US11071858B2 Hermetically sealed filtered feedthrough having platinum sealed directly to the insulator in a via hole

摘要

• 问题: MRI 脉冲 RF 场（1.5 T 对应 64 MHz，3 T 对应 128 MHz）通过天线效应耦合至植入导线（110），在远端电极（118a/118b）与组织界面处感应 RF 电流并产生局部欧姆热，导致组织温度升高，可引发心肌/神经组织消融、瘢痕形成甚至穿孔；同时，传统馈通电容器采用高 k 介质（如 X7R，k≈2500）且电极板数量少（通常 <10），导致其在 MRI RF 频率处等效串联电阻（ESR）过高（可达数欧姆），分流 RF 能量时产生显著 I²R 损耗，使电容器自身及 AIMD 外壳（124）局部过热，进一步危及植入囊袋周围组织。
• 方案: 在 AIMD 馈通组件装置侧设置低 ESR 分流电容器（210/210’/210”），通过介电常数 k<1000（优选 EIA Class I 如 NPO，k≈60–90；或开发中的中 k 约 500–700）的介质设计，强制增加电极板数量（>10，可达 20–100 以上），使电容器在 MRI RF 频率处呈现极低 ESR（<0.5 Ω，优选 <0.1 Ω），从而将导线感应的 RF 能量高效分流至 AIMD 外壳（124）这一大面积散热表面；同时采用金钎焊（154a/154b/250）实现无氧化低阻接地连接，并可通过电容器 oversized 设计（269e/273e 超出 ferrule 边缘 267e/271e）或内部接地/混合接地结构（210’i/210’h）提升散热路径与体积效率；通孔采用纯铂烧结体（187）或铂-陶瓷复合烧结体（CRMC 185 + 铂帽 187）与氧化铝绝缘体（156）共烧形成直接密封接触。
• 效果: 未公开 / 无定量（全文未提供经独立验证的体内或体模实验数据，仅引用同一发明人系列申请中的实验描述；关于温度降低及 ESR 对比的数值均为理论推导示例，非本专利实施例的实测报告）。
• 形态: 密封馈通组件（132），含钛合金 ferrule（134）、氧化铝绝缘体（156，≥96% 氧化铝）、金钎焊密封（154a/154b）、铂/铂-陶瓷复合烧结体通孔填充（185/187/142’）、以及装置侧贴装的低 k 多层陶瓷电容器/馈通电容器/MLCC 芯片电容/X2Y 衰减器/平板电容器（210/210’/210”/210”‘/210""），电容值范围 10–20,000 pF（常用 350–10,000 pF），可配合 L/π/T/LL 型低通滤波器或带阻/LC 陷波器（258/262）使用。

机理与方案

MRI 扫描器产生的脉冲 RF 场通过天线效应耦合至植入导线（110）。导线-组织回路形成有效接收天线，在远端电极（118a/118b）与组织界面处感应 RF 电压与电流。根据欧姆定律，电流流经组织电阻产生局部焦耳热；同时，导线作为传输线将 RF 能量传导至 AIMD 输入端。若此处滤波电容器 ESR 过高，则分流路径阻抗大，导致：(1) 更多能量滞留于导线-电极系统，加剧远端电极加热；(2) 电容器自身承受高 RF 电流时产生显著 I²R 损耗，温升通过热传导使 AIMD 外壳（124）局部过热，可能超过组织安全温升限值（一般 4 °C）。

1. 低 k 介质与高电极板数设计 电容器 ESR 在高频下的主要构成（忽略趋肤效应）为： $ESR\approx R_{e(total)}+R_{DL}$ 其中 $R_{e(total)}$ 为全部电极板并联总电阻，$R_{DL}$ 为介质损耗等效电阻。对于 EIA Class I 介质（如 NPO，k<100），在 ≥10–20 MHz 时 $R_{DL}\to 0$（见图 27、28、31），故 $ESR\approx R_{e(total)}$。

电极板并联总电阻由图 33 公式决定： $R_{e(total)}=\frac{R_e}{n}$ $R_e$：单块电极板电阻；$n$：并联电极板数量。降低 $R_{e(total)}$ 的直接手段是增加 $n$。

