AIMD · MRI-Compat KB

US11406817B2 Low equivalent series resistance RF filter circuit board for an active implantable medical device

US11406817B2 Low equivalent series resistance RF filter circuit board for an active implantable medical device

摘要

  • 问题:MRI RF 脉冲经天线效应在植入导线感应 RF 电流,在远端电极-组织界面阻性致热。近端一贯用馈通电容把 RF 分流到 AIMD 外壳,但既有电容用高 k(约 2500)barium titanate 介质、极板少(2–4 片),MRI RF 频率处 ESR 高达数欧;分流几安培时电容自身 I²R 自热经外壳把植入囊袋推过 4 °C 限值。
  • 方案:把首要分流电容改成低 k(0<k<1000)介质、多极板(常 >10 对,可达 20–100 对)的低 ESR 器件,在 MRI RF 频率呈更低阻抗、几乎不自热;本件着力于 flat-through 与 X2Y 三端封装、tombstone 竖装与滤波电路板多点无氧化接地,把电容集成到器件侧电路板上、热量经 ferrule 导往外壳。
  • 效果:无本件整件的热学实测;器件级 ESR 由 4.8 Ω(X7R 4 片)降到约 0.3 Ω(NPO >20 片),本件低 k 件扫频 64/128 MHz 处约 200 mΩ、mid-k 达 50–100 mΩ;功耗/温升(16.43 W→0.66 W、>20 °C)为设定 10 V 感应电压的算例;背景引的 30/3 °C 属所引远端带阻件、非本 diverter。
  • 形态:21 claims;三条授权独立权项(claim 1/13/21)统一收窄到 flat-through 电容 + 铂共烧气密过孔,k<1000 在 claim 1/13 为从属(claim 3/17)、在 claim 21 为独立要件;说明书另铺陈 MLCC(210)与 X2Y(210‴)封装、低 k COG/NPO 与 mid-k(约 500–700)介质、tombstone 装法、金 pocket-pad 158 / 金钎焊 154a / oxide-resistant area 248/250 接地、板内接地层 161 + RF grounding strap 264。

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 记约 21–500 MHz,按 Larmor 关系 42.56×B0 随主磁场取频,1.5 T、3 T 对应 64、128 MHz[1])经天线效应在植入导线沿线感应 RF 电流。专利把致热归为并行两路(“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 律阻性发热,后者可致组织消融、起搏阈值升高、穿孔乃至神经损伤。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 扫描升温达 74 °C[2]。

壳内电子学的既有防线,是在导线入壳点(器件侧)并联一只三端馈通电容,对高频呈低阻抗、把 RF 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。本专利要修的不是这条通路本身,而是它在现有实现里的一处致热失效:分流电容自身过热。既有 AIMD 馈通电容为求体积小、成本低,一贯用高 k 的 barium titanate 介质(k 约 2500),给定容量下只需 2–4 片极板;极板少则高频等效串联电阻(ESR)高。低功率民用干扰(手机、微波炉)下这无关紧要——只有毫瓦级电流流过;但分流 MRI 感应的几安培 RF 电流时,ESR 上的 I²R 损耗把电容烤热:发明人实测同尺寸 X7R 400 pF 4 片电容在 64 MHz 的 ESR 为 4.8 Ω,阻抗 Z≈5.41 Ω,设 10 V 感应电压则分流 1.85 A、功耗 16.43 W、温升超过 20 °C。热量经 ferrule 传到相邻外壳,4 W/kg 扫描时馈通电容正上方外壳升温 4–10 °C(发明人实测),而 FDA/CEM42 一般把囊袋组织温升限在 4 °C,脑深部等敏感组织更严。分流件遂反成致热源。

解决机理

物理原理只有一条:在导线入壳点用一只低阻抗电容把 RF 能量导入 AIMD 外壳这一 energy dissipating surface 耗散,而电容的分流效力与自身发热同由其 ESR 支配,故须把 ESR 压到极低。电容阻抗 Z=√(Xc²+ESR²):ESR 越低,Z 越低,既能从导线拉走越多能量(“maximal energy can be pulled from the lead”)、又在同一分流电流下 I²R 越小。低频端容抗 Xc=1/(ωC) 极大近似开路,起搏与感知信号照常通行;高频端近似短路,把 RF 分流入壳——低通滤波器的常规行为。

