JP6113383B1 - 内視鏡システム及び内視鏡 - Google Patents

Abstract

内視鏡システムは、被検体内を撮像するとともに２つ以上のデジタル信号を出力する撮像素子１４と、撮像素子１４から出力された２つ以上のデジタル信号を光信号に変換して出力する電光変換部２７と、２つ以上の光伝送部材を含み、電光変換部２７から出力された２つ以上の光信号を２つ以上の光伝送部材により並列に伝送するように適合された光伝送部５ａと、撮像素子１４と電光変換部２７との間に設けられ、光伝送部５ａによって光伝送されたデータの伝送状態に基づいて、２つ以上の光伝送部材に供給される２つ以上のデジタル信号を組み合わせて一つ光伝送部材に出力可能な出力選択部２６と、を備える。

Description

本発明は、内視鏡システム及び内視鏡に関し、特に、画像信号を光伝送部材により伝送可能な内視鏡システム及び内視鏡に関する。

内視鏡が医療分野及び工業分野で広く利用されている。内視鏡は、挿入部の先端の観察窓を通して取得された被写体の画像を内視鏡画像として表示装置に表示して、検査などに用いられる。

被写体像は、撮像素子において光電変換され、撮像信号は、内視鏡から画像信号として配線を介して出力される。

また、近年、撮像素子の高画素化に伴い、画像信号を光伝送部材である光ファイバにより伝送する技術が提案されている。

光ファイバは、曲げ応力に弱く、損傷あるいは断線し易いため、そのような損傷などがあったときでも、内視鏡による被写体の観察を続行できるように、画像信号を、光信号による伝送と電気信号による伝送の２つの伝送手段とを有し、光信号と電気信号を切り替えて出力可能な内視鏡システムが、国際公開ＷＯ２０１２／０４６８５６号公報に提案されて開示されている。

その提案された内視鏡システムは、内視鏡と信号処理装置からなり、信号処理装置は、光信号による伝送異常の有無、例えば光ファイバの断線の有無に応じて、光信号による画素情報と電気信号による画素情報のいずれか一方を選択するように構成されている。

しかし、撮像素子の高画素化により画像信号のデータ量が大きくなると、電気信号による伝送が選択されているとき、電気信号による伝送では画像信号の伝送速度が遅く、適切な画像の生成ができない場合がある。

そこで、本発明は、画像信号のデータ量が大きくても、光信号による伝送異常時に、画像信号を適切に伝送できる内視鏡システム及び内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の一態様の内視鏡システムは、被検体内を撮像するとともに２つ以上のデジタル信号を出力する撮像部と、前記撮像部から出力された前記２つ以上のデジタル信号を光信号に変換して出力する電光変換部と、２つ以上の光伝送部材を含み、前記電光変換部から出力された２つ以上の光信号を前記２つ以上の光伝送部材により並列に伝送するように適合された光伝送部と、前記撮像部と前記電光変換部との間に設けられ、前記光伝送部によって光伝送されたデータの伝送状態に基づいて、前記２つ以上の光伝送部材に供給される前記２つ以上のデジタル信号を組み合わせて一つの光伝送部材に出力可能な信号出力部と、を備える。

本発明の一態様の内視鏡は、被検体内を撮像するとともに２つ以上のデジタル信号を出力する撮像部と、２以上の電光変換器を含み、前記撮像部から出力された前記２つ以上のデジタル信号を光信号に変換して前記２以上の電光変換器から並列に出力する電光変換部と、前記撮像部と前記電光変換部との間に設けられ、前記２つ以上の電光変換器に供給される前記２つ以上のデジタル信号を組み合わせて一つの電光変換器に出力可能な信号出力部と、を備える。

