CN112153930A - 跨电气隔离屏障进行高速数据传输的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

示例性医疗系统包括在印刷电路板(PCB)上并且被配置为生成数据的第一电路、在PCB上并且与第一电路电气隔离的第二电路以及PCB上的射频(RF)通信接口组件。RF通信接口组件包括RF发射器、RF接收器和波导，该RF发射器电气地耦合到第一电路并与第二电路电气隔离，该RF接收器与RF发射器不在直接RF信号路径对准中、电气地耦合到第二电路并且与第一电路电气隔离，该波导在RF发射器和RF接收器之间，并且被配置为在RF发射器和RF接收器之间引导表示数据的RF信号。

Description

跨电气隔离屏障进行高速数据传输的系统和方法
相关申请
本申请要求于2018年6月6日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FOR HIGH-SPEEDDATA TRANSMISSION ACROSS AN ELECTRICAL ISOLATION BARRIER”的美国临时专利申请号62/681,585的优先权，其内容通过参考整体并入本申请。
背景技术
电外科能量是在手术过程中使用的安全有效的工具。在诸如使用计算机辅助手术系统的微创外科手术之类的电外科手术期间，位于手术室内的电外科单元生成并输出高压、高频电流。电流通过有源电极施加到患者组织，以烧灼或以其他方式操纵组织。为了安全地将电流从患者身上返回至电外科单元，将接地垫粘附在患者的皮肤上。由于接地垫的导电表面积要比有源电极大得多，因此电流会散布在很宽的区域上，最大程度地减少了接地垫下方组织的发热，从而防止了患者的无意灼伤。
为了在典型的电外科手术中协助外科医生，内窥镜用于提供包括被烧灼的组织的手术区域的图像(例如，立体视频)。示例性内窥镜包括金属轴，该金属轴从摄像机头向远端延伸到患者体内。在轴的远端处的电路使用图像传感器捕获图像(单视的或立体的)并将图像传输到摄像机头中的电路。电路处理图像(例如，通过对图像执行各种控制和数据传输功能)，并且通过电缆将表示图像的数据(例如，视频数据)传输到位于手术室内的显示系统。
在某些情况下，电缆会意外地与手术室的地板、金属托盘或另一个接地表面接触。在这些情况下，由于电缆的外部绝缘护套在电缆中包括的电线与接地表面之间产生的间隙，电缆充当电容器。因为由有源电极施加的电流是高频的，所以电流可以相对容易地流过由电缆产生的电容器。因此，当电缆与接地表面接触时，就形成了电流的接地路径。例如，如果内窥镜的金属轴的任何部分与要施加高频电流的患者组织接触或接近，则高频电流可以代替由接地垫消散、电容性地耦合到金属轴上并穿过摄像机头中包括的电路到达电缆正接触的接地表面。由于高频电流被电容性地耦合到金属轴上，因此在患者组织和金属轴之间可能发生放电(例如电弧)。通常，这种放电不会对患者造成伤害。但是，电容性耦合电流产生潜在的情况，在这种情况下放电可能会伤害(例如烧伤)患者。
为了防止电流电容性耦合到内窥镜的金属轴上，内窥镜内的电路可以包括隔离屏障，该隔离屏障将电气地耦合和/或电容性耦合到轴(或耦合到轴内的部件)的电路部件从连接到在电缆中包括的电线的电路部件中电气地隔离开。以这种方式，在金属轴和电缆之间的导电路径被阻断。
虽然隔离屏障可以防止电流电容性耦合到内窥镜的金属轴上，但是隔离屏障不利地在电气地隔离的组件之间，尤其是在相对较小的印刷电路板(“PCB”)上(例如内窥镜的摄像机头中使用的PCB)的电气地隔离的组件之间传输数据时提出了挑战。用于在类似尺寸的PCB上实施的跨隔离屏障传输数据的常规解决方案在带宽上受到限制并且只能以相对较低的数据传输速率(例如，小于1千兆位每秒(“Gbps”))传输数据。但是，在将内窥镜图像基本实时地呈现给外科医生的情况下，尤其是当内窥镜图像是数据密集型时(例如，在内窥镜图像是高清立体图像的情况下)，这些低数据传输速率可能会导致延迟、图像质量差和/或效率低下。
附图说明
附图说明了各种实施例并且是说明书的一部分。说明的实施例仅是示例并且不限制本公开的范围。在所有附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元件。
图1说明了根据本文描述的原理定位的示例性立体内窥镜。
图2说明了根据本文描述的原理的示例性配置，在该示例性配置中隔离屏障用于将PCB上的第一电路与PCB上的第二电路电气地隔离。