降 ESR 的杠杆经由介电常数。低 k Class I 介质的高频 ESR 是介质损耗与极板欧姆损耗之和;介质损耗随频率升高而落,10–20 MHz 以上近零(FIG. 27、28),ESR 遂由全部极板并联的总电阻支配,该总电阻按并联关系随极板数 n 反比下降(FIG. 33)。而容量由 C=k·ε₀·A·(n-1)/d 定(FIG. 22):固定容量、极板交叠面积 A 与介质厚度 d 时,降低 k 就强制抬高 n。低 k 介质因此是把极板数顶高、把 ESR 压低的手段,不是独立原理。专利把设计目标表述为让 ESR-频率的 U 形曲线谷底正落在 MRI RF 频段。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 28 —(ESR-频率的 U 形合成曲线:Class I 介质的介质损耗在低频极高、到 64/128 MHz 落至近零,极板欧姆损耗全频段近恒定,二者之和的谷底须设计落在 MRI RF 频段)

工程实现

物理杠杆落到一件事:在不让容量超标的前提下把极板数做到最多、ESR 做到最低;本件的着力点是把这只低 ESR 分流电容做成 flat-through / X2Y 三端封装,并集成到器件侧的滤波电路板上。

  • 介质选型:首选 EIA Class I 的 COG(NPO),k 约 60–90;但 k 太低会使极板数太多、电容太厚而塞不进起搏器,故发明人另开发 mid-k 介质(k 约 500–700,来源如 Dimat N4700 k=600、MRA Materials k=485),在体积效率与 ESR 间折中。授权权利要求把上界定在 k<1000,专利强调这与业界 30 年来一贯用 k>1200(常 2000–2200)的做法”completely counterintuitive”,只因 MRI 高功率分流下电容自热才成立。
  • 极板数与 ESR 指标:极板数”generally greater than 10”,可达 20、40、100 以上(mid-k 可少到 5 对);临界指标是 ESR 在 MRI RF 频率”never exceeds 2 ohms”,优选 <0.5 Ω 或 <0.1 Ω。极板可成对加倍(FIG. 35 有源+接地同加倍、FIG. 36 只加倍接地板),后者兼作把热导往 ferrule 的通路,“designed for maximal heat flow”。
  • flat-through 与 X2Y 三端封装(本件独有着力点):flat-through 电容(210″,FIG. 63–65)的电路电流不走贯穿引线,而是穿过电容自身的有源极板(terminal 1→terminal 2),EMI 分量在穿行途中被解耦到接地极板(terminal 3);因电流走极板本身,极板须多片并联、直流电阻低。X2Y 衰减器(210‴,FIG. 66–70)是双极器件,一件同时滤两根引线,兼具 line-to-line 与 line-to-ground 电容。两者都是三端器件、等效串联电感近零,故高频插损曲线比两端 MLCC 更理想——两端 MLCC 在其”self-resonant frequency”以上因感抗抬头而插损回落(FIG. 25、49)。
  • tombstone 装法与无氧化接地:flat-through / X2Y 可 tombstone 竖装于绝缘体上(“tombstone mounting position”),有源与接地极板”perpendicular in relation to an outside surface”于 ferrule(FIG. 65A–R、70C–D)。接地端须接到贵金属而非钛,因钛面氧化物稳定会带来高频接触电阻:做法有直接搭到构成气密封的金钎焊 154a、ferrule 浅槽内的金 pocket-pad 158、oxide-resistant area 248/250(可为 gold pocket、gold pad、metal addition 或 ECA stripe)、或伸入 ferrule 开口的 peninsula 139 / bridge 141 上的氧化物抗性接地引脚 142gnd。
  • 滤波电路板多点接地(本件标题所指):flat-through / X2Y 装在器件侧滤波电路板上,板内(或板面)接地层 161 兼作屏蔽层,经 via / rivet 213 多点接到 ferrule,形成低电感多点接地系统,并把散热面积扩展到 AIMD 外壳;板上宽接地走线 182 与 RF grounding strap 264(宽度”width >4 times its thickness”)进一步压低接地电感,以在 128 MHz 等更高频保持高效分流。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 64C —(flat-through 电容装在滤波电路板上的剖面:板内接地层 161 经过孔 / rivet 213 多点接到 ferrule,构成低电感多点接地并把热导往外壳)

