JP4438338B2 - 同軸プローブ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば生体組織内に侵入させてマイクロ波により加熱治療を行う際に用いることができる同軸プローブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、悪性腫瘍等の病気に対する治療法として電磁波を利用した方法が幾つか開発されている。その１つに同軸プローブを用いた凝固療法と呼ばれる治療法がある。
この凝固療法は、同軸プローブを直接患部に挿し込み、同軸プローブから放射される電磁波で患部を直接加温することによって、患部の組織を凝固壊死させる方法である。
【０００３】
同軸プローブを患部に挿し込む方法として例えば肝臓に対しては、開腹した状態で穿刺する方法、経皮的に穿刺する方法、胸腔鏡または腹腔鏡のガイド針の中に挿入する方法等がある。この同軸プローブを用いた凝固療法は、切開部分が小さく、治療に要する時間も比較的短くてすむため、手術の際患者への負担が小さい等の利点がある。
【０００４】
ここで、従来の同軸プローブ（例えば特許文献１参照）の構造を図１０に示す。図１０において（Ａ）は肝臓などを模式化した臓器ＯＲ内に同軸プローブ１００を挿入した状態での同軸プローブ１００の長手方向の断面図、（Ｂ）は同軸プローブ１００の長手方向に対して垂直な面での断面図である。この図１０に示すように、内導体１と外導体３との間に誘電体２を介在させて、先端部分で外導体３と内導体１とを電気的に接続するとともに、外導体３の一部にスリットＳを設けている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２７５２４７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１０において図中の寸法は従来用いられている同軸プローブの具体的な寸法（単位ｍｍ）である。このような寸法構造の同軸プローブをシミュレーションしたところ、反射係数が０．６５であり、入力信号の約６．５割も入力側に反射してしまうため、電磁波の放射効率が低いという問題があった。
【０００７】
また、この同軸プローブの放射パターンを求めたところ、図１１に示すような結果が得られた。ここで横軸は同軸プローブ先端位置を０とするプローブの位置（単位ｍｍ）、縦軸は半径方向の距離（単位ｍｍ）であり、ＳＡＲ（Specific Absorption Rate）を濃度で表している。ＳＡＲは電磁波の生体に対するエネルギー吸収量の評価として使用されるものであり、単位質量に吸収される単位時間あたりのエネルギーをW/kgで表したものである。図１１で濃度変化の１段階は２．５ｄＢに相当している。このようにスリットＳ付近でＳＡＲが高く、このスリットＳの近傍で患部が加熱されることになる。
【０００８】
従来の同軸プローブでは、同軸プローブ１００の先端から離れた位置（図１０に示した例では１０ｍｍ）位置にスリットＳが設けられていたため、使用し難いという問題があった。すなわち、加熱すべき患部を通り抜けて同軸プローブのスリット部分が患部の中央にくるように挿入することになり、その分患者に対する侵入度（正常な組織を冒す度合い) が増大したり治療可能範囲が狭くなるといった問題があった。
【０００９】
しかし、スリットの位置を単に同軸プローブの先端付近に配置しただけでは、上記反射係数の低下に起因して放射効率を高めることができない。
そこでこの発明の目的は、電磁波の放射効率を高めるとともに、より先端付近でＳＡＲを高めた同軸プローブを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、内導体と外導体との間に誘電体が介在し、先端で外導体と内導体とを電気的に接続するとともに、外導体の一部にスリットを設けた同軸プローブにおいて、先端に対するスリットの位置を、先端位置からλ／４となる位置に定めたことを特徴としている。
【００１１】
このように同軸プローブの先端に対するスリットの位置を変化させると、同軸プローブに接続されるマイクロ波発振源からこの同軸プローブを見た反射係数が変化するが、その反射係数が略減衰極となる位置にスリットを設けることによって電磁波の放射効率を高める。
【００１２】
また、この発明は、前記誘電体の誘電率を前記生体組織内の１／５以上３５／４３以下に定めたことを特徴としている。
このように同軸プローブの誘電体部分の誘電率を定めることによって反射係数を低減するとともにスリットの形成位置をより先端に近づける。
【００１３】
また、この発明は、前記誘電体をアルミナセラミックスとしたことを特徴としている。