图3说明了根据本文描述的原理的示例性配置，在该示例性配置中射频通信接口组件在PCB上以允许在电气地隔离的电路之间进行数据传输。
图4-图6是根据本文描述的原理被配置为在PCB上的射频通信接口组件的各种视图。
具体实施方式
本文中描述了跨电气隔离屏障进行高速数据传输的系统和方法。如将在下面更详细地描述的，示例性系统可以包括全部在单个PCB上的第一电路、与第一电路电气地隔离的第二电路以及射频(“RF”)通信接口组件。RF通信接口组件被配置为允许在第一电路与第二电路之间高速传输(大于1Gbps)数据。为此，RF通信接口组件可以包括1)在PCB上的RF发射器，其电气地耦合到第一电路并且与第二电路电气地隔离，2)在PCB上的RF接收器，其与RF发射器不在直接RF信号路径对准中、电气地耦合到第二电路并与第一电路电气地隔离，以及3)在RF发射器和RF接收器之间的波导，其被配置为引导表示在RF发射器和RF接收器之间的数据的RF信号。
在一些示例中，PCB被包括在被配置为用于外科手术(例如，由计算机辅助手术系统执行的微创外科手术)中的手术器械中。为了说明，PCB可以被容纳在内窥镜的摄像机头内。在该图解中，包括一个或多个图像传感器的轴(例如，导电金属轴)从摄像机头延伸。在轴的远端处是一个或多个透镜或其他光学器件，该透镜或其他光学器件被配置为当被定位于手术区域内时捕获从患者内部解剖结构反射的光。一个或多个图像传感器将光转换为表示图像的信号(例如，数字数据)并通过轴内的一个或多个导管将信号传输至摄像机头。在PCB上的第一电路处理信号并根据信号生成数据。该数据表示手术区域的一个或多个图像或以其他方式与之相关联。第一电路通过RF通信接口组件以本文所述的任何方式将数据跨过电气隔离屏障传输至第二电路。第二电路进一步处理数据和/或经由电缆将数据传输到位于PCB之外的计算设备。例如，第二电路可以通过电缆将数据传输到作为显示系统的一部分的计算机化图像处理设备。显示系统使用该数据显示一个或多个图像。
本文所述的系统和方法可以提供各种益处。例如，本文所述的系统和方法允许跨在相对小的PCB(诸如在手术器械中的PCB)上实施的电气隔离屏障高速传输数据。在这样的配置中，对允许跨电气隔离屏障传输数据所使用的接口组件必须相对小(例如，以大约30mm×16mm×8mm的封装实施)。这种尺寸的常规接口组件(例如，光隔离器)只能以相对低的数据传输速率(例如，小于1Gbps)传输数据。其他常规的接口组件(例如，包括光纤和收发器的接口组件、RF通信接口组件等，该RF通信接口组件包括在彼此直接RF信号路径对准内的发射器和接收器)太大而无法安装在许多手术器械中的PCB上和/或需要多个PCB。例如，常规的RF通信接口组件包括在第一PCB上的RF发射器和被定位于第一PCB上方的第二PCB上的RF接收器，以使RF发射器和RF接收器处于直接RF信号路径对准中(例如，通过使RF发射器和RF接收器的顶表面彼此面对)。然而，这种常规的RF通信接口组件可能太大而无法安装在手术器械的壳体内。
相反，在本文中所描述的RF通信接口组件可以以相对小的封装(例如，大约30mm×16mm×4mm或任何其他合适尺寸的封装，其允许RF通信接口组件被包括在容纳于手术器械内的PCB上)实施，但仍允许大于1Gbps的数据传输速率(例如2Gbps或大于1Gbps的任何其他合适的数据传输速率)。通过允许这种高的数据传输速率跨过隔离屏障，在本文中所描述的系统和方法可以实施对数据密集型内容(例如，由立体内窥镜生成的高清立体图像)的高效且实时处理。
此外，在本文中所描述的RF通信接口组件可以适用于手术环境中，诸如在手术室中使用。例如，在本文中所描述的RF通信接口组件被气密密封并且被配置为承受任何合适的手术室消毒过程(例如，高压灭菌过程、超声清洗、碱性化学浸泡等)。
在本文中所描述的系统和方法降低或消除了由流到位于手术区域内的手术器械上的电容性耦合电流引起的放电风险。例如，通过电气隔离位于手术器械内的PCB上的电路并且通过使用如在本文中所描述的RF通信接口组件在电路之间传输数据，在本文中所描述的系统和方法防止了电流(例如，通过电外科工具施加到患者组织的高频电流)被电容性耦合到手术器械上，从而产生可能会灼伤或以其他方式伤害患者的放电。尤其是当手术团队通过非导电(例如塑料)套管而不是通过例如连接到电气接地垫的导电(例如金属)套管将手术器械插入患者体内时。
在本文中所描述的系统和方法可以作为手动控制的手术器械的一部分操作或与之结合操作。例如，在本文中所描述的系统和方法可以在手动控制的内窥镜内操作。
