用于医疗器械的线缆的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种电气线缆(100)，用于在两个设备之间交换通信信号，尤其是涉及集成到导管或导丝(5)中的线缆(100)。线缆(100)包括至少一对(120、130)差分线(D1+、D1-、D2+、D2-)，在工作过程中为其提供相反的电压，从而限定在它们之间的电压中性面(VNP)。此外，线缆(100)包括至少一组(140)单端线(S11、S12；S21、S22；S31、S32)，其相对于所述电压中性面(VNP)对称布置。可任选的芯线(110)可以用于提供机械稳定性和额外的电气功能。由于线的特定布置使得从差分线到单端线(反之亦然)的电磁干扰最小。
【专利说明】用于医疗器械的线缆
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电气线缆组件和用于在两个设备之间，具体地是在由导管或导丝连接的设备之间，交换通信信号的方法，以及包括这样的线缆组件的医疗系统。
【背景技术】
[0002]W02011/092202A1公开了一种用于导丝的电气线缆组件，其中，所述导丝的芯金属丝在传送传感器信号时得以有效地使用。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供允许在两个设备之间的改进的通信的手段，具体地是由导管或导丝连接的设备，在所述导管或导丝中，仅有很少的空间可用于电线。
[0004]这个目的由根据权利要求1的电气线缆组件、根据权利要求2的方法和根据权利要求15所述的医疗系统来实现。在从属权利要求中公开了优选实施例。
[0005]根据第一方面，本发明涉及一种电气线缆组件，用于在两个设备之间交换通信信号，例如在传感器与数据处理单元之间交换通信信号。应注意，通信信号的“交换”应包括单向通信和双向通信这两种情况。电气线缆组件包括以下部件:
[0006]a)至少一对线，即导电的(典型地是金属的)线。由于打算为这些线提供相反的电压，为了引用的目的，在下文中将它们称为“差分线”。此外，两条差分线限定在它们之间的“电压中性面”，依据限定，它是在为两条差分线提供相反电压(假如在周围没有或仅有可忽略的电位)时，在面中的电压变为(近似)零的平面。例如，在以镜面对称方式布置的两条相同差分线的情况下，电压中性面与所述对称面重合。
[0007]b)至少一组线，具有相对于前述电压中性面对称的结构。参考它们预期的操作模式，为了引用，在下文中将这个组的线称为“单端线”。该组可以包括仅一条或(优选地)两条或更多条这样的单端线。
[0008]在本上下文中，应在以下意义上来理解“线组的对称结构”:几何对称地布置每一条线的特征点，例如其中心线。但通常，不必全部线自身都是几何对称物体(例如它们可以具有不同的横截面)，尽管优选地是这种情况。
[0009]还应注意，将“电压”限定为在两个不同点处的电位之间的差。关于电压(例如，施加到线的，或者在电压中性面中的)的以上描述因此隐含地假定相对于某些(公共)参考电位来确定所述电压，所述参考电位典型地称为“地”且依据这个限定具有零电压。
[0010]此外，相对于理论情形来限定“电压中性面”(的几何位置)，其中，仅为两条差分线-不为任何其他部件-提供电压，即相反的电压。一旦被限定，电压中性面就保持相同，即使将其他电压施加到差分线和/或即使将电压施加到其他部件(例如单端线)，尽管在电压中性面中的实际电压于是通常不再为零。
[0011]线缆组件将典型地包括额外的部件，例如外部绝缘材料或外套，将线彼此分离的绝缘材料等。此外，所提及的(差分和单端)线将典型地沿线缆组件的轴彼此平行地延伸。[0012]根据第二方面，本发明涉及一种用于经由电气线缆组件在两个设备之间交换通信信号的方法。所述方法包括以下步骤，其可以按所列出的顺序或任何其他适当的顺序来执行:
[0013]a)向两条“差分线”提供(典型地高频/HF)相反的信号电压。如以上，两条差分线将在它们之间的电压中性面限定为当仅为两条差分线提供相反电压时，其中电压近似为零的平面。
