对位磁铁的 MR 兼容设计与实验平台:研究计划

含无线充电功能的植入式器械 · 3 T · 计划期 11-2026 至 12-2027 · v2(10-20-2026)

汇报演示稿:research-plan-slides.htm(18 页,单文件,双击即可放映;← → 翻页,N 显示讲稿)。演示稿是本文的有选择呈现:使用条件与结果量清单、材料对比、联系结构、全部十组冲突、行业外方法、公开证据的空白、各实验的细节、三期成果明细等只在本文展开。

本文取代 10-15-2026 的讨论稿 v1 与 10-19-2026 的 v1.1,叙事按 10-20-2026 定稿的演示稿重排。

摘要本计划是 06–09 月阶段汇报中”收缩为一条主线、沿对位磁铁深挖”这一结论的展开,范围与 09-03-2026 提交的博士后基金申请书 [7] 一致。问题的原点是充电:经皮无线充电要求体外发射线圈与植入接收线圈在充电全程对准,主流做法是让体内外一对磁铁隔着皮瓣相吸(磁吸充电)。磁铁因此受三个约束:保持力达标,完成对准;不干扰无线充电;MR 兼容。其中 MR 兼容最严苛:外部电磁场最复杂、强度最大,要求磁铁在力学、热学、磁学与成像四方面同时达标。三方面约束作用于同一组结构参数而趋势相反,磁铁必须设计,不能选型。本文先给出磁铁的 23 个可调参量与参量间的相互约束;再梳理已有专利路线及其对应的参量组,以及 ISO/TS 10974 与 ASTM 规定的实验、须自行设计的实验与器材;最后给出本计划的做法:第一阶段设计 A 本体几何与材料,第二阶段设计 B 磁化空间分布与 C 分割与导电层,D 封装与装配、E 安装位置不做;无线充电只在候选构型定稿时核对一次。研究按仿真设计线与实验验证线并行,以场为主轴逐级增加复杂度(静磁 → 射频 → 梯度 → 联合场)。预期成果分三期:短期(01-2027)为磁铁相关物理原理学习与已有方案的仿真复现;中期(04-2027)为基础 MR 实验平台与候选磁铁构型;长期(12-2027)为磁铁 MR 测试规程与实验平台、磁铁设计规范与样品。

1. 引言

1.1 问题的原点

充电的前提:发射线圈与接收线圈对准。 本单位在研产品为含经皮无线充电(wireless power transfer, WPT)子系统的植入式脑脊接口系统:植入主体位于后颅皮下,接收线圈直径约 30 mm、匝数不超过 5 匝,配不可移除的对位磁铁;目标场强 3 T [内部资料:产品画像 v1.2,参数待产品部门确认]。充电时体外发射线圈须与植入接收线圈保持同轴,间距与倾角受控,偏离后耦合与效率随之下降。

维持对准的主流做法是磁吸:体内外各一块磁铁隔着皮瓣相吸,把两只线圈拉到对准位置 [1]。此类患者有 MR 随访需求,其他影像模态不能替代 [2]。磁铁一旦植入,就必须同时满足对准、充电与 MR 三方面的要求(§2.1)。

1.2 两个问题

设计:如何设计对位磁铁,使其同时满足保持力达标(完成对准)、不干扰无线充电、MR 兼容;
验证:如何在实验平台中验证这一磁铁通过了 MR 兼容,包括 ISO/TS 10974 规定的实验与标准未规定、须自行设计的实验。

1.3 与前期工作的关系

06–09 月的工作铺开了知识库(304 篇专利、标准与专著)、专利机理层分析、ISO/TS 10974 拆解(ISO_TS_10974_2018_overview)、全景综述与仿真流程建设,各项有进展但不深。阶段汇报的结论是收缩为一条主线。09-03 提交的博士后基金申请书 [7] 已把课题定为”植入磁体在磁共振作用下的物理建模研究”:以不超过 6 个物理参数为输入,输出四类安全响应与保持力。本计划是该申请书在本单位产品背景下的执行计划,范围与之一致,时间按一年零两个月排布。

1.4 研究方法的总体取向

参照汽车行业的研发流程:先以仿真验证底层设计,再进入实验验证。两类实验的时点不同:标准实验的流程试跑可以在读懂标准后用市售磁铁进行;对设计方案的验证实验则要等仿真给出可证伪的预测值。本计划把二者分开安排(§4.5)。

2. 磁吸充电方案与磁铁的设计变量

2.1 磁铁的三个约束

演示稿第 4 页的头部剖面示意:体外头件与植入体内各有一只线圈和一块圆盘磁铁,中间隔着 3–8 mm 皮瓣;两块磁铁相吸维持对准(①),充电线圈的磁力线在磁铁附近被排开(②),植入磁铁处在 MR 的三种场中(③)。

约束	对磁铁的要求	依据与数据
① 对准 · 保持力达标	在规定的皮瓣厚度与横向偏移内,保持力介于上下限之间:最厚皮瓣下仍吸得住(下限),最薄皮瓣下不致压强过大引起皮肤坏死(上限);横向偏移时横向刚度(横向偏移每毫米对应的回复力)足以把头件拉回中心	皮瓣厚度为患者变异:成人头皮随年龄由约 8 mm 降至约 5 mm [8],儿童多在 3–4 mm [9],厂商多要求 ≤7 mm [10];人工耳蜗在位保持力参考区间 0.23–0.4 N [11]。本产品的数值待产品部门给出(§4.7)
② 不干扰无线充电	磁铁是导体,把线圈的磁通排开,自感与品质因数 $Q$ 下降;本计划只要求它不比现有磁铁更差,不把充电性能作为设计目标	产品充电频率 6.78 MHz 及以上;做法见 §4.2
③ MR 兼容 · 最严苛	力学、热学、磁学、成像都要达标:3 T 下不被拉动或扭转到伤人、温升不超过 2 °C、不失磁、伪影可接受	ISO/TS 10974 §8–§12、§14,ASTM F2052 / F2213 / F2182 [3–6];判据外置于标准,须自建

磁铁对充电线圈的作用(②)。 钕铁硼的回复磁导率约 1.05,磁化已被锁定,对充电的交变场几乎不导磁;它是导体,表面感应的涡流把磁通排开,相当于一个有电阻、有电感、没有电容的短路匝,不谐振。它自己的恒定场不产生感应电压,不参与传能。两只线圈内都有磁铁时,两侧自感都下降;互感降幅较小,因为排开的磁通大部分仍在线圈回路内;耦合系数 $k$ 的方向手算不出(互感与自感都降)[待仿真];涡流使 $Q$ 下降。趋肤深度远小于盘厚时(6.78 MHz 约 0.23 mm),对电感的影响不再随频率变化,而单位场强的损耗随 $f$ 上升,所以不能说”频率越高影响越小”。早先”磁铁使耦合系数增大、频率劈裂”的说法不成立。

磁铁与线圈的相对布置可以减轻这一影响,例如磁铁放在线圈磁通最弱处或线圈边界外(US10674287B2_Cochlear 把磁铁位于线圈边界内与较低的 $Q$ 、耦合系数和较大的涡流并列);这属于 E 组安装位置,本计划不研究,作为设计思路记录。

2 °C 的出处。 ISO 14708-1 要求植入体外表面不高于体温 2 °C,只核实到二手引述,条款号 [待确认];FDA 的 MR 标签指南把 2 °C 作为免论证门槛。若需写充电侧的 SAR 限值,ICNIRP 2020 头部 10 g 平均 2 W/kg [待确认]。

