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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Aufbau flexibler, drehmomentübertragender
Einrichtungen und insbesondere den Aufbau von Antriebskabeln zum
Drehen von Ultraschallwandlern zur Verwendung in Gefäßkathetern.
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Die
intravaskuläre
Bildaufnahme von Blutgefäßläsionen vor
einer perkutanen transluminalen Angioplastie, einer Atherektomie
und anderen Eingriffsprozeduren verspricht große Vorteile. Eine besonders
erfolgreiche Konstruktion für
einen intravaskulären
Bildgebungskatheter verwendet einen drehbaren Ultraschallwandler,
bei dem der Wandler am distalen Ende eines flexiblen Antriebskabels
angebracht ist. Der Wandler kann in einem Katheterkörper oder
einer -hülle
gedreht werden, um ein Ultraschallsignal zu senden und ein Videobild
durch wohlbekannte Techniken zu erzeugen.
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Obwohl
dies sehr erfolgreich ist, stellt das Erfordernis, die Größe des Antriebskabels
auf sehr kleine Durchmesser zu reduzieren (damit es mit dem Einführen in
sehr kleine Koronararterien kompatibel ist), eine Reihe technischer
Herausforderungen dar. Zusätzlich
zu den sehr kleinen Durchmessern sollte das Antriebskabel hochflexibel
sein, damit es durch die gewundenen Bereiche der Gefäßstrukturen,
insbesondere der Koronararterien, verlaufen kann. Es ist auch sehr
wichtig, dass das Antriebskabel eine gleichmäßige Drehung über seine
gesamte Länge bietet,
d.h. ein rotationsmäßiges Aufwickeln
vermeidet, das Abweichungen in der Winkelgeschwindigkeit des Wandlers
verursachen und zu Bildstörungen
führen
kann.
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Die
Konstruktion des Wandlerantriebskabels für intravaskuläre Ultraschalleinrichtungen
wird ferner durch den Wunsch verkompliziert, die Zuleitungsdrähte oder Übertragungsleitungen
des Wandlers durch ein Lumen des Kabels selbst verlaufen zu lassen.
Solche Konstruktionen versuchen eine Zunahme eines effektiven Durchmessers
zu vermeiden, der daraus entstehen kann, dass die Drähte an der
Oberfläche
des Antriebskabels angebracht werden. In der Vergangenheit wurden
koaxiale Anschlusskabel verwendet, und diese haben den zusätzlichen
Vorteil, dass sie eine Hochfrequenzrauschabschirmung (HF-Rauschabschirmung)
bereitstellen. Jedoch haben Koaxialkabel den Nachteil, dass sie
im Allgemeinen groß sind
und schwierig in den kleinsten intravaskulären Geräten, beispielsweise Koronargeräten, zu
verwenden sind. Koaxialkabel werden auch typischerweise getrennt
von den Antriebskabeln hergestellt, was erfordert, dass das Lumen
des Antriebskabels groß genug
ist, um ein Durchführen
des Koaxialkabels zu ermöglichen.
Der daraus resultierende Spalt zwischen dem Koaxialkabel und dem
Antriebskabel vergrößert ferner
den Gesamtaußendurchmesser
des Antriebskabels.
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Die
US-A-5,437,282 beschreibt einen Ultraschallbildaufnahmekatheter
mit einer hohlen Katheterwelle und einer Antriebswelle in der Katheterwelle. Die
Antriebswelle umfasst eine innere und eine äußere Wicklung mit einem an
die innere Wicklung geklebten Koaxialkabel.
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Die
WO 92/16147 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Ultraschallbildgebung,
die ein Antriebskabel mit einem Kerndraht umfasst, der von einer
geschichteten Spulenanordnung umgeben ist. Der Kerndraht umfasst
einen isolierten inneren Leiter und einen äußeren Leiter mit zwei leitfähigen Kernen,
und die geschichtete Spulenanordnung umfasst drei Schichten.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
verbesserte Antriebskabel für
Ultraschallwandler und andere drehbare elektrische Sensoren bereitzustellen.
Es wäre
insbesondere wünschenswert,
Antriebskabel bereitzustellen, die so aufgebaut sein können, dass sie
kleine Durchmesser aufweisen und dennoch Übertragungsleitungen aufnehmen.
