DE60031501T2 - System zur messung der temperatur - Google Patents

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    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/04—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/30—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermal noise of resistances or conductors

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Messen der Temperatur einer Umgebung, wie z.B. des Körperinneren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In vielen Umständen ist es wichtig, die Temperatur in einem Materialkörper zu messen. Solche Umstände können während industrieller Prozesse oder Erforschungs- und Analyseprozesse auftreten, wie z.B. bei der geophysikalischen Erforschung oder der medizinischen Diagnostik sowie der Behandlung innerer Körperteile.
  • Die herkömmliche Thermometrie und die absolute Thermometrie stellen bekannte Verfahren zum Messen der Temperatur dar.
  • Die herkömmliche Thermometrie basiert auf dem Temperaturkoeffizienten von Materialeigenschaften, wie z.B. des Widerstands oder der mechanischen Ausdehnung.
  • Die absolute Thermometrie ist ein Verfahren, welches die thermische Energie eines Sensorwiderstands direkt misst. Dieses Verfahren basiert auf dem bekannten physikalischen Phänomen des spontanen thermischen Rauschens, das aufgrund der Braun'schen Bewegung der ionisierten Moleküle in einem Widerstand auftritt.
  • Das thermische Rauschen, welches mithilfe des thermischen Stroms erörtert werden kann, stellt eine direkte Messung der Temperatur auf einer thermodynamischen Skala dar, sodass die Boltzmann-Konstante die Temperatur definiert. Das Phänomen des thermischen Rauschens ist z.B. im Buch CCD arrays, cameras and displays von Holst G. C., Seite 128, 2. Ausgabe, SPIE Press, 1998 abgeleitet. Die Formel, die verwendet wird, um den thermischen Strom zu definieren, ist: <jn 2> = k·T·Cwobei k die Boltzmann-Konstante ist, T die Temperatur eines Sensors ist, und C die Kapazität des Sensors ist. Somit ist die Größe der vom thermischen Strom erzeugten Signale direkt proportional zur Quadratwurzel der Temperatur des Sensors. Experimente haben gezeigt, dass sich das Signal bei einem Anstieg von 7°C verdoppelt, was bedeutet, dass eine Auflösung von besser als 0,1°C erzielt wird.
  • Bei Bildsensoren wird der thermische Strom, der in einer arbeitenden Photodetektorvorrichtung erzeugt wird, wenn keine optische Strahlung auf den Detektor einfällt, „Dunkelstrom" genannt. In CCD-Kameras ist der Dunkelstrom im Grunde genommen die Ladung, die sich in den CCD-Pixeln aufgrund des thermischen Rauschens ansammelt. Der Effekt des Dunkelstroms ist es, eine zusätzliche Größe zur Elektronenzahl in jedem Pixel zu erzeugen.
  • Die Druckschrift US 3,937,086 an von Thuna, die US 5,354,130 an Seppa et al. und die US 5,098,197 an Shepard et al. beschreiben jeweils Vorrichtungen zur Messung der absoluten Temperatur eines Körpers, in dem das thermische Rauschen des materiellen Körpers aufgenommen und analysiert wird.
  • Die US 4,246,784 an Bowen beschreibt ein Verfahren zur nicht-invasiven Temperaturmessung des Inneren eines Körpers unter Verwendung des akustischen thermischen Rauschspektrums des gemessenen Körpers.
  • Die US 5,640,235 offenbart eine photometrische Vorrichtung, die einen photometrischen Umwandlungsabschnitt aufweist, der von einem Objekt reflektiertes Licht in Signale umwandelt. Eines der Register des photometrischen Umwandlungsabschnitts gibt lediglich eine Dunkelstromkomponente aus und die Temperatur des photometrischen Umwandlungsabschnitts kann aus der Dunkelstromausgabe berechnet werden.
