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US8725263B2 Co-fired electrical feedthroughs for implantable medical devices having a shielded RF conductive path and impedance matching

US8725263B2 Co-fired electrical feedthroughs for implantable medical devices having a shielded RF conductive path and impedance matching

摘要

  • 问题:外置 telemetry antenna 28 与壳内 RF module 24 之间的 RF feedthrough 102 必须传输通信信号，传统上不能直接加宽带滤波；该未滤波路径遂成为 destructive EMI 进入 housing 14、干扰壳内电路的通道。
  • 方案:在共烧介质馈通件 100 内，以接地的 internal shield 104 环绕 RF feedthrough 102；器件侧还可连接含嵌入式电容与电感的 intermediate structure 140，按需要做 impedance matching 或滤波。
  • 效果:专利对屏蔽、信号质量和传输效率作功能性陈述，未给 EMI 抗扰、插入损耗、反射、温升或 telemetry 性能的定量结果。
  • 形态:9 项权利要求；独立权利要求 1 是多层介质中由错位 via 与 interconnect 组成的蛇形中心导电路径及环绕它的蛇形内部屏蔽，权利要求 7 追加器件侧嵌入式阻抗匹配元件。

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

antenna 28 位于 housing 14 外，RF module 24 位于壳内，二者由 feedthrough 26 中的 RF feedthrough 102 跨越金属壳体。专利把未滤波 RF feedthrough 定为 EMI 的入壳路径：若在该路径直接滤波，也会同时滤掉 telemetry 信号；外部干扰遂可沿该导电路径进入壳内并影响硬件或软件。MRI 在文中只作为此类 destructive EMI 的一例，失效终点是壳内电路受扰，不是远端电极-组织界面的 RF heating。

接地屏蔽机制

RF feedthrough 102 置于 internal shield 104 中央，ceramic material 110 将两者绝缘。shield 104 经 coupling member 106 接 ferrule 108，ferrule 再接 housing 14；housing 14 被指定为 electrical ground。专利的机理是使耦合到馈通段的 unwanted signal 被屏蔽层截获并导向 ground，从而不在中心 RF 路径上叠加噪声或 EMI。这个接地包围导体的结构属于 electromagnetic shielding 的馈通实现[1]。

[推断] 该屏蔽抑制的是外部场对馈通段的寄生耦合；它不改变 antenna 28 本身把接收场转换为中心导体信号的功能。故 shield 104 与器件侧的频率选择网络承担不同约束：前者维持馈通段的屏蔽连续性，后者才选择保留或拒绝某一导电信号。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 3A — feedthrough structure 100 的剖面中，中心 RF feedthrough 102 由 internal shield 104 环绕并经 ferrule 108 接壳体 ground。

工程实现

feedthrough structure 100 由 ceramic layers 114 共烧而成。中心路径由各层的 via 116 与相邻层的 interlayer 118 连成；各层横向错位使它成为 serpentine pathway。shield 104 则以环绕 via 116 的多个 via 120、以及环绕 interlayer 118 的 interlayer 122 组成；每层可用离散环形 via 阵列，也可改为连续导电环。中心与屏蔽路径可取圆形、圆柱形或其他包围几何。

shield 104 在器件侧必须继续闭合。RF connector 134 的中心 connection 132 接 RF feedthrough 102，周边 grounded connections 138 接 shield 104；若改接 intermediate structure 140，则以环绕中心 connection point 132 的 connection points 142 延续该结构。专利要求这些点的间距小于所传输 RF 辐射的波长。权利要求 8 把中心路径、屏蔽和介质层的几何尺寸列为 characteristic impedance 的设计变量。

intermediate structure 140 是可选的第二层。LTCC layers 150 内，via 152 与 interlayers 154 形成信号路径；相邻 interlayer 154 间的 region 156 可作嵌入式电容，转向连接的 interlayers 154a、154b、154c 可经 via 152 形成垂直线圈。FIG. 8 给出该板置于馈通与壳内组件之间的形态，FIG. 9 说明三层 C 形 interlayer 组成电感的布置。LTCC 的高介电常数有利于嵌入式无源件，但专利称其通常不具生物相容性，因而将它隔离在 HTCC feedthrough 的器件侧。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 8 — feedthrough structure 100 与含 LTCC layers 150、vias 152、interlayers 154 及嵌入式无源元件的 intermediate structure 140 的连接剖面。

