JP5048670B2 - マイクロ波誘電加熱装置 - Google Patents

Description

本願発明は、マイクロ波誘電加熱装置、特に、マイクロ波手術機などの医療機器に適した発明である。

従来、この種のマイクロ波手術機としては、マイクロ波を発生するマグネトロン（マイクロ波発振部）、および、該マグネトロンにおいて発生したマイクロ波を、被加熱部である治療部位に接触状態で該治療部位に照射する電極とを備えたものが公知である。かかるマイクロ波治療器にあっては、電極を、たとえば患者の肝臓のガン組織に接触状態として、マイクロ波を発振して照射することによって、かかるガン組織を加熱して組織凝固させるものであった。

ここで、前記マイクロ波発生部は、２４５０ＭＨｚの固定の周波数のマイクロ波を発生するものであった。

上記マイクロ波治療器にあっては、治療部位の加熱処理の進行が遅い場合などには、マグネトロンにおけるマイクロ波の出力を強くすることがなされているが、出力を強くしても十分な効果が得られないことがあった。一方、治療部位を過度に加熱しすぎると、治療部位が黒く変色し、さらには炭化を生じてしまい、患部に悪影響を与えるおそれもあった。

また、このマグネトロンは、交流電源のうち一定値以上のものを増幅して用いるものであり、このマグネトロンによるマイクロ波は、交流電源の周期と関連した周期的に出力０の状態が存在する断続的な出力（時間的に連続しない出力）とならざるを得ず（図８参照）、このため、効率の良い加熱を行うことができないという問題を有している。なお、図８は、マイクロ波の出力波形の測定結果を示す。

そこで、本願発明は、上記事情に鑑みて創案されたもので、本願発明の課題は、的確に被加熱部を加熱することのできるマイクロ波誘電加熱装置を提供することにある。

上記課題を解決すべく、本願発明に係るマイクロ波誘電加熱装置は、マイクロ波を発振するマイクロ波発振手段を有するとともに、該マイクロ波発振手段から発振されるマイクロ波の誘電加熱によって物体を加熱するマイクロ波誘電加熱装置であって、前記マイクロ波発振手段は、該マイクロ波発振手段によって発振するマイクロ波の周波数が可変に設けられている構成を採用した。

該構成からなる本願発明にあっては、被加熱部である物体に照射するマイクロ波の周波数を、物体の種類、物体の状態などによって変更することができるため、的確に被加熱部を加熱することができる。

なお、本願発明にあっては、前記マイクロ波発振手段が、発振するマイクロ波の周波数を段階的（たとえば三段階）に変更できるように設けることも可能であるが、マイクロ波発振手段が、略連続的に変更可能に設けられていることが好ましい。これによって、より的確に被加熱部を加熱することができる。なお、「略連続的に変更可能」は、たとえば１ＭＨｚ単位ごとに連続して周波数を変更できるものも含まれるものである。

なお、上記構成を採用するには、マイクロ波発振手段が、マイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、該マイクロ波生成部において生成されたマイクロ波を増幅するマイクロ波増幅部とを備え、マイクロ波生成部が、生成するマイクロ波の周波数を略連続的に変更可能に設けられている構成を採用することによって可能である。なお、かかる構成を採用することによって、マイクロ波発振手段が、時間的に連続したマイクロ波を加熱部に照射できるように設けることが可能となる。

また、本願発明に係るマイクロ波誘電加熱装置にあっては、前記マイクロ波発振手段の発振したマイクロ波が被加熱部である前記物体において反射した反射波を受信するように設けられている構成を採用することが好ましい。これにより、前述のように受信した反射波に基づいて、前記マイクロ波発振手段から発振されるマイクロ波を変更することができ、電圧定在波比（ＶＳＷＲ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ）に応じて被加熱部への効率の良い加熱処理を行うことが可能となる。つまり、種々の条件により異なるものの原理的には反射波が少ない状態で加熱処理がなされることによって、効率の良い加熱が行われると考えられ、このため電圧定在波比に応じてマイクロ波の周波数を変更せしめることで効率の良い処理が可能となると考えられる。このように効率の良い加熱処理が可能なため、たとえば生体の肝臓を加熱し凝固させる処理を行う場合にあっては、広範囲な凝固を短時間において行うことが可能となる利点を有する。なお、「マイクロ波を変更する」とは、たとえばマイクロ波の周波数を変更することや、マイクロ波の出力を変更することなどを意味している。

