はじめに
内視鏡画像システムを使用すると、大きな切開や分解をすることなく、医師が人体の内部を観察したり、検査官が機械の内部を観察したりすることができます。しかし、実際にはどのように機能するのでしょうか?先端の小さなカメラ ヘッドの背後には、リアルタイムで画像をキャプチャして表示する光学、電子機器、照明の慎重に設計されたシステムがあります。シンシアでは、医療用内視鏡と工業用内視鏡の両方のコンポーネントを含むカメラ モジュールを 30 年以上製造してきました。この記事では、内視鏡画像システムの動作原理について説明します。
内視鏡画像システムとは何ですか?
内視鏡イメージング システムは、他の方法ではアクセスできない内部領域を視覚化するための完全なソリューションです。内容は以下のとおりです。
先端のカメラモジュール
照明源
ケーブルまたは伝送システム
カメラコントロールユニット（プロセッサー）
ディスプレイモニター
カメラ モジュールには、 医療用内視鏡カメラ モジュールであって も 工業用内視鏡カメラ モジュールであっても、コアとなるイメージング コンポーネントが含まれています。
基本原理: 光は入力、画像は出力
最も単純に言えば、内視鏡画像システムは他のデジタル カメラと同様に機能します。
光 が対象エリアを照らします
光学系が 反射光をセンサー上に焦点を合わせます
センサー は 光を電気信号に変換します
電子機器が 信号をビデオに処理する
ディスプレイ には リアルタイムで画像が表示されます
課題は、これらすべてを小さな開口部 (多くの場合わずか数ミリメートル) に収まるほど小さなパッケージ内で実行することです。
ステップ 1: 照明
体腔またはパイプの内部は暗いです。システムは独自の光を提供する必要があります。照明は通常、次のものから得られます。
LED: カメラレンズの周囲に取り付けられた小さなライト。最新の内視鏡では一般的で、小さく、明るく、動作温度も低いです。
光ファイバー: 外部光源からの光は光ファイバーケーブルを通って先端まで伝わります。カメラヘッドを小さく保ちます。
直径 2mm 未満のの場合 マイクロ内視鏡カメラ モジュール 、LED が大きすぎるため、光ファイバーがよく使用されます。
ステップ 2: レンズを通して画像を取得する
ターゲットから反射された光は、先端のレンズに入ります。レンズはこの光をイメージ センサーに焦点を合わせます。主な光学特性:
視野 (FOV): カメラが捉える範囲の広さ。共通：90°～120°。
被写界深度 (DOF): 鮮明に見える距離の範囲。ほとんどの内視鏡は、オートフォーカスを必要としないように、大きな DOF (10mm から無限大) を備えています。
焦点距離: 倍率と作動距離を決定します。
レンズは重要です。アクティブ アライメント (AA) テクノロジーにより、レンズがセンサーに対して完全に中心に位置し、焦点が合っていることが保証されます。
ステップ 3: 光から電気への変換
集光された光が cmos モジュールのカメラ センサーに当たります。 CMOS センサーは、次の理由から最新の内視鏡で標準となっています。
少ない電力を使用
最小限の熱の発生（体内で重要）
非常に小さくすることができます
センサーは何百万もの感光ピクセルで覆われています。各ピクセルは光の強度を測定します。カラーはベイヤー フィルター配列を使用してキャプチャされます。
センサーは光を電気信号、つまり画像を表すデジタル値のストリームに変換します。
ステップ 4: 信号伝送
電気信号は以下を介してカメラの先端からプロセッサーに伝わります。
電線： 内視鏡ケーブル内
フレキシブルプリント回路: 非常に薄いスコープ用
無線伝送： カプセル内視鏡内
工業用検査に使用されるの場合 5mp USB カメラ モジュール 、信号は USB を介してコンピュータに送信されます。の場合 医療用内視鏡カメラ モジュール、信号は独自のコネクタを介して専用のカメラ制御ユニットに送信されます。
ステップ 5: 画像処理
センサーからの生データは処理する必要があります。カメラ コントロール ユニット (CCU) またはプロセッサは以下を処理します。
デモザイク： ベイヤーパターンをフルカラーピクセルに変換
ホワイトバランス： 色が自然に見えるように調整します。
ノイズリダクション: 暗い場所での粒状感をクリーンアップ
シャープ化: エッジのディテールを強化します。
ガンマ補正: 適切な表示のために明るさを調整します。
一部のシステムには、デジタル ズーム、画像強調、AI ベースの組織検出が含まれています。
