JP6164836B2 - 内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子を備える内視鏡に関する。

人体に挿入されて体内の画像を撮像する内視鏡と、内視鏡から画像を受信して表示、保存する内視鏡プロセッサが知られている。このような内視鏡は、人体内に挿入される遠位端部に撮像素子を備え、撮像素子が出力した画像データを送信可能なデータに変換して内視鏡の基部、又は内視鏡プロセッサに送信する。画像データを送信可能なデータに変換する手法として８Ｂ１０Ｂなどの変調方式が知られている（特許文献１）。また、８Ｂ１０Ｂを用いる利点の一つにＤＣバランス特性の良さ（ＡＣ結合が容易に出来る）がある。この利点を持つ内視鏡として特許文献２が知られている。

特開２００８−３０１９６５号公報 特許第４７５７０１９号公報

しかし、８Ｂ１０Ｂなどの変調方式は特殊な変換テーブルを使用する等の種々の理由により、回路規模が大きくなる。回路規模が大きくなると内視鏡の遠位端部を小型化することができない。遠位端部が小型でなければ、被験者の苦痛が大きくなると共に、遠位端部が体内で移動しにくくなるため観察に支障をきたすおそれが生じる。また特許文献２では、信号伝送レートを高速にする必要があるため、伝送路に対する要求が厳しくなるとともに、不要輻射に関する問題が発生する可能性がある。

本発明はこれらの問題を鑑みてなされたものであり、小型の遠位端部を有する内視鏡を得ることを目的とする。

本願発明による内視鏡は、画素データを出力する複数の画素を有し、画素信号により構成される映像信号を出力する撮像素子（１１２）と、画素信号をパラレルのデジタル画像データに変換するアナログ／デジタル変換部（１１３）と、デジタル画像データを送信用データに変換するデータ変換部（１１４）とを備え、データ変換部は、各画素のデジタル画像データの値を第１の規則に従って変換し、これにより得られたデータをシリアルの変換画素データに変換し、各々の変換画素データの先頭にスタートビットを、後尾にスタートビットの値を反転させて得られるエンドビットを付加し、これによりデジタル画像データを送信用シリアルデータに変換することを特徴とする。

撮像素子は、複数の色に対応する複数の画素を有し、１つの画素は１つの色に対応し、画素は撮像素子において所定の方向に並べられ、第１の規則は、所定の方向に対して並べられた同じ色に対応する複数の画素が出力したデジタル画像データを隣接する順に交互に反転（ビット毎の否定演算）する規則であることが好ましい。

スタートビット及びエンドビットのデータ長は１ビットであることが好ましい。

データ変換部から送信用シリアルデータを受信する受信部（１２１−１２４）をさらに備え、データ変換部は、送信用シリアルデータを受信部に送信する前に、スタートビット、エンドビットを含む変換画素データのデータ長に等しい周期を持つイニシャルデータを受信部に送信し、受信部は、受信したイニシャルデータに基づいて受信用同期信号を作成し、変換部は、受信部が受信用同期信号を作成した後に、イニシャルデータの所定のエッジ（立ち上がり、または立ち下がり）部と送信用シリアルデータのスタートビット・エンドビット境界部の位相が同期した状態でイニシャルデータから送信用シリアルデータに切り替え、送信用シリアルデータの送信を開始することが好ましい。

受信部は、イニシャルデータから送信用シリアルデータに切り替わった後、送信用シリアルデータのスタートビット・エンドビット境界に基づいて受信用同期信号の周期・位相を修正しながら、送信用シリアルデータに同期した受信用同期信号を連続的に出力し続けることが好ましい。

受信部は、受信用同期信号に基づいて、送信部から送られた送信用シリアルデータから、元の画像データを復元することが好ましい。

本発明によれば、小型の遠位端部を有する内視鏡を得る。

本願発明による内視鏡及び内視鏡プロセッサを示したブロック図である。 画像データを送信用データに変換する手順を概略的に示した図である。 送信用データを受信する手順を概略的に示した図である。