このように生体組織の比誘電率に近いアルミナセラミックスを用いることにより生体組織との界面での反射損失を低減する。さらに、誘電体損失も小さくして高い電磁波放射効率を得る。また、高い機械的強度を得るとともに、生体に対して生化学的に無害とする。
【００１４】
また、この発明は、前記スリットを第１のスリットとし、前記同軸プローブの先端から第１のスリットまでの距離より遠い位置に第２のスリットを設け、第１のスリットの中心から第２のスリットの中心までの距離が前記同軸ケーブルの管内波長の１／４以下で且つ第１・第２のスリット周囲の誘電率で換算した電磁波伝搬波長の１／４以上とする。
これにより同軸プローブの根元部分での電磁波の放射を抑え、先端部付近でのみ効率良く電磁波を放射できるようにする。また、電磁波放射対象である生体組織内部で同軸プローブの外導体表面に発生する定在波を抑えて、患部以外の生体組織への加熱を抑える。
【００１５】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る同軸プローブの構造を図１に示す。ここで（Ａ）は肝臓などを模式化した臓器ＯＲ内に同軸プローブ１００を挿入した状態での同軸プローブ１００の長手方向の断面図、（Ｂ）は同軸プローブ１００の長手方向に対して垂直な面での断面図である。この図に示すように、内導体１と外導体３との間に誘電体２を介在させて、先端部分で外導体３と内導体１とを電気的に接続するとともに、外導体３の一部にスリットＳを設けている。
【００１６】
一般に、同軸プローブによって生体組織にマイクロ波を照射した場合、単位時間当たりに吸収される割合である比吸収率ＳＡＲは次のようにして求める。
【００１７】
すなわち、ＳＡＲは単位質量に吸収される単位時間あたりのエネルギーをW/kgで表したものであり、電界強度Ｅのなかにある誘電体に吸収される単位体積あたりの電力Ｐは、生体組織の誘電率をεとすると、
Ｐ＝ωεＥ2tanδ
と表せる。
【００１８】
また、単位質量に吸収される電力は、生体組織の密度をρとすると、
ＳＡＲ＝ωεＥ2tanδ／ρ
である。さらに、生体組織の導電率をσとすると、
tan δ＝σ／（ωε）であるから、
ＳＡＲ＝σＥ2 ／ρ
と表せる。
【００１９】
したがって電磁波の吸収率を如何に高めるかは、電界Ｅを如何に強くするかにかかっている。
【００２０】
図２および図３は図１に示した同軸プローブにおいて、同軸プローブ１００の先端からスリットＳまでの距離ｈ１を変化させたときの反射係数の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。ここで、図１における各部の条件は次のとおりである。
【００２１】
〈各部の寸法〉
ｈ１＝０．８
ｇ１＝２．０
Ｌ１＝７２
Ｌ２＝３０
ｒ１＝０．２４
ｒ２＝０．８
Ｌ＝５０
Ｒ＝１０
ここで単位は全て［ｍｍ］である。
【００２２】
〈臓器ＯＲ〉
比誘電率＝４３．０（肝臓の比誘電率に等しい値）
ｔａｎδ＝１０×１０10
導電率＝１．６９
とし、周波数を２．４５ＧＨｚとし、ＦＥＭ（有限要素法）を用いてシミュレーションした。
【００２３】
図２の（Ａ）は誘電体２として、比誘電率が２．１のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を用いた場合、（Ｂ）は誘電体２として、比誘電率が９．７のアルミナを用いた場合である。また、図３の（Ａ）は誘電体２として比誘電率３５のセラミックスを用いた場合、（Ｂ）は比誘電率６０のセラミックスを用いた場合である。
【００２４】
同軸プローブの誘電体部分にポリテトラフルオロエチレンを用いた場合、同軸プローブの同軸ケーブル部分の管内波長は２．４５ＧＨｚで約８０ｍｍである。したがってその１／４波長は２０ｍｍであるが、図２の（Ａ）に示したように、同軸プローブの先端からの距離ｈ１が２０ｍｍ付近で最も反射係数が大きくなっていて、ｈ１が２０ｍｍより大きくても小さくても反射係数が小さくなる傾向にある。このことから、先端からの距離ｈ１が管内波長で１／４波長に相当する位置にスリットＳを設けても、すなわち電流がほぼ０となる位置にスリットＳを設けても電磁波の放射にほとんど寄与せず反射係数はほぼ１となることが分かる。また、先端からの距離ｈ１を変化させると、反射係数は同軸プローブに生じる定在波の位相に対応して変化するが、スリットＳが存在するため、反射係数の変化は必ずしも正弦波状にはならないことが分かる。
【００２５】
誘電体２としてポリテトラフルオロエチレンを用いた場合には、ｈ１＝４．６のとき、反射係数が０．２３（ｄＢ表示で−１２．８）となる。スリットＳの位置をこのように定めることによって、従来のｈ１＝１０ｍｍとしたときの反射係数より１／２以上に小さくでき、しかも同軸プローブのより先端付近から電磁波を放射できることになる。
