US11458321B2 Implantable medical device coils

摘要

• 问题：IMD 搭载的充电线圈与遥测线圈在正常工作态下同向串联，感应电流叠加；暴露于 MRI 等强电磁干扰场时叠加后的电流幅值可超过热安全阈值，引起 IMD 壳体及周围组织过热，或对可充电电源施加过高电压。
• 方案：在 IMD 内集成两个或更多感应子线圈与可编程开关电路（switching circuitry）及传感器（温度/电流/电压）；正常态下各线圈同向串联、感应电流相加；传感器检测到感应量超过预设阈值时，处理电路驱动开关将线圈切换为反向串联（series opposition），使感应电流相互抵消；三线圈变体支持梯级式多档调节，在零至全额感应量间步进切换。
• 效果：感应电流可部分或完全消除；全文未提供定量实测或仿真数据，无具体削减幅度。
• 形态：权利要求 20 条；适用 DBS（FIG. 1A）与 SCS（FIG. 1B）两种植入形态；子线圈可同容量（完全相消）或非对称容量（梯级相消）；触发传感量可选温度、电流、电压之一或多参数联合；切换持续时长可基于固定时段或双阈值迟滞条件动态解除。

机理与方案

失效机理

IMD 内感应线圈（充电线圈 14B 或遥测线圈 14A）暴露于外部强交变磁场时，多个子线圈同向串联使感应电流叠加：

$I_{\text{net}}={\sum }_k{I}_k$

其中 $I_k$ 为第 $k$ 个子线圈的感应电流。MRI 射频场幅值远高于正常 WPT 充电场，叠加后 $I_{\text{net}}$ 可超过设备热安全阈值，在 IMD 壳体及周围组织中引起过量热耗散；感应过电压同时威胁蓄电池安全。

方案一：双线圈反向串联（FIGS. 3A/3B）

线圈 114A（输入 106A，输出 108A）与线圈 114B（输入 106B，输出 108B）容量设计为基本相同，以使两者感应电流幅值相近。

• 串联态（FIG. 3A）：开关电路 156 连接为 Terminal 110B → 106B → [114B] → 108B → 106A → [114A] → 108A → Terminal 110A；两线圈同向，$I_{\text{net}}=I_1+I_2$。
• 反向串联态（FIG. 3B）：开关电路将 106B 与 106A 相接（两输入端互连），有效翻转 114B 的电流方向，$I_{\text{net}}=I_1-I_2\approx 0$（两线圈容量相同时完全相消）。

若两线圈容量有意设计为非对称（如 114A 比 114B 多一匝），反向串联后残余电流正比于容量差，IMD 在抑制大感应的同时仍可维持低水平充电或遥测功能。

方案二：三线圈梯级削减（FIGS. 4A/4B）

三线圈（214A、214B、214C）满足容量约束：

$C_{\text{214A}}=C_{\text{214B}}+C_{\text{214C}}$

专利给出概念性例示：214A 占总容量 50%，214B 占 35%，214C 占 15%。该约束使 214A 与 214B+214C 在完全反向串联时净电流趋近于零（FIG. 4B）。处理电路可通过改变哪组线圈进入反向状态，实现全串联（最大感应量）→ 中间档（部分线圈反向）→ 最大抵消（净感应量 ≈ 0）的多档切换；FIG. 4B 中亦示出仅令 214A 与 214B 相互抵消、保留 214C 单独感应的配置，使设备在强抑制期间仍具备极小量级的感应电流。

传感器与阈值控制逻辑（FIG. 6/7 流程）

传感器 58 可选测温度（壳体内热敏电阻/热电偶，或红外非接触传感）、感应电流、感应电压，亦可多传感器联合以过滤瞬态误触发——仅当电流传感器与温度传感器同时满足各自阈值时才触发切换，避免瞬态电流尖峰引发不必要响应。阈值预存于内存 62；切换持续时长支持两种模式：（1）固定预设时段（如 15 分钟），（2）双阈值迟滞——第一阈值触发抑制，第二（较低）阈值触发恢复；感应上升速率越陡，处理电路可设定更长抑制时长。若超过预定时段温度仍未回落，处理电路可驱动遥测电路短暂切回串联态，发出报警通知后再恢复抑制状态。

物理实现形态（FIGS. 5A–5E）

子线圈安装形式涵盖：壳体外表面凹槽嵌装（FIG. 5A，recess 316）、IC 框架层叠安装（FIG. 5B，stacked）、框架嵌套共面（FIG. 5C，nested coplanar）、壳体表面印刷迹线（FIG. 5D）、共轴双螺旋线圈（FIG. 5E）。各方案通过框架金属化焊盘（pads 406）连接开关电路，无需额外穿壳连接器；线圈亦可置于壳体主体外（如 overmolding 层）以改善与外部充电线圈的耦合效率。

效果与证据

定量数据：无，仅为概念/分析。全文未提供实测感应电流削减量、组织温升曲线、SAR 测量值或电路仿真结果；三线圈容量比例（50%/35%/15%）为概念性例示，并非经实验确认的参数；FIG. 7 流程图中所述梯级百分比存在内部不一致，进一步确认该数值为定性说明而非量化依据。

对我方产品的意义

落点于「WPT 线圈射频感应致热」挑战：若产品需在 MRI 扫描期间保留最低限度的遥测链路，本专利的非对称双段（或多段）线圈反向串联结构提供了一种在大幅削减感应电流的同时维持残余功能的路径，其多传感器联合触发与双阈值迟滞控制逻辑亦可直接作为过热保护电路设计框架的方法参考。

关联

• 原文(Google Patents):https://patents.google.com/patent/US11458321B2/en
• 危害:Hazard-rf-heating