最小化內窺鏡應用中圖像傳感器輸入/輸出和導體的數(shù)量的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]科技的進步帶動了醫(yī)用成像能力的發(fā)展。由于構成內窺鏡的部件不斷改進，內窺鏡式外科手術的質量也大大提高。
[0002]本公開整體涉及最小化用于內窺鏡式裝置中的圖像傳感器的面積，以及減少該圖像傳感器的輸入數(shù)量和輸出數(shù)量。本公開的特征和優(yōu)勢將在下面的【具體實施方式】中示出，并且從一定程度而言，【具體實施方式】可顯而易見地說明這些特征和優(yōu)勢。也可通過對本公開進行實踐來了解這些特征和優(yōu)勢，而無需過度實驗。另外，使用所附權利要求書中特別指出的儀器和組合可認識并獲得到本公開的特征和優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0003]參考附圖描述本公開的非限制性和不完全具體實施，其中類似的附圖標號指多個視圖中的類似部件，除非另外指明。參照下述【具體實施方式】和附圖，可以更好地理解本公開的優(yōu)勢。
[0004]圖1示出了根據(jù)本公開的原理和教導內容的內窺鏡式系統(tǒng)的具體實施；
[0005]圖2示出了根據(jù)本公開的原理和教導內容，從供應的低電壓至更高電壓的內部升壓轉換的具體實施；
[0006]圖3A示出了根據(jù)本公開的原理和教導內容，基于降壓型開關電容式DC-DC轉換器的降壓穩(wěn)壓器的具體實施；
[0007]圖3B示出了根據(jù)本公開的原理和教導內容，基于低壓降線性穩(wěn)壓器的降壓穩(wěn)壓器的具體實施；
[0008]圖4示出了根據(jù)本公開的原理和教導內容的幀計時結構的具體實施；
[0009]圖5示出了根據(jù)本公開的原理和教導內容，基于電阻網(wǎng)絡的內窺鏡按鈕與傳感器之間的連接的具體實施；
[0010]圖6示出了根據(jù)本公開的原理和教導內容，霍爾角位置傳感器直接傳送模擬電壓至CMOS圖像傳感器的具體實施；
[0011]圖7示出了根據(jù)本公開的原理和教導內容，幀數(shù)據(jù)內數(shù)字數(shù)據(jù)字的編碼實例的具體實施；
[0012]圖8示出了根據(jù)本公開的原理和教導內容的硬件的實施例；
[0013]圖9示出了根據(jù)本公開的原理和教導內容，具有用于生成三維圖像的多個像素陣列的具體實施；
[0014]圖1OA和圖1OB示出了構建在多個基板上的成像傳感器的具體實施的視圖，其中形成像素陣列的多個像素列位于第一基板上，并且多個電路列位于第二基板上，并示出了一個像素列至其相關聯(lián)或對應電路列之間的電氣連接和通信；并且
[0015]圖1lA和圖1lB示出了具有用于生成三維圖像的多個像素陣列的成像傳感器的具體實施的視圖，其中所述多個像素陣列和所述圖像傳感器構建在多個基板上。
【具體實施方式】
[0016]本公開涉及主要適用于醫(yī)療應用的數(shù)字成像的方法、系統(tǒng)和基于計算機的產(chǎn)品。本公開的下述【具體實施方式】中參考了附圖，這些附圖構成了【具體實施方式】的一部分，并且通過例證示出了可實施本公開的特定具體實施。應當理解，在不脫離本公開范圍的前提下，可以采用其他具體實施并且可以對結構進行更改。
[0017]在描述和要求保護本公開的主題時，將根據(jù)下文的定義使用下列術語。
[0018]應當指出的是，如本說明書和所附權利要求書中使用的單數(shù)形式“一種”、“一個”和“該”包括多個指代物，除非上下文中明確表示其他含義。
[0019]如本文所用，術語“包含”、“包括”、“含有”、“其特征在于”及其語法結構上等效的詞為包含性術語或開放式術語，不排除其他未敘述的要素或方法步驟。
[0020]如本文所用，短語“由……組成”及其語法結構上等效的詞不包括權利要求中未指定的任何元素或步驟。
[0021]如本文所用，短語“基本上由……組成”及其語法結構上等效的詞將權利要求的范圍限制到指定材料或步驟，并且限制到未對要求保護的公開的基本特征和新穎特征產(chǎn)生實質影響的材料和步驟。
[0022]如本文所用，術語“近側”泛指最靠近原點的部分的概念。
[0023]如本文所用，術語“遠側”通常指與近側相反的一側，因此是指離原點較遠的部分，或最遠的部分的概念，視上下文而定。
