US20120109261A1 Protecting an implantable medical device from effects caused by an interfering radiation field

摘要

• 问题:MRI 等外部辐射场可在 IMD 的 telemetry antenna 与 telemetry conduction path 中感应 RF 电流；干扰沿该通路进入壳内后，可扰乱 telemetry circuit 及其他电子电路，并改变治疗递送。
• 方案:在 telemetry conduction path 上并接电气长度约为干扰信号四分之一波长的开路 stub filter。开路端产生的反射波往返半个波长后，在接入点与进入 stub 的波反相；高介电常数介质缩短导波波长，使该分布参数结构可装入 connector block 或 housing。
• 效果:设计频点覆盖 MRI RF 干扰，telemetry 的 402–405 MHz 信号作为 passband 通过；专利给出的 64 MHz 尺寸算例为介电常数 9500、stub 物理长度 0.47 in。
• 形态:35 claims；stub 可采用单导体或带 secondary conductor 的结构，可布置在 telemetry feedthrough、protection circuit、impedance matching circuit 的不同侧，并可用多只 stub 覆盖多个频点或逐级衰减同一频点。

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

Telemetry antenna 12 位于 housing 外，借 telemetry conduction path 16 与壳内 telemetry circuit 14 相连。MRI RF 场可在 antenna 12、conduction path 16 或两者中感应 interfering signal；该信号可表现为 induced current，并沿 conduction path 进入 telemetry circuit。专利把后果限定为内部电路工作受扰与治疗递送改变，属于 rf-malfunction 路径。

Telemetry feedthrough 为保留约 400 MHz 的 RF telemetry 而省略 electrode feedthrough 所用的宽带 feedthrough capacitor；该电容会把目标 telemetry 信号一并分流至 housing。方案因而在 MRI RF 频点形成 stopband，同时保留 402–405 MHz passband。

本篇的完整器械实施例为 cardiac therapy system 210，telemetry 保护结构位于 IMD 216 的 connector block 234 与 housing 260。说明书另将 neurostimulator、deep brain stimulator 与 spinal cord stimulator 列为适用器械；其直接作用点仍是 IPG telemetry path，而非植入导线或电极-组织界面。

四分之一波长开路 stub 的阻断机理

Stub filter 18 在 junction 34 处并接至 main line conductive path 32。干扰波 52 到达 junction 后，一部分作为 incident wave 54 沿 conductor 44 传播至开路端 50；开路端的反射系数近似 +1，reflected wave 56 在端部与 incident wave 同相。Stub 电气长度约为 (\lambda_g/4) 时，反射波往返传播的相移为 (\pi)，回到 junction 34 后与 incident wave 54 反相，形成 filtered signal 58（FIG. 2、FIG. 3）。

[推导] 对具有明确回流导体的理想无损 transmission line，开路 stub 的输入阻抗为

$$Z_{\mathrm{in}}=-j{Z}_0\cot (\beta l).$$

当 (l=\lambda_g/4)、(\beta l=\pi/2) 时，(Z_{\mathrm{in}}\to0)：远端开路经四分之一波长变换后，在 junction 呈现近似 RF 短路。由反射波解释与输入阻抗解释得到同一频率选择性；前者描述相位相消，后者说明该 shunt branch 为何在设计频点形成 notch。

[推导] 理想无损结构不会消灭 RF 能量；junction 的近短路使入射能量主要反射回 antenna/source 侧。介质损耗、导体损耗、junction 不连续和端接失配决定实际耗散与残余透射。专利把 FIG. 2 与 FIG. 4 明定为非 “mathematically or physically rigorous depiction”，故图中 filtered waveform 的近零幅值只能作为机理示意。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 2 — interfering wave 52 在 junction 34 分入开路 stub，reflected wave 56 返回后形成 filtered signal 58。

Medtronic 的并联 LC 方案同样利用窄带频率选择性保护 IMD；对照方案在谐振点以高阻抗串联阻断，本篇以分布参数开路 stub 在接入点变换出低阻抗 shunt[1]。Greatbatch 的双级 EMI filter 采用 feedthrough capacitor 与 MLCC 将宽频 RF 分流至 housing[2]。相较这两种库内方案，本篇的工程路线是高介电常数压缩的 quarter-wave stub，并以 notch 避开 402–405 MHz telemetry band。

工程实现

FIG. 7 的 stub filter 120 由 conductor 122 与 dielectric 124 构成：end 126 接入 telemetry conduction path，end 128 保持 open circuit。Conductor 可为铜、银或金，可做直线、弯曲、coiled 或 helical 形态。Dielectric 124 包围 conductor 122，用降低导波波长的方式压缩满足 (\lambda_g/4) 的物理长度。

FIG. 8 给出回流边界更明确的结构：main conductor 132 外为 dielectric 134，secondary conductor 136 包围 dielectric，insulative shield 138 再包围 secondary conductor。两导体在 end 140 分别接至 telemetry conduction path 的 main 与 secondary conductive paths，在 end 142 均保持开路，构成 “open circuit terminated” transmission line。Secondary path 可接 RF ground，并可经电容耦合至 IMD housing。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 8 — main conductor 132、dielectric 134、secondary conductor 136 与 shield 138 构成带明确回流导体的开路 stub。

