JP4129524B2

JP4129524B2 - 人体等価誘電体ゲル、その製造方法及び使用

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Publication number: JP4129524B2
Application number: JP2003029562A
Authority: JP
Inventors: 博夫池平; 重夫古川
Original assignee: National Institute of Radiological Sciences
Current assignee: National Institute of Radiological Sciences
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2023-02-06
Also published as: JP2004236876A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電磁界に適する人体等価誘電体ゲル、その製造方法及び用途に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＭＲ：（ＭＲＩ，ＭＲＳ、ｅｔｃ）により人体を診断する場合、皮膚と空気の境界面でアーチファクト（画像に機械的な信号のノイズが表示される現象）が発生し診断の妨げとなるという問題がある。
筋肉組織のファントムを作製するための模擬実験や試みが先に報告されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。また、本発明者らは、すでに２００〜４００ＭＨｚ帯域における皮膚の強電特性の評価を行った（非特許文献３参照）。
しかし、高周波に対する人体等価誘電体ゲルは、これまで携帯電話を中心として１ＧＨｚ領域での等価性を有する誘電体ゲルの開発がなされ利用されてきたが、より低周波帯域での人体等価誘電体ゲルの開発はされていない。そこで新たにインピーダンスミスマッチによる高周波の不均一性を抑制する機能を有するファントムゲルの開発を行った。
【０００３】
【非特許文献１】
Chou CK et al., Bioelectromagnetics 5:435-441 (1984)
【非特許文献２】
Hartsgrove G et al., Bioelectromagnetics 8:29-36 (1987)
【非特許文献３】
Sunaga T et al., Phys. Med. Biol. 47(1):N11-N15 (2002)
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、１０ＫＨｚの低周波帯域から３ＧＨｚの高周波帯域までの交流電磁界に対して、人体等価誘電体特性を有する誘電体ゲルを提供することである。
本発明の他の目的は、アーチファクトの発生を有効に防止し得る人体等価誘電体特性を有する誘電体ゲルを提供することである。
本発明の他の目的は、上記人体等価誘電体特性を有する誘電体ゲルの製造方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、上記人体等価誘電体特性を有する誘電体ゲルの用途を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の人体等価誘電体ゲル、その製造方法及び用途を提供するものである。
１．ゼラチン及び水を含む人体等価誘電体ゲル。
２．糖類、ゼラチン及び水を含む人体等価誘電体ゲル。
３．糖類が、蜂蜜、単糖類、二糖類及びオリゴ糖類からなる群から選ばれる少なくとも１種である上記２記載の人体等価誘電体ゲル。
４．さらに電解質を含む上記１〜３のいずれか１項記載の人体等価誘電体ゲル。
