JP3905313B2 - 放射線適用装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、マイクロ波放射器(microwave radiator）、特にマイクロ波による切除装置（microwave ablation devices)に関する。
【０００２】
組織のマイクロ波切除に使用される公知のマイクロ波放射器は、マイクロ波を切除部位に供給するための長形の導波管に作動結合されたマイクロ波発生器を有している。導波管は体内に挿入されるように十分に薄く、誘電材料から成るコアを有している。この誘電材料により、導波管を通るマイクロ波の有効な伝達が可能になる。導波管の放出端部では誘電体のコアが突出し、周囲の組織内にマイクロ波を結合させるための放射用先端部を形成している。本発明者の１つの目的は改良された放射器を提供することである。
【０００３】
１つの観点によれば、本発明は生体内への挿入用の長形のマイクロ波放射器を含んで、所定の動作周波数で生物組織を処理し、この放射器はその先端にモノポールアンテナ（ monopole antenna ）を含み、このモノポールアンテナはモノポール（ monopole ）およびそのモノポールを取り巻く誘電性材料（ dielectric material ）を含むものであって、前記の誘電性材料は、それが前記の所定の動作周波数で共振器として作用するように適合され、上記のモノポールによって放射された近傍のフィールドの放射線の実質的に全体を包囲することを特徴とする。
【０００４】
本発明は、モノポールアンテナが近傍のフィールドを発生させ、この近傍界が、モノポールの局部的な領域に準静的に存在してエネルギを放射しない大きな電磁界振幅を含んでいるという事実を認識することに基づいている。標準的な通信用アンテナにおいては、このような局部的な領域には空気が満たされており、これらの近傍のフィールドの振幅は、アンテナのインピーダンスに対するリアクタンスに貢献するのを除けば何も効果を有していない。しかし、医学的用途において、近傍のフィールドの領域が生体の材料を含んでいる場合、この生体の材料は損失が大きく、近傍のフィールドの振幅は熱を発生させることになる。近傍のフィールドの領域は振幅が高く容積が小さいという理由から、多量の熱が近傍のフィールドの領域に発生するおそれがある。このことは遠方のフィールドにおけるエネルギを減じてしまう。従って電磁界透過度が減じられ、近傍のフィールドの領域における局地的な炭化が、アンテナに入力できる力を制約する制限ファクタになる。
【０００５】
本発明による誘電素子は近傍のフィールドの領域を包囲するよう低損失の環境を提供するに役立ち、それより遠方のフィールドの領域の生体の材料により大なるパワーが伝達される。
【０００６】
近傍のフィールドの大きさは、誘電体内の放射線の波長λとモノポールの長さＬとによって、２Ｌ²／λの関係に従って規定されている。従って近傍のフィールドの大きさはλに比例する。誘電体内の放射線の波長を減じるために誘電体の誘電率を増大させることにより、近傍のフィールドの領域の大きさを減じることができる。したがって、生体内への挿入用に、装置の全体的な外部寸法が減少されることができる。より大なる誘電率はより低い周波数の放射線の使用を可能にし、このことはそうでないとすると波長および近傍のフィールドの規模を増大させる可能性があるのであり、より低い周波数の放射線は遠方のフィールド内への放射線の貫通について有利である。
【０００７】
モノポールアンテナは、良好なインピーダンスマッチングのために、一般にλ／２に等しいＬを有する。上記の関係にこれを代入することによって、近傍のフィールドの大きさはそのときλ／２に等しくなり、これは誘電性材料の最小の大きさを決定する。さらに、誘電性材料に対するλ／２の寸法は、放射器（ radiator ）が生体の材料の処置のために必要なパワーレベルで放射線を伝送することにおいて有効であることを確実にするための共振器（ resonator ）としてのその動作と一致する。
本発明の１つの実施形態においては、誘電体はモノポールを備えた円筒形状を有している。このモノポールは誘電体の中心に沿って軸方向に延びている。この種の放射器は肝臓のような生体の物質内に挿入するための最小半径を有するように形成することができ、生体の物質の周りに環状の放射電磁界を形成することになる。生体の物質への挿入を助成するために、誘電性材料の自由端部に尖った先端部が設けられてよい。
【０００８】
モノポールの長さＬは波長の半分に実質的に等しいことが可能であり、この場合、円筒形の誘電体の半径は波長の半分にほぼ等しい。このようにすると、アンテナは転じて共振器として作用し、この共振器はアンテナが放射するパワーを増大させる。
