が分圧された電圧を前記第２バッファに印加することを特徴とする。

また、本発明に係る内視鏡は、上記発明において、前記第１バッファは、前記処理装置から供給される電源電圧が分圧された電圧により駆動される定電流源と、前記撮像信号が入力されるゲートと、前記第２バッファに接続されるソースと、を有するＰＭＯＳソースフォロアトランジスタであることを特徴とする。

また、本発明に係る内視鏡システムは、上記発明の内視鏡と、前記伝送ケーブルを介して前記撮像素子に駆動信号を送信する駆動信号生成部と、前記伝送ケーブルを介して前記第２バッファが増幅した前記撮像信号を受信する画像信号処理部と、前記伝送ケーブルを介して前記撮像素子、前記第１チップおよび前記第２チップそれぞれに電源電圧を供給する電源部と、を有する処理装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子を駆動するパルス信号の停止時に高い電圧が撮像素子に印加されるのを防止することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る内視鏡システムの全体構成を模式的に示す図である。図２は、本発明の一実施の形態に係る内視鏡システムの要部の機能を示すブロック図である。図３は、図２に示す第１バッファ、第２バッファおよび終端抵抗の詳細な構成を示す回路図である。図４は、第２バッファが出力する電流の変化を模式的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）として、被検体内に先端が挿入される内視鏡を備えた内視鏡システムについて説明する。また、この実施の形態により、本発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一の部分には同一の符号を付している。さらにまた、図面は、模式的なものであり、各部材の厚みと幅との関係、各部材の比率等は、現実と異なることに留意する必要がある。また、図面の相互間においても、互いの寸法や比率が異なる部分が含まれている。

〔内視鏡システムの構成〕
図１は、本発明の一実施の形態に係る内視鏡システムの全体構成を模式的に示す図である。図１に示す内視鏡システム１は、内視鏡２と、伝送ケーブル３と、コネクタ部５と、プロセッサ６（処理装置）と、表示装置７と、光源装置８と、入力部９と、を備える。

内視鏡２は、伝送ケーブル３の一部である挿入部１００を被検体の体内に挿入することによって被検体の体内画像を撮像して撮像信号（画像データ）をプロセッサ６へ出力する。また、内視鏡２は、伝送ケーブル３の一端側であり、被検体の体腔内に挿入される挿入部１００の先端１０１側に、体内画像の撮像を行う撮像部２０（撮像装置）が設けられ、挿入部１００の基端１０２側に、内視鏡２に対する各種操作を受け付ける操作部４が接続される。撮像部２０は、伝送ケーブル３により、操作部４を介してコネクタ部５に接続される。撮像部２０が撮像した画像の撮像信号は、例えば、数ｍの長さを有する伝送ケーブル３を通り、コネクタ部５に出力される。なお、本実施の形態では、内視鏡２が撮像装置として機能する。

伝送ケーブル３は、内視鏡２とコネクタ部５とを接続するとともに、内視鏡２と光源装置８とを接続する。また、伝送ケーブル３は、撮像部２０が生成した撮像信号をコネクタ部５に伝播する。伝送ケーブル３は、ケーブルや光ファイバ等を用いて構成される。

コネクタ部５は、内視鏡２、プロセッサ６および光源装置８に接続され、接続された内視鏡２が出力する撮像信号に所定の信号処理を施すとともに、撮像信号をアナログデジタル変換（Ａ／Ｄ変換）して画像信号としてプロセッサ６へ出力する。

プロセッサ６は、コネクタ部５から出力される画像信号に所定の画像処理を施すとともに、内視鏡システム１全体を統括的に制御する。なお、本実施の形態１では、プロセッサ６が処理装置として機能する。

表示装置７は、プロセッサ６が画像処理を施した画像信号に対応する画像を表示する。また、表示装置７は、内視鏡システム１に関する各種情報を表示する。表示装置７は、液晶や有機ＥＬ（Electro Luminescence）等の表示パネル等を用いて構成される。

光源装置８は、例えばハロゲンランプや白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等を用いて構成され、コネクタ部５、伝送ケーブル３を経由して内視鏡２の挿入部１００の先端側から被写体へ向けて照明光を照射する。

入力部９は、例えばキーボードやマウス等を用いて構成され、内視鏡システム１の各種操作の情報の入力を受け付ける。例えば、入力部９は、内視鏡２が撮像する撮像信号の増幅（ゲインアップ）や光源装置８の光量を指示する指示信号の入力を受け付ける。