[0014]b)向相对于前述电压中性面具有对称结构的“单端线组”提供另外的信号电压。
[0015]电气线缆组件和方法是相同发明构思的不同实现方式，即相对电压中性面对称的线布置。为这些实现方式之一所提供的解释和限定因此对于其他实现方式也是有效的。
[0016]以上限定电气线缆组件和方法的优点在于它们允许在两个设备之间鲁棒的通信，即使在连接线缆组件内部的线必须彼此接近地布置的情况下。这是因为提供了差分线，借助它，可以以差分操作发送高速信号，且提供了额外的单端线，用于借助单端信号的低速通信。由高速差分信号引起的电磁干扰可以影响相邻单端线。但由于相对于高速信号的电压中性面对称的布置，这些干扰会在单端线中大体上彼此补偿。
[0017]本发明进一步涉及一种医疗系统，包括第一设备和第二设备，它们由上述类型的电气线缆组件连接，从而允许根据以上方法的通信信号的交换。医疗系统可以特别地包括导管或导丝，在其中集成了所述电气线缆组件。这是特别有利的，因为越来越多地需要与在导管或导丝尖端的传感器或激励器的通信，而另一方面线的可用空间被严格地限制。
[0018]在下文中，将公开本发明的多个优选实施例，它们可以结合以上限定的电气线缆组件、方法和医疗系统来实现。
[0019]根据一个优选实施例，除了上述的相反信号电压以外，还将DC共模电压提供给差分线。如果相反信号电压例如是(+VI)和(-VI)，所述DC共模电压是(V0)，那么在一条差分线上的有效电压将为(V0+V1)，在另一条差分线上的为(V0-VI)。如果没有电压施加到周围的任何其他部件，那么在电压中性面中得到的电压在此情况下将等于(VO)。如果存在多于一对差分线，就可以为每一对独立地提供不同的共模电压。而且，共模电压可以可任选地为低频信号(例如，具有低于约5MHZ的频率)。这样，能够在差分对上多路复用例如用于控制的额外信号。
[0020]单端线应具有相对于电压中性面对称的结构。这可以包括位于电压中性面自身中的一条或多条单端线(因而是对于自己对称的)。根据优选实施例，存在至少一对单端线，包括在电压中性面外延伸的第一单端线，和在电压中性面的相反侧上布置在相对于所述第一线的镜面对称位置的第二单端线。前述对的两条单端线于是可以共同用于传送单个电压信号(即在电气线缆组件的输入端将相同电压施加到两条线)。这是有利的，因为由差分线上的差分信号引起的可能的干扰会因为两条单端线的特定对称布置而彼此补偿。
[0021]至少一对差分线、至少一组单端线、和/或这个对或组的一条或多条线分别可以可任选地由电屏蔽件包围。这有助于减小在多条线之间的串扰。
[0022]根据本发明的另一个优选实施例，电气线缆组件包括“芯线”，其向电气线缆组件提供机械稳定性。芯线典型地是金属线，例如由不锈钢构成，尽管其他导电或非导电材料也可以。如同其名称所指的，“芯线”优选地设置在电气线缆组件内的某些中心位置。
[0023]前述芯线优选地布置在由差分线对限定的电压中性面中。于是能够使得在芯线(如果导电的)中的电磁干扰最小。
[0024]芯线可以可任选地连接到线缆组件的至少一条其他线和/或线缆组件的屏蔽件。如果芯线导电，它就从而一除了其机械功能以外一满足电气功能，例如传送公共的参考电压(“地”)。
[0025]在另一个实施例中，芯线可以具有非圆形横截面(依据限定，所述横截面位于垂直于线缆组件的轴的平面中)。横截面例如可以是多边形的。非圆形横截面的优点是其有助于在限定的位置布置并固定电气线缆组件的其他部件。
[0026]电气线缆组件可以可任选地包括多于一对差分线，以允许多个(差分)信号的传送。在此情况下，与每一对差分线相关的电压中性面优选的重叠(即所有差分线对具有同一电压中性面)。
[0027]前述两对或更多对差分线优选地布置在相对于彼此的最大距离上，其中，可能的最大值当然受到电气线缆组件的给定尺寸的限制。彼此相距尽可能远地布置差分线对的优点是使得相互串扰最小。
[0028]当提供了两对或更多对差分线时，上述的芯线优选地布置在它们之间，从而提供针对串扰的额外屏蔽。