代表性等效电路把 intermediate structure 140 配为 low-pass、high-pass、band-reject 或 band-pass。low-pass 形态针对 therapy/sensing path 上的高频 EMI；high-pass 的举例是保留 UHF telemetry 而拒绝 64 MHz 或 128 MHz MRI 频率；band-reject 则可用串联并联 L-C 或并联串联 L-C 取得问题频率处的高抑制。图中没有元件值、阶数、Q、端口阻抗或实现某一频率选择所需的版图尺寸，故这些电路只是拓扑选项，不是本篇验证过的滤波设计。

取舍与适用边界

屏蔽与 filtering 的分工不同：grounded shield 104 保护馈通段免受寄生场耦合，intermediate structure 140 才可能对导电信号路径作频率选择或 impedance matching。两者都须保留目标 telemetry 的传输，因而不能从本篇推出任意高频衰减均有利于系统。

共烧结构把气密、屏蔽和无源件小型化集中在馈通邻域，但引入材料和工艺取舍。详细说明书给 LTCC 的烧结范围为约 850–1150 °C、HTCC 为约 1100–1700 °C；前者用于高介电的 intermediate structure，后者用于面向体液的 feedthrough。via、interlayer、shield 与 ceramic layers 同次共烧，后续还要以 braze 或 diffusion bond 固定到 ferrule。

与同属 Medtronic、同样针对 telemetry 路径 MRI 干扰的 US20120109261A1 相比，后者把四分之一波长开路 stub 放到 telemetry conduction path 上形成频率选择；本篇的主权利要求先建立屏蔽馈通，并把 matching/filtering 留给可选的器件侧结构[2]。两件专利可互补解释 rf-malfunction 的馈通侧缓解路径。

效果与证据

  • ① 馈通结构与功能性陈述:FIG. 3A、FIG. 3B 及独立权利要求 1 给出中心 serpentine pathway、环绕它的 shield 104，以及 grounded shield 的结构限定。说明书称该结构可把 unwanted signal 导向 ground，并使 RF 路径不受 noise、electrical imbalance 或 EMI 影响；这是发明人功能性陈述，未附测试条件或数值。
  • ② 材料与制造条件:说明书给出 LTCC 与 HTCC 的烧结温度范围，并列举共烧、braze、diffusion bond 等制造选择；这些是工艺范围，不是屏蔽效率、气密性或长期可靠性的实测。
  • ③ 电路拓扑:FIG. 10A–FIG. 10K 给出 low-pass、high-pass、band-reject 与 band-pass 的代表性等效电路，说明可级联以提高阶数。没有元件值、频率响应、插入损耗、回波损耗或负载条件，不能比较各拓扑的实际抑制能力。
  • ④ 权利要求的范围:权利要求 5–8 增列周边 shield connection points、间距约束、嵌入式 matching elements 与 desired characteristic impedance；它们界定拟保护的结构空间，不构成性能证据。

严谨性缺口:

  • 无 EMC 抗扰、MRI 暴露、telemetry bit-error、插入损耗、回波损耗、屏蔽效能、温升、phantom、动物或临床数据；功能性结果未闭合到可核的终点。
  • 未给 antenna 28、RF module 24、RF feedthrough 102 或 shield 104 的目标频段、端口阻抗、屏蔽尺寸、via 间距和接地阻抗，无法判断屏蔽近似在何种频率仍成立。
  • 无电磁场、传输线、热或封装应力仿真；FIG. 10 的等效电路没有元件值，不能据此核对阻抗匹配、滤波频点与 telemetry 通带是否自洽。
  • [待确认] antenna 28 已拾取的 MRI RF 如何与期望 telemetry 区分，以及离散 via/connection point 阵列在何种频率仍近似连续同轴屏蔽，均未建模或量化。
  • 未给共烧收缩、气密泄漏率、弯折可靠性、屏蔽接地电阻或封装尺寸，无法评估该结构的制造与长期植入边界。
  • [待确认] 权利要求 4 的 HTCC 烧结温度下限写为约 110 °C，与详细说明书的约 1100 °C 不一致；本卡不采用权利要求中的下限数值。
  • 本篇仅以专利文字列举 MRI 风险，没有把 MRI RF 耦合、antenna 拾取、馈通耦合与壳内电路失效逐段测量；与 US20120109261A1 的比较只能定位不同方案，不能形成行业普遍性或优劣结论，也没有 EMC 或 MRI 条件下的定量验证可比。

关联

  1. electromagnetic-shielding——接地导电包围层对外部电磁场耦合的抑制；本篇把该原理实现为环绕 RF feedthrough 的内部屏蔽。
  2. US20120109261A1_Medtronic——telemetry conduction path 上的四分之一波长开路 stub 滤波，与本篇的屏蔽馈通及可选嵌入式 filtering 形成方案对照。