JP2005526525A - 高速電子リモート医療用撮像システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速信号伝送を可能にしながら、ケーブルを細くすること。
【解決手段】 電子ディスプレイを含むベースユニットと、このディスプレイユニットに可撓性ケーブルを介して接続されたリモート撮像トランスジューサとを備えた医療用撮像システムであって、ケーブルが多数の信号伝送ラインを含み、各ラインはデジタル差分信号ラインのための撚り対導線を含む。各導線は第１の端部がトランスジューサに接続されており、第２の端部がベースユニットに接続されている。信号伝送ラインをコアのまわりに巻くことができ、コアはベースユニットで光源に連通する光導管でよい。

Description

本願は「リモート撮像システムのための光透過性コアを囲む信号導線を有するケーブル」を発明の名称とし、２００１年７月２６日に出願された米国特許出願第09/916,728号の一部継続出願に基づく出願であり、この出願を本明細書の参考例として援用する。

本発明は高速多線ケーブルを有する医療用撮像システムに関する。

（発明の背景）
人が観察するには、または従来の光撮像器具には通常アクセスできない対象を見るのに、リモート撮像システムが使用されている。像を見るためには限られたサイズの像トランスジューサしか位置決めできず、像を見るために遠隔位置へ信号が伝送される。例えば外科医は診断または手術のために内部の解剖学的部分を見るのに、光撮像プローブを使用する。かかるシステムは電荷結合デバイス（ＣＣＤ）により記録された画像信号を外部のディスプレイスクリーンへ伝送するのに、小型化された多線ケーブルアセンブリを必要とする。その他の医療用撮像システムは外部から患者に接触する超音波トランスジューサを使用し、多線ケーブルを介してディスプレイ用装置へ内部画像を伝送するようになっている。

手術または他の用途では、ケーブルサイズを小型化することが望ましい。直径を小さくすれば、望ましい可撓性を得ることが容易となる。しかしながら、詳細なリアルタイム画像を得るのにかなりのバンド幅を必要とし、所定の周波数能力を有する別個の多数の導線を必要とする。かなりの数の導線が必要となって、ケーブルが望ましくないほど太くなるのを防止するために極めて細い導線が使用される。高周波信号での電気的ノイズおよび妨害を制限するために、導線全体はシールドされる。代表的な解決方法は細い同軸状のワイヤを使用することであり、これらワイヤはケーブル内で束状とされている。各ワイヤは自らのシールドを含み、このシールドは高周波で干渉を生じないように適当な保護を行うようになっている。

多くの同軸アセンブリは適当であるが、いくつかの欠点を有する。細い同軸ワイヤを製造するコストは多くの用途で許容できるコストよりも高い。極めて細い同軸ワイヤを終端させる方法は複雑であり、かつ費用がかかる。更に、同軸ワイヤはコア導線とシールドとの間に所定のスペースを設けなければならないので、望ましくない程度に嵩ばってしまう。

（開示の概要）
本発明は電子ディスプレイを含むベースユニットおよび可撓性ケーブルを介してディスプレイユニットに接続されたリモート撮像トランスジューサを医療用撮像システムに設けることにより、従来技術の問題を解決するものである。ケーブルは多数の信号ラインを含み、各ラインはデジタル差分信号伝送に使用される導線の撚り対を含む。これら撚り対は差分信号の周知の利点、すなわち信号の放射の防止および共通モードでの干渉の低減をすることにより、シールドを用いることなく信号の保全性を維持している。差分信号伝送を使用するデジタルシステムとしてはＬＶＤＳ、ＳＣＩ、ファイバーチャンネルおよびファームウェアが挙げられる。各導線は第１端部がトランスジューサに接続されており、第２端部がベースユニットに接続されている。コアのまわりに信号伝送ラインを巻くことができ、コアはベースユニットにて光源に連通する光導管でよい。このシステムは光学的撮像または超音波撮像を使用できる。

図１は高周波信号、すなわち高速データ伝送のための可撓性ケーブルアセンブリ１０を示す。このケーブルはコア１２と、このコアのまわりに螺旋に巻かれた一組の撚り対線１４と、外側シース部分１６とを含む。

