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WO2026047489A1 New magnet arrangement with different portions

WO2026047489A1 New magnet arrangement with different portions

摘要

  • 问题:耳蜗等植入体内可旋转四极盘形磁铁(700)由两个磁化方向互为镜像斜角的半月形元件(710、720)对合而成,仅靠元件间磁吸力维持接触,置于气密磁铁盒(1110)内绕纵轴自由旋转以在MRI B0场下自对准。MRI场使两元件各自受力矩、分别朝相反方向偏转(蝶形/butterfly),外缘压迫盒体上下壁产生摩擦与残余扭矩,可致组织疼痛与皮肤撕脱;制造公差令两元件贴合角度不能严格互为镜像,常态下也会多占腔体间隙、加剧长期磨损。
  • 方案:在充磁之前用烧结、钎焊或激光焊接等高热工艺,把已定粒子方向的磁化前驱体元件永久连接成一体或准一体排列,连接完成后再整体充磁,使各部分磁化方向获得预设的非零夹角(斜角或正交);辅以顶/底面高刚度金属垫片把界面载荷由剥离应力转为搭接剪切应力。另给出免连接的单体曲线磁轴磁铁与多矫顽力材料顺序充磁两条替代/补充路线。
  • 效果:全篇均为权利要求层面的构型规格,不含实测或仿真数据。3 T任意入射角下两部分维持对准(权21/25);4 T下以一部分固定为参照,另一部分自由端最大位移≤0.0125 mm(权27,较宽松指标为≤0.025 mm,权26)、不发生蝶形/倾转(权28);垫片方案下剪切应力占比≥65%(§0161)。
  • 形态:PCT/IB2025/058454,55项权利要求;权55因同时涵盖装置、方法、系统三类主题,被国际检索单位判定无法进行有效检索。磁铁整体规格上限为最大直径小于40 mm、体积小于2500 mm³(权16)。

原理与方案

标注:引号内英文 = 专利 raw 原文;[推导] = 由专利表述结合物理关系推出的结论,非专利原文;[推断] = 按工程/材料常识的判断,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

现有磁铁排列700为四极盘形磁铁,由两个半月形元件对合而成。FIG. 6为对照的直排四极磁体:元件610、620的理论极边界线650与纵轴699的法平面707平行。FIG. 7为本篇讨论的斜排四极磁体:元件710、720的理论极边界线750相对该法平面呈斜角,对应磁化轴的倾角A1、A3可达1–89°(FIG. 8为该排列的俯视图)。两元件仅靠彼此磁吸力保持贴合,无结构性连接。装置的MRI兼容策略是让整套磁铁在气密盒体1110内绕纵轴799自由旋转最多360°,使其净磁矩追随B0方向,而非靠固定磁矩或抵消磁矩来消除扭矩。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 7 ——四极盘形磁铁的两个半月形元件710、720及其磁化轴相对轴向法平面的倾角A1、A3。

专利指出,A1、A3足够大时,710与720沿贴合面707方向的磁吸力可能不足以克服该面上下的磁排斥,由此在两元件间产生一对方向相反的力矩(§0087;专利原文称此取决于”the physics”,未给定量判据)。外加MRI场后,场对每个部分的磁矩施加对齐力矩[1];因两元件磁化轴呈镜像斜角而非共线,该对齐力矩在两者身上方向相反——710顺时针、720逆时针,使两元件各自偏转而非随整体刚性转动[推导],即butterfly现象(§0088–0089)。偏转后两元件外缘分别顶住盒体顶、底内壁,摩擦阻碍旋转对准,残余扭矩经盒体传至组织,专利称此”creating additional risk of skin avulsion and/or pain”(§0089)。若MRI场足够强且盒体壁较薄,偏转还可使盒体表面塑性变形,令磁铁排列卡滞、实际旋转量小于设计值(§0089)。B0横向分量还可驱动两元件沿贴合面相对滑移(§0092)。

即使全无MRI场,制造公差也令两元件的角度无法严格互为镜像(“one may be at 29 degrees, and the other at 30 degrees”,§0092),两半贴合面不平整,多占腔体间隙,导致整机需做得更大,或长期磨损与卡滞风险上升。

