JP4621844B2

JP4621844B2 - 磁界発生装置及び温熱治療装置

Info

Publication number: JP4621844B2
Application number: JP2004128413A
Authority: JP
Inventors: 功一五十嵐; 博志山田
Original assignee: 小松パワートロン株式会社
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2024-04-23
Also published as: JP2005304929A

Description

本発明は磁界発生装置、特にトランスの二次側に接続した共振負荷回路の共振周波数が変化しても、インバータ回路のスイッチング周波数を二次側共振周波数の変化に自動的に追従させることができる磁界発生装置に関するものである。
また、本発明は、上記磁界発生装置から発生した磁界を患者の患部に向けて照射し、患部だけを選択的に加温する温熱治療装置にも関するものである。

癌の治療方法として、温熱療法（ハイパーサーミア法）が注目されている。この温熱治療方法は、癌細胞又は癌組織が正常細胞よりも熱に対して弱い性質を利用したものであり、癌の患部を例えば４３℃前後で一定時間加加温することにより、癌細胞だけを壊死させる治療方法である。この治療方法では、デキストラン又はその誘導体と磁性酸化鉄との復号体である磁性流体、例えばデキストランマグネタイトを水性ゾルを患部に注入し、外部から強力な磁場を与えて癌の病巣だけを選択的に加熱している。

患者の患部に注入された磁性流体を加熱するためには、磁界発生装置を用いて外部から患部に向けて強力な磁界を発生する必要がある。この誘導加熱に好適な磁界発生装置として、トランスの一次側にインバータ回路を接続し二次側に磁界発生用のコイルと共振コンデンサとの共振負荷回路を接続し、磁界発生用コイルに高周波数の大電流を流す装置が用いられている。この既知の磁界発生では、この既知の磁界発生装置では、トランスの一次側に接続した一次側回路の駆動周波数を二次側に接続した共振負荷回路の共振周波数に等しくなるように設定し、電磁誘導により二次側の共振負荷回路に高周波数の大電流を供給している（例えば、トランス文献１参照）。
特開２００２−３６０７１２号公報

トランスの一次側のインバータ回路の交流出力を二次側の共振負荷回路に伝達するエネルギー供給方法においては、インバータ回路のスイッチング周波数が二次側共振回路の共振周波数から変移すると、二次側回路のインピダンスが急激に増大し、二次側回路に伝達されるエネルギーが急激に低下してしまう。一方、トランスの二次側の共振負荷回路の共振周波数は、当該負荷回路を変更又は交換した場合個々の負荷回路毎に相違する。このような場合、負荷回路を変更する毎にインバータ回路のスイッチング周波数を設定し直す必要があり、設定作業が煩雑になる不具合がある。

また、温熱療法に用いられる磁界発生装置においては、共振負荷の磁界発生用コイル及び共振コンデンサは動作温度や外部雰囲気温度と共にインダクタンス値及び容量値が変化するため、動作中にこれらの値の変化に応じて二次側回路の共振周波数が変化し、この結果二次側の負荷回路に伝達されるエネルギーが急激に低下してしまう。さらに、患者の患部の位置及び大きさによっても二次側回路のインピダンスが変化することが判明している。一方、治療中に共振周波数が変化すると、二次側に伝達されるべきエネルギーが急激に低下し、治療に必要な強度の磁界が発生できなくなってしまう。

二次側回路のインピダンス値の変化に対応して制御する方法として、ＰＬＬを用いてフィードバック制御する方法が想定される。しかし、ＰＬＬ制御を行うためには特定の周波数をターゲットとする発振器や高周波増幅器が必要であり、製造コストが高価になる欠点がある。

従って、本発明の目的は、エネルギー供給されるべき共振負荷回路の構成要素を交換又は変更して二次側回路の共振周波数が変化しても共振周波数の変更に対して自動的に共振周波数に追従する磁界発生装置及び温熱治療装置を実現することにある。
また、本発明の別の目的は、装置の動作中にトランスの二次側の共振負荷回路の共振周波数が変化しても自動的に追従できる磁界発生装置及び及び治療システムを提供することにある。

