JP2005204098A

JP2005204098A - マイクロ波局所曝露装置

Info

Publication number: JP2005204098A
Application number: JP2004008671A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Watanabe; 博渡邊; Kanako Wake; 加奈子和氣; Soichi Watanabe; 聡一渡辺; Yukio Yamanaka; 幸雄山中; Masahiro Hanazawa; 理宏花澤; Toru Uno; 亨宇野; Masao Taki; 昌生多氣
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: JP3820454B2

Abstract

【課題】小動物の脳等の観察領域へ局所的かつ観察領域では均一な曝露をすることができ、しかもリアルタイムで頭部内を観察することができるようにすること。
【解決手段】絶縁性の基板１０と、該基板１０に設けた２つの観察窓１５、１５と、前記基板１０の表面と裏面に設けた給電端子にマイクロ波の電力を供給するマイクロ波供給手段と、前記表面の給電端子から前記裏面の給電端子までのアンテナ導体の配線を、前記２つの観察窓１５、１５の周囲を通る８の字ループとし、前記８の字ループの配線の交差は、前記２つの観察窓１５、１５の中間部の前記基板の表面と裏面で行う。
【選択図】図１８

Description

本発明は、携帯電話使用時を模擬した局所曝露が可能で、なおかつ曝露しながらリアルタイムで動物脳内等の生体が観察可能なマイクロ波局所曝露装置に関する。

近年の携帯電話の爆発的な普及および電波利用の拡大に伴い、電磁波曝露による健康影響に一般公衆の関心が高まっている。電磁波の生体への影響については、我が国を含め世界各国で古くから研究がなされている。これらの膨大な科学的知見に基づいて、各国で、電磁波エネルギーが人体に好ましくない影響を及ぼさないよう、ガイドラインが制定されている（郵政省電気通信技術審議会答申, 諮問第38号,"電波防護指針「電波利用における人体の防護指針」",1990、郵政省電気通信技術審議会答申, 諮問第89号,"電波防護指針「電波利用における人体防護の在り方」",1997、International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection(ICNIRP),"Health issues related to the use of handheld radiotelephones and base transmitters",Health Physics 70,pp.587-593,1996等参照）。

本発明で注目する周波数帯であるマイクロ波帯の生体影響は主に、電磁波エネルギーの吸収による熱作用である。マイクロ波帯を含む１００ｋＨｚ〜１０ＧＨｚまでの電磁波曝露の量的指標としては、次の式（１）で示される比吸収率（Specific Absorption Rate; ＳＡＲ）が一般的に用いられる。

ＳＡＲ＝（σ｜Ｅ｜²）／ρ ［Ｗ／ｋｇ］・・・・・・・・・式（１）
ここで式（１）中のσは生体組織の導電率（Ｓ／ｍ）、ρは生体組織の密度（ｋｇ／ｍ³）、Ｅは生体組織中の電界の実効値（Ｖ／ｍ）を示す。我が国を含めた各国の電波防護指針での指針値は、行動パターンの変化等に現れる全身に対する熱作用の閾値（全身平均ＳＡＲ：１〜４Ｗ／ｋｇ）に、人の基礎代謝量等で考察し、安全率を考慮した指針値（全身平均ＳＡＲが0.08Ｗ／ｋｇ以下（一般環境））が定められている。

マイクロ波曝露による生体影響について動物実験等を含む各種の研究が行われているが、この電波防護指針値以下の電磁波のレベルでがんを含めて健康への悪影響が生じるとの科学的な証拠は示されていない。しかし、携帯電話等の通信機は、頭部近傍で使用されるため、出力が弱くてもアンテナ近傍の頭部局所で電力が吸収されるため、マイクロ波曝露による健康影響の可能性があるのではないかとの懸念もある。ＷＨＯ（世界保健機関）は、携帯電話使用時のような局所的な曝露条件下での、生体影響について必ずしも十分な生物学的知見が蓄積されてないとして、さらなる高精度な曝露評価に基づく生物実験の必要性を提言している（World Health Organization ,"Electromagnetic Fields and Public Health:The International EMF Project(Fact Sheet 181)" 参照）。

これまでに携帯電話等で使用されているマイクロ波曝露による健康への影響について調べるために、動物実験のための曝露装置の開発が行われてきた（非特許文献１〜非特許文献４参照）。人と比べて小動物の体長は短くマイクロ波帯の波長程度のため、小動物を用いた動物実験では、人が携帯電話を使用する場合と同じような局所曝露が困難である。これまでの局所曝露装置である非特許文献１〜非特許文献４では、脳平均ＳＡＲ／全身平均ＳＡＲは約５倍から１０倍程度のものが多く、最大でも約２０倍である。一方、人の携帯電話使用時の曝露は、脳１ｇピークＳＡＲと脳平均の比は、約２６倍と計算されている（Om P. Gandhi et al,"Electromagnetic Absorption in the Human Head and Neck for Mobile Telephones at 835 and 1900 MHz",IEEE Trans.,vol.MTT-44,no.10,pp.1884-1897,Oct.1996 参照）。
K. Wake et al,"Small loop antennas for Localized Head Exposure Setups of Rats",AP-RASC,pp.275,Aug.2001 CK Chou et al,"Development of a rat head exposure system for simulating human exposure to RF fields from handheld wireless telephones",Bioelectromagnetics,20:75-92,1998（米国）向山他,"小動物頭部局所曝露装置の開発と曝露評価",電子情報通信学会東京支部学生会研究発表会,1999 J. Wang et al,"A Novel Setup for Small Animal Exposure to Near Fields to Test Biological Effects of Cellular Telephones",IEICE Trans Commun,VOL.E84-B,No.11,pp.3050-3059,Nov.2001

