US8838254B2 Implantable medical device with an electronic prescription

摘要

• 问题:MRI 的梯度场与 RF 场在导线与壳体上感应能量,器件把它当作生理信号,或被它遮蔽真实信号,两个方向都落到 “delivering therapy when it is not desired or withholding therapy when it is desired”。器件侧的规避手段是扫描前切进 exposure operating mode,而判定器件是否适合进场的医生与执行扫描的 MRI 操作员分处不同地点与人员(“a different facility or a different location within the same facility with different medical personnel”),相隔 “minutes, hours, days, or weeks”。
• 方案:把「已检查并获授权」这一状态写成 IMD 存储元件内的若干指定比特(electronic prescription indicator 64),与定义暴露模式参数的 electronic prescription 66 一同驻留器件;扫描现场用一台只能读写少量寄存器的简化遥测器 16 查询该比特,读到已置位即写器件的工作模式寄存器使其进入暴露模式,并以 LED 给操作员放行信号。指示器自置位起走计时器,到期清除。
• 效果:未公开任何实测、仿真或台架数据。专利给出的功能性结论止于指示器向操作员确认器件 “has been checked for suitability”。
• 形态:29 项权利要求(方法 1–10、系统 11–19、器件 20–29),7 张图纸。三项独立权利要求的共同要件为指示器 + 计时器 + 到期清除。可调:指示器位宽(单比特二值 / 多比特编码手术类型)、暴露模式参数集、计时器、等待期内的自动更新。

原理与方案

标注:引号内英文 = 专利 raw 原文;[推导] = 由专利陈述与器件模型推出;[推断] = 按常识判断、专利未述;[待确认] = 专利未给、需另行定夺。

失效机理

MRI 的三类场里只有两类被本篇列为耦合源。“Gradient magnetic fields are low-frequency pulsed magnetic fields”,RF 场同为脉冲场,二者 “typically only present while the MRI scan is in progress”;静场 “is a non-varying magnetic field that is typically always present”,在本篇只充当器件识别环境的检测量。感应落点有两处:导线导体,以及包括壳体在内的其他部件(“may induce energy on one or more implantable leads of IMD 14 or on other components (e.g., a housing) of IMD 14”)。[推导] 梯度分量作用在壳体-导线-组织回路的磁通变化率上[1],RF 分量走导线作天线的路径;专利把两者合并成 “induced energy” 一个量处理,后文的一切措施都不区分它们。

下游分两支。感知支上,器件 “may inappropriately detect the induced energy on the leads as physiological signals”[2],或反向地 “result in the inability to correctly detect physiological signals”,两个方向汇到同一临床后果。致热支上,感应能量经电极或壳体导入组织,“Such heating may compromise pacing and sensing thresholds at the tissue site, which could result in reduced therapy efficacy”——本篇把致热的后果写在阈值漂移上。

本篇要处理的失效在判断与执行之间。判定器件 “suitable for operation in disruptive energy field 18” 的是心内科或电生理医生,手段包括 X 光下 “looking for a radio opaque mark on IMD 14”、读取序列号/型号标识、或令器件执行 “lead impedance measurements, pacing threshold measurements, sensing threshold measurements, or battery measurements”[3],且可 “in a clinical setting or remotely via one or more networks” 完成。执行扫描的是另一批人、另一个地点、几分钟到几周之后。跨越这段间隔同时出现在两端的物体只有患者与患者体内的器件。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 1 —— MRI device 10、体内植有 IMD 14 的 patient 12,以及分处两个环节的 telemetry device 17(医生侧配置)与 telemetry device 16(扫描现场查询与触发)。

解决机理

授权状态存进那个唯一同时在场的物体。指示器 64 是存储元件内的 “one or more designated bits”,置位即代表器件已被检查并获授权;它与处方 66 同存于 memory 58,也可放在 “a register or other internal memory of processor 56”。现场判读不重做任何测量,只读这几个比特。

链上传递的是断言,不是证据:指示器的有效性取决于置位那一刻的判断此刻是否仍成立,而这一点随时间与器件状态衰减。专利据此给出两条作废路径:计时器到期清除——“electronic prescription indicator 64 has an expiration”,计时可向下计到零也可向上计到门限,该机制是 claim 1、11、20 共有的要件(“clearing the electronic prescription indicator upon expiration of the timer”);以及检出 “a lead related condition, e.g., lead fracture or other failure” 后由 processor 56 清除。