解决机理:连接置于磁化之前

解决手段是把连接动作安排在整体充磁之前完成:方法1200、1201与1800(分别对应FIG. 12、FIG. 12A、FIG. 18)各自获取已定粒子方向的磁化前驱体元件,用烧结、钎焊或焊接连接,连接完成后再对整体施加强磁化场完成充磁。这一顺序安排的直接理由是规避高热连接对已磁化磁铁的破坏:若连接发生在磁化之后,同等热量足以使磁化方向偏转5–70度(§0150),或使磁化强度相对连接前削弱15–90%不等(§0148),即专利所称连接前置”circumvents the typical issue of demagnetization”。

连接后的两部分不再是纯磁吸接触,而是通过”metal molecule interaction”结构性结合(§0174;权利要求33、54均以此为独立装置特征,不限定具体连接工艺措辞,粘接等聚合物界面被明确排除在外)。界面处存在一个粒子方向受热扰动的过渡区(zone 2020,FIG. 20),宽度D2075为外径D1909的0.03–10%(§0178);两侧主体部分的粒子方向基本保持连接前的设定值。该过渡区不要求连续覆盖整个贴合面——FIG. 21示出顶、底各一个粘接区(2130、2140)、中间留一段未结合区,说明结合面可以不连续。因两部分磁化方向不共线,单场磁化所需功率高于同向对齐基准30–200%,磁化场强度量级为8–20 T(均见§0135)。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 20 ——两部分之间的金属分子互渗过渡区(zone 2020)及其宽度D2075相对外径D1909的定义。

工程实现

连接工艺包括烧结(可使两元件的边界完全消失、成为不可辨的整体)、钎焊、激光焊接、粘接,或销钉过盈配合(§0114:孔可钻在贴合面上,销钉本身也可为磁性材料并参与最终磁化,多销钉可防止相对转动)。半月形元件的来源有两条路线:直接采购或加工已定粒子方向的半月形坯件(FIG. 13的元件1390);或先在方坯上定粒子方向、旋转坯料后加工出半月形(FIG. 14中粒子方向线为1410、角度为A5;FIG. 15中同一方坯切两个半月形,一半绕两条正交轴各转180度后对合,得到互为镜像的磁化轴)。也可反过来——先连接两块大坯料,再从连接体上统一切出多个成品磁铁排列(§0131;权利要求19、20对应从同一连接体加工出第二、第三磁体的方法),批产时只需做一次连接动作。

垫片补强(shim 1910,FIG. 19):焊接或粘接于磁铁排列顶面和/或底面,材质可为钛合金、不锈钢或高强度钢,厚度上限量级约30 μm(§0096);最大直径为整体直径的10–100%(D1995相对D1909,§0157)。作用是把原本集中于贴合面边缘的剥离应力转移为大面积搭接的剪切应力,剪切应力占比≥65%可至100%(§0161);张力与压缩的分界线(FIG. 19中的线1991)因此从贴合面本身移到垫片以外。可依据预期扭矩的方向数选单面或双面贴片;固定垫片也可用销钉代替铆钉,销钉可与垫片下表面齐平、不增加整体高度。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 19 ——顶/底面垫片1910的位置及张力—压缩分界线1991,示意剥离应力转为搭接剪切应力的路径。

免连接的曲线磁轴单体方案(FIG. 29–32):压粉阶段施加弯曲或复合方向的定向磁场锁定粒子取向,随后整体烧结、饱和磁化(§0206),磁轴可为圆弧、抛物线或折线组合(FIG. 29中portions 2910、2920对应轴2912、2922;FIG. 31的复合轴3112含曲线段3114与折线段3116、3118;FIG. 30为单一元件、整轴均为曲线3050)。此路线不存在贴合界面,§0203称同体积、同材料、同饱和磁化条件下磁场强度可达两件式基准(FIG. 22)的85–100%[待确认:比较条件为专利自定,未见独立测试]。

