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US9119968B2 Band stop filter employing a capacitor and an inductor tank circuit to enhance MRI compatibility of active medical devices

US9119968B2 Band stop filter employing a capacitor and an inductor tank circuit to enhance MRI compatibility of active medical devices

摘要

  • 问题:MRI RF 场以天线方式耦合到植入导线，感应电流在导体电阻及远端电极-组织界面沉积热量；导线长度、走向、植入位置与电极形态改变耦合强度，使 SAR 不能单独预测局部发热。
  • 方案:把并联 L-C tank（146）串入导线并调谐至 64 MHz、128 MHz 等 MRI RF 频率，以谐振高阻阻断电极侧电流；用低损耗电感配高 ESR 电容降低总 Q，扩大 3 dB 阻带。
  • 效果:专利报告谐振阻抗可达数百欧姆，并给出 L/C 配值、Q 曲线和频移容差；这些证据均停留在电路层。
  • 形态:29 项权利要求，独立权利要求 1、13、19、25 均限定双极心脏起搏导线，TIP 与 RING 两路各串一个 bandstop；滤波器可用分立 L∥C 或自谐振线圈实现。

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 体线圈或头线圈的 RF 电场沿植入导线建立感应电动势，导线在高频下表现为组织负载中的接收天线。感应电流在导体电阻上产生分布 损耗，并经远端 TIP 或其他裸露电极流入组织，在电极附近形成局部欧姆热。TIP（142）埋入组织、散热较差；RING（144）通常位于流动血液中而冷却较强，但导线弯曲或组织包封可改变这一条件（FIG. 10）。

耦合量随导线有效电气长度、路径、植入侧别与端接变化；当长度接近组织环境中的谐振条件时，导线拾取与尖端电流可增强[1]。专利据此把 SAR 称为“not a good predictor”：相同场强和 SAR 下，不同导线长度与布线仍可有不同发热。说明书还把远端电极附近与 AIMD 近端视为可形成不同 RF 电流回路；[推导] 一只串联滤波器只约束必须跨过其位置的电流，不能消除滤波器 IPG 侧的全部局部环流。

谐振阻断机理与模型边界

电感 L 与电容 C 并联形成 tank（146），该二端网络再串入导线（FIG. 11）。谐振频率为

在 处，两支路无功导纳相消，理想端口阻抗趋于无穷；实际峰值由电感串联电阻与电容 ESR 限定。把该高阻抗串入信号通路即构成 bandstop，使目标频率的 RF 电流不能继续流向电极侧[2]。低频下电感支路近似短路、电容支路近似开路，约 10 Hz–1 kHz 的治疗与感知信号主要经电感通过；远高于谐振点时，电容支路成为主要通路（FIG. 18–21）。

FIG. 16 分别用串联损耗表示电感电阻与电容 ESR。该模型以 1–100 nH 小电感的匝间电容可忽略、小型或同轴电容的串联电感可忽略为前提，状态量限于 L、C 及两支路损耗；导线分布参数、组织负载、空间 RF 激励与多个回路需由分布或全波模型表征 [推断]。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 16 — 并联 tank（146）的有损集总模型，电感支路与电容支路各含串联损耗。

工程实现与授权形态

分立实现优选空气芯小电感。铁氧体或铁芯在 B0 下会饱和并改变电感值，也会增加图像伪影；电感建议取 1–100 nH，以较大电容换取较少匝数和较低导线电阻。电容的一般封装范围约为数十 pF 至 10,000 pF，优选 100–4,000 pF。FIG. 22 给出两条迭代路径：先选可封装的 C 再反解 L，或先选低电阻且可封装的 L 再反解 C，并按尺寸、寄生电阻、Q、耐压和载流能力调整。

多个电感可串联，多个电容可并联。替代形态利用多匝线圈的匝间寄生电容，使线圈“self resonant at a predetermined frequency”，以一个绕制件同时提供 L 与 C。分立实现把寄生电容当作可忽略量，自谐振实现则刻意增大该量；二者是同一并联谐振原理的不同工程选择，不能共用 FIG. 16 的低寄生电容假设。

说明书允许滤波器位于导线一处或多处，并优选邻近或集成于远端 TIP/RING。授权独立权利要求进一步限定双极心脏起搏导线的位置关系：TIP 路 bandstop（146）位于 TIP（142）近侧但在 RING（144）远侧；RING 路 bandstop（146′）位于 RING 的 IPG 侧，RING 夹在两只滤波器之间（FIG. 27）。权利要求覆盖分立 L/C 与自谐振线圈，并以 100 kHz、0.5 MHz、10 MHz 等 3 dB 带宽档位限定从属形态；Certificate of Correction 为权利要求 25 补入 RING 导体绕 TIP 导体、TIP 导体穿过 RING 的螺旋结构要件。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 27 — TIP（142）与 RING（144）两路分别串入 bandstop（146、146′）的双极导线结构。

