US9008799B2 EMI filter employing a self-resonant inductor bandstop filter having optimum inductance and capacitance values

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分布电阻损耗，并经远端电极流入组织造成局部欧姆热；导线长度、走向、植入位置与电极形态使 SAR 不能单独预测温升。
• 方案:把导线的一段绕成具有匝间寄生电容的自谐振电感，串联于电极处或其近端；以低损耗电感支路和较高损耗的等效电容支路调节总 Q，使滤波器在 64 MHz 或 128 MHz 呈高阻抗，并以多只滤波器分别覆盖两频点。
• 效果:专利报告谐振阻抗可达数百欧姆量级，并以至少 MHz 量级的 3 dB 带宽作为权利要求约束；证据终点为电路参数与频域响应。
• 形态:17 项权利要求；独立权利要求 1、9、13、16 均要求导线绕制段自身形成自谐振电感，优选位置为远端电极处或其近端，双频形态把两只自谐振滤波器串接于同一导线。

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 体线圈或头线圈产生的 RF 场沿植入导线（104）建立感应电流。导线电阻把电流转化为分布热；远端 TIP（142）与组织之间的电流在界面附近产生欧姆热。RING（144）通常位于流动血液中，TIP 则埋入组织，专利据此把 TIP 视为较易局部升温的位置。RF 耦合随导线有效电气长度、路径、植入侧别和端接而变；电气长度接近组织内驻波条件时，导线电流与尖端发热可增强[1]。专利将这一不确定性表述为“SAR level alone is not a good predictor”。

专利把远端电极附近与 AIMD 近端的 RF 电流视为可分别形成的回路。[推导] 串联滤波器只限制必须跨越其安装位置的电流，不能据远端一只滤波器推定导线其他区段没有局部环流；多电极系统因而可能需要多只滤波器。

谐振阻断机理

电感 L 与电容 C 并联形成 tank（146），该两端网络再串入导线。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，理想端口阻抗趋于无穷；实际峰值由电感串联电阻与电容等效串联电阻（ESR）限制。高阻抗串入导线后构成 bandstop，使目标频率的 RF 电流不能继续流向电极侧[2]。约 10 Hz–1 kHz 的治疗与感知信号主要经低感抗的电感支路通过，电容支路在该频段近似开路。

FIG. 16 用 L 与电感损耗电阻组成一支路、C 与电容损耗电阻组成另一支路。该模型假定小电感的并联寄生电容和小型电容的串联寄生电感可忽略，适合描述分立 L∥C 的一阶频率响应。本件权利要求的绕制导线段则刻意利用分布于相邻匝之间的寄生电容；[推断] 把该结构压缩为单一 $L$、$C$ 和两只损耗电阻，只能给出首个谐振附近的集总近似，不能表示匝间电压分布、导线传输线效应与组织负载。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 16 — 带电感串联电阻和电容 ESR 的并联 tank（146）集总模型。

工程实现

本件说明书同时保留分立 L∥C 的宽泛实施方式，授权独立权利要求则收拢到导线绕制段：相邻匝提供总寄生电容，绕组电感与该电容使线圈“self resonant at a predetermined frequency”，绕制段在物理和电气上串联于电极处或其近端。自谐振线圈与分立 tank 使用同一并联谐振高阻原理，差别在电容是否由独立元件提供。

一般范围为 $L=1$–$4000$ nH、$C=0.1$–$20000$ pF；优选范围为 $L=100$–$1000$ nH、$C=1$–$100$ pF。说明书另给 $440$ nH 与 $15.9$ pF 的组合，[推导] 对应 $f_r\approx 60.17$ MHz；$1$ nH 与约 $6$ nF 的 FIG. 12 算例对应 $f_r\approx 64.97$ MHz。FIG. 22 的设计步骤在可封装的 L 或 C 中先固定一项，再反解另一项，并按支路电阻、Q、耐压和载流能力迭代。

空气芯电感避免铁氧体或铁芯在 B0 下饱和引起电感变化，也避免磁性材料扩大图像伪影。[推断] 导线本体兼作绕组可省去独立电感的连接空间，但专利没有给出成套的匝数、绕径、绕距、线材、绝缘厚度与封装外径。[推断] 对 DBS 双侧皮层导线，可迁移的单元是各独立导体在电极侧串入自谐振段；每根导线所需滤波器数量、中心管腔占用和允许串联电阻为 [待确认]。

FIG. 27 在 TIP（142）与 RING（144）两路分别串入滤波器 146、146′。FIG. 28 把至少两只自谐振滤波器串联于同一导线，一只调到约 64 MHz，另一只调到约 128 MHz；该双 tank 形态与“以一个宽阻带同时覆盖两频点”的单 tank 主张应分别评价。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 28 — 两只自谐振滤波器串联于导线并分别调谐至约 64 MHz 与约 128 MHz。

