KR20090082894A - 무선 내시경 카메라 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저장 및/또는 비디오 모니터 상에서의 디스플레이를 위해 내시경 카메라로부터 수신기 또는 제어 유닛으로 비디오 이미지 시그널을 무선으로 전송하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 데이타 스트림을 점진적으로 엔코딩할 수 있는 프레임-특이, 가변 압축 알고리즘의 사용은 다양한 해상도에서 이미지를 생성할 수 있는 고성능 및 고품질 무선 내시경 카메라 시스템을 제공한다. 초광대역(UWB)과 같은 단거리, 고성능 무선 기술의 사용은 전력 소모를 최소화하고 배터리 수명을 연장시키면서 시스템의 성능 가능출력을 개선시킨다. 오류 정정 코드의 실행 뿐만 아니라 다중 송신 및 수신 안테나의 사용은 무선 통신의 충실도를 더욱 개선시킨다.
Figure P1020097009985
무선 내시경 카메라, 내시경 카메라, 제어 유닛, 비디오 이미지 시그널, 송신기, 수신기.

Description

무선 내시경 카메라 {WIRELESS ENDOSCOPIC CAMERA}
관련 출원에 대한 상호참조
본 출원은 전문이 본원에 참고로 인용되어 있는 2006년 11월 16일자로 출원된 미국 가특허원 제60/859,413호의 이익을 청구한다.
발명의 분야
본 발명은 신뢰할 수 있는 고성능 무선 내시경 카메라 시스템 및 내시경 카메라 헤드에서 제어 유닛으로 이미지를 무선 전송하기 위한 상응하는 방법에 관한 것이다.
내시경 검사는 환자의 신체의 내부 특성을 최소한으로 침해하면서 관측할 수 있는 기술이다. 의학에서, 내시경 검사는 침해적인 수술을 필요로 하지 않으면서 사람 신체의 내부 특성의 고품질 이미지를 획득할 수 있다. 내시경 검사의 기본 기기는 내시경이며, 이것은 관측하고자 하는 환자의 신체내로 삽입된다. 일부 내시경 시술은, 예를 들면, 위장병학 의료 분야에서와 같이 가요성 스코프(flexible scope)의 사용을 포함한다. 관절경 검사 또는 및 복강경 검사와 같은 기타의 의료 시술은 강체 스코프(rigid scope)를 사용한다. 스코프는 통상적으로 빛을 스코프를 통해 신체로 전달하는 고강도 광원에 커플링된다. 그후, 신체 내부의 이미지를 나타내는 반사광이 스코프로 들어오고, 비디오 이미지 데이타를 획득하기 위한 전자공학을 포함하는 카메라 헤드로 직사된다. 카메라에 의해 획득된 비디오 이미지를 표시 및/또는 기록하기 위해, 카메라 헤드는 전형적으로 비디오 모니터 또는 다른 디스플레이 장치에 직접 커플링되거나, 또는 대안적으로 중간 비디오 프로세싱 시스템에 커플링된다.
종래의 내시경에서는, 유선 접속(즉, 케이블)을 사용하여 카메라 헤드를 비디오 모니터 또는 프로세싱 시스템에 물리적으로 접속시킨다. 내시경에 의해 관측되는 이미지는 카메라 헤드에 의해 비디오 이미지로 변환된 다음 표시를 위해 유선 접속에 의해 비디오 모니터로 전송된다.
불행하게도, 카메라 헤드와 모니터 사이의 유선 접속의 존재는 각종 문제점을 야기한다. 첫째, 유선 접속은 종종 내시경의 자유로운 이동을 방해하기 때문에, 카메라 헤드에서의 유선 접속의 존재는 외과의가 수술하는 것을 어렵게 만든다. 또한, 유선 접속을 사용하는 카메라 헤드는 수술 동안 오염 위험이 크다. 내시경 및 관련 카메라 헤드는 수술 장비이며, 그 자체로 무균 물품만이 허용되는, 환자 주위의 한정된 영역인 "무균 영역(sterile field)" 내에서 사용된다. 그러나, 카메라 헤드에 접속하는 장치, 즉 비디오 모니터, 비디오 리코더 등은 살균할 수 없으며, 이에 따라 무균 영역 바깥에서 유지되어야 한다. 따라서, 무균 카메라 헤드와 비-무균 모니터 사이에 물리적 링크가 존재하기 때문에 유선 접속은 무균 영역의 유지를 복잡하게 한다.
상기한 문제점을 해결하기 위해, 제조자들은 비디오 이미지 데이타를 무균 영역 바깥의 장치로 무선으로 전달하기 위해 송신기(transmitter)를 삽입한 내시경 카메라 헤드를 생산하기 시작했다. 그러나, 이것은 여러가지 새로운 문제점을 야기한다. 무선 통신은 종종 다양한 유형의 전자기 간섭을 받기 쉬워, 카메라 헤드가 신뢰할 수 없게 된다. 장애물로 인한 무선 시그널의 두절이 또한 문제가 될 수 있다. 시술 동안, 외과의는 카메라 헤드 또는 내시경 위에서의 이들의 홀드를 빈번하게 변화시킬 수 있으며, 이에 의해 카메라 헤드의 안테나가 가리거나 차단될 수 있다. 외과의는 또한 시술 동안 많이 움직일 수 있어, 자신의 시야를 개선시키거나 보다 나은 접근을 얻기 위해 환자의 신체를 기준으로 한 자신의 위치를 변경할 수 있다. 그 결과, 카메라 헤드의 위치가 자주 변할 수 있으며, 이에 의해 무선 시그널 경로가 룸 내의 물체 또는 심지어 외과의 신체에 의해 가로막힐 기회가 증가할 수 있다. 또한, 카메라 헤드와 모니터 사이의 무선 접속은 비교적 낮은 데이타 전송 속도에 국한될 수 있으며, 이에 의해 더 많은 대역폭의 집약적인 고충실도 디지털 비디오 시그널의 전송을 제한할 수 있다. 현존 내시경 카메라에 전형적으로 사용되는 이미지 압축 방식에 있어서의 제한은 또한 무선 접속의 신뢰성을 감소시킬 뿐만 아니라 비디오의 품질에 대한 제한을 가중시키는 경향이 있다.
발명의 요지
내시경 카메라 헤드로부터 제어 유닛으로의 비디오 이미지 데이타의 신뢰할 수 있는 고성능 무선 전송을 제공할 수 있는 무선 내시경 카메라 시스템. 고감도 이미지 센서는 저광 조건에서 이미지를 캡처할 수 있도록 한다. 이후, 비디오 이미지 데이타는 하나의 양태에 따라 손실 또는 무손실 가변 압축 프로세스를 거친다. 시그널의 증가된 충실도는 또 다른 양태에서 하나 이상의 오류 정정 코드(error correcting code)의 실행을 통해 달성된다.
추가의 양태에서, 고성능 단거리 무선 기술, 예를 들면, UWB가 카메라 헤드로부터 제어 유닛으로 비디오 이미지 시그널을 전달하는 데 사용된다.
무선 기술의 감소된 전력 요구로 인해 카메라 헤드의 증가된 배터리 수명이 또한 달성된다.
다중 시스템 사이의 통신오류(miscommunication) 또는 방해를 최소화하기 위해, 추가의 양태의 각 시스템에 하나의 송신기를 하나의 수신기에 끼우거나 동조시키는 능력을 제공하여, 제어 유닛이 단지 이의 대응하는 카메라 헤드로부터의 무선 시그널만을 인정하는 것을 보장할 수 있다.
휴대용 전원, 예를 들면, 재충전 가능한 배터리가 카메라 헤드에 전력을 제공한다. 하나의 양태에 따르면, 카메라 헤드는 하나 이상의 휴대용 전원을 동시에 수용함으로써 하나의 전원은 대체시키면서 다른 전원은 계속 카메라 헤드에 전력을 공급하도록 할 수 있다. 비상시, 예를 들면, 충전된 배터리의 부족 또는 무선 통신 두절시, 또 다른 양태는 카메라 헤드를 제어 유닛에 접속시키고 카메라 헤드를 계속 작동되도록 할 수 있는 살균 가능한 백업 케이블의 사용을 포함한다.
카메라 헤드와 제어 유닛 사이의 무선 링크의 충실도를 개선시키기 위해, 추가의 양태는 카메라 헤드와 제어 유닛 중의 하나 또는 둘 다에 대해 다중 안테나의 사용을 포함한다. 다중 안테나는 카메라 헤드 위 뿐만 아니라 작업실 내에서의 다수의 정렬 및 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 양태가 예를 들어 예시되어 있지만 첨부된 도면에 도시된 특수한 양태에 제한되는 것으로 해석되어서는 안되며, 첨부된 도면에서 도면 부호는 동일한 부재를 나타낸다:
도 1은 본 발명의 하나의 양태에 따르는 무선 내시경 카메라 시스템을 나타낸다.
도 2A 내지 2D는 본 발명의 또 다른 몇 가지 양태에 따르는 무선 카메라 헤드에 대한 상이한 안테나 배치의 정면도(도 2A 및 2B), 사시도(도 2) 및 종방향 단면도(도 2D)를 나타낸다.