本発明の実施の形態に係わる内視鏡システムの構成図である。 本発明の実施の形態に係わる内視鏡画像の分割を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係わる内視鏡システム１の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係わる出力選択部２６の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係わる、スイッチ部５３の接続状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係わる、４つの出力端Oa〜Odからの信号の出力タイミングを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本実施の形態に係わる内視鏡システムの構成図である。内視鏡システム１は、内視鏡２と、ビデオプロセッサ３と、表示装置４とを含んで構成されている。内視鏡２とビデオプロセッサ３は、ユニバーサルケーブル５により接続されている。

内視鏡２は、硬性鏡であり、挿入部１１と、接眼部１２と、カメラヘッド１３とを有している。
挿入部１１は、硬性の管状部材内に配置された対物レンズ系及びリレーレンズ系を有している。接眼部１２は、挿入部１１の基端部に設けられている。接眼部１２は、接眼レンズを有しており、術者は、接眼部１２に眼を近づけることにより、被写体の像を見ることができる。

さらに、内視鏡２は、接眼部１２に着脱可能に装着されたカメラヘッド１３を有している。
カメラヘッド１３は、撮像素子１４を内蔵している。撮像素子１４は、接眼部１２の接眼レンズを通った光を受光する撮像面を有する。撮像素子１４は、ここでは、例えば4K解像度、あるいは８K解像度を有する画像信号を出力する。

さらに、カメラヘッド１３には、ユーザが操作可能な、フリーズボタンなどの各種スイッチを有する操作部１３ａが設けられている。
ビデオプロセッサ３は、内視鏡２から受信した画像信号に対して、各種画像処理を施して、表示装置４に出力する信号処理装置である。表示装置４には、内視鏡画像が表示される。

ユニバーサルケーブル５は、複数（ここでは４本）の光伝送部材である光ファイバを含み、撮像素子１４で得られた画素情報を含む画像信号は、複数の光ファイバを介して光信号によりカメラヘッド１３からビデオプロセッサ３へ伝送される。
なお、ここでは、接眼部１２とカメラヘッド１３は別々であるが、分離できないように接眼部１２とカメラヘッド１３を一体でもよい。

なお、ユニバーサルケーブル５に配置される複数の光ファイバは、例えば石英ガラスで極めて細径（例えば、径０．１２５ｍｍ等）に形成されていて非常に脆弱であるために、各光ファイバを例えば紫外線硬化型樹脂で一次被覆した後に、さらに、例えば保護チューブで覆って保護している。このときには、一次被覆された複数の光ファイバを１まとめにして保護チューブで被覆しても良いし、一次被覆された複数の光ファイバのそれぞれを個別に保護チューブで被覆しても構わない。

内視鏡画像は、高画素化のため、１フレームの画像を複数の画素領域に分割され、内視鏡２は、画素領域毎の画像信号をユニバーサルケーブル５を介してビデオプロセッサ３に伝送する。

図２は、内視鏡画像の分割を説明するための図である。図２は、内視鏡画像２１Xが、複数、ここでは４つに分割されていることを示している。
具体的には、１フレームの内視鏡画像２１Xは、４つの画素領域２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに分割される。各画素領域の画像信号は、画素領域内の複数の画素情報を含み、ビデオプロセッサ３に並列に伝送される。

図３は、内視鏡システム１の構成を示すブロック図である。
ユニバーサルケーブル５は、カメラヘッド１３に接続され、カメラヘッド１３から延出するユニバーサルケーブル５は、図示しないコネクタを介してビデオプロセッサ３に接続されている。ユニバーサルケーブル５には、複数本の光ファイバ５ａと、複数本の電気的な配線５ｂとが挿通されている。複数本の配線５ｂは、金属導線などの金属伝送部材を含み、後述するように、異常検知部３２により異常が検知された場合、出力選択部２６に対して異常に関する情報を伝送するための金属伝送部を構成する。

カメラヘッド１３内の撮像素子１４は、CMOSイメージセンサであり、受光面を有する受光部２１と、ノイズ除去部２２と、アナログデジタル変換部（以下、A/Dと略す）２３と、タイミングジェネレータ（以下、TGと略す）２４と、制御回路２５とを含む。

