JP4803474B2 - 高機能化インプラント - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、主として被加熱体内部に留置して局所加熱を達成するためのインプラントの高機能化に関するもので、高温度発熱と温度制御に対しスイッチング機構を設けることを特徴としたインプラントに関する。
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、誘導加熱を例に取ると、被加熱体内部に留置したインプラントに外部から磁界を照射して，インプラント部を局所的に加熱する方法がある。この場合，インプラントの発熱効率を高めるために、これまで、もっぱら材料組成の面から検討され、種々の合金や磁性材料、あるいはこれらの組み合わせから成るインプラントが考案されている。しかし，被加熱体の局所を加熱しようとする場合，小さいインプラントを用いる必要がある。この場合、ミリオーダーの小さい寸法のインプラントでは、誘導加熱の原理および熱容量の点から十分な温度上昇が得られないという問題がある。従来、ミリメータオーダーの寸法のインプラントでは、せいぜい２〜３度の温度上昇しか得られなかった。とくに癌の温熱療法のハイパーサーミアでは，４２．５度以上の温度が必要となり，この温度以上で細胞の生存率が急激に低下するという原理に基づいている。しかし、体温を３６度と仮定すると、上記の２〜３度程度の温度上昇では，癌治療に適用できず，このことが電磁波を用いる照射系で，これまで深部局所高温加熱が達成できないという大きな原因となっていた。
本発明は，微小なインプラントにおいて、発熱効率を大幅に上げる問題と共に、加熱時におけるインプラント温度を一定に保つ温度制御法の問題を解決課題としている。
【課題を解決するための手段】
上記のように、微小なインプラントを従来提案されている合金や磁性材を用いて構成しても，通常高々２〜３度の温度上昇しか得られず，その上ハイパーサーミアの場合では，血流による冷却効果によって十分な発熱が得られず，このことが今日まで深部局所加熱が達成できないという大きな原因であった。
請求項１の本発明は、共振回路理論によるが、比較的簡単な手段を加え、上述の問題を解決している。すなわち，一定の照射周波数の磁界によって共振するようにコイルとコンデンサ、抵抗からなる回路を構成し，共振時にコイルに電流が効率よく流れることにより発生するジュール熱を利用して、インプラントの発熱効率を高めるという解決手段を取っているが、この場合、コイル材料に非磁性体材料を用いることが本発明の重要な点である。これによって、安定した発熱を確保している。すなわち，ジュール熱を発生させるためには，常識的には抵抗性のニクロム線等をコイル材に用いることを考えるわけであるが，この種の材料は磁性材に属し、磁界照射によってコイルに二次的な渦電流が発生し、あらかじめ設計した共振条件が乱れ，簡単に共振が実現出来ないという問題が起こる。本発明では，非磁性材料である銅線のような低抵抗材をコイル材料として用いることによって、照射交番磁界による渦電流の影響を大きく受けることなく、安定した共振特性を維持できるようにして、従来困難であった局所加熱用の微小インプラントにおいて、高発熱を得るという問題を解決している。この場合，銅線のような低抵抗の非磁性材をコイルに用いているため，従来の常識では十分な発熱が得られないと考えられるが，微小なインプラントを構成する際、必然的に制約されるコイル直径とコイル長の変更に代えて、コイル線材の断面直径を最適化することと、共振構造を採用することによって、コイルの発熱に十分な電流が流れ，直径数ミリ、長さ１．６ミリ程度の微小なコイルであっても，瞬時に立ち上がり，しかも１４度以上の温度上昇特性を得ている。この場合の，非磁性材料とは、銅、金、銀、非磁性体系の形状記憶合金など、磁石によって引き付けられない、つまり反応しないような材料を意味している。本発明では，ステントに発熱機構を設けたものもインプラントと称して統一している。
本発明の請求項２は，インプラントのコイルが無制限に温度上昇しないように、あらかじめ回路定数が温度上昇によって変動するように設計された回路素子を共振回路に組み込む手段で、必要以上の温度上昇時において、回路の共振条件が崩れ，コイル電流が減少して温度上昇を抑え、また発熱量が低下して温度が下がれば、再び共振状態が復活し温度上昇が得られるという、いわゆるスイッチングを可能にする手段で、正確な温度制御の問題を解決している。
以上の手段を総合的に組み合わせることによって、インプラントを高機能化する問題を解決している。
【発明の実施例】
