JP4618241B2 - 同軸プローブ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば生体組織内に挿入してマイクロ波により加熱治療を行う際に用いることができる同軸プローブに関するものである。
近年、悪性腫瘍等の病気に対する治療方法として電磁波を利用したものが幾つか提案されている。その内の１つにマイクロ波を直接患部に吸収させて、患部の温度を上昇させ凝固させるという凝固療法がある。この方法は、マイクロ波を効率よく放射する同軸プローブを直接患部に射し込み、同軸プローブから放射されるマイクロ波によって患部に発生する誘電熱により患部の組織を凝固壊死させるというものである。
同軸プローブは直径１mm程度又はそれ以下に形成が可能であり、経皮的に患部に挿入する方法や、胸腔鏡または腹腔鏡を利用して患部に挿入する方法がある。同軸プローブを用いることにより切開部分を小さくできる、もしくは切開せずに済み、治療時間も比較的短時間であるため悪性腫瘍等を手術により摘出するのに比較して、患者への負担が小さく特に癌の初期治療として有用である。
特許文献１には、ＭＲＩ装置によるモニタリングを行いながらマイクロ波治療を行う際に、ＭＲＩ装置により患部と同軸プローブの相対位置がモニタリング可能となるように、先端部に磁性体材料からなるマーカー部材を備えた針状モノポーラ電極装置が開示されている。図Ｘに針状モノポーラ電極装置１００の部分断面図を示す。針状モノポーラ電極装置は外部電極１０３、絶縁体１０４、中心電極１０５、中心導体１０６、およびマーカー部材１０７からなり、中心電極１０５はマーカー部材１０７を介して中心導体１０６と電気的に一体化されている。
特許文献２には、生体組織にマイクロ波を効率よく吸収させる構造を有する同軸プローブが開示されている。この同軸プローブは先端を内導体から外導体にかけて円錐状にして内導体、外導体および内導体と外導体の間に介在する誘電体を露出させた形状を有し、生体組織に対して利用するマイクロ波の反射係数が最も小さくなる形状条件と誘電体の比誘電率の条件が開示されている。
特開２００４−００８２４３号公報
特開２００４−０５８７５０号公報
特許文献１記載の針状モノポーラ電極装置では、その先端部において同軸ケーブル部とマイクロ波の放射部がインピーダンス的に不整合となりがちで、伝送されてきた電力の内、数％〜数十％の電力がこの部分で反射される。また、中心電極１０５と生体組織との間においても電力の反射が起こり、電力が生体組織で効率よく消費されない。
特許文献２記載の同軸プローブでは、内導体と外導体の間に介在する誘電体をアルミナとし、先端の形状を所定の形状とすることにより生体組織と同軸プローブとの間での電力反射を非常に小さくすることができる。この同軸プローブの特性インピーダンスは約２３Ωである。一般の信号発生器、電力増幅アンプ、同軸伝送ケーブルは通常特性インピーダンスが５０Ωとされており、前記同軸プローブと同軸伝送ケーブルを直接接合するとインピーダンスが不整合となり、大部分の電力が反射されることとなる。
一般にマイクロ波凝固療法に用いられる周波数は２．４〜２．４５ＧＨｚであり、この周波数を増幅できる高周波増幅器は非常に高価である。また出力する電力の大きさによって価格は高くなる。同軸プローブからの電力の反射が大きければ、その分増幅器から大きな電力を供給する必要があり、増幅器の価格がさらに高くなってしまう。また、大きな反射電力を増幅器に直接戻さないために、高電力のアイソレータが必要となり、全体の設備自体の価格が高くなってしまうという問題点があった。
更に、同軸プローブと同軸伝送ケーブルのインピーダンスが不整合において反射波が発生し、この反射波と入射波が干渉して無視できない大きさの定在波が存在することとなる。この定在波の電力はインピーダンス不整合による反射係数の２乗に比例して大きくなり、線路上で不要な発熱を伴い、正常な組織まで壊死させるという問題があった。
上記問題点を解決するために請求項１記載の発明は、外導体と内導体との間に誘電体を介在させた構造を有する同軸プローブ装置であって、前記同軸プローブ装置は、比誘電率がε1である第１の誘電体と前記外導体および前記内導体を有する伝送線路部と、比誘電率がε2である第２の誘電体と前記外導体および前記内導体を有するプローブ部と、単層又は複数層で構成され平均の比誘電率がε3である第３の誘電体と前記外導体および前記内導体を有するインピーダンス整合部とからなり、前記それぞれの比誘電率は下記の数１の関係を満たし、前記伝送線路部と、前記インピーダンス整合部と、前記プローブ部とは、この順で外導体同士と内導体同士がそれぞれ電気的に接合され、かつ、前記第１の誘電体と前記第３の誘電体、および前記第３の誘電体と前記第２の誘電体は隙間無く接合されており、前記プローブ部は、外部に電力を放射する放射部を有していることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１から２のいずれかに記載の同軸プローブ装置において、３つの異なる比誘電率の誘電体が連続する任意の部分において、中間層となる誘電体の比誘電率をεm、両側の誘電体の比誘電率をそれぞれεa、εbとしたとき、εmが下記の数２を満足することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の同軸プローブ装置において、前