US8954151B2 RF resistant feedthrough assembly and electrical stimulation systems containing the assembly

摘要

• 问题:MRI 等强电磁环境在植入导线或控制模块内产生 RF 感应电流。常规馈通引脚与金属壳体之间的寄生电容形成低阻放电路径，电流经壳体进入周围组织并引起局部加热。
• 方案:增大馈通引脚与壳体的有效距离，以降低寄生电容并提高该路径的 RF 阻抗。工程实现包括非导电垫片抬高馈通、带 rim 的一体陶瓷块，以及兼顾引脚密度与壳体间距的交错排列。
• 效果:专利主张减少 RF 电流向壳体放电；给出的定量内容是几何下限与相对间距，效果属于定性机理论证。
• 形态:控制模块 102 由 header 112、金属壳体 114、电子子组件 110 与馈通组件 115 构成；8 项授权权利要求集中于垫片抬高方案及其气密连接结构。

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

馈通组件 115 既把 header 112 内连接器触点 314 接至壳内电子子组件 110，又与壳体 114 共同维持气密。常规结构用陶瓷块隔离导电引脚，并以环绕陶瓷块的金属法兰连接壳体。MRI 在导线或控制模块内产生 RF 感应电流后，引脚与外壳之间的寄生电容构成放电支路；专利将其描述为“Stray capacitance, with relatively low impedance”。电流沿引脚—寄生电容—金属壳体路径转移，并在壳体周围组织产生热沉积。该失效落点位于控制模块壳体附近，区别于远端电极—组织界面致热。

[推导] 将引脚—壳体耦合近似为电容 (C_p)，支路阻抗为

$$Z_p\approx \frac{1}{j\omega C_p},C_p\sim \frac{\epsilon A_{\mathrm{eff}}}{d_{\mathrm{eff}}}.$$

[推导] 在频率、介质与有效面积固定时，增大有效距离 (d_{\mathrm{eff}}) 会减小 (C_p)，从而增大 (|Z_p|) 并降低流向壳体的 RF 电流；(d_{\mathrm{eff}}) 表示含边缘场、法兰和壳体几何的电场路径。

解决机理

方案的物理动作只有一条：通过“increasing the effective distance”削弱引脚—壳体的电容耦合，使壳体放电支路在 RF 下呈更高阻抗。非导电垫片、带 rim 陶瓷块与交错引脚均是这条原理的结构实现。

工程实现

非导电垫片。 FIG. 4 中，导电引脚 440 穿过陶瓷块 442，陶瓷块以 braze joint 452 接金属法兰 444；非导电垫片 446 位于法兰 444 与壳体 414 之间，把引脚和陶瓷块向 header 侧抬高。垫片高度可至少为 1、2、2.5、3、4 或 5 mm。第一金属环 448 通过 weld joint 454 与法兰连接、通过 braze 456 与垫片连接；第二金属环 450 通过 braze joint 458 接垫片、通过 weld joint 460 接壳体。该堆叠把电气隔离、机械支承与气密连接放在同一组件内。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 4 — 非导电垫片 446 抬高陶瓷块 442 与引脚 440，并以两组金属环、braze 和 weld 接至壳体 414。

带 rim 的陶瓷块。 FIG. 5 将抬高功能并入陶瓷块 542：plate portion 543 承载引脚 540，外围 rim portion 547 向壳内延伸并与 plate 的第二表面 545 围成 interior space 562。plate portion 的高度由其底部至第二表面 545 测量，可至少为 1、2、2.5、3、4 或 5 mm；rim 内壁与第二表面的夹角可为 60°–85°。引脚 540、导线 550 或柔性电路板可向 interior space 中心收拢，以同时远离壳体 514；金属环 548 以 braze joint 552 接陶瓷 rim，并以 weld joint 554 接壳体。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 5 — 一体陶瓷块 542 以 rim portion 547 抬高承载引脚 540 的 plate portion 543，并形成供壳内互连收拢的 interior space 562。