另外或可替代地，在本文中所描述的系统和方法可以作为计算机辅助手术系统的一部分操作或与之结合操作。计算机辅助手术系统可以使用机器人和/或远程操作技术来对患者进行外科手术。在美国专利号5,299,288(1991年9月18日提交)(公开了“Image-directed robotic system for precise robotic surgery including redundantconsistency checking”)；专利号5,397,323(1992年10月30日提交)(公开了“RemoteCenter-of-motion Robot for Surgery”)；专利号5,402,801(1994年4月28日提交)(公开了“System and Method for Augmentation of Surgery”)；专利号5,417,210(1992年5月27日提交)(公开了“System and method for augmentation of endoscopic surgery”)；专利号5,445,166(1994年4月6日提交)(公开了“System for Advising a Surgeon”)；专利号5,631,973(1994年5月5日提交)(公开了“Method for telemanipulation withtelepresence”)；专利号5,649,956(1995年6月7日提交)(公开了“System and method forreleasably holding a surgical instrument”)；专利号5,696,837(1995年4月20日提交)(公开了“Method and apparatus for transforming coordinate systems in atelemanipulation system”)；专利号5,931,832(1995年7月20日提交)(公开了“Methodsfor positioning a surgical instrument about a remote spherical center ofrotation”)；和专利号6,999,852B1(2004年10月26日提交)(公开了“Flexible roboticsurgery system and method”)中描述了示例性计算机辅助手术系统—全部通过引用整体并入本文。另外，本领域技术人员将熟悉计算机辅助手术系统，诸如由加利福尼亚州桑尼维尔市的直观外科手术操作公司商业化的da
Figure BDA0002786489700000051
手术系统(IS4000型)。
现在将参考附图更详细地描述各种实施例。在本文中所描述的系统和方法可以提供上述益处中的一个或多个和/或本文将变得明显的各种附加和/或可替代益处。
图1说明了示例性立体内窥镜100。可以手动地控制内窥镜100(例如，由外科医生对患者执行外科手术)。可替代地，内窥镜100可以耦合到计算机辅助手术系统并使用机器人技术来控制。内窥镜100表示许多不同类型的内窥镜，在许多不同类型的内窥镜内可以使用在本文中所描述的系统和方法。例如，在本文中所描述的系统和方法可替代地与单视内窥镜一起使用。
如图所示，内窥镜100包括轴102和耦合到轴102的近端的摄像机头104。摄像机头104被配置为位于患者外部。轴102具有远端，该远端被配置为插入患者手术区域。如本文中所使用的，在某些示例中，患者的“手术区域”可以完全在患者体内并且可以包括患者体内计划执行、正在执行或已经执行外科手术附近的区域。在其他示例中，手术区域可以至少部分地在患者外部。在各种实施方式中，轴102是刚性的(如图1所示)。替代性地，轴102可以是接合的和/或柔性的。
如图所示，摄像机头104容纳右侧摄像机控制单元106-R、左侧摄像机控制单元106-L和照明器108。轴102容纳光学地耦合到右侧光学器件112-R的右侧图像传感器110-R、光学地耦合到左侧光学器件112-L的左侧图像传感器110-L和照明通道114。右侧部件(即摄像机控制单元106-R、图像传感器110-R和光学器件112-R)实施了从右侧角度捕获手术区域的图像116-R的摄像机。同样，左侧部件(即摄像机控制单元106-L、图像传感器110-L和光学器件112-L)实施了从左侧角度捕获手术区域的图像116-L的摄像头。
为了捕获图像116，照明器108生成光，该光由照明通道114中的一根或多根光纤携载并输出到轴102的远端处的手术区域中。在光从患者解剖结构和/或手术区域内的其他对象反射后，每个可以通过透镜或其他合适的部件实施的光学器件112捕获光。
