US7853324B2 Tank filters utilizing very low K materials, in series with lead wires or circuits of active medical devices to enhance MRI compatibility

摘要

• 问题: MRI 射频脉冲在植入式/外部有源医疗器械（AMD）导线中感应电流，导致导线或远端电极尖端（distal TIP）过热，引发组织损伤、消融甚至心律失常；同时 MRI 静态场可使含铁磁材料的电感器饱和并产生图像伪影。
• 方案: 在导线远端电极（TIP/RING）或沿导线/电路中串联并联 LC TANK 滤波器，谐振于 MRI RF 频率（如 64 MHz/128 MHz），在该频段呈现高阻抗以阻断电流；采用低 k（≤200）陶瓷基板（如氧化铝、NPO、瓷、玻璃）构建电容与电感，保证机械强度与生物相容性，避免铁磁材料以消除图像伪影；支持同轴、矩形、厚膜、多层共烧等多种微型化形态，可单频或多频串联配置，并可与既有馈通电容低通 EMI 滤波器协同使用。
• 效果: 未公开 / 无定量（专利文本未提供体外或体内实测的温升降低数值、电流衰减 dB 数或 SAR 变化等定量数据）。
• 形态: 27 项权利要求，79 张附图；涵盖同轴管状、盘状馈通、矩形 MLCC-T、厚膜沉积、芯片电感共贴、主动固定螺旋尖端内嵌、神经刺激电极垫、Bion 器件内部等多种结构形态，并可集成 RFID 标签标识 MRI 兼容性。

机理与方案

失效机理：MRI 环境中存在三种电磁场——静态主磁场 $B_0$（0.5–3 T 或更高）、脉冲射频场 $B_1$（由拉莫尔方程 $f=42.56\times B_0$ 决定，如 1.5 T 对应 64 MHz，3 T 对应 128 MHz）以及时变梯度场 $G$（约 1–2.2 kHz）。植入导线在 RF 场中充当天线，因环面积（平均 200–225 cm²，最大可达 450 cm² 以上）感应出电流；电流在导线远端 TIP 处经欧姆损耗（$I^{2}R$）及组织界面电流产生焦耳热，导致心肌或神经组织热损伤甚至消融。导线长度若与 RF 波长呈分数关系（如 3 T 时 $\lambda \approx 234$ cm，$\lambda /4\approx 58.5$ cm 恰在起搏导线长度范围内），耦合效率更高，加热更严重。此外，铁磁芯电感器在 $B_0$ 中饱和会导致电感失效并产生 MRI 图像伪影。

技术方案：核心为并联 LC TANK 滤波器（附图标记 146）串联接入导线（图 11、图 17、图 28、图 36、图 38、图 43、图 45 等）。理想并联 TANK 在谐振频率 $f_r$ 处阻抗趋于无穷大，阻断该频率电流。谐振频率由 $f_r=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$ 决定，其中 $L$ 为电感（H），$C$ 为电容（F）。以 64 MHz、$L=150$ nH 为例，所需电容 $C\approx 41.3$ pF（图 12）。

为兼顾多场强 MRI 兼容性，采用中等 Q 设计：选用高 Q 电感（低串联电阻 $R_s$）与低 Q 电容（较高等效串联电阻 ESR）组合，使 3 dB 带宽展宽，可覆盖 64 MHz 与 128 MHz 等多个频点（图 24，曲线 164），同时避免过高 Q 导致制造容差及老化漂移（典型 MLCC 每十年衰减约 2%）使谐振点偏移失效。电感 $R_s$ 需尽量低（<1 Ω 量级），以保证 10 Hz–1 kHz 生物信号及起搏脉冲低损耗通过；电容 ESR 可适当提高以展宽阻带，但需平衡避免整体阻抗峰值过低。

结构实现：

• 同轴管状/盘状馈通型（图 32、35、37、42、44、68–76）：电容为单层/多层管状或盘状馈通电容（标记 168、184、220），内嵌或外绕螺旋电感（标记 208、380），导线不连续穿过电容，电感并联跨接在电容两端。采用低 k（$k\le 200$，优选氧化铝 $k\approx 6$–$7$、NPO $k\approx 60$–$90$、瓷 $k\approx 10$–$12$）陶瓷，保证可承受金钎焊及植入扭矩。
• 矩形 MLCC-T 型（图 80–92、图 142–144）：在多层陶瓷电容（MLCC）顶部或内部嵌入蜿蜒电感层（标记 346、354），共烧为单块，外观与常规 MLCC 相同，端面金属化（336、338）直接接入导线。
• 厚膜/薄膜沉积型（图 133–140）：在氧化铝等低 k 基板上逐层丝印绝缘层、电感层（484）、电容电极层（488、492），高温烧结形成整体。
• 主动固定螺旋尖端内嵌型（图 147–159）：TANK 滤波器（标记 646、714、720）置于螺旋固定电极（helix 632）的金属壳体（630）内部，通过金钎焊（756、760）或激光焊与传动轴（spline 634）及螺旋底座（758）连接，可设置中心孔（103）供导丝通过（图 167–169）。
• 多频串联配置（图 22、图 50）：多个 TANK 分别谐振于不同 MRI 频率（如 21 MHz/0.5 T、64 MHz/1.5 T、128 MHz/3 T），串联实现宽频保护。
• 与既有 EMI 滤波器协同（图 162–166、图 172）：在 AIMD 馈通处保留宽带低通馈通电容（120），在远端 TIP 或导线中段增设 TANK，形成分级防护。

调谐方法：制造后可通过微喷砂（图 119–121）或激光修刻（图 123–124）去除部分电容电极板面积以降低 $C$，或短路/开路电感匝数以调整 $L$，使 $f_r$ 精确对准目标 MRI 频率。

效果与证据

定量数据：无，仅为概念/分析。专利全文未提供任何体外或体内实验的温升测量、RF 电流衰减实测值、SAR 降低比例、组织损伤阈值对比或仿真曲线数据；仅给出理论推导的阻抗公式、Q 值与带宽权衡分析、以及一组 P-Spice 建模示例参数（$C=41.3$ pF、ESR = 10 Ω、$L=150$ nH、$R_s=1.0$ Ω，声称谐振阻抗 > 50 Ω），但未提供实际验证结果或图表数据。

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/US7853324B2/en
• 危害:Hazard-rf-heating