2.2 MR 兼容为什么最严苛

MR 环境同时有三种场(演示稿第 4 页左下图):静磁场 $B_{0}$ 为 3 T 恒定;梯度场约 10 mT、kHz 切换;射频场 $B_{1}$ 为 μT 级、128 MHz。三者相差约六个数量级。对准只要求保持力一项达标;MR 兼容则要求四方面同时达标:

方面	响应	场
力学	位移力(孔口空间梯度处)、扭矩(均匀场中)、梯度致振动	静磁;振动为梯度 × 静磁
热学	梯度涡流致热(电阻限区)、射频表层致热(表面阻抗区)	梯度、射频
磁学	不可逆退磁(反向分量越过退磁曲线拐点)	静磁
成像	伪影(磁铁附近的 $Δ B_{0}$ )	静磁

外部电磁场最复杂、强度最大,对磁铁的力学、磁学等影响最严重。“最严苛”指场强与场的种类,不是每一项都比充电侧严:发热一项未必。接收线圈在磁铁处产生的场粗估 100–400 μT(按 5–10 匝、0.5–1 A、半径 15 mm 估,[待产品参数核实]),而 MR 射频 $B_{1}$ 均方根只有几 μT;充电还是连续工作。损耗正比于场强平方乘 $f$ ,充电时磁铁的涡流损耗可能大于 MR 射频(§4.2)。

2.3 可调参量、使用条件与结果量

参量盘点出自基金申请时整理的《物理参数图谱-对位磁体》[内部资料],原为 25 项设计变量、10 项暴露变量、12 项响应量,本次重组为三类,三类不相加:可调参量由设计者改,使用条件由扫描仪与患者定,结果量是二者的输出。

可调参量(23 项,五组;演示稿第 5 页)

组	项数	参量
A 本体几何与材料	6	A1 外径、A2 厚度、A3 内径、A4 端面形状、A5 剩磁 $B_{r}$ 、A6 内禀矫顽力 $H_{c j}$ (A5、A6 由材料与型号决定)
B 磁化空间分布	3	B1 整体方向(轴向 / 径向 / 斜向)、B2 分区及各区方向(如内外反向)、B3 多极级数
C 分割与导电层	4	C1 分割数 $N$ 、C2 分割方式(轴向切 / 径向切 / 开孔)、C3 隔离层、C4 镀层
D 封装与装配	7	D1 转动自由度、D2 偏置刚度、D3 阻尼、D4 限位角、D5 摩擦界面、D6 外壳材料与壁厚、D7 外壳是否构成闭合导电回路
E 安装位置	3	E1 磁铁相对线圈的设计位置(同心或偏置)、E2 轴向间距、E3 体外磁铁构型

使用条件(不可调,11 项): $B_{0}$ 场强;孔口空间梯度;姿态角 $θ$ (磁化方向与 $B_{0}$ 的夹角,由摆位决定);梯度 $d B / d t$ 及谐波;梯度方向;射频 $B_{1}$ / SAR;射频频率(64 / 128 MHz);组织热参数;皮瓣厚度;横向偏移;充电频率与电流(仅核对用)。

结果量(四类,12 项):对准——保持力、横向刚度;充电(只作约束)——电感与 $Q$ 、日常温升;MR 安全——扭矩、位移力、退磁、梯度发热、射频发热、振动;可用性——伪影、体积质量。

重组的几处改动:磁化方向从 A 移入 B;原 B 组的磁化均匀性(充磁时几度、几个百分点的偏差)属工艺误差,不是设计者能调的量,移出可调参量,在仿真中作为容差扫描;外壳从分割组移入封装组;皮瓣厚度与横向偏移改为使用条件;“对准刚度”改称横向刚度。

几个概念:对均匀磁化的整块磁铁,磁化方向与磁化取向是同一件事,“取向”多用于分区磁铁,指每区各自的方向。多极级数是磁铁表面 N、S 极交替出现的分区数:分区越多,正反抵消越彻底,远场衰减越快,扭矩、位移力、伪影下降;代价是近场也衰减更快,保持力对皮瓣厚度更敏感。

2.4 材料选择

A5、A6 由材料与型号决定。候选材料是钕铁硼与钐钴(典型目录值):

指标	钕铁硼	钐钴(2:17)	锶铁氧体
剩磁 $B_{r}$	1.17–1.45 T	1.0–1.15 T	0.38–0.45 T
内禀矫顽力 $μ_{0} H_{c j}$	1.2 T(N)~ 3.0 T(EH)	约 2.0–2.5 T	0.3–0.45 T
最大磁能积	260–415 kJ/m³	200–260 kJ/m³	26–40 kJ/m³
电阻率	约 1.5 μΩ·m	约 0.9 μΩ·m	>10⁴ Ω·m,绝缘
生物相容	钕易腐蚀,靠 Ni-Cu-Ni 镀层,镍可致敏	含钴,耐蚀好于钕铁硼	陶瓷,惰性,但脆、易碎屑
专利中出现	多件(N52 / N55)	与钕铁硼并列	未见

论证顺序:① 矫顽力与剩磁是门槛:铁氧体在 3 T 反向场下会被反向充磁,同磁矩又要约 3 倍体积;专利中未见铁氧体是侧面证据。② 电导率其次:铁氧体绝缘、少发热,抵不过第 1 条。③ 生物相容不区分:三者都不能裸露植入,都要封装;外壳可以是钛,也可以是 PEEK 等聚合物(US11752338B2_Advanced-Bionics、US11986656B2),不是”必须钛壳”。结论:材料是上游选择,型号是下一级。

钕铁硼型号与 3 T 退磁(估算式与申请书图 4(b) 相同;估算图未进入定稿演示稿):反向场 $= N_{d} B_{r} - B_{0} cos θ$ ,轴向退磁因子 $N_{d} = 0.68$ ,拐点取 $0.8 μ_{0} H_{c j}$ 。N52、N48H、N45SH、N40UH、N35EH 五个型号,剩磁由 1.45 T 降到 1.19 T,3 T 下开始退磁的夹角由 90° 升到 122°。同系列烧结钕铁硼的 $μ_{0} H_{c j}$ 典型值:无后缀约 1.2 T、H 约 1.7 T、SH 约 2.0 T、UH 约 2.5 T、EH 约 3.0 T [目录值,须核具体型号]。即使 EH 型号,3 T 反平行姿态仍越过拐点:换型号只能推后退磁的起始角,不能消除反平行姿态下的退磁。本计划不设计转动机构(§4.1),因此第一阶段的姿态角扫描要给出”磁铁必须避开的姿态范围”,作为转动机构或使用限制的输入。钐钴的同类估算待做;“薄盘自退磁场约 0.27 T、逼近铁氧体矫顽力”的说法要代入实际退磁曲线算过再用 [待确认]。

2.5 联系结构:一个枢纽、三条支路、一个贯穿状态量

枢纽:磁矩 $m = B_{r} π a^{2} t$ 。保持力、 $B_{0}$ 扭矩( $τ = m B_{0} sin θ$ )、 $B_{0}$ 位移力( $F = m \partial B_{0} / \partial z$ )、伪影范围、质量全部一阶正比于 $m$ 。改几何只能整体放大或缩小 $m$ ,不能只放大功能、不放大危害。这就是功能与安全共线的根源。