上記従来技術の動物実験の多くでは、曝露による生体影響を評価するために、曝露後に動物を屠殺し、生体組織への影響を評価している。しかし曝露から屠殺までのタイムラグの問題や屠殺の方法によるラットへのストレスの問題、曝露中に発生しているかもしれない可逆な影響の評価がなされていないなどの問題点が指摘されている。

そこで、動物実験で一般的に用いられるラットの脳に対して、携帯電話使用時と同様な局所的な曝露が可能で、かつ曝露しながらリアルタイムでラット頭部内を観察することができれば、携帯電話使用時の頭部局所曝露による生体影響について、これまで以上に詳細な情報を得ることができる。また、曝露しながら生体影響を観察する際には、観察領域での曝露は均一であることが望ましい。

本発明は、頭部等にリアルタイム観察を可能とする窓（Cranial Window）を装着したラット等の小動物に対して、リアルタイムで頭部内を観察することができ、脳等へ局所的かつ観察領域では均一な曝露を可能とすることを目的とする。

図１８は８の字ループアンテナの説明図である。図１８中、１０は基板、１１は同軸コネクタ（給電端子と接続される給電部）、１２、１４はプリント導体（アンテナ導体）、１３は基板の表裏接続手段、１５は観察窓である。

上記課題を解決するため、本発明は、次のような手段を有する。

（１）絶縁性の基板１０と、該基板１０に設けた２つの観察窓１５、１５と、前記基板１０の表面と裏面に設けた給電端子にマイクロ波の電力を供給するマイクロ波供給手段と、前記表面の給電端子から前記裏面の給電端子までのアンテナ導体の配線を、前記２つの観察窓１５、１５の周囲を通る８の字ループとし、前記８の字ループの配線の交差は、前記２つの観察窓１５、１５の中間部の前記基板の表面と裏面で行う。このため、小動物の脳等の観察領域へ局所的かつ観察領域では均一な曝露をすることができ、しかも、リアルタイムで観察領域を観察することができる。

（２）前記（１）のマイクロ波局所曝露装置において、アンテナ導体の配線は、前記基板１０にプリントされる。このため、アンテナ導体の配線を容易に行うことができる。

（３）前記（１）のマイクロ波局所曝露装置において、前記アンテナ導体の配線は、前記２つの観察窓１５、１５の中間部を除き、前記２つの観察窓の近傍で前記基板１０より離して上面に配線する。このため、観察領域に対してより局所性が高く、かつ標的組織では均一性の良い曝露が可能である。

（４）前記（３）のマイクロ波局所曝露装置において、前記基板１０より離して上面に配線するアンテナ導体として導電性のワイヤーを用いる。このため、容易に基板１０から離して配線することができる。

本発明によれば、次のような効果がある。

（１）基板の表面の給電端子から裏面の給電端子までのアンテナ導体の配線を、２つの観察窓の周囲を通る８の字ループとし、前記８の字ループの配線の交差は、前記２つの観察窓の中間部の基板の表面と裏面で行うため、小動物の脳等の観察領域へ局所的かつ観察領域では均一な曝露をすることができ、しかも、リアルタイムで観察領域を観察することができる。

（２）アンテナ導体の配線は、基板にプリントするため、アンテナ導体の配線を容易に行うことができる。

（３）アンテナ導体の配線は、２つの観察窓の中間部を除き、前記２つの観察窓の近傍で基板より離して上面に配線するため、観察領域に対してより局所性が高く、かつ標的組織では均一性の良い曝露が可能である。

（４）基板より離して上面に配線するアンテナ導体として導電性のワイヤーを用いるため、基板から離した配線を容易に行うことができる。

（１）：生体の観測窓の説明
マイクロ波曝露の対象としている動物は、動物実験で一般的に用いられるラットである。そのラットにCranial Window法（H.Masuda et al,"Choronological observation of the pial microcirculation using a chronically implanted cranial window method in the rat",Microcirculation annual,pp.151-152,2000 参照）を適用し、頭部曝露実験を行うことを想定している。Cranial Window法とは、ラットの脳軟膜微小循環動態の生体顕微鏡的観察に用いられる方法である。

図１はCranial Window法の説明図である。図１において、長期間にわたり同一固体の脳組織を観察する目的で、ラットの頭頂部に直径約１０ｍｍで、厚みが１ｍｍのCranial Windowを慢性的に埋め込み観察する。このWindowを介して蛍光顕微鏡によって電磁波曝露による血管径、血流速度、白血球の挙動等への影響を評価するものである。なお、このWindowの材料は、マイクロ波による損失の少ない材料で作る必要がある。

（２）：マイクロ波局所曝露の説明
図２はマイクロ波局所曝露装置の説明図である。図２において、マイクロ波局所曝露装置には、曝露アンテナ（Antenna ）１にマイクロ波電力を供給するマイクロ波供給手段２ａが設けてある。マイクロ波供給手段２ａには、信号発生器（Signal Generator）２、増幅器（Amplifier ）３、アイソレータ（Isolator）４、電力センサ（Power Sensor）５、電力メータ（Power Meter ）６が設けてある。

曝露アンテナ１は、Cranial Window２１を設けたラット２０にマイクロ波を曝露するための８の字ループアンテナである。信号発生器２は、マイクロ波信号を発生するものである。このマイクロ波信号の周波数は、我が国の標準デジタル携帯電話方式であるＰＤＣ（Personal Digital Cellular ）で使用されている１．５ＧＨｚである。増幅器３は、信号発生器２からのマイクロ波信号を増幅するものである。アイソレータ４は、曝露アンテナ１からの電波の反射をおさえ増幅器３を保護するものである。電力センサ５は、曝露アンテナ１へ供給する電力をモニタ（検出）するものである。電力メータ６は、曝露アンテナ１へ供給する電力の表示をするものである。

