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発明の名称 デジタル調光回路を搭載する内視鏡システム
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−182(P2007−182A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−180631(P2005−180631)
出願日 平成17年6月21日(2005.6.21)
代理人 【識別番号】100058479
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦
発明者 松澤 和広
要約 課題
内視鏡システムに搭載される光源の調光がアナログ回路で行われる場合には、特性の変更が容易ではなく、仕様の異なる内視鏡やCCUの交換装着に対して最善な調光特性を得られるとは限らず、互換性や汎用性を有するシステムが構築し難い。

解決手段
本発明は、アナログ調光回路における加算器、LPF、BPF、F/V変換器及び乗算・割算回路等からなる回路構成部位を全て汎用性CPUに置き換えて構成される内視鏡システムのデジタル調光回路であり、各CPU内でアセンブラ等のプログラムにより、各部位を動作させるアナログ信号をA/D変換及び計算式に用いて変換したデジタル信号を生成し、このデジタル信号により駆動回路を動作させて調光を行う。
特許請求の範囲
【請求項1】
撮像視野を照明する光源と、
内視鏡内に設けられた撮像素子から得られた映像信号に基づき輝度情報を生成するカメラコントロールユニットと、
前記輝度情報に基づき、前記光源の照明光量を絞りの開閉動作による開口で調光するデジタル調光回路と、を具備し、
前記デジタル調光回路内には、
前記カメラコントロールユニットが生成した輝度情報と、前記光源に設けられた絞りの駆動情報及び該絞りの駆動指示情報と、該光源に備えられた操作パネル上から任意に設定した明るさの設定情報とを用いて、
(輝度情報/明るさの設定情報)−ローパスフィルタ(LPF)を通過させた光源の絞りの駆動情報+バンドパスフィルタ(BPF)を通過させた光源の絞りを駆動させるための駆動指示情報により、光源の絞りの駆動量を求める情報処理部が設けられ、
前記情報処理部が求めたデジタル信号化された絞りの駆動量に基づき、前記絞りが開口されることを特徴とするデジタル調光回路を搭載する内視鏡システム。
【請求項2】
前記デジタル調光回路は、
前記絞りを開閉動作させる駆動回路を制御するための加算処理を行う第1の中央処理ユニット(CPU)と、
前記絞りを適度な速さで開閉動作させるためのローパスフィルタ機能、及びバンドパスフィルタ機能によるフィルタ処理を行う第2の中央処理ユニット(CPU)と、
前記光源に設けられたスイッチの操作に応じて明るさレベルを調整するためのF/V変換機能による変換処理を行う第3の中央処理ユニット(CPU)と、
前記カメラコントロールユニットから出力されデジタル化された輝度情報と、前記第3の中央処理ユニット(CPU)から出力されたF/V変換信号に対して乗算・割算を施し、絞りの位置を決定するための乗算・割算処理を行う第4の中央処理ユニット(CPU)と、
を有することを特徴とする請求項1に記載のデジタル調光回路を搭載する内視鏡システム。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、内視鏡照明に用いられる光源の調光を行うデジタル調光回路を搭載する内視鏡システムに関する。
【背景技術】
【0002】
一般に従来の内視鏡システムは、例えば図8に示すように、内視鏡挿入部11を体腔内などに挿入して観察を行うため、観察箇所(撮像視野)を照明するための光源装置12が備えられている。この光源装置12は、内視鏡制御部13、ビデオプロセッサ(カメラコントロールユニット:CCU)14及びテレビモニタ15等と共に、一筐体内に収納されて構成されている。
【0003】
光源装置12は、適切な輝度の観察画像を得ることができるように、調光機能となる照明光の光量を調整するためのアナログ調光回路が備えられている。光源となるランプ16から出射された照明光は、レンズ及び絞りが組み合わされた光学系17を経て集光され、ライトガイドを通って、挿入部先端から撮像視野をカバーする範囲に照射される。
【0004】
