JPWO2005104622A1

JPWO2005104622A1 - コイル装置及び磁界発生装置

Info

Publication number: JPWO2005104622A1
Application number: JP2006512606A
Authority: JP
Inventors: 長野　勇; 勇長野; 芳雄池畑
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: 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: 2008-03-13
Also published as: US20080114429A1; US8062204B2; EP1742511A1; WO2005104622A1; EP1742511A4

Abstract

本発明によるコイル装置は、患者に向けて磁束を照射し、患者の特定部位だけを選択的に加温する温熱治療方法のための磁界発生装置に用いることができる。当該コイル装置は、ほぼ同一の平面内をスパイラル状に延在する電流路を有するパン型のコイル装置において、電流路が、内部に空間が形成された非磁性材料の中空円筒状部材（１０）と、その外周が絶縁性材料で被覆された複数の導線（１１，１２）とにより構成される。本発明では、電流路を、絶縁性材料により被覆され円周状に配列された複数の導線で構成しているので、表皮効果に起因するエネルギー損失及び線間容量によるエネルギー損失を低減することができ、強力な磁界を形成することができる。また、中空円筒状部材（１０）を用いるので、所定の直径の電流路を容易に構成することができ、コイル（３）の温度上昇を抑制して共振回路の共振周波数の変動を防止できる。この結果、温熱治療特に癌の治療に好適な磁界発生装置が実現可能になる。

Description

本発明はコイル装置に関し、特に、エネルギー損失が大幅に低減されたコイル装置に関するものである。
さらに、本発明は、誘導加温治療方法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）が注目されている。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（特開２００２−３６０７１２号公報を参照）。

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次側に磁界発生手段であるコイルと共振コンデンサとの直列共振回路を接続し、磁界発生用コイルに高周波数の大電流を流す装置が用いられる。この磁界発生装置において、コイルから発生する磁界の強度は、コイル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、電流路が同一面内においてスパイラル状に形成されたパン型のコイルが用いられている。

本発明の他の背景技術として、高密度の磁束を照射することにより、癌細胞の患部を加熱する装置において、ソレノイドコイルの外周に２重の巻線を備え、外側の巻線（補強巻線部）により磁束密度を高める技術が開示されている（特開２００３−２０５０４０号公報を参照）。また、導線を撚り合わせたスパイラル状のパン型コイルにおいて、右回りの螺旋から成る導線と左周りの螺旋から成る導線とを、コイルとしてその外周に２重に配置することにより、表皮効果の影響をなくす技術が開示されている（特開２００３−１１５３６８号公報を参照）。また、絶縁材料から成る円筒管と、当該円筒管の外周面に巻装されたリッツ線とにより構成されたコイルに対し、冷却ファンが円筒管の内部に冷風を送り、コイルを冷却する技術が開示されている（特開平９−１６８４８４号公報を参照）。また、コイルの底部に、電磁波の遮断を行うためのフェライトを設ける技術が開示されている（特開平９−２４５９４９号公報を参照）。

患部に注入された磁性流体を４３℃前後まで加熱するためには、トランスの２次側に接続した共振回路に高周波数の大電流を流す必要がある。しかしながら、磁界発生手段としてのパン型コイルに高周波数の大電流を流す場合、電流路に生ずる表皮効果によるエネルギー損失が問題となる。すなわち、本発明者の解析によれば、４００ｋＨｚの高周波数の電流を金属導体に流した場合、実質的に電流が流れる幅は０．１ｍｍであり、抵抗値が増大してしまう。この結果、コイル電流によりジュール熱が生じるため、損失が大きくなり過ぎてしまう。コイルの温度が上昇することによって、共振回路のインダクタンス値が変動し、トランスの２次側に供給できる電流量が低下する不具合も発生してしまう。

従って、本発明の目的は、電流路の表皮効果による損失が大幅に軽減され、エネルギー的な損失が改善されたコイル装置を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、エネルギー損失が低減され、温熱治療（特に癌治療）に好適な磁界発生装置を提供することにある。

本発明によるコイル装置は、ほぼ同一の平面内をスパイラル状に延在する電流路を有するパン型のコイル装置において、前記電流路は、内部に空間が形成された非磁性材料の中空円筒状部材と、この中空円筒状部材の外周に配列され、外周が絶縁性材料で被覆された複数の導線により構成され、各導線は、電流路の断面方向から見た場合、所定の直径の円周をなすように配列されていることを特徴とする。

