KR102610369B1 - 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치 - Google Patents

Abstract

경두개 자기 자극 장치용 코일 장치는, 코일이 인간의 두부 표면에 대향하도록 설치되고, 전자 유도에 의해 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 유도 전기장에 의한 전류를 발생시켜 뉴런을 자극하는 경두개 자기 자극 장치를 위한 코일 장치로서, 소정의 기준면을 따라 도선을 권회하여 구성된 코일과, 상기 두부와는 상기 코일을 사이에 두고 반대측인 위치에 있어서, 상기 코일에 대향하도록 설치되고, 상기 코일이 구동되었을 때에 유도 전기장에 의한 전류가 흐르고, 또한 당해 유도 전기장에 의한 전류에 의해 상기 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 흐르는 유도 전기장에 의한 전류를, 자성체가 없을 때에 비교해 증대시키는 자성체를 구비한다.

Description

경두개 자기 자극 장치용 코일 장치{COIL DEVICE FOR USE IN TRANSCRANIAL MAGNETIC STIMULATION DEVICE}

본 발명은, 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치, 및 상기 코일 장치를 구비한 경두개 자기 자극 장치에 관한 것이다.

1.1 종래 기술

최근, 뇌졸중 등의 생활 습관병의 환자수가 증가하고 있다. 생활 습관병의 후유증 중 하나가 신경장애성 동통이다. 신경장애성 동통이란, 어떠한 이유에 의해 신경이 장애되고, 그것에 의해 생기는 손발의 통증이다.

통상, 신경장애성 동통의 치료법으로서 최초로 실시되는 것은, 약물 치료이다. 그러나, 약물 치료는, 치료 대상 범위가 좁아, 모든 환자에 대해 유효한 것은 아니다. 이와 같은 사정으로부터, 두부에 매립된 전극을 사용하여 대뇌 1 차 운동야를 직접 전기 자극하는 방법이 제안되었다. 그러나, 매립 전극을 사용한 전기 자극 치료는, 개두 수술이 필요하기 때문에, 환자의 부담이 매우 크다는 문제가 있다.

그래서, 오사카 대학의 사이토 등은, 예의 연구를 거듭하여 매립 전극을 사용하지 않고 비침습적으로 대뇌 1 차 운동야를 자극하는 경두개 자기 자극법 (구체적으로는, 코일에 교류를 흘리는 것에 의해 형성되는 펄스 자기장으로 뇌를 자극하는 방법) 을 제안함과 함께, 이 경두개 자기 자극법에 의하면 뇌졸중 후의 신경장애성 동통을 개선할 수 있을 것을 밝혔다. 그러나, 경두개 자기 자극법은, 개두 수술을 필요로 하지 않는 점에서 우수하지만, 그 치료 효과가 1 일 정도밖에 지속되지 않기 때문에, 매일 자기 자극 치료를 받을 필요가 있다.

1.2 경두개 자기 자극법

경두개 자기 자극은, 두부 표면에 놓은 코일 장치에 내장된 코일로부터 펄스 자기장을 발생시키고, 이 펄스 자기장에 의해 뇌 내로 유도된 전기장으로 뇌를 자기 자극하는 수법이다. 그 때문에, 코일은 구동 회로에 접속된다. 이 구동 회로에 의하면, 순간적인 전류를 코일에 발생시키기 위하여, 전원 장치 (교류 전원, 전원 회로, 승압 회로를 포함한다.) 로부터 콘덴서에 전하를 축적한다. 그 후, 사이리스터를 턴온함으로써 자극 코일에 전류를 흘린다. 자극 코일과 콘덴서의 공진 회로에 다이오드를 통해 전류가 흐른 후, 사이리스터가 오프로 된다. 이로써, 정현파 1 주기분의 전류가 자극 코일에 흐른다. 이상의 동작을 반복함으로써, 코일에는 일정 주기의 교류가 인가되어 변동 자기장이 형성됨과 함께, 그 변동 자기장의 영향을 받아 뇌 내에는 코일 전류와는 역방향의 와전류가 유도되고, 그 와전류로 뉴런을 자극함으로써 활동 전위가 발생된다.

이와 같이 하여 뇌의 1 차 운동야를 자기 자극하면, 그 자극 부위에 대응한 신체의 부분에 영향이 나타난다. 예를 들어, 손 또는 발의 신경에 연결되어 있는 1 차 운동야를 자기 자극하면, 손 또는 발의 신경이 자극되어 대응 부위가 움직인다. 이것은, 코일에 흐르는 전류가 그것과는 역방향의 전류를 뇌 내로 유도하고, 그것이 개재 뉴런, 나아가서는 피질 척수 뉴런을 자극하고, 자극된 뇌의 부위에 대응하는 신체의 일부가 움직이는 것이라고 생각된다.

자기 자극의 우수한 점은, 침습성이 매우 낮은 것이다. 구체적으로는, 자기장은 생체 조직에 영향받는 일 없이 뇌 내에 도달한다. 따라서, 통각 수용기를 갖는 두피를 거의 자극하지 않아, 그 자극에서 기인하는 통증이 거의 없다.

역사적으로는, 인간에 대한 자기 자극은 1985년에 처음으로 보고되고, 그 후 신경 질환의 진단에 있어서 임상 응용되어 왔다. 또, 여러 가지 신경 질환이나 정신 질환을 가진 환자에 대해 반복적으로 경두개 자기 자극을 주는 것에 의해, 그 증상이 개선되는 것도 보고되도록 되고, 최근에는 치료에 대한 응용이 진행되고 있다. 예를 들어, 우울증의 치료에 관해서 전두전야에의 자극이 유효한 것이 발견되어, 2008년 미국 식품 의약품국 (U. S. Food and Drug Administration) 은 약물 치료 저항성의 우울증에 대한 자기 자극 치료를 승인하였다. 파킨슨 증후군의 치료에 관해서도 많은 임상 연구가 실시되어, 자기 자극의 유효성을 나타내는 지견이 축적되어 있다. 기술한 바와 같이, 자기 자극 치료는 신경장애성 동통에도 제통 효과를 발휘한다. 따라서, 현재 일본에서는 설비가 갖추어진 병원에 있어서 다양한 신경 질환의 환자에 대해 자기 자극 치료가 실시되고 있다.

그러나, 종래의 자기 자극 장치는, 약 70 Kg 의 중량이 있고, 또 설치를 위해서 전기 공사가 필요하기 때문에, 설비가 갖추어진 의료 기관에서밖에 이용할 수 없다. 또, 실제의 치료 시에는 환자의 MRI 데이터를 참조하면서 자극 위치를 결정하기 때문에, 숙련된 의료 종사자에 의한 치료가 필요하다. 그 때문에, 의료 기관의 전문가에 의한 치료만 실시되고 있는 것이 실정이고, 제통 효과를 계속적으로 얻기 위해서는 의료 기관에 매일 다닐 필요가 있다. 따라서, 환자의 부담을 경감하기 위해, 비의료 종사자에 의한 조작만으로 이용 가능한 재택용 자기 자극 치료 장치의 개발이 요구되고 있다.

1.3 경두개 자기 자극 장치

현재 의료 현장에서는, 여러 가지 경두개 자기 자극 장치가 도입되어 이용되고 있다. 이들 자기 자극 장치는, 의사 등의 의료 종사자가 조작하는 것을 상정하여 제조되어 있고, 자극하는 부위는 의사에 의해 정해지고 있다. 구체적인 치료의 일례로서 신경장애성 동통의 치료에서는, 환자의 뇌의 1 차 운동야 부근을 자극하여 트위치 (twitch) 라고 불리는 손가락이 움직이는 경련 현상을 확인하고, 트위치가 확인된 뇌의 위치를 자극 포인트로 설정하고, 트위치가 확인 가능한 자극 강도의 90 ％ 의 전류를 치료 시에 코일에 인가한다. 뇌 내부의 자극 위치가 수밀리라도 어긋나면, 목적의 자극 부위와는 다른 부위가 자극되어 버린다. 그 때문에, 목적의 자극 부위에 적정 강도의 자극이 주어지도록, 코일은 목적의 부위에 정확하게 설치되는 것이 중요하다.

그러나, 신경장애성 동통의 환자는, 손발의 통증에 의해 현저하게 QOL (Quality of Life : 생활의 질) 이 저하하여 있는 경우가 많다. 또, 경두개 자기 자극에 의한 제통 효과가 1 일 정도밖에 지속되지 않는 것이 보고되어 있다. 그 때문에, 코일이 자극 부위에 대해 적정하게 또한 간단하게 위치 맞춤 가능한, 안전하고, 저렴하며, 또한 소형인 재택용 자기 자극 치료 장치가 요망되고 있다.

1.4 경두개 자기 자극에 이용되고 있는 종래의 자극 위치 맞춤 시스템

상기 서술한 바와 같이, 경두개 자기 자극에서는 목적의 뇌 부위를 정확하게 자극하는 것이 중요하다. 그것을 실시하기 위해서, 여러 가지 위치 맞춤 시스템이 개발되어 왔다. 예를 들어, 적외선 카메라를 사용한 위치 맞춤 시스템이 제안되어 있다. 이 시스템에 의하면, 머리 (뇌) 와 자극 코일에 붙인 복수의 표지가 부속의 광학식 카메라로 촬영되고, 머리 (뇌) 와 코일의 위치 관계가 모니터 화면에 표시된다. 또, 환자의 MRI 화상 데이터와 카메라의 화상을 조합함으로써, 코일과 뇌의 상대적인 위치를 정확하게 파악하여, 보다 정확한 위치 맞춤이 가능하다. 실제, 위치 어긋남 오차는 다소 상이하지만, 대체로 수밀리 정도이다. 그러나, 시스템의 사이즈가 크고, 또 의료 종사자가 아니면 취급할 수 없으며, 또한 가격이 비싸다는 문제가 있다.

1.5 경두개 자기 자극에 사용되는 종래의 자극 코일

상기 서술한 바와 같이, 재택용의 자기 자극 장치는 컴팩트한 것이 바람직하다. 한편, 전력 공급부의 크기는 코일의 자극 효율에 반비례한다. 따라서, 고자극 효율이면 일수록 전력 공급량이 적어도 되어, 회로 소자의 수가 적어지고, 장치는 소형이고 또한 염가가 된다. 그 때문에, 보다 효율적으로 자극을 줄 수 있는, 여러 가지 자극 코일이 개발되어 왔다. 또, 경두개 자기 자극은, 그 자극 특성에 따라 치료 효과가 상이하므로, 다양한 자극 특성을 갖는 여러 가지 코일이 개발되어 왔다.

예를 들어, 1985년, 원형 코일의 중앙 바로 아래를 강하게 자극할 수 있는 특성의 원형 코일이 개발되었다. 또, 1988년에는 8 자형 코일이 개발되었다 [참고 문헌 1, 2].

(a) 원형 코일

미국의 마그벤쳐사 (Magventure) 로부터 상업적으로 제공되고 있는 원형 코일이 있다. 이 원형 코일은, 예를 들어 1 개의 도선 (도체) 을 아르키메데스의 나선을 따라 소용돌이상으로 구부린 1 개의 소용돌이 코일을 케이싱에 내장한 것으로, 광범위하게 자극이 가능하다는 장점이 있는 한편으로, 자극 효율이 나쁘다는 단점이 있다. 코일 중앙 부분의 자극 강도는 거의 제로에 가깝다. 따라서, 원형 코일은, 좁은 부분을 국소적으로 자극하는 검사나 치료에 이용하는 것은 부적절하다고 생각된다.

(b) 8 자형 코일

미국의 마그스팀사 (Magstim) 에 의해 개발된 8 자형 코일이 있다. 이 8 자형 코일은, 1 개의 도선 (도체) 을 구부려 2 개의 소용돌이 코일 부분을 갖는 8 자 소용돌이 코일을 케이싱에 내장한 것이다.

동작 시, 일방의 원형 코일에는 시계 방향으로 전류가 흐르게 되고, 타방의 원형 코일에는 반시계 방향으로 전류가 흐르게 되고, 이로써 양 원형 코일의 중앙 부분에 대응하는 부위를 강하게 자극할 수 있다. 상기 서술한 원형 코일에 비해 국소적인 자극을 실시할 수 있기 때문에, 높은 자극 효율이 얻어진다. 그러나, 로버스트성 (보다 넓은 범위에서 와전류를 발생시킬 수 있고, 약간의 어긋남이 있어도 유효적으로 자기 자극을 줄 수 있는 성질을 말한다) 이 낮다는 과제가 있다. 일반적으로 8 자형 코일은, 그 공간 분해능이 5 mm 이내인 점에서, 높은 분해능으로 뇌를 자극할 수 있다는 이점이 있다.

(c) H-코일

2005년, Zangen 등에 의해 H 코일이 제안되었다. H 코일은, 뇌에 수직인 방향 성분을 가지는 부분에 흐르는 전류에 의해 뇌의 심부를 자극할 수 있다는 이점이 있다. 예를 들어, 8 자형 코일에 비해 약 2.5 배의 깊이까지 자극할 수 있다. 그러나, H 코일은, 자극 효율이 나쁘다는 문제가 있다. 그 때문에, 심부의 배외측전두전야를 자극하는 것이 요구되는 우울증 등의 치료에는, H 코일이 유효하다고 생각된다. 또, 심부를 자극할 때에 유도 전기장의 감쇠가 적다는 것을 특징으로서 들 수 있다. 그 때문에, 자기 자극 시에 환자가 순간적인 통증을 느끼기 어렵다는 이점이 있다.

일본 공개특허공보 2012-125546호 국제 공개 제2010/147064호 국제 공개 제2015/122506호

1.6 경두개 자기 자극에 사용되는 위치 맞춤 시스템에 관한 연구 동향

상기 서술한 바와 같이, 종래의 위치 맞춤 시스템은 고가의 기기를 사용하고 있고, 또한 의사에 의한 조작이 필요했었기 때문에, 재택용 장치로는 적합하지 않았다. 이 문제를 해소할 목적으로, 오사카 대학의 니시카와 등은 보다 조작하기 쉬운 데이터 세트형 자기장 내비게이션 시스템을 개발하였다 [참고 문헌 3]. 여기서 말하는 데이터 세트란 자극 코일에 장착한 영구자석이 발산하는 자기장의 강도와 자극 코일의 3 차원 위치의 조합이다. 자기장의 강도는, 복수의 자기 센서로 계측된다. 본 수법에서는, 먼저 병원에 있어서 환자에 자기 센서가 부착된 안경형 고정구를 장착한다. 안경형 고정구를 동일한 위치에 장착시키기 위해서, 코일에 장착한 복수의 영구자석으로부터 발산하는 자력을 자기 센서로 검출한다. 또, 의사가 최적 자극 위치를 특정하고, 최적 자극 위치와 그것에 대응하는 코일의 삼차원 위치를 미리 취득한다. 환자 자신이 코일을 위치 맞춤하는 경우, 미리 얻어진 데이터 세트를 이용하여, 최적 자극 위치로 이동시키기 위해서는 어떻게 움직이면 좋을지를 모니터를 보면서 판단하고, 조작한다. 본 시스템을 20 대 남성의 정상인이 이용했을 때의 위치 엇갈림 오차는 5 mm 정도였다.

1.7 경두개 자기 자극에 이용되는 고효율 자극 코일에 관한 연구 동향

상기 서술한 바와 같이, 재택용의 자기 자극 장치는 컴팩트한 것이 중요하다. 그 때문에, 고효율인 자극 코일이 요구되고 있다. 그러나, 지금까지 개발되어 온 코일은 다양한 자극 특성을 갖지만, 재택용으로서 사용하기 위해서는 효율성을 개선해야 한다. 또, 의사가 조작하는 것 등을 전제로 하고 있어, 광범위하게 자극할 수 있는 로버스트성이 높은 코일은 아직 개발되어 있지 않았다.

1.7.1 변형 8 자형 코일

현재, 여러 가지 변형 8 자형 코일이 이용되고 있다 [참고 문헌 4 ∼ 15]. 이들 변형 8 자형 코일은, 2 개의 소용돌이 코일 부분을 부분적으로 중첩한 것 (중첩형 : 도 11 참조) 과, 2 개의 소용돌이 코일 부분을 중첩하지 않고 병렬로 배치한 것 (비중첩형 : 도 3 참조) 으로 분류된다. 8 자 소용돌이 코일은 또한, 2 개의 소용돌이 코일 부분을 아르키메데스의 나선을 따라 구부린 아르키메데스형 (비편심형) 과, 2000년에 세키노 등에 의해 개발된, 2 개의 소용돌이 코일 부분의 각각의 중심을 타방의 소용돌이 코일 부분을 향하여 편심시킨 것 (편심형) 으로 분류된다. 이들 중, 편심형의 8 자 소용돌이 코일은, 원형 코일의 중심을 타방의 원형 코일에 근접시킨 구조이고, 8 자형 코일의 중앙 부분에 도선이 조밀하게 배치되어 있다. 그 때문에, 2 개의 소용돌이 코일 부분이 접근한 코일 부분 또는 중첩된 코일 부분에 역방향으로 전류를 흘림으로써, 와전류를 중심부 바로 아래에 집중시킬 수 있으므로, 비편심 8 자형 코일보다 효율이 양호한 국소적인 자극이 얻어진다는 특징이다. 단, 변형 8 자형 코일에 대해서도, 로버스트성에 대해서는 개선의 여지가 있다고 생각된다.

그 외에도, 몇 개의 변형 8 자형 코일이 제안되어 있지만, 기본적인 성능에 대해 극적인 상위는 없다. 예를 들어, 영국 SA34 0HR, 카마던셔, 휘틀랜드, 스프링 가든 (Spring Gardens, Whitland, Carmarthenshire SA34 0HR) 에 있는 Magstim 사가 개발한 Magstim 70mm (P/N 9790) 은, 일반적인 8 자형 코일이다. 또, 덴마크 파룸 DK-3520, 루서네마켄 15 (Lucernemarken 15, DK-3520, Farum, Denmark) 에 있는 마그프로 (Magpro) 사가 개발한 더 메드트로닉 단텍 MCB70-더블 코일 (the Medtronic-Dantec MCB70 double coils) 은, 양측의 원형 코일부의 환자 대향면이 뇌에 피트되도록 절곡되어 있다. 이들 8 자형 코일에 대해, 액셀 틸셔 (Axel Thielscher) 등이 실시한 비교 해석의 결과 [참고 문헌 16] 에 의하면, 자극 효율의 점에서는 메드트로닉 (Medtronic) 쪽이 19 ％ 우수하였다. 자극 범위의 점에서는, 양 8 자형 코일 간에 거의 차이는 없었다. 최대 자극 강도의 50 ％ 의 강도로 자극할 수 있는 면적을 비교한 바, 메드트로닉 (Medtronic) 쪽이 16 ％ 광범위하게 자극할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 결과가 나타내는 바와 같이, 복수의 변형 8 자형 코일이 제공되고 있지만, 자극 효율이나 자극 로버스트성의 점에서는 큰 개선이 이루어져 있지 않았다. 또, 시판되고 있는 코일에서는, 코일이 발생하는 자기장의 영향에 대해 거의 고려되어 있지 않다는 과제도 있다 [참고 문헌 17 ∼ 18].

1.7.2 철심을 사용한 코일

자극 특성을 향상시키기 위해, 코일의 형상 등을 변경하는 수법 이외에도, 많은 수법이 제안되어 있다. 예를 들어, 2003년에는, 원형 코일에 강자성체의 철심을 첨부함으로써 자극 효율을 개선하는 것이 비 에이치 한 (B. H. Han) 등에 의해 제안되었다 [참고 문헌 19 ∼ 21]. 예를 들어, 원형 코일 상에 그것과 대략 동일 크기의 적층 철심을 배치한 모델에서는, 철심을 삽입하지 않은 모델에 비해, 그 자극 강도가 최대로 50 ∼ 60 ％ 향상되는 것이 확인되었다. 본 수법에 의하면, 앞서의 수법에 비해, 자극 효율 개선이 약 3 배까지 개선되었다. 그러나, 8 자 소용돌이 코일에 대해서는, 임상 시험기로서 실용화되는 것이 검토되면서도, 그 자극 특성을 향상시키기 위한 철심의 형상·배치에 관한 연구는 지금까지 실시되어 있지 않다.

원형 코일뿐만 아니라, 뇌에 수직의 유도 전류를 만드는 H 코일에 철심을 첨부한 모델에 대해 자극 효율의 해석이 실시된 사례가 있다 [참고 문헌 22]. 예를 들어, 알 살바도르 (R. Salvador) 등의 보고에 의하면, H 코일에 철심을 첨부한 모델의 경우, 뇌 표면에서의 유도 전기장 강도는 철심이 없는 모델에 비해 50 ％ 증가하는 것이 확인되었다. 자극 코일의 형상에 따라 적정한 철심 형상은 상이하지만, 현시점에서는 원형 코일에만 유효한 철심 형상밖에 검토되어 있지 않다. 또, 이미 경두개 자기 자극법에 이용되고 있는 편심 8 자형 코일에 대해서도 철심의 효과는 검증되어 있지 않다.