また、本願発明に係るマイクロ波誘電加熱装置にあっては、被加熱部である前記物体に接触状態で該物体にマイクロ波を照射する電極を備え、該電極は取り替え可能に設けられており、該電極の種類に応じて、前記マイクロ波発振手段によって発振するマイクロ波が変更可能に設けられている構成を採用することが好ましい。
これにより、加熱される物体に応じて（たとえば患部に応じて）電極を変更することができ、また、変更された電極に応じてマイクロ波の周波数を変更することができるので、的確な加熱処理を行うことが可能となる。
さらに、前記電極は、前記マイクロ波を照射するマイクロ波照射部を外面に有する針状体と、該針状体の外面に配置され、前記被加熱部である物体の温度を検知する第１温度検知手段と、前記針状体及び前記第１温度検知手段の外面に被覆され加熱処理時に前記被加熱部である物体に接触状態となる接触部材とで構成されている。
これにより、第１温度検知手段において一定温度以上が検出された際にマイクロ波の出力調整を行うことで、電極周辺部の前記被加熱部である物体の炭化を的確に防止できる。

また、本願発明に係るマイクロ波誘電加熱装置にあっては、前記電極外部の温度を検知する第２温度検知手段を有することが好ましい。これにより、温度検知手段によって検知された温度に基づいて、前記マイクロ波発振手段が発振するマイクロ波を変更でき、被加熱部の状態変化に応じて的確な加熱処理を行うことができる。すなわち、所望範囲外の加熱・凝固を防止することができる。

また、本願発明に係るマイクロ波誘電加熱装置にあっては、前記マイクロ波発振手段は、時間的に連続したマイクロ波を加熱部に照射できるように設けられている構成を採用することが好ましく、これにより、効率の良い加熱処理を行うことができる。

本願発明の実施形態のマイクロ波手術機の概略構成を説明するための概略構成説明図である。 同実施形態において用いられる電極の要部拡大断面図である。 実験例１において、本実施形態のマイクロ波手術機によって卵白を加熱凝固させた後の写真である。 実験例１において、本実施形態のマイクロ波手術機によって卵白を加熱凝固させた後の写真である。 実験例１において、従来例のマイクロ波手術機によって卵白を加熱凝固させた後の写真である。 実験例２においては、実験開始からの経過時間とＶＳＷＲ値の測定結果を説明する表である。 実験例２においては、実験開始からの経過時間とＶＳＷＲ値の測定結果を説明する表である。 従来のマグネトロンによるマイクロ波の出力波形の測定結果を示す。

符号の説明

１００ マイクロ波発振部
１１０ マイクロ波生成部
１２０ マイクロ波増幅部
２００ 電極
２００ａ マイクロ波照射部
２１０ 針状体
２２０ 接触部材
３００ コンピュータ
４００ 電圧定在波比計
５００ 温度検出手段
６００ 温度検出手段

本願発明の一実施の形態として、マイクロ波手術機を例にとり以下説明する。
まず、本実施形態のマイクロ波手術機は、マイクロ波生成部１１０とマイクロ波増幅部１２０とからなるマイクロ波発振部１００、該マイクロ波発振部１００に接続されマイクロ波発振部１００のマイクロ波を被加熱部に照射する電極２００、および、前記マイクロ波発振部１００を制御する制御手段３００を備えている。本実施形態においては、制御手段３００は、コンピュータ３００から構成されている。