【０００９】
誘電率は増大させられるに伴って、生体の材料の誘電率を超えることがある。このことは誘電体内に放射線の内部全反射を発生させ、伝播される放射線を結果として減じてしまうおそれがある。このような問題を克服するために、誘電素子は、そのコアにおける誘電率が外周部における誘電率よりも高くなるように形成され、外周部の誘電率は、コアの誘電率と生体の材料の誘電率との中間の値を有している。従って、コアにおける誘電率は周囲の生体の物質の誘電率よりも高くてよく、放射器の全体的な直径を減じる補助となる。異なる誘電率が異なる誘電体層に、それぞれの層が異なる誘電率を有する状態で対応していてもよく、または、誘電率がその深さにわたり変化するような誘電体における異なるレベルに対応していてもよい。
【００１０】
他の１つの観点においては、本発明は、所定周波数で生物組織を処理するために生体内に挿入するための長形のマイクロ波放射器（ microwave radiator ）を含み、この放射器はその先端部にモノポールアンテナを含み、このモノポールアンテナはモノポールと、そのモノポールを取り囲み、それを超えて延びる誘電性材料とを含むものであって、前記の誘電性材料は、丸められた先端部分において終端し、それが前記の所定の動作周波数で共振器として作用し、前方方向への放射線の伝播度を向上させるように適合されることを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、上記の先端部分は実質的に半球状であり、誘電性材料内の放射線の波長の半分に実質的に等しい半径を有している。
【００１２】
長形の放射器はさらに（好ましくは誘電体でパッキングされた）同軸導体を有していてよい。この同軸導体は放射線発生器からモノポールアンテナに放射線を供給する。好ましくはモノポールは、その遠方の終端に同軸導体の中心導体の露出した長さを有している。好ましくは、モノポールを形成する中心導体の露出した長さは実質的に誘電体内の放射線の波長の半分である。同軸導体は剛性を有するケーブルまたはフレキシブルなケーブルであってよい。
【００１３】
好ましくは誘電性材料はモノポールの長さが減じられるような誘電率または相対誘電率を有している。有利には、同軸導体と誘電性材料との間の境界から同軸導体内に反射して戻る放射線を減じるために、同軸導体と誘電性材料との間に変換部(transformer）が設けられていてよい。このような変換部は有利には、同軸導体の誘電パッキングが膨張して進入する空間を有している。
【００１４】
他の１つの観点においては、本発明は、本発明による装置を使用して、生体の材料内に放射線をカップリングする方法を含む。
【００１５】
本発明のさらなる利点および特徴は、本発明の実施例に関する次の説明を考慮すれば、当業者には明らかである。本発明の実施例を図面につき説明する。
【００１６】
図１はマイクロ波放射器システム１００の全体的な配置を示している。放射線発生器１１０、例えばマイクロ波発生器は同軸ケーブル１２０内へ結合される放射線を発生させる。同軸ケーブルはこの放射線を遠方の側の先端域１３０へ伝達する。この先端域１３０には、先端部１３０を取り囲む物質内に放射線を放出するためのアンテナが設けられている。一般には同軸ケーブル１２０は生体内に導入され、先端部１３０は照射が望まれる部位に隣接するように位置決めされる。例えばこの装置は動脈内に挿入して、この動脈の壁上のプラク（plaque）を照射することもできるし、または、子宮内に導入して、子宮内膜を照射することもできる。放射線の供給は制御装置１４０によって、多くの場合フットペダルによって制御される。この制御装置は先端部１３０への放射線供給の開始、調整または停止のための信号をマイクロ波発生器に送るのに用いられる。
【００１７】
図２は図１の放射器の先端域１３０をさらに詳細に示している。符号２００で全体的に示唆された先端域１３０は、同軸ケーブルの遠位端部を示している。この同軸ケーブルは、コア導体２２０から間隔を置いて設けられた外側導体２１０を有している。導体２１０および２２０の間の空間には、誘電材料２３０が充填されている。ケーブルによって伝播された放射線を放出するためのアンテナは、モノポールを形成するために、同軸ケーブルの遠方の終端で外側導体２１０を超えて延びる、同軸ケーブルのコア導体の長さ２４０を有している。モノポール２４０の放射品質を向上させるために、その長さは誘電体における放射線の波長の約２分の１であることが好ましい。モノポール２４０は誘電素子２５０によって封止されている。この誘電素子内では、採用された放射線の波長が、その自由空間値を下回るように減じられ、従って、モノポールを、誘電素子がない場合に可能となるよりも短くすることができる。
