US6675033B1 Magnetic resonance imaging guidewire probe

摘要

• 问题:含钢或磁性材料的常规导丝在 MRI 中造成显著图像伪影,并可能因磁场作用下的意外移动或感应 Ohmic 致热伤及患者;换成聚合物则在 MR 图像上难以显现;既有腔内天线过粗,且更换介入器械时须把天线整根撤出体外。
• 方案:非磁性超弹芯 101、第一介电层 102、屏蔽 103 与可选第二介电层 104 组成同轴探头轴,屏蔽终止处以远的裸露段作接收天线(线性 whip 106、螺旋 whip 306 或组合 whip 206);屏蔽做成一系列 balun 139 或调谐 bazooka,在发射频率对共模电流呈高阻抗;接口盒以 PIN 二极管 623 完成发射期解耦、以电感 625 与电容 627 完成接收匹配;外径不超过探头的可拆连接器允许不撤导丝更换器械。
• 效果:裸线在水中的最优 whip 长度报告为 4–12 cm,判据是屏蔽终止处天线阻抗实部最小、约 0.25 倍介质波长或更短;quadrature 的 50% RF power deposition 下降与最高 40% SNR 提升为援引的一般天线性质;无图像、温升或 SNR 的器械级实测。
• 形态:73 项权利要求;探头总径 0.010–0.040 in;接口盒以 63.9 MHz 为调谐示例。

原理与方案

标注:引号内英文 = 专利 raw 原文;[推导] = 由专利参数与天线/电路模型推出;[推断] = 按常识判断、专利未述;[待确认] = 专利未给、需另行定夺。

失效机理

材料磁响应致伪影。 专利只陈述常规导丝含 steel 或磁性材料因而造成 “significant image artifacts”,未给成像链上的机理。[推断] 该机理是器械材料与周围组织的磁化率失配在器械附近扰动 B0,自旋进动频率偏离标称值,读出方向上出现像素错位,梯度回波序列中还因体素内失相而出现信号丢失。

可见性与伪影同源。 非磁性聚合物导丝没有这一失配,代价是 “cannot easily be visualized by MRI”。被动可视化靠改动器械材料制造局部场扰动并把它当作定位信号,定位精度取决于 “a second remote detector coil” 的 SNR,而同一改动也扰动邻近组织的成像。器械可见与邻近组织不失真在这条路线上互相排斥。

共模感应电流致热。 体线圈在 Larmor 频率发射,1.5 T 下专利取 63.9 MHz[1];沿探头的芯与屏蔽这类细长导体建立分布感应源并驱动共模电流,损耗按 $I^{2}R$ 沉积在导体电阻与裸导体-组织界面。耦合强度随导体电气长度接近组织中的谐振长度而上升[2]。专利把风险表述为 “induced Ohmic heating”,并在屏蔽设计处指出屏蔽在远端中止虽给出 “a stronger signal from the antenna”,却可能在人体内带来 “detrimental effects”。

解决机理

可见性改由主动接收提供。 屏蔽终止处以远的裸露导体作接收天线,器械的可见性来自它自身拾取的邻近自旋 MR 信号,而非它对邻近自旋的扰动;claim 1 把天线 “visible on a magnetic resonance” 图像列为独立权利要求的要件。可见性因而与材料磁响应脱钩,芯与屏蔽得以全部取非磁性导体(Nitinol、金、银、铜、铝),把磁化率失配这一项从伪影来源中移除。专利称这条路线为 “active visualization”。

共模电流抑制的物理原理只有一条:在共模路径上以谐振网络插入高阻抗。 感应源给定时共模电流约为感应电动势与共模阻抗之比,提高后者即压低前者 [推导];并联 LC 在谐振点呈高阻抗[3],本篇把这一阻断用在传输线的外导体侧而不是信号回路里。集总实现在接口盒:电容 613 与 coil 615 的屏蔽电感组成调谐电路,使探头屏蔽 103 在接口盒附近 “present a high impedance to current flow”。分布式实现在探头轴上:分段的 tertiary shielding 451 经电容 471 桥接到 primary shielding 461,构成一系列 balun 139。[推断] 每一分段自身的电感与桥接电容 471 构成同类谐振单元,使高阻抗沿轴分布而非集中在近端一点。调谐形式的 balun 即 bazooka,专利称其可 “reduce the induced currents on the wire”,并 “may also decrease” 探头在体内引起 “excessive Ohmic heating” 的风险。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 4 — 分段的 tertiary shielding 451、primary shielding 461 与桥接电容 471 组成的一系列 balun 电路 139。

发射期解耦按扫描时序切换阻抗态。 coil 615 中心导体的电感与电容 613 组成的调谐电路用于 “decouple the probe from the imaging pulses”;扫描仪在发射期经连接器 619 施加直流使 PIN 二极管 623 导通,电容 621 调到此时 “maximize probe impedance”。接收期由电感 625 与电容 627 把探头匹配到 “10 to 80 Ohm impedance of the MRI scanner amplifier”。balun 全程有效,PIN 解耦只在发射期有效,接收期探头必须回到匹配态。