1.7.3 돔형 코일

자기 자극 시스템의 위치 맞춤을 간이하게 하기 위해서, 보다 자극 로버스트성이 높은 코일이 특허문헌 3 에 제안되어 있다. 이 특허문헌에 제안된 코일의 해석 모델은, 도선의 권수를 20 회, 도선의 상측 구면 반경을 56 mm, 도선의 하측 구면 반경이 100 mm 이다. 이 모델에 5.28 kA, 펄스폭 298 ㎲ 의 전류 (맥류) 를 인가하고, 반구형 뇌 모델 (전기 전도율 0.1065 S/m) 의 표면에 있어서의 유도 전류 밀도를 해석하였다. 그 결과, 종래의 8 자형 코일에 비해, 자극 로버스트성의 개선이 확인되었다. 단, 자극 효율에 대해서는 추가적인 개선이 요망된다.

본 발명의 목적은, 뇌의 자기 자극 대상 영역 (자기 자극을 주어야 하는 영역을 말한다) 에 대해 종래 기술과 비교해 높은 유도 전기장 강도를 발생시킬 수 있어, 종래 기술과 비교해 로버스트성을 갖고, 예를 들어 재택용 자기 자극 장치에 사용할 수 있는 코일 장치 및, 코일 장치를 구비한 경두개 자기 자극 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 양태에 관련된 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치는, 코일이 인간의 두부 표면에 대향하도록 설치되고, 전자 유도에 의해 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 유도 전기장에 의한 전류를 발생시켜 뉴런을 자극하는 경두개 자기 자극 장치를 위한 코일 장치로서,

소정의 기준면을 따라 도선을 권회하여 구성된 코일과,

상기 두부와는 상기 코일을 사이에 두고 반대측인 위치에 있어서, 상기 코일에 대향하도록 설치되고, 상기 코일이 구동되었을 때에 유도 전기장에 의한 전류가 흐르고, 또한 당해 유도 전기장에 의한 전류에 의해 상기 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 흐르는 유도 전기장에 의한 전류를, 자성체가 없을 때에 비교해 증대시키는 자성체를 구비하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 의하면, 뇌의 자기 자극 대상 영역에 대해 종래 기술과 비교해 높은 유도 전기장 강도를 발생시킬 수 있어, 종래 기술과 비교해 로버스트성을 갖고, 예를 들어 재택용 자기 자극 장치에 사용할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 관련된 경두개 자기 자극 장치의 개략 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2 는 도 1 의 시스템에 장착된 코일 구동 회로를 나타내는 회로도이다.
도 3 은 도 1 에 나타내는 시스템에 장착된 코일 장치의 단면도이다.
도 4 는 도 1 에 나타내는 코일 장치에 있어서의, 코일과 자성체의 관계를 나타내는 사시도이다.
도 5 는 전자 강판을 X 방향으로 적층한 입방체 형상의 비 (非) ロ 자형 자성체의 사시도이다.
도 6 은 전자 강판을 Y 방향으로 적층한 입방체 형상의 비 ロ 자형 자성체의 사시도이다.
도 7 은 전자 강판을 X 방향으로 적층한 입방체 형상의 ロ 자형 자성체의 사시도이다.
도 8 은 전자 강판을 Y 방향으로 적층한 입방체 형상의 ロ 자형 자성체의 사시도이다.
도 9 는 전자 강판을 XY 방향으로 적층한 입방체 형상의 비 ロ 자형 자성체의 사시도이다.
도 10 은 전자 강판을 XY 방향으로 적층한 입방체 형상의 비 ロ 자형 자성체의 사시도이다.
도 11 은 전자 강판을 XY 방향으로 적층한 입방체 형상의 ロ 자형 자성체의 사시도이다.
도 12 는 전자 강판을 XY 방향으로 적층한 입방체 형상의 ロ 자형 자성체의 사시도이다.
도 13 은 저면이 곡면인 케이싱에 곡면형의 코일 (비중첩형) 과 자성체를 내장한 코일 장치의 단면도이다.
도 14 는 저면이 곡면인 케이싱에 곡면형의 코일 (중첩형) 과 자성체를 내장한 코일 장치의 단면도이다.
도 15 는 저면이 곡면인 케이싱에 평탄한 코일 (비중첩형) 과 자성체를 내장한 코일 장치의 단면도이다.
도 16 은 저면이 곡면인 케이싱에 평탄한 코일 (중첩형) 과 자성체를 내장한 코일 장치의 단면도이다.
도 17 은 저면이 굴곡면인 케이싱에 평탄한 코일 (중첩형 또는 비중첩형) 과 자성체를 내장한 코일 장치의 단면도이다.
도 18 은 자성체를 포함하지 않는 비교 모델을 나타내는 사시도이다.
도 19 는 자성체를 포함하는 개변 모델을 나타내는 사시도이다.
도 20 은 해석에 사용한 코일의 모식도이다.
도 21 은 전자 강판을 X 방향으로 적층한 직방체 형상의 비 ロ 자형 자성체의 사시도이다.
도 22 는 전자 강판을 Y 방향으로 적층한 직방체 형상의 비 ロ 자형 자성체의 사시도이다.
도 23 은 전자 강판을 X 방향으로 적층한 직방체 형상의 ロ 자형 자성체의 사시도이다.
도 24 는 전자 강판을 Y 방향으로 적층한 직방체 형상의 ロ 자형 자성체의 사시도이다.
도 25 는 누설 자기장 해석의 평가 지점을 나타내는 사시도이다.
도 26 은 비교 모델 MF 에 있어서의 뇌 표면 유도 전기장 강도의 분포를 나타내는 등고선도이다.
도 27 은 개변 모델 MXa 에 있어서의 뇌 표면 유도 전기장 강도의 분포를 나타내는 등고선도이다.
도 28 은 개변 모델 MX 에 있어서의 뇌 표면 유도 전기장 강도의 분포를 나타내는 등고선도이다.
도 29 는 개변 모델 MY 에 있어서의 뇌 표면 유도 전기장 강도의 분포를 나타내는 등고선도이다.
도 30 은 개변 모델 MYa 에 있어서의 뇌 표면 유도 전기장 강도의 분포를 나타내는 등고선도이다.
도 31 은 개변 모델 MX 의 자성체 내에 생긴 유도 전기장 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 32 는 개변 모델 MY 의 자성체 내에 생긴 유도 전기장 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 33 은 모델 A 의 자성체 내에 흐르는 유도 전류를 나타내는 사시도이다.
도 34 는 모델 C 의 자성체 내에 흐르는 유도 전류를 나타내는 사시도이다.
도 35 는 기본적 해석 모델을 나타내는 사시도이다.
도 36 은 뇌 모델 중앙부의 평균 유도 전기장을 산출할 때에 사용하는 엘리먼트를 나타내는 사시도이다.
도 37a 는 직방체형 자성체를 갖는 모델을 나타내는 평면도이다.
도 37b 는 사각 프레임형 자성체를 갖는 모델을 나타내는 평면도이다.
도 38a 는 뇌 모델 표면의 유도 전기장 강도를 나타내는 등고선도이다.
도 38b 는 뇌 모델 표면의 유도 전기장 강도를 나타내는 등고선도이다.
도 38c 는 뇌 모델 표면의 유도 전기장 강도를 나타내는 등고선도이다.
도 39 는 뇌 표면 중앙 부분을 통과하는 X 축 방향과 Y 축 방향의 유도 전기장 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 40a 는 직방체형 자성체의 표면에 있어서의 유도 전류 밀도 (X 방향 성분) 를 나타내는 등고선도이다.
도 40b 는 직방체형 자성체의 표면에 있어서의 유도 전류 밀도 (Y 방향 성분) 를 나타내는 등고선도이다.
도 41 은 Z 축 방향의 자기장 강도를 나타내는 도면이다.
도 42 는 X 축 적층과 Y 축 적층을 조합한 모델을 나타내는 평면도이다.
도 43a 는 뇌 모델 표면의 유도 전기장 강도를 나타내는 등고선도이다.
도 43b 는 뇌 모델 표면의 유도 전기장 강도를 나타내는 등고선도이다.
도 43c 는 뇌 모델 표면의 유도 전기장 강도를 나타내는 등고선도이다.
도 43d 는 뇌 모델 표면의 유도 전기장 강도를 나타내는 등고선도이다.
도 44 는 뇌 표면 중앙 부분을 통과하는 X 축 방향과 Y 축 방향의 유도 전기장 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 45 는 XY 적층 모델에 있어서의 자성체 내의 유도 전류 분포와 뇌 표면 상의 유도 전기장을 나타내는 사시도이다.
도 46 은 XY 적층 모델에 있어서의 자성체 내의 유도 전류 분포의 해석 결과를 나타내는 사시도의 사진 화상이다.
도 47a 는 해석 모델을 나타내는 평면도이다.
도 47b 는 해석 모델을 나타내는 평면도이다.
도 48 은 뇌 표면 중앙 부분을 통과하는 X 축 방향과 Y 축 방향의 유도 전기장 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 49 는 해석 모델의 자기 등가 회로를 나타내는 회로도이다.
도 50a 는 해석에 사용한 돔형 코일을 나타내는 사시도이다.
도 50b 는 해석에 사용한 돔형 코일을 나타내는 측면도이다.
도 51a 는 해석에 사용한 돔형 코일을 나타내는 사시도이다.
도 51b 는 해석에 사용한 돔형 코일을 나타내는 측면도이다.
도 52a 는 뇌 표면 유도 전기장의 해석 결과를 나타내는 등고선도이다.
도 52b 는 뇌 표면 유도 전기장의 해석 결과를 나타내는 등고선도이다.
도 52c 는 뇌 표면 유도 전기장의 해석 결과를 나타내는 등고선도이다.
도 53a 는 자성체가 없는 코일 모델의 로버스트성을 나타내는 도면으로, 뇌 모델 표면의 X 좌표에 대한 뇌 표면의 유도 전기장 강도를 나타내는 도면이다.
도 53b 는 자성체가 없는 코일 모델의 로버스트성을 나타내는 도면으로, 뇌 모델 표면의 Z 좌표에 대한 뇌 표면의 유도 전기장 강도를 나타내는 도면이다.
도 54 는 복수의 코일 모델의 자극 로버스트성을 나타내는 도면으로, X 축 방향의 유효 자극 거리에 대한 Y 축 방향의 유효 자극 거리의 그래프 상의 각 모델을 나타내는 도면이다.
도 55a 는 Y 방향 적층 사각 프레임형 자성체 내의 전류와 그것이 뇌 표면에 만드는 유도 전기장을 나타내는 사시도이다.
도 55b 는 Y 방향 적층 사각 프레임형 자성체 내의 전류와 그것이 뇌 표면에 만드는 유도 전기장을 나타내는 사시도이다.
도 56 은 Y 방향 적층 직방체형 자성체를 갖는 코일 모델의 등가 자기 회로를 나타내는 회로도이다.
도 57 은 해석 모델의 개요를 나타내는 사시도이다.
도 58 은 자성체 중앙부를 통과하는 XZ 단면에 있어서의 자력선의 분포를 나타내는 단면도이다.
도 59 는 개량 해석 모델을 나타내는 사시도이다.
도 60 은 플랜지에 의해 자속의 누설이 저해되는 상황을 나타낸 단면도이다.
도 61 은 유한 요소법에 의한 TMS 의 시뮬레이션 모델을 나타내는 사시도이다.
도 62 는 세로 적층 및 가로 적층의 조합 적층 철강판을, 중앙 편심 8 자형 코일 상에 위치시켰을 때의 개략도이다.
도 63a 는 도전체 표면에 발생되는 유도 전기장을 나타내는 등고선도이다.
도 63b 는 도전체 표면에 발생되는 유도 전기장을 나타내는 등고선도이다.
도 63c 는 도전체 표면에 발생되는 유도 전기장을 나타내는 등고선도이다.
도 63d 는 도전체 표면에 발생되는 유도 전기장을 나타내는 등고선도이다.
도 63e 는 도전체 표면에 발생되는 유도 전기장을 나타내는 등고선도이다.
도 64 는 철강판 표면에 발생하는 손실 유도 전류를 나타내는 사진 화상이다.
도 65 는 조합 적층 철강판의 측부폭과 뇌 모델의 유도 전기장 강도의 관계를 나타내는 표를 나타낸 도면이다.

본 발명에 관련된 실시형태

이하, 본 발명에 관련된 여러 가지 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 각 실시형태에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있다.

본 실시형태에서는, 인간의 뇌의 자기 자극 대상 영역에 대해 종래 기술과 비교해 높은 유도 전기장 강도를 발생시킬 수 있어, 종래 기술과 비교해 로버스트성을 갖고, 예를 들어 재택용 자기 자극 장치에 사용할 수 있는 코일 장치 및, 코일 장치를 구비한 경두개 자기 자극 장치를 제공하기 위해서, 본 발명자들은 하기의 것을 실시하여 지견을 얻었다.

(1) 편심 8 자형 코일과 돔형 코일 각각에 여러 가지 자성체 (철심) 를 설치하고, 코일과 자성체의 조합 각각에 대해 뇌 모델 표면에 있어서의 유도 전기장 강도를 수치 해석에 의해 구하고, 가장 고효율로 자기 자극할 수 있는 자성체의 모델을 결정하였다.

(2) 각각의 조합에 대해, 수치 해석의 결과를 기초로 자극 로버스트성을 평가하고, 자성체의 형상과 자극 로버스트성의 상관관계를 정리하였다.

(3) 누설 자기장을 억제하기 위해서 편심 8 자형 코일에 페라이트 부재를 설치한 모델로서, 국제 비전리 방사선 방호 협회 (ICNIRP) 의 자기장 안전성 기준 (21 A/m) 을 만족하는 거리 (코일로부터의 거리) 를 최소화하는 모델을 수치 해석에 의해 결정하였다.

본 실시형태는, 상세 후술하는 해석 결과에 근거하는 지견에 근거하여, 새로운 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치 및 상기 코일 장치를 구비한 경두개 자기 자극 장치를 제공하는 것이다.

구체적으로, 본 발명의 일 양태에 관련된 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치는, 기준면을 따라 도선을 소용돌이상으로 감은 코일과, 상기 코일의 상방에 상기 코일을 따라 배치된 자성체를 갖는다. 여기서, 상기 기준면이 평면, 곡면, 또는 구면이라도 된다. 즉, 실시형태에 관련된 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치는, 권선 (卷線) 코일이 인간의 두부 표면에 대향하도록 설치되고, 전자 유도에 의해 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 유도 전기장에 의한 전류를 발생시켜 뉴런을 자극하는 경두개 자기 자극 장치를 위한 코일 장치로서, 소정의 기준면을 따라 도선을 권회하여 구성된 코일과, 상기 두부와는 상기 코일을 사이에 두고 반대측인, 상기 코일의 상방의 위치에 있어서, 상기 코일에 대향하도록 설치되고, 상기 코일이 구동되었을 때에 유도 전기장에 의한 전류가 흐르고, 또한 당해 유도 전기장에 의한 전류에 의해 상기 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 흐르는 유도 전기장에 의한 전류를, 자성체가 없을 때에 비교해 증대시키는 자성체를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

또, 상기 코일이, 비편심 소용돌이 코일, 편심 소용돌이 코일, 또는 돔형 코일 중 어느 것이라도 된다. 혹은, 상기 코일이, 2 개의 소용돌이 코일 부분을 갖는 비편심 8 자 소용돌이 코일 또는 편심 8 자 소용돌이 코일 중 어느 것이라도 된다.

또한, 상기 기준면을 따라 상기 2 개의 소용돌이 코일 부분의 중심을 잇는 선의 방향을 X 방향, 상기 기준면을 따라 상기 X 방향과 직교하는 방향을 Y 방향으로 하면, 상기 자성체는, 복수의 전자 강판을 상기 X 방향으로 적층하여 구성되어 있어도 된다.

또 추가로, 상기 기준면을 따라 상기 2 개의 소용돌이 코일 부분의 중심을 잇는 선의 방향을 X 방향, 상기 평면을 따라 상기 X 방향과 직교하는 방향을 Y 방향으로 하면, 상기 자성체는, 복수의 전자 강판을 상기 Y 방향으로 적층하여 구성되어 있어도 된다.

또 추가로, 상기 기준면을 따라 상기 2 개의 소용돌이 코일 부분의 중심을 잇는 선의 방향을 X 방향, 상기 평면을 따라 상기 X 방향과 직교하는 방향을 Y 방향으로 하면, 상기 자성체는, 복수의 전자 강판을 상기 X 방향으로 적층하여 구성된 제 1 적층 자성체 부분과, 복수의 전자 강판을 상기 Y 방향으로 적층하여 구성된 제 2 적층 자성체 부분을 구비하고 있어도 된다.

여기서, 상기 자성체는, 상기 코일의 권회 방향으로 적층하여 구성되어도 된다. 즉, 코일의 각 턴 권선이 겹쳐 쌓이는 방향으로, 자성체의 개개의 적층판을 겹쳐 쌓아 구성해도 된다.

또, 상기 X 방향에 관해서, 상기 제 2 적층 자성체 부분이 상기 코일 장치의 중앙에 배치되고, 상기 제 1 적층 자성체 부분이 상기 제 2 적층 자성체 부분의 양측에 배치되어 있어도 된다.

본 발명의 다른 형태로는, 상기 자성체는, 상기 X 방향과 상기 Y 방향에 직교하는 Z 방향으로부터 보았을 때, 사각형, 다각형, 원형, 난형, 또는 타원형이라도 된다.

본 발명의 다른 형태로는, 상기 자성체는, 상기 X 방향과 상기 Y 방향에 직교하는 Z 방향으로부터 보았을 때의 중앙에 개구를 가지고 있어도 된다.

실시형태에 관련된 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치는,

도선을 소용돌이상으로 감은 2 개의 소용돌이 코일 부분을 갖는 8 자상의 코일과,

상기 코일의 상방에 상기 코일을 따라 배치된 자성체를 갖고,

상기 자성체는, 상기 코일의 중앙부에 있어서의 도선의 배치 방향으로 복수의 전자 강판을 적층하여 구성되어 있다.

본 발명의 다른 형태에 관련된 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치는,

도선을 소용돌이상으로 감은 2 개의 소용돌이 코일 부분을 갖는 8 자상의 코일과,

상기 코일의 상방에 상기 코일을 따라 배치된 자성체를 갖고,

상기 자성체는, 상기 2 개의 소용돌이 코일 부분의 중심을 잇는 방향과 직교하는 방향으로 복수의 전자 강판을 적층하여 구성되어 있다.

실시형태에 관련된 경두개 자기 자극 장치는, 상기 서술한 어느 코일 장치를 구비하고 있다.

실시형태 1.

도 1 을 참조하면, 경두개 자기 자극 장치 (1) 는, 도시되지 않은 지지 기구 (예를 들어, 의자 (2) 또는 침대) 에 지지된, 예를 들어 환자 (3) 의 뇌의 자기 자극 대상 영역에 자기 자극을 주는 자기 자극 장치 (4) 를 갖는다. 자기 자극 장치 (4) 는, 환자 (3) 의 뇌에 자기 자극을 가하는 동(動)자기장을 형성하기 위해서, 코일 장치 (5) 와 제어 유닛 (6) 을 갖는다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 코일 장치 (5) 는, 환자 (3) 의 두부 표면을 따라 자유롭게 이동할 수 있음과 함께 임의의 위치에 위치 결정할 수 있도록, 적당한 위치 결정 유닛 (7) 으로 지지하는 것이 바람직하다. 코일 장치 (5) 는, 코일 (8) 과 이 코일 (8) 을 둘러싸는 전기 절연 재료로 이루어지는 케이싱 (9) 을 구비하고 있다. 케이싱 (9) 은, 케이싱 (9) 에 일체적으로 형성된 홀더 (10) 를 구비하고 있고, 홀더 (10) 를 통하여 위치 결정 유닛 (7) 에 유지되고 있다. 실시형태에서는, 코일 (8) 은 8 자형 코일이다. 8 자형 코일은, 2 개의 소용돌이 코일 부분을 부분적으로 중첩한 중첩형과, 2 개의 소용돌이 코일 부분을 중첩하지 않고 병렬로 배치한 비중첩형 중 어느 것이라도 된다. 또, 8 자형 코일은, 2 개의 소용돌이 코일 부분을 아르키메데스의 나선을 따라 구부린 비편심형과, 2 개의 소용돌이 코일 부분의 각각의 중심을 타방의 소용돌이 코일 부분을 향하여 이동시킨 편심형 중 어느 것이라도 된다.