支路一:静磁场力学。 扭矩与位移力完全由 $m$ 、 $B_{0}$ 、 $\nabla B_{0}$ 、 $θ$ 决定,与分割、电导率、镀层无关;设计余地只在磁化空间分布(B 组)。

支路二:感应损耗,三个频段。 磁铁是导体,在三个频段上被激励(按 $σ \approx 7 \times 1 0^{5}$ S/m 估算趋肤深度 $δ$ ):

频段	频率	$δ$	所处区	损耗依赖
MR 梯度	1–2 kHz(谐波至数十 kHz)	≈ 14–18 mm,大于盘径	电阻限	$P \propto σ t a^{4} (d B / d t)^{2}$
无线充电	6.78 MHz	≈ 0.23 mm	表面阻抗	$P \propto σ^{- 1/2} A_{surf}$
MR 射频	64 / 128 MHz	≈ 50–70 μm	表面阻抗	$P \propto σ^{- 1/2} A_{surf}$

充电频段此前被 MR 安全文献漏掉:磁铁在日常充电时就一直在发热,既是效率损失也是慢性热源(§2.2、§4.2)。分层结构(镀铜层电导率比本体高约两个量级、钛壳为闭合导电壳)在这条支路上起决定作用:分割是否有效,取决于这些层有没有把分割面短接。

支路三:磁化稳定性(退磁)。 磁铁工作点由磁导系数 $P_{c}$ 决定, $P_{c}$ 主要由厚径比 $t / D$ 决定:薄盘 $P_{c}$ 低,工作点靠近拐点。不可逆退磁的判据是自退磁场与外加反向分量之和越过拐点:

$μ_{0} (H_{d} (P_{c} (t / a)) + H_{ext} (B_{0}, θ)) ≳ μ_{0} H_{knee} (H_{c j}, T)$

一条不等式把磁铁型号( $H_{c j}$ )、厚径比、姿态角、场强拴在一起。温度只经 $H_{c j} (T)$ 进入,且 3 T 下实测温升仅 0.5 °C [12],不是退磁的主通道;夹角超过约 80°–90° 即出现不可逆退磁 [12,13],肌肉植入磁铁的姿态扫描亦然 [14]。

贯穿状态量:姿态角 $θ$ 。 扭矩最坏在 90°,退磁最坏在 180° 附近,位移力最坏在孔口梯度区且 $m ∥ \nabla B_{0}$ ,梯度涡流看回路法向与 $d B / d t$ 的关系,射频看局部入射场。不存在单一最坏姿态,测试矩阵不能压缩到单点,仿真必须做取向扫描。

2.6 参量间的相互约束

四个关键参量对各结果量的定性影响(演示稿第 6 页;“好 / 坏”指对该项变好或变坏,”↑↑“为比线性快,”∪“为先降后升、有最优值,”?”为方向待仿真确认):

参量增大	保持力	横向刚度	扭矩	位移力	退磁	梯度发热	射频发热	伪影	质量	充电效率
尺寸(厚径比固定,等比放大)	↑ 好	↑ 好	↑ 坏	↑ 坏	—	↑↑ 坏	↑(趋缓)坏	↑ 坏	↑ 坏	↓ 坏 ?
厚径比 $t / D$ (磁矩固定,由扁变厚)	↓ 坏 ?	— ?	—	—	↓ 好	↓ 好	∪ 好 ?	—	—	↑ 好 ?
型号矫顽力档(N→H→SH→UH→EH,剩磁略降)	↓ 坏	↓ 坏	↓ 好	↓ 好	↓↓ 好	—	—	↓ 好	—	—
分割数 $N$	↓ 坏	—	—	—	—	∪ 好	↑ 坏	—	—	— ?

读法以尺寸行为例:厚径比不变、整体放大,磁矩随体积增大。保持力上升,对准变好;扭矩、位移力随磁矩线性上升,梯度发热上升得比线性快,伪影与质量上升,MR 安全与可用性变差;退磁只取决于形状,厚径比不变则不变;磁铁变大使线圈自感下降、失谐,涡流使 $Q$ 下降,充电效率下降。没有一个参量能让所有列同时变好,只能取舍。

全部十组冲突 [内部资料:物理参数图谱 §3]:

组	提升一方	另一方随之变差	与本计划的关系
1 磁矩共线	保持力 ↑	扭矩、位移力、伪影、质量 ↑	只能靠改变磁化空间分布(多极、反向分区)解开,因为近场与远场对分布的敏感度不同;专利中扭矩类 70 件里 52 件在改构型、无一件靠改尺寸 [15]。A 组,第一阶段
1b 多极化的代价	多极级数 ↑ → 远场偶极矩 ↓ → 扭矩、位移力 ↓	近场衰减更快(n 极场约 $r^{- (n + 2)}$ ),保持力对皮瓣厚度极敏感;把安全问题换成个体适配问题	B3,第二阶段
2 厚径比三方冲突	临床要薄	固定 $m$ 下梯度涡流 $P \propto m a^{2}$ ,要小径厚盘;抗退磁要 $t / D$ 大( $P_{c}$ 高)。“薄”是双重惩罚	磁铁内部解不开,只能换型号或改分割。A 组 + C 组
3 型号上 $B_{r}$ 与 $H_{c j}$ 反向	$B_{r}$ ↑ → 同 $m$ 下体积 ↓ → 涡流、质量、伪影 ↓	同系列 $B_{r}$ ↑ 通常 $H_{c j}$ ↓ → 3 T 退磁裕度 ↓;提 $H_{c j}$ 常靠加镝铽,代价是 $B_{r}$ 降、成本升	解释为什么退磁在 3 T 出现、1.5 T 基本不出现。A 组
4 电导率三频段	梯度要低 $σ$ ( $P \propto σ$ )	充电与射频要高 $σ$ ( $P \propto σ^{- 1/2}$ );总损耗 $A σ + B σ^{- 1/2}$ 有极小值	本体 $σ$ 由材料决定,能调的是镀层与壳体(C4、D6);极小值是否落在可实现范围须代入 ISO 暴露量级验算
5 分割数非单调	梯度涡流 ↓(理想绝缘约 $1/ N^{2}$ )	隔离层占体积 → $m$ ↓ → 要加大尺寸 → 涡流又 ↑;表面积 ↑ 使高频损耗 ↑;镀层或壳体跨接分割面则失效;反应磁通显著时可能反而增损 [16,17]	$N$ 有最优值;分割”帮梯度、害射频”。C 组,第二阶段
6 转动自由度	自对准 → 扭矩 ↓↓,且 $θ \to 0$ 使退磁风险同时下降(唯一的正协同)	位移力不降;封装体积 ↑、长期可靠性 ↓;偏置刚度 ↑ 则起转门槛 ↑、残余扭矩 ↑;阻尼 ↑ 则可能转不到位;转动使梯度致热的最坏工况随姿态漂移	D 组,本计划不做;偏置刚度的窗口无一件专利给出量化边界 [15,18]
7 最坏取向不重合	—	为一个响应选的最坏工况,对另一个响应可能是最好工况	判据之间的冲突:测试矩阵须多取向,仿真须取向扫描
8 保持力被上下夹住	最厚皮瓣下要吸得住 → $m$ 要大	最薄皮瓣下压强不能过大 → 皮肤坏死	决定 $m$ 的下限,而 $m$ 的下限决定整个安全侧的难度;压缩皮瓣变异或改善保持力的距离依赖,比优化磁铁本身更有效
9 磁铁对充电链路的拖累	期望磁铁参与磁路、提高互感	$μ_{r} \approx 1.05$ 几乎不导磁;它是导体,在充电频段产生表层损耗 → $Q$ ↓、效率 ↓、日常发热;体积越大越亏	只核对一次(§4.2)
10 伪影	—	伪影范围 ∝ $m$ ,与扭矩、位移力共线,不增加新自由度,但压低 $m$ 的上限	属临床可用性,不在 ISO 安全条款内

