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AU2011247825B2 System and method for reducing effect of magnetic fields on a magnetic transducer

AU2011247825B2 System and method for reducing effect of magnetic fields on a magnetic transducer

摘要

  • 问题:中耳/听觉植入的 electro-magnetic transducer（floating mass transducer,housing 内一枚永磁体被 coil 驱动振动）在 “above about 1 Tesla” 的 MRI 场中受三重危害——B0 对磁体施加扭矩扭转换能器、强场使磁体部分退磁、MRI 的 RF 磁脉冲在线圈中感应电压；此类植入者因而一般被 “forbidden to undergo (at least high-field)” MRI。
  • 方案:把磁体做成可机械自由转动的球形,强场中转到磁矩与 B0 对齐从而零扭矩、不退磁;线圈成对反向绕制,使均匀 RF 场在各线圈感应的电压等值反号、净和趋零。
  • 效果:全篇无定量数据(温升、扭矩、感应残余电压、退磁量均无);FIG. 5 / FIG. 8 是线圈电流所生轴向磁场的分布图,非安全性实测。
  • 形态:29 项权利要求;可调维度为磁体形状(球形/圆柱)、磁体数量与配置(单球+keeper、双球、圆柱反平行对)、线圈数量与绕向、驱动形式(floating mass / rotating mass / 驱动轴 / 液压)、随场取向动作的开关。

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

基线是 Ball 等的 floating mass transducer(FIG. 1):housing 101 内 cylindrical magnet 104 由 biasing element 106 偏置,coil 102/103 通电驱动磁体沿 axis 105 振动,磁体惯性带动 housing 振动、传入内耳;反向运行即作 sensor(FIG. 2)。该磁体取向固定。进入 MRI 场后此结构出现三种危害:

  • 扭矩:磁矩 m 与 B0 不平行时受扭矩 “T = m x B”,可扭转换能器出位、伤患者或毁坏机械固定(FIG. 3)。
  • 退磁:强外场使磁体部分退磁,降低换能器效率或致其损坏。
  • RF 感应电压:MRI 的 magnetic RF pulse(B1)在线圈中 “induce voltages in the coil(s)“,可损坏换能器或伤患者(“the transducer and/or may harm the patient”)。

解决机理

对应两类危害有两条独立物理线。

磁体自由转动 → 零扭矩且不退磁。 把磁体做成球形、机械上 “free to turn into any direction”:强外场中球体转到磁矩与 B0 对齐,m∥B 使 T = m×B → 0;磁化方向随外场对齐(而非被反向场压制),故 “cannot be demagnetized”。对任意方向、任意取向的外场都成立——反平行场中球 “flip by 180°“(FIG. 10),垂直场中球转 90° 使磁矩 “align its magnetic momentum vector with the external magnetic field”(FIG. 11)。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 10 / FIG. 11 —(球形磁体在反平行外场中翻转 180°、在垂直外场中转 90° 使磁矩对齐 B0,示零扭矩/不退磁的转动机理)

反向绕制线圈 → RF 感应电压净零。 空间均匀的外 RF 场在成对线圈中感应的 EMF 大小相等;两线圈 “wound in a direction opposite” 时两 EMF 反号,端子净电压趋零[1]。抵消以外场在换能器尺度上均匀为前提,故专利只称 “substantially zero” 而非严格为零。

第二条更早、受限的除扭矩路线是双圆柱磁体反平行配置(FIG. 4):两磁体磁矩相反使总磁矩趋零,则任意取向外场下净扭矩趋零。它在很强的外场下失效——见「取舍」。

工程实现

球形磁体需 keeper 定向。 无外场时球体磁矩取向本 “undefined”、运动亦无从确定;故配一枚 “magnetically soft” 的 keeper(solid alloy、Ferrite 或 Ferrofluid),它沿外场方向被磁化,无场时把球磁矩吸定在 axis 105 上、令球体等效为一枚标准圆柱磁体;强场中 keeper 沿外场磁化、球体同时转向对齐,零扭矩/不退磁不受影响。

双球实现(FIG. 7)。 两球 704/705 磁性相吸成单一稳定磁矩,其间置一枚 non-magnetic adapter 702(球窝面,Teflon 涂覆,或取 ball bearing / slide bearing)以 “reduce the punctual pressure”、降转动摩擦并 “reduces the reluctance between the magnets”。两球相吸力设计得远强于线圈磁场所生之力(“much stronger than the force”),故线圈电流不能翻转其取向,两球合起来仍像单枚圆柱磁体般只沿轴平动。反平行外场使两球整体翻转,等效于极性反转的单磁体——即”可调极性”(“adjustable polarity”)的来源。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 7 —(两球形磁体 704/705 经 non-magnetic adapter 702 相吸成单一磁矩,配 keeper 与两只反向绕制线圈 102/103 的主 stimulator embodiment 形态)

线圈配置。 抵消可用两只相同、反向绕制的线圈(FIG. 6/FIG. 7),或三线圈(FIG. 4):中间 coil 403 反向绕,其电感取 “substantially identical to the inductance of coil 403”(即令 102、103 之和与 403 匹配),使两支路感应电压互偿。线圈可置于 housing 内或外。也可简化为单线圈,但因驱动力 “proportional to the local gradient of the magnetic field”,单线圈效率较低。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 4 —(双圆柱磁体 405/406 反平行 + 三线圈,中间 coil 403 反向绕、其电感与外侧两线圈之和匹配以抵消 RF 感应电压)

