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US7551953B2 Magnetic resonance imaging needle antennas

US7551953B2 Magnetic resonance imaging needle antennas

摘要

  • 问题:传统钢制经房间隔针会产生图像伪影、磁场力及感应 Ohmic heating；细长 MRI 接收天线还会在外部 RF 发射脉冲下承载感应电流。
  • 方案:以非磁性管状内导体、介电层和外导体构成 loopless dipole needle antenna；沿探头设置屏蔽与调谐 balun/bazooka，并在外置接口盒中加入发射期解耦及接收期匹配网络。
  • 效果:专利定性报告 balun 可降低感应电流及过度 Ohmic heating 风险；螺旋天线的 50% RF power deposition 降低与最高 40% SNR 提升属于通用 quadrature 设计陈述。
  • 形态:103 claims；主要形态为带开放管腔和尖锐远端的针天线，说明书同时覆盖线性、螺旋及组合 whip、可拆连接器和外置接口盒。

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；[推断] = 按常识判断、专利未述；[待确认] = 专利未给、需另行定夺。

失效机理

MRI 外部 RF 线圈的发射脉冲在细长针体、内导体与屏蔽层上激发电流。探头为提高局部 MR 接收灵敏度而被设计成天线；同一导电结构暴露于强 RF 发射场时也会耦合能量。专利将安全问题表述为外部 RF 与磁场所致 induced currents 及 excessive Ohmic heating，并指出屏蔽层 103 在远端中止虽可增强接收信号，却可能在人体内产生不利影响。

[推导] 对外场在导体上建立的等效感应电压 (V_\mathrm{ind})，共模电流近似满足 (I_\mathrm{cm}=V_\mathrm{ind}/Z_\mathrm{cm})；导体损耗随 (|I_\mathrm{cm}|^2R) 增长。因此，提高共模阻抗可定性解释感应电流及 Ohmic heating 风险的下降。

缓解机理

屏蔽层 103 可由 braid、mesh 或连续 hypotube 构成；其外侧还可设置连续或分段的 tertiary shielding 451。分段之间以电容 471 连接，或直接、经电容接至 primary shielding 461，形成一系列 balun 139(FIG. 4)。调谐 balun 又称 bazooka circuit，目标是在 MRI 外部线圈发射 RF 脉冲时提高导线上的共模阻抗，降低感应电流。谐振频率须与扫描器 RF 频率一致；[推断] 屏蔽、介电层或连接处形成低阻旁路会削弱该高阻状态。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 4 — 分段 tertiary shielding 451、primary shielding 461、电容 471 与 balun 139 的屏蔽抑流结构。

接口盒把发射期隔离与接收期匹配分开处理(FIG. 26)。直径 1 mm、长度 5–10 cm 的 50 Ω solid-shield coax 绕成线圈 615；其屏蔽电感与电容 613 调谐，在接口盒邻近处对屏蔽层 103 的电流呈高阻抗。线圈 615 的中心导体电感与电容 613 构成探头解耦网络；扫描器在 RF 发射期间由连接器 619 施加 DC，使 PIN diode 623 导通，电容 621 调到探头阻抗最大。接收时，电感 625 与电容 627 将探头匹配到扫描器放大器的 10–80 Ω 输入。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 26 — 接口盒中屏蔽平衡、PIN-diode 发射期解耦及接收匹配网络。

[推导] 该网络按电流模式与扫描时序选择阻抗状态：共模屏蔽电流及发射期探头电流面对高阻抗，MR 接收信号经匹配网络送入放大器。balun、PIN-diode 解耦与匹配网络的贡献在本篇证据下只能定性区分。

工程实现

通用 guidewire probe 由 core 101、第一介电层 102、屏蔽层 103、可选第二介电层 104 与 distal whip 组成(FIG. 1、FIG. 2)。core 101 可用 Nitinol 等非磁性材料，并镀金、银、铜或铝以改善 RF 导电性；介电层厚度用于控制传输线阻抗；外介电层 104 隔开血液和组织与裸导体的直接接触。

针形实施例以 18-gauge Nitinol tube 12 构成约 70 cm 的 needle shaft 30，并保留开放管腔供 obturator 20 穿行(FIG. 28、FIG. 29)。raw 报告全长针轴覆 0.5-mm platinum 22，近端约 65 cm 再覆 0.3-mm Teflon 24 与 0.5-mm outer platinum conductor 28；未覆介电层的远端 5 cm 同时作为 antenna whip 32 与穿刺端。内导体为 dipole 一极，外导体为另一极并把 MR 信号送至接口电路。[待确认] 这些径向层厚与 18-gauge 管径的组合在几何上可疑，需以专利页图或原始版面核对单位。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 29 — 针轴内导体、Teflon 介电层、外导体与远端 5 cm whip 的同轴分层。