５．電解質が食塩である上記４記載の人体等価誘電体ゲル。
６．糖類２２〜５５質量％、ゼラチン１２〜１５質量％、食塩０〜４質量％、及び残分水からなる上記２〜５のいずれか１項記載の人体等価誘電体ゲル。
７．糖類が、蜂蜜である上記２〜６のいずれか１項記載の人体等価誘電体ゲル。
８．糖類が、純粋な蜂蜜５０質量％、オリゴ糖３０質量％、及びグルコース及び／又はフルクトース２０質量％からなる上記２〜６のいずれか１項記載の人体等価誘電体ゲル。
９．さらにグルコマンナン２〜５質量％を含む上記１〜８のいずれか１項記載の人体等価誘電体ゲル。
１０．水とゼラチン粉末を混合し、混合物を５℃／分以下の昇温速度で６０〜９０℃まで加熱し、この温度を維持しながら、ゼラチンを完全に溶解させることを特徴とする上記１記載の人体等価誘電体ゲルの製造方法。
１１．水とゼラチン粉末を混合し、混合物を５℃／分以下の昇温速度で６０〜９０℃まで加熱し、この温度を維持しながら、ゼラチンを完全に溶解させた後、糖類及び必要な場合にはさらに電解質及び／又はグルコマンナンを加え、溶解させることを特徴とする、上記２〜９のいずれか１項記載の人体等価誘電体ゲルの製造方法。
１２．加熱された溶液を所望の形状の容器に注ぎいれ、冷却、ゲル化する工程をさらに含む上記１０又は１１記載の方法。
１３．上記１〜９のいずれか１項記載の人体等価誘電体ゲル、又は上記１０〜１２のいずれか１項記載の方法により製造された人体等価誘電体ゲルを含む高周波エネルギー吸収体。
１４．上記１〜９のいずれか１項記載の人体等価誘電体ゲル、又は上記１０〜１２のいずれか１項記載の方法により製造された人体等価誘電体ゲルを含む高周波電磁界被曝防護装置。
１５．上記１〜９のいずれか１項記載の人体等価誘電体ゲル、又は上記１０〜１２のいずれか１項記載の方法により製造された人体等価誘電体ゲルを所望の形状に成形してなる人体等価ファントム。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の人体等価誘電体ゲルは、水にゼラチン及び必要によりさらに蜂蜜等の糖類その他の成分を加えて加熱溶解後、冷却して得られるゲルであり、１０ＫＨｚの低周波帯域から３ＧＨｚの高周波帯域までの交流電磁界に対してこれまでのゲルには見られない、人体に近似した誘電特性を有するゲル、すなわち人体等価誘電体ゲルである。
【０００７】
本発明に使用するゼラチンは、ゲル化剤、起泡剤、増粘剤などとして食品等に使用されているものであり、本発明おいてはゲル化剤としての機能を奏するものである。本発明において、ゼラチン以外のゲル化剤として寒天やポリビニルアルコールも使用できるが、ゼラチンが、人体の誘電特性に一致するゲルが製造し易いという点で最も好ましいゲル化剤である。
本発明の人体等価誘電体ゲル中、ゼラチンの含有量は、ゲル全体の質量に対して好ましくは１０〜３０質量％、さらに好ましくは１２〜２０質量％、最も好ましくは１２〜１５質量％である。ゼラチンの含有量がこの範囲より少ないと、ゲルが軟らかく、ゲルの誘電率が高くなり、この範囲より多いと、ゲルが硬く、ゲルの誘電率が低くなる。
【０００８】
本発明に使用する糖類は、人体等価誘電体ゲルの軟化剤として機能する。糖類として好ましいものは、蜂蜜、単糖類、二糖類及びオリゴ糖類からなる群から選ばれる少なくとも１種であり、特に蜂蜜が好ましい。蜂蜜はゲルの軟化剤として機能するとともに、ゲルの殺菌剤としても機能する。蜂蜜は、ミツバチが花から集めてきて巣に蓄えた蜜であり、その大部分が果糖（フルクトース）とぶどう糖（グルコース）である。本発明において糖類としては、純粋な蜂蜜の他、市販されている蜂蜜、例えば、純粋な蜂蜜５０質量％と、オリゴ糖３０質量％、及びグルコース又はフルクトース２０質量％からなる混合物も使用できる。フルクトース、グルコース等の単糖類や、蔗糖等の二糖類も単独で又は適宜組み合わせて使用できる。
【０００９】
