JP2023004312A - マイクロ波アプリケータ - Google Patents

Abstract

【課題】薄型で軽量なマイクロ波アプリケータを提供する。【解決手段】本発明の実施形態に従うマイクロ波アプリケータは、テーパー形状の複数のスロットをワイド面に装荷し、キャビティを内部に形成するスロットアンテナ本体と、前記キャビティの中央部に配置すると共に、前記スロットアンテナ本体と電気的に接続したモード変換器と、マイクロ波の電力を供給する中心導体を備える同軸給電部と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、マイクロ波アプリケータに関する。

例えば温熱治療器に用いるマイクロ波アプリケータは、生体組織に刺入して使用するタイプのものと、生体組織に刺入することなく使用するタイプのものがある。生体組織に刺入しないタイプのマイクロ波アプリケータの中には、電磁ホーンアンテナや、導波管スロットアンテナを用いるものがある。さらに、導波管内に水を充填して生体組織の誘電率に近づけることで、波長短縮により小型化したものや、波動インピーダンスの整合をとるものも存在する。

しかしながら、電磁ホーンアンテナを用いたマイクロ波アプリケータは、奥行きが長くなってしまう。また、モノポールアンテナで導波管端部から励振する構造の導波管スロットアンテナを用いた場合、インピーダンス変換器の長さ及び高さがある程度必要になってしまう。さらに、導波管内に水を充填すると、小型化が可能である反面、重量の増加や構造の複雑化などの問題がある。

特表２００９－５２７９８５号公報

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、薄型で軽量なマイクロ波アプリケータを提供することにある。

本発明の実施形態に従うマイクロ波アプリケータは、テーパー形状の複数のスロットをワイド面に装荷し、キャビティを内部に形成するスロットアンテナ本体と、前記キャビティの中央部に配置すると共に、前記スロットアンテナ本体と電気的に接続したモード変換器と、マイクロ波の電力を供給する中心導体を備える同軸給電部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、テーパー形状の複数のスロットをワイド面に装荷し、キャビティを内部に形成するスロットアンテナ本体、及びキャビティの中央部に配置すると共に、スロットアンテナ本体と電気的に接続したモード変換器を採用したことにより、薄型で軽量のマイクロ波アプリケータを提供することが可能となる。

実施形態に従うマイクロ波アプリケータの斜視図である。 実施形態に従うマイクロ波アプリケータの平面図と断面図である。 上記マイクロ波アプリケータのモード変換器の拡大図である。 上記モード変換器の斜視図である。 上記マイクロ波アプリケータのリターンロス特性図である。 上記マイクロ波アプリケータの加温試験装置の構成図である。 上記加温試験の結果を示す特性図である。 上記マイクロ波アプリケータの電界シミュレーションの特性図である。

以下、本発明の実施形態に従うマイクロ波アプリケータについて、添付図面を参照しながら詳述する。なお、各図において、同一構成は同一の符号を付している。

実施形態に従うマイクロ波アプリケータ１は、好ましくは生体組織の温熱治療に用いる。マイクロ波アプリケータ１は、生体組織に刺入しないで温熱治療をすることが可能である。勿論、用途が温熱治療だけに限定されることはなく、マイクロ波を用いた被対象物の加温用として使用することができる。図１～図２は、実施形態に従うマイクロ波アプリケータ１を示す。図１（ａ）は、マイクロ波アプリケータ１を表側から見た斜視図、図１（ｂ）は、裏側から見た斜視図である。また、図２（ａ）は、マイクロ波アプリケータ１の平面図、図２（ｂ）は、マイクロ波アプリケータ１の長辺方向の縦断面図である。

図１～図２に示すように、実施形態に従うマイクロ波アプリケータ１は、平面視が長方形の薄型のスロットアンテナ本体１０を備える。スロットアンテナ本体１０は、表側のワイド面に複数のスロット２を装荷している。スロットアンテナ本体１０は、一例として、板状の部材である第１部材１０ａと、底面側が開口する立体状の部材である第２部材１０ｂによって形成する。第２部材１０ｂは、その四辺（長辺・短辺）に全周に亘って側壁を形成し、底面側が開口するカバー状になっている。そして第１部材１０ａで第２部材１０ｂの底面側開口を塞ぐことにより、スロットアンテナ本体１０の内部に薄型の立方形の空間を形成する。この薄型の立方形の内部空間は、スロットアンテナ本体１０のキャビティ１１を構成する。

