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US20170333713A1 Inductive Signal and Energy Transfer through the External Auditory Canal

US20170333713A1 Inductive Signal and Energy Transfer through the External Auditory Canal

摘要

  • 问题:传统耳后经皮感应链路用保持磁铁把外部发射线圈固定在植入接收刺激器上;磁铁在 MRI 中致问题、吸收通信信号能量,大直径线圈在 MRI 交变 RF 场中感生较高电压,且头侧位置易受撞击或被蹭掉。
  • 方案:发射线圈移入耳道、接收线圈植入耳道外壁皮下(或耳廓软骨背侧),两者为无磁芯 air coil、贴外壁曲面共面绕制、间距缩至耳道皮肤厚度,并取消保持磁铁;以小线圈面积、轴/冠状面取向、绕耳道过半周的曲面几何降低对 MRI 均匀 RF 场的耦合。
  • 效果:仅给几何/尺寸设计值(线圈直径 10–15 mm 对常规 25–30 mm、耳道皮肤 1–2 mm 对乳突区 4–7 mm);感生电压降低与功率传输系数升高均为定性比较,无实测或仿真。
  • 形态:8 项权利要求;可调维度含 C 形/全环、通风孔尺寸、抑蜡封装层、备用 BTE 二次线圈、耳道 microphone。

原理与方案

标注:引号内英文 = 专利 raw 原文;[推导] = 由专利参数与电磁模型推出的结论,非专利原文;[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

植入的接收线圈在 MRI 中是一个非预期拾取回路。扫描仪的 RF 发射场(B1;水平孔径系统中位于 axial 平面、与 B0 正交)是交变磁场,变化的磁通穿过回路即在回路两端感生 EMF[1],经 receiver lead 204 送入植入 receiver stimulator 202 的输入电路;感生量由回路面积、回路法向与 B1 的夹角、以及 dB1/dt(∝ 频率)共同决定。这条路径与器件正常工作用的经皮感应耦合同源——收发线圈靠近场磁耦合传送能量与数据,凡能把外部交变场耦进接收线圈者,也就把 MRI RF 耦进植入电子学。

传统耳后布置在此路径上有两处不利:线圈直径大(见「效果与证据」),回路面积随直径平方放大感生量;保持磁铁既 “These magnets create problems with magnetic resonance”(MRI 中的力/力矩与伪影),又吸收通信信号能量。头侧位置另使外部线圈 “exposed to impact (e.g., during sports)“。

缓解机理

降低感生电压的三条杠杆都作用在 Faraday 感应量 Φ = B·A·cosθ 上,分属面积、取向与几何:

  • 面积:耳道链路线圈直径由 “diameter of about 25 to 30 mm” 降到 “e.g., 10 to 15 mm”,回路面积随直径平方下降约 4–9×[推导]。
  • 取向:水平孔径 MRI 的 RF 场 “present in x-and y-direction”、即 “within an axial plane”;常规 BTE 线圈 “oriented about a generally sagittal plane”,其回路法向落在 axial 平面内、与 B1 强耦合;耳道线圈 “oriented in a mainly axial” “or coronal plane”,法向偏离 axial 平面使 cosθ 减小[推导],故 “induce lower voltages in the secondary receiver coil”。
  • 几何相消:接收线圈 206 “bends around” “more than about half of the circumference” 时,回路相对两侧的法向近似反向,对均匀远场的磁通贡献相互抵消,对 “homogeneous alternating magnetic fields coming” “from more distant coils such as MRI scanners” 较不敏感;而对近旁发射线圈的非均匀场 “very sensitive to the non-homogeneous” “magnetic field from the transmitter coil 205”——同一几何既加强预期链路又抑制 MRI 场[2]。

取消保持磁铁解决的是另一件事:“no attachment magnet that absorbs energy”,即去掉磁铁在 MRI 中的力/伪影及其对通信信号能量的吸收,不属上面三条降感生电压的杠杆。无磁铁得以成立,靠的是间距缩短抬高 “power transfer coefficient”(耳道皮肤厚度远小于乳突区)——链路余量足够,不再需要磁力贴合。专利并称线圈更小时 “(as during MRI) generally are also reduced”,与面积杠杆同向。