物理层的缓解在暴露模式本身,不在指示器。起搏依赖患者取 “asynchronous pacing mode with no sensing, e.g., AOO, VOO or DOO”,切断从感知到治疗的因果链[4];非起搏依赖患者可取 “a sensing only mode, such as OAO, OVO or ODO, in which no pacing is provided”;居中的一类保留感知而 “has no mode of response to the pacing”。同时挂起的还有 “tachycardia detection and therapy, fibrillation detection and therapy, impedance measurements, battery measurements” 与 “collection of diagnostic data”。功能未必减少:暴露模式下可改用 “pressure sensor measurements rather than electrical activity of the heart”,可投入正常模式不用的 “filters that filter out the undesirable signals during the exposure operating mode”,也可 “implement one or more shunts or traps during the exposure operating mode to redirect the energy away from the tissue adjacent to the electrodes”[5]。

授权链之外另有一条不经授权的通路。disruptive field detector 62 “in response to detecting a large static magnetic field associated with an MRI device” 即可令器件自行进入暴露模式:指示器未置位时进 “a default exposure operating mode”,已置位时进处方定义的模式,使得 “even when an electronic prescription is not programmed” 器件仍按抑制干扰的参数运行。该检测器用 Hall 传感器或干簧管实现,可以就是既有的用于识别磁性程控头的那一只(“the same field detector used to sense a magnetic programming head of a programming device”)[6]。[推导] 这条通路使指示器不构成硬互锁——未获授权的器件同样拿得到一套暴露参数;指示器的作用因而收窄为两项:向操作员确认检查已做,以及用患者特定参数替换默认参数。

工程实现

指示器位宽与编码。单比特时 processor 56 “may set or assert the designated bit”。多比特时同一字段兼作手术类型编码,两位取四值,其中一值表示无处方、其余三值各对应一种手术;现场遥测器的 memory 76 “may maintain a mapping that maps values of electronic prescription indicator 64 to corresponding medical procedures”,器件侧则据编码在预存的多套处方间选择——“memory 58 may include an electronic prescription for exposure to an MRI device and an electronic prescription for exposure to a radio frequency ablation device”。编码分支写在 claim 7、8、16、17、24。

两台遥测器能力不对称。医生侧的 17 做适用性判定与处方编程,处方内容为 “pacing amplitude, pacing pulse width, and/or pacing rate” 一类参数,以及 “the user may specify filtering configurations to be used during the exposure operating mode”;器件本身若无参数需改,处方可只写授权。现场侧的 16 “may only be capable of reading and writing to a small number of registers in the device”,可以简到 “a device with a transceiver, an antenna, a small amount of memory, and a user interface that includes one or two buttons and a light emitting diode (LED)“,专利以此 “allows for development of a low cost telemetry device”。两条链路同为无线,频段取 MICS 的 “402-405 MHz” 或 MEDS 的 “401-402 MHz or 405-406 MHz”,亦可用 ISM 频段。设备 16 可整机 MRI labeled 而 “remains in the MRI suite during the MRI scan”,或只把天线放进扫描间、电子部分留在扫描间外与天线电气连接;它由施行手术的机构保管,也可在置位时交给患者随身带去扫描现场。

放行判据写进流程。user interface 72 的 LED 分三色:指示器未置位为红,已置位但器件尚未进入暴露模式为黄,已在暴露模式为绿,“the medical procedure will not proceed until the LED is green”。claim 10 与 19 把这两级提示写成要件。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 3 —— IMD 20 的功能框图:therapy module 50、sensing module 52、telemetry module 54、processor 56、memory 58(内含 electronic prescription indicator 64 与 electronic prescription 66)、power source 60、disruptive field detector 62 经 data bus 48 互连。

三段流程。FIG. 5(医生侧):患者被指定手术 90 → 检查适用性 92 → 判定 94,不适用则取消手术 96 且指示器不置位 98,适用则配置暴露模式参数 100 与指示器 102。FIG. 6(现场侧):患者到达 110 → 发询问 112 → 读回指示器 114 → 未置位则提示用户 116 并可取消手术,已置位则提示 118 后发第二条通信触发暴露模式 120 → 收器件确认 122 并提示 124 → 术后再发一条通信 126 令器件退出、收确认 128。FIG. 7(器件侧):编程处方 132 → 配置指示器 134 → 启动计时器 136 → 到期判断 138,到期则清除指示器 140;未到期则等询问命令 142 → 回传指示器值 144 → 调用处方 146 → 按暴露模式参数运行 148 → 退出判断 150 → 回正常模式 152 并清除指示器。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 7 —— IMD 侧流程:132 编程处方、134 配置指示器、136 启动计时器、138 到期判断、140 清除指示器、142 等待询问、144 回传、146 调用处方、148 按暴露模式运行、150 退出判断、152 回正常模式。

