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US7642887B2 System and method for reducing effect of magnetic fields on a magnetic transducer

US7642887B2 System and method for reducing effect of magnetic fields on a magnetic transducer

摘要

  • 问题:中耳植入的电磁换能器含永磁体；B0 与磁矩失配时，磁体受力矩 ，可使换能器偏离固定位置。专利还将反向强场退磁和 RF 脉冲在线圈中感生电压列为独立风险。
  • 方案:圆柱双磁体以反平行磁矩抵消合力矩；另一组实施例让球形磁体在 keeper 约束下沿轴作动、在 B0 中自由转向。反向绕制的多线圈用于抵消外部 RF 场所感生的总电压。
  • 效果:专利定性主张双磁体构型的总力矩近零，以及可转球体在强外场中免于力矩和退磁；未报告力矩、磁矩、位移或温升的实测值。
  • 形态:34 项权利要求的独立权利要求 1、21 和 29 指向含多个可转动球形磁体的平移换能器；权利要求 29 进一步限定两外线圈与反向中线圈。说明书另示单球 keeper、反平行圆柱磁体和 rotational mass transducer。

原理与方案

标注:引号内英文 = 专利 raw 原文;[推导] = 由专利参数与电路模型推出的结论,非专利原文;[推断] = 按 RF/工艺常识的判断,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

常规 floating mass transducer 100 的磁体 104 在 housing 101 内沿轴 105 平移；线圈 102、103 的电流驱动磁体，惯性再带动 housing。B0 不平行于磁矩时，专利以 “T-mxB” 表示静磁力矩，并称该力矩可扭转换能器、伤及佩戴者或破坏机械固定（FIG. 3）。磁偶极的力矩物理关系与 B0 对齐条件见[1]。

同一外场还可使与 B0 反向的磁体部分退磁；两枚反平行磁体若只剩一枚磁矩减弱，原先的抵消失衡而出现残余力矩。专利把磁 RF 脉冲在线圈内感生电压列为第三条风险，但没有把该电压与器件损坏阈值相连。

消扭矩的物理机制

FIG. 4 的圆柱磁体 405、406 背靠背置于轴 105，磁矩方向相反。若两枚磁体磁矩大小相等， [推导]；说明书将结果写为 “total torque exerted to the arrangement” 为 Substantially Zero。这个抵消只以两磁体磁矩近似相同为前提，未给磁矩配对公差、退磁曲线或 B0 强度上限。反向强场造成残余磁矩的失效路径见[2]。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 4 — 反平行圆柱磁体 405、406 与三线圈 102、103、403 的平移换能器示意。

单球方案以球形磁体 601 和软磁 keeper 603 兼顾静态取向与 B0 自对齐。无外场时，keeper 吸引磁体一极，使磁矩沿轴 105，因而线圈可定义平移方向；强外场出现时，keeper 的磁化和球体磁矩均转向 B0。球体 “mechanically free to turn into any direction”，所以平衡后 、静态力矩为零 [推导]。这解决的是磁矩相对壳体的失配，不是消除球体重取向过程的摩擦力矩：说明书承认场方向变化时 “A Small torque may momentarily be exerted”。

双球构型 700 的磁体 704、705 在无强外场时相吸，等效为可沿轴移动而不易被线圈场转向的磁体；反平行 B0 使两球翻转 180°，平移响应方向随之反向（FIG. 10）。垂直 B0 下两球为各自对齐外场而相互排斥（FIG. 11）；这说明静态消扭矩并不保证轴向力、行程或功能状态不变。FIG. 14–15 把该排斥状态用于断开 spring contacts 1402 的开关。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 7 — 含两枚球形磁体 704、705、非磁适配器 702 和线圈 102、103 的平移换能器示意。

工程实现与取舍

权利要求 1/21 覆盖多个球形磁体在单一未分隔空间内自由转动并沿轴移动的平移构型；biasing member 可为弹簧或 silicone，隔开磁体与 housing。适配器 702 的 spherical calottes、Teflon 涂层或润滑剂用于降低球间与球壳摩擦；这直接限制重取向时残余力矩和运动失真，但专利未给摩擦系数、间隙或寿命数据。