記凸部は比誘電率の低い側の誘電体に設けられていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の同軸プローブ装置において、前記第２の誘電体はアルミナであることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の同軸プローブ装置において、前記第１の誘電体はポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の同軸プローブ装置において、前記第３の誘電体はポリフェニレンサルファイドからなることを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の同軸プローブ装置において、前記伝送線路部は特性インピーダンスが５０Ωであることを特徴とする。
この発明によれば、マイクロ波凝固療法に用いられる同軸プローブ装置に供給する電力を反射させることなく、効率よく生体組織に吸収させることができる。これにより、増幅器の出力を必要以上に大きくする必要がないため、装置自体を安価にすることができる。インピーダンス不整合部からの反射波と入射波の干渉により発生する定在波が無視できるため不要な発熱による正常組織の破壊を回避できる。
第１の実施例を図１に基づいて説明する。図１は同軸プローブ装置１の部分断面図である。同軸プローブ装置１は外導体３、内導体２、および外導体３と内導体２の間に挿入された誘電体からなる。第１の誘電体４は比誘電率が約2.1のポリテトラフルオロエチレン（テフロン：登録商標）で構成されており、第１の誘電体４が存在する部分は伝送線路部として機能する。内導体２の外径は0.48mm、外導体３の内径は1.6mmで、伝送線路部における特性インピーダンスは50Ωとされている。
第２の誘電体５は比誘電率が約9.7のアルミナで構成されており、第２の誘電体５が存在する部分はプローブ部として機能する。プローブ部は鋭い先端部Ａを有する。先端部Ａは内導体の中心を頂点とする円錐形状とされており、第２の誘電体５の一部が外部に露出している。プローブ部は生体組織の患部に射し込まれるため、内導体２の先端および外導体３は人体にとって無毒である金属でめっきされていることが好ましく、金めっきが好適である。また、テフロンなどの薄い樹脂被膜で覆われていてもよい。ｔを約5.3mmとすれば、プローブ部が生体組織（肝臓）に射し込まれているときに電力の反射が極小となり、反射係数Γ＜0.1となる。
第３の誘電体６は比誘電率が約4.5のガラスで構成されている。第３の誘電体６の比誘電率をεm、第１の誘電体４の比誘電率をεa、第２の誘電体５の比誘電率をεbとしたとき、εmは下記の数２を満足している。
第１の誘電体４は第３の誘電体６に向けて錐状の凸部を有しており、この錐状の凸部の高さはＬ１とされている。一方第３の誘電体６は前記凸部と嵌合する錐状の凹部を有しており、この錐状の凹部の高さはＬ１とされ、前記凸部と前記凹部は隙間無く組み合わされている。Ｌ１は双方の比誘電率により適宜決定される。
上記と同様に第３の誘電体６は第２の誘電体５に向けて錐状の凸部を有しており、この錐状の凸部の高さはＬ２とされている。一方第２の誘電体５は前記凸部と嵌合する錐状の凹部を有しており、この錐状の凹部の高さはＬ２とされ、前記凸部と前記凹部は隙間無く組み合わされている。Ｌ２は双方の比誘電率により適宜決定される。
図２、図３、図４、図５はεｍをそれぞれ4.0、4.5、5.0、5.5としたときの、Ｌ１とＬ２と同軸プローブ装置１の反射係数の関係を有限要素法を用いてシミュレーションを行った結果を示したものである。プローブ部は肝臓に差し込まれていると仮定し、計算に用いたパラメータは以下の通りで、一部のパラメータはすでに前述したものの再掲である。
解析周波数（Ｆ） ：2.45GHz
内導体２の外径（ｒ） ：0.48mm
外導体３の内径 （Ｒ） ：1.60mm
先端錐状部の高さ（ｔ） ：5.2mm
テフロンの比誘電率（εa） ：2.1
テフロンの誘電正接（tanδa）：1.0E-04
アルミナの比誘電率（εb） ：9.7
アルミナの誘電正接（tanδb）：1.0E-04
肝臓の比誘電率（εr） ：43.0
肝臓の誘電正接（tanδr） ：2.85E-01
図２、図３、図４、図５の各々において横軸はＬ１の寸法を示し、縦軸はＬ２の寸法を示している。例えば図３においてＬ１を5、Ｌ２を9とすれば、その時の反射係数Γはおよそ0.05（V.S.W.R＝1.10）となる。このとき供給される電力に対し、反射される電力はわずか0.3%程度しかなく、大部分の電力が生体に放射吸収されていることを表している。従って電力増幅器は必要以上に大きな電力を供給する必要が無く、増幅レベルの大きい電力増幅器を必要としないため設備を安価に構成できる。
解析周波数（Ｆ） ：2.45GHz
内導体２の外径（ｒ） ：0.48mm
外導体３の内径 （Ｒ） ：1.60mm
先端錐状部の高さ（ｔ） ：5.2mm
テフロンの比誘電率（εa） ：2.1
テフロンの誘電正接（tanδa）：1.0E-04
アルミナの比誘電率（εb） ：9.7
アルミナの誘電正接（tanδb）：1.0E-04
肝臓の比誘電率（εr） ：43.0
肝臓の誘電正接（tanδr） ：2.85E-01
