AIMD · MRI-Compat KB

US10080889B2 Low inductance and low resistance hermetically sealed filtered feedthrough for an AIMD

US10080889B2 Low inductance and low resistance hermetically sealed filtered feedthrough for an AIMD

摘要

  • 问题:MRI 体线圈 RF 脉冲(raw 记约 21–500 MHz)经天线效应在植入导线感应 RF 电流,一路在远端电极-组织界面阻性发热,一路以 EMI 侵入 AIMD 壳内电子学(“the genie in the bottle”)。在导线入壳点用旁路电容把 RF 能量分流到金属外壳可同时削弱两者;但现有做法把两端芯片电容的接地端搭在可氧化的钛铁氧体上(接触电阻 3 至 30 Ω 以上),并用长接地回路绕行,使电容的安装后自谐振频率跌到关心频段以下——分流不彻底,电容自身在 MRI 高功率下发热。
  • 方案:把芯片电容 150 的接地端直接搭到贵金属面——构成气密封的金钎料 212,或激光焊到铁氧体 112 的铂丝 220、支架、平板——消除氧化物接触电阻;并以反向几何短极板电容、贴入壳点布置、极短接地回路把回路电感压到 10 nH 以下,使安装后自谐振频率保持在 400 MHz 以上,让电容在整个 EMI 频段(至约 3 GHz)维持低阻抗短路而持续分流。
  • 效果:未给本发明的实测性能;接地回路总电阻 <0.5 Ω(优选 <1 mΩ)、总电感 <10 nH(优选 <1 nH)、ESR <50 mΩ、自谐振 >400 MHz(优选 >800 MHz)、电容 300–10000 pF 均为权利要求限定或优选值;摘要与背景引的 30 °C→3 °C→11 °C phantom 温升与 74 °C 系远端带阻滤波器(US7363090B2)的既往数据,非本馈通件实测。
  • 形态:42 claims;气密馈通滤波组件,适配 pacemaker、ICD、SCS、DBS、cochlear;含铁氧体 112、≥96% 氧化铝绝缘体 206、铂填充过孔 226 或共烧铂针 228 或生物相容导线 114、电路板 180(刚性/柔性)、两端 MLCC 电容 150;可扩展 L/PI 阶低通、bandstop、L-C trap 及板载 RFID 242/244。

原理与方案

标注:引号内英文 = 专利 raw 原文;[推导] = 由专利参数与电路模型推出、非专利原文的结论;[推断] = 按 RF/工艺常识的判断,专利未述;[待确认] = 专利未给、需另行定夺的输入或判断。

失效机理

MRI 体线圈的 RF 脉冲场(raw 记频率约 21–500 MHz,按 Larmor 关系 42.56×B0 随主磁场变,1.5 T、3 T 对应约 64、128 MHz[1])把植入导线当天线,沿导线感应 RF 电流。专利把致热归为并行两路:“cause of heating in an MRI environment is twofold”——RF 场对导线耦合致沿线局部发热,与远端电极-组织界面的 Ohm 律发热(“currents induced between the distal tip and tissue”),后者可致组织消融、起搏阈值升高、穿孔。感应量随导线长度与植入轨迹变化,“SAR level alone is not a good predictor”;Konings 等实测谐振导丝 30 s 扫描内升温达 74 °C[2]。RF 能量还会顺导线灌进 AIMD 壳内,在敏感电路间再辐射交扰(“the genie in the bottle”);壳内电子学的既有防线是在导线入壳点并联一只旁路电容,把高频能量分流到气密钛壳这一等效地,拉走的能量同时不再沿导线奔向远端电极。

本专利要修的是这条旁路在现有实现里的失效。旁路要起作用,电容必须在关心频段呈现很低的阻抗;而真实电容非理想,其等效电路含串联电感与串联电阻,存在自谐振频率 ,越过此频率后电感项压过容抗、电容转呈感性、分流能力塌掉(FIG. 11–12)。现有做法有两处把 拉低:接地端直接搭在钛铁氧体上,钛面氧化物极稳定(“a common pigment used in paints”),接触电阻被发明人实测到”as much as 3 ohms or to even above 30 ohms”;接地回路又用长迹线绕行,叠加可观的回路电感。二者使电容在到达 MRI 或蜂窝频段前就越过自谐振、失去低阻抗,分流不彻底,ESR 上的 I²R 让电容自热。专利直言:高频 EMI 滤波用两端芯片电容本身”counter-intuitive and even contra-indicative”,因其天生带内部串联电感,不如无串联电感的三端馈通电容。