（３）：曝露用アンテナの説明
ａ）８の字ループアンテナの原理
本発明で検討する曝露用のアンテナは、脳神経の磁気刺激に用いられる８の字コイルの原理（例えば、非特許文献４参照）に基づき、８の字ループアンテナとした。図３は８の字ループアンテナの原理説明図であり、図３（ａ）は微小磁気ダイポールと８の字ループアンテナの関係の説明、図３（ｂ）は８の字ループの特性の概念説明である。図３（ａ）において、８の字ループアンテナは、反位相で励振されている１組の微小磁気ダイポールと等価であり、微小磁気ダイポールの中心付近、すなわち図３（ｂ）に示すように隣接するループ間の中心で近傍界が非常に大きくなる特性を利用すること、および８の字ループの遠方では、電磁界が打ち消し合うことによって、ループの中心部のみで局所的な暴露が可能となる。ここで８の字ループアンテナをラット頭頂部に対して水平に配置することにより、Cranial Window直下の脳表面に局所的な曝露が可能となる。なお、ｄはダイポール間隔である。ただし、８の字ループ全体がCranial Windowの大きさより小さいと曝露中にラット脳内を観察できる領域を遮ってしまう恐れがあるので、８の字ループの大きさはCranial Windowと同等または、それ以上の大きさが必要である。

ｂ）微小磁気ダイポールを用いた基礎検討
８の字ループアンテナによる脳表面局所でのＳＡＲ局在化の可能性を検討した。ここで反位相で給電される微小磁気ダイポールを用いて、散乱界形式のＦＤＴＤ法（Finite Difference Time Domain method）（宇野亨,"FDTD法による電磁界およびアンテナ解析" 、コロナ社,1998 参照）で数値シミュレーションを行った。図４は８の字ループと等価である反位相で給電された１組の微小磁気ダイポールを用いた解析方法の説明図である。図４において、この解析方法は、１組の微小磁気ダイポールを生体の脳の電気定数を有する１辺５０ｍｍの立方体ファントムの表面から５ｍｍ離して配置し、微小磁気ダイポールの間隔（ｄ［ｍｍ］）を変化させｘ、ｙ、ｚの３方向のＳＡＲ分布を計算した。それぞれｘ、ｙ、ｚ方向の線状のＳＡＲ分布を図５〜図７に示す。なお。図５〜図７中のＳＡＲはピークＳＡＲが１となるように規格化した。

図５はファントム表面におけるｘ方向でのＳＡＲ分布の変化の説明図であり、図６はファントム表面におけるｙ方向でのＳＡＲ分布の変化の説明図である。図５、図６より、微小磁気ダイポール間隔ｄを小さくすることにより、局所的に鋭いピークＳＡＲが現れることが示されている。図７はファントム表面におけるｚ方向でのＳＡＲ分布の変化の説明図である。図７において、より微小磁気ダイポール間隔ｄを小さくすることで、ファントム表面での曝露の局所性が増し、ファントムの深部にいくにつれてＳＡＲが急激に減衰している傾向が示されている。このことから、微小磁気ダイポール間隔を小さくすることにより、局所的な曝露が可能であることがわかる。

本発明で開発対象とする曝露用アンテナは、既存の曝露装置に比べ局所的な曝露ができること、曝露しながらラット脳内をリアルタイム観察する領域では均一な曝露が可能であることを目的としている。

図４の解析モデルのファントム表面に１辺１０ｍｍの正方形領域を想定し、その部分をCranial Window直下領域としてＳＡＲのばらつきを分散を用いて評価した。微小磁気ダイポール間隔ｄを変化させたときのCranial Window直下領域のＳＡＲのばらつきを図８に示す。図８は微小磁気ダイポール間隔ｄを変化させたときのCranial Window直下領域のＳＡＲのばらつきの説明図である。図８において、微小磁気ダイポールの間隔を大きくすることで観察領域でのＳＡＲのばらつきを抑えられることが示されている。

このように、曝露の局所性と均一性は相反するもので、微小磁気ダイポール間隔を大きくすると曝露の局所性が失われる。そこで、８の字ループアンテナを設計する際には、局所性と均一性の両面を考慮して設計する必要がある。表１は微小磁気ダイポール間隔（ｄ［ｍｍ］）を変化させたときのＳＡＲ値が最大値から−３ｄＢとなる深さ方向の距離および、そのときの正方形領域でのばらつきを示している。

表１ダイポール間隔ｄと局所性、均一性の関係
┌─────────────┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ │ d=4 │ d=8 │ d=12 │ d=16 │ d=20 │
├─────────────┼───┼───┼───┼───┼───┤
│−３ｄＢとなる深さ［ｍｍ］│ 0.97 │ 1.19 │ 1.62 │ 2.42 │ 3.13 │
├─────────────┼───┼───┼───┼───┼───┤
│ＳＡＲのばらつき（分散値）│ 0.216│ 0.134│ 0.06 │ 0.026│ 0.016│
└─────────────┴───┴───┴───┴───┴───┘
表１を参照にし、ダイポール間隔ｄを８ｍｍから１２ｍｍを想定して、８の字ループアンテナを開発する。

ｃ）８の字ループアンテナの基礎検討の説明
８の字ループアンテナの大きさおよび形状は、前記表１をもとに、ダイポール間隔が８ｍｍから１２ｍｍ程度と同等の大きさで、Cranial Windowを介してラット脳内を観察可能であること、曝露の局所性と均一性を考慮し、図９のような線状８の字ループアンテナとする。

