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US9119967B2 Systems and methods for reducing electromagnetic field-induced heating from an implantable pulse generator

US9119967B2 Systems and methods for reducing electromagnetic field-induced heating from an implantable pulse generator

摘要

  • 问题:MRI 的 RF 场与梯度场产生时变磁通,在神经刺激器 IPG 的金属外壳中感生涡流,涡流在壳体金属上以 I²R 耗散(“give rise to resistive heating”),热经壳壁传入贴邻组织致灼伤;背景另述 RF 场以共模方式耦合到系统金属部件、感应电流可达安培级。
  • 方案:在外壳内或外壳上置一只线圈,令其在外场下短路(无源感生)或由壳内信号发生器有源驱动,产生与外场相反的磁通(“opposing magnetic flux”),压低穿过壳体金属的净磁通,削弱涡流。
  • 效果:全篇无温升 / 涡流 / SAR 的实测或仿真;机理以 “It is believed that” 陈述,有源版仅给出抵消 75%–99% 的目标比例,属设计指标而非结果。
  • 形态:20 claims;可调维度为短接方式(永久 / 场强阈值触发 / 用户无线触发)、无源感生 vs 有源驱动、线圈制法(绕线 / 光刻或印刷图案化)、LC 调谐电容(单只或可选电容组)、线圈兼作充电 / 遥测天线。

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;[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 环境的时变电磁场穿过 IPG 的金属外壳,按 Faraday 电磁感应在壳壁导体内建立环流(涡流),涡流在壳体金属电阻上耗散焦耳热(“The eddy currents give rise to resistive heating in the metallic structures of the housing”),热经壳壁传入贴邻组织致灼伤,也可加热壳内电池与电子组件。专利把外场泛指为 “a RF field or a magnetic field or a magnetic field gradient”,三者都被归入”产生磁通 → 感生涡流”的同一路径。

同一背景另述第二条耦合:RF 场以共模方式耦合到系统金属部件(“coupling of the applied electromagnetic fields to metal portions”),共模感应电流(“Common-mode induced currents”)在 MRI 环境下可达 “greater than one ampere”,既生热也在电子电路内产生扰动电压。本篇的线圈方案只作用于第一条(壳体涡流),不处理导线 / 共模电流路径。

抵消机理

解决方案的物理原理是楞次定律的磁通反制:把一只闭合线圈置于同一时变磁通中,线圈感生电动势;两端短路使其成低阻回路,较大的感生电流得以流通,该电流自身的磁场按楞次定律与外磁通的变化反向(“produce an opposing magnetic flux”),叠加后穿过壳体金属的净磁通下降,涡流随之减小乃至趋零。有源版把”外场感生的电流”换成由信号发生器主动注入的电流,物理上仍是以线圈电流造反向磁通抵消外场——无源感生与有源驱动是同一原理下的两种实现选择。

反直觉点在于:向已发热的金属壳附近再加一只载流导体,却期望总热量下降。其成立前提是线圈把原本沉积在壳体的涡流耗散转移到一个电阻更低的回路,专利的论据是 “the coil will typically have lower resistance”。感生电流按电磁感应反比于回路电阻,低阻确给更大的抵消电流;但方案是否真的降热,取决于”线圈回路耗散 < 被抵消的壳体涡流耗散”这一比较,而线圈为集总回路、壳体涡流为分布电流,两者电阻不同量纲、电流不等值 [推断]。

工程实现

无源短路线圈(FIG. 5,coil 560):导电、优先生物相容的金属 / 合金,匝数从 1 到 100+ 可选(“one, two, three, four, five, six, ten, twelve, twenty, fifty, one hundred, or more loops”);位置可埋入壳壁材料(“molded into the material that forms the wall”)、贴壳内表面或电路板、或置于壳外表面(claims 7–9)。短接分三档:永久短接(claim 2);场强超阈值时才短接(claim 3),配磁场传感器 562(claim 4);由用户 / 术者无线指令短接(claims 5–6),并可在可编程时长后断开。条件短接的动因是避免常闭线圈 “interfering with communications”——扰乱 IPG 与体外设备的通信。线圈亦可兼作 FIG. 4 的天线 418 用于充电或遥测(claims 10–11),须加开关在天线与抵消线圈两种用途间切换。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 5 —(coil 560 置于 housing 514 内或其上,两端短接以感生反向磁通;附可选传感器 562 供场强阈值触发短接)

图案化线圈(FIG. 6A,coil 660):以光刻或印刷法(“photolithographic or printing methods”)做在壳体外表面或内表面;可选短接元件 662 与中间各匝绝缘。

