JP2005526263A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】 リモート撮像システム用ケーブルを細くすること。
【解決手段】 第１端部および第２端部を有する可撓性ケーブルを備えた光撮像システムである。このケーブルは可撓性光導管を含む中心コア要素を有し、コアの中心によって構成される軸線と同軸状のチューブを形成するように、コア要素を多数のワイヤが囲んでいる。このケーブルはワイヤを囲む導電性シールド層を有し、このシールド層はワイヤから均一に離間している。ケーブルの第１端部には電子測定器具が接続されており、この測定器具は光導管に結合された照明器およびワイヤに接続されたディスプレイデバイスを有する。ケーブルの第２端部には画像トランスジューサが接続されており、このトランスジューサはワイヤにも接続されている。これらワイヤは互いに均一に離間し、かつコアが構成する軸線からも均一に離間した縒り対線でよい。

Description

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。

低電圧差分信号（ＬＶＤＳ）通信を行うため、これまで縒り対線が効果的に使用されてきた。しかしながら、最も細いゲージのワイヤおよび所定の用途で必要とされる高周波に対して縒り対線はクリティカルな限界を有する。１つの問題として、縒り対線が一体となるように束状とされており、適当な導電性シールド層によって囲まれていると、これら縒り対線はシールドに対して電気的特性が異なることが挙げられる。一部の対は他の対よりもシールドに接近することが余儀なくされる結果、共通モードのインピーダンス差が生じ、異なる対を介して信号が異なる時間が到達するので、信号スキューが生じる。かかるスキューは使用できる信号レートを制限し、多数のラインを必要とするスリムで可撓性のケーブルに求められる極めて細い導線に特定の問題を生じさせる。

現在のシステムの別の欠点は、光源がないために外科医の手で第２ケーブルを使って光ファイバーの束を介して光を伝えなければならないことである。別々のケーブルをコーディネイトすることは外科医にとって困難なことであり、患者により大きい手術開口部を設けなければならない。更にこれら２つのケーブルを１つにまとめようとする努力によって全体のサイズに起因して所望する可撓性に欠けた、より硬いケーブルが作成されていた。

（開示の内容）
本発明は、第１端部および第２端部を有する可撓性ケーブルを光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。このケーブルは、可撓性光導管を含む中心コアを有し、コア要素を多数のワイヤーが囲み、コアの中心が定める軸線と同軸状のチューブを形成している。ケーブルは、ワイヤーを囲むと共にワイヤーから均一に離間する導電性シールド層を有する。ケーブルの第１端部には電子機器が接続されており、この電子機器は光導管に接続された照明器およびワイヤーに接続されたディスプレイ装置を有する。ケーブルの第２端部には画像トランスジューサが接続されており、このトランジューサはワイヤーにも接続されている。これらワイヤーは、互いに均一にかつコアが定める軸線からも均一に離間した撚り対線でよい。

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。

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。

以上で好ましい実施形態および別の実施形態を参照して本発明について説明したが、本発明はこれら実施形態だけに限定されるものではない。例えば螺旋状の外装の保護を必要とするセンサまたは素子を光ファイバーの束に置換してもよい。

本発明の好ましい実施例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例に係わるケーブルアセンブリの部品の切り欠き斜視図である。 本発明の好ましい実施例に係わるケーブルアセンブリの端部断面図である。 本発明の好ましい実施例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。

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 外装層
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 電球
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

Claims (20)

1. 中心の光透過性の可撓性コア要素と、
   前記コア要素を囲むワイヤの複数の縒り対とを備え、
   前記縒り対が前記コアのまわりにチューブを形成するように互いに均一に離間しているケーブルアセンブリ。
2. 前記縒り対が互いに当接する、請求項１記載のアセンブリ。
3. 前記縒り対が前記コアに当接する、請求項１記載のアセンブリ。
4. 前記コアが構成する軸線から前記縒り対が均一に離間する、請求項１記載のアセンブリ。
5. 前記コアが光ファイバーの束を含む、請求項１記載のアセンブリ。
6. 前記縒り対を囲み、これら縒り対から均一に離間した導電性シールド層を含む、請求項１記載のアセンブリ。
7. 前記ケーブルの第１端部で前記コアに接合された照明源と、前記ケーブルの反対の第２端部にて前記縒り対に接続された光トランスジューサとを含む、請求項１記載のアセンブリ。
8. 前記ケーブルの第２端部で前記縒り対に接続されたディスプレイデバイスを含む、請求項７記載のアセンブリ。
9. 円筒形外側表面を形成するように各ワイヤが封入されている、請求項１記載のアセンブリ。
10. 光透過性光導管を含む中心コア要素と、
    前記コア要素を囲む複数の導電性ワイヤとを備え、前記ワイヤーがコアから均一に離間し、前記コアのまわりにチューブを形成しており、
    前記コアが互いに均一に離間しているケーブルアセンブリ。
11. 前記縒り対が互いに当接する、請求項１０記載のアセンブリ。
12. 前記縒り対が前記コアに当接する、請求項１０記載のアセンブリ。
13. 前記ワイヤが互いに当接している、請求項１０記載のアセンブリ。
14. 前記コアが光ファイバーの束を含む、請求項１０記載のアセンブリ。
15. 前記縒り対を囲み、これら縒り対から均一に離間した導電性シールド層を含む、請求項１０記載のアセンブリ。
16. 前記ケーブルの第１端部で前記コアに接合された照明源と、前記ケーブルの反対の第２端部にて前記縒り対に接続された光トランスジューサとを含む、請求項１０記載のアセンブリ。
17. 前記ワイヤに接続されており、前記トランスジューサが発生する画像をディスプレイするようになっているディスプレイを含む、請求項１８記載のアセンブリ。
18. 前記ワイヤの各々がワイヤの縒り対である、請求項１０記載のアセンブリ。
19. 第１端部および第２端部を有する可撓性コアを備え、
    前記ケーブルが可撓性光導管を含む中心コア要素を有し、
    前記ケーブルが前記コア要素を囲む複数のワイヤを含み、前記コアの中心が構成する軸線と同心状のチューブを形成し、
    前記ケーブルがワイヤを囲み、前記ワイヤから均一に離間した導電性シールド層を含み、
    更に、前記光導管に結合された照明器および前記ワイヤに接続されたディスプレイデバイスを有し、前記ケーブルの前記第１端部に接続された電子測定器具と、
    前記ケーブルの前記第２端部に接続され、前記ワイヤに接続された画像トランスジューサとを備えた、光撮像システム。
20. 前記ワイヤが互いに均一に離間し、かつ前記コアによって構成された軸線からも均一に離間した縒り対である、請求項１９記載のシステム。

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