JP4407973B2

JP4407973B2 - 凍結治療用プローブ

Info

Publication number: JP4407973B2
Application number: JP2007154553A
Authority: JP
Inventors: 正芳山下; 治夫礒田
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2007260428A

Description

本発明は、ガン細胞等の患部を凍結治療する場合に使用される凍結治療用プローブに関する。

凍結治療（クライオセラピー）とは腫瘍組織等の病変部を凍結し、腫瘍組織を壊死させて治療する方法である。従来、この凍結治療には、高圧アルゴンガスを使用した装置が使用されている（非特許文献１）。この装置においては、先端が尖鋭な管状のプローブを体内の患部に挿入し、先端のノズル部から高圧アルゴンガスを噴出し、ジュール−トムソン（Joule-Thomson）効果により病変部を冷却するものである。この凍結治療装置においては、プローブ先端温度が−１５０℃となる。

ところで、ガン細胞が死ぬには、細胞を−２０℃以下に冷却する必要がある。患部、即ち、凍結すべき領域が、直径で１０乃至２０ｍｍであるとすると、この凍結領域を−２０℃以下にするには、少なくともプローブ先端温度は−５０℃以下にする必要がある。また、吸熱量は、体温からの熱の流入、ガン細胞を冷やす熱量、及びガン細胞を凍結するための凝固熱を考慮すると、５Ｗ程度必要になる。また、体内のガン細胞を凍結するためには、プローブを体内に刺す必要があるが、体内に刺すためには、プローブの直径は１０ｍｍが限界であり、プローブ直径は１０ｍｍ以下にする必要がある。また、実用上は、人体への影響を考慮すると、４ｍｍ以下であることが望ましい。

また、凍結治療ではないが、ペルチェ素子を使用した冷却治療器としては、ペルチェ焼灼装置がある（特許文献１）。また、ヒートパイプを使用した温凍結治療器として、加熱時の伝熱にヒートパイプを使用したものがある（特許文献２）。

特開２００２−１７７２９６号公報特開平８−２９９３７６号公報「医学のあゆみ」Ｖｏｌ．２０１，Ｎｏ．１１，２００２年６月１５日第８５６，８５７頁

しかしながら、従来の高圧アルゴンガスを使用したジュール−トムソン効果による凍結治療装置は、プローブ先端温度が−１５０℃になるので、凍結能力としては十分であるが、装置コストが極めて高く、また高圧ガスを取り扱うために、操作が煩雑であり、ランニングコストも高いという難点がある。

また、特許文献１に記載のペルチェ素子を使用した焼灼装置は、プローブを体の表面に接触させるものであり、皮膚又は粘膜のガンを治療するための装置である。そして、この装置は、凍結治療に使用する場合は、ヒートシンク側をドライアイスで冷却する必要があり、操作が煩雑である。更に、特許文献２に記載の装置は、温凍結治療器であり、凍結治療には使用できない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、凍結能力が十分であると共に、高圧ガスを使用せず、装置コスト及びランニングコストが低く、また、ドライアイス及び液体窒素を使用しないので操作も簡単な凍結治療用プローブを提供することを目的とする。

本発明に係る凍結治療用プローブは、第１温度端と第２温度端との間に配置されて前記第１温度端と前記第２温度端との間に温度差を生成するペルチェ素子と、前記第２温度端を冷却する水冷ジャケットと、前記ペルチェ素子に対する通電方向を正逆切り替え可能に前記ペルチェ素子を駆動する駆動部と、一端が前記第１温度端に熱的に接続され他端が患部に挿入され熱伝達にのみ使用するヒートパイプと、を有し、前記ヒートパイプは外管内に挿入されていて、この外管とヒートパイプとの間が真空状態になるように、ヒートパイプと外管とがその両端部でシールされており、前記ヒートパイプの先端は前記外管から露出していて前記患部に直接接触するようになっていることを特徴とする。

本発明によれば、ペルチェ素子の熱電効果とヒートパイプの伝熱効果により、体内に挿入されたヒートパイプ先端部を冷却し、患部を凍結治療する。このため、高圧ガスの噴射による冷却と同等の冷却効果を得ることができると共に、高圧ガス、ドライアイス及び液体窒素等を使用しないので、装置コスト及びランニングコストが低く、操作も容易であるという効果を奏する。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１実施形態を示す図、図２はヒートパイプの部分を示す図である。ヒートパイプ３は外管２内に同軸的に挿入されており、外管２の先端部はシール２ａにより封密的にシールされており、外管２の基端部は後述する容器１３内に挿入されていて、この容器１３内を真空にすることにより、外管２とヒートパイプ３との間の隙間が、真空に保持されている。これにより、ヒートパイプ３は熱的に外界から遮断されている。ヒートパイプ３の先端３ａは外管２から外部に露出しており、この部分が人体１内に刺入される。このヒートパイプ３の先端３ａの近傍には、温度センサ４が配置されており、温度センサ４の信号線は外管２に沿って、外部に設けられた制御回路１０に入力されている。