库内较早的 US7363090B2 已给出 MRI 导线串联 L∥C、Q 调节及自谐振线圈替代形态，本件把自谐振绕制段及至少 MHz 量级带宽写入独立权利要求[3]。US9468750B2 进一步以多层同向螺旋、层间和匝间寄生电容实现可控自谐振，并报告 64 MHz 处超过 1 kΩ 的阻抗[4]。并联谐振阻断属于同族共有物理；本件的区分点是自谐振导线段的权利要求形态与 Q/带宽约束。

Q、带宽与损耗取舍

总 Q 由谐振频率与 3 dB 带宽之比表征。高 Q 产生较窄的阻带，元件老化或植入环境引起的频移可能使目标频率离开峰值；Q 过低则峰值阻抗与插入损耗下降。专利选择低电阻的高 Q 电感和较高 ESR 的低 Q 电容，使总 Q 落在两者之间。电感电阻须低，以减少 10 Hz–1 kHz 信号的压降；电容 ESR 可通过改变电极片电阻或介质损耗提高，也可在电容支路外串电阻。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 23 — 低、中、高总 Q 的插入损耗曲线，比较峰值衰减与 3 dB 带宽。

专利称多数电容介质的电容量在每个时间 decade 内变化 1%–5%，可使谐振频率最多漂移约 2.5%，以此支持展宽阻带。提高 ESR 会引入滤波器内部 RF 耗散并降低谐振峰；[推断] 若单一峰要跨越 64–128 MHz 的倍频区间，总 Q 必须很低，能否仍保持足够阻抗取决于未给出的 L、C、ESR 与负载。两只分别调谐的自谐振滤波器避免这一单峰展宽要求，但增加串联电阻、器件长度与封装数量。

效果与证据

• 电学测试，条件未述:专利称“several hundred ohms can be realized”，把实际谐振阻抗限定在数百欧姆量级；样品结构、频点、L/C/ESR、负载、仪器、重复数与误差均未给出。
• 解析算例，约 64 MHz:FIG. 12 取 $L=1$ nH、$C\approx 6$ nF，[推导] 得 $f_r\approx 64.97$ MHz；这是元件配值计算，不是实物滤波器测试。
• 元件组合，生成条件未述:说明书给出 $L=440$ nH、$C=15.9$ pF，[推导] 得 $f_r\approx 60.17$ MHz；另给出可承受 5 A AED 脉冲、最大可实现电感为 180 nH 的情形，但未给配套电容、尺寸或测试结果。
• 频域模型，来源未述:FIG. 13 为理想 tank 的阻抗—频率关系，FIG. 16 为有损集总模型，FIG. 18–21 用开关等效表示低频、谐振与高频状态；FIG. 23 比较不同 Q 的插入损耗。正文未说明曲线来自解析计算、仿真或实测。
• 权利要求约束，不是性能测量:独立权利要求要求自谐振电感的 3 dB 带宽至少为 MHz 量级；权利要求 9 以两只滤波器分别覆盖约 64 MHz 与约 128 MHz。该数值限定不能替代带载测试。
• 材料老化陈述，材料与环境未述:电容量每个时间 decade 变化 1%–5%、谐振频率最多漂移约 2.5%是专利的通用性陈述，未给介质种类、温度、偏压或数据来源。

严谨性缺口:

• 无 phantom 温升、SAR、组织损伤、动物或临床数据，电路高阻未落实为电极—组织界面的热学终点；本卡只支持机理层，不支持 ISO/TS 10974 或 ASTM F2182 验证结论。
• 数百欧姆测试缺少全部边界条件，不能判断对象是分立 tank、自谐振绕组还是集成于电极后的导线，也不能对应 64 MHz 或 128 MHz。
• 没有一只实物自谐振滤波器的成套 L、寄生 C、两支路电阻、Q、3 dB 带宽、绕组尺寸、耐压、载流与功耗数据。
• FIG. 16 的分立集总模型没有导线分布参数、组织复阻抗、滤波器位置和多回路耦合；专利未给 SPICE、FEM、全波或传输线模型。
• FIG. 23 的曲线生成方法与坐标数值未述，无法定量判断提高电容 ESR 后的峰值阻抗、阻带宽度与频移容差。
• 电容 ESR 被刻意提高后会形成滤波器自身的 RF 耗散，专利未报告元件温升、邻近组织热扩散或长期材料稳定性。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US9008799B2/en
• 危害:rf-heating

1. lead-resonant-length——导线电气长度、有效波长与 RF 耦合及尖端发热的关系（概念卡）。
2. parallel-lc-resonance——并联 LC 的谐振高阻、损耗限制与 bandstop 作用（概念卡）。
3. US7363090B2_Greatbatch——Greatbatch 的分立 L∥C、Q 调节及自谐振线圈基础方案。
4. US9468750B2_Greatbatch——以多层同向螺旋和可控寄生电容实现自谐振的具体结构。