コアは光透過性光ファイバー２０の束によって設けられた可撓性光学導管を有する。これら光ファイバーのまわりには内径が４．０６４ｃｍ（０.１６０インチ）で、外径が５．０８ｍｍ（０.２００インチ）の螺旋金属外装層２２が巻かれている。この外装層はケーブル軸線からの撚り対線の間隔を一様に保持するように、後に圧力が加えられても横断面を大幅に変えない円筒形状となるように働く。この走行層は薄いテープ２３の螺旋に巻かれた単一バンドによって絶縁されている。このテープは厚みが０．０５０８ｍｍ（０.００２インチ）であり、幅が３．１７５ｍｍ（０.１２５インチ）であり、４５％重なった状態で巻かれた低摩擦係数のフッ素ポリマーフィルムである。好ましい実施形態では、光導管は２０５０本のファイバーによって形成されており、各ファイバーの各々は０.６６の開口数と７０ミクロンの直径を有し、３.５ｍｍの全体の直径に対し、８０％のファイバー実装密度を有する。

撚り対線１４の各々は２本の螺旋に撚られたワイヤーを含み、これらワイヤーは互いに絶縁され、後述するように、相似形の対のシース内に収納されている。９つの撚り対が設けられているが、特定用途の要求条件によっては限定することなくこの数を変えてもよい。各撚り対シースは０．７６２ｃｍ（０.０３０インチ）の直径を有し、この直径で各シースはその全長にわたってコアの表面に当接でき、かつ隣接する各対シースにも当接できるようになっている。これにより各対はコア導線から、かつ隣接する対から、同じ制御された距離に維持できるようになっている。

好ましい実施形態では、撚り対線はコアのまわりに螺旋に巻かれている。巻き角度を付けた結果、各対は３．８７ｃｍ（２.０インチ）のケーブル長さにわたってコアを完全に一巻きできる。この巻き角度は対シースの直径およびコアシースの直径のばらつきに適合できるように若干変わってもよい。これら対が互いに当接し、かつコアとも当接するようなサイズとなっている場合、対の直径が公称値よりも若干変化するか、またはコアの直径が公称値よりも若干変化すると、少なくとも１つの対がコアとの当接から外れるように移動することになる。しかしながら、意図的に対を若干小さいサイズ（および／またはコアを大きいサイズ）にすることにより、この問題を防止できる。この場合、対をコアに対して平行にした場合に生じる対の間の予測されるギャップは、対を螺旋に巻くことによって防止できる。巻き角度の度は実際には対およびコアの幾何学的形状によって決定され、対の直径が小さくなるほど、巻き角度は大きくなる（かつ１つの対の完全な螺旋の１回転に対する長さは短くなる）。

撚り対線には薄いテープ２６の単一バンドが螺旋状に巻かれており、このテープは中間製造段階の間、およびケーブルの全寿命にわたって撚り対線をコアに対して保持するようになっている。このテープは撚り対線をコアに対して押圧し、かつケーブルが使用中に屈曲した際にギャップが生じるのを防止するように若干張力が加えられている。このテープは０．１０１６（０.００４インチ）の厚みを有する低摩擦係数のフッ素ポリマー膜である。テープの幅が１２．７ｍｍ（０.５インチ）であり、撚り対線およびコア束の外径が６．３５ｍｍ（０.２５インチ）である場合、テープは２．５４ｃｍ（１インチ）当たり約３回転巻かれ、この場合、巻かれた部分は互いに３０％重なる。

束のまわりには導電性シールド３２が密に巻かれている。このシールドは３８ＡＷＧ銅線の編組ラップであり、少なくとも９０％の特定のカバー率を有する。スペーサシースの寸法が制御されているので、シールドは各線の対から同じ距離だけ離間している。

シールドを外側シース３４が０．７６２ｍｍ（０.０３０インチ）の肉厚で密に囲んでおり、このシースはシールドを破損から保護している。この外側シースは可撓性ポリウレタンから形成されており、シールドのまわりに同時押し出し成形することが好ましい。こうして仕上げられたケーブルは９．９０６ｍｍ（０.３９インチ）の外径を有する。