도 3은 카메라 헤드를 포함하는 기본 부품 뿐만 아니라 이들 부품을 통한 비디오 이미지 데이타의 흐름을 나타내는 블럭 다이아그램이다.
도 4는 제어 유닛을 포함하는 기본 부품 뿐만 아니라 이들 부품을 통한 비디오 이미지 데이타의 흐름을 나타내는 블럭 다이아그램이다.
도 5는 카메라와 카메라 헤드 사이의 무선 광학계 통신 링크를 포함한 무선 내시경 카메라 시스템의 종방향 단면도를 나타낸다.
도 6은 카메라와 카메라 헤드 사이의 비-접촉 RF 통신 링크를 포함한 무선 내시경 카메라 시스템의 종방향 단면도를 나타낸다.
도 7은 하나의 양태에 따르는 LED 어레이를 포함한 무선 카메라 헤드의 종방향 단면의 단편도이다.
도 8은 LED 어레이를 나타내도록 내시경을 분리시킨, 도 7의 카메라 헤드의 말단도이다.
도 9는 카메라 헤드 및 부착된 내시경 사이의 전기적 인터페이스(electrical interface)를 포함하는 하나의 양태에 따르는 무선 카메라 헤드의 종방향 단면도이다.
도 10은 전기적으로 통전되는(electrically energized) 동심성 접촉 링을 나타내도록 내시경을 제거한, 도 9의 카메라 헤드의 말단도이다.
도 11은 전기적으로 통전되는 가변 저항 접촉 링을 포함하는 카메라 헤드의 말단도이다.
도 12는 가요성 내시경에 부착된 무선 카메라 헤드를 포함하는 무선 내시경 카메라 시스템을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 하나의 양태에 따르는 무선 내시경 카메라 시스템(5)을 나타낸다. 무선 카메라 헤드(10)는 커넥터(14)에 의해 내시경(12)에 분리가능하게 장착된다. 카메라 헤드(10) 내에는 카메라 자체를 위한 전기공학 뿐만 아니라 무선 송신기 시스템을 구성하는 전기공학에 전력을 공급하는 배터리가 담겨있다. 무선 시그널을 수신기로 보내기 위한 하나 이상의 안테나(16)가 카메라 헤드(10) 내부에 삽입되거나 그 위에 장착되어 있다. 카메라 헤드(10)는 또한 카메라 헤드(10)에 전력을 제공할 수 있는 유선 접속을 수용하기 위해 및/또는 비디오 이미지 데이타의 전송을 위해 하나 이상의 인터페이스(18), 예를 들면, 잭(jack)을 포함할 수 있다.
카메라 헤드(10)에 의해 전송된 무선 비디오 시그널을 수신하고 프로세싱하는 제어 유닛(20)은 무균 영역 외부에 위치한다. 무선 비디오 시그널을 제어 유닛(20)으로 수신 및 전달하기 위한 하나 이상의 안테나(22)가 제어 유닛(20)과 연결되어 있다. 이러한 안테나(22)는 제어 유닛(20)내에 삽입되거나, 이에 부착되거나, 또는 이에 인접하여 또는 떨어져 배치될 수 있다. 대안적으로, 데이타의 전송을 위한 유선 접속을 수신하기 위해 중앙 제어 유닛(20)에 인터페이스(24) 뿐만 아니라 각종 콘트롤 또는 스위치(26) 및 삽입된 디스플레이(29)가 제공될 수 있다. 비디오 모니터(30)는 카메라 헤드(10)로부터의 비디오 시그널을 수신 및 표시하기 위해 제어 유닛(20)에 연결된다. 추가의 양태에 따르면, 제어 유닛(20)은 또한 각각 하나 이상의 유선 또는 무선 리모트 콘트롤(27 및 28)에 접속되거나 이와 통신할 수 있다. 추가의 비디오 프로세싱 장치(40), 예를 들면, 비디오 리코더 또는 프린터가 또한 제어 유닛(20)과 통신하도록 배치될 수 있다.
카메라 시스템(5)은 카메라 헤드(10)에 연결된 하나 이상의 송신 안테나(16)를 포함한다. 유사하게는, 시스템은 제어 유닛(20)에 연결된 하나 이상의 수신 안테나(22)를 포함한다. 대안적으로, 시스템은 무선 시그널의 충실도 및 신뢰도를 개선시키기 위해 다중 송신 안테나 및/또는 수신 안테나를 다양한 배열로 사용할 수 있다.
예를 들면, 하나의 양태에 따르면, 무선 내시경 카메라 시스템(5)은, 카메라 헤드(10)에는 단일 송신 안테나(16)를 제공하고 제어 유닛(20)에는 작업실 전반에 걸쳐 다양한 위치에 배치될 수 있는 다중 수신 안테나(22)를 제공함으로써 다중 입력 단일 출력(multiple input, single output; MISO) 모드로 작동하도록 구성된다. 대안적으로, 시스템(5)은 카메라 헤드(10)에는 다중 송신 안테나(16)를 제공하고 제어 유닛(20)에는 단일 수신 안테나(22)를 제공함으로써 단일 입력 다중 출력(single input, multiple output; SIMO) 모드로 작동하도록 구성된다. 또 다른 양태에 따르면, 카메라 시스템(5)은 다중 입력 다중 출력(multiple input, multiple output; MIMO) 모드로 작동하도록 구성됨으로써 보다 큰 무선 이득이 제공되며, 이로써 카메라 헤드(10)와 제어 유닛(20) 둘 다에는 각각 다중 송신 안테나(16) 및 수신 안테나(22)가 제공된다.
서로에 대해 거리 및/또는 각도로 위치하는 다중 송신 안테나(16) 및/또는 수신 안테나(22)를 사용함으로써, 시스템(5)은 달리 가능한 것보다 더 넓은 영역에 걸쳐 무선 커버리지(wireless coverage)를 제공할 수 있다. 다중 송신 안테나(16) 및/또는 수신 안테나(22)의 사용을 통해 시스템 신뢰도 또한 개선된다. 구체적으로, 두 개 이상의 송신 및/또는 수신 안테나를 사용함으로써, 시스템은 카메라 헤드(10)와 제어 유닛(20) 사이에 다중 무선 시그널을 전달할 수 있다. 그 결과, 하나의 무선 시그널 경로가 차단되거나 안테나가 시그널을 느슨하게 하는 경우에 시스템 리던던시(redundancy)가 개선되는 반면 잠재적으로 불리한 다중경로 전파 전달 효과(multipath wave propagation effect)가 감소한다.
본 발명의 추가의 양태에 따르면, 시스템(5)의 무선 커버리지는 차동 모드(differential mode)로 작동하도록 구성된 다중 송신 및 수신 안테나를 가짐으로써 최대화될 수 있다. 대안적으로, 무선 카메라 시스템(5)은 스위칭 모드(switching mode)로 작동하도록 구성된 송신 및/또는 수신 안테나의 어레이를 가질 수 있으며, 이에 의해 시스템은 가장 강한 시그널 강도로 안테나로의 시그널 전송을 자동으로 스위칭한다.
앞서 논의한 바와 같이, 하나 이상의 수신 안테나(22)는, 제어 유닛이 카메라 헤드(10)에 의해 전송된 무선 카메라 시그널을 수신할 수 있도록, 제어 유닛(20)과 연결된다. 배치와 관련하여, 수신 안테나(22)는 본질적으로, 높은 충실도 시그널을 제공하는 수술실 어디에나 위치할 수 있다. 예를 들면, 하나의 양태는 간단히 다중 수신 안테나(22)를 제어 유닛(20) 위에 장착하는 것을 필요로 할 수 있다. 또 다른 양태는 보다 복잡한 정렬을 포함할 수 있으며, 이때, 하나 이상의 수신 안테나(22)는 제어 유닛(20)로부터 떨어져서 위치하며, 예를 들면, 벽 및/또는 천장에, 또는 방 내의 다양한 품목 또는 고정물에 장착된다.
카메라 헤드와 연결된 송신 안테나(들)에 대하여 다수의 안테나 배치가 또한 가능하다. 도 2A에 도시된 양태에 따르면, 하나 이상의 송신 안테나(210)는 최대의 노출 및 성능을 제공하도록 캔틸레버 방식(cantilevered manner)으로 카메라 헤드(200)의 본체의 원위 말단으로부터 외측으로 실질적으로 축방향으로 연장된다. 성능을 개선하기 위해 안테나(210)의 지향성 배치를 또한 조정할 수 있다. 예를 들면, 내시경(202) 쪽으로 햐향으로 굴곡되도록 안테나(210)를 지향시키면 안테나에 최대의 노출을 제공하여 성능이 보다 양호해진다.
