US8013699B2 MRI-safe electro-magnetic tranducer

摘要

• 问题:含永磁体+线圈的电磁换能器(中耳/人工耳蜗听觉植入的振动致动器或传感器)暴露于MRI强磁场(“above about 1 Tesla”)时,磁体所受扭矩可能使换能器移位、强场可致磁体部分退磁,MRI的RF磁脉冲还会在线圈中感应电压损坏换能器。
• 方案:球形磁体配软磁keeper(单侧或两侧对称,由弹性biasing member定位)在强场中自由转动、使磁矩自行对齐外场以消除扭矩与退磁;线圈反向绕制(双线圈或三线圈差分)使空间均匀的外场在各线圈感应的电压相消。
• 效果:全篇无扭矩、退磁量或感应电压相消程度的实测或仿真,均为几何/静力学层面的设计断言;仅有的两张定量坐标图是线圈驱动场分布,非安全性证据。
• 形态:14项权利要求,独立权项1(球形磁体+双keeper)与14(叠加三线圈差分绕组);可调维度含磁体数量与形状(单球/双球/圆柱对)、keeper数量(单/双)、线圈数与绕法(双线圈/三线圈)、驱动输出方式(housing平动/housing旋转/驱动轴-液压)。

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] = 按常识判断、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

基线器件是housing 101内一枚永磁体经coil驱动沿axis 105平移的”floating mass transducer”:磁体振动经biasing member传给housing、驱动听骨链;反向运行时housing振动带动磁体、在coil中感应电压充当传感器。这类换能器用于”auditory (cochlear or middle ear) prosthesis”,专利称其暴露于”above about 1 Tesla”的MRI外场时会”produce three potentially harmful effects”:

• 扭矩:磁体是永磁体,磁矩m与外场B不平行时受T=m×B的扭矩,可能把换能器扭离固定位置、损伤植入者或破坏机械固定(FIG. 3;现有技术)。
• 退磁:若磁矩存在与外场反向的分量,强场会使磁性材料局部退磁,换能器效率下降或损坏。此机理与扭矩同源于磁体磁矩和静态外场的相互作用,区别只在于表现为材料剩磁的不可逆损失,而非机械受力。
• RF感应电压:MRI的时变RF磁脉冲穿过coil匝链的磁通发生变化,依Faraday感应在coil中激起电压,可能损坏换能器或伤及患者。此机理与前两条无关——前两条是静态场与磁矩的相互作用,这一条是时变磁通的感应耦合。

解决机理

对应上述两条独立机理,专利给出两条互不相关的解法。

磁体自由转动,同时消除扭矩与退磁。 把磁体做成球形并使其”mechanically free to turn in any direction”:外场足够强时,球体自行转动直至磁矩与外场对齐,T=m×B因m∥B而趋零[推导];磁化方向随外场转动对齐、不再维持反向,退磁风险随之消失。双球实施例覆盖任意外场取向:外场垂直于轴时两球各自对齐外场、彼此”repelling each other”,专利称此时”no torque is exerted to the magnets, and no (partial) demagnetization”发生;外场与轴反平行时两球整体翻转,行为等效于极性反转的单磁体。

反直觉点在于:放弃对磁体取向的机械约束、任其自由转动,才是消除扭矩的关键——常规圆柱磁体的取向被结构锁死,遇外场必然承受扭矩;本方案让扭矩转化为磁体自身重新定向的运动,而非施加在housing或固定结构上的净力矩。

差分绕组消除RF感应电压,与磁体转动机制正交。 该解法作用于coil绕组几何,与磁体是否自由转动无关:两只coil反向绕制,对同一空间均匀分布的外部时变磁场感应出等值反号的电动势,串联后”ensuring the net Voltage induced from a magnetic RF pulse is Substantially Zero”。反向绕制翻转感应电动势极性,是绕向决定磁场与感应电动势符号关系的直接应用[1]。

