KR20040049836A - 고속 전자식 원격 의학용 이미지 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가요성 케이블을 통해 디스플레이 유닛에 연결된 원격 이미지 변환기 및 전자식 디스플레이를 포함하는 베이스 유닛을 구비한 의학용 이미지 시스템이다. 케이블은 다수의 신호 전송 라인을 포함하고, 그 각각은 디지털 차등 신호용으로 사용되는 비틀린 한 쌍의 전도체를 포함한다. 각각의 전도체는 제1 단부에서 변환기에, 제2 단부에서 베이스 유닛에 연결된다. 신호 전송 라인은 베이스 유닛에서 광원과 연통하는 광도관일 수 있는 코어 둘레에 감싸질 수 있다.

Description

고속 전자식 원격 의학용 이미지 시스템 및 방법 {HIGH SPEED ELECTRONIC REMOTE MEDICAL IMAGING SYSTEM AND METHOD}

본 명세서는 원격 이미지 시스템용 광 전송 코어를 둘러싸는 신호 전도체를 구비한 케이블이라는 제목으로 2001년 7월 26일 출원된 미국 특허 제09/916,728호의 부분 연속 출원이고, 이는 본 명세로에서 참고로 병합된다.

원격 이미지 시스템은 인간의 관찰 또는 종래 광학 이미지 도구로 보통 접근할 수 없는 물체를 보는데 사용된다. 단지 제한된 크기의 이미지 변환기가 보기용으로 위치되고, 신호는 보기용으로 먼 위치로 전송된다. 예를 들어, 외과의사는 진단 또는 수술을 위해 내부 인체를 보기 위해 광학 이미지 프로브를 사용한다. 이러한 시스템은 전하 결합 장치(CCD)에 의해 기록되는 이미지 신호를 외부 디스플레이 스크린에 전송하기 위해 소형의 다중 와이어 케이블 조립체를 필요로 한다. 다른 의학용 이미지 시스템은 다중 와이어 케이블을 통해 내부 이미지를 디스플레이용 기구에 전송하기 위해 환자와 외부에서 접촉하는 초음파 변화기를 사용한다.

외과용 및 다른 적용예를 위해, 케이블의 크기를 최소화하는 것이 바람직하다. 제한된 직경은 원하는 가요성을 용이하게 한다. 그러나, 상세한 실시간 이미지는 상당한 대역폭이 필요하여 주어진 주파수 용량의 많은 분리된 전도체를 필요로 한다. 상당히 많은 전도체가 요구되는 경우 바람직하지 않은 부피의 케이블을 방지하기 위해, 매우 미세한 전도체가 사용된다. 신호 고주파수에서 간섭 및 전기 노이즈를 제한하기 위해, 전도체가 일반적으로 차폐된다. 전형적인 접근법은 하나의 케이블에 다발로 묶인 미세한 동축 와이어를 채용하는 것이다. 각각의 와이어는 고주파수에서의 간섭에 대해 적절하게 보호하는 그 자신의 차폐부를 포함한다.

적절하지만, 다중 동축 조립체는 몇몇 단점을 갖고 있다. 미세한 동축 와이어의 제조 비용은 많은 적용예의 경우 허용할 수 있는 것보다 더 많이 든다. 매우 미세한 동축 와이어를 종료시키는 방법은 복잡하고 비싸다. 또한, 동축 와이어는 코어 전도체와 차폐부 사이에 주어진 이격공간에 대한 필요 때문에 원하지 않는 부피를 발생시킨다.

본 발명은 고속 다중 와이어 케이블을 구비한 의학용 이미지 시스템에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 케이블 조립체의 절단된 사시도이다.

도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 케이블 조립체 부품의 절단된 사시도이다.

도3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 케이블 조립체의 단면 단부도이다.

도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 케이블 조립체를 채용한 이미지 시스템의 절단된 사시도이다.

도5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 시스템의 도면이다.

도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 시스템의 도면이다.

본 발명은 가요성 케이블을 통해 디스플레이 유닛에 연결된 원격 이미지 변환기 및 전자식 디스플레이를 포함하는 베이스 유닛을 의학용 이미지 시스템에 제공함으로써 종래 기술의 한계를 극복한다. 케이블은 다수의 신호 전송 라인을 포함하고, 그 각각은 디지털 차등 신호(digital differential signaling)용으로 사용되는 비틀린 한 쌍의 전도체를 포함한다. 이러한 비틀린 쌍(twisted pair)은 차등 신호의 잘 알려진 장점, 즉, 공통 모드 간섭의 감소 및 신호 방사의 제거를 이용함으로써 차폐부없이 신호 원상태(signal integrity)를 유지한다. 차등 신호를 이용하는 디지털 시스템은 LVDS, SCI, 섬유 채널 및 파이어와이어(Firewire)를 포함한다. 각각의 전도체는 제1 단부에서 변환기에, 제2 단부에서 베이스 유닛에 연결된다. 신호 전송 라인은 베이스 유닛에서 광원과 연통하는 광도관일 수 있는 코어 주위에 감싸질 수 있다. 이러한 시스템은 광학 또는 초음파 이미지를 채용할 수 있다.

