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US7865247B2 Medical leads with frequency independent magnetic resonance imaging protection

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US7865247B2 Medical leads with frequency independent magnetic resonance imaging protection

摘要

  • 问题:MRI 切换梯度场(dB/dt≈50 T/s,200 Hz–300 kHz)与 RF 场(1.5T 时 ≈63.86 MHz)在「植入设备—引线—组织」回路上经 Lenz 定律感应电压与电流,导致电极–组织界面加热及非治疗性刺激。
  • 方案:在引线远端串联两个反向取向的电流限制二极管(CLD)(FIG.38–41,器件 1812/1814、1912/1914、2012/2014),使正负两极性的感应电流均被钳制在恒流区内;其中第二个二极管为 Zener,反向击穿电压(示例 ≈3 V)低于治疗脉冲幅值(>4 V),允许治疗脉冲通过;可叠加并联 LC 谐振陷波器(FIG.28、FIG.41 中 circuit 2020)进一步衰减残余 RF 振荡;CLD/谐振电路可部分容纳于环形电极(ring electrode 1908)之内。
  • 效果:定量数据来自仿真演示。FIG.42 给出概念性示例:500 mA 峰值正弦感应电流在两个恒流区为 100 mA 的反向 CLD 作用下被钳制到 ≤100 mA 峰值;FIGs.29–36 的电路仿真显示治疗脉冲间隙的 63.86 MHz 正弦扰动与 3.5 V 梯度脉冲被显著抑制。无台架/动物/临床实测。
  • 形态:23 项权利要求,3 项独立权利要求(claims 1/9/13)聚焦「双反向 CLD + 环形电极 + 可选 LC 谐振」拓扑;说明书覆盖多种相关方案(对消线圈、Balun、RF 扼流、Zener 旁路等)但权利要求落在 CLD 路线。

机理与方案

失效机理。FIG.1 所示植入回路由脉冲发生器壳体 102、引线 104、远端电极 112 与心脏–壳体间的体液–组织通路 108 闭合,Lenz 定律给出 凡穿过该闭合面积的时变磁通都会驱动感应电流。MRI 系统两类时变场各自贡献:梯度场频段 200 Hz–300 kHz、dB/dt 可达 50 T/s,主导低频 EMF 与误刺激;1.5 T 时 RF(B1)场以 ≈63.86 MHz 进入引线,主导电极界面加热。组织界面温升与流过界面的电流满足 故将界面电流减半即可将耗散热降到原来的 1/4——这是引入电流限制元件的工程依据。

单 CLD 的 I–V 钳位(FIG.37)。单个 CLD 在正向偏置区 1606 内存在三段:子区 1612 呈现近恒流平台,子区 1610、1614 电流随电压变化显著;负向 1604 不被限制。该特性只能钳制单极性峰值。

双反向 CLD 的对称钳位(FIG.38)。将两个相同 CLD 串联、取向相反,则正向区 1706 由 zone 1712 提供恒流上限、负向区 1704 由 zone 1724 提供对称的恒流下限。对应器件级实现见 FIG.39 中 1812/1814、FIG.40 中 1912/1914(置于环形电极 1908 内,串联接点 1916)以及 FIG.41 中 2012/2014。该构型对感应电流的限制不依赖任何谐振条件,因此说明书称之为「frequency independent」:同一器件对 kHz 梯度感应与 MHz RF 感应均施加恒流上限。

与治疗脉冲的兼容(FIG.24–26)。治疗脉冲为典型双相方波(FIG.25):正向幅值 402(>4 V)用于刺激,负向幅值 404 小但正负面积相等以避免直流。CLD 的泄漏区(FIG.26 zone 508)与 Zener 反向击穿电压 Vb 需要协同选择,使 |404|<Vb,且 Vb < |402|;说明书示例 Zener 反向击穿 ≈3 V,刺激脉冲 4–7 V。FIG.24 给出 Zener 3200 与普通二极管 3220 反向串联的早期形式,FIG.27 进一步在远端加 Zener+二极管对(620/622),并在近端再串一二极管 642 提供双向保护。

LC 谐振陷波叠加(FIG.28、FIG.33–34、FIG.41)。在 CLD 链路上再串入并联谐振电路(inductor 1222 + capacitor 1224,谐振于 RF 频段),可把治疗脉冲间隙残余的 RF 振荡进一步压制——FIG.33 显示脉冲后期 1260、1262 时刻正弦振幅相对早期 1252 明显衰减,FIG.34 中半波分量同样在 1360、1362 时刻衰减。LC 仍是窄带,但与宽带 CLD 配合形成「先钳位、再陷波」的两级压制。

电极集成(FIG.40、claims 5、8、12)。CLD 与谐振电路可置于环形电极 1908 内部,缩短从限流器件到组织界面的导体长度,降低限流器件下游的二次再耦合。

效果与证据

判据:仅为电路仿真与概念演示,无台架温升、无动物实验、无临床数据。说明书原文明示「the simulations described below are for illustrative purposes only」。关键定量(均为仿真假设下的演示性数值):FIG.42——500 mA 峰值正弦感应电流被假定具有 100 mA 恒流区的双反向 CLD 钳制到 ≤100 mA 峰值;FIG.30–FIG.36 系列对比中,0.5 V@63.86 MHz 正弦扰动叠加 4 V 方波脉冲、3.5 V 梯度脉冲构成的输入,经 CLD/Zener/LC 组合后,脉冲间隙的振荡及梯度脉冲幅值均显著降低(其中 3.5 V 梯度脉冲在反向 Zener 击穿后剩余 ≈0.5 V)。能量层面给出的论证为 故电流减半对应热耗散降到 1/4;同时双反向 CLD 保持时间平均电流为零,避免直流偏置导致的电极电化学损伤。组织热升、SAR 数值、in vivo 引线温升等关键安全量未公开。

对我方产品的意义

该专利直接命中我方产品两条挑战中的一条:长导线 RF 致热(在我方设备含外引线或长延伸导体的形态下),并对整流器非线性致热给出方法学参考。其核心思路与 solution_family=rectifier-isolation 一致——利用半导体器件 I–V 非线性在引线远端钳制感应电流,而非依靠窄带谐振滤波,因此对扫描序列与 B0 强度变化具有更宽的鲁棒性。可借鉴点:(1)双反向 CLD 提供正负对称恒流上限,可作为我方 WPT 关断态下评估射频电流泄漏路径的对照拓扑;(2)Zener 反向击穿电压与治疗(或工作)脉冲幅值的间隔规则,迁移到我方场景即整流器反向击穿/泄漏与 WPT 工作电压的隔离窗口设计;(3)CLD+LC 的两级压制结构,可作为评估「宽带钳位 + 窄带陷波」分工分析的方法模板;(4)关于环形电极内集成限流器件以缩短下游耦合长度的几何论点,对评估我方任何带远端电极的引线形态的耦合面积与残余热点具有方法参考价值。证据等级限于电路仿真,引用时须保留这一限定。

关联

关系图谱

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