JP6716692B2

JP6716692B2 - 内視鏡装置及び内視鏡

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Publication number: JP6716692B2
Application number: JP2018520218A
Authority: JP
Inventors: 翔中村
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2036-05-30
Also published as: JPWO2017208308A1; CN109152516B; CN109152516A; US20190089920A1; DE112016006920T5; WO2017208308A1; US10868992B2

Description

本発明は、内視鏡装置及び内視鏡に関するものである。

従来、被検体の内部の被写体を撮像する内視鏡と、内視鏡により撮像された被写体の観察画像を生成するプロセッサと、プロセッサにより生成された観察画像を表示するモニタとを備えた内視鏡装置が、医療分野及び工業分野等において広く用いられている。

内視鏡には、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子、内視鏡形状検出用の磁気コイル等、様々なセンサが配置されている。各種センサの入出力信号は、内視鏡のコネクタ部（すなわち、プロセッサとの接続部）、または、プロセッサに配置される信号検出回路に対して、長尺なケーブルを介して伝送される。

長尺なケーブルを介して伝送されるため、プロセッサから内視鏡が備えるセンサへ供給する電源電圧、及び、内視鏡の撮像素子からプロセッサへ出力される計測信号は、ケーブル抵抗によって電圧降下する。そのため、センサからの計測信号をプロセッサで安定して高精度で検出するためには、電圧降下、変動を補正または抑制する手段が必要となる。例えば、日本国特開２０１５−１９２６９５号公報には、ケーブル抵抗による電圧降下の対策を行っている内視鏡装置が提案されている。

日本国特開２０１５−１９２６９５号公報の内視鏡装置は、内視鏡先端に配置された撮像素子の出力信号を安定させるため、プロセッサに設けられている撮像素子用電源の電圧値を、撮像素子に実際に印加されている電圧を計測して決定している。

しかしながら、日本国特開２０１５−１９２６９５号公報の内視鏡装置では、ケーブル抵抗の温度依存性による先端部におけるＧＮＤ電位が変動し、変動したＧＮＤ電位を基準に生成される撮像素子の出力信号レベルも変動するため、撮像素子の出力信号の精度が低くなるという問題があった。

そこで、本発明は、ケーブル抵抗の温度依存性により内視鏡の先端部のＧＮＤ電位が変動した場合でも、プロセッサにおいて内視鏡に搭載されたセンサの出力信号を高精度で計測することができる内視鏡装置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装置は、ケーブル及びセンサを有する内視鏡と、プロセッサとを備える内視鏡装置であって、前記内視鏡は、前記センサからの出力信号を差動増幅する差動増幅部を有し、前記プロセッサは、前記差動増幅部へ供給する基準電圧を生成する基準電圧生成部を有し、前記プロセッサの前記基準電圧生成部で生成された前記基準電圧は、前記ケーブルを介して前記内視鏡の前記差動増幅部へ供給され、前記差動増幅部の出力信号は、前記ケーブルを介して前記プロセッサで検出される。

また、本発明の一態様の内視鏡は、ケーブルとセンサとコネクタ部とを有する内視鏡であって、前記内視鏡は、前記センサからの出力信号を差動増幅する差動増幅部を備え、前記コネクタ部は、前記差動増幅部へ供給する基準電圧を生成する基準電圧生成部を備え、前記コネクタ部の前記基準電圧生成部で生成された前記基準電圧は、前記ケーブルを介して前記差動増幅部へ供給され、前記差動増幅部の出力信号は、前記ケーブルを介して前記コネクタ部で検出される。

第１の実施形態に係わる内視鏡装置の構成を示す構成図である。内視鏡及びプロセッサの詳細な構成を説明するための構成図である。センサ、差動増幅部、電源回路の詳細な構成を示す図である。センサ２７の他の構成を説明するための図である。センサ２７の他の構成を説明するための図である。第２の実施形態に係る内視鏡の詳細な構成を説明するための構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係わる内視鏡装置の構成を示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態の内視鏡装置１は、内視鏡２と、プロセッサ３と、モニタ４とを備えて主に構成されている。プロセッサ３とモニタ４とは、ケーブル５を介して電気的に接続されている。