由光学器件112捕获的光由图像传感器110感测。图像传感器110可以被实施为任何合适的图像传感器，诸如电荷耦合设备(“CCD”)图像传感器、互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器等。图像传感器110-R和110-L将感测到的光转换成表示图像的信号(例如，视频数据)并且分别通过导管118-R和118-L将信号传输到摄像机控制单元106。导管118可以是被配置为处理高速传输数据的任何合适的通信链路。
摄像机控制单元106处理从图像传感器110接收到的信号并基于这些信号生成表示图像116的数据。然后摄像机控制单元106将数据传输到外部设备(例如，显示由在显示屏上的图像形成的图像和/或视频的计算设备)。如图所示，摄像机控制单元106通过通信链路120彼此同步地耦合，使得图像116同步。
内窥镜100中可以包括附加或替代部件。例如，图1中未明确示出的一个或多个或其他光学器件可以被包括在轴102中，轴102用于聚焦、扩散或以其他方式处理由内窥镜100生成和/或感测的光。在一些可替代示例中，图像传感器110可以被定位于更靠近轴102的近端或在摄像机头104的内部，通常称为棒状透镜内窥镜的配置。
在本文中所描述的系统和方法可以在内窥镜100内实施。例如，在本文中所描述的系统和方法可以用于在内窥镜100内(例如，在摄像机头104内)的电气隔离电路之间以数据传输速率大于1Gbps的速度传输数据。
图2说明了示例性配置200，其中电气隔离屏障202用于将在PCB 206上的第一电路204-1与在PCB 206上的第二电路204-2电气隔离。如图所示，第一电路204-1通过连接件210通信地连接到手术部件208，并且第二电路204-2通过电缆214连接到位于PCB 206之外的计算设备212。现在将描述这些组件中的每一个。
PCB 206被配置为机械地支撑并电气地耦合包括在电路204-1和204-2(统称为“电路204”)中的各种电部件。例如，PCB 206可以包括导电垫和导电路径(例如，迹线、通孔等)，电部件可以被焊接或以其他方式电气地耦合到导电垫，该导电路径将各种电部件电气地互连。在一些示例中，可以将非导电部件(例如，自由空间光学接口组件的外壳)附接到(例如，机械地紧固等)到PCB 206。
PCB 206可以被包括在任何合适的壳体内。例如，PCB 206可以在内窥镜(例如内窥镜100)的摄像机头(例如摄像机头104)内。PCB 206可替代地可以在任何其他类型的手术器械和/或医疗系统部件内，作为可服务于特定实施方式。
电路204-1被配置为从手术部件208接收信号并基于该信号生成或以其他方式提供数据。从手术部件208接收的信号可以包括由轴102中包括的图像传感器110生成的数据(例如，视频数据)。在其他示例中(例如，当图像传感器110在摄像机壳体104中时)，从手术部件208接收的信号可以是由光学器件112提供的光信号。电路204-1可以以任何合适的方式基于该信号生成数据。例如，如果从手术部件208接收的信号包括由包括在轴102中的图像传感器110生成的数据，则电路204-1可以通过处理接收到的数据并基于接收到的数据生成新数据来生成数据。在一些可替代示例中，电路204-1可以简单地以其原始格式接收数据并将数据提供给电路204-2。如果从手术部件208接收的信号是光信号，则电路204-1可以通过将光信号转换成表示图像的数据(例如，视频数据)来生成数据。
电路204-2被配置为进一步处理由电路204-1提供的数据和/或通过电缆214将数据传输到计算设备212。为此，电路204可以各自包括任何数量的以任何合适的方式互连的无源或有源电部件(例如，电阻器、电容器、集成电路(“IC”)、线圈等)，以执行一个或多个期望的电路操作。例如，电路204可以包括实施传感器104、摄像机控制单元112和/或摄像机头104内包括的任何其他部件的部件。
电气隔离屏障202将电路204-2与电路204-1电气地隔离。换句话说，电气隔离屏障202防止电路204-2中包括的任何部件以任何方式电气地连接到电路204-1中包括的任何部件。通过这样做，电气隔离屏障202防止当电缆214与接地表面(例如，手术室的地板、金属托盘等)接触时，电流(例如，通过电外科工具施加到患者组织的高频电流)被无意地电容性耦合到手术部件208上。