別の言い方をすると、長辺方向に延びる薄型の導波管の両端の開口（短辺の開口）を側壁でショートさせてキャビティ１１を構成している。ゆえにスロットアンテナ本体１０は、長辺方向に延びる導波管としての機能も有する。キャビティ１１は、特に水などの液体を充填しておらず、空気で満たされている。第１部材１０ａと第２部材１０ｂは、例えばネジなどの固定手段１２を用いて一体化する。なお、符号１３は、例えばマイクロ波アプリケータ１を固定する際に使用する固定用部材である。符号１４は、後述するモード変換器４のコンタクトプレート４２の一部が露出する開口穴である。

薄型に形成した立方形のキャビティ１１のサイズは、好ましい一例として、平面視の長辺方向を２９０ｍｍ、短辺方向を１０７ｍｍとする。なお、キャビティ１１の長辺方向サイズを２８０ｍｍ～３２０ｍｍの範囲内、またはアスペクト比を２．５４～２．９の範囲内とすることが好ましい。キャビティ１１の高さ（すなわち、空間の厚み）は、自由空間波長の１０分の１以下とする。好ましい一例は、１０ｍｍ以下である。但し、キャビティ１１のサイズが限定されることはなく、入力するマイクロ波の周波数やインピーダンス整合などの理由によって適宜変更することができる。第１部材１０ａと第２部材１０ｂは、例えば導電性を有する材質で形成する。導電性を有する材質の一例は、例えばステンレスやアルミニウムなどの金属である。第１部材１０ａ及び第２部材１０ｂの厚みは、例えば１～２ｍｍ程度である。

スロット２は、スロットアンテナ本体１０の電磁波放射面である表側のワイド面に装荷する。スロット２は、ワイド面に形成したテーパー形状の開口である。より具体的には、特に図２（ａ）の平面図に示すように、キャビティ１１の長辺方向を向く中心軸Ｓ１を中心にして、短辺方向に対称に配置した一対の扇状開口同士を、互いの基端部で連通させて一つのスロット２としている。扇状の円弧２１の部分は、例えば三角形状や多角形状など他の形状にしてもよい。このようなスロット２は、ボウタイ形状のスロット２とも称される。なお、好ましい配置として、スロット２は、その全長方向の軸線Ｓ２がキャビティ１１の長辺方向の中心軸Ｓ１と例えば直角に交差するように配置する。このとき、オフセットはせずに、スロット２のくびれ２２の部分を、キャビティ１１の長辺方向の中心軸Ｓ１線上に位置させるのが好ましい。

複数のスロット２は、キャビティ１１の長辺方向に間隔をあけて配列するようにする。図１～図２の例では、キャビティ１１の長辺方向に例えば４個のスロット２を設ける。好ましい一例として、キャビティ１１の中央部（後述するモード変換器４を配置する）から長辺方向に対称に夫々配列していく。キャビティ１１の中央部寄りに配置した内側のスロット２は、そのくびれ２２の中心とキャビティ１１の中心との間隔Ｌ１が例えば４８ｍｍになるように配置する。キャビティ１１の端部側に配置した外側のスロット２は、そのくびれ２２の中心とキャビティ１１の中心との間隔Ｌ２が例えば９５ｍｍになるように配置する。スロット２のサイズは、好ましい一例として、全長Ｌ３を９５．５ｍｍ、扇状の弦の長さＬ４を３５ｍｍ、くびれ２２の部分の長さＬ５を４ｍｍとする。但し、スロット２のサイズや配置は、キャビティ１１内のマイクロ波の周波数や後述する加温試験の結果などに応じて適宜調整することができる。

同軸給電部の一例である同軸コネクタ３１は、スロットアンテナ本体１０の裏面側中央に配置する。すなわち、中央給電方式でスロットアンテナ本体１０にマイクロ波の電力を給電する。同軸コネクタ３１は、スロットアンテナ本体１０の裏面側ワイド面に取り付ける。同軸コネクタ３１には、伝送線としての同軸ケーブル３２を接続する。同軸ケーブル３２の基端側は、例えば半導体発振器などのマイクロ波発生装置（不図示）に接続する。同軸ケーブル３２の特性インピーダンスは、例えば５０Ωである。なお、本実施形態のマイクロ波アプリケータ１は、後述する給電部－導波管（スロットアンテナ本体１０）のモード変換器４を備えたことによって、薄型のスロットアンテナ本体１０であってもインピーダンスの整合を取りやすくしている。そのため、インピーダンス整合のためのアンプやフィルターなどは必ずしも必要ではなく、省略することによって部品点数を少なくすることができる。勿論、アンプやフィルターなどを設けた構成であってもよい。