触发与退出各有多路。进入暴露模式可由现场遥测器的第二条通信写 “an operating mode register of IMD 20” 触发(claim 5、14),可 “in response to receiving the interrogation command from telemetry device 16” 自动触发,也可由 detector 62 检出场触发。退出可由遥测器发起 “cease operation of IMD 20 in the exposure operating mode”,可按计时器到期、场消失或二者组合自动进行,亦可 “upon occurrence of a serious medical event” 发生。

处方在等待期内自我更新。配置到扫描之间,processor 56 可按植入史与系统表现改暴露模式参数,依据为 “whether or not therapy has been provided, pacing modes in which the device operated, amplitudes of the therapy energy delivered, pulse widths of the therapy energy delivered, heart rate during a predetermined period of time”(claim 4、25、26)。参数也可完全由器件自动确定,该分支由专利指向同一受让人的在先申请 Ser. No. 12/569,101(Ellingson 等,“AUTOMATIC SELECTION OF PARAMETERS OF AN EXPOSURE MODE OF AN IMPLANTABLE MEDICAL DEVICE”,2009-09-29 申请)。

适用范围。专利把场合推及 CT、电灼、透热、消融、碎石、放疗等一切产生干扰场的手术,器件侧推及 “other types of electrical stimulation therapy” 与 “drug delivery or infusion therapies”,神经刺激的靶点举 “a tissue proximate a vagus nerve, spinal cord, brain, stomach, pelvic floor or the like”;所需的器件条件只有可遥测的存储元件与可切换的工作模式[推导]。

取舍

• 比特不携带其所断言事实的证据。检查了哪几项、各项余量多大,在链上都不传;现场判读者手上只有这几个比特,无从区分一次充分的检查与一次草率的检查[推断]。
• 计时器时长受器件外的两侧支配。到期即清除是三项独立权利要求的共有要件;[推导] 时长过短会把间隔本就可长达数周的正常流程判废,过长则失去时效控制的意义,而该取值取决于患者病情的变化速度与预约周期,两者都在器件侧的可知范围之外。
• 作废是全有全无。到期或检出导线异常后指示器被清除,患者若此时已到现场,恢复授权须回到医生侧的遥测器 17,现场的简化设备只读写少量寄存器[推导]。
• 自动更新改变已批准的内容。claim 25、26 允许在医生批准之后、暴露之前自动改处方与指示器,而批准针对的是更新前的参数;专利就此给出的处置是器件可向患者或医生发出变更通知。[推断] 该分支把「授权」与「被授权的具体参数」解耦,现场读到的绿灯不再对应医生当初看过的那套参数。
• 手术类型编码记的是预期手术。编码在医生侧按预定手术写入,现场读到的是该编码本身;[推断] 编码的有效性因而绑定在「实际施行的手术与预定一致」这一前提上。
• 写入能力即改状态的能力。指示器与工作模式寄存器都由外部设备经遥测写入,现场的简化设备按设计具备后者的写权限;[推断] 于是「谁能改器件的授权与模式状态」与「谁持有一台协议兼容的遥测器」是同一个条件。
• 现场遥测器成为流程闸门。绿灯之前手术不得进行,则该设备的在场与可用性本身成为扫描能否进行的条件;专利给出的两种保管方式(机构保管、交患者随身)都把这一条件放在器件与医生之外[推断]。
• 授权范围内指示器的语义由使用约定承担。三项独立权利要求的要件是配置指示器、确认已配置、调用暴露模式、启动计时器、到期清除;“determining whether the implantable medical device is suitable for operation in the disruptive energy field” 落在从属 claim 2 与 claim 12。[推导] 落进权利要求的是一套状态机,「这个比特代表一次合格的适用性判定」由使用方式而非要件保证。

同类方案按判据来源与触发时刻摆开。判据可以放在器件内:以电池状态、导线阻抗、系统构成与扫描条件作为进入 MRI 模式的准入条件,每次进入时重算[7],US20060167496A1 即此形态[8];本篇把判据交给人,器件只存判断结果,准入检查不在进入时刻重做。处方参数的自动确定一支已成独立主题:US10493286B2 与 US12274884B2 按患者既往起搏与生理特征定出暴露模式参数[9][10],对应本篇 processor 56 自动生成处方的分支。触发时刻在扫描之中的一支不需要事前授权:US8818489B2 以壳内 Hall 传感器加三轴线圈检出静场与梯度场后自行切模式并开 blanking 窗[11],US7076283B2 在静场越阈后把被感知的物理量从电生理信号换成非电传感器[12];本篇的 detector 62 回退通路与前者同属这一支,只是进入后用的是默认参数。同为两台外部设备参与的还有 US8332011B2,但它由 MRI 侧经无线遥测下发 burst 时序[13],外部设备传的是逐脉冲的时序数据而非一次性的授权状态。异步起搏带来的竞争性起搏由 US9675806B2 在 MR 条件模式下以心房起搏压低心率处理[14]。