患部に磁性流体を注入し、外部から磁界を当てて患部だけを選択的に加温する温熱治療法においては、高周波数の大電流をコイル装置に供給して患部に強力な磁界を形成する必要がある。しかしながら、導体に高周波数の大電流を流した場合、表皮効果が発生し、大きなエネルギー損失が発生してしまう。この課題を解決するため、コイルの電流路として、外周が絶縁性材料で被覆された細径の導線の束（リッツ線）を用いることが考えられる。このリッツ線をコイルを構成する導体として用いた場合、表皮効果が低減される作用効果が認められる。しかしながら、本発明者がリッツ線を用いて種々の実験及び解析を行った結果、表皮効果は若干低下するものの、各リッツ線を構成する導線間の容量すなわち線間容量が強く影響し、線間容量に起因するエネルギー損失が顕著になることが判明した。

そこで、本発明者がさらに解析を行った結果、外周が絶縁された導線の束を用いた場合、表皮効果は依然として発生し、電流路全体として見た場合内側の導体に流れる電流量は小さく、外側になるほど電流量が増大し、最外周の導体に大量の電流が流れることが判明した。さらに、線間容量について詳細に解析した結果、導体束の内部の導体を取り除くほど線間容量が大幅に低下し、最外周の導体だけの場合、線間容量に起因するエネルギー損失が無視できる程度に低下することが判明した。この解析結果に基づき、本発明では、磁界発生コイルの電流路として、所定の直径の円周にそって配列された導線の配列を用いる。このように、コイルの電流路として円周状に配列された導線の束を用いることにより、エネルギー損失を大幅に軽減することができる。

また、中空円筒状部材の外周に複数の導線を配列することにより、所定の直径の電流路を容易に構成することができると共に、中空円筒状部材の内部の空間に空気を循環させることにより、コイルの温度上昇を抑制し、共振回路の共振周波数の変動を防止することができる。尚、中空円筒状部材の外周に配列する導線の束は、一重又は二重とすることが好ましい。この理由は、細径導体を一重に配列することが最良であるが、二重に配列した場合でも、線間容量に起因するエネルギー損失が顕著に増大しないためである。

本発明によるコイル装置の好適実施例は、中空円筒状部材の内部に冷却剤が循環することを特徴とする。高周波数の大電流を流す場合表皮効果の影響を完全に除去することは困難であり、ジュール熱が発生してしまう。大量のジュール熱が発生すると、熱的な問題が発生するだけでなく、直列共振回路の共振周波数が変動し、トランスの二次側に伝達されるエネルギーが低下してしまう。そこで、本例では、中空円筒部材の内部に冷媒を循環させてコイル自体を一定の温度に保持し、共振周波数の変動の問題を解決する。

また、本発明によるコイル装置の変形例は、電流路が、内部に空間が形成された非磁性材料の中空円筒状部材と、この中空円筒状部材の内部に配置され、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、前記中空円筒状部材の内部に冷却剤が流通することを特徴とする。中空円筒状部材の内部に冷却剤が循環することにより、発熱元である導線を直接冷却する。これにより、コイル自体を一定の温度に保持し、共振周波数の変動の問題を解決する。

本発明による磁界発生装置は、温熱治療方法に用いられる磁界発生装置であって、変圧器の２次側に接続した磁界発生コイルと共振コンデンサとの直列共振回路を具え、前記磁界発生コイルはコイル面内をスパイラル状に延在する電流路を有するパン型のコイル装置で構成し、前記パン型コイル装置は、非磁性材料の中空円筒状部材と、この中空円筒状部材の外周に配列され、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、各導線は、電流路の断面方向から見た場合、所定の直径の円周をなすように配列されていることを特徴とする。

さらに、本発明による磁界発生装置の好適実施例は、パン型コイル装置のコイル面の一方の側に、当該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コアプレートを配置したことを特徴とする。磁界発生コイルとしてパン型コイルを用いる場合、コイル面の両側に向けて磁界が形成され、一方の側から発生する磁界は治療に利用されず不要なものとなってしまう。そこで、本例では、コイル面の患部と対向する側と反対側に高透磁率材料のコアプレートを配置する。この場合、患部と反対側の磁気抵抗は大幅に低下し、患部に向く側に形成される磁界は一層増大し、エネルギー的な損失を大幅に改善することができる。従って、本発明によるコイル装置とコアプレートとを組み合わすことにより、エネルギー的な損失を一層改善することができる。

