US9393428B2 Implantable antenna assemblies

摘要

• 问题:耳蜗植入体的定位磁体与 MRI 磁场相互作用，可能使磁体或植入体运动；传统绕线天线依赖手工制造，电气与机械参数存在批间偏差。
• 方案:以多层柔性 PCB 集成接收线圈与接地屏蔽，并在硅胶外壳中设置可手术取出的 lip pocket；另一变体以旋转装入 cage 的方式约束磁体在 MRI 中移位或脱出。
• 效果:柔性 PCB 天线在金属底板、2.8 mm 聚氨酯覆盖层及偏法线 10° 的条件下承受最高 13 J 重复冲击而无损；cage 的 MRI 保持效果仅有条件性结构陈述。
• 形态:27 项权利要求、11 张 drawing sheets；claim 1 覆盖三基板上的线圈与包围式屏蔽，claims 17–18 覆盖可无损取出磁体的 pocket 与制造方法，cage 位于说明书实施例。

原理与方案

标注:引号内英文 = 专利 raw 原文;[推导] = 由专利参数与电路或力学模型推出的结论,非专利原文;[推断] = 按物理/工程常识的判断,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

植入定位磁体 189 用于吸持外部 transmitter 180，使其线圈与植入 antenna assembly 187 对位并完成经皮功率和信号传输（FIG. 1–2）。MRI 磁场与该永磁体相互作用，专利表述为 “produce undesirable forces and possibly motion”；运动对象包括 magnet 189 与 cochlear implant。

[推导] 把磁体近似为磁偶极矩 $\mathbf{m}$ 时，均匀静磁场中的对齐力矩为

$\mathbf{\tau }=\mathbf{m}\times {\mathbf{B}}_0,$

空间梯度中的平动力为

$\mathbf{F}=\nabla (\mathbf{m}\cdot {\mathbf{B}}_0).$

因此，磁体相对 ${\mathbf{B}}_0$ 的取向决定力矩，场梯度与磁矩投影决定平动力。专利使用上位词 forces；其能否作为 b0-force 的机理证据见「严谨性缺口」。

解决机理

Pocket 路线在硅胶 encapsulant 345 中形成 cavity 600，以腔口 lip 605 保持钛壳封装的钕合金磁体 189（FIG. 6A–6C）。MRI 前经软组织切口推开 lip、取出磁体，扫描后复位；[推导] 取出后 $\mathbf{m}$ 从植入体中消失，对该磁体的静磁力与力矩随之消失。Claim 17 要求磁体 “removable from the implant”，claim 18 要求其可取出、复位而不损伤 encapsulant。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 6A–6D — 硅胶 pocket、lip 与可拆磁体的剖面，以及薄磁体缩短收发线圈距离的构型。

Cage 路线把磁体 905 插入 cage 900 的 central aperture 902 后旋转锁定，cage 外部特征与 encapsulant 345 咬合，也可直接连接 flexible antenna assembly 187（FIG. 9A–9C）。[推导] 该结构提供抗位移反力，但不改变 $\mathbf{m}$、${\mathbf{B}}_0$ 或场梯度；磁载荷仍由磁体产生，并经 cage 传入封装体及其连接结构。专利用 “prevent the magnet from shifting or becoming dislodged” 描述其 MRI 设计目标，同时保留工具反向旋转后取出磁体的路径。FIGS. 9A–9C 段将磁体记为 905，FIG. 9C 段另记为 910 [待确认]。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 9A–9C — cage 的中央孔、旋转锁定磁体及其与硅胶封装和柔性天线的剖面关系。

同公司后续专利把 MRI 前取出、扫描后复位称为传统耳蜗植入磁体的常用处理，并转向可随 ${\mathbf{B}}_0$ 旋转的磁体以减少重复手术[1]。本篇 pocket 属取出路线，cage 属磁载荷存在时的机械保持路线；后续专利的自由旋转路线通过磁体对齐 ${\mathbf{B}}_0$ 降低力矩。

工程实现

螺旋 inductor coil 315 位于第一基板 340-1 的一面，return trace 350 位于另一面，两者经穿过第一基板的 via 相连；return trace 使内圈跨至线圈外侧而不与其余匝相交（FIG. 3–5）。第二、第三基板承载 shield 上下部分：弧段 325/335、迹线 330 与 vias 320 组成包围线圈的导电环，端子 355 接 implant processor 的钛 housing 地；线圈两端由 connection points 360 接入 RF electronics。线圈长度、匝数、迹线宽度与厚度用于设定 inductance、Q 与 resistance。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 4 — 多层柔性 PCB 剖面，显示线圈 315、屏蔽迹线 325/330、基板 340 与粘合层 342 的叠层位置。