【００１８】
誘電素子２５０はモノポール２４０を封止する円筒形部分２６０を含む。円筒形部分２６０の直径は、それが放射するパワーを増大させるために共振器として作用させるように、それがチューニングされるような動作周波数で誘電体（ dielectric ）中の放射線の波長に実質的に等しい。また、誘電体素子は、半球区分２７０をも有している。この半球区分は、矢印２８０および２９０によって示唆したような、アンテナから前方方向への放射線の部分内部反射を支援する。半球区分２７０は、誘電素子２５０から前方方向への放射品質をさらに向上させる共振器を形成するように寸法設定されている。誘電素子２５０内で部分的に反射させられる放射線の共振は例えば、採用された放射線の波長の２分の１にほぼ等しい半径を有するように半径区分２７０を寸法設定することにより促進することができる。内部反射および／または共振による放射線の前方への伝播を助成する他の寸法および形状があるならば、誘電素子がこれらの寸法および形状を有してよいことは明らかである。
【００１９】
この装置が子宮内膜切除のために使用される場合、約９．２ＧＨｚの周波数を有する放射線を使用するのが望ましい。自由空間においてはこのような放射線の波長は約３２ｍｍである。例えば誘電率ε_R＝２５を有する材料から誘電性材料を使用すると、波長は約６ｍｍに減じられる。これに応じて、誘電性材料の直径および全長も約６ｍｍとなる。
【００２０】
図３は、全体的に符号３００によって示唆した放射器の先端部分の別の実施例を示している。この実施例においては、同軸ケーブルと誘電性材料との間の境界において、同軸ケーブルからの放射線の反射を減じるために、同軸ケーブルと誘電性材料との間に変換部(transformer）３１０が組み込まれている。この変換部３１０は、円筒形状を有し、誘電性材料に向かって半径が連続的に増大する数個の区分（例えば３つの区分：３２０，３３０，３４０）から成っている。有利には、少なくとも同軸ケーブルに隣接する変換部の区分３２０は固体充填材材料を含んでいない。これにより得られる利点は、例えば製造中または使用中に放射器が加熱された場合、同軸ケーブルのコア導体と外側導体との間の空間を充填する誘電材料が膨張して、変換部内に進入することができ、こうして、さもなければ発生する身体に有害な圧力を除去することができることである。
【００２１】
図２および図３の放射器によって発生させられた近傍のフィールドの放射線は、式２Ｌ²／λによって規定された距離だけモノポール２４０から延びる。この場合Ｌはモノポールの長さであり、λは誘電素子２５０における放射線の波長である。しかしながら、Ｌの好ましい値はλ／２であるので、近傍のフィールドの放射線はモノポールの周りで半径λ／２の範囲内に含まれる。従って近傍界放射線は、使用時に放射器を取り囲む、損失のより大きな生体の材料内に延びることはなく、局所炭化の有害な影響および放射線貫通の減小が低減されるかまたは回避される。この代わりに、マイクロ波のパワーは遠方のフィールドの領域内に放出され、貫通およびパワー伝達を増大させる。
【００２２】
図４は本発明の別の実施例を示している。この実施例においては、発生器３１０が剛性を有する同軸導体３２０を介して、導体の遠隔の終端に設けられた先端域にマイクロ波エネルギを供給する。同軸導体３２０の内側導体と外側導体との間には、誘電パッキング３３０が設けられている。図５にさらに詳しく示したように、先端部における内側導体３４０の長さは、外側導体を除去することにより露出させられて、放射線を放出するためのモノポールを形成する。モノポール３４０は誘電体３５０の円筒体に軸方向で埋め込まれている。この円筒体は同軸導体３２０と実質的に同一の外径を有している。誘電体３５０の端部には、尖った金属製の先端３７０が固定されており、この先端３７０は腫瘍の切除を行うために、肝臓のような生体の物質内への挿入を助成する。モノポール３４０は好ましくは、誘電体内の放射線の波長の半分に実質的に等しい長さを有しており、誘電素子３５０の半径も好ましくは、誘電体内の放射線の波長の半分にほぼ等しい。モノポールにより放出された近傍のフィールドの放射線は２Ｌ²／λの領域内に存在することになる。この領域は誘電体内の放射線の波長の半分の半径に等しいので、近傍のフィールドはほぼ全体が誘電体内に存在することになる。
【００２３】