  • Keines dieser Temperaturmessverfahren verwendet einen Bildsensor, um die Temperatur eines materiellen Körpers zu messen.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, stellt ein System zum Messen der Temperatur einer Umgebung, wie z.B. im Inneren eines Körpers, zur Verfügung, indem die Temperatur in einem Bildsensor in der Umgebung berechnet wird und die Umgebungstemperatur von der berechneten Temperatur des Bildsensors abgeleitetet wird. Die Temperatur des Bildsensors wird durch Messen seines erzeugten Dunkelstromrauschens berechnet.
  • Das System der vorliegenden Erfindung besitzt den Vorteil, dass es einen Bildsensor einsetzt, bei dem das thermische Rauschen leicht erfassbar ist, um die Temperatur eines materiellen Körpers abzuleiten. Des Weiteren wird entsprechend der Erfindung ein einzelner Sensor verwendet, um visuelle Daten zu erhalten sowie um Daten zu erhalten, die mit der Temperatur der Umgebung in Beziehung stehen. Somit können unterschiedliche Informationen über eine Umgebung unter Verwendung einer einzelnen Messvorrichtung erhalten werden.
  • Das System der vorliegenden Erfindung kann in einem Verfahren zum Messen der Temperatur einer Umgebung verwendet werden, das die Schritte des Einführens eines Bildsensors mit einem Bildfühlmodul in eine Umgebung, das Messen des Dunkelstromrauschens des Bildsensors, das Berechnen der Temperatur des Bildsensors, das Berechnen der Temperatur der Umgebung, und das wahlweise Anzeigen der berechneten Umgebungstemperatur umfasst.
  • Es ist zu verstehen, dass sich der Begriff „Umgebung" in der vorliegenden Erfindung auf einen mit Wänden umschlossenen Raum bezieht, in welchem man die Temperatur des Raums und/oder der Wände zu messen wünscht.
  • Die Temperatur des Bildsensors ist ein Anhaltspunkt für die Temperatur seiner unmittelbaren Umgebung, und indem man bekannte Faktoren wie z.B. die Wärmeverteilung, den Abstand vom Bildsensor usw. in Betracht zieht, kann ebenso die Temperatur weiterer Bereiche berechnet werden.
  • Die in der Erfindung verwendeten Bildsensoren können digitale Kameras oder Videokameras sein, wie z.B. ein Vidiocon, CCD-Kameras oder CMOS-Kameras.
  • Die vorliegende Erfindung stellt weiter ein System zum Messen der Temperatur einer Umgebung bereit. Das System umfasst einen Bildsensor mit einem Bildfühlmodul, das mit einer Integriereinheit zum Erfassen des Dunkelstroms des Bildfühlmoduls des Bildsensors und zum Berechnen der Temperatur des Bildsensors in Verbindung steht. Die Integriereinheit kann weiter die Temperatur der Umgebung berechnen, oder die Temperatur kann mithilfe einer separaten Einheit, die mit der Integriereinheit in Verbindung steht, basierend auf Daten von der Integriereinheit berechnet werden.
  • Die Integriereinheit kann eine Verstärkerfunktion zum Verstärken der vom Bildsensor erhaltenen Signale aufweisen.
  • Die Kommunikation zwischen dem Bildsensor und der Integriereinheit kann wahlweise entsprechend den Beleuchtungsbedingungen gesteuert werden, wahlweise durch einen Schalter, der die Kommunikation lediglich während Zeiträumen ermöglicht, in welchen der Sensor nicht beleuchtet wird.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die vorliegende Erfindung wird besser und vollständiger mithilfe der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren verstanden werden, wobei:
  • 1 ein Blockdiagramm ist, das eine Ausführungsform des Verfahrens entsprechend der Erfindung darstellt;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Systems entsprechend der Erfindung ist;
  • 3 eine schematische Darstellung eines funktionalen Blocklayouts des Bildsensors entsprechend der Erfindung ist; und
  • 4 eine schematische Darstellung einer medizinischen Vorrichtung ist, die das System entsprechend der Erfindung umfasst.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Analytische und diagnostische Prozesse, die Bildsensoren zur Beobachtung von Umgebungen einsetzen, können aus dem Erhalten von Informationen Nutzen ziehen, die sich auf die Temperatur der Umgebung beziehen, z.B. kann eine lokale Änderung der Temperatur ein unregelmäßiges Ereignis anzeigen.
