JP6114299B2 - 医療装置用ケーブル - Google Patents

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Description

本発明は、2つの装置間−具体的にはカテーテル又はガイドワイヤによって接続される装置間−で通信信号をやり取りするための電気ケーブル集合体及び方法、並びに、当該ケーブル集合体を有する医療システムに関する。
特許文献1は、ガイドワイヤ用ケーブル集合体について開示している。前記ガイドワイヤのコア金属ワイヤが、センサ信号を伝送するときに能動的に利用される。
しかも特許文献2は、医療装置−たとえばエンドスコープ又はカテーテル−内で用いることのできる超微細遮蔽ケーブルを開示している。一の実施例では、ケーブルは、2つの外部導体間で挟まれた2つのコーティングされたワイヤを有する。しかも伝導性ワイヤ細片は、外部導体と電気的に接続して前記ワイヤの周りに巻き付けられている。外部導体と伝導性ワイヤ細片は、ケーブル端子をグランド電位に接続するのに用いられて良い。
国際公開第2011/092202A1号パンフレット 米国特許出願公開第2011/220389A1号明細書
本発明の目的は、2つの装置間−具体的には電気ワイヤ用に利用できる空間がわずかしかないカテーテル又はガイドワイヤによって接続される装置間−での通信を改善することを可能にする手段を供することである。
上記目的は、請求項1に記載の電気ケーブル集合体、請求項2に記載の方法、及び請求項15に記載の医療システムによって実現される。好適実施例は従属請求項に開示されている。
第1態様によると、本発明は、2つの装置間−たとえばセンサとデータ処理ユニット間−で通信信号をやり取りするための電気ケーブル集合体に関する。通信信号の「やり取り」は、一方向通信と双方向通信の両方を含むことに留意して欲しい。当該電気ケーブル集合体は以下の部品を有する。
a) 複数のワイヤ−つまり電気伝導性（典型的には金属）ライン−からなる少なくとも1つの対。これらのワイヤには反対符号の電圧が供給されることが意図されているので、これらのワイヤは以降では、参照目的で「差動ワイヤ」と呼ばれる。しかも2つの差動ワイヤは、該2つの差動ワイヤ間での「電圧中性面」を定める。前記電圧中性面とは定義により、前記差動ワイヤに反対符号の電圧が供給されるときに電圧が（近似的に）ゼロになる面である（周囲には電位が存在しないか、又は存在するとしても無視できる程度であると仮定する）。たとえば2つの同一な差動ワイヤが鏡面対称に配置される場合、前記電圧中性面は前記対称面と一致する。
b) 前記電圧中性面に対して対称性を有する配置を有する複数のワイヤからなる少なくとも1つの組。前記複数のワイヤからなる少なくとも1つの組の意図した動作モードを参照する際、この組のワイヤは以降では、参照目的で「シングルエンドワイヤ」と呼ばれる。前記組は、前記シングルエンドワイヤを1つ又は（好適には）2つ以上含んで良い。
本明細書において、「複数のワイヤからなる組の対称性を有する配置」とは、各ワイヤの特徴的な位置−たとえばワイヤの中心線−が幾何学的に対称性を有するように配置されるという意味に解されるべきである。しかし一般的には、すべてのワイヤ自体が幾何学的に対称性を有する物体である必要はない（たとえば各異なる断面を有しても良い）。とはいえすべてのワイヤ自体が幾何学的に対称性を有する物体であることは好ましい。
「電圧」とは、2つの異なる地点間での電位差として定義されることにさらに留意して欲しい。従って電圧に関する文言（たとえばワイヤに印加される、又は、前記電圧中性面内で）は、前記電圧が（共通の）参照電位に対して決定されることを暗黙の前提としている。前記（共通の）参照電位は一般的には「グランド」と呼ばれ、定義により電圧を有しない。
しかも前記「電圧中性面」（の幾何学的位置）は、2つの差動ワイヤ（それ以外の部品は存在しない）にのみ電圧−具体的には符号が反対の電圧−が供給されるという理論的状態に関して定められる。一旦定められると、たとえ他の電圧が前記2つの差動ワイヤへ供給されるとしても、及び/又は、電圧が他の部品（たとえば前記シングルエンドワイヤ）に印加されるとしても、前記電圧中性面は同一であろうとする。とはいえ前記電圧中性面内での実際の電圧は、一般的にはゼロではなくなる。
当該ケーブル集合体は一般的にさらなる部品を有して良い。前記さらなる部品とはたとえば、外側絶縁部又は筐体、前記ワイヤ同士を互いに分離する絶縁部等である。しかも前記（各異なる及びシングルエンド）ワイヤは一般的に、当該ケーブル集合体の軸に沿って互いに平行に延びる。
第2態様によると、本発明は、電気ケーブル集合体を介して2つの装置間で通信信号をやり取りする方法に関する。当該方法は以下の段階を有する。前記段階は、列挙された順序に実行されても良いし、又は、他の適切な順序で実行されても良い。