図２は単一の撚り対線１４を詳細に示す。この撚り対線の各ワイヤーは３２ＡＷＧ銅製の導線４０を有し、この導線は０．７６２ｍｍ（０.００３インチ）の肉厚のフッ素ポリマー材料製の絶縁シース４２によって囲まれている。シースに囲まれた各ワイヤは３．８１ｃｍ（０.０１５インチ）の外径を有する。これらワイヤは２．５４ｃｍ（一インチ）当たり完全に３回転する撚り率で螺旋に巻かれている。一部の用途では、隣接する対の間の望ましくない干渉を防止するために、これら撚り率を異なる率で処理してもよい。例えば隣接する対が相互作用しないように、２つの異なる値の間でこの撚り率を変えてもよい。ワイヤは軸線上の全長に沿って互いに接触している。好ましい実施形態では、これらワイヤはポリマー材料製のカバー４４内に収納されている。このカバーは外径が１．１４３ｃｍ（０.０４５インチ）、すなわち対の直径の１倍〜１／２倍となるようにワイヤのまわりに同時押し出し成形される。

好ましい実施形態に記載され、図示されるように、このケーブルは１つの対当たり１００〜６５５Ｍビット／秒のデータレートを可能にすることが判った。この値は４５．７２〜３０４．８ｃｍ（１８〜１２０インチ）の長さを有するケーブルで得られたものである。（例えば計算装置または電子器具に接続された入力デバイスまたはトランスジューサ用の）接続された部品を快適に移動しなければならないような用途での可撓性を保証するのに、極めて細いワイヤが必要とされるが、他の目的でより長いケーブル長さが必要とされれば、より太い導線が必要となると考えられる。これらワイヤーは好ましい実施形態で開示し、実施した原理を使用できるが、繰り返される可撓性が必要とされるような場合、これらワイヤはあまり適していない。

図３に示されるように、コアのまわりに巻かれるワイヤの一部は撚り対線でなくてもよい。図示されている実施形態では、電力およびその他の大電流用の中実コアを有する線が６本設けられているが、撚り対線は低電圧差分信号を伝送するようになっている。別の実施形態では、すべての線が撚り対線でもよいし、また異なる数または比率の撚り対線を使用してもよい。

このケーブル１０は図４に示されるように撮像システム５０内で使用される。この撮像システムは測定器具５２と、ケーブル１０と、カメラ５４とを含む。このケーブルは測定器具に接続された第１端部５６と、カメラに接続された第２端部６０とを有する。

測定器具はコネクタ６４を備えたハウジング６２を有する。ハウジング内部にてコネクタ６４から集光レンズ７２を介して光源、例えば光電球７０へ光ファイバー導管６６が延びており、レンズ７２が光源と導管とを結合している。コネクタからハウジング内の電子回路要素７６に一組の電気ワイヤ７４が延びている。回路には電子的に電子ディスプレイスクリーン８０が接続されており、この回路は電子的にコード化された動く画像の情報をケーブルを介して受信するように働き、この情報をデコードしてスクリーンにディスプレイするようになっている。

測定器具のコネクタは、ハウジング内の光導管６６とケーブルの光ケーブルカバー２０とを結合するようになっているインターフェースを含む。同様に、コネクタは配線７４とケーブルのワイヤとを接続するための構成部品を含む。別の実施形態では、ケーブルはハウジングに永続的に取り付けることができるので、コネクタは不要であり、光ファイバーは完全に光源まで延び、ケーブルワイヤが直接回路に接続されるようになっている。

カメラ５４はチャンバ８４を構成するハウジング８２を有するコンパクトなデバイスであり、チャンバ８４内に電荷結合デバイス（ＣＣＤ）８６が収納されている。別の実施形態では、トランスジューサの表面に形成された画像を再生できるようにデコードできる電子信号を発生するのに適したものであれば、どんな電子画像トランスジューサも使用できる。ＣＣＤの撮像表面に被写体９２の画像を形成するように、ＣＣＤの撮像表面に対して軸線上にハウジング内のレンズ９０が位置決めされている。ＣＣＤにはケーブルのワイヤ１４が接続されており、ディスプレイ８０上に対応する電子画像９２’がディスプレイされるようになっている。

