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Die
Erfindung betrifft ein elektronisches Endoskop mit einem Bildaufnahmeelement
und ein Endoskopsystem, das ein Endoskop und einen Signalprozessor
umfasst, der von dem Bildaufnahmeelement eingefangene Bilder so
verarbeitet, dass die verarbeiteten Bilder auf einem Monitor dargestellt und
betrachtet werden können.
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Im
Stand der Technik findet ein Endoskopsystem weitläufig Anwendung,
das ein elektronisches Endoskop mit einem Bildaufnahmeelement, das
in einer Frontendeinheit des Endoskops angeordnet ist, und einen
Prozessor umfasst, der von dem Bildaufnahmeelement empfangene Signale
verarbeitet und die verarbeiteten Signale an einen Monitor ausgibt.
Die Frontendeinheit des elektronischen Endoskops ist so gestaltet,
dass sie im Hinblick auf eine mögliche
Belastung des Patienten oder allgemein des Objektes eine möglichst
geringe Länge
und einen möglichst
geringen Durchmesser aufweist. So ist beispielsweise eine Treiberschaltung,
die das Bildaufnahmeelement ansteuert, nicht in der Frontendeinheit,
sondern in einem proximalen Endabschnitt des Endoskops angeordnet,
so dass die Größe der Frontendeinheit
minimiert werden kann. Die Ansteuereinheit und das Bildaufnahmeelement sind
beispielsweise mittels einer Lötverbindung über ein
Signalkabel miteinander verbunden, das innerhalb eines flexiblen
Rohrs des Endoskops angeordnet ist.
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Wird
das flexible Rohrs eines solchen Endoskops während des Gebrauchs gebogen,
so wird auch das Signalkabel innerhalb des flexiblen Rohrs entsprechend
gebogen. Wird eine solche Biegebetätigung wiederholt durchgeführt, so
wird der Verbindungsabschnitt zwischen dem Bildaufnahmeelement und
dem Signalkabel wiederholt einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt.
Eine übermäßige mechanische
Beanspruchung kann dazu führen,
dass sich das Kabel an dem Verbindungsabschnitt von dem Bildaufnahmeelement
löst. Außerdem kann
ein von außen
auf das flexible Rohr einwirkender Stoß eine Störung und Reibung zwischen dem
Signalkabel und der anderen Komponente verursachen. Das Signalkabel
kann so verschlissen und beschädigt werden;
auch können
die innenliegenden Kabel freigelegt werden.
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Das
gelöste
Signalkabel und die freigelegten inneren Kabel können in dem Endoskopsystem,
das das Bildaufnahmeelement und die Treiberschaltung enthält, einen
Kurzschluss verursachen. Dieser Kurzschluss kann in den Komponenten
einen Überstrom verursachen,
wodurch diese gegebenenfalls überhitzen.
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Um
eine solche Überhitzung
in den Komponenten infolge eines Kurzschlusses zu vermeiden, kann
eine elektronische Stromversorgungseinheit mit einer Stromabschalteinheit
vorgesehen werden. Wird in dieser Stromversorgungseinheit in der
Schaltungsanordnung ein Überstrom
erzeugt, so wird der elektrische Strom durch eine Sicherung, die
sich stromaufwärts,
d.h. eingangsseitig der Stromversorgungseinheit befindet, oder eine Überstromerfassungseinheit
abgeschaltet, die sich stromabwärts,
d.h. ausgangsseitig der Stromversorgungseinheit befindet.
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Es
ist deshalb in Betracht zu ziehen, in dem oben beschriebenen Endoskopsystem
eine solche Überstromerfassungsschaltung
einzusetzen, um eine Überhitzung
in den Endoskopkomponenten infolge eines Kurzschlusses zu verhindern.