【００２６】
同軸プローブ１００の誘電体２としてアルミナセラミックスを用いた場合には、管内波長が約４０ｍｍであるので、図２の（Ｂ）に示したように、ｈ１の変化に対する反射係数の変化が管内波長の１／２（約２０ｍｍ）の周期で変化している。これはスリットＳで隔てられた外導体間の電位差によって反射係数が定まり、その電位差の正負に関係がないためである。この例では、同軸プローブの先端から０．８ｍｍで反射係数が０．１５（ｄＢ表示で−１６．４）という特性が得られる。なお、そこから１周期離れた２０ｍｍ付近で更に低い反射係数が得られているが、この位置は同軸プローブの先端から離れすぎているため同軸プローブの先端付近で生体組織を加熱するという目的には使えない。
【００２７】
同軸プローブ１００の誘電体２の比誘電率が３５の誘電体セラミックスの場合には、図３の（Ａ）に示したように、先端からの距離ｈ１を０．６ｍｍとしたとき、反射係数が最も低く０．１３８（ｄＢ表示で−１７．２）の特性が得られる。
【００２８】
また、同軸プローブ１００の誘電体２の比誘電率が６０の誘電体セラミックスの場合には、図３の（Ｂ）に示したように、先端からの距離ｈ１を０．４ｍｍとしたとき、反射係数が最も低く０．２４５（ｄＢ表示で−１２．２）の特性が得られる。
【００２９】
図４はアルミナセラミックスを誘電体の材料とした同軸プローブのＳＡＲ分布を示している。図１１に示した従来の同軸プローブのＳＡＲ分布と比較すれば明らかなように、スリットの形成位置が先端から１０ｍｍであったものが０．８ｍｍとなり、同軸プローブのより先端に近い位置で高いＳＡＲが得られる。
【００３０】
以上の結果から分かるように、同軸プローブ１００の誘電体２にアルミナセラミックスを用いることによって、反射係数が従来０．６５であったものが０．１５にまで改善される。また、比誘電率３５の誘電体セラミックスを用いることによって、０．１３８にまで改善できる。しかも、最も小さな反射係数が得られるときのスリットＳの位置も先端に近づく。
【００３１】
なお、図３の（Ｂ）に示したように、誘電体２の比誘電率が６０のとき、スリットＳの位置が最も先端に近づいているが、反射係数が、比誘電率を３５にした場合に比べて悪くなっている。これは、肝臓の比誘電率４３．０よりも同軸プローブ１００の誘電体２の比誘電率が大きくなることによって、同軸プローブからの電磁波の放射が妨げられているからである。すなわち、同軸プローブ１００と生体組織との整合がとれていないからである。
【００３２】
このように、誘電体２として比誘電率３５の（周囲の誘電体の比誘電率４３．０より低い）誘電体セラミックスを用いたときと、比誘電率９．７（周囲の誘電体の比誘電率４３．０の１／５以上の値）であるアルミナセラミックスを用いたときに、先端に近い位置にスリットを設けた場合に低反射特性が得られる。したがって、同軸プローブの誘電体２の誘電率を周囲の加熱対象の誘電率より低く、且つ当該周囲の誘電率の１／５以上に定めればよい。
【００３３】
次に、第２の実施形態に係る同軸プローブについて図５〜図９を参照して説明する。
第１の実施形態に係る同軸プローブでは、その外導体３の所定位置で軸回りに外導体３を取り除いた単一のスリットＳを設けたが、この第２の実施形態に係る同軸プローブでは、第１のスリットＳ１と第２のスリットＳ２を形成している。
【００３４】
第１の実施形態に係る同軸プローブのＳＡＲ分布の例では、同軸プローブに生じる定在波の影響で、図４に示したようにＳＡＲの高い領域Ａ０以外に同軸プローブの根元方向に戻った位置にＳＡＲの比較的高い領域Ａ１が生じている。この第２の実施形態に係る同軸プローブは、同軸プローブ１００の外導体３を伝って根元方向に延びる部分でのＳＡＲの強度を抑えて、先端部付近にのみＳＡＲの高い領域を集中させるようにしたものである。
【００３５】
図５において各部の寸法を次のとおりにしてシミュレーションを行った。
ｈ１＝０．８
ｇ１＝２．０
ｇ２＝１．５
Ｌ１＝７２
Ｌ２＝３０
ｒ１＝０．２４
ｒ２＝０．８
Ｌ＝５０
Ｒ＝１０
単位は全てｍｍである。
【００３６】
ここでは第１のスロットＳ１を主たる電磁波の漏れを生じさせる部分とし、第２のスリットＳ２は不要な電磁波の放射を抑制するために設ける。そのため、第２のスリットＳ２のスリット幅ｇ２を第１のスリットＳ１のスリット幅ｇ１より小さく定めている。
【００３７】
図６〜図９は図５に示した第１のスリットＳ１と第２のスリットＳ２との間の寸法ｈ２を変化させたときの反射係数とＳＡＲの分布について示している。ここで横軸は同軸プローブの先端位置を０とするプローブの位置（単位ｍｍ）、縦軸は半径方向の距離（単位ｍｍ）であり、ＳＡＲを濃度で表している。