3. 已有方案与验证方法

3.1 已有专利路线(按参量组)

知识库 303 件专利中,静磁场扭矩 70 件、位移力 30 件;可旋转磁铁路线 52 件,集中于 MED-EL、Cochlear、Advanced Bionics 三家听力植入厂商 [15]。这些专利都来自人工耳蜗(个别同时适用于前庭植入、中耳植入与骨导助听植入)。人工耳蜗的植入体通常不带电池,靠体外头件经一条经皮感应链路持续供电并传送信号;磁铁的作用是把头件吸在植入体上方,保持两只线圈对准。本项目是给植入体电池充电,同样靠两只线圈对准,所以这些磁铁方案可以直接参照。

按第 5 页的参量组排列(演示稿第 8、9 页给出各路线的专利原图):

参量组	路线	原理	代表专利	证据形态
B 磁化	径向 / 斜向磁化	仰卧时 $B_{0}$ 沿头脚方向,大致平行于盘面;轴向磁化的磁铁与它垂直,扭矩最大。改为平行盘面磁化,并让磁铁能绕盘轴转动,进 MR 后磁矩就能转到与 $B_{0}$ 一致;斜向则让磁化与轴成 10°–30°(典型 20°)	EP4074373B1_MED-EL Fig. 3(B);US9872993B2_MED-EL;MED-EL US8634909B2(库外)[19]	权项限定角度;产品已上市并取得 3 T 标签
B 磁化	净磁矩近零	中心盘与外环反向磁化,两者的磁矩大部分抵消,远处净磁场小,扭矩与伪影下降;贴近皮肤的近场仍在,体外磁铁照样吸得住。代价是近场衰减更快,保持力对皮瓣厚度更敏感	US20120296155A1_MED-EL FIG. 3A;EP2869892B1_MED-EL(径向对称排列);US20260014382A1_Cochlear(多极配对)	保持力曲线显示多极优势只在特定短间距
C 分割	分割叠片 + 磁轭	把磁铁或与之相吸的保持件(keeper)切成薄片、层压或颗粒化,片间夹介质层,切断交变场在整块导体里感应的大涡流回路	US6178353B1_Boston-Scientific FIG. 7 [20]	200 kHz 下线圈 $Q$ 由 22 升至 30,传能损耗约降 20%;对 MRI 只作定性主张,不给温升
D 封装	自由旋转自对准	壳内放可转动的磁框,框里几根径向磁化的细长磁铁,每根还能绕自身轴转。平时磁铁相互吸引,N-S 方向锁定、对准头件;进 MR 后框与磁铁转到与 $B_{0}$ 一致,扭矩消除	US11986656B2_Advanced-Bionics FIG. 15;变体:磁性颗粒 US10300276B2_Advanced-Bionics、单根径向磁化圆柱绕两轴转动 US11938319B2_MED-EL	机构示意、尺寸范围、定性断言;无扭矩—角度曲线、退磁测量与保持力数值
D 封装	弹性偏置 / 限角	两片可相对转动的磁盘之间装扭簧:平时扭簧不受力,磁盘保持对准头件的取向;进 MR 后磁盘克服弹簧转向 $B_{0}$ ,出场后弹簧拉回原位。限角则让磁铁端面(圆角双锥或坝形)抵住壳壁,限制二次偏转;另有阻尼油、低摩擦面	US10646712B2_Advanced-Bionics FIG. 15;弹性片卡住棒磁铁 US10532209B2_Advanced-Bionics;限角 US20250312599A1_MED-EL	偏置窗口、偏转角、阻尼、摩擦均未量化
D 封装	可移除 / 机械固位	磁铁装在钛壳里,通过螺纹、卡扣或法兰旋入植入体上的保持座;低场 MRI 可保留,高场 MRI 前取出、扫描后装回。另有螺纹、卡扣限制脱位的固位结构	US9844666B2_Advanced-Bionics;US11135440B2_Cochlear;取出整个含磁铁的线圈组件 US11071869B2_Cochlear	无场强阈值、保持力、允许位移数据
使用流程	退磁再磁化	按特定姿态把头部放在孔口前,借扫描仪的强场先把磁铁退磁、扫描后再充磁;强弱与极性由摆位控制	US7609061B2_MED-EL	仅声称 6 T 下实现,只有使用场景图,无材料、剩磁、再磁化结果
A 本体	非磁化构件替代	以未磁化的铁磁环替代植入永磁铁,由外部磁铁提供吸力	US8733494B1_Cochlear	定性断言

E 组安装位置没有对应的路线,只有 §2.1 记录的布置思路。证据形态的共同点:专利给结构与权利要求,很少给本危害的终点量——可旋转磁铁给保持力不给扭矩,分割磁铁给 $Q$ 不给温升。行业的专利投入说明方案空间,不能读作已验证。

3.2 产品与量化文献

三款代表性人工耳蜗(Cochlear Nucleus Profile Plus / Nexa、MED-EL SYNCHRONY 2、Advanced Bionics HiRes Ultra 3D)均为 MR Conditional,均采用磁铁留置设计,1.5 / 3 T 标签分别在 2018–2019 年取得 [内部资料:综述 ch05 §5.4]。量化文献有限:

纯轴向磁化磁铁实测扭矩 1.5 T 下 5.49 N·cm、3 T 下 11.48 N·cm [21,待核原文数值];
径向磁化可旋转磁铁:7 名儿科受者、17 次 1.5 / 3 T 扫描,零磁铁相关并发症 [22];可旋转磁铁较标准磁铁扭矩降低,两者均无退磁,仅定性 [23];
3 T 下各部位最大温升 0.5 °C,退磁主通道为静磁场而非温度 [12];夹角 <90° 无退磁,>90° 约 60 % 样本退磁 [13];
块状金属在 128 MHz 的体内射频损耗被评估为可忽略 [24]——本计划不直接采信,列入自行仿真核验项(§4.4);
梯度致热随 $(d B / d t)^{2}$ 与横截面积缩放 [25],仿真与实验一致性已被系统比对 [26],但试件为骨科大件,无磁铁尺度案例。

3.3 行业外的设计方法

可能的解法在行业外。本计划把以下三类作为知识储备学习,并逐条判断能否迁移(演示稿未列):

领域	可借鉴的方法	对应本课题的环节
永磁电机	永磁体分段抑制涡流及其有效性模型(分段尺寸与趋肤深度之比 <3 时分割才减损;反应磁通显著时分割可能反而增损)[16,17,27–29];多层子域解析模型(护套 + 屏蔽筒)[27];电阻限区与反应场限区划分;Halbach 阵列;电枢反应退磁校核(与 $B_{0}$ 反向场退磁用同一套 $P_{c}$ + 拐点方法)	梯度涡流、分割有效性、退磁判据、磁化空间分布
变压器	叠片与分块抑制涡流、气隙与漏磁设计、高频绕组损耗(利兹线)	涡流抑制;线圈设计
磁联轴器 / 磁性轴承	磁扭矩与机械恢复力矩的平衡、起转门槛、阻尼	可旋转磁铁的姿态平衡 [待确认];本计划不做 D 组,作为知识储备