도1은 고주파수 신호 또는 고속 데이터 전송을 위한 가요성 케이블 조립체(10)를 도시한다. 케이블은 코어(12), 코어 주위에서 나선형으로 감싸진 한 세트의 비틀린 쌍의 와이어(14) 및 외부 외장부(16)를 포함한다.

코어는 한 다발의 광전송 광섬유(20)에 의해 제공되는 가요성 광도관을 구비한다. 섬유는 0.160의 내경 및 0.200의 외경을 구비한 나선형 금속 방호층(metal armor layor, 22)에 의해 감싸진다. 방호층은 케이블의 축으로부터 그 쌍들의 균일한 이격공간을 유지시키기 위해 나중 압력에서 단면이 상당히 벗어나지 않는 원통형상을 제공하도록 작용한다. 방호부는 얇은 테이프(23)의 나선형으로 감싸진 단일 밴드에 의해 절연된다. 테이프는 0.051mm(0.002인치)의 두께, 3.175mm(0.125인치)의 폭 및 45% 오버랩되어 감싸진 저마찰 플로오르폴리머 필름이다. 바람직한 실시예에서, 도관은 각각이 .66 개구수와 70미크론 직경을 갖고, 3.5mm의 전체 직경에 대해 80%의 섬유 충진 밀도를 구비한 2050섬유에 의해 제공된다.

비틀린 쌍의 와이어(14) 각각은 후술되듯이 등각 쌍 외장으로 싸여지고 서로 절연된 두 개의 나선형으로 비틀린 와이어를 포함한다. 아홉개의 비틀린 쌍이 제공되지만, 이러한 수는 특정 적용물의 필요에 따라 제한되지 않고 변할 수 있다. 각각의 비틀린 쌍 외장은 각각의 인접 쌍 외장을 접하고 그 전체 길이에 걸쳐 코어의 표면과 각각 접하도록 하는 0.762mm(0.030)인치의 직경을 갖는다. 이는 각각의 쌍이 코어 전도체 및 인접한 쌍들로부터 동일하게 제어된 거리에 유지되는 것을 보증한다.

바람직한 실시예에서, 그 쌍들은 코어 주위에서 나선형으로 감싼다. 감싼 각도는 각각의 쌍이 50.80mm(2.0인치)의 케이블 길이에 대해 코어 주위에서 하나의 완전한 감쌈(wraps)이 되도록 한다. 그 감싼 각도는 쌍 외장 직경 및 코어 외장 직경의 변화를 수용하도록 매우 미세한게 변할 수 있다. 만약 그 쌍들이 코어 및 서로 접하도록 크기가 정해지면, 공칭(nominal) 이하의 코어 직경 또는 공칭 이상의 쌍 직경의 미세한 변화는 적어도 하나의 쌍이 코어와의 접합부로부터 벗어나게 가해진다. 그러나, 그 쌍의 의도된 미세한 소형크기(및/또는 코어의 대형크기)는 이러한 문제를 방지한다. 이러한 경우, 쌍들이 코어에 평행할 때 발생되는 쌍들 사이의 예상되는 간극은 그들을 나선형으로 감쌈으로써 방지된다. 감싼 각도의 정도는 더 작은 쌍 직경에 대해 감싼 각도를 증가시켜서(및 쌍의 하나의 완전한 나선형 회전에 대한 길이를 감소시켜서) 쌍 및 코어의 형상(geometry)에 의해 효과적으로 결정된다.

비틀린 쌍은 케이블의 수명 내내 및 중간 제조 단계 동안 코어에 대해 쌍을 유지시키는 단일 밴드의 얇은 테이프(26)에 의해 나선형으로 감싸진다. 테이프는 케이블이 사용중 휘어지는 경우 간극을 방지하기 위해 및 코어에 대해 쌍을 편의시키기 위해 미세하게 응력이 가해진다. 테이프는 0.102mm(0.004인치)의 두께를 가진 저마찰 플루오르폴리머 필름이다. 12.70mm(0.5인치)의 테이프 폭, 7.366mm(0.290인치)의 코어 다발 및 쌍의 외경을 구비하여, 테이프는 랩(wraps) 사이에서 30% 오버랩되어 그 인치에 대략 3회 회전시켜 감싼다.