케이싱 (9) 은, 3 개 또는 그 이상의 관찰 대상 (예를 들어, 마크 (11) 또는 돌기 등의 타겟) 을 일체적으로 구비하고 있다. 이들 관찰 대상은, 환자 두부에 대한 코일 (8) 의 상대적인 위치와 방향을 구하기 위해서 이용된다.

또, 경두개 자기 자극 장치 (1) 는, 예를 들어 다음과 같이 구성되어도 된다.

제어 유닛 (6) 은, 상자형의 하우징 (12) 을 구비하고 있다. 하우징 (12) 은 입력부 (13) 와 출력부 (14) 를 구비하고 있다. 입력부 (13) 는, 경두개 자기 자극 장치 (1) 의 구동 조건 (예를 들어, 코일 (8) 에 인가하는 전압, 전류, 주파수) 을 설정하는 구동 조건 설정부 (15) ; 단층 화상 촬영 장치 (예를 들어, MRI, CT, PET)(16) 에서 생성된 인체 (특히 두부) 단층 화상 데이터를 수신하는 데이터 수신부 (17) ; 코일 장치 (5) 의 케이싱 (9) 에 형성한 마크 (11) 와 환자 (3) 가 장착한 안경 등의 장착품 (예를 들어, 안경) 또는 환자 (3) 의 피부에 형성한 3 개 또는 그 이상의 관찰 대상 (예를 들어, 마크 (18) 또는 돌기) 을 동시에 촬영하는 스테레오 촬상식 광학적 3 차원 위치 센싱 카메라 (이하, 간단히 「카메라」라고 한다.)(19) 로부터의 화상 데이터를 수신하는 데이터 수신부 (20) 를 구비하고 있다. 도시하지 않지만, 카메라 (19) 는, 위치 결정 유닛 (7) 또는 경두개 자기 자극 장치 (1) 가 수용되는 거실의 고정부에 장착된다.

상기 단층 화상 촬영 장치 (16), 데이터 수신부 (17), 스테레오 촬상식 광학적 3 차원 위치 센싱 카메라 (19), 데이터 수신부 (20) 등은, 코일 장치 (5) 의 두부 조사 부위에 대한 위치 결정을 실시하기 위해서 사용하는 일 실시양태이고, 그 밖의 양태로 해도 된다.

본 실시형태에 있어서, 코일에 인가하는 전류는, 시간과 함께 주기적으로 흐름의 방향이 변화하는 전류 (교류) 뿐만 아니라, 흐르는 방향이 일정하고, 크기가 주기적으로 변동하는 전류 (이른바 「맥류」) 도 포함하는 것으로 이해해야 한다.

출력부 (14) 는, 액정 표시 장치 등의 디스플레이 (21), 또는 디스플레이를 구비한 컴퓨터 (도시 생략) 에 접속되고, 제어 유닛 (6) 으로부터 출력되는 데이터 (예를 들어, 화상 데이터) 를 디스플레이 (21) 에 출력하고 그곳에 대응하는 화상을 표시할 수 있도록 구성되어 있다.

하우징 (12) 의 내부에는 도 2 에 나타내는 코일 구동 회로 (25) 가 수용되어 있고, 이 코일 구동 회로 (25) 가 케이블 (26) 을 통하여 코일 (8) 과 전기적으로 접속되어 있다.

이상의 구성을 구비한 경두개 자기 자극 장치 (1) 를 사용하여 환자를 치료하는 경우, 카메라 (19) 에서 촬영된 화상을 기초로, 환자 두부에 대한 코일 (8) 의 위치가 구해진다. 환자 두부에 대한 코일 (8) 의 상대 위치는 디스플레이 (21) 에 표시된다. 이로써, 환자 두부의 목적의 장소 (예를 들어, 최적 자극 위치) 에 코일 (8) 을 설치할 수 있다. 그 후, 입력부 (15) 를 통해서 입력된 코일 구동 조건을 기초로 코일 구동 회로 (25) 가 구동하고, 환자 (3) 의 뇌에 자기 자극을 준다. 코일 구동 회로 (25) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 전원 (61) 의 출력 전압을 소망 전압으로 변환하는 전원 회로 (62), 전원 회로 (62) 의 출력을 승압하는 승압 회로 (63), 승압 회로 (63) 로부터 출력을 이용하여 전하를 축적하는 콘덴서 (64), 콘덴서 (64) 에 흐르는 전류를 조정하는 저항 (65), 콘덴서 (64) 로부터의 출력을 소정의 타이밍으로 동작하여 교류를 형성하는 반도체 스위치 (66) 를 갖고, 반도체 스위치 (66) 는 제어 회로 (67) 에 의해 온/오프 제어되는 사이리스터 (31) 와, 그것에 대해 역방향으로 병렬로 접속된 다이오드 (31D) 를 구비하여 구성되고, 반도체 스위치 (66) 를 구동하여 얻어진 전류가 코일 (8) 에 인가된다.

도 3 은 코일 장치 (5) 의 개략 구성을 나타낸다. 도 3 에 나타내는 바와 같이 코일 장치 (5) 는, 비자성이고 비도전성의 재료로 이루어지는 케이싱 (9) 을 갖는다. 도 3 의 실시형태에서는, 케이싱 (9) 의 환자 두부에 대향하는 저면 (21) 은, 도 3 의 좌우 방향 (X 방향) 과 이것에 직교하는 도면의 표리 방향 (Y 방향) 을 포함하는 평면 (XY 평면) 에 평행 또는 대략 평행한 평탄한 면이다. 본 실시형태에서는, 이 평면이 기준면이 된다.

케이싱 (9) 의 내부에는 코일 (8) 이 수용되어 있다. 실시형태에서는, 코일 (8) 은, 1 개의 도선 (80) 을 소용돌이상으로 구부려 이루어지는 2 개의 소용돌이 코일 부분 (81, 82) 을 기준면을 따라 중첩하지 않고 배치함과 함께, 2 개의 소용돌이 코일 부분 (81, 82) 의 각각의 중심을 타방의 소용돌이 코일 부분을 향하여 편심시킨 편심형이고 또한 비중첩형으로의 8 자 소용돌이 코일이다. 실시형태에서는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 8 자 소용돌이 코일 (8) 을 구성하고 있는 2 개의 소용돌이 코일 부분 (81, 82) 의 중심 (83, 84) 을 잇는 방향 (편심 방향에 일치한다.) 을 X 방향, 기준면에 평행이고 또한 X 방향에 직교하는 방향을 Y 방향, 기준면에 수직인 방향을 Z 방향으로 한다. 이 경우, 코일 부분 (81, 82) 의 중심 (83, 84) 의 중간에 위치하는 중앙부 (85) 및 그 주변에서는, 코일 (80) 은 Y 방향으로 연장되어 있다.

도 3 으로 돌아가, 케이싱 (9) 의 내부에는, 코일 (8) 상에, 코일 (8) 과의 사이에 소정의 간격을 두고, 소정의 체적을 갖는 입방체 형상의 자성체 (22) 가 수용되어 있다. 자성체 (22) 는, 전자 강판으로 이루어지는 1 장의 판 (상기 서술한 비교 모델의 자성체) 이라도 되고, 표면이 절연 피막으로 덮인 얇은 전자 강판을 적층한 적층체이다. 여기서, 코일 (8) 의 하면은 뇌 표면에 대향하고, 코일 (8) 의 상면은 자성체 (22) 에 대향하도록 구성된다. 자성체 (22) 를 뇌와는 반대측의 코일 (8) 의 상측에 설치함으로써, 자성체 (22) 를 설치하지 않을 때에 비교해, 뇌의 자기 자극 대상 영역에 있어서의 유도 전기장 강도를 대폭 증대시키고 또한 당해 유도 전기장을 보다 넓은 영역에 걸쳐서 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하고 있다.

자성체 (22) 는, 전자 강판을 X 방향으로 적층한 적층체 (22A, 22C)(도 5, 도 7 참조), 전자 강판을 Y 방향으로 적층한 적층체 (22B, 22D)(도 6, 도 8 참조), 전자 강판을 XY 방향으로 적층한 적층체 (22E ∼ 22H)(도 9 ∼ 도 12) 중 어느 것이라도 된다. 자성체 (22) 는, 그 중앙부에, 상면과 하면을 관통하는 개구 (23) 를 형성해도 된다 (도 7, 도 8, 도 11, 도 12 참조). 또한, 도 9 와 도 11 에 나타내는 형태는, 양측의 영역의 전자 강판을 X 방향으로 적층하고 그것들 사이의 영역의 전자 강판을 Y 방향으로 적층한 것이다. 도 10 과 도 12 에 나타내는 형태는, 양측의 영역의 전자 강판을 Y 방향으로 적층하고 그것들 사이의 영역의 전자 강판을 X 방향으로 적층한 것이다.

여기서, 도 5 ∼ 도 12 의 각 모델을 이하와 같이 모델명을 붙인다.

도 5 의 모델 : 모델 MX ;

도 6 의 모델 : 모델 MY ;

도 7 의 모델 : 모델 MXa ;

도 8 의 모델 : 모델 MYa ;

도 9 의 모델 : 모델 MZY ;

도 10 의 모델 : 모델 MZX ;

도 11 의 모델 : 모델 MZYa ;

도 12 의 모델 : 모델 MZXa.

자성체 (22) 의 평면 형상 (Z 방향으로부터 본 형상) 은, 사각형, 비사각형 (예를 들어, 원형, 난형, 타원형 (ellipse, oblong)) 중 어느 것이라도 된다.

상기 서술한 바와 같이, 도 3, 도 4 의 코일 (8) 은 편심형이고 또한 비중첩형의 8 자 소용돌이 코일이다. 그러나, 코일 (8) 의 종류는 한정적이 아니고, 편심형이고 또한 중첩형의 8 자 소용돌이 코일, 비편심형이고 또한 중첩형의 8 자 소용돌이 코일, 비편심형이고 또한 비중첩형의 8 자 소용돌이 코일 어느 것이나 이용 가능하다.

상기 실시형태에서는, 케이싱 (9) 의 저면 (21) 은 평탄한 면으로 했지만, 도 13 ∼ 도 16 에 나타내는 바와 같이 곡면이라도 된다. 이 경우, 코일 (8) 은, 곡면에 평행일 필요는 없고, 곡면이다. 기준면을 「따라」배치되고 있으면 되고, 예를 들어 X 방향과 Y 방향을 포함하는 평탄한 면에 평행하게 배치해도 되고, 곡면에 평행하게 배치해도 된다. 마찬가지로, 자성체 (22) 도, 곡면에 평행일 필요는 없고, 곡면이다. 기준면을 「따라」배치되어 있으면 되고, 예를 들어 X 방향과 Y 방향을 포함하는 평탄한 면에 평행하게 배치해도 되고, 곡면에 평행하게 배치해도 된다. 또한, 구면형의 코일은, 도선을 구면을 따라 배치함으로써 형성할 수 있다. 또, 구면형의 적층형 자성체는, 예를 들어 평탄한 적층형 자성체를 구면상으로 프레스 가공하여 형성할 수 있다.

도 17 에 나타내는 바와 같이, 케이싱 (9) 의 저면은 2 개의 평탄한 면을 소정 각도로 교차시킨 굴곡면이라도 된다. 이 경우, 코일 (8) 은 편심형 또는 비편심형, 중첩형 또는 비중첩형 중 어느 것이라도 된다. 또, 코일 (8) 과 자성체 (22) 는, 굴곡면이다. 기준면을 「따라」배치되어 있으면 되고, 예를 들어 X 방향과 Y 방향을 포함하는 평탄한 면에 평행하게 배치해도 되고, 굴곡면에 평행하게 배치해도 된다.

도시하지 않지만, 케이싱 (9) 의 저면 (21) 은 구면이라도 된다. 이 경우, 코일 (8) 은, 구면이고, 구면에 평행일 필요는 없다. 기준면을 「따라」 배치되어 있으면 되고, 예를 들어 X 방향과 Y 방향을 포함하는 평탄한 면에 평행하게 배치해도 되고, 구면에 평행하게 배치해도 된다. 마찬가지로, 자성체 (22) 도, 구면이고, 구면에 평행일 필요는 없다. 기준면을 「따라」 배치되어 있으면 되고, 예를 들어 X 방향과 Y 방향을 포함하는 평탄한 면에 평행하게 배치해도 되고, 구면에 평행하게 배치해도 된다.

자성체 (22) 의 크기는, 코일 (8) 을 전체적으로 덮을 수 있는 크기로 하는 것이 바람직하다. 단, 코일 (8) 이 8 자형 코일인 경우, 2 개의 소용돌이 코일 부분의 적어도 최소 내경 영역을 덮는 크기인 것이 바람직하다.

또한, 이상의 설명에서는, 코일은 2 개의 소용돌이 코일 부분을 포함하는 8 자 소용돌이 코일로 했지만, 본 발명은 3 개 또는 4 개의 소용돌이 코일 부분을 포함하는 소용돌이 코일도 동일하게 적용 가능하다.

이와 같이 구성된 코일 장치 (5) 에 의하면, 상기 서술한 해석에서 설명한 바와 같이, 코일을 따라 자성체를 배치한 것에 의해, 자성체가 없는 코일 장치에 비해 보다 큰 유도 전기장 강도를 뇌 표면에 형성할 수 있다. 특히, 8 자 소용돌이 코일을 포함하는 코일 장치의 경우, 2 개의 소용돌이 코일 부분의 중심을 잇는 방향과 직교하는 방향으로 전자 강판을 적층하여 자성체를 구성하면, 누설 자속을 최소한으로 억제하면서, 또 소정 방향으로 높은 로버스트성을 가져, 보다 큰 유도 전기장 강도를 자기 자극 대상 영역인 목표 치료 부위에 형성할 수 있다.

실시예

2.1 수치 해석 1

본원 발명의 발명자들은, 자기 자극 코일 장치에 대해, 자기 자극 효율의 향상, 누설 자기장의 삭감, 자극 로버스트성의 향상, 및 소형화를 도모하기 위해, 2 개의 해석 모델을 제작하고, 유한 요소법을 사용하여 유도 자기장의 강도, 누설 자기장, 국소성을 평가하였다. 도 18 에 나타내는 바와 같이, 1 개의 해석 모델은, 직방체의 공간 (공기 영역) 의 내측에 직방체의 뇌 모델과 중첩형의 편심 8 자 소용돌이 코일을 배치한 모델 (이하, 「비교 모델」이라고 한다.) 이다. 다른 해석 모델은, 도 19 에 나타내는 바와 같이, 직방체의 공간 (공기 영역) 의 내측에, 상기 서술한 직방체의 뇌 모델과 편심 8 자 소용돌이 코일에 추가로, 입방체의 자성체를 배치한 모델 (이하, 「개변 모델」이라고 한다.) 이다.

2.1.1 비교 모델과 개변 모델

비교 모델과 개변 모델에 있어서, 직방체 공간의 크기는 1000 × 1000 × 1600 mm (「X 방향의 사이즈 × Y 방향의 사이즈 × Z 방향의 사이즈」 를 나타낸다. 이하, 동일하게 표시한다.), 뇌 모델의 크기는 140 × 140 × 40 mm 으로 하였다. 도 20 에 나타내는 바와 같이, 편심 8 자 소용돌이 코일은, 폭 2 mm, 높이 6 mm 의 도선 (도체) 을 하나의 평면을 따라 소용돌이상으로 권회하여 2 개의 소용돌이 코일 부분 (81, 82) 을 형성함과 함께 그것들 2 개의 소용돌이 코일 부분 (81, 82) 의 각각의 중심 (83, 84) 을 서로 타방의 중심을 향하여 편심한, 2 개의 편심 소용돌이 코일 부분 (81, 82) 을 갖는 것이다. 각 편심 소용돌이 코일 부분 (81, 82) 은, 최소 내경을 18 mm, 최대 외경을 122 mm, 편심량 (편심 소용돌이 코일 부분의 외경 중심과 내경 중심 사이의 거리) 을 27.5 mm, 좌우의 편심 소용돌이 코일 부분 (81, 82) 의 내경 중심 간 거리를 42.5 mm, 편심측의 최소 코일 갭 (도 18 에 있어서, 우측에 나타내는 편심 소용돌이 코일 부분 (81) 에서는 좌측 영역, 좌측에 나타내는 편심 소용돌이 코일 부분 (82) 에서는 우측 영역) 을 0.5 mm 으로 하였다. 이상의 구성을 갖는 편심 8 자 소용돌이 코일 (8) 은, 2 개의 편심 소용돌이 코일 부분의 중심을 잇는 선 (8L)(이하, 이 선을 「편심 8 자 소용돌이 코일의 중심축」이라고 한다.) 을 X 방향을 향하여 배치하였다.

도 18 및 도 19 에 나타내는 바와 같이, 뇌 모델과 편심 8 자 소용돌이 코일은, 뇌 모델 (90) 의 중심 상에 편심 8 자 소용돌이 코일의 중심을 위치시켰다. 뇌 모델 (90) 과 편심 8 자 소용돌이 코일 (8) 사이에 30 mm 의 간극을 두었다. 편심 8 자 소용돌이 코일 (8) 은, 2 개의 편심 소용돌이 코일 부분 (81, 82) 의 중심 (83, 84) 을 잇는 선 (이하, 이 선을 「편심 8 자 소용돌이 코일의 중심축」이라고 한다.) 을 X 방향을 향하게 하고, 코일의 평면 상에 있어 편심 8 자 소용돌이 코일 (8) 의 중심축 (8L) 에 직교하는 방향을 Y 방향을 향하게 하여 배치하였다.

도 19 에 나타내는 개변 모델에서는, 편심 8 자 소용돌이 코일 상에 0.5 mm 의 간극을 두고, 예를 들어 직방체의 자성체 (33) 를 배치하였다. 직방체의 자성체 (33) 는, 도 21 ∼ 도 24 에 나타내는 4 종류의 자성체 (100A ∼ 100D) 를 준비하였다. 도 21 의 자성체 (100A) 는, 전자 강판을 도 21 의 Y 방향으로 적층하여 구성한 직방 자성체 (비 ロ 자형) 이다. 도 22 의 자성체 (100B) 는, 자성체 (100A) 의 중앙에 사각형의 개구 (45 mm × 80 mm) 를 형성한 직방 자성체 (ロ 자형) 이다. 도 23 의 자성체 (100C) 는, 전자 강판을 도 23 의 X 방향으로 적층하여 구성한 직방 자성체 (비 ロ 자형) 이다. 도 24 의 자성체 (100D) 는, 자성체 (C) 의 중앙에 사각형의 개구 (45 mm × 80 mm) 를 형성한 직방 자성체 (ロ 자형) 이다. 각 자성체 (100A ∼ 100D) 의 크기는, 편심 코일 (8) 의 상면 전체를 덮을 정도의 충분한 면적을 갖는 것으로 하였다. 계산상 전자 강판의 두께는 무시하였다.

뇌 모델 (90) 의 전기 전도율은 0.11 (S/m)(이것은, 뇌의 회백질의 그것과 동일하다.), 비투자율은 1 로 하였다. 공기 영역의 전기 전도율은 0 (S/m), 비투자율은 0 으로 하였다. 자성체의 전기 전도율은 10⁷ (S/m), 비투자율은 5000 으로 하였다. 양 해석 모델의 요소수는, 약 1,000,000 으로 하였다. 이하, 자성체 (100A, 100B, 100C, 100D) 를 포함하는 개변 모델을 각각 「개변 모델 MY」, 「개변 모델 MYa」, 「개변 모델 MX」, 「개변 모델 MXa」로 한다.

2.1.2 해석 방법

(a) 유도 전기장의 계산식

전류 밀도의 해석은 유한 요소법에 근거하여, EDDY-jω 법으로 실시하였다. 전자기장이 만족하는 방정식은 자기장을 B, 코일 전류의 벡터 포텐셜을 Ac, 와전류의 벡터 포텐셜을 Ae, 전기장을 E, 전류를 J, 스칼라 포텐셜을 φ, 시간을 t 로 하면, 자기장 B 는 식 (1), 전기장 E 는 식 (2) 로 주어진다.

φ = 0, μ₀ 을 진공의 투자율로 하고 (1) 식의 와전류의 벡터 포텐셜에 관한 항을 식 (3) 에 대입하면, 다음 식의 식 (4) 가 얻어진다.

여기서, Je 는 와전류이다. 코일 전류의 벡터 포텐셜은, 공지된 비오·사바르 법칙으로부터 다음 식의 식 (5) 로 주어진다.

따라서, 식 (2) ∼ (4) 및 식 (6) 으로부터, 식 (7) 이 얻어진다.

전자기장이 정현파상으로 시간 변화하는 경우, 복소장 Ac(XYZ) 는 다음 식의 식 (8) 로 주어진다.

따라서, 식 (8) 을 식 (7) 에 대입하면, 복소장이 만족시켜야 하는 방정식은 다음 식의 식 (9) 로 주어진다.

본 해석에서는, 이 복소장을 해석 결과로서 얻었다.

