JP5947274B2

JP5947274B2 - 加熱プローブ

Info

Publication number: JP5947274B2
Application number: JP2013234500A
Authority: JP
Inventors: 茂美平岡
Original assignee: 茂美平岡
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: JP2015093100A

Description

本発明は、加熱プローブに関するものであり、特に加熱と同時に加熱部の温度測定が可能な加熱プローブに関するものである。

従来、例えば悪性腫瘍などの患部に刺入し、患部をマイクロ波などの電磁波によって加熱して死滅（凝固）させるためのプローブを備えた加熱装置が各種提案されている。例えば下記の特許文献１には、マイクロ波凝固療法用同軸アンテナが開示されている。このアンテナ装置は、外部電極２と、この外部電極２の内側に絶縁体３を介して設けられた中心電極４とを備えており、外部電極２の先端部より突出した部分に中心電極４と接続されたマイクロ波照射部（アンテナ）５が形成されている。

特開２００７−０２９４５７号公報

マイクロ波による加熱（凝固）療法においては、加熱すべき患部の温度管理が必要であるが、上記したような従来のマイクロ波同軸アンテナにおいては、患部の温度を測定するために別途、温度測定用のプローブを患部に刺入し、患部の温度を測定するなどの方法を取っていたので、加熱部分の中心部の温度を正確に測定することができないという問題点がある。特に、初期の悪性腫瘍など患部が小さい場合には、複数 (アンテナと温度センサー)のプローブを患部の中心部分に配置することが困難である。

また、温度測定用のプローブによって放射パターンに影響が出る上、複数のプローブを患部に挿入することにより患者の負担が増すという問題点がある。発明の目的は、上記した従来の問題点を解決し、加熱と同時に加熱部の中心の正確な温度測定が可能な加熱プローブを提供することにある。

本発明の加熱プローブは、電磁波を輻射することによってプローブの針の先端近傍の加熱対象物を加熱する加熱プローブにおいて、同軸ケーブル構造のプローブの針の先端部において前記プローブの内導体が外部導体よりも所定の長さだけ突出しており、かつ突出した前記内導体の内部に温度センサーが配置されていることを主要な特徴とする。

また、上記した加熱プローブにおいて、前記温度センサーは内導体を一方の金属とする熱電対である点にも特徴がある。また、上記した加熱プローブにおいて、前記内導体は薄い筒状の金属であり、前記熱電対は前記内導体を一方の金属とし、前記熱電対を構成する他方の金属線は絶縁被覆が施されて前記筒状の金属の内部に内蔵されており、プローブの針の先端部でのみ前記内導体の筒状の金属と接触している点にも特徴がある。

また、上記した加熱プローブにおいて、前記プローブの針の後端において、前記内導体を構成している金属管は電磁波が供給されるストリップラインあるいは同軸ケーブルに接続されると共に、電磁波の供給に影響を与えることなく熱電対を構成する２種類の金属線をそのまま電磁波の伝送路から引き出すための分離回路が設けられている点にも特徴がある。

本発明によれば、以下のような効果がある。（１）電磁波の放射分布に影響を与えることなく、電磁波の供給先の中心部の正確な温度測定が可能となるので、ガン細胞個体差で生じる電磁波吸収率の差による加熱速度のばらつきがあっても、電磁波電力の調整により温度を最適状態に保つように制御することが可能となり、周辺の正常細胞への影響を最小限に抑えることが可能となる。

（２）本発明の構造により、０．５ｍｍ以下というような非常に細い針を製造可能であるので、鍼灸針の様に麻酔無しでも刺入可能となり、患者の負担を軽減できる。（３）本発明の構造により加熱範囲を小さくでき、かつ初期ガンのような小さな患部の加熱部を正確に温度コントロール可能であるので、検出能力向上に伴って発見が可能になった小径（５ｍｍ以下）の初期ガンの無切開治療が可能である。

図１は本発明の加熱プローブを使用した加熱装置の使用例の構成を示すブロック図である。図２は本発明の加熱プローブの構成を示す平面図および側面図である。図３は本発明の加熱プローブの針の構成例を示す断面図である。

