专利名称：高速电子远程医疗成像系统以及方法
技术领域：
本发明涉及具有高速多电线电缆的医疗成像系统。
背景技术：
远程成像系统用于观察不便正常进行人体观察或不便使用传统的光学成像工具的物体。仅能设置尺寸有限的图像转换器以便进行观察，并且为了观察要将信号输送至远距离的位置处。例如，外科医生利用光学成像探头来观察内部组织以便进行诊断或外科手术。这类系统需要最小型的多电线电缆组件将由电荷耦合器件(CCD)记录的图像信号输送置外部显示屏上。其它的医疗成像系统利用在外部与患者接触的超声波转换器，经一根多电线电缆，将内部图像输送至一台用于显示的仪表上。
对于外科手术和其它用途而言，希望使电缆的尺寸达到最小。有限的直径有助于实现理想的灵活性。但是，详细的实时图像需要显著的带宽，从而需要许多具有规定频率功率的独立导线。为了在需要大量的导线时避免形成不希望的大体积的电缆，采用了非常细的导线。为了限制电噪音和在高信号频率下的相互影响，导线通常要被屏蔽。一种典型的方案使用了非常细的共轴电线，这些电线在一根电缆中是成束设置的。每根电线均具有其自身的屏蔽层，其能够提供适当的保护以避免在高频下产生相互干涉。
虽然能够操作满足要求，但是许多共轴组件仍具有一些缺点。细的共轴电线的制造成本比许多场合可接受的成本要高。端接非常细的共轴电线的方式是复杂且价格昂贵的。并且由于需要在线芯导线和屏蔽层之间具有规定间隙，因此，共轴电线会出现不希望的大型化。
发明内容
本发明通过提供一种医疗成像系统来克服现有技术的局限性，该医疗成像系统具有一个包括电子显示器的底座装置，以及一个经一根柔性电缆与显示装置相连的远程成像转换器。所述电缆包括多根信号传输线，每根信号传输线均包括一对用于数字差分信号传输的双扭电线。通过利用差分信号的众所周知的优点，即取消信号发射以及减小公共模式的干涉，在无需屏蔽层的情况下，这些双扭电线便能够保持信号集成度。利用差分信号传输的数字系统包括LVDS，SCL，FiberChannel，以及Firewire。每根导线均在第一端与转换器相连，并且在第二端与底座装置相连。信号传输线可以绕一个线芯缠绕，所述线芯可以是一根光学导管，其在底座装置与一光源相连。所述系统可采用光学或超声波成像。
附图的简要说明
图1为本发明中一个最佳实施例的电缆组件的剖开透视图。
图2为本发明中一个最佳实施例的电缆组件部件的剖开透视图。
图3为本发明中一个最佳实施例的电缆组件的剖面端视图。
图4为根据本发明的最佳实施例，使用了电缆组件的成像装置的剖开透视图。
图5为本发明最佳实施例的成像系统的视图。
图6为本发明可选择的实施例的成像系统的视图。
最佳实施例的详细描述图1显示了一种用于高频信号或高速数据传输的柔性电缆组件10。这种电缆包括一个线芯12，一组以螺旋状绕线芯缠绕的双扭电线14，以及一外包皮部分16。
线芯具有一根柔性光学导管，该导管设有一束可传送光的光纤20。所述光纤由一螺旋金属铠装层22包裹，其内径为0.160，外径为0.200。铠装层所起的作用为提供圆柱形形状，该形状的横剖面不会在后面的压力作用下产生非常大的偏离，以维持双扭电线距电缆的轴线具有均匀的距离。所述铠装层由一条螺旋包裹的薄绝缘带23提供绝缘。所述带为低摩擦含氟聚合物膜，其厚度为0.002英寸，宽度为0.125英寸，并且以45％交叠的方式缠绕。在最佳实施例中，导管设有2050根光纤，对于3.5mm的总体外径而言，每一根光纤均具有.66的数值孔径并具有70微米的直径，且具有80％的光纤填充密度。
如下面详细说明的那样，每一双扭电线14均包括两根螺旋状扭绞的电线，这两根电线彼此绝缘并包裹在共形包皮中。虽然设置了九根双扭电线，但是这一数量可根据特定应用场合的需要，不受任何限制的变化。每一双扭电线的包皮均具有0.030英寸的直径，其允许每一双扭电线包皮在其整个长度范围内均能够抵靠在线芯的表面，并且与相邻的双扭电线的包皮彼此邻接。这样便能够确保每一双扭电线均与线芯导线以及与相邻的双扭电线保持相同的控制距离。