  • Die US 5,604,531 , die den gemeinsamen Rechteinhabern der vorliegenden Anmeldung zugewiesen ist, beschreibt eine verschluckbare Kapsel, die durch den gesamten Verdauungstrakt passieren kann und als autonomes Videoendoskop arbeitet. Die verschluckbare Kapsel umfasst a) ein Kamerasystem, b) ein optisches System zum Abbilden eines interessierenden Bereichs auf dem Kamerasystem, und c) einen Transmitter, der die Videoausgabe des Kamerasystems überträgt. Die von der verschluckbaren Kapsel erhaltenen visuellen Daten können u.a. die Lage von Pathologien im Magen-Darm-Trakt anzeigen. Zudem kann eine lokale Temperaturänderung im Magen-Darm-Trakt auf eine Pathologie hindeuten. Somit kann die durch visuelle Mittel erhaltene Information durch Information in Bezug auf die lokale Temperatur im Magen-Darm-Trakt ergänzt und hervorgehoben werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die gleichzeitige visuelle Beobachtung und Temperaturmessung.
  • Das Verfahren wird schematisch durch ein in 1 gezeigtes Blockdiagramm beschrieben. Ein Bildsensor, wie z.B. jener in der oben genannten verschluckbaren Kapsel, wird in eine Umgebung eingesetzt 10, wie z.B. in den Magen-Darm-Trakt.
  • Eine Beleuchtung wird abwechselnd bereitgestellt, entweder durch mit dem Bildsensor selbst verbundene Elemente oder durch externe Quellen. Wenn die Beleuchtung bereitgestellt wird 12, werden lediglich visuelle Daten erhalten 14 und angezeigt 16. Ein Verfahren zum Erhalten und Anzeigen von visuellen Daten ist z.B. in der oben genannten Druckschrift US 5,604,531 beschrieben.
  • In einem dazwischen liegenden dunklen Zeitraum 11 wird eine Integriereinheit 100 betätigt, um Dunkelstromdaten vom Bildsensor zu erhalten 13, obwohl es nicht zwingend ist, die Beleuchtung abzuschalten, um Daten über das Dunkelstromrauschen zu erhalten, wie im Folgenden detaillierter besprochen wird.
  • Die Integriereinheit 100 ist ein Prozessor, der in der Lage ist, die erhaltenen Daten wenn nötig zu verstärken 15, und berechnet die Temperatur 17 des Bildsensors unter Verwendung bekannter Gleichungen, die für das thermische Rauschen abgeleitet wurden. Es ist zu verstehen, dass diese Gleichungen eine Annäherung eines komplexen Phänomens darstellen und dass eine Kalibrierung eingesetzt werden sollte, um die tatsächlichen Berechnungen abzuleiten, die angewendet werden.
  • Die Umgebungstemperatur wird dann berechnet 19, entweder von der Integriereinheit 100 oder durch eine mit der Integriereinheit 100 in Verbindung stehende separate Einheit. Die Berechnungen der Umgebungstemperatur basieren auf dem Vorhandensein eines thermischen Gleichgewichts zwischen dem Bildsensor und der Umgebung. Diese Berechnungen berücksichtigen die Energiedissipation (Energiestreuung) vom Bildsensor. Die lokale Temperatur oder die durchschnittliche Temperatur in der Umgebung können abhängig von den spezifischen Erfordernissen berechnet werden. Die berechnete Temperatur kann dann angezeigt werden 18.