以下に図面を参照して実施例について説明する。

図１は、本発明の加熱プローブを使用した加熱装置の使用例の構成を示すブロック図である。加熱装置１０には、ＣＰＵ１１、パネル１２、高周波電源回路１３、温度測定回路１４が内蔵されている。本発明の加熱プローブ１７は針１８を備え、加熱装置１０と、ストリップラインを構成するフレキシブル印刷配線基板１５および熱電対線１６によって接続されている。ストリップラインの特性インピーダンスは一定値（例えば５０オーム）になるように設計し、基板の材質としては誘電体損失がなるべく小さいものを採用する。

本発明の加熱プローブ１７を使用した加熱装置１０は、例えば超音波３Ｄ画像撮影装置などを使用しながら生体２５の患部（加熱対象物）２６の中心に針１８の先端部を刺し、加熱装置１０からフレキシブル印刷配線基板１５を介してマイクロ波を供給して針１８の先端部から周囲に放射することによって患部２６を加熱し、患部細胞を死滅させるために使用される。フレキシブル印刷配線基板を使用する理由は、フレキシブル印刷配線基板の方が同軸ケーブルより可撓性が高く、加熱プローブ１７に不所望な力がかかって針１８の先端位置が移動してしまうことを防ぐためである。

加熱装置１０のＣＰＵ１１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、デジタル入出力端子、アナログ入力端子（Ａ／Ｄ変換回路）等を備えた周知のプログラム制御コントローラであり、必要な機能を備えた任意のＣＰＵを採用可能である。加熱装置１０のＣＰＵ１１としては、市販のＣＰＵに、パネル１２からの温度や時間の設定に基づいて、患部の温度を測定して患部が所定の温度で所定の時間だけ加熱されるように高周波電源回路１３の出力電力を制御する温度管理プログラムを作成し、書き込んだものを使用する。

高周波電源回路１３は、トランジスタを使用し、ＣＰＵ１１からの制御に基づき、例えば２．４５ＧＨｚで最大数十ワット程度のマイクロ波を出力可能な周知の高周波電源回路である。出力部にはストリップライン１５、針１８、伝送路および針の先端のアンテナ部分との整合をとるための周知のマッチング回路が備えられている。更に、出力部は電源からの電流が熱電対線に流れ込まないようにするために、コンデンサーあるいはカプラーによる直流カット回路となっている。

なお、高周波電源回路１３のトランジスタとしては、全反射を想定して許容電力の大きなものを採用する。また、必要に応じてトランジスタとマッチング回路の間にサーキュレーターおよび固定減衰器を設けてもよい。

温度測定回路１４は、端子２１において熱電対から発生する電圧を所定の増幅率で差動増幅し、ＣＰＵ１１のアナログ入力端子へ出力する差動増幅器２２、熱電対の測定値を補正するために端子２１の温度を測定し、ＣＰＵ１１のアナログ入力端子へ出力する端子温度センサー２０を備えている。

熱電対線１６は、針１８の先端部に配置された熱電対を構成する２種類の金属がそのまま引き出された接続電線であり、同種（例えば銅）の金属製の２個の端子２１の間には、針１８の先端部と端子２１の温度の差に比例した電圧が発生する。ＣＰＵ１１は差動増幅器１４から出力される電圧および端子温度センサー２０から出力される電圧に基づいて針１８の先端部の温度を計算し、先端部がパネルにおいて設定された所望の温度になるように高周波電源回路１３を制御する。なお、端子２１を恒温槽に収納し、氷などで冷やしてもよい。

加熱プローブ１７の針１８は、詳細は後述するが、例えば長さが１００ｍｍ程度で直径が０．５ｍｍ程度と非常に細く、かつ先端部分にマイクロ波を放射するアンテナ部分を備えると共に、アンテナ部分に熱電対からなる温度センサーを内蔵している。

図２は、本発明の加熱プローブの構成を示す平面図および側面図である。なお、上側の平面図においては上部のケース３０を除いた状態を、下側の側面図においては上下のケース３０およびフレキシブル印刷配線基板１５を半分切り欠いた状態を示している。

