WO2022195922A1

WO2022195922A1 - コイル構造

Info

Publication number: WO2022195922A1
Application number: PCT/JP2021/032204
Authority: WO
Inventors: 向山洋
Original assignee: 株式会社アドテックス
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-09-01
Publication date: 2022-09-22
Also published as: JPWO2022195922A1; EP4309727A1; CN116997389A

Abstract

本発明の課題は、コイルに流す電流に対して、対象物内部へ生じさせる磁界を大きくし得るコイル構造の提供である。本発明のコイル構造は、導線が巻線されてなるコイル構造であって、その全長の４０～１００％が一つの円錐面に巻線されてなり、好ましくは、前記一つの円錐面は、その母線と中心軸との成す角が４８°～６０°である。

Description

コイル構造

　本願は日本で出願された特願2021-45298に基づく優先権を主張し、前記出願の内容は本願に包含される。
　本発明は、ヒトの頭部の内部などに磁界を発生させるために適するコイルの構造に関する。

　うつ病の治療などを目的として脳の特定部位に磁界を発生させる経頭蓋磁気刺激法（ＴＭＳ）が提案されている。

　図９は、従来技術におけるＴＭＳ装置の外観及び概念図である。患者は、ＴＭＳ装置のソファに座り、患者の頭部にヘッドギア９１を当て、そのヘッドギアに内蔵されたコイルから磁界を放出させることにより、脳の特定部位に磁界を発生させることができる。図中の点線９２は、装置から生じる磁界を概念的に示したものであり、符号９３は操作パネル、符号９４は電源駆動ドライバ、符号９５は冷却部をそれぞれ示す。

　磁界を発生させるためにコイルに通電するとコイルから熱が生じることは避けられない。コイルからの発熱が大きい場合は、コイルを冷却するために大掛かりな装置が必要になる。本発明は、コイルに流す電流に対して、対象物内部へ生じさせる磁界を大きくし得るコイル構造を提供することを目的とする。

　本発明者らが鋭意検討した結果、以下の内容の本発明を完成した。
［１］導線が巻線されてなるコイル構造であって、その全長の４０～１００％が一つの円錐面に巻線されてなるコイル構造。
［２］前記一つの円錐面は、その母線と中心軸との成す角が４８°～６０°である［１］のコイル構造。
［３］ヒトの頭部に装着して用いるための［１］又は［２］のコイル構造。
［４］所定の磁束密度としたい作用点と、球状体表面の一点を結ぶ軸線に沿って、導線を、球状体の周縁部に沿って円錐状に巻いて構成されたコイル構造であって、前記作用点とコイルの中心との距離（ｚ）及び前記球状体周縁部の軸芯からの距離（ａ）の関係が、ａ≦２^１／２×ｚでは、軸芯と母線のなす角が４８～６０°となる母線と球状体周縁部の間となるコイル径で巻くことを特徴とするコイル構造。
［５］コイル構造の少なくとも一部の内部にコアを有する［４］のコイル構造。

　本発明によれば、コイルに流す電流に対して、円錐形状の内部に発生する磁界が大きくなる。よって、コイルに流す電流を相対的に小さくすることができるから、コイルを冷却するための装置をより簡略化することができる。

本発明によるコイルのヒトの頭部への適用の概略図である。コイルの半径ａと、作用させたい点Ａまでの距離ｚを定義している。コイルの半径ａと磁束密度Ｂとの関係のプロットである。図３で示された磁束密度の極大値を与えるコイル半径を作用点とコイル中心の距離ｚのプロット●と、作用対象の外径を表すプロット〇である。円錐の説明図である。螺旋状コイル断面の配置図である。螺旋状コイル断面の配置図である。螺旋状コイル断面の配置図である。本発明によるコイル構造の別の形態例の模式図である。本発明によるコイル構造における断面の一部を表しており、螺旋コイルの適切な巻き径を表したプロットである。本発明によるコイル構造における断面の一部を表しており、螺旋コイルの適切な巻き径を表したプロットである。本発明によるコイル構造における断面の一部を表しており、螺旋コイルの適切な巻き径を表したプロットである。本発明によるコイル構造における断面の一部を表しており、螺旋コイルの適切な巻き径を表したプロットである。本発明によるコイル構造における断面の一部を表しており、螺旋コイルの適切な巻き径を表したプロットである。従来技術におけるＴＭＳ装置の外観及び概念図である。

