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US8108028B2 MRI systems having MRI compatible universal delivery cannulas with cooperating MRI antenna probes and related systems and methods

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US8108028B2 MRI systems having MRI compatible universal delivery cannulas with cooperating MRI antenna probes and related systems and methods

摘要

  • 问题:DBS 植入术中，多同心金属管套管与金属微电极在 MRI RF 场中感应形成电流，可在导体末端引发局部 SAR 升高；手术依赖术前静态影像，缺乏颅内实时解剖引导能力。
  • 方案:多同心 Nitinol 管套管（外径约 2 mm）与可滑动内天线构件组成 loopless 接收天线，调谐至约 123.2 MHz（适配 2.9 T）；配套匹配/调谐去耦电路（circuit 124）在 RF 激励期主动断开天线，RF-EPG 分路电路（splitter 125）将 MRI 信号与 EPG/EEG 生物电信号在电气上分离，实现双模独立操作。
  • 效果:2.9 T 体模实测（σ = 0.9 S/m 聚丙烯酰胺凝胶）：RF choke 在约 4 cm 加载深度时隔离约 550 Ω；距天线端部约 5 mm 半径圆形区域内 SNR 较外部头线圈提升约 50%；在 4 W/kg（头部 SAR 标称）序列持续 3.4 分钟条件下以光纤温度计实测局部温升，全文未报告具体温升数值。
  • 形态:27 项权利要求；术中非植入套件（套管 + 天线探针，可串行替换刺激导线），外径约 2 mm，深脑置入长度约 7–8 cm，浅置约 3 cm。

机理与方案

失效机理

在 MRI 环境中，长导体 DBS 套管及内导线在 RF 发射场作用下可作为天线，沿导体感应 RF 电流。当导体电气长度接近 λ/4 整数倍时，末端形成电流驻波节点，局部 SAR 急剧升高。对于 2.9 T 系统（¹H Larmor 频率约 123.2 MHz，λ ≈ 2.4 m），长度约 25–33 cm 的颅内导线处于易耦合区间。同轴结构外导体表面若无有效隔离，外部 RF 场还会在外表面激励共模电流，进一步加剧末端加热。

技术方案

该系统利用上述 RF 耦合结构，将其转化为受控 loopless 接收天线（图 4）。天线由三层同心 Nitinol 管构成：

  • 内管（inner member 10）：金包 Nitinol 管，外覆约 500 μm 聚酯绝缘层，末端约 1 mm 裸露供 EEG 测量；作为 loopless 天线中心导体。
  • 中间管（intermediate member 20）：与内管绝缘分隔，形成天线屏蔽层（shield）。
  • 外管（outer member 30）：近端与中间管连接，远端盘绕成约 3 cm 线圈（图 5，30c），电气长度 ≤ λ/4，形成 RF choke，将外表面共模电流衰减——实测隔离约 550 Ω（约 4 cm 盐水体模加载条件）。整体套管组件外覆 0.001 英寸聚酰亚胺管绝缘。

内管与套管的相对位置决定电气功能：内管末端伸出套管时，伸出段（约 1.5 cm 非绝缘端部）为 loopless 天线辐射体，套管作为屏蔽；内管退入套管后，套管对内管形成 RF choke。此位置依赖的功能切换集成于把手结构中。

匹配/调谐去耦电路（图 5，circuit 124）将天线阻抗（约 25 Ω）调谐至约 123.2 MHz，并在 RF 激励发射期主动去耦，防止天线在发射期受激形成不受控电流分布。分路电路（splitter 125）通过高通/低通滤波将 MRI RF 信号（约 123 MHz）与 EPG/EEG 生物电信号（约 1–4 μV，低频）在电气上分离：模式一（MRI 接收）天线有源、电极断开；模式二（微电极记录）电极有源、天线断开。内天线信号可与扫描仪外部头线圈信号通过相控阵适配器合并，以同时获得全局解剖视野与局部高 SNR 图像。

效果与证据

定量数据：有（体模实测 + 灵长类动物在体验证）。关键数值：RF choke 隔离约 550 Ω（约 4 cm 盐水体模加载）；套管/loopless 天线阻抗约 25 Ω，微电极同轴线阻抗约 32 Ω；调谐频率约 123.2 MHz；SNR 在距天线端部约 5 mm 半径圆形区域内较外部头线圈提升约 50%（3 cm 与 10 cm 插入深度均测试）；安全测试条件为 4 W/kg（头部 SAR 标称）序列持续 3.4 分钟（σ = 0.9 S/m 聚丙烯酰胺凝胶体模），温升由 FISO 光纤温度计实测、实际 SAR 由初始温升速率乘以比热计算，全文未报告具体温升数值；灵长类动物在体研究（STN 定位）经 IACUC 批准执行。

对我方产品的意义

本专利对应我方产品的长导线 RF 致热挑战。loopless 天线架构将长导线 RF 耦合转化为受控接收功能，其 RF choke 在约 4 cm 加载深度时约 550 Ω 的共模电流隔离实测值，可作为我方导线 RF choke/balun 尺寸设计与仿真验证的参考基准；主动去耦电路在 RF 发射期将天线与系统断开的方案，与我方扫描时关闭 WPT 线圈策略形成对照，可供评估被动结构设计能否独立满足安全要求、或是否需要辅以主动断路机制。

关联

关系图谱

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