通孔陶瓷电容器的使用,以及特定滤波器设计和安装技术,可以使心脏起搏器对EMI免疫
罗伯特·史蒂文森,卡森城麦克斯韦技术,内华达州,美国
无线技术研究的协调下,L.L.C. (WTR)之间的交互手机和心脏起搏器被广泛调查在过去2½年。1996年9月,WTR发布了他们的最终报告题为“之间的干扰评估手持无线手机和植入心脏起搏器”。1在这个调查,WTR画在先前发表的报告和协调美国研究人员执行的新工作在活的有机体内和在体外测试手机使用各种模型和各种模型心脏起搏器。这些研究人员包括:无线电磁兼容性的研究中心在俄克拉荷马大学,2r . Carrillo西奈山医学中心的医生,3、4d·l·海斯博士,et al .,5和p . s . Ruggera d . m .喋喋不休和h i Bassen的食品和药物管理局(FDA)对设备和放射卫生中心。6研究人员搜集了许多不受欢迎的手机之间的电磁相互作用和心脏起搏器的距离约23厘米。6发现某些模型心脏起搏器(那些没有宽带陶瓷导孔过滤器)展出的大部分反应EMI从特定模型数字手机(如TDMA 11赫兹,TDMA 50赫兹,和欧洲GSM)。起搏器抑制和/或异步踱步一般观察;然而,没有永久性损伤或起搏器的重组。模拟手机没有发现导致的一个重要问题。Carrillo博士和他的同事们是最早研究人员报告说,某些模型心脏起搏器的EMI滤波器设计使他们从手持通信设备免疫的效果。3、4Carrillo博士的研究小组还证实,当这个“EMI滤波器”删除,对EMI起搏器再次成为敏感的数字移动电话。进一步的调查显示,总体而言,心脏起搏器,表现出一个非常高水平的免疫结合陶瓷旁路电容器EMI滤波器所描述。图1显示了一个心脏起搏器和四个白金铅丝出口通过钛住房(可以)通过gold-brazed氧化铝密封终端。钛是焊缝可以作为电磁屏蔽和保护内部部件的密封的障碍从体液。这些导联线,通常携带节奏脉冲和心脏活动,也可以充当天线和行为不良的射频载波信号(如手机引起的EMI)敏感的内部电路。有效地将描述的EMI滤波器设计和盾牌等信号在一个较宽的频率范围内才能进入钛可以,扰乱正常的起搏器或ICD功能。已经证明,最大易感性的起搏器对手机天线进行数字调制手机时(在最大H字段)的位置放置在靠近心脏起搏器(近场)头(引导进入钛可以)。3、4反过来,这导致相对较短的波长电场(手机通常操作从950兆赫到1.8 GHz)容易夫妇钛里面可以通过设备密封和线索。一旦EMI载波信号在可以执行和/或辐射起搏器传感电路。起搏器非线性电路元素(如半导体器件)可以这个射频载波解调。内部放大器电路和相关数字信号处理电路内植入设备可以不经意间混淆这EMI信号解调技术,就好像它是一个正常的心脏电信号。手机,利用极低频数字调制等,由TDMA 11赫兹(现在过时了),TDMA 50 Hz,或欧洲GSM 2到4赫兹手机的关注,因为这些频率相对接近正常心跳的频率(1到2赫兹)。特别问题是数字调制与15 - 25毫秒脉冲宽度是直接在通频带内典型的起搏器传感和带通滤波器电路。为什么一些过滤器和芯片失败
心脏起搏器通常把EMI低通滤波器、带通滤波器设计与表面贴装组件安装在内部基质,电路板或flex电缆。不幸的是,这些组件通常不能有效的手机频率。例如,一个1000 - pf表面贴装矩形陶瓷“芯片”电容器展品不良串联谐振大约在192 MHz。(在这个频率及以上,芯片电容器越来越归纳和有效绕过元素)。7这些寄生谐振的各种表面贴装组件导致网络传递函数的极点和零点导致许多不良的高峰和低谷滤波器衰减曲线。7除了组件共振,内部铅丝和电路的痕迹起搏器有实质性的寄生电容和电感。因此,他们成为有效的耦合设备在短的波长的无线通信设备。这意味着,在高频率(例如950 MHz), EMI辐射或夫妇在起搏器substrate-mounted EMI滤波器对敏感放大器电路。图2说明了这种效应并显示适当的EMI滤波器位置保税直接密封终端;EMI之前必须清除进入。宽带EMI滤波器设计单片陶瓷EMI旁路电容器是一个同轴装置设计解耦和/或保护不受欢迎的射频载波(EMI)在一个广泛的频率才能达到钛的内部可以和夫妻或辐射敏感的内部电路。使用这种方法,数字调制的类型和频率并不担忧,因为它是随着射频载波中删除之前可以检测到正常心跳和困惑。图3演示了单极穿单片陶瓷电容器EMI滤波器。这是一个单元素低通滤波器可以理想的频率(节奏或感应)。因为它是一个同轴装置,它提供了有效衰减干扰信号在很宽的频率范围(EMI) (30 MHz到10 GHz)。7正确设计和安装时,旁路电容非常低电感设备相对自由的寄生行为表现出的表面贴装或含铅成分。典型的通孔电容值变化从680年到4500年pF人类植入应用程序。例如,自已谐振频率为2200 - pF单相陶瓷旁路电容器(0.140“直径)大约是1.5 GHz。8与矩形芯片电容器不同,以上频率共振陶瓷旁路电容器将继续提供有效衰减(40 - 70 dB从950兆赫到10 GHz)。7、8植入式设备通常有许多导联线连接到心脏(踱步,传感,高压电击,等等)。所有的领导都必须过滤EMI能cross-couple敏感电路如果起搏器的住房内。