JP5676254B2 - 磁気刺激用駆動回路 - Google Patents

Description

本出願は、２００７年６月７日付で出願された米国特許出願第１１／７５９，５３７号による優先権を主張し、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである。

磁場を患者の身体の患部へ印加することにより、数多くの病気が治療および／または診断されている。ニューロンおよび筋細胞は電気信号を運び、電磁的刺激に反応する生物的回路の一形態である。普通の導電性ワイヤループが磁界を貫通している時または変化する磁界の存在下にある時、電流がワイヤ内に誘導される。

導電性生物組織についても、同じ原理が当てはまる。変化する磁場が身体の一部に印加されると、ニューロンが脱分極し、刺激される。この刺激されたニューロンに関連する筋肉は、通常の原因によりニューロンが発火しているかのように収縮する。

神経細胞すなわちニューロンは、例えば、経頭蓋磁気刺激（ｔｒａｎｓｃｒａｎｉａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ＴＭＳ）によって間接的に行うなど、数々の方法で刺激することができる。ＴＭＳは、急速に変化する磁界を用いて神経細胞に電流を誘導するものであり、皮膚を切ったり穿刺する必要がない。神経の種類および周囲組織の局所的イオン状態にもよるが、神経内の膜電位が、通常負である周囲レベル約−９０ｍＶに対して上昇する時、神経は「発火（ｆｉｒｅ）」すると言われる。

磁気刺激を用いることは、損傷したまたは麻痺した筋肉群のリハビリテーションにおいて非常に効果的であり、これに限定されるものではないが、疼痛緩和、血管新生の刺激、傷の治癒、および骨成長を含む末梢神経刺激を含むその他の療法においても有益であることが証明されている。

磁気刺激はまた、主に神経組織で構成される脳の領域を効果的に刺激することが実証されている。特に興味深い分野の１つは、鬱病の治療である。米国だけでも２８００万人を超える人々が何らかの種類の神経精神疾患に罹患していると考えられている。これらは鬱病、統合失調症、躁病、強迫性障害、パニック障害などの状態を含む。鬱病は、精神疾患の中の「風邪」であり、米国内では１９００万人、世界中ではおそらく３４００万人が罹患していると考えられている。

現代医学は、多くのクラスの抗鬱剤（例えば、選択的セロトニン再取込み阻害薬（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓｅｒｏｔｏｎｉｎ ｒｅｕｐｔａｋｅ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｓ：ＳＳＲＩ’ｓ）、モノアミン酸化酵素阻害薬（ｍｏｎｏａｍｉｎｅ ｏｘｉｄａｓｅ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｓ：ＭＡＯＩ’ｓ）、および三環系抗鬱剤）、リチウム、および電気けいれん療法（ｅｌｅｃｔｒｏｃｏｎｖｕｌｓｉｖｅ ｔｈｅｒａｐｙ：ＥＣＴ）を含む数々の治療の選択肢を鬱病患者に提供している。しかし、多くの患者は、鬱病の症状の十分な軽減ができないでいる。現在まで、ＥＴＣは難治性鬱病のための効果的な療法となっているが、多くの患者は、その重い副作用の故に、この処置を受けようとはしない。

最近、反復経頭蓋磁気刺激（ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｃｒａｎｉａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ｒＴＭＳ）が、従来の方法に反応しない患者に対して大きな抗鬱効果があることが示されている。ｒＴＭＳの背景原理は、準痙攣刺激を繰返し前前頭皮質にかけ、皮質ニューロン膜を脱分極させることである。膜は、急速に変化する磁場を非侵襲的に印加した結果として誘導される１Ｖ／ｃｍを超える小さい電界により、脱分極される。

患者に治療効果を提供することができる磁気パルスを発生するためには、ＴＭＳ、ｒＴＭＳ、および磁気痙攣（発作）療法（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅｉｚｕｒｅ ｔｈｅｒａｐｙ：ＭＳＴ）による治療は全て、大量の電力が、典型的には数百ジュール（Ｊ）／パルスの範囲で必要である。このような治療で用いるコイルの設計を最適化するための様々な試みが行われたにも関わらず、大量な電力の必要性は実質的には軽減できていない。例えば、刺激コイルが急速なｒＴＭＳパルス列を発生するようにするために、何千ワット（Ｗ）もの電力が典型的にコイルにかけられる。この電力量により、コイルが急速に加熱する。このコイル加熱量は非常に大きいので、コイルを患者に用いることが不快または危険となる時点までコイルが加熱することが多い。従って、水、空気、または油を用いて刺激コイルを冷却する試みが行われてきた。残念ながら、これらの冷却機構は扱いにくく、磁気刺激システムの複雑度が増し、高価であり、刺激装置の性能に悪影響を与えることもある。より効果的なアプローチは、治療上同等な磁気パルスを発生するために磁気刺激装置に必要な電力量を低減することである。