解决机理

方案的物理只有一条:在导线入壳点造一条对高频的低阻抗电容旁路,把 RF 能量导入 AIMD 金属外壳这一大表面耗散(“dispersed as a few milliwatts of harmless heat energy”)。电容对频率天然分频:高频段容抗 极小、近似短路,把 EMI 分流到壳;生物与治疗频段(FIG. 35B 记零到约 2000 Hz)容抗极大、近似开路,起搏与感知信号照常经有源迹线通行(FIG. 35A/35B)。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 35A / FIG. 35B —(同一馈通结构的高频与低频等效:高频下电容 150 近似短路、把导线拾取的 EMI 分流到外壳 116;低频下近似开路,起搏与感知信号照常经有源迹线 216 通行)

外壳确实参与远端致热,由 phantom 实测分离出来:凝胶体模内,无带阻对照导线尖端升温 30 °C;同一导线加 L-C tank 带阻滤波器[3]后降到 3 °C;断开起搏器、近端套硅胶帽使外壳退出后,同一带阻导线回升到 11 °C——“proof positive that the housing of the AIMD acts as part of the system”,即入壳电容”drew RF energy out of the lead and diverted it to the housing”。分流阻抗越低,拉走的能量越多;专利点出支配参数是电容阻抗尤其 ESR,“maximal energy can be pulled from the lead and diverted to the pacemaker housing while at the same time, not unduly overheating the feedthrough capacitor”。要让旁路在整个关心频段都保持低阻抗,唯一的物理杠杆是把电容的串联电阻与串联电感压到极小,把自谐振频率顶到频段之上;上界取约 3 GHz,因人体自身在”3 GHz and above”已是有效的反射与吸收体,滤波无须再向更高频有效。

工程实现

物理杠杆落到两件工程事:去掉接地电阻、去掉回路电感。

去电阻——接地端接到贵金属而非钛。首选把电容 150 接地端经连接材料直接搭到构成气密封的金钎料 212(FIG. 19C、FIG. 35);金不氧化,给出”oxide-free”的稳定低阻接地。外壳几何不容金钎料时,改用激光焊到铁氧体 112 的铂丝 220/194、L 形及各异形支架 198/234/236/238/240、平板 232,或在铁氧体凹槽内另置金钎焊盘 230(FIG. 28–46);激光焊穿透氧化层形成冶金结合。把馈通件接地端接到金钎料这一手法承自在先的三端馈通专利(‘779),本专利把它移植到两端芯片电容。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 19C —(芯片电容 150 的接地端经连接材料 184’ 直接搭到构成气密封的金钎料 212,取代搭在可氧化钛铁氧体 112 上的现有做法)

去电感——用反向几何、极板更短的芯片电容(FIG. 16)压低电容内部串联电感,把电容贴到导线入壳点、令接地回路 256 尽量短(FIG. 53),回路电感压到”less than 10 nanohenries”、优选”less than one nanohenry”;导线本体可用实心铂填充过孔 226 或共烧铂针 228 取代钎焊导线以再降接触电阻。安装后自谐振频率因此保持在”self-resonant frequency greater than 400 MHz”、优选 >800 MHz。

ESR 兼管两头:它是自谐振点上唯一剩下的阻抗(理想 R=0 时电容在谐振点为纯短路),又决定 MRI 高功率下电容自热,故限”less than 50 milliohms”;从 ESR 一侧压低同一 diverter 阻抗、并把电容自热导往外壳,是同族 US8855768B1 的着力点[4],与本卡从接地电阻与回路电感一侧入手互补。

迹线电感被就地重新安置而非一味消除:多层板把电感留在有源迹线上(蛇形迹线 262、Wheeler 螺旋 264,FIG. 55–57),形成 L 型滤波(FIG. 58)——低频下 放行生物信号,高频下这段电感反而挡 RF 进入电子学(“the inductance of circuit traces has been relocated”),同一元件在有源迹线上是”high frequency RF impeder”、在旁路支上是”high frequency EMI diverter”。也因低阻低感接地就在入壳点做成,本专利不再需要在先 flat-through 件(‘806/‘295)的屏蔽平行板迹线。可选扩展:C/L/PI 阶低通(FIG. 60),或串一只并联 L-C 谐振于 MRI RF 的 bandstop[5]加 L-C trap(FIG. 61),以及板载 RFID 242/244、刚柔电路板(FIG. 49)。

物理层与工程层:物理原理只有”在导线入壳点造一条低阻抗电容旁路、把能量导入 AIMD 外壳这一 energy dissipating surface”这一条;贵金属接地、反向几何、回路缩短、迹线电感重置、bandstop 与 L-C trap 扩展全属工程实现;两端芯片电容对三端馈通、金钎料对激光焊贵金属都是同一分流原理的不同封装,不是不同原理。