以下、本発明の一実施形態による内視鏡１００について図１及び２を用いて説明する。

内視鏡１００は、内視鏡プロセッサ２００に接続されて用いられ、観察対象物、例えば人体の内部に挿入される挿入部１１０と、使用者が把持する操作部（非図示）と、内視鏡プロセッサ２００に接続されるコネクタ１２０とから主に構成される。

挿入部１１０の先端である遠位端部１１１の内部には、撮像素子であるＣＭＯＳ１１２と、ＡＤＣ１１３と、データ変換部１１４とが格納される。

ＣＭＯＳ１１２は、複数の色に対応する複数の画素を有する。１つの画素は１つの色に対応する。複数の画素はｎ行ｍ列の行列を成すように並べられる。ＣＭＯＳ１１２が観察対象物を撮像すると、複数の画素は蓄積した電荷に応じた信号をアナログ画素信号として出力する。アナログ画素信号は、１行毎に出力される水平同期信号とともに、ＣＭＯＳ１１２における画素の配列に従って順番に出力される。すなわち、複数の色に対応する複数のアナログ画素信号が画像信号を成し、複数のアナログ画素信号を所定の順番で出力することによりＣＭＯＳ１１２が映像信号を出力する。映像信号はアナログ信号から成る。

ＡＤＣ１１３は、画像信号をデジタル画像データに変換する。データ変換部１１４は、後述する手順を用いてデジタル画像データを送信用シリアルデータに変換し、送信用データをコネクタ１２０に送信する。

コネクタ１２０の内部には、コントローラ１２１、ロジック回路１２２、ＰＬＬ１２３、及びデコーダ１２４が格納される。これらは受信部を成し、データ変換部１１４から送信用シリアルデータを受信して、受信画像データに復調する。これらの機能及び動作の詳細については後述される。

次に図１及び２を用いて、デジタル画像データを送信用シリアルデータに変換する手順について説明する。

ＣＭＯＳ１１２は、例えば図２に示すような市松模様状の画素配列を有する。すなわち、図３の上から１行目は、左から緑（Ｇｒ１１）、赤（Ｒ１１）、緑（Ｇｒ１２）、赤（Ｒ１２）・・・の順に緑と赤とが交互に並べられる。上から２行目では、左から青（Ｂ１１）、緑（Ｇｂ１１）、青（Ｂ１２）、緑（Ｇｂ１２）・・・の順に青と緑とが交互に並べられる。上から３行目では、１行目と同様に左から緑と赤とが交互に並べられる。上から４行目では、２行目と同様に左から青と緑とが交互に並べられる。以下の行では、１行目の配列規則と２行目の配列規則とが交互となるように画素が並べられる。

ＣＭＯＳ１１２は、図２の左上の画素から右方向に向かって順に電荷に応じたアナログ画素信号を出力し（読み出し）、１行目の右端に位置する画素が画素信号を出力した後に、２行目の画素が左端から右方向に向けて順に画素信号を出力する。これを１行目から下方に向けて全ての行について実行する。すなわち、緑（Ｇｒ１１）、赤（Ｒ１１）、緑（Ｇｒ１２）、赤（Ｒ１２）、・・・、青（Ｂ１１）、緑（Ｇｂ１１）、青（Ｂ１２）、緑（Ｇｂ１２）、・・・、緑（Ｇｒ２１）、赤（Ｒ２１）、緑（Ｇｒ２２）、赤（Ｒ２２）、・・・、青（Ｂ２１）、緑（Ｇｂ２１）、青（Ｂ２２）、緑（Ｇｂ２２）・・・の順にアナログ画素信号を出力する。

ＡＤＣ１１３は、アナログ画素信号を、例えば１０ビットのデジタル信号に変換する。この１０ビットのデジタル信号をデジタル画素データ、または単に画素データと呼ぶ。画素Ｇｒ１１が出力したアナログ画素信号は１０ビットのデジタル画素データＤａｔａ−Ｇｒ１１に変換され、画素Ｒ１１が出力したアナログ画素信号は１０ビットのデジタル画素データＤａｔａ−Ｒ１１に変換され、画素Ｇｒ１２が出力したアナログ画素信号は１０ビットのデジタル画素データＤａｔａ−Ｇｒ１２に変換され、画素Ｒ１２が出力したアナログ画素信号は１０ビットのデジタル画素データＤａｔａ−Ｒ１２に変換される。