전도성 차폐부(32)는 다발 주위에서 밀접하게 감싼다. 차폐부는 적어도 90%의 특정화된 적용범위에서 38AWG 구리 와이어의 짜여진 랩(wrap)이다. 스페이서 외장의 제어된 치수로, 차폐부는 각각의 와이어 쌍으로부터 동일하게 이격된다.

외부 외장(34)은 0.762mm(0.030인치)의 벽 두께를 가진 차폐부를 밀접하게 둘러싸고 손상에 대해 보호부를 제공한다. 외부 외장은 가요성 폴리우레탄으로 형성되고 바람직하게는 차폐부 주위에서 동일하게 돌출된다. 마감된 케이블은9.906mm(0.390인치)의 외경을 갖는다.

도2는 단일 비틀린 쌍(14)을 상세히 도시한다. 그 쌍의 각각의 와이어는 0.076mm(0.003인치) 벽 두께 플루오르폴리머 재료의 절연 외장(42)에 의해 둘러싸인 32AWG 구리의 전도체(40)를 구비한다. 각각의 외장이 씌워진 와이어는 0.381mm(0.015인치)의 외경을 갖는다. 와이어는 인치당 3번 완전 회전의 비틀림 비율로 나선형으로 감긴다. 몇몇 적용예에서, 비틀림 비율은 인접한 상들 사이의 원하지 않은 간섭을 방지하기 위해 상이한 비율로 설계될 수 있다. 예를 들어, 비틀림 비율은 인접 쌍들이 상호 작용하지 않도록 두 개의 상이한 수치 사이에서 교체될 수 있다. 와이어는 축 상에 그 전체 길이를 따라 서로 접촉된다. 양호한 실시예에서, 와이어는 폴리머 재료의 커버(44)로 싸인다. 커버는 1.143mm(0.045인치)의 외경 또는 쌍 직경의 1 내지 1/2 배로 와이어 주위에서 동일하게 돌출된다.

양호한 실시예에서 설명되고 도시된 바와 같이, 케이블은 쌍 당 100 내지 655Mbits/sec의 데이터 속도를 가능하게 하는 것이 알려져 있다. 이는 45.72cm 내지 304.80cm(18 내지 120인치)의 길이를 가진 케이블의 경우이다. (전자 장치 또는 컴퓨터 장치에 연결된 변환기 또는 입력 장치용과 같이) 연결된 푸품이 안전하게 이동해야 하는 경우 채용된 매우 미세한 와이어가 적용예에 대한 가요성을 보증하는 것이 요구되지만, 다른 목적용으로 필요한 더 긴 케이블 길이는 더 긴 전도체를 필요로 한다고 여겨진다. 이것이 양호한 실시예로 설명되고 개시된 개념을 채용할 수 있지만, 반복적으로 가요성이 요구되는 경우 덜 적당하다.

도3에 도시된 바와 같이, 코어 주위를 감싸는 몇몇의 와이어는 비틀린 쌍일수 없다. 도시된 실시예에서는 전력용 솔리드 코어를 갖는 6개의 와이어가 있고, 다른 높은 전류를 필요로 하며, 상기 비틀린 쌍은 저전압 차등 신호를 전송하는 기능을 한다. 다른 실시예에서, 모든 와이어는 비틀린 쌍일 수 있거나 또는 상이한 개수 또는 상이한 비율의 비틀린 쌍이 사용될 수 있다.

케이블(10)은 도4에 도시된 바와 같이 이미지 시스템(50)에 채용된다. 상기 시스템은 기구(52), 케이블(10) 및 카메라(54)를 포함한다. 케이블(10)은 상기 기구에 연결된 제1 단부(56)와 카메라에 연결된 제2 단부(60)를 갖는다.

상기 기구는 커넥터(64)를 갖는 하우징(62)을 구비한다. 광섬유 도관(66)은 커넥터(64)로부터 광 벌브(70)와 같은 조명원까지 광원을 도관에 결합시키는 집중 렌즈(72)를 통해 하우징에서 연장된다. 전기 와이어(74) 세트는 하우징에서 커넥터로부터 전자 회로 요소(76)까지 연장된다. 전자식 디스플레이 스크린(80)은 회로에 전자적으로 연결된다. 상기 회로는 상기 케이블을 통해 전자식으로 인코딩된 이동 이미지 정보를 수용하여 이를 스크린 상에 디스플레이하도록 디코딩하는 기능을 한다.