【００３８】
同軸プローブ１００の誘電体２にアルミナを用いた場合の周波数２．４５ＧＨｚにおける管内波長は約４０ｍｍである。このときにスリットＳ２に生じる電界の位相を１８０ずらすためには、第１のスリットＳ１の中心から第２のスリットＳ２の中心までの距離を管内波長の１／４付近に設定すればよい。したがって計算上では第１・第２のスリットＳ１−Ｓ２間の中心間隔を１０ｍｍ程度に設定すればよいと考えられる。図６〜図９に示した例では、ｈ２＝５．７ｍｍ（中心間距離７．４５ｍｍ）とした場合に最も反射係数が小さく良好な特性を示している。これは、生体組織の比誘電率を４３．０に設定しているため、波長短縮効果が生じ、位相を１８０°にずらすために必要な第１・第２のスリットＳ１−Ｓ２間の距離が短縮化されたためであろう。したがって、上記中心間距離を、管内波長の１／４以下で且つ同軸プローブ周囲の誘電率で換算した電磁波の伝搬波長の１／４以上に設定すればよい。
【００３９】
以上のようにして同軸プローブに２つのスリットを設け、それぞれの位置を定めることによって、同軸プローブの外導体表面に発生する（先端部以外の根元方向に延びる）定在波を抑えることができ、患部以外の生体組織への不要な加熱を抑えることができる。
【００４０】
【発明の効果】
この発明によれば、内導体と外導体との間に誘電体が介在し、先端で外導体と内導体とを電気的に接続するとともに、外導体の一部にスリットを設けた同軸プローブにおいて、先端に対するスリットの位置を、先端位置からの距離変化に対する反射係数の特性で略減衰極となる位置に定めたことにより、電磁波の放射効率が高まる。
【００４１】
また、この発明によれば、誘電体の誘電率を周囲の誘電率より低く且つ当該周囲の誘電率の１／５以上に定めたことによって反射係数が低減されるとともにスリットの形成位置がより先端に近づき、より低侵入での治療が可能となる。
【００４２】
また、この発明によれば、前記誘電体をアルミナセラミックスとしたことにより、生体組織との界面での反射損失を低減でき、さらに誘電体損失も小さいため高い電磁波放射効率が得られる。また、高い機械的強度が得られるとともに、生体に対して生化学的に無害とすることができる。
【００４３】
また、この発明によれば、前記スリットを第１のスリットとし、前記同軸プローブの先端から第１のスリットまでの距離より遠い位置に第２のスリットを設け、第１のスリットの中心から第２のスリットの中心までの距離が前記同軸ケーブルの管内波長の１／４以下で且つ第１・第２のスリット周囲の誘電率で換算した電磁波伝搬波長の１／４以上としたことにより、同軸プローブの根元部分での電磁波の放射が抑えられ、先端部付近でのみ効率良く電磁波を放射できるようになる。また、電磁波放射対象である生体組織内部で同軸プローブの外導体表面に発生する定在波を抑えて、患部以外の生体組織への加熱が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る同軸プローブの構造を示す図
【図２】同同軸プローブの誘電体の比誘電率を定めたときの、同軸プローブ先端からの距離に対する反射係数の変化について示す図
【図３】同同軸プローブの誘電体の比誘電率を定めたときの、同軸プローブ先端からの距離に対する反射係数の変化について示す図
【図４】同同軸プローブのＳＡＲ分布を示す図
【図５】第２の実施形態に係る同軸プローブの構成を示す図
【図６】同同軸プローブの第１・第２のスリット間の間隔を変化させたときのＳＡＲ分布を示す図
【図７】同同軸プローブの第１・第２のスリット間の間隔を変化させたときのＳＡＲ分布を示す図
【図８】同同軸プローブの第１・第２のスリット間の間隔を変化させたときのＳＡＲ分布を示す図
【図９】同同軸プローブの第１・第２のスリット間の間隔を変化させたときのＳＡＲ分布を示す図
【図１０】従来の同軸プローブの構成を示す図
【図１１】同同軸プローブのＳＡＲ分布を示す図
【符号の説明】
１−内導体
２−誘電体
３−外導体
Ｓ−スリット
ＯＲ−臓器
１００−同軸プローブ
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば生体組織内に侵入させてマイクロ波により加熱治療を行う際に用いることができる同軸プローブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、悪性腫瘍等の病気に対する治療法として電磁波を利用した方法が幾つか開発されている。その１つに同軸プローブを用いた凝固療法と呼ばれる治療法がある。