(b) 유도 전기장 강도의 해석

자기 자극 효율을 평가하기 위해, 비교 모델과 4 개의 개변 모델의 각각에 대해, 뇌 모델 (90) 의 상면에 있어서의 유도 전기장 강도 (이하, 「뇌 표면 유도 전기장 강도」라고 한다.) 의 분포와, 뇌 모델 (90) 의 상면의 중앙점 (이하, 「타겟점」이라고 한다.) 에 있어서의 유도 전기장을 해석하였다. 타겟점에 있어서의 유도 전기장을 평가하기 위해서, 도 36 에 나타내는 바와 같이 타겟점 (90C) 으로부터 반경 10 mm 의 반구 (90S) 의 내측에 있는 뇌 엘리먼트 (해석 시에 정의된 뇌 모델 (90) 의 요소) 에 있어서의 유도 전기장의 평균값을 유효 자극 뇌 표면 유도 전기장 강도로 하였다.

(c) 코일의 상 방향 누설 자기장의 해석

도 18 의 비교 모델과, 도 21 ∼ 도 24 에 나타내는 4 개의 자성체 (100A ∼ 100D) 를 포함하는 도 19 의 개변 모델에 대해, 도 25 에 나타내는 바와 같이 타겟점으로부터 상방 (Z 축 방향) 으로 60 cm 떨어진 평가 지점의 자기장 강도를 계산하였다.

(d) 자극 로버스트성의 해석

자극 코일 (8) 이 소정 위치로부터 어긋난 경우라도 목적의 자극 위치에 원하는 자극 강도를 줄 수 있는 영역의 크기 (로버스트성) 를 평가하기 위해, 뇌 표면에 있어서의 최대 유도 전기장의 70 ％ 를 유효 자극 강도로 하고, 유효 자극 강도와 동일하거나 또는 그 이상의 전기장을 갖는 영역을 유효 자극 영역으로 하였다. 유효 자극 영역의 X 방향폭과 Y 방향폭을 각각 구하고, 그들의 절반의 값을 최대 허용 어긋남 오차로 하였다.

2.1.3 해석 결과

(a) 뇌 표면의 유도 전기장 강도

비교 모델 MF (도 18) 에 있어서의 뇌 표면 유도 전기장 강도의 분포를 도 26, 개변 모델 MY, MYa, MX, MXa (도 19, 도 21 ∼ 도 24 를 참조) 에 있어서의 뇌 표면 유도 전기장 강도의 분포를 도 27 ∼ 도 30 에 나타낸다.

(b) 타겟점의 유효 자극 뇌 표면 유도 전기장 강도

타겟점에 있어서의 유효 자극 뇌 표면 유도 전기장 강도를 표 1 에 나타낸다.

표 1 에 나타내는 바와 같이, 자성체가 없는 비교 모델의 유효 뇌 표면 유도 전기장 강도는 118 (V/m) 이었다. 이것에 대해, 4 종의 개변 모델 MX, MXa, MY, MYa 의 유효 뇌 표면 유도 전기장 강도는 각각 120 (V/m), 129 (V/m), 297 (V/m), 207 (V/m) 이고, 어느 개변 모델도 비교 모델보다 큰 유효 뇌 표면 유도 전기장 강도가 얻어졌다. 특히, 개변 모델 MY (Y 방향으로 전자 강판을 적층한 직방 자성체를 갖는 모델) 에서는, 비교 모델의 약 2.5 배의 유효 뇌 표면 유도 전기장 강도가 얻어졌다. 이 결과로부터, 편심 8 자 소용돌이 코일 (8) 상에 자성체 (22) 를 배치한 어느 개변 모델 MX, MXa, MY, MYa 도, 비교 모델 MF 에 비해 보다 많은 유도 전기장을 뇌 모델 (90) 의 표면 및 그 내부에 형성할 수 있는 것을 알 수 있다. 또, 편심 8 자 소용돌이 코일 (8) 의 중심축 (8L)(X 방향) 에 직교하는 방향 (Y 방향) 으로 전자 강판을 적층한 개변 모델 MY, MYa 의 경우, 편심 8 자 소용돌이 코일의 중심축을 평행한 방향 (X 방향) 으로 전자 강판을 적층한 모델 MX, MXa 보다 훨씬 큰 유도 전기장을 뇌 모델 (90) 의 표면 및 그 내부에 형성할 수 있는 것을 알 수 있다.

(c) 자성체 내 유도 전기장

X 방향, Y 방향으로 각각 전자 강판을 적층한 직방 자성체 (22) 를 구비한 개변 모델 MX, MY 에 대해, 자성체 중앙부의 Y 방향 단면과 X 방향 단면에 생긴 유도 전기장의 강도 분포를 해석하였다. 해석 결과를 도 31 및 도 32 에 나타낸다. 도 31 및 도 32 에 나타내는 바와 같이, 개변 모델 MX 의 경우, 고강도의 유도 전기장이 자성체 (22) 의 하면측에 나타나고, 저강도의 유도 전기장이 자성체 (22) 의 상면측에 나타난다는 결과가 얻어졌다. 개변 모델 MY 의 경우, 좌측 영역에서는 고강도의 유도 전기장이 자성체 (22) 의 상면측에 나타남과 함께 저강도의 유도 전기장이 자성체 (22) 의 하면측에 나타나지만, 우측 영역에서는 고강도의 유도 전기장이 자성체 (22) 의 하면측에 나타남과 함께 저강도의 유도 전기장이 자성체 (22) 의 상면측에 나타난다는 결과가 얻어졌다.

이 결과로부터, 도 31 ∼ 도 34 에 화살표로 나타내는 바와 같이, 개변 모델 MX 에서는 Y 방향 단면을 따른 하나의 환상으로 유도 전류가 흐르고, 개변 모델 MY 에서는 좌우 각각의 영역에서 X 방향 단면을 따른 환상으로 유도 전류가 역방향으로 흐르는 것이라고 생각된다. 따라서, 어느 개변 모델에 있어서도, 자성체가 가지는 높은 투자율에 의해, 코일 주위의 자기 저항이 감소하고, 뇌 표면에서의 자기장이 증강되어 뇌 내의 전기장이 강해진다고 생각된다. X 방향으로 전자 강판을 적층한 개변 모델 MX 의 직방 자성체 (22) 에는, 도 33 과 같은 유도 전류가 흐르고, 그 유도 전류가 뇌 표면에 만드는 유도 전류를 약화시키는 방향으로, 뇌 표면의 타겟 지점에 전류를 흘리는 것이라고 생각된다. 또 X 방향으로 전자 강판을 적층한 개변 모델 MXa 의 ロ 자형 자성체의 경우, 중앙 부분에 유도 전류가 흐르지 않기 때문에, 뇌의 유도 전류를 감소시키지 않는다고 생각된다.

Y 방향으로 전자 강판을 적층한 개변 모델 MY 의 직방 자성체 (22) 에는, 도 34 와 같은 유도 전류가 흐르기 때문에, 코일 부분 (81, 82) 에 흐르는 전류가 뇌 표면에 만드는 유도 전류에 직교하는 방향의 전류를 타겟 지점에 만들고, Y 방향으로 전자 강판을 적층한 개변 모델 MYa 의 ロ 자형 직방 자성체의 경우, 투자율은 감소하지만, 코일 부분 (81, 82) 에 흐르는 전류가 뇌 표면에 만드는 유도 전기장을 약화시키지 않는다고 생각된다. 따라서, 표 1 에 나타내는 바와 같이, Y 방향으로 전자 강판을 적층한 직방 자성체 (22) 의 개변 모델 MY 가, 가장 고효율의 자극을 얻을 수 있는 것이라고 생각된다.

(d) 누설 자기장

비교 모델과 4 종의 개변 모델에 대해, 편심 8 자 소용돌이 코일 (8) 의 상측 표면의 중심점으로부터 상방 (Z 축 방향) 으로 60 cm 떨어진 위치 (「평가 지점」이라고 한다.) 의 누설 자기장 강도를 계산한 결과를 얻었지만, 평가 지점에 있어서의 누설 자기장의 강도는, 비교 모델에서는 8 (A/m), 4 종의 개변 모델에서는 각각 9 (A/m), 24 (A/m), 9 (A/m), 20 (A/m) 이었다. 또, 개변 모델 MXa (X 방향 적층의 ロ 자형 자성체를 갖는 모델) 를 제외한 개변 모델 MY, MYa, MX 는 모두 국제 비전리 방사선 방호 위원회 (ICNIRP) 가 정하는 안전 기준을 만족하는 결과가 얻어졌다.

자성체 (22) 의 유무 및 형상에 대해 보면, 자성체 (22) 가 없는 비교 모델의 누설 자기장이 가장 적고, 비 ロ 자형 직방 자성체, ロ 자형 직방 자성체의 순서로 누설 자기장이 커지는 것을 알 수 있었다. 이것은 ロ 자형 자성체에서는 그 중앙 개구 부분을 통해서 Z 축 상방을 향해 자기장이 빠져나가는 한편, 비 ロ 자형 직방 자성체에서는 그러한 빠져나가는 자기장이 자성체 내의 유도 전류에 의해 차단되므로 누설 자기장이 감소하는 것이라고 생각된다.

(e) 자극 로버스트성

유도 전기장의 피크 (최대) 값의 70 ％ 이상의 유도 전기장 강도를 갖는 범위의 X 방향과 Y 방향의 폭을 계산하고, 그 폭의 절반의 값을 최대 허용 어긋남 범위 (코일 중심의 위치 어긋남이 허용되는 범위) 를 비교 모델과 4 종의 개변 모델에 대해 구한, 최대 허용 어긋남 범위를 표 2 에 나타낸다.

표 2 로부터 분명한 바와 같이, X 방향으로 전자 강판을 적층한 개변 모델 MX, MXa 의 경우, Y 방향의 최대 허용 어긋남 범위와 X 방향의 최대 허용 어긋남 범위의 차 (개변 모델 MX 는 23 mm, 개변 모델 MXa 는 18 mm) 가 컸다. 이것에 대해, Y 방향으로 전자 강판을 적층한 개변 모델 MY, MYa 의 경우, 개변 모델 MX, MXa 에 비해, X 방향의 최대 허용 어긋남 범위는 Y 방향의 최대 허용 어긋남 범위와의 차 (개변 모델 MX 는 7 mm, 개변 모델 MXa 는 14 mm) 가 작았다. 따라서, Y 방향으로 전자 강판을 적층한 개변 모델 MY, MYa 는, X 방향으로 전자 강판을 적층한 개변 모델 MX, MXa 보다 높은 로버스트성을 갖는 것이 확인되었다. 개변 모델 MX, MXa 에서는, 자성체 (22) 가 가지는 높은 투자율에 의해, 코일 (8) 의 상방이나 측방의 자속선이 자성체 (22) 로 끌어당겨져, 상방이나 측방의 누설 자속이 감소하는 효과가 발휘되는 것이 확인되었다. 따라서, 특히 재택 치료용의 자기 자극 장치에서는, 주변기기와의 간섭을 피하기 위해서 누설 자속의 감소가 요구되기 때문에, 자성체 (22) 의 사용이 유효하다고 생각된다. 또, 자성체 (22) 에 있어서의 전자 강판의 적층 방법을 변경하는 것에 의해, 뇌의 유도 전류의 분포를 조정할 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 유도 전류의 분포 범위를 확대하는 것에 의해, 코일의 위치 어긋남이 생겨도 타겟 지점에서의 자극 효과에는 영향이 생기지 않는, 즉 위치 어긋남에 대한 로버스트성을 높일 수 있는 것이 확인되었다. 이 점도, 위치 결정 기구를 간편화할 수 있다는 점에서, 재택 치료용 자기 자극 장치에 유용하다.

2.2 수치 해석 2

2.2.1 해석 모델

시뮬레이션에 의해 최적의 자극 효율의 자성체의 형상 모델을 구하기 위해서, 실제의 치료 환경에 가까운 유한 요소 해석 모델을 제작하였다. 자성체의 형상이나 공기 영역의 설정 등의 점에서 해석 조건마다 다소의 차이는 있지만, 개략도 35 에 나타내는 구성의 기본 해석 모델에 대해 해석을 실시하였다. 각 해석 모델에 있어서, 실제 인간의 머리의 피부로부터 뇌의 회백질까지의 평균 거리가 약 13 mm [참고 문헌 23] 인 것으로부터, 코일 (8) 과 뇌 모델 (90) 의 표면의 거리는 13 mm 으로 설정하였다. 또, 뇌나 자성체 (22) 보다 큰 공기 영역을 설정하였다. 뇌나 자성체 (22) 에 비해 공기 영역이 지나치게 작으면, 공기 영역의 끝 영역에 있어서의 해석 자기장이 변형되어, 실제로 형성되는 자기장과 상위할 가능성이 있다고 생각되기 때문이다. 또한, 자성체 (22) 는 코일 (8) 의 상방에 배치하였다. 뇌 내에 자성체 (22) 를 매립하는 침습성 모델을 제외하기 위해서이다.

해석 모델은, SIEMENS 주식회사로부터 상업적 판매되고 있는 「Femap with NX Nastran v10.3.1」을 사용하여 제작하였다. 해석 모델의 각 요소를 제작할 때에, 분해능은 1 ∼ 5 mm 으로 설정하였다.

2.2.2 자극 코일

해석에는, 도 37a 및 37b 에 나타내는 편심 8 자형 코일을 사용하였다. 이 코일은, 2012년 세키노에 의해 개발된 코일로, 비편심 8 자형 코일에 비해 보다 높은 자극 효율이 얻어진다는 이점이 있다. 도 37a 및 37b 의 좌측의 코일에는, 반시계 방향으로, 3.15 kHz, 3 kA 의 펄스 전류를 인가하였다. 도 37a 및 37b 의 우측의 코일에는, 시계 방향으로, 3.15 kHz, 3 kA 의 펄스 전류를 인가하였다.

2.2.3 자성체의 특성

해석에 사용한 자성체 (철심) 는, 입수가 용이한 강자성체의 철로 하였다. 철의 비투자율을 5,000, 철의 전기 전도율을 10,000,000 (S/m) 으로 설정하였다. 철의 형상은, 가공의 용이성을 고려하여 직방체로 하였다. 얇은 철판의 적층체로 이루어지는 자성체를 상정한 모델에 대해서는, 자성체의 전기 전도성에 방향성을 갖게 하기 위해서, 전자기장을 해석할 때에 적층 방향과 직교하는 방향의 전기 전도율을 0 (S/m) 으로 설정하였다.

2.2.4 유한 요소법

유한 요소법의 해석은, 주식회사 포톤으로부터 상업적으로 입수 가능한 전기 전도율 소프트웨어 Photo Series [참고 문헌 28] 를 사용하여 실시하였다. 그때 와전류 해석은, 동자기장의 주파수 응답 해석 소프트웨어 PHOTO-EDDYjw [참고 문헌 27] 를 사용하여 실시하였다. 이 프로그램은, 형상 데이터, 물성값, 경계 조건, 코일 전류의 입력 조건에 기초하여 자기장 분포를 유한 요소법에 의해 계산하는 것이다 [참고 문헌 24 ∼ 26].

2.2.5 유도 자기장의 계산

유도 전기장의 계산식은 「2.1.2 해석 방법 (a) 유도 전기장의 계산식」에서 설명한 바와 같다. 유한 요소법을 사용한 해석의 계산은, 분해능을 약 1 mm 으로 설정한 경우, 약 20 시간 필요하였다. 해석 결과의 표시에는, Femap 를 사용하였다.

2.2.6 고자극 효율의 자성체의 설계 및 유도 전기장 해석

2.2.6.1 자성체의 형상에 따른 자극 효율과 로버스트성의 변화

편심 8 자형 코일에 강자성체인 철의 부재를 설치함으로써, 코일로부터 상 방향으로 확산되는 자기장을 자성체에 모음으로써 뇌 모델 표면을 향하여 강한 자기장을 형성하는 것, 또 자성체 내의 유도 전류가 새로 뇌 표면에 유도 전기장을 만듦으로써 자극 효율을 향상시키는 것을 확인하기 위하여 해석을 실시하였다. 또, 여러 가지 형태의 자성체를 부설한 코일의 로버스트성을 평가하였다.

(a) 해석 방법과 평가 기준

해석 방법은 상기 서술한 바와 같다. 자극 효율은, 뇌 모델 표면의 중앙 부분에 있어서의 유도 전기장 강도의 평균값으로 평가한다. 구체적으로는, 도 37a 및 도 37b 에 나타내는 뇌 모델의 표면 중앙 부분으로부터 반경 10 mm 의 구 내에 있는 요소가 갖는 유도 전기장 강도의 평균값을 평균 유도 전기장 강도로 하였다.

로버스트성에 관해서, 뇌 모델 표면의 중앙 부분에 있어서의 유도 전기장의 최대값의 70 ％ 의 강도를 가지는 영역을 유효 자극 강도로 하고, 그 영역의 X 축 방향과 Y 축 방향의 각각의 최대 길이의 반값을 로버스트성 평가 지표의 유효 자극 거리로 하였다. 이 유효 자극 거리는, 뇌 모델의 상측 표면 중앙부를 통과하는 X 축 방향의 직선과 Y 축 방향의 직선 상에 있고, 뇌 모델의 상측 표면 중앙부에 있어서의 유도 전기장 강도의 70 ％ 의 강도가 되는 좌표와 뇌 모델의 상측 표면 중앙부의 거리를 「유효 자극 거리」로 설정하였다.

(b) 해석 모델

자성체 (22) 가 없는 모델 (모델 1) 과, 직방체형 자성체를 갖는 모델 (모델 2), 직방체형 자성체의 중앙 부분에 사각형의 개구를 형성한 사각 프레임형 자성체를 갖는 모델 (모델 3) 을 제작하였다. 코일과 자성체의 배치 (22) 는 전술한 바와 같다. 또한, 각 해석에 있어서, 모델 번호를 1 부터 붙이는 것으로 한다. 모델 2 와 모델 3 의 치수는 도 37a 및 도 37b 에 나타내는 바와 같다. 도 37b 의 사각 프레임형 자성체의 경우, 개구의 범위는 가장 유도 전류가 흐르는 부분이 바람직하다고 생각된다. 따라서, 개구 (22a) 의 크기는, 좌우 원형 코일 부분 (81, 82) 의 최외주 도선 부분의 중심이 개구 가장자리에 일치하도록 정하였다. 자성체 (22) 의 비투자율은 5,000 으로 하였다. 자성체의 전기 전도율은, 등방적이고, 10,000,000 S/m 으로 하였다. 코일 (8) 의 하면과 뇌 모델 (90) 의 상면의 거리는 30 mm 으로 하였다.

도 37a 의 직방체형 자성체의 경우, 자성체 (22) 내를 흐르는 유도 전류는 자성체 (22) 의 중앙 부분에서 가장 커진다고 생각된다. 이것은, 패러데이의 전자유도의 법칙으로부터 분명한 바와 같이, 자성체 (22) 의 중앙 부분은 자속 밀도의 변화율이 가장 크고, 그 때문에 그 중앙 부분에 있어서의 유도 전기장이 커지기 때문이다. 또, 전기 전도율이 등방적인 것으로부터, 유도 전류도 커진다. 자성체 (22) 의 중앙 부분을 절제한 모델 3 (도 37b) 의 경우, 자속은 자기 저항이 낮은 사각 프레임형 자성체의 상부와 하부를 Y 축 방향으로 신장한다고 생각된다. 따라서, 사각 프레임형 자성체에서는, 자기장의 누설은 적다고 생각되는 한편으로, 직방체형 자성체에서는 자성체 (22) 의 중앙 부분의 유도 전류가 뇌 모델 (90) 의 표면 중앙부로 전기장을 유도하는데 대해 사각 프레임형 자성체에서는 그러한 전기장을 유도하지 않기 때문에, 사각 프레임형 자성체를 갖는 모델 3 에서는 가장 높은 자극 효율이 얻어진 것이라고 생각된다.

(c) 해석 결과

상기 모델 1 ∼ 3 의 뇌 모델 (90) 의 표면에 있어서의 유도 전기장 강도의 해석 결과를 도 38a ∼ 도 38c 에 나타낸다. 해석 결과로부터, 자성체 (22) 가 없는 모델 1 (도 38a) 의 뇌 표면 평균 유도 전기장 강도는 69.3 V/m, 직방체형 자성체 (22) 를 갖는 모델 2 (도 38b) 의 표면 평균 유도 전기장 강도는 49.5 V/m, 프레임형 자성체 (22) 를 갖는 모델 3 (도 38c) 의 표면 평균 유도 전기장 강도는 120 V/m 이었다.

