US11458321B2 Implantable medical device coils

摘要

• 问题:IMD 的充电或遥测线圈在正常工作态同向串联,外部电磁场在各子线圈产生的感应量相加;MRI 暴露可能使感应电流、端口电压或温度超过阈值,造成器件效率下降、患者不适或电源过充。
• 方案:传感器监测温度、电流或电压,处理电路在越阈后驱动 switching circuitry,把两个或更多子线圈由 series-aiding 接线改为 series opposition,以反向感应电动势压低净感应量。
• 效果:等容量双线圈在相同场强和取向下可近似完全抵消;非等容量或多线圈配置保留部分感应量,用于降额充电或遥测。证据等级为拓扑分析与控制概念。
• 形态:20 claims;明确覆盖 DBS 与 SCS IMD,线圈可置于壳体表面、overmolding、IC frame 或壳体内部,也可制成 printed trace、stacked、nested coplanar 或 helical 结构。

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的结论,非专利原文;[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

充电线圈 14B 通过外部 charging device 28 的交变磁场取得能量,感应交流经 half-wave 或 full-wave rectifier 转为直流后送入 power source 64;遥测线圈 14A 则连接 telemetry circuit 54。正常态下,processing circuit 52 令 switching circuitry 56A/56B 把同组子线圈同向串联,各线圈在外场中产生的感应量共同施加到充电或遥测前端(FIG. 2)。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 2 — IMD 内 processing circuit、telemetry/stimulation circuit、两组 switching circuitry、sensors、telemetry/recharge coils 与 power source 的功能连接。

专利用“induced currents”相加描述此过程。对单一串联回路,更准确的集总表述是各线圈感应电动势先相加,回路电流再由总阻抗决定:

$$V_{\mathrm{net}}=\sum _k{s}_k{V}_k,I_{\mathrm{loop}}=\frac{V_{\mathrm{net}}}{Z_{\mathrm{tot}}},s_k\in \{+1,-1\}$$

[推导] 同向串联时 $s_k$ 同号,净感应电压增大;MRI 场使 $V_{\mathrm{net}}$ 足够高时,回路电流可使 IMD 或邻近组织温度上升,并可向 power source 64 施加不希望的电压。专利把 temperature、current、voltage 作为感应能量过大的可检测代理量。

反向串联抵消机理

两个子线圈在相同电磁场中具有相近取向、匝数、半径、pitch 与 spacing 时,感应电动势的幅值和相位近似相同。switching circuitry 翻转其中一只线圈相对于端口的接线后,两项在 $V_{\mathrm{net}}$ 中异号:

$$V_{\mathrm{net}}=V_1-V_2$$

[推导] 当 $V_1\approx V_2$ 时,端口净电压与回路电流趋近于零;抵消依赖两线圈的磁通链幅值和相位匹配,不只依赖直流电阻或几何面积。专利对三线圈实施例把“uniformly exposed”定义为线圈取向相近且所受场的幅值、方向近似相等,这是完全抵消的场分布前提。

这一物理机理并非本专利独有。MED-EL 的 US6348070B1 已用固定反平行等电感双线圈抵消均匀 MRI RF 场中的感应电压,并利用外部发射线圈近场的不均匀性维持经皮供能[1]。本专利的工程差异是保持线圈物理绕向可相同,由传感器、处理电路和开关按暴露状态改变端接极性;正常态取最大充电/遥测能力,越阈后才进入抵消态。

双线圈接线与控制

FIG. 3A–3B 的线圈 114A/114B 具有 input 106A/106B 与 output 108A/108B;input/output 只标记相对全局绕向的端点,不表示交流电流的固定流向。series-aiding 状态为 terminal 110B → input 106B → coil 114B → output 108B → input 106A → coil 114A → output 108A → terminal 110A。series-opposition 状态改为 terminal 110B → output 108B → coil 114B → input 106B → input 106A → coil 114A → output 108A → terminal 110A,使 first current 116 与 second current 118 在端口效应上相反。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 3A–3B — switching circuitry 156 将同向绕制的双线圈 114A/114B 在感应相加与反向串联抵消之间切换。

sensor 58 可直接测 current 或 voltage,也可用 thermocouple、thermistor 或 infrared sensor 测 IMD、housing、coil 或邻近组织的温度。处理电路可在第一阈值越限时切到 opposition,在较低的第二阈值恢复 series,形成温度或电流迟滞;另一变体按越阈速率选择固定抑制时长,说明书举 15 min、1 h 与 2 min 为控制示例。多个传感器可联合判定,如电流越阈且温度同步越阈后再切换,以过滤瞬态尖峰。

非等容量与多线圈调节

两线圈若故意不等容量,反向串联后的残余感应量由差值决定。专利举 114A 比 114B 多一匝、容量约高 10% 的例子:抑制态仍可低速充电,或以较短通信距离维持遥测。代价是净感应量不再趋零,热安全余量与可用功能由同一容量差共同决定。