Vorzugsweise stellt das kombinierte Antriebs- und Übertragungskabel
eine gleichmäßige Drehmomentübertragung
entlang der gesamten Länge
des Antriebskabels bereit, um Ultraschallbilder mit minimaler Verzerrung
zu erzeugen. Die Antriebskabel sollten ferner eine ausreichende
HF-Abschirmung der elektrischen Übertragungsleitungen
bieten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt integrierte flexible Antriebs- und
Koaxialübertragungskabel
zur Verwendung bei Kathetersystemen bereit, wie im Anspruch 1 angegeben.
Bei einer anderen Ausführungsform
kann die Erfindung ein Kathetersystem bereitstellen, das einen Katheterkörper mit
einem distalen Ende, einem proximalen Ende und einem Arbeitslumen
sowie ein integriertes Antriebs- und Übertragungskabel aufweist,
das sich durch das Arbeitslumen erstreckt.
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Die
innere gewickelte Schicht kann eine Kombination aus rostfreiem Stahldraht
und zumindest einem Material aufweisen, das Kupfer, Gold, Silber,
Aluminium, Magnesium oder eine Legierung umfasst, die aus zumindest
einem dieser Metalle hergestellt ist. Auf diese Weise stellt die
innere gewickelte Schicht vorbildliche mechanische Eigenschaften
des rostfreien Stahls und auch vorbildliche Abschirmungseigenschaften
des anderen Metalls oder der anderen Metalllegierung bereit.
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Das
Antriebskabel kann einen äußeren Durchmesser
zwischen etwa 0,005 Inch (0,0127 cm) und etwa 0,150 Inch (0,381
cm) haben. Ein solcher Durchmesser vereinfacht die Verwendung des
Antriebskabels bei kleinen Katheterkörpern. Sowohl die innere gewickelte
Schicht als auch die äußere gewickelte
Schicht können
einen rostfreien Stahldraht aufweisen. Auf diese Weise umfasst das
Antriebskabel zwei Schichten rostfreien Stahldrahts.
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Die
innere gewickelte Schicht kann ein Formgedächtnis oder einen superelastischen
Metalllegierungsdraht umfassen, beispielsweise einen aus Nitinol
(Nickel-Titan), Nickel-Titan-Kupfer, Nickel-Titan-Aluminium oder
dgl. hergestellten Draht. Die äußere gewickelte
Schicht kann ein Formgedächtnis oder
einen superelastischen Metalllegierungsdraht aufweisen.
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Das
Kathetersystem kann ferner ein Arbeitselement aufweisen, das betriebsfähig am Antriebskabel
angebracht ist. Das Arbeitselement kann ein Wandler sein. Alternativ
kann das Arbeitselement eine ringförmige Anordnung von Wandlerelementen sein.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines integrierten flexiblen
Antriebs- und Koaxialübertragungskabels,
das keine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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2 ist
eine Querschnittsansicht des in 1 dargestellten
integrierten Antriebs- und Übertragungskabels
entlang der Linie 2-2.
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3 ist
eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen integrierten
Antriebs- und Koaxialübertragungskabels.
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4 ist
eine Querschnittsansicht des in 3 dargestellten
integrierten Antriebs- und Übertragungskabels
entlang der Linie 4-4.
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5 stellt
das integrierte flexible Antriebs- und Koaxialübertragungskabel aus 1 dar,
das mit einem mit seinen Enden verbundenen Arbeitselement und einem
Koppelelement gezeigt ist.
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6 ist
eine Querschnittsansicht eines Kathetersystems mit einem erfindungsgemäßen integrierten
flexiblen Antriebs- und Koaxialübertragungskabel.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein exemplarisches integriertes flexibles
Antriebs- und Koaxialübertragungskabel
zur Verwendung in Kathetersystemen bereit. Insbesondere integriert
die vorliegende Erfindung ein flexibles Antriebskabel und ein Koaxialübertragungskabel,
das durch ein zentrales Lumen des Antriebskabels verläuft. Die
integrierte Kombination schafft durch Eliminieren einer oder mehrerer Schichten
einen kleineren Außendurchmesser
als typische Kombinationen aus einem Koaxialkabel und einem Antriebskabel.
Beispielsweise umfasst ein typisches Koaxialkabel eine äußere Hüllschicht,
die die inneren Schichten an Ort und Stelle hält. Die vorliegende Erfindung
eliminiert die Verwendung einer solchen Hülle und verwendet stattdessen
die innere Oberfläche
des Antriebskabels, um die inneren Schichten des Koaxialkabels an
Ort und Stelle zu halten. Ferner weist eine typische Kombination
aus einem Koaxialkabel und einem Antriebskabel einen Spalt auf,
der die zwei Bauteile trennt. Ein solcher Spalt ist erforderlich,
um zu ermöglichen,
dass das Koaxialkabel in das zentrale Lumen des Antriebskabels eingeführt werden
kann. Die vorliegende Erfindung eliminiert einen solchen Spalt,
indem das Antriebskabel um das Koaxialkabel ausgebildet wird.