Selbst wenn jedoch von dem Stromabschaltkreis der dem Bildaufnahmeelement
zugeführte
elektrische Strom abgeschaltet wird, so empfängt das Bildaufnahmeelement
immer noch die Treibersignale von der Treiberschaltung. Auf diese
Weise wird dem Bildaufnahmeelement eine Spannung zugeführt, die
beträchlicht
höher als
die Stromversorgungsspannung ist (z.B. 0 Volt, wenn der elektrische
Strom abgeschaltet ist). In dieser Situation kann es leicht zu einem
sogenannten Latch-up-Phänomen
kommen, bei dem das Bildaufnahmeelement überhitzt und ausfällt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein elektronisches Endoskop und ein Endoskop
anzugeben, in denen das oben genannte Latch-up-Phänomen vermieden
werden kann.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Endoskopsystems, das ein Ausführungsbeispiel
darstellt;
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2 ein
Blockdiagramm, das den Aufbau des Endoskopsystems nach Ausführungsbeispiel zeigt;
und
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3 ein
Blockdiagramm, das den Aufbau eines CCDs und einer DSP-Platine des
Endoskopsystems nach Ausführungsbeispiel
zeigt.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren Ausführungsbeispiele
zur Erläuterung
der Erfindung beschrieben.
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1 ist
eine schematische Ansicht, die ein Endoskopsystem 10 als
Ausführungsbeispiel
zeigt. 2 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau des Endoskops 10 nach
Ausführungsbeispiel
zeigt.
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Das
Endoskopsystem 10 enthält
ein elektronisches Endoskop 100, einen Prozessor (Verarbeitungseinheit) 200 und
einen Monitor 300. Das Endoskop 100 hat an seinem
distalen Ende eine Anschlusseinheit 100. Die Anschlusseinheit 100 weist einen
Zweistiftstecker 110a auf, der mit einem Steckanschluss 210 des
Prozessors 200 verbindbar ist. Der Steckanschluss 210 hat
zwei Aufnahmen 210a, die jeweils einem der beiden Stifte
des Zweistiftsteckers 110a zugeordnet sind. Einer der beiden
Stifte 110a und die zugehörige Aufnahme 210a sorgen
für eine
elektrische Verbindung zwischen dem Endoskop 100 und dem
Prozessor 200, während
der andere der beiden Stifte 110a und die zugehörige Aufnahme 210a für eine optische
Verbindung sorgen.
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Die
Anschlusseinheit 110 ist mit einem Ende eines flexiblen
Kabels 120 verbunden. Das andere Ende des Kabels 120 ist
mit einer Bedieneinheit 130 verbunden. Die Bedieneinheit 130 wird
von dem Bediener betätigt,
um das elektronische Endoskop 100 handzuhaben. Indem der
Bediener die Bedieneinheit 130 beispielsweise durch Drücken einer
an der Bedieneinheit 130 vorgesehenen Taste (nicht gezeigt) betätigt, kann
ein Fluid, z.B. Luft oder Reinigungsflüssigkeit, in eine Körperkavität eingeblasen
bzw. eingespritzt werden. Die Bedieneinheit 130 ist mit
einem Ende eines flexiblen Rohrs 140 verbunden.
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Das
flexible Rohr 140 ist in eine Körperkavität einzuführen und hat an ihrem distalen
Ende eine Frontendeinheit 150. Betätigt der Bediener die Bedieneinheit 130,
um das flexible Rohr 140 an einer Stelle, an der die Frontendeinheit 150 mit
dem flexiblen Rohr 140 verbunden ist, zu biegen, so wird
die Frontendeinheit 150 abgewinkelt, wodurch der zu betrachtende
Bereich entsprechend geändert
wird.
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Die
Frontendeinheit 150 besteht aus einem harten Material,
z.B. Harz, und ist mit Komponenten ausgestattet, die zur Bildaufnahme
erforderlich sind. Dies sind eine Lichtzerstreuungslinse 152,
eine Objektivlinse 154 und ein ladungsgekoppeltes Bauelement,
kurz CCD, 156. Die Lichtzerstreuungslinse 152 und
die Objektivlinse 154 sind an einer vorderen Stirnfläche der
Frontendeinheit 150 angeordnet. Das CCD 156 ist
ein an sich bekanntes Farb-CCD beispielsweise in der sogenannten
Bayer-Ausgestaltung.