その観察箇所において反射した照明光は、内視鏡先端に設けられた撮像レンズ(図示せず)で集光して導かれ、図示しない撮像素子(例えば、CCD)の受光面に結像される。撮像素子は、光電変換により結像された光像を映像信号に変換する。この映像信号は、CCU14に送られ、輝度及び色調等が適宜に補正された後、テレビモニタ15に映像信号(R,G,B,SYNC等)として出力され、観察像として表示される。さらに、CCU14は、CCDで得られた映像信号を増幅し、ローパスフィルタ(LPF)等を用いたノイズ除去処理を施したEE信号を生成して、光源装置のアナログ調光回路18に出力する。
【0005】
このアナログ調光回路18は、絞り19を開閉動作させるドライブ回路20を制御するための加算器21と、絞り19を適度な速さで開閉動作させるためのダンパー回路22(ダンパー22a、LPF22b、バンドパスフィルタ(BPF)22cを含む)と、パネルスイッチの操作に応じて明るさレベルを調整するためのF/V変換器23と、EE信号とF/V変換器23の出力信号に対して乗算・割算を施し、絞りの位置を決定する乗算・割算回路24等で構成される。
【0006】
出射光を装置に設置してあるパネルスイッチの操作量に対応する輝度調節信号を生成し、その信号とEE信号のレベルに基づき絞りを開閉させて、適正な明るさに「自動調整」する。また、EE信号を使用せず、装置に設置してあるパネルスイッチの操作のみで明るさを調整することも可能である。
【特許文献1】特開平6−95007号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、従来のアナログ調光回路においては、前述した「自動調整」を行わせる際に、各機能を満足させるアナログICを使用していた。例えば、加算やダンパー動作として機能させる場合には、オペアンプ、抵抗を組み合わせたLPF、BPF及び加算器が用いられている。F/V変換器としてはリニアICが用いられている。さらに、乗算・割算は、電流の乗算を行うリニアICを使用している。このため、加算やダンパー動作を行う回路では、各フィルタの定数を変更するためのスイッチなどが各回路に必要になっている。
【0008】
従って、特性を広い調整範囲で調整することが出来ず、1つの光源に仕様の異なる内視鏡を取付けたり、仕様(特性)の異なるCCUと交換した場合には、必ずしも最善な調光特性を得られるとは限らず、また調整可能な範囲を超える場合もあり、広く汎用性を有する内視鏡システムとしては構築し難い。
【0009】
さらに、F/V変換器や乗算・割算回路として、専用化された特殊なリニアICを用いる必要がある。しかし、その後、リニアICの製造メーカーの都合により供給が停止された場合や代替えができない場合には、製造/修理不能となるため、補修のために再設計を行わなければならないという問題がある。また従来のアナログ回路は、個々の部品を基板に実装する構成であるため、調光回路の小型化が図れないという問題もある。
【0010】
そこで本発明は、仕様の異なる内視鏡挿入部やカメラコントロールユニットに対して汎用性を有し、容易に交換可能で、小型化且つ最善な調光特性が得られるデジタル調光回路を搭載する内視鏡システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は上記目的を達成するために、撮像視野を照明する光源と、内視鏡内に設けられた撮像素子から得られた映像信号に基づき輝度情報を生成するカメラコントロールユニットと、前記輝度情報に基づき、前記光源の照明光量を絞りの開閉動作による開口で調光するデジタル調光回路と、を具備し、前記デジタル調光回路内には、前記カメラコントロールユニットが生成した輝度情報と、前記光源に設けられた絞りの駆動情報及び、該絞りの駆動指示情報と、該光源に備えられた操作パネル上から任意に設定した明るさの設定情報とを用いて、(輝度情報/明るさの設定情報)−ローパスフィルタ(LPF)を通過させた光源の絞りの駆動情報+バンドパスフィルタ(BPF)を通過させた光源の絞りを駆動させるための駆動指示情報により、光源の絞りの駆動量を求める情報処理部が設けられ、前記情報処理部が求めたデジタル信号化された絞りの駆動量に基づき、前記絞りが開口されるデジタル調光回路を搭載する内視鏡システムを提供する。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、仕様の異なる内視鏡挿入部やカメラコントロールユニットに対して汎用性を有し、容易に交換可能で、小型化且つ最善な調光特性が得られるデジタル調光回路を搭載する内視鏡システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図1には、本発明の一実施形態として、内視鏡システムに搭載される光源のデジタル化された調光回路の構成例を示し説明する。