a) （典型的には高周波/HFの）反対符号を有する信号電圧を2つの「差動ワイヤ」へ供給する段階。上述したように、前記2つの差動ワイヤは、該2つの差動ワイヤ間の電圧中性面を、前記2つの差動ワイヤのみに反対符号を有する電圧が供給されるときに電圧が略ゼロになる面と定める。
b) 前記電圧中性面に対して対称性を有する配置を有する「シングルエンドワイヤの組」に他の信号電圧を供給する段階。
当該電気ケーブル集合体及び方法は、同一の発明の思想−つまり電圧中性面に対する対称性を有するワイヤの配置−の異なる表現である。従ってこれらの表現のうちの一の表現に与えられる説明及び定義は他の表現にも有効である。
上で定義された当該電気ケーブル集合体及び方法は、たとえ前記ケーブル集合体内部のワイヤが互いに近接して配置されなければならない場合でも、2つの装置間で安定した通信を可能にするという利点を有する。この理由は、高速信号が差動動作において伝送可能となるように差動ワイヤが供され、かつ、さらなるシングルエンドワイヤが、シングルエンド信号を介した低速通信用に供されるからである。高速差動信号によって引き起こされる電磁妨害は、隣接するシングルエンドワイヤに影響を及ぼす恐れがある。しかし前記高速信号の電圧中性面に対して対称性を有する配置のため、これらの妨害は全体として、前記シングルエンドワイヤ内において互いに補償する。
本発明はさらに、上述の電気ケーブル集合体によって接続されることで、上述の方法による通信信号のやり取りが可能となる第1装置と第2装置を有する医療システムに関する。当該医療システムは特に、当該ケーブル集合体が統合されるカテーテル又はガイドワイヤを有して良い。このことは、カテーテル又はガイドワイヤの先端部でのセンサ又はアクチュエータと通信する要求が高まっている一方で、ワイヤが利用可能な空間が厳しく制限されているため、特に有利である。
以降では、上述の電気ケーブル集合体、方法、及び医療システムと併用して実現され得る本発明の様々な好適実施例が開示される。
一の好適実施例によると、DC共通モード電圧が前記差動ワイヤへ供給され、さらに上述の反対符号を有する信号電圧が供給される。前記反対符号を有する信号電圧がたとえば(+V1)と(-V1)で、かつ、前記DC共通モード電圧が(V0)である場合、一の差動ワイヤへの実効電圧は(V0+V1)となり、他の差動ワイヤへの実効電圧は(V0-V1)となる。その結果として前記電圧中性面内内での電圧はこの場合、周辺の他の部品には電圧が印加されないとすると、(V0)に等しい。複数の細動ワイヤからなる対が2つ以上存在する場合、各対には独立に、他の共通モード電圧が供給されて良い。さらに前記共通モード電圧は任意で、低周波信号（たとえば約5MHzよりも低い周波数を有する信号）であって良い。このようにしてたとえば制御用の別な信号が、前記差動ワイヤからなる対に多重送信されてよい。
前記シングルエンドワイヤは、前記電圧中性面に対して対称性を有する配置を有する。これは、前記電圧中性面自体の中に存在する1つ以上のシングルエンドワイヤを有して良い（だから前記電圧中性面は前記1つ以上のシングルエンドワイヤに対して対称性を有する）。好適実施例によると、前記電圧中性面の外側で延びる第1シングルエンドワイヤ、及び、前記第1シングルエンドワイヤに対して鏡面対称な位置で前記電圧中性面の反対側に設けられる第2シングルエンドワイヤを有する複数のシングルエンドワイヤからなる少なくとも1つの対が存在する。前記対の2つのシングルエンドワイヤは、単一の電圧信号を運ぶのに共通に用いられて良い（つまり同一の電圧が、当該ケーブル集合体の入力端部にて両方のワイヤに印加される）。これは好ましい。なぜなら前記2つのシングルエンドワイヤが特別な対称性を有する配置をとるために、前記差動ワイヤ上の差動信号により起こりうる妨害は、互いに補償するからである。
前記複数の差動ワイヤからなる少なくとも1つの対、前記複数のシングルエンドワイヤからなる少なくとも1つの対、及び/又は、前記対若しくは組の1つ以上のワイヤはそれぞれ、任意で電気シールドによって取り囲まれて良い。これは、様々なワイヤ間でのクロストークを減少させるのを助ける。
本発明の他の好適実施例によると、当該ケーブル集合体は、当該ケーブル集合体に機械的安定性を供する「コアワイヤ」を有する。前記コアワイヤは典型的には金属ワイヤ−たとえばステンレス鋼で作られる−であって良い。とはいえ他の電気伝導性又は非伝導性材料も可能である。その名前が示すとおり、「コアワイヤ」は、当該ケーブル集合体内部の中心位置に設けられることが好ましい。
前記コアワイヤは、前記差動ワイヤからなる対によって定められる前記電圧中性面内に配置されることが好ましい。よって前記コアワイヤ内での電磁妨害は抑制されうる（前記コアワイヤが伝導性である場合）。
