解析陶瓷电容器在植入式深部脑刺激器中的作用

时间： 2023-10-28 来源：Knowles楼氏电容公众号

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脑深部刺激器（DBS）又称神经刺激器，是一种利用电刺激治疗帕金森病、器质性震颤、肌张力障碍和强迫症（OCD）等神经系统疾病的医疗器件。如图1所示，DBS通常被植入锁骨附近的皮下或腹部，并通过一根细线或导联线从皮下与大脑的目标区域相连。

图 1. DBS植入患者体内的示意图

电容器在DBS中的关键作用

电容器是确保DBS正常安全运行的重要元件。DBS的各个不同部件中都必须用到电容器，它们起到不同的作用，如：

· 去耦和滤波——电容器有助于隔离电源和其他电子元件，防止干扰或串扰。电容器通过吸收噪声和高频信号起到滤波器的作用，确保为DBS系统提供干净稳定的电源。开关电容器具有极其精确的频率响应以及良好的线性和动态范围，因此在滤波器设计中很受欢迎。

· 浪涌保护——电容器可为DBS提供一定程度的浪涌或瞬态保护。它们可以吸收和消散因静电放电或电磁干扰（EMI）等外部因素而可能产生的能量尖峰或电压浪涌。这样可以保护敏感的电子元件，防止DBS损坏或发生故障。

· 能量存储——DBS中的电容器主要负责存储电能。它们由器件的电源充电，并在需要提供电刺激之前储存能量。当产生刺激脉冲时，电容器会释放储存的能量，以产生所需的电脉冲。飞跨电容器是一个很好的选择，因为通过充电和放电，电荷泵逆变器可以从稳定的正电源实现反向电压。

· 电力输送——电容器可在刺激过程中输送大电流脉冲。电能从电容器放电后，流经电路，到达植入大脑的电极。电容器为产生刺激大脑特定区域的电脉冲提供必要的能量，从而缓解症状。

影响电容器选择的DBS设计挑战

脑深部刺激器（DBS）作为一种植入式人体医疗器件，工程师在为其挑选如电容器等元件时需要应对诸多设计挑战。其中一大挑战是与植入人体的器件相关的尺寸限制。植入式器件需要尽可能微小，这也是开发人员不断努力使这类系统进一步微型化的原因。此外，对于任何植入人体的电子器件来说，安全性都是最重要的。为了使患者避免承受因元件失效而导致的体内休克或因更换过早磨损的元件而需要再次手术的风险，这些器件的设计必须具备高可靠性和长期使用寿命。

总的来说，MLCC非常适用于DBS，并且还能应对开发植入式医疗设备电子系统所面临的各项挑战。MLCC成为该应用的理想之选主要基于以下几点特性：

• 尺寸小巧：可制造成小尺寸，使其在不影响功能的情况下适用于空间有限的DBS器件。

• 高容值：可存储和释放有效刺激DBS所需的电能。

• 低等效串联电阻（ESR）：可有效地向DBS输送所需的电能，而不会出现明显的功率损耗。

• 宽额定电压：可承受DBS应用所需的电压水平。

• 快速充放电：高充放电速率是DBS治疗所需的快速、精确刺激的理想选择。

• 温度稳定性：确保在包括人体在内的各种环境条件下都能发挥可靠的性能。

• 高介电强度：坚固的电介质材料具有很高的介电强度，可确保电容器能够承受电压应力而不会被击穿。

使用楼氏电容（KPD）满足DBS设计限制

楼氏电容（KPD）在设计MLCC时不仅考虑到了上述所有特性，还专门确保MLCC能够满足植入式医疗器件所面临的可靠性和法规要求。为此，楼氏电容（KPD）与医疗器件领域的创新者密切合作，绘制源控制图（SCD），对供应的电容器的各个层级进行管理。SCD为关键应用的专用元件的交付提供了工程描述、资质和验收标准。楼氏电容（KPD）在医疗元件方面遵循的两个主要SCD规范是MIL-PRF-55681和MIL-PRF-1234。

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