电气隔离屏障202可以以任何合适的方式实施。例如，电气隔离屏障202可以由PCB206实施，PCB 206包括每个电路204的单独的接地平面(例如，电路204-1的第一接地平面和与电路204-2的第一接地平面分离和断开的第二接地平面)。可以以任何其他方式(例如，通过保持在第一电路与第二电路204之间的最小物理距离等)另外地或替代性地实施电气隔离屏障202。
手术部件208可以包括被配置为被定位于与患者相关联的手术区域内的任何部件。在一些示例中，手术部件208可以是在外科手术期间使用的手术器械的特定部件。例如，手术部件208可以由内窥镜(例如内窥镜100)的轴(例如轴102)实施。在一些示例中，手术部件208包括在某些情况下可以与患者组织和/或患者流体物理接触的一个或多个导电表面(例如由导电金属制成的外表面)。
手术部件208通过连接件210连接到电路204-1。连接件210可以以任何合适的方式实施。例如，在手术部件208内的一个或多个部件可以电气地、光学地或以其他方式耦合到电路204-1。以这种方式，电路204-1可以从手术部件208接收信号。为了说明，如果手术部件208是由内窥镜100的轴102实施的，则电路204-1可以接收由轴102中的一个或多个部件提供的信号。作为另一个示例，连接件210可以表示手术部件208和电路204-1之间的电容性耦合。为了说明，如果手术部件208是内窥镜的金属轴，则可以通过在金属轴和在电路204-1中包括的一个或多个导电物品(例如，通孔、迹线或部件)之间产生的电容将金属轴电容性地耦合到电路204-1。
计算设备212可以包括位于PCB 206之外的任何合适的计算设备。例如，计算设备212可以被包括在计算机辅助手术系统、显示系统等中。计算设备212被配置为接收和处理从电路204-2传输的数据。例如，计算设备212可以在一个或多个显示屏上显示由数据表示的一个或多个图像。
电缆214包括被配置为允许在第二电路204-2与计算设备212之间进行通信的一根或多根导线。电缆214进一步包括围绕一根或多根导线的绝缘护套。如上所述，电缆214可与接地表面接触。当这种情况发生时，电缆214充当电容器，具有足够高的频率(例如，大于100kHz)的电流可以通过该电容器。
图3示出了示例性配置，其中RF通信接口(“RFCI”)组件302在PCB 206上，以允许在第一电路204-1和第二电路204-2之间传输数据。如图所示，RF通信接口组件302包括电气地连接到第一电路204-1的输入304和电气地连接到第二电路204-2的输出306。现在将描述在RF通信接口组件302中包括的各种部件。
图4示出了示例性透视图，其中RF通信接口组件302与包括在第一电路204-1和第二电路204-2内的各种部件一起在PCB 206上。图4中所示的PCB 206可以位于例如手术器械(例如，立体内窥镜100的摄像机头104)内。作为被包括在第一电路204-1和第二电路204-2中示出的部件仅说明许多不同类型的部件，许多不同类型的部件可能在PCB 206上并且被包括在第一电路204-1和第二电路204-2中。
如图所示，RF通信接口组件302包括RF发射器402、RF接收器404和波导406。RF发射器402、RF接收器404和波导406均以任何合适的方式附接到PCB 206。例如，RF发射器402和RF接收器404可以电气地耦合(例如，焊接)到PCB 206上的导电垫。波导406可以机械地紧固、粘附或以其他方式连接到PCB 206和/或RF发射器402和RF接收器404。
RF发射器402电气地耦合到第一电路204-1。例如，RF发射器402可以通过作为PCB206的一部分的一个或多个导电路径(例如，迹线、通孔等)电气地耦合到在第一电路204-1内的一个或多个部件。RF发射器402与第二电路204-2电气隔离。例如，隔离屏障202可以以本文描述的任何方式将RF发射器402与第二电路204-2电气隔离。
RF接收器404电气地耦合到第二电路204-2。例如，RF接收器404可以通过作为PCB206一部分的一个或多个导电路径(例如，迹线、通孔等)电气地耦合到在第二电路204-2内的一个或多个部件。RF接收器404与第一电路204-1电气隔离。例如，隔离屏障202可以以本文描述的任何方式将RF接收器404与第一电路204-1电气隔离。
RF发射器402和RF接收器404可以以任何合适的方式实施。例如，RF发射器402可以由被配置为传输表示由第一电路204-1生成的数据的RF信号的任何合适的部件来实施。RF接收器404可以由被配置为接收RF信号的任何合适的部件来类似地实施。为了说明，在一些示例中，RF发射器402由被配置为传输RF信号的发射器IC实施，RF接收器404由被配置为接收RF信号的接收器IC实施。