本実施形態の内視鏡２は、人体等の被検体内に導入可能であって被検体内の所定の観察部位を光学的に撮像する構成を有している。なお、内視鏡２が導入される被検体は、人体に限らず、他の生体であってもよいし、機械、建造物等の人工物であってもよい。

内視鏡２は、被検体の内部に挿入される挿入部１０と、挿入部１０の基端に位置する操作部１４と、操作部１４の側部から延出するユニバーサルケーブル（以下、単にケーブルという）１５とにより主に構成されている。

挿入部１０は、先端に配設される先端部１１と、先端部１１の基端側に配設される湾曲自在な湾曲部１２と、湾曲部１２の基端側に配設され操作部１４の先端側に接続される可撓性を有する可撓管部１３とが連設されて構成されている。

操作部１４は、湾曲部１２を上下方向に湾曲させる上下用湾曲操作ノブ、湾曲部１２を左右方向に湾曲させる左右用湾曲操作ノブ、送気送水を行うための送気送水用ボタン、吸引を行うための吸引用ボタン、及び、各種内視鏡機能を実行するためのスイッチ等を備える。

ケーブル１５の基端部には、プロセッサ３に接続されるコネクタ部１６が設けられている。内視鏡２は、コネクタ部１６を介してプロセッサ３に着脱自在に接続される構成となっている。

プロセッサ３は、先端部１１に設けられた後述する撮像ユニットのレンズの駆動及び制御を行う。また、プロセッサ３は、先端部１１に設けられた後述する撮像ユニットの撮像素子から出力された撮像信号に所定の映像信号処理を施し、所定の映像信号を生成してモニタ４に出力する。すなわち、プロセッサ３は、撮像素子により撮像された光学像（内視鏡像）を映像としてモニタ４に表示させる。

また、プロセッサ３は、光源装置が一体に形成されている。すなわち、プロセッサ３は、ハロゲンランプまたはＬＥＤ等の光源が発した照明光を内視鏡２及びプロセッサ３内に挿通されたライトガイド等を介して、内視鏡２の先端部１１の先端面から被写体に向けて出射する。

図２は、内視鏡及びプロセッサの詳細な構成を説明するための構成図である。

内視鏡２の先端部１１は、レンズ駆動部２０と、レンズ枠２１と、撮像ユニット２２と、位置検出部２５とを有して構成されている。撮像ユニット２２は、対物レンズ２３及び撮像素子２４を有して構成されている。位置検出部２５は、磁石２６と、センサ２７と、差動増幅部２８とを有して構成されている。

プロセッサ３は、レンズ駆動回路３０と、駆動制御部３１と、位置検出回路３２とを有して構成されている。位置検出回路３２は、アナログデジタルコンバータ（以下、ＡＤＣという）３３と、電源回路３４とを有して構成されている。

レンズ駆動部２０は、レンズ駆動回路３０からの電流値に基づき、レンズ枠２１に保持された対物レンズ２３を挿入部１０の長手方向に進退させる。レンズ駆動部２０は、例えば電圧アクチュエータ、モータ等が用いられる。レンズ駆動部２０により対物レンズ２３を挿入部１０の長手方向に進退させることで、焦点位置を変更可能となっている。

対物レンズ２３は、照明された被写体の光学像を結像する。撮像素子２４は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ等のイメージセンサであり、対物レンズ２３の結像位置に受光面が配置されている。撮像素子２４は、被写体の光学像を撮像することにより撮像信号を生成し、内視鏡２に内蔵された信号線（不図示）を介して、生成した撮像信号をプロセッサ３に出力する。