而电容值由图 22 公式约束： $C=\frac{k\cdot {\epsilon }_0\cdot A\cdot (n-1)}{d}$ $k$：介电常数；${\epsilon }_0$：真空介电常数；$A$：电极板有效重叠面积；$d$：单层介质厚度。在固定 $C$、$A$、$d$ 的设计约束下，降低 $k$ 强制要求增加 $n$。专利要求 $k<1000$（权利要求 2），优选 Class I 介质（k<100，如 NPO 的 k≈60–90），或开发中的中 k 介质（k≈500–700）。

2. 典型参数对比（理论推导）

• 先技术 X7R 400 pF 馈通电容器（k≈2500，4 块电极板）：64 MHz 处 ESR = 4.8 Ω，阻抗 $Z=\sqrt{X_C^2+ES{R}^2}\approx 5.41$ Ω（$X_C=2.49$ Ω）。假设感应电压 10 V，分流电流 $I=10/5.41\approx 1.85$ A，电容器功耗 $P=I^2\cdot ESR\approx 16.4$ W，温升 >20 °C。
• 本专利 NPO 400 pF 设计（k<100，>20 块电极板）：64 MHz 处 ESR ≈ 0.3 Ω，$Z\approx 2.51$ Ω。导线特征阻抗上的压降使电容器端电压降至约 3.71 V，分流电流 $I=3.71/2.51\approx 1.48$ A，功耗 $P=I^2\cdot 0.3\approx 0.66$ W，热负荷显著降低。

3. 热管理与接地结构

• 金钎焊无氧化接地：电容器接地金属化（164）通过导电粘接剂/焊料（152）直接连接至 ferrule（134）上的金钎焊区域（154a 或金口袋 250），避免钛表面氧化层导致的高频接触电阻（图 71A–73、84）。
• 电容器 oversized 设计：电容器边缘（269e/273e）可超出 ferrule 边缘（267e/271e），在高度受限的 AIMD 封装内增大有效电容面积（ECA）与电极板数量，补偿低 k 介质的体积效率不足（图 71C、75、76）。
• 内部接地/混合接地结构：内部接地馈通电容器（210’i）取消外周金属化，通过接地引脚（142gnd）直接连接 ferrule 半岛（139），允许电容器在宽度/长度方向完全悬空于 ferrule 之外，消除激光焊接（157）热应力对陶瓷的影响（图 74A–76）；混合接地结构（210’h）同时利用内部接地引脚与外周接地金属化（164），降低长电容器接地路径的电感与电阻（图 76）。
• 热扩散：低 ESR 电容器将 RF 能量转化为热的功率降低，同时通过多电极板并联、双接地电极板（图 36）、以及将热量经 ferrule 传导至 AIMD 外壳（124）大面积散热表面，避免局部热点。

4. 密封与通孔结构 绝缘体（156，≥96% 氧化铝）通过金钎焊（154a）与 ferrule 形成气密封接；通孔采用纯铂烧结体（187）或铂-陶瓷复合烧结体（CRMC 185 + 铂帽 187）与绝缘体共烧，形成直接密封接触（权利要求 1、14、15），替代传统引线（142）以降低成本并提升可靠性。装置侧电容器通过活性电连接（145/168）与通孔铂填充体连接，形成从远端电极→导线→馈通→电容器→外壳的低阻抗 RF 能量分流路径。

效果与证据

定量数据：无，仅为概念/分析。

全文未呈现经第三方或独立实验验证的定量测量结果。关于温度降低（远端温升从 30 °C 降至 3 °C）及 ESR 从 4.8 Ω 降至 0.3 Ω 的描述，均出现在同一发明人系列在先申请/专利的引用语境中（如 U.S. Pat. No. 7,363,090 相关实验），本专利文本本身未复现原始实验条件、样本量、测量方法或独立数据表格。专利中提及的「recent experiments by the inventors」仅笼统描述外壳温升 4–10 °C，未给出具体体模参数、SAR 条件、扫描序列或统计结果。所有 ESR 数值与功率计算均为基于等效电路模型的理论推导示例（图 20–26、29–31），而非本专利实施例的实测报告。因此，本专利的 evidence 部分仅包含设计原理与理论分析，无直接附带的实验或仿真定量数据。

对我方产品的意义

编目级（Tier2），§对我方产品的意义 见同簇代表件深卡。

关联

• 原文(Google Patents):https://patents.google.com/patent/US11071858B2/en
• 危害:Hazard-rf-heating