在一些示例中，实施RF发射器402的发射器IC包括被配置为传输极高频率(“EHF”)范围(即30-300千兆赫(“GHz”))内的RF信号的IC。同样，实施RF接收器404的接收器IC包括被配置为接收在EHF范围内传输的RF信号的IC。为了说明，发射器IC和接收器IC可以由KEYSSA制造的发射器和接收器IC实施或与之类似。但是，这种发射器和接收器IC被设计为在彼此直接RF信号路径对准时传输和接收数据。例如，类似于由KEYSSA制造的发射器IC的发射器IC被配置为在垂直于发射器IC的顶表面的方向上发射RF信号，并且类似于由KEYSSA制造的接收器IC的接收器IC被配置为在垂直于接收器IC的顶表面的方向上接收RF信号。因此，接收器IC常规必须定位使得接收器IC的顶表面直接在发射器IC的顶表面上方并与之对准。在这种配置中，接收器IC可以接收由发射器IC传输的RF信号。
但是，如上所述，由于手术器械的尺寸限制，这种配置在许多手术器械中是不可能的。此外，对隔离屏障任一侧的部件之间的距离和间距的法规要求可能会阻止将发射器和接收器IC面对面放置在手术器械内的直接RF信号路径对准中。
因此，根据在本文中所描述的系统和方法，RF发射器402和RF接收器404在同一PCB206上并且被等于或大于最小间隔阈值(例如，如由法规要求定义的)的物理距离隔开，以实现第一电路204-1和第二电路204-2之间的电气隔离。在此配置中，RF发射器402和RF接收器404具有与PCB 206平行的顶表面。RF发射器402被配置为在垂直于RF发射器402的顶表面的方向上发射RF信号，RF接收器404被配置为在垂直于RF接收器404的顶表面的方向上接收RF信号。由于RF发射器402和RF接收器404二者都在PCB 206上且它们各自的顶面与PCB 206平行，因此RF发射器402和RF接收器404彼此之间不在直接RF信号路径对准中。
如本文所使用的，除非上下文另外指出，否则诸如“平行”和“垂直”之类的几何术语并不旨在要求绝对的数学精度。相反，这样的几何术语允许由于制造或等效功能而变化。例如，被描述为“平行”的表面可能不完全平行，而是可以在制造公差范围内平行。同样，“垂直于”表面的方向可能不完全垂直于表面，而可能在预定的公差范围内垂直于表面。
如图所示，波导406在RF发射器402和RF接收器404之间。波导406被配置为在RF发射器402和RF接收器404之间引导RF信号，RF发射器402和RF接收器404彼此之间不在直接RF信号路径对准中。
为了说明，在一些示例中，RF发射器402从第一电路204-1接收数据。RF发射器402将数据调制到RF信号上并将RF信号传输到波导406中。波导406将RF信号跨过隔离屏障202朝向RF接收器404引导。RF接收器404检测RF信号，将RF信号解调回到数据中并将数据传输到第二电路204-2。
为了将RF信号从RF发射器402引导到RF接收器404，波导406包括弯曲的输入段408、弯曲的输出段410和直线段412，该弯曲的输入段408包括至少部分地覆盖RF发射器402的顶表面的输入端口(图4中未示出)，弯曲的输出段410包括至少部分地覆盖RF接收器404的顶表面的输出端口(图4中未示出)，直线段412在弯曲的输入段408和弯曲的输出段410之间并将弯曲的输入段408连接到弯曲的输出段410。如下所述，弯曲的输入段408、弯曲的输出段410和直线段412一起限定了波导406内的腔室，RF信号可以通过该腔室从RF发射器402传播到RF接收器404。
波导406可以由任何合适的材料制成。例如，波导406可以由被被配置为经受手术室消毒过程的非导电材料(例如，聚醚醚酮(“PEEK”)材料和/或聚醚酰亚胺材料，诸如
Figure BDA0002786489700000111
)制成。
图5说明了PCB 206上的RF通信接口组件302的俯视图。图6说明了沿图5所示的线A-A截取的RF通信接口组件302的截面侧视图。图5-图6将用于描述RF通信接口组件302的各种特征。
如图5所示，波导406包括平行凸缘502(即，凸缘502-1和502-2)，平行凸缘502沿着波导406的长度延展并且被配置为附接到PCB 206。以任何合适的方式将凸缘502附接到PCB206。在一些替代实施例中，波导406不包括凸缘502并且以任何其他合适的方式附接到PCB206。
