US7853324B2 Tank filters utilizing very low K materials, in series with lead wires or circuits of active medical devices to enhance MRI compatibility

摘要

• 问题:MRI RF 场以天线方式耦合到植入导线，感应电流在导体中产生电阻热，并经远端电极流入组织形成局部欧姆热；含铁磁芯的电感还会在 B0 下饱和并造成图像伪影。
• 方案:把并联 LC tank 串入导线或 AIMD 电路，在选定 MRI RF 频率呈高阻抗；以低 k（≤200）陶瓷承载电容、电感或两者的共烧结构，在取得所需低电容/高电感配比的同时承受植入装配与主动固定扭矩。
• 效果:专利报告 P-Spice 与 prototype measurement 相关的一组参数——$C=41.3$ pF、capacitor ESR $=10\Omega$、$L=150$ nH、inductor resistance $=1.0\Omega$——谐振阻抗 $>50\Omega$；未报告 RF 电流衰减、温升或组织热终点。
• 形态:27 项权利要求；形态包括管状/馈通 tank、内嵌蜿蜒电感的 MLCC-T、主动固定 TIP 内组件、神经刺激电极 pad、带中心导丝孔的同轴件，以及按不同频点串联的多只 tank。

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

MRI body/head coil 的 RF 场沿导线建立感应电动势，导线在该频段表现为有损天线。感应电流沿导体流动产生分布 $I^{2}R$ 损耗；流出 distal TIP（142）进入组织的电流在电极—组织界面产生欧姆热。RING（144）位于流动血液时可由 perfusion 冷却，TIP 埋入组织后散热较差；神经刺激电极所在区域若灌注不足，TIP 与 RING 均可能成为热沉积位置（FIG. 10、FIG. 27、FIG. 28）。

耦合量随导线长度、走向、植入侧别、端接与人体介电环境变化。专利以 3 T、128 MHz 的自由空间波长约 234 cm 为例，把约 58.59 cm 的四分之一波长与起搏导线尺度联系起来；人体组织会改变有效波长，因此该算例只说明长度敏感性，不能给出植入导线的实际谐振长度[1]。专利另把远端和 AIMD 近端描述为可形成不同局部 RF 回路；[推导] 一只串联 tank 只约束必须跨过其端口的电流，不能排除滤波器同侧区段的局部环流。

谐振阻断机理与模型边界

电感 L 与电容 C 并联形成 tank（146），该两端网络再串入导线（FIG. 11、FIG. 17）。谐振时两支路的无功导纳相消，理想端口呈“a high impedance (ideally an open circuit)”，使选定频率的主路电流难以到达电极侧[2]。由 raw 中 OCR 破损的谐振式重建：

$$f_r=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}.$$

[推导] 取 $L=150$ nH、$C=41.3$ pF，$f_r\approx 63.9$ MHz，对应专利的 1.5 T 目标。约 10 Hz–1 kHz 的治疗和感知频段低于谐振点，电容支路近似开路、电感支路近似短路；低频插入损耗主要由电感串联电阻决定。远高于谐振点时电容支路阻抗下降，tank 不再保持谐振高阻，因此它是选频 bandstop，而非全高频开路（FIG. 18–FIG. 21）。

FIG. 16 的非理想集总模型在 L、C 支路各加入串联损耗。专利认为所用小电感的匝间寄生电容、微型同轴电容的串联电感可忽略；该模型可描述谐振峰、Q 与低频插入损耗。另一组实施例却刻意增大线圈匝间电容，使单一线圈“self resonant at a predetermined frequency”（FIG. 51、FIG. 150）；此时寄生电容属于设计元件，FIG. 16 的忽略条件不再成立。模型未包含导线分布参数、组织负载和滤波器位置，不能定量预测植入系统电流或温升。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 16 — 非理想并联 tank（146）的集总模型，以电感电阻和电容 ESR 表示两支路损耗。