プロセッサ３は、撮像素子２４から出力された撮像信号に対して所定の映像信号処理を施す映像信号処理回路（不図示）を備え、撮像信号に所定の映像信号処理を施して所定の映像信号を生成する。プロセッサ３は、生成した所定の映像信号をモニタ４に出力することで、上述したように、撮像素子により撮像された光学像（内視鏡像）を映像としてモニタ４に表示させる。

また、レンズ枠２１には、磁石２６が配置されている。センサ２７は、プロセッサ３の位置検出回路３２の電源回路３４からの電流に応じて磁石２６の位置を検知し、差動増幅部２８に出力する。差動増幅部２８は、センサ２７からの検知結果を差動増幅し、プロセッサ３の位置検出回路３２のＡＤＣ３３に出力する。電源回路３４は、センサ２７及び差動増幅部２８の電源を生成し、センサ２７及び差動増幅部２８に出力する。この電源回路３４は、差動増幅部２８へ供給する基準電圧を生成する基準電圧生成部を構成する。生成された基準電圧は、ケーブル１５を介して、内視鏡２の差動増幅部２８に供給される。そして、差動増幅部２８の出力信号は、ケーブル１５を介してプロセッサ３で検出されることになる。

センサ２７の電源を電源回路３４の定電流回路により供給すると、ケーブル１５やコネクタ部１６の抵抗の変動によりセンサ２７部分の電圧はばらつくが、センサ２７部分の電圧差は、ケーブル１５やコネクタ部１６の抵抗の変動とは関係なく決まり安定する。これにより、センサ２７の出力信号は、センサ２７のＧＮＤ電位に対して安定して出力されるので、ケーブル１５やコネクタ部１６の抵抗の変動があったとしても、差動増幅部２８によりセンサ２７の出力信号を高精度に検出することができる。

ＡＤＣ３３は、差動増幅部２８からの信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して駆動制御部３１に出力する。駆動制御部３１は、対物レンズ２３の位置が所望の位置となるように、レンズ駆動部２０に流す電流値を決定し、決定した電流値の情報をレンズ駆動回路３０に出力する。

レンズ駆動回路３０は、レンズ駆動部２０に電流を流すドライバ回路である。レンズ駆動回路３０は、駆動制御部３１から電流値の情報に応じて、駆動制御部３１で決定された電流値をレンズ駆動部２０に出力する。

図３は、センサ、差動増幅部、電源回路の詳細な構成を示す図である。

本実施形態では、磁石２６の位置を検出するセンサ２７が、磁界を検出するホール素子２７ａにより構成されている。ホール素子２７ａは、２つの入力端子と、２つの出力端子とを有している。

差動増幅部２８は、抵抗Ｒ１〜Ｒ４、オペアンプＵ１により構成されている。オペアンプＵ１は、非反転入力端子と、反転入力端子と、出力端子と備えて構成されている。定電流回路３４は、ＧＮＤ１、ＶＲＥＦ１、Ｖｏｐ１、Ｖｃｃ１の電源電圧を発生し、コネクタ部１６及びケーブル１５を介してセンサ２７及び差動増幅部２８に供給する。

ホール素子２７ａの一方の入力端子には、プロセッサ３からの電源Ｖｃｃ２が接続され、他方の入力端子には、プロセッサ３からのグランドＧＮＤ２が接続されている。ホール素子２７ａの一方の出力端子は、抵抗Ｒ１を介してオペアンプＵ１の反転入力端子に接続されている。また、ホール素子２７ａの他方の出力端子は、抵抗Ｒ２を介してオペアンプＵ１の非反転入力端子に接続されている。また、オペアンプＵ１の非反転入力端子には、抵抗Ｒ４を介して基準電圧ＶＲＥＦ２が接続されている。

差動増幅部２８のオペアンプＵ１は、一般的に高い抵抗値を有する抵抗Ｒ４でＶＲＥＦ１を受けるので、ケーブル１５に電流がほぼ流れないため、ＶＲＥＦ１≒ＶＲＥＦ２となる。すなわち、差動増幅部２８のオペアンプＵ１は、基準電圧の出力抵抗と、ケーブル１５の抵抗と、コネクタ部１６の抵抗との合計の抵抗よりも高い入力抵抗で、基準電圧を受ける。