上述の欠点および短所を鑑み、磁場を発生する装置および方法を提供するものである。そのような磁気刺激装置の１つは、磁場を発生させるインダクタと、電力を供給する電源とを含む。そのような装置はまた、前記インダクタと前記電源とを動作可能に連結する半導体スイッチ素子であって、前記電源からの電力を前記インダクタに導き、前記磁場を発生させるものである、前記半導体スイッチ素子を含む。

そのような方法の１つは、電源を用いて電力を供給し、半導体スイッチング素子を用いて前記電源をインダクタに動作可能に連結する工程を含む。そのような方法はまた、前記半導体スイッチング素子を用いて前記電源からの電力を前記インダクタに導く工程と、前記インダクタを用いて前記磁場を発生させる工程とを含む。

図１は、一実施形態による磁気装置の例を示す図である。 図２は、一実施形態による磁気装置駆動回路の例を示す回路図である。 図３は、一実施形態によるインダクタに印加する電圧のプロットの例を示すスクリーンショットである。 図４は、一実施形態による磁場を発生する方法の例を示す流れ図である。

開示した実施形態の対象は、法定要件に合致するために具体的に説明してある。しかし、説明自体は、本特許の範囲を限定することを意図していない。むしろ、発明者らは、請求項に記載された対象が、その他の現在または将来の技術に関連して、他の工程や、本明細書に記載したものと同様な要素を含むよう、他の方法でも実施されるかもしれないことを予期している。さらに、本明細書で「工程」という語は、使用する方法の様々な態様を意味するように用いているが、個々の工程の順序が明示的に記載されていない限り、この語は、本明細書で開示した様々な工程の間の特定の順序を暗示するものとは解釈してはならない。

概要
一実施形態によると、改善された駆動回路が提供される。本駆動回路は、治療用の磁気パルスを発生するために刺激コイルに必要な電力を低減する。電力が低減した結果、磁気刺激コイルにより発生する熱の規模・量を低減することにより、刺激コイルに関連する冷却の必要性が低減される。これらの低減の故に、磁気刺激装置全体は、複雑度が減り、小型化され、廉価となる。以下に説明するように、実施形態は、ＴＭＳおよびｒＴＭＳの電力要件を約５０％低減することにより、従来の駆動回路および刺激コイルと比較して約８００％の効率の向上を生み出す。

磁気装置の概要
様々な実施形態の態様を実施するための磁気装置の動作および用途の概要をここで説明する。当業者には公知であるように、導体に誘導される電界の大きさは、導体を横切る磁束密度の変化速度に比例する。電界が導体内に誘導されると、電界は導体内にそれに対応する電流が発生する。電流は、所定の点での電界ベクトルと同じ方向に流れる。ピーク電界は、磁束密度の変化の時間速度が最大の時に発生し、それ以外の時には減少する。磁気パルス時には、電流は、磁界を保つ傾向がある方向に流れる（すなわち、レンツの法則）。

理解されるように、電界を誘導するために様々な装置で上記の諸原理を利用することができ、そのような装置は、種々の用途で用いられる。例えば、磁気装置は、解剖学的部位などの電気刺激に用いられる。本明細書中の説明は、解剖学的組織の磁気刺激に関連して用いる磁気装置に焦点を合わせているが、そのような説明は、説明および明瞭化の目的のためのみそのように限定されていることが認められよう。従って、実施形態は、全ての分野の試みにおける磁気装置の全ての用途に同等に応用可能であることが理解されよう。従って、磁気装置についての本明細書中の説明は、本発明の実施形態を医療などの用途に限定するものと解釈してはならない。