前記コアワイヤは任意で、当該ケーブル集合体の少なくとも1つの他のワイヤ、及び/又は、当該ケーブル集合体のシールドと電気的に接続されて良い。前記コアワイヤが電気伝導性である場合、前記コアワイヤは、その機械的機能に加えて、電気的機能−たとえば共通参照電圧（「グランド」）を伝える−をも満たすことができる。
他の実施例では、前記コアワイヤは、非環状断面を有して良い（断面は定義により、当該ケーブル集合体の軸に垂直な面内に存在する）。前記断面とはたとえば多角形であって良い。非環状断面は、明確な位置で当該ケーブル集合体の他の部品を配置及び固定するのを助けるという利点を有する。
当該ケーブル集合体は任意で、複数の（差動）信号の伝送を可能にする複数の差動ワイヤからなる2つ以上の対を有して良い。この場合、複数の差動ワイヤからなる各対に係る前記電圧中性面は重なる（つまり複数の差動ワイヤからなるすべての対が同一の電圧中性面を有する）ことが好ましい。
前記複数の差動ワイヤからなる2つ以上の対は、互いに最大距離とるように配置されることが好ましい。前記最大距離とは当然のこととして、当該ケーブル集合体の所与のサイズによって制限される。複数の細動ワイヤからなる対を互いに可能な限り遠ざけるように配置することは、相互のクロストークが抑制されるという利点を有する。
複数の差動ワイヤからなる2つ以上の対が供されるとき、前記コアワイヤは前記2つ以上の対間に配置されることで、クロストークに対するさらなる遮蔽を供することが好ましい。
好適実施例によると、当該ケーブル集合体は、前記複数の差動ワイヤからなる対によって定められる前記電圧中性面に対して幾何学的な対称性を有する。このことは、当該ケーブル集合体のすべての部品（差動ワイヤ、シングルエンドワイヤ、シールド、絶縁材料等）の幾何学的形状及び配置が対称性を有することを意味する。従って前記幾何学的対称性は、前記ワイヤの断面だけではなくワイヤ中心の一般的配置も含む。それに加えて前記対称性はそれぞれの部品の材料をも含んで良い。よって、前記差動ワイヤから（及び前記差動ワイヤへの）電磁妨害の全体的な効果を抑制するのを助ける前記電圧中性面に対する最適バランスが実現されうる。
前記細動ワイヤへ供給される反対符号を有する電圧信号（たとえば(+V1)と(-V1)）及び/又は前記シングルエンドワイヤへ供給される他の信号電圧は一般的にはAC信号である（つまりV1の符号は反復的に変化する）。より詳細には、前記差動ワイヤ上での反対符号を有する電圧信号は、約20MHzよりも高い周波数を有する高速信号であることが好ましい。前記シングルエンドワイヤ上での他の信号電圧は、約5MHzよりも低い周波数を有する低速信号であることが好ましい。よってそれぞれの信号の最適範囲を利用することができる。
医療システム内でのケーブル集合体を利用している様子を概略的に示している。 従来の同軸ケーブル集合体の断面を示している。 複数のワイヤからなる非遮蔽のねじられた対の側面を示している。 本発明によるケーブル集合体を有するガイドワイヤの概略的断面を示している。 コアワイヤが非環状断面を有する本発明による他のケーブル集合体の断面を示している。 周波数5MHzの差動電流が差動ワイヤからなる上部対を通り抜けるように駆動されるときの本発明によるケーブル集合体についてのシミュレーションにより得られた、電場（左）、磁束（中央）、及び誘導電流密度（右）を表している。 周波数100MHzの差動電流が差動ワイヤからなる上部対を通り抜けるように駆動されるときの本発明によるケーブル集合体についてのシミュレーションにより得られた、電場（左）、磁束（中央）、及び誘導電流密度（右）を表している。 周波数5MHzのシングルエンド電流が差動ワイヤからなる上部対を通り抜けるように駆動されるときの本発明によるケーブル集合体についてのシミュレーションにより得られた、電場（左）、磁束（中央）、及び誘導電流密度（右）を表している。
本発明の上記及び他の態様は、以降で説明される実施例を参照することで明らかとなる。
図中の同様の番号又は100の桁の数の異なる数は、同一又は同様の部品を指称している。
最小侵襲ヘルスケア処置における診断と治療は、介入装置−たとえばカテーテル及びガイドワイヤ−の先端部に撮像装置と検知装置を統合させることによって改善することができる。しかしこれらの装置のサイズは非常に限られているので、要求される機能を統合することが重大な課題となっている。微少電気機械(MEMS)センサは、ASIC技術との統合が可能で、かつ、非常に小さな領域内での先端撮像及び/又は検知機能を可能にする。関連する傾向として、増大するデータ量が、装置の先端部から外部装置へ伝送される必要があることがある。