基板材料为 PI 或 LCP，单层厚 0.0005–0.002 in（raw 并列写作 12.5–50 µm）；线圈金迹线约 0.0007 in 厚、0.02 in 宽，屏蔽迹线约 0.0009 in 厚、0.007 in 宽。金或金合金迹线下设钛或铂 adhesion layer，层间 adhesive 342 约 0.0008 in。迹线可经沉积后化学蚀刻或 laser ablation 成形，也可由金/铂 foil 激光或微加工后层压；vias 可经激光、冲切或钻孔成孔并填充 noble metal。多副天线可先在同一聚合物 sheet 上制图，再切分、堆叠和层压。

四金属层、五聚合物层与四粘合层各按约 0.001 in 估算时，封装前厚度约 0.013 in（330 µm）；说明书给出的封装前范围为 200–400 µm，claim 15 限定低于 400 µm。加约 0.008 in（203 µm）silicone 后，成品约 0.029 in（737 µm）。中央 aperture 705 可让磁体部分进入 PCB 平面，FIG. 7B–7C 以不同高度布置磁体；FIG. 8 进一步以颅骨凹槽容纳向下伸出的磁体。FIG. 6D 的磁体 620 厚 2–3 mm、直径大于磁体 189，用较小的线圈间距 630 换取更高传输效率。

取舍

柔性 PCB 以平面内抗拉的 PI 承担迹线保护、以厚度方向弯曲贴合颅骨；外层 PI 防止迹线磨损，silicone 提供组织缓冲与 conductor strain relief。Pocket 允许完全去除磁源，但每次取出与复位均需手术切口。Cage 允许磁体原位保留并可逆拆卸，其保持能力取决于锁定几何、cage 与 encapsulant 的界面以及连接结构承载能力 [推导]。磁体或天线更靠近皮肤可提高收发线圈耦合，却同时把机械保持结构布置在更薄的皮下空间。[推断] 对双侧 DBS 皮层导线系统，直接可迁移对象限于含头戴件定位永磁体的 IPG housing。

效果与证据

• 机械冲击实测:天线组件置于金属表面模拟颅骨，覆盖 2.8 mm polyurethane sheet 模拟皮肤；calibrated surface striker 以相对天线平面法线 10° 的方向重复冲击，能量最高 13 J。说明书报告 “no damage to the antenna assembly”。该试验对象和终点是柔性 PCB 天线结构完整性。
• 结构尺寸与叠层估算:说明书以各金属、PI 与 adhesive 层约 0.001 in 的假设得到封装前约 0.013 in（330 µm），再以 0.008 in silicone 得到约 0.029 in（737 µm）；这些数值是几何加总。Claim 15 的封装前厚度要求为低于 400 µm。
• MRI 保持的结构陈述:cage 仅被表述为在某些情况下 “may retain the magnet”，终点为避免 magnet 905 移位或脱出；pocket 的效果是提供可手术取出和复位的磁体通道。
• 制造与电气效果陈述:专利把柔性 PCB 工艺与较低制造成本、较小电气和机械偏差、较高能量传输效率及外部设备电池寿命联系起来；调谐变量为线圈长度、匝数、宽度和厚度。

严谨性缺口

• MRI 讨论未给出 ${\mathbf{B}}_0$ 场强、空间梯度、磁体磁矩、扫描姿态或位移方向，也未区分平动力与对齐力矩；本篇对 b0-force 的支持止于对力与可能运动的定性陈述。
• Cage 未给保持力、锁定扭矩、允许位移、材料、尺寸、公差或失效载荷，也无 MRI 暴露实测、仿真、动物或临床证据；其是否足以抵抗目标扫描条件 [待确认]。
• 13 J 冲击试验未说明包含 pocket、磁体或 cage，且冲击载荷与 MRI 磁载荷的方向、时间尺度和传力路径不同，不能用于验证 MRI 磁体保持能力。
• 天线未给 inductance、Q、resistance、传输效率或批间偏差的实测分布；成本降低与电池寿命延长均无量化数据。
• 未提供 MRI 或 CT 图像、伪影尺寸或诊断可用性指标；磁体移除对影像的效果停留在设计理由。
• FIGS. 9A–9C 的磁体编号 905/910 不一致；raw 还将 0.001 in 多次对应为 24.5 µm，而标准换算为 25.4 µm [推导]，定稿时需核授权 PDF。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US9393428B2/en
• 危害:b0-torque

1. US11779754B2_Advanced-Bionics——同公司后续耳蜗植入磁体专利，说明 MRI 前取出/扫描后复位的传统路线及可旋转磁体替代方案。