JP2005028084A

JP2005028084A - コイルおよび加熱装置

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Publication number: JP2005028084A
Application number: JP2003293635A
Authority: JP
Inventors: Tsunehiro Maehara; 常弘前原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】生体内にインプラントを留置して交流磁界を印加することで腫瘍を加熱・壊死させる治療法において、効率の良い生体加熱を実現する空芯コイルおよびそのコイルを含む加熱装置を提供する。
【解決手段】空芯コイルにおいて、導線と生体の距離をほぼ均一とすることにより、コイル空芯部断面形状を対象物断面に近い形状とし、不要な部分への交流磁界の印加を低減することで効率を改善した。
【選択図】図１

Description

この発明は癌などの温熱療法のために生体内へ留置されたインプラントを効率良く加熱するための手段および装置を提供するものである。

最近、生体内にインプラントを留置し、交流磁界を印加することで、腫瘍を加熱・壊死させる治療法が試みられている。この場合、円形の空芯コイルによって治療対象を囲み交流磁界を印加するシステムを採用する場合が多い。例えば、ＮａｇｏｙａＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｄｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅ５９（１９９６）４９−５４では舌癌に対し人体頭部を円形空芯コイルで囲み、交流磁界を印加している。
ＮａｇｏｙａＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｄｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅ５９（１９９６）４９−５４

以上に述べた従来のコイルにおいては対象となる生体の形状を考慮しておらず、交流磁界が必要のない部分へも印加されており、印加電力を無駄にする非効率的な構造であった。

本発明はこのような従来のコイルが有していた問題を解決しようとするものであり、不必要な部分への交流磁界の印加を低減し、効率の良い生体加熱ひいては高周波電源出力の軽減を実現することを目的としている。

課題を解決しようとする手段

本発明は上記目的を達するため、コイルの空芯部断面形状を非円形の対象物断面に近い形状とするものである。例えば人体胴部は扁平であり、これを円形コイルで囲んだ場合には人体の前後方向に不要な空間が生じるが、楕円形や長方形の断面を持つコイルでは不要な空間を小さく抑えることができ、効率の良い生体加熱を実現する。

作用

空芯コイル中の平均磁場強度〈Ｈ〉はコイル空芯の面積をＳとして、〈Ｈ〉＝Φ／（μ_０・Ｓ）で与えられる。ここで、μ_０は真空の透磁率（定数）であり、Φはコイルを貫く磁束数である。一般にΦはコイルのインダクタンスＬとコイルを流れる電流Ｉにより与えられ、Φ＝ＬＩの関係にある。コイルの面積を減少させた場合に、同じ巻き数ではインダクタンスＬが減少するが、同じ電力が印加された場合には電流Ｉが増加する。したがって、磁束数Φはコイルの面積変化に対して、大きく変化しない。よって、面積Ｓを小さくした場合には、同じ電力印加に対し、磁場強度〈Ｈ〉を大きくすることが可能となる。

また、面積Ｓを減少させても巻き数を増やせば、インダクタンスＬを同程度とすることが出来る。この場合、コイルの抵抗値によっては、電流量１を増加させることが可能である。したがって、磁束数Φが増加するため、面積Ｓを小さくした場合に、同じ電力印加に対し、面積減少以上に磁場強度〈Ｈ〉の増大の効果を得ることも可能である。

発明の効果

コイルの空芯部の面積の減少により、磁場強度の増加がみられた。

まず、交流磁界の印加により発熱するインプラントを生体内の対象位置に留置する。この場合、インプラントとしては金属粉末や金属酸化物の粉末を分散させた流体またはこの流体を固形化したものがしばしば用いられ、導体固形物が用いられることもある。次に図１のように対象部位を空芯コイルに通し、交流磁界を印加して対象部位を局所的に加熱する。