図1は、先端部での装置1（生体内）と外部装置2（生体外）との間での通信に−たとえばカテーテル又はガイドワイヤを貫通して延びる−ケーブル集合体100を利用する様子を概略的に示している。この相互接続は、効率的に信号を伝送しなくてはならない。このことは基本的に、シグナルインテグリティを維持しながら、先端部にほとんどハードウエアが存在しないことと、（小型化された）ワイヤの数が少ないことが要求されることを意味する。ワイヤを延ばすのに利用可能な空間が限られているので、ワイヤ数が少ないことは重要である。ガイドワイヤの内径の典型的なサイズは約260μmである。このこともまた、生体内機能についての領域を制限する。
従って標準的なガイドワイヤでの使用に最適化された高速電気ケーブル集合体が必要とされている。その集合体は典型的には、長さ2mで、かつ、直径が約250μmである。複数の周波数（たとえば10MHz-500MHz）が含まれるので、ケーブル特性は伝送線の効果によって決定される。ケーブル損失は、直径の小さいことと長さの長いことに起因して大きくなる配線抵抗によって支配される。同時に周波数依存損失は、高周波数での状態を悪化させる。
図2は、標準的な伝送線において用いられる標準的な同軸ケーブル集合体の断面を示している。典型的には、信号電流が伝導性コアを流れる一方で、戻り電流（他に電流は流れない！）は、絶縁体12によって隔離されるシールド13を介して流れる。同軸ケーブル集合体の最終層は、シールドと外部部品との間での電流路を防止する非伝導性シース14である。
シールドが十分に厚い場合、発生した電磁(EM)場は同軸ケーブル集合体10内部で捕獲され、かつ、ケーブル集合体外部にはEM場は発生しない。同軸の特性インピーダンスは、誘電媒質の誘電率（εr）並びにコア及び誘電媒質の寸法によって次式のように決定される。
Figure 0006114299
 ここでD1はコア11の寸法で、D2はシールド13の内径である。
コア11の直径D1及び使用されている材料の電気抵抗率（ρ）がコアの直列抵抗を決定する。直径D1が30μmの銅のコアの場合では、低周波数でのコアの抵抗Rは次式によって与えられる。
Figure 0006114299
 表皮効果のため、実効直列抵抗は高周波数で増大する。125MHzでは、直列抵抗は2倍になる。500MHzでは、直列抵抗はDCでの約4倍になる。
同軸ケーブル集合体10の信号減衰は、上述した特性インピーダンス(Z0)とコア損失(R)との比に関連づけられる。与えられた式は、同軸ケーブルを小型化する結果として、電気的性能が劣化することを示している。さらに同軸ケーブル集合体の電気的性能はシールド13の品質によって決定される。伝導性シールドの直列抵抗Rsは、信号の減衰を回避するため、ケーブルの特性インピーダンスよりもはるかに小さくなければならない(Rs<<Z0)。さらに同軸ケーブル集合体外部で電磁放射線を生じさせるシールドにわたる電圧降下が回避される。小型化されたケーブル集合体の場合では、直径D2は小さいので、シールドの厚さは相対的に厚くなければならない。経験的に、シールドは3δよりも厚くなければならない（周波数100MHzの銅であれば3δ=20μm）。ここでδは、電磁場を阻止する上で有効となる材料の表皮である。これは内部EM場にも外部EM場にも成り立つ。
図3は、絶縁体22,22’によって取り囲まれているワイヤ21,21’からなる非遮蔽（のねじれた）対20の側面を示している。典型的には、非遮蔽のねじれた対は、差動信号を伝送するのに用いられる。つまりワイヤ21と21’の両方が、極性が反対の同一の信号を伝送する。従って正味の共通モード電流はゼロで、グランド又は他の戻りノードへ正味の電流は流れない。
近接して位置合わせされたワイヤにわたって差動信号が用いられるので、ケーブル集合体20によって発生する全体的な電磁放射線(EMI)は相対的に低く、かつ、ケーブル集合体は、外部電磁放射線(EMS)に対してある程度の感受性を有する。ワイヤをねじることで、EMIとEMSの性能を顕著に改善することができる。
無限大の均一な誘電媒質内での2つの平行な伝導性ワイヤの対の特性インピーダンスは、誘電媒質の誘電率εr、伝導性ワイヤの半径r、及びワイヤ間の距離Dによって決定される。
Figure 0006114299
 ねじれた対の特性インピーダンスは一般的には同軸の特性インピーダンスよりも大きい。このことは小型化のときに利点となる。しかし式は、2つのコアワイヤ周辺の一定の誘電媒質を仮定していることを実現することが重要となる。ガイドワイヤ内部で用いられるとき、このことは当てはまらない。（ねじれた）対じゃ他の伝導性ワイヤによって取り囲まれる。さらにケーブル集合体は、空気（εr=1）、水（εr=80）、又は両者の混合体によって取り囲まれて良い。ケーブル集合体を取り囲むガイドワイヤは、伝導性材料（たとえばステンレス鋼）又は非伝導性材料で作られて良い。これらの依存性によって、ねじれた対は、環境に依存して各異なるインピーダンス特性を有する。この結果、非遮蔽ケーブル集合体は、ガイドワイヤ内における高周波信号の伝送に用いることが難しくなる。