それ故、また、ここで解剖学的部位の電気刺激という背景を鑑みると、解剖学的部位の特定部分（例えば、神経、組織、筋肉、脳など）は導体として作用し、電界がかけられた時に電流が通る。電界は、時変（例えばパルス）磁場を身体のその部分に印加することにより、解剖学的部位のこれらの部分に経皮的に印加する。例えば、ＴＭＳに関連して、頭蓋骨を横切るように時変磁場をかけて脳組織内に電界を発生させ、これにより電流を発生させる。誘導された電流が十分な密度であれば、膜のナトリウムチャネルが開き、活動電位反応が生じる時点まで、ニューロン活動電位が低減される。次に、電流のインパルスが、神経伝達物質の調節により情報を他のニューロンに伝達する軸索膜に沿って伝搬される。このような磁気刺激は、グルコース代謝および皮質組織内の局所的血流に急速に影響を与えることが示されている。大鬱病性障害の場合、神経伝達物質の調節異常、および前頭皮質およびこれにつながった周辺構造におけるグルコース代謝異常が生理学的異常である可能性がある。磁気刺激を前前頭皮質に反復して印加すると、神経伝達物質の濃度および代謝に慢性的な変化が起き、鬱病の症状が低減するか、緩和される。本明細書中の説明は、経皮的刺激に焦点を合わせているが、本明細書で説明した技術および装置は、いくつかの実施形態においては、患者に関して任意の場所に配置することができるコイルに関わる刺激に適用できることが当業者には認識されるはずである。そのような実施形態の１つにおいては、例えば、コイルを患者の解剖学的部位の任意の部分の内部、またはその付近に配置することもできる。

同様に、非皮質ニューロン（例えば、脳神経、末梢神経、感覚神経）も誘導された電界で刺激される。パルス磁場により誘導された刺激への反応における反応時間および伝導速度を観察することにより神経病理を診断するために、意図的に末梢神経を刺激する方法が開発されている。

前述したように、経皮的磁気刺激は、鬱病の治療のみに限定されないことを理解されたい。鬱病に加え、本発明の経皮的磁気刺激方法および装置は、以下のような人的苦痛を受けている患者を治療するのに使用される：てんかん、統合失調症、パーキンソン病、トゥレット症候群、筋萎縮性側索硬化症（ａｍｙｏｔｒｏｐｈｉｃ ｌａｔｅｒａｌ ｓｃｌｅｒｏｓｉｓ：ＡＬＳ）、多発性硬化症（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｃｌｅｒｏｓｉｓ：ＭＳ）、アルツハイマー病、注意欠陥多動性障害、肥満症、双極性障害／躁病、不安障害（例えば、広場恐怖症を伴うまたは伴わないパニック障害、社会不安障害として知られる対人恐怖症、急性ストレス障害、および全般性不安障害）、心的外傷後ストレス障害（Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ａｎｄ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ｍａｎｕａｌ ｏｆ Ｍｅｎｔａｌ Ｄｉｓｏｒｄｅｒｓ：ＤＳＭにおける不安障害の１つ）、強迫障害（ＤＳＭにおける不安障害の１つ）、疼痛（例えば、片頭痛、三叉神経痛、また、例えば、糖尿病性ニューロパシーによる疼痛などの神経因性疼痛を含む慢性疼痛障害、帯状疱疹後神経痛、および例えば繊維筋痛症などの突発性疼痛、局所性筋筋膜性疼痛症候群）、脳卒中後のリハビリテーション（神経可塑性誘導）、耳鳴り、統合を容易にするための移植ニューロンの刺激、物質関連障害（アルコール、コカイン、アンフェタミン、カフェイン、ニコチン、大麻などに対する依存症、乱用および禁断症状）、脊髄損傷および再生／リハビリテーション、脳卒中、頭部外傷、睡眠遮断の反転、原発性睡眠障害（原発性不眠症、原発性過眠症、概日リズム睡眠障害）、認識促進、認知症、月経前不快気分障害（ＰＭＳ）、薬物送達システム（細胞膜の薬物に対する透過性を変化させる）、タンパク質合成の誘導（転写および翻訳の誘導）、吃音、失語症、嚥下障害、本態性振戦、および／または摂食障害（過食症、食欲不振症、気晴らし食いなど）。