本発明による磁界発生装置は、トランスの一次側に接続したインバータ回路と、トランスの二次側に接続され、磁界発生用コイルと共振コンデンサを含む共振負荷回路とを具え、前記インバータ回路の交流出力を前記トランスの二次側回路に伝達して前記磁界発生用コイルから磁界を発生させる磁界発生装置において、
前記トランスの二次側回路を流れる電流を検出する電流検出手段と、
検出した電流の零クロスを検出する零クロス検出回路と、
検出された零クロスに同期したパルスを発生するパルス発生回路と、
所定の期間中に前記パルスが発生しない場合に強制的にクロック信号を発生するクロック信号発生手段と、
パルス発生回路から出力されるパルス列、又は前記クロック信号に基づいて前記インバータ回路を駆動するための２つの駆動信号を生成する駆動信号生成回路とを具え、
前記インバータ回路は、前記２つの駆動信号によって対角駆動するように４個のトランジスタで一対の励振動作を行うＨ型のインバータ回路で構成され、
前記２つの駆動信号は、前記所定の期間中に前記パルスが発生することにより前記零クロスの検出が行われている場合には前記零クロスに同期したパルスによる他励発振とし、前記所定の期間中に前記パルスが発生せず前記零クロスの検出が行われていない場合には前記クロック信号に基づく自励発振となるように構成したことを特徴とする。

共振負荷回路の磁界発生用コイルから生ずる磁界の強度は、コイルに流れる電流の大きさ及びその周波数に対して比例関係にある。従って、共振電流の大電流化及び高周波化により被加熱物に発生する熱量を多くすることができる。一方、単純に大電流化しただけでは共振回路全体の損失も電流の２乗に比例して増大するため効率が低下してしまう。この効率低下に対してはＱ値を高くして損失低減することにより抑制することができるが、Ｑ値の高い共振回路では被加熱物の位置や周囲温度等の要因により共振周波数が設計値から変移した場合、その減衰特性から共振電流が急激に減少し、十分な強度の磁界を発生することができなくなってしまう。特に、癌治療に有効な温熱治療システムにおいては、周囲雰囲気の温度変化だけでなく、患者の患部の位置及び大きさ等の要因により二次側共振回路の共振周波数が大幅に変化する。この共振周波数の変化に対して、従来方法として、周波数スィープ等を利用して共振周波数を検出し、検出した共振周波数を中心周波数としたＰＬＬ方式による周波数追従制御方式が想定される。しかし、ＰＬＬ制御を用いた場合、その追従性及び安定性を確保する観点より、共振周波数に対する減衰帯域が広くとれる範囲、すなわち、共振周波数＜１００kHz、Ｑ＜１００程度の共振回路において数１０Ａ以下の共振電流を流すのが限界である。従って、ＰＬＬ制御を用いるシステムにおいても、温熱治療方法に用いることができる程の強磁界を発生するための大電流化及び高周波化を図る場合、共振回路のＱ値を一層高くして損失を抑制する必要がある。しかしながら、その結果として、共振周波数からの変位の許容範囲は数１００分の１程度と極めて狭くなり、逆に、被加熱物すなわち患者の位置や患部の大きさ等による共振周波数の変動による影響を受け易く、ＰＬＬによる追従では限界があった。

これに対して、本発明は、共振周波数の変化は、共振電流の零クロスの発生瞬時の変化として捉えることができるという認識に基づいている。すなわち、共振周波数が高くなれば、共振電流の零クロスの発生間隔が短くなり、共振周波数が低くなるにしたがって零クロスの発生間隔が長くなる。従って、零クロスに同期したパルスを発生し、当該パルスに基づいてインバータ回路のスイッチング素子を駆動すれば、共振周波数を直接検出することなく、共振周波数の変化に自動的に追従することができる。本発明による制御方式を採用すれば、共振周波数＝数１００ｋＨｚ、Ｑ＝数１００程度の共振回路であっても十分な追従が可能である。ただし、インバータの出力電圧と電流との間に原理的に起こる位相差のために高周波側において無効電力が発生するが、商用電源側から見た場合、インバータとの間に直流変換回路が存在し、当該直流変換回路が無効電力を吸収するため殆ど影響を受けることはない。また、主回路のスイッチング素子や制御回路応答によって共振周波数がＭＨｚとなる共振回路への適用は困難であるが、この周波数帯域では電界の影響による誘電加熱の要素が強くなり、誘導加熱による選択的加温の目的には適しないため問題とはならない。電磁波の発生効率としてとらえた場合、本発明により一層少ない損失での強磁場化が可能になる。