ヒートパイプ３の基端は、均熱板８に固定され、熱的に連結されている。そして、ペルチェモジュール５の一方の温度端を構成する基板６がこの均熱板８に接合されており、他方の温度端を構成する基板７が水冷ジャケット９に接合されている。水冷ジャケット９内には、チラー冷却水の供給装置１２から、冷却水が配管１１を介して循環供給されるようになっている。配管１１はその水冷ジャケット９側の部分が容器１３内に挿入されている。

図３及び図４はペルチェモジュール５の構成を示す図である。このペルチェモジュール５は多段モジュールであり、例えば、図４に示すように、各ペルチェ素子２１を３段に積層し、図３に示すように、３段構成のペルチェ素子の単位モジュールを８個並列に接続している。即ち、１個のペルチェモジュール５は、その最下段において、基板７上の各電極（図示せず）上にｐ型素子及びｎ型素子を接合し、基板２２の下面に設けた各電極（図示せず）により、基板７上の隣接する電極上のｐ型素子とｎ型素子とを接合することにより、ｐ型素子とｎ型素子とを交互に直列に接続している。同様に、中段は、基板２２上の電極と基板２３の下面上の電極により、基板２２と基板２３との間に配置された複数個のｐ型素子とｎ型素子とを交互に直列に接続して構成され、上段は、基板２３上の電極と基板６の下面上の電極により、基板２３と基板６との間に配置された複数個のｐ型素子とｎ型素子とを交互に直列に接続して構成されている。各単位ペルチェモジュール５においては、上段と中段及び中段と下段のペルチェ素子２１群を直列接続する電極の両端部の電極は相互に接続されており、従って、上段、中段及び下段の全てのペルチェ素子２１は、ｐ型素子とｎ型素子とが交互になるように直列に接続されている。この直列接続体の両端部の電極は、制御回路１０に接続されている。

このように構成された単位ペルチェモジュール５が、水冷ジャケット９上に複数個配置され、上段の基板６は、共通して均熱板８に接合されている。このように構成されたペルチェモジュールにおいては、各単位モジュール５の各素子２１を直列接続体の両端部を介して電流を適切な方向に供給すると、基板６側から基板７側に向けて熱が流れ、均熱板８側の熱が、水冷ジャケット９に集まる。

外管２の基端部及びヒートパイプ３の基端部と、均熱板８と、ペルチェモジュール５と、水冷ジャケット９は、容器１３内に配置され、容器１３内を真空に保持することにより、真空雰囲気に保持されている。なお、ヒートパイプ３の直径は８ｍｍ以下、外管２の外管の直径は１０ｍｍ以下であることが好ましく、更に好ましくは、ヒートパイプ３の直径は３ｍｍ以下、外管２の外管の直径は４ｍｍ以下である。特に、外管の直径が１０ｍｍより太いと、プローブを人体１内に刺入することが困難になる。

次に、上述の如く構成された凍結治療プローブの動作について説明する。チラー冷却水の供給装置１２から冷却水を水冷ジャケット９に循環供給し、水冷ジャケット９上の各ペルチェモジュール５の基板７を冷却する。そして、ヒートパイプ３の先端３ａを人体１に刺入し、先端３ａを患部に位置させる。その後、制御装置１０により、各ペルチェモジュール５に給電する。そうすると、ペルチェモジュール５により、均熱板８から熱が吸引されて水冷ジャケット９に向けて熱が流れ、水冷ジャケット９に熱が集まるが、この水冷ジャケット９の熱は、チラー冷却水により冷却され、水冷ジャケット９に熱が溜まることはない。

このようにして、均熱板８が冷却される。そして、外管２により外界から真空熱遮断されたヒートパイプにより、ヒートパイプ３の先端３ａが冷却される。この患部の温度は温度センサ４により測定され、制御回路１０にその検出信号が入力され、温度センサ４により検出された温度が所定値になるように、ペルチェモジュール５に給電する電流が制御される。

この場合に、例えば図４の下段の基板７の大きさが４５ｍｍ×４５ｍｍであり、各ペルチェ素子２１の大きさが断面が１．５ｍｍ×１．５ｍｍ、高さが２．０ｍｍであり、このペルチェ素子２１をｐ型とｎ型の対で２９７対設け、中段の基板２２の大きさが３５ｍｍ×３５ｍｍであり、各ペルチェ素子２１の大きさが断面が１．６ｍｍ×１．６ｍｍ、高さが２．０ｍｍであり、このペルチェ素子２１をｐ型とｎ型の対で１１１対設け、上段の基板２３の大きさが２５ｍｍ×２５ｍｍであり、各ペルチェ素子２１の大きさが断面が１．７ｍｍ×１．７ｍｍ、高さが２．０ｍｍであり、このペルチェ素子２１をｐ型とｎ型の対で３８対設け、このペルチェモジュール５を８個並列に水冷ジャケット９と均熱板８との間に設けた場合、高温（水冷ジャケット９）側が２０℃、低温（均熱板８）側が−８０℃以下となり、吸熱量が５Ｗとなる。このとき、ヒートパイプ３の熱抵抗が６℃／Ｗであるとすると、ヒートパイプ３での基端と先端との間の温度差が６×５＝３０℃となる。このため、ヒートパイプ３の先端３ａは、−８０−（−３０）＝−５０℃以下となり、直径２０ｍｍの凍結領域でガン細胞を死滅させるに必要な低温（プローブ先端で−５０℃以下）が得られ、吸熱量（５Ｗ）が得られる。