모델 1 ∼ 3 의 각각의 자극 로버스트성의 평가 결과를 도 39 에 나타낸다. 도 39(a), (d) 에 나타내는 바와 같이, 자성체 (22) 가 없는 모델 1 의 경우, X 축 방향 유효 자극 거리는 0.041 m, Y 축 방향 유효 자극 거리는 0.0678 m 이었다. 도 39(b), (e) 에 나타내는 바와 같이, 직방체형 자성체 (22) 를 갖는 모델 2 의 경우, X 축 방향 유효 자극 거리는 0.0304 m, Y 축 방향 유효 자극 거리는 0.0735 m 이다. 도 39(c), (f) 에 나타내는 바와 같이, 사각 프레임형 자성체 (22) 를 갖는 모델 3 의 경우, X 축 방향 유효 자극 거리는 0.303 m, Y 축 방향 유효 자극 거리는 0.0689 m 이었다.

자극 효율에 관해서, 모델 3 의 자극 효율은 대폭 개선되었다. 구체적으로, 모델 3 의 자극 효율은 모델 1 의 자극 효율의 173 ％ 였다. 그러나, 모델 2 의 자극 효율은 모델 1 의 자극 효율의 약 71 ％ 였다. 자극의 로버스트성에 관해서는, 모델 간에 현저한 상위는 없었다.

사각 프레임형 자성체 (22) 를 갖는 모델 3 이 자성체 (22) 가 없는 모델 1 보다 높은 자극 효율이 얻어진 것은, 코일 (8) 의 자기장이 강자성체 (철) 의 존재에 의해 자성체 (22) 에 모인 것에 의한다고 생각된다. 또, 직방체형 자성체 (22) 를 갖는 모델 2 에 비해 사각 프레임형 자성체 (22) 를 갖는 모델 3 에서는 보다 높은 자극 효율이 얻어진 것은, 직방체형 자성체 (22) 에서는 자성체 (22) 의 중앙 부분을 흐르는 유도 전류가 뇌 모델 (90) 의 표면에 코일 (8) 의 전기장과는 역방향의 전기장을 형성하는데 대해, 사각 프레임형 자성체 (22) 에서는 그러한 역방향의 전기장을 형성하는 일이 없기 때문이라고 생각된다.

모델 3 이 고자극 효율이었던 것에 관하여, 보다 전자기적인 설명을 더하면, 자성체가 존재하는 부분은 자기 저항이 현저하게 저하하기 때문에, 자속이 거의 자성체를 통과하여, 보다 효율적으로 뇌 표면에 자기장을 보낼 수 있기 때문이다.

도 40a 는 직방체형 자성체의 표면에 있어서의 유도 전류 밀도 (X 방향 성분) 를 나타내는 등고선도이고, 도 40b 는 직방체형 자성체의 표면에 있어서의 유도 전류 밀도 (Y 방향 성분) 를 나타내는 등고선도이다. 도 40a 로부터 알 수 있는 바와 같이, 자성체 (22) 의 중앙 부분에서는 전류 밀도의 Y 축 방향 성분은 Y＋ 방향에 보다 강한 강도를 갖고, 이것이 뇌 모델 (90) 의 표면에 있어서 코일 (8) 이 만드는 유도 전기장과는 역방향 (즉, Y 방향) 의 유도 전기장을 유도한다. 이것에 대해, 도 40b 에 나타내는 바와 같이, 사각 프레임형 자성체에서는, 절제된 중앙 부분에 Y＋ 방향의 유도 전류가 유도되는 일이 없기 때문에, 코일 (8) 이 뇌 모델 (90) 의 중앙부로 유도하는 유도 전기장을 감쇠시키는 일이 없다.

도 41 은, 사각 프레임형 자성체를 갖는 코일의 코일 중앙 부분을 자성체로부터 뇌 모델을 향해 Z- 방향으로 신장하는 선 상의 자기장 강도 부분의 근사 그래프를 나타낸다. 도 41 에 있어서, Z 좌표의 0 은 뇌 표면이고, 도 41 은 코일 중앙을 관통하는 Z 방향 라인 상의 자기장 밀도를 나타낸다. 도 41 로부터, 자성체 (22) 가 없는 모델에 비해, 사각 프레임형 자성체 (22) 를 갖는 모델에서는, Z- 방향으로 강한 자기장이 형성되는 것을 알 수 있다.

2.2.6.2 자성체의 전기 특성에 따른 자극 효율과 로버스트성의 변화

자성체의 전기 특성, 즉 유도 전류의 방향이 자극 효율에 미치는 영향을 검토하였다.

자성체 (22) 를 복수의 자성판을 적층함으로써 구성함과 함께 그 적층 방향을 변경하는 것에 의해, 유도 전류가 흐르는 방향을 제한하였다. 상기 서술한 해석 결과로부터 분명한 바와 같이, 자성판을 Y 축 방향으로 적층하면 동일 방향으로는 유도 전류가 흐르지 않게 되므로, 사각 프레임형 자성체 (22) 를 갖는 모델에서는, 코일에 의해 뇌 표면 중앙부에 형성되는 유도 전기장이 영향을 받는 일이 없다고 생각된다. 또, X 축 방향의 자성체 양단 부분을 X 축 방향으로 적층하면, 코일이 뇌 모델 표면 상에서 유도 와전류의 방향으로 형성하는 유도 전류를 자성체 내에 흐르게 할 수 있다고 생각된다.

검토는 직방체형 자성체에 대해서만 실시하였다. 이유는, 자성체 중앙부에 흐르는 유도 전류는 자성판의 적층 방향을 조정함으로써 대체로 제어할 수 있고, 또 모델 전체를 자기 회로로서 본 경우, 직방체형 자성체의 자기 저항은 사각 프레임형 자성체의 그것보다 작기 때문이다.

(a) 해석 모델

직방체형 자성체를 갖는 4 개의 해석 모델, 즉 자성판을 X 축 방향으로 적층한 X 적층 모델 1 (유도 전류가 YZ 면을 따라 흐르는 모델), 자성판을 Y 축 방향으로 적층한 Y 적층 모델 2 (유도 전류가 XZ 평면을 따라 흐르는 모델), 자성판을 X 축 방향과 Y 축 방향으로 적층한 XY 적층 모델 3, 자성체가 없는 무자성체 모델 4 를 준비하였다.

XY 적층 모델 3 은, 도 42 에 나타내는 바와 같이, X 축 방향 양단측의 영역에서는 자성판을 X 축 방향으로 적층하고, 그 양단측의 영역 사이에 있는 중간 영역에서는 자성판을 Y 축 방향으로 적층한 것이다. 이 XY 적층 모델 3 에서는, 편심 8 자형 코일 (8) 단체가 뇌 내에 만드는 유도 전류와는 역방향의 유도 전류가 자성체 내에 흐르고, 그 결과 그 유도 전류에 의해, 뇌 표면 중앙부에는 편심 8 자형 코일 (8) 이 만드는 유도 전기장과 동일한 방향으로 전기장이 만들어져, 자극 효율이 향상된다고 생각된다. 각 모델에 있어서, 뇌 모델 (90) 의 표면과 코일 (8) 의 하측 표면의 거리는, 실제의 자극 환경과 거의 동일한 13 mm 으로 설정하였다.

(b) 해석 결과

4 개의 해석 모델 1 ∼ 4 에 대해 각각, 뇌 모델 (90) 의 표면의 타겟 부위에 있어서의 평균 유도 전기장 강도의 해석 결과를 도 43a ∼ 도 43d 에 나타낸다. 해석 결과로부터, X 적층 모델 1 의 평균 유도 전기장 강도는 120 V/m, Y 적층 모델 2 의 평균 유도 전기장 강도는 415 V/m, XY 적층 모델 3 의 평균 유도 전기장 강도는 502 V/m, 무자성체 모델 4 의 평균 유도 전기장 강도는 139 V/m 이었다.

로버스트성의 평가 결과를 도 44 에 나타낸다. 도 44 (a), (b) 에 나타내는 바와 같이, X 축 적층 모델 1 의 X 축 방향 유효 자극 거리와 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0242 m, 0.0644 m 이고, 도 44 (c), (d) 에 나타내는 바와 같이, Y 축 적층 모델 2 의 X 축 방향 유효 자극 거리와 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0346 m, 0.0649 m 이며, 도 44 (e), (f) 에 나타내는 바와 같이, XY 축 적층 모델 3 의 X 축 방향 유효 자극 거리와 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0607 m, 0.0697 m 이고, 도 44 (g), (h) 에 나타내는 바와 같이, 무자성체 모델 4 의 X 축 방향 유효 자극 거리와 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0327 m, 0.0598 m 이었다.

뇌의 1 차 운동야 부근에 약 18 A/㎡ 의 유도 전류 밀도를 인가하면 손가락에 트위치가 보이는 것이 과거의 임상 실험 결과로 확인된 것을 고려하면, 자극 부위를 회백질 (회백질의 전기 전도율을 0.11 S/m 으로 한다) 로 한 경우, j = σE 의 관계에 의하면, 자극 효과가 얻어지는 유도 전기장 강도는 약 164 V/m 이라고 생각된다. 따라서, 적층 모델 3 은 치료에 필요한 자극 강도를 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다.

도 44 에 나타내는 뇌 표면 유도 전기장의 해석 결과로부터, XY 적층 모델 3 이 가장 높은 자극 효율을 나타내는 것을 알 수 있다. Y 적층 모델 2 는, 무자성체 모델 4 의 자극 효율의 2 ∼ 3 배의 높은 자극 효율을 나타내지만, 뇌 모델의 양단 영역에서 하 방향의 유도 전기장이 작용한다. XY 적층 모델 3 에서는, 자성체 내에 도 45 에 나타내는 유도 전류가 흐르고, 그것에 의해 뇌 표면 중앙 부분에 편심 8 자형 코일이 만드는 유도 전기장의 방향과 동일한 방향으로 유도 전기장이 만들어진다. 이와 같은 이유로부터, 타겟 부분인 중앙 부분에 높은 유도 전기장 강도가 얻어진 것이라고 생각된다.

X 적층 모델 1 의 자성체 내에 흐르는 전류가 가장 크기 때문에, 뇌 모델 상측 표면의 중앙부에 있어서의 유도 전기장 강도가 저하한 현상이 발생했다고 생각된다.

모든 모델에 대해, 패러데이의 법칙에 의하면, 자성체의 중앙 부분을 관통하는 가장 큰 자기장이 형성되기 때문에, 그곳에 가장 큰 전기장이 유도된다고 생각된다. 그러나, 유도 전기장은 Y 축 방향 성분이 X 축 방향 성분보다 상당히 크기 때문에, Y 적층 모델 2 의 자성체 내에서는 Y 축 방향의 유도 전류가 흐르는 일은 없다. 그 때문에, 두 번째로 큰 자기장의 변화율을 일으킨 X 적층 모델 1 의 자성체 내에 생기는 유도 전류가 최대가 되었다.

자성체 내의 유도 전류 밀도의 해석 결과의 사진 화상을 도 46 에 나타낸다. 도 46 으로부터 분명한 바와 같이, 도 45 에 나타내는 유도 전류가 자성체 내에 흐르고 있는 것을 확인할 수 있다.

로버스트성에 관해서는, Y 적층 모델 2 와 XY 적층 모델 3 의 로버스트성이 무자성체 모델 4 의 그것보다 약 10 ％ 향상되었다. 또, XY 적층 모델 3 의 경우, 유효 자극 거리가 X 축 방향으로 2 배 정도 넓어졌다. 이것은, 편심 8 자형 코일이 만드는 유도 전기장은 매우 국소성이 높은 것이지만, Y 축 방향 적층 자성체를 설치하는 것에 의해 뇌 표면에 X 축 방향의 유도 전기장이 유도되고, 그것에 의해 유도 전기장이 전체적으로 X 축 방향으로 확산된 것이라고 생각된다. XY 적층 모델 3 의 경우, 아울러 뇌 표면의 양단 부분에 형성되는 강한 유도 전기장에 의해, 유도 전기장이 전체적으로 X 축 방향으로 확산된 것이라고 생각된다.

2.2.6.3 자성체의 형상과 전기 특성의 조합에 따른 자극 효율의 변화

상기 서술한, 자성체 형상에 따른 자극 효율의 변화와 자성체의 전기적 특성에 따른 자극 효율의 변화의 검토를 기초로, 최적의 자극 효율을 갖는 자성체의 구성을 검토하였다. 상기 서술한 바와 같이, 자성체는, 그 형상에 따라 Z＋ 방향의 자기장을 모아 뇌 표면을 향하는 큰 자기장을 만드는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 편심 8 자형 코일의 최외주 도선 부분의 근방에서는, 코일에 의해 유도되는 유도 전류가 작고, 코일로부터 발생하는 자기장도 약하기 때문에, 자성체의 Y 축 방향 길이가 코일의 동일 방향 길이보다 짧아도, 자극 효율에 영향은 없다고 생각된다.

(a) 해석 모델

해석을 위해서, 자성체의 크기가 상이한 3 개의 XY 적층 모델―220 × 122 × 10 mm (모델 1 (도 47b)), 220 × 100 × 10 mm (모델 2 (도 47a)), 220 × 140 × 10 mm (모델 3)―을 제작하였다. 이와 같은 모델을 준비한 것은, 편심 8 자형 코일 (8) 의 전체를 덮는 크기의 직방체형 자성체 (22) 는 코일 (8) 이 형성하는 거의 모든 자기장을 모으기 때문에 가장 자극 효율이 양호하다고 생각된다. 또, 상기 서술한 바와 같이 XY 적층 모델이 가장 자극 효율이 양호하다고 생각된다. 또한, 그러한 자성체와 비교함으로써 최적의 자성체 형상이 얻어진다고 생각되기 때문이다.

(b) 해석 결과

3 개의 해석 모델 1, 2, 3 에 대해, 뇌 모델 표면의 타겟 부위에 있어서의 평균 유도 전기장 강도를 해석한 결과로부터, 모델 1 의 평균 유도 전기장 강도는 502 V/m, 모델 2 의 평균 유도 전기장 강도는 507 V/m, 모델 3 의 평균 유도 전기장 강도는 506 V/m 이었다. 따라서, X 방향의 길이는 가장 작은 (100 mm) 모델 2 가 최적인 것이 확인되었다.

모델 1 ∼ 3 의 로버스트성을 평가한 결과를 도 48 에 나타낸다. 도 47b 의 모델 1 의 X 축 방향 유효 자극 거리와 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0607 m, 0.0697 m 이고, 도 47a 의 모델 2 의 X 축 방향 유효 자극 거리와 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0529 m, 0.0666 m 이며, 모델 3 의 X 축 방향 유효 자극 거리와 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0526 m, 0.0669 m 이었다.

이상 설명한 바와 같이, 자극 효율에 관해서, 모델 1, 2, 3 은 동일한 정도의 값을 나타냈다. 이것은, Y 축 방향의 길이가 100 mm 인 모델 2 에서도, Y 축 방향의 길이가 그것보다 큰 모델 1, 3 과 동일한 정도의 자극 효율이 얻어지는 것을 나타낸다. Y 축 방향의 자극 로버스트성에 관해서, 모델 1, 2, 3 간에 큰 차이는 없었다. X 축 방향의 자극 로버스트성에 관해서, 모델 1 이 가장 자극 범위가 넓고, 이것에 비해 다른 모델 1, 3 의 자극 범위는 약 13 ％ 작았다. 그러나, X 축 방향의 허용 오차 (약 25 mm), 위치 맞춤용 헬멧 모델의 위치 어긋남 오차 등을 고려하면, Y 축 방향 길이가 100 mm 인 최소 모델 2 의 자성체가 최적의 자극 효율을 갖는다고 할 수 있다.

2.2.6.4 재택용 코일에 사용하는 적층 자성체의 최적의 두께

재택 치료용으로 적합한 무게의 자극 코일 (8) 을 얻는다는 관점에서, 코일이 발생하는 자속을 충분히 모을 수 있고 또한 필요한 자극 효율이 얻어지는 자성체의 두께를 검토하였다.

(a) 코일에서 발생한 자속을 모을 수 있는 자성체의 두께

코일 (8) 의 취급의 점에서, 자성체는 가벼우면 가벼울수록 바람직하다. 그러나, 자성체를 지나치게 얇게 하면, 코일 (8) 로부터 발생하는 자력선을 자성체 (22) 내에 모을 수 없게 된다. 그래서, 코일 (8) 로부터 발생하는 자속선을 거의 모두 모을 수 있는 자성체의 두께를, 3 개의 Y 축 적층 모델 (자성체의 두께가 2 mm, 5 mm, 10 mm 인 모델 1, 2, 3) 에 대해 근사적으로 계산하였다. 계산상, 각 모델을 도 49 의 등가 자기 회로로 치환하였다. 도 49 에 있어서, S 는 자성체 (22) 의 YZ 단면의 면적이다.

도 49 의 등가 회로에서 얻어지는 자속 Φ 는 식 (10) 으로 주어진다. 식 (10) 에 있어서 r₁, …, r₁₀ (10 회 권취 코일의 경우) 은 편심 8 자형 코일의 각 도선 루프의 평균 반경이다. 여기서, 자기장 H 는 다음 식으로 나타내어진다.

다음으로, 등가 회로의 방정식은 다음 식의 식 (11) 과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, N 은 코일 (8) 의 권수, NI 는 기자력이다. 회로에 흐르는 전류는 3 kA, N = 10 이다. 공기의 단면적 100 cm × 100 cm = 1 ㎡ 로 하면, 구하는 단면적은 S = 2.93⁷ 이 된다. 여기서, 자성체 (22) 의 YZ 단면에 있어서의 Y 축 방향의 길이는 120 mm 이기 때문에, 코일로부터 발생하는 자력선을 모두 자성체 (22) 내에 모을 수 있는 자성체 (22) 의 두께는 약 1.5 mm (= 2.93⁷/120) 이다.

(b) 해석 모델과 평가 방법

3 개의 Y 적층 모델 (자성체의 두께가 각각 2 mm, 5 mm, 10 mm 인 모델 1, 2, 3) 을 제작하고, 각각의 모델에 대해 뇌 표면 유도 전기장 강도를 계산하고 비교하였다.

(c) 해석 결과

이 해석 결과로부터, 모델 1, 2, 3 에 있어서의 뇌 표면 중앙 부분의 평균 유도 전기장 강도는 각각 390 V/m, 380 V/m, 415 V/m 이었다. 이 해석 결과가 나타내는 바와 같이, 자성체의 두께는 뇌 표면 유도 전기장의 평균값에 큰 영향을 주지 않고, 자성체 (22) 의 두께가 2 mm 인 경우라도, 코일 (8) 로부터 발생하는 자속을 모두 모을 수 있는 것을 알 수 있었다. 두께가 2 mm 인 자성체 (22) 의 중량은 40 그램으로, 실제의 사용에 있어서 중량이 문제가 되는 일은 없다고 생각된다.

자성체 (22) 의 두께가 10 mm 인 경우, 약간 높은 자극 효율이 얻어진다. 이유는, 자성체의 상측 표면에 흐르는 유도 전류는 코일이 뇌 표면에 형성하는 유도 전기장을 약하게 하는 작용을 하지만, 비오·사바르의 법칙에 의해 유도 전기장의 강도는 거리의 제곱에 반비례하기 때문이다. 자성체 (22) 의 상측 표면과 뇌 모델 (90) 의 표면의 거리가 가장 큰 모델 3 (자성체의 두께가 10 mm 인 모델) 이 가장 이 효과가 약하기 때문에, 가장 고자극 효율이었다고 생각된다.

모델 1 의 X 축 방향 유효 자극 거리와 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0490 m, 0.0606 m, 모델 2 의 X 축 방향 유효 자극 거리와 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0485 m, 0.0590 m, 모델 3 의 X 방향의 X 축 방향 유효 자극 거리와 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0461 m, 0.0613 m 이었다.

2.2.6.5 돔형 코일의 특성 평가

(a) 재택용 경두개 자기 자극 장치에 최적의 자극 로버스트성

환자 자신에 의한 코일 위치의 조정을 가능하게 하는 헬멧형의 위치 맞춤 시스템이 검토되고 있지만, 이와 같은 자기 조정형 시스템은 약 20 ∼ 30 mm 의 위치 맞춤 오차를 허용할 수 있는 로버스트 성능이 요망된다. 또, 자성체의 특성과 로버스트성의 관계를 미리 지견해 두는 것이 중요하다. 그래서, 여러 가지 자성체 모델을 준비하고, 각각에 대해 자극 로버스트 성능을 평가하였다.

(b) 자성체를 갖는 돔형 코일의 자극 로버스트성

특허문헌 3 에서 제안된 돔형 코일 (도 50a 및 도 50b 참조) 에 자성체를 설치한 모델 (도 51a 및 도 51b) 의 로버스트성을 평가하였다.

