KR20180093988A - 신연 디바이스에 대한 외부 조정 디바이스 - Google Patents
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- A61B90/98—Identification means for patients or instruments, e.g. tags using electromagnetic means, e.g. transponders
Abstract
외부 조정 디바이스는 디바이스의 제1 단부에 직선상으로 연장되는 제1 핸들 및 디바이스의 제2 단부에 있는 제2 핸들 - 제2 핸들은 제1 핸들에 대해 실질적으로 축을 벗어난 방향으로 연장됨 - 을 갖는, 축을 중심으로 회전하도록 구성된 적어도 하나의 영구 자석을 포함한다. 외부 조정 디바이스는 제1 핸들의 내부에 마운팅된 모터 및 제1 핸들 또는 제2 핸들 중 하나의 핸들에 근접하여 위치된 제1 버튼 - 제1 버튼은 제1 핸들 또는 제2 핸들 중 하나의 핸들을 그립하는 손의 엄지손가락에 의해 조작되도록 구성됨 - 을 추가로 포함한다. 제1 버튼은 적어도 하나의 영구 자석을 축을 중심으로 제1 방향으로 회전시키는 모터를 작동시키도록 구성된다.
Description
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2015년 12월 10일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/265,430호 및 2016년 1월 7일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/276,196호에 대한 우선권 및 그 이익을 청구한다.
발명의 분야
본 발명의 분야는 일반적으로 골격계(skeletal system)의 장애들을 치료하기 위한 의료 디바이스들에 관한 것이다.
척추측만증(Scoliosis)은, 보통 흉추(thoracic) 또는 흉요추(thoracolumbar) 부위에서의, 척추의 측면(측방) 만곡에 대한 일반 용어이다. 척추측만증은 흔히 상이한 치료 그룹들인, 청소년기 특발성 척추측만증(Adolescent Idiopathic Scoliosis), 조기 발현 척추측만증(Early Onset Scoliosis) 및 성인 척추측만증(Adult Scoliosis)으로 나누어진다.
청소년기 특발성 척추측만증(AIS)은 전형적으로 10세 내지 16세의 아동들에게서 발생하며, 신체가 발육하고 있을 때 나타나는 급성장기(growth spurt) 동안 가장 심각해진다. 10세 내지 16세의 아동들 중 1 내지 2 퍼센트는 어느 정도의 척추측만증을 가지고 있다. 매 1000명의 아동들 중, 2 내지 5명은 치료를 필요로 할 정도로 심각한 만곡들을 나타내고 있다. 척추측만증의 정도는 전형적으로, 보통 x-선 이미지들로부터, 만곡된 부분의 정점 상하에서 가장 경사진(tilted) 척추뼈(vertebrae)를 선택하고 상단 척추뼈의 상단과 하단 척추뼈의 하단에 수직으로 그려진 교차하는 라인들 사이의 각도를 측정하는 것에 의해 결정되는 코브각(Cobb angle)에 의해 기술된다. 특발성이라는 용어는 이 이상만곡(curvature)의 정확한 원인이 알려져 있지 않다는 사실을 나타낸다. 일부 사람들은 급속 성장 단계 동안 척추의 황색 인대(ligamentum flavum)가 너무 긴장되어(tight) 있어 척추의 대칭 성장을 방해할 때 척추측만증이 발생한다고 추측하였다. 예를 들어, 척추의 전방 부분(anterior portion)이 후방 부분(posterior portion)보다 더 빨리 신장(elongate)할 때, 흉추(thoracic spine)가 곧게 펴지기(straighten) 시작하고, 마침내, 종종 회전을 수반하면서, 측방으로 만곡한다. 보다 심각한 경우들에서, 이 회전은 실제로, 한쪽 어깨가 다른 쪽 어깨보다 더 낮은, 눈에 띄는 기형을 유발한다. 현재, 많은 학군들은, 예를 들어, 5학년 학생들 전부에 대해, 척추의 외부 육안 평가(external visual assessment)를 수행한다. "I"형 대신에 "S"형 또는 "C"형이 확인된 그 학생들에 대해, 의사에게 척추 검사를 받을 것과 주기적 척추 x-선들로 통상적으로 경과 관찰(follow-up)되어야 하는 것이 권장된다.
전형적으로, 코브각이 20° 이하인 환자들은 치료받지 않지만, 종종 후속 x-선들로 계속 경과 관찰된다. 코브각이 40° 이상인 환자들은 보통 융합 수술(fusion surgery)을 권장받는다. 많은 환자들이, 수많은 이유들로, 이 척추 평가를 받지 않는다는 점에 유의해야 한다. 많은 학군들은 이 평가를 실시하지 않고, 많은 아동들이 정기적으로 의사를 방문하지 않으며, 따라서 종종 만곡이 빠르게 그리고 심각하게 진행된다. 코브각이 90° 이상으로 높은 극단적인 경우들에서, 척추측만증을 치료받지 않은 수많은 장성한 성인들이 있다. 그러나, 이 성인들 중 다수는 이 기형과 연관된 고통이 없고, 비교적 정상적인 삶을 영위하지만 종종 기동성(mobility) 및 움직임(motion)이 제한된다. AIS에서, 10° 미만의 만곡들에 대한 여성 대 남성의 비는 약 1:1이지만, 30° 초과의 각도들에서는, 여성이 남성보다 무려 8:1로 많다. AIS 환자들에 대해 또는 성인 척추측만증 환자들에 대해 융합 수술이 실시될 수 있다. 전형적인 후방 융합 수술(posterior fusion surgery)에서는, 등(back)의 길이의 아래에서 절개가 이루어지고, 티타늄 또는 스테인리스강 교정 로드(straightening rod)들이 만곡된 부분을 따라 배치된다. 이 로드들은 전형적으로, 척추가 곧게 펴질 수 있게 하는 방식으로, 예를 들어, 후크들 또는 뼈 나사(bone screw)들, 또는 보다 구체적으로는 척추경 나사(pedicle screw)들을 사용하여, 척추뼈 몸체들에 고정된다. 보통, 융합이 요망되는 부위에서는, 추간판이 제거되고, 융합을 야기하기 위해 골이식 재료(bone graft material)가 배치된다. 이것이 자가조직 재료(autologous material)인 경우, 뼈는 고관절(hip)로부터 별도의 절개를 통해 채취(harvest)된다.
대안적으로, 융합 수술이 전방에서(anteriorly) 수행될 수 있다. 접근을 위해 측방 및 전방 절개가 이루어진다. 보통, 이 전방 접근법에서 척추에의 접근을 가능하게 하기 위해 폐(lung)들 중 하나의 폐가 수축(deflate)된다. 전방 시술의 덜 침습적인 버전에서는, 긴 단일 절개 대신에, 환자의 한쪽 측면에 있는 (늑골들 사이의) 늑간 공간들 중 몇 개의 늑간 공간에서, 각각이 약 3 내지 4 cm 길이인, 대략 5개의 절개가 이루어진다. 이 최소 침습적 수술의 하나의 버전에서, 테더(tether)들 및 뼈 나사들이 배치되고 만곡의 전방 볼록 부분 상의 척추뼈에 고정된다. 현재, 테더/나사 조합 대신에 스테이플들을 사용하는 임상 시험들이 수행되고 있다. 후방 접근법과 비교하여 이 수술의 하나의 장점은, 비록, 예를 들어, 수영복을 입었을 때, 흉터들이 눈에 보이는 영역에 여전히 위치되지만, 절개들로 인한 흉터들이 두드러지지 않는다는 것이다. 스테이플들은 임상 시험들에서 약간의 어려움을 겪었다. 스테이플들은 임계 응력 레벨(critical stress level)에 도달할 때 뼈에서 빠져나가는 경향이 있다.
일부 경우들에서, 수술 이후에, 융합 과정이 일어날 때 환자는 몇 달 동안 보호 브레이스(protective brace)를 착용하게 된다. 환자가 척추 성숙(spinal maturity)에 도달하면, 척추뼈의 융합이 보통 로드들 자체를 통합(incorporate)시키기 때문에 후속 수술에서 로드들 및 연관된 하드웨어를 제거하기가 어렵다. 표준 관행은 이 임플란트를 평생 동안 그대로 놔두는 것이다. 이 2개의 수술 방법 중 어느 하나에서, 융합 이후에, 환자의 척추가 이제 곧게 펴져 있지만, 몇 개의 척추뼈가 융합되었는지에 따라, 굽히기 및 비틀기 둘 다에서, 유연성의 정도에 종종 제한들이 있다. 이 융합 수술을 받은 환자(fused patient)들이 성장함에 따라, 융합된 부위는 인접한 비-융합된 척추뼈에 큰 응력을 가할 수 있으며, 종종 이 구역들에서 통증을 비롯한 다른 문제들이 발생할 수 있으며, 때로는 추가 수술을 필요로 한다. 고령 환자들에서 문제가 되기 쉬운 척추의 요추 부분에서 이러한 경향이 있다. 많은 의사들은 이제, 융합의 단점들 중 일부를 제거할 수 있는, 척추측만증에 대한 무융합 수술(fusionless surgery)에 관심이 있다.
척추가 특히 역동적(dynamic)인 환자들의 한 그룹은, 전형적으로 5세 이전의 아동들에서 그리고 소녀들보다 소년들에서 더 자주 발생하는, 조기 발현 척추측만증(EOS)이라고 알려진 서브세트이다. 이것은 1만 명의 아동 중 약 1 명 또는 2 명에서만 발생하는, 보다 드문 질환이지만, 심각할 수 있으며, 때로는 장기(organ)들의 정상적인 발달에 영향을 미칠 수 있다. 이 아동들의 척추가 치료 이후에 여전히 많이 성장할 것이라는 사실로 인해, 성장 로드(growth rod)라고 알려진 비-융합 신연 디바이스들 및 VEPTR(Vertical Expandable Prosthetic Titanium Rib, 수직 확장형 인공 티타늄 늑골)("Titanium Rib, 티타늄 늑골")이라고 알려진 디바이스가 개발되었다. 이 디바이스들은 전형적으로, 아동이 적어도 8세일 때까지, 때로는 아동이 15세일 때까지, 아동의 성장과 매칭시키기 위해 대략 매 6개월마다 조정된다. 각각의 조정은 디바이스의 조정가능 부분에 접근하기 위해 외과적 절개를 필요로 한다. 환자들이 6개월 정도의 어린 나이에 디바이스를 수용할 수 있기 때문에, 이 치료는 여러 번의 수술을 필요로 한다. 다수의 수술로 인해, 이 환자들은 꽤 높은 감염 우위(preponderance of infection)를 나타낸다.
AIS 환자들로 돌아가서, 코브각이 20° 내지 40°인 환자들에 대한 치료 방법은 상당히 논란의 여지가 있다. 많은 의사들은, 환자가 골격적으로 성숙해질 때까지, 예를 들어, 16세까지는, 환자가 하루 18 내지 23 시간 신체 상에 그리고 의복 아래에 착용해야만 하는 브레이스(예를 들어, 보스턴 브레이스(Boston Brace))를 금지한다. 이 환자들 모두가 사회적으로 힘든 청소년기를 지내고 있기 때문에, 상반신의 대부분을 덮는 다소 커서 다루기 어려운 브레이스를 착용하는 것, 큰 상처들을 남기고 또한 움직임을 제한할 수 있는 융합 수술을 받는 것, 또는 아무것도 하지 않고 외관이 손상되고 어쩌면 불구가 될 위험을 무릅쓰는 것 중 어느 하나의 선택을 강요받을 가망성이 상당히 많다. 많은 환자들이, 임의의 관련 창피함으로부터 벗어나기 위해, 때때로 자신의 브레이스를, 예를 들어, 학교 밖의 덤불에 숨겨둔다는 것은 흔히 알려져 있다. 환자의 신체를 감지하고 브레이스가 착용된 하루당 시간의 양을 추적하는 특수 브레이스들이 제작될 정도로 환자의 브레이스 착용 준수가 문제가 되었다. 환자들이 심지어 센서를 속이기 위해 이 유형의 착용되지 않은 브레이스들 내에 물체들을 두는 것으로 알려져 있다. 환자의 일관성없는 브레이스 사용 준수와 함께, 브레이스들이, 적절히 사용되더라도, 척추측만증을 치료하는 데 전혀 효과적이지 않다는 것이 많은 의사들의 생각이다. 이 의사들은 브레이싱(bracing)이 만곡(코브각) 진행을 아마도 늦추거나 심지어 일시적으로 정지시킬 수 있다는 것에 동의할 수 있지만, 치료 기간이 끝나고 브레이스가 더 이상 착용되지 않자마자, 종종 척추측만증이, 치료 시작 당시보다 훨씬 더 심각한 코브각까지, 급속히 진행된다는 것에 주목하였다. 일부 사람들이 말하는 브레이스가 효과적이지 않다고 생각되는 이유는 브레이스가 척추 전체가 아닌 몸통(torso)의 일부분에만 작용한다는 것이다. 현재, BrAIST(Bracing in Adolescent Idiopathic Scoliosis Trial)라고 알려진 장래의 무작위 추출된 500명 환자 임상 시험이 환자들을 등록하고 있으며, 그 중 50%는 브레이스로 치료받을 것이고 그 중 50%는 단순히 관찰될 것이다. 코브각 데이터가 골격 성숙 때까지 또는 50°의 코브각에 도달할 때 - 이 때 환자가 수술을 받을 가능성이 있을 것임 - 까지 계속하여 측정될 것이다. 많은 의사들은 BrAIST 시험이 브레이스들이 완전히 비효율적이라는 것을 보여줄 것이라고 생각한다. 이러한 경우에, 코브각이 20° 내지 40°인 AIS 환자들에 대해 어떻게 대처할지에 관한 곤경이 더욱 두드러질 뿐일 것이다. 유의할 점은 "20° 내지 40°" 환자 집단이 "40° 이상" 환자 집단보다 무려 10배나 더 많다는 것이다.
가골 신연(distraction callotasis) 및 골신연(osteodistraction)이라고도 하는, 신연 골형성(distraction osteogenesis)이 신체의 장골(long bone)들을 연장시키는 데 성공적으로 사용되었다. 전형적으로, 뼈는, 이미 골절되지 않은 경우, 피질골 절제술(corticotomy)에 의해 고의로 골절되며, 뼈의 2개의 분절(segment)이 점차적으로 신연(distract)되어 이격되고, 이는 새로운 뼈가 그 갭에 형성될 수 있게 한다. 신연 속도(distraction rate)가 너무 높으면, 불유합(nonunion)의 위험이 있고, 속도가 너무 낮으면, 신연 기간(distraction period)이 완료되기 전에 2개의 분절이 서로 완전히 융합될 위험이 있다. 이 과정을 사용하여 뼈의 원하는 길이가 달성되면, 뼈가 경화(consolidate)될 수 있게 한다. 신연 골형성 응용들은 주로 대퇴골(femur) 또는 경골(tibia)의 성장에 중점을 두고 있지만, 상완골(humerus), 턱뼈(소악증(micrognathia)), 또는 다른 뼈들을 또한 포함할 수 있다. 뼈를 연장시키거나 성장시키는 이유들은 여러가지이며, 응용들은: 골육종후 골암(post osteosarcoma bone cancer); 단신(short stature) 또는 왜소증(dwarfism)/연골 무형성증(achondroplasia)에서의 미용 연장(양쪽 다리 - 대퇴골 및/또는 경골); 한쪽 사지를 다른 쪽 사지와 매칭하도록 연장시키는 것(선천성(congenital), 외상후(post-trauma), 골격 장애후(post-skeletal disorder), 인공 슬관절(prosthetic knee joint)), 불유합을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.
외고정기구(external fixator)들을 사용하는 신연 골형성이 여러 해 동안 행해져 왔지만, 외고정기구가 환자에게는 다루기 불편할 수 있다. 이는 또한 고통스러울 수 있으며, 환자는 핀 삽입부 감염(pin track infection)들, 관절 경직(joint stiffness), 식욕 부진(loss of appetite), 우울증, 연골 손상 및 다른 부작용들의 위험에 처해 있다. 외고정기구를 제자리에 두는 것은 또한 재활의 시작을 지연시킨다.
외고정기구 신연의 단점들에 따라, 뼈 내에 완전히 포함되는 골수내 신연 금속정(intramedullary distraction nail)들이 외과적으로 이식되었다. 일부는 환자의 사지의 반복된 회전을 통해 자동으로 연장된다. 이것은 때로는 환자에게 고통스러울 수 있으며, 종종 통제되지 않은 방식으로 진행될 수 있다. 이것은 따라서 불유합(너무 빠른 경우) 또는 조기 경화(early consolidation)(너무 느린 경우)를 피하는 엄격한 일일 또는 주간 연장 체제(lengthening regime)를 따르는 것을 어렵게 만든다. 하지(lower limb) 신연 속도는 하루에 1mm 정도이다. 피이식 모터(implanted motor)를 가지며 안테나에 의해 원격 제어되는 다른 골수내 금속정(intramedullary nail)들이 개발되었다. 이 디바이스들은 따라서 제어된 방식으로 연장되도록 설계되어 있지만, 그들의 복잡성으로 인해, 감당가능한 가격의 제품으로 제조가능하지 않을 수 있다. 다른 사람들은 피이식 자석(implanted magnet)을 포함하는 골수내 신연기(intramedullary distractor)들을 제안하였으며, 이는 신연이 외부 고정자에 의해 전자기적으로 구동될 수 있게 한다. 외부 고정자의 복잡성과 크기로 인해, 이 기술은, 환자들이 매일 연장술을 실시할 수 있게 하기 위해, 집으로 가져갈 수 있는 간단하고 비용 효과적인 디바이스로 축소되지 않았다.
