WO2005104622A1

WO2005104622A1 - コイル装置及び磁界発生装置

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Publication number: WO2005104622A1
Application number: PCT/JP2005/007721
Authority: WO
Inventors: Isamu Nagano; Yoshio Ikehata
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2006-10-23
Also published as: EP1742511A4; US20080114429A1; JPWO2005104622A1; US8062204B2; EP1742511A1

Description

明細書

コイル装置及び磁界発生装置

技術分野

[0001] 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、ェ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。

背景技術

[0002] 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、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、性質を利用したものであり、癌の患部を例えば 43°C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、る（特開 2002— 360712号公報を参照)。

[0003] 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、コイル力発生する磁界の強度は、コイル力も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、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、る。

[0004] 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重の卷線を備え、外側の卷線（補強卷線部）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、右回りの螺旋力も成る導線と左周りの螺旋力も成る導線とを、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卷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、る（特開平 9 - 245949号公報を参照)。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 患部に注入された磁性流体を 43°C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。し力しながら、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、 400k Hz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. lm m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。

[0006] 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。

課題を解決するための手段

[0007] 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、ることを特徴とする。 [0008] 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ぉ、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。し力しながら、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。しカゝしながら、本発明者がリヅッ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。

[0009] 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ぐ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。

[0010] 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。

[0011] 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ぐ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。

[0012] 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。

[0013] 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、ることを特徴とする。

[0014] 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。

[0015] 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。

図面の簡単な説明

[0016] [図 1]本発明による磁界発生装置の回路構成を示す図である。

[図 2]本発明によるコイル装置の一例を示す図である。

[図 3]電流路の構成を示す断面図である

[図 4]電流路の変形例を示す断面図である。

[図 5]本発明による磁界発生装置の一例を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

[0017] 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。半導体スィ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 4 H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. 04 F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。

[0018] 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。

[0019] 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 1 1を配列することにより、表皮効果が軽減されるだけでなぐ導線 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。

[0020] 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、ことが判明して、る。

[0021] 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力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、コィル 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。 [0022] 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、コィル 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。

[0023] 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の製造面力すると、前記範囲が標準的だ力である。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. 1 mm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。

[0024] 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の製造面力すると、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力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力十分な効果が得られな、。

[0025] 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、 5mn！〜 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 4 Ommを超える場合、冷却効果を得ることはできる力製造面において困難になるからである。 [0026] 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ぐ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。

[0027] 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力円筒状部材 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

請求の範囲

[1] 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〖こより構成され、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、ることを特徴とするコイル装置。

[2] 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。

[3] 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。

[4] 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。

[5] 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

V、られることを特徴とするコイル装置。

[6] 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. 06mn！〜 0. 1mmの範囲とすることを特徴とするコイル装置。

[7] 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。

[8] 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。

[9] 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ィル装置。

[10] 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、コィ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!ヽることを特徴とする磁界発生装置。

[11] 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。

[12] 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一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。

[13] 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。

[14] 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、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。