誘電素子の誘電率は、誘電体内の損失を減じるような高さに選択される。従ってマイクロ波エネルギは、遠方のフィールドの領域内に先端部の周りで環状のパターンを成して放出されて、フィールドの貫通およびパワーの伝達を増大させる。典型的には、１０ＧＨｚで動作する発生器と共に使用されて誘電率ε_R＝２５を有する誘電素子を備えたマイクロ波放射器（放射線アプリケータ）は、３ｍｍの誘電素子半径を有することになる。誘電体素子３５０の半径は実質的に波長の半分に等しいので、それは共振器として作用するようにチューニングされて、それが放射するパワーを増大させる。
【００２４】
アプリケータの先端部の直径を減じるために、誘電素子は、アプリケータを使用する際に周囲を取り囲む生体の物質の誘電率によって制限されるほかは、できる限り高い誘電率を備えた材料から成っている。誘電素子の誘電率が生体の物質の誘電率を超えると、内部全反射が誘電素子の外面で発生し、電磁界透過が弱まり局部的に行われるおそれがある。このような制限を克服するために、高誘電物質を備えた材料から成る内側コア３６０と、コアの誘電率と周囲の生体の材料の誘電率との中間の低い誘電率を有する誘電体から成る外側層３８０とで誘電素子３５０を形成して、コアと生体の物質との間で放射線の波動インピーダンスを一致させることができる。このことを達成するために、外側層３８０の屈折率はコア３６０の屈折率と生体の材料の屈折率との幾何平均に等しくなければならず、外側層の厚さは、外側層における放射線の波長の４分の１に等しくなければならない。このようにすると、コアの半径もコア内の放射線の波長の４分の１に等しくなり、先端部に波長の半分の全体的な公称半径を形成することができる。
【００２５】
本発明の別の実施例においては、複合的な外側層を、各外側層の屈折率および厚さを適切なものにすることにより、アプリケータの帯域幅（すなわち、アプリケータを使用できる周波数の範囲）を増大させることに使用することができる。しかし、このことは先端部の全体の直径を増大させることになる。限界において、誘電素子は、外面へ向かって減少する、連続的に変化する屈折率を有する誘電素子で製造されることが可能である。
【００２６】
外側層３８０の誘電率を減じるための別の技術は、図６に示したように、溝３９０のような凹部を形成して、誘電体と溝内の材料との平均誘電率が減じられるようにすることにある。これらの溝は誘電素子３５０の周りで長手方向または周方向に延びていてよい。
【００２７】
図２および図３の実施例に変更を加えて、図５および図６のように、異なる誘電率の１つまたは複数の外側層を組み込み、外側層を半球状の先端の曲面に続いて設けることができることが理解されるであろう。
【００２８】
適切な高誘電率を有する誘電材料には、１００の誘電率を有するＴｉＯ₂および１５５の誘電率を有するＣａＴｉＯ₂のような誘電材料が含まれている。これらの誘電体はコア３６０に、その直径を減じるように使用するのに適している。外側層３７０はコアの誘電率と生体の材料の誘電率との間の誘電率を有するＴｉＯ₂とＡｌＯ₂とから成る複合物から製作されてよい。強誘電性材料、例えば約６００の誘電率を有するＢａ_1-xＳｒ_xＴｉＯ₃（ＢＳＴ）のような、一層高い誘電率を有する材料が使用されてもよい。
【００２９】
従って１つまたは複数の誘電体を適切に選択することにより、腹腔鏡医療処置に使用可能となる、３〜６ｍｍの小さな先端直径を有する放射線アプリケータを製造することができ、また、経皮医療処置に使用可能となる、３ｍｍを下回る先端直径を有する放射線アプリケータを製造することもできる。
【００３０】
本発明による放射線アプリケータは、先端部から反射して同軸導体を通して戻るマイクロ波放射線を測定することにより、生体の材料の誘電率を測定するのに使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による放射器の第１の実施例を示す図である。
【図２】 図１の放射器の先端部分をさらに詳しく示す図である。
【図３】 変換部を組み込んだ放射器の先端部分の第２の実施例を示す図である。
【図４】 放射器の第３の実施例を示す図である。
【図５】 図４の放射器の先端を示す図である。
【図６】 図４の放射器の構造に変更を加えたものの側面図である。

Claims (26)

1. 所定の動作周波数で生物学的組織を処理するために、生体内へ挿入用の長形のマイクロ波放射器であって、
   その先端に、モノポールを含むモノポールアンテナと、
   前記モノポールを包囲する誘電性材料であって、前記所定の動作周波数で共振器として作用するように構成され、前記モノポールによって放射される近傍のフィールドの放射線の実質的に全部を包囲する誘電性材料と、
   を含む放射器。
2. 前記誘電性材料は、その中心で距離Ｌだけ軸方向に伸びているモノポールを備えた実質的に円筒体を含む、請求項１に記載の放射器。