기구 커넥터는 하우징 내의 광도관(66)을 케이블의 광 섬유 다발체(20)에 결합시키기에 적절한 인터페이스를 포함한다. 마찬가지로, 커넥터는 와이어(74)를 케이블의 와이어에 연결시키기 위한 구성 요소를 포함한다. 다른 실시예에서, 케이블은 하우징에 영구적으로 부착될 수 있어 커넥터를 필요로 하지 않으며, 광 섬유는 광원까지 충분히 연장되며 케이블 와이어는 회로에 직접 연결된다.

카메라(54)는 전하 결합 장치(CCD, 86)가 포함된 챔버(84)를 형성하는 하우징(82)을 갖는다. 다른 실시예에서, 변환기 표면에 형성된 이미지의 재생을 위해 디코드될 수 있는 전자 신호를 생성하기에 적절한 임의의 전자 이미지 변환기가 채용될 수 있다. 하우징의 렌즈(90)는 CCD의 이미지면과 함께 축 상에 위치된다. 케이블의 와이어(14)는 CCD에 연결되어 대응 전자 이미지(92')이 스크린(80) 상에 디스플레이된다.

물체는 광섬유 다발체에 의해 전송된 광에 의해 조명된다. 상기 섬유 다발체(20)의 단부는 이미지 렌즈(90)에 인접하게 위치되어 방사광은 렌즈의 광축 방향으로 비추이게 된다. 다른 실시예에서, 상기 섬유 단부는 이미지 렌즈 주위에서 동축으로 분산될 수 있다. 작동 중에, 카메라는 상기 기구로부터 멀리 그리고 이미지 형성된 물체에 인접하게 위치된다. 의학적인 적용예에서, 카메라는 환자의 내부에 위치될 수 있다. 카메라는 내시경과 같은 외과용 기구와 함께 장착될 수 있다.

이를테면, 도5는 외과 의사가 수술 환자의 절개부(102) 안으로 카메라(54)를 삽입한 이미지 시스템(50)을 도시한다. 베이스 유닛(52)의 광원은 케이블(10)의 광섬유를 통해 카메라로 이송된다. 상기 광은 환자의 내부를 조명하여 환자의 조직에서 반사된 광은 CCD에 이미지를 생성한다. 이러한 이미지는 저전압 차등신호(LVDS)를 사용하여 고속 비틀린 쌍을 통해 베이스 유닛으로 복귀되는 전자 신호로 변환되며, 상기 신호는 수술 중에 실시간으로 외과 의사에 의해 관측되는 이미지으로 변환된다. 비록, 간단함을 위해 기구에 일체로된 디스플레이 유닛으로 도시하였지만, 많은 적용예에서 분리식 디스플레이가 외과 의사의 시야 내의 다른위치에 위치될 수 있거나 또는 수술 중에 직접 볼 수 있게 위치된 기구에 위치될 수 있다.

도6은 다른 초음파 의료 시스템(120)을 도시한다. 초음파 베이스 유닛(122)은 가요성 케이블(126)에 의해 연결된 초음파 변환기 유닛(124)을 갖는다. 케이블(126)은 초음파 이미지가 조명을 필요로 하지 않기 때문에 광섬유 도관을 채용하지 않는다는 점을 제외하고는 도1 내지 도5의 케이블(10)과 유사하다. 비틀린 쌍의 전도체보다 크기가 큰 중심 코어 전도체는 교체될 수 있으며, 변환기에 전력을 제공하는 데 사용될 수 있다. 비틀린 쌍은 케이블(10)과 동일한 방식으로 코어를 둘러쌀 수 있다.

내과 의사 또는 기술자(130)는 환자(132)의 외부에 접촉하는 변환기 유닛을 적용한다. 초음파 에너지는 변환기에 의해 환자의 조직으로 방사되어 조직의 특성 또는 위치를 밝히는 패턴으로 에너지를 반사한다. 이후, 상기 신호는 베이스 유닛의 디스플레이 스크린(134) 상에 실시간으로 이미지 이동을 디스플레이하기 위해 전환된다.