3.4 公开证据的空白

退磁边界:姿态角—工作点—不可逆退磁这条状态链未被写入任何评估模型;现行标准只把姿态角当寻找最坏取向的扫描变量 [4,5]。
分割何时有效:分层分块磁铁的涡流回路如何随层数、构型与隔离方式变化,专利与文献均无磁铁尺度的判定。
磁铁与线圈同框评估:把接收线圈、整流器、长导线与对位磁铁放进同一评估框架的专利为零 [内部资料:综述 ch06 §6.3、ch07];充电频段的磁铁损耗在 MR 安全文献中完全缺席。本计划只做一次核对(§4.2)。
可旋转机构的弹簧该多硬:可旋转磁铁靠弹簧维持日常方向;弹簧太软,日常吸不住;太硬,进 MR 后转不过去、残留扭矩。专利只有”不比必要的更硬”一类定性描述,没有一件给出数值范围。本计划不做 D 组,这一空白留作记录。
标准侧:ISO §14 对含永磁体的 Class 2 器械只给分类不给程序;ASTM F2213 的位移力换算法明确排除含永磁体器械;F2052 / F2213 的垂直场机型无现成方法 ISO_TS_10974_2018_overview §十。

3.5 六个实验与标准条款

演示稿第 10 页。保持力对应对准,是功能实验,不在 ISO 内;其余五项对应 MR 兼容,依据 ISO/TS 10974(下称 ISO)与 ASTM F2052、F2213、F2182。无线充电不设实验(§4.2)。

#	实验	条款	测什么	判据
1	保持力	功能实验 · 非 ISO	不同皮瓣厚度(与横向偏移)下体内外磁铁的吸力	人工耳蜗参考 0.23–0.4 N;本产品范围待产品部门给
2	位移力	ISO §11 · ASTM F2052	孔口空间梯度最大处的平动力; $F = m g tan α$	标准不给限值;偏转角小于 45° 是保守参照
3	扭矩	ISO §12 · ASTM F2213	各取向下的磁扭矩,三个轴各转一圈取最大值	与重力力矩比较;验收限值由厂家自定并论证
4	梯度致热	ISO §9 Tier 1	梯度场在磁铁中感应涡流造成的温升	暴露量按标准表(15 cm 处 34.4 T/s rms);可接受温升厂家自定
5	射频致热	ISO §8 · ASTM F2182	射频场在磁铁表层感应电流造成的温升	温升或 SAR;限值厂家自定
6	退磁	ISO §14 Class 2 · 无程序	不同姿态暴露后磁矩永久损失的比例 $Δ m / m$	标准对含永磁体器件不给测试程序,判据与流程都要自建

#	能否自建	器材	仿真预实验
1	完全可自建,最先做;保持力决定磁矩下限,磁矩下限决定安全侧的难度,是整个设计的起点	推拉力计、测力台架、皮瓣垫片、市售磁铁	静磁有限元,磁铁对 + 皮瓣间距扫描;缺外部头件构型
2	小静磁场源可跑流程;3 T 数值须扫描仪机时	非磁性支架、细悬线、量角器、特斯拉计	$F = (m \cdot \nabla) B_{0}$ ,解析 + 有限元;缺扫描仪杂散场剖面。在孔口测而不在孔中心测:孔中心场强最大但梯度为零。F2052 附录的外推公式在转换稿中未解码,须回原件核对
3	装置可自建;“位移力换算扭矩”法明确不适用含磁铁器件	扭簧或 N·m 级扭矩传感、转台与角度刻度、非磁性夹具	$τ = m \times B_{0}$ 闭式,有限元标定非均匀磁化,扭簧法每 10° 扫 0–360° 直接出曲线。F2213 四种方法中悬挂法(定性)、低摩擦面法(上界)不能用于垂直场机型,扭簧法与滑轮法定量
4	第二阶段;需大功率梯度功放与线圈	信号源、梯度功放、单轴线圈、搜索线圈、凝胶体模、光纤测温	最适合先做:涡流谐波求解加瞬态热传导,取向扫描找热点,正是标准要求的预调查。Tier 1 的 270 Hz 连续正弦只能由实验室线圈产生,临床扫描仪做不出
5	第二阶段;台架线圈可自建,3 T 实测须机时	射频功放、鸟笼线圈、ASTM 体模、光纤测温、场探头	先做均匀 $B_{1}$ 场中的磁铁盘,再加体模与人脑模型;核验 [24]
6	测磁矩可自建;暴露须 ≥1.5 T,用扫描仪或自定义磁体(§14.2.2 允许”方向已知、≥1.5 T 的自定义磁体”替代扫描仪,但造价高)	亥姆霍兹线圈 + 磁通计、角度夹具;整片磁铁可能超 VSM 量程	永磁退磁分析,按姿态角算工作点与磁矩损失;需实际型号的退磁曲线族与拐点。标准空白最大的一项,也是自设计实验的重点

未列入六项的条款:ISO §10 梯度致振动(扫描仪直接暴露或振动台复现;可部分仿真:涡流磁矩 × $B_{0}$ 的交变力矩)与 ASTM F2119 伪影(须机时成像;可由 $Δ B_{0}$ 图估算)本计划未单列,是否补做 [待定]。ISO §13 外源电位、§15 / §16 致失灵针对器械电子部分,不属于磁铁本身;§17 联合场在设计线 07–11 月的联合场仿真中处理(§4.5)。各条款的试验方案卡见 iso10974-b0-force、iso10974-b0-torque、iso10974-b0-malfunction、iso10974-grad-heating、iso10974-vibration。

3.6 能买的与要自行设计的

市售可买	需要自行设计的实验	需要自行设计的仪器
静磁场源:电磁铁 + 电源(约 1 T);特斯拉计、磁通计;推拉力计、测力台架;热电偶采集、红外热像仪;第二阶段:光纤测温、梯度功放、射频功放;外部:3 T 扫描仪机时	保持力:不在 ISO 内,按皮瓣厚度与横向偏移扫描;取向扫描:各姿态下的扭矩与退磁;退磁:标准对含永磁体器件不给测试程序	N·m 级扭矩转台;位移力悬线支架;磁通计用亥姆霍兹线圈夹具;非磁性夹具

小场能做什么:

能做到什么	自建电磁铁(约 1 T)	3 T 扫描仪
走通装置与流程	能	能,机时贵
扭矩、力随场强变化的趋势	能,场强可调	不能, $B_{0}$ 固定
3 T 下的具体数值	不能	能

保持力、位移力、扭矩、退磁四项是第一阶段;梯度致热与射频致热需要大功率功放与线圈,放第二阶段。原第七个实验”充电工况”已删去。扭矩传感按 N·m 级选:直径 10–19 mm 的钕铁硼盘 3 T 下最大扭矩约 0.3–2.9 N·m。

