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US8160705B2 Shielded RF distance telemetry pin wiring for active implantable medical devices

US8160705B2 Shielded RF distance telemetry pin wiring for active implantable medical devices

摘要

  • 问题:距离 RF telemetry 要用未经 feedthrough capacitor 滤波的短针天线；强 EMI 进入该针后，可经分布电容、互感或再辐射耦合进 AIMD 的相邻 sensing circuit，造成错误感知与起搏抑制。
  • 方案:在壳内 RF telemetry pin 外设置绝缘管和同轴导电 shield，并把 shield 低阻接至 capacitor ground electrode、ferrule、housing 或 circuit-board ground；功能 RF 信号仍沿中心针送入检测电路。
  • 效果:专利以防止再辐射和维持 telemetry impedance match 为目标；正文给出 braze penetration、pin–ferrule 寄生电容和接地阻抗作为实现约束。
  • 形态:25 项权利要求覆盖双极和多针 hermetic terminal；屏蔽可为镀层、实心管、绕线、编织线或箔，绝缘与 shield 的几何尺寸用于约束寄生电容。

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 RF/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

本件把目标频段置于 450 MHz 至 3000 MHz；MRI RF 是其列举的强发射源之一。普通 pacing/sensing lead 在穿过 terminal 时由 feedthrough capacitor 对 housing 分流 EMI，distance telemetry pin 却必须不经该宽带滤波器，否则 carrier 及其 modulation 会一并被削弱。该未滤波针在壳内把从外场耦入的能量带到电路板附近；专利所述耦合途径为分布电容、mutual inductive coupling 与 antenna propagation。进入一根针的 EMI 已足以”cross-couple or re-radiate”到邻近敏感电路，pacemaker sense circuit 若把该信号视作心律，可能抑制起搏。

FIG. 2 把两条经 capacitor 70 过滤的 body-tissue lead 52、54，与未经该 capacitor 过滤的 telemetry pin 56 并置；48c、48d 标出后者进入壳内的耦合与再辐射路径。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 2 — filtered lead 与未滤波 telemetry pin 的横截面及 EMI 路径。

接地屏蔽机理

pin 56 外的 insulation tube 58 使中心导体与 conductive shield 60 电气隔离，shield 再接至 AIMD ground。由此，pin 至内部电路之间的未屏蔽长度缩短到 bond pad 62 与 shield 终端之间；专利要求该距离短，以”minimize any RF re-radiation”。FIG. 29 所述 shield 接到 ferrule 76b 后，与 housing 连成”continuous electromagnetic shield or ground plane”，把 pin 上的 EMI 限制在该屏蔽边界内。

[推导] 这一构造在壳内形成近似 coaxial 传输段：中心针是 signal conductor，接地 shield 是 return 边界。屏蔽效能受 shield 连续性、终端接地电感和端部未屏蔽长度共同约束。

工程实现

FIG. 3 的 bipolar terminal 50 包含 pacing/sensing lead 52、54、RF telemetry pin 56、绝缘管 58、shield 60、feedthrough capacitor 70 与 ferrule 76。shield 可在 pin 的 proximal 端接 second bond pad 96，在 distal 端经连接材料 86 接 capacitor 70 的内径 metallization 88 和 ground electrode plates 74；双端终端被称为可提高 shield 效率。FIG. 8–10 给出 shield 分别接 capacitor 外径 metallization 72’、metal frame 104 或 ground termination 72 的变体；接地点越多，ground path inductance 越低，专利称其为”very low impedance RF ground”。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 3 — bipolar EMI-filtered terminal 中 pin 56、绝缘管 58、shield 60、capacitor 70 与 ferrule 76 的装配关系。

shield 的优选形态是绝缘管上的薄 gold plating，也可为 solid copper tube、wound wire、braided wire、wrapped foil 或 conductive heat-shrink。FIG. 18–19 的 reinforced polyimide tube 由绝缘 substrate 108、嵌入的金属 braid/coil 110 与 exterior layer 112 构成，raw 报告其 ID 可小至 0.010 in；FIG. 20–24 分别给出实心管、绕线、箔和编织线。专利称 shield 不必全覆绝缘管，即”not necessary to have 100% coverage”。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 4 — shield 60 经连接材料 86 接 ground electrode plates 74，counterbore 94 限制 braze penetration 的剖面。

signal integrity 是该方案的工程约束。pin 56 与 ferrule 76 的 distributed capacitance 过大，会衰减所需高频 telemetry；gold braze 84 的 pull-through 又受润湿、毛细作用、装夹与尺寸波动影响。FIG. 4 的 counterbore 94 以 air gap 限制并稳定该寄生电容；FIG. 26 的 notch 120 与 FIG. 27 的 swadge 122 是同一目标的制造变体。对 ICD，绝缘管超出 shield 的距离 a 还要满足 high-voltage flashover distance。

独立 claims 1、24、25 均要求 shield 沿 pin 长度构成实质连续的同轴覆盖，并在 distal 端接 ground electrode、ferrule 与 housing；claim 2 进一步把 proximal end 接 circuit-board ground plane。FIG. 16–17 将同一结构置入 dual-inline terminal：八根治疗引脚沿常规方式滤波，第九根为受 shield 的 telemetry pin。

取舍与适用边界

屏蔽不能以宽带分流替代，因为 distance telemetry 的 carrier 需保留；本件以共轴几何和 ground return 限制壳内耦合，代价是 shield–pin 寄生电容、终端接地电感、braze 一致性与高压爬电距离都成为 RF performance 变量。原文以 coupling theory 与 laboratory testing 说明未滤波 pin 的背景问题。

库内的 US9042999B2 浅卡同样针对 RF distance telemetry pin，却以谐振网络选择性阻断 MRI 频率；本件的保护位置在 pin 的壳内走线与邻近电路之间，而非该后续卡所述的 frequency-selective pin circuit。[1]

效果与证据

  • 背景机制与频段:专利报告高频 EMI 可在 450 MHz 至 3000 MHz 出现，并称未滤波 pin 的问题已由”coupling theory and laboratory testing”表明。
  • 结构性证据:FIG. 3–4、FIG. 8–10、FIG. 16–17 与 FIG. 29 描述 shield 的同轴包覆和接地连接。
  • 尺寸与制造条件:FIG. 18–19 对 reinforced tubing 给出最小 0.010 in ID；FIG. 4、FIG. 25–27 以 counterbore、notch、swadge 控制 braze penetration。
  • 功能性主张:专利报告双端 shield termination 可提高 RF shielding efficiency，并要求缩短 shield termination 至 hybrid circuit 的距离。

严谨性缺口:

  • 无屏蔽衰减、cross-coupling、re-radiation 或 telemetry link-budget 的定量测量，亦无 frequency sweep、shield 覆盖率与材料的对照。
  • 无 AIMD functional test；sense circuit 的错误感知与 inhibition 只作失效后果描述，未测不发生 malfunction 的终点。
  • 无 MRI scanner、RF coil、B0、SAR、人体 phantom 或植入构型；本件不能支撑 MR-conditional 验证层结论。
  • 无包含 pin、shield、ground return、board trace 与邻近 lead 的等效电路或全波模型；ground inductance、寄生 capacitance 与 shield 端部泄漏的量级均未给出。
  • 背景性 coupling theory 与 laboratory testing 未给 test fixture、频点、载波调制、器件姿态或判定阈值；tubing OD、介电常数、characteristic impedance、shield 厚度与端接电感亦未列出。

关联

  1. US9042999B2_Greatbatch——同为 Greatbatch 的 RF distance telemetry pin 方案，浅卡记载其以谐振网络处理 MRI 频率。