この結果、差動増幅部２８が基準電圧を、基準電圧の出力抵抗、ケーブルの抵抗、及び、コネクタ部１６の抵抗の合計よりも高い入力抵抗で受けることにより、基準電圧の電圧降下を抑制することができる。

オペアンプＵ１の出力端子から出力された電位Ｖｏ２は、抵抗Ｒ３を介して反転入力端子に入力される。また、オペアンプＵ１から出力された電位Ｖｏ２は、ケーブル１５及びコネクタ部１６を介して、プロセッサの位置検出回路３２のＡＤＣ３３に入力される。

このとき、電位Ｖｏ２は、ケーブル１５によって電位Ｖｏ１となってＡＤＣ３３に入力される。だたし、電位Ｖｏ２をＡＤＣ３３のように入力インピーダンスが高い素子で電圧を受ける場合、ケーブル１５に電流がほぼ流れないため、Ｖｏ２≒Ｖｏ１となる。すなわち、プロセッサ３のＡＤＣ３３は、差動増幅部２８の出力抵抗と、ケーブル１５の抵抗と、コネクタ部１６の抵抗との合計の抵抗よりも高い入力抵抗で、差動増幅部２８からの出力信号を受ける。

この結果、内視鏡２の先端部１１で増幅された信号をプロセッサ３が増幅信号の出力抵抗、ケーブル１５の抵抗、及び、コネクタ部１６の抵抗の合計よりも高い入力抵抗で受けることにより、Ａ／Ｄ変換等で高精度に増幅信号を検出することができる。

また、オペアンプＵ１から出力される電位Ｖｏ２は、式（１）で表せられる。ここで、抵抗Ｒ１からＲ４の抵抗値は、一般的に式（２）を満たすように設定される。そのため、オペアンプＵ１から出力される電位Ｖｏ２は、最終的に式（３）に示すように、センサ２７の出力の差動増幅と、基準電圧ＶＲＥＦ２によって決定される。

式１

式２

式３

また、オペアンプＵ１には、電源Ｖｏｐ２及びグランドＧＮＤ２が供給される。オペアンプＵ１には電流が流れるので、ケーブル１５で電圧降下が発生し、Ｖｏｐ１＞Ｖｏｐ２となる。ただし、この電圧はセンサ２７の信号検出精度には影響しない。

グランドＧＮＤ１と、グランドＧＮＤ２とを結んでいるケーブル１５には、センサ２７の電流やオペアンプＵ１の電流が流れるので、グランドＧＮＤ１＜グランドＧＮＤ２となる。ただし、この電圧はセンサ２７の信号検出精度には略影響しない構成としている。

なお、本実実施形態では、センサ２７をホール素子２７ａとして磁石２６の磁界を検出しているが、センサ２７は、ホール素子２７ａに限定されるものではない。図４及び図５は、センサ２７の他の構成を説明するための図である。

図４に示すように、センサ２７は、ブリッジ回路２７ｂにより構成されている。ブリッジ回路２７ｂは、感温素子Ｒｔｈと、抵抗Ｒ５、Ｒ６及びＲ７とを有して構成されている。感温素子Ｒｔｈは、例えば、負の温度特性を有するチップ型のＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）サーミスタであり、温度が上昇すると抵抗値が減少する。センサ２７が感温素子Ｒｔｈを有することで、温度の検出が可能となる。なお、感温素子Ｒｔｈは、ＮＴＣサーミスタに限定されることなく、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタ、あるいは、ＣＴＲ（Critical Temperature Resistor）サーミスタを用いるようにしてもよい。