多矫顽力材料顺序充磁(FIG. 33–35):三部分排列3300由不同矫顽力材料构成——高矫顽力材料(示例N28EHS,对应部分3310、3330,磁化方向3312、3332互为反向)先以较高强度的场磁化(loop场3401),低矫顽力材料(示例N55,对应部分3320,沿水平方向磁化)后以弱场(3402)磁化,弱场强度不足以使已定型的高矫顽力部分退磁[2]。FIG. 35进一步分三次施加强度递减的场(3501、3402、3503)磁化矫顽力递减的三个部分。第二种材料所需磁化场强度须比第一种高出至少5–400%,退磁场阈值须高出至少5–900%(§0227–0228),施加顺序与场强余量由此成为工艺设计变量。

取舍

  • 连接前置于磁化避免了高热对成品磁铁的退磁风险,专利称此举还可省去粘接路线所需的高公差装配夹具;代价是磁化步骤必须在最终装配几何确定后才执行,不能直接采购预磁化的标准件[推断]。
  • 过渡区(zone 2020)越窄,受热扰动的粒子体积越小[推导],但结合强度与过渡区宽度的关系专利未给数据,窄过渡区是否影响结合可靠性无法判断。
  • 垫片方案把应力从剥离转为剪切、降低边缘应力集中,但增加一道金属—磁体粘接或焊接工序;专利称高度增量可控,未给绝对数值之外的实测支持。
  • 单体曲线磁轴省去贴合界面,但磁场强度自称仅达两件式基准的85–100%,上限情形下即可能损失15%磁强度,且需要专门的弯曲定向压粉工艺。
  • 多矫顽力顺序充磁免除单场磁化多方向部件时的功率妥协,但要求材料分级、场强施加顺序与安全余量精确控制;施加顺序出错或余量不足时的退磁后果专利未给数据。

效果与证据

全篇均为权利要求层面的构型规格或方法步骤描述,不含扭矩降低幅度、温升、有限元或台架实测数据。按条件分列:

  • 3 T任意入射角(权21、25):权21要求装置被连接或”maintains an alignment”二者择一即可,权25明确要求维持对准;二者均为权利要求语言,未见对应验证方法。
  • 4 T场自由端位移(权26、27):以一部分完全固定为参照,另一部分自由表面最大位移分别不超过0.025 mm(权26)、0.0125 mm(权27,更严格);§0170另给相对转角参数范围,下限至0.001度。
  • 4 T场整体行为(权28):要求两部分”do not butterfly and do not pivot”,沿用失效机理段的现象命名作为规避目标。
  • 垫片剪切占比(§0161):不低于65%,可至100%,为专利自述的应力分布设计目标区间。
  • 曲线单体磁轴强度(§0203):称达两件式基准85–100%,比较条件(同体积、材料、饱和磁化)由专利自定。

严谨性缺口:

  • 全篇不含任何扭矩降低幅度、温升或位移的仿真、台架、动物或临床实测数据;3 T/4 T相关数字均以权利要求”the device is configured so that”式的规格上限表述,不是测量报告。
  • 垫片厚度在说明书正文(§0096:量级约2–30 μm)与权利要求之间不一致:权29给出小于0.5 μm,权55的一处可选变体给出小于0.2 μm,均比说明书正文下限还薄一个数量级以上,专利未作解释[推断:或与穷举数值列表式撰写方式有关]。
  • 曲线磁轴单体方案85–100%的强度比较(§0203)未见独立验证方法或第三方测试。
  • 多矫顽力顺序充磁对施加顺序或场强余量不足时的退磁后果(退磁比例、失效模式)未给数据,仅给出后续场强须比前序至少高出若干百分比的设计余量下限。
  • 未提供连接界面(烧结、钎焊、焊接)在体液环境、长期疲劳或反复MRI暴露下的退化数据。

关联

  1. magnetic-dipole-torque——磁偶极矩在外磁场中受力矩τ=m×B,m∥B时力矩为零;本卡据此说明磁化方向不共线的两部分为何在B0场中沿相反方向偏转。
  2. magnet-demagnetization-reverse-field——外加强场对已磁化材料的偏轴作用可造成部分退磁;本卡据此说明多矫顽力顺序充磁为何要求后续场强低于前序部分的退磁阈值。