撮像素子１４は、CMOS撮像素子であり、受光部２１の受光面は、４つの画素領域２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに分割されている。受光部２１で光電変換された画像信号は、ノイズ除去部２２に出力される。

具体的には、４つの画素領域２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの画像信号が、それぞれノイズ除去部２２内の４つのノイズ除去回路に出力される。ノイズ除去部２２は、ノイズ除去された画素領域毎の画像信号を、A/D２３に出力する。

よって、撮像素子１４は、被検体内を撮像するとともに２つ以上のデジタル信号、ここでは４つの画素領域のデジタル信号を出力する撮像部を構成する。撮像素子１４から出力された２つ以上のデジタル信号は、被写体を撮像して得られた画像の分割された２つ以上の撮像エリアに対応する。

A/D２３は、画素領域毎のアナログデジタル変換回路を含み、画像信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して出力選択部２６へ出力する。
TG２４は、各種タイミング信号を生成して、制御回路２５に出力する。制御回路２５は、各種タイミング信号に基づいて、受光部２１、ノイズ除去部２２及びA/D２３を駆動する。

出力選択部２６は、カメラヘッド１３内に設けられており、４つの入力端子TIa、TIb、TIc、TIdと、４つの出力端子TOa、TOb、TOc、TOdを有する。４つの入力端子TIa、TIb、TIc、TIdは、それぞれ４つの画素領域２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに対応している。４つの画素領域２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの４つの画像信号は、それぞれ４つの入力端子TIa、TIb、TIc、TIdに入力される。出力選択部２６は、電光変換部２７と接続されている。

出力選択部２６は、４つの入力端子TIa、TIb、TIc、TIdに入力された４つの画像信号の出力先を、４つの出力端子TOa、TOb、TOc、TOdのいずれから出力するかを選択して、電光変換部２７へ出力する回路である。

なお、ここでは、出力選択部２６は、カメラヘッド１３内において撮像素子１４とは別の回路として設けられているが、例えば、操作部１３a内に設けられた回路基板１５に搭載してもよいし、CMOSイメージセンサである撮像素子１４のチップ内に設けられてもよい。

出力選択部２６の構成については、後述する。
電光変換部２７は、カメラヘッド１３内に設けられている。電光変換部２７は、出力選択部２６の４つの出力端子TOa、TOb、TOc、TOdに対応する４つの電光変換器（E/O）を有している。４つの電光変換器は、それぞれユニバーサルケーブル５内に挿通された４本の光ファイバ５ａ１〜５ａ４と接続されている。

すなわち、電光変換部２７は、２以上の電光変換器を含み、撮像素子１４から出力された２つ以上のデジタル信号を光信号に変換して２以上の電光変換器から並列に出力する。複数本の光ファイバ５ａは、２つ以上の光伝送部材を含み、電光変換部２７から出力された２つ以上の光信号を２つ以上の光伝送部材により並列に伝送するように適合された光伝送部を構成する。

ビデオプロセッサ３は、光電変換部３１と、異常検出部３２と、画像処理部３３と、駆動信号生成部３４と、基準クロック生成部３５とを有している。
光電変換部３１は、４本の光ファイバ５ａ１〜５ａ４に対応する４つの光電変換回路（O/E）を有している。すなわち、光電変換部３１は、光伝送部である複数本の光ファイバ５ａにより伝送された光信号を電気信号に変換する。

光電変換部３１は、異常検出部３２に接続されている。異常検出部３２は、各光電変換回路（O/E）の出力をモニタして、４つの光信号に異常があるか否かを判定し、異常を検出する回路である。異常とは、光信号が欠損している、ノイズレベルが所定値以上である、等の場合をいう。

