JP3752541B2 - Electric field detection probe and three-dimensional electric field measurement method using the probe - Google Patents
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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V1,V2,V3で表す。電位差V1、V2、V3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】
V1=Vx+Vz (1)
V2=Vy+Vz (2)
V3=−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=(V1−V3)/2 (4)
Vy=V2−(V1+V3)/2 (5)
Vz=(V1+V3)/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V1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V2、V3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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in an electric field detection probe and a three-dimensional electric field measurement method using the probe.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as an electric field measurement method in liquid, for example, a probe that bends the tip of a coaxial cable vertically, exposes the tip of the inner conductor and the outer conductor at a certain distance at the tip, and measures the electric field therebetween. It was used.
[0003]
FIG. 1A and FIG. 2 show a conventional probe (see Non-Patent
[0004]
In both probes of FIGS. 1 and 2, the
[0005]
Furthermore, in a circularly polarized wave and linearly polarized wave primary primary radiator, an L-shape that detects an electric field by rotating so as to be coupled to the electric field direction of the desired electromagnetic wave for detecting the electric field of the horizontally polarized wave and the vertically polarized wave. There is a type probe (see
[0006]
[Non-Patent Document 1]
PJ Maccabee, VE Amassian, RQ Cracco, JB 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
[Non-Patent Document 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
[Patent Document 1]
JP-A-5-83004 [0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional probe has two problems. One is that the electric field can be measured only in one plane (XY plane) by rotating around the Z axis in FIG. 1, and the second is that the length of the L-shaped horizontal part (see FIG. A circular region having a radius of 1 (b) is essential for the measured side. This rotation of the probe disturbs the area to be measured and can possibly destroy it. In particular, when measuring an electric field in a living body, the cell is cut, so it cannot be used.
[0008]
[Means for solving problems]
In order to solve the above problems, the electric field detection probe of the present invention is characterized in that the exposed end portions of the inner conductor and the outer conductor of the coaxial cable are exposed from the tip surface inclined with respect to the central axis.
[0009]
Furthermore, the three-dimensional measurement method of the present invention is such that the tip portions of the inner conductor and outer conductor of the coaxial cable are exposed from the inclined surface with respect to the central axis, and an electric field detection provided with an engagement member that enables the tip portions to rotate. The three-dimensional electric field is measured by detecting the electric field at the position where the probe is rotated 90 degrees and 180 degrees from the initial position.
[0010]
Since the structure of the L-shaped horizontal part of the probe is eliminated, it can be inserted into the measurement area from one direction, and the electric field can be detected in three orthogonal directions in the micro area by rotating the probe axis without disturbing the measurement area. Become. The calculation of the measurement electric field of the present invention can be obtained only by the four arithmetic operations of the detected potential difference, and the respective three-dimensional orthogonal components can be obtained.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the examples of FIGS.
FIG. 3 is a conceptual diagram of the electric
[0012]
The exposed
[0013]
Only a part of the outer conductor (mesh-like conductor) 7 is processed into a linear shape to constitute a tip exposed portion. In the example of FIG. 3, the tip exposed
[0014]
FIG. 4 is a schematic diagram of a configuration example of an electric field measurement device using the electric
[0015]
FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of the electric field measurement method using the electric field detection probe of the present invention. FIG. 5A shows a defined probe coordinate system. The central axis direction of the probe is the Z-axis, and the axis perpendicular to the Z-axis on the plane including the straight line and the Z-axis passing through the intersection O of the straight line connecting the probe tip exposed
[0016]
5B shows the initial position of the probe, FIG. 5C shows the position of the probe rotated 90 degrees around the Z axis from the initial position, and FIG. 5D shows the position of the probe rotated 180 degrees around the Z axis. The state at is shown. The potential differences between the tip exposed
[0017]
V 1 = Vx + Vz (1)
V 2 = Vy + Vz (2)
V 3 = −Vx + Vz (3)
[0018]
Based on the formulas (1) to (3), Vx, Vy, and Vz are obtained by the following formulas (4) to (6).
Vx = (V 1 −V 3 ) / 2 (4)
Vy = V 2 − (V 1 + V 3 ) / 2 (5)
Vz = (V 1 + V 3 ) / 2 (6)
[0019]
Based on the equations (4) to (6), the X-axis component Ex, the Y-axis component Ey, and the Z-axis component Ez of the target electric field are obtained by the following equations (7) to (9). Here, b is a distance (m) between the tip exposed portions, and θ is an angle (degree) formed by a straight line connecting the probe central axis (Z axis) and the tip exposed portion.
Ex = Vx / (b · sin θ) (7)
Ey = Vy / (b · sin θ) (8)
Ez = Vz / (b · cos θ) (9)
[0020]
First, the potential difference between the tip exposed portions is detected at the initial position of the probe (FIG. 5B). The resulting value is V 1. Similarly, potential differences V 2 and V 3 between the tip exposed portions are detected at the 90 ° rotation position (FIG. 5C) and the 180 ° rotation position (FIG. 5D), and the equations (4) to (6) are detected. Thus, axial potentials Vx, Vy, and Vz are calculated. The X-axis, Y-axis, and Z-axis components Ex (V / m), Ey (V / m), and Ez (V / m) of the electric field are calculated by the equations (7) to (9). This electric field is the electric field at the origin of the coordinate system.
[0021]
In the apparatus shown in FIG. 5, the
[0022]
FIG. 6 shows an example in which the electric field in one direction (Ex direction) measured with a conventional probe is used as a reference and the result of the probe according to the present invention is compared. Using a thin coaxial cable (SUMITOMO SS753201) with an outer diameter of 1.3 mm, the distance between the outer conductor of the conventional probe and the exposed end of the inner conductor is 9 mm, and the tip of the outer conductor and inner conductor of the probe of the present invention The distance (b) between the exposed portions is about 2.4 mm, the inclination angle (θ) is about 60 degrees, and the outer diameter of the probe casing is about 2.4 mm.
[0023]
The horizontal axis represents the electric field Ex in one direction (X axis) measured using the conventional probe, and the vertical axis represents the electric field measured using the probe of the present invention. The relationship between the two was almost linear, and the regression analysis coefficient was 1.05. These can be more accurately detected by calibration. The same applies to the potentials Vy and Vz in other directions.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, the electric field detection probe of the present invention can measure electric fields in three orthogonal directions by rotating the shaft 180 degrees only by inserting the object into the measurement object from one direction. Further, by reducing the diameter of the probe (diameter 0.6 mm, etc.), it is possible to measure in a finer region. There is less possibility of disturbance of the measurement area due to the rotation of the probe, and in some cases destruction. For example, when measuring the electric field of the mouse brain, the electric field could be measured effectively without cutting the brain cells.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an example (part 1) of a conventional electric field detection probe.
FIG. 2 shows a second example of a conventional electric field detection probe.
FIG. 3 is a conceptual diagram of a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows an example of a three-dimensional measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating the principle of a three-dimensional electric field measurement method according to the present invention.
FIG. 6 shows a comparative example of a detection electric field.
[Explanation of symbols]
1 Probe (conventional type)
Claims (2)
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