FIG. 6 的单球 keeper 603 是用软磁材料在无 B0 时定义静止取向的工程件；FIG. 12 则以 non-magnetic adapter 1201、shaft 1203、piston 1208 和 fluid chambers 1209、1210 把平移输出接到轴或流体。FIG. 13 的 rotational mass transducer 改由固定 keeper 1306、1307 定义球形磁体 1303 的静止方向；线圈 1305 的交流磁场驱动球体，球体因 “moment of inertia” 不能即时转动，反作用力矩使 housing 1310 振动。该形态把工作时的交变转矩留在换能功能中，B0 安全主张仍依赖球体可重定向。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 13 — 含球形磁体 1303、固定 keeper 1306、1307 与线圈 1305 的 rotational mass transducer。

RF 缓解与 B0 消扭矩是并列工程措施，不是同一物理机制。两线圈构型令 102、103 相同且绕向相反；三线圈构型则令中线圈 403 的绕向相反，并使 “number of loops of the middle coil equals the sum of loops”。在均匀外部 RF 磁场、各线圈磁通和绕组参数匹配时，感生电压可相消 [推导]；claim 14/26 的结果表述为 “induced Voltage of the plurality of coils arising from an external RF field is zero”。专利没有给线圈匝数、面积、阻抗或非均匀 RF 场中的残差，故不能把该结构主张视作 RF malfunction 的验证。

本件面向固定于听小骨的中耳换能器，磁体、keeper、线圈和活动空间均为紧凑机电组件。对 DBS 双侧皮层导线，磁偶极在 B0 中的对齐条件可迁移；可转动质量、轴向行程和听小骨固定方式则没有直接对应部件 [推断]。本篇同时采用净磁矩抵消与可转动自对齐两条路径，其跨专利普遍性需在综述层另行比较 [待确认]。

效果与证据

本篇的证据是结构示意、权利要求和定性工作说明；以下按条件分列，不能作为同一性能数据集比较。

  • 静磁场力矩（定性说明）:FIG. 4 的双圆柱磁体被描述为任意取向外场下总力矩近零；该结论依赖磁矩匹配。球形方案在强外场中被称为 “free of torque and cannot be demagnetized”，但未给 B0 场强、角度、转动时间、摩擦、力矩或退磁前后的磁化测量。
  • 磁场方向变化（定性边界）:可转球体的说明明确存在由摩擦导致的瞬时小力矩；FIG. 10 与 FIG. 11 给出平行/反平行和垂直场向下的翻转或相斥状态，未给位移、接触载荷和开关阈值。
  • 线圈场分布与 RF 感应（示意/设计主张）:FIG. 5 比较 FIG. 4 中单线圈和三线圈产生的轴向磁场分量；FIG. 8 给出 FIG. 7 构型的轴向磁场分布。RF 感生电压相消的条件由绕向和匝数关系给出，未报告测得的感生电压、RF 频率、场强、负载或扫描序列。
  • 换能功能（机制说明）:平移构型以 housing 振动或 shaft 输出为终点，rotational mass 构型以球体转动惯量对 housing 的反作用力矩为终点；没有位移、力、频响、声学输出或传感灵敏度数据。

严谨性缺口:

  • 无静磁力矩、位移力、壳体/听小骨载荷、磁化强度或退磁前后性能的实测，也无有限元、磁路或材料退磁模型；磁矩抵消仅是等磁矩假设下的 [推导]。
  • 无 MRI 暴露条件集：B0 场强、空间位置、场向变化速率、植入朝向、扫描时长和温度均未报告；没有 ISO/TS 10974、ASTM F2052/F2213 或其他 MR-conditional 验证。
  • 差分线圈只在均匀 RF 场与精确匹配的理想条件下论证相消；无 RF 电压实测、器件损坏阈值或线圈热数据，不能评价 rf-malfunction 风险。
  • housing 被称为优选 non-ferromagnetic，但材料例举中含 iron；该材料选择与磁安全边界未解释 [待确认]。
  • 本篇没有与其他专利或产品的并列测试，不能据此判断两类消扭矩路径的行业普遍性或优劣。

关联

  1. magnetic-dipole-torque——静磁场中磁偶极的 ，用于区分本篇的等磁矩抵消推导与未提供的器件级力矩证据。
  2. magnet-demagnetization-reverse-field——反向强场导致部分退磁、残余磁矩及力矩抵消失衡的物理路径。