上記背景の観点では、本発明の目的は、標準的なガイドワイヤでの使用が可能な高速電気ケーブル集合体を供することである。本願における具体的な問題は、ガイドワイヤ内部でワイヤを延ばすのに利用可能な空間が非常に限られていることである。ガイドワイヤの内径は典型的には約260μmであって良い。この領域の重要部分は既に、ガイドワイヤに機械的強度を与えるため、ガイドワイヤ内部に設けられる鋼鉄コアワイヤによって占められている。
本発明によって提案された解決法は、標準的なガイドワイヤで用いられ得る高速電気ケーブル集合体を有する。前記高速電気ケーブル集合体はステンレス鋼コアワイヤを統合することで、集合体の電気的機能に寄与する。さらにケーブル集合体は、高速差動信号ワイヤと低速シングルエンド信号ワイヤとを、両信号ワイヤの電磁クロストークが他の性能にほとんど影響を及ぼさないように組み合わせる。このことは、たとえワイヤが非常に小さな領域内に集められる場合でさえも、シグナルインテグリティが維持されうることを意味する。このようにして、ガイドワイヤ（又は小さなカテーテル）内で利用可能な限られた空間は最適な方法で利用される。
図4は、ガイドワイヤ5の管6の内部に設けられるときの提案されたケーブル集合体100の実施例の断面を示している。ガイドワイヤ管の外径Deはたとえば約350μmであって良い。その内径Diは約260μmであって良い。ケーブル集合体100の直径は、ケーブル集合体100を（標準的な）ガイドワイヤ管5内部に設けることができるような大きさである。
電気ケーブル集合体100は以下の部品を有する。
− 各々が絶縁体121（low-k誘電材料）内に埋め込まれ、かつ、電気伝導性シールド122−たとえば金メッキ−によって取り囲まれている「差動ワイヤ」(D1+)と(D1-)からなる大1対120。絶縁体121の誘電率は、差動ワイヤの特性インピーダンスを最大にする程度に低くなければならない。2つの差動ワイヤは、「電圧中性面」VNPを、両ワイヤ(D1+)と(D1-)に反対の極性を有するHF電圧が供給される場合に電圧がゼロとなる面として定める。差動ワイヤ(D1+)と(D1-)は、幾何学上も材料上も同一なので、電圧中性面VNPは、図示された場合での対称面に対応する。
− 第1対と同様に絶縁及び遮蔽される差動ワイヤ(D2+)と(D2-)からなる第2対。第2ワイヤ(D2+)と(D2-)は、それらの電圧中性面が前記電圧中性面VNPと一致するように配置される。
− 電圧中性面VNPに対して対称性を有するように設けられる「シングルエンドワイヤ」S11とS12からなる第1対140。
− 電圧中性面VNPに対して対称性を有するように設けられる「シングルエンドワイヤ」S21とS22からなる第2対。
− 電圧中性面VNPに対して対称性を有するように設けられる「シングルエンドワイヤ」S31とS32からなる第3対。
− 上記対の第1シングルエンドワイヤS11,S21,S31とそれらを取り囲むシールド172を埋め込む絶縁体171。このシールドは好ましいが、絶対に必要というわけではない。
− 上記対の第2シングルエンドワイヤS12,S22,S32とそれらを取り囲む任意のシールドを埋め込む絶縁体。
− ガイドワイヤの所望の機械的特性−たとえば均一な曲げ特性、軸スティフネス、及びトルク性−を援助するように環状断面を備える、好適には低透磁率の（ステンレス）鋼コアワイヤ110。
− 電流が集合体外部及び人体内部を流れるのを防止する絶縁性シースを供する充填材料101。
− 説明したケーブル集合体100の対称性が高いことは、曲げ挙動の均一性にとって有利であり、かつ、電磁特性にとっても有利である。
電圧中性面VNPの幾何学的位置は、両差動ワイヤ(D1+)と(D1-)に極性が反対の電圧が供給され、かつ他の部品が電圧に接続されてないる場合に電圧がゼロになる面として定められることに留意して欲しい。しかし共通モード信号（DC又はLF）は差動ワイヤに印加される。かつ/あるいはシングルエンド信号（DC又はLF）がシングルエンドワイヤ及び/又はコアワイヤに供される場合、この電位は、環境の電位だけではなく電圧中性面VPNの電位に影響を及ぼす恐れがある。一般的には、電圧中性面VPNでの電圧はもはやゼロではない（条件がもはや電圧中性面の定義の条件に対応しないのだから矛盾はない）。しかしワイヤ（差動ワイヤとシングルエンドワイヤ）の位置が対称性を有するため、ある位置(x,y)での電位の変化は、その位置と鏡面対称の関係にある位置(-x,y)での電位の変化と同一である。x=0は電圧中性面VPNの位置である。差動対のワイヤがある位置(-xwd,y)と(xwd,y)に設けられているので、この電位の変化は、差動信号に影響を及ぼさない。シングルエンドワイヤの対についても同様の結果となる。対称性のため、結合ワイヤは差動ワイヤでの信号に悩まされない（しかしシングルエンドワイヤは他のシングルエンドワイヤを妨害する恐れがある。それは、これらのワイヤでの信号をDC信号とLF信号に限定することが好ましいからである）。