振动耦合与驱动变体。 floating mass 结构中,磁体振动经 biasing member 106(silicone 或弹簧材料)传给 housing,该偏置件兼定谐振频率、减摩擦并阻止磁体直接触壁。rotating mass transducer(FIG. 13)则改用旋转振动:交流电流在 coil 1305 中对球 1303 施加扭矩,球因转动惯量来不及跟随转动(“cannot respond (i.e. rotate)”),反作用扭矩落到固定于 housing 的线圈上,驱动 housing 旋转振动;keeper 1306/1307 固定于 housing 内使球自对准。另有驱动轴/液压变体(FIG. 12):球+keeper 推动 shaft 1203,末端 piston 1208 分隔 fluid chamber 1209/1210(经 inlet 1206、outlet 1207),piston 作阀即成泵,反向由流体压力波动感应线圈电压而作 sensor。

开关功能(FIG. 14/15)。 利用垂直外场下两球相斥的状态:平行场或无场时 spring contact 1402 闭合,垂直强场下 “spring contacts 1402 are open”,构成随外场取向通断的开关。

外壳。 housing 101 取非铁磁、可气密封装、生物相容,材料含金属(“stainless steel, titanium, iron”)或 “nylon or a ceramic”。各换能器均可正反运行(actuator ↔ sensor)。

取舍

  • 反平行圆柱路线在极强场下失效:在很强的外场下,反平行于外场的那枚磁体 “may be diminished”(部分退磁),留下 “residual net magnetization” → 净磁矩非零 → 扭矩重现;球形自转路线因球体总是转到与场对齐、从不长时间反平行,规避此失效,是更稳健的通解。
  • 换向瞬间的摩擦扭矩:外场取向改变时 “A small torque may momentarily be exerted”,源自球间及球-壳摩擦;以 Teflon 涂层、润滑或 ball bearing 压低。
  • 线圈抵消依赖场均匀且仅”近似”为零:抵消前提是外 RF 场在换能器尺度上空间均匀,残余电压幅度专利未估;三线圈方案以电感匹配作抵消杠杆,而严格抵消要求各线圈磁链(匝数×面积)相等,电感(∝匝数²)匹配只在特定几何下与磁链匹配重合[推断]。
  • 与双侧 DBS 皮层导线的关联:本篇是含线圈的中耳/听觉换能器,RF 危害落在换能器自身线圈的电压感应,其抵消方案针对成对线圈;对细长植入导线的导体天线/传输线致热不适用——后者是 filtering 族(如库内自谐振带阻卡[2])处理的另一物理落点。故此 rotatable-magnet/反向线圈设计与双侧皮层 DBS 导线不直接对口[推断]。

效果与证据

全篇无温升、扭矩、退磁量或感应电压的任何实测,零扭矩与零感应电压均为设计断言。仅有的两张图为线圈激励场分布,与安全性能不可互比,单列如下。

1. 线圈磁场分布图(设计示意)

FIG. 5 给出 FIG. 4 器件中线圈电流所生磁场的轴向分量沿轴分布(三线圈与仅内线圈两种情形对比);FIG. 8 给出 FIG. 7 器件线圈的轴向磁场分布 801。二者刻画的是线圈作为 driver 时的激励场几何,非扭矩、退磁、RF 感应电压或温升的测量。

严谨性缺口

  • 无任何安全性验证:无扭矩、退磁量、RF 残余感应电压的实测,无 ΔT/SAR/phantom、无体内/动物/临床数据;“substantially free of torque”、“substantially zero” 均为设计层断言。
  • RF 危害止于电压/器件损坏,未闭合到组织致热:专利把第三危害表述为线圈 “induce voltages” 而致换能器损坏(“the transducer and/or may harm the patient”),未给热沉积路径与 ΔT;以 rf-heating 视角看,残余感应电流的 I²R 致热未被建模[推断]。
  • 抵消的均匀场前提未量化:MRI B1 的空间不均匀性会留残余电压,幅度未估;三线圈方案 “substantially identical” 的电感匹配容差未给,且以电感匹配代替磁链匹配的等价条件未论证[推断]。
  • 反平行圆柱路线的失效阈值未定:触发反平行磁体部分退磁的场强阈值无具体值(专利仅定性称更强的外场)。
  • 元件数值全空:磁体尺寸/磁矩、线圈匝数/电感、keeper 材料参数、floating mass 谐振频率均未给。
  • 危害标签宽于正文:专利明列三种效应(torque、demagnetization、RF 感应电压),未单独处理 B0 空间梯度平动力;原 frontmatter 的 b0-force 标签宽于专利所述范围,已于 07-29 去除。

关联

  1. winding-sense-magnetic-field——绕向决定磁场/感应 EMF 的符号,反向绕制线圈使均匀 RF 场感应的电压抵消(概念卡)。
  2. US9468750B2_Greatbatch——库内自谐振带阻深读卡,RF 致热落在植入导线导体的天线/传输线机理,与本篇换能器线圈电压感应属不同物理落点的对照。