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US6985775B2 Method and apparatus for shunting induced currents in an electrical lead

US6985775B2 Method and apparatus for shunting induced currents in an electrical lead

摘要

  • 问题:弃用导线的裸露电极在诊断/治疗设备(如 MRI)产生的射频场中感应出 >1 MHz 电流,经导线原有电极流入邻近组织造成阻性发热,严重时损伤组织;若为分散电流而给端盖加装导电电极,又可能让邻近有源起搏、神经刺激装置发出的 <500 Hz 信号经该导线传导,干扰心脏或神经组织的正常功能。
  • 方案:端盖内置连接器,将导线原有电极与端盖新增电极(或导线自身多个电极彼此)电耦合,两者之间串入频率选择性滤波器——高频通过、低频受阻;滤波器依次以单电容、电容加分立并联 LC 谐振网络、电容加自谐振线圈三级实施例实现。
  • 效果:1.5 T MRI、约 64 MHz 感应电流条件下,双极导线配单电容滤波器(100–1000 pF)时导线电极附近温升约 4.9 °C;同型省去该电容时约 16.0 °C。
  • 形态:29 项权利要求,7 幅附图;端盖本体、连接器、(单个或多个)电极与滤波器构成基本结构,可调维度包括电容值、滤波器级数(电容/电容加 LC/电容加自谐振电感)与耦合电极数目。

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

弃用导线保留在体内时,标准做法是给近端加绝缘端盖密封,只为防止体液进入导线内部滋生感染并顺带避免低频电流经导线流动引起意外刺激,端盖本身不导电。诊断/治疗设备的电磁场(MRI 的射频场、shortwave/microwave/ultrasound diathermy)会在导线导体中感应电流;无论导线是否仍连接有源器件,这股感应电流通常都经导线远端的电极流入邻近组织,造成”resistive heating in the tissue adjacent the electrode”,严重时损伤组织。致热集中在该电极处的原因是电流经由单一小面积电极注入组织,电极-组织界面电流密度与局部焦耳热随接触面积增大而降低[1];仅用绝缘端盖封端时,弃用导线原有的这条致热路径不受影响。

解决机理

端盖若自带一个导电电极,仅这一步就能生效:它在导线原有电极之外提供额外的组织接触面积,“the current is dissipated into a greater volume of tissue, thus decreasing any temperature rise”。多电极导线也可以不新增电极,而是把导线自身原有的多个电极彼此电连(“electrically shorted together to achieve the desired effect”),用同一原理分摊电流。

但端盖电极若与导线导体直接导通,会引入新的隐患:邻近有源起搏、神经刺激装置发出的低频信号可能经这条新通路传导,干扰心脏或神经束的正常功能;因此端盖以内置滤波器 402(FIG. 4)在电极与导线导体之间插入频率选择性阻断——对诊断/治疗设备感应产生的高频电流(>1 MHz)呈低阻抗放行,对起搏/神经刺激频段(<500 Hz)呈高阻抗阻断。

最简单的实现是单只串联电容(FIG. 5):电容对低频呈现的阻抗远高于对高频呈现的阻抗,选值须使高频阻抗低于电极-组织阻抗,即”a low impedance relative to the electrode-to-tissue impedance”。举例:1.5 T MRI 下约 64 MHz 感应电流,电容取 100–1000 pF 时对应阻抗约 2.5–25 Ω[推导:按 反算,64 MHz 下 100 pF 约合 25 Ω、1000 pF 约合 2.5 Ω,容值越大阻抗越低,与两段区间的量级一致]。配该电容的双极导线,导线电极附近温升约 4.9 °C;同型端盖省去电容后约 16.0 °C。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 5 —(基于 raw 文本:端盖电极 108 经电容 502 与导线电极 304 通过导体 208 相连的滤波器原理图)