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Das
elektronische Endoskop 100 hat ferner einen Lichtleiter 160,
der sich in Längsrichtung
des Endoskops 100 erstreckt. Der Lichtleiter 160 ist
ein Lichtleitfaserbündel,
dessen eines Ende mit einem der Stifte des Zweistiftsteckers 110a der
Anschlusseinheit 110 verbunden ist. Das andere Ende des Lichtleiters 160 befindet
sich in der Nähe
der Lichtzerstreuungslinse 152. Die Anschlusseinheit 110 ist mit
einer Leiterplatte ausgestattet, die eine DSP-Platine 170 (DSP:
digitaler Signalprozessor) umfasst, die das CCD 156 steuert
und von dem CCD 156 ausgegebene Signale verarbeitet.
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Der
Prozessor 200 hat einen Stromversorgungskreis (Leistungskreis,
Netzteil) 270, der die verfügbare Netzleistung in eine
Gleichstromleistung (Gleichstrom/Gleichspannung) wandelt. Die in
dem Stromversorgungskreis 270 erzeugte Gleichstromleistung
wird den einzelnen, in dem Prozessor 200 vorhandenen Komponenten
zugeführt.
In 2 ist der Einfachheit halber die Verbindung zwischen
dem Stromversorgungskreis 270 und den einzelnen Komponenten
in dem Prozessor 200 weggelassen.
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Der
Prozessor 200 enthält
eine Systemsteuereinheit 220, die die einzelnen Komponenten
in dem gesamten Endoskopsystem 10 steuert. Ferner enthält der Prozessor 200 eine
Lichtquelle 230, die das Innere einer Körperkavität mit Licht bestrahlt, eine Lichtquellenschaltung 232 zur
Steuerung der Lichtquelle 230 und eine Kondensorlinse 234.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird als Lichtquelle 230 eine an sich bekannte Weißlichtquelle,
z.B. eine Metallhalogenidlampe, eine Xenonlampe oder eine Halogenlampe,
verwendet. Das von der Lichtquelle 230 ausgesendete Licht
wird von der Kondensorlinse 234 gesammelt, die sich vor
der Lichtquelle 230 befindet, und gelangt über den
Steckanschluss 210 des Prozessors 200 in das elektronische
Endoskop 100 (genauer gesagt, in den Kern des Lichtleiters 160). Das
Licht wird so durch den Lichtleiter 160 übertragen
und von dessen vorderem Ende durch die Lichtzerstreuungslinse 152 ausgesendet,
um die Körperkavität zu bestrahlen.
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Das
abgestrahlte Licht wird von der Körperkavität reflektiert und gelangt in
die Objektivlinse 154. Das CCD 156 ist im Wesentlichen
an einer Stelle angeordnet, an der durch die Objektivlinse 154 ein
Bild erzeugt wird, so dass das in die Objektivlinse 154 eintretende
Licht auf die Lichtempfangsfläche
des CCDs 156 fokussiert wird.
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3 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau des CCDs 156 und der
DSP-Platine 170 des Endoskopsystems 10 nach Ausführungsbeispiel
zeigt. Die DSP-Platine 170 umfasst eine CCD-Stromversorgungsschaltung
(Leistungskreis) 171, eine Sicherung 172, einen
FPGA, d.h. einen frei oder anwenderprogrammierbaren Logik-Baustein, 173,
eine CCD-Ansteuer-
oder Treiberschaltung 174, eine CCD-Signalverarbeitungsschaltung 175,
Widerstände 176, 177 und
eine Zustandserfassungsschaltung 178, die den Zustand der
Sicherung 172 erfasst.