在最佳实施例中，双扭电线以螺旋状绕线芯缠绕。缠绕角度使每一双扭电线在整个2.0英寸的电缆长度范围内绕线芯实现一次完整的缠绕。缠绕角度可以略微变化以适应双扭电线包皮直径和线芯包皮直径的变化。如果双扭电线具有能够彼此邻接并抵靠在线芯上的尺寸，那么双扭电线直径大于标准值或线芯直径小于标准值的略微变化均会迫使至少一根双扭电线不与线芯靠接。但是，以预定方式略微减小双扭电线的尺寸(和/或加大线芯的尺寸)便能够避免这一问题的产生。在这种情况下，通过以螺旋状缠绕双扭电线，能够避免如果双扭电线与线芯平行而产生的双扭电线之间的预定间隙。实际上，通过双扭电线和线芯的几何形状能够确定缠绕角度的度数，并且对于较小的双扭电线直径而言，缠绕角度会增大(并且一根双扭电线的一圈完整的螺旋旋绕的长度会减小)。
通过一条薄带26以螺旋状缠绕双扭电线，该薄带在中间制造步骤以及在电缆的整个寿命期间，能够将双扭电线固定在线芯上。略微张紧所述带，以将双扭电线偏压在线芯上，并且在使用期间电缆弯曲时能够防止间隙的产生。所述带为低摩擦的含氟聚合物膜，其厚度为0.004英寸。在带的宽度为0.5英寸，双扭电线以及线芯束的外径为0.290英寸的情况下，所述带缠绕大约三圈达到一英寸，并且在缠绕带之间的重叠率为30％。
屏蔽层32紧密缠绕线芯束。屏蔽层为38AWG铜电线的编织带，并且具有至少90％的特定覆盖率。通过隔离包皮层的控制尺寸，屏蔽层距每一双扭电线的距离均是相等的。
一外部包皮层34紧密地包围屏蔽层且壁厚度为0.030英寸，并且保护其不会损坏。外部包皮由柔性聚氨酯构成，并且最好是绕所述屏蔽层双挤压而成的。最终的电缆的外径为0.390英寸。
图2详细显示了单根双扭电线14。双扭电线中的每一根电线均具有由32AWG铜制成的导线，该导线由壁厚为0.003英寸且由含氟聚合物制成的绝缘包皮42包围。每一包绕的电线的外径均为0.015英寸。电线是以螺旋状、以每英寸绕完整3圈的扭绞率缠绕的。在某些用途中，扭绞率可以以不同的比率制定以避免在相邻的双扭电线之间产生干涉。例如，所述扭绞率可以在两个不同的值之间变化，以便相邻的双扭电线不会相互作用。电线在一根轴线上，沿它们的整个长度彼此接触。在最佳实施例中，电线被封装在由聚合物材料制成的包皮44内。所述包皮是绕电线双挤压而成的，其外径为0.045英寸，或为双扭电线直径的1-1/2倍。
如在最佳实施例中说明及描述的那样，已发现电缆能够实现每一双扭电线100～655Mits/sec的数据传送速率。其用于长度为18～120英寸的电缆。对于必须方便地移动连接件的场合(如对于连接至计算机设备或电子设备的输入装置或转换器)，当所采用的非常细的电线需要确保具有柔性时，相信其它目的所需的电缆长度越长，就越需要更大的导线。虽然这些电缆可采用用于披露和说明最佳实施例的原理，但是，它们在需要重复弯曲的情况下则不太适用。
如图3所示，绕线芯缠绕的一些电线可以不采用双扭电线形式。在所说明的实施例中，对于电源和其它更高电流需要而言，采用了具有一个固体线芯的六根电线，同时所述双扭电线用于传输低电压差分信号。在可选择的实施例中，所有电线均可以采用双扭电线形式，或者可以采用不同数量或大小的双扭电线。
如图4所示，在成像系统50中使用了电缆10。该系统包括一台仪表52，电缆10以及一台摄像机54。电缆10具有一个与仪表相连的第一端56，以及一个与摄像机相连的第二端60。