図９はＦＤＴＤ上での８の字ループアンテナモデルの説明図である。Cranial Windowの大きさより８の字ループ全体が小さいと、曝露中での観測領域を遮ってしまうため、８の字ループの大きさをCranial Windowと同等の大きさとした。今回は、曝露の局所性と均一性に明らかな偏りがないような大きさとしている。図９において、８の字ループアンテナは、１辺が５ｍｍと１０ｍｍの線状で８の字ループの大きさとしている。

図１０は数値シミュレーションモデルの説明図である。図９の８の字ループアンテナを用いて、図１０の配置で、簡易的な数値シミュレーションを行った。すなわち、ラット頭部を１辺５０ｍｍの立方体ファントムとし、ファントムの電気定数は、次の文献（１）から１．５ＧＨｚの生体の脳の電気定数を設定し、ＦＤＴＤのセルサイズは１ｍｍとし、ファントム表面のＳＡＲ分布およびファントム中心部を通る深さ方向（Ｚ方向）のＳＡＲ分布を計算した。なお、文献（１）は、C.Gabriel,"Compilstion of the Dielectric Properties of Body Tissues at RF and Microwave Frequencies",AL/OE-TR-1996-0037,1996参照。

図１１は線状８の字ループアンテナによるＳＡＲ分布（at view plain ）の説明図であり、図１２は線状８の字ループアンテナによるファントムの深さ方向のＳＡＲ変化（at Z direction）の説明図である。なお、ここでＳＡＲ値は最大で１となるようにピークＳＡＲで規格化してある。

図１１において、ファントム表面のＳＡＲ分布から、微小磁気ダイポールでの数値シミュレーションと同様に、８の字ループアンテナの中心部、すなわち線状が交差する部分で局所的にＳＡＲ値が高くなる傾向が示されている。

図１２において、ファントムの深さ方向のＳＡＲ変化を見ると表面で最もＳＡＲが大きく、ＳＡＲ値が最大値から−３ｄＢとなる深さは、約１．３ｍｍとなり、深部にいくにつれて急激なＳＡＲの減衰が得られている。

（４）：ラットモデルを用いた曝露評価の説明
ａ）ラット数値モデルおよび数値シミュレーション方法の説明
前記までは、均一媒質で簡易なラットモデル（立方体）で評価してきた。しかし、実際のラットはさまざまな生体組織から構成され、形状も複雑である。そこで、ＣＴ画像を基に作成されたラット数値モデル（非特許文献１参照）を用いて、８の字ループアンテナの曝露用アンテナとしての有効性を検討した。図１３はラット数値モデルの説明図である。図１３において、ラット数値モデルは、１辺１ｍｍのボクセルで、８種類の生体組織とCranial Windowで構成されている。各組織の電気定数と密度は、前記文献（１）を参考にした（表２参照）。

表２ラット数値モデルの各組織の電気定数及び密度
┌─────────┬───────┬────────┬────────┐
│ │誘電率 ε_r │導電率 σ(S/m) │密度 ρ(kg/m³) │
├─────────┼───────┼────────┼────────┤
│皮膚(Skin) │ 39.43 │ 1.07 │ 1030 │
├─────────┼───────┼────────┼────────┤
│体内空気 (Air in) │ 1.0 │ 0.0 │ 1000 │
├─────────┼───────┼────────┼────────┤
│脳脊髄液(CSF) │ 67.64 │ 2.72 │ 1030 │
├─────────┼───────┼────────┼────────┤
│神経(Nerve) │ 31.28 │ 0.74 │ 1040 │
├─────────┼───────┼────────┼────────┤
│骨(Bone) │ 15.87 │ 0.36 │ 1850 │
├─────────┼───────┼────────┼────────┤
│筋肉(Muscle) │ 54.87 │ 1.23 │ 1040 │
├─────────┼───────┼────────┼────────┤
│脳(Brain) │ 44.11 │ 1.01 │ 1030 │
├─────────┼───────┼────────┼────────┤
│目(Eye) │ 54.04 │ 1.44 │ 1030 │
├─────────┼───────┼────────┼────────┤
│Cranial Window │ 2.0 │ 0.0 │ 0 │
└─────────┴───────┴────────┴────────┘
８の字ループアンテナは、Cranial Window直下の脳表面から５ｍｍ離して配置した（図１４参照）。

ｂ）曝露評価
ラット数値モデルを用いた数値シミュレーションから得られた各断面（図１４参照）のＳＡＲ分布（図１５参照）を説明する。なお、各断面図ともにＳＡＲ値はラット全身でのピークＳＡＲで規格化されている。図１４はラット数値モデルの断面の説明図である。図１４において、断面（section ）１はラット２０のCranial Window直下の断面（脳表面）であり、断面（section ）２はラット２０の上下矢印方向の断面であり、断面（section ）３はラット２０の左右矢印方向の断面である。

図１５は各断面でのＳＡＲ分布の説明図であり、図１５（ａ）は断面１でのＳＡＲ分布の説明、図１５（ｂ）は断面２でのＳＡＲ分布の説明、図１５（ｃ）は断面３でのＳＡＲ分布の説明である。

図１５（ａ）は、Cranial Window直下の断面（図１４の断面１）でのＳＡＲ分布を表しており、脳付近で大きな値のＳＡＲが分布していることが示されている。図１５（ｂ）は、図１４における断面２でのＳＡＲ分布を表している。この結果から、脳表面で大きなＳＡＲが発生していることが示されている。さらに、図１５（ｃ）は、図１４における断面３でのＳＡＲ分布を表しており、８の字ループが交差する直下付近でのＳＡＲ分布を表している。この図では、Cranial Windowと組織の境界に大きなＳＡＲが生じている。これは、導電率が高い組織が突起しているために、ＦＤＴＤでの数値誤差が大きくなるためである。

