US8463375B2 Tank filters placed in series with the lead wires or circuits of active medical devices to enhance MRI compatability

摘要

• 问题:MRI RF 场以天线方式耦合到植入导线，感应电流在导体电阻与远端电极—组织界面沉积热量；埋入组织的 TIP 比血池中的 RING 更缺少灌注冷却。
• 方案:把并联 L∥C tank 串入导线、远端电极通路或 AIMD 馈通端子，按 21、64、128 MHz 等 MRI RF 频率调谐；以低电阻电感配较高 ESR 电容调节总 Q。
• 效果:P-Spice 与原型相关性陈述给出一组 150 nH、41.3 pF、10 Ω 电容 ESR、1 Ω 电感电阻的参数，谐振阻抗 >50 Ω；未报告电流降低量或温升。
• 形态:38 项权利要求；说明书覆盖远端 TIP/RING、导线中段、壳内与馈通端子附近的离散 tank、自谐振线圈、同轴陶瓷件及 MLCC-T，授权独立权利要求集中于气密馈通端子或 AIMD 壳体边界附近的串联 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 体线圈或头线圈的 RF 电场沿导线建立感应电动势，导线在该频段表现为有损天线。电流在导体中产生分布式 $I^{2}R$ 损耗，并从远端电极流入组织产生局部欧姆热。专利把 TIP（142）与 RING（144）的热边界分开：RING 位于流动血液中，可由灌注冷却；TIP 植入或包埋于心肌，散热较弱。神经刺激电极所在区域灌注不足时，TIP 与 RING 均需考虑 tank（FIG. 10、FIG. 27、FIG. 28）。

说明书还把导线视为含分布电感、电阻和并联电容的多回路系统。远端附近的 RF 环流可与 AIMD 近端环流近似解耦；[推导] 单个 tank 只能限制必须跨过其端口的电流，不能由远端高阻推出整根导线各位置均无局部电流。专利因此允许 tank 位于远端电极、导线中段、馈通附近或壳内，并允许多处同时配置（FIG. 46、FIG. 162、FIG. 163）。

谐振阻断机理

电感 L 与电容 C 并联组成 tank（146），其两端网络串入原有导电通路。理想谐振频率为

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

在 $f_r$ 处，两支路的无功导纳相消，并联 LC 的端口阻抗达到峰值；串联到导线后形成 bandstop，降低流向电极侧或器件侧的 RF 电流[1]。在约 10 Hz–1 kHz 的治疗与感知频带，电容近似开路，电流经电感支路通过；其低频插入损耗主要由电感串联电阻决定。远高于谐振点时，电容支路阻抗降低，附带衰减更高频 EMI（FIG. 18–21、FIG. 96–98）。

FIG. 16 用电感串联电阻与电容 ESR 表示非理想损耗。该模型假定小电感的匝间电容与小型同轴电容的串联电感在目标频带可忽略，适合解释谐振峰与 Q；自谐振实现则刻意增大匝间寄生电容，使同一线圈兼具 L 与 C。两者是不同参数区间的工程实现，物理原理仍为并联谐振高阻。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 16 — 电感支路电阻与电容 ESR 均纳入的非理想并联 tank（146）模型。

工程实现

授权独立权利要求 1、12、23、27、30、34 把 tank 配置在气密馈通端子的 ferrule 附近、其内部或 AIMD 壳体边界附近；部分权利要求要求位于 device side，使元件免受体液。说明书的远端与导线中段形态更宽：FIG. 42 把连续馈通导体改成两段导体（238、238′），以电感 208 跨接两端，并利用馈通电容 220 构成并联 tank；FIG. 163 把 MLCC-T（344″）串在断开的馈通导体段 550、552 之间，并保留馈通电容 120 对壳体的 broadband 旁路。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 163 — 馈通电容（120）与串联 MLCC-T（344″）共同布置在 AIMD 引线入壳处。

离散实现以空气芯或非铁磁电感配陶瓷电容，避免 B0 使铁氧体芯饱和并减少 image artifact。另一实现把螺旋或 meander 电感印刷、共烧或粘接到 tubular capacitor、feedthrough capacitor 或 MLCC 中；多层电感并联可降低直流电阻但同时降低总电感，多层电感串联可提高总电感。匝间寄生电容可与电感形成自谐振器，省去独立电容电极；开放线圈浸入体液后，体液介电常数与导电性会改变寄生电容并形成匝间泄漏，故需绝缘、气密封装或将 tank 放在 device side。

同轴 tubular/feedthrough 结构适合静脉置入和组织 tunneling；rectilinear MLCC-T 与 thick-film 结构适合神经刺激 pad。每个独立刺激电极通路可各串一个 tank（FIG. 129–138、FIG. 160、FIG. 161）。[推断] 对 DBS 双侧皮层导线，可迁移的布置单位是每根独立导体，而非每条物理线缆共用一个两端元件；所需 tank 数量、可用截面及治疗/感知串联电阻为 [待确认]。