印加される交流磁界の周波数は通常１００ｋＨｚから２０００ｋＨｚであり、好ましくは３００ｋＨｚから７５０ｋＨｚである。

人体をはじめ、動物の胴部の形状が左右ほぼ対称であることから、胴部を治療対象とする空芯コイルの空芯部形状は通常、左右に対応する方向に対称となる。

人体胴部を治療対象とする空芯コイルの空芯部形状は楕円形や長方形などが考えられる。図２は人体胴部断面形状に適する例であり、空芯部は楕円形である。ただし、人体胴部を始めとして多くの場合、前後に対応する方向に対称性は必要ない。なお、人体胴部に対しては幅ｗと高さｈについての比ｈ／ｗは０．４から０．９が好ましく、０．５から０．７が特に好ましい。また、人体において肩部を含む場合にはｈ／ｗは０．３から０．７が好ましく、０．４から０．６が特に好ましい。

空芯コイルの形状と対象となる生体の断面形状は近いことが望ましいが、コイルのごく近傍は中心部と比較して、磁界強度が極めて大きくなる。コイルと生体の間に２ｃｍ以上の空隙を設けることが適切である。

生体を加温する場合、断面形状は個体ごとに違いがある。空芯断面と個々の生体の断面を近づけるためには、断面形状と断面積の異なる数種類のコイルを予め用意し、対象となる生体の形状に応じて、最適なコイルを選択することが望ましい。

空芯断面と個々の生体の断面を近づける手段の一つとして、断面形状と断面積を変更する手段を有するコイル導体の使用が挙げられる。この場合、導体の一部もしくは全部に柔軟性を有する金属板、金属縒り線、フレキシブルホースなどを使用する。

コイルの空芯形状を加熱対象となる部位に最適な形状とした場合、生体の他の部位が障害となり、空芯への挿入が困難となる場合がある。たとえば、人体胴部を加熱対象とする際に、最適なコイルが臀部を通過しえない場合がこれに当たる。これを回避するための手段として、たとえば前述の断面形状と断面積を変更する手段を有するコイルの使用が挙げられる。生体挿入に際してはコイル空芯部を拡張または変形して生体を挿入し、その後、交流磁界印加時には形状を最適な状態に回復する。

障害となる部位を通過せず、対象位置にコイルを設置することも可能である。複数の導体から構成され、それらが着脱可能な接点により接続されるコイルを使用することが一つの方法である。この場合、接点を外して直接対象部位をコイルで囲んだ後、接点を閉じて交流磁界を印加する。また、導体全体が柔軟性を持つコイルを使用することも一つの方法である。この場合は直接対象部位をコイルで巻くことが可能である。

図３に示すように、空芯コイルには通常、整合器が接続され、整合器には高周波電源が接続される。高周波電源は通常、発振器と複数の増幅器よりなる。整合器はインピーダンスを調整し、入射波が反射することを防ぐ役割を担う。コイルの形状や断面積が変更された場合にはインピーダンスの変更も伴うため、この変更に対応できる能力を有する整合器が必要となる。使用する交流磁界の周波数範囲とコイルのインピーダンス範囲に対応できる整合器を使用する。インピーダンスや周波数の範囲が広範囲に及ぶ場合には、複数の整合器を用意し、最適なものを選択する。

整合器や空芯コイルあるいはそれらの接続部においては抵抗値を下げ、ジュール熱による損失を低減することが望ましい。そのためには、銅製の部品を銀メッキして酸化による抵抗の増大を防ぐことや冷却により金属の抵抗値を下げることは有効である。また、１００ｋＨｚ以上の交流電流は導体の表面を流れるため、コイルを形成する導体の表面積を大きくすることは有効である。

整合器やコイルの冷却にはガスや冷却水などの冷媒を用いる。さらに低温を必要とする場合は、液体窒素などの液化ガスを使用する。このため、通常、コイルの導体には金属パイプを使用する。コイルの導体として、金属縒り線を使用する場合は、縒り線の外側に絶縁被覆を施し、冷媒を注入する。

上述したように円形コイルと比較して、扁平にして空芯面積を減少させたコイルではインダクタンスは小さくなり、同じインダクタンスＬを得るためには巻き数を増やせば良い。巻き数の増加はコイルの長さｄの増加につながり、治療の対象範囲を拡大させることが出来る。