图5和图6二者均示出RF发射器402的顶表面504-1被弯曲的输入段408部分地覆盖并且RF接收器404的顶表面504-2被弯曲的输出段410部分地覆盖。在该配置中，如将相对于图6更详细地描述的那样，由RF发射器402生成的RF信号可以由波导406引导到RF接收器404。
如图6所示，波导406的弯曲的输入段408、弯曲的输出段410和直线段412一起限定腔室602(例如，中空空腔)，RF信号通过腔室602从RF发射器402传播到RF接收器404。RF信号经由包括在弯曲的输入段408中的输入端口604进入腔室602。输入端口604可以由任何合适的端口来实施，RF信号可以通过任何合适的端口经过并进入腔室602。如图6所示，输入端口604部分覆盖RF发射器402的顶表面504-1。在可替代实施例中，输入端口604完全覆盖RF发射器402的顶表面504-1。
弯曲的输入段408引导RF信号以初始地在远离RF发射器402的顶表面504-1并且相对于RF发射器402的顶表面504-1的垂直方向上行进。弯曲的输入段408的曲率使RF信号进入直线段412，其中RF信号在相对于PCB 206的顶表面并朝着RF接收器404的平行方向上行进。然后RF信号进入弯曲的输出段410，弯曲的输出段410使RF信号在朝着RF接收器404的顶表面504-2并且相对于RF接收器404的顶表面504-2的垂直方向上行进。RF信号通过弯曲的输出段410中包括的输出端口606退出波导406。然后RF接收器404检测RF信号。如图6所示，输出端口606部分地覆盖RF接收器404的顶表面504-2。但是，在可替代实施例中，输出端口606完全覆盖RF接收器404的顶表面504-2。
在一些示例中，围绕腔室602的波导406的内表面608镀有导电材料。导电材料可以包括铜和/或被配置为有助于RF信号通过腔室602传播的任何其他材料。另外地或替代性地，波导406的一个或多个外表面镀有导电材料。例如，弯曲的输入段408和弯曲的输出段410的外表面可以镀有导电材料，诸如铜。
在前面的描述中，已经参考附图描述了各种示例性实施例。然而，将显而易见的是，在不脱离所附权利要求书所阐述的本发明的范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变并且可以实施附加的实施例。例如，本文描述的一个实施例的某些特征可以与本文描述的另一实施例的特征组合或替换。因此，说明书和附图应被视为是说明性而非限制性的。

Claims (20)

1.一种医疗系统，其包括：
第一电路，其在印刷电路板即PCB上并且被配置为提供数据；
第二电路，其在所述PCB上并且与所述第一电路电气地隔离；以及
射频发射器即RF发射器，其在所述PCB上，所述RF发射器电气地耦合到所述第一电路并且与所述第二电路电气地隔离；
RF接收器，其在所述PCB上与所述RF接收器不在直接RF信号路径对准中，所述RF接收器电气地耦合到所述第二电路，并且与所述第一电路电气地隔离；以及
波导，其在所述RF发射器和所述RF接收器之间并且被配置为引导表示在所述RF发射器和所述RF接收器之间的所述数据的RF信号。
2.根据权利要求1所述的医疗系统，其中，所述RF发射器包括在所述PCB上的发射器集成电路即发射器IC，所述发射器IC具有与所述PCB平行的顶表面，所述发射器IC被配置为在垂直于所述发射器IC的所述顶表面的方向上发射RF信号。
3.根据权利要求2所述的医疗系统，其中，所述RF接收器包括在所述PCB上的接收器IC，所述接收器IC具有与所述PCB平行的顶表面，所述接收器IC被配置为在垂直于所述发射器IC的所述顶表面的方向上接收RF信号。
4.根据权利要求3所述的医疗系统，其中，所述波导包括：
输入端口，其至少部分地覆盖所述发射器IC的所述顶表面，以及
输出端口，其至少部分地覆盖所述接收器IC的所述顶表面。
5.根据权利要求4所述的医疗系统，其中，所述波导被放置以通过以下方式在所述发射器IC和所述接收器IC之间引导所述RF信号：初始地引导所述RF信号在相对于所述发射器IC的所述顶表面并远离所述发射器IC的所述顶表面的垂直方向上行进，然后在相对于所述PCB的顶表面并朝向所述接收器IC的平行方向上行进，再然后在相对于所述接收器IC的所述顶表面并朝向所述接收器IC的所述顶表面行进。
6.根据权利要求1所述的医疗系统，其中，所述波导包括平行凸缘，所述平行凸缘沿着所述波导的长度延展并且被配置为附接到所述PCB。
7.根据权利要求1所述的医疗系统，其中，所述波导由聚醚醚酮材料和聚醚酰亚胺材料中的至少一种制成。