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Durch
Eliminieren von Schichten in der Kombination aus einem Koaxialkabel
und einem Antriebskabel wird der Gesamtaußendurchmesser der integrierten
Kombination kleiner. Ein solcher kleinerer Durchmesser vereinfacht
die Verwendung des integrierten Antriebs- und Koaxialkabels in kleineren
Kathetern und daher bei kleineren Gefäßstrukturen.
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Bezugnehmend
nunmehr auf 1 und 2 wird ein
Koaxialübertragungskabel,
das mit einem flexiblen Antriebskabelkörper 10 integriert
ist, beschrieben. Wie gezeigt ist, umfasst der integrierte Kabelkörper 10 mehrere
Schichten, die sich über
die Länge
des Kabelkörpers 10 erstrecken.
Zuerst wird ein leitfähiger
Kern 12 bereitgestellt. Eine Isolierschicht 14 ist
dem Kern 12 benachbart und umgibt diesen. Die Isolierschicht 14 ist
vorzugsweise aus Fluorpolymeren, beispielsweise FEP, PFA und dgl., gemacht.
Eine Abschirmschicht 16 ist der Isolierschicht 14 benachbart
und umgibt diese. Die Abschirmschicht umfasst vorzugsweise silberplattiertes Kupfer,
Gold, Aluminium, silberplattierte Kupferlegierungen, Goldlegierungen,
Aluminiumlegierungen oder dgl.
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Eine
innere gewickelte Schicht 18 ist der Abschirmschicht 16 benachbart
und umgibt diese. Die innere gewickelte Schicht 18 umfasst
vorzugsweise den rostfreien Stahldraht 304 V. Die innere gewickelte
Schicht 18 kann auch eine Kombination aus rostfreiem Stahl
und zumindest einem Material aufweisen, das aus einer Gruppe von
Materialien ausgewählt
ist, die Kupfer, Gold, Silber, Aluminium, Magnesium, eine Kupferlegierung,
eine Goldlegierung, eine Silberlegierung, eine Aluminiumlegierung,
eine Magnesiumlegierung oder dgl. umfasst. Eine äußere gewickelte Schicht 20,
die vorzugsweise aus dem rostfreien Draht 304 V hergestellt ist,
ist der inneren gewickelten Schicht 18 benachbart und umgibt
diese. Die innere gewickelte Schicht 18 und die äußere gewickelte
Schicht 20 können
auch aus einem Draht mit einem Formgedächtnis oder einem Draht mit
einer superelastischen Metalllegierung hergestellt werden, beispielsweise
aus Drähten,
die aus Nitinol (Ni/Ti), Ni/Ti/Cu, Ni/Ti/Al oder dgl. bestehen.
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Die
physikalischen Eigenschaften bevorzugter innerer gewickelter und äußerer gewickelter Schichten
sind in der
US 5,503,155 ,
der
US 5,208,411 , und
in "Design Characteristics
of Intravascular Ultrasonic Catheters" von Roy W. Martin und Christopher C.
Johnson offenbart, deren Offenbarung hiermit per Bezugnahme aufgenommen
wird.
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Die
innere gewickelte Schicht 18 und die äußere gewickelte Schicht 20 sind
gegenläufig
gewickelt, um zu ermöglichen,
dass sich eine der Schichten 18, 20 einengen kann,
wenn der integrierte Kabelkörper 10 gedreht
wird. Beispielsweise kann eine Drehung des integrierten Kabelkörpers 10 im
Uhrzeigersinn verursachen, dass sich die innere gewickelte Schicht 18 einengt.
Die Drehung des integrierten Kabelkörpers 10 gegen den
Uhrzeigersinn wird dann bewirken, dass sich die äußere gewickelte Schicht 20 einengt.
Auf diese Weise führt
die Drehung des integrierten Kabelkörpers 10 dazu, dass
der Kern 12, die Isolierung 14 und die Abschirmung 16 von
der sich einengenden inneren gewickelten Schicht 18 oder der
sich einengenden äußeren gewickelten
Schicht 20 gehalten bleiben. Vorzugsweise verursacht die Drehung
des integrierten Kabelkörpers 10,
dass sich die äußere gewickelte
Schicht 20 einengt.