　以下、図面を適宜参照しながら本発明を詳しく説明する。図示された態様は本発明を限定するためのものではなく、あくまで例示である。

　本発明のコイル構造は、導線を設置することができない箇所に磁界を発生させたい場合に特に有用である。例えば、ヒトの頭部の内部（脳内）に磁界を発生させたいときなどが好適例である。その他、ヒトなど動物の胸部や腹部の臓器など切除しにくい場所への適用も非限定的に挙げられる。

　本発明によれば、使用する導線や電源との接続法などは特に限定は無く、コイル製造に関する従来公知の技術を適宜参照することができる。

　図１は本発明によるコイルのヒトの頭部への適用の概略図である。図１（Ａ）は模式外観図であり、図１（Ｂ）は１巻きの円形コイルの中心軸１５を通る一断面を簡易的に表しており、１３及び１４はコイル自体の断面を表しており、１４から紙面の裏に、１３から紙面表に電流が流れていることを表している。後述する点Aとコイル中心の距離ｚ及びコイルの半径aを定義した図である。導線１１で構成される本発明のコイル構造は円錐状をなしており、この形態ではヒトの頭部１２に装着されている。図中の点Ａは、頭部の内部（脳内）における、所定の磁界を発生させたい箇所である。図中の点Ｂは、対象となる球状体の表面１６とコイルの中心軸１５との交点であり、対象物である頭部の最端となる。

　図１（Ｂ）を参照しながら、コイルが形成する円錐形状の最適形状を考察する。ここで、図（Ｂ）の曲線１６は、導線を設置し得る限界位置を示す。すなわち、円１６の内側には導線を設置できない。具体例として、曲線１６は、ヒトの頭部の表面であると考えることができる。直線１５はコイル構造が形成する円錐の中心軸である。上述した点Ｂは、中心軸１５と曲線１６との交点に位置する。点Ａは上述したように所定の磁界を発生させたい箇所である。コイルを構成する導線を符号１３及び符号１４で表す。図中ｒは、点Ａと曲線１６との距離である。導線における符号１３及び１４の箇所を考慮するとき、そこから中心軸１５までの距離をａとし、符号１３から中心軸１５への投影点から点Ａへの距離をＺとする。

　想定例として、半径１００ｍｍ程度の球状体の外部にコイルを設置して、中心部に必要とされる磁束密度（例えば５０ｍＴ程度）を発生させるコイルの構造を導出することを考える。図２はコイルの中心軸を含む断面図である。コイルの中心Ｃと所定の磁束密度の磁界を発生させたい点Ａの距離ＡＣをｚ、コイル半径をａとすると、Ａ点における磁束密度Ｂ［Ｔ］は、

で表すことができる。ここでIは電流値、μ₀は真空の透磁率、μは図２では空気の比透磁率を表す。

　図３は、ｚすなわちコイル中心から作用点までの距離をパラメータにしたときの、コイルの半径と磁束密度Ｂとの関係のプロットである。これによれば、例えば１０ｍｍや、２０ｍｍ離れた位置となる場合のプロットを見ると分かりやすいが、最も高い磁束を届けられるコイル半径に最適値があることがわかる。その最適値は、上式を微分することで表すことができて、その関係式は、ａ＝２^１／２×ｚ　となる。例えばｚが６０ｍｍの場合では、半径aは８４．８５ｍｍとなる。したがって、コイル径は、所定の磁束を生成する部位までの距離ｚを用いて、ａ＝２^１／２×ｚに従った半径aで設計されたコイルが最も強い磁束密度を発生させられるコイルとなる。

　したがって上記のように符号a、zを定めたとき、ある1点の部位に極大となる磁束密度を与えるコイルの半径aは、ａ＝２^１／２×ｚに沿ったコイルを同心軸上に並べたコイルが最適な形状であると言える。しかし、この形状はメガホンのように、対象の部位に近いところの径は小さく、遠いほど大きくなる円錐形であり、対象部位の中には配置できない場合がある。例として、シンプルに対象物が球体の場合を考えると、この条件下で、ａ＝２^1／２×ｚを充足するコイル半径の設計法は、対象部位とコイル中心の距離を定めた場合、例えばｚ＝４０ｍｍの場合では、最適半径ａ＝５６．６ｍｍであるが、上記条件を考えると、半径９１．５ｍｍ以下は対象部位の内部となって配置できないので、球体の最小径で設計することになる。部位までの距離が８０ｍｍでは、球体の最小径よりも最適径が大きいので、最適径で設計することがきる。これを図４で説明すると、楕円で囲まれた〇のプロットは患部に近いので最適なコイル径をとることができずに、球体の形状に沿ってコイル径を設計することを表しており、楕円で囲まれた●のプロットの領域では最適径でコイル径を設計できることを表している。

