US9061139B2 Implantable lead with a band stop filter having a capacitor in parallel with an inductor embedded in a dielectric body

摘要

• 问题:植入导线在 MRI RF 场中沿长度感应电流,远端 TIP 嵌入心肌、散热差,Ohm 热致组织消融、阈值漂移甚至穿孔;含 ferrite/Ni/Co 的元件在 B0 中受 force/torque、磁芯饱和、并产生图像伪影。
• 方案:在 lead wire 与远端 TIP(或 RING、AIMD 馈通入口)之间串入并联 LC band stop (TANK) 滤波器,L、C 取值使谐振频率落在 Larmor 频率(1.5 T/64 MHz、3 T/128 MHz);电容电极与电感全部采用非铁磁材料(Pt 高烧电极、Pd/Ag、空心或介质内嵌螺旋 trace),避免 B0 力/扭矩、磁芯饱和与图像伪影。
• 效果:未给出 in-vivo 温升或 ASTM/phantom 加热数据;仅给设计算例(L=150 nH、C=41.3 pF、ESR_C≈10 Ω、R_L≈1 Ω → 谐振阻抗 >50 Ω,3 dB 带宽可同时覆盖 64–128 MHz)与图像伪影定性对比(ferrite 65–95 mm、Ni 电极 15–30 mm、Pd/Ag <20 mm,FIG 170–173)。
• 形态:45 claims

机理与方案

失效机理:AIMD 导线在 MRI RF 场中按 Larmor 频率 $f_{RF}=42.56\text{MHz/T}\cdot B_0$ 谐振——3 T 时 $f_{RF}=128$ MHz,自由空间半波长约 58.6 cm,落在常用心脏 lead 长度区间,使导线作为天线沿长度耦合感应电流(208/468);远端 TIP 142 嵌入心肌、热阻高,焦耳热与 tissue interface Ohm 热集中,致组织消融与起搏阈值上升;含 Fe/Ni/Co 的滤波或固定元件在 B0 静场中受磁力/扭矩(ASTM 法),含 ferrite 磁芯在 dB/dt 下饱和、电感量随场强漂移,同时产生 MRI 图像伪影。

方案:在 lead wire 与远端 TIP(142,FIG 17/35/42)、沿导线(FIG 162)或 AIMD hermetic feedthrough 入口(FIG 163–165、169)处串入并联 LC tank 146,L 与 C 并联于 lead 与回路之间,总阻抗

$Z_{tank}(j\omega )=\frac{j\omega L\cdot \frac{1}{j\omega C}}{j\omega L+\frac{1}{j\omega C}}=\frac{j\omega L}{1-{\omega }^{2}LC}$

其中 $\omega =2\pi f$,${\omega }_r=1/\sqrt{LC}$ 处分母趋零,理想 $Z\to \infty$,阻断该频率 RF 电流;谐振频率

$f_r=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$

带宽由 Q 决定,$Q=f_r/\Delta f_{3dB}$。低频侧(10 Hz–1 kHz 生理频段)$X_L=2\pi fL\to 0$,tank 退化为 $R_L$,故 R_L 须低以避免衰减起搏脉冲与感测信号;高频远离谐振时 $X_C\to 0$,tank 退化为 $R_C$(ESR),其值不衰减期望信号、反而提高对蜂窝/微波频段的旁路衰减。

Q 调谐策略(FIG 24、96–98):取高 Q 电感(空心螺旋或低介电 Al2O3/manganese titanate 内嵌 Pt trace,R_L≈1 Ω)+ 低 Q 电容(ESR≈10 Ω),得到 medium-Q tank;ESR 可由减薄电极、电极开孔(FIG 105/106 holes 364)、选高 tan δ 介质或加分立电阻片实现,扩展 3 dB 带宽以同时覆盖 64 MHz 与 128 MHz 两类机型,并吸收陶瓷介质每十年约 2% 的容量老化漂移。

非铁磁实现(FIG 170–173,Claim 9、44):电感为空心螺旋(FIG 51)或嵌入高 K 陶瓷的 Pt 印刷螺旋(FIG 68/80/115/149,基板 Al2O3 或 manganese titanate,K≈10);电容电极采用 Pt 高烧或 Pd/Ag/Au 体系,避免 base-metal Ni 电极。

多频段拓扑(FIG 50):n 级串联 tank T1/T2/T3 分别谐振于 21/64/128 MHz,使同一 lead 兼容 0.5/1.5/3 T。

Claim 1/22/35/39 把 L 与 C 锁定为同一介质体(tubular ceramic)内的 active/ground electrode + conductive inductor trace,经端面 first/second metallization 电连接形成 parallel LC,在 lead 串联段实现 IP 主张。

效果与证据

判据:仿真+概念为主,定量数据少。

• 设计算例(段落对应 FIG 12–16、96):L=150 nH、C=41.3 pF、ESR_C=10 Ω、R_L=1 Ω → 谐振点阻抗 >50 Ω,3 dB 带宽足以同时覆盖 64 MHz 与 128 MHz;给出 P-Spice 模拟与原型测量口述,未公开实测 Z(f) 曲线或散点。
• MRI image artifact 对比(FIG 170–173、Trie-FISP/Spin Echo):含 ferrite 部件 65–95 mm;含 Ni 电极 15–30 mm;Pd/Ag 非铁磁电极 <20 mm。图像为定性级别 + boxplot,非 ISO/ASTM 规范化测度。
• B0-force/B0-torque、磁芯 saturation:仅以 ASTM 测试方法学引用,未给力/扭矩数值或饱和场强阈值。
• RF-induced heating:无温升 ΔT、无 phantom/ASTM F2182/ISO TS 10974 数据。

总体:概念与电路设计为主,辅以图像伪影的相对量化对比,不构成 RF 致热效应的定量验证。

对我方产品的意义

对我方 WPT 主供能、有磁铁、扫描时全关的 AIMD,本专利的可借鉴点集中在「长导线 RF 致热」与「磁铁力学/图像伪影」两条挑战:

• 长导线 RF 致热路径:若产品保留任何外接电极/感测 lead,Larmor 频率处的并联 LC band stop 是把 lead-tip 感应电流约束在工作频段外的方法学参考;$f_r=1/(2\pi \sqrt{LC})$、high-Q-L + low-Q-C 的 medium-Q tank 带宽折中、ESR 主动加权(减薄电极、开孔、选 tan δ 高介质)以覆盖多 B0 等级、吸收陶瓷老化漂移,可移植到 WPT 接收端整流前级 RF 旁路/陷波网络的 Q 设计判据。
• 磁铁力学 + 图像伪影路径:Pt/Pd-Ag 等非铁磁电极与空心/介质内嵌螺旋电感替代 ferrite + Ni 的工程范式,可同时落 B0-force / B0-torque / image-artifact 三条挑战;对我方磁铁外侧的支撑、固定件、屏蔽件的材料选型有方法对标价值。
• 不可直接借鉴的部分:针对的是 lead-bearing 起搏/ICD/神经刺激场景,谐振网络置于远端 TIP 的紧凑封装方案,与 WPT 线圈—整流器—负载的功率链拓扑差异较大;在我方扫描时全关的工况下,band stop 滤波的 in-vivo 收益需结合「扫描时关电+RF 屏蔽」整体方案重新评估。

关联

• 原文(Google Patents):https://patents.google.com/patent/US9061139B2/en
• 危害:Hazard-rf-heating