前記電極２００は、取り替え可能に前記マイクロ波発振部１００のマイクロ波増幅部１２０に接続されている。また、本実施形態においては、前記電極２００は、電圧定在波比計４００を介して前記マイクロ波発振部１００のマイクロ波増幅部１２０に接続されており、電極２００は、照射したマイクロ波の反射波を受信して、電圧定在波比計４００において進行波と反射波との比が検出されるように設けられている。また、該電圧定在波比計４００は、検出したデータを前記コンピュータ３００に送信するように設けられている。

また、前記電極２００は、全体として略針状の形状をなしており、マイクロ波照射部２００ａを外面に有する針状体２１０と、該針状体２１０の外面に配置された温度検出手段５００と、針状体２１０および温度検出手段５００の外面に被覆され加熱処理時に被加熱部に接触状態となる接触部材２２０とから構成されている。前記マイクロ波照射部２００ａは、針状の電極２００の先端部から例えば約１０ｍｍ程度末端側に位置しており、前記マイクロ波を被加熱部に照射するように設けられている。また、前記温度検出手段５００は、前記コンピュータ３００に接続されており、検出したデータをコンピュータ３００に送信するように設けられている。

なお、本実施例においては、前記接触部材２２０は、たとえばテフロン（商標）などのポリフッ化エチレン樹脂からなり、厚み約０．４ｍｍ程度に設けられている（図２におけるＬ）。この接触部材２２０によって、マイクロ波照射部と被加熱部との間には０．４ｍｍ以上の間隔が存在するため、接触部位の変色等を的確に防止することができる。なお、前記マイクロ波発振部と物体の接触部位との間の間隔は、０．１ｍｍ以上とすることにより上記利点を奏することができ、好ましくは０．２ｍｍ以上、より好ましくは０．４ｍｍ以上である。

また、本実施形態においては、温度検出手段５００を電極２００に内蔵させるとともに、該電極２００から離間した位置の温度を検出するための第二の温度検出手段６００を備えている。この電極２００の外部の温度を検出する第二の温度検出手段６００は、全体として略針状の形態を有するものを採用することが可能である。なお、上記実施形態においては、二つの温度検出手段５００，６００を有するものについて説明したが、何れか一方のみの温度検出手段を採用することも適宜設計変更可能である。

前記制御手段３００としてのコンピュータ３００は、前記マイクロ波発振部１００のマイクロ波生成部１１０を制御して、生成されるマイクロ波の周波数・出力を変更できるように設けられている。ここで、コンピュータ３００は、前記マイクロ波生成部１１０において生成されるマイクロ波の周波数および出力を略連続的に変更できるように設けられている。なお、「略連続的」とは、所定の割合（たとえば一定の割合）で低周波数・低出力から高周波数・高出力に多段階で変更できるように設けられていることを意味し、たとえば、１ＭＨｚ単位ごとに周波数を変更できるものを含む趣旨である。

また、前記マイクロ波生成部１１０においては、時間的に連続したマイクロ波（時間的に断続的でないマイクロ波（出力が０となる時間が連続しないマイクロ波））が生成されるように設けられており、該マイクロ波生成部１１０において生成されたマイクロ波が前記マイクロ波増幅部１２０において増幅されて前記電極２００に伝達されるように設けられている。

また、該コンピュータ３００は、前記電圧定在波比計４００または温度検出手段５００，６００から送信されたデータに基づいてマイクロ波の周波数等を自動的に変更する（自動制御を行う）ように設けることも可能であり、また、作業者の入力によってマイクロ波の周波数等を変更（手動制御）するように設けることも可能であり、さらには、双方の作業（自動制御・手動制御）を選択的に行い得るように設けることも可能である。また、該コンピュータ３００は、前記電極２００の変更に応じてマイクロ波の周波数等を変更することが可能である。