　以上の検討から帰結するコイル形状の一例としては、図７の例のような形状が考えられる。そこで、この形状で、コイル中心軸上で照射対象形状の表面から８０ｍｍの内部での磁束密度を１００［Ａ］、２００［ｋＨｚ］の高周波大電流を流した場合で計算すると、概ね５．０［ｍＴ］程度となる。例えば、要求される磁束密度が４０［ｍＴ］である場合には、コイルを単位長さあたり６～８個を重ねる必要がある。言い換えると、コイル半径と、コイル中心から所定の磁束密度を生成させる中心軸の一点（作用点）までの距離ｚの関係が、概略ａ＝２^1／２×ｚを充足するコイルの関係をもつコイルが好ましく、また、コイルを内部におくことができない対象物の内部に磁界を発生させるコイルにおいて、コイルの軸芯から対象物表面までの距離（ｚ‘）が、作用点までの距離（ｚ）の１．４倍よりも小さい場合は、その値をコイル半径とし、大きい場合は、作用点までの距離ｚの１．４倍を半径とすることを特徴とするコイルもまた好ましい。

　このようなコイル構造の具体的な形状として、導線が一つの円錐面を形成するように巻線されてなるコイル構造が挙げられ、ここで、前記円錐面を構成する円錐は、母線と中心軸との成す角が好ましくは４８°～６０°であり、最適な成す角は５４．７°である。図５は、円錐の説明図であり、母線５１と中心軸５２及びそれらの成す角θが図示されている。コイル構造には電源との接続などの都合から、導線すべてが円錐面上に存在することを要する訳では無く、具体的には、導線の全長の４０～１００％が上述の一つの円錐面上にあればよい。なお、上述したａ＝２^1／2×ｚという式から、最適な成す角５４．７°を導出する過程は以下のとおりである。すなわち、上述の式から、ｔａｎθ＝ａ／ｚ＝２^１／２の解として算出されたθの角度である。

　図６－１は、螺旋状コイル断面の配置図であり、母線６１とコイル中心軸６０の成す角５４．７°に沿って、コイル断面６２の中心を配列した様子を表す。実際のコイル断面形状は６２のように矩形や円形であり、コイルとして巻かれると、コイルには内径と外径が存在する。コイルの内側の最端面の成す角は５４．７°よりも小さく、コイル外面の最端面の成す角は５４．７°よりも大きい。実際に高周波電流を流す場合に電流は表皮効果によって、コイルの内側の端面や外側の端面に集中するので、母線は場合よっては長手方向の厚みの半分を内側か外側にずらして成形させることが適切な場合もある。

　たとえばコイルの断面６２、６４、６６が矩形であり、その矩形断面の長辺が６４ｍｍとなるコイルを、コイル断面６３の中心部を５４．７°にそって形成した場合、円錐コイルの最大径となる１００ｍｍの位置にある終端のコイル内側端面と円錐頂点と結んだ直線６４と、中心軸との成す角θ_ｉは、ｔａｎθ_ｉ＝（１００×２^１／２－６４／２）／１００から、θ_ｉ＝４８．０９°となる。一方、逆にコイルの外側の端面は、ｔａｎθ_ｏ＝（１００×２^１／２＋６４／２）／１００から、母線６５の角度θ_ｏは、６０．０３°となる。よって、母線５１とコイル中心軸５２の成す角は、４８°～６０°として円錐コイルを生成すれば、電流密度が高い内側側面か、外側側面を最適半径の位置に合わせることができる。

　なお、図６－２は１００ｍｍの位置にある終端のコイルの断面（符号６４）の中心が、中心軸６０との成す角が４８°となる母線６３に合致するようにコイルを巻いた一例であり、図６－３は１００ｍｍの位置にある終端のコイルの断面（符号６６）の中心が、中心軸６０との成す角が６０°となる母線６５に合致するようにコイルを巻いた一例である。

　図７は本発明によるコイル構造の別の形態例の模式図である。このコイル構造は、円錐面状に導線が巻線されてなる部位７１と円筒面上に導線が巻線されてなる部位７２とを有する。図７の形態では、導線の全長の概ね５０％が部位７１を占めている。部位７２のコイルの中空箇所にコアが内蔵されていてもよい。コアの材質として、鉄、フェライトやアモルファス金属材料等が例示される。