すなわち、異常検出部３２は、光電変換部３１により出力された電気信号が入力され、電気信号に基づいて複数本の光ファイバ５ａの異常を検知する。

異常検出部３２は、異常を検出すると、所定の異常検出信号ASを生成して出力する。異常検出信号ASは、ユニバーサルケーブル５内に挿通された複数の配線５ｂの１本を介して、出力選択部２６に供給される。異常検出信号ASは、異常の検出された光ファイバを示す情報を含む。すなわち、異常検知部３２は、異常を検知した場合、信号出力部である出力選択部２６に対して異常が生じている光ファイバの情報を伝達する。
また、異常検出部３２は、受信した各画素領域の画像信号を画像処理部３３へ伝送する。

画像処理部３３は、異常検出部３２を介して受信した画像信号を組み合わせて、所定の画像処理を施して、内視鏡画像を生成する。生成された内視鏡画像の画像信号は、表示装置４に供給されて、内視鏡画像が表示画面上に表示される。

駆動信号生成部３４は、撮像素子１４内の各種回路を駆動する駆動信号を生成し、複数の配線５ｂの一部を介してカメラヘッド１３へ供給する。
基準クロック生成部３５は、ビデオプロセッサ３内の各種回路が駆動するタイミングの基準となる基準クロックを生成する。

なお、駆動信号生成部３４は、ここでは、ビデオプロセッサ３内に設けられているが、カメラヘッド１３内に設けられていてもよい。
図４は、出力選択部２６の構成を示すブロック図である。

出力選択部２６は、バッファ部５１と、パラレルシリアル変換部５２と、スイッチ部５３と、切替制御部５４とを含んで構成されている。
バッファ部５１は、４つの入力端子TIa、TIb、TIc、TIdに対応する４つのバッファ回路を含み、各バッファ回路は、対応するアナログデジタル変換回路からの画像信号を格納する。また、各バッファ回路は、切替制御部５４からの遅延指示信号TSに基づいて、格納された画像信号の出力タイミングを遅延させる機能を有する。

パラレルシリアル変換部５２は、４つのパラレルシリアル変換回路を含み、各パラレルシリアル変換回路は、対応するバッファ回路からの画像信号を入力して、シリアル信号に変換して出力する。
なお、ここでは、バッファ部５１は、パラレルシリアル変換部５２の入力側に設けられているが、パラレルシリアル変換部５２の出力側に設けてもよい。

スイッチ部５３は、４つの入力端Ia〜Idと、４つの出力端Oa〜Odとの接続状態を切り替える回路である。パラレルシリアル変換部５２の４つのパラレルシリアル変換回路の出力は、それぞれ４つの入力端Ia〜Idに接続されている。

スイッチ部５３は、切替制御部５４からの切替指示信号SSに基づいて、４つの入力端Ia〜Idと４つの出力端Oa〜Odとの接続状態を切り替える回路である。
４つの入力端Ia〜Idは、通常すなわち異常検出部３２が光伝送の異常を検出していないとき、図４において実線で示すように、それぞれ４つの出力端Oa〜Odと接続するように、スイッチ部５３において４つの入力端Ia〜Idの出力先は選択されている。

また、スイッチ部５３は、異常検出部３２が光伝送の異常を検出したときには、図４において点線で示すように、入力端Iaは出力端Obに、入力端Ibは出力端Ocに、入力端Icは出力端Odに、入力端Idは出力端Ocに、切替可能に構成されている。
すなわち、出力選択部２６は、撮像素子１４と電光変換部２７との間に設けられ、複数本の光ファイバ５ａによって光伝送されたデータの伝送状態に基づいて、２つ以上の光伝送部材に供給される２つ以上のデジタル信号を組み合わせて一つ光伝送部材に出力可能な信号出力部を構成する。

なお、図４において点線で示す異常検出時の各入力端と各出力端の接続関係は、一例であり、図４において点線で示す以外の接続関係でもよい。

切替制御部５４は、異常検出部３２からの異常検出信号ASに基づいて、異常の検出された光ファイバで伝送していた画像信号を、異常の検出されていない光ファイバで、他の画素領域の画像信号と組み合わせて伝送するように、４つの入力端Ia〜Idと４つの出力端Oa〜Odとの接続状態を切り替える。