磁気刺激装置の例
電界を発生させる磁気装置に関連し、強磁性コアを用いることができる。いくつかの実施形態においては、このような電界は、例えば、経頭蓋磁気刺激（ｔｒａｎｓｃｒａｎｉａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ＴＭＳ）、反復ＴＭＳ（ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ ＴＭＳ：ｒＴＭＳ）、磁気痙攣（発作）療法（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅｉｚｕｒｅ ｔｈｅｒａｐｙ：ＭＳＴ）、神経伝導障害の診断、末梢神経の不快感の低減などの経皮的磁気刺激を実行することを目的とする。繰返しになるが、以下の例のいくつかは、説明および明瞭化の目的でＴＭＳおよびｒＴＭＳの実施形態に関連して説明してあるかもしれないが、上記に挙げた全てを含む、任意の種類の経皮的磁気刺激を本発明の実施形態によって実施することができる。さらに、また、上述のように、実施形態は経皮的磁気刺激に限定されない。実施形態は、任意の目的で磁場を発生させる磁気装置に関連して用いられるものである。

さらに、本明細書で提示した実施形態は、強磁性コア入り磁気刺激装置を用いるものに限定されない。例えば空気など、他のコア材料も用いることができるからである。そのようなコアの構成は、これに限定されるものではないが「８の字形」、円形、円錐形、または二重円錐形などの巻線を含むことができる。従って、本明細書中の説明は、説明および明瞭化を目的として、強磁性コアを有する磁気刺激装置を説明している。一実施形態において、強磁性コアは実質的に「Ｃ」字形とすることもでき、別の実施形態では、強磁性コアは、磁気飽和が少なくとも０．５テスラである高度可飽和磁性材料を含むこともできる。いくつかの実施形態においては、強磁性コアは、治療部位における磁界の分布を最適化する形状にすることもできる。その他の治療形態（例えば、末梢神経の不快感の低減など）での治療部位は、ＴＭＳの場合よりも多少深くすることもできる。

図１は、磁気装置１００の例を示す図である。磁気装置１００において、電源１１６、キャパシタ１１４、スイッチ１１２、およびコントローラ１２０は、電力信号をインダクタ１１０に供給する電気回路を形成している。この電力信号は、電界および／または磁場を発生することができる時変電力信号であればどのようなものでも良い。インダクタ１１０は、例えば、ＴＭＳ、ｒＴＭＳ、および／または磁気痙攣（発作）療法（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｅｉｚｕｒｅ Ｔｈｅｒａｐｙ：ＭＳＴ）を実行するために用いられる。

電源１１６は、ＴＭＳ、ｒＴＭＳ、ＭＳＴ、またはその他の任意の種類の用途のいずれであろうと、意図する目的のためにインダクタ１１０が磁場を発生するのに十分なエネルギーを供給する電源であれば、いかなる種類であっても良い。例えば、電源１１６は、従来の１２０または２４０ＶＡＣの主電源とすることができる。インダクタは、例えば、上述したように、空芯または強磁性コアを有する治療用コイルなど、任意の種類の誘導装置とすることができる。一実施形態において、このような治療用コイルは、高飽和コア材料で製作することができる。治療用コイルはまた、例えばＴＭＳ用にコイルを最適化するために、細いコアの設計を用いることができる。一実施形態において、細いコアの設計を用いる治療用コイルは、厚さを低減した実質的にＣ字形のコアとして構成することができ、こうすることにより、断面面積がより小さく、可飽和材料がより少なく、従って、電力の必要性もより少なくなり、重量も削減される一方で、従来のコア設計と同じ深さで貫く磁界の強さが実現できる。このような細いコアの設計を用いる治療用コイルは、より少量の患者の組織を刺激する磁場を発生できることが認められよう。

キャパシタ１１４は、インダクタ１１０にパルスをかけるためのエネルギー蓄積場所を提供する。本明細書ではキャパシタ１１４を説明しているが、一実施形態においては、キャパシタ１１４は任意の種類のエネルギー蓄積装置とすることができることが認められよう。従って、本明細書では、「キャパシタ」の語は、一実施形態においてはキャパシタとすることができる、任意の種類のエネルギー蓄積装置への簡略的な言及として用いているに過ぎない。例えば、別の実施形態において、電源１１６自体がキャパシタ１１４のエネルギー蓄積機能を果たすことができ、こうすることにより、キャパシタ１１４自体の必要性がなくなる。キャパシタ１１４は、例えば、１２０ＶＡＣの電源などが利用可能である場合の用途で用いることができる。典型的な診療所には、高電力の２４０ＶＡＣまたは３相の電源ではなく、従来の（例えば１２０ＶＡＣなどの）電源しか備え付けられていないことがある。その結果、インダクタ１１０にパルスをかけるに当たって用いる、エネルギーを蓄積するキャパシタ１１４を用いることにより、電源１１６のみを用いた場合に可能なレベルよりも高い電力レベルを用いて装置１００を作動させることができる。