図１６はラット脳内のＳＡＲヒストグラムの説明図である。図１６において、横軸のＳＡＲ値はラット脳内でのピークＳＡＲで規格化されている。この結果から、脳内では０から０．２までの低いＳＡＲ値を示すボクセルが約８０パーセントと大半を占め、０．８から１までのＳＡＲ値のボクセルは数パーセントと少ないことがわかる。このことから、ラット脳内で大きなＳＡＲ値が局在していることがわかる。

図１７はCranial Window直下のラット脳内ＳＡＲヒストグラムの説明図である。図１７において、Cranial Window直下のラット脳内ＳＡＲヒストグラムを表している（脳ピークＳＡＲで規格化されたCranial Window直下領域のＳＡＲ値（0 〜1 ）／各ＳＡＲ値の範囲に相当するCranial Window直下脳のボクセル数の割合）。横軸は、図１６と同様に脳内のピークＳＡＲで規格化した。この結果から、Cranial Window直下の脳では、比較的大きなＳＡＲ値（0.6 から1.0 ）のボクセルが約７０パーセント存在しており、局所的に曝露が可能であることが示されている。ＳＡＲのばらつきは分散値で約０．１６となったが、ラットモデルに対して８の字ループアンテナの最適設計を行えば、より均一性の高い曝露が可能となる。

表３各ＳＡＲ比
┌─────────────────────────┬─────┐
│脳平均ＳＡＲ／全身平均ＳＡＲ │ 74.1倍 │
├─────────────────────────┼─────┤
│脳ピークＳＡＲ／脳平均ＳＡＲ │ 7.1倍 │
├─────────────────────────┼─────┤
│Cranial Window直下領域脳平均ＳＡＲ／脳平均ＳＡＲ │ 4.5倍 │
└─────────────────────────┴─────┘
表３は各ＳＡＲの比を表しており、全身平均と脳平均ＳＡＲの比を見ると約７４倍となっている。これは、前記非特許文献４で示されているこれまでのラットおよびマウスの脳を曝露するためのさまざまな局所曝露装置の脳平均ＳＡＲ／全身平均ＳＡＲの比を大きく上回っている。さらに、脳ピークＳＡＲ／脳平均ＳＡＲの比を見ると約７倍、Cranial Window直下領域脳平均ＳＡＲ／脳平均ＳＡＲの比を見ると約４．５倍と局所的な曝露が可能であることが示されている。

（５）：８の字ループアンテナの構成の説明
図９での８の字ループアンテナモデルから、局所的に暴露が可能で、かつ標的組織に対して均一な暴露が可能である微小８の字ループアンテナを開発した。しかし、動作周波数１．５ＧＨｚにおいて、リターンロス値では−１ｄＢ以上でありほとんど全反射となっていた。微小８の字ループアンテナと給電線との不整合を改善するために、給電側に整合回路や整合回路を含めたバランスの適用を検討したが、アンテナ周辺の構造が複雑になることや整合回路での電力損失等の問題から困難であると判断した。

そこで、８の字ループアンテナの特徴を残し、給電効率の問題を回避するために、共振ループを組み合わせた構造である図１８のような８の字ループアンテナを改めて開発した。

ａ）プリント導体を用いた８の字ループアンテナの説明
図１８は８の字ループアンテナの説明図であり、図１８（ａ）は８の字ループアンテナ全体の説明、図１８（ｂ）は８の字ループアンテナのプリントパターンの説明である。

図１８（ａ）、（ｂ）において、開発した８の字ループアンテナは、ループの全長が約２波長となっており、ガラスエポキシの基板１０（ε_r＝4.8 、 tanδ＝0.015 ）の表面と裏面にプリント導体１２、１４がそれぞれプリントされている。また、曝露しながらCranial Windowラットの脳内を観察するため基板を一部くり抜いた観察窓１５を設けた構造となっている。なお、図１８（ｂ）では、実際には見えない裏面のプリント導体１４を示してある。

図１８（ａ）において、８の字ループアンテナの接続関係は、マイクロ波の給電線が接続される同軸コネクタ１１の一方の導体が基板１０の表面のプリント導体１２の一端（給電端子）に接続され、次に、基板の表裏接続手段１３によりプリント導体１２の他端が裏面のプリント導体１４の一端と接続される。そして、裏面のプリント導体１４の他端が同軸コネクタ１１の他方の導体（給電端子）と接続されている。

この８の字ループアンテナのループ中心部で局所的に暴露が可能であることを確認した。しかし、ラット頭部以外の部位にアンテナ導体部分が近接するため、全身平均ＳＡＲと脳平均ＳＡＲの比が約１５倍に留まった。これは、既存の局所曝露用アンテナ（非特許文献１参照）の約２０倍という値に対して局所性が劣る結果であった。

ｂ）ワイヤーを用いた８の字ループアンテナの説明
図１８の８の字ループアンテナを改良し、ラットに近接する導体部分を極力減少し、ワイヤーを用いて曝露の局所性を向上させるようにした。図１９はワイヤーを用いた８の字ループアンテナの説明図である。図１９において、基板１０を誘電体損失の少ないテフロン（登録商標）基板（ε_r＝2.6 、 tanδ＝0.0007）に変更し、さらに改良点として、プリントされた導体を銅線等の導電性のワイヤーに変更した。ワイヤーは、基板１０から浮かしたような構造とすることによって、標的組織に対して局所的に高いＳＡＲを生じさせることが可能となった。なお、図１９では、実際には見えない裏面のプリント導体２７、２９、３１を示してある。