コアワイヤ110は、集合体内で統合され、かつ、3つの機能を有する。3つの機能とは、コアワイヤ110がガイドワイヤに要求される機械的特性を与えること、コアワイヤ110がシールドを電気的に接続させること、及び、コアワイヤ110が信号ワイヤの正確な位置合わせを単純化することである。特に鋼鉄コア接続は、共通の参照（たとえばグランドGND）電位としての役割を果たす。
上述したように、集合体には、高速差動信号の伝送に最適化される「高速差動ワイヤ」(D1+,D1-;D2+,D2-)からなる2つの対、及び、対中で用いられ、かつ、シングルエンド信号を用いる多数の「低速シングルエンドワイヤ」(S11,S12;S21,S22;S31,S32)が備えられる。
2つの高速差動ワイヤ対120,130は、クロストークを抑制するように、互いに最大距離で平行に設けられる。低周波信号ワイヤ(S11,S12;S21,S22;S31,S32)とコアワイヤ110は、高速差動ワイヤ対の間に物理的に設けられ、かつ、高周波信号のEM場の遮蔽に寄与する。
低周波ワイヤ(S11,S12;S21,S22;S31,S32)が遮蔽に寄与することで、渦電流が低周波信号ワイヤ内に誘起される。大きさが同一だが符号が反対のEM電流を誘起する2つの低速信号ワイヤを結合することによって（たとえばS11とS12；S21とS22；S31とS32）、対をなすワイヤ内でのEMエネルギーはゼロに近づく。このことは、（対をなす）信号ワイヤに接続する外部回路がEM干渉をほとんど受けないことで、シグナルインテグリティを維持することを意味する。
鋼鉄コア内に導入される渦電流は、高速信号ワイヤと低速信号ワイヤに対する鋼鉄の位置ゆえに、自動的に正味の値がゼロになる。
EMエネルギーを打ち消すことで、他の機能も示す。対をなす低周波信号ワイヤ(S11,S12;S21,S22;S31,S32)がEMエネルギーを発生させる場合、このエネルギーは共通モードの干渉しか起こさないので、これは差動ワイヤ(D1+,D1-;D2+,D2-)内の差動高周波信号の品質にほとんど影響を及ぼさない。
高周波差動ワイヤ(D1+,D1-;D2+,D2-)には、高い伝導性を示す同軸状シールド122が備えられる。低速シングルエンドワイヤ(S11,S12;S21,S22;S31,S32)は、群でまとめられ、かつ、同様にシールド172が与えられる場合がある。説明してきたようにEMエネルギーが打ち消されるので、すべての伝導性シールド122,172を一の信号ノード−たとえばコアワイヤ110−に接続することが可能である。これにより、ケーブル集合体によって使われる領域が抑制される。
ガイドワイヤ又はカテーテルの先端部での生体内機能は典型的には、1つ以上のASIC内に集められる駆動電子機器及び/又は読み出し電子機器と統合されるセンサとアクチュエータを主として有する。領域が限られているため、拡張的な供給デカップリングを行うのに利用可能な空間がほとんど存在しない。従って、供給及びグランドでの信号依存電流を回避することで、局所的な供給の高周波妨害を回避する差動回路の幾何学設計を選択することが魅力的である。
使用された信号の周波数に関連した生体内機能及び生体外機能との間の機械的な距離に起因して、ケーブル特性は伝送線の効果によって決定される。要求される差動挙動を保証するためには、対の両信号ワイヤが、同一の環境ひいては同一の特性インピーダンスを「見ている」ことが重要である。さらに両信号ワイヤが起こりうる電磁妨害に同じように悩まされることが重要である。このことは、ケーブル集合体内における強い対称性が要求されることを意味する。これはたとえば、ケーブル集合体100の記載された実施例によって与えられる。
図4のケーブル集合体の実施例では、コアワイヤ110の形状は環状である。図5は、鋼鉄製コアワイヤ210が、信号ワイヤの位置合わせを容易にするように事前に準備された形状（ここでは多角形）を与えたケーブル集合体200の第2実施例の断面を示している。事前に準備された形状はたとえば、ロール仕上げ又は研磨によって実現されて良い。ケーブル集合体200の他の差異は、差動ワイヤの各対220,230内の2つのワイヤが共通のシールド222によって取り囲まれることである。
説明されたケーブル集合体100,200は、差動信号を用いた2つの高速信号の伝送を可能にする。標準的な同軸ケーブルと比較すると、集合体は、生体内装置と生体外装置と接続するコアワイヤを通り抜ける薄いシールドを用いる。前記コアワイヤも前記薄いシールドを通り抜ける。個々のシールドはコアワイヤに短絡されるので、個々のシールドを外部部品に接続する必要はなく、かつ、たとえば金又は銀メッキによってシールドを実現することが可能である。