この凝固療法は、同軸プローブを直接患部に挿し込み、同軸プローブから放射される電磁波で患部を直接加温することによって、患部の組織を凝固壊死させる方法である。
【０００３】
同軸プローブを患部に挿し込む方法として例えば肝臓に対しては、開腹した状態で穿刺する方法、経皮的に穿刺する方法、胸腔鏡または腹腔鏡のガイド針の中に挿入する方法等がある。この同軸プローブを用いた凝固療法は、切開部分が小さく、治療に要する時間も比較的短くてすむため、手術の際患者への負担が小さい等の利点がある。
【０００４】
ここで、従来の同軸プローブ（例えば特許文献１参照）の構造を図１０に示す。図１０において（Ａ）は肝臓などを模式化した臓器ＯＲ内に同軸プローブ１００を挿入した状態での同軸プローブ１００の長手方向の断面図、（Ｂ）は同軸プローブ１００の長手方向に対して垂直な面での断面図である。この図１０に示すように、内導体１と外導体３との間に誘電体２を介在させて、先端部分で外導体３と内導体１とを電気的に接続するとともに、外導体３の一部にスリットＳを設けている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２７５２４７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１０において図中の寸法は従来用いられている同軸プローブの具体的な寸法（単位ｍｍ）である。このような寸法構造の同軸プローブをシミュレーションしたところ、反射係数が０．６５であり、入力信号の約６．５割も入力側に反射してしまうため、電磁波の放射効率が低いという問題があった。
【０００７】
また、この同軸プローブの放射パターンを求めたところ、図１１に示すような結果が得られた。ここで横軸は同軸プローブ先端位置を０とするプローブの位置（単位ｍｍ）、縦軸は半径方向の距離（単位ｍｍ）であり、ＳＡＲ（Specific Absorption Rate）を濃度で表している。ＳＡＲは電磁波の生体に対するエネルギー吸収量の評価として使用されるものであり、単位質量に吸収される単位時間あたりのエネルギーをW/kgで表したものである。図１１で濃度変化の１段階は２．５ｄＢに相当している。このようにスリットＳ付近でＳＡＲが高く、このスリットＳの近傍で患部が加熱されることになる。
【０００８】
従来の同軸プローブでは、同軸プローブ１００の先端から離れた位置（図１０に示した例では１０ｍｍ）位置にスリットＳが設けられていたため、使用し難いという問題があった。すなわち、加熱すべき患部を通り抜けて同軸プローブのスリット部分が患部の中央にくるように挿入することになり、その分患者に対する侵入度（正常な組織を冒す度合い) が増大したり治療可能範囲が狭くなるといった問題があった。
【０００９】
しかし、スリットの位置を単に同軸プローブの先端付近に配置しただけでは、上記反射係数の低下に起因して放射効率を高めることができない。
そこでこの発明の目的は、電磁波の放射効率を高めるとともに、より先端付近でＳＡＲを高めた同軸プローブを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、内導体と外導体との間に誘電体が介在し、先端で外導体と内導体とを電気的に接続するとともに、外導体の一部にスリットを設けた同軸プローブにおいて、先端に対するスリットの位置を、先端位置からλ／４となる位置に定めたことを特徴としている。
【００１１】
このように同軸プローブの先端に対するスリットの位置を変化させると、同軸プローブに接続されるマイクロ波発振源からこの同軸プローブを見た反射係数が変化するが、その反射係数が略減衰極となる位置にスリットを設けることによって電磁波の放射効率を高める。
【００１２】
また、この発明は、前記誘電体の誘電率を前記生体組織内の１／５以上３５／４３以下に定めたことを特徴としている。
このように同軸プローブの誘電体部分の誘電率を定めることによって反射係数を低減するとともにスリットの形成位置をより先端に近づける。
【００１３】
また、この発明は、前記誘電体をアルミナセラミックスとしたことを特徴としている。
このように生体組織の比誘電率に近いアルミナセラミックスを用いることにより生体組織との界面での反射損失を低減する。さらに、誘電体損失も小さくして高い電磁波放射効率を得る。また、高い機械的強度を得るとともに、生体に対して生化学的に無害とする。
【００１４】
また、この発明は、前記スリットを第１のスリットとし、前記同軸プローブの先端から第１のスリットまでの距離より遠い位置に第２のスリットを設け、第１のスリットの中心から第２のスリットの中心までの距離が前記同軸ケーブルの管内波長の１／４以下で且つ第１・第２のスリット周囲の誘電率で換算した電磁波伝搬波長の１／４以上とする。