交错引脚。 FIG. 6 中，引脚 640 在陶瓷块 642 上呈对称交错排列，金属法兰 644 环绕陶瓷块并接壳体 614。相邻引脚间距比每个引脚至最近法兰的距离至少小 10%、15%、25%、30%、40% 或 50%。该比例以较短的 pin-to-pin pitch 保留较大的 pin-to-metal clearance，使组件取得“smaller lateral length”时仍抑制引脚—法兰/壳体寄生电容。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 6 — 引脚 640 的对称交错排列以较小相邻间距换取较大的引脚—法兰 644 间距。

授权范围以 spacer 形态为主：claim 1 要求金属法兰与壳体之间设置非导电垫片，claims 2–7 限定 braze、两只金属环、陶瓷材质、法兰落座与气密封装，claim 8 将 claim 1 的控制模块并入带导线的电刺激系统。FIG. 5 的一体 rim 与 FIG. 6 的交错排列属于说明书实施例。

取舍与系统边界

垫片和 rim 增加引脚—壳体间距，但也增加馈通堆叠高度；多组 braze/weld 接口承担气密与机械载荷。[推断] 在受限的 IPG header 体积内，间距收益须与封装高度、通道数、焊接热影响及长期气密可靠性共同评估。交错排列缓和横向尺寸压力，但引脚数增加时，可供每个引脚保持的 pin-to-metal clearance 仍受陶瓷块面积限制。

专利明确覆盖 deep brain stimulation、neural stimulation、spinal cord stimulation 与 muscle stimulation，并允许 paddle、percutaneous、cuff lead 以及 4–32 个或更多电极。[推断] 对双侧多触点皮层导线，本方案作用于 IPG 入口的多针馈通；通道数增加会增加需控制的寄生耦合路径，FIG. 6 的引脚密度—壳体间距取舍因而直接相关。该位置对应壳体周围致热，实验终点需与远端电极温升分开。

本件提高 pin-to-case 支路阻抗以减少壳体电流；同公司 US9084380B2 则在馈通引脚与壳体之间设置低阻 RF 分流，目标是阻止 RF 电流进入壳内电子学[1]。Greatbatch 的低阻 filtered feedthrough 也把 RF 能量经电容导向外壳[2]。[推断] 两类路线优化的热落点不同：抬高阻抗减少壳体周围组织承受的电流，低阻分流保护内部电子学；评价 feedthrough 电容大小时必须纳入整机回流路径与各处耗散。

效果与证据

• 结构证据:FIG. 4/FIG. 5 分别给出 1、2、2.5、3、4、5 mm 的 spacer height 与 plate portion height，数据性质为可选实施例的几何边界。
• 布局证据:FIG. 6 给出相邻引脚间距相对 pin-to-flange 距离小 10%–50% 的比例，作用指标为减小横向尺寸并维持较大金属间距。
• 系统构型证据:FIG. 1–FIG. 3B 将馈通置于控制模块—header—lead 的完整导电路径，FIG. 7 给出电子子组件、天线、receiver、processor 与电源的功能关系，用于界定组件位置与应用范围。

严谨性缺口:

• 没有寄生电容、路径阻抗、RF 电流、插入损耗或温升的实测值，也没有 conventional feedthrough 对照组。
• 没有 SPICE、FEM 或全波模型；(C_p\sim\varepsilon A/d) 只能解释方向，不能量化法兰、壳体、相邻引脚与边缘场构成的多导体耦合。
• 没有 MRI 场强、RF 频率、B1+rms、SAR、扫描序列、导线路径、phantom、组织电参数或暴露时间，无法形成验证层的 RF 温升证据。
• 没有壳体周围与远端电极的同步温升，无法判断减少壳体放电是否把 RF 电流转移到内部电子学或其他组织界面。
• 没有 spacer/rim 堆叠的 He leak、机械疲劳、热循环或 braze/weld 可靠性数据，也没有总体积与通道数约束下的封装实例。
• 授权权利要求覆盖 spacer 方案；一体 rim 与交错引脚的性能及权利范围需分别判断，不能由 claim 1 的结构限定外推。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US8954151B2/en
• 危害:rf-heating

1. US9084380B2_Boston-Scientific——同公司以低阻 RF 分流把馈通引脚电流导向壳体、保护壳内电子学的路线。
2. US10080889B2_Greatbatch——以低电阻、低电感接地回路把 MRI RF 能量经馈通电容导向 AIMD 外壳的跨厂商路线。