低 k 实现与封装

独立权利要求 1、16、19、20、21、22 均把低 k 材料与具体 tank 结构结合；claim 2 与 claim 24 把 k 限为 200 或以下。专利优选低电容与高电感配比，因而不依赖高 k 介质取得容量。说明书把低 k 与更高陶瓷机械强度关联，使器件可承受金钎焊、导线装配和主动固定 helix（632）旋入组织时传到组件的扭矩。候选值为 alumina 约 6–7、manganese titanate 约 10–12、NPO 约 60–90；这些是材料选择值，不是成品机械测试结果。

基础同轴形态把连续导线改为两段，中间由电感（208）连接；管状或馈通电容（168、184、220）跨接两端，形成 L∥C（FIG. 35、FIG. 37、FIG. 42）。矩形 MLCC-T（344）把蜿蜒电感层（346/354）与电容极板（340/342）置于同一共烧体内（FIG. 80–FIG. 83）；电感层避开电容极板的有效场区，以免扰动 capacitance。多层薄电感并联可降低 DC 电阻，但也降低总电感；串联堆叠的螺旋层（690、698、706）则提高总电感，并可利用各层的分布电容形成多个谐振点（FIG. 149–FIG. 153）。

主动固定形态把 MLCC-T（646/714）放在 helix TIP（632）附近或金属腔体（654′）内（FIG. 147–FIG. 159）。低 k 共烧体承受金钎焊，外壳承担植入扭矩与长期心动载荷；parylene、绝缘套管或 hermetic housing 防止端面短路和体液接触。空气芯/无铁磁 circuit trace 可避免 B0 饱和与图像伪影；铁磁芯加 nickel sleeve 的变体能抑制饱和，却会造成较大图像伪影，说明书不将其列为优选（FIG. 63–FIG. 67）。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 148 — 主动固定 TIP 内的 MLCC tank（646），显示低 k 电感组件（660）、馈通电容（662）及与 spline/helix 的电连接和绝缘边界。

神经刺激 pad 可为每个电极配置一只 tank（FIG. 129–FIG. 138），同轴结构还可保留中心 bore（103）供 guide wire（105）穿过（FIG. 167–FIG. 169）。[推断] 对 DBS 双侧皮层导线，可迁移的单元是每根需保护的导体在电极侧串入独立 tank；多电极数量、导线外径、允许低频串联电阻及每只 tank 的邻近组织散热为 [待确认]。

Q、调谐与系统取舍

高 Q 产生较高而窄的阻抗峰，对 L/C 制造公差、介质老化和植入后频移敏感；降低 Q 可扩大 3 dB 带宽，但会压低谐振阻抗。专利用低电阻的 high-Q inductor 配较高 ESR 的 low-Q capacitor 取得中等 Q（FIG. 24）：前者保留低频治疗/感知通路，后者主要调节 RF 带宽。电容 ESR 可通过改变极板长宽比、减薄极板或加入孔洞（364）提高；专利称孔洞对 capacitance 影响很小，但未给试样与测量数据（FIG. 99–FIG. 106）。

P-Spice 与 prototype measurement 相关的一组参数为 $C=41.3$ pF、ESR $=10\Omega$、$L=150$ nH、inductor resistance $=1.0\Omega$，谐振阻抗 $>50\Omega$（FIG. 24 段）。该结果支持损耗 tank 可形成有限高阻，未给电流阻断倍数。专利还主张把单一阻带展宽至多个 MRI 频点；[推断] 64 与 128 MHz 相差一倍，靠降低 Q 展宽会同步降低峰值阻抗，是否仍能满足热安全取决于源阻抗、组织负载与所需衰减，均为 [待确认]。另一方案把分别调谐到 21、64、128 MHz 的 tank 串联，以元件数量和远端长度换取多频覆盖（FIG. 22、FIG. 50）。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 24 — 不同总 Q 的 insertion-loss 曲线及中等 Q 设计，用于比较峰值衰减、3 dB 带宽与频移容差。

制造后可通过 microblasting/laser trimming 减少电容极板重叠面积以降低 C（FIG. 119–FIG. 121），或短接相邻电感匝以降低 L、切开预制短路以提高 L（FIG. 122–FIG. 124）。组件老化可使谐振点偏移；专利报告电容每个对数时间 decade 变化 1%–5%、谐振频率最高偏移约 2.5%，但未给介质、温度、偏压与统计条件。