高速対(120,130;220,230)からなる2つの差動対は、単一のシールド222（図5）内に設けられるか、又は、2つのシールド122（図4）内に与えられて良い。単一のシールドを用いることは、視野領域の点から有利となりうる。2つのワイヤ間の距離とワイヤとシールドとの間の距離が良好に制御されるので、ワイヤ間にシールドを用いることで、良好に明確な特性インピーダンスが与えられ得る。
シールドの厚さを選択することは、EM特性と領域との間での妥協である。100MHz以下の信号周波数で用いられる場合には、妥当な厚さは5-10μmであって良い（=1-2δ。δは銅の表皮厚さである）。この厚さは、信号ワイヤの明確な特性インピーダンスを与え、かつ、シールド外部でのEM放射線をある程度減少させる。差動信号を用いることで既に、正味のEM場も顕著に減少することに留意して欲しい。
本願では、非強磁性ステンレス鋼のコアワイヤ110,210が、電気的共通電圧ノード（たとえばグランド）へのがルバニー電気接続を有する。ステンレス鋼が相対的に高い電気抵抗率を有するが、短絡したシールドの伝導率は高いので、接続全体の抵抗は相対的に低い。さらに高速信号の差動挙動のため、コアワイヤを流れる正味の電流は低い。
ケーブル集合体100,200は、多数の低周波シングルエンドワイヤ(S11,S12;S21,S22;S31,S32)を統合して、低周波信号−たとえば電力供給又はバイアス電圧−を伝送する。図示された実施例では、3つのシングルエンド低周波信号対が存在する。これらのシングルエンドワイヤ(S11,S12;S21,S22;S31,S32)のコア直径は場合によっては、大きな（供給）電流の駆動が可能となるように直列抵抗を下げるようにある程度大きくなる。低周波特性のため、低周波シングルエンドワイヤ間の距離と絶縁媒質の特性は重要ではない。
図6-図8は、提案されたケーブル集合体100（図4）のシミュレーション結果を示している。
各図は、電場（左の図、表面プロット）、磁束（中央の図、等高線）、及び誘導電流密度（右の図、表面プロット）を示している。使用された構造の寸法は、直径252μmのケーブル集合体である。信号ワイヤもシールド層（厚さ6μm）も、銅で作られている仮定した。中心コアワイヤは非強磁性鋼で作られたと仮定した。シミュレーションは、無限長のケーブル集合体と図面に垂直な方向を流れる電流を仮定している。
図6に示された第1シミュレーションでは、上側の差動ワイヤ（図4のD1+,D1-）の対は、周波数5MHzの差動電流で駆動する。残りの構造へは外部電流は流れない。
図7に示された第2シミュレーションでは、上側の差動ワイヤ（図4のD1+,D1-）の対は、周波数100MHzの差動電流で駆動する。残りの構造へは外部電流は流れない。
図8に示された第3シミュレーションでは、電流が、低周波シングルエンドワイヤの対へ向かって流れる（ここでは図4のワイヤS11とS21の対140）。シミュレーションは周波数5MHzの信号について実行される。これは、シングルエンドワイヤで用いられる可能性のある最高周波数と考えられる。
シミュレーションでのケーブル集合体の電磁挙動は、電流が紙面に垂直な方向に（ケーブル軸に沿って）しか流れないと仮定することによって単純化される。
図6は、中程度の周波数の電磁場（EM場）が薄いシールドを介して進行しうる様子を示している。図6はまた誘導電流が低周波シングルエンドワイヤ内に発生することも示している。これは、これらのワイヤがEM遮蔽に寄与し、かつ、EM場が第2高速差動ワイヤ対に到達するのを防止していることを示唆している。
低周波シングルエンドワイヤが対で用いられる−1つの対は、電気的に中性の線VPNに対して軸対称に設けられる2つのワイヤによって生成される−ので、誘導電流は大きさが同一だが位相が反対である。このことは、対の接続へのEM妨害が抑制されることを意味する。位相が異なることで、誘導電流はケーブルの周りを流れ、ケーブルを離れないので、外部の部品や電流と干渉しない。
図6から、EM場がシールドへ侵入しているのがわかる。これは、これらの（相対的に低い）周波数では、特性インピーダンスが十分に定義されず、ケーブル集合体が用いられている環境（たとえば空気の代わりに水）と共に変化することを意味する。
最高信号周波数（たとえば図7に図示されているように100MHz）で用いられるとき、シールドはより有効になる。このことは、高速差動ワイヤ対の特性インピーダンスが、良好に定義され、環境の変化（たとえば水の使用に対する空気の使用）の影響を受けにくくなっていることを意味する。このことは、ケーブル集合体が蓋然的に高データ速度及び高信号周波数では最高に用いられることを意味する。