일 실시예에서, 외부 조정 디바이스는 축을 중심으로 회전하도록 구성된 적어도 하나의 영구 자석을 포함한다. 외부 조정 디바이스는 디바이스의 제1 단부에 직선상으로 연장되는 제1 핸들 및 디바이스의 제2 단부에 배치된 제2 핸들 - 제2 핸들은 제1 핸들에 대해 각을 이루는 방향으로 연장됨 - 을 추가로 포함한다. 외부 조정 디바이스는 제1 핸들의 내부에 마운팅된 모터 및 제1 핸들 또는 제2 핸들 중 하나의 핸들에 근접하여 위치된 제1 버튼 - 제1 버튼은 제1 핸들 또는 제2 핸들 중 하나의 핸들을 그립(grip)하는 손의 엄지손가락에 의해 조작되도록 구성됨 - 을 포함한다. 제1 버튼은 적어도 하나의 영구 자석을 축을 중심으로 제1 방향으로 회전시키는 모터를 작동시키도록 구성된다.
다른 실시예에서, 외부 조정 디바이스는 축을 중심으로 회전하도록 구성된 적어도 하나의 영구 자석 및 적어도 하나의 영구 자석을 축을 중심으로 회전시키도록 구성된 모터를 포함한다. 외부 조정 디바이스는 디바이스의 제1 단부에 직선상으로 연장되는 제1 핸들 및 디바이스의 제2 단부에 배치된 제2 핸들 - 제2 핸들은 제1 핸들에 대해 실질적으로 축을 벗어난 방향으로 연장되고, 제1 및 제2 핸들 중 하나의 핸들은 루프 형상(looped shape)을 포함함 - 을 추가로 포함한다. 제1 구동 버튼은 제1 핸들 또는 제2 핸들 중 하나의 핸들에 근접하여 위치되고, 제1 구동 버튼은 제1 핸들 또는 제2 핸들 중 하나의 핸들을 그립하는 손의 엄지손가락에 의해 조작되도록 구성된다. 제1 구동 버튼은 적어도 하나의 영구 자석을 축을 중심으로 제1 방향으로 회전시키는 모터를 작동시키도록 구성된다.
도 1은 신연 디바이스를 조작하도록 구성된 외부 조정 디바이스를 예시하고 있다.
도 2는 외부 조정 디바이스의 디스플레이 및 제어 패널의 상세도를 예시하고 있다.
도 3은 외부 조정 디바이스의 하부 또는 하측 표면들을 예시하고 있다.
도 4는 도 3의 라인 4-4를 따라 본 외부 조정 디바이스의 단면도를 예시하고 있다.
도 5는 도 3의 라인 5-5를 따라 본 외부 조정 디바이스의 단면도를 예시하고 있다.
도 6은 신연 디바이스의 피이식 자석을 구동하는 동안 외부 조정 디바이스의 자석들의 배향을 개략적으로 예시하고 있다.
도 7은 외부 조정 디바이스의 인쇄 회로 보드에 연결된 다양한 센서들을 예시하고 있다.
도 8은 외부 조정 디바이스의 인쇄 회로 보드 상의 홀 효과 센서들의 시계 위치(clock position)들의 뷰를 예시하고 있다.
도 9a는 일 실시예에 따른 홀 효과 센서들의 특정의 구성을 예시하고 있다.
도 9b는 도 9a의 구성의 홀 효과 센서들의 출력 전압을 예시하고 있다.
도 9c는, 자석들이 비동기 상태에 있는, 도 9a의 구성을 예시하고 있다.
도 9d는 도 9c의 구성의 홀 효과 센서들의 출력 전압을 예시하고 있다.
도 10a는 다른 실시예에 따른 홀 효과 센서들의 특정의 구성을 예시하고 있다.
도 10b는 도 10a의 구성의 홀 효과 센서들의 출력 전압을 예시하고 있다.
도 11은 내부 피이식 자석(internal, implanted magnet)과 관련하여 외부 조정 디바이스의 2개의 외부 자석의 배향을 예시하고 있다.
도 12a 내지 도 12c는 상이한 자석간 갭(intermagnet gap)들을 갖는 외부 조정 디바이스의 외부 자석들의 쌍들을 예시하고 있다.
도 13a 및 도 13b는 외부 조정 디바이스의 외부 자석들을 둘러싸는 자기 필드 라인(magnetic field line)들의 개략도들을 예시하고 있다.
도 14는 다양한 자석간 갭들을 갖는 2개의 외부 자석에 대한 갭 거리(gap distance)에 대해 플로팅된 자기 플럭스 밀도(magnetic flux density)의 그래프를 예시하고 있다.
도 15는 자석간 갭 및 회전 오프셋이 변화되는 2개의 외부 자석 시스템의 2개의 상이한 쌍에 대한 갭 거리에 대해 플로팅된 자기 플럭스 밀도의 그래프를 예시하고 있다.
도 16a 내지 도 16d는 다양한 포지티브 일방 회전 오프셋(positive unilateral rotational offset)들을 갖는 외부 조정 디바이스의 2개의 외부 자석의 배향을 예시하고 있다.
도 17a 내지 도 17d는 다양한 네거티브 일방 회전 오프셋(negative unilateral rotational offset)들을 갖는 외부 조정 디바이스의 2개의 외부 자석의 배향을 예시하고 있다.
도 18은 일방 회전각(unilateral angle of rotation)에 대해 플로팅된 임플란트 토크(implant torque)의 그래프를 예시하고 있다.
도 19a 내지 도 19d는 다양한 포지티브 쌍방 회전 오프셋(positive bilateral rotational offset)들을 갖는 외부 조정 디바이스의 2개의 외부 자석의 배향을 예시하고 있다.
도 20a 내지 도 20d는 다양한 네거티브 쌍방 회전 오프셋(negative bilateral rotational offset)들을 갖는 외부 조정 디바이스의 2개의 외부 자석의 배향을 예시하고 있다.
도 21a 내지 도 21e는 기준 배향 및 다양한 쌍방 회전 오프셋들에서의 외부 조정 디바이스의 외부 자석들을 둘러싸는 자기 필드 라인들의 개략도들을 예시하고 있다.
도 22a 및 도 22b는 쌍방 회전각(bilateral angle of rotation)에 대해 플로팅된 임플란트 토크의 그래프들을 예시하고 있다.
도 23은 다양한 회전 오프셋들을 갖는 외부 자석들에 대한 갭 거리에 대해 플로팅된 플럭스 밀도의 그래프를 예시하고 있다.
도 24는 내부 피이식 자석과 관련하여 외부 조정 디바이스의 3개의 외부 자석의 배향을 예시하고 있다.
도 25a 내지 도 25c는 외부 조정 디바이스의 3개의 외부 자석의 다양한 배향들을 예시하고 있다.
도 26a 내지 도 26c는 정형된 자기 필드(shaped magnetic field)들을 갖는 다양한 원통형 자석들을 예시하고 있다.
도 27은 2 자석 시스템의 자기 플럭스 맵(magnetic flux map)을 예시하고 있다.
도 28a는 3 자석 시스템의 개략 다이어그램을 예시하고 있다.
도 28b 및 도 28c는 3 자석 시스템들의 플럭스 맵들을 예시하고 있다.
도 2는 외부 조정 디바이스의 디스플레이 및 제어 패널의 상세도를 예시하고 있다.
도 3은 외부 조정 디바이스의 하부 또는 하측 표면들을 예시하고 있다.
도 4는 도 3의 라인 4-4를 따라 본 외부 조정 디바이스의 단면도를 예시하고 있다.
도 5는 도 3의 라인 5-5를 따라 본 외부 조정 디바이스의 단면도를 예시하고 있다.
도 6은 신연 디바이스의 피이식 자석을 구동하는 동안 외부 조정 디바이스의 자석들의 배향을 개략적으로 예시하고 있다.
도 7은 외부 조정 디바이스의 인쇄 회로 보드에 연결된 다양한 센서들을 예시하고 있다.
도 8은 외부 조정 디바이스의 인쇄 회로 보드 상의 홀 효과 센서들의 시계 위치(clock position)들의 뷰를 예시하고 있다.
도 9a는 일 실시예에 따른 홀 효과 센서들의 특정의 구성을 예시하고 있다.
도 9b는 도 9a의 구성의 홀 효과 센서들의 출력 전압을 예시하고 있다.
도 9c는, 자석들이 비동기 상태에 있는, 도 9a의 구성을 예시하고 있다.
도 9d는 도 9c의 구성의 홀 효과 센서들의 출력 전압을 예시하고 있다.
도 10a는 다른 실시예에 따른 홀 효과 센서들의 특정의 구성을 예시하고 있다.
도 10b는 도 10a의 구성의 홀 효과 센서들의 출력 전압을 예시하고 있다.
도 11은 내부 피이식 자석(internal, implanted magnet)과 관련하여 외부 조정 디바이스의 2개의 외부 자석의 배향을 예시하고 있다.
도 12a 내지 도 12c는 상이한 자석간 갭(intermagnet gap)들을 갖는 외부 조정 디바이스의 외부 자석들의 쌍들을 예시하고 있다.
도 13a 및 도 13b는 외부 조정 디바이스의 외부 자석들을 둘러싸는 자기 필드 라인(magnetic field line)들의 개략도들을 예시하고 있다.
도 14는 다양한 자석간 갭들을 갖는 2개의 외부 자석에 대한 갭 거리(gap distance)에 대해 플로팅된 자기 플럭스 밀도(magnetic flux density)의 그래프를 예시하고 있다.
도 15는 자석간 갭 및 회전 오프셋이 변화되는 2개의 외부 자석 시스템의 2개의 상이한 쌍에 대한 갭 거리에 대해 플로팅된 자기 플럭스 밀도의 그래프를 예시하고 있다.
도 16a 내지 도 16d는 다양한 포지티브 일방 회전 오프셋(positive unilateral rotational offset)들을 갖는 외부 조정 디바이스의 2개의 외부 자석의 배향을 예시하고 있다.
도 17a 내지 도 17d는 다양한 네거티브 일방 회전 오프셋(negative unilateral rotational offset)들을 갖는 외부 조정 디바이스의 2개의 외부 자석의 배향을 예시하고 있다.
도 18은 일방 회전각(unilateral angle of rotation)에 대해 플로팅된 임플란트 토크(implant torque)의 그래프를 예시하고 있다.
도 19a 내지 도 19d는 다양한 포지티브 쌍방 회전 오프셋(positive bilateral rotational offset)들을 갖는 외부 조정 디바이스의 2개의 외부 자석의 배향을 예시하고 있다.
도 20a 내지 도 20d는 다양한 네거티브 쌍방 회전 오프셋(negative bilateral rotational offset)들을 갖는 외부 조정 디바이스의 2개의 외부 자석의 배향을 예시하고 있다.
도 21a 내지 도 21e는 기준 배향 및 다양한 쌍방 회전 오프셋들에서의 외부 조정 디바이스의 외부 자석들을 둘러싸는 자기 필드 라인들의 개략도들을 예시하고 있다.
도 22a 및 도 22b는 쌍방 회전각(bilateral angle of rotation)에 대해 플로팅된 임플란트 토크의 그래프들을 예시하고 있다.
도 23은 다양한 회전 오프셋들을 갖는 외부 자석들에 대한 갭 거리에 대해 플로팅된 플럭스 밀도의 그래프를 예시하고 있다.
도 24는 내부 피이식 자석과 관련하여 외부 조정 디바이스의 3개의 외부 자석의 배향을 예시하고 있다.
도 25a 내지 도 25c는 외부 조정 디바이스의 3개의 외부 자석의 다양한 배향들을 예시하고 있다.
도 26a 내지 도 26c는 정형된 자기 필드(shaped magnetic field)들을 갖는 다양한 원통형 자석들을 예시하고 있다.
도 27은 2 자석 시스템의 자기 플럭스 맵(magnetic flux map)을 예시하고 있다.
도 28a는 3 자석 시스템의 개략 다이어그램을 예시하고 있다.
도 28b 및 도 28c는 3 자석 시스템들의 플럭스 맵들을 예시하고 있다.
도 1 내지 도 3은 신연 디바이스(1000)를 조정하도록 구성된 외부 조정 디바이스(700)를 예시하고 있다. 신연 디바이스(1000)는 미국 특허 출원 제12/121,355호, 제12/250,442호, 제12/391,109호, 제11/172,678호 - 이들은 참조에 의해 본 명세서에 원용됨 - 에 개시된 것들과 같은 임의의 수의 신연 디바이스를 포함할 수 있다. 신연 디바이스(1000)는 일반적으로 외부 조정 디바이스(700)에 의해 인가된 자기 필드에 응답하여 회전하는 회전가능하게 마운팅된(rotationally mounted) 내부 영구 자석(1010)을 포함한다. 일방향으로의 자석(1010)의 회전은 신연을 일으키고, 반대 방향으로의 자석(1010)의 회전은 수축(retraction)을 일으킨다. 외부 조정 디바이스(700)는 재충전가능 배터리에 의해 또는 전원 코드(711)에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 외부 조정 디바이스(700)는 제1 핸들(702) 및 제2 핸들(704)을 포함한다. 제2 핸들(704)은 루프 형상으로 되어 있고, 외부 조정 디바이스(700)를 운반하는 데 사용될 수 있다. 제2 핸들(704)은 또한 사용 동안 외부 조정 디바이스(700)를 안정시키는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 제1 핸들(702)은 외부 조정 디바이스(700)의 제1 단부로부터 직선상으로 연장되는 반면, 제2 핸들(704)은 외부 조정 디바이스(700)의 제2 단부에 위치되고 실질적으로 축을 벗어나 연장되거나 제1 핸들(702)에 대해 각을 이루고 있다. 일 실시예에서, 제2 핸들(704)은 제1 핸들(702)에 대해 실질적으로 수직으로 배향될 수 있지만, 제1 핸들(702)은, 기어링(gearing), 벨트들 및 이와 유사한 것을 통해, 도 3에서 가장 잘 보이는 바와 같은 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)을 구동하는 모터(705)를 포함한다. 제1 핸들(702) 상에는, 신연 디바이스가 올바른 방향으로 조작되도록, 신체 윤곽(806) 및 외부 조정 디바이스(700)를 환자의 신체 상에 배치하는 올바른 배향을 보여주는 임의적 배향 화살표(808)를 포함하는 임의적 배향 이미지(804)가 있다. 제1 핸들(702)을 잡고 있는 동안, 조작자는, 신연 심벌(717)을 갖고 제1 색상, 예를 들어, 녹색인, 신연 버튼(722)을 그의 엄지손가락으로 누른다. 이것은 신연 디바이스(1000)를 신연시킨다. 신연 디바이스(1000)가 과다 신연(over-distract)되고 디바이스(1000)의 신연을 수축시키거나 줄이도록 요구받는 경우, 조작자는 수축 심벌(719)을 갖는 수축 버튼(724)을 그의 엄지손가락으로 누른다.
신연은 자석들(706, 708)을 일방향으로 회전시키고 수축은 자석들(706, 708)을 반대 방향으로 회전시킨다. 자석들(706, 708)은 창(811)에서 보일 수 있는 스트라이프(stripe)들(809)을 갖는다. 이것은 자석들(706, 708)이 정지해 있는지 회전하고 있는지, 그리고 자석들이 어느 방향으로 회전하고 있는지를 쉽게 확인할 수 있게 한다. 이것은 디바이스의 조작자에 의한 신속한 문제 해결을 가능하게 한다. 조작자는 신연 디바이스(1000)의 자석이 이식되는 환자 상의 지점을 결정할 수 있고, 이어서 환자의 피부의 대응하는 부분에 마킹하고 이어서 외부 조정 디바이스(700)의 정렬 창(716)을 통해 이 스폿을 보는 것에 의해, 외부 조정 디바이스(700)를 신연 디바이스(1000)에 대해 올바른 위치에 놓는다.