대안적인 양태에 따르면, 하나 이상의 송신 안테나가 카메라 헤드의 표면에 장착되거나 이에 일체화될 수 있다. 예시적인 목적으로, 내시경(302)에 부착된 무선 카메라 헤드(300)를 나타내는 도 2B를 참고한다. 다중 송신 안테나(310)는, 서로 주변이 공간을 두고 떨어져 있는 관계로 및 안테나(310)가 카메라 헤드(300)의 본체로부터 연장되지 않거나 카메라 헤드(300)의 본체와 필수적으로 같은 높이로 되도록 하는 방식으로 카메라 헤드(300)의 표면에 장착된다. 도 2B에 도시된 바와 같은 설치 배열은 안테나(310)에 보다 큰 보호를 제공하여 제품 수명을 연장시킨다.
추가의 송신 안테나 배열이 도 2C 및 2D에 나타낸 양태에 열거되어 있다. 구체적으로, 도 2C는 내시경(도시되지 않음)을 수용하고 이에 부착할 수 있는 원위 말단(352)을 갖는 무선 카메라 헤드(350)의 사시도이다. 내시경에 의해 수득된 이미지를 무선으로 전송하기 위해, 카메라 헤드(350)는 제1 및 제2 송신 안테나를 포함한다. 제1 안테나(354)는 필수적으로 카메라 헤드(350)의 본체와 같은 높이로 되도록 카메라 헤드(350)에 장착한다. 제2 송신 안테나(356)는 내시경 쪽으로 돌출되도록 캔틸레버 방식으로 카메라 헤드(350)로부터 연장되고, 내시경이 카메라 헤드(350)에 부착되는 경우 내시경의 축에 대해 일반적으로 평행한 방식으로 연장된다.
도 2D는 또 다른 양태에 따르는 무선 카메라 헤드(360)의 단면도이다. 당해 양태에서, 카메라 헤드(360)는 이의 원위 말단(362)에 내시경(도시되지 않음)을 수용하도록 구성된다. 제1 안테나(364)는, 필수적으로 카메라 헤드(360)의 몸체와 같은 높이로 되도록 카메라 헤드(360)에 포함된다. 보다 구체적으로, 안테나(364)는 카메라 헤드(360)의 하우징(361A)에 한정된 연장 리세스 또는 슬롯(361)에 제공된다. 제2 및 제3 송신 안테나(366A 및 366B)는 각각 캔빌레버 방식으로 카메라 헤드(360)의 원위 말단(362)의 반대면으로부터 연장되며, 카메라 헤드(360)에 부착되는 경우 내시경 쪽으로 돌출된다.
본 발명의 추가의 양태(도시되지 않음)에서, 무선 카메라 헤드는 동위상(in phase)으로 또는 동일한 편광으로 작동하는 다중 송신 안테나를 포함한다. 대안적으로, 카메라 헤드는 다중 송신 안테나 중의 하나 이상이 다른 안테나에 대해 이위상(out-of-phase)으로 작동하여 상이한 편광을 갖는 전자기 시그널을 생성하도록 구성될 수 있다.
추가의 양태(도시되지 않음)에 따르면, 무선 카메라 헤드는 모든 방향으로 무선 시그널을 효과적으로 전송할 수 있는 하나 이상의 전방향형 안테나, 즉 원형 안테나를 포함한다. 하나 이상의 지향형 안테나가 또한 경우에 따라 카메라 헤드에 삽입되어 전방향 안테나를 보충하고 무선 전송의 성능을 개선시킬 수 있다.
이하에서는 카메라 헤드(10)를 포함하는 부품이 도 3의 블럭 다이아그램과 관련하여 상세하게 논의될 것이다. 그러나, 설명에 앞서, 도 3의 예시된 양태는 이미지 센서(410)를 포함하는 것으로서 카메라 헤드(10)를 도시하고 있음을 주지해야 한다. 당해 예에서, 카메라 헤드(10)에 부착되는 경우, 내시경은 이미지를 구성하는 빛을 캡처하고 그 빛을 이미지 센서(410)로 보내며, 이미지 센서가 광학 빛을 디지털 시그널로 변환시키고, 이후에 디지털 시그널이 관련 제어 유닛으로 무선으로 전송될 수 있다.
그러나, 또 다른 양태(도시되지 않음)에 따르면, 카메라 헤드는 이미지 센서를 포함할 수 없지만, 대신 디지털 시그널로 이미 변환된 이미지를 수신하도록 구성된다. 구체적으로, 당해 양태에서, 카메라 헤드에 부착된 내시경은 이미지를 구성하는 빛을 수용하여 이를 대표적인 디지털 시그널로 변환시키는 자체의 이미지 센서를 포함한다. 따라서, 내시경은 이미지를 캡쳐하고 이를 디지털 시그널로 변환시킨 다음 이러한 디지털 시그널을 카메라 헤드로 전달한다. 수용시, 카메라 헤드는 디지털 이미지 시그널을 추가로 프로세싱하여 시그널을 제어 유닛에 무선으로 전달한다. 따라서, 당해 양태에서, 내시경은 카메라 헤드로부터 분리되지만 디지털 이미지 시그널을 전달하기 위해 이에 접속할 수 있는 자립형(stand-alone) 카메라 장치를 나타낸다.
도 3과 관련한 하기의 논의는 카메라 헤드(10)가 이미지 센서(410)를 포함한다고 가정한다. 그러나, 카메라 헤드(10)의 부품에 관한 하기의 기술적 논의는 이미지 센서가 앞서 논의한 바와 같은 카메라 헤드 대신에 내시경 내에 유지되는 양태에서도 동일하게 적용 가능하다는 것을 이해해야 한다.
카메라 헤드(10) 내에는 이미지를 구성하는 광의 패턴을 전기적 시그널로 변환시키기 위한 이미지 센서(410)가 포함된다. 하나의 양태에 따르면, 이미지 센서(410)는 카메라 시스템이 저광 조건하에서 잘 실행하도록 하기 위해 고감도를 갖도록 구성된다. 이미지 센서(410)는 또한 가장 밝은 하이라이트에서부터 가장 어두운 음영까지 이미지의 다양한 그라데이션을 캡처할 수 있도록 높은 동적 범위를 갖도록 구성될 수 있다.
이후, 이미지 센서(410)에 의해 생성된 비디오 이미지 시그널을 압축 유닛(420)에 의해 압축시켜, 명시된 기간에 걸쳐 보다 많은 양의 데이타가 제어 유닛에 제공되도록 할 수 있다. 하나의 양태에 따르면, 압축 유닛(420)은 비디오 이미지 시그널이 압축되는 속도를 변화시킬 수 있는 가변 압축 알고리즘을 사용하여 이미지 시그널을 프로세싱한다. 추가로, 이러한 압축 속도는 카메라 헤드(10)와 제어 유닛(20) 사이에 일반적으로 존재하는 무선 링크의 품질 뿐만 아니라 정시에 그 모멘트에서 캡쳐되는 장면에 반응하여 속도 결정 알고리즘에 의해 동력학적으로 조정된다.
압축 유닛(420)은 추가로 "손실" 또는 "무손실" 압축 기술을 사용하여 비디오 이미지 데이타를 압축하도록 구성될 수 있다. 압축 유닛(420)이 "손실" 압축 기술을 사용하여 구성되는 경우, 비디오 이미지 데이타의 선택된 부분이 무시되거나 압축 공정의 일부분으로서 처분된다. 이것은 일반적으로 데이타가 이미지 품질을 희생하여 더 많이 압축되도록 한다. 이와 달리, 최대 화면 품질은, 압축 유닛(420)이, 비디오 이미지를 생성하는데 이미지 데이타 모두를 사용하는 "무손실" 압축 기술을 사용하도록 구성되는 경우에 수득될 것이다.
하나의 양태에 따르면, 압축 유닛(420)은 추가로, 이미지 데이타의 각각의 프레임에서 작용하여 각각의 프레임을 다른 프레임과는 무관하게 처리하는 압축 알고리즘을 사용하도록 구성될 수 있다. 이러한 프레임-특이 압축 알고리즘은, 전형적으로 프레임들 간의 차이를 이용하며 이에 따라 이미지의 이동이 부족한 경우에 더 큰 압축을 수득할 수 있는 보다 종래의 알고리즘에 의해 수득될 수 있는 압축으로부터 이익을 얻지 못한다. 그러나, 당해 양태에서 사용되는 프레임-특이 압축 알고리즘은 보다 낮은 작업처리 지연(through-put delay) 및 보다 적은 오류 감수성의 기본적인 이익을 제공한다.
구체적으로, 당해 양태의 프레임-특이 압축 알고리즘은 한번에 단지 하나의 비디오 시그널의 이미지 프레임을 분석하고 압축시킨다. 이와 달리, 종래의 비디오 압축 알고리즘, 예를 들면, MPEG2는 비디오 시그널의 인접한 이미지 프레임들 사이의 차를 분석하고 측정함으로써 시그널을 압축시킨다.