続いて、図３～図４を参照しながら、給電部－導波管（スロットアンテナ本体１０）のモード変換器４について説明する。図３は、モード変換器４の拡大図である。図４は、モード変換器４を下方側から見た斜視図である。図３～図４に示すように、モード変換器４は、同軸コネクタ３１の中心導体と電気的に接続したコンタクト４１とその上部に接続したコンタクトプレート４２を備える。キャビティ１１内に位置するコンタクト４１とコンタクトプレート４２は、「モード変換器」を構成する。なお、コンタクト４１とコンタクトプレート４２は、それぞれ別々の部材でなくともよく、一体化した部材で構成してもよい。

コンタクト４１は、好ましい一例として、底部側が円柱状であって上部側が拡径する逆円錐状になっている。コンタクト４１は、その円柱状の部分の底部側が、同軸コネクタ３１の中心導体と電気的に接続している。コンタクト４１は、特に図３に示すように、第１部材１０ａに形成した開口穴１６を通じてキャビティ１１の高さ方向（空間の厚み方向）に立設している。コンタクト４１と第１部材１０ａとは開口穴１６によって離れており、電気的に接続していない。コンタクトプレート４２は、例えば平面視が円形の円柱形プレートである。平面視の形状は、例えば楕円や多角形など他の形状にしてもよい。

コンタクトプレート４２は、その上面が第２部材１０ｂに接しており、これによりスロットアンテナ本体１０のワイド面の内側面（キャビティ１１側の表面）と電気的に接続（すなわちショート）している。この構成により、同軸コネクタ３１の中心導体、コンタクト４１、コンタクトプレート４２、及びスロットアンテナ本体１０のワイド面が、電気的に直列に接続する。なお、コンタクトプレート４２のサイズは、例えば直径が４０ｍｍ、厚みが５．２ｍｍである。コンタクト４１及びコンタクトプレート４２の材質は、例えばアルミニウムやステンレスなどの金属である。なお、特に図１に示すように、コンタクトプレート４２は、例えばネジなどの固定手段４３を用いてスロットアンテナ本体１０に固定する。コンタクトプレート４２とコンタクト４１は、例えばネジなどの固定手段４４を用いて一体化する。

自由空間波長の１０分の１以下の薄型のキャビティ１１を内部に形成したスロットアンテナ本体１０は、導波管として見ると、その高さが波長よりも非常に小さいので裏面側のワイド面から垂直に挿入したプローブではモノポールアンテナとしての動作はできない。また、導波管の表側のワイド面とプローブとの間に隙間があると入力インピーダンスが非常に高くなって、プローブに給電する同軸線路とのインピーダンス整合が難しくなる。この様な問題点の対策として、上述したように、コンタクトプレート４２がワイド面と接するようにして電気的にショートさせ、導波管としてのスロットアンテナ本体１０と直列に接続させる構造とした。また、薄型の導波管であるため、特性インピーダンスも通常の導波管より小さくなることから、この接続構造の方がインピーダンスの整合を取りやすい。

スロットアンテナ本体１０の電磁波放出面であるワイド面には、空間を介してこのワイド面と対向する樹脂板５を配置する。樹脂板５は、図示を省略する支持手段によって支持している。樹脂の材質は、例えばＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）である。ワイド面との隙間は、例えば５～２０ｍｍとする。好ましいのは５ｍｍである。

上述した構成のマイクロ波アプリケータ１を用いて温熱治療を実施する場合、樹脂板５の表面を生体組織に当て、図示しないマイクロ波発生装置からのマイクロ波の電力を、同軸ケーブル３２及び同軸コネクタ３１を介してモード変換器４に給電する。

給電したマイクロ波は、モード変換器４によって、中央から左右に分岐されＴＥモードでキャビティ１１内を伝送させることができる。すなわち、スロットアンテナ本体１０が導波管として機能し、末端面までＴＥモードでマイクロ波が伝送する。このとき、スロット２で不連続になった箇所において電磁波が漏洩し、電磁波放出面であるワイド面に対し鉛直方向に指向性を有するマイクロ波が放射される。その結果、生体組織が加温され、温熱治療をすることが可能となる。マイクロ波アプリケータ１は、上述の構成としたことによって、例えば２．４５ＧＨｚの周波数で動作することを実現している。