제어 패널(812)은 몇 개의 버튼(814, 816, 818, 820) 및 디스플레이(715)를 포함한다. 버튼들(814, 816, 818, 820)은 소프트 키(soft key)들이고, 상이한 기능들의 어레이를 위해 프로그램될 수 있다. 하나의 구성에서, 버튼들(814, 816, 818, 820)은 디스플레이에 나타나는 대응하는 범례들을 갖는다. 신연 디바이스(1000) 상에서 수행될 신연의 길이를 설정하기 위해, 목표 신연 길이(830)가 증가 버튼(814) 및 감소 버튼(816)을 사용하여 조정된다. 녹색 플러스 부호(plus sign) 그래픽(822)을 갖는 범례는 증가 버튼(814)에 대응하고, 적색 마이너스 부호(negative sign) 그래픽(824)을 갖는 범례는 감소 버튼(816)에 대응한다. 특정의 피처에 대해 사용된 특정 색상에 대한 본 명세서에서의 언급이 예시적인 것으로 보아야만 한다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에 구체적으로 인용된 것들 이외의 다른 색상들이 본 명세서에 기술된 발명 개념들과 관련하여 사용될 수 있다. 증가 버튼(814)이 눌러질 때마다, 이는 목표 신연 길이(830)를 0.1 mm 증가시킨다. 감소 버튼(816)이 눌러질 때마다, 이는 목표 신연 길이(830)를 0.1 mm 감소시킨다. 물론, 0.1 mm 이외의 다른 감분(decrement)들이 또한 사용될 수 있다. 원하는 목표 신연 길이(830)가 디스플레이되고, 외부 조정 디바이스(700)가 환자 위에 정확하게 배치될 때, 조작자는 이어서 신연 버튼(722)을 누른 채로 있으며(hold down), 외부 신연 디바이스(700)가 작동하여 자석들(706, 708)을 회전시켜, 마침내 목표 신연 길이(830)가 달성된다. 이 이후에, 외부 조정 디바이스(700)가 정지한다. 신연 프로세스 동안, 0.0 mm에서 시작하여 목표 신연 길이(830)가 달성될 때까지 증가하는, 실제 신연 길이(832)가 디스플레이된다. 실제 신연 길이(832)가 증가함에 따라, 신연 진행상황 그래픽(834)이 디스플레이된다. 예를 들어, 좌측으로부터 우측으로 진한 색상으로 채워지는 연한 색상의 박스(833). 도 2에서, 목표 신연 길이(830)는 3.5 mm이고, 2.1 mm의 신연이 일어났다. 신연 진행상황 그래픽(834)의 박스(833)의 60%가 디스플레이된다. 숫자들 중 하나 또는 둘 다를 다시 0으로 리셋시키기 위해 리셋 그래픽(826)에 대응하는 리셋 버튼(818)이 눌러질 수 있다. 다른 기능들(도움말, 데이터 등)을 위해 부가의 버튼(820)이 할당될 수 있다. 이 버튼은 그 자신의 대응하는 그래픽(828)을 가질 수 있다. 대안적으로, 터치 스크린, 예를 들어, 용량성 또는 저항성 터치 키들이 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 그래픽들/범례들(822, 824, 826, 828)은 또한 버튼들(814, 816, 818, 820)을 대체하거나 보강하는 터치 키들일 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 822, 824, 826, 828에 있는 터치 키들이, 제각기, 버튼들(814, 816, 818, 820)의 기능들을 수행하고, 버튼들(814, 816, 818, 820)이 제거된다.
2개의 핸들(702, 704)은 몇 가지 방식으로 잡을 수 있다. 예를 들어, 신연 디바이스(1000)의 피이식 자석의 환자 상에서의 위치를 찾으려고 노력하는 동안은 손바닥이 위로 향한 상태로 제1 핸들(702)을 잡을 수 있다. 손가락들이 핸들(702) 주위를 감싸고 4개의 손가락의 손가락 끝들 또는 중간 지점들이, 핸들(702)을 어느 정도 균형을 유지하게 하면서, 핸들(702)을 약간 누른다. 이것은 신연 디바이스(1000) 내의 자석과 외부 조정 디바이스(700)의 자석들(706, 708) 사이의 자기 필드가 보다 명백하게 되는 것을 가능하게 하는 매우 민감한 느낌을 가능하게 한다. 환자의 신연 동안은, 손바닥이 아래로 향한 상태로 제1 핸들(702)을 잡을 수 있어, 조작자가, 외부 조정 디바이스의 자석들(706, 708)과 신연 디바이스(1000)의 자석(1010) 사이의 거리를 최소화함으로써 토크 커플링(torque coupling)을 최대화하기 위해, 디바이스를 환자 상으로 꾹 누르는 것을 가능하게 한다. 이것은 환자가 거구이거나 어느 정도 비만한 경우 특히 적절하다. 제2 핸들(704)은, 조작자의 선호에 따라, 자석 감지 동작 및 신연 동작 동안 손바닥을 위로 하거나 손바닥으로 아래로 한 채로 잡을 수 있다.
도 3은 외부 조정 디바이스(700)의 하측 또는 하부 표면을 예시하고 있다. 외부 조정 디바이스(700)의 하부에서, 접촉 표면(836)은, 엘라스토머 재료(elastomeric material), 예를 들어, PEBAX® 또는 폴리우레탄과 같은, 연질 듀로미터(soft durometer)의 재료로 제조될 수 있다. 이것은 디바이스(700)가 떨어지는 경우 디바이스(700)를 보호하기 위해 충격 방지(anti-shock)를 감안한 것이다. 또한, 디바이스를 환자의 맨살 위에 배치하는 경우, 이 성질의 재료들은 경질 플라스틱 또는 금속만큼 신속하게 환자로부터 열을 빼내지 않으며, 따라서 그만큼 "차갑게 느껴지지 않는다". 핸들들(702, 704)은 또한, 미끄럼 방지 그립(non-slip grip)들로서 기능하기 위해, 이들을 커버하는 유사한 재료를 가질 수 있다.
도 3은 또한, 스마일리 페이스(smiley face)의 옵션을 포함하는, 아동 친화적 그래픽들(837)을 예시하고 있다. 대안적으로, 이것은, 테디 베어, 말 또는 토끼와 같은, 동물 얼굴일 수 있다. 다수의 얼굴의 세트가 다양한 어린 환자들의 좋아하는 것들과 매칭하도록 제거가능하고 상호교환가능하다. 그에 부가하여, 디바이스의 아래쪽에 있는 얼굴들의 위치는 조작자가 얼굴들을 보다 어린 아이에게는 보여주지만 그렇게 즐거워하지 않을 수 있는 보다 나이 많은 아동에게는 보이지 않게 하는 것을 가능하게 한다. 대안적으로, 인간, 동물 또는 다른 캐릭터들을 피처링(feature)하는 양말 인형(sock puppet)들 또는 장식 커버들이, 디바이스의 동작에 영향을 미치지 않으면서 디바이스가 그들로 얇게 커버될 수 있도록, 제작될 수 있지만, 그에 부가하여 신연 시술이 수행된 후에 인형들 또는 커버들이 어린 환자에게 주어질 수 있다. 이것은 어린 아동이 장래의 시술들을 위해 다시 오는 것에 보다 흥미를 느끼게 하는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다.
도 4 및 도 5는 다양한 중심선들을 따라 본 외부 조정 디바이스(700)의 내부 컴포넌트들을 예시하는 단면도들이다. 도 4는 도 3의 라인 4-4를 따라 본 외부 조정 디바이스(700)의 단면도이다. 도 5는 도 3의 라인 5-5를 따라 본 외부 조정 디바이스(700)의 단면도이다. 외부 조정 디바이스(700)는 제1 하우징(868), 제2 하우징(838) 및 중앙 자석 섹션(725)을 포함한다. 제1 핸들(702) 및 제2 핸들(704)은 (제1 핸들(702) 상에 도시된) 그립(703)을 포함한다. 그립(703)은 엘라스토머 재료로 제조될 수 있으며, 손에 의해 그립될 때 부드러운 촉감을 가질 수 있다. 재료는 또한, 단단히 그립하는 것을 돕기 위해, 끈적거리는 촉감을 가질 수 있다. 전력은 스트레인 릴리프(strain relief)(844)에 의해 제2 하우징(838)에 고정되는 전원 코드(711)를 통해 공급된다. 와이어들(727)은 기어 박스(842), 출력 기어(848), 센터 기어(center gear)(870) - 센터 기어(870)는, 각각의 자석(706, 708) 상에 하나씩, 2개의 자석 기어(852)(하나의 이러한 기어(852)가 도 5에 예시되어 있음)를 회전시킴 - 를 통해 자석들(706, 708)을, 제각기, 회전시키는 모터(840)를 포함하는 다양한 전자 컴포넌트들을 연결시킨다. 출력 기어(848)는 커플링(850)을 통해 모터 출력에 부착되고, 모터(840) 및 출력 기어(848) 둘 다는 마운트(846)를 통해 제2 하우징(838)에 고정된다. 자석들(706, 708)은 자석 컵(magnet cup)들(862) 내에 유지된다. 자석들 및 기어들은 베어링들(872, 874, 856, 858)에 부착되고, 이는 저마찰 회전(low friction rotation)에 도움이 된다. 모터(840)는 모터 인쇄 회로 보드(PCB)(854)에 의해 제어되는 반면, 디스플레이는 디스플레이 인쇄 회로 보드(PCB)(866)(도 4)에 의해 제어된다. 디스플레이 PCB(866)는 프레임(864)에 부착된다.
도 6은 신연 시술 동안 제1 및 제2 외부 자석들(706, 708)과 신연 디바이스(1000)의 피이식 자석(1010)의 자극(pole)들의 배향을 예시하고 있다. 설명을 위해, 배향들은 시계 상의 숫자들와 관련하여 기술될 것이다. 제2 외부 자석(708)의 S극(south pole)(904)이 12시 위치로 향해 있을 때 제1 외부 자석(706)의 N극(north pole)(902)이 12시 위치로 향해 있도록 제1 외부 자석(706)이 제2 외부 자석(708)과 동기적으로 (기어링, 벨트들 등에 의해) 회전된다. 이 배향에서, 따라서, 제1 외부 자석(706)의 S극(906)은 6시 위치로 향해 있는 반면, 제2 외부 자석(708)의 N극(908)은 6시 위치로 향해 있다. 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 둘 다가 각자의 화살표들(914, 916)에 의해 예시된 바와 같이 제1 방향으로 회전된다. 회전하는 자기 필드들은 피이식 자석(1010)에 토크를 가하여, 피이식 자석(1010)을 화살표(918)에 의해 예시된 바와 같이 제2 방향으로 회전시킨다. 토크 전달 동안 피이식 자석(1010)의 N극(1012) 및 S극(1014)의 예시적인 배향이 도 6에 도시되어 있다. 제1 및 제2 외부 자석들(706, 708)이 도시된 것과 반대 방향으로 회전될 때, 피이식 자석(1010)은 도시된 것과 반대 방향으로 회전될 것이다. 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)의 서로에 대한 배향은 피이식 자석(1010)에의 토크 전달을 최적화하는 역할을 한다. 외부 조정 디바이스(700)의 동작 동안, 2개의 외부 자석(706, 708)이 원하는 대로 동기적으로 구동되고 있는 것을 확인하는 것이 종종 어렵다. 도 7 및 도 8을 살펴보면, 외부 조정 디바이스(700)가 제대로 작동하고 있도록 보장하기 위해, 모터 인쇄 회로 보드(854)는 하나 이상의 인코더 시스템, 예를 들어, 포토인터럽터(photointerrupter)들(920, 922) 및/또는 홀 효과 센서들(924, 926, 928, 930, 932, 934, 936, 938)을 포함한다. 포토인터럽터들(920, 922) 각각은 방출기(emitter) 및 검출기를 포함한다. 방사상으로 스트라이핑된 링(radially striped ring)(940)이 외부 자석들(706, 708) 중 하나 또는 둘 다에 부착될 수 있어, 포토인터럽터들이 각운동(angular motion)을 광학적으로 인코딩하는 것을 가능하게 한다. 방사상으로 스트라이핑된 링(940)과 포토인터럽터들(920, 922) 사이에 라이트(light)(921, 923)가 개략적으로 예시되어 있다.
독립적으로, 홀 효과 센서들(924, 926, 928, 930, 932, 934, 936, 938)은 외부 자석들(706, 708) 중 하나 또는 둘 다의 회전을 추적하기 위한 비-광학 인코더(non-optical encoder)들로서 사용될 수 있다. 여덟(8)개의 이러한 홀 효과 센서가 도 7에 예시되어 있지만, 보다 적은 또는 보다 많은 이러한 센서들이 이용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 홀 효과 센서들은 홀 효과 센서들이 외부 자석들(706, 708)이 회전할 때 자기 필드 변화들을 감지할 수 있게 하는 위치들에서 모터 인쇄 회로 보드(854)에 연결된다. 각각의 홀 효과 센서(924, 926, 928, 930, 932, 934, 936, 938)는 자기 필드의 증가들 또는 감소들에 대응하는 전압을 출력한다. 도 9a는 센서들(924, 938)과 관련하여 홀 효과 센서들의 하나의 기본 배열을 나타낸다. 제1 외부 자석(706)과 관련하여 제1 홀 효과 센서(924)는 9시에 위치된다. 제2 외부 자석(708)과 관련하여 제2 홀 효과 센서(938)는 3시에 위치된다. 자석들(706, 708)이 정확하게 동기 운동(synchronous motion)으로 회전할 때, 제1 홀 효과 센서(924)의 제1 전압 출력(940)과 제2 홀 효과 센서의 제2 전압 출력(942)은, 외부 자석들(706, 708)의 전체 회전 사이클에 대한 전압을 그래프로 나타낸 도 9b에서 보는 바와 같이, 동일한 패턴을 갖는다. 그래프는 출력 전압의 정현파 변동(sinusoidal variance)을 나타내지만, 클리핑된 피크들은 신호의 포화로 인한 것이다. 비록 설계에서 사용된 홀 효과 센서들이 이 효과를 야기하더라도, 시간의 경과에 따라 제1 전압 출력(940)과 제2 전압 출력(942)을 비교하기에 충분한 신호가 여전히 있다. 2개의 홀 효과 센서(924, 938) 중 어느 하나가 외부 조정 디바이스(700)의 동작 동안 정현파 신호를 출력하지 않는 경우, 이것은, 예를 들어, 접착 계면 파괴(adhesive failure), 기어 맞물림 해제(gear disengagement) 등으로 인해, 대응하는 외부 자석이 회전을 멈추었다는 것을 나타낸다. 도 9c는 외부 자석들(706, 708) 둘 다가 거의 동일한 각속도(angular speed)로 회전하고 있지만, N극들(902, 908)이 정확하게 동기화되지 않은 상태를 예시하고 있다. 이 때문에, 제1 전압 출력(940)과 제2 전압 출력(942)은 이제 위상이 어긋나 있고(out-of-phase), 위상 시프트(0)를 나타낸다. 이 신호들은 프로세서(915)에 의해 처리되며, 디바이스가 재동기화될 수 있도록 에러 경고가 외부 조정 디바이스(700)의 디스플레이(715) 상에 디스플레이된다.
독립적 스테퍼 모터들이 사용되는 경우, 재동기화 프로세스는 단지 재프로그래밍 중 하나일 수 있지만, 2개의 외부 자석(706, 708)이, 예를 들어, 기어링 또는 벨트에 의해, 서로 커플링되는 경우, 기계적 재가공(mechanical rework)이 필요할 수 있다. 도 9a의 홀 효과 센서 구성에 대한 대안이 도 10a에 예시되어 있다. 이 실시예에서, 제1 외부 자석(706)과 관련하여 제3 홀 효과 센서(928)는 12시에 위치되고, 제2 외부 자석(708)과 관련하여 제4 홀 효과 센서(934)는 12시에 위치된다. 이 구성에서, 제2 외부 자석(708)의 S극(904)이 제4 홀 효과 센서(934) 쪽으로 향해 있을 때, 제1 외부 자석(706)의 N극(902)은 제3 홀 효과 센서(928) 쪽으로 향해 있어야만 한다. 이 배열에서, 제3 홀 효과 센서(928)는 제3 출력 전압(944)을 출력하고 제4 홀 효과 센서(934)는 제4 출력 전압(946)을 출력한다(도 10b). 제3 출력 전압(944)은 고의로 제4 출력 전압(946)과 위상이 어긋나 있다. 도 9a의 홀 효과 센서 구성의 장점은, 보다 적은 간섭 가능성이 있도록, 각각의 센서가, 예를 들어, 제1 홀 효과 센서(924)가 제2 외부 자석(708)과 비교하여, 그 센서와 대향 자석 간에 보다 큰 거리를 갖는다는 것이다. 도 10a의 홀 효과 센서 구성의 장점은 보다 콤팩트한 외부 조정 디바이스(700)(보다 작은 폭)를 제조하는 것이 가능할 수 있다는 것이다. 도 10b의 위상이 어긋난 패턴이 또한 자석 동기성(magnet synchronicity)을 확인하기 위해 분석될 수 있다.
도 7 및 도 8로 돌아가면, 부가의 홀 효과 센서들(926, 930, 932, 936)이 도시되어 있다. 이 부가 센서들은 외부 조정 디바이스(700)의 외부 자석들(706, 708)의 회전각 피드백에 대한 부가의 정밀도를 가능하게 한다. 다시 말하지만, 홀 효과 센서들의 특정의 수 및 배향이 변할 수 있다. 홀 효과 센서들 대신에, 자기저항 인코더들이 또한 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 부가 정보가 프로세서(915)에 의해 처리될 수 있고 디스플레이(715) 상에 디스플레이될 수 있다. 예를 들어, 외부 조정 디바이스(700)를 사용하는 신연은 병원에서 의료진에 의해, 또는 집에서 환자들 또는 환자 가족의 구성원들에 의해 수행될 수 있다. 어느 경우든지, 나중에 액세스될 수 있는 각각의 신연 세션으로부터의 정보를 저장하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 각각의 신연의 정확한 날짜와 시간, 그리고 시도된 신연의 양 및 달성된 신연의 양. 이 정보는 프로세서(915)에 또는 프로세서(915)와 연관된 하나 이상의 메모리 모듈(도시되지 않음)에 저장될 수 있다. 그에 부가하여, 의사는 신연 길이 한계들, 예를 들어, 각각의 세션에서 신연될 수 있는 최대 양, 일일 최대 양, 주당 최대 양 등을 입력할 수 있다. 의사는, 환자가 액세스할 수 없을, 디바이스의 키들 또는 버튼들을 사용하는 보안 입력을 사용하여 이 한계들을 입력할 수 있다.