本実施形態における光源の調光回路は、前述した図8に示した内視鏡システムの構成ににおけるアナログ調光回路18(破線で囲まれた部分)をデジタル化した構成である。このデジタル調光回路以外の構成部位については、同等の構成部位には同じ参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0014】
本実施形態のデジタル調光回路は、アナログ調光回路18における加算器21、LPF22b、BPF22c、F/V変換器23、乗算・割算回路24を全て汎用性のある中央処理ユニット(CPU)に置き換えて構成される。各CPU内では、アセンブラ等のプログラムにより、アナログ回路の各部位の動作を、計算式に変換し処理を行う。つまり、入力されたアナログ信号は、CPU内のA/D変換器により数値化(デジタル化)される。デジタル変換された値(デジタル信号)は、絞りの現在の開口状況を示す位置情報を考慮して、絞りを開閉するためのドライブ回路に出力される。ドライブ回路は、このデジタル信号に基づき、絞りを動作させる。
【0015】
以下、図1を参照して、デジタル調光回路について詳細に説明する。
図1に示すCPU1に入力される信号のうちアナログ信号に対しては、以下のa)〜c)項の処理を施して、CPU1に内蔵されているA/D変換部(+5VのVrefによって電圧が管理される)に入力される。
【0016】
a).CCU14で増幅及びノイズカットされたEE信号は、端子Aを通じて、オペアンプ部3で2.8倍に増幅され、且つオフセット電圧5.0Vに変換 されて、CPU1内のA/D変換部(8又は10bit)に入力する。
【0017】
b).ダンパー22aから出力された絞りの現在の移動状態を示す絞り位置移動状況信号Mは、端子Bを通じて、オペアンプ部4で13.9倍に増幅され、且つオフセット電圧4.0Vに変換される。さらに、ダンパーの伝達関数ゲインの高い200Hz以上がカットされ、LPFにより−3dB、カットオフ240Hzを行い、CPU1内のA/D変換部(8又は10bit)に入力される。
【0018】
c).ドライブ回路20から出力された駆動信号Nは、端子Cを通じて、オペアンプ部5で0.36倍(11bitは0.72倍)オフセット電圧2.5Vに変換され、CPU1内のA/D変換部(8bit)に入力される。
【0019】
また、デジタル信号として、CPU1に入力される信号は、光源本体に設けられたパネルスイッチ25による操作量に応じた明るさ設定情報信号を光源の図示しないメインCPUにて25KHz〜0.7KHzの矩形波信号に変換し、フォトカプラ(図示しない患者側の回路ための絶縁部)を経て、電圧変換回路6に至る。
d).電圧変換回路6は、汎用IC(例えば、74HC4049等)を用いており、矩形波信号の電圧幅15Vを5Vに降圧する。
【0020】
e).CPU2は、電圧変換回路6から入力された25KHz〜0.7KHzの周波数矩形波信号をCPU2内部に予め保持されたプログラム上の8bitの数値(ルックアップテーブル値)に変換する。この変換された数値を8bitのシリアルデータ化された明るさ設定情報として、CPU1に送信する。この送信方法としては、例えば、RS−232C準拠し、9600bpsにより送信することができる。
【0021】
f).CPU1は、送信された明るさ設定情報信号を8bitデータとして受け取ることができる。
本実施形態では、データ通信の1命令に対して、基準クロックを20MHzの1/4とするクロック速度で動作するCPU1のプログラム上で、全プログラム処理の周期T≒2000Hzにて演算処理を行う例で説明している。勿論、この周期に限定されるものではない。
【0022】
[除算・演算器]
g).EE信号は、CPU1内のA/D変換部によって8又は10bitのデジタル信号に変換される。
h).変換されたEE信号に対して、以下のような演算処理を施す。
(EE(16bit)/CREF(8bit))×4=MULTI(16bit)
{EE(8又は10bit)×4→16bit}、
