EP2824943B1 System and method for reducing effect of magnetic fields on a magnetic transducer

摘要

• 问题:固定磁矩的植入电磁换能器在 MRI 外场中受 $\mathbf{\tau }=\mathbf{m}\times \mathbf{B}$ 扭转；反向场分量还可使磁体部分退磁，B1 脉冲可在换能线圈感生电压。
• 方案:让球形永磁体在壳体内转至磁矩与外场共线；keeper 在无外场时给出工作取向。双球、反平行圆柱磁体和差分线圈是分别处理力矩、磁矩抵消及 B1 感应的实现变体。
• 效果:说明书对球形方案作无扭矩、抗退磁与零净感应电压的设计声明；未给力矩、磁化、线圈电压、温升或 MRI 扫描实测。
• 形态:授权权利要求覆盖壳体内沿轴布置、可任意转动并沿轴移动的多个球形磁体；实施例可作听觉植入的平动/转动致动器或传感器。

原理与方案

标注:引号内英文 = 专利 raw 原文;[推导] = 由专利参数与物理模型推出的结论,非专利原文;[推断] = 按物理/工程常识的判断,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

固定在壳体内的磁体若磁矩 $\mathbf{m}$ 不与 MRI 静场 ${\mathbf{B}}_0$ 平行，受对齐力矩 $\mathbf{\tau }=\mathbf{m}\times {\mathbf{B}}_0$；[推导] 力矩经换能器固定结构传向植入位点。该偶极子模型的平行取向零力矩条件见 [1]。raw 将高于约 1 Tesla 的 MRI 风险列为扭转、部分退磁与 B1 在线圈中感生电压三项；[推断] 后者是线圈端电压风险，并非本篇给出的导线—组织 RF 致热证据。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 3 — 固定磁体的磁矩未与外部磁场平行时，换能器承受扭矩的示意。

两枚反平行圆柱磁体 405、406 的净磁矩可相消，故均匀外场中的总力矩可趋近零；但外场更强时，反向的一枚可能减弱，残余净磁化重新产生力矩。反向场使永磁体工作点向退磁方向移动、剩磁下降的边界见 [2]。本专利没有讨论空间梯度中的平动力，故 b0-force 仅保留为前端字段中的并列危害，不能由本篇的均匀场力矩论证替代。

可转磁矩的缓解机理

球形磁体 601 在壳体内可转向任意方向并沿对称轴 105 移动。强外场下，球的磁矩自行转至与外场平行，专利称该状态为 “free of torque”，并称其 “cannot be demagnetized”（FIG. 6）。[推导] 旋转消除了持续的对齐力矩；它不意味着球在转动过程中没有摩擦力矩。

keeper 603 是可沿轴移动的软磁件。无外场时，它受球磁极吸引，使球的两极沿轴 105 对齐，维持平动换能器可预测的运动方向；强外场下 keeper 也沿外场磁化，球随外场转向。该结构把正常工作时的定向稳定性与 MRI 中的转向自由度放在同一机械边界内。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 6 — 球形磁体 601、keeper 603、线圈 102/103 与轴 105 组成的平动换能器。

双球方案把 704、705 置于同一壳体内；无强外场时两球异极相吸，且该吸力设计得强于线圈磁场的作用，故工作电流通常不改变取向。反向轴向外场使两球翻转 180°（FIG. 10）；垂直外场下两球各自对齐外场并彼此排斥（FIG. 11）。后者可驱动触点 1402 打开，构成场向相关开关（FIG. 14–15）。[推断] 双球在垂直场的分离载荷须由 adapter、偏置件与壳体承受；原文未给间隙、接触力或行程。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 10 — 双球磁体 704、705 在反向轴向外场中翻转 180° 的状态。