仪表具有一个带有连接器64的壳体62。一根光纤导管66在壳体内经一个使光源连接至导管的聚光透镜72、从连接器64延伸至一个如灯泡70这样的照明源。一组电线74在壳体中，从连接器延伸至一个电路元件76。一个电子显示屏80以电形式连接至所述电路。所述电路的作用在于经电缆接收电编码动态图像信息，并且对其进行解码以便在屏幕上显示。
仪表连接器包括一个接口，其适于使壳体中的光学导管66与电缆的光纤束20相连。同样，所述连接器包括使接线74与电缆的电线相连的元件。在一个可选择的实施例中，可以永久地将电缆固定至壳体上，以便不需要连接器，并且光纤足以延伸至光源，并且电缆电线直接连接至所述电路。
摄像机54为一种小型装置，其具有壳体82，该壳体具有一个腔室84，在该腔室中装有一个电耦合器件(CCD)86。在可选择的实施例中，可以使用任何适于产生电信号的电子图像转换器，可以对该转换器产生的电信号进行解码以便还原形成在转换器表面上的图像。壳体中的透镜90位于CCD的成像表面的轴线上，以在成像表面上形成物体92的图像。使电缆的电线14与CCD相连，以便在屏幕80上显示相应的电子图像92’。
通过由光纤束输送的光线提供物体的照明。光纤束20的端部位于成像透镜90附近，以便发出的光线沿透镜的光学轴线方向发光。在一个可选择的实施例中，纤维端部可绕成像透镜同轴分布。在工作时，摄像机远离仪表，并且与所要成像的物体相邻。在医疗用途中，可以将摄像机设置在患者的体内。可以将摄像机与外科仪器(如内窥镜)安装在一起。
例如，图5显示了成像系统50，在该系统中，外科医生已将摄像机54插入患者的切口102内。通过电缆10中的光纤将底座装置52中的光源传送至摄像机。光线照亮患者体内的区域，以便由患者组织反射的光线在CCD上产生图像。将该图像转换为电信号，经利用了低压差分信号(LVDS)传递的高速双扭电线使该电信号返回至底座装置，从而将该信号转换为在外科手术期间，由外科医生实时观察而显示的图像。虽然为了简化，利用与仪表一体的显示装置进行了说明，但是，在许多场合下，可以在另一个地点，在外科医生的视野内设置一个独立的显示装置，或者可以将该显示装置设置在用于在外科手术期间进行直接观察的仪表内。
图6显示了一种可选择的超声波医疗系统120。超声波底座装置122具有一个由一根柔性电缆126连接的超声波转换器124。电缆126与图1～5中的电缆10相类似，不同之处在于由于超声波成像无需照明，因此，其未使用光纤导管。可以代之以采用尺寸大于双扭电线的中央线芯导线，并且可利用这种中央线芯导线向转换器提供电能。双扭电线可以以与电缆10相同的方式环绕线芯。
医生或技术人员130以在外部与患者132接触的方式应用转换器。通过转换器将超声波能量发送至患者组织内，患者的组织以能够显示组织特性和位置的图形反射回能量。将该能量图形转换为高带宽电信号，该电信号经使用了低压差分信号(LVDS)传递的高速双扭电线返回至底座装置。随后，使该信号恢复原状，以便为了观察而在底座装置上的显示屏幕134上显示为实时动态图像。
虽然根据最佳实施例和可选择的实施例作出了以上说明，但是，本发明不应局限于此。例如，用于信号从柔性连接的转换器进行LVDS传递的双扭电线所使用的医疗用途不必局限于内窥镜和超声波成像。在必须对远离显示装置的物体进行成像的任意医疗用途中均可采用这些特点。其可包括外部成像摄像机，这些摄像机用于牙科、常规外科手术、机器人外科手术、最小创伤手术(关节镜术、腹腔镜术)、内部诊断、眼科以及需要详尽的高分辨率直观检查和医疗分析且需要电缆连接灵活性的其它领域。
权利要求
1.一种医疗成像系统，其包括一个底座装置，其包括一个电子显示器；一个远程成像转换器，其经过一根柔性电缆与显示装置相连；所述电缆包括多根信号传输线；每一信号传输线均包括一对双扭导线；以及每一根导线在第一端与转换器相连，并且在第二端与底座装置相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电缆包括一个光学传送元件，该元件在一端与照明装置相连，并且可以操作以将光线传递至由所述转换器成像的物体上。
