JP2008048402A - アンテナおよび身体インプラント - Google Patents

Abstract

【課題】例えば、インプラント用途など、比較的高い効率を持つ比較的小さな身体埋め込みアンテナを提供する。
【解決手段】身体埋め込みアンテナは、１０より大きい比誘電率を有する流体５で充填された包囲体１の表面上に形成された導電性電極２を備える。流体５は、実質的に電気絶縁性であり、導電性電極２の基板を形成する。アンテナのサイズは減少しつつ、比較的効率的なアンテナを提供できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、身体埋め込みアンテナに関する。こうしたアンテナは、例えば、人間や他の動物の身体の中に埋め込むための身体インプラント(body implant)の一部として使用される。また本発明は、こうしたアンテナを備えた身体インプラントに関する。

医療用または他のインプラントの遠隔モニタリングが、無線周波数リンクを含む種々の方法で達成できる。既存の米国および欧州の規則は、４０２ＭＨｚ〜４０５ＭＨｚの間で動作する専用の通信バンドを提供している。

しかしながら、これは、簡単な４分の１波長および２分の１波長のモノポールまたはダイポールのアンテナが、埋め込みアンテナとしての用途に物理的に実現不可能である点で、アンテナ設計に問題を生じさせる。例えば、４０３ＭＨｚで動作する従来の４分の１波長モノポールアンテナは、通常、１８．５ｃｍの長さを有し、これは最も重要な応用にとって長すぎる。

英国特許公開ＧＢ２３９０５４５号 米国特許公開ＵＳ２００４／０１２５０１９号 米国特許公開ＵＳ２００５／００３５９１６号

従来の技術は、インプラントに使用できる程度に充分小さいアンテナを提供するために用いられている。例えば、パッチ、ループ、蛇行(meandered)ダイポールをベースとしたアンテナが用いられていたが、比較的効率の低いアンテナを作成するものである。

アンテナの物理長は、アンテナを高誘電性基板の上に形成することによって低減できる。特に、アンテナ用の実効波長は、波の速度と周波数の積に等しく、波の速度は、基板の誘電率の平方根に反比例する。しかしながら、高誘電率の基板材料は、一般に、比較的高い損失を有するため、弱いアンテナ効率しか提供できない。

英国特許公開ＧＢ２３９０５４５号は、食道(oesophagus)など、体内空洞を加熱することによって治療を提供する中空の組織プローブを開示している。加熱源は、バルーン(balloon)の内側に配置されたマイクロ波アンテナであるが、表面とは接触しない。バルーンは、マイクロ波アンテナによって加熱される液体を含み、熱を体内表面に移送して、治療を実施する。

米国特許公開ＵＳ２００４／０１２５０１９号は、使用時に可変である動作バンドを持つアンテナアレイを開示する。アレイは、対向するグランドプレーンを備えた中空の誘電体基板の上に形成される。得られた空洞は、誘電流体で充填可能であり、その組成は、空洞内部で異なる流体と混合することによって能動的に変化させることができる。

米国特許公開ＵＳ２００５／００３５９１６号は、入射無線周波数ビームを操縦するための反射型アンテナを開示する。離散した誘電体セルからなるアレイが、導電性反射型アンテナの上部に形成される。各セル中の誘電流体の量は、反射器の異なる方向および形状をシミュレートするように制御される。

本発明の第１の態様によれば、１０より大きい比誘電率を有する流体を含む実質的に電気絶縁性の基板が設けられた導電性電極を備えることによって特徴付けられた身体埋め込みアンテナが提供される。

流体は、液体を含んでもよい。液体は、水を含んでもよい、水は、蒸留及び／又は脱イオン化したものでもよい。

流体は、実質的に固定した組成のものでもよい。

流体は、実質的に固定した質量のものでもよい。

電極は、流体を収容する包囲体(enclosure)の表面上または表面内に形成してもよい。電極は、包囲体の内部表面に形成してもよい。包囲体は、封止してもよい。表面は、可撓性の膜(membrane)を備えてもよい。包囲体は、体液に対して実質的に不活性である外部表面を有してもよい。包囲体は、流体および体液に対して実質的に不浸透であってもよい。

アンテナは、電極と電気的に接続された電子回路を備えてもよい。回路は、包囲体の内側に配置してもよい。回路は、更なる包囲体の内側で封止してもよい。流体は、包囲体と更なる包囲体の間で封止してもよい。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様に係るアンテナを備えた身体インプラントが提供される。

比較的高い効率を持つ比較的小さなアンテナを提供することができる。こうしたアンテナは、インプラントを用いた用途に適切である。

本発明は、例として添付した図面を参照して説明する。

図１に示すアンテナは、袋または「バルーン(balloon)」１の形状を持つ包囲体を備え、その表面にはアンテナ電極２が印刷されている。電極２は、バルーン１の外部表面に形成されるように図示しているが、その代替としてバルーンの内部表面に形成してもよい。アンテナは、電子回路（エレクトロニクス）３に接続され、電子回路３と遠隔通信端末との間の無線周波数通信を提供する。

バルーン１は、流体で充填され、アンテナ電極２のための電気絶縁性の基板を形成する。流体は、固定した組成かつ固定した質量のものである。流体は、実質的に電気絶縁性であって、１０より大きい比誘電率を有する液体を含む。図示した特定の例では、流体は水であるが、他の液体や気体を使用してもよい。