本篇与同日提交的 “ELECTRONIC PRESCRIPTION ACTIVATION DEVICE”(Ser. No. 12/872,375)为关联申请,优先权自临时申请 61/303,018(2010-02-10)。

效果与证据

全篇无实测、无仿真、无台架数据,与既有做法亦无对照。出现的数值分四类,均为规格、法规或配置口径,不构成性能证据。

• ① 时间尺度(叙述口径):指示器配置到患者到达 “may be as short as minutes and as long as weeks”;计时器时长未给。
• ② 通信频段(法规口径):MICS “402-405 MHz”;MEDS “401-402 MHz or 405-406 MHz”;另可用 ISM 或其他管制/非管制频段。该组数值描述遥测链路,与干扰场无关。
• ③ 配置空间(设计口径):指示器单比特给二值;两位给四值,其中一值表示无处方;更多比特给更多值。处方内容含起搏模式、幅度、脉宽、频率与滤波配置。
• ④ 起搏模式代号(设计选项):无感知的 AOO、VOO、DOO;有感知而不响应的 AAO、AVO、ADO、VVO、VAO、VDO、DDO、DAO、DVO;只感知不起搏的 OAO、OVO、ODO,后者限非起搏依赖患者。

严谨性缺口:

• 危害侧无量:感应电压、dB/dt、频段、温升与阈值漂移幅度均无,误感知与致热两条路径只有定性陈述。
• 暴露模式的有效性未验证:全篇收益建立在 “The exposure operating mode is typically less susceptible to undesirable operation in disruptive energy field 18 than the normal operating mode” 这一断言上,本篇既不给支持它的数据,也不引外部数据。
• 计时器时长无值、无选取依据,而到期清除是三项独立权利要求的共有要件。
• 流程侧收益无量:未授权扫描的发生率、指示器介入前后的差异、操作员误读率均未给,本篇的诉求在流程侧而流程侧无数据。
• 适用性判定无判据:阻抗、起搏阈值、感知阈值、电池测量各自的合格线未给,“suitable” 在全篇无定义。
• 导线异常的检测方法与门限未给,而它是指示器的第二条作废路径。
• 默认暴露模式的参数未给:回退通路交付的是哪一套参数、与处方定义的参数差在何处,未述。
• 遥测链路无可靠性与鉴权数据:读写失败率、通信距离、以及谁有权写指示器与工作模式寄存器,均未涉及。
• 自动更新无边界:可自动改动的参数范围与幅度上限、更新后是否仍落在医生批准的范围内,均未述。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US8838254B2/en
• 危害:gradient-malfunction

1. lenz-law-implant-loop——壳体-导线-组织回路上时变磁通产生感应电动势的失效模型(概念卡)。
2. oversensing——器件把非心内来源的信号计为心内事件(概念卡)。
3. lead-impedance-measurement——导线阻抗测量,植入系统完整性的常规判据(概念卡)。
4. asynchronous-pacing-in-mri——以固定频率绕过受扰感知通道的适用范围与竞争性起搏代价(概念卡)。
5. mri-exposure-mode——IMD 在 MRI 暴露期以临时参数集覆盖正常工作参数(概念卡)。
6. hall-effect-sensor——霍尔元件测静磁场,作为 MRI 环境的判据(概念卡)。
7. mri-mode-interlock——以电池状态、导线阻抗、系统构成与扫描条件限制 MRI 模式进入的器件侧准入条件(概念卡)。
8. US20060167496A1_Medtronic——扫描前整体切入 MRI 暴露模式:停用感知与诊断、起搏转异步,准入条件由器件自身核对。
9. US10493286B2_Medtronic——按既往起搏特征自动确定暴露模式参数,切换为无感知反应的异步起搏。
10. US12274884B2_Medtronic——按患者既往生理与治疗记录自动确定暴露模式参数,检出强磁场时自动切换或向医生推荐。
11. US8818489B2_Medtronic——壳内 Hall 传感器与三只正交线圈检出静场与梯度场后切入第二信号处理模式并开 blanking 窗,触发在扫描之中。
12. US7076283B2_Medtronic——霍尔传感器检出静场阈值后,把被感知的物理量从电生理信号换成加速度计等非电传感器。
13. US8332011B2_Medtronic——burst 时序由 MRI 侧经无线遥测下发,IMD 据此在覆盖 burst 的时窗内断开感知放大器。
14. US9675806B2_Medtronic——MR 条件模式下在心室不应期内加发心房起搏脉冲以压低心率,处理固定频率起搏带来的竞争性起搏。