  • Es ist zu verstehen, dass die verschiedenen Berechnungen mithilfe von Software oder Softwaremitteln durchgeführt werden, die auf einer Rechenvorrichtung wie z.B. einem Computer oder ähnlichen Datenprozessoren, Mikroprozessoren, eingebetteten Prozessoren, Mikrocomputern, Mikrocontrollern usw. ausführbar sind.
  • Die Integriereinheit 100 kann separate Prozessoren umfassen, die nicht alle physikalisch verbunden sein müssen. Einige der von der Integriereinheit 100 durchgeführten Funktionen, wie z.B. die Berechnung der Temperatur des Bildsensors 17 und die Berechnung der Umgebungstemperatur 19 kann in Prozessoren durchgeführt werden, die sich außerhalb der Umgebung befinden und die mit Daten von der Integriereinheit 100 über eine Verbindung, wie z.B. Infrarotstrahlen oder Radiowellen, mit Daten versorgt werden. Wenn ein Benutzer die Temperatur der Umgebung bemerken soll, muss zumindest die Funktion der Anzeige der berechneten Temperatur 18 außerhalb der Umgebung durchgeführt werden.
  • Die Integriereinheit kann mit anderen Einheiten in Verbindung stehen, um die von ihr erhaltenen Daten weiterzuverarbeiten und zu verwenden. Z.B. kann eine veschluckbare Kapsel, wie z.B. jene, die in der US 5,604,531 beschrieben ist, eine Probenkammer zum Sammeln von Proben aus der Umgebung des Verdauungstrakts aufweisen. Der Vorgang des Sammelns einer Probe kann durch die Integriereinheit 100 gesteuert werden, sodass die Proben lediglich an Stellen entlang des Verdauungstrakts gesammelt werden, in welchen eine vorbestimmte Temperatur vorherrscht.
  • Im Folgenden wird auf 2 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung des Systems entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung ist. Das System umfasst einen Bildsensor 20 mit einem Bildfühlmodul, welches ein Pixel-Array aufweist, das in Verbindung mit einer Integriereinheit 22 steht. Die Verbindung wird mithilfe eines Temperaturmessschalters 24 ermöglicht, der von einem Beleuchtungsindikator 26 gesteuert wird, sodass die Verbindung lediglich während dunkler Zeiträume aufgebaut wird.
  • Wenn die Verbindung zwischen dem Bildsensor 20 und der Integriereinheit 22 aufgebaut ist, erhält die Integriereinheit 22 Dunkelstromdaten vom Bildsensor 20.
  • Wie im Folgenden erörtert werden wird, ist es möglich, die Temperatur des Bildsensors 20 basierend auf den Dunkelstromdaten zu berechnen, die von einem einzelnen Pixel des Bildsensor-Pixelarrays erhalten werden, obwohl die von einer größeren Anzahl von Pixeln erhaltenen Daten genauere Ergebnisse erzielen werden. Es ist daher möglich, einen Teil der Pixel des Pixelarrays des Bildsensors 20 konstant vor der Beleuchtung abgedeckt zu halten und Dunkelstromdaten von den nicht exponierten Pixeln zu erhalten, ohne die Beleuchtung abschalten zu müssen.
  • Somit können Dunkelstromdaten auch während durchgehender Beleuchtung erhalten werden, indem entweder ein Teil der Pixel des Pixelarrays abgedeckt wird oder indem ein Teil der Pixel des Pixelarrays außerhalb des Bildfelds gehalten wird, z.B. die Pixel am Rand des Pixelarrays.
  • Die Integriereinheit 22 ist ein Prozessor, der in der Lage ist, das Dunkelstromsignal zu verstärken und die Temperatur des Bildsensors aus dem Dunkelstromsignal zu berechnen. Sie ist weiter in der Lage, die Umgebungstemperatur aus der Temperatur des Bildsensors zu berechnen, und ist in der Lage, die berechnete Umgebungstemperatur anzuzeigen 21. Die Integriereinheit 22 kann unterschiedliche temperaturempfindliche Einheiten 28 steuern, wie z.B. die oben beschriebene Probenkammer, in Übereinstimmung mit vorbestimmten Temperaturen.
