JP2004205416A

JP2004205416A - 電界検出用プローブ及び該プローブを使用した三次元電界計測方法

Info

Publication number: JP2004205416A
Application number: JP2002376878A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hyodo; 行志兵藤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: JP3752541B2

Abstract

【課題】プローブの回転操作だけで３次元電界計測を可能にする。
【解決手段】同軸ケーブルの内部導体、外部導体の先端部を中心軸に対して傾斜した先端面から露出させて配置する。又、且つこれらの先端部分を回転可能にする係合部材を設けて、電界検出用プローブを回転可能にする。電界検出プローブは、被計測体へ１方向からの挿入のみで、軸を９０度、１８０度回転した位置の電界を検出することによって、直交３軸方向の電界計測が可能となる。また、プローブの細径化をはかることにより、より微小領域の電界計測も可能とすることができる。プローブの回転操作は被測定領域を乱し、場合によっては破壊する可能性をなくした。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界検出プローブの改良、及び該プローブを使用した三次元電界計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば液体中の電界計測法としては、同軸ケーブルの先端部を垂直に曲げ、先端部においてその内部導体と外部導体の先端部を一定の間隔で露出させ、その間の電界を計測するプローブが用いられていた。
【０００３】
図１（ａ）及び図２は従来のプローブを示す（非特許文献１、非特許文献２参照）。図１（ｂ）は図１（ａ）のプローブを拡大した説明図である。図中、１はプローブ，１Ａは軸部、１Ｂは軸部１Ａに対してＬ字状に垂直に曲げた水平部、２は内部導体の先端露出部、３は外部導体の先端露出部、４、５はそれぞれ内部導体、外部導体に接続されたプローブ出力端子を表す。又、１５は生理食塩水、１６は容器、１７は容器１６を載せる台、１８は生理食塩水１５に電位を発生する電界発生用コイル、１９はプローブ固定枠を示す。なお、本明細書及び図面の参照符号が同じものは同じ機能を示すので説明を省略する。
【０００４】
図１、図２の両プローブとも、内部導体２と外部導体３を約１ｃｍの間隔で露出させている。そして、外部導体と内部導体の先端露出部間の電位差（V）をオシロスコープ等で測定することにより、外部導体と内部導体方向の電界（V／ｍ）を算出している。電界発生用コイル１９は生理食塩水１６に電界を発生して、プローブ１の機能試験するためのものである。
【０００５】
更に、円偏波及び直線偏波共用一次放射器において、電磁波の水平偏波、垂直偏波の電界検出の希望する方の電磁波の電界方向に結合するように回転して電界を検出するＬ字型プローブがある（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
P.J. Maccabee, V.E. Amassian, R.Q. Cracco, J.B. Cracco, L. Eberle and A. Rudell, Stimulation of the Human Nervous System Using the Magnetic Coil, Journal of Clinical Neurophysiology, Vol. 8, No. 1 (1991) p 38-55
【非特許文献２】
Makoto Kobayashi, Shoogo Ueno, Takahide Kurokawa, Importance of soft tissue inhomogeneity in magnetic peripheral nerve stimulation, Elecrtroecnephalography and clinical Neurophysiology, 105 (1997) ,p406-413
【特許文献１】
