JP4724870B2

JP4724870B2 - 磁界発生装置

Info

Publication number: JP4724870B2
Application number: JP2006512607A
Authority: JP
Inventors: 勇長野; 芳雄池畑
Original assignee: Kanazawa University NUC; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Kanazawa University NUC; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-04-22
Also published as: WO2005104146A1; JPWO2005104146A1

Description

本発明は、誘導加温治療器に用いられる磁界発生装置に関し、特に、エネルギー損失が大幅に低減された磁界発生装置に関するものである。

癌の治療方法として、温熱療法（ハイパーサーミア法）が研究されている。この温熱療法は、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℃前後で一定時間加温することにより、癌病巣だけを壊死させる治療方法である。この温熱療法では、デキストラン又はその誘導体と磁性酸化鉄との複合体のような磁性流体の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(例えば、特開２００２−３６０７１２号公報参照)。

患者の患部に注入された磁性体を誘導加熱するためには、磁界発生装置を用いて外部から患部に向けて強力な磁束を照射する必要がある。この誘導加熱に好適な磁界発生装置として、トランスの２次側に磁界発生用のコイルと共振コンデンサとの直列共振回路を接続し、磁界発生コイルに高周波数の大電流を流して強力な磁界を発生させている。コイルから発生する磁界の強度は、コイル面からの距離に応じて低下するため、患部に対して磁界発生源をできるだけ近接させることが望ましい。このため、磁界発生手段であるコイルとして、同一平面（コイル面）内にスパイラル状に電流路が形成されたパン型のコイルが用いられている。

磁界発生源としてパン型コイルを用いた場合、コイル面をはさんで両側に磁界が発生し、一方の側に患部が位置するため、他方の側に形成される磁界は全く使用されないことになる。従って、発生する磁界のうち半分の磁界しか使用されないため、エネルギー的に大きな損失となってしまう。また、パン型コイルの他方の側に形成される磁界は関連する機器に対して障害となるため、空間的に有効利用が図れない不具合も生じている。

従って、本発明の目的は、エネルギー損失を大幅に低減した磁界発生装置を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、磁界発生用のコイル付近の空間を有効利用できる磁界発生装置を提供することにある。

本発明による磁界発生装置は、変圧器の２次側に接続した磁界発生用のコイルと共振コンデンサとの直列共振回路を具え、前記磁界発生用のコイルは、コイル面上をスパイラル状に延在する電流路を有するパン型コイルにより構成し、該パン型コイルのコイル面の一方の側に、パン型コイルの最外径に等しいか又はそれ以上の外径を有する高透磁率材料の第１のコアプレートと、該第１のコアプレートからみて前記パン型コイルの側とは反対側に、空間的に離間して高透磁率材料の第２のコアプレートとを設けたことを特徴とする。

磁界発生手段としてパン型コイルを用いた場合、コイル面の両側に向けて磁界が発生し、一方の側の磁界は不要なものとなってしまう。そこで、本発明では、パン型コイルの患部に対向する側の反対側に磁路を形成する高透磁率材料のコアプレートを２つ配置する。これらのコアプレートは、例えばフェライトにより構成することができ、フェライトのコアプレートを配置することにより、コイル面と反対側には磁気抵抗の極めて小さい磁路が形成されるので、パン型コイルから発生する磁束が大幅に増強され、この結果患部に向けて形成される磁界強度を大幅に高くすることができる。

また、第１のコアプレートの外径をパン型コイルの外径寸法よりも大幅大きくした場合、パン型コイルの下側に回り込む磁界をほぼ零にすることができる。しかし、この場合、コイル面と並行な横方向の寸法が大きくなり過ぎてしまい、コイル付近の空間に関して設計上の制約が生じてしまう。そこで、本発明では、空間間的に離間して２枚のコアプレートを配置する。このように構成することにより、横方向の寸法が大きくなることなく、患部とは反対側に形成される磁界を一層大幅に低減することができる。