＜リターンロス特性＞
テーパー状のスロット２は、例えば矩形のスロットと比較して電流が共振状態になりうる波数ベクトルの組み合わせを多数とることができ、広帯域特性を実現することができる利点がある。すなわち電流の共振モードを増やし、アンテナの帯域幅を拡大することができる。図５は、スロットアンテナ本体１０のリターンロス特性の実測値の一例を示す。このリターンロス特性は、樹脂板５としてのＡＢＳ樹脂板をワイド面から５ｍｍ離した位置に固定して測定した。図５から明らかなように、ＶＳＷＲ＜１．４の条件の下で５％の比帯域幅が得られることを確認している。ＶＳＷＲ＜２では１２％となる。

＜加温試験＞
図６は、加温試験として行ったファントム加温試験装置の概略図である。図７は、ファントム加温試験の結果を示す。ファントム加温試験は、図６に示すように、人体等価ファントムとして寒天６を用いた。マイクロ波は、半導体発振器６１から出力し、同軸ケーブル３２を通じてスロットアンテナ本体１０に給電した。同軸ケーブル３２の途中にはサーキュレータ６２を設け、リターン電力を終端抵抗６３に逃がすようにした。また、ディレクショナルカプラー (同軸)６４、アッテネータ６５、パワーメータ６６でリターン電力を測定できるようにした。スロットアンテナ本体１０は、寒天６の上面に載置したＡＢＳ樹脂板（５）から所定の距離だけ離して配置した。この状態でスロットアンテナ本体１０から寒天６にマイクロ波を出力１００Ｗで１０分間照射し、照射終了後に寒天６の断面をサーモグラフィで撮影した。

図７は、スロットアンテナ本体１０をＡＢＳ樹脂板（５）から５ｍｍ離して加温したときのサーモグラフィの撮影結果である。グレイスケールで表したものであるが、白くなっているところの方が温度が高い。図７の結果から、寒天６を加温できていることが分かる。すなわち、上述のスロットアンテナ本体１０によれば、生体組織を加温できることを確認した。

図８は、図７のファントム温度分布と、電界シミュレーションによるＳＡＲ分布とを比較した結果を示す。図８から明らかなように、ＳＡＲ分布とファントム温度分布とが対応できていることを確認した。

上述の実施形態によれば、薄型で軽量なマイクロ波アプリケータを提供することが可能である。なお、好ましい一例として、同じ形状のスロット２を装荷した例を説明したが、スロット２は必ずしもすべてテーパー形状でなくてもよい。また、キャビティ１１の長辺方向にもスロット２を装荷するようにしてもよい。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ マイクロ波アプリケータ
１０ スロットアンテナ本体
２ スロット
３１ 同軸コネクタ
３２ 同軸ケーブル
４ モード変換器
４１ コンタクト
４２ コンタクトプレート

Claims (6)

1. テーパー形状の複数のスロットをワイド面に装荷し、キャビティを内部に形成するスロットアンテナ本体と、
   前記キャビティの中央部に配置すると共に、前記スロットアンテナ本体と電気的に接続したモード変換器と、
   マイクロ波の電力を供給する中心導体を備える同軸給電部と、を備えたことを特徴とするマイクロ波アプリケータ。
2. 前記モード変換器は、前記ワイド面の前記キャビティ側の表面と電気的に接続した円柱形のプレートを含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波アプリケータ。
3. 前記スロットを装荷した前記ワイド面に対し、空間を介して対向配置した樹脂板をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波アプリケータ。
4. 前記キャビティは、平面視が長方形の立方形状であり、
   前記テーパー形状のスロットは、前記キャビティの長辺方向と交差する方向に沿って形成したボウタイ形状であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のマイクロ波アプリケータ。
5. 前記複数のスロットは、前記モード変換器を中心として前記キャビティの長辺方向に対称に配列したことを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波アプリケータ。
6. 前記キャビティの高さは、自由空間波長の１０分の１以下の薄型に形成されることを特徴とする請求項１～請求項５のいずれか１項に記載のマイクロ波アプリケータ。

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