本発明による温熱治療システムは、トランスの一次側に接続したインバータ回路と、トランスに二次側に接続され、磁界発生用コイルと共振コンデンサとの共振負荷回路とを具え、前記インバータ回路の交流出力を前記トランスの二次側回路に伝達して磁界発生用コイルから患者の患部に向けて磁界を発生し、患者の患部を選択的に加温する温熱治療装置において、
本発明に係る磁界発生装置とを具え、
前記磁界発生用コイルを電流路がコイル面内でスパイラル状に延在するパン型コイルとし、前記インバータ回路を、前記共振負荷回路の共振周波数にほぼ等しい周波数で駆動することを特徴とする。

本発明による磁界発生装置及び温熱治療装置の作用効果を要約すると以下の通りである。
(1) ＰＬＬ制御を用いることなく、二次側回路の共振周波数の変化に自動的に追従することができる。従って、高いＱ値を有する共振回路の制御に極めて好適である。
(2) 二次側回路の構成要素、例えば磁界発生用のコイルを患者に応じて交換したり又は変更した場合であっても、制御系になんら変更することなく、対応することができる。
(3) 動作中に、雰囲気温度の変化や患者の位置等の変化に起因して共振周波数が変化しても自動的に追従することができ、治療に必要な十分な磁界エネルギーを発生することができる。

図１は本発明による磁界発生装置の磁界発生部分の一例を示す線図であり、図２は制御系の回路構成を示す線図であり、図３及び図４は動作を説明するための信号波形図である。本例では、温熱治療法に用いられる磁界発生装置について説明する。図１を参照するに、トランス１の入力側にインバータ回路２を接続し、トランスの二次側には磁界発生コイル３と共振コンデンサ４との共振負荷回路５を接続する。インバータ回路２は、スイッチング素子として動作する４個のトランジスタ１１〜１４を有するＨ型のインバータ回路とする。４個のトランジスタ１１〜１４のベースにはドライバ回路１１ａ〜１４ａをそれぞれ接続し、これらドライバ回路に駆動信号Ａ及びＢを供給して対角駆動させる。インバータ回路２には、入力端子１５ａ及び１５ｂ介して直流変換回路１６を接続し、直流変換回路の入力側に例えば３相２００Ｖの商用電源を接続する。直流変換回路１６は、整流平滑回路、昇圧コンバータ及び定電流コンバータを含み、例えばＤＣ５００Ｖの直流電力を入力端子１５ａ及び１５ｂに供給する。

トランス１の二次側回路に接続した共振負荷回路５の磁界発生用コイル３は、平面内に電流路がスパイラル状に延在するパン型コイルとし、このパン型コイルから患者の患部に向けて磁界を発生する。さらに、トランス１の二次側回路には電流検出手段である電流プローブ１７を接続し、この電流プローブにより二次側回路を流れる電流ＣＴを検出する。本発明では、検出した共振電流の零クロスを用いてインバータ回路２の駆動信号を生成する。

図２を参照するに、電流プローブ１７により検出した電流ＣＴは、二次側回路を流れる電流の零クロスを検出する零クロス検出回路２０に供給する。零クロス検出回路２０は、互いに反対向きに並列接続した２個のダイオード２１及び２２と、これらダイオードに並列接続した抵抗２３と、比較器２４とにより構成する。比較器２４から立ち上がり縁及び立ち下がり縁が零クロスに同期したｕ／ｖ信号が交互に出力する。このｕ／ｖ信号は、零クロスに同期したパルスを順次発生するパルス発生回路３０に供給する。パルス発生回路３０は、遅延回路３１と排他的ＯＲ回路３２により構成する。ｕ／ｖ信号は遅延回路３１及び排他的ＯＲ回路３２にそれぞれ供給する。排他的ＯＲから共振電流ＣＴの零クロスに同期したパルス幅５００ｍｓのパルス列Ｚｃｃが発生する。尚、遅延回路３１による遅延時間は、用途に応じて適宜設定することができ、例えば一例として癌治療の温熱治療システムに適用する場合５００ｎｓとすることができる。