도 1로 돌아가서, 일부 환자들에서, 신연 디바이스(1000)의 제1 단부(1018)를 환자에서 근위에(proximally) 또는 머리 쪽에, 그리고 신연 디바이스(1000)의 제2 단부(1020)를 원위에(distally) 또는 발 쪽에 배치하는 것이 요망될 수 있다. 신연 디바이스(1000)의 이 배향은 순행성(antegrade)이라고 지칭될 수 있다. 다른 환자들에서, 제2 단부(1020)가 환자에서 근위에 그리고 제1 단부(1018)가 원위에 있게 신연 디바이스(1000)를 배향시키는 것이 요망될 수 있다. 이 경우에, 신연 디바이스(1000)의 이 배향은 역행성(retrograde)이라고 지칭될 수 있다. 너트 내의 나사를 돌리기 위해 자석(1010)이 회전하는 신연 디바이스(1000)에서, 신연 디바이스(1000)의 배향이 환자에서 순행성 또는 역행성이라는 것은 신연 디바이스(1000)가 순행성으로 배치될 때는 외부 조정 디바이스(700)가 배향 이미지(804)에 따라 배치되어야만 하지만, 신연 디바이스(1000)가 역행성으로 배치될 때는 배향 이미지(804)의 반대로 배치되어야만 한다는 것을 의미할 수 있다. 대안적으로, 프로세서(915)가 신연 디바이스(1000)가 순행성 또는 역행성으로 이식되어 있는지를 인식하고, 이어서 신연 버튼(722)이 배치되어 있을 때 자석들(706, 708)을 적절한 방향으로 돌리도록 소프트웨어가 프로그램될 수 있다.
예를 들어, 모터(705)는 순행성 배치된 신연 디바이스(1000)를 신연시킬 때는 제1 방향으로, 그리고 역행성 배치된 신연 디바이스(1000)를 신연시킬 때는 제2 반대 방향으로 자석들(706, 708)을 회전시키도록 명령받을 것이다. 의사는, 예를 들어, 신연 디바이스(1000)가 순행성 또는 역행성으로 배치되었는지를 제어 패널(812)을 사용하여 입력하도록 디스플레이(715)에 의해 프롬프트될 수 있다. 환자는 이어서 모터(705)가 자석들(706, 708)을 신연 및 수축 둘 다를 위해 적절한 방향들로 돌리도록 보장하기 위해 동일한 외부 조정 디바이스(700)를 계속 사용할 수 있다. 대안적으로, 신연 디바이스는 외부 조정 디바이스(700) 상의 안테나(1024)에 의해 판독 및 기입될 수 있는 RFID 칩(1022)을 포함할 수 있다. 환자에서의 신연 디바이스(1000)의 배치(순행성 또는 역행성)가 RFID 칩(1022)에 기입되고, 따라서 임의의 외부 조정 디바이스(700)의 안테나(1024)에 의해 판독될 수 있어, 어느 외부 조정 디바이스(700)가 사용되는지에 관계없이 환자가 정확한 신연 또는 수축을 이룰 수 있게 한다.
도 11은 외부 조정 디바이스의 2개의 외부 자석인 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)의 자극들의 배향을, 예를 들어, 피이식 신연 디바이스 내의 내부 피이식 자석(1010)과 관련하여 예시하고 있다. 위의 도 6에서와 같이, 각각의 자석의 배향들은 시계 상의 숫자들과 관련하여 기술될 수 있다. 제1 외부 자석(706)은 N극(902)과 S극(906)을 갖는다. 동일한 방식으로, 제2 외부 자석(708)은 S극(904)과 N극(908)을 갖는다. 각각의 외부 자석은 (즉, 실질적 직원주(substantially right cylinder)를 형성하도록) 직경과 길이에 의해 물리적으로 정의되며: 제1 외부 자석(706)은 제1 자석 직경(1134)을 가지는 반면, 제2 외부 자석(708)은 제2 자석 직경(1132)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제1 자석 직경(1134)과 제2 자석 직경(1132)이 동일하다. 그렇지만, 항상 꼭 이러한 것은 아니다. 다른 실시예들에서, 제1 자석 직경(1134)이 제2 자석 직경(1132)보다 더 크다. 그리고 또 다른 실시예들에서, 제2 자석 직경(1132)이 제1 자석 직경(1134)보다 더 크다.
도 11은 주로 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 예시하기 위해 포함된다 - 피이식 자석(1010)은 주로 참조를 위해 포함된다. 그렇지만, 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)과 거의 동일한 방식으로, 피이식 자석(1010)이 N극(1012)과 S극(1014)을 갖는다. 피이식 자석(1010)도 역시 내부 자석 직경(1136) 및 길이에 의해 정의될 수 있다(즉, 피이식 자석(1010)도 역시 실질적 직원주일 수 있음). 제1 외부 자석(706), 제2 외부 자석(708), 및 피이식 자석(1010) 중 임의의 것이 실질적 직원주들 이외의 자석들일 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 6과 관련하여 앞서 설명된 바와 같이, 외부 자석(706)은 제1 세장 회전축(elongate rotational axis)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 도 6 및 도 11에서, 제1 세장 회전축은 제1 외부 자석(706)의 중심을 통해 지면 안쪽으로 연장되는 제1 외부 자석(706)의 중심을 통과하는 라인이다. 마찬가지로, 제2 외부 자석(708)은 제2 세장 회전축을 중심으로 회전하도록 구성된다. 또다시, 도 6 및 도 11에서, 제2 세장 회전축은 제2 외부 자석(708)의 중심을 통해 지면 안쪽으로 연장되는 제2 외부 자석(708)의 중심을 통과하는 라인이다. 제1 세장 회전축과 제2 세장 회전축이 본질적으로 점들이기 때문에, 이 둘은 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 사이에 라인을 정의한다. 이들이 있는 라인은 도 11에 수평축(1110)으로서 도시되어 있다.
제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 각각은, 수평축(1110)에 수직이고 자석의 세장 회전축을 통과하는, 그 자신의 수직축을 정의한다. 제1 외부 자석(706)은 수평축(1110)에 수직이고 제1 세장 회전축과 교차하는 제1 자석 수직축(1113)을 갖는다(즉, 수평축(1110)과 제1 자석 수직축(1113)은 제1 외부 자석(706)의 길이방향 축에 수직인 임의의 평면에 의해 정의된 원의 중심에서 교차한다). 동일한 방식으로, 제2 외부 자석(708)은 수평축(1110)에 수직이고 제2 세장 회전축과 교차하는 제2 자석 수직축(1112)을 갖는다(즉, 수평축(1110)과 제2 자석 수직축(1112)은 제2 외부 자석(708)의 길이방향 축에 수직인 임의의 평면에 의해 정의된 원의 중심에서 교차한다).
제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)은, 제1 외부 자석(706)의 최우측 에지와 제2 외부 자석(708)의 최좌측 에지 사이의 수평축(1110)을 따른 거리로서 정의되는, 자석간 갭(1130)만큼 분리되어 있다. 수평축(1110)에 수직인, 중앙 수직축(1111)은 자석간 갭(1130)의 중심에서 수평축(1110)을 이등분(bisect)한다. 따라서, 제1 외부 자석(706)의 중심(즉, 제1 세장 회전축)으로부터 제2 외부 자석(708)의 중심(즉, 제2 세장 회전축)까지의 거리는 제1 자석 직경(1134)의 1/2 + 제2 자석 직경(1132)의 1/2 + 자석간 갭(1130)과 동일하다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 외부 자석(706)의 제1 자석 직경(1134)과 제2 외부 자석(708)의 제2 자석 직경(1132)이 동일할 때, 제1 세장 회전축과 제2 세장 회전축은 중앙 수직축(1111)으로부터 등거리에 있다. 그렇지만, 일부 실시예들이 동일한 크기의 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)을 포함하지만, 모두가 그러한 것은 아니다. 따라서, 제1 세장 회전축과 제2 세장 회전축의 가능한 쌍들 전부가 중앙 수직축(1111)으로부터 등거리에 있는 것은 아니다.
피이식 자석(1010)에 대한 이상적 기준 위치는 중앙 수직축(1111) 상에 있다. 제1 자석 직경(1134)과 제2 자석 직경(1132)이 동일한 경우에, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)은 동일한 자기 필드들을 생성한다. 따라서, 중앙 수직축(1111)을 따라 있는 임의의 지점은 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)에 의한 동일한 효과들을 경험할 것이다. 외부 자석들(즉, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708))의 최하측 에지와 피이식 자석(1010)의 최상측 에지 사이의 거리는 갭 거리(1138)로서 정의된다. 중앙 수직축(1111) 상의 피이식 자석(1010)에 대한 기준 위치가 개념적으로는 도움이 되지만, 피이식 자석(1010)이 또한 중앙 수직축(1111)을 벗어나 있을 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 12a 내지 도 12c를 살펴보면, 일련의 외부 자석 쌍들이 다양한 자석간 갭들(1130)로 도시되어 있다. 도 12a는 둘 다가 수평축(1110) 상에서 제1 예시적인 자석간 갭(1130')만큼 분리되어 있는 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 도시하고 있다. 도 12b는 둘 다가 수평축(1110) 상에서 제2 예시적인 자석간 갭(1130")만큼 분리되어 있는 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 도시하고 있다. 도 12b의 제2 예시적인 자석간 갭(1130")은 도 12a의 제1 예시적인 자석간 갭(1130')보다 대체로 더 작다. 도 12c는 둘 다가 수평축(1110) 상에서 제3 예시적인 자석간 갭(1130"')만큼 분리되어 있는 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 도시하고 있다. 제3 예시적인 자석간 갭(1130"')은 제2 예시적인 자석간 갭(1130") 및 제1 예시적인 자석간 갭(1130') 둘 다보다 대체로 더 작다. 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 사이에 임의의 자석간 갭(1130)이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
자석간 갭(1130)은 중앙 수직축(1111)을 따라 관찰되는 자기 플럭스 밀도에 영향을 미칠 수 있다. 자기 플럭스 밀도는 대략 1/r3(역 세제곱(inverse cube))으로 떨어진다. 따라서, 매우 작은 갭 거리에서는 중앙 수직축(1111)을 따라 상대적으로 높은 플럭스 밀도들을 관찰할 수 있다. 이와 달리, 플럭스 밀도가 얼마나 빨리 떨어지는지로 인해, 중간 및 큰 자석간 갭들(1130)에서는 플럭스 밀도의 하한에 상대적으로 빨리 도달한다. 도 13a는 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 둘러싸는 자기 필드 라인들의 개략도를 예시하고 있다. 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 사이의 자석간 갭(1130)은 비교적 작다. 중앙 수직축(1111)을 따르는 플럭스 라인들이, 특히 중앙 수직축(1111)을 따라 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 근방에서 그리고/또는 그들 사이에서 상대적으로 조밀하다는 것을 알 수 있다. 이와 달리, 도 13b는 도 13a에 도시된 것보다 상당히 더 큰 자석간 갭(1130)만큼 분리된 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 둘러싸는 자기 필드 라인들의 개략도를 예시하고 있다. 도 13b의 중앙 수직축(1111)을 따르는 플럭스 라인들은 도 13a의 중앙 수직축(1111)을 따르는 플럭스 라인들보다 현저하게 덜 조밀하다. 이것은, 단지, 자석간 갭(1130)의 증가로 인한 것이다.
도 14는 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)에 의해 발생된 자기 플럭스 밀도 대 갭 거리(1138)의 그래프를 예시하고 있다. 모델링된 플럭스 밀도는 기준점이 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)의 하단으로부터 더 멀리 이동함에 따라(즉, 갭 거리(1138)가 제로 기준점으로부터 증가함에 따라) 중앙 수직축(1111)을 따라 있는 기준점에서 측정된다. 도 14의 제1 라인(1410)은 50.8 mm(즉, 2 인치)의 자석간 갭(1130)을 갖는 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)에 대한 자기 플럭스 밀도 대 갭 거리(1138)의 그래프를 예시하고 있다. 제2 라인(1420)은 55.88 mm(즉, 2.2 인치)의 자석간 갭(1130)을 갖는 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)에 대한 자기 플럭스 밀도 대 갭 거리(1138)의 그래프를 예시하고 있다. 제3 라인(1430)은 60.96 mm(즉, 2.4 인치)의 자석간 갭(1130)을 갖는 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)에 대한 자기 플럭스 밀도 대 갭 거리(1138)의 그래프를 예시하고 있다. 제4 라인(1440)은 66.04 mm(즉, 2.6 인치)의 자석간 갭(1130)을 갖는 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)에 대한 자기 플럭스 밀도 대 갭 거리(1138)의 그래프를 예시하고 있다. 제5 라인(1450)은 71.12 mm(즉, 2.8 인치)의 자석간 갭(1130)을 갖는 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)에 대한 자기 플럭스 밀도 대 갭 거리(1138)의 그래프를 예시하고 있다. 그리고, 마지막으로, 제6 라인(1460)은 76.2 mm(즉, 3.0 인치)의 자석간 갭(1130)을 갖는 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)에 대한 자기 플럭스 밀도 대 갭 거리(1138)의 그래프를 예시하고 있다. 도 14의 라인들은 작은 갭 거리들(1138)(예컨대, 제로 갭 거리들(1138))에서, 자석간 갭(1130)을 감소시키는 것이 관찰된 플럭스 밀도를 증가시킨다는 것을 예시하고 있다. 실제로, 제로의 갭 거리(1138)에서, 50.8 mm의 자석간 갭(1130)은 동일한 갭 거리에서의 76.2 mm의 자석간 갭(1130)보다 약 135% 더 높은 플럭스 밀도를 갖는다. 그렇지만, 자석간 갭(1130)을 감소시키는 것에 의해 실현되는 이득들은 꽤 작은 갭 거리들(1138)에서만 존재한다. 도 14의 라인들은 대략 25 mm에서 제1 라인(1410), 제2 라인(1420), 제3 라인(1430), 제4 라인(1440), 제5 라인(1450), 및 제6 라인(1460)이 거의 수렴하는 것을 예시하고 있다. 약 25 mm 이후에는, 다양한 자석간 갭들(1130)에 대한 중앙 수직축(1111)을 따른 플럭스 밀도들 간의 차이가 거의 없다.
도 12a 내지 도 12c를 또다시 살펴보면, 도 14의 라인들을 고려하여, 작은 갭 거리들에 대해, 보다 큰 제1 예시적인 자석간 갭(1130')을 갖는 도 12a에 예시된 시스템이 보다 작은 제2 예시적인 자석간 갭(1130")을 갖는 도 12b에 예시된 시스템보다 더 작은 플럭스 밀도를 가질 것이며, 도 12b에 예시된 시스템이, 차례로, 가장 작은 제3 예시적인 자석간 갭(1130"')을 갖는 도 12c에 예시된 시스템보다 더 작은 플럭스 밀도를 가질 것임을 알 수 있다. 일부 상황들에서, 큰 자기 플럭스 밀도가 바람직하다. 그렇지만, 다른 상황들에서, 감소된 자기 플럭스 밀도들이 바람직하다. 다양한 자기 플럭스 밀도들의 바람직함(desirability)은 이하에서 더 상세하게 논의될 것이다.
알 수 있는 바와 같이, 작은 갭 거리가 가능하거나 요구되는 응용들에서, 플럭스 밀도를 증가 또는 감소시키기 위해 자석간 갭이 변화될 수 있다. 보다 높은 플럭스 밀도들이 유용하거나 요구되는 경우(예컨대, 보다 높은 토크들이 유용하거나 요구될 때), 갭 거리를 일정하게 유지하면서 자석간 갭이 감소될 수 있다 - 즉, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)이 수평축(1110) 상에서 서로 보다 가까워질 수 있다. 이와 달리, 보다 낮은 플럭스 밀도들이 유용하거나 요구되는 경우(예컨대, 높은 토크들이 필요하지 않거나 해로울 수 있을 때), 갭 거리를 일정하게 유지하면서 자석간 갭이 증가될 수 있다 - 즉, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)이 수평축(1110) 상에서 떨어지게 이동될 수 있다. 물론, 자석간 갭과 갭 거리 둘 다가 변화될 수 있다.