本発明による磁界発生装置の好適実施例は、パン型コイル装置及びコアプレートを非磁性材料の容器内に配置し、当該容器に冷媒を流通させてコイル装置及びコアプレートを冷却することを特徴とする。パン型のコイル及びコアプレートを全体として冷却することにより、コイルのインダクタンスをほぼ一定に維持することができ、共振回路の共振周波数が変動する不具合を解消することができる。

本発明による磁界発生装置の回路構成を示す図である。本発明によるコイル装置の一例を示す図である。電流路の構成を示す断面図である電流路の変形例を示す断面図である。本発明による磁界発生装置の一例を示す図である。

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装置を用いる。パン型のコイル３の下側には、高透磁率材料のコアプレート５が配置されている。高透磁率材料として、例えばフェライトを用いることができる。

図３は、コイル３における電流路の断面図である。本発明では、電流路は、内部に空間が形成された非磁性材料の中空円筒状部材１０と、その外周に沿って円周状に配列した導線１１の束とにより構成される。導線１１の束は、電流の方向に沿って撚りが形成され、螺旋状の電流路に対応させることができる。コイル電流は各導線１１をほぼ均等に流れることができる。このように、中空円筒状部材１０の外周に一重の導線１１を配列することにより、表皮効果が軽減されるだけでなく、導線１１間の線間容量によるエネルギー損失も低減され、これら２つの作用によりエネルギー損失を大幅に改善することができる。また、中空円筒状部材１０により、所定の直径の電流路を容易に構成することができる。さらに、中空円筒状部材１０の内部には空間が形成されているから、空気を循環させることにより、コイル３の温度上昇を抑制することができ、共振回路の共振周波数の変動を防止することができる。尚、中空円筒状部材１０の内部に冷却剤を循環させることにより、コイル３の温度上昇を一層抑制することができ、共振回路の共振周波数の変動も一層防止することができる。

図４は、電流路の変形例を示す。本例では、電流路は、中空円筒状部材１０と、その外周に沿って円周状に二重に配列した導線１２の束とにより構成される。本発明者の解析結果によれば、導線を二重に配列しても線間容量の増加量はわずかであり、エネルギー的な損失にならないことが判明している。

図２に戻って、コアプレート５の作用効果について説明する。パン型のコイルにおいては、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、パン型コイル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５をコイル面に対してほぼ平行に配置する。コアプレート５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５の磁気抵抗は空気に比べてはるかに小さいため、患部に向けて供給される磁束が一層増大し、エネルギー的な損失を大幅に低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一例を示す断面図である。本例では、磁界発生コイル３及びコアプレート５を、非磁性材料の容器２０内に配置する。容器２０は、インレット２０ａ及びアウトレット２０ｂを有し、これらインレット２０ａ及びアウトレット２０ｂを介して冷媒を循環させる。冷媒として、例えば、シリコンオイル、水、又はフロン系の冷媒を用いることができる。このように、コイル３及びコアプレート５を、冷媒が循環する容器内に配置することにより、コイル３の温度上昇を抑制することができる。また、コイル３のインダクタンスをほぼ一定に維持することができるから、共振回路の共振周波数の変動を回避することができる。

尚、図３及び図４に示した導線１１，１２の直径は、０．０６ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲とするのが好ましい。これは、直径が０．１ｍｍ以下の場合には、電流路の表皮効果による損失が軽減され、エネルギー損失が改善される効果を十分に得ることができるからである。また、パン型コイル３の製造面からすると、前記範囲が標準的だからである。すなわち、直径が０．０６ｍｍよりも小さい場合、例えば０．０５ｍｍ、０．０４ｍｍの場合には、前述と同等の効果は得られるが、製造面において困難になる。また、直径が０．１ｍｍよりも大きい場合には、表皮効果による損失の軽減及びエネルギー損失の改善を図ることはできるが、十分な効果が得られない。

また、導線１１，１２の本数は、1,000本〜100,000本の範囲とするのが好ましい。これは、本数が1000本よりも多い場合には、電流路の表皮効果による損失が軽減され、エネルギー損失が改善される効果を十分に得ることができるからである。また、パン型コイル３の製造面からすると、前記範囲が妥当だからである。すなわち、本数が100,000本よりも多い場合には、前述と同等の効果は得られるが、製造面において困難になる。また、本数が1,000本よりも少ない場合には、表皮効果による損失の軽減及びエネルギー損失の改善を図ることはできるが、十分な効果が得られない。