  • Im Folgenden wird auf 3 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung eines funktionalen Blocklayouts des Bildsensors entsprechend der Erfindung ist. Der Bildsensor umfasst einen einzelnen Chip 40 mit einem Bildfühlmodul 42 und einem Steuerschaltkreisbereich 44. Das Bildfühlmodul 42 umfasst ein Pixelarray 48 zum Erfassen eines Bilds. Der Steuerungsschaltkreisbereich 44 umfasst die Zeitgeber und Logikschaltkreise 47 sowie einen Analog-/Digital-Wandlerschaltkreis 46.
  • Signale können von allen Pixeln des Pixelarrays 48 erhalten werden. Der Dunkelstrom wird von den Pixeln erhalten, die nicht beleuchtet sind, oder von Pixeln während eines dunklen Zeitraums, während von beleuchteten Pixeln erhaltene Stromsignale die Summe des Dunkelstroms und des Lichtstroms der Pixel sind. Die Ansammelung der Signale von allen Pixeln wird in Daten konvertiert, welche durch einen Transmitter zur Integriereinheit zur Decodierung und zur Anzeige einer visuellen Darstellung und/oder der aus den Daten abgeleiteten Temperatur übertragen werden.
  • Das System der Erfindung wird mithilfe von 4 weiter beschrieben und gezeigt werden, die eine schematische Darstellung einer medizinischen Vorrichtung zeigt, welche ein System entsprechend der Erfindung umfasst.
  • Die in 4 dargestellte medizinische Vorrichtung ist eine verschluckbare Kapsel, die allgemein mit 30 bezeichnet ist, wie z.B. jene in der oben genannten Druckschrift US 5,604,531 beschriebene. Die verschluckbare Kapsel 30 umfasst eine CMOS Kamera 32, die mit der Integriereinheit 34 in Verbindung steht. Die verschluckbare Kapsel 30 umfasst weiter Beleuchtungselemente 36, die mit dem Beleuchtungsindikator 33 in Verbindung stehen. Die Wände 31 des Magen-Darm-Trakts werden von den Beleuchtungselementen 36 mit abwechselnden Impulsen beleuchtet und nehmen dabei mithilfe der Kamera 32 aufeinander folgende Bilder der Wände 31 des Magen-Darm-Trakts auf, wodurch ein Benutzer in die Lage versetzt wird, die Wände des Magen-Darm-Trakts zu sehen. Die Verbindung zwischen der Kamera 32 und der Integriereinheit 34 wird zwischen den Beleuchtungsimpulsen hergestellt, wenn der Beleuchtungsindikator 33, der das Fehlen der Beleuchtung erfasst, den Temperaturmessschalter (nicht gezeigt) einschaltet.
  • Alternativ kann der Beleuchtungsindikator 33 vom Benutzer aktiviert werden, um gleichzeitig die Beleuchtungselemente 36 abzuschalten und den Temperaturmessschalter einzuschalten.
  • Sobald die Verbindung zwischen der Kamera 32 und der Integriereinheit 34 hergestellt ist, werden von der Kamera 32 erzeugte Dunkelstromsignale wie oben beschrieben von der Integriereinheit 34 empfangen und verarbeitet. Die berechnete Magen-Darm-Temperatur wird auf einer außerhalb des Magen-Darm-Trakts befindlichen Anzeigeeinheit angezeigt.