在此基础上,第二种实施例(FIG. 6)再串入一个并联 LC 谐振网络(电感 604 与电容 606 并联,谐振于目标频率),专门”impede currents from traveling to the lead electrode 304 due to antenna effects”[2]。这针对的是导线自身的天线效应:导线长度与感应电流波长满足特定比例时,电流会更集中地流向阻抗较低的一端,而非均匀分布于导线全长[3]。专利举例取电感 50 nH、电容 500 pF,对应约 32 MHz,称其波长约 100 cm、“equal to about twice the length of the lead conductor 208”——即导线长度约为该波长之半;而前一实施例描述天线效应触发条件时,称导线长度”approximately equal to the wavelength”(整个波长)。两处对导线长度与谐振波长比例的表述不一致[待确认],raw 未调和。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 6 —(基于 raw 文本:滤波器在电容 602 之后再接入电感 604 与电容 606 并联而成的调谐 LC 网络,用于阻断导线天线效应电流)

第三种实施例(FIG. 7)把这一并联网络换成一段细线薄绝缘绕成的三匝线圈,利用绕组自身的匝间寄生电容与电感”to form a resonant circuit”,同样自谐振于约 32 MHz,配合同一只串联电容在约 64 MHz 呈低阻抗[4]。线圈匝数可调,用于改变该网络的频率响应;沿信号路径级联多个并联 LC 网络,可在更多频段增设高阻抗。

FIG. 9 到 FIG. 13 把上述三级滤波器用于耦合导线自身的两个或以上电极(908、910),取代端盖自带电极:高频下彼此近于导通、共享接触面积,低频下仍相互隔离,机理与端盖电极版本相同。

工程实现

端盖本体 102 的孔 202 容纳导线端 104,靠穿过开口 205 的固定螺钉 204 锁定;开口另用塞子密封防止体液进入端盖内部,与端盖原有的防感染密封功能一致。体 102 内的连接器 206 把导线导体 208 与电极 108(或 FIG. 9 到 FIG. 13 中的多个导线电极)电耦合,滤波器可容纳在电极 108 内部,也可置于电极 108 外部、端盖本体 102 内。

电极 802 的气密构造(FIG. 8)对应上述三种滤波器的共同封装方式:管体 804 两端分别焊接到端部 808、810;套圈 812 穿过端部 808 的开口 814,焊点密封套圈与开口间的空隙;电容 818 由介电间隔件 820 与套圈 812 隔开以”provide electrical isolation”;引脚 822 穿过电容 818 及套圈开口 826 内的绝缘子 824,导电胶 828 把引脚与电容的第一组极板 830 粘接导通,导电胶 832 把电容的第二组极板 834 与套圈 812 粘接导通;引脚末端 836 接入连接器 206。FIG. 6、FIG. 7 实施例的元件(电容 602、电感 604、电容 606,或电容 702、线圈 708)同样容纳于管体 804 内。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 8 —(基于 raw 文本:端盖电极 802 的气密结构剖视,含管体 804、套圈 812、电容 818、绝缘子 824 与引脚 822)

取舍

  • 端盖电极单独已能靠扩大接触面积降温,但直接导通会给低频信号开辟新通路;加滤波器解决这一副作用,代价是端盖内须容纳分立电容、电感等元件并维持气密封装。
  • 三种滤波拓扑代价递增:单电容(FIG. 5)结构最简单,但只提供一级高通,不专门压制导线自身的天线谐振电流;加装分立 LC 谐振网络(FIG. 6)能专门压制该谐振频率,却需要额外电感元件,且须准确对准导线的等效谐振频率——该频率随导线长度、走向与组织环境而异,专利未讨论对准的鲁棒性;自谐振线圈(FIG. 7)省去分立电感、以线圈自身寄生电容实现自谐振,更紧凑,但自谐振点更依赖绕制工艺的一致性,专利未给公差或量产验证。
  • 多电极耦合变体(FIG. 9 到 FIG. 13)利用导线自带的多个电极分散电流,无需端盖自身携带额外电极面积;但要求这些电极此前处于电学隔离状态才可安全短接,专利语境限定为已弃用、不再连接有源器件的导线。