図１９の８の字ループアンテナの接続関係は、マイクロ波の給電線が接続される同軸コネクタを基板１０の右側端に設けるとすると、同軸コネクタの一方の導体が基板１０の表面のプリント導体２２の一端（給電端子）に接続され、プリント導体２２の他端がワイヤー２３の一端と接続される。ワイヤー２３の他端は表面のプリント導体２４の一端と接続され、プリント導体２４の他端はワイヤー２５の一端と接続される。また、ワイヤー２５の他端は表面のプリント導体２６の一端に接続され、プリント導体２６の他端は基板の表裏接続手段（図示せず）により裏面のプリント導体２７の一端と接続される。さらに、プリント導体２７の他端がワイヤー２８の一端と接続され、ワイヤー２８の他端は裏面のプリント導体２９の一端と接続される。また、プリント導体２９の他端はワイヤー３０の一端と接続され、ワイヤー３０の他端は裏面のプリント導体３１の一端に接続される。そして、プリント導体３１の他端（給電端子）が同軸コネクタの他方の導体に接続される。

図２０はワイヤーを用いた８の字ループアンテナの寸法の説明図である。図２０において、基板１０の寸法は、横が１２１ｍｍ、縦が２２ｍｍ、高さが１ｍｍである。観察窓１５の寸法は、横が２０ｍｍ、縦が８ｍｍである。ワイヤー２３、２５の寸法は、横が５３ｍｍ、基板表面からの高さ２０ｍｍである。ワイヤー２８、３０の寸法は、横が５３ｍｍ、基板表面からの高さ１９ｍｍである。プリント導体２２、２６、２７、３１の寸法は、横が２ｍｍ、縦が５ｍｍである。プリント導体２４、２９の寸法は、横が５ｍｍ、太さが２ｍｍの２つの部分と該２つの部分を接続する観察窓１５、１５の中間部分の太さが１ｍｍである。

なお、この例では基板１０からアンテナの導体を浮かすためワイヤーを用いたが、ワイヤーの代わりに、他の配線基板や他のフレキシブル配線基板等を用いて基板１０からアンテナの導体を浮かすこともできる。

ｃ）ワイヤーを用いた８の字ループアンテナの特性
図２１はワイヤーを用いた８の字ループアンテナのリターンロスの説明図である。図２１において、自由空間での計算値（Cal ）、測定値（Mea ）及びラットファントムに５ｍｍまで近づけた際の計算値（Cal ）、測定値（Mea ）を示している。この図より、１．５ＧＨｚ付近において自由空間の場合とラットファントムに対して配置した場合についても、計算値および測定値がよく一致している。

図２１から明らかなように、１．５ＧＨｚ付近でのリターンロス値は、いずれの場合においても−１０ｄＢ以下であるため、前述の微小８の字ループアンテナに比べて、給電効率を大幅に向上できたことがわかる。

また、自由空間にアンテナを配置した場合とファントム近傍に配置した場合とでリターンロス（測定値）を比較すると、ピークの位置は変わらずに、リターンロスは依然として−１０ｄＢ以下であり、曝露中にラットの頭部の位置が多少変化してもアンテナ特性が大きく変動することはないと考えられる。

ｄ）８の字ループアンテナの可視性
本発明の曝露用アンテナの特性は、標的組織に対して局所的に曝露を可能とすることも重要であると同時に、従来の曝露用アンテナ（非特許文献１〜３参照）では構造的に困難であった曝露中のラット頭部内をCranial Windowを通じてリアルタイム観測を可能とすることである。従来の曝露用アンテナの場合、コネクタや同軸ケーブル、整合回路がCranial Windowラット脳内の観測可能領域を遮ってしまう。そのため、曝露中にのみ生じているかもしれない可逆な影響を観測することが困難となる。しかしながら、８の字ループアンテナの場合は、ラット頭頂部に対して水平にアンテナを配置することから、観察可能領域を遮ることなく、基板をくり抜いた部分から曝露しながらラット脳内をCranial Windowを介して観察することが可能となる。

（６）：８の字ループアンテナによる曝露評価の説明
ａ）ラット数値モデルおよび数値シミュレーション方法の説明
数値シミュレーションでの曝露評価は、改良型のワイヤーを用いた８の字ループアンテナおよびCranial Windowラットを数値モデル化し、ＦＤＴＤ法を用いた。なお、ＦＤＴＤのセルサイズはΔｘ×Δｙ×Δｚ＝１ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍとした。ここで使用するラット数値モデルは、実際のCranial Windowラットの形状を有し、８種類の生体組織とCranial Windowから構成される。１．５ＧＨｚにおける各生体組織の電気定数は、前記文献（１）より決定し、Cranial Windowには電気的に無損失なアクリルと同様の電気定数（ε_r＝2.0 、σ＝ 0.0［Ｓ／ｍ］）を与えた、アンテナの配置位置は、ラット頭部内のリアルタイム観察を想定しラット数値モデルの脳表面（Cranial Window直下の）から５ｍｍ上方の位置に水平に配置した。

ｂ）ＳＡＲ分布の説明
ラット全身およびラット頭部内でのＳＡＲ分布を評価するために図２２に示す３方向の断面でＳＡＲを算出した。図２２は３方向断面の説明図である。図２２において、ラット２０のCranial Window２１の上に８の字ループアンテナ１が配置されている。セクション（Section ）１はラット脳表面を通る断面であり、セクション２はラット正中面に直交し脳を通る断面であり、セクション３はラット正中面の断面である。