说明书把 deep brain stimulator、spinal cord stimulator、cochlear implant 及多 PAD 电极列为适用对象，但授权独立权利要求均指向 cardiac pacemaker lead。[推断] 对双侧 DBS 皮层导线，可迁移的单元是每根独立电极导体在电极侧串入一只 tank；滤波器数量、可用轴向长度、导线外径、治疗/感知串联电阻与邻近组织散热均为 [待确认]。

Q、带宽与耗散取舍

总 Q 由谐振频率与 3 dB 带宽之比表征。高 Q 产生较高而窄的阻抗峰，电容老化或植入环境造成的频移可使工作频率离开阻带；Q 过低则峰值衰减下降。专利选择“high Q inductor”与“relatively low Q capacitor”组成中等 Q tank（FIG. 23）：电感寄生电阻尽量低，以降低治疗与感知频段的串联损耗；电容 ESR 刻意提高，以牺牲峰值阻抗换取较宽阻带。

电容 ESR 可由较薄或较高电阻率的电极、开孔/缝隙电极、掺陶瓷粉电极浆料、电阻性连接材料、高损耗介质或外串电阻提高。[推导] 增加 ESR 也把一部分 RF 功率转化为滤波器内部 损耗，因此阻带宽度、峰值阻抗与局部自热共同受该参数约束。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 23 — 低、中、高总 Q 的插入损耗曲线，用于比较峰值衰减、3 dB 带宽与频移容差。

本件与 US7363090B2 同追溯至申请 11/423,073，且共用并联 tank、Q 配比及 TIP/RING 部署框架；本件的独立权利要求把保护范围集中到双滤波器的双极导线位置关系[3]。同受让人的 US9468750B2 后续把自谐振路线具体化为多层同向螺旋结构[4]；Medtronic 的 US9999764B2 也采用串联于导线的并联 LC/RLC 谐振高阻，并报告位置与温升证据[5]。跨受让人重复出现说明该机理也见于 Greatbatch 之外；本件的热学验证等级仍由自身证据决定。

效果与证据

  • 电学测试，测试条件未述:专利报告“several hundred ohms can be realized”，把实物谐振阻抗界定为有限的数百欧姆量级；证据属性为未附配置的测试陈述。
  • 解析配值，约 64 MHz:FIG. 12 取 nH 并给出 nF；[推导] 代入谐振式得 MHz，与 1.5 T 的约 64 MHz 目标相符。6 nF 高于 100–4,000 pF 优选区间，但处于约 10,000 pF 一般上界内。
  • 理想与有损集总模型:FIG. 13 给出理想 tank 的阻抗-频率关系；FIG. 16 加入支路损耗；FIG. 18–21 用开关等效表示低频、谐振及高频状态。证据等级为电路模型。
  • Q 曲线:FIG. 23 以曲线 162、164、166 比较低、中、高 Q 的插入损耗，并以中等 Q 表示高 Q 电感配低 Q 电容的目标状态。
  • 材料老化陈述:电容介质的容值被报告为随经历时间每增加一个数量级变化 1%–5%，相应谐振频率可漂移最高约 2.5%；该数字用于说明窄带高 Q 设计的频移敏感性。
  • 权利要求指标:claims 7–9、15–17、21、28 给出 3 dB 带宽下限或档位，包括 10 kHz、100 kHz、0.5 MHz、10 MHz；这些数值限定保护范围，不是样机实测。

严谨性缺口:

  • 无 phantom、温升、组织损伤、SAR、动物或临床试验，电学阻断没有落实到热学终点；本件只支持机理层，不能支持 ISO/TS 10974 或 ASTM F2182 的验证结论。
  • 数百欧姆测试未给样品结构、L/C/ESR、谐振频点、仪器、负载、重复数或误差，无法对应 64 MHz 或 128 MHz 的具体实现。
  • FIG. 13、FIG. 16、FIG. 18–21 与 FIG. 23 的生成方式未说明；没有 SPICE、FEM、全波或传输线模型，也未给模型与实物的误差比较。
  • 单一中等 Q 峰覆盖 64 MHz 与 128 MHz 是设计主张。[推断] 两频相差一倍，若不采用多谐振结构或显著牺牲峰值阻抗，单靠展宽难以同时维持高衰减；本件未给定量曲线或测试。
  • 未给任何实物滤波器的 L、C、两支路电阻、Q、3 dB 带宽、尺寸、耐压、载流及功耗的成套数据。
  • 提高电容 ESR 会增加滤波器内部耗散；专利未报告滤波器自热、封装散热或邻近组织的二次热风险。

关联

  1. lead-resonant-length——导线电气长度、有效波长与 RF 耦合/尖端发热的关系（概念卡）。
  2. parallel-lc-resonance——并联 LC 的谐振高阻、损耗限制与 bandstop 作用（概念卡）。
  3. US7363090B2_Greatbatch——同源申请中的并联 tank、Q 配比及远端部署框架。
  4. US9468750B2_Greatbatch——以多层同向螺旋实现可控自谐振 bandstop。
  5. US9999764B2_Medtronic——跨受让人的 LC/RLC 谐振阻断、位置效应与温升证据。