また、図５に示すように、センサ２７は、ブリッジ回路２７ｃにより構成されている。ブリッジ回路２７ｃは、コイルＬ１及びＬ２と、抵抗Ｒ５及びＲ６とを有して構成されている。ブリッジ回路２７ｃがコイルＬ１及びＬ２を有することで、インダクタンスの変化の検出が可能となる。なお、ブリッジ回路２７ｃは、２つのコイルＬ１及びＬ２を有して構成されているが、少なくとも１つのコイルＬ１を有していればよい。

以上のように、内視鏡装置１は、内視鏡２にセンサ２７及び差動増幅部２８を配置し、差動増幅部２８の基準電圧をプロセッサ３から供給するようにした。そして、差動増幅部２８は、供給された基準電圧を高い入力インピーダンスで受けるようにしている。

従来では、内視鏡２は、長尺のケーブル１５及び着脱式のコネクタ部１６を使用しており、長尺のケーブル１５及びコネクタ部１６の抵抗は使用環境（温度依存性）等によりばらつく。そのため、内視鏡２のＧＮＤ電位の変動が大きく、この変動したＧＮＤ電位を基準とした場合のセンサ２７の出力信号もばらつく。

これに対し、本実施形態では、内視鏡装置１は、センサ２７の出力信号を差動増幅することと、基準電圧（オフセット電圧）をＧＮＤ電位の安定したプロセッサ３により生成して差動増幅部２８に供給することにより、出力信号のばらつきを低減し、センサ２７の出力信号を高精度で検出するようにしている。

すなわち、内視鏡２は、ケーブル１５が長尺であり、ケーブル１５の電気的な抵抗と温度依存性がある。この温度依存性によるケーブル１５の抵抗の変動と、内視鏡２のＧＮＤ線に電流が流れることにより、内視鏡２内のＧＮＤ電位は変動する。そのため、このＧＮＤ電位を基準にセンサ２７の出力信号を検出すると、ＧＮＤ電位の変動を受け、高精度に信号を増幅、検出することができない。

これを解決するために、本実施形態の内視鏡装置１は、差動増幅部２８を先端部１１に搭載し、差動増幅部２８への基準電圧ＶＲＥＦ２（ＶＲＥ１≒ＶＲＥＦ２）を、ＧＮＤ電位の安定したプロセッサ３で生成し、差動増幅部２８に供給するようにしている。これにより、差動増幅部２８は、入力された基準電圧ＶＲＥＦ２を基準にして、内視鏡２の先端部１１のＧＮＤ電位と無関係に、センサ２７の出力信号を高精度に増幅することができる。この結果、プロセッサ３は、センサ２７の出力信号を高精度で検出することが可能となる。

よって、本実施形態の内視鏡装置によれば、ケーブル抵抗の温度依存性により内視鏡の先端部のＧＮＤ電位が変動した場合でも、プロセッサにおいて内視鏡に搭載されたセンサの出力信号を高精度で計測することができる。

また、実使用環境で内視鏡２のコネクタ部１６には水垢などの汚れが付き、コネクタ部１６の接触抵抗値が変動する。コネクタ部１６の接触抵抗もＧＮＤ電位の変動を引き起こす要因であるが、本実施形態の構成であれば、コネクタ部１６の接触抵抗が変動したとしてもセンサ２７の出力信号を高精度に検出することができる。

また、本実施形態のように、内視鏡２の先端部１１にセンサ２７が搭載される場合、ケーブル１５が長尺であるため、ケーブル１５の抵抗の変動は大きくなる。さらに、内視鏡２が周囲温度よりも温度が高い患者の体内に入ることで、ケーブル１５には温度分布が生じ、ケーブル１５の温度依存性による抵抗の変動も大きくなる。ケーブル１５が長尺になり、その温度依存性が大きくなった場合においても、本実施形態の構成であれば、センサ２７の出力信号を高精度に検出することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。

図６は、第２の実施形態に係る内視鏡の詳細な構成を説明するための構成図である。なお、図６において、図２と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