電源１１６はまた、任意の数および種類の電源を有することができる。例えば、電源１１６は、１２０ＶＡＣから流れ、ＡＣ入力信号をＤＣ出力信号に変換する電源の出力であっても良い。あるいは、電源１１６はバッテリーとすることもでき、これは、磁気刺激装置を可搬式とすべき場合の用途で便利である。さらに別の実施形態においては、電源１１６は電源およびバッテリーの組合せとすることができる。このような構成は、パルス、またはパルス列を発生するのに必要な電力が電源の単独での能力（または能力の大きなパーセンテージ）を超える場合に便利であることが認識されよう。従って、パルスの発生に電源およびバッテリーの組合せを用い、例えば、パルス発生に関連して消費電力が高くなる時にはバッテリーで電圧を維持し易くし、パルスとパルスとの間では電源でバッテリーを充電するようにできる。従って、このような構成を組込んだ装置は、例えば、標準的な１２０ＶＡＣのコンセントを用いて、１２０ＶＡＣのコンセントで供給できる以上の電力を普通なら必要とするパルスを発生させることができ、および／または、適切なパワーラインレギュレーションを提供することができる。従って、このような装置は、標準的な１２０ＶＡＣのコンセントを有する場所、例えば診療所などで用いることができる。

キャパシタ１１４は、装置１００に必要な電力レベル、充電時間、および／またはパルスの種類に適切な、任意の数および／または種類のキャパシタ（またはその他の種類のエネルギー蓄積装置）を含むことができる。スイッチ１１２は、キャパシタ１１４および／または電源１１６からの電力のオン／オフ切替えによりインダクタ１１０を作動させることできる、任意の種類の電気的切替装置である。例えば、スイッチ１１２を操作して電源１１６からの電力を切替え、キャパシタ１１４を充電することができる。スイッチはまた、インダクタ１１０によりキャパシタ１１４を放電させるために用いることもでき、こうすることにより、例えば、ＴＭＳ治療に用いることができる磁場が発生する。ＴＭＳコントローラ１２０は、スイッチ１１２および／または電源１１６を制御する、任意の種類のハードウェア、ソフトウェア、またはその組合せとすることができる。

図２は、一実施形態による磁気装置駆動回路２００の例を示す回路図である。回路２００は、図１に示した様々な部品を簡略化した図示であること、また、図１および図２に示した部品に加えて、任意の数および種類の部品を、実施形態に関連して用いることができることが認められよう。

一実施形態において、回路２００は、電源１１６、キャパシタ１１４、インダクタ１１０（刺激コイルであっても良い）、およびスイッチ１１２を有することができ、前記スイッチは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）１２０および整流ダイオード１２２で形成でき、これらを並列接続できることがわかる。一実施形態においては、ＩＧＢＴ １２０を用いてキャパシタ１１４をインダクタ１１０に放電させ、磁場を発生させることができる。さらに、ＩＧＢＴ １２０は、過渡電圧を抑える整流ダイオード１２２により、大電圧スパイクから保護することができる。このような実施形態において、整流ダイオード１２２は、一般的に「スナバ（ｓｎｕｂｂｅｒ）」と呼ばれるものであっても良い。明瞭化の目的で本明細書ではＩＧＢＴ １２０と呼んでいるが、スイッチ１１２は、整流回路を用いる任意の装置を有することができる。

本明細書での説明は、ＩＧＢＴ １２０を用いる実施形態に焦点を合わせているが、その他の半導体切替え装置を実施形態に関連して用いることも認められよう。例えば、そのような一実施形態においては、一実施形態の一体化されたゲート整流型サイリスタ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ＩＧＣＴ）が、駆動回路２００におけるＩＧＢＴ １２０および整流ダイオード１２２に取って代わることができる。同様な電力ハンドリングおよび切替え特性を有するその他の半導体を、実施形態に関連して用いることもできる。

電源１１６は、回路２００または回路２００が一部を成す装置の意図される機能に適切な電源であれば、どのような種類でも良い。例えば電源１１６は、例えばＡＣ入力電力信号から変換（すなわち整流）したＤＣ電力信号を有することができる。電源１１６はまた、図１において上述したように、バッテリーまたはその他の電源を有しても良い。

