US8868189B2 Internally grounded flat through filter with hermetically sealed insulative body with internal ground plates

摘要

• 问题:MRI RF 场在植入导线中驱动高频电流，电流在远端小面积电极-组织界面集中时可造成局部过热。先有 flat-through 电容虽能把导线上的高频电流旁路到壳体，但未与完整 RF 屏蔽连续结合，约 100 MHz 以上会经杂散电容、天线效应或互感跨越滤波器；其薄电极还限制除颤电流承载能力。
• 方案:把承载治疗/感知电流的 active electrode plate 176 夹在接地 shield plates 194、194’ 之间，形成三端分布式 flat-through 电容，并经低电感多点接地把 RF 能量分流至 AIMD 金属壳体。混合基板 192 还可集成 Wheeler spiral、MLCC、series LC trap 与 parallel LC bandstop。
• 效果:说明书曲线称 L-section 组合在 64 MHz 与 128 MHz 的衰减比对照 feedthrough 电容高 10 至逾 20 dB，并称 active electrode 可承载 30 A 以上；均未给试样参数、测量方法或原始数据。专利没有远端温升实测。
• 形态:39 项权利要求；独立权利要求 1、18、29 均落在与气密端子相邻的 shielded three-terminal flat-through filter assembly，MRI 谐振滤波器见从属权利要求 12、27、38。基板可为 flex、rigid-flex 或 rigid，多极构型覆盖单极、四极及 16 引线 AIMD。

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

MRI RF 脉冲场沿植入导线耦合出高频电压与电流。若电流继续流至远端，能量会在小面积电极-组织界面的阻性通路沉积；专利用“电极尖端温升可超过 30 甚至 60 °C、壳体仅升高数度”说明面积差异，但未给扫描条件或数据来源，因此只能视为机理性断言。对本件所处的 AIMD 入壳位置，另一失效路径是 RF 进入壳内后耦合到感知电路。

先有 flat-through 电容 174 的 active plate 175 串接于 terminal 1 与 terminal 2，RF 电流沿其全长受到对地电容旁路；但电容两端没有构成连续屏蔽边界，约 100 MHz 以上出现 cross-coupling 188，RF 可经杂散电容、天线效应或互感绕过电容体，FIG. 40 所示衰减随频率上升而下降。MLCC 142 则受 equivalent series inductance 限制，在 self-resonant frequency 以上呈感性，同样失去宽带旁路能力（FIG. 16、FIG. 18）。先有 flat-through 的薄膜电极还必须承载全部治疗电流，串联电阻与电流容量构成第二项限制。

解决机理

active electrode plate 176 与上下 grounded shield plates 194、194’ 由介质隔开，三层构成沿信号传播方向分布的 shunt capacitance；高频电流沿 176 传播时连续泄放至接地屏蔽板，低频治疗与感知电流仍由 176 穿过。忽略边缘场时，专利给出的总电容关系为

$C=\frac{kA(n-1)}{d}$

其中 $A$ 是 active plate 与 shield plate 的有效重叠面积 ECA，$k$ 为介电常数，$d$ 为层间介质厚度，$n-1$ 表示叠层形成的并联电容数。增大 ECA、$k$ 或层数可提高旁路电容；增大 $d$ 可提高耐压，却会降低电容。

接地 shield plates 同时构成 active plate 的 RF 包络。上下板 194、194’、共面 edge shield 224、外周 metallization 208 与 stitching vias 230 限制 RF 从基板边缘跨接或重新辐射；其成立前提是屏蔽板经金钎焊 124 与金属壳体形成低电感、多点 RF ground。由此，flat-through 电容负责把高频电流分流至壳体，屏蔽结构负责阻止该电流在分流前后绕过滤波路径。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 47 — active electrode plates 176–176''' 夹在多层 grounded shield plates 194–194''''' 之间，形成多极 flat-through 电容。