일부 실시예들에서, 외부 조정 디바이스(700)는 "스마트(smart)"할 수 있고, 사용자 입력 및 감지된 매개 변수 - 이들로 제한되지 않음 - 와 같은, 하나 이상의 인자에 기초하여 자석간 갭을 변화시킬 수 있다. 따라서, 이러한 "스마트" 외부 조정 디바이스(700)는 필요에 따라 플럭스 밀도를 증가 또는 감소시키기 위해 자석간 갭을 조작할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 외부 조정 디바이스가 주어진 응용에 대해 적절한 자석간 갭 거리를 선택할 수 있게 하는 몇 가지 파라미터를 입력할 수 있다. 이러한 변수는 이식 위치, 환자 연령, 환자 체중, 환자 체질량 지수(body mass index)(BMI), 갭 거리 등을 포함할 수 있다. 입력 파라미터들과 달리, "스마트" 외부 조정 디바이스(700)는 갭 거리, 자기 커플링 슬리피지(magnetic coupling slippage), 발생된 토크, 발생된 힘 등과 같은 감지된 파라미터들을 사용할 수 있다.
이 사용자 입력들 및 감지된 파라미터들 중 하나 이상에 응답하여, 자석간 갭이 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 외부 조정 디바이스(700)는 주어진 조정이 치료 효과(treatment efficacy)를 개선시킬 수 있다는 것을 사용자에게 알릴 수 있다. 이러한 경우에, 사용자는 자석간 갭을 증가시키기 위해 다수의 도구, 시스템, 및 방법 중 임의의 것을 사용할 수 있다. 대안적으로, "스마트" 외부 조정 디바이스(700)는 사용자 입력들 및/또는 감지된 파라미터들을 처리하고, 플럭스 밀도 또는 토크 발생의 변화(증가 또는 감소)가 유리할 것이라고 결정하며, 자석간 갭을 시스템 능력 내에 있는 최적의 자석간 갭(즉, 물리적 제약들로 인해, 자석간 갭에 대한 하한과 상한 둘 다가 있음)으로 자동으로 조정할 수 있다.
도 6을 참조하여 설명된 바와 같이, 제2 외부 자석(708)의 S극(904)이 12시 위치로 향해 있을 때 제1 외부 자석(706)의 N극(902)이 12시 위치로 향해 있도록 제1 외부 자석(706)이 제2 외부 자석(708)과 동기적으로 (기어링, 벨트들 등에 의해) 회전된다. 이 배향에서, 따라서, 제1 외부 자석(706)의 S극(906)은 6시 위치로 향해 있는 반면, 제2 외부 자석(708)의 N극(908)은 6시 위치로 향해 있다. 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 둘 다가 제1 방향으로, 예컨대, 시계 방향으로 회전될 수 있다. 회전하는 자기 필드들은 피이식 자석(1010)에 토크를 가하여, 피이식 자석(1010)을 제2 방향으로, 예컨대, 반시계 방향으로 회전시킨다. 제1 및 제2 외부 자석들(706, 708)이 반대 방향, 즉 반시계 방향으로 회전될 때, 피이식 자석(1010)이 또한 반대 방향, 즉, 시계 방향으로 회전될 것이다.
도 6은 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)의 기준 구성을 예시하고 있다. 제1 외부 자석(706)은 N극(902)의 중심이 위로 향하고 S극(906)의 중심이 아래로 향하도록 배치된다. 동일한 방식으로, 제2 외부 자석(708)은 S극(904)의 중심이 위로 향하고 N극(908)의 중심이 아래로 향하도록 배치된다. 그 후에, 도 6에서, 2개의 자석은 서로에 대해 고정된 각도 위치로 회전한다. 따라서, 제1 외부 자석(706)의 N극(902)과 제2 외부 자석(708)의 S극(904)이 항상 동일한 각도 위치에 있다. 그리고, 제1 외부 자석(706)의 S극(906)과 제2 외부 자석(708)의 N극(908)이 또한 항상 동일한 각도 위치에 있다.
또다시 도 11을 살펴보면, 제1 외부 자석(706)은 제1 외부 자석(706)의 N극(902)의 중심을 통해, 제1 세장 회전축과 교차하도록 제1 외부 자석(706)의 중심을 통해, 그리고 제1 외부 자석(706)의 S극(906)의 중심을 통해 연장되는 제1 중심 자기축(1122)을 갖는다. 제1 중심 자기축(1122)은 제1 외부 자석(706)의 N극(902)의 배향과 관련하여 논의된다. 동일한 방식으로, 제2 외부 자석(708)은 제2 외부 자석(708)의 S극(904)의 중심을 통해, 제2 세장 회전축과 교차하도록 제2 외부 자석(708)의 중심을 통해, 그리고 제2 외부 자석(708)의 N극(908)의 중심을 통해 연장되는 제2 중심 자기축(1120)을 갖는다. 제2 중심 자기축(1120)은 제2 외부 자석(708)의 S극(904)의 배향과 관련하여 논의된다.
도 6 및 도 11 둘 다에 도시된, 그의 기준 배향에서, 제1 중심 자기축(1122)은 제1 자석 수직축(1113)과 일직선으로 정렬된다(directly aligned). 이러한 정렬된 배향은 각도 오프셋을 갖지 않는다(즉, 제1 외부 자석(706)의 각도 오프셋은 0°이다). 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)의 회전들은 피이식 자석(1010)의 위치를 참조하여 언급된다. 피이식 자석(1010)이 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)보다 "위쪽에" 있는 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 세장 회전축을 중심으로 반시계 방향으로의 제1 외부 자석(706)의 회전들은 포지티브인 것으로 표기되어 있는 반면, 제1 세장 회전축을 중심으로 시계 방향으로의 제1 외부 자석(706)의 회전들은 네거티브인 것으로 표기되어 있다. 이와 달리, 피이식 자석(1010)이 제2 외부 자석(708)보다 "위쪽에" 있는 도 11에서, 제2 세장 회전축을 중심으로 시계 방향으로의 제2 외부 자석(708)의 회전들은 포지티브인 것으로 표기되어 있는 반면, 제2 세장 회전축을 중심으로 반시계 방향으로의 제2 외부 자석(708)의 회전들은 네거티브인 것으로 표기되어 있다.
도 6은 일제히 회전될 수 있는 2개의 자석을 예시하고 있다. 예를 들어, 제2 외부 자석(708)의 S극(904)이 12시 위치로 향해 있을 때 제1 외부 자석(706)의 N극(902)이 12시 위치로 향해 있도록 제1 외부 자석(706)이 제2 외부 자석(708)과 동기적으로 (기어링, 벨트들 등에 의해) 회전될 수 있다. 더 나아가, 제1 외부 자석(706)의 S극(906)과 제2 외부 자석(708)의 N극(908) 둘 다가 6시 위치로 향해 있다. 도 6에 예시된 바와 같이, 외부 자석들 둘 다가 각자의 화살표들(914, 916)에 의해 예시된 제1 방향으로 회전될 수 있다. 회전하는 자기 필드들은 피이식 자석(1010)에 토크를 가하여, 피이식 자석(1010)을 화살표(918)에 의해 예시된 바와 같이 제2 방향으로 회전시킨다. 제1 및 제2 외부 자석들(706, 708)이 도시된 것과 반대 방향으로 회전될 때, 피이식 자석(1010)은 도시된 것과 반대 방향으로 회전될 것이다. 자석들이 제로 각도 오프셋을 갖고 회전될 수 있지만, 방금 기술된 바와 같이, 자석들이 또한 포지티브 각도 오프셋을 갖고 회전될 수 있다.
제1 외부 자석(706)은 예시적인 제1 중심 자기축(1122') 쪽으로 제1 회전각(1123)만큼 회전될 수 있다. 일부 실시예들에서, 방금 언급된 바와 같이, 제1 회전각(1123)은 포지티브이고, 일부 실시예들에서 제1 회전각(1123)은 네거티브이다. 제1 회전각(1123)은 제1 중심 자기축(1122)을 포지티브 방향으로 0°부터 360°까지 회전시킬 수 있다. 그에 부가하여, 제1 회전각(1123)은 제1 중심 자기축(1122)을 네거티브 방향으로 0°부터 -360°까지 회전시킬 수 있다. 제1 중심 자기축(1122)이 0° 초과 180° 미만의 제1 회전각(1123)만큼 회전 오프셋되도록 하는 제1 외부 자석(706)의 회전들은 일의적 포지티브 회전 오프셋(uniquely positive rotational offset)들이다. 동일한 방식으로, 제1 중심 자기축(1122)이 0° 미만 -180° 초과의 제1 회전각(1123)만큼 회전 오프셋되도록 하는 제1 외부 자석(706)의 회전들은 일의적 네거티브 회전 오프셋(uniquely negative rotational offset)들이다. 즉각 이해될 것인 바와 같이, 180° 초과 360° 미만의 제1 회전각(1123)만큼의 제1 외부 자석(706)의 회전들은 0° 미만 -180° 초과의 제1 회전각(1123)만큼의 제1 외부 자석(706)의 회전들과 동등하고, -180° 미만 -360° 초과의 제1 회전각(1123)만큼의 제1 외부 자석(706)의 회전들은 0° 초과 180° 미만의 제1 회전각(1123)만큼의 제1 외부 자석(706)의 회전들과 동등하다. 0° 초과 180° 미만의 제1 회전각(1123)만큼의 제1 외부 자석(706)의 회전들은 "상방 회전(upward rotation)들" 또는 "상방 오프셋(upward offset)들"이라고 알려진 일의적 포지티브 회전 오프셋들이다. 이와 달리, 0° 미만 -180° 초과의 제1 회전각(1123)만큼의 제1 외부 자석(706)의 회전들은 "하방 회전(downward rotation)들" 또는 "하방 오프셋(downward offset)들"이라고 알려진 일의적 네거티브 회전 오프셋들이다.
제2 외부 자석(708)이 또한 회전 오프셋을 가질 수 있다. 제2 외부 자석(708)은 예시적인 제2 중심 자기축(1120') 쪽으로 제2 회전각(1121)만큼 회전될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 회전각(1121)은 포지티브이고, 일부 실시예들에서 제2 회전각(1121)은 네거티브이다. 제2 중심 자기축(1120)을 포함하는 제2 외부 자석(708)이 포지티브 방향으로 0°부터 360°까지 제2 회전각(1121)만큼 회전될 수 있다. 그에 부가하여, 제2 중심 자기축(1120)을 포함하는 제2 외부 자석(708)이 네거티브 방향으로 0°부터 -360°까지 제2 회전각(1121)만큼 회전될 수 있다. 제2 중심 자기축(1120)이 0° 초과 180° 미만의 제2 회전각(1121)만큼 회전 오프셋되도록 하는 제2 외부 자석(708)의 회전들은 일의적 포지티브 회전 오프셋들이다. 동일한 방식으로, 제2 중심 자기축(1120)이 0° 미만 -180° 초과의 제2 회전각(1121)만큼 회전 오프셋되도록 하는 제2 외부 자석(708)의 회전들은 일의적 네거티브 회전 오프셋들이다. 제1 외부 자석(706)과 관련하여 논의된 바와 같이, 180° 초과 360° 미만의 제2 회전각(1121)만큼의 제2 외부 자석(708)의 회전들은 0° 미만 -180° 초과의 제2 회전각(1121)만큼의 제2 외부 자석(708)의 회전들과 동등하고, -180° 미만 -360° 초과의 제2 회전각(1121)만큼의 제2 외부 자석(708)의 회전들은 0° 초과 180° 미만의 제2 회전각(1121)만큼의 제2 외부 자석(708)의 회전들과 동등하다. 0° 초과 180° 미만의 제2 회전각(1121)만큼의 제2 외부 자석(708)의 회전들은 "상방 회전들" 또는 "상방 오프셋들"이라고 알려진 일의적 포지티브 회전 오프셋들이다. 이와 달리, 0° 미만 -180° 초과의 제2 회전각(1121)만큼의 제2 외부 자석(708)의 회전들은 "하방 회전들" 또는 "하방 오프셋들"이라고 알려진 일의적 네거티브 회전 오프셋들이다.
어느 하나의 또는 양쪽 자석이 회전 오프셋될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 외부 자석(706)만이 포지티브 방향과 네거티브 방향 중 하나의 방향으로 회전된다(즉, 상방 회전 또는 하방 회전). 다른 실시예들에서, 제2 외부 자석(708)만이 포지티브 방향과 네거티브 방향 중 하나의 방향으로 회전된다(즉, 상방 회전 또는 하방 회전). 또 다른 실시예들에서, 양쪽 자석이 회전된다. 듀얼 자석 회전(dual magnet rotation)의 임의의 순열이 가능하다: 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 둘 다가 (동일하거나 상이한 양들만큼) 상방으로 회전됨; 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 둘 다가 (동일하거나 상이한 양들만큼) 하방으로 회전됨; 제1 외부 자석(706)은 상방으로 회전되는 반면 제2 외부 자석(708)은 (동일하거나 상이한 양들만큼) 하방으로 회전됨; 및 제1 외부 자석(706)은 하방으로 회전되는 반면 제2 외부 자석(708)은 (동일하거나 상이한 양들만큼) 상방으로 회전됨. 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 둘 다가 똑같이 상방으로 회전될 때, 시스템 회전 오프셋(rotational systemic offset)은 2개의 오프셋의 크기의 합이다. 예를 들어, 제1 외부 자석(706)이 40°의 상방 회전을 갖고 제2 외부 자석(708)이 40°의 회전을 가질 때, 시스템의 회전은, 예를 들어, "상방 80°" 또는 "80° 상방"이라고 지칭된다. 동일한 방식으로, 제1 외부 자석(706)이 -15°의 하방 회전을 갖고 제2 외부 자석(708)이 -15°의 하방 회전을 가질 때, 시스템의 회전은, 예를 들어, "하방 30°" 또는 "30° 하방"이라고 지칭된다.
중앙 수직축(1111) 상의 지점에 따라, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 중 하나 또는 둘 다의 회전 오프셋을 변화시키는 것은 주어진 갭 거리(1138)에 대해 관찰된 플럭스 밀도를 증가 또는 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 이하에서 더욱 상세히 논의될 것인 바와 같이, 상방 회전 오프셋(즉, 0° 초과 180° 미만)은 일반적으로 주어진 갭 거리(1138)에서 중앙 수직축(1111) 상의 플럭스 밀도를 증가시킨다. 이와 달리, 하방 오프셋(즉, 0° 미만 -180° 초과)은 일반적으로 주어진 갭 거리(1138)에서 중앙 수직축(1111) 상의 플럭스 밀도를 감소시킨다(그렇지만, 하방 오프셋들이 작은 갭 거리들(1138)에서는 중앙 수직축(1111) 상의 플럭스 밀도를 증가시킬 수 있다). 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)이 상방 또는 하방 방향 중 어느 하나에서 위상이 어긋나게 일방으로(unilaterally) 또는 쌍방으로(bilaterally) 회전되면, 이들은 서로에 대해 회전 잠금되고(rotationally locked) 앞서 기술된 바와 같이(예컨대, 동일한 각속도로) 회전될 수 있다.
도 16a 내지 도 16d는 다른 자석을 제로 기준에 유지하면서 단일 자석의 일방 회전 오프셋을 예시하고 있다. 도 16a 내지 도 16d 각각이 플럭스 기준/측정 지점(1177)이 자석들보다 "위쪽에" 있는 것을 도시하는 것에 유의한다. 도 16a는 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 20°의 상방 회전을 갖는 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 이는 또한 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)이 제로 기준점에 일정하게 유지되는 것을 도시하고 있다. 도 16b는 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 45°의 상방 회전을 갖는 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 이는 또한 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)이 제로 기준점에 일정하게 유지되는 것을 도시하고 있다. 도 16c는 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 90°의 상방 회전을 갖는 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 이는 또한 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)이 제로 기준점에 일정하게 유지되는 것을 도시하고 있다. 도 16d는 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 135°의 상방 회전을 갖는 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 이는 또한 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)이 제로 기준점에 일정하게 유지되는 것을 도시하고 있다.
도 17a 내지 도 17d는 다른 자석을 제로 기준에 유지하면서 단일 자석의 일방 회전 오프셋을 예시하고 있다. 도 17a 내지 도 17d 각각은 플럭스 기준/측정 지점(1177)이 자석들보다 "위쪽에" 있는 것을 도시하고 있다. 도 17a는 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 -20°의 하방 회전을 갖는 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 이는 또한 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)이 제로 기준점에 일정하게 유지되는 것을 도시하고 있다. 도 17b는 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 -45°의 하방 회전을 갖는 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 이는 또한 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)이 제로 기준점에 일정하게 유지되는 것을 도시하고 있다. 도 17c는 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 -90°의 하방 회전을 갖는 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 이는 또한 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)이 제로 기준점에 일정하게 유지되는 것을 도시하고 있다. 도 17d는 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 -135°의 하방 회전을 갖는 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 이는 또한 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)이 제로 기준점에 일정하게 유지되는 것을 도시하고 있다.
도 18a는 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)에 의해 발생된 임플란트 토크(플럭스 밀도에 정비례함) 대 일방 회전각(즉, 도 16a 내지 도 16d 그리고 도 17a 내지 도 17d에 도시된 바와 같이, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)중 하나만이 회전 오프셋을 부여받는 반면, 다른 하나는 회전 오프셋을 부여받지 않는 경우)의 그래프를 예시하고 있다.