  • 拆分首要电容:首要”work horse”电容可拆成靠近馈通的低 k FTC(210′,如 800 pF)加板载常规 MLCC(210,如 1000 pF)两处并联凑够功能容量(如 1800 pF),既减薄馈通件便于封装、又把热点摊开;两端 MLCC 的插损在自谐振频率以上回落,由零串感的 FTC 在高频”lifts up”补回(FIG. 39、49A)。作为主分流的 work horse 电容必须有源极板经气密馈通直连导线电极、其前不串电感,否则串联电感的容抗会挡住能量流出(FIG. 37、49 的 phantom 电感 L′)。
  • 铂共烧气密过孔与授权范围:授权独立权项(claim 1/13/21)把导电过孔做成”essentially pure platinum”或铂-陶瓷复合(CRMC)paste 填入绝缘体过孔、green state 共烧气密,替代钎焊导线以降成本、增可靠(FIG. 12、77、79、86–88);此为整件的气密-可靠工程要件,与 RF 分流原理正交。三条独立权项均以 flat-through 电容为要件,k<1000 在 claim 1/13 为从属特征(claim 3/17)、在 claim 21 为独立要件;说明书详述的 MLCC 与 X2Y 封装不落在授权独立权项内。本件是 US11071858B2[3] 的 continuation-in-part、共用说明书;其姊妹件 US8855768B1[4] 从接地电阻/回路电感一侧压低同一分流通路的 ESR。
  • 与带阻协同:低 ESR 分流电容可与并联 L-C bandstop(258)及 L-C trap(262)串接组合(FIG. 38、50),后二者是并联谐振带阻单元[5];分流(divert)与带阻(impede)可在同一低通网络里协同。

物理层与工程层:物理原理只有”低阻抗电容旁路把能量导入 AIMD 外壳耗散、ESR 同时决定分流效力与自热”这一条;低 k / mid-k 介质、极板加倍、flat-through / X2Y / MLCC 各封装、tombstone 装法、金钎焊 / 金 pocket / oxide-resistant area / peninsula-bridge 各接地、电路板多点接地、拆分首要电容、铂共烧气密过孔全属工程实现。flat-through 对 MLCC、三端对两端、外部对内部接地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

  • 低 k 的体积代价:同容量下极板数暴增使电容变厚、耗更多贵金属,与 AIMD 尺寸/重量/成本约束冲突;这正是业界一贯避开低 k 的原因。专利以 mid-k、拆分首要电容两手段把代价压回可落地区间,但未给最终器件的体积/成本数。
  • 两端封装的高频局限:两端 MLCC 有等效串联电感、存在自谐振频率,其上插损回落;flat-through / X2Y 三端封装零串感换来更平的高频插损,但需三端布线与电路板集成。
  • 系统边界:本件是 IPG / 近端侧的 divert,远端尖端仍需自带 impede(自谐振或 L-C tank 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。

效果与证据

全篇无本发明整件(flat-through / 低 k 结构在 MRI 内)的热学实测;证据是器件级电学量、由其推出的功率算例、与所引现有件的 phantom 温升,各层测试条件不同、不可互比,分列如下。