效果与证据

  • ① 温升(测试条件:1.5 T MRI、约 64 MHz 感应电流,双极导线,配 FIG. 5 单电容实施例,电容 100–1000 pF):raw 称此配置下导线电极附近温升约 4.9 °C;同型端盖省去该电容时约 16.0 °C。raw 用”may be”措辞,未注明数据来自实测、仿真抑或估算,也未给场强验证、phantom/组织模型、样本数,或导线长度、走向、端盖电极面积等条件。
  • ② 阻抗设计值(设计判断,非独立测试):电容 100–1000 pF 在约 64 MHz 下对应阻抗约 2.5–25 Ω[推导:按 ,64 MHz 下 100 pF 约合 25 Ω、1000 pF 约合 2.5 Ω],与电极-组织阻抗(约 20–100 Ω)构成高频低阻通路的设计依据;raw 未逐值配对说明该阻抗区间与容值区间的对应顺序。
  • ③ 天线效应目标频率(设计值,非独立测试):FIG. 6 与 FIG. 7 均取约 32 MHz 为目标(前者电感 50 nH、电容 500 pF),FIG. 5 与 FIG. 7 的串联电容在约 64 MHz 呈低阻抗;两组频率分属不同实施例,raw 未给对应的衰减或阻抗-频率实测曲线,也未量化阻断后残余电流的幅度。
  • ④ 权利要求结构(结构证据):独立 claim 1(连接器耦合至少两电极,一为导线电极、一为端盖电极)与独立 claim 13(端盖电极组织接触面积大于导体本身)分属两条权利要求树,各自派生单电容(claim 2–3、claim 15)、电容加通用 LC 网络(claim 4–5、claim 16,覆盖 FIG. 6 与 FIG. 7 两种下位实现)、电容加电感且第二电容并联电感的显式谐振结构(claim 6–7、claim 18,对应 FIG. 6)、电容加自身具自电容电感的结构(claim 8–9、claim 19,对应 FIG. 7)。方法权利要求 20–22 限定把感应电流路由至导线电极与/或端盖电极、或路由至导线自身的多个电极;claim 23 按频率区间选择路由或阻断,对应说明书 FIG. 15 的流程块 1502/1504(单电容实施例的基本高通判据);claim 24 再加一条独立判据——若电流由导线天线效应产生则一并阻断,对应 FIG. 16 的流程块 1602/1604/1606(LC 网络/自谐振线圈实施例)。claims 25–29 以 means-plus-function 形式对应 claims 20–24。

严谨性缺口:

  • 唯一定量温升数据(4.9 °C / 16.0 °C)未标明测试性质、场强验证方式、phantom 或组织模型、样本数,也未给该配置对应的端盖电极面积或几何参数。
  • 电极-组织阻抗(20–100 Ω)未给出测量方法或数据来源。
  • 32 MHz 目标频率及电感 50 nH、电容 500 pF 均为单一设计举例,未给该谐振网络的衰减-频率曲线或阻断后残余电流的实测/仿真值。
  • 多电极耦合实施例(FIG. 9 到 FIG. 13)全篇无独立的温升或阻抗数据,其效果只能类推自单电极端盖(FIG. 5)的 4.9 °C/16.0 °C 结果,raw 未验证多电极场景本身。
  • 导线长度与谐振波长的比例关系,FIG. 5 段落称二者约相等(整波长),FIG. 6 段落的 32 MHz 示例称波长约为导线长度两倍(即导线长度约为半波长);raw 未调和这一差异,也未说明该波长取自由空间还是组织介质。
  • 全篇无 phantom、动物、临床或 ASTM/ISO 标准验证;三种滤波拓扑之间未给相对性能比较,也未讨论体液渗入端盖气密腔、元件长期老化或谐振频移对阻断效果的影响。

关联

  1. electrode-tissue-current-density-heating——电极-组织界面电流密度与局部焦耳热随接触面积增大而降低(概念卡)。
  2. parallel-lc-resonance——并联 LC 网络在谐振频率处呈高阻抗、专门阻断该频率电流(概念卡)。
  3. lead-resonant-length——导线电气长度与高频波长的比例关系决定天线效应电流的集中位置(概念卡)。
  4. inductor-self-resonance——线圈自身匝间寄生电容与电感构成自谐振网络(概念卡)。