프레임-특이 압축 알고리즘을 사용하는 결과로서, 본 발명의 시스템은 비디오/이미지 시그널의 엔코딩 및 디코딩 사이의 작은 대기시간(latency)을 제공할 수 있다. 특히, 본 발명의 프레임-특이 이미지 압축 알고리즘은 최대 대기시간 또는 하나의 이미지 프레임 플러스 관련 컴퓨터 및 전송 지연에 상응하는 지연을 갖는 이미지를 엔코딩 및 디코딩할 수 있다. 이와 달리, 인접한 이미지 프레임들 사이의 차를 사용하도록 고안된 알고리즘, 예를 들면, 종래의 비디오 알고리즘은 훨씬 더 큰 대기시간 또는 두 개 이상의 이미지 프레임 플러스 관련 컴퓨터 및 전송 지연에 상응하는 지연을 나타내기 쉽다.
당해 양태에서 프레임-특이 압축 알고리즘의 사용은 또한 보다 증진된 오류 회복 능력을 갖는 본 발명의 무선 내시경 카메라 시스템을 제공한다. 이미지에 오류가 발생하는 경우, 이미지 압축 동안 생성되고 이러한 오류와 관련된 일그러짐(distortion)은 그 특정 이미지 프레임에 국한될 것이다. 이와 달리, 하나의 이미지 프레임과 인접 이미지 프레임 사이의 차를 사용하는 보다 종래의 압축 알고리즘에서는 하나의 프레임의 이미지에서의 오류가 다수의 프레임에서의 일그러짐을 야기할 것이다.
또 다른 양태에 따르면, 압축 유닛(420)은 엔코딩된 비트스트림(encoded bitstream)으로부터의 이미지의 품질을 변화시킬 수 있는 알고리즘을 사용한다. 카메라 헤드에 의해 이미지 데이타를 무선 전송하는 경우, 최소 또는 기초 품질 이미지 스트림이 먼저 FEC/ARQ(Forward Error Correcting/Automatic Repeat Request)-기본 방법을 사용하여 높은 정확도로 전송된다. 일단 이러한 초기 이미지 스트림이 전송되면, 카메라 헤드는, 보다 고품질 이미지를 생성하기 위해 제어 유닛에 의해 사용될 수 있는 추가의 이미지 데이타를 전송하게 된다. 이러한 추가의 이미지 데이타는 고정된 지속 시간 동안 점진적으로 전송된다. 시스템이 초기 최소 또는 기초 품질 이미지 스트림 후에 보다 고품질 이미지 데이타를 전송하기에 시간이 불충분하다면, 시스템은 현재 이미지의 나머지를 탈락시키고 다음 이미지의 전송을 개시하게 된다.
예시적인 양태에서, 압축 유닛(420)은 JPEG(Joint Photographic Experts Group) 2000 표준을 사용하여 비디오 시그널을 압축하도록 구성된다. JPEG 2000 표준은 원래의 비디오 시그널의 모든 이미지 프레임이 압축된 비디오 시그널에 담겨있는 프레임-정밀 시그널(frame-accurate signal)을 생성한다. 또한, JPEG 2000 압축 기술은 특정 데이타가 초기에 무시되어 덜 상세한 정보가 데이타 스트림의 시작시에 배치되도록 하는 방식으로 비트 스트림을 점진적으로 코딩한다. 스트림이 진행됨에 따라, 시스템은 데이타 무시를 중단하여, 이후에 데이타 스트림에 보다 상세한 정보를 전송한다. 그 결과, 비디오 시그널은 상이한 해상도 또는 품질 수준에서 이미지를 생성할 수 있다. 예를 들면, 저-해상도 이미지가 비디오 모니터에 보내질 수 있고, 반면에 동일한 비디오 시그널로부터의 고-해상도 이미지가 파일보관(archiving)을 위해 비디오 리코더에 보내진다.
앞서 논의한 압축 알고리즘과 유사하게, JPEG 2000 표준은 낮은 대기시간 엔코딩 및 디코딩 뿐만 아니라 증가된 오류 회복성을 제공하는 프레임-특이 압축 기술이다. 또한, JPEG 2000 표준은 재동기 마커(resynchronization marker) 및 비교적 작은 독립 블럭으로의 데이타의 코딩 뿐만 아니라 각각의 블럭내에서 오류를 검지하고 숨기기 위한 메카니즘을 추가로 포함하여 JPEG 2000이 JPEG 및 MPEG2와 같은 몇 가지 종래의 압축 기술에 비해 오류 회복성이 더 크도록 한다.
JPEG 2000은 또한 요구에 따라 "무손실" 이미지를 전송할 수 있는 능력을 제공한다. 당해 양태에 따르면, 무선 내시경 카메라 시스템은 내시경 수술 과정 동안 "손실" 디지털 이미지를 전송하도록 구성될 수 있다. 그러나, 특정의 경우 동안, 외과의는 진단 목적으로 고품질 이미지를 필요로 할 수 있다. JPEG 2000 엔코더(encoder)는 전형적인 "손실" 이미지에 사용되는 동일한 엔코딩 메카니즘을 사용하여 요구에 따라 "무손실" 이미지를 생성하는 능력을 갖는다. 고품질 이미지에 대한 외과의의 요구에 반응하여, 카메라 헤드는 무손실 방식으로 이미지를 엔코딩하고 FED/ARQ 메카니즘을 사용하여 완전한 이미지를 무선으로 전송한다. "무손실" 이미지를 생성하는 데 필요한 추가의 프로세싱이 이미지 전송시 지연 증가를 야기한다. 그러나, 이러한 상황에서, 증가된 전송 지연은 전형적으로, 외과의는 통상적으로 비디오 시그널의 "프리즈 프레임(freeze frame)" 이미지를 캡쳐하는 동안 짧은 지연이 일어날 것임을 예상하기 때문에 인지되지 않는다.
JPEG 2000 이미지 압축 표준에 의해 제공되는 추가의 잇점은 이미지의 ROI(region of interest)에 기초하여 선택된 엔코딩을 수행할 수 있는 능력이다. 보다 구체적으로, 수술 상황 동안, 다른 영역보다 더 중요한 것으로 인지되는 비디오 화면의 영역이 있을 수 있으며, 즉 비디오 이미지의 일부는 내시경의 시계(field of view) 바깥에 있으며, 이에 따라 유용한 정보를 담고 있지 않다. 이러한 상황에서, 비디오 화면의 쓸모없는 영역은 매우 낮은 속도로 엔코딩될 수 있어 프로세싱 전력, 메모리 및 대역폭을 절약할 수 있는 반면, 비디오 화면의 관련 영역은 높은 속도로 엔코딩되어 우수한 품질의 이미지를 제공한다.
또 다른 양태에 따르면, 무선 내시경 카메라 시스템은 비디오 스트림의 중요 부분, 예를 들면, 헤더 데이타(header data)를 보다 신뢰성있는 서브-채널로 전송하는 반면 데이타의 나머지는 정상적으로 전송한다. 이러한 서브-채널은 중요한 정보를 위한 시간-의존적인 오류-정정 채널로서 생성된다.
일단 압축되면, 비디오 이미지 데이타는 비디오 시그널의 일부로서 RF 링크의존적 FEC(Forward Error Correcting) 코드를 실행하도록 채널 엔코더(430)에 의해 프로세싱되어, 소정의 알고리즘의 사용을 통해 전달된 이미지 데이타에 리던던시를 부가한다. 이것은 시스템이 전송된 시그널에서의 오류를 검지하고 정정하여 무선 채널의 충실도를 개선시킬 수 있도록 한다.
또 다른 양태는, 무선 채널에 고충실도를 제공하기 위해 FEC 코드와 함께 또는 단독으로 실행되는 제한된 자동 재전송 요구(Automatic Repeat Request; ARQ)를 포함한다. ARQ는 데이타 전송을 위한 오류 제어법이며, 이에 의해 수신기가 메세지에서 전송 오류를 검지하면 자동으로 송신기로부터 재전송을 요구할 것이다.
일단 엔코딩되면, 비디오 이미지 데이타는 포맷팅 유닛(formatting unit)(440)으로 전달되며, 여기서, 데이타는 무선 전송되기 전에 최종 준비를 거친다. 데이타가 거치게 되는 준비의 실제 유형은 내시경 카메라 시스템에 의해 사용되는 무선 기술/표준에 따라 다를 것이다. 예를 들면, 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transformation) 알고리즘과 같은 다양한 조작을 사용할 수 있다. 비디오 시그널을 구성하는 비디오 이미지 데이타는 또한, 상이한 채널 또는 주파수에서 전송되는 상이한 스트림으로 분리될 수 있다.
하나의 예시적인 양태에 따르면, 내시경 카메라 시스템은 비디오 시그널을 카메라 헤드에서 제어 유닛으로 무선으로 전송하기 위해 초광대역(Ultrawideband; UWB) 기술을 사용한다. UWB는 매우 높은 데이타 속도(500+ Mbps)에서 짧은 거리(20미터 이하)에 걸쳐 데이타를 전송하기 위해 고안된 무선 라디오 기술이다. 높은 데이타 속도를 달성하기 위해, UWB는 일련의 매우 좁은 저-전력 펄스를 사용하여 광범위한 무선 스펙트럼에 걸쳐 전송한다. 2005년 이래로, 연방 통신 위원회(Federal Communications Commission)는 UWB 무선 전송을 방출되는 시그널 대역폭이 보다 적은 500MHz 또는 20% 대역폭을 초과하는 안테나로부터의 전송으로서 정의하며 3.1 내지 10.6 GHz 스펙트럼내의 UWB의 비승인된 사용을 허가하였다.