さらに、詳述すると、前記コンピュータ３００は、電圧定在波比計４００において検出されるＶＳＷＲ値が上昇したと判断した場合には、マイクロ波の周波数を変更するように設けることができる。これにより、効率的な加熱処理作業が可能となると考えられる。
また、前記コンピュータ３００は、電圧定在波比計４００において検出されたＶＳＷＲ値が一定値以上を超えたと判断した場合には、マイクロ波の出力を停止するように設けることも可能である。つまり、一定値以上のＶＳＷＲ値が検出された場合には、加熱作業に異常が発生しているものと考えられ、この際にマイクロ波の出力調整を行うことにより、異常な加熱作業を停止することができる。

また、前記コンピュータ３００は、温度検出手段５００，６００において検出された温度が一定温度以上とならないと判断した場合（加熱が的確に行われていないと判断した場合）には、マイクロ波の周波数・出力を変更するように設けることがことができる。これにより、加熱処理作業が不十分な場合に、好適な条件のマイクロ波を照射することで、効率的な加熱処理作業を行うことができる。

また、前記コンピュータ３００は、温度検出手段５００，６００において検出された温度が一定温度以上を超えたと判断した場合には、マイクロ波を調整するように設けることができ、より具体的には、たとえば、温度検出手段５００，６００が検知する温度が一定温度以上に達した場合、コンピュータ３００がマイクロ波の出力を停止するように設けることも可能である。つまり、たとえば電極２００に内蔵された温度検出手段５００において一定温度以上が検出された際にマイクロ波の出力調整を行うことで、電極２００の周辺部の被加熱物の炭化を的確に防止でき、また、第二の温度検出手段６００において一定温度以上が検出された際にマイクロ波の出力調整を行うことで、所望範囲外の加熱・凝固を防止することができる。
なお、該コンピュータ３００に異常発生通知手段（たとえばアラーム）を設けて、加熱処理作業時に異常を検知した場合に、前記異常発生通知手段により作業者に異常を通知するように設けることも適宜設計変更可能な事項である。

なお、上記実施形態においては、電極２００として針状のものを例にあげて説明したが、本願発明はこれに限定されるものではなく、種々の電極２００を採用することが可能である。また、上記実施形態においては、コンピュータ３００によって制御手段３００を構成したものについて説明したが、本願発明はこれに限定されるものではなく、たとえば、マイクロ発振部を内蔵する筐体に一体に制御部を内蔵することも適宜設計変更可能である。さらに、上記実施形態においては、本願発明を医療機器に用いたものについてのみ説明したが、本願発明を、工業用、たとえば有機反応、無機反応等の反応を促進（または抑制）するために加熱するために用いることも可能であり、具体的には、無機化学、セラミックス、有機化学、食品化学などの広い分野に応用することが可能である。

（実験例）
以下、上記実施形態のマイクロ波手術機を用いた実験例を説明する。

（実験例１）
実験例１では、上記実施形態のマイクロ波手術機および従来のマイクロ波手術機によって、鶏卵の卵白を５分間加熱し凝固する実験を行った。ここで、前記卵白は、外径４０ｍｍ程度の円筒形容器に入れられており、この容器を水温約３６℃の水槽内につけた状態とすることにより、前記マイクロ波手術機からの加熱以外の温度条件が一定となるように設定している。

まず、図３および図４は、本実施形態のマイクロ波手術機によって卵白を加熱凝固させた後の写真であり、図３においては、電極から２２９０ＭＨｚ１００Ｗのマイクロ波を、図４においては、電極から２３００ＭＨｚ１００Ｗのマイクロ波を照射している（加熱処理中においてマイクロ波の出力・周波数は一定としている）。また、図５は、マグネトロンを用いた従来のマイクロ波治療器（商品名「マイクロターゼ」・型式「ＯＴ−１１０Ｍ」・アルフレッサファーマ株式会社製）によりマイクロ波を照射した結果の写真である。