信号出力部である出力選択部２６は、異常が生じている光伝送部材に対応するデジタル信号を他の光伝送部材により伝送できるように組み合わせて出力する。

切替制御部５４では、光ファイバの異常が検出された場合に、その異常状態に応じて、異常が検出された光ファイバで伝送されていた画像信号を、他の光ファイバを用いて、どのように伝送するかが予め決められている。

ここでは、光ファイバ５ａ１に異常が検出されると、入力端Iaは出力端Obに接続される。光ファイバ５ａ２に異常が検出されると、入力端Ibは出力端Ocに接続される。光ファイバ５ａ３に異常が検出されると、入力端Icは出力端Odに接続される。光ファイバ５ａ４に異常が検出されると、入力端Idは出力端Ocに接続される。

よって、切替制御部５４は、異常検出部３２からの異常検出信号ASに基づいて、スイッチ部５３における、４つの入力端Ia〜Idと４つの出力端Oa〜Odとの接続状態を予め決められた接続状態に切り替え、かつ組合せた２つ以上の画像信号の各々の出力タイミングを指示する。

切替制御部５４は、想定される光ファイバの異常に応じて、予め決められた切替指示信号SSをスイッチ部５３へ出力し、予め決められた遅延指示信号TSをバッファ部５１へ出力する。
切替制御部５４は、中央処理装置（CPU）とメモリを用いて実現してもよいし、ロジック回路で実現してもよい。

例えば、光ファイバ５ａ１が断線し異常検出部３２が異常を検出すると、異常検出信号ASが切替制御部５４に出力される。異常検出信号ASは、光ファイバ５ａ１に異常があること示す情報を含む。

切替制御部５４は、光ファイバ５ａ１が異常であるときは、光ファイバ５ａ２を用いて、元々光ファイバ５ａ２により伝送していた画素領域２１ｂの画像信号に加えて、光ファイバ５ａ１により伝送していた画素領域２１ａの画像信号を送信するように、切替指示信号SSと、遅延指示信号TSとを、それぞれスイッチ部５３とバッファ部５１に出力するように、構成されている。

異常検出信号ASは、どの光ファイバに異常があるかを示す情報を含むので、切替指示信号SSは、異常検出信号ASに応じた接続状態にするように指示する信号であり、遅延指示信号TSも、異常検出信号ASに応じた出力タイミングで各バッファ回路から画像信号を出力するように指示する信号である。

図５は、スイッチ部５３の接続状態を示す図である。図６は、４つの出力端Oa〜Odからの信号の出力タイミングを示す図である。
図５は、光ファイバ５ａ１に異常が検出されて、光ファイバ５ａ２を用いて、画素領域２１ａの画像信号SMaと画素領域２１ｂの画像信号SMbを送信する場合を示す。図５に示すように、切替制御部５４は、光ファイバ５ａ１に異常があること示す情報を含む異常検出信号ASを受信すると、入力端Iaと入力端Ibを出力端Obに接続するように、内部のスイッチの接続状態を変更する切替指示信号SSをスイッチ部５３へ出力する。

さらに、切替制御部５４は、光ファイバ５ａ１に異常があること示す情報を含む異常検出信号ASを受信すると、画素領域２１ａの画像信号SMaのバッファ回路からの出力タイミングを所定の時間tdだけ遅らせる遅延指示信号TSをバッファ部５１へ出力する。

図６の場合は、入力端Iaに対応するバッファ回路に対して信号の出力タイミングを時間tdだけ遅らせる遅延指示信号TSが切替制御部５４から出力される。
上述した例は、１本の光ファイバが断線した場合であるが、２本の光ファイバが断線する場合もある。

例えば、光ファイバ５ａ１と５ａ３が断線したときは、図５において、二点鎖線で示すように、スイッチ部５３では、入力端Icと入力端Idが出力端Odにも接続されるように、内部の接続状態は、変更される。
さらに、図６において、二点鎖線で示すように、入力端Icに対応するバッファ回路に対して出力を時間tdだけ遅らせる遅延指示信号TSが切替制御部５４から出力される。