(c) 해석 모델

도 50a 및 도 50b 에 나타내는 돔형 코일의 중공부에 X 축 방향 적층 자성체를 배치한 모델 (도 51a 및 도 51b) 에 대해, 뇌 표면 유도 전기장과, X 축 방향과 Y 축 방향의 자극 로버스트성을 평가하였다. 자성체가 없는 돔형 코일 모델 (모델 1), 두께 4 mm 의 자성체를 갖는 돔형 코일 모델 (모델 2), 두께 12 mm 의 자성체를 갖는 돔형 코일 모델 (모델 3) 을 준비하였다. 도 51a 및 도 51b 에 있어서 코일 모델의 아래에 나타내는 부분은 뇌 모델 (90) 이다.

X 방향으로 자성판을 적층한 자성체 (22) 를 채용한 것은, 돔형 코일이 뇌 모델 내에 만드는 유도 전기장의 분포를 교란하지 않도록 하기 위해서이다. 이 모델은, 자극 로버스트성을 과잉으로 변화시키지 않고 자극 효율을 상승시킬 수 있다고 생각된다.

(d) 해석 결과

코일 모델 1 ∼ 3 에 대한 뇌 표면 유도 전기장의 해석 결과를 각각 도 52a ∼ 도 52c 에 나타낸다. 해석 결과로부터, 코일 모델 1 (무자성체, 도 52a) 의 평균 유도 전기장 강도는 71.8 V/m, 코일 모델 2 (자성체의 두께가 4 mm, 도 52b) 의 평균 유도 전기장 강도는 453 V/m, 코일 모델 3 (자성체의 두께가 12 mm, 도 52c) 의 평균 유도 전기장 강도는 501 V/m 이었다. 이 결과가 나타내는 바와 같이, X 방향 적층 자성체를 설치하는 것에 의해, 돔형 코일이 만드는 자기장을 자성체에 모아, 뇌의 자극 효율이 비약적으로 향상되는 것을 알 수 있다. 또, 자성체 (22) 의 두께가 커지면, 자성체 (22) 의 하측 표면과 상측 표면의 거리가 커지고, 그것에 의해 상측 표면의 유도 전류에 의해 뇌 표면 유도 전기장이 약해지는 작용이 작아지므로, 자성체 (22) 의 두께가 12 mm 인 코일 모델 3 에서는 뇌 표면 유도 전기장이 더욱 증가하였다고 생각된다.

자성체 (22) 가 없는 코일 모델 1 에 있어서의 X 축 방향과 Z 축 방향의 로버스트성을 도 53a 및 도 53b 에 나타낸다. 자성체 (22) 가 없는 코일 모델 1 의 X 축 방향과 Y 축 방향의 유효 자극 거리는 0.0821 m, 0.0450 m 이고, 두께 4 mm 의 자성체 (22) 를 갖는 코일 모델 2 의 X 축 방향과 Y 축 방향의 유효 자극 거리는 0.0755 m, 0.0555 m, 두께 12 mm 의 자성체를 갖는 코일 모델 3 의 X 축 방향과 Y 축 방향의 유효 자극 거리는 0.0745 m, 0.0560 m 이었다.

이 결과로부터, X 축 방향의 적층 자성체 (22) 를 설치함으로써 X 축 방향의 유효 자극 거리가 감소하는 것을 알 수 있다. 또, 자성체 (22) 를 배치함으로써, 자극 범위의 형상이 보다 원형에 근접하는 것이 확인되었다. 두께 4 mm 의 자성체 (22) 를 갖는 코일 모델 2 의 인덕턴스는 85.9 μH 였다. 편심 8 자형 코일에 비해, 코일 (8) 의 권취 밀도 및 단면적이 크고 또한 코일 (8) 의 내부에 자성체가 배치되어 있는 것으로부터, 인덕턴스가 커졌다고 생각된다.

(d) 자극 로버스트성의 비교

상기 서술한 복수의 해석 모델에 대해 평가한 자극 로버스트성 (유효 자극 거리) 을 도 54 에 정리하였다. 도 54 의 번호의 코일 모델 (이하, CM1 ∼ CM14 로 한다.) 은 이하와 같다.

CM1 : X 적층 직방체형 자성체 (220 × 122 × 10 mm) 를 갖는 코일 모델 ;

CM2 : Y 적층 직방체형 자성체 (220 × 122 × 10 mm) 를 갖는 코일 모델 ;

CM3 : XY 적층 직방체형 자성체 (220 × 122 × 10 mm) 를 갖는 코일 모델 ;

CM4 : 무자성체 코일 모델 ;

CM5 : XY 적층 직방체형 자성체 (220 × 100 × 10 mm) 를 갖는 코일 모델 ;

CM6 : XY 적층 직방체형 자성체 (220 × 140 × 10 mm) 를 갖는 코일 모델 ;

CM7 : Y 적층 직방체형 자성체 (220 × 122 × 2 mm) 를 갖는 코일 모델 ;

CM8 : Y 적층 직방체형 자성체 (220 × 122 × 5 mm) 를 갖는 코일 모델 ;

CM9 : 무자성체 돔형 코일 모델 ;

CM10 : X 적층 직방체형 자성체 (두께 4 mm) 를 갖는 돔형 코일 모델 ;

CM11 : X 적층 직방체형 자성체 (두께 12 mm) 를 갖는 돔형 코일 모델 ;

CM12 : 자성체로부터 거리 10 mm 의 위치에 페라이트 (벤딩이 15 mm) 를 삽입한 코일 모델 ;

CM13 : X 적층 사각 프레임형 자성체를 갖는 코일 모델 ;

CM14 : Y 적층 사각 프레임형 자성체를 갖는 코일 모델.

도 54 로부터 이하를 알 수 있다. 무자성체 모델 CM4 보다 X 축 방향의 유효 자극 거리가 작은 모델은, X 적층 직방체형 자성체 (220 × 122 × 10 mm) 를 갖는 코일 모델 CM1 뿐이다. 이유는, X 방향 적층 자성체 내의 유도 전류가, 코일에 의해 만들어지는 뇌 표면 유도 전기장을 작게 하도록 작용하기 때문이다.

편심 8 자형 코일에 자성체 (22) 를 설치해도, Y 축 방향의 유효 자극 거리는 크게 변화하지 않는다. 이유는, 편심 8 자형 코일이 뇌 표면 중앙 부분에 만드는 유도 전기장의 Y 축 방향 성분이 충분히 강하기 때문에, 자성체 (22) 에 의해 만들어지는 유도 전기장의 영향을 받아도 여전히 큰 값을 유지하기 때문이라고 생각된다.

XY 적층 자성체의 코일 모델 CM3, CM5, CM6 은, 고로버스트성의 돔형 코일과 자극 방향은 상이하지만, 동등의 자극 범위를 갖는다. 이유는, XY 적층 자성체 중에서, X 방향 적층 자성체 부분의 유도 전류는, 편심 8 자형 코일이 뇌 모델의 양단 영역에 만드는 유도 전기장을 강하게 하는 방향으로 작용하지만, Y 방향 적층 자성체 부분의 유도 전류는, 편심 8 자형 코일이 뇌 모델의 중앙에 만드는 유도 전기장과 직교하는 방향의 전기장을 만들기 때문이다. 즉, 8 자형 코일이 만드는 뇌 내 유도 전기장을 X 축 방향으로 길게 하도록, 자성체 내의 유도 전류가 작용하기 때문이다.

사각 프레임형 Y 적층 자성체를 갖는 코일 모델 CM14 에서는, 적층 방향을 조정함으로써, 코일이 뇌 표면에 만드는 유도 전기장을 상쇄할 수 있다. 또, 중앙 부분의 자성체 부분이 절제된 코일 모델 CM13, CM14 에서는, 그 중앙 부분의 바로 아래의 부분에 형성되는 유도 전기장이 영향을 받지 않고, 그 때문에 X 축 방향과 Y 축 방향의 유효 자극 거리가 도 55a 및 도 55b 에 나타내는 바와 같이 신장된 것이라고 생각된다.

2.2.7 누설 자기장을 억제하는 자성체의 설계와 누설 자기장의 해석

(a) 누설 자기장

방사선을 이용한 재택 시스템은, 국제 비전리 방사선 방호 협회 (ICNIRP) 가 정하는, 인간이 피폭되어도 안전하다고 여겨지는 전자파 레벨의 안전 기준 (표 3 참조) 을 만족할 필요가 있다. 경두개 자기 자극 장치에서는, 거기서 상정되어 있는 자극 조건이 약 3 kHz 이기 때문에, 허용 자기장 레벨은 21 A/m 이다.

환자 이외의 비의료 종사자가 시스템을 조작하는 경우에는, 비의료 종사자는 자극 코일 (8) 로부터 60 ∼ 100 cm 까지 접근한다고 생각된다. 따라서, 비의료 종사자에 대한 안전성을 확보하기 위해서는, 자극 코일 (8) 로부터 60 ∼ 100 cm 떨어진 장소에서의 자기장 레벨을 안전값 이하로 설정할 것이 요망된다.

한편, Y 방향 적층 직방체형 자성체를 갖는 코일 모델에서는, 코일 (8) 로부터 발생하는 자기장의 전부가 적층 자성체 (22) 의 내부를 통과하지 않고, 일부는 자성체 (22) 의 외부의 공간으로 누설된다고 생각된다. 그래서, Y 방향 적층 직방체형 자성체 (22) 를 갖는 코일 모델에 대해, 자성체 (22) 의 외부로 누설되는 자속을 해석한다. 해석에 사용한 등가 자기 모델을 도 56 에 나타낸다. 도 56 의 등가 회로의 자기 회로 방정식을 식 (12) 에 나타낸다.

식 (12) 에 있어서, (Φ_iron ＋ Φ_air-above) 는 코일 (8) 로부터 발생하는 자속의 밀도에 공기의 투자율을 곱하여 얻어지는 값과 동등하다. 코일 (8) 로부터 발생되는 자기장을 식 (11) 과 같이 근사하고, 다음 식을 대입한다.

N = 10.1,

I = 3.03,

μ₀ = 4π × 10^-7,

l_air-below = 0.04π,

l_iron = 0.22,

μ_r = 5000,

S_iron = 0.122 × 0.01

이때, 자성체 (22) 를 통과하는 자속은 식 (13) 과 같이 계산된다.

자기 회로를 흐르는 자속은 감소하지 않는다고 가정할 수 있으므로 식 (14) 가 성립한다.

자기 회로의 표면적도 감소하지 않는다고 가정할 수 있으므로 식 (15) 가 성립한다.

식 (14) 와 (15) 의 연립 방정식을 풀면, 자성체로 들어가지 않고, 공기 영역으로 누설되는 자속의 크기는 식 (16) 으로 주어진다.

이와 같이, 자성체 (22) 로부터 누설되는 자속은 크고, 그 때문에 코일 (8) 의 주위에는 강한 누설 자기장이 발생한다고 예상할 수 있다. Z 축 방향으로 누설되는 자속이 가장 강하다고 생각되지만, X 축 방향이나 Y 축 방향의 누설 자속도 예상된다. 따라서, 자성체 (22) 와 코일 (8) 을 덮는 형태의 자기 실드를 상정하고, 누설 자기장의 삭감을 고려한다.

자기 실드의 매질에 대해 검토한다. 자성체 (22) 의 표면에 흐르는 전류 I 는, 코일 전류가 3 kA 로 하면, 최대로 약 1 kA 라고 생각된다. 따라서, 자성체 (22) 내의 유도 전류에 의해 코일 중앙부로부터 Z 축 방향으로 약 1 m 떨어진 장소에 생기는 자기장의 강도는, 비오·사바르의 방정식에 기초하여 식 (17) 과 같이 얻어진다.

실제로 자기 실드에 흐르는 전류는 약간 작다고 생각되지만, 자기장의 안전성 기준이 21 A/m 인 것을 고려하면, 자성체 (22) 내의 유도 전류가 만드는 자기장 강도는 무시할 수 없는 크기가 된다. 자기 실드는, 누설 자기장을 방지할 뿐만 아니라, 그 중에 유도 전류가 최대한 흐르지 않는, 페라이트와 같은 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

(b) 해석 모델과 평가 기준

도 57 의 해석 모델은, 도 35 에 나타내는 해석 모델과 유사하지만, 공기 영역의 크기와 자기 실드 존재의 점에서 상위하다. 공기 영역의 크기는, 넓은 범위에 걸쳐 누설 자기장의 영향을 검토하기 위해서, 2 m × 2 m × 2 m 으로 설정하였다. 도 57 에 나타내는 바와 같이 자성체 (22) 는, Y 축 방향으로 자성판을 적층한, 220 mm × 120 mm × 10 mm 의 직방체형 자성체이다. 자성체 (22) 의 전기 전도율은 10⁷ S/m, 비투자율은 1,500 으로 하였다. 자성체 (22) 의 상방과 4 개의 측방을 둘러싸는 자기 실드 (91) 는, Ni-Zn 페라이트로 만들어져 있고, 그 전기 전도율은 10^-5 S/m, 비투자율은 1,500 으로 하였다. 자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 의 Z 방향의 간격은 20 mm, 자성체 (22) 의 하면과 자기 실드 (91) 의 천장면 (내면) 의 거리는 46 mm 으로 설정하였다. 자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 의 XY 방향의 간격이 상이한 3 개의 모델-간격 5 mm (모델 1), 간격 10 mm (모델 2), 간격 20 mm (모델 3)-과 자기 실드가 없는 모델 (모델 4) 을 제작하고, 각각의 누설 자기장 강도를 계산하였다.

누설 자기장의 안전성 기준 21 A/m 은 비교적 작은 값인 점에서, 강자성체 내부에 발생하는 비교적 작은 유도 전류의 영향도 고려하는 것이 중요하다고 생각된다. 따라서, 페라이트와 같은 전기 전도율이 작은 물질로 적층 자성체 (22) 를 둘러쌈으로써, 코일 (8) 로부터 발생하는 자기장뿐만 아니라, 자성체 (22) 로부터 발생하는 자기장도 외부로 누설되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 코일 장치의 소형화의 점에서는, 페라이트와 적층 자성체 (22) 의 거리는 가능한 한 작은 편이 바람직하지만, 양자가 지나치게 접근하면, 적층 자성체 (22) 가 아니라 페라이트쪽이 자기 저항이 작은 자기 통로가 되어, 뇌에 대한 자극 효율이 저하한다.

코일 중심으로부터 자기장 강도 21 A/m 이 되는 위치까지의 거리를 X＋ 방향 및 X 방향, Y＋ 및 Y 방향, Z＋ 방향의 5 방향에 대해 계측하고 비교한다. 해석 모델에 있어서의 공기 엘리먼트의 크기가 크기 때문에, 각 공기 엘리먼트의 자기장 강도를 세로축, 자성체 (22) 의 상측 표면 중앙부로부터의 거리를 가로축에 둔 그래프에 대해 누승 함수 근사를 실시한 다음, 자기장 강도를 계측하였다. 근사 수법으로는 y = Cx^{- 2} 의 형태에 근접하도록, 통계 분석 프리소프트웨어 「R」을 사용하여 비선형 회귀 분석을 사용하여 누승 근사를 실시하였다. 이유로는, 전자파의 감쇠는 거리의 2 승에 반비례하기 때문이다.

(c) 해석 결과

모델 1 ∼ 4 에 대해 계산한 누설 자기장 강도를 표 4 에 나타낸다. 자기장 강도가 21 A/m 에 수속하지 않았던 해석 (표 중, 수치를 () 로 둘러싼 해석) 에서는, 공기 영역의 끝에 위치하는, 코일 (8) 의 중앙부로부터 1 m 의 위치에서의 자기장 강도를 기재하였다.

표 4 로부터 분명한 바와 같이, 자기 실드를 갖는 모델 (모델 1 ∼ 3) 의 Z＋ 방향 누설 자기장은, 자기 실드 (91) 가 없는 모델 (모델 4) 보다 감소하였다. 또, 자기 실드 (91) 와 자성체 (22) 의 거리가 작아질수록, 누설 자기장이 감소하였다.

X 축 방향과 Y 축 방향에 관해서, 자기 실드 (91) 를 설치하는 것에 의해 누설 자기장이 감소하는 것을 확인할 수 있었지만, 자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 의 거리가 작아질수록 누설 자기장이 커지는 것을 알 수 있었다. 이것은, 자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 의 거리가 커짐에 따라, 자력선의 곡률 반경이 넓어지는 것에 의한 것이라고 생각된다. 예를 들어, 자기 실드 (91) 와 자성체 (22) 의 거리가 5 mm 인 경우, 자기 실드 (91) 에 대한 자력선의 입사각이 작아지고, 그 결과 자력선은 자기 실드 (91) 에 의해 흡수되기 쉬워지고, Z 축 방향의 누설 자기장이 작아지는 것이라고 생각된다.

실제, 자성체 (22) 의 중앙을 통과하는 XZ 단면의 자기장 분포를 나타낸 도 58 에 나타내는 바와 같이, 자기 실드 (91) 와 자성체 (22) 의 수평 방향의 거리가 5 mm 일 때 (자기 실드 (91A)) 의 자기 실드 (91) 에 대한 자력선의 입사각은, 자기 실드 (91) 와 자성체 (22) 의 수평 방향 거리가 20 mm 일 때 (자기 실드 (91B)) 의 입사각보다 크고, 그 때문에 Z＋ 방향에 관해서 보다 멀리까지 자력선이 닿는다. 또한, 자기 실드 (91A 와 91B) 는 택일적이다. 도 58 에 있어서, 실선 (93) 은 자성체와 페라이트의 거리가 5 mm 일 때의 자력선이고, 점선 (94) 은 자성체와 페라이트의 거리가 20 mm 일 때의 자력선이다.

또, X 축 방향 및 Y 축 방향에 관해서는, X 축 방향의 자기 실드 (91) 의 상면을 따른 자기장 강도를 평가하고 있지만, 페라이트의 자기 실드 (91) 와 자성체 (22) 의 거리가 5 mm 인 경우에 있어서는 자기장 강도의 피크가 부분 93 m 에 가까운 부분에 있고, 20 mm 인 경우에는 자기장 강도의 피크가 부분 94 m 로부터 Z 축 부 (負) 방향의 조금 먼 부분에 있다. 자성체-페라이트 간 거리가 20 mm 인 모델에서는 자기장 강도가 작아졌다.

자기 실드 (91) 가 없는 모델 4 의 인덕턴스는 16.7 μH, 자기 실드 (91) 와 자성체 (22) 의 거리를 5 mm 으로 설정한 모델 1 ∼ 3 의 인덕턴스는 각각 17.0 μH, 16.8 μH, 16.7 μH 였다. 자기 실드 (91) 와 자성체 (22) 의 거리가 작아질수록, 코일 (8) 로부터의 자속이 자기 실드 (91) 를 통과하는 것으로부터, 인덕턴스가 커진 것이라고 생각된다.

모델 1 ∼ 4 에 있어서의 뇌 표면 중앙 부분의 유도 전기장 강도의 평균값은 각각 287 V/m, 307 V/m, 304 V/m, 300 V/m 이었다. 이 결과로부터, 자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 의 거리가 10 mm 이하가 되면, 자기 실드 (91) 의 자기 저항이 자성체 (22) 의 자기 저항보다 작아지고, 그 결과 뇌 표면 유도 전기장이 약해진다고 생각된다. 따라서, 자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 의 거리는, 약 10 mm 으로 설정하는 것이 적당하다고 생각된다.

2.2.8 누설 자기장을 최소한으로 억제하는 자기 실드의 최적화

표 4 로부터 알 수 있는 바와 같이, 국제 비전리 방사선 방호 협회 (ICNIRP) 가 정하는 안전기준 21 A/m 을 모든 방향에 대해 만족하는 모델은 없었다. 따라서, 자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 의 거리를 10 mm 으로 설정한 모델을 개량하여, 도 59 에 나타내는 바와 같이 상자형 자기 실드 (91) 의 코일에 대향하는 하단 개구에 그 하단으로부터 내방을 향하여 수평 방향으로 돌출되는 환상의 플랜지 (벤딩)(91F) 를 형성한 해석 모델을 제작하였다.

(a) 해석 모델

도 59 에 나타내는 바와 같이, 플랜지 (91F) 의 폭이 5 mm, 10 mm, 15 mm 인 3 개의 해석 모델 (모델 M1 ∼ M3) 을 제작하였다. 플랜지 (91F) 의 재료는 Ni-Zn 페라이트이다.

(b) 해석 결과

도 59 의 각 해석 모델에 대해 해석한 누설 자기장을 표 5 에 나타낸다. 자기장 강도가 21 A/m 에 수속하지 않았던 해석 (표 중, 수치를 () 로 둘러싼 해석) 에서는, 공기 영역의 끝인 코일 중앙으로부터 수평 방향으로 1 m 의 위치에서의 자기장 강도를 기재하였다.

여기서, 페라이트의 벤딩은 상기 플랜지 (91F) 이다. 모델 M1 ∼ M3 의 타겟 지점에 있어서의 뇌 표면 유도 전기장의 평균값은 각각 309, 309, 309 V/m 이었다. 따라서, 플랜지 (91F) 의 길이는 15 mm 가 최적이다. 가장 긴 플랜지 (91F) 가 유효한 이유는, 도 60 에 나타내는 바와 같이 자기 실드 (91) 의 저부 개구로부터 누출되려고 하는 자속의 일부가 플랜지 (91F) 에 트랩되기 때문이다.