工程实现与取舍

平动形态中，housing 101 可为非铁磁、密封且生物相容；biasing member 106 将磁体振动传给壳体并避免直接碰撞。FIG. 12 将 keeper 1202 经非磁 adapter 1201 与 shaft 1203 相连，线圈 102、103 的电流推拉该轴；FIG. 9 则把相同结构反向用作传感器。转动形态中，球 1303 由固定线圈 1305 的交变磁场施加转矩；球因转动惯量无法即时响应，反向转矩使 housing 1310 振动（FIG. 13）。

差分线圈是独立的 B1 路线。FIG. 4 的三线圈结构以中间线圈 403 的绕向反于外侧 102、103，并使 403 的匝数等于两外线圈之和；说明书据此使外部均匀 B1 所致总感应电压为零。两线圈实施例则使 102、103 同形反向绕制。该抵消依赖各线圈所见磁通及电感匹配；体内位置、壳体材料、线圈互感和非均匀 B1 对失配的影响均为 [待确认]。

旋转自由度也引入工作状态变化：强轴向反向场可把球的磁矩翻转，专利称可编程电流与磁体运动之间 0° 或 180° 的相位关系。[推断] 若系统未识别翻转后的极性，致动方向或传感相位可能改变。专利承认外场方向改变时，磁体与壳体或磁体之间的摩擦可瞬时产生小力矩；Teflon® 涂层、润滑剂、低摩擦 adapter 或球轴承是其缓解选择，未给摩擦系数、寿命或封装兼容性。

对双侧皮层 DBS 导线的直接迁移性有限：[待确认] 本篇对象是紧凑的听觉换能器磁体与线圈，不是长导线末端电极。其可迁移的机理是植入永磁体的 B0 对齐力矩及线圈 B1 感应抵消；它不提供 DBS 导线温升、远端组织电流或 MR-conditional 扫描条件。

效果与证据

• ① 机制与结构声明:FIG. 6、FIG. 7、FIG. 10–11 和 FIG. 13 描述球形磁体、keeper、双球和转动质量的状态变化；这类示意支持结构与预期运动，不是力学测量。
• ② 场分布图:raw 将 FIG. 5 和 FIG. 8 称为轴向磁场分量的 chart，分别对应 FIG. 4 的三线圈和 FIG. 7 的线圈结构；raw 文本未复述坐标、场强或曲线数值，不能据此比较线圈效率。
• ③ B1 抵消:两线圈或三线圈的零净感应电压为绕向、匝数/电感匹配条件下的说明书设计陈述；未给 B1 幅度、频率、姿态、线圈阻抗或端电压测量。
• ④ MRI 安全结果:扭矩趋零、抗退磁与开关状态均无力矩、磁化、位移、接触力或耐久数据；没有 phantom、温升、体内或临床测试。

严谨性缺口:

• 无定量力学/磁学验证:无 $\mathbf{m}$、$B_0$、扭矩、球体尺寸、keeper 吸力、摩擦或翻转阈值；不能评估对植入固定与组织载荷的余量。
• 退磁结论未闭合:没有磁滞回线、矫顽力、MRI 前后磁通或换能效率，球体转向能否在所有强场与循环暴露下避免退磁为 [待确认]。
• B1 路线无 RF 验证:无感应电压、共模/差模电流、SAR、温升或接收干扰测量；差分线圈的均匀场抵消不能外推为完整 AIMD RF 热安全证明。
• 模型边界未量化:说明书未给等效电路、有限元或动态模型；双球的吸引/排斥、keeper 的磁路与摩擦仅作定性描述。
• 验证层缺失:未给 ISO/TS 10974、ASTM、vendor MR-conditional 标签或扫描参数，不能据此判定临床 MRI 条件。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/EP2824943B1/en
• 危害:b0-torque · b0-force · rf-heating · b0-malfunction

1. magnetic-dipole-torque——磁偶极在均匀静场中的对齐力矩 $\mathbf{\tau }=\mathbf{m}\times {\mathbf{B}}_0$；概念卡占位。
2. magnet-demagnetization-reverse-field——反向强场造成部分退磁与剩磁下降的边界；概念卡占位。