被写体の照明は、光ファイバーカバーを透過する光によって行われる。この光ファイバー束２０の端部は撮像レンズ９０に隣接しているので、透過した光はレンズの光軸方向に進む。別の実施形態では、撮像レンズのまわりに同軸状にファイバーの端部が分散していてもよい。作動に際し、カメラは測定器具から離間し、被写体に隣接する。医療用の場合、カメラを患者の内部に挿入してもよい。このカメラを外科用器具、例えば内視鏡と共に取り付けてもよい。

例えば図５は、外科医１００がカメラ５４を手術を行う患者内の切開部１０２へ挿入している撮像システム５０を示す。ベースユニット５２内の光源はケーブル１０内の光ファイバーを通ってカメラへ送られる。光は患者の内部の空間を照明するので、患者の内部の組織から反射された光はＣＣＤ上に画像を発生する。この画像は電子信号へ変換され、この電子信号は次に低電圧差分信号（ＬＶＤＳ）伝送を使用し、高速撚り対線を介してベースユニットへ戻され、このベースユニットで信号は画像へ変換され、画像は手術中リアルタイムで外科医が観察できるようにディスプレイされる。簡潔にするために、測定器具と一体的なディスプレイユニットと共に示されているが、多くの用途では別の位置において外科医の視界内に別個のディスプレイを設けてもよいし、測定器具を手術中に直接見ることができるように配置してもよい。

図６は、別の超音波医療システム１２０を示す。超音波ベースユニット１２２は可撓性ケーブル１２６によって接続された超音波トランスジューサユニット１２４を有する。このケーブル１２６は図１〜５のケーブル１０に相当するが、超音波撮像技術では照明が不要であるので、光ファイバー導管を使用していない点が異なっている。撚り対導線よりもサイズが大きい中心コア導線を代わりに使用し、トランスジューサへ電力を供給するのに使用してもよい。この場合、ケーブル１０と同じように、撚り対線がコアを囲んでいてもよい。

医師または医療従事者１３０がトランスジューサを患者１３２の外側に接触させ、次にトランスジューサにより患者の組織内へ超音波エネルギーを発射すると、患者の組織は組織の性質および位置を示すパターンで超音波エネルギーを反射し戻す。このエネルギーパターンは広バンド幅電子信号へ変換され、この信号は低電圧差分信号（ＬＶＤＳ）伝送を使用する高速撚り対線を介してベースユニットへ戻される。次にこの信号は見ることができるようにベースユニット上のディスプレイスクリーン１３４にリアルタイムの動く画像としてディスプレイできるように再変換される。

好ましい実施形態および別の実施形態に関連して本発明について説明したが、この発明はこれら実施形態だけに限定されるものではない。例えばフレキシブルに接続されたトランスジューサからの信号をＬＶＤＳ伝送するために撚り対線を医療用に使用することを、内視鏡治療および超音波撮像だけに限定する必要はない。ディスプレイユニットから離間したサブジェクトの画像を撮らなければならない医療用途ではかかる機能を利用できる。このシステムは、歯科、従来の外科、ロボット手術、最小侵襲的手術、（関節鏡および腹腔鏡法）、内部診断、眼科クローズアップの高解像度の視覚的検査および医療用分析が必要とされ、ケーブルのフレキシビリティが必要な他の分野で使用される外部撮像カメラを含むことができる。

本発明の好ましい実施形態に係わるケーブルアセンブリの切り欠き斜視図である。 本発明の好ましい実施形態に係わるケーブルアセンブリ部品の切り欠き斜視図である。 本発明の好ましい実施形態に係わるケーブルアセンブリの端部の断面図である。 本発明の好ましい実施形態に係わるケーブルアセンブリを使用した撮像システムの切り欠き斜視図である。 本発明の好ましい実施形態に係わる撮像システムの図である。 本発明の別の実施形態に係わる撮像システムの図である。