図２は、内視鏡システム１の要部の機能を示すブロック図である。図２を参照して、内視鏡システム１の各部構成の詳細および内視鏡システム１内の電気信号の経路について説明する。図２に示すように、撮像部２０は、第１チップ２１（撮像素子）と、第２チップ２２と、を有する。

第１チップ２１は、２次元マトリクス状に配置され、外部から光を受光し、受光量に応じた撮像信号を生成して出力する複数の画素を有する受光部２３と、受光部２３で光電変換された撮像信号を読み出す読み出し部２４と、コネクタ部５から入力される基準クロック信号および同期信号に基づきタイミング信号を生成して読み出し部２４に出力するタイミング生成部２５と、読み出し部２４が受光部２３から読み出した撮像信号を増幅するとともに、読み出し部２４が受光部２３から読み出した撮像信号を出力しない期間に第２チップ２２の第２バッファ２７に所定の電圧を印加することによって、第２バッファ２７から所定のレベルの直流電流を伝送ケーブル３に出力させる第１バッファ２６と、を有する。なお、第１バッファ２６のより詳細な構成については、図３を参照して後述する。なお、本実施の形態では、受光部２３と読み出し部２４とが撮像素子として機能する。

第２チップ２２は、第１チップ２１から出力される複数の画素の各々から出力される撮像信号を増幅して伝送ケーブル３へ出力する第２バッファ２７を備える。なお、第２チップ２２のより詳細な構成については、図３を参照して後述する。

また、撮像部２０は、伝送ケーブル３を介してプロセッサ６内の電源部６１で生成された電源電圧ＶＤＤをグランド（ＧＮＤ）とともに受け取る。撮像部２０に供給される電源電圧ＶＤＤとグランド（ＧＮＤ）との間には、電源安定用のコンデンサＣ１００が設けられている。

コネクタ部５は、内視鏡２（撮像部２０）とプロセッサ６とを電気的に接続し、電気信号を中継する中継処理部として機能する。コネクタ部５と撮像部２０は、伝送ケーブル３で接続され、コネクタ部５とプロセッサ６とは、コイルケーブルにより接続される。また、コネクタ部５は、光源装置８にも接続されている。コネクタ部５は、終端抵抗５１と、アナログ・フロント・エンド部５２（以下、「ＡＦＥ部５２」という）と、撮像信号処理部５３と、駆動信号生成部５４と、を有する。

終端抵抗５１は、伝送ケーブル３の終端に設けられる。なお、終端抵抗５１のより詳細な構成については、図３を参照して後述する。

ＡＦＥ部５２は、撮像部２０から伝送された撮像信号を受信し、抵抗などの受動素子でインピーダンスマッチングを行った後、コンデンサで交流成分をとりだし、分圧回路で動作点を決定する。ＡＦＥ部５２は、撮像部２０から伝送されたアナログの撮像信号をＡ／Ｄ変換を行ってデジタルの撮像信号として撮像信号処理部５３へ出力する。

撮像信号処理部５３は、ＡＦＥ部５２から入力されるデジタルの撮像信号に対して、縦ライン除去やノイズ除去等の所定の信号処理を行ってプロセッサ６へ出力する。撮像信号処理部５３は、例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を用いて構成される。

駆動信号生成部５４は、プロセッサ６から供給され、内視鏡２の各構成部の動作の基準となる基準クロック信号（例えば、２７ＭＨｚのクロック信号）に基づいて、各フレームのスタート位置を表す同期信号を生成して、基準クロック信号とともに、伝送ケーブル３を介して撮像部２０のタイミング生成部２５へ出力する。ここで、駆動信号生成部５４が生成する同期信号は、水平同期信号と垂直同期信号とを含む。

プロセッサ６は、内視鏡システム１の全体を統括的に制御する制御装置である。プロセッサ６は、電源部６１と、画像信号処理部６２と、クロック生成部６３と、を備える。

電源部６１は、電源電圧ＶＤＤを生成し、この生成した電源電圧ＶＤＤをグランド（ＧＮＤ）とともに、コネクタ部５および伝送ケーブル３を介して、撮像部２０に供給する。

画像信号処理部６２は、撮像信号処理部５３で信号処理が施されたデジタルの撮像信号に対して、同時化処理、ホワイトバランス（ＷＢ）調整処理、ゲイン調整処理、ガンマ補正処理、デジタルアナログ（Ｄ／Ａ）変換処理、フォーマット変換処理等の画像処理を行って画像信号に変換し、この画像信号を表示装置７へ出力する。