　図８－１は、図７の形態のコイル構造における断面の一部を表しており、螺旋コイルの適切な巻き径を表したプロットである。このプロットにおける符号８１は円錐面に巻線した導線が頭部などの磁界をかける対象物の外形に沿ったコイル径で巻くことを表していて、符号８２の領域は円筒面に巻線した導線のコイル半径の取りえる領域を表している。このプロットから以下のことがいえる。図８－１のグラフの原点（０，０）である作用点から、６０ｍｍ離れた箇所までは、符号８１にそってコイルの巻き径を決めて配置するが、６０ｍｍから１００ｍｍの領域８２では、最適な巻き径８３に沿って巻き径を決めるのが最も効果的であるが、符号８４の平行線と、符号８３の最適線に囲まれた領域８２でコイル径を定めて、内部にコアを配置すればより強力な磁界を発生させることができる。但し、図８－１は、作用点からの距離を１００ｍｍまで表記しているが、１００ｍｍよりも遠い位置までコイルを巻いてもよく、本発明は１００ｍｍの距離に限定しているものではない。また同様に図８－１は対象物の８６の位置にプロットを描いていないが、Ｚ＝０の位置を超えて８１のプロットを延長してコイルを巻いても効果が減じるものではない。

　図８－１に示したように、コイルの適切な設計法は、作用点８６から対象物最端部８７を１００％とみた場合に、作用点から６０％の距離までは、対象物の形状に沿ったコイル径とし、６０％以上の距離では、最適径８３と、同一径で巻いた円筒巻き８４の間でコイル径を決めて成形すればよい。実施例１としては、コアを持たない空芯コイルであれば、図８－２のように、８８に沿ってコイルを巻く。実施例２としては、図８－３のように、８８に沿った円筒形状とするのが製造上もっともシンプルな構成である。また、作用点の最大深度が対象物の端部８７から８０ｍｍの深さにあるような場合の設計法としては、図８－４のように、８０×６０％＝４８ｍｍのところまでを対象物の外縁部８９１にそってコイルを成形し、４８ｍｍ以上では符号８９２のように一定の半径でコイルを成形するか、符号８９３、８９４のように最適径に沿ってコイルを成形するか、符号８９３、８９５のように例えば対象物端部の位置以降は同一径でコイルを巻く構成が考えられる。いずれの数値も実施例の一つであり、対象物の大きさ、作用点の深度、コアの内蔵の有無に応じて、図８－１の横軸を作用点と対象物端部の位置関係を表すパーセンテージとして読み替えて、符号８１及び領域８２にコイルがくるようにコイル半径を設計すればよい。また、その他の実施例としては、図８－５に示すように、コイル各巻きの中心位置と作用点からの距離が、０～６０％の領域では、符号８９６のようなコイル断面形状が矩形のコイルを対象物の表面に沿って巻き、６０％以上の領域では、符号８９７に示したように矩形断面の形状を漸次変化させ、コイル巻きの内径は一定を保ち、コイル巻き外径は最適プロットに沿って巻いても良い。このとき、コイル符号８９７で示したコイルは、螺旋状に一体となった線材の断面を漸次変化させていくことでも良いし、誘導起電力が利用できるので、符号８９７で示されたコイルは、それぞれがリング状に独立していて、一連に接続されていなくても良い。

　また、図８－５では、コイル断面は１０ｍｍピッチで配列された例を図示したが、例えば５ｍｍピッチでも良く、例示した寸法に限定されるものではない。

　以上のとおり、本発明によれば、導線を設置できない箇所に低電流で効率よく磁界を発生させることができる。そのため、所望の磁界に対して必要となる電流を低くすることでき、結果として発熱を抑制し、熱対策を簡便にすることが期待される。

１１　導線　　　　　１２　頭部
５１　母線　　　　　５２　中心軸

Claims

　導線が巻線されてなるコイル構造であって、その全長の４０～１００％が一つの円錐面に巻線されてなるコイル構造。
　前記一つの円錐面は、その母線と中心軸との成す角が４８°～６０°である、請求項1記載のコイル構造。
　ヒトの頭部に装着して用いるための請求項１又は２記載のコイル構造。
　所定の磁束密度としたい点と、球状体表面の一点を結ぶ軸線に沿って、導線を、球状体の周縁部に沿って円錐状に巻いて構成されたコイル構造であって、前記作用点とコイルの中心との距離（ｚ）及び前記球状体周縁部の軸芯からの距離（ａ）の関係が、ａ≦２^１／２×ｚでは、軸芯と母線のなす角が４８～６０°となる母線と球状体周縁部の間となるコイル径で巻くことを特徴とするコイル構造。
　コイル構造の少なくとも一部の内部にコアを有する請求項４記載のコイル構造。