{MULTI(16bit)→8〜12bit}で演算する。
【0023】
i).ダンパー信号は、A/D変換によって8又は10bitのデジタル信号に変換され、さらに、LPF(加算・乗算器)によって、0.91倍、−3dBカットオフ 59Hzに変換される。これは、LPFをデジタルフィルタで構成するため、デジタル信号処理を施す。
【0024】
このデジタル信号処理とは、アナログ信号における連続に流れる信号概念を、離散的な(任意の単位時間で分割された)信号概念に置き換えて、信号を送らせて加算する(又は減算する)処理を意味するものとする。従って、デジタル信号処理回路は、加算器、乗算器、遅延器(サンプリング周期)で表すことができる。
【0025】
一方、フィルタを構成するときには、伝達関数をまず求める。RC積分回路でアナログ信号に用いられるLPFの場合には、H(s)=1/(1+sRC)であるが、連続時間周波数領域sを、デジタルの離散周波数領域領域に変換する為にZ変換を使用する。これをS−Z変換と称する。
【0026】
本実施形態においては、変換近似式として、
後進差分近似:s≡(1−z-1)/T
(z-1=e-sT=1−sT+(sT)2/2!−(sT)3/3!+…)
双1次差分近似:s≡(2/T)/((1−z-1)/(1+z-1))
(IIRのみの場合→後進・前進差分近似、IIR+FIRの場合→双1次差分近似)この式を、伝達関数H(s)に代入し、z変換を行う。上記の式を回路図に示すと、図2に示すような構成となる。
【0027】
また、一次行進差分近似を用いて変換を行うと、
H(s)=1/(1+sRC) これを s≡(1−z-1)/T
H(z)=1/(1+(1−z-1)RC/T)
=((T/RC)/(T/RC+1)/(1−z-1/(1+T/RC))
この式に、T=500μs(2000Hz):プログラムを1回実行する所要時間
R=270KΩ
C=0.01μF
を代入すると、
1/(1+T/RC)=1/(1+0.0005/0.0027)≒0.8438
これを2進数で換算すると → 53/64≒0.8281
となり、この数値をプログラム上で乗算する。
(T/RC)/(T/RC+1)
=(0.0005/0.0027)/(1+0.0005/0.0027)
≒0.1563
これを2進数で換算すると → 1/8+1/32=0.1562
となり、この数値をプログラム上で乗算する。そして、プログラム上では、図3に示すようなルーチンとなるように、乗算、除算、加算及び減算を行う。一方、
j).ドライブ信号は、A/D変換によって8bitの値に置き換えられ、LPF(加算・乗算器)によって、0.91倍 −3dB カットオフ59Hzに変換される。
次に、ハイパスフィルタ(HPF:加算・乗算器)によって、0.46倍 −3dB カットオフ49Hzに変換され、トータルとして、バンドパスフィルタ(BPF) 0.418倍 55Hzによる変換と等価となる。
【0028】
このBPFをデジタルフィルタで製作する場合、HPFとLPFとを組み合わせる。LPFはi)項で説明した内容と同じである為、ここではHPFの構成について説明する。以下のS−Z変換を行う。
【0029】
双一次近似を用いて変換を行うと、
H(s)=1/(1/RCs+1)を
s=(2/T)/((1−z-1)/(1+z-1))
T=500μs(2000Hz):プログラムを1回実行する所要時間
R=270KΩ
C=0.01μF
に置き換えると、
H(s)=1/(313/s+1)=(S/313)/(1+S/313)は
H(z)=2(1−z-1)/(2.1565−1.8435z-1)
=0.9274(1−z-1)/(1−0.8549z-1)
これらの値を2n の分数値で置き換える(2進数値化する)と、
0.8549 → 27/32≒0.844
0.9274 → 29/32≒0.906
となり、この数値をアセンブラプログラムで乗算する。
【0030】
このようなHPFは、プログラムとしては図4に示すようなシーケンスとなる。図3によるLPFと図5によるHPFとを足し合わせる、即ち図5(a)に示すようにそれぞれの出力特性を合わせることにより、図5(b)に示すようなBPFを構築するように、乗算、除算、加算及び減算を行う。
【0031】
[加算器]
k).MULTI、DMP、DRVは、16bitで加算する。
1).この時、加算された合計値は調光時の静止時に、D/A変換器出力の中心値(OV近辺)におく必要がある。この為、加算された数値からある数値を引算することで、出力のオフセットを調整する。