4. 研究计划

4.1 设计范围

演示稿第 13 页。设计第 5 页的 A、B、C 三组:A 在第一阶段,B + C 在第二阶段;D、E 不做。

组	处理	理由
A 本体几何与材料	第一阶段	先做单个整块磁铁的设计,熟悉仿真与实验;A 组决定静场四项结果,即第一阶段能自建的实验;3 T 退磁纸笔可算,最可能改变结论
B 磁化空间分布	第二阶段	整块磁铁做通后,再做分区磁化、多极等更复杂的磁铁,循序渐进;B 组是唯一能解开冲突组 1 的设计手段
C 分割与导电层	第二阶段	涉及多块磁铁的组合;随梯度致热在第二阶段做;申请书承诺分割有效性判据
D 封装与装配	不做	前面的研究会给出每个姿态角下的磁铁响应,由此可以确定需要的转动范围;转动机构怎么做是另一项工程,不放进本计划
E 安装位置	不做	只改系数,不改依赖形式

阶段的时间划分按 §4.5 的排期:第一阶段约为 11-2026 至 04-2027(中期答辩前),第二阶段约为 05-2027 至 12-2027 [待确认]。

[待定] C4 镀层。 申请书 [7] 写明镀层与外壳不在研究范围内;C 组整组纳入后包含 C4 镀层,两处说法不一致。两个选择:保留 C4,并注明与申请书不同;或 C 组只做 C1–C3。

与申请书的对应。 按”是否进入多条通道”,原 25 项设计变量分三层 [内部资料:物理参数图谱 §4]:主导层 6 项( $B_{r}$ 、 $H_{c j}$ 、 $a$ 、 $t$ 、 $N$ 、各层电导率 $σ_{i}$ )进入三条以上通道,是可行域的坐标;构型层 2 项(磁化空间分布、转动自由度)是唯一能解开冲突组 1 的两个开关;其余为调制层,只改系数。本计划中, $B_{r}$ 、 $H_{c j}$ 、 $a$ 、 $t$ 属 A 组, $N$ 属 C 组,磁化空间分布属 B 组,转动自由度属 D 组(不做)。申请书的 6 个输入为:磁化空间分布、厚径比 $t / a$ 、磁矩量级 $B_{r} a^{2} t$ 、电导率、姿态角(状态量)、矫顽力 $H_{c j}$ 。

允许的设计范围。 在可调参量构成的空间里,所有约束同时满足的那一块;设计就是在这块里找点。可以画在五个无量纲量上:厚径比 $t / a$ (冲突组 2 的坐标,也是 $P_{c}$ 的代理)、归一化趋肤深度 $δ / a$ (判定损耗区)、归一化外场 $μ_{0} H_{ext} / μ_{0} H_{c j}$ (退磁裕度)、归一化工作间距 $d / a$ (保持力)、分割有效性 $η$ 。

优先要算的两件事,按能否改变结论排序:① 候选材料(钕铁硼、钐钴)× 型号的退磁裕度与体积,把退磁不等式代入实际退磁曲线;若 3 T 下必须用 UH、EH 型号或钐钴,剩磁被压低、同磁矩体积变大,这是硬边界,冲突组 2 全面收紧。② 分层涡流回路的主导层位,决定”分割”这个变量到底有没有用,对应第二阶段的 C 组。原先”电导率极小值是否落在可实现范围”一项随电导率不作设计变量而降为备注(冲突组 4)。

4.2 无线充电:不研究,核对一次

决定。 不做无线充电影响的研究;候选构型定稿时(03-2027),在 6.78 MHz 下算一次自感变化与涡流损耗,不劣于现有磁铁即可。核对需要的线圈匝数、半径与工作电流见 §4.7。

理由。 一,方法相同:两种场在磁铁附近都按准静态处理,磁铁都作为导体响应,只是频率不同;射频侧还要全波、人体模型与天线效应,难度更高。射频做通了,充电核对是它的简化子集,场源用已有的线圈模型。6.78 MHz 与 128 MHz 都在趋肤深度远小于盘厚的区域(约 0.23 mm 与 0.05 mm),对电感的影响已饱和。二,磁铁在 MR 下的表现与充电电路基本无关:静磁三项与保持力完全无关;梯度致热基本无关;射频致热时接收线圈作为不通电的导体留在几何里。三,效率不足也可从电路一侧调节。

这次核对不是走过场。 接收线圈在磁铁处的场粗估 100–400 μT,而 MR 射频 $B_{1}$ 均方根只有几 μT,充电还是连续工作;充电时磁铁的涡流损耗可能大于 MR 射频(§2.2)。所以只能说核对的方法更简单,不能说更不容易出问题。这一点不改变不研究的决定。

4.3 所需知识与现状

类别	第一阶段 · A	第二阶段 · B + C
理论	磁荷模型、退磁曲线;线圈的自感、耦合系数、倾斜线圈	分段涡流、表面阻抗、生物传热
仿真	专利构型两轮复现;静磁与永磁退磁分析;批量扫描	瞬态与运动;组织模型
实验	保持力、位移力、扭矩、退磁(静场平台);实验流程与不确定度预算	梯度致热、射频致热

已有基础:趋肤、交流电阻、邻近效应、互感;AI + Ansys 工作流;磁铁相关 ISO 协议 5 章;专利路线梳理。表中各项按阶段的归属依时间表排定,可调整。

为什么先学线圈。 一是线圈问题有解析解,可以校准有限元,线圈都仿不准,磁铁无从谈起;二是趋肤、邻近、涡流在线圈和磁铁中是同一组效应,方法可迁移,线圈本身也要设计;三是 MR 扫描仪就是发射端,接收端在已知场分布下的响应分析与无线充电同构。

分项现状(截至 10-15-2026):

环节	必需概念	为什么必需	状态
工具可信	互感(偏移、变号、零线)、自感、耦合系数、倾斜线圈	有解析解的线圈问题是有限元的校准锚点	互感卡定稿;自感、耦合系数在写;倾斜未起草
导体在交变场中	趋肤效应、交流电阻、邻近效应、贝塞尔函数	磁铁在三个频段分别落在电阻限区与表面阻抗区;“导体放在别的导体产生的交变场中感应涡流”就是磁铁在线圈场 / 梯度场中的原型	4 张卡定稿,两个锚点与解析解偏差 <0.05 %
静磁与退磁	磁荷 / 偶极子模型、磁导系数、退磁曲线与拐点、温度系数	支路一、三的全部项	半解析内核有(16 项自检),概念卡无,有限元 0 例
梯度涡流	分段导体涡流回路、分割有效性、电阻限 / 反应场限、过渡区谐波	空白 2	文献已取得,未读
射频与热	表面阻抗近似、生物传热	支路二高频段、温升折算	无
MR 场的全貌	三组梯度线圈、射频 $B_{1}$ 、序列谐波谱、进出孔道的 $B_{0}$ 空间梯度、匀场	决定仿真要考虑哪些场	待调研
姿态动力学	非线性摆、库仑摩擦、起转与到位条件	可旋转磁铁的平衡角;D 组不做,仅为读懂专利	无

仿真方法	状态
三机工作流、Maxwell 静磁 / 涡流求解器、曲线元等设置	建成;默认设置错误(曲线元)已查明落档
瞬态求解器与运动设置(进场平动、受扭矩转动)、Twin Builder 联合	未用
永磁退磁分析	未用
组织模型三期:空气 → ISO 凝胶体模 → 人脑模型	全部未建
批量参数扫描脚本(AI 驱动)	未建
动态过程:有限元给代表时段(进场、一个 TR、一次转动),降阶模型拼全程	降阶层有(交互演示),有限元层无