8.根据权利要求1所述的医疗系统，其中：
所述波导包括围绕腔室的内表面，所述RF信号通过所述腔室从所述RF发射器行进到所述RF接收器；以及
所述内表面镀有导电材料。
9.根据权利要求1所述的医疗系统，其中，所述RF发射器和所述RF接收器由所述PCB上的物理距离隔开，所述物理距离等于或大于实现所述第一电路与所述第二电路之间的所述电气隔离所需的最小间隔阈值。
10.根据权利要求1所述的医疗系统，其中：
所述RF发射器被配置为：
从所述第一电路接收所述数据，
将所述数据调制到所述RF信号上，以及
将所述RF信号传输到所述波导中；以及
所述RF接收器被配置为：
检测传输到所述波导中的所述RF信号；
将所述RF信号解调回所述数据，并且
将所述数据传输到所述第二电路。
11.根据权利要求1所述的医疗系统，其中，所述第一电路以大于1千兆位每秒的数据传输速率通过所述RF发射器、所述RF接收器和所述波导将所述数据传输到所述第二电路。
12.根据权利要求11所述的医疗系统，其中，所述第二电路通过电缆将所述数据传输到位于所述PCB之外的计算设备。
13.根据权利要求1所述的医疗系统，其中，所述第一电路被配置为：
接收从手术部件接收的信号，所述手术部件被配置为定位于在患者的手术区域内；以及
基于所述信号生成所述数据。
14.根据权利要求13所述的医疗系统，其中：
所述PCB位于内窥镜的摄像机头中；以及
所述手术部件包括从所述摄像机头延伸的轴，所述轴包括被配置为定位于所述手术区域内的远端。
15.根据权利要求13所述的医疗系统，其中，所述第二电路与所述第一电路的所述电气隔离防止电流电容性地耦合到所述手术部件上。
16.根据权利要求1所述的医疗系统，其中，所述PCB包括：
所述第一电路的第一接地平面；以及
所述第二电路的第二接地平面，所述第二接地平面与所述第一接地平面隔开；
其中，所述第一接地平面和所述第二接地平面将所述第二电路与所述第一电路电气地隔离。
17.一种医疗系统，其包括：
第一电路，其在印刷电路板即PCB上并且被配置为提供数据；
第二电路，其在所述PCB上并且与所述第一电路电气地隔离；
射频发射器即RF发射器，其在所述PCB上使得所述RF发射器的顶表面与所述PCB平行，所述RF发射器电气地耦合到所述第一电路并且与所述第二电路电气地隔离；
RF接收器，其在所述PCB上使得所述RF接收器的顶表面与所述PCB平行，所述RF接收器电气地耦合到所述第二电路并且与所述第一电路电气地隔离；以及
波导，其在所述RF发射器和所述RF接收器之间并且被配置为引导表示在所述RF发射器和所述RF接收器之间的所述数据的RF信号，所述波导包括
输入端口，其至少部分覆盖所述RF发射器的所述顶表面，以及
输出端口，其至少部分覆盖所述RF接收器的所述顶表面；
其中
所述RF发射器被配置为：
从所述第一电路接收所述数据，
将所述数据调制到所述RF信号上，以及
将所述RF信号传输到所述波导中；以及
所述RF接收器被配置为：
检测传输到所述波导中的所述RF信号；
将所述RF信号解调回所述数据，以及
将所述数据传输到所述第二电路。
18.根据权利要求17所述的医疗系统，其中，所述第二电路被配置为通过电缆将所述数据传输到位于所述PCB之外的计算设备。
19.一种内窥镜，其包括：
摄像机头；以及
轴，其从所述摄像机头延伸并且包括
远端，其被配置为定位于患者的手术区域内，以及
一个或多个部件，其在所述轴内并且被配置为向所述摄像机头提供信号；
其中所述摄像机头容纳
印刷电路板即PCB，
第一电路，其在所述PCB上，并且被配置为：
接收所述信号，以及
基于所述信号生成数据，
第二电路，其在所述PCB上并且与所述第一电路电气地隔离，
射频发射器即RF发射器，其在所述PCB上，所述RF发射器电气地耦合到所述第一电路并且与所述第二电路电气地隔离；
RF接收器，其在所述PCB上与手术RF发射器不在直接RF信号路径对准中，所述RF接收器电气地耦合到所述第二电路并且与所述第一电路电气地隔离，以及
波导，其在所述RF发射器和所述RF接收器之间并且被配置为引导表示在所述RF发射器和所述RF接收器之间的所述数据的RF信号。
20.根据权利要求19所述的内窥镜，其中：
所述RF发射器的顶表面和所述RF接收器的顶表面与所述PCB平行；以及
所述波导包括
输入端口，其被配置为至少部分地覆盖所述RF发射器的所述顶表面，以及
输出端口，其被配置为至少部分地覆盖所述RF接收器的所述顶表面。
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