壳体侧 diversion circuit 可用宽带电容，也可用调谐到 MRI RF 频率的 series LC trap。series LC 在谐振点的电抗相消，支路只剩寄生电阻，因而把该频率的导线电流近似短路至壳体；说明书给出 270 nH 与 22 pF 的 64 MHz 设计例，[推导]由 $f_0=1/(2\pi \sqrt{LC})$ 复算约 65.3 MHz。parallel LC bandstop 则串在导线中，谐振时呈高阻抗，阻止 RF 继续流向电极[1]。二者在系统中的作用分别为“导向壳体”与“阻向远端”，不能按同一阻抗方向解读。

专利还把 implanted lead 的 $+j\omega L$ 与壳体侧电容的 $-j/(\omega C)$ 配对（FIG. 132），以减小导线至壳体的总无功阻抗并增加 RF 能量转移。FIG. 133 再以离散电阻承接实功耗散，并通过热导绝缘材料把热传至壳体。[推导]完全共轭匹配只对应某一频率、某一导线复阻抗；专利称 75 pF 可作精确抵消的算例，却允许改用 1000 pF 以换取更宽的 EMI 旁路，表明其目标是把大部分 RF 能量移至壳体，而非维持严格匹配。

远端 parallel LC bandstop 属本专利明确引用的既有 Greatbatch 方案[2]，把 RF 能量转移至大面积 energy dissipating surface 亦见同族专利[3]。本件的增量主要是把这些无源网络装入具备三端电容、屏蔽与互连功能的气密端子混合基板，而非提出新的 RF 致热物理。

工程实现

混合基板 192 的 active plate 176 可由较厚铜层制成，兼作治疗/感知电流通路与电容极板；说明书称其可承载 30 A 以上，权利要求 17、21、32 要求借 ECA 取得至少 20 pF 寄生电容。active plate 可蚀刻出共面 Wheeler spiral 158，使串联电感与对地 flat-through capacitance 组成 L-section；再叠加 MLCC 142、第二串联电感与 diode array，可形成多节低通及瞬态保护。FIG. 62 被专利限定为“a relatively low frequency model”；高频时 $C_p$ 沿导体分布，须按 transmission line 而非单个集总电容处理。

FIG. 88–90 给出较完整的混合网络：body-fluid 侧进入后依次可布置 series bandstop、串联电感、对地 MLCC、第二串联电感与瞬态抑制二极管，所有 active traces 均保持在 shield plates 之间。bandstop、trap 与低通节的位置可互换，但并联电容会移动 trap 的谐振点，多个 trap 之间还可能产生次级并联谐振，专利因此要求建模其相互作用。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 89 — shielded hybrid substrate 的单通道等效网络，含 series bandstop、低通节、对地电容与瞬态抑制二极管。

基板可采用 polyimide/Kapton flex、alumina/FR4 rigid 或 rigid-flex；多层可增加 ECA 与并联导体截面，但超过约 8–10 层的 flex 会趋于刚性。将多个 active plates 放在同一平面可减薄基板并降低制造成本，代价是每通道 ECA 减小。MRI 用调谐支路的电感应避免 ferrite；含 ferrite 的大电感可在 B0 下饱和并暂时失去低频滤波，专利仅要求移出扫描仪后无永久 remanence。

取舍与适用边界

低电感 RF ground 是分流与屏蔽共用的前提。ground plates 经多点 material 210 连接金钎焊 124，可避开 titanium ferrule 120 表面氧化物造成的接触阻抗；连接面积不足、via 间距过大或边缘未封闭都会削弱高频屏蔽。[推断]对多通道神经刺激器，每根导体均需独立 active plate 与滤波支路，而 shield plates 可共地；通道间还需用共面 shield 224’ 控制 crosstalk。专利展示 DBS electrode 320 可把频率选择元件置于颅骨 burr-hole housing 或 AIMD housing（FIG. 129），但未给双侧皮层导线的尺寸、通道密度或温升结果。