m).加算値が255〜2047以上、或いは0以下であった場合、誤った数値を出力させない様にするため、加算値が255〜2047以上であっても、255〜2047の範囲に固定し、0以下の場合は0に固定させる。
【0032】
各ユニットの計算式(オペレーションアンプ(OPAMP)の増幅率、プログラム上の倍率を含む)
・8bit時:(((DRV×0.36)×0.418)/2+(255−(DMP×13.9)×0.91))+EE×2.8×4/CREF
・10bit時:(((DRV×0.36)×0.418)×2+(1023−(DMP×13.9)×0.91))+EE×2.8×4/CREF
・llbit時:(((DRV×0.72)×0.418)×2+(2048−(DMP×13.9)×0.91))+EE×2.8×4/CREF
となり、4.7KΩを経て、OPAMPに入力される。
【0033】
この加算器を通過した後、調光回路とドライブ回路、絞り、ダンパーとのループ特性が図6(a),(b)に示すように、平坦となる。また光学系、プロセッサも含めたループ特性は、図7に示すようになり、周波数特性は、ほぼアナログ回路と同等となる。
【0034】
本実施形態によれば、調光回路をアナログ回路からデジタル回路に置き換えることにより、プログラム変更又は選択により調光に関する特性を容易に調整することができる。従って、1つの光源装置に対して、異なる特性の内視鏡を交換して取付ける、又は異なる特性のCCUを交換して取り付ける等の互換性や汎用性に優れる内視鏡システムを構築することができ、且つ、最善な調光特性を得ることができる。また、調光回路をデジタル回路化することにより、個々の部品を実装して構築したアナログ回路に比べて、調光回路の小型化を図れるという効果も併せて奏している。
【0035】
尚、本発明は以下の要旨も含んでいる。
【0036】
1.内視鏡に接続されたカメラコントロールユニットからの輝度情報に基づき光源の明るさを自動調光する調光回路を搭載する内視鏡システムであって、
前記カメラコントロールユニットからの輝度情報、前記光源の絞りの位置情報、前記光源の絞りを駆動するための指示情報及び、前記光源に設けられたパネル上から任意に設定した明るさの設定情報を情報処理部に入力し、該情報処理部内で以下の演算式によるデジタル化処理された絞りの駆動情報を算出して、その前記絞りを駆動するための駆動回路に入力し、該絞りを所定の開口にすることを特徴とする調光回路を搭載する内視鏡システム。
【0037】
演算式:(輝度情報/明るさの設定情報)−絞りの駆動情報にローパスフィルタ(LPF)を介した値+絞りを駆動させるための指示情報にバンドパスフィルタ(BPF)を介した値=絞りの駆動情報。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明に係る一実施形態の内視鏡システムに搭載される光源のデジタル化された調光回路の構成例を示す図である。
【図2】実施形態における変換近似式による回路構成を模擬的に示す図である。
【図3】本実施形態におけるLPFをプログラム上でルーチンとして示す図である。
【図4】本実施形態におけるHPFをプログラム上でルーチンとして示す図である。
【図5】本実施形態において、LPFとHPFとを足し合わせによるBPFの構築例について説明するための図である。
【図6】本実施形態における調光回路とドライブ回路、絞り及びダンパーとのループ特性の一例を示す図である。
【図7】本実施形態における光学系、プロセッサも含めたループ特性の一例を示す図である。
【図8】従来のアナログ調光回路が備えられている内視鏡システムの概略的な一構成例を示す図である。
【符号の説明】
【0039】
1,2…CPU、3,4,5…オペアンプ部、6…電圧変換回路、7…、8…、9…、10…、11…内視鏡挿入部、12…光源装置、13…内視鏡制御部、14…CCU、15…テレビモニタ、16…ランプ、17…光学系、18…アナログ調光回路、19…絞り、20…ドライブ回路、21…加算器、22…ダンパー回路、22a…ダンパー、22b…ローパスフィルタ(LPF)、22c…バンドパスフィルタ(BPF)、23…F/V変換器、24…乗算・割算回路、25…パネルスイッチ。




 

 


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