これにより、ガン細胞が凍結し、ガン細胞を死滅させることができる。この場合に、−２０℃以下の凍結温度に達するのは、直径が１０乃至２０ｍｍ程度の領域であるので、正常な細胞が死滅することは防止される。ガン細胞が凍結して死滅した後、ペルチェ素子２１の通電方向を逆にして、ヒートパイプ３の先端３ａを加熱すると、この凍結領域が急速に解凍され、プローブを体内から抜き取る。場合によっては、このペルチェ素子３の先端３ａが加熱される状態で、プローブを使用することにより、温熱療法を実施することもできる。

次に、この凍結治療プローブの種類について説明する。図５は穿刺針型凍結プローブによる治療状態を示す図である。この図５に示すように、肝臓、腎臓、脾臓、膵臓、副腎、脳、甲状腺、軟部組織及び肺等の臓器に生じた悪性又は良性の腫瘍に、本発明の凍結プローブのヒートパイプ部分を挿入し、患部を凍結する。例えば、ヒートパイプ３の先端３ａを肝臓３０に生じた肝腫瘍の患部３１に挿入して、この部分を冷却すると、先端３ａの近傍が凍結されてアイスボール３２といわれる凍結領域が生成される。このアイスボール３２により、ガン細胞が治療される。なお、プローブの穿刺に際し、別の穿刺針を先に人体１に挿入して、予めルートを形成しておき、このルートにシースを挿入してルートを確保し、その後、プローブをシース内に挿入することにより、人体１内にプローブを挿入するように構成することもできる。

図６及び図７は、カテーテル型のプローブを示す。胆道、気道、尿道、膀胱、血管内及びその他の管腔臓器にペルチェ素子を設けた本発明のプローブからなるカテーテルを挿入し、凍結及び解凍を繰り返して、腫瘍性病変（悪性及び良性）を治療する。また、血管については、冷却及び温熱により、内皮細胞の増殖促進及び増殖阻止等の生理的な変化を生じさせる。図６に示すように、胆管３３にできた胆管ガン３４に対し、胆管３３にペルチェ素子を備えたカテーテル３９を挿入し、胆管ガン３４の部分にヒートパイプ３の先端３ａを位置させ、冷却して凍結する。これにより、アイスボール３５が生成したガン細胞が死滅する。この場合に、カテーテル３９を比較的細い管腔構造にガイドワイヤー等で誘導する。カテーテル３９の誘導に際しては、Ｘ線透視等を併用すればよい。

また、図７に示すように、脳内の血管３６内にカテーテル３９を挿入し、その先端から露出したヒートパイプ先端３ａを、動脈瘤３７の部分に位置させ、血管壁を冷却したり、暖めたりして、血管の内皮の増殖を促進したり、抑制したりする。

図８は本発明のプローブを組み込んだ内視鏡４０を使用した凍結治療を示す。カテーテル型プローブは比較的細い管腔に挿入されるものであるが、この内視鏡４０は比較的太い管腔に挿入されるものである。食道等の消化管、腸管及び気管等にペルチェ素子を備えた内視鏡４０を挿入し、凍結及び解凍を繰り返して、腫瘍性病変（悪性及び良性）を治療する。図８は、食道に内視鏡４０を挿入して、その先端から露出したヒートパイプの先端３ａにより、アイスボール４３を形成し、腫瘍４２を治療する。

本発明の実施形態の凍結治療プローブを示す図である。同じく、そのヒートパイプの部分を示す図である。同じく、そのペルチェモジュールを示す図である。同じく、その単位ペルチェモジュールを示す図である。穿刺針型凍結プローブによる治療方法を示す図である。カテーテル型凍結プローブによる治療方法を示す図である。同じく、カテーテル型凍結プローブによる治療方法を示す図である。内視鏡型凍結プローブによる治療方法を示す図である。

符号の説明

１：人体、２：外管、３：ヒートパイプ、３ａ：ヒートパイプの先端、４：温度センサ、５：熱電モジュール、６，７，２２，２３：基板、８：均熱板、９：水冷ジャケット、１０：制御回路、１２：冷却装置

Claims

第１温度端と第２温度端との間に配置されて前記第１温度端と前記第２温度端との間に温度差を生成するペルチェ素子と、前記第２温度端を冷却する水冷ジャケットと、前記ペルチェ素子に対する通電方向を正逆切り替え可能に前記ペルチェ素子を駆動する駆動部と、一端が前記第１温度端に熱的に接続され他端が患部に挿入され熱伝達にのみ使用するヒートパイプと、を有し、前記ヒートパイプは外管内に挿入されていて、この外管とヒートパイプとの間が真空状態になるように、ヒートパイプと外管とがその両端部でシールされており、前記ヒートパイプの先端は前記外管から露出していて前記患部に直接接触するようになっていることを特徴とする凍結治療用プローブ。