図２３は各断面でのＳＡＲ分布の説明図であり、図２３（ａ）はラット脳表面を通る断面でのＳＡＲ分布の説明、図２３（ｂ）は正中面に直交し脳を通る断面でのＳＡＲ分布の説明、図２３（ｃ）は正中面でのＳＡＲ分布の説明である。図２３において、ＳＡＲ分布のＳＡＲ値はピークＳＡＲで規格化し、最大で１となるようにした。図２３（ａ）より、Cranial Window直下の脳表面の領域すなわち標的組織で比較的高いＳＡＲが均一に分布していることが示されている。また、図２３（ｂ）、（ｃ）より、脳表面付近で最も高いＳＡＲが生じ、深部に行くほど急激にＳＡＲが減衰していることが示されている。これらの結果により、改良型８の字ループアンテナを曝露用アンテナとして用いることにより、ラット脳に対して局所性が高く、かつ標的組織では均一性の良い曝露が可能である。

ｃ）曝露用アンテナの性能比較の説明
表４は曝露用アンテナの性能比較の説明図である。表４において、本発明の８の字ループアンテナと非特許文献１、非特許文献３の曝露用アンテナの性能比較を示している。標的組織における平均ＳＡＲと全身平均ＳＡＲの比を比較することで曝露の局所性が評価できる。表４より、各々の曝露用アンテナで標的組織は異なるが、改良型８の字ループアンテナが最も標的組織に対して局所的な曝露が可能であることが示されている。改良型８の字ループアンテナの標的組織をラット脳全体とした場合についてもＴＴＡ−ＳＡＲ／ＷＢＡ−ＳＡＲは、小型ループアンテナと大きな差はなかった。したがって、局所性は劣るものの既存の小型ループアンテナと同等の局所曝露が可能であるといえる。

表４曝露用アンテナの性能比較の説明
┌─────────────────┬───────────┬────────┐│アンテナの種類 │標的組織 │TTA-SAR/WBA-SAR │├─────────────────┼───────────┼────────┤│モノポールアンテナ（非特許文献３）│ラット脳全体 │ 7.2 │├─────────────────┼───────────┼────────┤│小型ループアンテナ（非特許文献１）│ラット脳全体 │ 20.3 │├─────────────────┼───────────┼────────┤│８の字ループアンテナ │ラットのCW直下脳表面 │ 54.3(15.5) │├─────────────────┼───────────┼────────┤│改良型８の字ループアンテナ │ラットのCW直下脳表面 │ 64.4(18.4) │└─────────────────┴───────────┴────────┘ なお、表４中のＴＴＡ−ＳＡＲは標的組織の平均ＳＡＲであり、ＷＢＡ−ＳＡＲは全身平均ＳＡＲである。また、ＴＴＡ−ＳＡＲ／ＷＢＡ−ＳＡＲは標的組織での平均ＳＡＲとラット全身平均ＳＡＲの比を表している。ＣＷはCranial Windowを表し、（）内の値はラット脳全体の平均ＳＡＲ／全身平均ＳＡＲを表している。

ｄ）ＳＡＲヒストグラムの説明
本発明で開発した曝露装置は、曝露しながらラット脳内を観察することを想定しているため、リアルタイムでの観察領域、すなわち標的組織において均一なＳＡＲが生じていることが求められる。そこで、Cranial Window直下の脳表面でのＳＡＲの均一性を定量的に評価するために、ラット脳内およびCranial Window直下の脳表面に分布するＳＡＲをヒストグラムを用いて確認した。改良型８の字ループアンテナの標的組織での曝露の均一性の比較対象としては、非特許文献１と改良前の８の字ループアンテナ（図１８参照）とした。

図２４はＳＡＲヒストグラムの説明図であり、図２４（ａ）はラット脳内のＳＡＲヒストグラムの説明、図２４（ｂ）はＣＷ直下脳表面のＳＡＲヒストグラムの説明である。ここで、ＳＡＲ値はピークＳＡＲで規格化し、最大で１となるようにした。図２４（ａ）のラット脳内のＳＡＲヒストグラムにより、いずれのアンテナの場合でも、脳領域の大部分は低いＳＡＲ値であり、高いＳＡＲ値はごく僅かな領域に局在していることが示されている。図２４（ｂ）に示す標的組織でのＳＡＲヒストグラムでは、非特許文献１のものに比べ、８の字ループアンテナの方が比較的高いＳＡＲ値付近に集中して分布していることが示されている。したがって、８の字ループアンテナにより標的組織が均一に曝露されていることが示されている。

ｅ）温度測定実験での曝露評価の説明
（ラットファントムの実験方法）
実験での曝露評価は、サーモグラフィー法でＳＡＲ測定を行い、数値シミュレーション結果の妥当性を検証した。実験でのラットモデルは、実際の固定されたラットと同様の形状および１．５ＧＨｚにおいてラットの筋肉と同等な電気定数を有する均一媒質のラットファントムを用いた。サーモグラフィー法では、表面温度を測定することにより観測面のＳＡＲ分布を式（２）により推定する。

ここで式（２）中のＣはラットファントムの比熱（J/kg・K ）、Ｔは曝露前と曝露後の温度上昇量（K ）、ｔは曝露時間（sec ）を表している。

図２５は温度測定実験装置の説明図である。図２５において、台３０上に乗せたラットファントム２０の頭部表面から５ｍｍ離して改良型８の字ループアンテナ１を配置し、マイクロ波供給手段２ａから約８［Ｗ］の電力をアンテナ入力とし、ラットファントム２０に電磁波を２０秒間照射し、サーモトレーサ３１で観測した。なお、マイクロ波供給手段２ａの構成は図２のものと同様である。