これにより同軸プローブの根元部分での電磁波の放射を抑え、先端部付近でのみ効率良く電磁波を放射できるようにする。また、電磁波放射対象である生体組織内部で同軸プローブの外導体表面に発生する定在波を抑えて、患部以外の生体組織への加熱を抑える。
【００１５】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る同軸プローブの構造を図１に示す。ここで（Ａ）は肝臓などを模式化した臓器ＯＲ内に同軸プローブ１００を挿入した状態での同軸プローブ１００の長手方向の断面図、（Ｂ）は同軸プローブ１００の長手方向に対して垂直な面での断面図である。この図に示すように、内導体１と外導体３との間に誘電体２を介在させて、先端部分で外導体３と内導体１とを電気的に接続するとともに、外導体３の一部にスリットＳを設けている。
【００１６】
一般に、同軸プローブによって生体組織にマイクロ波を照射した場合、単位時間当たりに吸収される割合である比吸収率ＳＡＲは次のようにして求める。
【００１７】
すなわち、ＳＡＲは単位質量に吸収される単位時間あたりのエネルギーをW/kgで表したものであり、電界強度Ｅのなかにある誘電体に吸収される単位体積あたりの電力Ｐは、生体組織の誘電率をεとすると、
Ｐ＝ωεＥ2tanδ
と表せる。
【００１８】
また、単位質量に吸収される電力は、生体組織の密度をρとすると、
ＳＡＲ＝ωεＥ2tanδ／ρ
である。さらに、生体組織の導電率をσとすると、
tan δ＝σ／（ωε）であるから、
ＳＡＲ＝σＥ2 ／ρ
と表せる。
【００１９】
したがって電磁波の吸収率を如何に高めるかは、電界Ｅを如何に強くするかにかかっている。
【００２０】
図２および図３は図１に示した同軸プローブにおいて、同軸プローブ１００の先端からスリットＳまでの距離ｈ１を変化させたときの反射係数の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。ここで、図１における各部の条件は次のとおりである。
【００２１】
〈各部の寸法〉
ｈ１＝０．８
ｇ１＝２．０
Ｌ１＝７２
Ｌ２＝３０
ｒ１＝０．２４
ｒ２＝０．８
Ｌ＝５０
Ｒ＝１０
ここで単位は全て［ｍｍ］である。
【００２２】
〈臓器ＯＲ〉
比誘電率＝４３．０（肝臓の比誘電率に等しい値）
ｔａｎδ＝１０×１０10
導電率＝１．６９
とし、周波数を２．４５ＧＨｚとし、ＦＥＭ（有限要素法）を用いてシミュレーションした。
【００２３】
図２の（Ａ）は誘電体２として、比誘電率が２．１のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を用いた場合、（Ｂ）は誘電体２として、比誘電率が９．７のアルミナを用いた場合である。また、図３の（Ａ）は誘電体２として比誘電率３５のセラミックスを用いた場合、（Ｂ）は比誘電率６０のセラミックスを用いた場合である。
【００２４】
同軸プローブの誘電体部分にポリテトラフルオロエチレンを用いた場合、同軸プローブの同軸ケーブル部分の管内波長は２．４５ＧＨｚで約８０ｍｍである。したがってその１／４波長は２０ｍｍであるが、図２の（Ａ）に示したように、同軸プローブの先端からの距離ｈ１が２０ｍｍ付近で最も反射係数が大きくなっていて、ｈ１が２０ｍｍより大きくても小さくても反射係数が小さくなる傾向にある。このことから、先端からの距離ｈ１が管内波長で１／４波長に相当する位置にスリットＳを設けても、すなわち電流がほぼ０となる位置にスリットＳを設けても電磁波の放射にほとんど寄与せず反射係数はほぼ１となることが分かる。また、先端からの距離ｈ１を変化させると、反射係数は同軸プローブに生じる定在波の位相に対応して変化するが、スリットＳが存在するため、反射係数の変化は必ずしも正弦波状にはならないことが分かる。
【００２５】
誘電体２としてポリテトラフルオロエチレンを用いた場合には、ｈ１＝４．６のとき、反射係数が０．２３（ｄＢ表示で−１２．８）となる。スリットＳの位置をこのように定めることによって、従来のｈ１＝１０ｍｍとしたときの反射係数より１／２以上に小さくでき、しかも同軸プローブのより先端付近から電磁波を放射できることになる。
【００２６】
同軸プローブ１００の誘電体２としてアルミナセラミックスを用いた場合には、管内波長が約４０ｍｍであるので、図２の（Ｂ）に示したように、ｈ１の変化に対する反射係数の変化が管内波長の１／２（約２０ｍｍ）の周期で変化している。これはスリットＳで隔てられた外導体間の電位差によって反射係数が定まり、その電位差の正負に関係がないためである。この例では、同軸プローブの先端から０．８ｍｍで反射係数が０．１５（ｄＢ表示で−１６．４）という特性が得られる。なお、そこから１周期離れた２０ｍｍ付近で更に低い反射係数が得られているが、この位置は同軸プローブの先端から離れすぎているため同軸プローブの先端付近で生体組織を加熱するという目的には使えない。
