US6348070B1 Magnetic-interference-free surgical prostheses

摘要

• 问题：MRI RF 场频率覆盖 0.05 T（2.2 MHz）至 2.0 T（82.2 MHz），与耳蜗植入经皮链路工作频段（2–50 MHz）完全重叠，在植入接收线圈感应过电压，可损毁电路或引发非预期神经过刺激；静磁场 $B_0$ 对植入磁铁施加扭矩，存在植入体移位、脑组织损伤及电极导线剪切断裂风险；植入磁铁还面临部分退磁。
• 方案：三类补偿机制并列：①双线圈反平行绕制，均匀 RF 场中感应电压抵消，非均匀场（外部发射线圈）中产生净电压维持正常能量与数据传输；②干簧管（激活阈值低至 15 Gauss）并联于接收器平面，可短路、失谐或断开接收回路；③双磁铁反平行磁矩（各 ±m/2）在均匀 $B_0$ 场中扭矩相消；或采用可旋转磁铁自动对齐外磁场。
• 效果：图 5 实测对比各线圈配置在 MR 等中心各距离处感应电压，全文正文未给出具体峰值数字（图形数值未转录），文字描述为感应电压接近消除；图 9 示，11 mm 间距双反平行磁铁配置（参考 CI 磁矩 0.11691 Nm/T）计算扭矩较常规磁铁降至可忽略量级，覆盖静磁场整个区域。
• 形态：5 项权利要求，核心为等电感双线圈反平行系统（含 2–50 MHz 频段覆盖）；线圈实施形态包括面积等分（图 1）、壳体外附等面积线圈（图 3）、前后双面布置（图 4）及屏蔽层（图 6）；干簧管与双磁铁方案在说明书中详述但未单独立项。

机理与方案

RF 感应过电压机理

耳蜗植入经皮链路工作频率受组织吸收与线圈尺寸约束在 2–50 MHz。MRI 设备 RF 发射频率恰好覆盖此区间（0.05 T 对应 2.2 MHz，2.0 T 对应 82.2 MHz），两者频段完全重叠。感应电压强度取决于三个因素：植入接收调谐电路与 MRI RF 的频率差；两者带宽；MRI RF 峰值功率（受场强、翻转角、脉冲时宽及包络决定）。数字多通道植入物的允许输入电压有上限，超限损毁电路；单通道模拟植入物则可能将感应信号直接送达刺激电极，引发过刺激或神经纤维破坏。

反平行线圈消除方案（图 1–4，图 2a/2b）

基本原理：设两个子线圈电感相等，绕向反平行串联。均匀 RF 场中两线圈感应 EMF 大小相等、符号相反，端口净电压：

$V_{\mathrm{net}}=V_1+V_2\approx 0$

其中 $V_1$、$V_2$ 分别为两子线圈感应电压。非均匀场（外部发射线圈）中两线圈所受磁通量不等，$V_{\mathrm{net}}\ne 0$，实现正常能量与数据传输。

三种结构实施方式：

• 图 1：将原线圈面积 $A$ 等分为两个子线圈（2 和 3，各 $A/2$），反向串接；耦合系数降低约一半，对侧向位移更敏感。
• 图 3：保留原接收线圈（10），在壳体外侧附加等面积绝缘线圈（11），可印刷于极薄膜上贴附；对侧向位移不敏感，耦合系数与原线圈相当。
• 图 4：壳体前面（13）与背面（14）各安装等面积线圈，适用于较厚植入体；净电压幅度取决于两线圈间距（15）。

电容耦合残余电压可通过屏蔽层（22，图 6）消除——屏蔽层阻断接收线圈与 MRI 头/体谐振腔之间的寄生电容路径。

干簧管过压保护（图 7）

干簧管激活阈值低至 15 Gauss，在 MRI 静磁场 $B_s$ 下可靠触发。将干簧管安装于接收器线圈平面内（并联于回路），当线圈平面平行于 RF 场 $B_r$ 时感应电压最大，此时 $B_s$ 激活干簧管，执行短路、失谐或断路保护。当线圈平面垂直于 $B_r$ 时感应电压本身为零，干簧管不动作亦无安全影响。MRI 磁体类型决定 $B_s$ 方向（X/Y/Z），据此可将干簧管数量减少至 2 个甚至 1 个。干簧管须选型和布置为不被植入内部磁铁或外部发射磁铁触发。

双反平行磁铁消扭矩方案（图 8–9）

外磁场 $B_0$ 对磁矩 $\vec{m}$ 施加扭矩 $\vec{\tau }=\vec{m}\times {\vec{B}}_0$。两块磁矩分别为 $+m/2$ 和 $-m/2$ 的磁铁，总扭矩：

${\tau }_{\mathrm{total}}=\frac{m}{2}{B}_0\sin \theta +\left(-\frac{m}{2}\right)B_0\sin \theta =0$

其中 $\theta$ 为磁矩与 $B_0$ 的夹角，$m$ 为单块磁铁等效磁矩绝对值。在非均匀场（外部发射磁铁）中，两磁铁净引力仍存在（图 8，基底 26 上固定的两块磁铁 25），维持外部线圈贴合定位功能。图 9 数据：常规 CI 磁铁磁矩 0.11691 Nm/T（实测曲线 28，计算曲线 29），11 mm 间距双反平行配置（曲线 30）计算扭矩降至可忽略值，且在 MRI 等中心至边缘场全区域均保持低扭矩。双磁铁方案还改善了磁铁尺寸比例，从而提高抗退磁能力。

可旋转磁铁替代方案

单磁铁设计为可自由旋转，能自动对齐 $B_0$，此时 $\theta \to 0$，扭矩趋零；磁矩方向与 $B_0$ 平行同时消除退磁应力。

效果与证据

图 5 提供实测感应电压随 MR 等中心距离变化的对比曲线（6 条曲线分别对应屏蔽/部分屏蔽/非屏蔽干扰自由线圈与参考线圈），使用高强度 RF 脉冲、最恶劣朝向，全文正文未在文字中给出具体峰值电压数值，仅以定性表述描述感应电压接近消除；图 9 提供常规 CI 磁铁实测扭矩（曲线 28）与双反平行配置（11 mm 间距）计算扭矩（曲线 30）对比，文中明确引用 CI 磁铁磁矩参考值 0.11691 Nm/T，计算结论为降至可忽略量级；干簧管激活阈值 15 Gauss 为设计规格，非实测数据。定量数据：有图形实测/计算曲线，正文中仅磁矩（0.11691 Nm/T）与间距（11 mm）两个定量参数可直接引用，无表格化数值。

对我方产品的意义

本专利反平行双线圈原理直接覆盖我方经皮 WPT 与数据链路面临的 RF 感应加热与过压挑战——该方案在均匀 MRI 场中抵消感应电压、在非均匀工作场中保留耦合，可作为我方接收线圈架构的参考基线；11 mm 间距双反平行磁铁将扭矩降至可忽略量级（参考磁矩 0.11691 Nm/T）的测量/计算数据，可直接作为我方磁铁布局尺寸约束与 b0 扭矩对标的量化依据。

关联

• 原文(Google Patents):https://patents.google.com/patent/US6348070B1/en
• 危害:Hazard-rf-heating
• 危害:Hazard-rf-malfunction
• 危害:Hazard-b0-torque