도 19a 내지 도 19d는 2개의 자석, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)의 동일한 쌍방 회전 오프셋을 예시하고 있다. 다시 말하지만, 도 19a 내지 도 19d 각각은 플럭스 기준/측정 지점(1177)이 자석들보다 "위쪽에" 있는 것을 도시하고 있다. 도 19a는 각각이 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 20°의 상방 회전을 갖는 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)과 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 도 19a에 도시된 시스템은 상방 40°의 회전 오프셋을 갖는다. 도 19b는 각각이 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 45°의 상방 회전을 갖는 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)과 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 도 19b에 도시된 시스템은 상방 80°의 회전 오프셋을 갖는다. 도 19c는 각각이 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 90°의 상방 회전을 갖는 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)과 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 도 19c에 도시된 시스템은 상방 180°의 회전 오프셋을 갖는다. 그리고, 마지막으로, 도 19d는 각각이 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 135°의 상방 회전을 갖는 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)과 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 도 19d에 도시된 시스템은 상방 270°의 회전 오프셋을 갖는다.
도 20a 내지 도 20d는 2개의 자석, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)의 동일한 쌍방 회전 오프셋을 예시하고 있다. 도 20a 내지 도 20d 각각은 플럭스 기준/측정 지점(1177)이 자석들보다 "위쪽에" 있는 것을 도시하고 있다. 도 20a는 각각이 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 -20°의 하방 회전을 갖는 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)과 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 도 20a에 도시된 시스템은 하방 40°의 회전 오프셋을 갖는다. 도 20b는 각각이 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 -45°의 하방 회전을 갖는 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)과 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 도 20b에 도시된 시스템은 하방 90°의 회전 오프셋을 갖는다. 도 20c는 각각이 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 -90°의 하방 회전을 갖는 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)과 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 도 20c에 도시된 시스템은 하방 180°의 회전 오프셋을 갖는다. 그리고, 마지막으로, 도 20d는 각각이 플럭스 기준/측정 지점(1177)에 대해 약 -135°의 하방 회전을 갖는 제1 외부 자석(706)의 제1 중심 자기축(1122)과 제2 외부 자석(708)의 제2 중심 자기축(1120)을 도시하고 있다. 도 20d에 도시된 시스템은 하방 270°의 회전 오프셋을 갖는다.
도 21a는 기준 구성에서의 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 둘러싸는 자기 필드 라인들의 개략도를 예시하고 있다. 제1 외부 자석(706)의 N극(902)이 제로 기준 방향으로 배향되고 제2 외부 자석(708)의 S극(904)이 또한 제로 기준 방향으로 배향된다. 다시 말하지만, 플럭스 기준/측정 지점(1177)은 자석들보다 "위쪽에" 있는 것으로 간주된다. 도 21a와 달리, 도 21b는 상방 40°의 시스템 회전 오프셋(systemic rotational offset)을 갖는 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 둘러싸는 자기 필드 라인들의 개략도를 예시하고 있다. 즉, 제1 외부 자석(706)의 N극(902)과 제2 외부 자석(708)의 S극(904) 각각이 20°(상방 20도)만큼 회전되었다. 다시 말하지만, 플럭스 기준/측정 지점(1177)은 자석들보다 "위쪽에" 있는 것으로 간주된다. 도 21b에서 자석들보다 위쪽에서의 그리고 중앙 수직축(1111)을 따른 플럭스 라인들은 도 21a에서 자석들보다 위쪽에서의 그리고 중앙 수직축(1111)을 따른 플럭스 라인들보다 더 조밀하다. 이전에 언급된 바와 같이, 주어진 갭 거리(1138)에 대해, 상방 회전들은 플럭스 밀도를 증가시키는 경향이 있다. 도 21c는 상방 80°의 시스템 회전 오프셋을 갖는 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 둘러싸는 자기 필드 라인들의 개략도를 예시하고 있다. 즉, 제1 외부 자석(706)의 N극(902)과 제2 외부 자석(708)의 S극(904) 각각이 40°(상방 40도)만큼 회전되었다. 다시 말하지만, 플럭스 기준/측정 지점(1177)은 자석들보다 "위쪽에" 있는 것으로 간주된다. 도 21c에서 자석들보다 위쪽에서의 그리고 중앙 수직축(1111)을 따른 플럭스 라인들은 도 21a에서 자석들보다 위쪽에서의 그리고 중앙 수직축(1111)을 따른 플럭스 라인들보다 현저히 더 조밀하다. 이전에 언급된 바와 같이, 주어진 갭 거리(1138)에 대해, 상방 회전들은 플럭스 밀도를 증가시키는 경향이 있다. 도 21d는 하방 40°의 시스템 회전 오프셋을 갖는 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 둘러싸는 자기 필드 라인들의 개략도를 예시하고 있다. 즉, 제1 외부 자석(706)의 N극(902)과 제2 외부 자석(708)의 S극(904) 각각이 -20°(하방 20도)만큼 회전되었다. 다시 말하지만, 플럭스 기준/측정 지점(1177)은 자석들보다 "위쪽에" 있는 것으로 간주된다. 도 21d에서 자석들보다 위쪽에서의 그리고 중앙 수직축(1111)을 따른 플럭스 라인들은 (제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)이 그들의 기준 구성들에 있는) 도 21a에서 자석들보다 위쪽에서의 그리고 중앙 수직축(1111)을 따른 플럭스 라인들보다 더 희소하다. 그렇지만, 이 플럭스 라인들이 (제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)이 상향 80°의 회전 오프셋을 갖는) 도 21c에서 자석들보다 위쪽에서의 그리고 중앙 수직축(1111)을 따라 보여지는 플럭스 라인들보다 훨씬 덜 조밀하다는 것에 유의해야 한다. 주어진 갭 거리(1138)에 대해, 하방 회전들은 (그들이, 심지어 급격히, 플럭스 밀도를 증가시킬 수 있는 작은 갭 거리들(1138)에서를 제외하고는) 플럭스 밀도를 감소시키는 경향이 있다. 따라서, 하방 회전은 기준 시스템보다 더 낮은 플럭스 밀도 그리고 상방 오프셋/회전을 갖는 시스템보다 훨씬 더 낮은 플럭스 밀도를 생성할 것이다. 마지막으로, 도 21e는 하방 80°의 시스템 회전 오프셋을 갖는 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 둘러싸는 자기 필드 라인들의 개략도를 예시하고 있다. 즉, 제1 외부 자석(706)의 N극(902)과 제2 외부 자석(708)의 S극(904) 각각이 -40°(하방 40도)만큼 회전되었다. 플럭스 기준/측정 지점(1177)은 자석들보다 "위쪽에" 있는 것으로 간주된다. 알 수 있는 바와 같이, 도 21e에서 자석들보다 위쪽에서의 그리고 중앙 수직축(1111)을 따른 플럭스 라인들은 매우 작은 갭 거리들(1138)에서 매우 조밀하고, 아마도 상방 80° 오프셋으로부터 관찰된 밀도보다 훨씬 더 조밀하다. 그렇지만, 갭 거리(1138)가 증가함에 따라, 플럭스 밀도는 급속히 감소한다.
도 22a와 도 22b는 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)에 의해 발생된 임플란트 토크(플럭스 밀도에 정비례함) 대 쌍방 회전각(즉, 도 19a 내지 도 19d 그리고 도 20a 내지 도 20d에 도시된 바와 같이, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 둘 다가 동일한 회전 오프셋을 부여받는 경우)의 그래프들을 예시하고 있다.
도 22a 및 도 22b와 달리, 도 23은 회전이 존재하지 않는 몇 개의 시나리오에서 플럭스 밀도(mTesla 단위로 측정됨) 대 갭 거리의 그래프를 예시하고 있다. 도 11을 참조하면, 도 23에 포함된 다양한 플롯들은 자석(들)의 에지, 즉 갭 거리(1138)가 0인 곳으로부터, 바깥쪽으로(여전히 중앙 수직축(1111) 상에 있음), 대략 5 인치의 갭 거리(1138)까지 연장되는 중앙 수직축(1111)을 따라 경험되는 정적 자기 필드 강도의 플롯들이다.
제1 라인(2310)은, 자석들이 0.75 인치의 자석간 갭을 갖고 각도 오프셋을 갖지 않는(즉, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 중 어느 것도 위상이 어긋나게 회전되지 않음), 2 자석 시스템(예컨대, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 갖는 시스템)에 대한 자기 플럭스 밀도 대 갭 거리의 플롯이다. 이러한 시스템의 예시적인 플럭스 맵(flux map)은 도 21a에 도시되어 있다. 따라서, 제1 라인(2310)은 2개의 자석 사이에 바로 있는 수직 라인(예컨대, 중앙 수직축(1111))을 따른 플럭스 밀도로서 개념화될 수 있다. 제1 라인(2310) 상의 제1 지점은 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)의 최외측 수평 에지들을 연결하는 라인의 교차점에 있다. 자석들로부터의 거리가 증가함에 따라 플럭스 라인들이 보다 적어지는, 감소하는 플럭스 밀도 값들은 도 21a에 예시되어 있다. 제1 라인(2310)은 기준 라인 - 이와 대조하여 "증가된" 및/또는 "감소된" 플럭스 밀도들이 평가됨 - 으로 간주될 수 있다.
제2 라인(2320)은, 자석들이 0.75 인치의 자석간 갭 및 상방 40도의 시스템 각도 오프셋(즉, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 각각이 20도의 상방 회전을 가짐)을 갖는, 2 자석 시스템(예컨대, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 갖는 시스템)에 대한 자기 플럭스 밀도 대 갭 거리의 플롯이다. 이러한 시스템의 예시적인 플럭스 맵은 도 21b에 도시되어 있다. 여기서, 제2 라인(2320)은 도 21b에 도시된 2개의 자석 사이에 바로 있는 수직 라인(예컨대, 중앙 수직축(1111))을 따른 플럭스 밀도로서 개념화될 수 있다. 제2 라인(2320) 상의 제1 지점은 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)의 최외측 수평 에지들을 연결하는 라인의 교차점에 있다. 플럭스 밀도의 값은 기준 라인인 제1 라인(2310)에 대해서보다 제2 라인(2320)에 대해 더 빠르게 떨어진다.
제3 라인(2330)은, 자석들이 0.75 인치의 자석간 갭 및 하방 40도의 시스템 각도 오프셋(즉, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 각각이 20도의 하방 회전을 가짐)을 갖는, 2 자석 시스템(예컨대, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 갖는 시스템)에 대한 자기 플럭스 밀도 대 갭 거리의 플롯이다. 이러한 시스템의 예시적인 플럭스 맵은 도 21d에 도시되어 있다. 제3 라인(2330)은, 제1 라인(2310) 및 제2 라인(2320)과 관련하여 방금 기술된 바와 같이, 중앙 수직축(1111)을 따른 플럭스 밀도로서 이해될 수 있다. 플럭스 밀도가 (즉, 제1 라인(2310)의) 기준 플럭스 밀도보다 약간 더 낮게 시작하지만, 약 15 mm보다 더 큰 갭 거리들에 대해서는 플럭스 밀도가 기준 플럭스 밀도보다 더 높게 유지된다. 보다 높은 토크들 또는 플럭스 밀도들이 요망되는 시스템에서, 이러한 구성이 유용할 수 있다.
마지막으로, 제4 라인(2340)은, 자석들이 0.75 인치의 자석간 갭 및 하방 80도의 시스템 각도 오프셋(즉, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 각각이 40도의 하방 회전을 가짐)을 갖는, 2 자석 시스템(예컨대, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)을 갖는 시스템)에 대한 자기 플럭스 밀도 대 갭 거리의 플롯이다. 이러한 시스템의 예시적인 플럭스 맵은 도 21e에 도시되어 있다. 제4 라인(2340)은, 제1 라인(2310), 제2 라인(2320), 및 제3 라인(2330)과 관련하여 기술된 바와 같이, 중앙 수직축(1111)을 따른 플럭스 밀도로서 이해될 수 있다. 여기서, 그 라인들과 달리, 플럭스 밀도가 보다 낮게 시작하지만, 다른 라인들보다 더 느리게 떨어진다. 이러한 구성은 갭 거리들이 반드시 보다 커야(예컨대, 50 내지 100 mm 범위에 있어야) 하지만 상대적으로 높은 토크들을 여전히 필요로 하는 응용들에서 유용할 수 있다.
도 15는 2개의 변수: 자석간 갭 및 회전 오프셋이 변화되는 2개의 상이한 2 자석 시스템에 대한 갭 거리에 대해 플로팅된 플럭스 밀도(mTesla 단위로 측정됨)를 예시하고 있다. 제1 라인(1510)과 제2 라인(1520)은 제로 회전 오프셋을 갖는 2 자석 시스템에 의해 발생된 플럭스 밀도 플롯들을 예시하고 있다. 즉, 자석들 둘 다가 기준 위치에 있다. 이와 달리, 제3 라인(1530)과 제4 라인(1540)은 하방 80도 시스템 회전 오프셋을 갖는 2 자석 시스템에 의해 발생된 플럭스 밀도 플롯들을 예시하고 있다. 즉, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 각각은 40도의 하방 회전을 갖는다. 먼저, 제1 라인(1510)과 제2 라인(1520)이 비교된다.
방금 언급된 바와 같이, 제1 라인(1510)과 제2 라인(1520)을 생성한 2 자석 시스템은 0도 회전 오프셋을 갖는다. 그렇지만, 제1 라인(1510)을 생성한 제1 2 자석 시스템은 약 0.2 인치의 자석간 갭을 가졌던 반면, 제2 라인(1520)을 생성한 제2 2 자석 시스템은 약 0.75 인치의 자석간 갭을 가졌다. 자석들이 서로 더 가깝게 있었던 시스템이 처음에는 자석들이 더 멀리 떨어져 있었던 시스템보다 상당히 더 높은 플럭스 밀도를 갖는다 - 사실, 0의 갭 거리에서 플럭스 밀도가 대략 30% 더 높다. 그래프는 작은 자석간 갭들을 통해 달성된 이득들이 상대적으로 짧은 갭 거리에서만 실현된다는 것을 예시하고 있다. 제1 라인(1510)과 제2 라인(1520)은 약 30 mm에서 실질적으로 수렴하고, 그 이후에는 대략 동일하게 유지된다. 이것은 다양한 자석간 갭들을 보여주는 도 14와 완전히 일치한다. 다시 말하지만, 도 14는 갭 거리가 0일 때 그리고 자석간 갭이 0일 때 자기 플럭스 밀도가 (임의의 주어진 2개의 자석에 대한) 한계에 도달한다는 것을 예시하고 있다. 자석간 갭이 증가함에 따라, (갭 거리가 영으로 일정하게 유지될 때에도) 플럭스 밀도는 감소한다. 그에 부가하여, 적어도 자석간 갭의 상대적으로 작은 증가들에 대해, 약 25 mm에서 자석간 갭의 효과가 더 이상 느껴지지 않는다(자석간 갭과 무관함). 즉, 자석간 갭만이 변하는 시스템들에 의해 발생된 플럭스 밀도 플롯들 모두는 약 25 mm에서 수렴하며, 이 시점에서 플럭스 밀도 플롯들은 계속하여 서로를 쫓아간다(대략 역 세제곱으로 0의 한계로 떨어짐).
앞서 논의된 바와 같이, 그리고 방금 논의된 제로 회전 오프셋 시스템과 달리, 제3 라인(1530)과 제4 라인(1540)을 생성한 2 자석 시스템은 하방 80도 시스템 회전 오프셋을 갖는다. 그렇지만, 제3 라인(1530)을 생성한 제1 2 자석 시스템은 약 0.2 인치의 자석간 갭을 가졌던 반면, 제4 라인(1540)을 생성한 제2 2 자석 시스템은 약 0.75 인치의 자석간 갭을 가졌다. 자석들이 서로 더 가깝게 있었던 시스템이 처음에는 자석들이 더 멀리 떨어져 있었던 시스템보다 상당히 더 높은 플럭스 밀도를 가졌다 - 사실, 0의 갭 거리에서 플럭스 밀도가 대략 70% 더 높다. 그래프는 하방 회전 오프셋을 갖는 시스템들에서 작은 자석간 갭들을 통해 달성된 이득들이 회전 오프셋을 갖지 않는 시스템들에 대해서보다 훨씬 더 넓은 범위의 갭 거리들에 걸쳐 실현된다는 것을 예시하고 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 회전 오프셋을 갖지 않는 시스템들은 약 25 mm보다 더 낮은 갭 거리들에 대해서만 증가된 플럭스 밀도를 유지한다. 뚜렷이 대조적으로, 하방 80도 회전 오프셋을 갖는 시스템은 약 50 mm - 갭 거리의 두 배 - 에서 증가된 플럭스 밀도를 여전히 경험하였다. 회전 오프셋된 시스템들은 약 50 mm에서 수렴하였으며, 이 시점에서 그들은 계속하여 서로를 쫓아갔다. 그렇지만, 그들은 회전 오프셋을 갖지 않는 시스템들보다 위쪽에 유지된다.