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Wird
der CCD-Stromversorgungsschaltung 171 von der Stromversorgungsschaltung 270 die Gleichstromleistung
zugeführt,
so nimmt die CCD-Stromversorgungsschaltung 171 eine Spannungswandlung
vor (Wandlung von Gleichspannung nach Gleichspannung) und versorgt
das CCD 156 mit der Steuerspannung. Die aus der Stromversorgungsschaltung 270 stammende
Gleichspannung wird auch den anderen Komponenten auf der DSP-Platine 170 zugeführt.
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Der
FPGA 173 erzeugt auf Grundlage von Synchronisationsimpulsen,
die von der Systemsteuereinheit 220 des Prozessors 200 gesendet
werden, Steuersignale zur Ansteuerung des CCDs 156 und gibt
die erzeugten Steuersignale an die CCD-Treiberschaltung 174 aus.
die CCD-Treiberschaltung 174 gibt
nach Maßgabe
der Steuersignale Treibersignale zur Ansteuerung des CCDs 156 aus.
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Das
CCD 156, das mit den Steuersignalen angesteuert wird, wandelt
das auf die Lichtempfangsfläche
fokussierte optische Bild in Bildsignale (CCD-Ausgangssignale) und
gibt diese an die DSP-Platine 170 aus. Daraufhin erzeugt
die auf der DSP-Platine 170 vorhandene CCD-Signalverarbeitungsschaltung 175 auf
Grundlage der CCD-Ausgangssignale Bildsignale, die Farbkomponentensignale
und Helligkeitssignale beinhalten.
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Unter
nochmaliger Bezugnahme auf 2 wird im
Folgenden die in dem Prozessor 200 durchgeführte Signalverarbeitung
beschrieben. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält der Prozessor 200 eine
Isolationsschaltung 240, eine Signalvorverarbeitungsschaltung 242,
einen Bildspeicher 244, eine Videosignalverarbeitungsschaltung 246, eine Überlagerungsschaltung 248 und
eine Ausgangsschaltung 250. Die Isolationsschaltung 240 wandelt
die von dem elektronischen Endoskop 100 gesendeten Signale
in andere Übertragungssignale wie
optische Signale beispielsweise unter Verwendung eines Optokopplers,
so dass das elektronische Endoskop 100 und der Prozessor 200 an
der Isolationsschaltung 240 elektrisch voneinander isoliert sind.
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Die
von dem Endoskop 100 ausgegebenen Bildsignale werden über den
Steckanschluss 210 und die Isolationsschaltung 240 der
Signalvorverarbeitungsschaltung 242 zugeführt. Die
Signalvorverarbeitungsschaltung 242 verstärkt und
wandelt die zugeführ ten
Bildsignale (Analog-Digital-Wandlung). Die ausgegebenen digitalen
Bildsignale werden auf einer Einzelbild- oder Framebasis in dem
Speicher 244 gespeichert. Die gespeicherten Bildsignale
werden mit einem Timing, das über
die von der Systemsteuereinheit 220 gelieferten Synchronisationsimpulse
festgelegt ist, Einzelbild für
Einzelbild an die Videosignalverarbeitungsschaltung 246 ausgegeben.
Dabei werden die Synchronisationsimpulse mit im Wesentlichen dem
gleichen Timing dem FPGA 173 zur Verfügung gestellt. So werden die
Signalverarbeitung in dem Prozessor 200 und das Ansteuertiming
des CCDs 156 miteinander synchronisiert.
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Die
Bildsignale werden anschließend
in der Videosignalverarbeitungsschaltung 246 in für den Monitor 300 geeignete
Signale gewandelt (d.h. in Farbkomponentensignale und Helligkeitssignale).
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Die Überlagerungsschaltung 248 verarbeitet ein
vorbestimmtes Bild, das den von dem elektronischen Endoskop 100 aufgenommenen
Bildern zu überlagern
ist, unter der Kontrolle der Systemsteuereinheit 220 im
Zusammenwirken mit der Videosignalverarbeitungsschaltung 246.