本発明の人体等価誘電体ゲル中、糖類の含有量は、ゲル全体の質量に対して好ましくは１５〜７０質量％、さらに好ましくは２０〜６０質量％、最も好ましくは２２〜５５質量％である。糖類として蜂蜜を使用する場合、その含有量は好ましくは２２〜５５質量％、さらに好ましくは３０〜４０質量％である。糖類の含有量がこの範囲より少ないと、ゲルの誘電率が高くなり、この範囲より多いと、ゲルの強度が低くなり、ゲルの誘電率も低くなる。
【００１０】
本発明の人体等価誘電体ゲルにおいて電解質は任意成分である。電解質はゲルの導電率を上昇させ、より人体の導電率に近くすることができる。本発明に使用される電解質としては、塩化ナトリウム（食塩）、塩化カリウム、塩化リチウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム等の塩化物、あるいは他の水溶性の塩、例えば、硫酸ナトリウム等の硫酸塩、硝酸ナトリウム等の硝酸塩、有機酸塩等が挙げられる。人体への安全性及び適合性という点から、食塩が最も好ましい。
本発明の人体等価誘電体ゲル中、電解質の含有量は、ゲル全体の質量に対して好ましくは５質量％以下、さらに好ましくは０〜４％である。電解質の含有量がこの範囲より多いと、ゲルの導電率が高くなり過ぎる傾向がある。
【００１１】
本発明の人体等価誘電体ゲルに、安定剤として、例えば、グルコマンナンを微量、好ましくは２〜１０質量％、さらに好ましくは２〜５質量％加えると、８０℃程度の人体温をはるかに越える温度域までゲルの安定性を保つ事が可能となる。グルコマンナンは本発明の人体等価誘電体ゲルにおいて高温時におけるゲルの形状を安定に保持する安定剤としての機能を有する。一方、グルコマンナンの含有量がこれ以下であると、ゲルが体温で融解する傾向がある。
【００１２】
本発明の人体等価誘電体ゲルは、ゲル全体に対して、好ましくは、蜂蜜２２〜５５質量％、ゼラチン１２〜１５質量％、食塩０〜４質量％、及び水を含む。特に好ましい本発明の人体等価誘電体ゲルは、蜂蜜５０質量％、ゼラチン１３．５質量％、食塩１．７質量％、及び水３４．８質量％からなるものである。
【００１３】
本発明の人体等価誘電体ゲルは、水とゼラチン粉末を混合し、混合物を５℃／分以下、好ましくは３℃／分以下の昇温速度で６０〜９０℃、好ましくは７５〜８５℃まで加熱し、この温度を維持しながら、ゼラチンを完全に溶解させた後、蜂蜜等の糖類を加え、溶解させることにより容易に製造できる。溶解温度が６０℃より低いと溶解が不十分となり、一方９０℃より高いと、気泡等の生成が生じる傾向があり好ましくない。
本発明の人体等価誘電体ゲルには電解質を含有させてもよいが、電解質は上記の方法において、いずれの段階においても加えることができる。
本発明の人体等価誘電体ゲルにはグルコマンナンを含有させてもよいが、グルコマンナンも、上記の方法において、いずれの段階においても加えることができる。
上記加熱された溶液を所望の形状の容器に注ぎいれ、冷却、ゲル化することにより、所望の形状の本発明の人体等価誘電体ゲルを製造することができる。
【００１４】
本発明の人体等価誘電体ゲルは、高周波エネルギーの吸収体として働くので、高周波発生装置などからの人体への高周波電磁界被曝防護として利用できる。
また、多核種多次元ＮＭＲにより人体を診断する場合、皮膚と空気の境界面でアーチファクトが発生し診断の妨げとなるという問題があるが、本発明の人体等価誘電体ゲルを、皮膚と空気との間に存在させて診断を行うとこの問題を解決することができる。すなわち、あらかじめ人体の測定部位（磁界影響部位）に本発明の人体等価誘電体ゲルを密着させておき、ＭＲＩにより人体を診断すると、人体の画像上で生じるアーチファクトの発生を著しく軽減する事が可能で、特に７Ｔ（テスラ）を越える装置での診断に特に有効である。この場合、人体の測定部位への適用は、部位により違いはあるがゲルの厚みが２０〜１００ｍｍ程度となるようにすればよい。