上記の図１でそうであったように、キャパシタ１１４は、インダクタ１１０にパルスをかけて磁場を発生させることができる任意の種類のエネルギー蓄積装置である。インダクタ１１０は、強磁性コア（例えば鉄芯）または空芯磁気コイルとすることができる。一実施形態において、インダクタ１１０は、鉄芯磁気コイルとすることができる。鉄芯を用いた磁気コイルは空芯を有する磁気コイルよりも切替えが速いことが認められよう。従って、いくつかの実施形態において、鉄芯は、後述のように、皮質ニューロンの刺激に関連して用いることができる短いパルス幅を発生する用途において選択することができる。一実施形態においては、インダクタ１１０において用いるコイルの種類に関わりなく、コイルのコアの形状および／または巻線の数および構成は、好ましい波形を有する磁場をインダクタ１１０が発生させるように選択することができる。一実施形態においては、波形は、例えば、患者に好ましい効果を与えるように選択することができる。高電圧、高インダクタンス、および低キャパシタンスでの一実施形態においては、後出の数式１で指定した共振周波数は、サイリスタスイッチを用いた時に可能な共振周波数よりもかなり大きくなり、より選択性のある刺激、および、より高いエネルギー効率が可能となる。

このように、一実施形態において鉄芯と、ＩＧＢＴ １２０、ＩＧＣＴなどのより高速な半導体素子とを組み合わせることにより、共振周波数を増大させる（すなわち、パルス長を短くする）ことができ、その結果、刺激周波数がさらに高くなり、皮質ニューロンまたは軸索の刺激の効率がより高くなることが認められよう。

サイリスタ（すなわち、シリコン制御整流器）を高電圧での大電流用の主切替え素子として用いる従来の刺激装置とは対照的に、一実施形態ではサイリスタの代わりに、またはサイリスタに加えて、ＩＧＢＴ １２０を主切替え素子として用いる。サイリスタは、ターンオフ時間がかなりあり、前記ターンオフ時間は、定格電圧と共に増加し、動作周波数および動作電圧の同時最適化を妨げる。これとは対照的に、一実施形態では、ＩＧＢＴ １２０を切替え素子（すなわち、スイッチ１１２）として用い、孤立ＤＣパルス（例えば、電源１１６により供給する）で制御し、刺激パルスの逆相時にターンオフするようタイミング設定されたキャパシタ１１４〜インダクタ１１０共振駆動回路２００を提供する。ＩＧＢＴ １２０は、サイリスタよりも高い周波数で切り替えることができ、これにより、インダクタ１１０が、サイリスタ制御の従来の磁気刺激装置と比較して広い周波数範囲の磁気パルスを発生できるようになる。その結果、一実施形態によりＩＧＢＴ １２０で切替える磁気刺激装置は、従来の磁気刺激装置よりも少ない入力電力で作動することができる。そのような電力の節約は、例えば、次の２つの原因によるものと言えよう。（１）高電圧および小電流で動作することにより、回路内での抵抗損失が低減され、その結果、各パルスからの電荷回収率が高くなり、また、コサインパルス波形の第２相が大きくなる（例えば、第２相で作業を行う場合）。（２）パルス波形が短ければ短いほど効率が高くなるが、これは、神経細胞膜が「漏れ易く」、パルス開始時に細胞膜の全体で転送された電荷の一部が、パルス終了時までに損失されるからである。パルスが短いと、細胞膜の損失が少なくなる。

一実施形態による磁気刺激装置は、例えば、持続時間が約２００μｓ未満のパルス幅を有する急速ＴＭＳパルスを発生することができる（例えば、そのような実施形態が、皮質ニューロンの刺激を意図している場合）。一実施形態において、ＴＭＳパルスは、持続時間が約１００μｓ〜１５０μｓのパルス幅を有することができる。そのようなパルス幅は、例えば、皮質ニューロン刺激などのような意図される目標のために最適化できることが理解されよう。ＩＧＢＴの中には、高い電流負荷に耐えることができないものもある。従って、回路２００の構成は、電流量を低減する一方で、インダクタ１１０を用いて同時に同等の磁場を発生することにより、ＩＧＢＴ１２０をスイッチ１１２として用いることができるようにする。いくつかの実施形態において、所定の周波数でＴＭＳ、ｒＴＭＳ、ＭＳＴ、またはその他の刺激の用途のために磁場を発生させるために、駆動回路で用いるインダクタンス値およびキャパシタンス値の間でバランスをとらせることができる。キャパシタンスと、インダクタンスと、これらの共振回路の周波数への影響との間の関係は、次の公知の数式によって決まる。