【００２７】
同軸プローブ１００の誘電体２の比誘電率が３５の誘電体セラミックスの場合には、図３の（Ａ）に示したように、先端からの距離ｈ１を０．６ｍｍとしたとき、反射係数が最も低く０．１３８（ｄＢ表示で−１７．２）の特性が得られる。
【００２８】
また、同軸プローブ１００の誘電体２の比誘電率が６０の誘電体セラミックスの場合には、図３の（Ｂ）に示したように、先端からの距離ｈ１を０．４ｍｍとしたとき、反射係数が最も低く０．２４５（ｄＢ表示で−１２．２）の特性が得られる。
【００２９】
図４はアルミナセラミックスを誘電体の材料とした同軸プローブのＳＡＲ分布を示している。図１１に示した従来の同軸プローブのＳＡＲ分布と比較すれば明らかなように、スリットの形成位置が先端から１０ｍｍであったものが０．８ｍｍとなり、同軸プローブのより先端に近い位置で高いＳＡＲが得られる。
【００３０】
以上の結果から分かるように、同軸プローブ１００の誘電体２にアルミナセラミックスを用いることによって、反射係数が従来０．６５であったものが０．１５にまで改善される。また、比誘電率３５の誘電体セラミックスを用いることによって、０．１３８にまで改善できる。しかも、最も小さな反射係数が得られるときのスリットＳの位置も先端に近づく。
【００３１】
なお、図３の（Ｂ）に示したように、誘電体２の比誘電率が６０のとき、スリットＳの位置が最も先端に近づいているが、反射係数が、比誘電率を３５にした場合に比べて悪くなっている。これは、肝臓の比誘電率４３．０よりも同軸プローブ１００の誘電体２の比誘電率が大きくなることによって、同軸プローブからの電磁波の放射が妨げられているからである。すなわち、同軸プローブ１００と生体組織との整合がとれていないからである。
【００３２】
このように、誘電体２として比誘電率３５の（周囲の誘電体の比誘電率４３．０より低い）誘電体セラミックスを用いたときと、比誘電率９．７（周囲の誘電体の比誘電率４３．０の１／５以上の値）であるアルミナセラミックスを用いたときに、先端に近い位置にスリットを設けた場合に低反射特性が得られる。したがって、同軸プローブの誘電体２の誘電率を周囲の加熱対象の誘電率より低く、且つ当該周囲の誘電率の１／５以上に定めればよい。
【００３３】
次に、第２の実施形態に係る同軸プローブについて図５〜図９を参照して説明する。
第１の実施形態に係る同軸プローブでは、その外導体３の所定位置で軸回りに外導体３を取り除いた単一のスリットＳを設けたが、この第２の実施形態に係る同軸プローブでは、第１のスリットＳ１と第２のスリットＳ２を形成している。
【００３４】
第１の実施形態に係る同軸プローブのＳＡＲ分布の例では、同軸プローブに生じる定在波の影響で、図４に示したようにＳＡＲの高い領域Ａ０以外に同軸プローブの根元方向に戻った位置にＳＡＲの比較的高い領域Ａ１が生じている。この第２の実施形態に係る同軸プローブは、同軸プローブ１００の外導体３を伝って根元方向に延びる部分でのＳＡＲの強度を抑えて、先端部付近にのみＳＡＲの高い領域を集中させるようにしたものである。
【００３５】
図５において各部の寸法を次のとおりにしてシミュレーションを行った。
ｈ１＝０．８
ｇ１＝２．０
ｇ２＝１．５
Ｌ１＝７２
Ｌ２＝３０
ｒ１＝０．２４
ｒ２＝０．８
Ｌ＝５０
Ｒ＝１０
単位は全てｍｍである。
【００３６】
ここでは第１のスロットＳ１を主たる電磁波の漏れを生じさせる部分とし、第２のスリットＳ２は不要な電磁波の放射を抑制するために設ける。そのため、第２のスリットＳ２のスリット幅ｇ２を第１のスリットＳ１のスリット幅ｇ１より小さく定めている。
【００３７】
図６〜図９は図５に示した第１のスリットＳ１と第２のスリットＳ２との間の寸法ｈ２を変化させたときの反射係数とＳＡＲの分布について示している。ここで横軸は同軸プローブの先端位置を０とするプローブの位置（単位ｍｍ）、縦軸は半径方向の距離（単位ｍｍ）であり、ＳＡＲを濃度で表している。
【００３８】