特開平５−８３００４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のプローブには、二つの問題点があった。その一つは、電界は図１のＺ軸周りの回転により一平面内（ＸＹ平面）の電界しか計測できないこと、二つめは、プローブを回転するには、Ｌ字水平部の長さ（図１（ｂ）のａ）を半径とする円領域等が被計測側に不可欠である点である。プローブのこの回転操作は被測定領域を乱し、場合によっては破壊する可能性もある。特に、生体内の電界を計測する際には細胞を切断するので使用できない。
【０００８】
【問題を解決するための手段】
本発明の電界検出用プローブは、上記課題を解決するために、同軸ケーブルの内部導体、外部導体の先端露出部を中心軸に対して傾斜した先端面から露出させたことを特徴とする。
【０００９】
更に、本発明の三次元計測方法は、同軸ケーブルの内部導体、外部導体の先端部分を中心軸に対する傾斜面から露出させ、且つこれらの先端部分を回転可能にする係合部材を設けた電界検出用プローブを、初期位置と９０度回転、１８０度回転した位置において電界を検出して、三次元電界を計測することを特徴とする。
【００１０】
プローブのＬ字水平部の構造をなくしたので、被計測領域には１方向から挿入でき、被測定領域を乱すことなく、プローブ軸の回転によって微小領域における直交３軸方向の電界検出が可能となる。本発明の計測電界の演算は、検出電位差の四則演算のみで、それぞれの三次元直交成分を求めることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図３〜図５の実施例を参照して説明する。
図３は本発明の電界検出プローブ１Ａ（断面）の概念図を示す。図中、１Ａはプローブ、６は内部導体、７は外部導体（網目状）、８は絶縁材、９は絶縁被覆を表し、これらの構成は同軸ケーブルを構成している。１０はプローブ先端の導体露出部以外固定、絶縁する絶縁・接着・固定材（接着剤）、１１はプローブケーシングを表す。
【００１２】
同軸ケーブルの内部導体の先端露出部２と外部導体の先端露出部３は中心軸に対して傾斜した先端面１１Ｂから所定距離露出している。プローブの先端の先端露出部以外は、１０の絶縁・接着・固定材（接着剤）により外部と絶縁され、プローブケーシング１１に埋入されている。１１Ａはプローブ１Ａを同軸ケーブルの中心軸周りに回転させるための回転機構に係合される係合部材である。
【００１３】
外部導体（網目状導体）７はその一部分のみが線状に加工されて先端露出部を構成する。図３の例では、先端露出部２，３間の距離を長くとるため、同軸ケーブル径周囲の位置に先端露出部２，３は配置されている。内部導体、外部導体をそのまま延長して先端露出部２，３を構成しても良い。
【００１４】
図４は、本発明の電界検出プローブ１Ａを使用した電界計測装置構成例の模式図を示す。２０は被測定域、２１はプローブ固定枠、２２は同軸ケーブル、２３はオシロスコープ等電位計測器、２４は演算記録装置、２５はプローブ１を支持し、プローブ垂直軸周りに回転させる回転・支持装置を表す。なお、電位計測器（オシロスコープ）２３に表示された図の波形は、電界発生用コイル１８に流れるパルス電流によって被測定域に誘起された電界を計測した場合の波形である。
プローブの同軸ケーブルの末端同軸ケーブル２２は電位計測器２３に結線されている。
【００１５】
図５は、本発明の電界検出プローブによる電界計測方法の原理を説明する図である。図５（ａ）は定義されたプローブ座標系を示す。プローブの中心軸方向をＺ軸、プローブの先端露出部２，３間を結ぶ直線とＺ軸との交点Ｏをとおり該直線とＺ軸を含む平面上でＺ軸に垂直な軸をＸ軸とし、該交点をとおりＺ軸，Ｘ軸に垂直な軸をＹ軸とする（図では、Ｙ軸方向は紙面に対して向こう側方向である。）。該交点が座標系原点である。傾斜した先端面１１ＢはＹ軸に平行な面である。被測定域の求める電界のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の成分をそれぞれＥｘ、Ｅｙ、Ｅｚで表す。
【００１６】
図５（ｂ）はプローブの初期位置、同（ｃ）は初期位置からＺ軸回りに９０度回転させたプローブの位置、同（ｄ）は、Ｚ軸回りに１８０度回転させたプローブの位置での状態を示す。初期位置、９０度回転させた位置、１８０度回転した位置での先端露出部２，３間における電位差を、それぞれＶ_１，Ｖ_２，Ｖ_３で表す。電位差Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３は、Ｘ軸成分Ｖｘ、Ｙ軸成分Ｖｙ、Ｚ軸成分Ｖｚにより、次の（１）式〜（３）式で表せる。
【００１７】
Ｖ_１＝Ｖｘ＋Ｖｚ（１）