（温度分布およびＳＡＲ分布の説明）
図２６はファントム断面の温度分布の説明図であり、図２６（ａ）は曝露前の説明、図２６（ｂ）は曝露後の説明である。図２６において、曝露前と曝露後（２０秒後）を比べるとラット頭部付近で局所的に温度が上昇していることを確認できる。この結果より、改良型８の字ループアンテナを用いることで、ラット頭部局所（標的組織）に曝露が可能であることが実験的にも示された。

また、外気によるファントムの冷めや熱伝導等の影響が無視できると仮定すると、ＳＡＲは温度と比例関係にあることから、数値シミュレーションで得られたＳＡＲ分布（図示せず）と図２６（ｂ）の温度分布は良く一致している。

図２７は数値シミュレーションでのＳＡＲ分布とサーモグラフィー法で測定したＳＡＲ分布の比較の説明図である。図２７において、ラットの頭部から顎に向かって垂直に降ろした軸上（図２６（ａ）のline１上）の数値シミュレーション（実線）と温度測定実験により得られた結果（点線）を比較した。ここでは、ＳＡＲ値について、アンテナ入力パワーを１Ｗで規格化したＳＡＲ分布を示している。図２７より、計算値と実験値の傾向が良く一致していることが示されている。

図２７に示されているラットファントムの頭部表面付近の実験値のＳＡＲと計算値のＳＡＲの誤差に関しては、電磁波照射時間（約２０秒間）の間に外部の空気によって、ファントム表面が冷やされてしまったため、正確な温度上昇を測定できなかったためであると考えられる。このことから、アンテナ入力パワーをよりハイパワーにし、短時間の曝露時間で温度測定実験をすることにより、より正確なＳＡＲを推定することができると考えられる。

このように、本発明では、ラット頭部内リアルタイム観測を可能とする新たな曝露装置の開発と曝露評価をおこなった。標的組織に対して局所的かつ均一に曝露が可能である新たな曝露用アンテナとして８の字ループアンテナを設計し、さらにリアルタイム観察を可能とする構造とした。図９での微小８の字ループアンテナの入力インピーダンスの不整合損を改善するため、８の字ループの形状を微小ではなく共振ループを用いてアンテナ設計の改良を行った。これにより、微小８の字ループアンテナに比べて標的組織に対しての曝露の特性（曝露の局所性・均一性）を大きく劣化させることなく、大幅に給電効率を改善することができた。

また、試作した改良型８の字ループアンテナと均一媒質のラットファントムを用いて、実験的に曝露評価を行った結果、推定されたＳＡＲ値（実験値）と数値シミュレーションから得られたＳＡＲ値は、傾向が良く一致したことから、数値シミュレーションを用いた曝露評価の妥当性を確認した。

Cranial Window法の説明図である。マイクロ波局所曝露装置の説明図である。８の字ループアンテナの原理説明図である。８の字ループと等価である反位相で給電された１組の微小磁気ダイポールを用いた解析方法の説明図である。ファントム表面におけるｘ方向でのＳＡＲ分布の変化の説明図である。ファントム表面におけるｙ方向でのＳＡＲ分布の変化の説明図である。ファントム表面におけるｚ方向でのＳＡＲ分布の変化の説明図である。微小磁気ダイポール間隔ｄを変化させたときのCranial Window直下領域のＳＡＲのばらつきの説明図である。ＦＤＴＤ上での８の字ループアンテナモデルの説明図である。数値シミュレーションモデルの説明図である。線状８の字ループアンテナによるＳＡＲ分布の説明図である。線状８の字ループアンテナによるファントムの深さ方向のＳＡＲ変化の説明図である。ラット数値モデルの説明図である。ラット数値モデルの断面の説明図である。各断面でのＳＡＲ分布の説明図である。ラット脳内のＳＡＲヒストグラムの説明図である。 Cranial Window直下のラット脳内ＳＡＲヒストグラムの説明図である。８の字ループアンテナの説明図である。ワイヤーを用いた８の字ループアンテナの説明図である。ワイヤーを用いた８の字ループアンテナの寸法の説明図である。ワイヤーを用いた８の字ループアンテナのリターンロスの説明図である。３方向断面の説明図である。各断面でのＳＡＲ分布の説明図である。ＳＡＲヒストグラムの説明図である。温度測定実験装置の説明図である。ファントム断面の温度分布の説明図である。数値シミュレーションでのＳＡＲ分布とサーモグラフィー法で測定したＳＡＲ分布の比較の説明図である。

符号の説明

１０基板
１１同軸コネクタ（給電端子と接続される給電部）
１２、１４プリント導体（アンテナ導体）
１３基板の表裏接続手段
１５観察窓

Claims

絶縁性の基板と、
該基板に設けた２つの観察窓と、
前記基板の表面と裏面に設けた給電端子にマイクロ波の電力を供給するマイクロ波供給手段と、
前記表面の給電端子から前記裏面の給電端子までのアンテナ導体の配線を、前記２つの観察窓の周囲を通る８の字ループとし、
前記８の字ループの配線の交差は、前記２つの観察窓の中間部の前記基板の表面と裏面で行うことを特徴としたマイクロ波局所曝露装置。
前記アンテナ導体の配線は、前記基板にプリントされることを特徴とした請求項１記載のマイクロ波局所曝露装置。
前記アンテナ導体の配線は、前記２つの観察窓の中間部を除き、前記２つの観察窓の近傍で前記基板より離して上面に配線することを特徴とした請求項１記載のマイクロ波局所曝露装置。
前記基板より離して上面に配線するアンテナ導体として導電性のワイヤーを用いることを特徴とした請求項３記載のマイクロ波局所曝露装置。