本発明による磁界発生装置の好適実施例は、第１のコアプレート又は第２のコアプレートに、前記パン型コイルのコイル面と直交する方向に延在する高透磁率材料の周縁脚部を設け、コアプレートの下側空間内に磁界が進入するのを防止したことを特徴とする。コアプレートに周縁脚部を設けることにより、下側空間における磁界の回り込みを大幅に低減することができるので、下側空間内に各種電子機器を配置することができ、この結果パン型コイルの下側空間を有効利用することができる。

本発明による磁界発生装置の別の好適実施例は、第１又は第２のコアプレートと周縁脚部とにより包囲される空間内に、前記共振コンデンサを配置したことを特徴とする。磁界発生用のコイルと共振コンデンサとの直列回路には、高圧の大電流が流れるため、コイルとコンデンサとの間の接続経路が長い場合、当該接続経路におけるエネルギー損失が大きくなってしまう。そこで、本発明では、コアプレートに周縁脚部を設けてコイルの下側に磁界のほとんど無い空間を形成し、当該空間内に共振コンデンサを配置する。この場合、コイルと共振コンデンサとを最短距離で接続できるので、接続路におけるエネルギー損失を大幅に低減することができる。

本発明による磁界発生装置の別の好適実施例は、第１のコアプレートのほぼ中央部に、前記パン型コイルの最内周電流路により規定される内側空間内に突出するように中心コアを設け、当該中心コアを高透磁率の材料で構成し、前記パン型コイルにより発生した磁束が、パン型コイルの内周側において前記中心コアを通過するように構成したことを特徴とする。パン型コイルの場合、形成される磁界は、コイルの内周中心に位置する中心点からコイルの外側を経て再びコイルの中心に戻るように形成される。一方、本発明者が種々の解析を行った結果、パン型コイルの内周側において、磁束の一部が最内周の電流路と鎖交してしまい、最内周側の電流路を構成する金属部分が異常に昇温することが判明した。この課題を解決するため、本発明では、第１のコアプレートの中心部に、コイルの最内周の電流路により規定される内側空間内に突出する高透磁率材料の中心コアを設ける。この中心コアを設けることにより、コイルの中心部付近を通過する磁束の大部分が中心コアを通り、電流路と鎖交する磁束を大幅に低減することができる。この結果、エネルギー的損失が軽減されると共にコイルの異常加熱を防止することができる。

本発明による磁界発生装置の回路構成を示す図である。本発明による磁界発生装置のコイル部分を示す平面図及び断面図である。本発明による磁界発生装置の変形例を示す図である。本発明による磁界発生装置の別の変形例を示す図である。本発明による磁界発生装置の別の変形例を示す図である。コアプレート半径と磁界強度の関係を示す図である。図６Ａにおける測定点１２０ｍｍのグラフである。コイル／コアプレート間距離と磁界強度の関係を示す図である。図７Ａにおける測定点１２０ｍｍのグラフである。コアプレートの厚みと磁界強度の関係を示す図である。図８Ａにおける測定点１２０ｍｍのグラフである。コアプレートの間隔と磁界強度の関係を示す図である。図９Ａにおける測定点１２０ｍｍのグラフである。

図１は、本発明による磁界発生装置の回路構成を示す図である。半導体スイッチング素子で構成されるインバータ回路２は、トランス１の１次側に接続され、所定の周波数の交流出力を発生する。磁界発生手段であるコイル３及び共振コンデンサ４を直列接続して構成される共振回路は、トランス１の２次側に接続されている。尚、交流出力は、２次側の直列共振回路の共振周波数にほぼ等しい周波数に設定する。そして、この磁界発生装置は、電磁誘導作用により１次側から２次側へエネルギーを伝達し、コイル３から交流磁界を発生させ、患者の患部に磁束を照射する。２次側のコイル３には、例えば数１００ｋＨｚの周波数で、５ｋＶで３００Ａの電流が供給される。一例として、コイル３としてインダクタンスが４μＨのものを用いることができ、共振コンデンサ４として、耐圧が１０００Ｖで０．０４μＦのコンデンサを５個直列に接続したものを３列並列に接続したコンデンサ回路を用いることができる。