ただし、ｆは回路の共振周波数、Ｌはインダクタンス、Ｃはキャパシタンスである。いくつかの実施形態では、インダクタ１１０をできる限り低いインダクタンス（例えば、一般的には、典型的なＴＭＳアプリケーションにおいて１０〜２４μＨ程度）で作動させることにより、このバランスを実現することができる。その結果、回路が好ましい磁場を発生できるよう、キャパシタンス（従って、回路で用いる電流も）を非常に大きく（例えば、少なくとも５０μＦ）する必要がある。そのような回路がこのような方式で作動する設計である場合、寄生エネルギー損失および漂遊インダクタンスにより、問題を補正するためのさらなる部品（冷却装置など）が必要となることがある。さらに、そのような構成においては、大電流が存在するので、ＩＧＢＴ１２０をスイッチ１１２として用いることができない場合がある。

一実施形態においては、インダクタ１１０において高インダクタンス（例えば、上述の典型的なＴＭＳアプリケーションにおいて約５０〜５５μＨ程度）を用いることができる。また、キャパシタ１１４のキャパシタンスは、約７μＦという数値に低減することができる。従って、回路２００内の電流が低減され、電圧は増大する。例えば、一実施形態による装置は、約１，２００Ａで動作することができる。同様に、このような装置は、例えば約３，０００Ｖで動作することができる。

このような電圧の増大により、電圧に依存するいくらかのさらなる損失が起こるかもしれないが、高電圧により起こる損失の種類は、典型的には、大電流により起こる損失よりも説明がつき易いことが認められよう。このように、一実施例により、さらなる効率が実現できる。

このような一実施形態によると、このような駆動回路１００は、従来のシステムの周波数の約２倍、従来のシステムのピーク電流の約１／２〜１／８で動作可能とすることができる。このように、必要とされる電流が非常に少ないことにより、例えば、５０〜５５μＨという特殊に高いインダクタンスであっても、インダクタ１３０における抵抗損失が低減されることがある。その結果、インダクタ１３０の加熱およびかさが低減され、電荷回収率が高くなる。ＴＭＳ、ｒＴＭＳ、またはＭＳＴシステムにおいては、そのような改善の結果として、従来のシステムで実現される消費電力から正味で約５０％の消費電力が削減されて、より効率的な脳の刺激ができる。別の一実施形態においては、回路１００はまた、一体化されたゲート整流型サイリスタ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ＩＧＣＴ）またはその他の現代的切替え素子を、ＩＧＢＴ １２０の代わりに、またはこれに加えて実装することができる。インダクタ１１０、キャパシタ１１４などの厳密な数値は、意図するアプリケーション（ＴＭＳ、ｒＴＭＳ、ＭＳＴなど）によって決まることが認められよう。

ＩＧＢＴ １２０を切替え素子として用いることによる利点をさらに説明するために、今、図３を参照する。図３は、１つのＴＭＳパルスの間に、一実施形態によるインダクタ（図１および図２に関連して上述したインダクタ１１０など）に印加する電圧のプロット３１０の例を示すスクリーンショット３００である。線３２０は、ＩＧＢＴトリガパルスのタイミングを示す（プロット３１０の電圧の表示スケールと同一とは限らない）。ピーク１の振幅とピーク２の振幅との間の差は、インダクタおよびその他の回路内の抵抗損失を表す。ＩＧＢＴスイッチを制御するトリガパルスは、電流が、厳格な意味でのＩＧＢＴではなく、図２のバックダイオード１２２を通って通電している時に終了する。このタイミングにより、ＩＧＢＴまたはその他の回路素子が偶然破壊されるのが防止される。電圧プロットのピーク１と比べて、ピーク２は、典型的なサイリスタゲート型駆動回路よりも比較的高い。高電圧および小電流で動作し、上述のように抵抗損失が少ないからである。