3. 前記誘電性材料の半径の大きさが前記モノポールに対して、前記所定の動作周波数で前記誘電性材料内の放射線の波長の半分に実質的に等しい、請求項１に記載の放射器。
4. 前記誘電性材料は、外周部での誘電率よりも高い誘電率をコアに有しており、外周部の誘電率が前記生物学的組織の誘電率により近いように調和させられている、請求項１に記載の放射器。
5. 前記誘電性材料は、内側コアと外側層とを有しており、該内側コアと外側層とがそれぞれ異なる誘電率を有している、請求項４に記載の放射器。
6. 前記内側コアと外側層とが、それぞれの誘電率に従って規定されるモノポールから延びる寸法を有し、それにより全体の寸法が誘電体内における放射線の公称波長の予め定められた分数である、請求項５に記載の放射器。
7. 前記内側コアおよび外側層のそれぞれが、内側コア内および外側層内の放射線の波長の４分の１にほぼ等しい寸法を有している、請求項６に記載の放射器。
8. 前記外側層がその外面に凹部を有するよう形成され、該凹部は、凹部に低誘電率の他の物質が充填されたとき、前記外側層の外面領域の誘電率を減じるように作用する、請求項５に記載の放射器。
9. 前記誘電性材料の誘電率が、モノポールからの距離の少なくとも一部にわたって空間において連続的に変化している、請求項４に記載の放射器。
10. 前記モノポールの終端を越えて延びる先端部分を有している、請求項１に記載の放射器。
11. 前記先端部分は、生体の材料への挿入を支援するよう尖っている、請求項１０に記載の放射器。
12. 前記先端部分は、前記誘電性材料とは異なる材料から成っている、請求項１１に記載の放射器。
13. 前記先端部分は、前記誘電性材料の延長部であり、放射線の前方への伝達を支援するよう丸くなっている、請求項１０に記載の放射器。
14. 前記先端部分が実質的に半球状である、請求項１３に記載の放射器。
15. 前記先端部分が、前記の所定の周波数で誘電体内の放射線の波長の半分に実質的に等しい半径を有している、請求項１４に記載の放射器。
16. 前記長形の放射器は、中心導体を備えた同軸導体を有し、前記中心導体は、遠隔の終端で前記同軸導体の外方遮蔽を越えて突出し、モノポールを形成している、請求項１に記載の放射器。
17. 前記モノポールが、誘電体内の放射線の波長の半分に実質的に等しい長さを有している、請求項１６に記載の放射器。
18. 前記誘電性材料との境界で前記同軸導体内へ戻る放射線の反射を減じるために、前記同軸導体と誘電性材料との間に変換部を有している、請求項１６に記載の放射器。
19. 前記変換部が前記同軸導体内の空間を有しており、該空間内に前記同軸導体のパッキングが膨張して進入可能である、請求項１８に記載の放射器。
20. 所定の動作周波数で生物学的組織を処理するために、生体内へ挿入用の細長い放射器において、
    該放射器がその先端部に、モノポールを含むモノポールアンテナと、
    前記モノポールを包囲し、該モノポールを超えて延びる誘電性材料であって、丸められた先端部分において終端し、前記所定の動作周波数で共振器として作用するように構成されることによって、前方方向への放射線の伝達を向上させる誘電性材料と、
    を含む、放射器。
21. 前記先端部分が実質的に半球状である、請求項２０に記載の放射器。
22. 前記先端部分が、誘電体内の放射線の波長の半分に実質的に等しい半径を有している、請求項２１に記載の放射器。
23. 前記モノポールが、前記所定の動作周波数で前記誘電性材料内の前記放射線の波長の半分に実質的に等しい長さＬを有する、請求項２０に記載の放射器。
24. 前記誘電性材料が、前記モノポールを備えたほぼ円筒体を含み、前記モノポールが誘電性材料の中心で軸方向に前記距離Ｌだけ延びている、請求項２０に記載の放射器。
25. 前記誘電性材料の半径の大きさが前記モノポールに関して、前記所定の動作周波数で前記誘電性材料内の放射線の波長の半分に実質的に等しい、請求項２０に記載の放射器。
26. 所定の動作周波数で生物学的材料を処理するために、生体内への挿入用の長形のマイクロ波放射器であって、
    モノポールを含むモノポールアンテナと、
    前記モノポールを包囲する誘電性材料であって、前記モノポールの長さと、該モノポールに対して前記誘電性材料の誘電率と寸法とが、前記放射器の前記所定の動作周波数に関連して、前記誘電性材料が前記所定の動作周波数で共振器として作用して、実質的に前記モノポールによって放射される近傍のフィールドの放射線の全体を包囲するように選択される誘電性材料と、
    を含む、放射器。

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