线性 whip 106 的最优长度取屏蔽终止处所测天线阻抗实部最小的位置，通常约为介质中波长的 0.25 倍或更短。裸线置于水中时，专利给出 4–12 cm；增加外绝缘 104 会降低天线经历的有效介电常数、增大工作波长和最优长度，同时增大外径。螺旋 whip 306 以较短物理长度容纳较长导体，并提高柔性；线圈直径与匝距远小于波长时按 normal mode 工作。组合 whip 可将 helical coil 208 在一点 213 或多点连接到 linear whip 106，也可仅机械套覆而不电连接。

探头近端连接器需允许介入工具沿导丝快速更换，连接器外径不应显著大于探头。FIG. 17–20、24–25 为直接电接触形式；FIG. 21–23 以 solenoidal coil 或 loop coil 电磁耦合，避免湿环境中的接触退化并提供 DC 隔离。外置接口盒与可拆连接器使主要调谐、解耦器件不必全部塞入针轴。

本篇是 US6675033B1 所属导丝探头架构的 continuation-in-part；同族卡同样给出 core/介电层/屏蔽层、balun/bazooka、PIN-diode 解耦和 63.9 MHz 接口网络[1]。这说明结构在同一专利族内重复披露，不能据此推为跨厂商共识。

取舍与适用边界

  • 接收灵敏度与 RF 安全:缩短屏蔽覆盖可增强天线信号，也会增加人体内的不利耦合；balun 与发射期解耦用于保留接收功能并限制发射期电流。
  • 绝缘与尺寸:外介电层避免裸导体接触组织，却使最优 whip 变长并增加外径；螺旋绕制用柔性与较短物理长度换取所需电气长度。
  • 调谐与环境依赖:介电常数、屏蔽终止位置、弯曲轨迹和组织负载均会改变天线与 balun 阻抗[推断]；本篇调谐方法以 63.9 MHz 为实例。
  • 器械定位:该装置是术中接入扫描器的主动 MRI needle/guidewire receive antenna，不是长期植入的治疗导线。对 DBS 双侧皮层导线可迁移的是“以调谐共模高阻抗限制发射期感应电流”的机理；开放针腔、穿刺 whip、外置接口盒与换械连接器不能直接移植。

效果与证据

  • 天线长度估算｜裸线置于水中:线性 whip 的优选长度以屏蔽终止处所测阻抗实部最小为判据，报告约 4–12 cm，并称通常为介质中波长的 0.25 倍或更短；外加绝缘只报告最优长度增大的方向。
  • 接口调谐｜63.9 MHz 示例:线圈 615 采用 5–10 cm、直径 1 mm 的 50 Ω coax；电容 613 用于平衡屏蔽，电容 621 在 PIN diode 623 导通时最大化探头阻抗，电感 625 与电容 627 将接收端匹配到 10–80 Ω 放大器。证据内容为器件几何、目标阻抗状态和调节方法。
  • 螺旋 quadrature 陈述｜一般天线性质:专利称 quadrature 设计可使 RF power deposition 降低 50%、SNR 最高提高 40%，并将其作为天线几何的一般性质。
  • 主动跟踪流程｜心脏 MRI:经房间隔操作示例采用 gated fast gradient echo scout，右前斜 45°与左前斜 40°观察房间隔；实时 fluoroscopy sequence 的时间分辨率为 8 frames/s，针迹可叠加于心房与房间隔图像。
  • RF-heating 证据｜定性机理:balun 被表述为减少外部 RF 线圈发射时的 induced currents，并“may also decrease”过度 Ohmic heating 风险。

严谨性缺口:

  • 无温升、SAR、感应电流、组织功率沉积或 phantom/动物/临床热学数据，也无 ASTM F2182 或 ISO/TS 10974 条件。
  • 无 balun、bazooka 或 PIN-diode 解耦网络的 L/C 数值、峰值阻抗、Q、带宽、共模抑制比及植入后失谐量。
  • 无沿针轴电流分布、组织回流路径和热点模型；FIG. 26 的集总电路只支持定性解释，不能预测温升。
  • 50% RF power deposition 降低与最高 40% SNR 提升没有装置级测试条件，不能与 RF-heating 安全效果等同。
  • 主动跟踪流程没有明确标注为已完成的受试实验，亦无结果数据；“near microscopic resolution”没有数值定义。
  • 针体镀层与介电层厚度的 raw 单位和 18-gauge 几何关系存疑，工程尺寸在核对原始版面前不可直接采用。

关联

  1. US6675033B1_Boston-Scientific——同族 MRI guidewire probe 卡；重复披露多层屏蔽、balun/bazooka 与接口解耦网络。