[0029]根据优选实施例，线缆组件相对于由差分线对限定的电压中性面几何对称。这表示电气线缆组件的所有组件的几何形状和布置(差分线、单端线、屏蔽件、绝缘材料等)是对称的。因此，几何对称包括线中心的通常布置以及线的横截面。另外，对称还可以包括各个组件的材料。因而可以实现相对于电压中性面的最佳平衡，其有助于使得来自差分线(及差分线上的)电磁干扰的总影响最小。
[0030]提供给差分线的相反电压信号(例如(+VI)和(-Vl))和/或提供给单端线的另外信号电压典型地是AC信号(即Vl的符号重复改变)。更具体地，在差分线上的相反电压信号优选地是高速信号，具有高于约20MHz的频率。在单端线上的另外信号电压优选地是低速信号，具有低于约5MHz的频率。因而可以利用各个信号的最佳范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]本发明的这些及其他方面依据下文所述的实施例会是显而易见的，并参考其来加以阐明。
[0032]在附图中:
[0033]图1示意性地显示了线缆组件在医疗系统中的应用；
[0034]图2显示了通过常规同轴线缆组件的横截面；
[0035]图3显示了未屏蔽的双绞线对的侧视图；
[0036]图4显示了通过包括根据本发明的线缆组件的导丝的示意性横截面；
[0037]图5显示了通过根据本发明的可替换的线缆组件的横截面，其中芯线具有非圆形横截面；
[0038]图6示出了当驱动具有5MHz频率的差分电流通过顶部差分线对时，为根据本发明的线缆组件模拟的电场(左侧)、磁通量(中间)和感应电流密度(右侧)；
[0039]图7示出了当驱动具有IOOMHz频率的差分电流通过顶部差分线对时，为根据本发明的线缆组件模拟的电场(左侧)、磁通量(中间)和感应电流密度(右侧)；[0040]图8示出当驱动具有5MHz频率的单端电流通过一对单端线时，为根据本发明的线缆组件模拟的电场(左侧)、磁通量(中间)和感应电流密度(右侧)。
[0041]类似的参考标记或者以100的整数倍区分的标记在附图中指代相同或相似的部件。
【具体实施方式】
[0042]可以通过在介入式器械一诸如导管和导丝一的尖端集成成像和感测设备来改进在最小侵入性保健过程中的诊断和治疗。但这些器械极为有限的尺寸在集成所需功能时造成了重要的难题。微细加工(MEMS)传感器可以与ASIC技术结合，在极小区域中实现了先进的成像和/或感测功能。相关趋势是越来越大量的数据需要从器械尖端传送到外部设备。
[0043]图1示意性地显示了例如通过导管或导丝延伸的线缆组件100的使用，用于在尖端(在体内)的设备I与外部设备2 (在体外)之间通信。这个相互连接必须以有效的方式传送信号，其基本上表示:需要在尖端的很少硬件，少量(最少的)线，同时保持信号完整性。由于可用于布线的有限空间，低线数量是重要的。导丝内径的典型尺寸约为260μπι。这还限制了用于在体内的功能的区域。 [0044]因此，需要为了在标准导丝中的使用而被优化的高速电气线缆组件。组件典型地具有2米的长度和约250 μ m的直径。由于涉及的频率(例如10MHz-500MHz)，线缆特性将由传输线效应来确定。线缆损耗由布线电阻来支配，其由于小的直径和长的长度而较高，而与频率有关的损耗(趋肤效应(skin-and proximity-effect))恶化了对于高频的情形。
[0045]图2显示了在用于 标准传输线中时的标准同轴线缆组件10的横截面。典型地，信号电流流过导电芯11，同时返回电流(没有任何其他电流！)流过屏蔽件13，其由绝缘材料12隔开。同轴线缆组件的最后层是非导电护套14，其防止在屏蔽件与外部部件之间的电流路径。
[0046]如果屏蔽件足够厚，就可以在同轴电气线缆组件10内部捕获到产生的电磁(EM)场，而在线缆组件外部没有产生EM场。同轴的特征阻抗由电介质的介电常数(εκ)和电介质的芯的尺寸来按照以下公式确定:
【权利要求】