さらに、図示しないが、光ファイバ５ａ２及び５ａ４が断線したときは、スイッチ部５３では、入力端Ib,Ic,Idを出力端Odに接続するように、内部のスイッチの接続状態は、変更され、入力端Ibに対応するバッファ回路に対して出力を時間tdだけ遅らせ、入力端Idに対応するバッファ回路に対して出力を時間2tdだけ遅らせる遅延指示信号TSが切替制御部５４から出力される。

以上のように、内視鏡システム１では、画像信号を分割して複数の光ファイバにより内視鏡２からビデオプロセッサ３へ並列に伝送するようにすると共に、光伝送の異常が検出されると、異常の検出された光ファイバにおいて伝送されていた画素領域の画像信号は、正常な光ファイバにより、他の画素領域の画像信号と組み合わせて伝送される。

よって、上述した実施の形態によれば、画像信号のデータ量が大きくても、光信号による伝送異常時に、画像信号を適切に伝送できる内視鏡システム及び内視鏡を提供することができる。

なお、上述した実施の形態では、内視鏡は、硬性鏡であるが、挿入部が可撓性を有する軟性鏡でもよい。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。

本出願は、２０１６年３月４日に日本国に出願された特願２０１６−４２５０３号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲に引用されるものとする。

Claims (9)

1. 被検体内を撮像するとともに２つ以上のデジタル信号を出力する撮像部と、
   前記撮像部から出力された前記２つ以上のデジタル信号を光信号に変換して出力する電光変換部と、
   ２つ以上の光伝送部材を含み、前記電光変換部から出力された２つ以上の光信号を前記２つ以上の光伝送部材により並列に伝送するように適合された光伝送部と、
   前記撮像部と前記電光変換部との間に設けられ、前記光伝送部によって光伝送されたデータの伝送状態に基づいて、前記２つ以上の光伝送部材に供給される前記２つ以上のデジタル信号を組み合わせて一つの光伝送部材に出力可能な信号出力部と、
   を備えたことを特徴とする内視鏡システム。
2. 前記光伝送部により伝送された光信号を電気信号に変換する光電変換部を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
3. 前記光電変換部により出力された前記電気信号が入力され、前記電気信号に基づいて前記光伝送部の異常を検知する異常検知部を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡システム。
4. 前記異常検知部は、前記異常を検知した場合、前記信号出力部に対して異常が生じている光伝送部材の情報を伝達し、
   前記信号出力部は、前記異常が生じている光伝送部材に対応するデジタル信号を他の光伝送部材により伝送できるように組み合わせて出力することを特徴とする請求項３に記載の内視鏡システム。
5. 金属伝送部材を含み、前記異常検知部により前記異常が検知された場合、前記信号出力部に対して異常に関する情報を伝送するための金属伝送部を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の内視鏡システム。
6. 前記撮像部から出力された前記２つ以上のデジタル信号は、前記被検体内を撮像して得られた画像の分割された２つ以上の撮像エリアに対応することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
7. 前記信号出力部は、前記撮像部とは別の回路としてカメラヘッド内に設けられることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
8. 前記撮像部はCMOSイメージセンサにより構成され、
   前記信号出力部は、前記撮像部のチップ内に形成されることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
9. 被検体内を撮像するとともに２つ以上のデジタル信号を出力する撮像部と、
   ２以上の電光変換器を含み、前記撮像部から出力された前記２つ以上のデジタル信号を光信号に変換して前記２以上の電光変換器から並列に出力する電光変換部と、
   前記撮像部と前記電光変換部との間に設けられ、前記２つ以上の電光変換器に供給される前記２つ以上のデジタル信号を組み合わせて一つの電光変換器に出力可能な信号出力部と、
   を備えたことを特徴とする内視鏡。

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