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Die äußere gewickelte
Schicht 20 und die innere gewickelte Schicht 18 erzeugen
ein zentrales Lumen 22, in dem der Kern 12, die
Isolierschicht 14 und die Abschirmschicht 16 integral
angeordnet sind. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Antriebskabel über dem
Koaxialübertragungskabel
ausgebildet wird.
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Das
integrierte Übertragungs-
und flexible Antriebskabel kann unter Verwendung der gleichen Techniken,
die bei der Herstellung von Miniaturkoaxialkabeln verwendet werden,
hergestellt werden. Die Isolierschicht 14 wird auf die äußere Oberfläche des Kerns 12 extrudiert.
Die Abschirmschicht 16 wird dann auf die äußere Oberfläche der
Isolierschicht 14 gewickelt. Als nächstes wird die innere gewickelte Schicht 18 auf
die Abschirmschicht 16 gewickelt. Die äußere gewickelte Schicht 20 wird
auf die innere gewickelte Schicht 18 gewickelt. Dieses
Herstellverfahren hilft, den Spalt zwischen dem Übertragungskabel und dem flexiblen
Antriebskabel zu eliminieren.
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Die
Anordnung des integrierten Kabelkörpers 10 unterscheidet
sich von typischen Kombinationen aus Antriebskabel und Koaxialkabel,
bei denen die Antriebskabel nicht integral um die Koaxialkabel ausgebildet
sind. In einem solchen Fall muss das zentrale Lumen groß genug
sein, um ein Durchführen des
Koaxialkabels durch das Lumen zu ermöglichen. Nach dem Einführen des
Koaxialkabels in das Lumen verbleibt ein Spalt zwischen der äußeren Oberfläche des
Koaxialkabels und der inneren Oberfläche der inneren gewickelten
Schicht. Dieser Abstand ist erforderlich, um die zwei Kabel separat
herstellen und zusammenfügen
zu können.
Ein solches Szenario erhöht
den äußeren Gesamtdurchmesser
des Antriebskabels.
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Bezugnehmend
nunmehr auf 3 und 4 wird ein
Koaxialübertragungskabel,
das mit einem flexiblen Antriebskabelkörper 30 integriert
ist, gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Der integrierte Kabelkörper 30 umfasst einen
leitfähigen Kern 32,
der von einer benachbarten Isolierschicht 34 umgeben ist.
Eine innere gewickelte Schicht 38 und eine äußere gewickelte
Schicht 40 sind gegenläufig um
die Isolierschicht 34 gewickelt. Mit anderen Worten, die
zwei Schichten sind so gewickelt, dass eine Drehung des integrierten
Kabelkörpers 30 bewirkt, dass
sich eine der Schichten einengt (vorzugsweise die äußere gewickelte
Schicht 40) und sich die andere vergrößert (vorzugsweise die innere
gewickelte Schicht 38). Auf diese Weise arbeiten die innere
gewickelte Schicht 38 und die äußere gewickelte Schicht 40 während der
Drehung des integrierten Kabelkörpers 30 zusammen,
um den Kern 32 und die Iso lierschicht 34 zusammenzuhalten,
die in der inneren gewickelten Schicht 38 enthalten sind.
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Es
gibt ein zentrales Lumen 42 in der inneren gewickelten
Schicht 38, das mit dem leitfähigen Kern 32 und
der Isolierschicht 34 gefüllt ist. Wie zuvor erwähnt wurde,
unterscheidet sich eine solche Anordnung von typischen Kombinationen
aus einem Koaxialkabel und einem Antriebskabel, die ein zentrales Lumen
erfordern, das zur Aufnahme eines separat hergestellten Koaxialkabels
groß genug
ist.
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Das
Verfahren zum Herstellen des integrierten Kabelkörpers 30 ähnelt demjenigen
des integrierten Kabelkörpers 10,
ohne dass es jedoch erforderlich ist, eine Abschirmschicht zu verwenden.
Die Isolierschicht 34 wird auf die äußere Oberfläche des Kerns 32 extrudiert.
Als nächstes
wird eine innere gewickelte Schicht 38 auf die äußere Oberfläche der Isolierschicht 34 gewickelt.
Die äußere gewickelte Schicht 40 wird
auf die innere gewickelte Schicht 38 gewickelt. Dieses
Herstellungsverfahren hilft, den Spalt zwischen den zwei Bauteilen
zu eliminieren.