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Die
Ausgangsschaltung 250 wandelt die von der Videosignalverarbeitungsschaltung 246 übertragenen
Farbkomponentensignale und Helligkeitssignale in Videosignale, die
in einem vorbestimmten Format vorliegen (z.B. zusammengesetzte Videosignale,
S-Videosignale und RGB-Videosignale), um sie zur Anzeige an dem
Monitor 300 auszugeben. Das von dem Endoskop 100 aufgenommene
Bild wird so mit oder ohne überlagertem
Bild auf dem Monitor 300 dargestellt.
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Wird
bei dem oben beschriebenen Aufbau eines der Signalkabel, beispielsweise
ein das CCD 156 und die DSP-Platine 170 verbindendes
Kabel getrennt oder freigelegt, wodurch zwischen einem Kabel, welches
das CCD 156 mit elektrischem Strom versorgt, und der Erde
ein Kurzschluss verursacht wird, so kommt es zwischen der CCD-Stromversorgungsschaltung 171 und
dem CCD 156 zu einem Überstrom.
Zur Vermeidung dieses Überstroms
wird die Sicherung 172, die in dem Stromfluss zwischen der
CCD-Stromversorgungsschaltung 171 und dem CCD 156 angeordnet
ist, abgeschaltet.
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Der
Zustand der Sicherung 172 wird von der Zustandserfassungsschaltung 178 erfasst,
die das Potential zwischen dem Widerstand 176 und dem Widerstand 177 überwacht.
Dabei wird im Normalzustand, in dem der CCD 156 der elektrische
Strom zugeführt
wird, die Spannung an die Widerstände 176, 177 angelegt.
In diesem Zustand ist das Widerstandsverhältnis der Widerstände 176, 177 so
eingestellt, dass das Potential zwischen dem Widerstand 176 und
dem Widerstand 177 höher
als ein vorbestimmter Schwellwert ist. Wenn die Zustandserfassungsschaltung 178 in
dem Normalzustand erfasst, dass das Potential zwischen dem Widerstand 176 und
dem Widerstand 177 höher
als der vorbestimmte Schwellwert ist, so werden Signale, die dieses
höhere
Potential anzeigen (im Folgenden als H-Signale bezeichnet), an den
FPGA 173 gesendet.
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Der
FPGA 173, der die H-Signale empfängt, stellt dadurch fest, dass
die Sicherung 172 in Ordnung ist. Somit findet die normale
Stromversorgung statt, um auf Grundlage der Synchronisationssignale die
Steuersignale zu erzeugen und auszugeben.
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Wird
ein Überstrom
verursacht, und brennt die Sicherung 172 durch, so dass
die Versorgung des CCDs 156 mit Strom aufhört, so wird
der Widerstand 176 geöffnet,
und der Widerstand 177 dient als Pull-down-Widerstand,
der das Potential zwischen dem Widerstand 176 und dem Widerstand 177 auf
einen Wert senkt, der kleiner als der vorbestimmte Schwellwert ist.
Sobald die Zustandserfassungsschaltung 178 das herabgesetzte
Potential erfasst, werden L-Signale, die dieses herabgesetzte Potential
anzeigen, an den FPGA 173 gesendet.
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Der
FPGA 173, der die L-Signale empfängt, stellt so fest, dass die
Sicherung 172 infolge des Überstroms zwischen dem CCD 156 und
der CCD-Stromversorgungsschaltung 171 durchgebrannt
ist und die elektrische Stromversorgung abgeschaltet ist. Der FPGA 173 sendet
daraufhin Berichtssignale, um der Systemsteuereinheit 220 den Stromversorgungszustand
mitzuteilen. Anschließend sendet
der FPGA 173 Signale, die angeben, dass die Erzeugung der
Steuersignale zu beenden ist. Alternativ werden an die CCD-Treiberschaltung 174 Signale
gesendet, die angeben, dass die Erzeugung von Treibersignalen für das CCD 156 einzustellen
ist. Demzufolge wird mit der Erzeugung von Treibersignalen für das CCD 156 aufgehört. Dies
bedeutet, dass mit Abschalten der elektrischen Stromversorgung des
CCDs 156 keine Treibersignale mehr der CCD 156 zugeführt werden.