标准通孔陶瓷电容器包括双相(2)、三极的(3),quadpolar (4), pentapolar(5),和hexpolar(6)配置。图4说明了一个典型的quadpolar陶瓷旁路电容器。图5显示了内部极板躺了单极和quadpolar设计模式。陶瓷旁路电容器的一个同样重要的特性是它电作为一种continu-ous电磁屏蔽的一部分(钛)房屋起搏器电路。图6说明了陶瓷的设计旁路电容器是表面贴装在密封的终端起搏器或ICD(美国专利号5333095)。9另一种(体积更少的有效)配置基于内部同轴腔安装所描述的美国专利号4424551。10滤波器设计的建议•陶瓷必须安装旁路电容器,使其成为一个连续的一部分电磁屏蔽(钛),房子医疗植入装置。因此,陶瓷旁路电容器应该身体和电保税直接密封终端(或点的铅渗透)为了分流,反射和吸收EMI(射频洞塞)才能进入住房和夫妇和/或辐射。•陶瓷旁路电容器的安装应在内部终端/住房保护电容器的体液。•陶瓷必须安装旁路电容器用高温导电材料能够承受的焊接温度和热膨胀系数(TCE)压力密封终端安装过程中钛的住房。•陶瓷应该安装旁路电容器EMI滤波器,使其无法形成一个兼职密封。(高分子材料用于债券的电容器密封终端可能形成虚假或暂时密封)。“站”旁路电容器的一个小空间(1 - 2-mil差距),泄漏密封终端仍将出现在优良的泄漏测试和缺陷。EMI滤波器比较测试
植入心律转复除颤器(ICD)是检测一个微型SMB-type射频连接器。这些连接器安装在ICD电磁屏蔽住房(钛)可以直接在各种ICD和连接到输入/起搏器内部传感放大器。SMB连接器之间的电气连接车载类型EMI或带通滤波器和传感放大器的输入。通过这种方式,传统的板载芯片电容器EMI滤波器的效果也可以评估。横扫射频信号(130 MHz到3 GHz)从惠普模型或者注射4720网络分析仪直接耦合到每个ICD铅丝的密封终端模拟EMI从ICD导线。网络分析仪探测器/接收器连接另外的SMB连接器和射频信号电平的硬拷贝的情节,在dB,诗句频率被记录。3880 - pf陶瓷旁路电容器被安装,重复上面的测试。所有测量进行平衡系统50欧姆。图7、8和9代表网络分析仪测试结果的总结。图7和图8是ICD的清洁工没有陶瓷旁路电容器安装(0分贝参考线顶部的清洁工)。 Figure 7 is with RF signal injection and detection on the same cardiac rhythm sensing circuit (circuit A). Figure 8 is with RF signal injection on one cardiac rhythm sensing circuit (circuit A) and detection on a separate sensing circuit (circuit B). This is an indication of crosstalk within the ICD circuitry at cellular phone frequencies. Before the ceramic feed-through capacitor was installed, the level of RF signal detected at the ICD sensing amplifier inputs was relatively high (in the worst case only 27 dB down in the cellular phone frequency range). The parasitic behavior characterized by many peaks and valleys is believed to be caused by stray inductance and capacitance within the ICD as well as the self-resonance of ICD substrate-mounted chip capacitors. In addition, the degree of internal stray coupling is severe, as shown in Figure 8 (injection on one sense lead and detection on a completely different sense circuit). Figure 9 is typical of all of the ICD sensing circuits measured after the 3880-pF ceramic feed-through capacitor was installed. The actual attenuation exceeds the amount shown because the bottom of the plot represents network analyzer internal noise (the dynamic range limit of the network analyzer was reached). The ceramic feed-through capacitor EMI filter provided approximately 50-dB of attenuation at the 950-MHz cellular phone frequency.