工程实现

探头轴分层。 由内而外为核心 101、第一绝缘/介电层 102、屏蔽 103、可选第二绝缘/介电层 104,构成探头轴 105。核心 101 取超弹 Nitinol 丝镀金-银-金,亦可用金、银、铜、铝的单层或多层镀覆或 MR 兼容不锈钢;非金属芯(碳、玻璃纤维、聚合物)镀 RF 良导体见 claims 56–59;铝芯可直接氧化出第一介电层。介电材料可取 PEBAX、Nylon、Teflon、聚氨酯、FEP、PVDF 或氧化铝,claim 39 限定第一介电层为 “low dielectric loss, low dielectric constant material”。介电层厚度用于 “control the impedance of the cable formed”,阻抗可沿轴变化,例如近端 111 低于远端 109。屏蔽 103 可为编织、网状或连续管,连续管例为 “gold-silver-gold plated Nitinol hypotube”;claim 47 允许屏蔽本身由螺旋线圈构成,FIG. 15 的第二螺旋线圈 408 在点 513 接屏蔽并可整体或部分取代屏蔽 103,FIG. 16E 再以第二介电层 104 覆盖 408 隔开体液。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 2 — 核心 101、第一介电层 102、屏蔽 103 与覆盖 whip 的第二介电层 104 的同轴剖面。

whip 形态族。 线性 whip 106 可带弯或钩以进入复杂血管(FIG. 3),也可做成带状或桨状(FIG. 16)。螺旋 whip 306 由螺旋线圈 208 单独构成并电连接到核心 101(FIG. 7),可在部分匝内加芯 217 调柔度(FIG. 9),该芯可导电或不导电、通常非磁性。组合 whip 206 把螺旋线圈 208 套在线性 whip 106 外并在一点 213 或多点电连接,连接点可取近端 223 或远端 215,两段同时作天线,给出 “higher SNR without increasing physical size”(FIG. 5、FIG. 6);两者之间可加薄绝缘 210。不作电连接时(FIG. 8)螺旋线圈只提供机械性能。螺旋段的线圈直径可沿轴渐变:远端 415 收细以增柔(FIG. 11)、近端 515 收细以增远端刚度(FIG. 12)、两端均收细(FIG. 13);匝间距同样可变,近端密、远端疏的排布给出 “greater electrical length” 而保留疏绕的机械性能(FIG. 28)。纯螺旋 whip 因无直段而更易变形,专利称其 “less likely to puncture vessel walls”。探头轴远端 109 也可做锥度改善与 whip 的过渡(FIG. 14)。

接口盒与连接器。 接口盒 601 为屏蔽盒,由隔板 605 分成两腔 607 与 617,元件均非磁性;探头接到同轴连接器 611;coil 615 由 “1 mm diameter solid-shield, 50 ohm coaxial cable” 绕成,长 5–10 cm,其屏蔽电感与中心导体电感分别用于屏蔽平衡与探头解耦,屏蔽端接到隔板 605。匹配由网络分析仪接在 617 处、调电容 627 完成,专利注明这些数值为示例。连接器外径 “no larger than guidewire probe diameter” 是能沿导丝送入球囊或支架器械的前提;FIG. 17–20、24、25 为直接电接触形式,其中 FIG. 18 的卡扣 1006 与 FIG. 24–25 的夹持式允许导丝在连接状态下自由旋转。接触面沾血或体液会使性能退化,故 FIG. 21–23 改用电磁耦合:两端各置螺线管线圈 2005(FIG. 21)、同轴内导体延伸 2105 对置螺线管 2107(FIG. 22)、或两端环形线圈 2305(FIG. 23);此类连接同时给出直流隔离——“Any direct current from one connector will not appear on the other.”

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 26 — 接口盒 601 中电容 613 与 coil 615 的屏蔽平衡、PIN 二极管 623 与电容 621 的发射期解耦、电感 625 与电容 627 的接收匹配。

装配顺序。 第一介电层 102 以挤出、拉拔或热缩管附到镀层 Nitinol 芯上;屏蔽 103 以编织、电镀、涂覆或溅射加上,留出一段裸露作 whip,亦可用金属 hypotube 代替编织以增加轴的刚度;再加第二介电层 104,近端 111 装连接器,最后可加润滑涂层降摩擦。whip 与探头轴可一体成形,也可分件后以焊接、导电胶或卡接结合。

同族的针形态。 库内同族卡把同一分层、balun 与接口网络架构用在经房间隔穿刺针上,远端裸段兼作 whip 与穿刺端,并记其为本篇导丝探头架构的 continuation-in-part[4];两篇共有的结构因此不能作为跨厂商共识的证据。