図２は、磁界発生コイルの一例を示す平面図及び断面図である。本発明では、磁界発生コイルとして、ほぼ同一平面内（コイル面内）にスパイラル状に形成した電流路を有するパン型のコイルを用いる。このパン型のコイル３は、銅製の中空パイプと、この中空パイプの外周に配列され、外周が絶縁性材料で被覆された複数の導線とにより構成され、パイプの内部に冷却材、例えば水を供給して冷却能力が与えられる。尚、銅パイプの外側は絶縁材料により被覆する。

パン型のコイル３においては、コイル面の両側に向けて磁界が発生する。しかし、患部に供給される磁界は一方の側から発生する磁界だけであるため、他方の側に形成される磁界は不要なものとなってしまう。すなわち、コイル３から発生する磁界の半分の磁界はエネルギー的に損失してしまう。そこで、本例では、図２（Ｂ）に示すように、コイル３から患部に向けて磁界が供給される側とは反対側に、例えばフェライトのような高透磁率材料のコアプレート１０をコイル面に対してほぼ並行に配置する。コアプレート１０の外径は、コイル３の最外周の径に等しいか又はそれ以上とする。高透磁率材料のコアプレート１０の磁気抵抗は空気に比べてはるかに小さいため、反対側（図面上、上向き）すなわち患部に向けて供給される磁界が一層増大し、エネルギー的な損失を大幅に軽減することができる。さらに、コイル３の図面下側の磁束はコアプレート１０を通ることになり、コアプレート１０は磁気シールドの効果を発揮し、コイル３の下側空間に磁界が形成される不具合を解消することができる。この結果、コイル３の下側空間内に共振コンデンサ等の種々の素子を配置することができ、周囲の装置や作業者への磁界の影響が少なくなる。

図３は、本発明による磁界発生装置の変形例を示す断面図である。本例では、第１のコアプレート１０から空間的に離間して第２のコアプレート１１が配置される。第１のコアプレート１０の外径がコイル３の外径に比べて大幅に大きい場合、コアプレート１０の下側空間への磁界の回り込みをほぼ消滅させることができる。しかし、コアプレート１０の外径を大きくすると、磁界発生装置の横方向に占める空間が大きくなり過ぎてしまう。そこで、本例では、第１のコアプレート１０の外径はコイル３の外径よりも若干大きいものに設計し、第１のコアプレート１０に空間的に離間して第２のコアプレート１１を配置する。このように、２枚のコアプレート１０，１１を配置することにより、シールド効果が一層高くなり、コアプレート１０，１１の下側に回り込む磁界を大幅に消滅させることができる。

図４は、本発明による磁界発生装置の別の変形例を示す。本例では、第２のコアプレート１１に高透磁率材料の周縁脚部１１ａが設けられ、第２のコアプレート１１の下側空間の横方向におけるシールドをほぼ完全なものとする。このように、コアプレート１１に高透磁率材料の周縁脚部１１ａを設けることにより、磁気シールド効果が一層増大し、コアプレートの下側空間内に回り込む磁界をほぼ完全に消滅させることができる。この結果、当該空間内に共振コンデンサを配置することが可能になる。コイル３と共振コンデンサ４との間の接続導線には大容量の電流が流れるため、このコイル３と共振コンデンサ４との間の接続距離が長くなるにしたがってエネルギー的な損失も増大する。従って、磁界発生コイル３の下側空間内にコアプレートを挟んで共振コンデンサ４を配置することにより、コイル３と共振コンデンサ４との間の接続距離を大幅に短縮することができ、この結果エネルギー損失を一層低減することができる利点が達成される。尚、高透磁率の周縁脚部１１ａは、第２のコアプレート１１ではなく、第１のコアプレート１０に直接設け、第２のコアプレート１１を取り除くことも可能である。この場合でも、コイル３から発生した磁界の回り込みを軽減することができる。