三线圈 214A/214B/214C 通过选择哪一组反接实现多档调节(FIG. 4A–4B)。在一组概念配置中,214A 占总容量 50%,214B 占 35%,214C 占 15%,使 214A 与 214B+214C 相反时近似完全抵消;只反接一部分线圈则保留中间净感应量。FIG. 7 的控制流程按第一、第二温度阈值在最大抵消、部分抵消与全串联之间切换,温度未下降时还可短暂恢复 series 发出 alarm 后再回到抑制态。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 4A–4B — 三线圈 214A/214B/214C 的全串联与部分反向接线,以容量组合形成完全或分档抵消。

结构实现、权利要求与取舍

FIG. 5A 把线圈 314A/314B 固定在金属 housing 310 外表面的 recess 316 内并加 overmolding,以减少壳体对收发场的遮蔽。FIG. 5B–5C 把线圈 414A–414D 以 stacked 或 nested coplanar 形式装入 IC frame 402,通过 perimeter 404 上的 conductive pads 406 与 PCB、switching circuitry 相连。FIG. 5D 可把 coil 514 印在壳体或内部 component 502 的一个或多个表面;FIG. 5E 的 helices 614A/614B 可分轴或共轴,共轴时以半径和匝数配平容量。上述结构共用端口极性切换原理。

claim 1 的必要组合是 housing、processing circuit、两只感应线圈、sensor 与 switching circuitry,保护重点为按感测参数改变一只线圈与另一只线圈端点的连接。claims 7–12 分别收窄到相似半径/匝数,current、voltage、temperature、charging signal 与 data signal;claim 14 保护相应方法。DBS 的 lead 20A 与 electrodes 22A/22B、SCS 的 lead 20B 与 electrodes 22C/22D 只说明治疗系统形态(FIG. 1A–1B),抵消元件位于 IMD 壳体侧。

[推断] 对 DBS/SCS,该方案直接作用于 IPG 的 WPT/telemetry coil 发热与过压;长导线 20A/20B 的 RF 电流路径和远端 electrode-tissue 界面温升属于另一危害路径,需独立证据评价。主动切换以 sensor、processing circuit 与 switching circuitry 在强 EMI 下保持供电、测量与执行能力为工程前提。

效果与证据

• 双线圈拓扑论证(FIG. 3A–3B):条件为 114A/114B 物理尺寸近似相同、处于近似相同外场且取向相近。专利报告反向接线可使 first current 116 与 second current 118 基本相消;证据形态为 conceptual schematic。
• 多线圈控制例(FIG. 4A–4B、FIG. 7):条件为各线圈容量按预定比例组合,以温度或其他参数阈值选择全串联、部分抵消或最大抵消。50%/35%/15%、多档容量与阈值流程的证据等级均为概念例示。
• 传感与定时例(FIG. 6–7):条件包括第一/第二阈值、固定抑制时段或多传感器联合判定。双阈值迟滞、15 min/1 h 固定时段与 2 min 降额充电均为控制参数示例。
• 结构可实施性(FIG. 5A–5E):recess、overmolding、frame、pads、printed trace 与 helical coil 均以 conceptual view 说明安装选择,证据等级为结构提案。

严谨性缺口:

• 无 MRI 测试条件:未报告场强、RF 频率、coil/IMD 朝向、phantom、SAR/B1+rms、序列或暴露时间,无法对应 ISO/TS 10974 或 ASTM 热测试。
• 无热学与电学结果:未给温升曲线、组织温度、感应电压/电流、削减比、充电效率、遥测距离、过充或器件损伤数据;全文也无 SPICE、FEM、全波或热仿真。
• 电路模型不完整:用“电流相加/抵消”代替串联感应源与总阻抗模型,未给 mutual inductance、线圈阻抗、整流/负载阻抗、寄生电容或开关阻抗;不同安装形态下的幅相失配没有界定。
• 热沉积路径未建模:线圈铜耗、整流器与电源损耗、外壳传热及组织热沉积的份额没有分解。
• 控制安全未闭合:阈值、迟滞宽度、测温位置误差、cumulative thermal dose 算法、switching transient、触发延迟、开关耐压、fail-safe state 和 EMI 下的误动作均无验证。
• 多线圈数字内部不一致:[待确认] raw 的 30%/20%、50%/35%/15% 与部分档位百分比不能由同一带符号容量模型一致复现,不宜用于定量设计。
• 危害覆盖有限:证据只支持壳体侧线圈感应量的概念性抑制,未建立到 lead-tip heating、组织温升或 MR-conditional 通过条件的验证链。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US11458321B2/en
• 危害:rf-heating

1. US6348070B1_MED-EL——固定反平行等电感双线圈在均匀 MRI RF 场中抵消感应电压,用于对照本专利的传感器触发式端接切换。