第２の実施形態の内視鏡２は、図２のコネクタ部１６に代わり、コネクタ部１６ａを備えて構成されている。コネクタ部１６ａには、第１の実施形態においてプロセッサ３に設けられていたＡＤＣ３３及び電源回路３４とが設けられている。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態の内視鏡２は、電源回路３４による基準電圧の生成と、ＡＤＣ３３によるセンサ２７の出力信号のアナログデジタル変換とをコネクタ部１６ａにより行うようにしている。この結果、本実施形態の内視鏡２は、ケーブル１５の抵抗の温度依存性によるセンサ２７、及び、差動増幅部２８のＧＮＤ電位の変動を抑制したセンサ２７の出力信号の検出を行うことができる。

本発明は、上述した実施形態及び変形例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。

Claims

ケーブル及びセンサを有する内視鏡と、プロセッサとを備える内視鏡装置であって、
前記内視鏡は、前記センサからの出力信号を差動増幅する差動増幅部を有し、
前記プロセッサは、前記差動増幅部へ供給する基準電圧を生成する基準電圧生成部を有し、
前記プロセッサの前記基準電圧生成部で生成された前記基準電圧は、前記ケーブルを介して前記内視鏡の前記差動増幅部へ供給され、
前記差動増幅部の出力信号は、前記ケーブルを介して前記プロセッサで検出されることを特徴とする内視鏡装置。
前記内視鏡は、コネクタ部を備え、
前記コネクタ部を介して前記内視鏡が前記プロセッサと着脱可能に接続されることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
前記センサは、前記内視鏡の先端部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
前記差動増幅部は、オペアンプを備え、
前記オペアンプは、前記基準電圧の出力抵抗と、前記ケーブルの抵抗と、前記コネクタ部の抵抗との合計の抵抗よりも高い入力抵抗で、前記基準電圧を受けることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡装置。
前記プロセッサは、前記オペアンプの出力抵抗と、前記ケーブルの抵抗と、前記コネクタ部の抵抗との合計の抵抗よりも高い入力抵抗で、前記差動増幅部の出力信号を受けることを特徴とする請求項４に記載の内視鏡装置。
前記プロセッサは、前記センサへ電源電圧を供給する定電流回路を有することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
前記センサは、ホール素子であることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
前記センサは、ブリッジ回路を有し、
前記ブリッジ回路は、感温素子を備え、温度を検出することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
前記センサは、ブリッジ回路を有し、
前記ブリッジ回路は、１または２つのコイルを有し、
前記センサへの電源電圧は交流電圧を含み、
前記ブリッジ回路は、前記コイルのインダクタンスの変化を検出することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
ケーブルとセンサとコネクタ部とを有する内視鏡であって、
前記内視鏡は、前記センサからの出力信号を差動増幅する差動増幅部を備え、
前記コネクタ部は、前記差動増幅部へ供給する基準電圧を生成する基準電圧生成部を備え、
前記コネクタ部の前記基準電圧生成部で生成された前記基準電圧は、前記ケーブルを介して前記差動増幅部へ供給され、
前記差動増幅部の出力信号は、前記ケーブルを介して前記コネクタ部で検出されることを特徴とする内視鏡。
前記センサは、前記内視鏡の先端部に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の内視鏡。
前記差動増幅部は、オペアンプを備え、
前記オペアンプは、前記基準電圧の出力抵抗と、前記ケーブルの抵抗と、前記コネクタ部の抵抗との合計の抵抗よりも高い入力抵抗で、前記基準電圧を受けることを特徴とする請求項１０に記載の内視鏡。
前記コネクタ部は、前記オペアンプの出力抵抗と、前記ケーブルの抵抗と、前記コネクタ部の抵抗との合計の抵抗よりも高い入力抵抗で、前記差動増幅部の出力信号を受けることを特徴とする請求項１２に記載の内視鏡。
前記コネクタ部は、前記センサへ電源電圧を供給する定電流回路を有することを特徴とする請求項１０に記載の内視鏡。