図５は、本発明による磁界発生装置の別の変形例を示す。本例では、第１のコアプレート１０の中央に高透磁率材料の中心コア１０ａが設けられる。本発明者がコイルの温度分布を測定した結果、中心コア１０ａが存在しない場合、コイル３の最内周の電流路だけが異常に高温になることが判明した。この実験結果について解析した結果、コイル３の内周側を通る磁束が最内周の電流路を構成する銅パイプの一部と鎖交し、誘導加熱されたものと考えられる。従って、最内周の銅パイプに近接するように高透磁率材料の中心コア１０ａを設けることにより、コイル３の内周側を通る磁束の大部分が中心コア１０ａを通ることになり、銅パイプの誘導加熱を防止することができる。

次に、本発明による磁界発生装置における磁界強度の測定結果を示す。図６Ａは、コアプレート半径と磁界強度の関係を示す図である。これは、図２に示したように、コアプレートをコイル面に対してほぼ並行に配置した場合に、コイル面からみてコアプレートが配置された側とは反対側（患部側）の測定点（ｍｍ）における磁界強度（ｍＴ）を示している。具体的には、コイルの半径を１００ｍｍ、導線の直径を５ｍｍとし（すなわち、導線を含むコイルの半径は１０５ｍｍとなる）、コアプレート半径を０，９０，１００，１０５，１１０，１１５，１２０ｍｍとした場合の、測定点０，１０，・・・，１２０における磁界強度を示している。ここで、測定点とは、コイルの中心からの垂線の距離をいい、コアプレートが存在しない患部側をプラス、コアプレートが存在する側をマイナスとする。図６Ｂは、図６Ａにおいて、コアプレート半径と、測定点１２０ｍｍにおける磁界強度との関係を示すグラフである。図６Ａ及び図６Ｂによれば、コアプレート半径が導線を含むコイルの半径１０５ｍｍと同一のときに、磁界強度が最大になっていることがわかる。この測定結果から、コアプレートの半径が導線を含むコイルの半径（具体的にはコイルの半径に導線の直径を加えた値）と同一のときに、効率よく磁界を患部に供給することができる。

図７Ａは、コイル／コアプレート間距離（コイルとコアプレートとの間の距離）と磁界強度の関係を示す図である。これは、図２に示したように、コアプレートをコイル面に対してほぼ並行に配置した場合に、コイル面からみてコアプレートが配置された側及びその反対側（患部側）の測定点（ｍｍ）における磁界強度（ｍＴ）を示している。具体的には、コイルの半径を１００ｍｍ、導線の直径を５ｍｍ（すなわち、導線を含むコイルの半径は１０５ｍｍとなる）、コアプレート半径を１０５ｍｍ（すなわち、導線を含むコイルの半径と同一の値）、コイル／コアプレート間距離を０．５，３，５，１０ｍｍとした場合の、測定点０，１０，・・・，１２０における磁界強度を示している。図７Ｂは、図７Ａにおいて、コイル／コアプレート間距離と、測定点１２０ｍｍにおける磁界強度との関係を示すグラフである。図７Ａ及び図７Ｂによれば、コイル／コアプレート間距離が短いほど磁界強度が大きくなっていることがわかる。距離が０のときに磁界強度が最も大きくなるが、実際はコイルとコアプレートとを絶縁するためのスペースが必要になる。このため、実用的なコイル／コアプレート間距離は、絶縁距離を確保した最小限の距離、すなわち３ｍｍ〜５ｍｍの範囲とするのが好ましい。したがって、コイル／コアプレート間距離を３ｍｍ〜５ｍｍ程度にすることにより、コイルとコアプレートとを絶縁すると共に、効率よく磁界を患部に供給することができる。