标准与实验方法	状态
ISO/TS 10974 拆解:20 个实验单元、13 类硬件、24 条空白	已完成
§11 / §12 / §14 / §9 / §10 协议卡;ASTM F2052 / F2213 入库	已完成初稿;ASTM 附录公式转换稿未解码,须回原件
读懂到能讲给人听、能写出实验流程	未做,估计 3 周
不确定度预算(ISO §8.9 口径)	未做
器材清单与预算	已询价(§4.6)
行业外方法(电机永磁体分段、Halbach、退磁校核;变压器;磁联轴器)	电机文献已取得,未学;其余未起步

4.4 方法约定

理论与仿真同步。 每个概念带一个算例,互核;不全盘接受 AI 的说法。
复现别人的方案做两轮。 第一轮照原参数,对上原文结论;第二轮换成本项目的参数。两轮结果往往不同,调试时间按两轮计。
别人的结论不是输入。 如”块状金属 128 MHz 损耗可忽略”[24],自己仿过才算数。
参数空间先缩后扫。 按物理规律(§2.5 的三条支路、§4.1 的五个无量纲量)与已有方案(§3.1)缩小参数空间,再地毯式扫描。
以场为主轴逐级加复杂度。 静磁(含退磁)→ 射频 → 梯度 → 联合场。每加一级场,另外几个维度同时推进:结果量由力、扭矩、退磁到发热;时间由固定姿态、姿态扫描到动态;组织模型由空气、ISO 凝胶体模到人脑模型。静磁三项不需要组织( $μ_{r} \approx 1$ );人脑模型(分层球 → 公开解剖模型)用于射频入射场与生物传热的在体外推,无对应实验。
虚拟预实验。 读标准时把能仿真的实验在仿真中复现一遍(§3.5),既检验理解,也为自设计的实验预验证底层设计。
动态过程分两层。 有限元给代表时段的瞬态(进孔、一个 TR 的梯度波形、一次转动),降阶模型把它们拼成全程响应。

4.5 路线与月度安排(11-2026 至 12-2027)

演示稿第 14 页。设计线(仿真)与验证线(实验)并行,都画成逐级升高的台阶:

时段	设计线(仿真)	验证线(实验)
11–12 月	静磁(含退磁):力、扭矩、退磁;固定姿态;空气。概念卡、专利构型两轮复现	12 月起:精读 ISO / ASTM,标准实验仿真预实验
12–01 月	+ 射频:+ 发热;姿态扫描;空气(均匀 $B_{1}$ 场)。01 月末:设计窗口第一版	01 月:器材下单
02–06 月	+ 梯度:+ 涡流发热、伪影;姿态扫描;ISO 凝胶体模(05 月起加人脑模型)。03 月候选构型定稿时核对一次 6.78 MHz 充电影响	02–04 月:搭静场平台(保持力、位移力、扭矩、退磁),市售磁铁试跑;05–06 月:不确定度预算、补标准缺失实验、测自设计磁铁、3 T 机时
07–11 月	联合场:全部场;动态(进场、转动、序列波形);人脑模型;每月一轮迭代	实验验证候选构型,平台随迭代补缺
12 月	设计规范与样品	测试规程与实验平台

里程碑:01-2027 短期成果;03-2027 候选构型定制下单;04-2027 中期答辩;12-2027 长期成果。

月	设计线	验证线	产出
11	磁铁物理概念卡;三种专利构型(固定轴向、径向可旋转、分割)仿真复现,第一轮(原参数)	—	概念卡 4–6 张;复现对照表
12	A 组参数扫描开始:静磁(含退磁),固定姿态,空气;专利构型第二轮(本项目参数)	精读 ISO §11 / §12 / §14 / §9 / §10 与 ASTM F2052 / F2213;虚拟预实验;调研”做 MR 时要考虑序列中哪些场”;器材清单与预算 v1	实验流程 v0
01	加射频(均匀 $B_{1}$ 场中的磁铁盘,核验 [24]),姿态扫描;设计窗口第一版;行业外 ①:永磁电机(分段、退磁校核、Halbach)	虚拟预实验完成;静磁场源与测温方案定;器材下单(场源 4–8 周、仪器 2–6 周)	短期成果
02	加梯度涡流(整块磁铁)、伪影估算;组织:加 ISO 凝胶体模	搭静场平台 ①:先做不需场源的保持力,再搭位移力、扭矩、退磁	器材到货、校准、夹具
03	候选构型 1–2 个;定稿时 6.78 MHz 核对一次;行业外 ②:变压器、磁联轴器	搭静场平台 ②:市售磁铁试跑,流程跑通;可做 / 不可做工况清单	候选构型定制下单
04	第一阶段成文;中期答辩材料	试跑结果与仿真第一次对照	中期答辩;中期成果
05	第二阶段开始:B、C 组;按试跑偏差修模型;组织:射频与热学加人脑模型	不确定度预算;补齐 ISO 缺失实验内容(自设计部分)	自设计磁铁样品到货
06	B、C 组扫描:梯度涡流与分割有效性	用自设计磁铁做全套静场实验;3 T 扫描仪机时(若可得)	实验流程 v1(含不确定度)
07–11	联合场(进场 + 转动 + 序列波形)按需加入;仿真出方案 → 实验验证 → 修模型,每月一轮	实验验证候选构型;致热实验(视功放到位);数据采集随流程固定逐步脚本化	每轮一份记录
12	磁铁设计规范 v1 + 样品	磁铁 MR 测试规程 v1 + 实验平台	长期成果

这是不出意外时的排期;11 月两项任务能否完成待实际检验,计划按月滚动调整。现实中可能出现的问题与对策见 §4.8。

4.6 器材与报价

第一阶段静场平台合计约 13 万元,另计机时(查询日 10-15-2026):

器材	选型	价格	依据
静磁场源	长春英普电磁铁 + 电源	¥99,500	北航青岛研究院成交价
磁通计 + 测量线圈	天恒 TM7500	¥13,000	标价
特斯拉计	北京翠海 CH-1600	¥8,600	标价
扭矩传感(N·m 级)	北京海博华 HCNJ-103	¥4,600	参考价,量程 ≤2 N·m
推拉力计	艾德堡 HP-5、HP-50	¥1,666	含税标价
测温(静场阶段)	Pico TC-08;海康 H11PRO+	£349;¥1,799	官网标价
3 T 扫描仪机时	华东师范大学 Prisma fit;上海科技大学 uMR890	1,000–2,000 元/h	学校公开价,成像用途
第二阶段参考	4 通道荧光光纤测温;梯度功放 AE Techron 7224	¥121,500;€8,600	标价;MR 兼容待确认

3 T 机时按上海口径:华东师范大学 Prisma fit 1,000 元/小时(同页另一处显示 0 元,以学校通知为准);上海科技大学 uMR890 送样校内 1,000、校外 2,000 元/小时。复旦、交大、同济未查到公开价格。均为成像用途价格,是否接受磁铁样品待问。来源:上海科技大学收费文件(https://eshare.shanghaitech.edu.cn/sbme/yxyx/!upload/file/20240307111130_32744.pdf);华东师范大学大型仪器共享平台(https://yqgx.ecnu.edu.cn/Portal/Equipment/Show?Id=f2febf2e-5837-45d7-8838-34b051fe36d1)。
两条影响选型的估算:一,直径 10–19 mm 的钕铁硼盘磁矩约 0.1–1 A·m²,3 T 下最大扭矩约 0.3–2.9 N·m,扭矩传感要按 N·m 级选,mN·m 级会过载。二,整片磁铁约 100–1000 emu,可能超过常规 VSM 量程,整片磁矩用磁通计加亥姆霍兹线圈测更合适,VSM 送测(清华约 150 元/样)只测切下的小样。
第三档:候选构型定制(数千至数万元 / 批)、VSM 外测。
参照量级:浙江省医疗器械检验研究院一整套 ZMT 植入物 MR 测试系统招标预算 2,041 万元。
仿真电脑不列入:现有 96 GB 内存够用。