당해 양태에서 효과적으로 사용될 수 있는 특수한 UWB-기본 표준 중의 하나가 MB-OFDM(MultiBand Orthogonal Frequency Division Multiplexing)로서 공지되어 있다. 정확한 주파수에서 간격을 두고 떨어져 있는 다수의 캐리어에 걸쳐 데이타를 동시에 전송한 결과로서, MB-OFDM 표준은 RF 간섭 및 다중경로 효과에 대해 회복성이 있는 무선 전송을 초래한다.
포맷팅 유닛(440)은 또한 하나 이상의 알고리즘에 의해 시그널 전송 및 무선 링크 상태를 모니터한다. 예를 들면, 매체 액세스 알고리즘(media access algorithm; MAC)은 무선 채널/주파수의 이용 가능성의 결정을 책임진다. 일단 MAC 알고리즘이 이용 가능한 채널을 결정하면, 새로운 압축되고 엔코딩된 비디오 이미지 데이타가 무선 송신기(450)에 의해 제어 유닛으로 무선으로 전송된다.
이미지 센서 및 시그널 프로세싱 부품(410-440) 이외에, 카메라 헤드(10)는 또한 전원(460) 및 전력 제어기(470)를 포함한다. 전원(460)은 임의 유형의 휴대용 에너지원, 예를 들면, 니켈 금속-하이드라이드 또는 리튬 이온 재충전 가능한 배터리, 또는 일회용 알칼리 배터리일 수 있다.
또 다른 양태에서, 카메라 헤드(10)는 둘 이상의 배터리를 동시에 수용하도록 구성된다. 이러한 이중 배터리 시스템은 하나의 배터리가 교체되는 동안 다른 배터리가 계속 카메라 헤드(10)에 전력을 공급할 수 있도록 구성된다.
추가의 양태에 따르면, 이중 배터리 시스템에서 배터리 중의 하나를, 배터리를 교체하는 동안 카메라 헤드(10)에 일시적으로 전력을 공급할 수 있을 만큼 충분히 큰 캐퍼시터(capacitor)로 교체한다. 이러한 경우 동안, 내시경 카메라에 의해 생성되는 비디오 시그널이 일시적으로 손실될 수 있다. 그러나, 캐퍼시터에 의해, 카메라 헤드(10)는 시스템의 상황 및 전류 작동 상태를 유지하는 데 필요한 최소량의 전력을 계속 받게 될 것이다. 배터리 교체 및 풀-파워(full-power)의 복구시, 배터리 교체 전과 마찬가지로 비디오 시그널이 회복되고 카메라 헤드(10)가 계속 작동한다.
추가의 양태에서, 카메라 헤드(10)는 카메라 헤드 세팅 또는 작동 상황을 저장하기 위한 비-휘발성 메모리를 포함한다. 전력 손실시, 예를 들면, 배터리 교체 동안, 카메라 헤드(10)의 전류 작동 상태를 정의하는 세팅 및 구성이 비-휘발성 메모리에 기록된다. 전력이 카메라 헤드(10)로 복구시, 카메라 헤드(10)의 마지막 작동 상태 세팅이 회복되고 재정립된다.
이후에, 카메라 헤드(10)에 의해 전송된 무선 시그널이 제어 유닛(20)에 의해 선별 및 프로세싱된다. 구체적으로, 무선 시그널은 하나 이상의 수신 안테나에 의해 획득되고 제어 유닛(20)으로 전달된다. 이후에 비디오 시그널은 시그널이 원래 상태로 되돌아 가도록 역전된 방식으로 제어 유닛(20)에 의해 프로세싱된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 원래의 또는 의도된 디지털 이미지를 생성하도록 무선 시그널을 역으로 프로세싱하기 위해서는 다수의 부품들이 필요하다.
안테나에 의해 수신된 후, 무선 비디오 시그널은 무선 수신기(510)로 전달된 다음 탈-포맷팅 유닛(de-formatting unit)(520)으로 전달되며, 이것은 시그널을 무선으로 전송하는 데 본래 필요한 이전의 포맷팅을 비디오 시그널로부터 제거한다.
그후, 수신된 시그널을 구성하는 비디오 이미지 데이타는 채널 디코더(channel decoder)(530)로 전달되며, 이것은 카메라 헤드에 의해 이전에 수행된 엔코딩을 역전시킬 뿐만 아니라 이전에 실행된 FEC(Forward Error Correcting) 코드를 제거한다.
일단 시그널을 구성하는 비디오 이미지 데이타가 디코딩되면, 이것을 압축해제 유닛(decompression unit)(540)에 의해 압축해제시켜야 한다. 비디오 이미지 데이타가 본래 무손실 압축 기술에 의해 압축되는 경우, 압축해제 유닛(540)은 압축 공정을 역전시켜, 이미지 센서에 의해 본래 생성되는 바와 같은 정확한 비디오 시그널을 생성할 수 있다. 비디오 이미지 데이타가 본래 손실 압축 기술에 의해 압축되어 데이타 시그널의 일부가 폐기되는 경우, 압축해제 유닛(540)은 압축 공정을 역전시키도록 시도하며 본래의 비디오 시그널에 가장 근접한 비디오 시그널을 생성한다.
압축해제된 비디오 시그널은 이제 카메라 헤드의 이미지 센서에 의해 생성된 본래의 비디오 시그널과 동일하거나 거의 동일해야한다. 그후, 비디오 시그널은, 시그널이 모니터(30) 상에서 볼수 있는 이미지로 다시 변환되는 비디오 모니터(30)를 포함하는 하나 이상의 주변 장치로 전달될 수 있다. 추가의 주변 장치는, 예를 들면, 비디오 리코더 또는 프린터를 포함할 수 있다.
또 다른 양태에 따라 도 1을 다시 참조하면, 케이블(18A)을 카메라 헤드(10)와 제어 유닛(20) 둘 다에 접속하여 이들 사이에 무선 접속을 확립할 수 있다. 구체적으로, 카메라 헤드(10)와 제어 유닛(20) 둘 다에 각각 케이블 인터페이스(18 및 24)를 제공할 수 있다. 케이블(18A)을 두 개의 케이블 인터페이스(18 및 24) 사이에 접속하고, 살균시킬 수 있다. 비상 상황 동안, 예를 들면, 충전된 배터리의 부족 또는 무선 통신을 방해하는 상당한 RF 간섭의 존재시, 카메라 헤드(10)와 제어 유닛(20) 사이에 무선 접속을 제공하도록 살균된 케이블(18A)을 인터페이스(18 및 24)에 꽂을 수 있다. 비디오 시그널을 카메라 헤드(10)에서 제어 유닛(20)으로 보내는 이외에, 시스템은 또한 제어 유닛(20)이 케이블(18A)에 의해 카메라 헤드(10)에 전력을 공급할 수 있도록 구성될 수 있다.
또 다른 양태에서(예시되지 않음), 케이블(18A)을 인터페이스(18)에 의해 카메라 헤드(10)에 접속시키지 않는다. 대신, 케이블(18A)의 한쪽 말단을 카메라 헤드(10)에 의해 허용되는 배터리의 크기 및 형태와 비슷한 플러그로 말단화한다. 카메라 헤드(10)로의 케이블 접속이 요구되는 경우, 배터리를 카메라 헤드(10)로부터 간단히 제거하고 케이블(18A)의 배터리-유사 플러그(battery-resembling plug)로 대체한다.
다수의 현대의 내시경 수술은 상이한 해부학적 특징의 화면(view) 또는 동일한 해부학적 특징의 상이한 화면을 생성하기 위해 다중 카메라의 사용을 필요로 한다. 다중 카메라 시스템은 또한 특수한 수술 세팅, 예를 들면, 수술 장면의 입체적인 또는 3-D 화면의 생성을 필요로 하는 수술에서 보다 빈번하게 사용된다. 이로써, 본 발명의 무선 내시경 카메라 시스템은 다중 카메라를 필요로 하는 수술 세팅에 사용될 것으로 생각된다. 하나의 양태에 따르면, 제1 및 제2 내시경 및 관련 무선 카메라 헤드는 각각 제1 및 제2 제어 유닛에 의해 수신되고 프로세싱되는 제1 및 제2 무선 비디오 시그널을 전송한다. 대안적으로, 제1 및 제2 카메라 헤드, 및 대응하는 무선 시그널은 단일 제어 유닛에 의해 수신되고 프로세싱된다.
