跨电气隔离屏障进行高速数据传输的系统和方法技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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“SYSTEMSANDMETHODSFORHIGH-SPEEDDATATRANSMISSIONACROSSANELECTRICALISOLATIONBARRIER”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。
技术介绍
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)。通过允本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种医疗系统，其包括：/n第一电路，其在印刷电路板即PCB上并且被配置为提供数据；/n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/n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；/nRF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/n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。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180606 US 62/681,5851.一种医疗系统，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·C·里欧，J·A·巴顿，M·M·麦克肯尼奥，K·G·帕里什，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国;US