データ変換部１１４は、デジタル画素データの値を第１の規則に従って反転させる。第１の規則は、所定の方向、すなわち水平方向に対して並べられた同じ色に対応する複数の画素が出力したデジタル画素データの値を交互に反転（ビット毎の否定演算）する規則である。例えば第１行目に第１の規則を適用する場合について説明すると、Ｄａｔａ−Ｇｒ１１は反転されず、次の緑色の画素が出力したＤａｔａ−Ｇｒ１２は反転される。さらに、Ｄａｔａ−Ｇｒ１３は反転されない。赤色の画素に関しては、Ｄａｔａ−Ｒ１１、Ｒ１３は反転されず、Ｄａｔａ−Ｒ１２は反転される。第２行目に関しても、同様に処理される。データ変換部で処理を受けた出力データの総称を変換画素データと呼ぶ。第１の規則を言い換えると、同じ色に対応する画素のうち、水平方向（読み出し方向）に対して偶数番目に位置する画素が出力したデジタル画素データを反転する規則、あるいは、水平方向（読み出し方向）に対して並べられた同じ色に対応する複数の画素が出力したデジタル画素データを、水平方向（読み出し方向）に対して１つおきに反転する規則である。

さらにデータ変換部１１４は、各変換画素データの先頭にスタートビットを付加し、後尾にエンドビットを付加して、パラレル形式のデジタル画素データをシリアルデータに変換する。より詳しく説明すると、変換画素データの先頭にスタートビットを付加し、かつ、それらの後尾にエンドビットを付加し、ＣＭＯＳ１１２が出力した順にこれらを並べて送信用シリアルデータを作成する。これにより、送信用シリアルデータにおける１単位のデータ長は、スタートビット１ビット、１０ビットの反転/非反転の変換処理を受けた画素データ、及びエンドビット１ビットの合計１２ビットとなる。エンドビットは、スタートビットの値を反転させて得られる値である。スタートビット及びエンドビットのデータ長は１ビットであり、スタートビットには例えば１が用いられ、エンドビットには０が用いられる。なお、水平同期信号等の同期信号も画素データと同じデータ長のビット単位のデジタル信号に変換されて、デジタル画素データと同様の手法を用いて送信される。なお、データの第一の規則によるデータ変換とパラレル画素データのシリアル化変換は、順序が逆になっても効果に影響はない。

次に図１及び３を用いて、送信用データを受信する手順について説明する。内視鏡１００は、送信用データを送信する前にイニシャル動作状態に移行して、送信用データを受信するための準備を行い、その後に定常動作状態に移行して送信用データを受信する。

まず、イニシャル動作状態について説明する。イニシャル動作状態において、データ変換部１１４はイニシャルデータをＰＬＬ１２３及びデコーダ１２４を含むコネクタ１２０に送信する。イニシャルデータは、周期（データ長）がスタートビット、エンドビットと前記各変換画素データを含む１データ単位のデータ長に等しく、さらにデューティ比５０％である信号が望ましい。

さらにイニシャル動作時、ＰＬＬ１２３はデータ変換部より送られてくるイニシャルデータに同期し、所定の倍率の受信用同期信号（Ｒ−ＰＬＬ−ＣＬＫ）を作成する。倍率はスタートビット、エンドビットを含む前記各変換画素データ長に相関する。つまり変換画素データ長が１０ビットの場合にデータ単位は１２ビットとなって、倍率は１２倍となる。ロジック回路１２２はＲ−ＰＬＬ−ＣＬＫよりイニシャルデータの立ち上がり部をマスクするＰＬＬ−Ｅｎａｂｌｅ信号を作成する。ＰＬＬ−Ｅｎａｂｌｅ信号が作成でき、引き続きＰＬＬ１２３がイニシャルデータにロックし続けることができれば、コントローラは送信部（データ変換部１１４）にロックした状態を知らせ、内視鏡１００はイニシャル動作状態を終了して定常動作状態に移行する。