Ｖ_２＝Ｖｙ＋Ｖｚ（２）
Ｖ_３＝−Ｖｘ＋Ｖｚ（３）
【００１８】
（１）式〜（３）式をもとに、Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚは次の（４）式〜（６）式により求まる。
Ｖｘ＝（Ｖ_１−Ｖ_３）／２（４）
Ｖｙ＝Ｖ_２−（Ｖ_１＋Ｖ_３）／２（５）
Ｖｚ＝（Ｖ_１＋Ｖ_３）／２（６）
【００１９】
（４）式〜（６）式をもとに、目的とする電界のＸ軸成分Ｅｘ、Ｙ軸成分Ｅｙ、Ｚ軸成分Ｅｚは次の（７）式〜（９）式により求まる。ここでｂは先端露出部間距離（ｍ）、θはプローブ中心軸（Ｚ軸）と、先端露出部を結ぶ直線がなす角度（度）である。
Ｅｘ＝Ｖｘ／（ｂ・ｓｉｎθ）（７）
Ｅｙ＝Ｖｙ／（ｂ・ｓｉｎθ）（８）
Ｅｚ＝Ｖｚ／（ｂ・ｃｏｓθ）（９）
【００２０】
先ず、プローブの初期位置（図５（ｂ））において先端露出部間の電位差を検出する。得られた値がＶ_１である。同様に９０度回転位置（図５（ｃ））、１８０度回転位置（図５（ｄ））で先端露出部間の電位差Ｖ_２、Ｖ_３が検出され、（４）式〜（６）式により軸方向の電位Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚが演算される。（７）式〜（９）式により電界のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸成分Ｅｘ（Ｖ／ｍ）、Ｅｙ（Ｖ／ｍ）、Ｅｚ（Ｖ／ｍ）が演算される。この電界は、座標系原点の電界である。
【００２１】
図５の装置において、本発明のプローブ１Ａは、必要な場合設けられる係合部材１１Ａで回転機構に係合されている。回転指示装置によりプローブは９０度、１８０度とＺ軸回りに駆動される。プローブの初期位置、９０度回転、１８０度回転位置において、検出された電位差は、演算・記録装置２４において電界の３次元直交成分が演算記憶される。
【００２２】
図６は、従来型プローブで計測した一方向（Ｅｘ方向）の電界をレファレンスとし、本発明によるプローブとの結果を比較した例を示す。外径１．３ｍｍの細径同軸ケーブル（ＳＵＭＩＴＯＭＯ SS753201）を使用し、従来型プローブの外部導体と内部導体の先端露出部間の距離は９ｍｍで、本発明のプローブの外部導体と内部導体の先端露出部間の距離（ｂ）は約２．４ｍｍ、傾斜角（θ）約６０度、プローブケーシング外径約２．４ｍｍである。
【００２３】
横軸は従来型プローブを用いて計測した一方向（Ｘ軸）での電界Ｅｘを示し、縦軸は本発明のプローブを用いて計測した電界である。両者の関係はほぼ線形であり、回帰分析係数は１．０５であった。これらは、校正により、より正確な電位検出が可能となる。これは、他の方向での電位Ｖｙ、Ｖｚに関しても同様である。
【００２４】
【発明の効果】
上述したように、本発明の電界検出プローブは、被計測体へ１方向からの挿入のみで、軸を１８０度回転することによって、直交３軸方向の電界計測を可能とした。更に、プローブを細径化する（直径０．６ｍｍ等）ことにより、より微小領域での計測も可能となる。プローブの回転操作による被測定領域の乱れ、場合によっては破壊の可能性はより少なくなる。例えば、マウスの脳の電界計測に際して、脳細胞を切断することなく電界を有効に測定できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の電界検出プローブ例（その１）を示す。
【図２】従来の電界検出プローブ例（その２）を示す。
【図３】本発明の一実施例を示す断面図の概念図を示す。
【図４】本発明による三次元計測装置例を示す。
【図５】本発明による三次元電界計測方法の原理を説明する図である。
【図６】検出電界の比較例を示す。
【符号の説明】
１プローブ（従来型）
１Ａプローブ
２同軸ケーブル内部導体の先端露出部
３同軸ケーブル外部導体の先端露出部
６同軸ケーブル内部導体
７同軸ケーブル外部導体
１１プローブケーシング
１１Ａ係合部材
１１Ｂ傾斜した先端面
２４演算・記録装置
２５回転・支持装置

Claims

同軸ケーブルの内部導体、外部導体の先端部分を中心軸に対して傾斜した先端面から露出させたことを特徴とする電界検出用プローブ。
同軸ケーブルの内部導体、外部導体の先端部分を中心軸に対して傾斜した先端面から露出させた電界検出用プローブにより、初期位置、９０度回転、１８０度回転位置における電界検出により、三次元電界を計測することを特徴とする三次元電界計測方法。