加熱プローブ１７のケース３０は上面および下面に２分割されており、針１８およびストリップラインを構成するフレキシブル印刷配線基板１５を挟んで固定し、図示しないネジでお互いに固着されている。フレキシブル印刷配線基板１５にはケース３０の内面に設けられた突起と係合する位置決め用の２つの孔３９が設けられている。

また、針１８の後端部の外部導体は金属板からなる接続板３６にはんだ付けなどによって固着され、この接続板３６はストリップラインを構成する３層のフレキシブル印刷配線基板１５の下面および上面の接地層３７、３８と導電性接着剤やばね、圧着などによって固着されている。

針１８の後端部において針１８から引き出された内導体である筒状金属３１は電磁波が供給されるストリップラインの導体３２に接続されると共に、更にこの接続点３５から延長されて、ケース３０の外部まで引き出され、熱電対線１６として加熱装置１０の温度測定回路１４の入力端子２１に接続されている。

また、筒状金属３１は、前記接続点３２から使用するマイクロ波の周波数において１／４波長の長さに相当する所定の長さのところで２個のチップコンデンサー３３（例えば容量が100ｐＦ×２）を介してフレキシブル印刷配線基板１５の上面の接地層３８に接地されている。フレキシブル印刷配線基板１５の上面の接地層３８へ接着された１層の印刷配線基板３４は、筒状金属３１と２個のチップコンデンサー３３とを接続、保持するためのランドを備えている。なお、フレキシブル印刷配線基板１５の上面の接地層３８の一部を切り離してランドとして使用してもよい。但し、この場合はランドをストリップラインの中心から遠くずらして配置する必要がある。また、チップコンデンサーの代わりに貫通コンデンサーを使用してもよい。

２個のチップコンデンサー３３は、マイクロ波の周波数においては直接接地されているのとほとんど等価であるので、筒状金属３１を接続点３２から使用するマイクロ波の周波数において１／４波長の長さに相当する所定の長さ（例えば２．４５ＧＨｚであれば約３ｃｍ程度）とすることにより、伝送路（接続点３２）からみた筒状金属３１のインピーダンスが非常に大きくなり、マイクロ波の伝送に影響を与えなくなる。

即ち、ケース３０内の熱電対線である筒状金属３１および２個のチップコンデンサー３３は、電磁波の供給に影響を与えることなく熱電対を構成する２種類の金属線（筒状金属３１）をそのまま電磁波の伝送路（接続点３２）から引き出すための分離回路を構成している。

ま
た、筒状金属３１はインダクタンスを持っているので、２個のチップコンデンサー３３と筒状金属３１によってローパスフィルター回路が形成されている。従って、例えば筒状金属３１をコイル状に巻いたり、筒状金属３１をフェライトビーズに通すなどして筒状金属３１のインダクタンスを大きくすることによって分離回路を構成してもよい。このようにすれば、筒状金属３１の全長を短くすることができ、ケース３０を小型、軽量化できる。

図３は、本発明の加熱プローブの針の構成例を示す断面図である。図３（ａ）は針１８の中央部分の縦断面および横断面を、図３（ｂ）は針１８の先端部分の縦断面を示している。針１８は同心円の５層構造であり、図示しない表面のめっき層を入れると６層となる。針１８は中心から単線のコンスタンタン線４６、絶縁体層４５、箔、厚膜からなる薄い筒状の金属である銅管層４４、誘電体層４３、金属管あるいは箔からなる外部銅管層４２となっている。

外部銅管層４２の表面には図示しないニッケル−金メッキあるいは絶縁体樹脂のコーティングが施されている。前記した筒状金属３１および熱電対線１６は、コンスタンタン線４６、絶縁体層４５、銅管層４４からなっている。また、内導体である銅管層４４、誘電体層４３、外部銅管層４２によってマイクロ波の伝送路となる同軸ケーブル構造が形成されている。針１８の特性インピーダンスはやはりおおよそ５０オーム程度となるように設計し、誘電体層４３の材質としては誘電体損失が小さいものを採用する。

針１８の先端部分においては、同軸ケーブル構造の内導体である銅管層４４が誘電体層４３と共に外部導体である外部銅管層４２よりも所定の長さだけ突出しており、この突出部５１がアンテナを形成している。突出部５１の先端は円錐状に尖っている。また、突出部５１の更に先端部においては、絶縁体層４５が存在せず、コンスタンタン線４６と銅管層４４とが直接接触しており、この接触部分が温度センサーとなる熱電対５０を形成している。なお、熱電対を構成する２種類の金属としては公知の任意の組み合わせを採用可能である。