  • Die verschluckbare Kapsel 30 umfasst weiter eine Probenkammer 35 zum Sammeln von Proben aus der Magen-Darm-Trakt-Umgebung. Die gesammelte Probe kann von Zellen aus den Wänden des Magen-Darm-Trakts dargstellt werden oder kann eine flüssige Probe aus der Magen-Darm-Trakt-Umgebung sein. Der Mechanismus zum Sammeln von Proben, welcher jeder im Stand der Technik bekannte und geeignete Mechanismus sein kann, wird durch die Integriereinheit 34 gesteuert, so dass er in Übereinstimmung mit der berechneten Temperatur der Magen-Darm-Trakt-Umgebung aktiviert wird. Alternativ kann der Mechanismus basierend auf der angezeigten Temperatur vom Benutzer gesteuert werden.

Claims (16)

  1. System zur Messung der Temperatur einer Umgebung, umfassend einen Bildsensor (20) in Kommunikation mit einer Integriereinheit (22), wobei der Bildsensor in eine Umgebung einführbar ist und die Integriereinheit angeordnet ist, um ein Dunkelstromrauschen vom Bildsensor zu erhalten, um aus dem Dunkelstromrauschen die Temperatur des Bildsensors zu berechnen (11) und damit die Temperatur der Umgebung zu berechnen (19).
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Integriereinheit das empfangene Dunkelstromrauschen vor der Berechnung der Temperatur des Bildsensors und der Berechnung der Temperatur der Umgebung verstärkt (15).
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, ferner eine separate Einheit umfassend, die sich wahlweise außerhalb der Umgebung befinden kann und die in Kommunikation mit der Integriereinheit steht, um die Berechnung der Temperatur des Bildsensors und/oder die Berechnung der Temperatur der Umgebung und/oder die Anzeige der berechneten Umgebungstemperatur auszuführen.
  4. System nach Anspruch 2 oder 3, ferner eine separate Einheit umfassend, die in Kommunikation mit der Integriereinheit steht, wobei die separate Einheit die Operationen des Verstärkens des empfangenen Dunkelstromrauschens und/oder des Berechnens der Temperatur des Bildsensors und/oder des Berechnens der Umgebungstemperatur ausführt.
  5. System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, ferner einen Schalter (24) umfassend, der in Kommunikation mit einem Beleuchtungsanzeiger (26) steht, um eine Anzeige von Beleuchtung zu empfangen, wobei der Schalter die Kommunikation zwischen dem Bildsensor und der Integriereinheit nur während einer oder mehrerer Perioden ermöglicht, in denen der Bildsensor keiner Beleuchtung ausgesetzt ist.
  6. System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, ferner einen Schalter (24) umfassend, der Beleuchtungselemente (36) steuert, um den Bildsensor abwechselnden beleuchteten und dunklen Perioden auszusetzen (11), wobei der Schalter die Kommunikation zwischen dem Bildsensor und der Integriereinheit nur während einer oder mehreren dunklen Perioden ermöglicht.
  7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Integriereinheit außerhalb der Umgebung befinden kann.
  8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Integriereinheit mit dem Bildsensor in der Umgebung befinden kann.
  9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner Mittel zum Anzeigen der berechneten Umgebungstemperatur umfassend.
  10. System zum zeitnahen visuellen Überwachen und Temperaturfühlen einer Umgebung, umfassend den Bildsensor und die Integriereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bildsensor ferner angeordnet ist, um Bilder der Umgebung zu erhalten.
  11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Bildsensor um eine Digital- oder Videokamera (32) handelt.
  12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das für eine Verwendung eingerichtet ist, bei der die Umgebung eine Körperhöhle ist.
  13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Integriereinheit in Kommunikation mit Funktionseinheiten eines medizinischen Geräts steht, um die Funktionseinheiten gemäß einer vorbestimmten Temperatur zu betreiben.
  14. Medizinisches Gerät, welches das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
  15. Medizinisches Gerät nach Anspruch 14, wobei das Gerät eine schluckbare autonome Bildgebungskapsel (30) ist.
  16. Medizinisches Gerät, welches das System nach Anspruch 13 und die Funktionseinheiten umfasst und in dem die Funktionseinheiten Einheiten sind, die das Sammeln von Proben aus der Umgebung ermöglichen.
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