Damit wird verhindert, dass an das CCD 156 eine Spannung
angelegt wird, die beträchtlich
höher als
die Versorgungsspannung (z.B. 0 Volt) ist. Somit kann das sogenannte Latch-up-Phänomen vermieden
werden, bei dem das CCD 156 überhitzt und ausfällt.
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Die
Systemsteuereinheit 220 steuert die Überlagerungsschaltung 248 anhand
der von dem FPGA 173 gesendeten Berichtsignale. Die Überlagerungsschaltung 248 wirkt
mit der Videosignalverarbeitungsschaltung 246 zusammen,
um ein Bild, das die Störung
(d.h. den Kurzschluss) in dem elektronischen Endoskop 100 anzeigt, über dem
Bild, das durch das Endoskop 100 erhalten wird, darzustellen. Der
Bediener, der den Monitor 50 betrachtet, kann so die Störung in
dem Endoskop 100 erkennen. Dabei kann das überlagerte
Bild zu einem Teil oder im Wesentlichen in seiner Gesamtheit über dem
durch das Endoskop 100 erhaltenen Bild angezeigt werden,
so lange es für
den Bediener erkennbar ist.
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In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Sicherung 172 so ausgebildet, dass sie sich selbst
wiederherstellt. Dies bedeutet, dass das CCD 156 und die
DSP-Platine 170 wieder normal arbeiten können, sobald
die Ursache des Kurzschlusses beseitigt ist. Die Sicherung 172 ist
jedoch nicht notwendigerweise so ausgebildet, dass sie sich selbst
wiederherstellt. Bei einer solchen Ausgestaltung muss die Sicherung 172 beispielsweise
bei einer Reparatur des Endoskops 100 ausgetauscht werden.
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In
der oben bezeichneten Veröffentlichung wird
in der Stromversorgungseinheit der Überstrom in der Stromversorgungsleitung
anhand von elektrischen Stromwerten überwacht. Wird dieses Überwachungssystem
auf das Endoskopsystem nach vorliegendem Ausführungsbeispiel angewandt, so
wird der auf das CCD 156 bezogene Stromwert überwacht. Bei
dieser Ausgestaltung wird jedoch der zu überwachende Stromwert möglicherweise
von der individuellen Spezifizierung beispielsweise der Stromversorgungsleitung,
des CCDs 156 und eines zur Überwachung bestimmten Widerstands
beeinflusst. Dagegen wird in dem Endoskopsystem nach vorliegendem Ausführungsbeispiel
der Zustand der Sicherung 172 zur Erfassung des Überstroms überwacht.
Dabei ist der Zustand der Sicherung 172 weitgehend unabhängig von
der individuellen Spezifizierung der einzelnen Komponenten. Der Überstrom
kann so zuverlässig
erfasst werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt.
Beispielsweise kann die auf der DSP-Platine 170 vorgesehene
CCD-Signalverarbeitungsschaltung 175 in dem Prozessor 200 angeordnet
werden. Bei dieser Ausgestaltung ist die CCD-Signalverarbeitungsschaltung 175 zwischen
der Isolationsschaltung 240 und der Signalvorverarbeitungsschaltung 242 angeordnet.
Außerdem
kann die Zustandserfassungsschaltung 178 weggelassen werden,
wenn die Widerstandswerte der Widerstände 176, 177 geeignet eingestellt
sind; der FGPA 173 ist dann so ausgebildet, dass er den
Zustand der Sicherung 172 direkt erfasst.