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Ferner
hat das integrierte flexible Antriebs- und Koaxialübertragungskabel
aus 3 einen kleineren Außendurchmesser als typische
Kombinationen eines Antriebskabels und eines Koaxialkabels. Dies
wird erreicht, indem der Spalt zwischen der inneren Oberfläche des
Antriebskabels und der äußeren Oberfläche des
Koaxialkabels eliminiert wird und indem eine typische Koaxialkabelhülle eliminiert
wird, die häufig
verwendet wird, um die inneren Schichten des Koaxialkabels an Ort
und Stelle zu halten. Mit anderen Worten, die Koaxialkabelschichten
(der Kern 32 und die Isolierschicht 34 von 4)
füllen
das zentrale Lumen innerhalb des integrierten Kabelkörpers 30.
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Bei
der in 3 und 4 dargestellten bevorzugten
Ausführungsform
wird die Abschirmschicht eliminiert, und die innere gewickelte Schicht 38 ist
so konstruiert, dass sie Abschirmeigenschaften hat, wodurch der
Außendurchmesser
der Kombination aus dem Antriebskabel und dem Koaxialkabel weiter
reduziert wird. Eine solche innere gewickelte Schicht 38 besteht
vorzugsweise aus Materialien, die ähnliche mechanische Eigenschaften
und ähnliche elektrische
Eigenschaften bereitstellen wie diejenigen der separaten Abschirmschicht
und der separaten inneren gewickelten Schicht. Solche Materialien umfassen
eine Kombination aus rostfreiem Stahl und Kupfer, rostfreiem Stahl
und Silber und dgl. Obwohl diese Ausführungsform die Abschirmschicht
eliminiert, stellt sie immer noch vorbildliche Abschirmqualitäten bereit,
indem ein Material mit Abschirmeigenschaften in die innere gewickelte
Schicht 38 aufgenommen wird.
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5 zeigt
ein flexibles Antriebskabel 50 mit einem distalen Ende 54 und
einem proximalen Ende 58. Ein Arbeitselement 52 ist
betriebsfähig
an dem distalen Ende 54 angebracht. Das Arbeitselement, das
einen einstückigen
Wandler, eine ringförmige
Anordnung von Wandlerelementen oder dgl. umfassen kann, ist ferner
betriebsfähig
an dem leitfähigen
Kern angebracht. Auf diese Weise können elektrische Signale an
das Arbeitselement oder von diesem gesendet werden. Beispielsweise
kann die vorliegende Erfindung ein Arbeitselement wie die kreisförmige Anordnung,
die in der internationalen Patentanmeldung WO 99/39641 offenbart
ist, verwenden.
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Ein
Koppelelement 56 ist betriebsfähig an dem proximalen Ende 58 des
Antriebskabels 50 angebracht. Das Koppelelement 56 wird
verwendet, um das Antriebskabel 50 mit einem Bildverarbeitungsgerät und/oder
einer Steuerungseinrichtung (nicht gezeigt) zu koppeln, die derart
arbeiten kann, dass sie den Katheter steuert. Beispielsweise könnte ein
solches Koppelelement 56 mit einem Rotationstransformator
gekoppelt sein, beispielsweise demjenigen, der in der internationalen
Patentanmeldung WO 99/39640 offenbart ist.
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Bezugnehmend
nunmehr auf 6 wird ein erfindungsgemäßes Kathetersystem 60 beschrieben. Das
Kathetersystem 60 umfasst einen Katheterkörper 62 mit
einem distalen Ende 64, einem proximalen Ende 66 und
einem Arbeitslumen 68. Ein flexibles Antriebskabel 70,
beispielsweise das in Verbindung mit den 3 und 4 beschriebene
Kabel, wird ebenfalls bereitgestellt. Ein Arbeitselement 72 ist
betriebsfähig
an dem flexiblen Antriebskabel 70 angebracht. Indem ein
Koaxialkabel als Übertragungskabel
verwendet wird, wird den vom Koaxialkabel übertragenen elektrischen Signalen
eine vorbildliche HF-Abschirmung geboten.
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Die
Erfindung wurde jetzt detailliert beschrieben. Es versteht sich
jedoch, dass gewisse Änderungen
und Modifikationen durchgeführt
werden können.
Daher sind der Umfang und der Inhalt dieser Erfindung nicht auf
die vorhergehende Beschreibung beschränkt. Vielmehr werden der Umfang
und Inhalt durch die folgenden Ansprüche definiert.