図８Ａは、コアプレートの厚みと磁界強度の関係を示す図である。これは、図２に示したように、コアプレートをコイル面に対してほぼ並行に配置した場合に、コイル面からみてコアプレートが配置された側とは反対側（患部側）の測定点（ｍｍ）における磁界強度（ｍＴ）、及び、コアプレートが配置された側の測定点（ｍｍ）における磁界強度（ｍＴ）、並びに、反射効率とシールド効果との比率を示している。具体的には、コイルの半径を１００ｍｍ、導線の直径を５ｍｍ（すなわち、導線を含むコイルの半径は１０５ｍｍとなる）、コアプレート半径を１０５ｍｍ（すなわち、導線を含むコイルの半径と同一の値）、コイル／コアプレート間距離を３ｍｍ、コアプレートの厚みを５，１０，１５，２０ｍｍとした場合の、測定点０，１０，・・・，１２０，−１０，−２０，・・・，−１２０における磁界強度を示している。測定点０，１０，・・・，１２０の磁界強度は、反射効率を示しており、測定点−１０，・・・，−１２０（コアプレート５ｍｍの場合）、測定点−２０，・・・，−１２０（コアプレート１０，１５ｍｍの場合）、測定点−３０，・・・，−１２０（コアプレート２０の場合）の磁界強度は、シールド効果を示している。図８Ｂは、図８Ａにおいて、コアプレートの厚みと、測定点１２０ｍｍにおける磁界強度との関係を示すグラフである。図８Ａ及び図８Ｂによれば、反射効率は、コアプレートの厚みが１０ｍｍ〜２０ｍｍの場合にほぼ一定であり、１０ｍｍよりも小さい場合に低下していることがわかる。これに対し、シールド効果は、コアプレートの厚みが１０ｍｍ〜２０ｍｍの場合にほぼ一定であり、１０ｍｍよりも小さい場合に良くなっていることがわかる。また、反射効率とシールド効果との比率は、コアプレートの厚みが１０ｍｍ〜２０ｍｍの場合の方が１０ｍｍよりも小さい場合に比べて高くなっていることがわかる。このため、コアプレートの厚みは、１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲とするのが好ましい。したがって、コアプレートの厚みを１０ｍｍ〜２０ｍｍとすることにより、効率よく磁界を患部に供給することができる。これに対し、実用面を考慮すると、コアプレートの厚みが１０ｍｍよりも小さい場合は反射効率は低下するが、５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲としても何ら支障はない。尚、好適なコアプレートの厚みは、磁界強度、コアプレートの材質、及びコイルに流れる電流の周波数によって変化する。前述の測定結果は、磁界強度を６ｍＴ、コアの材質として比透磁率を２４００、周波数を１４０ｋＨｚとした場合の例である。

図９Ａは、２個のコアプレートを用いた場合の、コアプレート間隔と磁界強度の関係を示す図である。これは、図３に示したように、２個のコアプレートをコイル面に対してほぼ並行に配置した場合に、コイル面からみてコアプレートが配置された側とは反対側（患部側）の測定点（ｍｍ）における磁界強度（ｍＴ）、及び、コアプレートが配置された側の測定点（ｍｍ）における磁界強度（ｍＴ）、並びに、反射効率とシールド効果との比率を示している。具体的には、コイルの半径を１００ｍｍ、導線の直径を５ｍｍ（すなわち、導線を含むコイルの半径は１０５ｍｍとなる）、コアプレート半径を１０５ｍｍ（すなわち、導線を含むコイルの半径と同一の値）、コイル／コアプレート間距離を３ｍｍ、コイルに近い第１のコアプレートの厚みを１０ｍｍ、コイルから遠い第２のコアプレートの厚みを５ｍｍとした場合の、測定点０，１０，・・・，１２０，−１０，−２０，・・・，−１２０における磁界強度を示している。測定点０，１０，・・・，１２０の磁界強度は、反射効率を示しており、測定点−２０，・・・，−１２０（コアプレート間隔０の場合）、測定点−３０，・・・，−１２０（コアプレート間隔２．５，５，１０の場合）の磁界強度は、シールド効果を示している。図９Ｂは、図９Ａにおいて、コアプレート間隔と、測定点１２０ｍｍにおける磁界強度との関係を示すグラフである。図９Ａ及び図９Ｂによれば、反射効率は、コアプレート間隔が５ｍｍ〜１０ｍｍの場合にほぼ一定であり、５ｍｍよりも小さい場合に良くなっていることがわかる。これに対し、シールド効果は、コアプレート間隔が５ｍｍ〜１０ｍｍの場合にほぼ一定であり、５ｍｍよりも小さい場合に低下していることがわかる。また、反射効率とシールド効果との比率は、コアプレート間隔が５ｍｍ〜１０ｍｍの場合の方が５ｍｍよりも小さい場合に比べて低くなっていることがわかる。図９Ａ及び図９Ｂによれば、コアプレート間隔が狭いほど効果を得ることができるため、コアプレートの間隔は、０ｍｍ〜５ｍｍの範囲とするのが好ましい。したがって、コアプレート間隔を０ｍｍ〜５ｍｍとすることにより、効率よく磁界を患部に供給することができる。