切替え素子としてのＩＧＢＴ １２０の使用、およびこれによる電力の節約によって可能となるさらなる利点は、磁気刺激装置の寸法を、そのような装置の可搬性が高くなるように設計できるというレベルまで削減できることである。例えば、そのような装置は、ブリーフケースまたはその他の小さい容器に収納することができる。そのような装置は、患者など、医療専門家以外の者が使用できるように改変することができる。図４は、一実施形態による磁場を発生する方法４００の例を示す流れ図である。４０１では、例えば、図１および図２に関連して上述した電源１１６などの電源を用いて、電力を供給する。４０３では、図１および図２に関連して上述したキャパシタ１１４などの１若しくはそれ以上の蓄積装置を、電源により充電する。別の実施形態においては、例えば、電源が十分な電力を発生し、充電されたキャパシタが意図するアプリケーションに必要でない場合は、４０３を実施する必要がないことを理解されたい。４０５では、スイッチを用いて、エネルギー蓄積装置からインダクタに放電させる。一実施形態においては、スイッチは、図２に関連して上述したＩＧＢＴ １２０とすることができ、インダクタは、図１および図２に関連して上述したインダクタ１１０とすることができる。キャパシタが存在しない、上述した別の実施形態においては、スイッチは単に電源をオンに切替えて、インダクタに電力を供給することができる。４０７では、インダクタを用いて磁場を発生することができる。４０１〜４０７のどれでも、またはその全てを、意図されるアプリケーションに適切な回数、繰返すことができることが認められよう。

前述した例示的な実施形態は、説明の目的で提供してあるに過ぎず、絶対に、発明を限定するものと解釈してはならないことを理解するべきである。本明細書で用いた言葉は、限定する言葉ではなく、説明および図示の言葉である。また、本明細書で説明した効果および目的は、本発明を実施する全実施形態で実現されるとは限らない。さらに、本発明は、特定の構造、材料、および／または実施形態に関して説明したが、本発明は、本明細書で開示した特定事項に限定されることを意図していない。むしろ、本発明は、添付した特許請求の範囲内にあるように、機能上同等な全ての構造、方法、および使用方法に拡大される。

例えば、開示内容は患者の治療を取扱っているが、本明細書に記載した技術は患者の診断も予期していることを理解すべきである。実際、開示内容が特定の状態の患者の治療に言及している場合、その技術は、同一の、または同様な状態の患者のモニタリングおよび診断にも同等に適用される。

本明細書の教示内容の恩恵を受ける当業者は、数々の修正をこれに行うことができ、本発明の範囲および趣旨を逸脱しない限り、変更を行うことができる。

Claims (6)

1. 磁気刺激装置であって、
   磁場を発生させるインダクタと
   電力を供給する電力源であって、該電力源は、電源とバッテリーとから構成され、前記電力源は、前記電源と前記バッテリーとの組み合わせた電力が、前記磁場を発生するために用いられるように構成され、前記電源は、前記磁場のパルス間に前記バッテリーを再充電するように構成され、
   エネルギー蓄積装置であって、該エネルギー蓄積装置は、前記電源と前記バッテリーとの組み合わせた前記電力が、前記電力源から供給されるように構成され、
   前記インダクタと前記電力源を動作可能に連結する半導体スイッチ装置と
   を具え、
   前記半導体スイッチ装置が、前記電力源からの電力を前記インダクタに導き、前記磁場を発生させることを特徴とする磁気刺激装置。
2. 当該装置は、実質的に可搬性となっていることを特徴とする請求項１記載の磁気刺激装置。
3. 前記磁場は、共振周波数で発生されることを特徴とする請求項１記載の磁気刺激装置。
4. 前記半導体スイッチング装置は、一体化されたゲート整流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、又は前記ＩＧＢＴに印加する高過渡電圧を減少するために前記ＩＧＢＴに並列に接続された整流ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の磁気刺激装置。
5. 前記電力源は、前記エネルギー蓄積装置を充電し、
   前記半導体スイッチング装置は、前記エネルギー蓄積装置を前記インダクタに放電させることによって前記電力源からの電力を前記インダクタに導き、前記磁場を発生させ、
   前記エネルギー蓄積装置は、少なくとも１つのキャパシタからなることを特徴とする請求項１記載の磁気刺激装置。
6. 前記発生される磁場は、経頭蓋磁気刺激（ＴＭＳ）、反復経頭蓋磁気刺激（ｒＴＭＳ）、磁気痙攣（発作）療法（ＭＳＴ）、および末梢神経刺激のうちの１つのために構成されたことを特徴とする請求項１記載の磁気刺激装置。

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