摘要和结论体内和体外研究表明,与陶瓷旁路电容器EMI滤波器设计时,心脏起搏器对EMI从手机操作在950 MHz到1.8 GHz无线通信设备带。3描述是不实际的频率、调制、脉冲重复率或权力的所有现有的和未来的排放水平,心脏起搏器和植入式心脏可能会暴露。因此,需要一个宽带EMI滤波器提供重要的(> 40 dB)和连续剧烈的高峰和低谷(免费)衰减入射射频载波的宽的频率范围。因此,心脏起搏器和植入式心脏应该有他们的领导接口保护陶瓷旁路电容器EMI过滤器。通孔电容器有效衰减、吸收和反映EMI从30 MHz到10 GHz才能进入内部起搏器或ICD住房和一些敏感的内部电路。通孔电容器是芯片或substrate-mounted电容器相比要好得多,因为他们不表现出不良的寄生在高频共振。旁路电容器应该支持内部芯片提供有效的低频滤波电容,特别是低于30 MHz频率重叠是可取的。通常是不实际把足够的旁路电容器的电容来执行低和高频滤波功能。确认作者非常感谢以下个人的贡献:Buehl Truex标兵圣裘德的眼光和远见在这些类型的宽带EMI滤波器设计成标兵的整个起搏器生产线之前手机问题成为一个记录EMI问题。并喋喋不休,霍华德Bassen和保罗Ruggera食品和药物管理局(FDA)的设备和放射卫生中心作出的贡献,他们的研究回顾和评论文章,和罗杰博士Carrillo医学部门胸心血管外科,西奈山医疗中心为他论文的评论和研究的贡献。莱昂含米特人的电容和电阻技术研讨会(车),持续的技术支持。引用1。(WTR)无线技术研究,L.L.C.,西北n街17111号标记1是在950年华盛顿特区。,“评价手持之间的干扰MHz。无线电话和植入心脏起搏器,最终建议纠正干预”,1996年9月30日。2。a·r·e·施莱格尔文德兰花,h·格兰特,s .拉曼”之间的相互作用的体外研究的结果在高频无线电话和Car-resonances。但心脏起搏器,”研究中心的无线电磁Compatibility-University俄克拉何马州,论文发表于内部芯片电容器提供有效的低频EMC会议,9月11日,1996年,华盛顿特区。3所示。r .迈阿密Carrillo, et al .,“电磁过滤器阻止不良干扰起搏器的数字手机,“西奈山医疗中心。纸的一次会议上提出的大学心脏病专家,1996年3月,奥兰多。4。r .迈阿密Carrillo et al .,“初步观察手机和心脏起搏器,西奈山医疗中心速度(1995),18 (4):863。5。d·l·海耶斯等。,“植入心脏起搏器的临床意义的电磁干扰,”华盛顿特区。无线技术研究,L.C.C.(1995年8月28日)。6。p . s . Ruggera d . m .喋喋不休,h . i Bassen“心脏起搏器的体外测试数字手机电磁干扰,”生物医学仪器和技术7月/ 1997年8月,页358 - 371。纸NASPE会议上提出,5月15日,1996年,西雅图,华盛顿州。7所示。r·史蒂文森,“宽带EMI滤波器的设计和应用心脏起搏器和植入式心脏除颤器,“17年电容和电阻技术研讨会(车),木星,佛罗里达,1997年3月。8。r·史蒂文森,et al .,“提高EMI滤波器插入损耗测试方法、设备和装置,“16th一年一度的电容和电阻技术研讨会(车),新奥尔良,路易斯安那州,1996年3月。9。r·史蒂文森et al ., 5333095年美国专利号。“直通的滤波电容器组装为人类植入。”7月26日,1994年。分配给麦克斯韦技术(外国专利未决)。10。r·史蒂文森et al ., 4424551年美国专利号。“高度可靠的通孔/滤波电容器和方法相同,“1月3日,1984年。罗伯特·史蒂文森、PE、有超过30年的经验系统EMC、EMI滤波器设计。鲍勃收到了他的学士和硕士学位从加州州立大学洛杉矶分校。鲍勃·塞拉目前受雇于麦克斯韦技术部门根据独家咨询安排技术营销总监。鲍勃教授也是工程与洛杉矶社区区和工程学院的副教授成交价的峡谷。自1965年以来,他一直各种t
echnical和管理职位,包括:创始人之一和工程副总裁,美国Microtek组件公司(现在AVX过滤器),设计工程的副总裁,美国电容器公司,技术营销主任Unitrode被动元件组,和技术营销总监,塞拉航空航天技术,Inc .鲍勃发表了30多个技术论文。此外,他拥有五个美国专利和七个额外的等待。7这些领域的专利是对心脏起搏器和植入式defribillators EMI过滤器。鲍勃已经自1990年以来车项目委员会的一员。(661)251 - 5229。(电子邮件保护)thevine.net。IEEE©1997。允许转载的第19届国际会议论文集发表的IEEE工程在医学和生物学的社会,10月30日11月2日,1997年,芝加哥。