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、銅パイプの内部を水を循環させることによりコイルを冷却したが、コイル及びコアプレートを冷媒が充填された密封容器内に配置し、コイル及びコアプレート全体を冷却することもできる。

Claims

変圧器の２次側に接続した磁界発生用のコイルと共振コンデンサとの直列共振回路を具え、
前記磁界発生用のコイルは、コイル面上をスパイラル状に延在する電流路を有するパン型コイルにより構成し、
該パン型コイルのコイル面の一方の側に、パン型コイルの最外径に等しいか又はそれ以上の外径を有する高透磁率材料の第１のコアプレートと、
該第１のコアプレートからみて前記パン型コイルの側とは反対側に、空間的に離間して高透磁率材料の第２のコアプレートとを設け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、前記第１のコアプレート又は第２のコアプレートに、前記パン型コイルのコイル面と直交する方向に延在する高透磁率材料の周縁脚部を設け、コアプレートからみてパン型コイルの側とは反対側の空間内に磁界が進入するのを防止したことを特徴とする磁界発生装置。
請求項２に記載の磁界発生装置において、前記第１又は第２のコアプレートと周縁脚部とにより包囲される空間内に、前記共振コンデンサを配置したことを特徴とする磁界発生装置。
請求項１から３までのいずれか一項に記載の磁界発生装置において、前記第１のコアプレートのほぼ中央部に、前記パン型コイルの最内周電流路により規定される内側空間内に突出するように中心コアを設け、該中心コアを高透磁率の材料で構成し、前記パン型コイルにより発生した磁束が、パン型コイルの内周側において前記中心コアを通過す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から４までのいずれか一項に記載の磁界発生装置において、前記高透磁率材料として、フェライト材料を用いることを特徴とする磁界発生装置。
請求項１から５までのいずれか一項に記載の磁界発生装置において、前記電流路を、内部が中空の金属製のパイプで構成し、該パイプの内部を冷却材が流通することを特徴とする磁界発生装置。
請求項１から６までのいずれか一項に記載の磁界発生装置において、患者の患部に向けて磁束を照射し、特定の部位だけを選択的に加温する温熱治療法に用いられることを特徴とする磁界発生装置。
請求項１から７までのいずれか一項に記載の磁界発生装置において、前記パン型コイルの最外径を、電流路を構成する導線の径を含んだ最外径とし、前記第１のコアプレートをパン型コイルの最外径に等しくすることを特徴とする磁界発生装置。
請求項１から７までのいずれか一項に記載の磁界発生装置において、前記パン型コイルと第１のコアプレートとの間の距離を、３ｍｍ〜５ｍｍの範囲とすることを特徴とする磁界発生装置。
請求項１から７までのいずれか一項に記載の磁界発生装置において、前記第１のコアプレートの厚みを、１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲とすることを特徴とする磁界発生装置。
請求項１から７までのいずれか一項に記載の磁界発生装置において、前記第１のコアプレートと第２のコアプレートとの間の距離を、０ｍｍ〜５ｍｍとすることを特徴とする磁界発生装置。