JP2005028084A - Coil and heating apparatus - Google Patents
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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。 The present invention provides means and apparatus for efficiently heating an implant placed in a living body for thermotherapy such as cancer.
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、Nagoya Journal of Medical Science 59(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。
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。 In the conventional coil described above, the shape of the target living body is not taken into consideration, and an AC magnetic field is applied to a portion that does not need to be used, so that it is an inefficient structure that wastes applied power. .
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。 The present invention is intended to solve the problem of such a conventional coil. It reduces the application of an alternating magnetic field to unnecessary portions, and efficiently reduces living body heating and thus high-frequency power output. It is intended to be realized.
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。In order to achieve the above object, the present invention makes the cross-sectional shape of the air core part of the coil a shape close to a non-circular object cross-section. For example, the human torso is flat, and if it is surrounded by a circular coil, an unnecessary space is created in the front-rear direction of the human body, but an unnecessary space can be kept small with a coil having an elliptical or rectangular cross section. Realize efficient living body heating.
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/(μ0・S)で与えられる。ここで、μ0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。The average magnetic field strength <H> in the air-core coil is given by <H> = Φ / (μ 0 · S), where S is the area of the coil air-core. Here, μ 0 is the vacuum permeability (constant), and Φ is the number of magnetic fluxes penetrating the coil. In general, Φ is given by the inductance L of the coil and the current I flowing through the coil, and Φ = LI. When the area of the coil is reduced, the inductance L decreases with the same number of turns, but the current I increases when the same power is applied. Therefore, the number of magnetic fluxes Φ does not change greatly with respect to changes in the coil area. Therefore, when the area S is reduced, the magnetic field strength <H> can be increased for the same power application.
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。Even if the area S is reduced, the inductance L can be made substantially the same by increasing the number of turns. In this case, the current amount 1 can be increased depending on the resistance value of the coil. Accordingly, since the number of magnetic fluxes Φ increases, when the area S is reduced, it is possible to obtain an effect of increasing the magnetic field strength <H> more than the area reduction for the same power application.
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。 An increase in magnetic field strength was observed due to a decrease in the area of the air core of the coil.
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。 First, an implant that generates heat by application of an alternating magnetic field is placed at a target position in a living body. In this case, as the implant, a fluid in which metal powder or metal oxide powder is dispersed or a solid obtained by solidifying this fluid is often used, and a conductor solid may be used. Next, as shown in FIG. 1, the target site is passed through an air-core coil, and an AC magnetic field is applied to locally heat the target site.
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。 The frequency of the applied AC magnetic field is usually 100 kHz to 2000 kHz, preferably 300 kHz to 750 kHz.
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。 Since the shape of the torso of the animal including the human body is almost symmetrical, the shape of the air core of the air core coil that treats the torso is usually symmetrical in the direction corresponding to the left and right.
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。 The shape of the air core part of the air core coil that treats the human torso can be an ellipse or a rectangle. FIG. 2 shows an example suitable for the cross-sectional shape of the human torso, and the air core is oval. However, in many cases, including the human torso, symmetry is not necessary in the direction corresponding to the front and rear. For the human torso, the ratio h / w with respect to the width w and height h is preferably 0.4 to 0.9, particularly preferably 0.5 to 0.7. When the human body includes a shoulder, h / w is preferably from 0.3 to 0.7, particularly preferably from 0.4 to 0.6.
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。 It is desirable that the shape of the air-core coil and the cross-sectional shape of the target living body are close to each other, but the magnetic field strength is extremely large near the coil as compared with the central portion. It is appropriate to provide a gap of 2 cm or more between the coil and the living body.
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。 When the living body is heated, the cross-sectional shape varies depending on the individual. In order to bring the air core cross section close to the cross section of each living body, it is desirable to prepare several types of coils having different cross-sectional shapes and cross-sectional areas in advance, and select the optimum coil according to the shape of the target living body.
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。 One means for bringing the air core cross section close to the cross section of each living body is the use of a coil conductor having means for changing the cross sectional shape and cross sectional area. In this case, a flexible metal plate, a metal wire, a flexible hose or the like is used for part or all of the conductor.
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。 When the shape of the air core of the coil is optimized for the part to be heated, the other part of the living body may be an obstacle, making it difficult to insert the air core. For example, when the human torso is to be heated, this is the case when the optimum coil cannot pass through the buttocks. As a means for avoiding this, for example, use of a coil having means for changing the above-described cross-sectional shape and cross-sectional area can be mentioned. When inserting the living body, the coil air core part is expanded or deformed to insert the living body, and then the shape is restored to the optimum state when an alternating magnetic field is applied.