物理长度由导波波长决定。[推导] 在低损耗、非铁磁介质近似下，

$${\lambda }_g\approx \frac{c}{f\sqrt{{\epsilon }_r}},l\approx \frac{{\lambda }_g}{4}.$$

专利的 64 MHz 算例取 (\varepsilon_r=9500) 的 Z5V barium titanate，得到 (\lambda_g=1.89\ \mathrm{in})、(l=0.47\ \mathrm{in})；claims 将介电常数限定至不低于 9000，并将 conductor 长度限定为小于 0.5 in。正文还按 500、1000、5000、9000 逐级列出可选介电常数下限。

Stub 可接在 telemetry antenna 12 与 telemetry circuit 14 之间的多处。FIG. 6 将 feedthrough assembly 90、protection circuit 92、impedance matching circuit 94 依次置于通路中；stub 可接 conductors 96、98、100 或 102。FIG. 13 的实例把 stub 18 接在 antenna 12 与 telemetry feedthrough 90 之间的 conductor 96，并完全置于 connector block 234；换到 feedthrough 的壳内一侧后，stub 可完全置于 housing 260。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 13 — quarter-wave stub 18 在 connector block 234 内接至 conductor 96，保护 housing 260 内的 telemetry circuit 14、processor 292 与 electrode circuitry 296。

多频方案为 1.0 T、1.5 T 与 3.0 T MRI 分别配置 stub；同频方案把两只以上 stub 接在同一或不同位置，由后级衰减前级 filtered signal 中的残余分量。

取舍与适用边界

• 尺寸与介质稳定性:提高 (\varepsilon_r) 可把 64 MHz 的 quarter-wave 从自由空间超过 1 m 压缩至 0.47 in；专利同时指出高介电常数材料对温度更敏感，并以植入体温度相对稳定作为成立条件。
• 选择性与正常通信:stopband 对准 MRI RF 频点，402–405 MHz telemetry band 保持传输。多个场强需要多只不同长度的 stub，实际占用空间还取决于导体弯折、secondary conductor 与安装间距。
• 保护边界:stub 位于 telemetry path，目标是降低进入壳内电路的 RF 干扰。双侧 DBS 或皮层刺激系统可在 IPG telemetry 接口采用该思路；导线电极处的 RF heating、感应刺激与两侧导线路径不对称属于另一组耦合问题。
• 回流边界:FIG. 8 的双导体结构可定义 (Z_0) 与 (\lambda_g)；FIG. 7 的单导体画法需要周围导体或寄生回流路径才能构成完整 transmission line [推导]。

效果与证据

• ① 尺寸计算，64 MHz:非铁磁介质、(\varepsilon_r=9500)；专利计算导波波长 1.89 in，quarter-wave conductor 长 0.47 in。证据等级为公式设计例。
• ② 频点与 passband，权利要求/设计目标:claims 分别列出约 45、64、128 MHz 的 interfering signal，并要求 402–405 MHz telemetry signal 可通过。证据等级为功能性限定。
• ③ 波形相消，概念模型:FIG. 2、FIG. 3 以 incident/reflected wave 在 junction 反相表示 filtered signal 近零；说明书把两图限定为不按比例的非严格示意。
• ④ 系统集成，器械实施例:FIG. 13 将 stub 置于 connector block 的 antenna-feedthrough 区段，并把 telemetry circuit 14、processor 292、electrode circuitry 296 列为受保护负载。证据等级为 layout disclosure。

严谨性缺口:

• 无 bench、MRI scanner、phantom、animal 或 implant telemetry 实测，也无电磁/SPICE 仿真；内部电路是否避免 reset、误感知、therapy alteration 或元件损伤未以终点数据检验。
• 无 (Z_0)、介质损耗角正切、导体损耗、junction 寄生参数、负载阻抗、notch depth、3-dB bandwidth 或 402–405 MHz insertion loss，0.47 in 算例只能核定理想电气长度。
• “near 100 percent efficiency” 的开路反射与 junction 处完全相消均为理想化陈述；制造公差、体温变化、组织与 housing 对有效介电常数的扰动未进入误差预算。
• 1.0 T 频点在说明书多数位置及 claims 6/23 写为 45 MHz，段落 0096 写为 4.5 MHz；该频点在定稿前为 [待确认]，不同写法不可作为两个设计频率。
• 多 stub 的相互加载、安装位置对 antenna matching 与 protection circuit 92 的影响未建模；同频级联是否提高总衰减亦无数据。
• Neurostimulator、DBS 与 SCS 只列为可应用器械，器械实施例与元件布置均来自 cardiac IMD；对 DBS telemetry 架构的尺寸和匹配可行性仍需器件级验证。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US20120109261A1/en
• 危害:rf-malfunction

1. US6925328B2_Medtronic——同属 Medtronic 的 MRI filtering 专利，以并联 LC 谐振高阻抗保护 IMD 与导线。
2. US9251960B2_Greatbatch——以 feedthrough capacitor 与 MLCC 构成双级 EMI 分流，兼顾 rf-heating 与 rf-malfunction。