共振電流の零クロスに同期したパルス列Ｚｃｃは、インバータ回路を駆動するための駆動信号を生成する駆動信号発生回路４０に供給する。また、動作の開始を指示するリセット信号を保護回路５０を介して駆動信号発生回路４０にも供給する。リセット信号は、保護回路５０の３入力ＯＲゲート５１及び別のＯＲゲート５２に入力する。３入力ＯＲゲート５１の出力はカウンタ５３のリセット入力に接続し、カウンタの別の入力には発振器５４を接続する。カウンタ５３の出力はデコーダ５５に接続し、デコーダ５５の出力をＯＲゲート５２の別の入力に接続する。

ＯＲゲート５２からの出力信号は駆動信号発生回路４０に供給する。駆動信号発生回路４０は、分周器を構成するフリップフロップ４１、２つのＡＮＤゲート４２及び４３、並びにＡＮＤゲート４２及び４３の出力側にそれぞれ接続したデッドタイム生成回路（ＤＴ回路）４４及び４５を含む。パルス発生回路３０からの出力信号Ｚｃｃは、保護回路５０の３入力ＯＲゲート５１及び駆動信号発生回路４０の分周器４１にそれぞれ供給する。分周器４１のCLR入力には、ＯＲゲート５２を経てリセット信号が入力してイネーブルされ、このリセット信号はANDゲート４２及び４３にも入力する。従って、デッドタイム生成回路４４及び４５からパルス信号Ｚｃｃが入力する毎に符号が反転した信号がＡＮＤゲート４２及び４３に入力し、デッドタイム生成回路４４及び４５から符号が互いに反転しインバータ回路を対角動作させる駆動信号Ａ及びＢをそれぞれ出力する。

次に、零クロスの検出に失敗した場合について説明する。零クロスの検出に失敗すると、トランジスタの直流励起による発熱及び破損の問題が発生するおそれがあるため、一定周期で分周器４１に対して強制的にクロック信号を供給する回路が必要となる。そのため、本例では、発振器５４から２ＭＨｚのクロック信号をカウンタ５３に供給し、当該カウンタにおいて周期50KPPS／パルス幅５００ｎｓのパルスであるタイムアウト信号（Ｔout）を生成し、システムリセットを生成するＯＲゲート５２に供給する。ＯＲゲートの出力は分周器４１にCLR入力に供給されるので、分周器４１は常時特定の初期状態からスタートすることになる。さらに、ＯＲゲート５２の出力はＡＮＤゲート４２及び４３にも供給されるので、タイムアウト期間中に各A及びB出力は共にＬレベルとなる。この結果、インバータ回路のトランジスタ１１〜１４はタイムアウト期間中オフとなり、タイムアウト信号ＴoutがＨに戻った時点で再度特定の対角トランジスタがオンし、共振回路へ再びステップ電圧が印加される。尚、二次側回路の零クロスが正常に検出されている場合はクロス信号の供給は不要であるため、零クロス信号によりカウンタのリセットを行う。このように構成することにより、零クロス検出が正常な場合は零クロス同期での他励発振となり、零クロス検出が行われない場合には５０kHzでの自励発振となる。