工程实现

反平行圆柱磁体,另一条独立于自由转动的除扭矩路线(FIG. 4)。 两枚圆柱磁体405、406”mounted back to back”、磁矩相反,合成磁矩趋零,故”total torque exerted to the arrangement”在任意外场取向下”is Substantially Zero”——不依赖磁体自身转动,而靠磁矩相消。housing 401内配三只线圈实现RF差分抵消(见下)。此路线磁体取向固定不转,与球形/双球的自由转动路线是两种独立的除扭矩几何:前者靠磁矩相消,后者靠磁矩追随外场对齐。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 4 —(两枚圆柱磁体405、406反平行排列,housing 401内配三只线圈,中间coil反向绕制;claim 10、14对应的差分绕组实施例)

单keeper定向(FIG. 6A)。 球形磁体601单侧配一枚keeper 603,材料为”solid alloy, Ferrite, or Ferrofluid”的软磁体:软磁材料无固有剩磁,由外场方向重新磁化,与磁体本身保有固定磁矩不同;无外场时keeper被磁体磁化并吸附,使磁矩”opposing magnetic poles of the magnet are aligned parallel to the axis”,令球体表现得像常规圆柱磁体、“prevented from rattling”。若无keeper,磁矩取向本身”would be undefined”,球体运动亦不可控。keeper由非磁性adapter 602沿轴定心;专利注明该定向手段”may be replaced by any other system or principle that keeps the magnetic moment”,即keeper只是其中一种实现。

双keeper对称(FIG. 6B)。 两枚keeper 620分居磁体两侧,各由biasing member 615(如fixation spring)沿轴弹性定位;对称设计降低生产复杂度,“symmetric design helps ensure a symmetric vibrational response”双向对称,且”reduced harmonic distortions which might occur in an un-symmetric design”优于非对称设计。两只线圈方向不同、经导线107相连,交流电流驱动磁体往复推动两侧keeper振动housing——这正是claim 1、13所指的对称实施例。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 6B —(球形磁体601两侧各配一枚keeper 620,由biasing member 615弹性定位,两只反向绕制线圈经导线107相连;claim 1、13对应的对称实施例)

双球互吸(FIG. 7、FIG. 9–11)。 两颗球形磁体704、705靠磁力直接相吸(北极对南极)合成单一稳定磁矩,取向本身不确定,但相吸力”much stronger than the force”(线圈磁场对磁体的作用力),故线圈驱动电流不能改变其取向,只推动磁体沿轴平动。非磁性adapter 702(球窝面,Teflon涂覆)置于两球间以”reduce the punctual pressure”并”reduces the reluctance between the magnets”。磁矩取向还可由外部强轴向场预先设定,“program a phase shift of 0° or 180°“于线圈电流与磁体运动之间。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 10–11 —(双球磁体在垂直外场中各自对齐外场且彼此相斥,示球形磁体自由转动消除扭矩与退磁的原理;单球+keeper实施例共享同一转动对齐机理,专利未为其单独绘图)

开关功能(FIG. 14–15)。 借双球在垂直外场下相斥这一状态,加装electrical connections 1401与spring contacts 1402:平行场或无场时触点闭合,垂直强场下触点断开,构成随外场取向通断的机械开关。

旋转质量变体(FIG. 13)。 keeper固定于housing、不随磁体转动;线圈交流电流对球形磁体施加交变力矩,球体”cannot turn fast enough because of its moment of inertia”,反作用力矩落在与housing固连的线圈上,驱动housing本身旋转振动——自由体在磁场中受力矩这一物理被反过来用作驱动源,而非被动安全机制;该构型自身在强外场下仍保有免扭矩、免退磁的特性。

驱动轴/液压变体(FIG. 12)。 单球601+keeper的振动改由非磁性adapter传给shaft 1203,末端piston 1208分隔fluid chamber 1209/1210(经inlet 1206、outlet 1207);piston做成阀即可泵送流体,反向运行时流体压力波动经活塞传回、在线圈中感应电压,充当传感器。

摩擦与工艺。 磁体或壳内壁可”coating the magnets and/or inner surfaces of the housing with Teflon”或浸润滑剂降低摩擦;双球间也可用球轴承(ball bearing)代替低摩擦滑动件。housing取非铁磁材料,如”stainless Steel, titanium, iron, aluminum, platinum, nylon or a ceramic”,气密封装、生物相容。