クロック生成部６３は、内視鏡システム１の各構成部の動作の基準となる基準クロック信号を生成し、この基準クロック信号をＡＦＥ部５２、撮像信号処理部５３、駆動信号生成部５４および画像信号処理部６２へ出力する。

〔第１バッファ、第２バッファおよび終端抵抗の構成〕
次に、上述した第１バッファ２６、第２バッファ２７および終端抵抗５１の要部の詳細な構成について説明する。図３は、図２に示す第１バッファ２６、第２バッファ２７および終端抵抗５１の詳細な構成を示す回路図である。

図３に示すように、第１バッファ２６は、伝送ケーブル３を介してプロセッサ６の電源部６１から供給される電源電圧ＶＤＤが分圧された電圧を第２バッファ２７に印加する。第１バッファ２６は、第１分圧回路２６１と、第１トランジスタ２６２と、第２分圧回路２６３と、第２トランジスタ２６４と、カレントミラー回路２６５と、第３トランジスタ２６６と、を有する。

第１分圧回路２６１は、電源電圧ＶＤＤとグランドとの間に直列に接続された第１抵抗２６１ａおよび第２抵抗２６１ｂを有し、分圧された出力電圧Ｖｂｉａｓ１を第１トランジスタ２６２のゲートに印加する。

第１トランジスタ２６２は、ＮＭＯＳトランジスタを用いて構成される。第１トランジスタ２６２は、ドレイン側にカレントミラー回路２６５が接続され、ソース側に第３トランジスタ２６６が接続され、ゲートには第１分圧回路２６１から出力電圧Ｖｂｉａｓ１が印加される接続線が接続される。

第２分圧回路２６３は、電源電圧ＶＤＤとグランドとの間に直列に接続された第３抵抗２６３ａおよび第４抵抗２６３ｂを有し、分圧された出力電圧Ｖｂｉａｓ２を第２トランジスタ２６４のゲートに印加する。

第２トランジスタ２６４は、ＮＭＯＳトランジスタを用いて構成される。第２トランジスタ２６４は、ドレイン側に第３トランジスタ２６６が接続され、ソース側にグランドが接続され、ゲートには第２分圧回路２６３から出力電圧Ｖｂｉａｓ２が印加される接続線が接続される。

カレントミラー回路２６５は、第１トランジスタと第２トランジスタのオン抵抗で決定された電流を、第４トランジスタ２６５ａから、第５トランジスタ２６５ｂへ複製する。

第４トランジスタ２６５ａは、ＰＭＯＳトランジスタを用いて構成される。第４トランジスタ２６５ａは、ソース側に電源電圧ＶＤＤが接続され、ドレイン側に第１トランジスタ２６２のドレイン側が接続される。

第５トランジスタ２６５ｂは、ＰＭＯＳトランジスタを用いて構成される。第５トランジスタ２６５ｂは、ソース側に電源電圧ＶＤＤが接続され、ドレイン側に第３トランジスタ２６６が接続され、ゲートには第１トランジスタ２６２のドレイン側が接続される。

第３トランジスタ２６６は、ＰＭＯＳソースフォロアトランジスタを用いて構成される。第３トランジスタ２６６は、第１分圧回路２６１と第２分圧回路２６３により決定された電流を流すカレントミラー回路２６５によって分圧された電圧により駆動される定電流源と、ソース側に第１分圧回路２６１と第２分圧回路２６３により決定された電流を流すカレントミラー回路２６５が接続され、出力端（ソース側）に第２バッファ２７が接続され、入力端（ゲート側）には読み出し部２４によって受光部２３から読み出された撮像信号Ｖｉｎを伝播する接続線が接続される。

第２バッファ２７は、ＮＭＯＳトランジスタを用いて構成される。第２バッファ２７は、ドレイン側に電源電圧ＶＤＤが接続され、出力端（ソース側）に伝送ケーブル３のインピーダンスをマッチングするためのインピーダンス抵抗２８を介して撮像信号Ｖｏｕｔを外部へ伝播する伝送ケーブル３が接続され、入力端（ゲート側）には第１チップ２１から出力される撮像信号Ｖｉｎを伝播する信号線が接続される。

コネクタ部５は、少なくとも、ＧＮＤに接続された交流終端抵抗５０３と、ＧＮＤに接続された直流終端抵抗５０２と、第２チップ２２から出力される直流電流をカットする直流カットコンデンサ５０４と、を有する。

