研究计划 · 11-2026 至 12-2027
对位磁铁的 MR 兼容
设计与实验平台
含无线充电功能的植入式器械 · 3 T
磁吸方案与设计变量
已有方案与验证方法
我准备怎么做
10-2026
概要
两个问题,三期成果
问题一 · 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
问题二 · 验证
如何在实验平台中验证,包括标准未规定、须自行设计的实验
短期 · 01-2027
磁铁相关物理原理学习;
已有磁铁方案的仿真复现
中期 · 04-2027
基础 MR 实验平台;
候选磁铁构型
长期 · 12-2027
磁铁 MR 测试规程与实验平台;
磁铁设计规范与样品
02
01
磁吸充电方案与设计变量
问题的原点、磁铁的三个约束、23 个可调参量与它们的相互约束
01 方案与变量
02 已有方案与验证
03 我准备怎么做
01 · 问题的原点
磁吸充电方案
充电的前提:发射线圈与接收线圈对准。
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(人工耳蜗参考 0.23–0.4 N)
② 不干扰无线充电
磁铁是导体,把线圈的磁通排开(左上图),自感与 Q 下降
③ MR 兼容 · 最严苛
力学、热学、磁学、成像都要达标
外部电磁场最复杂、强度最大(左下图),对磁铁的力学(位移、转动)、磁学(退磁)等影响最严重
04
01 · 方案与变量
23 个可调参量
A 本体几何与材料
6 项
A1 外径
A2 厚度
A3 内径
A4 端面形状
A5 剩磁 Bᵣ
A6 矫顽力 Hcj
A5、A6 由材料与型号决定
B 磁化空间分布
3 项
B1 整体方向(轴向 / 径向 / 斜向)
B2 分区及各区方向
B3 多极级数
C 分割与导电层
4 项
C1 分割数
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 项
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 项
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
05
01 · 方案与变量
参量间的相互约束
每格横轴:该行参量增大;纵轴:该结果量大小 · 蓝线 变好 · 橙线 变坏 · 灰线 基本无关 · ? 方向待仿真确认
参量 \ 结果量
对准
保持力
对准
横向刚度
MR
扭矩
MR
位移力
MR
退磁
MR
梯度发热
MR
射频发热
可用性
伪影
可用性
质量
充电
充电效率
尺寸
厚径比固定,等比放大
厚径比 t/D
磁矩固定,由扁变厚
型号矫顽力档
N→H→SH→UH→EH,剩磁略降
分割数 N
没有一个参量能让所有列同时变蓝,只能取舍。
06
02
已有方案与验证方法
专利方案对应哪些设计变量;六个实验怎么做,哪些能买、哪些要设计
01 方案与变量
02 已有方案与验证
03 我准备怎么做
02 · 已有方案与验证
已有专利路线 · B 磁化与 C 分割
六条路线都来自人工耳蜗专利:磁铁把体外头件吸在植入体上方,使两只线圈对准,经皮传送电能与信号,作用与本项目相同
B 磁化
径向 / 斜向磁化
EP4074373B1 · Fig. 3(B)
仰卧时 B₀ 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 B₀ 一致。斜向则让磁化与轴成 10°–30°
B 磁化
净磁矩近零
US20120296155A1 · FIG. 3A
中心盘与外环磁化方向相反,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
C 分割
分割叠片 + 磁轭
US6178353B1 · FIG. 7
把磁铁或与之相吸的保持件切成薄片,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。专利在 200 kHz 测得线圈 Q 由 22 升到 30;对 MRI 只有定性主张
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02 · 已有方案与验证
已有专利路线 · D 封装与装配
同为人工耳蜗专利;三条路线改的是磁铁怎么装,不改磁铁本身
D 封装
自由旋转自对准
US11986656B2 · FIG. 15
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 B₀ 一致,扭矩消除
D 封装
弹性偏置 / 限角
US10646712B2 · FIG. 15
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 B₀,出场后弹簧拉回原位。限角则让磁铁端面抵住壳壁、限制转角
D 封装
可移除 / 退磁再磁化
US9844666B2 · US7609061B2
扫描前取出;
借扫描仪退磁后再充磁
可移除:磁铁装在钛壳里,旋入植入体上的保持座,高场 MRI 前取出、扫描后装回。退磁再磁化:按特定姿态把头部放在孔口前,借扫描仪的强场先退磁,扫描后再充磁
09
02 · 已有方案与验证
六个实验与标准条款
1 保持力 功能实验 · 非 ISO
对准
2 位移力 ISO §11 · ASTM F2052
MR
3 扭矩 ISO §12 · ASTM F2213
MR
4 梯度致热 ISO §9 Tier 1
MR
5 射频致热 ISO §8 · ASTM F2182
MR
6 退磁 ISO §14 · 无程序
MR
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02 · 已有方案与验证
能买的与要自行设计的
市售可买
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
需要自行设计的实验
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
需要自行设计的仪器
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
| 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,B₀ 固定 |
| 3 T 下的具体数值 | 不能 | 能 |
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03
我准备怎么做
设计哪些变量与理由,理论、仿真与实验需求,时间、器材、产品边界与风险
01 方案与变量
02 已有方案与验证
03 我准备怎么做
03 · 我准备怎么做
设计范围与所需知识
第一阶段
A 本体几何与材料
第二阶段
B 磁化空间分布
第二阶段
C 分割与导电层
不做
D 封装与装配
不做
E 安装位置
理由:先做单个整块磁铁的设计,熟悉仿真与实验;再做分区磁化、分割等更复杂的磁铁,循序渐进
| 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 |
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03 · 我准备怎么做
路线与月度安排
设计线
仿真
概念卡、专利构型两轮复现
静磁(含退磁)
力、扭矩、退磁
固定姿态
空气
01 月末:设计窗口第一版
+ 射频
+ 发热
姿态扫描
空气(均匀 B₁ 场)
候选构型定稿时核对一次 6.78 MHz 充电影响
+ 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)
联合场
全部
动态
进场、转动、序列波形
人脑模型 · 每月一轮迭代
设计规范与样品
终点
11 · 2026
12
01 · 2027
◆ 短期成果
02
03
◆ 候选构型下单
04
◆ 中期答辩
05
06
07–11
12
◆ 长期成果
验证线
实验
精读 ISO / ASTM
标准实验仿真预实验
01 月:器材下单
搭静场平台
保持力、位移力、扭矩、退磁
市售磁铁试跑
不确定度预算
补标准缺失实验
测自设计磁铁
3 T 机时
实验验证候选构型
平台随迭代补缺
测试规程与实验平台
终点
方法约定:理论与仿真同步,每个概念一个算例 · 复现他人方案两轮(原参数、本项目参数) · 文献结论经自行仿真核验后使用
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03 · 我准备怎么做
器材与报价
| 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 |
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03 · 我准备怎么做
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 |
| 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 |
| 允许转角 | 可转动构型的限位角 | 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 |
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03 · 我准备怎么做
风险与对策
| 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 |
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待议事项
需要外部支持的事项
| 事项 | 内容 | 时点 |
|---|---|---|
| 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 |
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