制造流程可先断开 L∥C 的连接点，分别完成电容 burn-in、电感测量和可靠性筛选，再以小面积导电连接闭合 tank（FIG. 60–62）。谐振点可通过 microblasting 或 laser trimming 减少电容极板交叠面积，或短接、断开电感匝来减小或增大 L（FIG. 119–124）。

Q、带宽与位置取舍

高 Q tank 的峰值阻抗较高、3 dB 带宽较窄，元件公差和电容老化容易使目标 MRI 频率移出阻带；Q 过低则峰值阻抗不足。专利采用低电阻、高 Q 电感以保留低频治疗/感知通路，再提高电容 ESR 形成中等总 Q（FIG. 24）。电容 ESR 可通过极板长宽比、薄极板或极板孔洞提高，也可由串联电阻补充。增加电感电阻也能展宽阻带，但会直接增加低频通路损耗与滤波器自热。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 24 — 低、中、高总 Q 的插入损耗曲线，显示峰值衰减与 3 dB 带宽的取舍。

多频覆盖有两条工程路线：串联多只分别调到 21、64、128 MHz 的 tank（FIG. 22、FIG. 50、FIG. 107–110），或利用多层螺旋的寄生电容形成多个谐振点（FIG. 151–153）。本专利与早期 Greatbatch 并联 tank 专利共享高 Q 电感、低 Q 电容的展宽路线[2]；后续 US9468750B2 改以多层同向螺旋提高自谐振结构的电感与寄生电容可控性[3]。本件可辨的授权侧重点是 tank 与气密馈通/壳体边界的组合位置。

效果与证据

• 解析配值，1.5 T 目标频点:说明书取 $L=150$ nH、$C=41.3$ pF；[推导] 代入理想式得 $f_r\approx 63.9$ MHz，对应约 64 MHz。该计算不含支路损耗、组织负载或导线分布参数。
• P-Spice 与原型相关，测试条件未述:专利称模型与“actual prototype measurements”相关，参数为 $C=41.3$ pF、电容 ESR $=10\Omega$、$L=150$ nH、电感电阻 $=1.0\Omega$，谐振阻抗 >50 Ω（FIG. 24 段）。未给原型结构、仪器、端接、样本数、误差或完整频响。
• Q 曲线，来源未述:FIG. 24 以曲线 162、164、166 表示低、中、高 Q；正文报告中等 Q 兼顾阻带宽度与峰值阻抗，但未说明曲线来自解析、仿真还是实测，也未复述坐标值。
• 元件老化陈述，材料与环境未述:说明书称多数电容介质的容值在每个对数时间 decade 变化 1%–5%，可使谐振频率移动至约 2.5%；另以 2%/decade 举例。该陈述用于说明展宽需求，未给介质、温度、偏压或数据来源。
• 多谐振频响，来源未述:FIG. 153 被描述为 64、128、216 MHz 及更高频率附近出现多个谐振，使该范围保持较高阻抗；正文未给结构参数、阻抗刻度或生成方法。

严谨性缺口:

• 无 phantom、温升、SAR、组织损伤、动物或临床试验；>50 Ω 的 tank 阻抗未落实为导线电流降低或温度终点，本卡只支持机理层。
• FIG. 16 的集总 tank 未纳入导线传输线参数、组织复阻抗、滤波器位置与局部回路；说明书虽定性承认位置依赖，未给 SPICE、FEM 或全波系统模型。
• 以单个展宽 tank 覆盖 21–213 MHz、或同时覆盖 64/128 MHz，均只有设计断言；未报告各目标频点的最小阻抗、插入损耗或对元件公差的灵敏度。
• 提高电容 ESR 会在 tank 内耗散 RF 能量，细线电感也可能成为局部加热元件；专利未报告滤波器自身温升、封装热阻或邻近组织热负荷。
• 授权权利要求限定 tank 的位置与气密馈通组合，但未给该授权形态的尺寸、耐压、载流、疲劳、体液老化或植入后调谐漂移数据。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US8463375B2/en
• 危害:rf-heating

1. parallel-lc-resonance——并联 LC 的谐振高阻、损耗限制与 bandstop 作用（概念卡）。
2. US7363090B2_Greatbatch——Greatbatch 早期并联 tank 卡；高 Q 电感配低 Q 电容的 Q/带宽路线与本件重合。
3. US9468750B2_Greatbatch——Greatbatch 后续多层同向螺旋自谐振滤波器，用于对照本件馈通/壳体位置侧重点。