如何针对生物医疗应用评估磁场？

许多植入了心脏起搏器等医疗植入物的人会被告知应与磁场保持一定距离，以避免其影响或干扰身上植入的挽救生命的设备。这是因为，手机、笔记本电脑和平板电脑等现代消费类电子设备中的永磁体周围，会产生漏磁场，如果无屏蔽措施加以控制，可能会扩展至以外的区域。

图1：人体、心脏和磁体场叠加图的侧视图

磁场源可能来自多处且强度各异。例如，地球磁场的强度大约是30微特斯拉（mT），非常微弱。而永磁体的表面磁场强度可能约有1特斯拉，足以导致某些电子设备发生故障问题。

一些消费类电子设备会使用永磁体来锁定或校准无线充电线圈，当这些消费电子设备与敏感医疗设备邻近到一定程度，永磁体就可能会影响医疗设备、带来风险。

永磁铁周围的边缘磁通取决于它的磁场强度以及相邻的铁质材料的大小和数量，而后者还会反过来影响磁铁在不同距离和不同方向上的磁场强度。因此，在设计内置有永磁体的消费类电子产品时，评估医疗设备的边缘磁通至关重要。

如何针对生物医疗应用评估磁场？

在Ansys Maxwell里，可以定义任意磁体组件，并在3D空间中评估磁场。使用者可以使用人体模型评估不同位置上的磁场，运用Maxwell中的自动自适应网格剖分，可为任何几何结构组合创建准确、高效、合适的网格。为磁体组件的位置或旋转创建实验设计，可以研究相关医疗设备附近的磁场强度。这便于研究不同的磁结构，评估磁屏蔽方案或制定指南，规定磁体应与医疗设备保持合理距离。

图2（左）：人体、心脏、磁铁模型的前视图和侧视图，图3（右）：磁体的磁化方向

这里展示的例子使用了Halbach磁体阵列，通过采用特定磁化模式，可以增强和消除磁体不同区域的磁场，如图3所示。首先，我们为心脏与磁体阵列之间的距离和磁体材料等级设置参数扫描。我们将距离变量定义为“distance_x”，扫描范围是+20mm到-20mm，表示远离和贴近人体心脏模型的距离。

扫描三种等级的磁体材料，包括“ShinEtsu_N32EZ_20cel”、 “ShinEtsu_N42SH-R_20cel”和“ShinEtsu_N52_20cel”。

绘制B场的大小与距离和磁体等级的关系图，可以定量地显示出永磁体与人体心脏之间距离较远时，人体心脏周围的磁场如何随不同磁体材料发生衰减。

图4. 永磁体的B-H曲线

图5. 心脏的平均磁通量密度与心脏和磁体之间的距离以及磁体等级的关系

呈现时采用场叠加图，方便使用者查看人体周围的磁场。场叠加图的动画直观地显示了心脏周围的磁通量密度随永磁体的位置变化发生改变。

借助Ansys Maxwell，可以了解消费类电子产品中永磁体产生的磁场与敏感医疗设备之间的相互作用，获得关于磁体组件的磁场强度和影响医疗设备的磁场强度等关键信息。

审核编辑：刘清