工程实现

发射线圈 205 插入 ear canal 207,由 coupling lead 203 从外部处理器 201(BTE)馈电;接收线圈 206 植入耳道外壁皮下,经 receiver lead 204(“around 30 mm”)把收到的信号耦合到植入 receiver stimulator 202,后者提取功率与数据、经 electrode wires 109 驱动 implant electrode 110。收发线圈均为 “air coils without magnetic cores”(claim 2),wire loops 共面、绕耳道中轴曲面 conformal 于外壁,可作 C 形(部分周)或全环。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 2 —(发射线圈 205 在耳道内、接收线圈 206 在外壁皮下,201/202/203/204 的收发链路布置)

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 3 —(收发线圈沿耳道圆周作 C 形曲面贴合的植入取向示意)

FIG. 5 变体把接收线圈 501(“diameter of ~ 10 mm”)植于耳廓软骨背侧、骨与 pinna 之间,以 connecting lead 502(高柔性,“stranded gold wires” 掺 carbon filaments)接 stimulator 503,留耳道通畅、便于 EAS。封装层 encapsulation layer 404 为软生物相容材料,含抑制 cerumen(耳蜡)生成的物质,并开 ventilation openings 403 通风皮下(FIG. 4A 等尺寸、FIG. 4B 不同尺寸);wire loops 402 可集中在 one or more radii 405(claim 7)。插入端做 “sealing edge that folds back”,可选 “helical ridge for promoting a screwing insertion”,发射线圈夜间可取出。另可选二次 BTE 备用线圈作 insurance channel、及耳道 microphone。

取舍

  • 曲面过半周几何利于 MRI 抑制与近场耦合,但接收线圈须 “relatively thin”(laminate)又 “relatively stiff such that it can easily fit” 于皮肤与骨之间,同时耳道柔性要求它 “mechanically robust against small movements”;薄、刚、韧三者的张力专利未量化。
  • 无磁铁即无自定位,发射线圈位置改由 coupling lead 203 的刚度维持;专利只要求系统 “tolerant with regard to the relative position”,又称收发对位仍受益于 “a stable position”——对位稳定性由机械而非磁力保证。
  • 接收线圈单尺寸可覆盖幼儿到成人,发射线圈需多尺寸;anterior 壁因不够 convex 且有血管/神经带须避开,置 posterior/superior/inferior。

效果与证据

本篇无任何 RF/热/EMC 实测或仿真;与 rf-malfunction 相关的收益(感生电压降低)全为定性断言(“generally are also reduced”、“induce lower voltages”),无电压值、无场强、无衰减比、无频率关系。可比的定量只有几何/尺寸设计值,量纲不同、不可互比,分列如下:

  • 间距代理(皮肤厚度):乳突区 “typically 4 to 7 mm”(极端 1 mm 幼儿、>8–10 mm 成人),耳道 “relatively small”(1–2 mm)。据此专利称 “power transfer coefficient” 更高——为几何推断,无传输效率实测。
  • 线圈直径:常规 “diameter of about 25 to 30 mm”,耳道链路 “e.g., 10 to 15 mm”;FIG. 5 接收线圈 “diameter of ~ 10 mm”。

严谨性缺口:

  • 无 RF/malfunction 验证:全篇无感生电压、无 phantom/体模、无仿真、无温升;从 “induce lower voltages” 到「器件不 malfunction」是必要非充分,且缺关键一环——WPT 链路载波频率与 MRI RF(64/128 MHz)的关系、以及感生 RF 如何经 receiver stimulator 前端整流/解调进入基带,专利均未建模;“lower voltages” 的比较基准(对哪种常规链路、是否同一场强)亦未给。
  • 三条降耦杠杆均只有定性方向、无一有数值:面积平方律未折算、取向的 cosθ 未量化、“more than about half of the circumference” 的相消比未给。
  • 主 hazard 归属为综述框架而非专利主张:本篇公开重心是 WPT 链路的美观、无磁铁、耦合效率、机械稳健与手术简化,MRI/RF 相关表述散见于背景与末段且均为附带优点,未进入任何权利要求(claim 1–8 只界定线圈几何与封装,无 MRI/RF 限定)。

关联

  1. faradays-law-of-induction——磁通变化在回路感生 EMF,幅度由回路面积、取向与 dB/dt 决定(概念卡)。
  2. antiparallel-pair-uniform-field-cancellation——等值反向的拾取几何对均匀场响应相消、对非均匀近场不相消(概念卡)。