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US8175700B2 Capacitor and inductor elements physically disposed in series whose lumped parameters are electrically connected in parallel to form a bandstop filter

US8175700B2 Capacitor and inductor elements physically disposed in series whose lumped parameters are electrically connected in parallel to form a bandstop filter

摘要

  • 问题:MRI RF 脉冲场沿植入导线耦合产生 EMF；感应电流在导线导体及远端 Tip/Ring 电极—组织界面沉积为热，可能损伤邻近组织。
  • 方案:将 chip inductor 与 chip capacitor 端对端排成轴向串列，却用柔性基板上的导电 traces 交叉连接为并联 L-C；该总成再串入 lead，在选定 MRI RF 频率呈高阻抗。
  • 效果:专利以理想阻抗曲线、Q—带宽关系和多频拓扑说明阻断机理，未报告滤波器温升、RF 电流或插损的实测数值。
  • 形态:元件可置于气密、biocompatible 的细长 container，也可嵌入 active-fixation tip；两只或多只带阻单元可串联，或以多个电感/电容压缩横截面。

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

RF pulsed field 对导线的局部切向电场及其沿线积分决定所感应的 EMF。电流可在导线产生 损耗，亦可经远端 Tip 或 Ring 电极进入组织，在电极—组织界面形成局部欧姆热；导线长度、走线、解剖位置、电极几何及扫描参数均改变该耦合。该机制针对 RF 天线耦合；gradient-field 耦合则由回路面积与方向主导，专利将两者分开描述。

谐振阻断机理

滤波器整体串在 lead 中，内部 L 与 C 电气并联。并联 L-C 在谐振处两支路无功导纳相抵，理想模型的端口阻抗趋于无穷大；实际峰值受电感电阻与电容 ESR 限制[1]。故对准 MRI RF 脉冲频率的单元在导线路径上形成 bandstop，限制电流继续流向远端电极。FIG. 8 给出远端串联 tank 的电路位置，FIG. 9 仅给出理想元件的阻抗—频率关系。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 22 — FIG. 16 与 FIG. 20 所示物理串列总成的纯电学并联 L-C 图。

本篇承接既有的远端/沿线并联 L-C 带阻路线[2]，将并联网络压缩为同轴、端对端的封装与连线结构。

工程实现

基本单元为 chip inductor 146 与 chip capacitor 148。两件沿共同轴线端对端排列在 substrate 162 上；circuit traces 164、166 接至气密端子 168、170，使元件的两个对应端点同网，整体在 lead 中仍为串联二端器件。FIG. 14 的 container 156 由 biocompatible housing 160、两端 hermetic seal assemblies 172、174 与内部基板构成；FIG. 16 说明该剖面结构。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 14 — 内置 L-C 元件的细长气密 bandstop-filter container 156 的外形。

FIG. 20 至 FIG. 22 的非优选连接在 196 与 198 之间留间隙，专利以 MRI 下可能出现的 RF 电压解释 arcing、shorting 与 dendritic growth 风险。优选的 FIG. 27 与 FIG. 28 使这两终端处于相同或近零电位，借 conductive pad 218 与 through-paths 220 消除间隙；电气并联由 traces 实现，不能由端对端物理邻接本身推出。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 27 — 以导电 pad、绝缘层和 through-paths 实现零电位相邻终端的优选互连。

两只单元串联时，可分别调至 64 MHz 与 128 MHz；同频串联提高谐振处阻抗，略错开的谐振频率则扩展 3 dB 带宽（FIG. 29 至 FIG. 31）。FIG. 32 至 FIG. 34 将三只串联电感并联至一只电容，以长度换取更高总电感而不增大直径。多电感的串联损耗会降低 Q、加宽带宽并减少衰减，也会削弱 defibrillation pulse 的载流能力；这是横截面、阻带宽度、峰值阻抗与载流能力之间的取舍。

元件尺寸是该路线的实际约束。专利以 6 French lead 约 0.079 in、DBS 可取 3 French 约 1 mm 为目标尺寸，并称 0201 或 01005 chip 元件可由 robotic pick-and-place 装配。非 biocompatible 商用元件须由 container 隔离；预装配可在入壳前作 electrical test 与 thermal cycling/thermal shock、burn-in 筛选，随后再以 laser weld 密封。专利给出 0.005 in laser spot size，但未给出密封或筛选的通过率。

取舍与边界

低损耗元件使 Q 高、谐振峰高而 3 dB 带宽窄；增加电感电阻或电容 ESR 会降低峰值衰减但覆盖更宽的频率范围。专利把梯度场导致的 Larmor 频率偏移作为带宽需求的一项理由；其模型未量化临床场偏移、封装寄生、导线—组织负载或植入后频移。[推断] 气密壳、端子与封装 traces 还会引入寄生参数，实际调谐不能只按理想 FIG. 9 判定。

效果与证据

  • 理想电路曲线:FIG. 9 的对象是零电阻 L、C；正文称在谐振前端口阻抗为零、谐振处趋于无穷大。这是理想模型，不是器件测量。
  • 损耗—带宽关系:FIG. 10 将电感电阻 与电容 ESR 纳入 real bandstop filter；FIG. 11 比较 high、medium、low Q 的 attenuation 曲线。正文仅定性说明低 Q 会拓宽 3 dB 带宽并牺牲 attenuation，未给元件值、测试夹具或曲线坐标。
  • 多频设计断言:FIG. 29 至 FIG. 31 将两只单元串联，文本举例一只谐振于 64 MHz、另一只谐振于 128 MHz；这说明设计目标，未说明样品、测量条件或实测衰减。
  • 封装与可靠性:预装配可先经 electrical test、thermal cycling/thermal shock 与 burn-in，再入 housing 160 密封；专利未报告任何筛选结果、气密性数据或长期浸泡数据。
  • 热学证据边界:背景转述 Konings 等的最坏情况温升可达 74 °C、扫描 30 s，但该数值不是本件滤波器的实验结果。本件没有 phantom、动物、体内或临床温升证据。

严谨性缺口:

  • 无滤波器样品的 L、C、ESR、Q、峰值阻抗、插损、RF 电流或温升实测；FIG. 9 与 FIG. 11 的数值坐标需看图核对。
  • 无 MRI 测试条件：场强、频率、线圈、脉冲序列、SAR、lead 长度/走线、电极负载与测温位置均未给出，不能据此判断其对 DBS 双侧皮层导线的保护量。
  • 以集总 L-C 描述的模型未包含完整导线的分布参数、组织负载与封装寄生；多频结构的互耦、容差与植入后频移未量化。
  • raw 的 claims 节仅抽取至 claim 16，而 Abstract 标称 55 Claims；本卡不据残缺 claims 判断全部保护范围。

关联

  1. parallel-lc-resonance——串联于导线路径的并联 L-C 谐振带阻机理与损耗边界。
  2. US7363090B2_Greatbatch——本篇明示承接的远端/沿线并联 L-C 带阻先例。