【００１５】
本発明の人体等価誘電体ゲルは、画像診断以外にも、高周波電磁界の人体への照射が問題となる事例に関して、人体等価のファントムを作成し、これを用いて高周波電磁界の被曝評価を行う事に有効である。さらに、そのような高周波発生装置からの人体への被曝を軽減するためにも有効である。
【００１６】
以下、実施例を示し本発明の人体等価誘電体ゲルをさらに詳細に説明する。
実施例１
以下のようにして、本発明の人体等価誘電体ゲルを作製した。
(1) １３ｇのゼラチン・パウダーと蒸留水３５ｃｃとをビーカーに入れて、低い温度でマントル・ヒーターをコントロールすることにより、８０±５℃までゆっくり加熱した。８０±５℃に達したら、この温度を２０分あるいはそれ以上維持して、ゼラチン・パウダーが完全に溶解したゼラチン溶液を得た。この間、温度を一定に保ち恒温溶解することが重要である。
(2) 次に、５０ｇの市販の蜂蜜（純粋な蜂蜜２５ｇ、オリゴ糖１５ｇ、及び果糖（フルクトース）及びぶどう糖（グルコース）１０ｇを含んでいる）を、ゼラチン溶液にゆっくり加えた。
(3) 蜂蜜が溶けた後、溶液を十分混合しながら、さらに２ｇの食塩を加えた。この間、水の温度は８０±５℃に保った。この際、溶液は十分混合することが重要である。
(4)加熱された溶液をプラスチック容器（耐熱容器）へ注ぎ、室温で冷却、ゲル化した。この際、急速加熱と同様、急速冷却も避けることが重要である。また、剥離剤（例えば、植物油、ワセリン等）を用いると剥離が容易である。
(5) 冷蔵庫の中で保管することにより品質を長期保証することができる。
なお、上記一例では食塩は最後に添加したが、何時加えてもよい。またグルコマンナンを加える場合も、微量であるのでやはり何時加えてもよいが、食塩と同時に加えるのが好ましい。また、水は蒸留水が好ましいが、水道水でも差し支えない。
【００１７】
実施例２
実施例１と同様にして、蜂蜜５０質量％、ゼラチン１３．５質量％、食塩１．７質量％、及び水３４．８質量％からなる本発明の人体等価誘電体ゲルを作製した。このゲルは、表１に示すように、１００〜４００ＭＨｚ領域の周波数に対し人体（ヒトの乾燥皮膚）に極めて近い誘電特性を示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
実施例３
実施例１の方法と同様にして、ゼラチン濃度を２８、４０及び５０質量％とした、ゼラチンと水だけからなる人体等価誘電体ゲルを作製した。図１に示すように、ゼラチン濃度が高くなるに従って誘電率が低くなる。ゼラチン濃度が４０〜５０質量％のゲルは２００〜４００ＭＨｚ領域の周波数に対し人体（ヒトの乾燥皮膚）に極めて近い誘電特性を示すことがわかる。しかし、ゼラチン濃度が高いと微細な気泡を含むゲルとなる傾向がある。これはゼラチンの溶解が不完全になるためと考えられる。
【００２０】
実施例４
実施例１と同様にして、ゼラチンの割合を少なくしたもの（水とゼラチンの割合でゼラチン２８質量％のソフトゲル）と多くしたもの（同様に５０質量％のハードゲル）をベースに、所定量の蜂蜜を加えて人体等価誘電体ゲルを作製した。これらのゲルの誘電特性を図２に示す。蜂蜜の割合は、水とゼラチンと蜂蜜の全質量に対する割合である。図２から、蜂蜜濃度が高くなるに従って誘電率が低くなることがわかる。しかし、蜂蜜濃度が高くなるとゲルの強度が低くなる。これはゲル化剤であるゼラチンの相対量が少なくなるためと考えられる。
蜂蜜を加えることにより、ゲルの誘電特性は、２００〜４００ＭＨｚ領域の周波数に対するだけでなく、６０ＭＨｚ領域の周波数に対しても、人体（ヒトの乾燥皮膚）の誘電特性により近づくことがわかる。
【００２１】
実施例５