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。 It is also possible to install a coil at the target position without passing through the part that becomes an obstacle. One method is to use a coil composed of a plurality of conductors and connected by detachable contacts. In this case, after removing the contact and directly surrounding the target site with a coil, the contact is closed and an alternating magnetic field is applied. Another method is to use a coil in which the entire conductor is flexible. In this case, it is possible to directly wind the target site with a coil.
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。 As shown in FIG. 3, a matching device is usually connected to the air-core coil, and a high-frequency power source is connected to the matching device. A high-frequency power source usually consists of an oscillator and a plurality of amplifiers. The matching unit plays a role of adjusting the impedance and preventing the incident wave from being reflected. When the shape or cross-sectional area of the coil is changed, the impedance is also changed. Therefore, a matching device having the ability to cope with the change is required. Use a matching unit that can handle the frequency range of the AC magnetic field used and the impedance range of the coil. When the range of impedance and frequency covers a wide range, a plurality of matching devices are prepared and the optimum one is selected.
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。 It is desirable to reduce the resistance value and reduce the loss due to Joule heat in the matching unit, the air-core coil, or the connection portion thereof. For that purpose, it is effective to prevent copper from increasing the resistance due to oxidation by silver plating and to reduce the resistance value of the metal by cooling. Further, since an alternating current of 100 kHz or more flows on the surface of the conductor, it is effective to increase the surface area of the conductor forming the coil.
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。 A cooling medium such as gas or cooling water is used to cool the matching unit and the coil. When a lower temperature is required, a liquefied gas such as liquid nitrogen is used. For this reason, a metal pipe is usually used for the coil conductor. When using a metal wire as the coil conductor, an insulating coating is applied to the outside of the wire and a coolant is injected.
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。 As described above, compared with a circular coil, a coil that is flat and has a reduced air core area has a smaller inductance. To obtain the same inductance L, the number of turns may be increased. An increase in the number of turns leads to an increase in the length d of the coil, and the range of treatment can be expanded.
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。 Even with the same cross-sectional shape, the inductance L and the resistance value R vary depending on the number of turns of the coil and the density of the turns. As a result, even when the same power is input, the number of magnetic fluxes Φ or the magnetic field strength increases or decreases depending on the difference in the values of L and R. It is necessary to select the optimum number of turns and the density of the windings in consideration of the matching circuit connected to the coils and the like, and further considering the necessary coil length d.
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。 A copper pipe having a diameter of 4 mm was wound around an elliptical mold 6 times, 7 times and 8 times to produce three types of coils of the present invention. The width and height of the elliptical coil air core are w = 20 cm and h = 12 cm. The coil No. 6 was wound six times. 1 and the coil No. 7 was wound 7 times and 8 times. 2 and no. 3. For comparison with these, we also created a conventional circular coil. It is wound six times around a circular mold having a diameter of 20 cm. This circular coil is referred to as coil No. 4 The characteristics of these coils are summarized in Table 1. No. 1 and No. No. 4 has the same number of turns. 2 and No. 4 has substantially the same inductance. No. 3 and no. 4 has almost the same resistance value.
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。 No. The coils 1 to 4 were sequentially connected to a matching unit and a high-frequency power source, and the magnetic field strength generated at the center position of the coil and the temperature rise when the implant was placed at that position were measured. For measurement of the magnetic field strength, a high frequency of 200 kHz is applied at 100 W. Moreover, in the measurement of a temperature rise, what suspended magnesium powder in the carboxymethylcellulose sodium salt aqueous solution is used as an implant. The temperature rise is a change from room temperature when a 200 kHz high frequency 200 W is applied for 3 minutes.
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。Three types of elliptical coils and circular coils were compared, and Table 1 summarizes the magnetic field strength and the temperature rise of the implants. No. Compared with the circular coil No. 4, the magnetic field strength produced by the elliptical coils (No. 1 to No. 3) is large. The temperature rise of the implant also qualitatively agrees with the measurement result of the magnetic field strength. From these things, the effect of reducing the area of the air-core part of a coil was confirmed.
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。。 By generating an alternating magnetic field using an air-core coil with a shape close to that of a living body, it is possible to efficiently heat an implant placed in the living body for thermotherapy such as cancer. Applicable to equipment. .
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1. Human body 2. 2.
Claims (7)
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Cited By (1)
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JP2020062154A (en) * | 2018-10-16 | 2020-04-23 | 伊藤超短波株式会社 | Treatment apparatus |
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2003
- 2003-07-09 JP JP2003293635A patent/JP2005028084A/en active Pending
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JP2020062154A (en) * | 2018-10-16 | 2020-04-23 | 伊藤超短波株式会社 | Treatment apparatus |
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