AIMD · MRI-Compat KB

US8041433B2 Magnetic resonance imaging interference immune device

US8041433B2 Magnetic resonance imaging interference immune device

摘要

  • 问题:植入导线常规弹簧线圈相邻匝相互接触,在 MRI 扫描仪约 63.85 MHz 的激励频率下呈现电容特性而非电感特性,对感应电流阻抗很低,导致远端裸露电极处电流密度升高、导线周围组织温度上升。
  • 方案:把线圈相邻匝由接触状态拉开为预定间隙(或改用接地导电屏蔽层的三层同轴涂层导体、或直接采用现成同轴线材绕制),降低匝间寄生电容并改变电感,使线圈自谐振频率上移、逼近该激励频率,从而在该频率呈现更高阻抗。
  • 效果:电学台架测量显示自谐振频率随拉伸程度从 13.65 MHz(未拉伸)升至 18.90 MHz(89 cm 拉伸样品);63.85 MHz 环境暴露下,26 cm 与 52 cm 拉伸导线的温升实测均低于未拉伸对照,52 cm 样品中”拉伸+串联电感”组合的温升低于仅串联电感。
  • 形态:14 项权利要求,3 项独立(claim 1 导线本体、claim 7 含 IMD 的系统、claim 13 线圈贯穿导线全长的变体);claim 2/8 追加三层同轴涂层导体,claim 3/9 追加双极导线的第二导体,claim 4–6/10–11 覆盖单极起搏、除颤导线与起搏/感知功能限定,claim 14 要求匝间距沿整根导体贯穿近端到远端。可调维度含匝间距/拉伸长度、涂层结构、导线类型。

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] = 按常识/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

MRI 扫描仪激励频率下(约 63.85 MHz),导线弹簧线圈相邻匝间的寄生电容是支配其电学特性的因素:背景部分指出,无论涂层与否,线圈在该频率下都”characteristics of capacitors, not inductors”。约 63.85 MHz 对应 1.5 T 场强下质子进动频率(Larmor 关系)[1][推导];raw 未给出对应的 Tesla 数值。常规线圈相邻匝相互接触(FIG. 1),电流主要沿导线走向直接穿越,仅少量电流绕匝而行,故其电学特性”mainly capacitive rather than inductive”。这一寄生电容使体内”oscillating electrical field set up in the body”驱动的电流得以直接流入流出线圈而不必沿螺旋路径绕行,在导线远端裸露电极处形成”high current density at the exposed electrode”,构成组织致热的落点。

解决机理(自谐振调谐)

方案是把线圈自谐振频率从远低于 63.85 MHz 的起点上移,专利称之为自谐振”shifts towards the resonance frequency of the excitation signal”(“preferred embodiment”下二者约相等)。线圈电感与匝间寄生电容构成并联谐振网络,谐振点两侧分别呈感性与容性、谐振点阻抗最高,这与并联 LC 网络的通用谐振行为一致[2]。原线圈自谐振点远低于激励频率,63.85 MHz 已远越过谐振峰、深处容性区,阻抗很低;把自谐振点上移使 63.85 MHz 更靠近谐振峰,该处阻抗随之升高,增加感应电流的串联阻抗。

工程实现

专利给出三条实现路径。拉伸弹簧线圈把原本相互接触的螺旋线圈物理拉开,相邻匝”are not in contact with each other”、由预定间隙 15 隔开(FIG. 2),电流因而沿导体绕行整根螺旋而非直接跨匝流动;导体材料与截面不变,只改变绕制后的匝间距。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 2 ——以预定间隙 15 隔开相邻匝的拉伸线圈结构,对照 FIG. 1 的常规接触绕法。

三层同轴涂层在绕制前先给导体涂绝缘层、导电屏蔽层、保护绝缘层;屏蔽层”connected to ground”后寄生电容”substantially eliminated”(claim 2/8),接地回路是这条路径生效的前提。现成同轴线材直接以已有的小型同轴线材绕制弹簧线圈,是涂层路径的替代工艺。独立权利要求 13 要求线圈本身贯穿导线的大部分长度,从属权利要求 14 进一步要求匝间预定间距沿整根导体从近端延伸到远端。