図8は、低周波シングルエンドワイヤ対を流れるシングルエンド信号電流を駆動させるシミュレーションの結果を示している（戻り電流はコアワイヤを介して流れる）。EM場は、薄いシールドを介して進行し、かつ、差動ワイヤ対へ到達することが可能である。しかし差動ワイヤ対に対するシングルエンドワイヤの位置のため、EMエネルギーは、ケーブル集合体の差動信号にほとんど影響しない共通モードエネルギーにしかならない。
高速差動ワイヤ対は、低〜中程度の周波数の外部EM場からの干渉に敏感なままであることに留意して欲しい。反平行の2つの高速差動対（図4の120,130）を用いることによって、干渉の重要部分は打ち消されうる。
まとめると、本発明は、ガイドワイヤでの使用に最適化された高速電気ケーブル集合体を与える。当該集合体は、要求される機械的特性を与える鋼鉄コアを統合する。提案された集合体では、このコアワイヤは複数の目的を果たす。機械的機能に続いて、前記コアワイヤは、当該ケーブル集合体の電気的機能にも寄与し、かつ、信号ワイヤの適切な位置合わせを支援する。さらに当該ケーブル集合体は、高速差動信号ワイヤと低周波シングルエンドワイヤとを、両信号ワイヤの電磁(EM)クロストークが他の性能にほとんど影響を及ぼさないように組み合わせる。このことは、シグナルインテグリティが維持されうることを意味する。本発明は、最小侵襲装置−たとえば超音波イメージング又はガイドワイヤからの体内センサ（流れ、圧力、温度）−との通信接続において特に有用である。

Claims (15)

  1. 2つの装置間で通信信号をやり取りするための高速電気ケーブルアセンブリであって：
    a) 「差動ワイヤ」の少なくとも1つの対であって、前記差動ワイヤ間の電圧中性面が、前記差動ワイヤにのみ反対符号の電圧が供給されるときに電圧が略ゼロになる面として定義される、「差動ワイヤ」の少なくとも1つの対；
    b) 前記電圧中性面に対して対称性を有する配置を有する「シングルエンドワイヤ」の少なくとも1つの組；
    c) 機械的安定性を供するコアワイヤ；
    を有する高速電気ケーブルアセンブリ。
  2. 高速電気ケーブルアセンブリを介して2つの装置間で通信信号をやり取りする方法であって：
    a) 反対符号を有する信号電圧を2つの「差動ワイヤ」へ供給する段階であって、前記2つの差動ワイヤは、前記2つの差動ワイヤ間の電圧中性面を、前記差動ワイヤのみに反対符号を有する電圧が供給されるときに電圧が略ゼロになる面と定める、段階；
    b) 前記電圧中性面に対して対称性を有する配置を有する「シングルエンドワイヤの組」に他の信号電圧を供給する段階；
    を有する方法。
  3. DC共通モード電圧がさらに前記差動ワイヤへ供給される、請求項2に記載の方法。
  4. 前記シングルエンドワイヤの組は、前記電圧中性面に対して対称性を有するように配置されるシングルエンドワイヤの対を有する、請求項1に記載の高速電気ケーブルアセンブリ。
  5. 前記差動ワイヤの対、前記シングルエンドワイヤの組、及び/又は、前記対若しくは組のワイヤは、電気シールドによって取り囲まれる、請求項1に記載の高速電気ケーブルアセンブリ。
  6. 前記ケーブルアセンブリは、機械的安定性を供するコアワイヤを有する、請求項2に記載の方法。
  7. 前記コアワイヤは、前記電圧中性面内に配置される、請求項1に記載の高速電気ケーブルアセンブリ。
  8. 前記コアワイヤは、前記ケーブルアセンブリの少なくとも1つの他のワイヤと、及び/又は、前記ケーブルアセンブリのシールドと電気的に接続される、
    請求項1に記載の高速電気ケーブルアセンブリ。
  9. 前記コアワイヤは、非環状断面を有する、請求項1に記載の高速電気ケーブルアセンブリ。
  10. 前記ケーブルアセンブリは、同一の電圧中性面を有する前記差動ワイヤの少なくとも2つの対を有する、請求項1に記載の高速電気ケーブルアセンブリ。
  11. 前記対は、互いに最大距離とるように配置される、請求項10に記載の高速電気ケーブルアセンブリ。
  12. 前記コアワイヤは、前記差動ワイヤの前記対の間に配置される、請求項10に記載の高速電気ケーブルアセンブリ。
  13. 前記ケーブルアセンブリは、前記電圧中性面に対して幾何学的な対称性を有する、請求項1に記載の高速電気ケーブルアセンブリ。
  14. 前記差動ワイヤに供給される反対符号を有する電圧信号及び/又は前記シングルエンドワイヤへ供給されるさらなる信号電圧が、それぞれ約20MHzよりも高い周波数又は約5MHzよりも低い周波数を有するAC信号である、請求項2に記載の方法。
  15. 請求項1に記載の高速電気ケーブルアセンブリによって接続される第1装置及び第2装置を有する、医療システム。
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