差分绕组的两种具体实现。 最简为两只完全相同、绕向相反的线圈(FIG. 6A、6B);更一般的是三线圈结构(FIG. 4):“three coils 102, 103, and 403”,其中”middle coil 403 wound in a direction that is different”于两只外线圈,claim 10限定middle coil匝数等于两只外线圈匝数之和,使三者对均匀外场的净感应电压相消;正文另给出电感层面的匹配判据——“the added inductance of coils 102 and 103 can be chosen to be substantially identical to the inductance of coil 403”。claim 14把球形磁体+双keeper结构与三线圈差分绕组合并为单一独立权利要求。

取舍

• 反平行圆柱磁体路线只在有限场强下严格零扭矩:专利明说该实施例”works fine for external magnetic field strengths that cannot weaken one of the magnets”;场强足够高时,反平行于外场的那枚磁体”may be diminished”,留下”residual net magnetization”,扭矩重新出现。球形自由转动路线规避此失效——球体总是转到与场对齐,从不长期维持反平行状态,是专利给出的更稳健通解。
• 自由转动依赖低摩擦,且只消除稳态扭矩:外场取向改变的瞬间仍有摩擦残留,专利称”torque may momentarily be exerted during a change”,以Teflon涂层、润滑或球轴承压低而非消除。
• keeper/biasing的定位力须显著弱于强外场下的重新定向驱动,否则会重新引入部分刚性约束;双球方案要求球间吸力远强于线圈驱动力、却仍须弱于强外场下的重新定向力矩,二者的量级关系专利未给出。
• 差分绕组抵消以外场空间均匀、且各线圈电感/匝数精确匹配为前提:三线圈方案以匝数匹配作为抵消判据,匝数比与几何一致时严格成立,加工公差下的残余电压专利未量化。
• 专利将上述免扭矩/防退磁方案的适用范围明确写为”shall not be limited to use in MRI environments and not limited to medical implants”——即该物理方案被作者定位为通用于任何强磁场暴露场景,而非专属MRI或听觉植入。

效果与证据

全篇无扭矩、退磁量或RF感应电压相消程度的任何实测或仿真,零扭矩、零感应电压均为几何/静力学层面的设计断言;“above about 1 Tesla”是背景段落给出的定性阈值,并非专利自行验证的数值。仅有的两张定量坐标图为线圈驱动场分布,与安全性证据不可互比,单列如下:

• 线圈驱动场分布(工程设计图,非安全性证据):FIG. 5给出FIG. 4器件在三线圈驱动与仅内线圈驱动两种情形下,轴向磁场分量沿轴的分布;FIG. 8给出FIG. 7器件线圈驱动产生的轴向磁场分布。两图刻画的是致动器驱动效率(专利称仅用一只线圈时”less efficient”,因驱动力正比于线圈磁场的局部梯度),不涉及扭矩、退磁或RF感应电压。

严谨性缺口:

• 无任何安全性实测或仿真:扭矩、退磁量、RF残余感应电压均无数值;housing/keeper/磁体的具体尺寸、磁矩、矫顽力、线圈匝数与电感全部未给。
• 反平行圆柱路线的退磁阈值未定量:触发”may be diminished”的场强专利仅称更强(“even stronger”),无具体数值。
• 差分绕组抵消的容差未给:三线圈方案以匝数比作为抵消判据,加工与装配误差下的残余电压幅度未估。
• RF感应电压危害只停在可能损坏换能器或伤及患者的定性表述,未展开到具体损坏模式或组织致热路径。
• 摩擦残余力矩未量化(专利仅称瞬时残留),未给出摩擦系数或残余力矩幅度。
• claim 14将三线圈差分绕组与球形磁体+双keeper结构合并为单一独立权利要求,但全部附图的文字说明中未见二者共同实施的示意图。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US8013699B2/en
• 危害:b0-torque
• 危害:b0-malfunction
• 危害:rf-malfunction

1. winding-sense-magnetic-field——绕向决定磁场与感应电动势的极性关系,反向绕制线圈使均匀外场感应的电压相消(概念卡)。