上述のように、本発明の構成によるインプラントは、コイルの共振特性に着目しているが、非磁性体のコイルを用いて、コイル直径とコイル長の関係で定まるコイル線材の断面直径を最適化する手段で、印加交番磁界によってコイルに重畳するように発生する渦電流の影響を極力抑え、安定した共振状態を保って、共振による大電流をコイルに流すようにしている。これによって、本来、高導電率で発熱しにくい非磁性体のコイルを効果的に発熱させること、および高温度になると回路定数、例えば、コンデンサ−の容量が変化し，スイッチング機構を動作させていることが実施形態上の特徴である。なお，磁性コイルを用いた場合も、参考実施例１として、本願の実施例に記している。また、電磁界が照射されているインプラントの電磁界強度を直接知ることも，インプラントの医応用では必要になる。特に、心臓などの治療時においては、加熱と同時に電界や磁界強度の計測も必要となる。これを達成する手段として、ＩＣ発信機の発信周波数が，加えるバイアスによって変化することに着目し、ＩＣそのものをセンサとするワイヤレス方式の電磁界計測法を発案している。これをインプラントに取り入れた構成で、高機能化を達成する方法を参考実施例２として実施例中に記している。
以下，本発明の具体的な実施例を図面によって示す。
【実施例】
〔本願の実施例１〕
図１は、本発明の請求項１、２の構成概念を組み合わせたインプラントの一実施例で、コイル（１）とマイクロチップコンデンサ（２）から成る回路をシリコンゴムの筐体（３）で保護してある。いま、あらかじめ定めた周波数の磁界が、このコイルに照射されると、この周波数で共振するようにインダクタンス，抵抗，キャパシタンスが定められている。このため、コイルには共振電流が大きく流れ，この結果コイルにジュール熱が発生する。このインプラントを被加熱体の所望の加熱箇所に挿入しておき，外部から所定の周波数の交番磁界を被加熱体に照射することによって，インプラントの部分が局所的に発熱する。抵抗はコイル自身の抵抗を利用して共振するように設計しているため抵抗素子はつけていない。したがって、見掛け上、コンデンサとコイルだけで共振回路を構成出来，至って簡単な実施例である。回路に容量を付与するコンデンサは、マイクロチップコンデンサを用いており，このため微小なコイルコイル内に収納できる。この実施例では、このコンデンサの温度特性によって，所定の温度以上に至ると共振周波数特性が変化し，共振周波数がずれるためコイルが発熱を停止し、極度に高温となり，コイルを焼損したりすることがないよう安全生の面も簡単に解決している。本実施例では、コイル材料に非磁性体である銅線を用いていることが大きな特徴である。これは次の理由による。すなわち、非磁性体をコイルとして用いているため、磁界がコイルに照射されても、コイルが二次的な電流である渦電流の影響を受けにくく、安定した共振特性を維持出来るためである。銅線は通常電線として用いられ、低抵抗になるよう製作されている。一方、電流を流し発熱させるには、電熱器に用いられているニクロム線のように高抵抗の線が望ましい。通常これらは、磁気的性質を有しており磁界を引き付けることが出来、しかも交番磁界によって渦電流が発生する。本実施例では，常識的に考えられる後者の高低抗線を用いず，低抵抗の非磁性体材料を用いていることで，本来の目的を達成している点に大きな特徴がある。
図２は、本発明において、コイルの長さ方向を図中に示すように一定に保ち、コイルの内径を変化させた場合の温度上昇を実測したもので、図中Ａは，コイル長１．６ｍｍのインプラントのコイル内直径に対する温度上昇の実測図である。コイル内直径が６．５ｍｍの寸法のとき基準温度（０度）から約１４度の温度上昇が得られている。
また曲線Ｂの場合は、コイル長５．４ｍｍインプラントの場合で，コイル内直径が５ｍｍのとき，約１６度の温度上昇が得られている。これは，被加熱体として筋肉と等価な電気定数を有する各辺２０ｃｍの立方体寒天ファントム内の中心に，本発明のインプラントを装荷して、一対のフェライトコアからなるアプリケータで、４ＭＨｚの交番磁界を３０分間印加した場合の温度上昇例である。長年，同一の実験条件でインプラントの加熱を試みてきたが、種々の材料構成において、せいぜい２〜３度の温度上昇であった。本発明の手段によって効果的な発熱が得られることが明らかとなった。
〔本願の実施例２〕図６は、本発明において変形コイルインプラント（１０）を用いた１実施例で、チューブ状の被加熱体（１１）の接着部位（１２）を加熱し効果的に接着する実施例である。血管や骨の接合に一種の接着剤を用いる方法が検討されているが，このような医療分野および工業上の応用に有効な方法である。
〔参考実施例１〕