앞에서 나타낸 상황에서, 두 개 이상의 무선 내시경 카메라 시스템 또는 단일 시스템내에서 사용되는 두 개 이상의 무선 내시경 카메라 헤드 사이에서 일어날 수 있는 무선 간섭 또는 오전송 통신의 가능성을 최소화시키는 것이 바람직하다. 상기한 염려를 해결하기 위해, 무선 내시경 시스템의 추가의 양태는 특정 카메라 헤드(10)의 송신기를 특정 제어 유닛(20)의 수신기에 로킹(locking)하기 위한 수단을 포함한다. 일단 로킹되면, 수신기는 이의 대응하는 송신기로부터 유래하는 무선 시그널만을 인지할 것이다.
송신기를 수신기에 로킹하는 것은, 카메라 헤드의 송신기와 제어 유닛의 수신기 사이의 제2 무선 통신 채널의 사용을 포함한 다수의 방법으로 달성할 수 있다. 대안적으로, 시스템은 수신기가 대응하는 송신기에 대한 특유의 식별 코드를 지니는 무선 시그널만을 인지하도록 카메라 헤드의 트랜시버(transceiver)가 초기에 수신기와 동기화(synchronizing)되도록 구성될 수 있다. 상기 로킹 공정을 개시하기 위해, 트랜시버와 수신기가 동기화되어야 한다. 이러한 동기화 공정은 수동으로 프로그래밍하는 것에서 바코드의 무선 스캐닝 또는 제어 유닛 및/또는 카메라 헤드에 위치한 RFID 태그의 판독을 통해 회수된 데이타를 기준으로 하여 자동으로 구성되는 것에 이르는 다수의 방법으로 수행할 수 있다.
또 다른 양태에서, 무선 내시경 카메라 시스템은 디지털 이미지 시그널을 생성할 수 있는 이미지 센서를 포함하는 내시경을 포함한다. 일단 생성되면, 디지털 이미지 시그널은 유선 접속과 같은 직접적인 전기 접촉에 의해 부착된 카메라 헤드로 전달된다. 그러나, 대안적인 양태에 따르면, 디지털 이미지 시그널은 내시경에서 카메라 헤드로 무선으로 전달된다.
구체적으로, 도 5에 도시된 또 다른 양태에서, 카메라 헤드(600)와 내시경(620) 사이의 무선 데이타 접속은 비-접촉 광학 링크(610), 예를 들면, 적외선 또는 레이저계 통신 회로에 의해 달성되며, 이것은 내시경(620)이 카메라 헤드(600)에 부착되는 경우 완성된다. 수술 이미지는 내시경(620)의 이미지 센서(622)에 의해 캡처되고 디지털 이미지 시그널로 변환되며, 이어서 광학 링크(610)로 전달되어, 광 펄스의 연속으로서 디지털 시그널을 카메라 헤드(600)로 무선으로 전송한다. 일단 광학 링크(610)에 의해 전송되면, 디지털 이미지 시그널은 카메라 헤드(600)의 제어 회로(612)에 의해 프로세싱된 다음 안테나(614)로 전달되고, 이것은 프로세싱된 디지털 이미지 시그널을 제어 유닛 또는 기타의 적합한 수신기로 무선으로 전송한다.
도 6에 도시된 추가의 대안적인 양태에 따르면, 카메라 헤드(700)와 내시경(720) 사이의 무선 데이타 접속은 비-접촉 무선 주파수(non-contact radio frequency; RF) 링크에 의해 달성된다. 구체적으로, 내시경(720)은 제1 이미지 안테나(713A)를 포함하는 반면, 카메라 헤드(700)는 유사한 이미지 안테나(713B)를 포함한다. 내시경(720)을 카메라 헤드(700)에 부착하면 이미지 안테나(713A 및 713B)가 서로 아주 근접하여 위치하게 된다. 내시경(720)은 디지털 이미지 시그널을 생성하고 이미지 안테나(713A)로 전달하며, 이후 디지털 이미지 시그널을 카메라 헤드(700)의 이미지 안테나(713B)로 무선으로 전송한다. 디지털 이미지 시그널을 수신하면, 카메라 헤드(700)는 상기 양태에서 논의된 바와 같이 디지털 시그널을 프로세싱하고 무선으로 전송한다.
본 발명의 또 다른 양태는, 내시경에 접속된 카메라 헤드를 일반적으로 포함하고, 내시경에 의해 수득된 디지털 이미지를 카메라 헤드에서 제어 유닛으로 무선으로 전송할 수 있는 무선 내시경 카메라 시스템을 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 무선 내시경 카메라 헤드(800)는 카메라 헤드(800)의 원위 말단에 내시경(802)을 수용하도록 구성된다. 또한, 카메라 헤드(800)의 원위 말단에는, 카메라 헤드(800)로의 내시경(802)의 직접 커플링을 촉진시킬 뿐만 아니라 카메라 헤드(800)를 기준으로 한 부착된 내시경(802)의 회전을 촉진시키는, 일반적으로 원형 패턴으로 배열된 발광 다이오드(LED)(806)의 어레이가 장착되어 있다.
내시경(802)이 카메라 헤드(800)에 부착되는 경우, LED 806의 어레이는 일반적으로 원형 패턴으로 배열되어 있지만 내시경(802)의 길이를 따라 연장되는 다수의 광섬유(804)의 근위 말단과 정렬된다. 이러한 방식으로, 내시경(802)이 카메라 헤드(800)에 부착되는 경우, LED(806)의 어레이는 광섬유(804)에 광학적으로 커플링되고, LED(806)로부터 방출된 광은 광섬유(804)에 도입되어 내시경(802)의 길이를 따라 아래로 이동하여 최종적으로 내시경(802)의 원위 말단으로부터 투영됨으로써 내시경(802)에 의해 관찰되는 수술 장면을 비추게 된다. 수술 장면에서 투영된 광의 일부는 반사되어 내시경(802)의 원위 말단 쪽으로 다시 되돌아간다. 이렇게 반사된 광의 일부는 광학 튜브 조립체(808)로 도입되며, 이것은 내시경(802)을 통해 중심으로 연장되고 내시경(802)의 근위 말단으로 다시 전달되며, 여기서, 광은 내시경(802)에 삽입되거나, 또는 대안적으로 카메라 헤드(800)에 삽입된 이미지 센서(801)로 전달된다.
도 7의 카메라 헤드(800)의 원위 말단도를 나타내는 도 8에 추가로 예시된 바와 같이, LED(806)의 어레이는 다수의 적색, 녹색 및 청색 LED를 포함한다. 이러한 LED(806)의 제어는 카메라 헤드(800) 내에 보유된 전자 제어 회로(도시되지 않음)에 의해 수행된다. 이러한 제어 회로에 의해, 각각의 LED(806)는 어레이 내의 다른 LED에 대해 독립적으로 제어될 수 있다. 적색, 녹색 및 청색 LED가 구동되는 수준을 조절함으로써, 사용자는 수술 장면에서 투영되는 광의 색 온도를 조절할 수 있고, 이에 따라 각각의 특수한 수술 상황에 대해 최적의 광 스펙트럼을 수득할 수 있다.
또 다른 양태(도시되지 않음)에 따르면, 도 7에 나타낸 바와 유사한 카메라 헤드는 또한, 카메라 헤드가 내시경에 부착되는 경우, LED에 의해 생성된 광이 내시경의 길이를 따라 연장되는 다수의 광섬유로 전달되도록 카메라 헤드의 원위 말단에 배열된 LED의 어레이를 함유한다. 그러나, 상기한 양태와는 달리, 당해 양태에서의 다수의 LED는 모두 일반적으로 동일한 주파수 스펙트럼의 광을 방출한다(예를 들면, 백색 광 LED).
도 9에 도시된 바와 같은 추가의 양태에서, 무선 내시경 카메라 헤드(820)는 이의 원위 말단에 내시경(822)을 부착 가능하게 수용하도록 구성된다. 내시경(822)은 하나 이상의 전력-소모 부품 또는 피쳐, 예를 들면, LED 어레이(824) 또는 기타의 광원, 또는 대안적으로 이미지 센서(도시되지 않음)를 포함한다. 전력이 공급된 부품의 사용을 촉진시키기 위해, 카메라 헤드(820)와 내시경(822) 사이에 전기적 인터페이스가 제공되어, 전력 및/또는 제어 시그널이 카메라 헤드(820)에서 내시경 부품(즉, LED 어레이(824))으로 전송되게 된다.
전기적 인터페이스는 카메라 헤드(820) 위에 장착된 일련의 콘택트 링(contact ring)(826), 및 접촉자(828)가 내시경(822)의 근위 말단으로부터 돌출되도록 하는 방식으로 내시경에 삽입되어 있는 다수의 전기 접촉자(828)를 포함한다.
무선 카메라 헤드(820)의 원위 말단의 말단도를 나타내는 도 10에 도시된 바와 같이, 콘택트 링(826)은 카메라 헤드(820) 위에 고정된, 일련의 전기적으로 통전되는 일반적으로 동심-배향된 콘택트 링(826)을 포함한다. 내시경(822)을 카메라 헤드(820)에 부착시, 내시경(822)으로부터 돌출된 전기 접촉자(828)는 전기적으로 통전되는 동심성 콘택트 링(826)과 정렬되어 이와 접촉한다. 각각의 전기 접촉자(828)는 내시경(822)이 카메라 헤드(820)에 부착되어 있는 한 이의 대응하는 동심성 콘택트 링(826)과 일정하게 접촉된 채로 유지될 것이다. 추가로, 콘택트 링(826)의 환상 디자인(annular design)은 내시경(822)과 카메라 헤드(820)가 서로에 대해 회전하는 경우에도 내시경(822)과 카메라 헤드(820) 사이의 전기적 접속이 유지되도록 보장한다.