ステップ 6: 表示
処理されたビデオがディスプレイ モニターに送信されます。医療モニターには次のものが必要です。
高解像度 (1080p または 4K)
正確な色再現
低遅延
産業用ディスプレイは、ラップトップ画面 ( です。 5mp USB カメラ モジュール用) または専用のハンドヘルド モニター
主要コンポーネントの詳細
カメラ モジュール
内視鏡システムの中心となるのはカメラ モジュールです。医療用内 視鏡カメラ モジュール は次の目的で設計されています。
滅菌対応 (オートクレーブ、EtO)
生体適合性材料
組織診断のための高い色精度
工業用内 視鏡カメラ モジュール は以下のために構築されています。
耐久性（振動、落下）
防水（IP67/IP68）
広い動作温度範囲
マイクロ内 視鏡カメラ モジュールは さらなる小型化を実現しており、特殊な医療用途や精密産業用途では、多くの場合直径 2 mm 未満になります。
センサー
CMOS センサーが主流です。主な仕様:
解像度: VGA ～ 4K。 5mp USB カメラモジュールは、 詳細検査用に 2592×1944 を提供します。
ピクセル サイズ: ピクセルが大きくなると、より多くの光が取り込まれ、低照度でのパフォーマンスが向上します。
フレーム レート: 動く被写体の場合、フレーム レートが高いほど有利です。
レンズ
レンズは視野角と焦点を決定します。できるだけ広角（90°～120°）で見るのが一般的です。被写界深度が深い固定焦点が一般的です。
ケーブル
ケーブルは、電力、ビデオ、および制御信号を伝送します。柔軟性と耐久性があり、湿気を遮断する必要があります。
光源
最新のシステムでは LED または光ファイバーが使用されています。 LED は先端に組み込まれています。光ファイバーを使用するとチップが小さくなりますが、外部ライトボックスが必要です。
医療と産業: 原則は似ているが、優先順位は異なる
側面 |
医療用内視鏡 |
工業用ボアスコープ |
|---|---|---|
殺菌 |
必須 |
不要 |
生体適合性 |
致命的 |
関係ありません |
色の精度 |
非常に高い |
適度 |
耐久性 |
適度 |
非常に高い |
防水加工 |
多くの場合必要 |
IP67/IP68標準 |
一般的な解像度 |
1080pから4Kへ |
VGAから1080pまで |
医療 用内視鏡カメラモジュールは 画質と安全性を優先します。工業用内 視鏡カメラモジュールは、 堅牢性と多用途性を優先しています。
USB の役割
USB は工業用および民生用内視鏡で一般的です。 5mp USB カメラ モジュールは コンピュータに直接接続し、追加のハードウェアを必要とせずに完全な検査システムを構築します。これらのプラグアンドプレイ モジュールは、自動車検査、配管工事、DIY プロジェクトで一般的です。
シンシアの内視鏡カメラ モジュール
シンシアでは、医療用と工業用の内視鏡用途のカメラ モジュールを製造しています。
医療用内視鏡カメラモジュール： 滅菌対応、高解像度、生体適合性
工業用内視鏡カメラモジュール： 堅牢、防水（IP67/IP68）、広い温度範囲
マイクロ内視鏡カメラモジュール： 超小型設計（2mm以下）
5mp USB カメラ モジュール: 工業検査用の高解像度プラグアンドプレイ
当社の製造には、クラス 10/100 の防塵設備と完璧なフォーカスを実現するアクティブ アライメント (AA) が含まれています。
まとめ
内視鏡画像システムは次のように動作します。
を照らす LEDまたは光ファイバーでターゲット
集束させる レンズを通した反射光を cmos モジュールのカメラ センサーに
変換する 光を電気信号に
を送信する ケーブルを介してプロセッサに信号
生データを処理して 表示可能な画像にする
表示する 画像をリアルタイムでモニターに
手術用のであっても 医療用内視鏡カメラ モジュール 、 工業用内視鏡カメラ モジュールであっても、 パイプライン検査用の マイクロ内視鏡カメラ モジュールであっても、プラグアンドプレイ検査用の 超狭い空間用の 5mp USB カメラ モジュールであっても 、基本的な原理は同じです。つまり、光を捕捉し、デジタル信号に変換し、結果を表示します。
Thinking では、 cmos モジュール カメラソリューションを製造してきました。 30 年以上にわたって内視鏡イメージング システムを開発している場合は、カメラ モジュールの要件についてご相談ください。