同軸プローブ１００の誘電体２にアルミナを用いた場合の周波数２．４５ＧＨｚにおける管内波長は約４０ｍｍである。このときにスリットＳ２に生じる電界の位相を１８０ずらすためには、第１のスリットＳ１の中心から第２のスリットＳ２の中心までの距離を管内波長の１／４付近に設定すればよい。したがって計算上では第１・第２のスリットＳ１−Ｓ２間の中心間隔を１０ｍｍ程度に設定すればよいと考えられる。図６〜図９に示した例では、ｈ２＝５．７ｍｍ（中心間距離７．４５ｍｍ）とした場合に最も反射係数が小さく良好な特性を示している。これは、生体組織の比誘電率を４３．０に設定しているため、波長短縮効果が生じ、位相を１８０°にずらすために必要な第１・第２のスリットＳ１−Ｓ２間の距離が短縮化されたためであろう。したがって、上記中心間距離を、管内波長の１／４以下で且つ同軸プローブ周囲の誘電率で換算した電磁波の伝搬波長の１／４以上に設定すればよい。
【００３９】
以上のようにして同軸プローブに２つのスリットを設け、それぞれの位置を定めることによって、同軸プローブの外導体表面に発生する（先端部以外の根元方向に延びる）定在波を抑えることができ、患部以外の生体組織への不要な加熱を抑えることができる。
【００４０】
【発明の効果】
この発明によれば、内導体と外導体との間に誘電体が介在し、先端で外導体と内導体とを電気的に接続するとともに、外導体の一部にスリットを設けた同軸プローブにおいて、先端に対するスリットの位置を、先端位置からの距離変化に対する反射係数の特性で略減衰極となる位置に定めたことにより、電磁波の放射効率が高まる。
【００４１】
また、この発明によれば、誘電体の誘電率を周囲の誘電率より低く且つ当該周囲の誘電率の１／５以上に定めたことによって反射係数が低減されるとともにスリットの形成位置がより先端に近づき、より低侵入での治療が可能となる。
【００４２】
また、この発明によれば、前記誘電体をアルミナセラミックスとしたことにより、生体組織との界面での反射損失を低減でき、さらに誘電体損失も小さいため高い電磁波放射効率が得られる。また、高い機械的強度が得られるとともに、生体に対して生化学的に無害とすることができる。
【００４３】
また、この発明によれば、前記スリットを第１のスリットとし、前記同軸プローブの先端から第１のスリットまでの距離より遠い位置に第２のスリットを設け、第１のスリットの中心から第２のスリットの中心までの距離が前記同軸ケーブルの管内波長の１／４以下で且つ第１・第２のスリット周囲の誘電率で換算した電磁波伝搬波長の１／４以上としたことにより、同軸プローブの根元部分での電磁波の放射が抑えられ、先端部付近でのみ効率良く電磁波を放射できるようになる。また、電磁波放射対象である生体組織内部で同軸プローブの外導体表面に発生する定在波を抑えて、患部以外の生体組織への加熱が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る同軸プローブの構造を示す図
【図２】同同軸プローブの誘電体の比誘電率を定めたときの、同軸プローブ先端からの距離に対する反射係数の変化について示す図
【図３】同同軸プローブの誘電体の比誘電率を定めたときの、同軸プローブ先端からの距離に対する反射係数の変化について示す図
【図４】同同軸プローブのＳＡＲ分布を示す図
【図５】第２の実施形態に係る同軸プローブの構成を示す図
【図６】同同軸プローブの第１・第２のスリット間の間隔を変化させたときのＳＡＲ分布を示す図
【図７】同同軸プローブの第１・第２のスリット間の間隔を変化させたときのＳＡＲ分布を示す図
【図８】同同軸プローブの第１・第２のスリット間の間隔を変化させたときのＳＡＲ分布を示す図
【図９】同同軸プローブの第１・第２のスリット間の間隔を変化させたときのＳＡＲ分布を示す図
【図１０】従来の同軸プローブの構成を示す図
【図１１】同同軸プローブのＳＡＲ分布を示す図
【符号の説明】
１−内導体
２−誘電体
３−外導体
Ｓ−スリット
ＯＲ−臓器
１００−同軸プローブ
Claims (3)
- 内導体と外導体との間に誘電体が介在し、先端で外導体と内導体とを電気的に接続するとともに、外導体の一部にスリットを設けた同軸プローブにおいて、
前記先端に対する前記スリットの位置を、前記先端位置からλ／４となる位置（前記λは、前記スリットの周囲を生体組織で覆っている状態での、前記生体組織内の電磁波の波長）に定め、
前記誘電体の誘電率を前記生体組織の誘電率の１／５以上３５／４３以下に定めたことを特徴とする同軸プローブ。 - 前記誘電体をアルミナセラミックスとした請求項１に記載の同軸プローブ。
- 前記スリットを第１のスリットとし、前記同軸プローブの先端から第１のスリットまでの距離より遠い位置に第２のスリットを設け、第１のスリットの中心から第２のスリットの中心までの距離が前記同軸ケーブルの管内波長の１／４以下であり、且つ第１・第２のスリット周囲の誘電率で換算した前記電磁波の伝搬波長の１／４以上である請求項１または２に記載の同軸プローブ。
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