도 9 및 도 10에 예시된 양태는 전력 및 제어 시그널을 카메라 헤드와 내시경 사이에 존재하는 전기적 인터페이스에 의해 내시경의 하나 이상의 부품에 제공하면서 다른 장치에 대한 장치의 완전한 회전을 가능케하는 능력을 제공한다. 그러나, 추가의 양태에 따르면, 전기적으로 통전되는 동심성 콘택트 링(826)이 단일의 전기적으로-통전되는 가변 저항 링(830)에 의해 대체된다. 동심성 링(826)과 유사하게, 도 11에 도시된 바와 같은 가변 저항 링(830)은 장치가 다른 장치에 대해 자유롭게 회전되도록 하면서 내시경과 무선 카메라 사이의 전기적 접속을 제공한다.
그러나, 동심성 링(826)과 달리, 가변 저항 링(830)은 각, 즉 1-2, 1-3, 1-4에 대해 변하는 전기적 저항을 나타낸다. 따라서, 저항 링(830)은 내시경과 무선 카메라 헤드 사이에 존재하는 회전 각도에 따라 상이한 수준의 전기적 저항을 나타낼 것이다. 그 결과, 시스템은 저항 링(830)에 의해 일반적으로 나타나는 전기적 저항의 수준을 모니터하고, 이러한 정보를 기초로 하여, 내시경이 카메라 헤드에 대해 회전하는 각도를 결정할 수 있다.
상기한 예시된 양태에서, 무선 카메라 헤드는 복강경 수술 및 흉부내시경 수술(thoracoscopic surgical procedure)에 사용될 수 있는 것과 같은 강체형 내시경에 사용될 수 있는 것으로 기재되어 있다. 그러나, 본 발명은 강체형 내시경에 사용되는 것에 제한되지 않으며, 대신 내시경 및/또는 카메라 헤드가 서로 부착되고 통신하기에 적합하게 구성되어 있는 한 본질적으로 어떠한 유형의 내시경에도 사용될 수 있다. 상기한 바를 예시하기 위해, 식도내시경 또는 대장내시경과 같은 가요성 내시경(902)에 탈부착 가능하게 연결된 무선 카메라 헤드(900)를 도시한 도 12의 양태를 고려한다.
본 발명은 특정의 예시적인 양태를 참고로 하여 기재되어 있지만, 본 발명은 기재된 양태에 제한되지 않으며 첨부된 청구의 범위의 취지 및 범위내에서 변형 및 변화시켜 수행할 수 있음을 인지할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미라기 보다는 예시적인 의미로 간주되어야 한다.

Claims (35)

  1. 환자의 신체내 조직을 관측하기 위한 수술용 내시경;
    내시경에 의해 관측되는 내시경 이미지를 나타내는 디지털 이미지 데이타를 프로세싱하기 위한, 근위 말단(proximal end)과 원위 말단(distal end)을 갖고 원위 말단이 내시경에 탈부착 가능하게 연결되어 있는 카메라 헤드;
    내시경 이미지를 나타내는 데 필요한 디지털 이미지 데이타의 양을 감소시키기 위한, 카메라 헤드 내에 수용된 압축 유닛(compression unit);
    압축된 디지털 이미지 데이타를 리모트 수신기로 전송하기 위한, 카메라 헤드 내에 수용된 송신기; 및
    카메라 헤드의 본체에 위치하고, 송신기로부터의 압축된 디지털 이미지 데이타를 수신하고 압축된 디지털 이미지 데이타를 리모트 수신기로 무선 중계하기 위해 송신기와 통신하는 다수의 안테나를 포함하는 무선 내시경 카메라 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 리모트 수신기가 송신기에 의해 무선으로 전송되는 압축된 디지털 이미지 데이타를 수신하기 위한 다수의 안테나를 포함하고,
    다중 입력 다중 출력(multiple input, multiple output; MIMO) 모드로 작동함으로써, 압축된 디지털 이미지 데이타가 송신기와 리모트 수신기 사이에 다중 무선 경로를 따라 동시에 전송되는 무선 내시경 카메라 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 다수의 카메라 헤드 안테나가, 카메라 헤드의 본체와 본질적으로 같은 높이로 되도록 카메라 헤드 위에 장착되어 있는 무선 내시경 카메라 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 다수의 카메라 헤드 안테나가, 카메라 헤드의 본체로부터 외측으로 돌출되어 있는 무선 내시경 카메라 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 다수의 카메라 헤드 안테나가, 카메라 헤드의 원위 말단에 탈부착 가능하게 연결된 내시경의 종축과 일반적으로 평행하도록 카메라 헤드의 본체로부터 외측으로 캔틸레버(cantilever)되어 있는 무선 내시경 카메라 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 카메라 헤드의 본체에 위치한 다수의 안테나가, 카메라 헤드의 본체와 본질적으로 같은 높이로 되도록 카메라 헤드 위에 장착된 하나 이상의 안테나, 및 카메라 헤드의 원위 말단에 탈부착 가능하게 연결된 내시경의 종축과 일반적으로 평행하도록 카메라 헤드의 본체로부터 캔틸레버된 하나 이상의 안테나를 포함하는 무선 내시경 카메라 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 다수의 안테나 중의 하나 이상이 전방향 안테나(omnidirectional antenna)인 무선 내시경 카메라 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 카메라 헤드의 본체에 위치한 다수의 안테나가 차동 모드(differential mode)로 작동하는 무선 내시경 카메라 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 카메라 헤드의 본체에 위치한 다수의 안테나가 스위칭 모드(switching mode)로 작동함으로써, 디지털 이미지 데이타의 전송이 가장 강한 시그널 강도를 갖는 안테나로 자동으로 발송되는 무선 내시경 카메라 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 송신기가, 다수의 안테나가 동위상(in phase)으로 작동하도록 구성된 무선 내시경 카메라 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 송신기가, 하나 이상의 안테나가 다른 안테나에 대해 이위상(out-of-phase)으로 작동하도록 다수의 안테나를 배열하는 무선 내시경 카메라 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 송신기에 의한 모든 무선 전송이 3.1 GHz 내지 10.6 GHz 무선 스펙트럼 내에 포함되는 무선 내시경 카메라 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 송신기로부터의 모든 무선 전송이 50Mbit/초 이상의 데이타 속도를 갖는 무선 내시경 카메라 시스템.
  14. 환자의 신체내 조직을 관측하기 위한 수술용 내시경;
    내시경에 의해 관측된 광학 이미지를 디지털 이미지 데이타로 변환시키기 위한 카메라;
    디지털 이미지 데이타를 한번에 하나의 이미지 프레임으로 압축시키는 하나 이상의 소정의 알고리즘을 실행하기 위한 프로세서(여기서, 데이타의 각 이미지 프레임의 압축은 데이타의 다른 이미지 프레임과는 독립적으로 실행된다);
    하나 이상의 무선 링크를 리모트 수신기에 구축하고 압축된 디지털 이미지 데이타를 하나 이상의 무선 링크에 걸쳐 전송하기 위한 송신기; 및
    송신기로부터의 압축된 디지털 이미지 데이타를 수신하고 압축된 디지털 이미지 데이타를 리모트 수신기로 무선 중계하기 위해 송신기와 통신하는 다수의 안테나를 포함하는 무선 내시경 카메라 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 디지털 이미지 데이타의 개별 프레임이 디폴트(default)에 의한 손실 압축 알고리즘(lossy compression algorithm)을 사용하여 압축되지만, 사용자로부터 요구를 수신하면, 디지털 이미지 데이타의 하나 이상의 선택 프레임이 대신 무손실 압축 알고리즘(lossless compression algorithm)을 사용하여 압축되는 무선 내시경 카메라 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 프로세서가 리모트 수신기로 구축된 하나 이상의 무선 링크의 검지된 품질에 반응하여 동력학적으로 조절되는 속도로 디지털 이미지 데이타 의 개별 프레임을 압축시키는 무선 내시경 카메라 시스템.
  17. 제14항에 있어서, 디지털 이미지 데이타의 각각의 프레임이, 제1 해상도를 갖는 제1 내시경 이미지, 및 제1 내시경 이미지와 등가이지만 제1 해상도와는 상이한 제2 해상도를 갖는 제2 내시경 이미지로 변환될 수 있는 데이타의 점진적으로 엔코딩된 비트 스트림으로서 리모트 수신기로 전송되는 무선 내시경 카메라 시스템.