突出部５１の長さは患部に合わせて0.5ｍｍ〜数ｍｍに調整する。アンテナ輻射部は細く短い為、マイクロ波の反射量が大きくなるが、マイクロ波電源回路１３の出力部に備えたマッチング回路により整合をとる。実験の結果、アンテナ部が0.5ｍｍの長さでもマイクロ波が放射され、アンテナ周囲部をガン死滅に必要な温度まで加熱されることが確認された。なお、アンテナ部分の見かけ上の長さを稼ぐために、アンテナ部分の誘電体層４３を高誘電率の誘電体にしたり、内導体をコイル状に巻いてもよい。

温度センサーとなる熱電対５０の製造方法としては、メッキ工法、蒸着工法、接着工法、セラミック工法等の混成工法を使用して製造可能である。例えば、コンスタンタンの金属線のアンテナとなる先端部の数ｍｍ以外の部分を公知の耐熱性、絶縁性樹脂でコーティングし、その後、線の表面にメッキあるいは蒸着により銅箔（銅管）を形成することにより、先端部が熱電対である長い熱電対線を製造できる。

プローブの針の製造方法としては、まず熱電対線に誘電体である樹脂をコーティングすることによって誘電体層を形成し、必要な場合には直径を所定値に合わせるために周囲を切削する。その後、コーティングした熱電対線の表面に銅メッキあるいは銅の蒸着により外部銅管層を形成する。あるいは、圧延（引抜）工法を使用し、少し大きい銅パイプの中にコーティングした熱電対線を入れて、所定の寸法の金型（ダイス）の中を通して圧延する（引き抜く）ことにより外部銅管層を形成する。最後に、刃を対称状につけた旋盤あるいは砥石で針の先端部を研削して尖らす。

以上、実施例について説明したが、以下のような変形例も考えられる。実施例においてはマイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚである例を開示したが、周波数は任意であり、より高い方がアンテナが短くても放射効率が向上すると共に、小さな患部のみをより正確に加熱する事ができる。

突出部（アンテナ部）５１の長さは任意であり、ガン患部の大きさに対応した加熱プローブを選択することにより、正常細胞への影響を最小限に抑えることが可能である。

実施例においては加熱プローブと加熱装置の間をストリップラインによって接続する例を開示したが、ストリップラインの長さを短くし、途中で同軸ケーブルに接続して加熱装置と接続してもよい。

本発明は温度管理が必要な任意の電磁波による加熱装置に適用可能である。

１０…加熱装置１１…ＣＰＵ１２…パネル１３…高周波電源回路１４…温度測定回路１５…フレキシブル印刷配線基板（ストリップライン）１６…熱電対線１７…加熱プローブ１８…針２０…端子温度センサー２１…端子２２…差動増幅器２５…生体２６…患部（加熱対象物）

Claims

電磁波を輻射することによってプローブの針の先端近傍の加熱対象物を加熱する加熱プローブにおいて、
同軸ケーブル構造のプローブの針の先端部において前記プローブの内導体が外部導体よりも所定の長さだけ突出しており、かつ突出した前記内導体の内部に前記内導体を一方の金属とする熱電対である温度センサーが配置されており、
前記内導体は薄い筒状の金属であり、前記熱電対は前記内導体を一方の金属とし、前記熱電対を構成する他方の金属線は絶縁被覆が施されて前記筒状の金属の内部に内蔵されており、プローブの針の先端部でのみ前記内導体の筒状の金属と接触している
ことを特徴とする加熱プローブ。
前記プローブの針の後端において、前記内導体を構成している金属管は電磁波が供給されるストリップラインあるいは同軸ケーブルに接続されると共に、電磁波の供給に影響を与えることなく熱電対を構成する２種類の金属線をそのまま電磁波の伝送路から引き出すために、熱電対線である筒状金属と２個のチップコンデンサーでローパスフィルター回路を形成する分離回路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の加熱プローブ。