4.7 产品边界

参数	决定什么	到位前的替代值	替代值来源
保持力上下限	磁矩下限;保持力实验的判据	0.23–0.4 N	人工耳蜗在位参考区间 [11]
皮瓣厚度、横向偏移	保持力与横向刚度的扫描范围	皮瓣 3–8 mm;偏移无	成人约 5–8 mm,儿童 3–4 mm [8–10]
允许转角	姿态范围的判据(供日后的转动机构或使用限制)	无	—
温升限值	梯度、射频致热实验的判据	2 °C	ISO 14708-1 二手引述,条款待确认
重量与体积	磁铁尺寸上限	无	—
线圈匝数、半径、工作电流	6.78 MHz 核对;磁铁处的充电场强	5–10 匝、半径 15 mm、0.5–1 A	粗估

这六项决定设计的上下限:保持力与皮瓣厚度定磁矩下限,磁矩下限又决定 MR 安全侧的难度;允许转角与温升定安全侧判据;重量体积定尺寸上限;线圈参数只用于充电核对与磁铁处充电场强的估算。另有标准与文献可给的边界: $B_{0}$ 、空间梯度、 $d B / d t$ 、射频 $B_{1}^{+}$ / SAR(ISO/TS 10974、IEC 60601-2-33、ASTM);位移力、扭矩、温升的合格阈值标准不给(F2213 用与重力矩比较),须与产品部门、导师共同确定。

处理原则。 产品参数自 09-07-2026 向产品部门索取,至今未获得,这是磁铁仿真至今未定题的原因。到位前用文献值与人工耳蜗同类值作默认包络继续算;到位后只重算,不改方法。

4.8 风险与对策

排期没有试错余地,七处可能卡住:

风险 → 后果	对策
产品参数自 09-07 未给 → 仿真对不上本产品	先用人工耳蜗公开值;请导师定截止日期(如 12 月底),到了只重算
3 T 平台不让强磁样品进机房 → 拿不到 3 T 数值	11 月就去问;备好非磁性夹具与安全方案;备选第三方检测
采购审批与交期(电磁铁 4–8 周)→ 02 月搭不成	平台整体顺延 1 个月;先做不需场源的保持力实验
定制磁铁起订量与交期 → 每月迭代做不到	一次下一批多变体;迭代改为 2 轮
瞬态、运动耦合、人脑模型太难 → 07 月后卡住	列为可选,长期成果不依赖它们
梯度功放约 12 万元不批 → 致热实验做不了	改为仿真加送检,长期成果写法留余地
一人两条线,另有中期答辩 → 全线延误	每期分”必须交付 / 可延后”两档;14 个月只排约 10 个月的工作

最可能先出问题的是前两项,都要在 11 月内问清。另有四项不确定:

3 T 环境不可自建。 位移力、扭矩、退磁的 3 T 数值与伪影只能靠机构扫描仪机时;自建小场只给趋势与流程。
射频仿真量。 入射场需全波模型,比静磁重一个量级;分期做,先均匀场后体模与人脑。
判据外置。 标准不给合格阈值,判据须与产品部门、导师共同建立并论证;不确定度决定平台价值的上限。
探索与主线的平衡。 行业外内容不预判有用无用,以概念卡为上限,不开新项目。

5. 预期成果

期	成果	时点
短期	磁铁相关物理原理学习;已有磁铁方案的仿真复现:磁铁概念卡 4–6 张(理论与仿真同步,每张带算例);三种专利构型的两轮仿真复现对照表;行业外方法的迁移判断;A 组参量扫描与设计窗口第一版	01-2027
中期	基础 MR 实验平台;候选磁铁构型:保持力、位移力、扭矩、退磁测量,流程跑通,可做 / 不可做工况清单;实验流程第一版,逐项标明”标准给的 / 缺的 / 自设计的”;候选构型 1–2 个,含 6.78 MHz 核对;中期答辩材料	04-2027
长期	磁铁 MR 测试规程与实验平台;磁铁设计规范与样品:测试规程 v1 含不确定度预算;设计规范 v1 含参数调整判据与允许的设计范围;测试矩阵交平台组	12-2027

申请书 [7] 承诺的参数化正向物理模型(输入设计参数与扫描条件,输出四类响应并指出调整方向)是长期成果的内核,本计划的设计线即其在产品背景下的实现。

6. 待议事项

事项	内容	时点
产品边界条件	§4.7 六项参数;线圈匝数、半径、工作电流用于 6.78 MHz 核对与磁铁处充电场强估算	尽早;到位前用人工耳蜗值
器材预算	第一阶段静场平台约 13 万元,另计机时	12 月定,01 月下单
静磁场环境	自建小场,或机构扫描仪机时;3 T 机房是否接受磁铁样品	11 月问,01 月定
实验室场地	约 15–20 m²;电磁铁数百公斤须确认楼面承重;电源数 kW,可能需三相电;部分型号需冷却水	下单前向厂家确认
候选构型定制	充磁方向、分割的外协渠道	03 月下单
中期答辩要求	学院对交付物的形式与时点	待问
平台组对接人	测试矩阵的接收方	待问
C4 镀层是否纳入	与申请书”镀层与外壳已排除”不一致(§4.1)	本轮定

实验室场地的具体数值取决于电磁铁型号,下单前向厂家要占地、重量、电源与冷却要求,当前数值为估计 [待确认]。

参考文献

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§3.1 表中其余专利见各自的源卡。内部资料:物理参数图谱-对位磁体(基金申请仓 02_Material/aimd-mri-rf-safety/,09-01-2026);ISO/TS 10974:2018 总览与 §11 / §12 / §14 / §9 / §10 协议卡(本库);产品画像 v1.2(工作区设计稿)。标 [待核]、[待确认] 的数值引用前须回原文核对。

对位磁铁的 MR 兼容设计与实验平台:研究计划

对位磁铁的 MR 兼容设计与实验平台:研究计划

1. 引言

1.1 问题的原点

1.2 两个问题

1.3 与前期工作的关系

1.4 研究方法的总体取向

2. 磁吸充电方案与磁铁的设计变量

2.1 磁铁的三个约束

2.2 MR 兼容为什么最严苛

2.3 可调参量、使用条件与结果量

2.4 材料选择

2.5 联系结构:一个枢纽、三条支路、一个贯穿状态量

2.6 参量间的相互约束

3. 已有方案与验证方法

3.1 已有专利路线(按参量组)

3.2 产品与量化文献

3.3 行业外的设计方法

3.4 公开证据的空白

3.5 六个实验与标准条款

3.6 能买的与要自行设计的

4. 研究计划

4.1 设计范围

4.2 无线充电:不研究,核对一次

4.3 所需知识与现状

4.4 方法约定

4.5 路线与月度安排(11-2026 至 12-2027)

4.6 器材与报价

4.7 产品边界

4.8 风险与对策

5. 预期成果

6. 待议事项

参考文献

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