LC 调谐线圈(FIG. 6B):coil 660 一端经调谐电容 664 接地,线圈与电容构成 LC 电路调到指定频率——RF 的 64 MHz(1.5 T)或 128 MHz(3 T),或梯度场频段的中心频率[1]。可备两只以上电容切换到不同频率,切换由磁场传感器自动或由用户指令完成(claim 12)。调谐把抵消集中到单一频点,一次只覆盖 RF 与梯度中的一个频段。

有源驱动线圈(FIG. 7,coil 760 + active signal generator 766):信号发生器主动向线圈注入电流生成反向磁通,不依赖外场感生;抵消目标为入射磁通的 “at least 75%, 80%, 90%. 95%, or 99%“。发生器可用 IPG 处理器 404 或自带处理器,由用户指令或阈值触发。传感器 762 检测场的 “magnitude or phase (or both magnitude and phase)“,claim 19 要求同时确定相位与幅度——前馈反相注入须知外场瞬时相位与幅度方能对准。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 7 —(coil 760 与 active signal generator 766 及传感器 762;发生器按所测场幅度 / 相位向线圈注入电流生成反向磁通)

取舍

  • 线圈自热 vs 壳体涡流热:线圈自身也生阻性热,专利称其 “generally be less than” 壳体无线圈时的涡流热,理由是线圈电阻更低;该比较的数值缺口见「严谨性缺口」。
  • 常闭 vs 条件短接:永久短接最简单,但线圈常态短路会干扰遥测通信;阈值 / 用户触发解此冲突,代价是加传感器 562、控制电路与穿壳馈通,并引入触发时序与失效安全状态 [推断]。
  • 无源 vs 有源:无源版零功耗、自适应跟随外场,但抵消量不可控;有源版可设定抵消比例,代价是扫描期持续耗电,且须在 64 / 128 MHz 上完成相位 / 幅度检测与反相注入 [推断]。
  • LC 调谐的频段取舍:单只调谐电容把抵消对准一个频点,RF 与梯度场不能同时覆盖,需电容组加选择逻辑。
  • 兼作天线:线圈复用为充电 / 遥测天线可省一件,但天线功能与抵消功能相斥,须切换,不能在扫描期既短接又通信。
  • 只治外壳一环:线圈只压壳体涡流,导线-电极侧的致热由 lead 侧方案(如把 RF 阻断在导线远端的自谐振 bandstop 滤波[2])另行处理,背景所述 >1 A 的共模电流路径亦不在其作用范围;单靠本方案不构成整机 MRI 热安全。

效果与证据

全篇无温升、涡流幅度、SAR 或组织热剂量的实测或仿真,无 phantom、无体内数据;抵消机理以 “It is believed that” 陈述,未闭合到任何测量结果。可列的量化项均非本发明的效果证据,各自条件不同,不作横向比较:

  • 危害量级(背景转述):共模感应电流 “greater than one ampere”,刻画 MRI 环境下的耦合强度,非加线圈后的改善量。
  • 有源抵消目标比例:75%–99%(“at least 75%, 80%, 90%. 95%, or 99%”),是有源版设定的设计指标,无实现电路与实测佐证。
  • 调谐频点:64 MHz(1.5 T)、128 MHz(3 T)及梯度场中心频率,为 FIG. 6B 的目标频率,非性能数据。

严谨性缺口

  • 无热学 / 电磁验证:无温升、涡流、SAR 的实测、仿真或 phantom;方案有效性停在楞次定律的定性推断。
  • 机理被专利自我限定:核心陈述冠以 “It is believed that”;无磁通抵消的场分析、无等效电路、无抵消比例的推导。
  • 降热前提无支撑:方案是否降热取决于”线圈电阻低于壳体涡流路径、故总耗散更低”这一假设,专利对此无任何电阻、电流或耗散的数值与比较;线圈磁通与壳内分布涡流的几何耦合是否使抵消真正落在壳体金属上,未作分析。
  • 有源抵消无实现证据:75%–99% 的目标比例未给传感器在 64 / 128 MHz 的相位 / 幅度精度、驱动带宽或功耗。
  • 外场类型笼统合并:RF、梯度、静场被并入 “RF field or a magnetic field or a magnetic field gradient” 同一涡流路径,而三者在趋肤深度与线圈响应上差异大,单一线圈几何对三者是否同效未定 [推断]。
  • LC 调谐无参数:FIG. 6B 的 L、C 无具体值,无带宽;调谐版覆盖范围只能定性判断。

关联

  1. larmor-frequency——MRI RF 频率与 的 Larmor 关系(64 MHz@1.5 T、128 MHz@3 T);本篇 FIG. 6B 的 LC 调谐目标频率。
  2. US9468750B2_Greatbatch——把 RF 能量阻断在导线远端的自谐振 bandstop 滤波方案;与本篇对照,后者处理导线-电极致热,本篇只处理外壳金属涡流致热,属系统不同环节。