US9295425B2 Transducer for stapedius monitoring

摘要

• 问题:镫骨肌腱监测需反复拆装线圈组件,造成重复外科操作负担;植入电磁换能器在MRI环境下面临三类危害:静磁场对磁矩施加扭矩(T = m × B)可造成装置移位或机械固定破坏、强外场致磁铁部分退磁降低效率、RF脉冲在线圈中感应电压可损坏换能器或伤及患者。
• 方案:①两段可拆卸结构——仅含磁铁的第一组件通过扎带长期固定于镫骨肌腱,线圈组件经公-母壳体接口可反复插拔;②球形磁铁配合软磁保持器,使磁铁在任意外场方向下自由转动对齐,消除扭矩且防退磁;③反并联双圆柱磁铁使任意方向合扭矩近零(强场下存在残余退磁致扭矩风险);④差分反向绕组线圈使RF感应净电压近零。
• 效果:定量数据:无。全文仅以「substantially zero」描述扭矩与感应净电压消除效果,无实测值、无场强边界数值。
• 形态:8项均为方法权利要求(「测量耳部相关结构振动的方法」);优先权日2010年4月;主要变型:球形单/双磁铁+软磁保持器、反并联圆柱/环形磁铁组合、三线圈/双线圈差分方案、弹簧阻尼保持、旋转质量换能器。

机理与方案

失效机理

植入永磁体在MRI静磁场 B₀ 中受力矩:

$\mathbf{T}=\mathbf{m}\times {\mathbf{B}}_0$

其中 m 为磁矩矢量、B₀ 为外场矢量。夹角 θ 时 |T| = |m||B₀|sinθ,θ = 90° 时最大。固定取向圆柱磁铁无法自发消除此扭矩,可致装置移位或患者损伤(图3,现有技术)。反向强外场还可使磁铁沿轴向部分退磁。RF激励脉冲产生时变场 B₁,在线圈中感应电压:

$V_{\text{ind}}=-NA\cos \varphi \cdot \frac{d{B}_1}{dt}$

其中 N 为匝数、A 为截面积、φ 为线圈轴与 B₁ 的夹角。电压未受抑制时可损毁线圈电路或向组织传递能量。

方案 A——反并联圆柱磁铁(图4)

两枚磁铁 405、406 背靠背安装,磁矩方向相反且幅度相等:m₁ = −m₂。合扭矩:

${\mathbf{T}}_{\text{total}}=({\mathbf{m}}_1+{\mathbf{m}}_2)\times {\mathbf{B}}_0=0$

对任意 B₀ 方向均成立。局限性:外场足够强时,反向于 B₀ 的磁铁可部分退磁,破坏 m₁ = m₂ 的前提,产生残余净磁矩并重新出现扭矩。专利明确指出此风险但未给出临界场强数值。图17(b)中第一组件 1701 采用两枚圆柱磁铁 1705 与四枚环形磁铁 1703 的反并联组合,为该方案在镫骨传感器中的实例。

方案 B——球形磁铁+软磁保持器(图6A、6B、7)

球形磁铁(图7中 704、705)可绕任意轴自由转动,平移受限于装置轴 105。软磁保持器 603(铁磁软材料,可为合金、铁氧体或磁流体)在正常工作时沿轴 105 磁化,与球形磁铁的磁极相吸,将球的磁矩轴维持在轴 105 方向,使其等效于标准圆柱磁铁。强外场存在时,保持器沿外场重新磁化,球形磁铁自由旋转使 m 趋于与 B₀ 平行,此时 T = 0。由于球在对齐过程中不抵抗外场,理论上不发生退磁。

图10示出 B₀ 反平行于初始磁矩时两球各自翻转180°;图11示出 B₀ 垂直于轴 105 时两球相互排斥但合扭矩仍为零。两球之间置非磁性 Teflon® 适配器 702,减小接触压力与转动摩擦。双保持器配置(图6B)在球两侧各置软磁保持器 620 及弹簧夹具 615,提高轴向对齐能力并赋予轴向对称性,使双向振动响应一致、谐波失真降低。

差分线圈消除RF感应电压(图4、图6A、图7)

图4三线圈方案:外侧线圈 102、103 绕向相同,中间线圈 403 绕向相反;设计使外侧两线圈合电感等于中间线圈电感,两组感应电压相消:

$V_{102+103}+V_{403}=0\Rightarrow V_{\text{net}}=0$

图6A及图7双线圈方案:线圈 102 与 103 尺寸相同但绕向相反,在均匀RF场中感应电压幅度相等、方向相反,净电压为零。专利未给出两线圈电感容差要求。

MRI触发开关(图14、15)

垂直外场使双球相互排斥时,弹簧触点 1402 断开(图15);无外场或平行外场时触点闭合(图14)。该功能可作为MRI环境的无源检测开关,专利仅给出原理性描述。

可拆卸线圈组件(图16–22)

第一组件 1615(含磁铁 1604)通过扎带/钢丝固定机构 1603 长期留置于镫骨肌腱。线圈组件 1613 经公形壳体插入母形接口,由弹簧保持机构 1803 夹持定位;测量结束后取出线圈组件,第一组件不动。弹簧刚度设计使整体谐振低于100 Hz以捕捉镫骨反射频段,100 Hz为设计目标值而非实测值。

效果与证据

定量数据:无。图5与图8提供轴向磁场分布曲线图,属定性对比;全文以「substantially zero」描述扭矩与RF感应净电压的消除效果,未提供任何实测扭矩值、退磁临界场强、感应电压数值或体内/体外测试数据;弹簧谐振目标100 Hz为设计规格陈述而非测量结果。本专利属概念/分析性公开。

对我方产品的意义

本专利是 rotatable-magnet 族的核心参照文献,球形磁铁自由转动+软磁保持器对齐的力学模型直接覆盖我方CI产品的磁铁扭矩挑战——其核心思路(磁铁主动对齐外场而非抵抗,从根本上规避退磁)是我方磁铁设计的方法参照基线;差分反向绕组消除RF感应净电压的方案,可作为我方内线圈或电极引线RF抑制设计的无源对标——尤其在长导线RF致热与线圈感应危害的分析中,差分拓扑提供了一条不依赖主动电路的被动抑制路径。

关联

• 原文(Google Patents):https://patents.google.com/patent/US9295425B2/en
• 危害:Hazard-b0-torque
• 危害:Hazard-rf-malfunction
• 危害:Hazard-image-artifact