1.一种用于在两个设备(1、2)之间交换通信信号的电气线缆组件(100、200)，包括: a)至少一对(120、130、220、230)“差分线”(D1+、D1_、D2+、D2_)，所述至少一对差分线将位于它们之间的电压中性面(VNP)限定为平面，在所述平面中，仅当所述差分线被提供有相反电压时，电压近似为零； b)至少一组(140,240)“单端线”(S11、S12 ;S21、S22 ;S31、S32)，所述至少一组单端线具有相对于所述电压中性面(VNP)对称的结构。
2.一种用于在两个设备(1、2)之间经由电气线缆组件(100、200)交换通信信号的方法，所述方法包括以下步骤: a)向两条“差分线”(D1+、D1-、D2+、D2_)提供相反的信号电压，所述两条差分线将在它们之间的电压中性面(VNP)限定为平面，在所述平面中，仅当所述差分线被提供有相反电压时，电压近似为零； b)向“单端线”(Sll、S12 ;S21、S22 ;S31、S32)的组(140,240)提供另外的信号电压，所述单端线的组具有相对于前述电压中性面(VNP)对称的结构。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于， 另外将DC共模电压提供给所述差分线(Dl+、Dl-、D2+、D2-)。
4.根据权利要求1所述的电气线缆组件(100、200)，特征在于， 单端线的所述组(140、240)包括相对于所述电压中性面(VNP)对称布置的一对单端线(S1US12 ;S21、S22 ;S31、S32)。
5.根据权利要求1所述的电气线缆组件(100、200)，其特征在于， 所述对(120、130、220、230)差分线(Dl+、Dl-、D2+、D2-)、所述组(140,240)单端线(S1US12 ;S21、S22 ;S31、S32)、和/或所述对差分线和所述组单端线的线被电屏蔽件(122、172,222)包围。
6.根据权利要求1所述的电气线缆组件(100、200)，其特征在于， 所述线缆组件(100、200)包括芯线(110、210)，所述芯线提供机械稳定性。
7.根据权利要求6所述的电气线缆组件(100、200)，其特征在于， 所述芯线(110、210)被布置在所述电压中性面(VNP)中。
8.根据权利要求6所述的电气线缆组件(100、200)，其特征在于， 所述芯线(110、210)与所述线缆组件(100、200)的至少一条其他线和/或屏蔽件(122、172、222)电气连接。
9.根据权利要求6所述的电气线缆组件(200)，其特征在于， 所述芯线(210)具有非圆形横截面。
10.根据权利要求1所述的电气线缆组件(100、200)，其特征在于， 所述线缆组件(100,200)包括至少两对(120、130)差分线(Dl+、Dl-、D2+、D2-)，所述对具有相同的电压中性面(VNP)。
11.根据权利要求10所述的电气线缆组件(100、200)，其特征在于， 以相对于彼此的最大距离布置所述对(120、130)。
12.根据权利要求6和10所述的电气线缆组件(100、200)，其特征在于， 所述芯线(110,210)被布置在所述对(120,130)差分线(Dl+、Dl-、D2+、D2-)之间。
13.根据权利要求1所述的电气线缆组件(100、200)，其特征在于，所述线缆组件(100、200)相对于所述电压中性面(VNP)几何对称。
14.根据权利要求2所述的方法，其特征在于， 提供给所述差分线(Dl+、Dl-、D2+、D2-)的相反的电压信号和/或提供给所述单端线(S1US12 ;S21、S22 ;S31、S32)的另外的信号电压是AC信号，所述AC信号的频率优选地分别高于约20MHz或低于约5MHz。
15.一种医疗系统，优选为一种包括导管或导丝(5)的系统，所述系统包括第一设备 (I)和第二设备(2)，所述第一设备和第二设备由根据权利要求1所述的电气线缆组件(100,200)连接。
【文档编号】H01B7/04GK103959398SQ201280058586
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年11月23日 优先权日:2011年11月28日
【发明者】A·C·范伦斯, V·A·亨内肯, R·德克尔 申请人:皇家飞利浦有限公司