本発明は、ハードウェアとしてだけでなく、コンピュータを用いてソフトウェアとしても制御することができる。ソフトウェアで制御する場合の工程は以下の通りである。
(ステップ1) インバータ回路の第1の電流路をオンすると共に他方の第2の電流路をオフし、トランスにステップ電圧を印加する。
(ステップ2) 電流検出手段により検出した共振電流をＡ／Ｄ変換してコンピュータに取り入れ、零クロスを検出する。
(ステップ3) 所定の時間期間内に零クロスを検出できない場合、ステップ1に戻る。
(ステップ4) 零クロスを検出した場合、第1の電流路をオフすると共に第2の電流路をオンし、所定のステップ電圧を印加する。
(ステップ5) 上記工程を繰り返す。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、トランスの二次側回路の電流を検出する手段として電流プローブを用いたが、分流器を用いて電圧に変換された信号を用いることもできる。また、共振コイルやコンデンサの両端電圧を用いて電流値に換算した値を用いることも可能である。
さらに、上述した実施例では、共振負荷回路として共振コイルと共振コンデンサとの直列共振回路を用いたが、勿論共振コイルとコンデンサとの並列共振回路を負荷回路とすることもできる。

本発明による磁界発生装置の一例としての回路構成を示す線図である。磁界発生装置の制御系の構成を示す線図である。正常動作時の各回路部分の信号波形を示す図である。零クロスを検出できなかった場合の各回路部分の信号波形を示す図である。

符号説明

１トランス
２インバータ回路
３磁界発生用コイル
４共振コンデンサ
５共振負荷回路
１１〜１４トランジスタ
１５ａ〜１５ｂ入力端子
１６電圧変換器
１７電流プローブ
２０零クロス検出回路
３０パルス発生回路
４０駆動信号発生回路
５０保護回路

Claims

トランスの一次側に接続したインバータ回路と、トランスの二次側に接続され、磁界発生用コイルと共振コンデンサを含む共振負荷回路とを具え、前記インバータ回路の交流出力を前記トランスの二次側回路に伝達して前記磁界発生用コイルから磁界を発生させる磁界発生装置において、
前記トランスの二次側回路を流れる電流を検出する電流検出手段と、
検出した電流の零クロスを検出する零クロス検出回路と、
検出された零クロスに同期したパルスを発生するパルス発生回路と、
所定の期間中に前記パルスが発生しない場合に強制的にクロック信号を発生するクロック信号発生手段と、
パルス発生回路から出力されるパルス列、又は前記クロック信号に基づいて前記インバータ回路を駆動するための２つの駆動信号を生成する駆動信号生成回路とを具え、
前記インバータ回路は、前記２つの駆動信号によって対角駆動するように４個のトランジスタで一対の励振動作を行うＨ型のインバータ回路で構成され、
前記２つの駆動信号は、前記所定の期間中に前記パルスが発生することにより前記零クロスの検出が行われている場合には前記零クロスに同期したパルスによる他励発振とし、前記所定の期間中に前記パルスが発生せず前記零クロスの検出が行われていない場合には前記クロック信号に基づく自励発振となるように構成したことを特徴とする磁界発生装置。
請求項１に記載の磁界発生装置において、前記駆動信号生成回路は、発生したパルス列の周波数を１／２に分周する分周器と、当該分周器の出力信号とパルス生成回路からの出力信号とに基づいて互いに符号が反対の駆動信号をそれぞれ出力する２つのＡＮＤゲートとを含むことを特徴とする磁界発生装置。
前記インバータ回路の入力側には、商用電源を高圧直流電圧に変換する直流変換回路が接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁界発生装置。
請求項１から３までのいずれか１項に記載の磁界発生装置において、前記磁界発生コイルを電流路がコイル面内でスパイラル状に形成されたパン型コイルとし、当該パン型コイルから発生した磁界を患者の患部に向けて照射する温熱治療方法に用いることを特徴とする磁界発生装置。
トランスの一次側に接続したインバータ回路と、トランスに二次側に接続され、磁界発生用コイルと共振コンデンサとの共振負荷回路とを具え、前記インバータ回路の交流出力を前記トランスの二次側回路に伝達して磁界発生用コイルから患者の患部に向けて磁界を発生し、患者の患部を選択的に加温する温熱治療装置において、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁界発生装置を具え、
前記磁界発生用コイルを電流路がコイル面内でスパイラル状に延在するパン型コイルとし、前記インバータ回路を、前記共振負荷回路の共振周波数にほぼ等しい周波数で駆動することを特徴とする温熱治療装置。