해석의 결과, 자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 의 거리를 10 mm 으로 설정하고, 길이 15 mm 의 플랜지 (91F) 를 형성한 모델의 누설 자기장은, 자기 실드 (91) 및 플랜지 (91F) 가 없는 모델의, X＋ 방향에 관해서 56.8 ％, X 방향에 관해서 51.2 ％, Y＋ 방향에 관해서 67.0 ％, Y 방향에 관해서 70.0 ％, Z 방향에 관해서 51.2 ％ 까지 개선되었다.

의료 종사자는 코일 (8) 의 배후 (코일에 대해 Y 방향으로 떨어진 장소) 에 있다고 가정하면, X 방향의 누설 자기장은 문제가 되지 않는다. 또, 의료 종사자가 그 손으로 자극 코일을 지지한 상태를 상정한 경우, 팔의 길이만큼 Y 방향과 Z 방향으로 거리를 벌 수 있다.

5 mm 의 플랜지 (91F) 를 갖는 모델의 코일 인덕턴스는 16.9 μH, 10 mm 의 플랜지 (91F) 를 갖는 모델의 코일 인덕턴스는 17.1 μH, 15 mm 의 플랜지 (91F) 를 갖는 모델의 코일 인덕턴스는 17.4 μH 였다. 플랜지 (91F) 의 길이가 커질수록 자기 실드 (91) 를 통과하는 자속이 많아지고, 인덕턴스가 커지는 것이라고 생각된다.

자기 실드 (91) 가 없는 모델의 X 축 방향 유효 자극 거리 및 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0455 m, 0.0604 m, 플랜지 (91F) 가 형성된 자기 실드 (91)(자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 의 수평 방향의 거리는 10 mm, 플랜지 (91F) 의 길이 5 mm) 를 갖는 모델의 X 축 방향 유효 자극 거리 및 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0459 m, 0.0605 m 이고, 플랜지 (91F) 가 형성된 자기 실드 (자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 의 거리는 10 mm, 플랜지 (91F) 의 길이 10 mm) 를 갖는 모델의 X 축 방향 유효 자극 거리 및 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0461 m, 0.0608 m 이며, 플랜지 (91F) 가 형성된 자기 실드 (91)(자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 의 수평 방향의 거리는 10 mm, 플랜지 (91F) 의 길이 15 mm) 를 갖는 모델의 X 축 방향 유효 자극 거리 및 Y 축 방향 유효 자극 거리는 각각 0.0464 m, 0.0629 m 이었다.

3 고찰

3.1 자성체를 8 자형 코일 상에 배치하는 이유

자속을 유도하기 위해서, 예를 들어 솔레노이드에서는 코일 (8) 의 내측에 자성체를 배치하는 것이 실시되고 있다. 그러나, 경두개 자기 자극 장치에서 이용되는 편심 8 자형 코일의 양 원형 코일 부분 (81, 82) 은 도선을 예를 들어 10 회 정도 나선상 (스파이럴) 으로 감은 것이기 때문에, 그 원형 코일 부분 (81, 82) 의 중앙에 형성된 작은 공간에 철심 등의 자성체 (22) 를 효과적으로 배치하는 것은 어렵고 또한 비용도 들기 때문에, 재택용 코일 (8) 에는 적합하지 않다. 대신에, 환자의 두부에 자성체를 매립하고, 그곳에 자속을 모으는 방법도 제안되어 있다. 그러나, 이 방법은 개두 수술을 필요로 하여, 비침습성을 이점으로 하는 경두개 자기 자극 치료의 특징을 살릴 수 없게 된다. 이것에 대해, 코일 (8) 상에 자성체 (22) 를 배치하는 구성은, 상기 서술한 모든 문제를 해소하는 것이고, 또한 코일로부터 발생하는 자속을 치료에 필요한 정도까지 모을 수 있다는 이점이 있다.

3.2 Ni-Zn 페라이트 코어를 자기 실드에 사용하는 이유

코일의 내측에 배치한 자성체 (22) 도 자기 실드 (91) 로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 3 kHz 정도의 주파수이면, 자성체 (22) 내부의 유도 전류는 실질적으로 제거되고, 자성체 (22) 의 표면에 약간 존재하기만 한다. 그러나, 경두개 자기 자극 장치에 있어서는, 미소한 전류라도 그것에 의해 발생하는 전자파가 치료 효과를 감소시킬 수도 있으므로, 자성체는 자기 실드 (91) 로서 충분히 유효하다고는 말하기 어렵다.

이것에 대해, Ni-Zn 페라이트는, 비투자율이 1,500, 전기 전도율이 0.00001 S/m 정도로, 실질적으로 절연체로 간주할 수 있다. 또, Ni-Zn 페라이트는, 상대 온도 계수도 약 1 ∼ 3 으로, 투자율은 온도의 영향을 받기 어렵다. 또한 페라이트는, 그 투자율이 어느 주파수까지는 일정한 값을 취하지만, 그 주파수를 초과하면 자기장의 변화에 자속 밀도가 추종할 수 없어, 자기장에 대한 자속 밀도의 위상의 지연이 발생하는 경우가 있다. 그러나, Ni-Zn 페라이트 (HF70) 는 어느 투자율-주파수 특성을 가져, 자극 주파수가 약 3 kHz 인 경두개 자기 자극 치료에 나쁜 영향을 미치는 일이 없다. 따라서, 자기 실드 (91) 에 사용하는 재료에는, Ni-Zn 페라이트가 적당하다고 생각된다.

3.3 재택 치료에 있어서의 자극 코일 고정 방법

재택 치료용 경두개 자기 자극 장치를 신경장애성 동통 환자가 스스로 조작하여 치료를 실시하는 상황을 상정한 경우, 환자 자신이 자극 코일 (8) 을 매회 동일한 장소에 위치 결정할 수 있는 것이 바람직하다. 그 때문에, 환자에게 헬멧을 장착시킴과 함께, 그 헬멧에 자극 코일 (8) 을 고정하는 기술이 제안되어 있다. 이와 같은 형태에 있어서는, 헬멧에 대해 자극 코일 (8) 을 간단하게 장착할 수 있는 것이 요망된다.

3.4 자극 코일의 중량

상기 서술한 해석으로부터 구해진 최적의 형상의 자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 의 합계 중량은 약 2.1 kg 이다. 편심 8 자형 코일 자체의 중량은 약 1 kg 이다. 따라서, 자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 를 포함하는 코일 장치 전체는 약 3 kg 이고, 그것은 재택용 시스템에서도 안정적으로 지지할 수 있는 중량이다.

3.5 자극 코일 장치의 인덕턴스

가장 적당하다고 생각되는 자성체 페라이트 모델의 인덕턴스는 약 17.4 μH 였다. 코일의 인덕턴스는, 공기 영역에서만 해석을 실시하고, 공기 영역 중의 자기장 에너지의 총합을 사용하여 식 (18) 에 기초하여 계산하였다.

자기 자극 치료의 효과를 얻기 위해서 유효하다고 생각되는 펄스폭 (T) 은 약 200 ∼ 300 ㎲ 이다. 따라서, 코일의 용량을 C = 180 μF 로 하면, 식 (19) 로부터, 코일 (8) 의 인덕턴스는 5.63 μH ∼ 12.6 μH 이다.

3.6 철심 내의 유도 전류

자성체 (22) 를 흐르는 유도 전류는, 패러데이의 법칙에 기초하여, 자속의 변화율에 따라 결정된다. 이 경우, 유도 전류는, 자성체가 자기장에 의해 자화되는 속도와 코일로부터 발생하는 자기장이 변화하는 속도의 영향을 받는다고 생각되지만, 전자는 후자보다 충분히 크기 때문에, 실제로 자성체 내에 흐르는 유도 전류는 해석으로 얻어지는 유도 전류와 대략 동일하다고 생각된다.

3.7 철의 자기 포화에 대해

철은, 히스테리시스의 자기 특성을 가진다. 한편, 자성체 (22) 를 통과하는 자속은 0.328τ 로 산출 (식 (13) 참조) 했지만, 히스테리시스를 고려하면, 고자기장에서는 비투자율은 낮아진다. 이 점을 고려하면, 자성체 내의 유도 전기장 밀도는 약 10 ∼ 50τ 로 생각된다. 철의 포화 자속 밀도는 2.15τ 인 점에서, 철로 원하는 특성을 얻기 위해서는, 철의 두께를 두껍게 함으로서 자속을 증가시키는 등의 개선이 필요로 될 가능성이 있다.

3.8 적층 자성체에 사용하는 절연체

적층 자성체 (22) 는, 복수의 자성판 사이에 절연체를 사이에 두고 형성된다. 이 경우, 절연체에는, Mn-Zn 계 페라이트를 바람직하게 이용할 수 있다고 생각된다. Mn-Zn 계 페라이트는, 그 비투자율이 철과 동일한 5,000, 체적 저항률이 0.3 Ω·m 이고, 적응 주파수가 1 MHz 까지이다.

3.9 자극 효율의 개선에 의한, 자극 장치의 소형화 (저가격화)

무자성체 코일 모델의 3.93 배의 자극 효율이 얻어지는 유자성체 코일 모델을 제작할 수 있었다. 유효한 치료 효과를 얻기 위해서 필요한 1 차 운동야의 유도 전류 강도는 일정하지만, 뇌 내 유도 전류의 크기는 코일 전류에 비례한다. 상기 서술한 해석에서는, 코일 전류를 3 kA 로 설정하였다. 이때, XY 적층 자성체를 포함하는 코일 모델에 의해 뇌 내로 유도되는 전기장은 507 V/m 이었다. 유효한 치료 효과를 얻기 위해서 1 차 운동야에 필요한 유도 전류 밀도는 180 A/㎡ 인 것이 과거의 임상 실험 결과에서 보고되어 있다. 자극 부위의 전기 전도율을 회백질의 그것과 동일한 0.11 S/m 이라고 가정하면, 유효한 치료 효과를 얻기 위해서 필요한 뇌 내 유도 전기장 강도는 200 V/m 이다. 따라서, 적층 자성체 코일 모델의 경우, 1.18 kA 에 피크값을 가지는 펄스 전류를 코일에 인가하면, 유효한 치료 효과를 발휘할 수 있다고 생각된다. 피크 전류를 낮출 수 있다면, 자기장 발생 장치의 콘덴서나 승압 회로를 대폭 축소할 수 있고, 그것에 수반하여 시스템의 비용도 대폭 낮출 수 있다.

4 결론

본 실시형태는, 경두개 자기 자극에 의한 신경장애성 동통 환자의 재택 치료를 목적으로 한 자극 코일의 개발에 관한 것이다. 그것을 위해, 수치 해석에 의해, 가장 자극 효율이 양호한 코일 모델을 구하였다. 다음으로, 수치 해석에 의해, 양호한 자극 효율을 유지하면서, 경량인 코일 모델을 구하였다. 또, 수치 해석에 의해, 인체에 대한 영향을 저감하는 자기 실드가 설치된 코일 모델을 구하였다. 이상의 수치 해석으로부터, 이하의 결론이 얻어졌다.

4.1 편심 8 자형 코일에 220 mm × 100 mm × 2 mm 의 XY 적층 자성체 (X 방향 양 단부에 X 적층, 중앙부에 Y 적층) 를 설치한 코일 모델에서는, 코일로부터 13 mm 떨어진 뇌 모델 표면의 중앙 부분에 있어서의 유도 전기장 강도를 507 V/m 으로 할 수 있어, 자성체가 없는 코일 모델에 대해 자극 효율을 265 ％ 개선한다.

4.2 자극 로버스트성에 대해서는, 자성체의 형상이나 자기 실드에 페라이트를 사용함으로써, X 축 방향의 유효 자극 거리가 확대된다. 구체적으로는, Y 축 적층 자성체를 삽입했을 때에는 X 축 방향의 유효 자극 거리를 2 배 정도 크게 할 수 있다. 또, XY 적층 자성체와 자기 실드를 조합한 코일 모델에 의하면, X 축 방향 유효 자극 거리가 0.0464 m, Y 축 방향의 유효 자극 거리가 0.0629 m 인, 위치 어긋남 허용 오차가 큰 자극 로버스트성을 갖는 재택 치료용 코일이 얻어진다.

4.3 Ni-Zn 페라이트의 250 × 150 × 5 mm 크기의 직방체 (천판 (天板)) 와, 240 × 5 × 46 mm 크기의 2 개의 직방체 (전후판) 와, 5 × 150 × 46 mm 크기의 2 개의 직방체 (측판) 로 이루어지는 상자형 자기 실드로 자성체를 덮고 (자성체와의 거리는 10 mm), 상자형 자기 실드의 하부 개구 가장자리를 따라 폭 15 mm 의 플랜지를 장착한 코일 모델의 경우, X＋ 방향으로 1 m 떨어진 장소의 자기장 강도가 51.4 A/m, X 방향으로 1 m 떨어진 장소의 자기장 강도가 42.1 A/m, Y＋ 방향으로 1 m 떨어진 장소의 자기장 강도가 21.84 A/m, Y 방향으로 0.965 m 떨어진 장소의 자기장 강도가 21 A/m, Z＋ 방향으로 0.329 m 떨어진 장소의 자기장 강도가 21 A/m 이다. 따라서, 자기 실드를 설치한 코일 모델은, 코일의 중앙으로부터 Z＋ 방향으로 33 cm, Y 방향으로 97 cm 까지 접근해도, 인체에 영향은 없다.

4.4 코일과 적층 철강판의 치수

본 실시형태에 있어서, 코일의 치수는 이하의 것으로 하여 시뮬레이션을 실시하였다. 최외경은 100 mm, 내경은 20 mm, 턴수는 10 으로 하였다. 도선은, 세로 6 mm × 가로 2 mm 의 단면으로 하였다. 도선끼리에서 가장 접근하는 부분의 간극은 0.5 mm 으로 하였다. 코일에 인가되는 전류는 3 kA, 주파수는 3.15 kHz 로 하였다. 또, 철강판의 치수에 대해서는 이하와 같이, 폭 220 mm, 높이 122 mm, 두께 10 mm 으로 하였다. 철강판의 중량은 철의 비중을 7.85 t/m³ 으로 하고, 대략 2.1 kg 이 된다. 비투자율은 5000, 도전율에 대해서는 1.0 × 10⁷ S/m, 또 적층에 수직인 방향에는 1.0 × 10^-7 S/m 으로 하였다. 철강판은 중앙 편심 8 자형 코일의 상부 표면으로부터 3.5 mm 상부에 위치한다고 하였다. 뇌를 모의한 도전체는 도전율을 0.11 S/m 으로 하고, 세로 140 mm, 가로 140 mm, 높이 40 mm 으로 하였다. 이 도전체는, 코일 하부 표면으로부터 10 mm 아래에 위치하도록 설정하였다. 실험 전체의 모델은 도 61 에 나타낸 바와 같다. 자극 강도는, 자극 중심으로부터 반경 10 mm 이내의 엘리먼트에 있어서의 전기장 벡터의 크기를 평균한 것에 의해 평가하였다.

4.5 이방향 (異方向) 의 적층 철강판의 조합

철강판의 최적 적층 방향에 대해 검토하기 위해, 실험 전체의 외관을 변경하지 않고 철강판의 종류를 변경한 모델을 준비하였다. 먼저, 3 종류의 철강판에 대해, 적층이 없는 철강판, 세로 방향 적층의 철강판, 가로 방향 적층의 철강판을 모델화하였다. 이들 3 모델은, 철강판을 병용하지 않는 모델에 있어서의 자극 강도와의 비교를 실시하였다. 다음으로, 중앙부가 가로 적층이 되고, 측부가 세로 적층이 되는, 이방향의 적층을 조합한 철강판의 모델을 준비하였다. 동 모델의 외형은 도 62 에 나타내는 바와 같다. 측부의 세로 적층 부분의 폭을 각각 6 mm 내지 36 mm 에서 변화시키고, 측부의 폭과 달성되는 평균 전기장 강도의 관계를 플롯하였다. 도 62 에 있어서, 22X 는 X 방향 적층 자성체이고, 22Y 는 Y 방향 적층 자성체이며, Y 방향 적층 자성체 (22Y) 는 X 방향으로 1 쌍의 X 방향 적층 자성체 (22X) 로 협설된다.

4.6 적층 철강판에 의한 자극 강도에 대한 영향

도 63a ∼ 도 63e 에 나타내는 바와 같이, 자극 강도 (유도 전기장 강도) 는 적층 철강판에 의해 크게 향상되었다. 적층이 없는 철강판과 가로 방향 적층의 철강판에 대해서는, 중앙에 있어서의 평균 전기장 강도가 각각 218 V/m, 335 V/m 이 되었다 (도 63b 및 도 63c). 이것은, 철강판이 없는 경우의 전기장 강도 (160 V/m, 도 63a) 에 대해 각각 1.5 배, 2.1 배이다. 한편으로, 세로 방향 적층에 의한 자극 강도는 111 V/m (도 63d) 이 되고, 철강판이 없는 경우에 대해 감소하고 있다.

본 결과는 기본 원리로서, 철강판의 높은 투자율에 의한, 코일 자계의 강도 상승이 있었던 것을 시사하는 것이다. 또 이들 결과로부터, 고투자율에 의한 자극 강도의 상승 효과보다, 철강판 내에 발생하는 손실 유도 전류에 의한 자극 강도의 감소 효과가 높아져 버리는 케이스가 있다는 것도 알 수 있다. 이 나쁜 케이스는, 즉 세로 방향 적층이다.

도 64 (a1) 및 도 64 (a2) 와 같이, 세로 방향 적층 철강판 내에는 8 자형 코일에 의한 와전류가 발생하고 있고, 이 유도 전류가 자극 강도에 대해 큰 억제 효과를 가진다. 이 케이스에 있어서는, 코일로부터 발생하는 자속에 대해, 쇄교 자속군에 대한 철강판의 단면적이 매우 커지는 것이 원인이 되어, 큰 손실 전류가 발생해 버리고 있다. 또, 도 64 (b1) 및 도 64 (b2) 와 같이 가로 방향 적층의 경우에 대해서도, 철강판 내에 손실 전류가 발생하고 있는 영역이 존재하는 것을 알 수 있다. 따라서, 가로 방향 적층의 철강판을 사용했을 때의 자극 강도는 철강판이 없는 경우보다 상승하고 있지만, 자극 강도에 약간의 감약이 있는 것이 상정된다.

4.7 중앙 편심 8 자형 코일에 대한, 철강판의 최적 적층 방향의 비율에 대해

도 63e 에 나타내는 바와 같이, 이방향의 적층 철강을 조합한 모델은, 단방향 (單方向) 의 적층 철강으로 한 것과 비교해 보다 강한 자극 강도를 달성할 수 있는 것을 알 수 있었다. 도 65 에는, 세로 방향 적층으로 되어 있는 측부의 폭과 자극 강도의 관계를 나타내고 있다. 측부폭을 최적화하면, 폭 30 mm 의 경우에 자극 강도가 456 V/m 이 되었다. 또, 인덕턴스에 대해서는, 철심이 없는 모델에서 11.7 μH 이었던 것에 대해, 30 mm 폭의 조합 적층 철강판을 이용한 경우 17.2 μH 가 되었다.

이들 결과는 일반적으로, 코일 자계의 방향이 공간 위치에 따라 변화하므로, 적층의 디자인도 따로따로 하는 것이 효과적이다고 하는 것을 시사하는 것이다. 전술한 바와 같이, 철강판의 중앙부에 있어서는, 철강판 상부로부터 볼 때 가로 방향의 자계가 많이 존재하기 때문에, 적층의 방향도 가로 방향인 것이 적절해진다. 이 가로 방향의 자계가 지배적이다. 영역은, 세로 방향 적층의 폭을 30 mm 으로 했을 때에 가장 큰 자극 강도를 달성할 수 있었던 것에 의해 예상할 수 있다. 한편으로, 철강판의 단부에 있어서는, 자속은 철강판 표면에 수직으로 들어가는 것이 많아진다. 이 수직의 자기장에 대해서는, 가로 방향의 적층, 세로 방향 적층 어느 것이라도 좋다는 것이 된다. 도 64c 에 나타내는 바와 같이, 가로 방향의 적층부와 세로 방향의 적층부의 단절이 철강판 내에 발생하는 손실 유도 전류를 우수하게 저해하고 있고, 가로 방향으로 단방향의 적층 철심을 사용한 경우에 비해, 조합 철강판에서는 유도 전류가 상당히 작게 억제되고 있는 것을 알 수 있다. 최종적으로, 중앙 편심 8 자형 코일에 조합 적층 철강판을 병용한 모델은, 철강판이 없는 경우에 비해 2.8 배의 자극 강도를, 또 따라서 철심이 없는 통상적인 8 자형 코일에 비해 3.4 배의 자극 강도를 달성할 수 있었다.

