US9037258B2 Switched safety protection circuit for an AIMD system during exposure to high power electromagnetic fields

摘要

• 问题:MRI RF 脉冲场(1.5 T 64 MHz / 3 T 128 MHz)通过天线效应耦合到 AIMD 长导线,远端电极-组织界面欧姆热致温升;单独在远端使用并联 L-C bandstop filter(U.S. Pat. No. 7,363,090)会将 RF 能量反射回导线,在 bandstop filter 近端形成新热点。
• 方案:在 AIMD 壳内加单极/多极双掷开关(元件 266);正常模式经一对接通 AIMD 电子电路,MRI 模式由可编程遥测信号或 B0 静磁场传感器(Hall 元件/簧片开关/铁氧体片)自动切换到另一对,将导线接入分流电路(diversion circuit, 元件 112)并对接导电外壳(EDS, 元件 161=元件 124);分流电路含低通滤波器/串联 L-C trap/馈通电容,容性电抗 $-j/(\omega C)$ 与导线感性电抗 $+j\omega L$ 矢量抵消以实现最大功率向外壳传输。
• 效果:本专利未给出开关+EDS 组合的独立实测温升或 SAR 数据;stub 摘要中「>30°C → <3°C」数据出处为发明人在 U.S. Pat. No. 7,363,090 所述 bandstop filter 单用方案,以及 Konings et al. (JMRI 2000) 的 74°C/30s 导丝实测,非本专利新增定量。
• 形态:21 项权利要求,60 图。

机理与方案

失效机理 MRI 主要电磁场分为三类:B0 静磁场(0.5–11 T)、RF 脉冲场(Lamour 关系 $f_{RF}=42.56\cdot B_0\text{[T]}$ MHz)、梯度场(~kHz)。RF 脉冲耦合到长导线主要靠天线效应,电压沿导线感应,远端电极-组织界面按欧姆热定律积热;Konings et al. (JMRI 2000) 实测导丝末端 30 秒扫描升温 74°C。低频梯度场则按 Faraday 定律在「导线-AIMD-组织回路」(图 101)中感应回路电流,可经 AIMD 内非线性器件(过压保护二极管、Transorb 等)整流出生物频段脉冲,误捕获心肌或刺激神经。

本专利同时识别次生问题:若只在远端使用并联 L-C bandstop filter(图 11 元件 117,文献 US 7,363,090)将 RF 截断在导线内,导线两端形成未端接传输线,RF 在导线内反射,在 bandstop filter 近端附近出现新发热点(发明人实测,无具体数值)。

技术方案(三层网络 + 开关)

1. 分流(diverter, 元件 112):低通滤波器(单 C / L+C / Pi / T / LL / n 元)、串联 L-C trap、馈通电容(图 39)。在 MRI 频率给「导线↔EDS」提供低阻抗短路。L-C trap 谐振频率 $f_r=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$ 其中 $L$ 单位 H,$C$ 单位 F,$f_r$ 单位 Hz。谐振时容性电抗 $X_C=-j/(\omega C)$ 与感性电抗 $X_L=j\omega L$ 矢量抵消,仅剩串联电阻 $R$(图 45–47)。

2. 阻塞(impeder, 元件 118):串联电感或并联 L-C bandstop filter,在 MRI 频率呈高阻抗,阻断 RF 流向远端电极。位置必须放在 diverter 与远端电极之间;反置则将能量反射回远端造成更严重的电极发热(图 58 反例分析)。

3. 开关(元件 266):单/多极双掷。正常模式接通 AIMD 电子;MRI 模式将导线从电子电路断开并连到 EDS,同时断开非线性器件以阻断 RF/梯度场整流路径。触发方式包括可编程遥测,或由 B0 静磁场传感器(Hall 元件、簧片开关、铁氧体片)在患者进入扫描孔后自动切换(claim 2 / claim 17)。开关器件可为 MEMS、机械、簧片、电子、FET、PIN diode、Hall Effect 开关。

调谐能量平衡(Thevenin 最大功率传输) 源阻抗与负载阻抗互为复共轭时功率传输最大。植入导线一般呈感性 $+j\omega L$,故分流电路设计为容性 $-j/(\omega C)$ 使两矢量抵消;L-C trap 串联电阻典型取导线特征电阻量级(文中以 80 Ω 为例),在谐振频率把最大能量耗散到 EDS。多 B0 场强覆盖通过多个并联 L-C trap 实现,各自谐振于 64/128/170/213 MHz,对应 1.5/3/4/5 T(图 52)。

EDS 形态(图 34–71):首选 AIMD 钛壳本身(元件 124),也可在导线沿途加独立耗散环(元件 161),通过波纹/翅片/等离子蚀刻/CNT/分形涂层增大表面积(图 64–68);可加 biomimetic 涂层防组织过生长。EDS 与远端电极推荐间距 d ≈ 0.1–10 cm,避开图 27 中 Wilkoff 所示心室过生长区。

效果与证据

定量数据:无,仅为概念/分析。

文中所引「温升 >30°C → <3°C」数据出处为发明人在 U.S. Pat. No. 7,363,090 描述的 bandstop filter 单用工作;Konings et al. (JMRI 2000) 的「最坏情形导丝 30 秒扫描升温 74°C」为引用文献。本专利对「开关 + EDS 分流」组合本身未给出独立的实测温升、SAR 阈值、阻抗匹配前后能量转移百分比等定量数据,亦未公开台架测试条件、相位/方位扫描结果或活体验证数据;Thevenin 最大功率匹配的预测(容性电抗调谐到与导线感性电抗等大反向)以原理论证形式给出,未配实测对比曲线。

对我方产品的意义

落「长导线 RF 致热」一支。本专利的 B0 静磁场传感器(Hall 元件 / 簧片开关 / 铁氧体片)+ 多极双掷开关「正常模式连电子-MRI 模式连壳」体系,可作为我方「扫描时 WPT/整流器全关」策略的对标参考:即由静磁场自动触发将非线性器件(整流器二极管、保护二极管)从导线断开,以阻断 RF/梯度场整流产生的低频脉冲注入路径。另可借鉴两条设计原则:(a) 调谐分流电路容性电抗使其与导线感性电抗矢量抵消、L-C trap 串联电阻匹配导线特征电阻,以最大化向外壳大面积耗散面的能量转移;(b) 多 L-C trap 并联覆盖多 B0 场强(64/128/170 MHz)的频段策略。

关联

• 原文(Google Patents):https://patents.google.com/patent/US9037258B2/en
• 危害:Hazard-rf-heating