これらの写真から明らかなように、上記実施形態のマイクロ波手術機は、従来のマイクロ波治療器に比して、加熱処理が的確に広範囲に行うことができる。つまり、図３に示すものにあっては、直径３．５ｍｍ程度の略球形の範囲で卵白が加熱凝固された。また、図４に示すものにあっては、上方から下方にかけて直径の平均が３．０ｍｍ程度の円筒形状で下端にかけて先細りの範囲で卵白が加熱凝固された。一方、図５に示すものにあっては、上方から中央にかけて直径の平均が２．０ｍｍ程度の円筒形状で下端にかけて右側が凝固されずに左側のみに偏った範囲で卵白が加熱凝固された。

（実験例２）
実験例２では、上記実施形態のマイクロ波手術機によって、実験例１と同様の条件の卵白を１０分間加熱した際のＶＳＷＲを測定した。実験例２では、ＶＳＷＲが上昇した際に、マイクロ波の周波数を変更しており（出力は一定）、図６に示す実験においては、当初２２９０ＭＨｚ５１．１０Ｗのマイクロ波を照射し、実験開始から３０秒経過後周波数を２３１０ＭＨｚに変更し、実験開始から９０秒後周波数を２３１３ＭＨｚに変更した。また、図７に示す実験においては、当初２３１０ＭＨｚ５１．１０Ｗのマイクロ波を照射し、実験開始から３０秒経過後周波数を２２９５ＭＨｚに変更した。

この実験例のように、加熱処理を行っているとＶＳＷＲ値が上昇することがある。このＶＳＷＲ値の上昇は、被加熱物の固化などが原因と考えられる。そして、このようにＶＳＷＲ値が上昇した際に、上記のように周波数を変更することによって、ＶＳＷＲ値の上昇を抑制することができ、効率的な加熱処理が行い得ると考えられる。

なお、この実験では出力が５１．１０Ｗであったが、仮にたとえば出力を２００Ｗ程度の高出力とした場合には、ＶＳＷＲ値の上昇の問題が大きくなると懸念され、このように高出力による加熱処理作業を行った場合には、特に上記周波数の変更が有効になるものと思慮される。

Claims (4)

1. マイクロ波を発振するマイクロ波発振手段と、
   前記マイクロ波発振手段から発振されるマイクロ波の誘電加熱によって加熱される被加熱部である物体と、
   前記マイクロ波発振手段から発振されるマイクロ波を受けて前記被加熱部である物体に接触状態で該物体に当該マイクロ波を照射すると共に、取替え可能に設けられている電極と、
   前記マイクロ波発振手段から発振されるマイクロ波を変更する制御手段とを有し、
   前記マイクロ波発振手段は、マイクロ波を生成すると共に、生成するマイクロ波の周波数を略連続的に変更できるマイクロ波生成部と、該マイクロ波生成部において生成されたマイクロ波を増幅するマイクロ波増幅部とを備え、
   前記電極は、前記マイクロ波を照射するマイクロ波照射部を外面に有する針状体と、該針状体の外面に配置され、前記被加熱部である物体の温度を検知する第１温度検知手段と、前記針状体及び前記第１温度検知手段の外面に被覆され加熱処理時に前記被加熱部である物体に接触状態となる接触部材とで構成され、
   前記制御手段は、前記マイクロ波照射部にて照射されたマイクロ波が前記被加熱部である物体において反射した反射波を受信すると共に、前記第１温度検知手段にて検知した温度を受信し、その受信した反射波及び温度に基づいて、マイクロ波を変更してなることを特徴とするマイクロ波誘電加熱装置。
2. 前記電極外部の温度を検知する第２温度検知手段をさらに有し、
   前記制御手段は、前記第２温度検知手段にて検知した温度をさらに受信し、その受信した温度にも基づいて、マイクロ波を変更してなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波誘電加熱装置。
3. 前記制御手段は、前記電極の種類に応じて、前記マイクロ波発振手段から発振されるマイクロ波を変更してなることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波誘電加熱装置。
4. 前記マイクロ波生成部は、時間的に連続したマイクロ波を生成してなることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のマイクロ波誘電加熱装置。