系统把原集中在远端电极附近的 RF 功率转移到壳体表面耗散（FIG. 114）。该策略降低局部热流密度的前提是壳体、周围组织与连接件可承受转移后的总功率；专利没有给壳体温升随 RF 功率、植入深度或灌注条件变化的数据。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 114 — AIMD housing 300 作为 energy dissipating surface，变量阻抗元件 306、308 把导线 RF 能量转移至壳体。

效果与证据

各组证据的电路与条件不同，不作数值互比。

• 先有器件频响示意（FIG. 18、FIG. 21、FIG. 40）:说明书用概念曲线说明 MLCC 在 SRF 以上衰减下降、多只不同尺寸 MLCC 产生多个谐振峰、未屏蔽 flat-through 在高频发生跨耦合。FIG. 18 给出约 60 dB 的 MLCC 谐振峰，但没有器件值、端口阻抗、仪器或测量标识。
• flat-through + MLCC 组合（FIG. 68）:对照 feedthrough capacitor 与 MLCC 被设为相同电容值，shielded flat-through 的寄生电容反而更小；说明书称其 $C_p$ 曲线约在 1000 MHz 达 3 dB，叠加 MLCC 后形成组合响应。曲线未说明来自实测、仿真还是理想传递函数。
• L-section 组合（FIG. 76）:嵌入串联电感后，说明书称 $C_p$ 的 3 dB 点约降至 40 MHz、斜率由 20 增至 40 dB/decade，并在 64 MHz 与 128 MHz 比对照 feedthrough capacitor 高“10 to over 20 dB”。该比较针对 $C_p$、MLCC 与串联电感的组合，不代表裸 flat-through 电容性能。
• 调谐支路设计例（FIG. 119、FIG. 124–127）:270 nH 与 22 pF 被指定为 64 MHz series trap；双 trap 分别面向 64 MHz 与 128 MHz，并以 series bandstop 隔离相互作用。专利只给频率与元件值，没有 trap 的实测阻抗、3 dB 带宽、容差或温漂。
• 载流与电容规格:说明书称 active plate 可通过 30 A 以上；从属权利要求要求寄生电容“minimum of 20 pf”。两项均为结构能力或权利要求界限，没有脉冲波形、持续时间、温升与寿命测试。
• 系统热效应（FIG. 114、FIG. 131–133）:专利称把 RF 能量转移到壳体后温升仅为数度，并称 reactance 不必完全抵消即可转移大部分能量；没有 phantom、动物、体内或扫描仪测试条件。该组材料只能支持系统机理，不能支持热安全量化。

严谨性缺口:

• 无导线电流、远端温升、壳体温升或组织热剂量实测；没有 ISO/TS 10974、ASTM F2182 或其他 MR-conditional 验证。
• FIG. 68、FIG. 75、FIG. 76 的衰减曲线缺少电感、电容、ESR、源/负载阻抗与测量方法，无法复算 10 至逾 20 dB 的改善。
• “消除”高频 cross-coupling 只由屏蔽拓扑与概念曲线支持；未给 stitching-via 间距、层间距、边缘开口及 5–10 GHz 屏蔽效能数据。
• FIG. 62 的集总模型仅适用于相对低频；专利没有给高频 distributed model、全波仿真或模型与实物频响的对应。
• 270 nH/22 pF trap 仅规定名义中心频率；组件容差、植入后负载、导线轨迹与相邻通道耦合造成的频移均未量化。
• 壳体作为 energy dissipating surface 的安全性未用壳体面积、组织热边界、灌注或扫描占空比约束，远端降温与壳体升温之间的能量守恒未闭合为测试结果。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US8868189B2/en
• 危害:rf-heating

1. parallel-lc-resonance——并联 LC 在谐振点呈高阻抗的通用原理。
2. US7363090B2_Greatbatch——远端 parallel LC bandstop 阻断 MRI RF 电流的 Greatbatch 既有方案。
3. US7751903B2_Greatbatch——将导线 RF 能量分流至大面积 energy dissipating surface 的同族方案。