3.根据权利要求2所述的系统，其中每一双扭导线均绕光学传送元件缠绕。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述转换器为一种光敏电子器件。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，光敏电子器件为CCD。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述转换器为一种超声波元件。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，每一对双扭导线中的导线均采用共同的线规，并且彼此以螺旋状缠绕在一起。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，双扭导线与由线芯限定的轴线的距离是均匀的。
9.一种医疗成像系统，其包括一个底座装置，其包括一个电子显示器；一个远程成像转换器，其经过一根柔性电缆与显示装置相连；所述电缆包括多根信号传输线；以及每一信号传输线均包括一对为进行低压差分信号传输而结合的导线。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述电缆包括一个光学传送元件，该元件在一端与照明装置相连，并且可以操作以便将光线传递至由所述转换器成像的物体上。
11.根据权利要求10所述的系统，其中每一根信号传输线均绕光学传送元件缠绕。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述转换器为一种光敏电子器件。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述转换器为一种超声波元件。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，每一根信号传输线中的导线均采用共同的线规，并且彼此以螺旋状缠绕在一起。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，信号传输线与由线芯限定的轴线的距离是均匀的。
16.一种医疗成像的方法，其包括以下步骤使一台转换器位于患者附近；在转换器中产生用以显示图像的电信号；经一根与底座装置相连的柔性电缆传输信号，其包括利用低压差分信号传输、经多对导线传递独立的信号；以及在底座装置中，显示以所述信号为基础的图像。
17.根据权利要求19所述的方法，其中传输信号包括经双扭电线传输信号。
18.根据权利要求19所述的方法，其包括经电缆中的光学导管照亮由转换器成像的患者中的目标部分。
19.根据权利要求19所述的方法，其中在转换器中产生电信号包括在一光敏电子器件上产生图像。
20.根据权利要求19所述的方法，其中在转换器中产生电信号包括接收发射的超声波能量。
全文摘要
一种医疗成像系统具有一个包括电子显示器的底座装置，以及一个经过一根柔性电缆与显示装置相连的远程成像转换器。电缆包括多根信号传输线，每根信号传输线均包括一对用于数字差分信号线的双扭导线。每根导线在第一端与转换器相连，并且在第二端与底座装置相连。信号传输线可以绕一个线芯缠绕，所述线芯可以是一根光学导管，其在底座装置与一光源相连。
文档编号A61B8/00GK1547448SQ02816776
公开日2004年11月17日 申请日期2002年6月14日 优先权日2001年7月26日
发明者埃里克·艾克尔伯格, 埃里克 艾克尔伯格, V 小佩奇, 西伦·V·小佩奇 申请人:勒德洛公司