直接暴露的空气芯线圈会因体液介电常数改变匝间电容，导电体液还会造成匝间泄漏；气密封装可稳定介电环境，但增加尺寸。细线多匝虽提高电感，也增加 DC/RF 电阻和 tank 自热。多只 tank、远端布置、气密壳与中心导丝孔分别占用轴向长度或径向空间。

并联 LC 串入导线并非本专利独有：Greatbatch 较早的 US7363090B2 已给出同一物理架构与 high-Q inductor/low-Q capacitor 取舍[3]；Medtronic 的 US9999764B2 亦以串联并联谐振模块阻断 MRI RF 电流，并报告明显的位置依赖[4]。Greatbatch 后续 US9468750B2 以多层同向螺旋和寄生电容实现自谐振[5]。本专利的授权限定集中于低 k 基板、共烧/管状/主动固定等机械实现，不改变并联谐振高阻这一物理原理。

效果与证据

• 电路建模与 prototype correlation，测试条件未披露:专利称 P-Spice 建模与实际 prototype measurement 作了相关，参数为 $C=41.3$ pF、capacitor ESR $=10\Omega$、$L=150$ nH、inductor resistance $=1.0\Omega$，所得谐振阻抗 $>50\Omega$。未给 prototype 结构、频率扫描范围、仪器、端接、样本数或误差，无法区分哪些量来自模型、哪些量由实测校准。
• 解析与集总模型:FIG. 12 给出 L/C 选值关系；FIG. 13–FIG. 16 展示理想及有损 L∥C 的阻抗关系；FIG. 18–FIG. 21 给出低频、谐振和高频等效状态。证据支持 bandstop 的方向性机理，不含导线分布耦合或组织热模型。
• Q 曲线，生成条件未披露:FIG. 24 的曲线 162、164、166比较低、中、高 Q 的 insertion loss。正文只给相对宽度与峰值关系，未说明曲线来自计算、P-Spice 还是实测，也未给精确 3 dB 带宽或衰减值。
• 材料与工艺观察，条件未披露:专利报告带孔电容极板提高 ESR 而 capacitance 变化很小（FIG. 105、FIG. 106）；未给孔形、覆盖率、频率、试样数或测量结果。低 k 材料的 k 值、可金钎焊与抗扭矩能力为设计陈述，无强度或疲劳数据。

严谨性缺口:

• 无 phantom、RF 电流衰减、温升、SAR、组织损伤、动物或临床数据；$>50\Omega$ 的电学中间量未落实到热学终点，本卡只支持机理层。
• FIG. 16 忽略分布参数与组织负载；专利虽承认远端和 AIMD 近端可形成不同局部回路，却没有传输线、FEM、全波模型或滤波器位置扫描。
• 单一低 Q tank 覆盖 21–128 MHz 或更宽频段的主张没有成套阻抗—频率数据，峰值阻抗、带宽与自热不能复算。
• 未给低 k 成品的尺寸、机械强度、焊接残余应力、耐久性、体液泄漏、绝缘可靠性或 MRI 图像伪影测试。
• 未给 tank 内部 RF 环流、元件额定电流、功耗和邻近组织散热；提高 capacitor ESR、使用细线多匝或把组件放进 TIP 均可能把部分损耗集中在植入末端。
• claims 覆盖多种器件和封装，但证据未区分 pacemaker、DBS/SCS 多电极导线、catheter 与外部电极的不同电气边界。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US7853324B2/en
• 危害:rf-heating

1. lead-resonant-length——导线电气长度、组织有效波长与 RF 耦合峰的关系（概念卡）。
2. parallel-lc-resonance——并联 LC 谐振高阻、损耗限制与 bandstop 作用（概念卡）。
3. US7363090B2_Greatbatch——较早的 Greatbatch 串联并联 LC bandstop 专利，包含 high-Q inductor/low-Q capacitor 取舍。
4. US9999764B2_Medtronic——Medtronic 的串联 LC/RLC 谐振模块及滤波器位置依赖证据。
5. US9468750B2_Greatbatch——以多层同向螺旋和寄生电容实现自谐振的后续 Greatbatch 结构专利。