한편, 철강판을 병용함으로써 인덕턴스의 값은 철강판을 이용하지 않는 경우보다 약간 커져 버렸기 때문에, TMS 에 있어서의 자극 펄스의 주파수에 약간의 변화가 있는 것이 예상된다. 그러나, TMS 코일의 인덕턴스는 전형적으로는 10 μH 내지 35 μH 의 값이고, 이 인덕턴스의 변화는, 적절한 값의 캐패시터를 가진 회로를 적절히 선택함으로써 대처 가능하다고 생각된다. 또한 최근에는, 자유로운 형상의 펄스를 인덕턴스의 값에 의하지 않고 생성 가능한 회로의 연구도 이루어지고 있고, 이러한 회로를 사용함으로써 인덕턴스의 변화를 고려하지 않아도 된다고 생각된다.

최종 결론으로서, 가로 방향의 적층과 세로 방향의 적층을 조합한 철강판이 자극 강도의 향상에 매우 효과적이고, 그 강도는 철강판을 이용하지 않는 경우에 비해 2.8 배가 되는 것을 알 수 있었다. 이 결과로부터, TMS 코일로부터 발생하는 자계의 방향을 고려하여 철강판의 적층 방향을 정하는 것이 중요한 것이 시사된다. 적층 철강판을 사용함으로써, 코일 (8) 에 인가하는 전류를 저감할 수 있고, 따라서 제열 기구를 사용하는 일 없이 코일 (8) 의 가열을 억제할 수 있다. 이로써, 고출력 또한 고빈도의 rTMS 의 시술이 가능해지고, 또 TMS 기기 자체도 작고 염가로 제작이 가능해진다.

이상 설명한 바와 같이, 편심 8 자형 코일 (8) 에 자성체 (22) 와 자기 실드 (91) 를 조합한 코일은, 재택용 자기 자극 장치용의 코일로서 충분히 이용 가능하다.

이상 상세히 서술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 뇌의 자기 자극 대상 영역 (자기 자극을 주어야 하는 영역을 말한다) 에 대해 종래 기술과 비교해 높은 유도 전기장 강도를 발생시킬 수 있어, 종래 기술과 비교해 로버스트성을 갖고, 예를 들어 재택용 자기 자극 장치에 사용할 수 있는 코일 장치 및, 코일 장치를 구비한 경두개 자기 자극 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치는, 권선 코일이 인간의 두부 표면에 대향하도록 설치되고, 전자 유도에 의해 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 유도 전기장에 의한 전류를 발생시켜 뉴런을 자극하는 경두개 자기 자극 장치를 위한 코일 장치로서, 소정의 기준면을 따라 도선을 권회하여 구성된 코일과, 상기 두부와는 상기 코일을 사이에 두고 반대측인, 상기 코일의 상방의 위치에 있어서, 상기 코일에 대향하도록 설치되고, 상기 코일이 구동되었을 때에 유도 전기장에 의한 전류가 흐르고, 또한 당해 유도 전기장에 의한 전류에 의해 상기 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 흐르는 유도 전기장에 의한 전류를, 자성체가 없을 때에 비교해 증대시키는 자성체를 구비하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 의하면, 뇌의 자기 자극 대상 영역에 대해 종래 기술과 비교해 높은 유도 전기장 강도를 발생시킬 수 있어, 종래 기술과 비교해 로버스트성을 가져, 예를 들어 재택용 자기 자극 장치에 사용할 수 있다. 또한, 상기 자성체는, 상기 코일의 권회 방향으로 적층하여 구성되는 경우에, 상기 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 흐르는 유도 전기장에 의한 전류를 더욱 증대시킬 수 있다.

1 : 경두개 자기 자극 장치

4 : 자기 자극 장치

5 : 코일 장치

6 : 제어 유닛

8 : 코일

8L : 중심축

9 : 케이싱

22, 22A ∼ 22H : 자성체

25 : 코일 구동 회로

26 : 케이블

31 : 사이리스터

31D : 다이오드

61 : 교류 전원

62 : 전원 회로

63 : 승압 회로

64 : 콘덴서

65 : 저항

66 : 반도체 스위치

67 : 제어 회로

80 : 도선

81, 82 : 코일 부분

83, 84 : 코일 부분의 중심

85 : 코일의 중앙부

90 : 뇌 모델

91, 91A, 91B : 자기 실드

91F : 플랜지

100A ∼ 100D : 자성체

참고 문헌 :

[1] MOUCHAWAR GA, NYENHUIS JA, BOURLAND JD, GEDDES LA, "GUIDELINES OR ENERGY-EFFICIENT COILS - COILS DESIGNED FOR MAGNETIC STIMULATION OF THE HEART", ELECTROENCEPHALOGRAPHY AND CLINICAL NEUROPHYSIOLOGY, pp.255-267, Supplement : Suppl. 43, Published in 1991

[2] JALINOUS, R., "TECHNICAL AND PRACTICAL ASPECTS OF MAGNETIC NERVE-STIMULATION", JOURNAL OF CLINICAL NEUROPHYSIOLOGY, Vol.8, Issue 1, pp.10-25, Published in January 1991

[3] 후쿠시마 타이시, 니시카와 아츠시, 미야자키 후미오, 세키노 마사키, 야스무로 요시히로, 마츠자키 타이카, 호소미 코이치, 사이토 요이치, 「재택형 반복 경두개 자기 자극 치료를 위한 자기장 내비게이션 시스템의 개발」, 생체 의공학, Vol.49, pp.122-131, (2011)

[4] Xu G, Chen Y, Yang S, Wang M, Yan W, "The optimal design of magnetic coil in transcranial magnetic stimulation", Conference Proceeding of IEEE Engineering Medical Biology Society, June 2005 : 6221-4.

[5] Roth Y, Zangen A, Hallett M, "A coil design for transcranial magnetic stimulation of deep brain regions", Journal of Clinical Neurophysiology, August 2002, 19(4), 361-70.

[6] Lin VW, Hsiao IN, Dhaka V, "Magnetic coil design considerations for functional magnetic stimulation", IEEE Transaction on Biomedical Engineering, May 2000, 47(5), 600-10.

[7] Zimmermann KP, Simpson RK, "Slinky coils for neuromagnetic stimulation", Electroencephalogram Clinical Neurophysiology, April 1996, 101(2), 145-52

[8] Ren C, Tarjan PP, Popovic DB, "A novel electric design for electromagnetic stimulation--the Slinky coil", IEEE Transaction on Biomedical Enginering, September 1995, 42(9), 918-25

[9] Lee C (Lee, Chany), Im CH (Im, Chang-Hwan), Jung HK (Jung, Hyun-Kyo), "Analysis and design of whole-head magnetic brain stimulators : A simulation study", INTERNATIONAL JOURNAL OF CONTROL AUTOMATION AND SYSTEMS, Vol.5, Issue 3, pp.337-342, Published in June 2007

[10] Chang-Hwan Im ; Chany Lee ;, "Computer-Aided Performance Evaluation of a Multichannel Transcranial Magnetic Stimulation System Magnetics", IEEE Transactions on Magnnetics, Vol.42 , Issue 12, December 2006, pp.3803-3808

[11] Ruohonen J, Ravazzani P, Grandori F, "Functional magnetic stimulation: theory and coil optimization", BIOELECTROCHEMISTRY AND BIOENERGETICS, Vol.47 Issue 2, pp.213-219, Published in 1998

[12] Onuki, T ; Wakao, S ; Miyokawa, T, et al., "Design optimization of stimulation coil system for nerve stimulation", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Vol.34, Issue 4, pp.2159-2161, Published in 1998

[13] GRANDORI F, RAVAZZANI P, "MAGNETIC STIMULATION OF THE MOTOR CORTEX-THE ORETICAL CONSIDERATIONS", IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, Vol.38, Issue 2, pp.180-191, Published in February 1991

[14] COHEN LG, ROTH BJ, NILSSON J, et al., "EFFECTS OF COIL DESIGN ON DELIVERY OF FOCAL MAGNETIC STIMULATION-TECHNICAL CONSIDERATIONS", ELECTROENCEPHALOGRAPHY AND CLINICAL NEUROPHYSIOLOGY, Vol.75, Issue 4, pp.350-357, Published in April 1990

[15] Masaki Sekino, Takuya Kato and Hiroyuki Ohsaki, "Eccentric Figure-Eight Magnetic Stimulator Coils", Complex Medical Engineering (CME), 2012 ICME, International Conference on, pp.728-733, 1-4, July 2012

[16] Thielscher A, Kammer T, "Electric field properties of two commercial figure-8 coils in TMS : calculation of focality and efficiency", Clinical Neurophysiology, July 2004, 115 (7), 1697-708

[17] Feitosa M, Fontana E, "Generalized series solution for the induced E-field distribution of slinky-type magnetic stimulators", Conference Proceedings of IEEE Engineering Medical Biology Society, 2006, 1:4655-8

[18] Ravazzani P, Ruohonen J, Tognola G, Anfosso F, O llikainen M, Ilmoniemi RJ, Grandori F, "Frequency-related effects in the optimization of coils for the magnetic stimulation of the nervous system", IEEE Transactions on Biomedical Engendering, May 2002, 49(5) : 463-71

[19] Salvador R, Miranda PC, Roth Y, Zangen A, "High permeability cores to optimize the stimulation of deeply located brain regions using transcranial magnetic stimulation", Physics in Medical Biology, May 21, 2009 ; 54(10) : 3113-28

[20] Han BH, Lee SY, Kim JH, Yi JH, "Some technical aspects of magnetic stimulation coil design with the ferromagnetic effect", Medical and Biology Engineering and Computing, September 2003, 41(5) : 516-8

[21] Epstein CM, Davey KR, "Iron-core coils for transcranial magnetic stimulation", Journal of Clinical Neurophysiology, August 2002, 19(4) : 376-81.

[22] Roth Y, Amir A, Levkovitz Y, Zangen A, "Three-dimensional distribution of the electric field induced in the brain by transcranial magnetic stimulation using figure-8 and deep H-coils", Journal of Clinical Neurophysiology, February 2007, 24(1) : 31-8

[23] Boroojerdi B, Foltys H, Krings T, Spetzger U, Thron A, Topper R, "Localization of the motor hand area using transcranial magnetic stimulation and functional magnetic resonance imaging", Clinical Neurophysiology, Vol.110, pp.699-704, (1996)

[24] Sekino M, Ueno S, "FEM-based determination of optimum current distribution in transcranial magnetic stimulation as an alternative to electroconvulsive therapy", IEEE Transactions on Magnetics, Vol.40, pp.2167-2169

[25] Tsuyama S, Katayama Y, Hyodo A, Hayami T, Ueno S, Iramina K, "Effects of coil parameters on the stimulated area by transcranial magnetic stimulation", IEEE Transactions on Magnetics, Vol.45, pp.4845-4848, (2009)

[26] Sekino M, Hirata M, Sakihara K, Yoorifuji S, Ueno S, "Intensity and localization of eddy currents in transcranial magnetic stimulation to cerebellum", IEEE Transactions on Magnetics Vol.42, pp.3575-3577, (2006)

[27] 주식회사 포톤, "PHOTO-SERIES EDDY ver7.2 64 bit"

[28] 주식회사 포톤 홈페이지, 「전자기장 해석 WAVEjw」, 인터넷 [평성 28(2016)년 3월 17일 검색], <URL> http://www.photon-cae.co.jp/product/series/index.html

Claims (13)

1. 코일이 인간의 두부 표면에 대향하도록 설치되고, 전자 유도에 의해 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 유도 전기장에 의한 전류를 발생시켜 뉴런을 자극하는 경두개 자기 자극 장치를 위한 코일 장치로서,
   소정의 기준면을 따라 도선을 권회하여 구성된 코일과,
   상기 두부와는 상기 코일을 사이에 두고 반대측인 위치에 있어서, 상기 코일에 대향하도록 설치되고, 상기 코일이 구동되었을 때에 유도 전기장에 의한 전류가 흐르고, 또한 당해 유도 전기장에 의한 전류에 의해 상기 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 흐르는 유도 전기장에 의한 전류를, 자성체가 없을 때에 비교해 증대시키는 자성체를 구비하고,
   상기 자성체는, 상기 코일의 각 턴 권선이 겹쳐 쌓이는 방향으로, 당해 자성체를 구성하는 개개의 적층판을 겹쳐 쌓아 구성된 것을 특징으로 하는 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치.
2. 코일이 인간의 두부 표면에 대향하도록 설치되고, 전자 유도에 의해 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 유도 전기장에 의한 전류를 발생시켜 뉴런을 자극하는 경두개 자기 자극 장치를 위한 코일 장치로서,
   소정의 기준면을 따라 도선을 권회하여 구성된 코일과,
   상기 두부와는 상기 코일을 사이에 두고 반대측인 위치에 있어서, 상기 코일에 대향하도록 설치되고, 상기 코일이 구동되었을 때에 유도 전기장에 의한 전류가 흐르고, 또한 당해 유도 전기장에 의한 전류에 의해 상기 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 흐르는 유도 전기장에 의한 전류를, 자성체가 없을 때에 비교해 증대시키는 자성체를 구비하고,
   상기 코일은, 2 개의 코일 부분을 갖는 비편심 8 자 소용돌이 코일, 또는 2 개의 코일 부분을 갖는 편심 8 자 소용돌이 코일이고,
   상기 기준면을 따라 상기 2 개의 코일 부분의 중심을 잇는 선의 방향을 제 1 방향으로 하고, 상기 기준면을 따라 상기 제 1 방향과 직교하는 방향을 제 2 방향으로 할 때, 상기 자성체는, 복수의 전자 강판을 상기 제 1 방향 또는 상기 제 2 방향으로 적층하여 구성된 것을 특징으로 하는 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치.
3. 코일이 인간의 두부 표면에 대향하도록 설치되고, 전자 유도에 의해 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 유도 전기장에 의한 전류를 발생시켜 뉴런을 자극하는 경두개 자기 자극 장치를 위한 코일 장치로서,
   소정의 기준면을 따라 도선을 권회하여 구성된 코일과,
   상기 두부와는 상기 코일을 사이에 두고 반대측인 위치에 있어서, 상기 코일에 대향하도록 설치되고, 상기 코일이 구동되었을 때에 유도 전기장에 의한 전류가 흐르고, 또한 당해 유도 전기장에 의한 전류에 의해 상기 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 흐르는 유도 전기장에 의한 전류를, 자성체가 없을 때에 비교해 증대시키는 자성체를 구비하고,
   상기 코일은, 2 개의 코일 부분을 갖는 비편심 8 자 소용돌이 코일, 또는 2 개의 코일 부분을 갖는 편심 8 자 소용돌이 코일이고,
   상기 기준면을 따라 상기 2 개의 코일 부분의 중심을 잇는 선의 방향을 제 1 방향으로 하고, 상기 기준면을 따라 상기 제 1 방향과 직교하는 방향을 제 2 방향으로 할 때, 상기 자성체는, 복수의 전자 강판을 상기 제 1 방향으로 적층하여 구성된 제 1 적층 자성체 부분과, 복수의 전자 강판을 상기 제 2 방향으로 적층하여 구성된 제 2 적층 자성체 부분을 구비한 것을 특징으로 하는 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 자성체는, 1 개의 상기 제 2 적층 자성체 부분과 1 쌍의 상기 제 1 적층 자성체 부분을 구비하고,
   상기 제 1 방향으로, 상기 제 2 적층 자성체 부분을 상기 1 쌍의 제 1 적층 자성체 부분으로 협설하도록 설치된 것을 특징으로 하는 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 기준면은 평면, 곡면 또는 구면인 것을 특징으로 하는 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 코일은, 비편심 소용돌이 코일, 또는 편심 소용돌이 코일인 것을 특징으로 하는 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 코일은, 2 개의 코일 부분을 갖는 비편심 8 자 소용돌이 코일, 또는 2 개의 코일 부분을 갖는 편심 8 자 소용돌이 코일인 것을 특징으로 하는 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치.
8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 코일은, 돔형 코일인 것을 특징으로 하는 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치.
9. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자성체는, 상기 제 1 방향과 상기 제 2 방향에 직교하는 제 3 방향으로부터 보았을 때, 사각형, 다각형, 원형, 난형, 또는 타원형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치.
10. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성체는, 상기 제 1 방향과 상기 제 2 방향에 직교하는 제 3 방향으로부터 보았을 때의 중앙에 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치.
11. 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치를 구비한 경두개 자기 자극 장치로서,
    상기 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치는, 코일이 인간의 두부 표면에 대향하도록 설치되고, 전자 유도에 의해 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 유도 전기장에 의한 전류를 발생시켜 뉴런을 자극하는 경두개 자기 자극 장치를 위한 코일 장치로서,
    상기 코일 장치는,
    소정의 기준면을 따라 도선을 권회하여 구성된 코일과,
    상기 두부와는 상기 코일을 사이에 두고 반대측인 위치에 있어서, 상기 코일에 대향하도록 설치되고, 상기 코일이 구동되었을 때에 유도 전기장에 의한 전류가 흐르고, 또한 당해 유도 전기장에 의한 전류에 의해 상기 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 흐르는 유도 전기장에 의한 전류를, 자성체가 없을 때에 비교해 증대시키는 자성체를 구비하고,
    상기 자성체는, 상기 코일의 각 턴 권선이 겹쳐 쌓이는 방향으로, 당해 자성체를 구성하는 개개의 적층판을 겹쳐 쌓아 구성된 것을 특징으로 하는 경두개 자기 자극 장치.
12. 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치를 구비한 경두개 자기 자극 장치로서,
    상기 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치는, 코일이 인간의 두부 표면에 대향하도록 설치되고, 전자 유도에 의해 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 유도 전기장에 의한 전류를 발생시켜 뉴런을 자극하는 경두개 자기 자극 장치를 위한 코일 장치로서,
    상기 코일 장치는,
    소정의 기준면을 따라 도선을 권회하여 구성된 코일과,
    상기 두부와는 상기 코일을 사이에 두고 반대측인 위치에 있어서, 상기 코일에 대향하도록 설치되고, 상기 코일이 구동되었을 때에 유도 전기장에 의한 전류가 흐르고, 또한 당해 유도 전기장에 의한 전류에 의해 상기 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 흐르는 유도 전기장에 의한 전류를, 자성체가 없을 때에 비교해 증대시키는 자성체를 구비하고,
    상기 코일은, 2 개의 코일 부분을 갖는 비편심 8 자 소용돌이 코일, 또는 2 개의 코일 부분을 갖는 편심 8 자 소용돌이 코일이고,
    상기 기준면을 따라 상기 2 개의 코일 부분의 중심을 잇는 선의 방향을 제 1 방향으로 하고, 상기 기준면을 따라 상기 제 1 방향과 직교하는 방향을 제 2 방향으로 할 때, 상기 자성체는, 복수의 전자 강판을 상기 제 1 방향 또는 상기 제 2 방향으로 적층하여 구성된 것을 특징으로 하는 경두개 자기 자극 장치.
13. 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치를 구비한 경두개 자기 자극 장치로서,
    상기 경두개 자기 자극 장치용 코일 장치는, 코일이 인간의 두부 표면에 대향하도록 설치되고, 전자 유도에 의해 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 유도 전기장에 의한 전류를 발생시켜 뉴런을 자극하는 경두개 자기 자극 장치를 위한 코일 장치로서,
    상기 코일 장치는,
    소정의 기준면을 따라 도선을 권회하여 구성된 코일과,
    상기 두부와는 상기 코일을 사이에 두고 반대측인 위치에 있어서, 상기 코일에 대향하도록 설치되고, 상기 코일이 구동되었을 때에 유도 전기장에 의한 전류가 흐르고, 또한 당해 유도 전기장에 의한 전류에 의해 상기 뇌 내의 자기 자극 대상 영역에 흐르는 유도 전기장에 의한 전류를, 자성체가 없을 때에 비교해 증대시키는 자성체를 구비하고,
    상기 코일은, 2 개의 코일 부분을 갖는 비편심 8 자 소용돌이 코일, 또는 2 개의 코일 부분을 갖는 편심 8 자 소용돌이 코일이고,
    상기 기준면을 따라 상기 2 개의 코일 부분의 중심을 잇는 선의 방향을 제 1 방향으로 하고, 상기 기준면을 따라 상기 제 1 방향과 직교하는 방향을 제 2 방향으로 할 때, 상기 자성체는, 복수의 전자 강판을 상기 제 1 방향으로 적층하여 구성된 제 1 적층 자성체 부분과, 복수의 전자 강판을 상기 제 2 방향으로 적층하여 구성된 제 2 적층 자성체 부분을 구비한 것을 특징으로 하는 경두개 자기 자극 장치.

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