도 15는 상이한 결과들을 달성하기 위해 자석간 갭과 갭 거리 둘 다가 조작된 시스템들의 예들을 예시하고 있다. 작은 갭 거리들이 가능한 일부 응용들이 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 응용의 일 예는 아동들에게 이식된 자기적으로 조정가능한 척추측만증 로드(scoliosis rod)들에 있다. 이 로드들은 종종 척추의 후방 바로 위쪽의 피부 아래 가까이에 있다 - 이 디바이스들의 일부 예들은 미국 특허 제8,197,490호, 제8,057,472호, 제8,343,192호, 및 제9,179,938호 - 이들은 참조에 의해 그 전체가 본 명세서에 원용됨 - 에 개시되어 있다. (갭 거리들이 작은) 이들과 같은 응용들에서, 요구된 토크의 크기가 평가되어야만 한다. 높은 레벨들의 토크가 요구될 때, 도 15에 예시된 바와 같이, 작은 자석간 갭은 바람직할 수 있고(자석간 갭을 감소시키는 것은 일반적으로 자기 플럭스를 증가시킴), 하방 회전 오프셋은 바람직하지 않을 수 있다(작은 내지 중간 갭 거리들에서, 하방 회전 오프셋들은 플럭스 밀도를 감소시키는 경향이 있음). 그렇지만, 높은 레벨들의 토크가 불필요하거나 심지어 해로울 수 있다. 이 경우들에서, 큰 자석간 갭이 바람직할 수 있다(자석간 갭을 증가시키는 것은 일반적으로 자기 플럭스를 감소시킨다). 훨씬 더 많은/더 큰 토크 감소가 바람직한 경우, 하방 회전 오프셋이 사용될 수 있다.
작은 갭 거리들이 불가능하지는 않더라도 드물며, 중간 내지 큰 갭 거리들이 다루어져야만 하는 일부 응용들이 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 이러한 응용의 일 예는 자기적으로 조정가능한 골수내 대퇴골 금속정(intramedullary femoral nail)들에 있다. 이러한 금속정들은 대퇴골의 골수내 강(intramedullary canal)에 배치되고; 결과적으로, 지방(adipose), 근막(fascia) 및 근육이 어느 정도 압축될 수 있지만, 갭 거리는 대퇴골 위에 있는 조직들에 의해 실질적으로 증가된다. 이러한 디바이스들의 일부 예들이 미국 특허 제8,449,543호 및 제8,852,187호 - 이들은 참조에 의해 그 전체가 본 명세서에 원용됨 - 에 개시되어 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 하방 회전 오프셋은 일반적으로 갭 거리가 증가함에 따라 플럭스 밀도의 증가를 야기한다. 따라서, 이 응용들에서, 하방 회전 오프셋 시스템들은 그들의 정렬된 대응물들보다 아마도 더 효과적일 것이다. 80도의 하방 회전 오프셋을 갖는 시스템들의 경우, 감소된 자석간 갭으로 인한 플럭스 밀도의 임의의 증가는 일반적으로 약 50 mm 근방에서 상실된다. 따라서, 증가된 토크(그리고 따라서 플럭스 밀도)가 바람직한 응용이 약 50 mm보다 더 큰 갭 거리를 갖는 경우, 자석간 갭을 감소시키는 것은 토크를 증가시키는 데 거의 역할을 하지 않을 것이다. 그렇지만, 갭 거리가 약 50 mm보다 더 작은 경우, 갭 거리를 감소시키는 것은 가능한 토크를 급격히 증가시킬 수 있다. 임의의 대퇴골 골수내 금속정이 작은 갭 거리를 경험할 가능성은 없지만, 갭 거리가 약 25 mm보다 더 작은 경우, 하방 회전 오프셋을 갖는 것은 보다 높은 토크들을 발생시킬 수 있는 시스템의 능력을 저하시킬 것이다. 그 경우에, 작은 갭 거리를 갖는 회전 정렬된 시스템(rotationally aligned system)이 더 나을 것이다. 회전 오프셋과 자석간 갭의 효과들이 단지 매우 제한된 맥락에서 그리고 단지 예를 위해 여기서 논의되었다는 것에 유의해야 한다. 본 명세서에서 논의되는 바와 같이, 주어진 지점에서 경험되는 자기 플럭스 밀도를 증가시키거나 감소시키기 위해 변경될 수 있는 부가의 범위들 및 변수들이 있다.
도 24는, 시스템에 의해 생성된 자기 필드들을 추가로 정형(shape)하기 위해 제3 외부 자석(2408)이 추가된 것을 제외하고는, 도 11에 도시된 것과 유사한 다른 자석 시스템을 예시하고 있다. 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)과 마찬가지로, 제3 외부 자석(2408)은 S극(2406), N극(2404), 제3 자석 직경(2432), 및 제3 세장 회전축을 갖는다. 제3 외부 자석(2408)이 제2 자석 직경(1132) 또는 제1 자석 직경(1134)보다 더 작은 제3 자석 직경(2432)을 갖는 것으로 여기에 도시되어 있지만, 이것이 단지 예시를 위한 것임을 이해해야 한다. 임의의 주어진 시스템의 플럭스 정형 목표들에 따라, 제3 자석 직경(2432)은 제2 자석 직경(1132) 및/또는 제1 자석 직경(1134)보다 작거나, 그와 동일하거나, 그보다 더 클 수 있다.
도 24를 계속 참조하면, 제3 세장 회전축은 (제1 및 제2 세장 회전축들과 마찬가지로) 제3 외부 자석(2408)의 중심을 통해 지면 안쪽으로 연장되는 제3 외부 자석(2408)의 중심을 통과하는 라인이다. 제1 외부 자석(706)은 제1 자석 수직축(1113)을 갖고 제2 외부 자석(708)은 제2 자석 수직축(1112)을 갖지만, 제3 외부 자석(2408)은 중앙 수직축(1111) - 이 라인은 자석간 갭(1130)을 이등분함 - 바로 위에 있는 것으로 도시되어 있다. 제3 외부 자석(2408)을 중앙 수직축(1111) 상에 배치하는 것은 중앙 수직축(1111)에 걸쳐 유리하게도 균일한 시스템을 가능하게 할 수 있다. 그렇지만, 제3 외부 자석(2408)이 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)에 대해 아무 곳에나 배치될 수 있음을 또한 이해해야 한다. 도 24에 도시된 바와 같이, 제3 외부 자석(2408)의 위치가 또한, 수평축(1110)으로부터 제3 외부 자석(2408)의 제3 자석 수평축(2410)까지 중앙 수직축(1111)을 따른 거리인, 제3 자석 수직 오프셋(1139)에 의해 정의된다.
제3 외부 자석(2408)은 제3 중심 자기축(2424)(도 24에 도시됨)까지 제3 회전각(2425)만큼 회전될 수 있다. 제3 외부 자석(2408)는 제3 외부 자석(2408)에 대한 기준 프레임(frame of reference)이 제2 외부 자석(708)에 대한 기준 프레임과 동일하게 되어 있는 기준 구성을 갖는다. 즉, 제3 세장 회전축을 중심으로 시계 방향으로의 제3 외부 자석(2408)의 회전들은 포지티브인 것으로 표기되어 있는 반면, 제3 세장 회전축을 중심으로 반시계 방향으로의 제3 외부 자석(2408)의 회전들은 네거티브인 것으로 표기되어 있다. 제3 외부 자석(2408)은 또한, 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)과 마찬가지로, 회전 오프셋을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제3 회전각(2425)은 포지티브이고, 일부 실시예들에서 제3 회전각(2425)은 네거티브이다. 제3 중심 자기축(2424)을 포함하는 제3 외부 자석(2408)이 포지티브 방향으로 0°부터 360°까지 제3 회전각(2425)만큼 회전될 수 있다. 그에 부가하여, 제3 중심 자기축(2424)을 포함하는 제3 외부 자석(2408)이 네거티브 방향으로 0°부터 -360°까지 제3 회전각(2425)만큼 회전될 수 있다. 제2 외부 자석(708)과 마찬가지로, 제3 중심 자기축(2424)이 0° 초과 180° 미만의 제3 회전각(2425)만큼 회전 오프셋되도록 하는 제3 외부 자석(2408)의 회전들은 일의적 포지티브 회전 오프셋들이다. 동일한 방식으로, 제3 중심 자기축(2424)이 0° 미만 -180° 초과의 제3 회전각(2425)만큼 회전 오프셋되도록 하는 제3 외부 자석(2408)의 회전들은 일의적 네거티브 회전 오프셋들이다. 즉각 이해될 것인 바와 같이, 180° 초과 360° 미만의 제3 회전각(2425)만큼의 제3 외부 자석(2408)의 회전들은 0° 미만 -180° 초과의 제3 회전각(2425)만큼의 제3 외부 자석(2408)의 회전들과 동등하고, -180° 미만 -360° 초과의 제3 회전각(2425)만큼의 제3 외부 자석(2408)의 회전들은 0° 초과 180° 미만의 제3 회전각(2425)만큼의 제3 외부 자석(2408)의 회전들과 동등하다. 0° 초과 180° 미만의 제3 회전각(2425)만큼의 제3 외부 자석(2408)의 회전들은 "상방 회전들" 또는 "상방 오프셋들"이라고 알려진 일의적 포지티브 회전 오프셋들이다. 이와 달리, 0° 미만 -180° 초과의 제3 회전각(2425)만큼의 제3 외부 자석(2408)의 회전들은 "하방 회전들" 또는 "하방 오프셋들"이라고 알려진 일의적 네거티브 회전 오프셋들이다.
도 24가 제3 외부 자석(2408)의 제3 자석 수평축(2410)을 수평축(1110)과 피이식 자석(1010) 사이에 있는 것으로 예시하지만, 다른 배치들이 가능하다. 도 25a 내지 도 25c는 제3 외부 자석(2408)이 어디에 배치될 수 있는지의 다양한 예들을 예시하고 있다. 도 25a 내지 도 25c에서, 피이식 자석(1010)의 위치가 배향 방향(2480)에 의해 식별된다: 도 24에서의 피이식 자석(1010)은 제1 외부 자석(706), 제2 외부 자석(708) 및 제3 외부 자석(2408)보다 "위쪽에" 있는 것으로 도시되어 있지만, 도 25a 내지 도 25c에서 피이식 자석(1010)은 제1 외부 자석(706), 제2 외부 자석(708), 및 제3 외부 자석(2408)보다 "아래쪽에" 있는 것으로 나타내어져 있다.
도 25a는, 제3 외부 자석(2408)이 수평축(1110), 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)보다 위쪽에 배치되도록, 제3 자석 수직 오프셋(1139)이 포지티브인 3 자석 시스템을 예시하고 있다. 제3 자석 수직 오프셋(1139)은 자기적으로 의미있는 임의의 포지티브 값을 가질 수 있다. (도 25에 도시된 바와 같이) 제3 자석 수직 오프셋(1139)이 증가함에 따라, 자기 필드들이 대략 역제곱으로 떨어지기 때문에, 제3 외부 자석(2408)의 효과가 급속히 떨어질 것이다. 도 25a에서, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708) 둘 다가 피이식 자석(1010)에 더 가깝다(중심간 거리에 의해 정의됨). 따라서, 제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)이 제3 자석 직경(2432)보다 더 큰 직경들을 갖는 한, 제3 외부 자석(2408)으로 인해 피이식 자석(1010)이 느끼는 효과는 제1 외부 자석(706) 또는 제2 외부 자석(708) 중 어느 하나로 인해 피이식 자석(1010)이 느끼는 효과보다 더 적을 것이다. 물론, 제3 자석 직경(2432)이 충분히 증가된 경우, 제3 외부 자석(2408)은 충분히 강한 필드를 가질 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다. 마찬가지로, 3개의 자석 각각이 피이식 자석(1010)에 똑같이 영향을 미치도록 파라미터들이 최적화될 수 있다.
도 25b는 제3 자석 수직 오프셋(1139)이 0인 제2 3 자석 시스템을 예시하고 있다(즉, 제3 자석 수평축(2410)과 수평축(1110)이 동일한 라인 상에 있음/동일한 라인임). 도 25b에서, 제3 외부 자석(2408)이 항상 피이식 자석에 더 가까울 것이다(중앙 수직축(1111)을 따라 있을 때 그리고 중심간 거리에 의해 정의됨). 따라서, 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)과 동일한 효과를 갖기 위해, 제3 자석 직경(2432)이 (문턱 직경에서) 제2 자석 직경(1132) 및/또는 제1 자석 직경(1134) 중 어느 하나보다 더 작을 수 있다. 그렇지만, 동일한 효과를 갖기보다는, 제3 외부 자석(2408)이 제1 외부 자석(706) 또는 제2 외부 자석(708)보다 더 강한 효과를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우에, 제3 자석 직경(2432)이 문턱 직경을 초과하여 증가될 수 있다. 물론, 일부 실시예들에서, 제1 외부 자석(706) 또는 제2 외부 자석(708)으로 인해 느끼는 것보다 더 적은 효과가 제3 자석 직경(2432)에 의해 생성되는 것이 바람직하다. 그 경우들에서, 제3 자석 직경(2432)이 문턱 직경 미만으로 감소될 수 있다.
도 25c는, 제3 외부 자석(2408)이 수평축(1110), 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)보다 아래쪽에 배치되도록, 제3 자석 수직 오프셋(1139)이 네거티브인 제3 3 자석 시스템을 예시하고 있다. 제3 자석 수직 오프셋(1139)은 자기적으로 의미있는 임의의 네거티브 값을 가질 수 있다. 제3 자석 수직 오프셋(1139)이 점점 더 네거티브로 됨에 따라, 자기 필드들이 대략 역제곱으로 떨어지기 때문에, 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)의 (중앙 수직축(1111)을 따른) 효과가 급속히 떨어질 것이다. 도 25c는 제1 자석 직경(1134) 및 제2 자석 직경(1132)보다 더 작은 제3 자석 직경(2432)을 갖는 제3 외부 자석(2408)을 예시하고 있다. 제3 외부 자석(2408)이 중앙 수직축(1111)을 따라 아래로 더 멀리(예컨대, 이론적인 피이식 자석(1010)에 더 가깝게) 있기 때문에, 제3 외부 자석(2408)이 배향 방향(2480)으로 플럭스 밀도에 미치는 영향은 제1 외부 자석(706) 또는 제2 외부 자석(708) 중 어느 하나보다 더 두드러질 수 있다. 그렇지만, 앞서 기술된 바와 같이, 시스템 요구사항들에 따라, 하나의 자석의 자기 입력을 다른 자석의 자기 입력과 균형을 이루게 하거나(balance) 그보다 강조하기(emphasize) 위해 다양한 자석들의 직경들이 변경될 수 있다(제1 외부 자석(706)과 제2 외부 자석(708)이 일반적으로 동일한 직경을 가질 수 있지만, 그들이 상이한 직경들을 가질 수 있다). 예를 들어, 제3 외부 자석(2408)의 효과를 강조하기 위해 제3 자석 직경(2432)이 증가될 수 있다. 또는, 제3 외부 자석(2408)에 비해 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)의 효과를 증가시키기 위해 (어쩌면 제3 자석 직경(2432)을 감소시키면서) 제1 자석 직경(1134) 및 제2 자석 직경(1132) 중 하나 이상이 증가될 수 있다.
나침반, 말굽 자석, 또는 심지어 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)과 같은 회전 자극을 갖는 원통형 자석(rotational poled cylindrical magnet)과 같은, 간단한 자석들에 부가하여, 각각의 자극에 대한 플럭스 방향이 마음대로 선택될 수 있는 복합 자석(complex magnet)들을 생성하는 것이 가능하다. 복합 자석의 일반적인 예는 자기(magnetism)가 한쪽 측면에만 존재하는 냉장고 자석이다 - 자석의 배면은 냉장고에 달라붙을 것인 반면 전면은 그렇지 않을 것이다. 이 현상은 자기 필드가 자석의 한쪽 측면에만 존재할 수 있게 하는 자석의 제작 동안의 플럭스 방향의 선택적 배향으로 인한 것이다. 이 현상은 Halbach 효과(Halbach effect)라고 알려져 있으며 이 배열은 Halbach 어레이(Halbach array)라고 알려져 있다. 각각의 연속적인 자극편의 N극이 이전 자석으로부터 1/4 바퀴(quarter turn) 회전되도록 N극-S극 자극편들을 나란히(side-by-side) 단순 배열하는 것에 의해 자기 필드가 한쪽 측면에만 존재하도록 일자형 자석(straight magnet)들이 Halbach 어레이들로 생성될 수 있다. 기술된 바와 같이 정렬되면, 특정의 방향으로 진행함에 따라 자화 방향이 균일하게 회전할 것이다.
일반적으로, Halbach 어레이는 Halbach 어레이의 한쪽 측면 상에서는 자기 필드를 보강(augment)하면서 Halbach 어레이의 다른 쪽 측면 상에서는 자기 필드를 거의 제로 또는 실질적으로 거의 제로로 상쇄(cancel)할 수 있는 영구 자석들의 배열이다. 예를 들어, 자기 필드가 Halbach 어레이의 하단 측면에서는 강화(enhance)되고 Halbach 어레이의 상단 측면에서는 상쇄될 수 있다(일측면 플럭스(one-sided flux)). 영구 자석들의 1/4 바퀴 회전 패턴은 무한정으로 계속되고 동일한 효과를 가질 수 있다. 점점 더 복잡한 Halbach 어레이들이, 원통형 자석들을 비롯한, 임의의 자석에 대한 자기 필드를 정형하는 데 사용될 수 있다.