定常動作状態における内視鏡１００の動作について説明する。ロックした旨を受信したデータ変換部１１４は、イニシャルデータの立ち上がり部と送信用データのスタートビット・エンドビット境界（立ち上がり）部の位相が同期した状態で、イニシャルデータから送信用データに切り替える。ＰＬＬ１２３はＰＬＬ−Ｅｎａｂｌｅ信号によって送信用データ中のスタートビット・エンドビット境界のみを検知する様になっているので、検知したタイミングによってＲ−ＰＬＬ−ＣＬＫの周期及び位相を修正しながら、送信用データに同期したＲ−ＰＬＬ−ＣＬＫを連続的に出力し続ける。

デコーダ１２４は、ＰＬＬ１２３からのＲ−ＰＬＬ−ＣＬＫとＰＬＬ−Ｅｎａｂｌｅ信号を利用し、データ変換部１１４から送られてくるシリアル信号（送信用データ）をデコード（復調）する。つまりシリアル信号（送信用データ）から同期信号、及び変換画素データなどを抽出する。さらにデコーダ１２４は、送信用データから抽出された水平同期信号部分を検出することにより、送信用データ中の変換画素データの内、送信部のデータ変換部１１４で反転処理を行った変換画像データを判定する。そして、第１の規則に従って変換画素データを反転させてデジタル画素データを復元する。そして、データ変換部１１４から受信した受信画像データを復元作成する。さらにシリアル状態の画素データをパラレルのデジタル画素データに変換し、同期した基準クロックとともに内視鏡プロセッサ２００に出力する。

何らかの理由によりＰＬＬ１２３が送信用データをロックできなくなったとき、Ｕｎｌｏｃｋ信号をＰＬＬ１２３がコントローラ１２１に送信する。Ｕｎｌｏｃｋ信号を受信したコントローラ１２１は、Ｕｎｌｏｃｋ信号をさらにデータ変換部１１４に送信する。これにより内視鏡１００はイニシャル動作状態に移行し、再度送信用データをロックする。

本実施形態によれば、特殊な変換テーブルを使用する変調方式を使用せずに、反転回路を用いてデジタル画素データを反転させて送信するため、変調のために設ける回路は反転回路のみとなる。加えてデジタル画素データにスタートビット及びエンドビットを加えるのみで送信用データを作成できる。これらの理由により、回路規模を小さくすることができる。これにより、遠位端部１１１に格納される回路が小型となり、遠位端部１１１を小型化できる。

また、隣り合う同色間の画素信号の間には相関性があるので、各隣接画素データの値を交互に反転（ビット毎の否定演算）する事によりＤＣバランス特性の良さ（ＡＣ結合が容易に出来る）を、伝送ビットレートを高速化する必要なく実現できる。

被写体を撮影すると、隣接する同色画素同士が出力するアナログ画素信号値はある相関を持つ値、例えば近似する値となる傾向がある。近似する値をデジタル画素データに変換すると、同じ値が連続して、平均値が変動する（ＤＣバランスが崩れる）可能性が生じる。これをＡＣ結合した伝送路で受信部に送信すると、直流成分が伝送されないために、正確に信号を受信できなくなるおそれがある。しかしながら、本実施形態によれば隣接する同色画素のデジタル画素データの値を交互に反転させた信号の平均値は、内視鏡１００が撮影した画像が持つダイナミックレンジのほぼ中間値になる。そのため、同じ値が連続したとしても、平均値が大きく変動しなくなり、ＡＣ結合した伝送路においても受信部が正確に信号を受信できる。

また、スタートビット及びエンドビットのデータ長を１ビットとすることにより、送信用データのデータ長を短くすることができる。すなわち８Ｂ１０Ｂ変調方式ではデータレートが２５％増加することが知られているが、本実施形態では、１０ビットのデータを１２ビットのデータ量で送信するため、データレートは２０％しか増加しない。