  18. 제14항에 있어서, 디지털 이미지 데이타의 각각의 프레임에 대해, 디폴트 품질 이미지를 나타내는 선택 디지털 이미지 데이타가 먼저 리모트 수신기로 전송된 다음, 고품질 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있는 추가의 디지털 이미지 데이타가 리모트 수신기로 전송되는 무선 내시경 카메라 시스템.
  19. 제14항에 있어서, 디지털 이미지 데이타의 하나의 프레임에 대해, 프레임의 제1 영역은 제1 수준에서 압축되는 반면 프레임의 제2 영역은 제1 수준과는 상이한 제2 수준에서 압축되는 무선 내시경 카메라 시스템.
  20. 제14항에 있어서, 디지털 이미지 데이타가 JPEG 2000 표준에 적합한 알고리즘에 의해 압축되는 무선 내시경 카메라 시스템.
  21. 제14항에 있어서, 하나 이상의 무선 링크가 신뢰도가 상이한 다중 서브-채널로 구성되고, 디지털 이미지 데이타 스트림의 선택 부분은 높은 신뢰도를 갖는 제1 서브-채널에 의해 전송되고, 반면에 디지털 이미지 데이타 스트림의 나머지 부분은 낮은 신뢰도를 갖는 하나 이상의 제2 서브-채널에 의해 전송되는 무선 내시경 카메라 시스템.
  22. 환자의 신체내 조직을 관측하고, 관측되는 조직을 나타내는 이미지 데이타를 무선으로 전송하기 위한 제1 송신기를 포함하는 수술용 내시경;
    내시경에 의해 관측되는 내시경 이미지를 나타내는 디지털 이미지 데이타를 프로세싱하기 위한, 근위 말단과 원위 말단을 갖는 카메라 헤드;
    내시경이 카메라 헤드의 원위 말단에 탈부착 가능하게 연결되는 경우 내시경에 의해 전송되는 이미지 데이타를 무선으로 수신하기 위한, 카메라 헤드의 원위 말단 내의 제1 수신기;
    내시경 이미지를 나타내는 데 필요한 디지털 이미지 데이타의 양을 감소시키기 위한, 카메라 헤드 내에 수용된 압축 유닛;
    압축된 디지털 이미지 데이타를 무선으로 전송하기 위한, 카메라 헤드 내에 수용된 제2 송신기; 및
    제2 송신기에 의해 전송되는 압축된 디지털 이미지 데이타를 무선으로 검색하기 위한, 카메라 헤드로부터 떨어져 있는 제2 수신기를 포함하는 무선 내시경 카메라 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 제1 송신기와 제1 수신기가 적외선 또는 레이저 중의 하나를 사용하여 서로간에 데이타를 통신하는 무선 내시경 카메라 시스템.
  24. 환자의 신체내 조직을 관측하고, 기능하기 위해 전기 에너지를 필요로 하는 하나 이상의 부품을 포함하는, 근위 말단과 원위 말단을 갖고, 원위 말단에 하나 이상의 전기 접촉자(electrical contact)가 배치되어 있는 수술용 내시경;
    내시경에 의해 관측되는 내시경 이미지를 나타내는 디지털 이미지 데이타를 프로세싱하기 위한, 근위 말단과 원위 말단을 갖고, 원위 말단이 내시경과 카메라 헤드 사이에 상대적인 회전이 가능하도록 내시경에 탈부착 가능하게 연결되어 있는 카메라 헤드;
    카메라 헤드로부터 전력을 수용하며 카메라 헤드의 원위 말단에 장착되는, 하나 이상의 전기적으로 통전되는(electrically energized) 콘택트 링;
    내시경 이미지를 나타내는 데 필요한 디지털 이미지 데이타의 양을 감소시키기 위한, 카메라 헤드 내에 수용된 압축 유닛;
    압축된 디지털 이미지 데이타를 무선으로 전송하기 위한, 카메라 헤드 내에 수용된 송신기; 및
    제2 송신기에 의해 전송되는 압축된 디지털 이미지 데이타를 무선으로 검색하기 위한, 카메라 헤드로부터 떨어져 있는 수신기를 포함하며,
    내시경이 카메라 헤드에 연결되어 전기 에너지를 카메라 헤드에서 내시경 부 품으로 전달하는 경우 하나 이상의 전기 접촉자가 하나 이상의 전기적으로 통전되는 콘택트 링과 전기적으로 접촉하며 카메라 헤드와 내시경 사이의 상대적 회전 동안 카메라 헤드에서 내시경 부품으로 전기 에너지를 전달할 수 있는 무선 내시경 카메라 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 하나 이상의 전기적으로 통전되는 콘택트 링 중의 하나가 내시경과 카메라 헤드 사이에 존재하는 회전도에 따라 상이한 전기 저항을 나타내는 무선 내시경 카메라 시스템.
  26. 내시경을 사용하여 환자의 신체 내의 조직을 관측하는 단계;
    내시경에 의해 관측되는 조직의 광학 이미지를 디지털 이미지 데이타로 변환시키는 단계;
    디지털 이미지 데이타를 한번에 하나의 이미지 프레임으로 압축시키는 단계(여기서, 데이타의 각 이미지 프레임의 압축은 데이타의 다른 이미지 프레임과 독립적으로 이루어진다);
    리모트 수신기에 하나 이상의 무선 링크를 구축하는 단계; 및
    압축된 디지털 이미지 데이타를 다수의 안테나 중의 하나 이상을 사용하여 하나 이상의 무선 링크에 걸쳐 리모트 수신기로 전송하는 단계를 포함하여, 내시경 이미지를 수술용 내시경으로부터 리모트 수신기로 무선으로 전송하는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 디폴트 손실 압축 알고리즘을 사용하여 디지털 이미지 데이타의 각각의 프레임을 압축시키는 단계; 및
    하나 이상의 고해상도 내시경 이미지에 대한 사용자의 요구시 디폴트 손실 압축 알고리즘 대신에 무손실 압축 알고리즘을 사용하여 디지털 이미지 데이타의 하나 이상의 선택된 프레임을 압축시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  28. 제26항에 있어서, 압축된 디지털 이미지 데이타를 데이타의 점진적으로 엔코딩되는 비트 스트림으로서 무선으로 전송하는 단계 및
    데이타의 점진적으로 엔코딩되는 비트 스트림을 제1 해상도를 갖는 제1 내시경 이미지, 및 제1 내시경 이미지와 등가이지만 제1 해상도와는 상이한 제2 해상도를 갖는 제2 내시경 이미지로 변환시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  29. 제26항에 있어서, 하나 이상의 무선 링크를 다양한 신뢰도의 다중 서브-채널로 배열하는 단계,
    디지털 이미지 데이타 스트림의 선택 부분을 높은 신뢰도를 갖는 제1 서브-채널에 의해 전송하는 단계 및
    디지털 이미지 데이타 스트림의 나머지 부분을 낮은 신뢰도를 갖는 하나 이상의 제2 서브-채널에 의해 전송하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  30. 환자의 신체내 조직을 관측하기 위한 수술용 내시경;
    내시경에 의해 관측되는 내시경 이미지를 나타내는 디지털 이미지 데이타를 프로세싱하기 위한, 근위 말단과 원위 말단을 갖고, 원위 말단이 내시경에 탈부착 가능하게 연결되어 있는 카메라 헤드;
    내시경 이미지를 나타내는 데 필요한 디지털 이미지 데이타의 양을 감소시키기 위한, 카메라 헤드 내에 수용된 압축 유닛;
    압축된 디지털 이미지 데이타를 리모트 수신기로 전송하기 위한, 카메라 헤드 내에 수용된 송신기; 및
    카메라 헤드의 본체에 위치하고 송신기로부터의 압축된 디지털 이미지 데이타를 수신하고 압축된 디지털 이미지 데이타를 리모트 수신기로 무선 중계하기 위해 송신기와 통신하는 하나 이상의 안테나를 포함하는 무선 내시경 카메라 시스템.
  31. 제30항에 있어서, 하나 이상의 안테나 중의 하나 이상이, 카메라 헤드의 본체로부터 외측으로 돌출되거나, 또는 카메라 헤드의 본체와 필수적으로 같은 높이로 되도록 하는 방식으로 카메라 헤드 위에 장착되는 무선 내시경 카메라 시스템.
  32. 제31항에 있어서, 하나 이상의 안테나 중의 하나 이상이, 카메라 헤드의 원위 말단에 탈부착 가능하게 연결된 내시경의 종축과 일반적으로 평행하도록 카메라 헤드의 본체로부터 외측으로 캔틸레버되어 있는 무선 내시경 카메라 시스템.
  33. 제30항에 있어서, 하나 이상의 안테나 중의 하나 이상이 전방향 안테나인 무 선 내시경 카메라 시스템.
  34. 제30항에 있어서, 송신기에 의한 모든 무선 전송이 3.1 GHz 내지 10.6 GHz 무선 스펙트럼 내에 포함되는 무선 내시경 카메라 시스템.
  35. 제30항에 있어서, 송신기로부터의 모든 무선 전송이 50Mbit/초 이상의 데이타 속도를 갖는 무선 내시경 카메라 시스템.
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