取舍

拉伸法只需物理拉开已成形的弹簧,不改变导体材料;代价是同一段导体拉伸得越开,占用的物理长度越长(表中拉伸涂层样品量得 45.7 cm 与 89 cm,长于基线涂层样品的 26 cm)[推断]。拉伸法只把寄生电容降低,涂层法则宣称把寄生电容”substantially eliminated”(消除),换来的是先给导体涂三层再绕制的工序,以及屏蔽层须确实接地这一结构约束。同一自谐振带阻物理也见于同库的多层同向螺旋滤波器方案,该方案通过多层同向绕组人为增大寄生电容与互感,给出 64 MHz 处 >1000 Ω 的实测阻抗与可设计的多谐振点[3];本专利仅靠调整既有单层螺旋的匝间距,阻抗与带宽均无实测数值。

效果与证据

各层证据的测试条件不同,不可互比,分列如下。

  • 电学台架测量(300 kHz 与约 63.85 MHz 两点频扫,四种线材/长度样品):未拉伸裸线(26 cm)电阻 142.6 Ω、300 kHz 电感 28.0 µH、自谐振频率 13.65 MHz、63.85 MHz 处呈电容 9.8 pF;未拉伸涂层线(26 cm)电阻 138.3 Ω、电感 25.3 µH、自谐振频率 15.87 MHz、63.85 MHz 处电容 9.7 pF;拉伸涂层线(45.7 cm)电感 24.0 µH、自谐振频率 18.40 MHz、63.85 MHz 处电容 10.2 pF;拉伸涂层线(89 cm)电感 24.0 µH、自谐振频率 18.90 MHz、63.85 MHz 处电容 12.1 pF。自谐振频率随拉伸程度从 13.65 MHz 升至 18.90 MHz,方向支持”拉伸使自谐振上移”的论点。
  • 26 cm 导线温升(FIG. 3;63.85 MHz 暴露):未拉伸导线(trace A)“a significant rise in the temperature”;拉伸导线、整体长度仍为 26 cm(trace B)“a less significant rise in the temperature”。曲线未标注具体温度或时间读数。
  • 52 cm 导线温升(FIG. 4;63.85 MHz 暴露;三线对比):未拉伸(trace A)与未拉伸并串联电感(trace B)温升同样显著;拉伸并串联电感(trace C)“a further reduction in the rise in the temperature”。仅串联电感未能重现拉伸的效果,只有二者叠加才见改善。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 4 ——52 cm 导线未拉伸、未拉伸并串联电感、拉伸并串联电感三条温度-时间曲线对比。

严谨性缺口:

  • 温升曲线(FIG. 3 与 FIG. 4)只给定性对比,无具体温度、时间或速率读数,量化幅度未知。
  • 电学特性表与温升实验用的是不同长度的样品(表中 45.7 cm、89 cm 拉伸涂层线,FIG. 3 为 26 cm、FIG. 4 为 52 cm),专利未把同一根导线的自谐振数据与其温升表现直接对应。
  • 文字称拉伸使电感增大,但表中同一涂层线材的 300 kHz 电感实测随拉伸反而从 25.3 µH 降到 24.0 µH,方向与文字陈述相反,专利未解释。
  • 四个电学测量样品的自谐振频率(13.65–18.90 MHz)均远低于 63.85 MHz 目标,63.85 MHz 处测得的仍是电容而非电感;“自谐振约等于激励频率”的优选实施例陈述未见对应实测样品支持。
  • 三层同轴屏蔽涂层与现成同轴线材两条实现路径全篇没有电学或温升数据,仅拉伸路径有实测支持。
  • 两个拉伸样品行的 Resistance 列缺值,无法据表核算导体自身的 I²R 自热贡献。

关联

  1. larmor-frequency——MRI 激励频率与静磁场强度的 Larmor 关系(概念卡)。
  2. parallel-lc-resonance——并联 LC 网络在谐振点两侧呈感性/容性、谐振点阻抗最高的通用原理(概念卡)。
  3. US9468750B2_Greatbatch——同一自谐振带阻物理的多层同向绕组实现,给出实测阻抗与多谐振设计,库内深读卡。