[0024]現(xiàn)在參見圖1，其中示出了利用最小焊盤互連器的數(shù)字成像系統(tǒng)，以減小用于在光線不足的環(huán)境中與內窺鏡式裝置一起使用的所述圖像傳感器的尺寸。圖1中示出的數(shù)字成像系統(tǒng)101可以包括在環(huán)境光線不足的環(huán)境中使用的內窺鏡式裝置102。內窺鏡式裝置102繼而可以包括內窺鏡104、內窺鏡殼體106 (例如，手持件和/或攝像頭)、控制單元108、電子通信元件120 (諸如電纜)、光源109、連接到光源109和內窺鏡式裝置102的光纜126 (諸如光纖)、顯示器112和成像裝置114(例如，圖像傳感器和相關電路等)。請注意，為了便于討論，該實例中的內窺鏡裝置104、內窺鏡殼體106、控制單元108、光源109、顯示器112和成像裝置114均相對彼此單獨示出。然而，應當了解并理解，這不應解釋為具有限制性，并且這些部件中的任何一個或多個均可以任何合適的方式集成和/或連接。
[0025]應當理解，成像裝置114可以包括包含像素陣列的圖像傳感器，其中將一個場景連續(xù)聚焦在像素陣列上。此外，將會理解，所述圖像傳感器利用或通過像素陣列來感測反射的電磁輻射。像素陣列生成圖像數(shù)據(jù)，并從圖像數(shù)據(jù)創(chuàng)建圖像幀。處理器124可以檢測圖像幀內的圖像紋理和邊緣，還可以進一步增強圖像幀內的紋理和邊緣。無論處理器124在殼體106內還是在控制單元108處，都可從與像素技術和所施加傳感器增益有關的存儲器屬性進行檢索，以評估對該傳感器創(chuàng)建的圖像幀內的噪聲等級的期望值，并利用此噪聲期望值來控制邊緣增強應用。通過按順序組合多個圖像幀，可以創(chuàng)建圖像流。
[0026]應當理解，由于光學組成較為復雜，用于腹腔鏡、關節(jié)鏡、泌尿科、婦科和耳鼻喉科(ENT)手術的傳統(tǒng)柱狀透鏡內窺鏡的制造成本非常昂貴。入射圖像信息一直沿著其長度在光域內傳輸，并通常被光學耦合至其中包含圖像感測裝置的手持式單元。這類剛性內窺鏡也很易碎，容易在抓握、使用和消毒期間被損壞。由于需要修復和消毒過程，進一步增加了采用此種內窺鏡的手術費用。
[0027]隨著成像技術的不斷進步，產(chǎn)生了互補金屬氧化物半導體(CMOS)傳感器。這種傳感器制造成本便宜，并且可定制程度較高。由于需要像素陣列和低操作電壓，操作基于電荷耦合器件(CCD)的傳感器時所必需的大部分外部電路可以集成到同一芯片上。因此，基于CMOS的相機變得更便宜、更容易制造，并且其通用性比基于CXD的對等物更強?；陬愃评碛?，CMOS傳感器越來越多地出現(xiàn)在內窺鏡系統(tǒng)中。
[0028]通過在遠側端部放置圖像感測裝置，可以大幅降低內窺鏡的價格，原因是可以使用類似標準手機相機中的簡單塑料透鏡模組有效代替光學傳輸組件。事實上，由于內窺鏡太過便宜，出于經(jīng)濟方面的考慮，可以將內窺鏡制造成將在后續(xù)處理的或回收的一次性產(chǎn)品，因為省略了修復和消毒流程。
[0029]設計此類內窺鏡解決方案的難點在于保持圖像質量，因為必須裝入傳感器的區(qū)域在兩個維度上受空間限制較大。減小傳感器面積通常意味著像素數(shù)減少和/或像素面積減小，而這可以影響分辨率、靈敏度和動態(tài)范圍。一般來說，內窺鏡系統(tǒng)的主要作用是感測穩(wěn)定的寬帶照明，并通過將陣列分割成三個或多個波長靈敏度范圍的像素陣列來提供顏色信息。可通過制作針對各像素的單獨濾色器來實現(xiàn)這一點，拜耳馬賽克(Bayer mosaic)是最常見的解決方案。避免分辨率損失的一種方法是不使用濾色器，因為采用拜耳馬賽克等解決方案時，與原生陣列分辨率相比，亮度分辨率(X或y)損失系數(shù)最大可達I/ V 2。在這種情況下，通過在單獨的幀捕獲期間使激光或具有不同波長的基于LED的光源或兩者的組合發(fā)生脈沖，可以提供顏色信息。申請人已開發(fā)了這樣的系統(tǒng)和設備，憑借特殊的傳感器設計，可以在逐行幀速率為60Hz或更高時實現(xiàn)高清畫質。另外，申請人還開發(fā)了在將圖像數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)字域的芯片外時，使外圍電路面積最小化的技術。
[0030]本領域的技術人員應當理解，每個接合焊盤在芯片上占據(jù)了較大的物理空間。每個接合焊盤都用于提供電源或輸入/輸出信號至傳感器芯片，以及從傳感器芯片提供電源或輸入/輸出信號。因此，為了減小面積，希望盡量減少接合焊盤的數(shù)量。本公開描述的策略通過將數(shù)字輸入和輸出功能組合到同一雙向焊盤，減少了焊盤數(shù)量。在圖像傳輸期間，它們作為差分輸出。然后，在每個幀的定義部分期間切換方向，以啟用要被接收的命令。這要求相機控制電子器件