蒸留水、真水および海水は、８１にほぼ等しい比誘電率を有し、誘電損失正接はほぼゼロに等しい。比透磁率は、０．９９にほぼ等しく、磁気損失正接および磁気飽和はほぼゼロに等しい。

しかしながら、海水は、４Ｓ／ｍの導電率を有し、真水は、０．０１Ｓ／ｍの導電率を有し、これは、一般には許容できないほど高く、過剰な損失をもたらすであろう。蒸留水は、０．０００２Ｓ／ｍの導電率を有するため、アンテナの流体基板としての用途に極めて適している。

一般に、流体は、安価で、不活性であり、取り扱いが容易であることが求められる。さらに、アンテナが、医療用インプラントや他の医療目的で使用される場合、流体は、実質的に毒性が無いものである必要がある。よって、他の流体もこれらの要求を満たすであろうが、蒸留水及び／又は脱イオン水はこうした応用に適している。

アンテナをインプラントとして使用する場合、バルーン１または他の包囲体は、この目的に適した材料で製作する必要がある。例えば、インプラントは、しばしば人間や他の動物の身体内部の細胞外(extra-cellular)空洞の中に挿入される。こうした空洞は、主として比較的高いイオン濃度を持つ水を典型的に含んだ流体をしばしば収容している。

バルーン１から水を除去する浸透の影響を防止するため、そして、イオンがバルーン１の内側に入り込む拡散を防止するために、バルーン１の材料は、生体適合性(biocompatible)であって、水、およびナトリウム(soda)イオン、カリウムイオン、塩素イオンおよび他の体内塩に対して不浸透である必要がある。電気分解の危険性を回避するために、導体２はバルーン１の外部表面の上にないことも好ましい。

バルーン１を形成する膜として使用可能な材料のタイプは、伸縮性「人工皮膚」ポリマーとして知られており、この例は、プリンストン大学（ニュジュージィー州、米国）により、http://www.prism.princetou.edu/Sturm publications/JP.137.pdfで開示されている。

金の導体をポリマーの中にはめ込んで(inlay)、電極２を形成してもよく、電気抵抗の変化無しで１６％まで伸縮可能である。

バルーン１の膜として使用可能な他のタイプの材料は、静電防止または電磁干渉（ＥＭＩ）シールド袋を含む。こうした材料または袋は、ポリエチレン(polythene)と、層間に挟まれるアルミニウム箔でコートされたポリエステルとを備え、こうした材料は、厚さ約７マイクロメートルから利用可能である。ＭＩＬ規格MIL-B-81705C タイプＩＩ クラス１およびタイプＩＩＩ クラス１によって分類されるこのタイプの袋は、防水性であることから、この応用に適している。

図２は、バルーンまたは袋１の内側に配置された水密シール４の内部に、電子回路３が密閉封止されている代替の配置を示している。この例では、アンテナ電極２が袋１の内側表面に印刷され、水密シール４を貫通し、水密性を保つように封止された接続によって電子回路３と接続されている。

水密シール４と袋１の間の空洞は、電気絶縁性の基板として機能する水５を収容する封止空間(chamber)を形成する。こうした配置は、鋭いエッジを回避できることから、医療用または他のインプラントとしての用途により適切なものになり、インプラントを半可撓性および軟質なものにすることができる。

本発明の第１実施形態を構成するアンテナの図である。 本発明の第２実施形態を構成するアンテナの図である。

符号の説明

１ 袋またはバルーン
２ アンテナ電極
３ 電子回路
４ 水密シール
５ 水

Claims (17)

1. １０より大きい比誘電率を有する流体（５）を含む実質的に電気絶縁性の基板（１，５）が設けられた導電性電極（２）を備えることを特徴とする身体埋め込みアンテナ。
2. 流体（５）は、液体を含むことを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
3. 流体（５）は、水を含むことを特徴とする請求項２記載のアンテナ。
4. 水（５）は、蒸留及び／又は脱イオン化したものであることを特徴とする請求項３記載のアンテナ。
5. 流体（５）は、実質的に固定した組成のものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ。
6. 流体（５）は、実質的に固定した質量のものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のアンテナ。
7. 電極（２）は、流体を収容する包囲体（１）の表面上または表面内に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のアンテナ。
8. 電極（２）は、包囲体（１）の内部表面に形成されていることを特徴とする請求項７記載のアンテナ。
9. 包囲体（１）は、封止されていることを特徴とする請求項７または８記載のアンテナ。
10. 表面は、可撓性の膜を備えることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のアンテナ。
11. 包囲体（１）は、体液に対して実質的に不活性である外部表面を有することを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のアンテナ。
12. 包囲体（１）は、流体および体液に対して実質的に不浸透であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載のアンテナ。
13. 電極（２）と電気的に接続された電子回路（３）を備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のアンテナ。
14. 回路（３）は、包囲体の内側に配置されることを特徴とする、請求項７〜１２のいずれかに従属した場合の請求項１３に記載のアンテナ。
15. 回路は、更なる包囲体（４）の内側で封止されていることを特徴とする請求項１４記載のアンテナ。
16. 流体（５）は、包囲体（１）と更なる包囲体（４）の間で封止されることを特徴とする請求項１５記載のアンテナ。
17. 請求項１〜１６のいずれかに記載のアンテナを備えた身体インプラント。

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