また、図３及び図４に示した円筒状部材１０の中空の直径は、５ｍｍ〜４０ｍｍの範囲とするのが好ましい。これは、直径が５ｍｍよりも小さい場合、冷却が難しいため冷却効果を得ることができず、中空の無い部材と同様になるからである。また、直径が４０ｍｍを超える場合、冷却効果を得ることはできるが、製造面において困難になるからである。

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、温熱治療方法に用いられるコイル装置について説明したが、温熱治療方法だけでなく、種々の用途に用いることができる。例えば、高周波数の大電流を流すことにより強力な磁界を発生する高周波焼き入れ装置、プラズマ発生装置等の磁場発生装置にも用いることができる。

また、上述した実施例では、導線１１，１２の束を、円筒状部材１０の外周に沿って円周状に配列するようにしたが、円筒状部材１０の内部に配置するようにしてもよい。この場合、円筒状部材１０の内部に空気または冷却剤を循環させることにより、導線１１，１２を直接冷却することができる。これにより、コイル３の温度上昇を一層抑制することができ、共振回路の共振周波数の変動も一層防止することができる。

Claims

ほぼ同一の平面内をスパイラル状に延在する電流路を有するパン型のコイル装置において、
前記電流路は、内部に空間が形成された非磁性材料の中空円筒状部材と、この中空円筒状部材の外周に配列され、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、各導線は、電流路の断面方向から見た場合、所定の直径の円周をなすように配列されていることを特徴とするコイル装置。
請求項１に記載のコイル装置において、前記導線を、中空円筒状部材の外周に一重又は二重に配列したことを特徴とするコイル装置。
請求項１又は２に記載のコイル装置において、前記中空円筒状部材の内部に冷却剤が流通することを特徴とするコイル装置。
請求項１から３までのいずれか一項に記載のコイル装置において、前記導線は、電流路の中心軸線にそって撚りが形成されていることを特徴とするコイル装置。
請求項１から４までのいずれか一項に記載のコイル装置において、患者の患部に向けて磁束を照射し、特定の部位の患部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コイル装置。
請求項１から５までのいずれか一項に記載のコイル装置において、前記導線の直径を、０．０６ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲とすることを特徴とするコイル装置。
請求項１から５までのいずれか一項に記載のコイル装置において、前記中空円筒状部材の外周に配列される導線の本数を、1,000本〜100,000本の範囲とすることを特徴とするコイル装置。
請求項１から５までのいずれか一項に記載のコイル装置において、前記中空円筒状部材の中空の直径を、５ｍｍ〜４０ｍｍの範囲とすることを特徴とするコイル装置。
ほぼ同一の平面内をスパイラル状に延在する電流路を有するパン型のコイル装置において、
前記電流路は、内部に空間が形成された非磁性材料の中空円筒状部材と、この中空円筒状部材の内部に配置され、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、前記中空円筒状部材の内部に冷却剤が流通することを特徴とするコイル装置。
温熱治療方法に用いられる磁界発生装置であって、変圧器の２次側に接続した磁界発生コイルと共振コンデンサとの直列共振回路を具え、前記磁界発生コイルは、コイル面内をスパイラル状に延在する電流路を有するパン型のコイル装置で構成し、
前記パン型コイル装置は、非磁性材料の中空円筒状部材と、この中空円筒状部材の外周に配列され、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、各導線は、電流路の断面方向から見た場合、所定の直径の円周をなすように配列されていることを特徴とする磁界発生装置。
請求項１０に記載の磁界発生装置において、前記パン型コイル装置のコイル面の一方の側に、当該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コアプレートを配置したことを特徴とする磁界発生装置。
請求項１１に記載の磁界発生装置において、前記パン型コイル装置及びコアプレートを非磁性材料の容器内に配置し、当該容器に冷媒を流通させてコイル装置及びコアプレートを冷却することを特徴とする磁界発生装置。
請求項１０から１２までのいずれか一項に記載の磁界発生装置において、外部から患者に向けて磁束を照射し、患者の特定の部位だけを選択的に加温する温熱治療方法に用いられることを特徴とする磁界発生装置。
請求項１０から１３までのいずれか一項に記載の磁界発生装置において、前記パン型コイル装置を、請求項６から９までのいずれか一項に記載のコイル装置とすることを特徴とする磁界発生装置。