図３は，磁性コイルを用いてインプラント構成した場合の参考実施例である。従来の高抵抗かつ磁気的性質を持つニクロム線や、タングステン線等の発熱線を用いた場合で、安定した共振特性を得るために，コイル内にフェライト（４）などの磁性体を装荷する方法で共振を実現させている。これらの材料を用いることでも高発熱のインプラントを実現し得る。この場合も，高温度になると回路定数、例えば、コンデンサ−の容量が変化し，スイッチング機構が動作できるように構成してある。この場合、インプラントを一層微小化するために、コイル内部に微小なフェライト（４）を装荷している。なお、フェライトは、磁界をコイル内に効化的に収束させ、インダクタンスを高め共振特性を安定化するのに役立っている。
〔参考実施例２〕図４は、本願を一層高機能化するための参考実施例である。ＩＣ発信機の発信周波数が、加えるバイアス値の変化に対して直線的に変わることの性質を利用し，誘導加熱時におけるインプラントに照射される磁界を磁界センサ（５）で検出し，これを整流回路（６）で整流し、電圧制御回路（７）でＩＣ発信器（８）に加えるバイアス電圧を制御し、磁界強度に比例したバイアスをＩＣ加え，発信周波数を変化させて、ＩＣ回路に直結しているアンテナ（９）から、電磁界強度に比例した発信周波数を空間に放射する回路構成の一実施例を示している。空間に放射された電波はワイヤレス方式で検出することによって、電磁界強度が計測出来る。この場合、回路構成は，電磁界強度の測定対象によって、この他の手段を取り得る。
図５は、ＭＭＩＣにおけるベースバイアスの変化における発信周波数を実測したもので，バイアス電圧値に対し、発信周波数が直線的に変化していることを示している。若干のひずみは，コンピュータと連動させて受信側の回路を構成することによって、ソフト的にも補正できるため，必ずしもこの直線性にこだわる必要はない。これは数あるＭＭＩＣの内から発見した特性である。この特性を用いれば、ワイヤレスの磁界強度測定器の構成が可能となり、この機能を持つインプラントが構成できる。
【発明の効果】
本発明の第一の効果は、従来被加熱体にインプラントを挿入して局所加熱を実施する場合，十分な温度上昇が得られないという問題を解決したもので、癌の温熱療法であるハイパーサーミアに応用出来，また工業的にも局所加熱によって部分的に材料定数を変更した材料などの製作が可能となる。また，インプラントが微小であり安価に構成できることから接着剤の中に混入させて、外部から磁界を印加し、急速に確実に接着すること等にも応用できる。またコイルと磁界が鎖交するとき効率よく加熱できることからコイルを直交するように構成したり，コイル軸方向に４５度曲げるなど種々の変形実施も可能である。また，本発明は微小なインプラントばかりでなく，大きなインプラントとしても工業上，医学上応用できることは勿論である。
上記、参考実施例２は、誘導加熱の実施例であるが，誘電加熱時における電界測定にもセンサを変えるだけで応用できる。また、インプラントへの応用に限らず、微小なセンサ構成であるため，このＩＣセンサを用いる方法は，回路の電界分布や電磁環境計測をワイヤレスでモニタリングしたり、測定できるという応用があり、ＥＭＣの立場からも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における共振構造インプラントの実施例の斜視図。
【図２】本発明のインプラントのコイル長、およびコイル内直径に対する温度上昇の実測例の図。
【図３】コイル内にフェライトを装荷した磁性コイルを用いたインプラントを示す参考実施例を示す斜視図。
【図４】ＩＣ発信器で構成する電磁界検出センサの回路構成例で参考実施例２を示す図。
【図５】ＭＭＩＣ発信器のベースバイアスの変化に対する発信周波数の実測例で参考実施例２の構成を示す図。
【図６】本発明の変形コイルインプラントの実施例を示す図。
【符号の説明】
１―――――コイル、 ２―――――マイクロチップコンデンサ、
３―――――筐体 ４―――――フェライト、
５―――――磁界センサ、 ６―――――整流回路、
７―――――電圧制御回路、 ８―――――ＩＣ発信器
９―――――アンテナ、 １０−−−−変形コイル
１１−−−−チューブ状被加熱体、１２――――接着部位

Claims (2)

1. 電磁波によって被加熱体内部に留置したインプラントを加熱する場合のインプラントにおいて，非磁性体のコイルを用いて電気的な共振回路を構成し、照射電磁界の周波数と共振させる構造で、効率よくコイルに電流を流し、該コイルから成るインプラントを１４度以上の温度上昇を得るために、コイル直径とコイル長との関係で定まるコイル線材の断面直径を最適化することによって、高温度発熱を達成することを特徴とするインプラント。
2. 上記請求項１のインプラントにおいて、共振回路を構成している回路素子定数が温度によって変化するようにあらかじめ回路素子を構成しておき、所定の温度以上に温度が上昇した場合、非共振状態となるようにしてコイルの発熱を低下させ、温度上昇を抑える手段で、温度に対するスイッチング機構を設けたこと特徴とするインプラント。

Images