상기에서는 양호한 및 다른 실시예의 관점에서 논의하였지만, 본 발명은 이에 제한되지는 않는다. 이를테면, 가요성으로 연결된 변환기로부터 신호의 LVDS 변환용 비틀린 쌍의 의료용 사용은 내시경 검사 및 초음파 이미지에 제한될 필요는 없다. 디스플레이 유닛으로부터 먼 물체의 이미지가 생성되는 의학 적용예에서 이러한 특징을 채용할 수 있다. 이것은 밀착-고해상도 시각적인 검사 및 의학적 분석이 필요로 하고 케이블의 가요성이 필요로 한 방면과, 치과학, 종래의 외과, 로봇 이용 외과, 최소 침습적 미세 수술법[관절 촬영 내시경 검사, 래프로스코픽(laproscopic)], 내부 진단, 옵프살믹(opthalmic)에 사용되는 외부 이미지 카메라를 포함할 수 있다.

Claims (20)

1. 전자식 디스플레이를 구비한 베이스 유닛과,

   가요성 케이블을 통해 상기 디스플레이 유닛에 연결된 원격 이미지 변환기를 포함하며,

   상기 케이블은 복수의 신호 전송 라인을 구비하고,

   상기 신호 변환 라인 각각은 비틀린 쌍의 전도체와,

   상기 각각의 전도체는 제1 단부에서 변환기에 연결되고 제2 단부에서 베이스 유닛에 연결된 의료용 이미지 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 케이블은 일단부에서 조명기에 연결되어 상기 변환기에 의해 이미지화된 물체에 광을 전송할 수 있는 광전송 요소를 포함하는 의료용 이미지 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 비틀린 쌍 각각은 광전송 요소를 감싸는 의료용 이미지 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 변환기는 감광성 전자 장치인 의료용 이미지 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 감광성 전자 장치는 CCD인 의료용 이미지 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 변환기는 초음파 요소인 의료용 이미지 시스템.
7. 제1항에 있어서, 각각의 비틀린 쌍의 전도체는 보통의 와이어 치수이고 각각 서로에 대해 나선형인 의료용 이미지 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 비틀린 쌍은 코어에 의해 형성된 축으로부터 균일하게 이격된 의료용 이미지 시스템.
9. 전자식 디스플레이를 구비한 베이스 유닛과,

   가요성 케이블을 통해 디스플레이 유닛에 연결된 원격 이미지 변환기를 포함하고,

   상기 케이블은 복수의 신호 전송 라인을 구비하고,

   각각의 신호 전송 라인은 저전압 차등 신호 전송을 위해 결합된 한 쌍의 전도체를 구비한 의료용 이미지 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 케이블은 일단부에서 조명원에 연결되어 변환기에 의해 이미지화된 물체에 빛을 전송할 수 있는 광전송 요소를 포함한 의료용 이미지 시스템.
11. 제10항에 있어서, 각각의 신호 전송 라인은 광전송 요소 주위를 감싸는 의료용 이미지 시스템.
12. 제9항에 있어서, 상기 변환기는 감광성 전자 장치인 의료용 이미지 시스템.
13. 제9항에 있어서, 상기 변환기는 초음파 요소인 의료용 이미지 시스템.
14. 제9항에 있어서, 각각의 신호 전송 라인의 전도체는 보통의 와이어 치수이며, 서로에 대해 나선형으로 감긴 의료용 이미지 시스템.
15. 제9항에 있어서, 상기 신호 전송 라인은 코어에 의해 형성된 축으로부터 균일하게 이격된 의료용 이미지 시스템.
16. 환자에 인접하게 변환기를 위치시키는 단계와,

    이미지를 나타내기 위해 상기 변환기 내에 전자 신호를 발생시키는 단계와,

    상기 신호를 베이스 유닛에 연결된 가요성 케이블을 통해 전송하는 단계와,

    상기 베이스 유닛에서 산기 신호를 베이스로 이미지를 디스플레이하는 단계를 포함하며,

    상기 신호 전송 단계는 복수 쌍의 전도체를 통해 개별 신호를 전송하는 단계와, 저전압 차등 신호 전송을 채용하는 단계를 포함하는 의료용 이미지 형성방법.
17. 제19항에 있어서, 상기 신호 전송 단계는 비틀린 쌍의 와이어를 통해 신호를 전송하는 단계를 포함하는 의료용 이미지 형성방법.
18. 제19항에 있어서, 변환기에 의해 이미지화된 환자의 부분을 케이블 내의 광도관을 통해 조명하는 단계를 포함하는 의료용 이미지 형성방법.
19. 제19항에 있어서, 변환기 내에 전기 신호를 발생하는 단계는 감광성 전자장치 상에 이미지를 형성하는 단계를 포함하는 의료용 이미지 형성방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 변환기 내에 전기 신호를 발생하는 단계는 방사된 초음파 에너지를 수용하는 단계를 포함하는 의료용 이미지 형성방법.