도 26a 내지 도 26c는 개별 자극들의 자기 플럭스 방향이 조작될 수 있는 다양한 원통형 자석들을 예시하고 있다. 도 26a는, 각각이 자기 플럭스 필드(2626)를 갖는, 제1 자극(2611) 및 제2 자극(2612)을 갖는 2 자극 자석(two-poled magnet)(2610)을 예시하고 있다. Halbach 어레이들을 사용하여, 자기 플럭스 필드(2626)는 임의의 방향으로 "향해 있을" 수 있다. 예를 들어, 자기 필드가 실질적으로 자석의 한쪽 측면에만 생성될 수 있다. 도 26b는, 각각이 자기 플럭스 필드(2626)를 갖는, 제1 자극(2621), 제2 자극(2622), 제3 자극(2623), 및 제4 자극(2624)을 갖는 4 자극 자석(four-poled magnet)(2620)을 예시하고 있다. 도 26a와 관련하여 기술된 바와 같이, 각각의 자기 플럭스 필드(2626)는 임의의 방향으로 "향해 있을" 수 있다. 마지막으로, 도 26c는, 각각이 자기 플럭스 필드(2626)를 갖는, 제1 자극(2631), 제2 자극(2632), 제3 자극(2633), 제4 자극(2634), 제5 자극(2635), 제6 자극(2636), 제6 자극(2636), 및 제8 자극(2638)을 갖는 8 자극 자석(eight-poled magnet)(2630)을 예시하고 있다. 자극들의 수들이 증가하는 Halbach 어레이들의 원리들을 사용하여, 유리한 특성들을 갖는 복합 자석들이 생성될 수 있다. 예를 들어, 자석의 한쪽 측면 상에 단일의 강력하게 집중된 필드(single, intensely focused field)를 갖는 원통형 자석을 생성하는 것이 가능할 수 있다. 이와 달리, 자기 데드 존(magnetic dead zone)들(즉, 자기 플럭스가 거의 또는 전혀 존재하지 않는 구역)에 의해 분리되는 4개의 덜 약한 필드를 갖는 원통형 자석을 생성하는 것이 가능할 수 있다. 이 복합 자석들은 유리하게도, 피이식 자석(1010)과 같은, 임플란트들에 적용될 수 있다. 보다 강력하게 집중된 자기 필드들을 갖는 피이식 자석들은 보다 높은 커플링 토크들을 발생시킬 수 있다. 대안적으로, 토크들을 증가시키기보다는, 피이식 자석(1010)의 크기를 감소시키는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, (하나 이상의 Halbach 어레이를 갖는) 보다 작은 복합 피이식 자석(1010) 상의 집중된 자기 필드들은 비교적 집중되지 않은 자기 필드들을 갖는 표준 2 자극 자석보다 동등하거나 훨씬 더 큰 커플링 토크들을 발생시킬 수 있다. 이러한 복합 자석들이 또한 외부 조정 디바이스(700)에 통합될 수 있다. 다시 말하지만, 하나 이상의 Halbach 어레이는 자석 크기의 감소, 커플링 토크의 증가, 또는 심지어 둘 다를 가능하게 할 수 있다. 복합 자석들이 피이식 자석(1010) 및 외부 조정 디바이스(700) 둘 다에 사용되는 경우 효과가 증가될 수 있다.
도 27은, 도 11에 도시된 것과 같은, 2 자석 시스템의 자기 플럭스 맵을 예시하고 있다. 도 11과 달리, 자석들 둘 다가 시계 방향으로 90도 회전되었다. 따라서, 제1 외부 자석(706)의 N극(902)은 S극(904)의 N극(908)과 바로 마주하고 있다. 이 플럭스 맵은 도 13b에 도시된 플럭스 맵과 매우 유사하다.
도 28a는, 도 24 및 도 25a 내지 도 25c에 예시된 것과 유사한, 3 자석 시스템의 개략 다이어그램을 예시하고 있다. 도 28a에서, 3개의 자석 중 작은 쪽이 수평축(1110)을 기준으로 피이식 자석(1010)과 동일한 측면에 있도록, 피이식 자석이 3 자석 시스템보다 "아래쪽에" 있다. 도 28a는 3 자석 시스템의 하나의 가능한 구성을 예시하고 있다. 3개의 자석 중 큰 쪽 2개는 도 27에 도시된 바와 같이 구성된다. 그렇지만, (도 24의 제3 외부 자석(2408)과 유사한) 3개의 자석 중 작은 쪽은 큰 쪽 자석들로부터 90도 오프셋된 S극을 갖는다. 즉, 작은 자석의 N극과 S극을 분할하는 라인이 큰 쪽 자석들의 S극과 N극을 분할하는 (평행한) 라인들에 수직이다. 이 구성이 피이식 자석의 위치에서 증가된 자기 필드 밀도를 제공하기 위해 피이식 자석의 방향 쪽으로 자기 필드를 정형할 수 있다는 것을 알았다. 적어도 하나의 실시예에서, (자석들 사이의 거리들, 자석 크기, 갭 거리 등에 의존하는) 이 구성은 (도 27에 도시된 것과 같은) 2 자석 시스템들보다 50% 더 많은 자기 플럭스 밀도 그리고 따라서 50% 더 많은 힘을 제공할 수 있다.
도 28b는 도 28a에 도시된 것과 유사한 3 자석 시스템의 플럭스 맵을 예시하고 있다. 큰 쪽 자석들 둘 다의 N극들은, 다시 말하지만, 2개의 자석을 분할하는 수직 라인 쪽으로 향해 있다. 그에 부가하여, 작은 쪽 제3 자석의 N극은, 피이식 자석 쪽으로, 아래로 향해 있다. 이러한 방식으로, 3 자석 시스템의 피이식 자석 쪽에서의 자기 플럭스 밀도가 증가될 수 있다. 도 28b는 자기 플럭스 밀도 라인들의 증가된 밀도를 예시하고 있다. 도 28c는, 이와 달리, 큰 쪽 자석들을 동일한 위치에 예시하고 있지만, 작은 쪽 자석은 N극이 위로 향해 있고 피이식 자석으로부터 떨어져 있다. 이 구성에서, 시스템은 피이식 자석에 의해 관찰되는 플럭스 밀도를 감소시킨다. (자석들 사이의 거리들, 자석 크기, 갭 거리 등에 의존하는) 이 구성은 (도 27에 도시된 것과 같은) 2 자석 시스템들보다 50% 더 적은(감소된) 자기 플럭스 밀도 그리고 따라서 50% 더 적은 힘을 제공할 수 있다.
국제 비전리 방사 보호 위원회(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection)는 "Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields (Up To 300GHz)" 및 "Guidelines on Limits of Exposure to Static Magnetic Fields"를 발표하였다. 가이드라인들의 세트들 둘 다는 참조에 의해 그 전체가 본 명세서에 원용된다. 이 가이드라인들은 건강을 보호하기 위해 시변 자기 필드들과 정적 자기 필드들 둘 다에 대한 노출을 제한한다. 그렇지만, 한계들이 신체의 상이한 부위들에 대해 상이하다. 예를 들어, 손가락은 뇌보다 더 높은 한계를 가질 수 있다. 시변 자기 필드 한계들의 경우, 2개의 변수: 필드 강도(field strength) 및 (예컨대, 신체에 대한) 필드 이동 속도(field movement speed)가 특히 중요하다. 약한 자기 필드는 일반적으로 규정된 한계들 내에 머물면서 신체 주위에서 상대적으로 빠르게 이동될 수 있다. 이와 달리, 매우 강한 자석은 규정된 한계들 내에 머무르기 위해 신체 주위에서 매우 느리게 이동될 필요가 있다. 이것은 MRI 스캔을 받고 있는 환자들이 움직이지 말라는 말을 듣는 하나의 이유이다 - 환자들은 엄청나게 강한 자기 필드들에 노출되어 있다. MRI 기기에 있는 사람의 많은 움직임은 규정된 한계들을 아마도 초과할 것이다. 시변 자기 필드 한계들과 달리, 정적 자기 필드 한계들은 주로 필드 강도와 관련이 있다. 그렇지만, 가이드라인들은 "의료 진단 또는 치료를 받고 있는 환자들의 노출에는 적용하지 않는다"고 언급하고 있다. 가이드라인들이 적용되었다면, MRI 기기들이 한계들을 벗어날 것임이 거의 확실하다.
앞서 논의된 가이드라인들을 고려하면, 자기 의료 디바이스들이 이상적으로는 원하는 임상 결과를 여전히 달성하기 위해 가능한 가장 느린 방식으로 가능한 가장 약한 자기 필드를 사용해야만 한다는 것을 알 수 있다. 도 1에 도시된 외부 조정 디바이스(700)를 비롯한, 본 명세서에 개시된 시스템들 중 몇몇은 자석 크기들, 자석간 갭들 등을 비롯한, 많은 고정 파라미터(fixed parameter)들을 갖는다. 이러한 외부 조정 디바이스(700)의 경우, 시변 자기 필드 노출을 감소시키는 방식들이 많지 않다. 일부는 갭 거리를 증가시키는 것(환자에 대한 안정(stabilization)이 유익할 수 있는 만큼 어려울 수 있음)과 제1 외부 자석(706) 및 제2 외부 자석(708)의 회전 속도를 감소시키는 것을 포함할 수 있다.
외부 조정 디바이스(700)에서 사용자에 의해 또는 "스마트" 외부 조정 디바이스(700) 자체에 의해 변화될 수 있는 파라미터들은: 자석간 갭; 갭 거리; 회전 오프셋(일방 및 쌍방); 및 자석 회전 속도를 포함한다. 이 변수들 중 하나 이상을 선택적으로 변화시키는 것은 사용자 또는 "스마트" 외부 조정 디바이스(700)가 여전히 임상적으로 효과적인 가장 낮은 플럭스(가장 약한 자기 필드)를 갖도록 시스템을 최적화하는 것을 가능하게 할 수 있다.
본 발명이 특정의 바람직한 실시예들 및 예들과 관련하여 개시되었지만, 본 기술분야의 통상의 기술자라면 본 발명이 구체적으로 개시된 실시예들을 넘어 본 발명의 다른 대안 실시예들 및/또는 용도들 그리고 그의 명백한 수정들 및 등가물들로 확장된다는 것이 이해될 것이다. 그에 부가하여, 본 발명의 다수의 변형들이 도시되고 상세히 기술되었지만, 본 발명의 범주 내에 있는 다른 수정들이 본 개시내용에 기초하여 본 기술분야의 통상의 기술자에게 즉각 명백할 것이다. 실시예들의 특정 특징들 및 양태들의 다양한 조합들 또는 서브조합(sub-combination)들이 이루어질 수 있고 여전히 본 발명의 범주 내에 있다는 것이 또한 생각된다. 그에 따라, 개시된 실시예들의 다양한 특징들 및 양태들이 개시된 발명의 다양한 모드들을 형성하기 위해 서로 조합되거나 치환될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 본 발명의 범주는 앞서 기술된 특정의 개시된 실시예들에 의해 제한되어서는 안되며, 이하의 청구항들의 공정한 해석(fair reading)에 의해서만 결정되어야 한다.
이와 유사하게, 이러한 개시 방법이 임의의 청구항이 그 청구항에 명확하게 인용되어 있는 것보다 더 많은 특징들을 필요로 한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이하의 청구항들이 반영하고 있는 바와 같이, 발명 양태들이 임의의 단일의 전술한 개시된 실시예의 특징들 전부가 아닌 일부의 조합에 있다. 따라서, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 이후의 청구항들은 이로써 이 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 명확히 포함되고, 각각의 청구항은 그 자체로서 개별적인 실시예로서의 지위를 갖는다.
Claims (20)
- 원격 디바이스에 회전 운동을 자기적으로 발생시키기 위한 컨트롤러로서,
제1 세장 회전축(elongate rotational axis), 상기 회전축의 제1 측면에 있는 N극(north pole), 상기 회전축의 제2 측면에 있는 S극(south pole), 및 상기 회전축에 횡방향으로 그리고 상기 N극과 상기 S극의 중심들을 통해 연장되는 제1 중심 자기축을 갖는, 제1 구동기 자석(driver magnet);
제2 세장 회전축, 상기 회전축의 제1 측면에 있는 N극, 상기 회전축의 제2 측면에 있는 S극, 및 상기 회전축에 횡방향으로 그리고 상기 N극과 상기 S극의 중심들을 통해 연장되는 제2 중심 자기축을 갖는, 제2 구동기 자석; 및
상기 제1 및 제2 회전축들을 중심으로 상기 제1 및 제2 구동기 자석들을 동기 회전시키기 위한 구동 시스템
을 포함하며;
상기 제1 및 제2 중심 자기축들은 서로에 대해 약 5도부터 약 90도까지의 범위 내의 각도로 배향되는, 컨트롤러. - 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 구동기 자석들 중 적어도 하나는 영구 자석인, 컨트롤러.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 구동기 자석들 중 적어도 하나는 전자석인, 컨트롤러.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 중심 자기축과 상기 제2 중심 자기축 사이의 상기 각도를 조정하기 위한 컨트롤(control)을 추가로 포함하는, 컨트롤러.
- 제4항에 있어서, 상기 컨트롤은 수동으로 조정가능한, 컨트롤러.
- 제4항에 있어서, 상기 컨트롤은 자동으로 조정가능한, 컨트롤러.
- 제6항에 있어서, 상기 컨트롤은 상기 원격 디바이스로부터 전송된 신호에 응답하여 자동으로 조정가능한, 컨트롤러.
- 제7항에 있어서, 상기 원격 디바이스로부터 전송된 상기 신호는 상기 원격 디바이스에서의 불충분한 회전 운동을 나타내는, 컨트롤러.
- 제1항에 있어서, 제3 자석을 추가로 포함하는, 컨트롤러.
- 제9항에 있어서, 상기 제3 자석은 상기 제1 및 제2 자석들로부터 수직으로 오프셋되어 있는, 컨트롤러.
- 제10항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 자석들은 Halbach 어레이로 배열되는, 컨트롤러.
- 원격 디바이스에 회전 운동을 자기적으로 발생시키기 위한 컨트롤러로서,
제1 세장 회전축, 상기 회전축의 제1 측면에 있는 N극, 상기 회전축의 제2 측면에 있는 S극, 및 상기 회전축에 횡방향으로 그리고 상기 N극과 상기 S극의 중심들을 통해 연장되는 제1 중심 자기축을 갖는, 제1 구동기 자석;
제2 세장 회전축, 상기 회전축의 제1 측면에 있는 N극, 상기 회전축의 제2 측면에 있는 S극, 및 상기 회전축에 횡방향으로 그리고 상기 N극과 상기 S극의 중심들을 통해 연장되는 제2 중심 자기축을 갖는, 제2 구동기 자석;
상기 제1 및 제2 구동기 자석들로부터 수직으로 오프셋되어 있는 제3 구동기 자석; 및
상기 제1 및 제2 회전축들을 중심으로 상기 제1 및 제2 구동기 자석들을 동기 회전시키기 위한 구동 시스템
을 포함하며;
상기 제1 및 제2 중심 자기축들은 상기 제1 및 제2 구동기 자석들에 의해 생성된 자기 필드를 정형하기 위해 쌍방 비대칭 자기 플럭스 밀도(bilaterally asymmetric magnetic flux density)를 유지하도록 배향되는, 컨트롤러. - 제12항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 구동기 자석들은 Halbach 어레이로 배열되는, 컨트롤러.
- 원격 디바이스에 회전 운동을 자기적으로 발생시키기 위한 조정가능 플럭스 필드 컨트롤러로서,
제1 및 제2 자석들 - 상기 제1 및 제2 자석들은 집합적으로 상기 자석들을 둘러싸는 3차원 플럭스 필드를 발생시키며, 상기 제1 및 제2 자석들 각각은 각자의 제1 및 제2 회전축들을 중심으로 회전가능함 -; 및
상기 제1 및 제2 자석들 중 적어도 하나의 자석의 상기 제1 및 제2 자석들 중 다른 자석에 대한 상대 회전 배향을 조정하기 위한 컨트롤
을 포함하며;
상기 상대 회전 배향의 조정은 상기 3차원 플럭스 필드의 형상을 변화시키는, 컨트롤러. - 제14항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자석들 중 적어도 하나는 영구 자석인, 컨트롤러.
- 제14항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자석들 중 적어도 하나는 전자석인, 컨트롤러.
- 제14항에 있어서, 상기 제1 회전축과 상기 제2 회전축 사이의 각도를 조정하기 위한 컨트롤을 추가로 포함하는, 컨트롤러.
- 제17항에 있어서, 상기 컨트롤은 수동으로 조정가능한, 컨트롤러.
- 제17항에 있어서, 상기 컨트롤은 자동으로 조정가능한, 컨트롤러.
- 제19항에 있어서, 상기 컨트롤은 상기 원격 디바이스로부터 전송된 신호에 응답하여 자동으로 조정가능한, 컨트롤러.
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