図２、図３、図４、図５の各々において横軸はＬ１の寸法を示し、縦軸はＬ２の寸法を示している。例えば図３においてＬ１を5、Ｌ２を9とすれば、その時の反射係数Γはおよそ0.05（V.S.W.R＝1.10）となる。このとき供給される電力に対し、反射される電力はわずか0.3%程度しかなく、大部分の電力が生体に放射吸収されていることを表している。従って電力増幅器は必要以上に大きな電力を供給する必要が無く、増幅レベルの大きい電力増幅器を必要としないため設備を安価に構成できる。
図２、図３、図４、図５から、εmのいずれの条件においてもL1、L2を適宜選択すれば、反射係数を小さくできる領域が有ることが分かる。従って、用いる誘電体の比誘電率に合わせてシミュレーションを実施しL1、L2を最適値に設計することで電力反射の小さい同軸プローブ装置を作成することができる。
εa＝2.1、εb＝9.7を[数１]に代入すればεm≒4.5となる。図２〜図５において、特に図４は[数１]を満たした時のシミュレーション結果を表すグラフである。このとき、反射係数を小さくできる領域がεm=4のグラフと比較して広くなり、L1、L2の設計領域が大きくなる。またεm=5のグラフと比較すれば、反射係数を小さくできる領域は幾分小さいものの、L1とL2が小さい領域において寸法による反射係数の変化が小さいため、ばらつきを抑えた設計が可能となる。比誘電率が4.5に近い特性を持つものとして比誘電率が4.6のポリフェニレンサルファイド（PPS）がある。PPSは耐環境性能に優れており、またTanδも0.002程度と非常に小さいため、第３の誘電体として好適である。
次に第２の実施例を図６に基づいて説明する。図６は図１と同様に同軸プローブ装置１の部分断面図である。図１と同じ部分については同じ番号を付し説明を省略する。第３の誘電体６は、それぞれ誘電率の異なる第１の層６ａと第２の層６ｂを有する２層構造とされている。第１の層６ａの誘電率をεma、第２の層６ｂの誘電率をεmbとすれば、それぞれの誘電率の関係は、
２ 内部電極
３ 外部電極
４ 第１の誘電体
５ 第２の誘電体
６ 第３の誘電体
６ａ 第３の誘電体の第１の層
６ｂ 第３の誘電体の第２の層
１０３ 外部電極
１０４ 絶縁体
１０５ 中心電極
１０６ 中心導体
１０７ マーカー部材
３ 外部電極
４ 第１の誘電体
５ 第２の誘電体
６ 第３の誘電体
６ａ 第３の誘電体の第１の層
６ｂ 第３の誘電体の第２の層
１０３ 外部電極
１０４ 絶縁体
１０５ 中心電極
１０６ 中心導体
１０７ マーカー部材
Claims (9)
- 外導体と内導体との間に誘電体を介在させた構造を有する同軸プローブ装置であって、前記同軸プローブ装置は、
比誘電率がε1である第１の誘電体と前記外導体および前記内導体を有する伝送線路部と、比誘電率がε2である第２の誘電体と前記外導体および前記内導体を有するプローブ部と、単層又は複数層で構成され平均の比誘電率がε3である第３の誘電体と前記外導体および前記内導体を有するインピーダンス整合部とからなり、
前記それぞれの比誘電率は下記の数１の関係を満たし、
前記伝送線路部と、前記インピーダンス整合部と、前記プローブ部とは、この順で外導体同士と内導体同士がそれぞれ電気的に接合され、かつ、前記第１の誘電体と前記第３の誘電体、および前記第３の誘電体と前記第２の誘電体は隙間無く接合されており、
前記プローブ部は、外部に電力を放射する放射部を有していることを特徴とする同軸プローブ装置。
- 前記放射部は前記プローブ部の一端に形成されており、該放射部は前記内導体から前記外導体にかけて円錐形状にして前記内導体と前記第２の誘電体を露出する尖端であることを特徴とする請求項１に記載の同軸プローブ装置。
- ３つの異なる比誘電率の誘電体が連続する任意の部分において、中間層となる誘電体の比誘電率をεm、両側の誘電体の比誘電率をそれぞれεa、εbとしたとき、εmが下記の数２を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の同軸プローブ装置。
- 前記異なる比誘電率の誘電体同士が接合される部分において、
前記誘電体の一方は内導体から前記外導体にかけて円錐状の凸部とされ、他方は該凸部に隙間無く嵌合する円錐状の凹部とされていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の同軸プローブ装置。 - 前記凸部は比誘電率の低い側の誘電体に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の同軸プローブ装置。
- 前記第２の誘電体はアルミナであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の同軸プローブ装置。
- 前記第１の誘電体はポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の同軸プローブ装置。
- 前記第３の誘電体はポリフェニレンサルファイドからなることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の同軸プローブ装置。
- 前記伝送線路部は特性インピーダンスが５０Ωであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の同軸プローブ装置。
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