また、スタートビット及びエンドビットを設けることにより、送信用データをＰＬＬ１２３が確実にロックすることができる。

なお、デジタル画素データのデータ長は１０ビットに限定されない。またこのとき、イニシャルデータのデータ長もデジタル画素データのデータ長に応じて変更される。

また、撮像素子はＣＭＯＳに限定されず、ＣＣＤであっても良い。

なお、送信用データの１単位に含まれる変換画素データは、画素データ１つ分に限定されず、１つ以上であればよい。２つである場合、送信用データにおける１単位のデータ長は２２ビットとなる。このときのデータレート増加量は１０％であり、８Ｂ１０Ｂ変調方式におけるデータレート増加量２５％よりもさらに少なくなる。またこのとき、イニシャルデータのデータ長も送信用データの１単位のデータ長に応じて変更される。

なお、コントローラ１２１、ロジック回路１２２、ＰＬＬ１２３、及びデコーダ１２４は、内視鏡プロセッサ２００の内部に設けられてもよい。内視鏡プロセッサが内視鏡１００から送信用データを受信して、受信画像データを生成する。

１００ 内視鏡
１１０ 挿入部
１１１ 遠位端部
１１２ ＣＭＯＳ
１１３ ＡＤＣ
１１４ データ変換部
１２０ コネクタ
１２１ コントローラ
１２２ ロジック回路
１２３ ＰＬＬ
１２４ デコーダ
２００ 内視鏡プロセッサ

Claims (6)

1. 画素信号を出力する複数の画素を有し、前記画素信号により構成される映像信号を出力する撮像素子と、
   前記画素信号をパラレルのデジタル画像データに変換するアナログ／デジタル変換部と、
   前記デジタル画像データを送信用シリアルデータに変換するデータ変換部とを備え、
   前記データ変換部は、各画素の前記デジタル画像データの値を第１の規則に従って変換し、これにより得られたデータをシリアルの変換画素データに変換し、各々の前記変換画素データの先頭にスタートビットを、後尾に前記スタートビットの値を反転させて得られるエンドビットを付加し、これにより前記デジタル画像データを前記送信用シリアルデータに変換し、
   前記撮像素子は、複数の色に対応する複数の前記画素を有し、１つの前記画素は１つの色に対応し、前記画素は前記撮像素子において所定の方向に並べられ、
   前記第１の規則は、前記所定の方向に対して並べられた同じ色に対応する複数の画素が出力したデジタル画像データを隣り合う順に交互に反転する規則である内視鏡。
2. 前記撮像素子において、赤、青、緑の色に応じた画素が市松模様状に配列されている請求項１に記載の内視鏡。
3. 前記スタートビット及び前記エンドビットのデータ長は１ビットである請求項１又は２に記載の内視鏡。
4. 前記データ変換部から前記送信用シリアルデータを受信する受信部をさらに備え、
   前記データ変換部は、前記送信用シリアルデータを前記受信部に送信する前に、スタートビット、エンドビットを含む前記変換画素データのデータ長に等しい周期を持つイニシャルデータを前記受信部に送信し、
   前記受信部は、受信した前記イニシャルデータに基づいて受信用同期信号を作成し、
   前記変換部は、前記受信部が前記受信用同期信号を作成した後に、イニシャルデータの所定の立ち上がり又は立ち下がり部と送信用シリアルデータのスタートビット・エンドビット境界部の位相が同期した状態でイニシャルデータから送信用シリアルデータに切り替え、前記送信用シリアルデータの送信を開始する請求項１から３のいずれかに記載の内視鏡。
5. 前記受信部は、前記イニシャルデータから前記送信用シリアルデータに切り替わった後、前記送信用シリアルデータのスタートビット・エンドビット境界に基づいて前記受信用同期信号の周期・位相を修正しながら、前記送信用シリアルデータに同期した受信用同期信号を連続的に出力し続ける請求項４に記載の内視鏡。
6. 前記受信部は、前記受信用同期信号に基づいて、送信部から送られた送信用シリアルデータから、元の画像データを復元する請求項５に記載の内視鏡。

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