実施例１と同様にして、ゼラチンを種々の割合で含むベース（水とゼラチンの全質量に対するゼラチンの割合が５１、６８、７６質量％のゲル）に、４０質量％となるように蜂蜜を加えて人体等価誘電体ゲルを作製した。これらのゲルに食塩を０〜４質量％加え、導電率を測定した。結果を図３に示す。食塩の割合は、水、ゼラチン、蜂蜜及び食塩の全質量に対する割合である。食塩の量が増加するに従って、導電率は高くなるが、ゲルは柔らかくなる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の人体等価誘電体ゲルは、現在問題となっている交流電磁界、特に１０ＫＨｚから３ＧＨｚという幅の広い周波数帯域において、人体への高周波電磁界の影響の評価ならびに防護あるいは核磁気共鳴映像措置におけるアーチファクトの軽減、その他に広く利用できる。
本発明の人体等価誘電体ゲルは、機械加工性及び溶融整形性が良好であることから、人体の形状に成形して人体等価ファントムとして利用できる。
また、高周波発生装置と人体との間に設けることにより、高周波エネルギーの吸収体として働くので、人体への高周波電磁界被曝防護に利用できる。
また、グルコマンナン２〜５％を添加することで、高周波電磁界被曝により８０℃まで体温が昇温する疑似実験を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ゼラチンと水からなる本発明の人体等価誘電体ゲルの誘電特性を示す図面である。
【図２】ゼラチン２８質量％又は５０質量％を含有するベースに、種々の量の蜂蜜を加えて作製した本発明の人体等価誘電体ゲルの誘電特性を示す図面である。
【図３】蜂蜜の割合を４０質量％に調整した溶液をベースに、種々の量のゼラチンを含有するゲルに、種々の量の食塩を加えて作製した本発明の人体等価誘電体ゲルの導電率を示す図面である。

Claims

ゼラチン１０〜３０質量％、蜂蜜１５〜７０質量％、食塩５質量％以下、残分水からなり、１０ＫＨｚ〜３ＧＨｚの交流電磁界に対して、人体に近似した誘電特性を有する人体等価誘電体ゲルを含む高周波エネルギー吸収体。
６０〜４００ＭＨｚの交流電磁界に対して、人体に近似した誘電特性を有する請求項１記載の高周波エネルギー吸収体。
２００〜４００ＭＨｚの交流電磁界に対して、人体に近似した誘電特性を有する請求項１又は２記載の高周波エネルギー吸収体。
蜂蜜２２〜５５質量％、ゼラチン１２〜１５質量％、食塩４質量％以下、及び残分水からなる請求項１〜３のいずれか１項記載の高周波エネルギー吸収体。
蜂蜜が、純粋な蜂蜜５０質量％、オリゴ糖３０質量％、及びグルコース及び／又はフルクトース２０質量％からなる請求項１〜４のいずれか１項記載の高周波エネルギー吸収体。
さらにグルコマンナン２〜５質量％を含む請求項１〜５のいずれか１項記載の高周波エネルギー吸収体。
水とゼラチン粉末を混合し、混合物を５℃／分以下の昇温速度で６０〜９０℃まで加熱し、この温度を維持しながら、ゼラチンを完全に溶解させた後、蜂蜜及び食塩を加え、溶解させることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項記載の高周波エネルギー吸収体の製造方法。
水とゼラチン粉末を混合し、混合物を５℃／分以下の昇温速度で６０〜９０℃まで加熱し、この温度を維持しながら、ゼラチンを完全に溶解させた後、蜂蜜、食塩及びグルコマンナンを加え、溶解させることを特徴とする、請求項６記載の高周波エネルギー吸収体の製造方法。
加熱された溶液を所望の形状の容器に注ぎいれ、冷却、ゲル化する工程をさらに含む請求項７又は８記載の方法。
請求項１〜６のいずれか１項記載の高周波エネルギー吸収体、又は請求項７〜９のいずれか１項記載の方法により製造された高周波エネルギー吸収体を含む高周波電磁界被曝防護装置。
請求項１〜６のいずれか１項記載の高周波エネルギー吸収体、又は請求項７〜９のいずれか１項記載の方法により製造された高周波エネルギー吸収体を所望の形状に成形してなる人体等価ファントム。