同じ断面形状であってもコイルの巻き数や巻きの粗密によって、インダクタンスＬや抵抗値Ｒは変わる。その結果、同じ電力を入力した場合でも、磁束数Φもしくは磁場強度はＬやＲの値の違いによって増減する。コイルに接続された整合回路等を考慮し、さらに必要なコイルの長さｄを考慮した上で、最適な巻き数や巻きの粗密を選択する必要がある。

直径４ｍｍの銅パイプを楕円形の型の周囲に６回、７回および８回巻きつけ、この発明のコイルを３種類作成した。楕円コイル空芯部の幅および高さはｗ＝２０ｃｍおよびｈ＝１２ｃｍである。６回巻かれたものをコイルＮｏ．１とし、７回および８回巻かれたものをコイルＮｏ．２およびＮｏ．３とする。これらとの比較のため、従来の形である円形のコイルも作成した。直径２０ｃｍの円形型の周囲に６回巻き付けられている。この円形コイルをコイルＮｏ．４とする。これらのコイルの特性については表１にまとめられている。Ｎｏ．１とＮｏ．４は巻き数が等しく、Ｎｏ．２とＮｏ．４はインダクタンスがほぼ等しい。また、Ｎｏ．３とＮｏ．４は抵抗値がほぼ等しい。

Ｎｏ．１から４のコイルを順次、整合器および高周波電源に接続してコイルの中心位置において発生する磁界強度とその位置にインプラントをおいた場合の温度上昇を計測した。磁界強度の測定には２００ｋＨｚの高周波を１００Ｗ印加している。また、温度上昇の計測ではインプラントとしてマグネシウム粉末をカルボキシメチルセルロースナトリウム塩水溶液に懸濁したものを用いている。温度上昇は２００ｋＨｚの高周波２００Ｗを３分間印加した場合の室温からの変化分である。

３種類の楕円形コイルと円形コイルの比較を行い、表１にそれぞれのコイルの作る磁場強度とインプラントの温度上昇をまとめた。Ｎｏ．４の円形コイルに比べ、楕円形コイル（Ｎｏ．１〜３）の作る磁界強度は大きい。インプラントの温度上昇も、磁場強度の計測結果と定性的に一致する。これらのことから、コイルの空芯部の面積を減少させることの効果が確認された。

生体形状に近い形状の空芯コイルを利用して交流磁界を発生させることで、癌などの温熱療法のために生体内へ留置されたインプラントを効率良く加熱することができ、癌治療などの医療機器に適用できる。。

本発明の一実施例を示す空芯部に人体を挿入した非円形空芯コイルの外観図である。本発明のコイルの一例を示す断面図である。本発明の加熱装置の構成図の一例である。

符号の説明

１．人体
２．空芯コイル
３．インプラントの留置された部分
４．人体胴部断面
５．コイル空芯部

Claims

空芯内に人体または動物など生体物を挿入し、生体内に留置されたインプラントを交流磁界の発生により発熱させることを目的としたコイルであって、コイルを構成する導体と生体の距離がほぼ均一である非円形形状のコイル。
空芯内に人体胴部を挿入し、人体胴部内に留置されたインプラントを交流磁界の発生により発熱させることを目的とした、空芯断面が人体胴部形状に近い扁平なコイルであって、空芯断面の幅ｗと高さｈの比ｈ／ｗが０．３〜０．９であるコイル。
コイルの長さｄあるいは空芯の面積または空芯の形状を変更する手段を有する、請求項１または２に記載のコイル。
コイルを構成する導体が複数の部分から成っており、それらが着脱可能な接点によって接続されている、請求項１、２または３に記載のコイル。
請求項３または４に記載のコイルを有し、コイルのインピーダンスの変化に対応して整合をとる手段を有する、交流磁界により生体を加熱する加熱装置。
断面形状や断面積の異なる請求項１，２、３または４に記載のコイルを複数伴う装置であって、対象となる生体に応じて最適なコイルを選択して交換できる機能を有し、それらコイルのインピーダンスの違いに対応して整合を取る手段を有する、交流磁界により生体を加熱する加熱装置。
請求項１、２、３または４に記載のコイルを有する装置、あるいは５または６に記載の装置であって、１００〜２０００ｋＨｚの交流磁界により生体を加熱する加熱装置。