符号の説明

１０ ケーブルアセンブリ
１２ コア
１４ 撚り対線
１６ シース部分
２０ 光ファイバー
２２ 走行層
２３ テープ
５０ 撮像システム
５２ 測定器具
５４ カメラ
５６ 第１端部
６０ 第２端部
６２ ハウジング
６４ コネクタ
６６ 光ファイバー導管
７０ バルブ
７２ レンズ
７４ 電気ワイヤ
７６ 回路要素
８０ ディスプレイスクリーン
８２ ハウジング
８４ チャンバ
８６ ＣＣＤ
９０ レンズ
９２ 被写体
１００ 外科医
１２０ 超音波医療システム
１２２ ベースユニット
１２４ トランスジューサユニット
１２６ ケーブル
１３０ 医師
１３２ 患者

Claims (20)

1. 電子ディスプレイを含むベースユニットと、
   可撓性ケーブルを介して前記ディスプレイユニットに接続されたリモート撮像トランスジューサとを備え、
   前記ケーブルが複数の信号伝送ラインを含み、
   各信号伝送ラインが撚り対導線を含み、各導線が第１端部で前記トランスジューサに接続されており、第２端部で前記ベースユニットに接続されている、医療用撮像システム。
2. 前記ケーブルが一端にて照明器に接続された光透過要素を含み、前記トランスジューサによって撮像される対象へ光を透過するようになっている、請求項１記載のシステム。
3. 前記光透過要素のまわりに撚り対の各々が巻かれている、請求項２記載のシステム。
4. 前記トランスジューサが感光性電子デバイスである、請求項１記載のシステム。
5. 前記感光性電子デバイスがＣＣＤである、請求項４記載のシステム。
6. 前記トランスジューサが超音波素子である、請求項１記載のシステム。
7. 各撚り対の導線が共通するワイヤゲージの大きさとなっており、各々が互いに螺旋に巻かれている、請求項１記載のシステム。
8. コアによって構成される軸線から撚り対が均一に離間している、請求項１記載のシステム。
9. 電子ディスプレイを含むベースユニットと、
   可撓性ケーブルを介して前記ディスプレイユニットに接続されたリモート撮像トランスジューサとを備え、
   前記ケーブルが複数の信号伝送ラインを含み、
   各信号伝送ラインが低電圧差分信号伝送するよう結合された一対の導線を含む、医療用撮像システム。
10. 前記ケーブルが一端にて照明器に接続された光透過要素を含み、前記トランスジューサによって撮像される対象へ光を透過するようになっている、請求項９記載のシステム。
11. 前記光透過要素のまわりに撚り対の各々が巻かれている、請求項１０記載のシステム。
12. 前記トランスジューサが感光性電子デバイスである、請求項９記載のシステム。
13. 前記トランスジューサが超音波素子である、請求項９記載のシステム。
14. 各撚り対の導線が共通するワイヤゲージの大きさとなっており、各々が互いに螺旋に巻かれている、請求項９記載のシステム。
15. コアによって構成される軸線から撚り対が均一に離間している、請求項９記載のシステム。
16. トランスジューサを患者に隣接するように位置決めする工程と、
    画像を表示するための電気信号をトランスジューサに発生する工程と、
    低電圧差分信号伝送を使って複数の対の導線を介し、別個の信号を伝送することを含む、ベースユニットに接続された可撓性ユニットを介して信号を伝送する工程と、
    前記ベースユニットにおいて前記信号の基づき画像をディスプレイする工程とを備えた、医療撮像方法。
17. 信号を伝送する前記工程がワイヤの撚り対を介して信号を伝送することを含む、請求項１６記載の方法。
18. ケーブル内の光導管を介し、トランスジューサによって撮像される患者の患部を照明することを含む、請求項１６記載の方法。
19. トランスジューサ内で電気信号を発生する工程が、感光性電子デバイスに画像を形成することを含む、請求項１６記載の方法。
20. トランスジューサ内で電気信号を発生する工程が、発射された超音波エネルギーを受信することを含む、請求項１６記載の方法。

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