次に、上述した第２バッファ２７が出力する電流の変化について説明する。図４は、第２バッファ２７が出力する電流の変化を模式的に示す図である。図４において、横軸が時間を示し、縦軸が電流値を示す。また、図４の（ａ）が第２バッファ２７から出力される電流値を示し、図４の（ｂ）がクロック信号を示す。また、図４の（ａ）において、折れ線Ｌ１が第２バッファ２７から出力される電流値を示す。

図４に示すように、第２バッファ２７は、撮像部２０にクロック信号が供給される前、クロック信号の停止および内視鏡システム１のスタートアップ時等の定常動作以外の状況下において、第１バッファ２６から電源電圧ＶＤＤが分圧された所定の電圧（例えば１Ｖ）が印加されることで、オン状態になり、所定のレベルの直流電流を伝送ケーブル３に出力させることによって、電流を消費する。この消費電流により、伝送ケーブル３の電圧降下により、電源部６１の高い電圧が撮像部２０に印加されることを防止することができる。これにより、撮像部２０の動作不良および撮像部２０の素子破壊等を確実に回避することができる。

以上説明した本発明の一実施の形態によれば、撮像部２０が撮像信号を出力しない期間に、第１バッファ２６が第２バッファ２７に所定の電圧を印加することによって、第２バッファ２７から所定の直流電流を伝送ケーブル３に出力させるので、起動時やパルス信号の停止時等の定常動作以外に撮像部２０に高い電圧が印加されることを防止することができる。

なお、本発明の一実施の形態では、第３トランジスタ２６６をＰＭＯＳ、第２バッファ２７をＮＭＯＳで構成していたが、第３トランジスタ２６６をＮＭＯＳ、第２バッファ２７をＰＭＯＳで構成してもよい。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態を含みうるものであり、請求の範囲によって特定される技術的思想の範囲内で種々の設計変更等を行うことが可能である。

１内視鏡システム
２内視鏡
３伝送ケーブル
４操作部
５コネクタ部
６プロセッサ
７表示装置
８光源装置
９入力部
２０撮像部
２１第１チップ
２２第２チップ
２３受光部
２４読み出し部
２５タイミング生成部
２６第１バッファ
２７第２バッファ
２８インピーダンス抵抗
５１終端抵抗
５２ＡＦＥ部
５３撮像信号処理部
５４駆動信号生成部
６１電源部
６２画像信号処理部
６３クロック生成部
１００挿入部
１０１先端
１０２基端
２６１第１分圧回路
２６１ａ第１抵抗
２６１ｂ第２抵抗
２６２第１トランジスタ
２６３第２分圧回路
２６３ａ第３抵抗
２６３ｂ第４抵抗
２６４第２トランジスタ
２６５カレントミラー回路
２６５ａ第４トランジスタ
２６５ｂ第５トランジスタ
２６６第３トランジスタ
５０２直流終端抵抗
５０３交流終端抵抗
５０４直流カットコンデンサ
Ｃ１００コンデンサ

Claims

伝送ケーブルを介して接続された処理装置から供給される電源電圧により動作する内視鏡であって、
撮像素子と、該撮像素子によって生成された前記撮像信号を外部へ出力する第１バッファと、を有する第１チップと、
前記第１バッファから出力された前記撮像信号を増幅して前記伝送ケーブルに出力する第２バッファを有する第２チップと、
を備え、
前記第１バッファは、前記撮像素子が前記撮像信号を出力しない期間に前記第２バッファに所定の電圧を印加することによって、前記第２バッファが所定のレベルの直流電流を前記伝送ケーブルに出力させることを特徴とする内視鏡。
前記第１バッファは、前記伝送ケーブルを介して前記処理装置から供給される電源電圧が分圧された電圧を前記第２バッファに印加することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
前記第１バッファは、前記処理装置から供給される電源電圧が分圧された電圧により駆動される定電流源と、前記撮像信号が入力されるゲートと、前記第２バッファに接続されるソースと、を有するＰＭＯＳソースフォロアトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
請求項１に記載の内視鏡と、
前記伝送ケーブルを介して前記撮像素子に駆動信号を送信する駆動信号生成部と、前記伝送ケーブルを介して前記第２バッファが増幅した前記撮像信号を受信する画像信号処理部と、前記伝送ケーブルを介して前記撮像素子、前記第１チップおよび前記第２チップそれぞれに電源電圧を供給する電源部と、を有する処理装置と、
を備えたことを特徴とする内視鏡システム。