  • ① ESR(器件级实测):同尺寸 400 pF 电容,X7R(k≈2500)4 片极板在 64 MHz 测得 ESR 4.8 Ω,改 NPO(k 60–90)>20 片测得约 0.3 Ω,“sixteen to one reduction”;FIG. 29 为 2000 pF X7R 的实测损耗表(1 kHz DF≈1592 Ω、1 MHz ESR≈2.02 Ω、10–500 MHz ESR 约 0.59→0.44 Ω),FIG. 30 为同容量 COG 在 100 MHz ESR≈0.20 Ω(X7R≈0.45 Ω);FIG. 31 是本件低 k 馈通电容 210 经 Agilent E4991A 的实测扫频,64、128 MHz 处 ESR 约 200 mΩ,mid-k 曲线(k≈500–700)10–100 MHz 达 50–100 mΩ。此层度量的是电容 ESR,非温度。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 31 —(本件低 k 馈通电容 210 的 ESR-频率实测扫频,Agilent E4991A:低频约 6 Ω,到 21 MHz 以上因介质损耗趋零而压平,64/128 MHz 处约 200 mΩ;mid-k 曲线 137 在 10–100 MHz 达 50–100 mΩ)

  • ② 功耗与温升(算例,非实测):设 64 MHz 感应 10 V,X7R(Z=5.41 Ω)分流 1.85 A、功耗 16.43 W、温升超过 20 °C;NPO(Z=2.51 Ω)因导线特性阻抗上压降使端电压落到 3.71 V、分流 1.48 A、功耗 0.66 W。系基于等效电路的推导示例,非本件实测。专利另处给 4 W/kg 扫描下 AIMD 输入感应 16–20 V、diverter 承受 0.5–4 A(乃至 6 A)的量级。
  • ③ 外壳温升(发明人实测,条件未详):4 W/kg 扫描时馈通电容正上方外壳升温 4–10 °C;未给体模规格、SAR 以外的序列参数、样本量或电容型号(k 值),不能归因到某一 ESR 档。
  • ④ phantom 温升(实测,属远端带阻件、非本 diverter):凝胶体模内,无带阻对照导线尖端升温 30 °C,加 bandstop 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)。此实验验证的是远端带阻滤波器[7]加外壳分流通路,佐证”the housing of the AIMD acts as part of the system”,非本低 ESR 电容的性能。

严谨性缺口:

  • 本件无热学验证:低 ESR flat-through / 低 k 电容降低外壳/囊袋温升,是经”ESR↓→自热↓、分流↑“的算例推断的必要条件,未闭合到本结构的温度实测;FIG. 31 度量的是 ESR(器件电学量),非某一整装 AIMD 在 MRI 内的温升。
  • 授权范围窄于说明书主线:三条独立权项统一以 flat-through 电容 + 铂共烧气密过孔为要件,k<1000 在 claim 1/13 仅为从属;说明书倾力铺陈的低 k / 低 ESR 通用原理、以及 MLCC 与 X2Y 封装,并不都落在授权独立权项内。标题与摘要标举的低 k / 低 ESR 广义原理,比实际授权的结构要宽。
  • 温升数据非本件:④ 的 30/3/11 °C 属远端带阻件、且用现有较高 ESR 馈通电容;该 phantom 缺”低 ESR flat-through diverter”格,不能把降温在 impede 与 divert、高 ESR 与低 ESR 之间定量分解。③ 的 4–10 °C 是现有件的问题量级,电容 k 值未标,未做低 ESR 件的对照温升。
  • ESR 指标为设计声明:权利要求与实施例的 ESR 数(<2 Ω、<0.5 Ω、<0.1 Ω)是设计目标/范围声明,mid-k 的 50–100 mΩ 是器件级测量,均未系到某一具体整装样品在 MRI 内的实测。

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. US11071858B2_Greatbatch——本件所继承的母件(本件为其 continuation-in-part),同族共用说明书,其授权独立权项以铂直接气密封于绝缘体过孔为要件。
  4. US8855768B1_Greatbatch——同族 low-ESR diverter 电容,从接地电阻/回路电感一侧压低同一分流通路的 ESR。
  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。
  7. US7363090B2_Greatbatch——L-C tank 带阻(bandstop)滤波器,phantom 实验所用的远端带阻件。