取舍

• 屏蔽覆盖长度:屏蔽在远端中止增强天线信号,同时增加体内不利耦合;安全侧因而全部压在 balun 与发射期解耦网络上。
• 第二介电层 104:它避免把裸金属柱直接送入血液与组织,却 “decreases the effective dielectric constant”,工作波长与最优 whip 长度随之增大而超出 4–12 cm,同时加粗外径、限制小血管使用。claim 25 给出的补偿手段是按生物相容覆盖层选取螺旋线圈的电气长度,即用绕制把较长电气长度装进较短物理长度。
• 最优接收长度与致热谐振条件重合:最优长度按屏蔽终止处 “minimizes the real component of the impedance” 取,约 “0.25 or less times the electromagnetic wavelength”。[推导] 按 loopless 天线的通行构造,屏蔽外表面与裸露 whip 各为一极,whip 取 0.25 倍介质波长时整体电气长度接近组织中的半波长,正落在导线 RF 耦合与尖端致热增强的区间[2]——接收最优点与致热最不利点在几何上重合。
• quadrature 数字的适用范围:50% RF power deposition 下降来自发射端的圆极化激发,本探头是接收器械,发射由体线圈完成。[推导] 该数字不构成本探头降低组织功率沉积的依据,可迁移的只有 SNR 与取向无关性两项。
• 器械定位:这是术中接入扫描仪的主动接收导丝,不是长期植入的治疗导线。对 DBS 双侧皮层导线可迁移的是非磁性导体选材与调谐共模高阻抗两点;whip 天线、外置接口盒与换械连接器依赖体外连线与术中操作,不可迁移。

效果与证据

• ① 天线长度｜裸线水中:最优 whip 长度报告为 “approximately 4-12 cm”,条件为 “a bare wire loaded in water”;判据是在 “the point where the shield ends” 测得的天线阻抗实部最小,长度通常为 “0.25 or less times the electromagnetic wavelength”。加第二介电层后只给长度增大的方向,未给量。
• ② 接口网络｜63.9 MHz 示例:coil 615 为 5–10 cm、1 mm 径的 50 Ω 实心屏蔽同轴线绕成;电容 613 与 “the inductance of the shield of coil 615” 调谐用于屏蔽平衡;电容 621 在 PIN 二极管 623 导通时 “maximize probe impedance”;电感 625 与电容 627 匹配到 10–80 Ω。证据内容为器件规格与调节方法。
• ③ quadrature 陈述｜一般天线理论:螺旋线圈在 “normal mode where polarization occurs orthogonal” 于螺旋轴的条件下可检测进动横向磁化的 “two orthogonal components”,专利据此援引 quadrature 设计的 “50% reduction in RF power deposition” 与 “up to a 40% increase in signal to noise ratio”;陈述对象是天线几何的一般性质。
• ④ 尺寸与材料｜权利要求限定:探头总径 claim 37 为约 0.010–0.040 in,claim 38 放宽到 5/1000 in 至 0.5 in;claim 43 限定天线为 loopless;claim 44、45 覆盖 balun 与调谐 balun;claim 53 限定超弹材料为 Nitinol,claim 49 限定金银交替镀层。

严谨性缺口:

• 无图像证据:没有伪影尺寸、序列参数、体模或在体图像;claim 1 的 “visible on a magnetic resonance” 也未给可见性判据。image-artifact 侧的全部依据是背景段对钢制导丝与聚合物导丝的定性对比。
• 无热学证据:没有温升、SAR、感应电流或功率沉积的测量,balun 的效果止于 “reduce the induced currents on the wire” 与对过热风险的 “may also decrease”。
• 抑流网络无电参数:balun 139、电容 471 与分段屏蔽 451/461 没有电容值、谐振频率、共模阻抗或抑制比;接口盒的 613、615、621、625、627 同样只有拓扑与几何,没有 L、C、Q 或带宽。
• 接口盒调谐目标的两处表述不相容:一处要求对屏蔽电流 “present a high impedance to current flow”,另一处写电容 613 选到使网络阻抗 “matches the impedance of the shielding” 103;阻抗匹配与高阻抗抑流是相反的端接条件,专利未说明二者如何同时成立。
• 最优长度与安全未联立:0.25 倍波长的判据只按接收阻抗取,专利未讨论该长度在发射期的感应电流后果,也未给 balun 生效后天线的等效共模阻抗。
• quadrature 数字无器械级条件:50% 与 40% 没有对应的测量装置、序列或对照,不能作为本探头的性能。
• 形态族与证据不对应:线性、螺旋、组合三类 whip、锥度与匝距渐变、五类连接器均只给结构描述;除 4–12 cm 外,没有任何一种形态的实测电学或成像结果。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US6675033B1/en
• 危害:rf-heating
• 危害:image-artifact

1. larmor-frequency——质子进动频率 $f=\gamma B_0$,1.5 T 对应约 63.9 MHz(概念卡)。
2. lead-resonant-length——细长导体在组织中的谐振长度,及 RF 耦合与尖端致热的长度依赖(概念卡)。
3. parallel-lc-resonance——并联 LC 在谐振点呈高阻抗(概念卡)。
4. US7551953B2_Boston-Scientific——同族针天线卡,复用本篇的分层、balun 与接口网络架构。