代价与工程取舍

  • 芯片电容天生逊于馈通电容:三端馈通电容近乎无串联电感、自谐振”even up to 18 GHz and beyond”,近似理想电容;本发明全部工程只为把这段差距补回,让便宜的芯片电容(单价”less than 20 each”)堪用。代价是安装后自谐振仍须做到 >400 MHz 才算合格,低于此即分流失效。
  • 分流有频率上界:只对约 3 GHz 以下有效(人体在其上自行吸收),对 MRI 与蜂窝频段够用但不覆盖更高频。
  • 系统边界:本件是 IPG/近端侧的 divert,远端尖端仍需自带 impede(自谐振带阻,如 US9468750B2[6]);带阻把远端做成近开路、能量反射回近端,正需近端一只低阻抗电容把反射能量泄放到外壳。divert 与 impede 是同一热安全系统的两半,任一半单独都不闭合。
  • bandstop 变体的带宽:FIG. 61 的并联 L-C 带阻其 3 dB 带宽须”> 128 kHz”、优选 >0.5 MHz,以覆盖扫描仪制造公差与梯度分片带来的 RF 频率散布。

效果与证据

全篇无本发明馈通件的实测性能;证据是现有件的问题量级与设计指标,各层测试条件不同、不可互比,分列如下。

  • ① 钛氧化物接触电阻(实测,发明人观察):现有把电容接地端搭在钛铁氧体上,接触电阻 3 至 30 Ω 以上;刻画待解决问题的量级,非本发明性能。
  • ② phantom 温升(实测,属远端带阻件、非本馈通件):凝胶体模内运行起搏器加导线,无带阻对照导线尖端升温 30 °C,加 L-C tank 带阻降到 3 °C,断开起搏器、近端套硅胶帽后同一带阻导线回升到 11 °C;Luxtron 探头测温,体模规格与 SAR 条件未给。此实验验证的是远端带阻滤波器(US7363090B2)加外壳分流通路,且用的是现有较高 ESR 的馈通电容。
  • ③ 示意性衰减曲线(无实测刻度):FIG. 20/27/34/60 定性示极低电感 MLCC 谐振约 1000 MHz、钛氧化物接触电阻使全频段衰减劣化;FIG. 34 的 dB 值随电容量而变,专利”left blank deliberately”。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 34 —(一族衰减-频率曲线:唯有极低电感且极低电阻的 MLCC 176 能把有效衰减维持到约 3 GHz;纵轴 dB 值随电容量而变,“left blank deliberately”)

  • ④ 设计指标(权利要求限定或优选值,非实测):接地回路总电阻 <0.5 Ω(优选 <100 mΩ、<1 mΩ)、总电感 <10 nH(优选 <1 nH)、ESR <50 mΩ、安装后自谐振 >400 MHz(优选 >800 MHz)、电容 300–10000 pF、bandstop 变体 3 dB 带宽 >128 kHz(优选 >0.5 MHz)。
  • ⑤ 危害环境(库外背景):Konings 等实测谐振导丝 30 s 扫描升温达 74 °C,刻画致热危害量级。

严谨性缺口:

  • 本馈通件无任何实测性能:无衰减数、无温升、无 ESR 或回路阻抗实测;④ 全是权利要求或优选值的不等式,且未给一组把 、、 绑定的具体算例(对比同族 US8855768B1 给出实测 ESR 数)。
  • 温升数据非本件:30/3/11 °C 属远端带阻件、且用现有较高 ESR 的馈通电容;“减少远端致热”是经”分流到外壳”的必要条件推断,未闭合到本件的温度结果。该 phantom 缺”无带阻且无外壳”格,不能把降温在 impede 与 divert 间定量分解。
  • rf-heating 关联偏间接:专利明写的主诉是保护壳内电子学不受 EMI(“the genie in the bottle”、蜂窝频率),对 rf-heating(远端致热)只经能量分流到外壳这一路径附带受益,本件无远端温升实测;作 rf-heating 综述条目宜按边缘/间接关联处理。
  • 示意曲线无刻度:FIG. 20/27/34/60 无实测纵轴,谐振点频率仅定性给出。

关联

  1. larmor-frequency——MRI RF 频率由 Larmor 关系 42.56×B0 随主磁场定(概念卡)。
  2. Konings M.K., Bartels L.W., Smits H.F., Bakker C.J. Heating around intravascular guidewires by resonating RF waves. Journal of Magnetic Resonance Imaging 12(1):79–85, 2000. DOI: 10.1002/1522-2586(200007)12:1<79::AID-JMRI9>3.0.CO;2-T. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10931567/
  3. US7363090B2_Greatbatch——L-C tank 带阻(bandstop)滤波器,phantom 实验所用的远端带阻件。
  4. US8855768B1_Greatbatch——同族 diverter 电容,从 ESR 一侧压低分流阻抗并导走电容自热,与本卡低接地电阻/低回路电感一侧互补。
  5. parallel-lc-resonance——并联 LC 谐振/带阻的通用原理(概念卡)。
  6. US9468750B2_Greatbatch——远端多层同向螺旋自谐振带阻(impede 侧),明言带阻须配近端 diversion 耗散,与本卡 divert 侧互补。