A-7 誘導加温法における磁束収束効果を応用した 磁束密度の局所分布制御の研究 自然科学研究科 電子情報工学専攻 藤井邦明 1. 研究背景、目的 2. 磁束収束形アプリケータ 誘導加温モデル 3. 磁束密度の分布制御評価 階層形磁束収束コイルによる磁束密度の増強 4. 結論 1.研究背景 ハイパーサーミアとは 患部を42.5℃以上で加温することにより、癌細胞をアポトーシスに導く治療法 • 副作用が無く、体への負担が少ない • 化学療法などとの併用により、効果が上昇 RF誘電加温法 交流電界（5~300MHz）による誘電体損失によって生体自身が発熱 深部加温が可能、低侵襲 電界印加部を全体的に加温、深部局所加温が困難 誘導加温法 交流磁界（数百kHz）によって、体内に挿入した磁性微粒子が発熱 深部局所加温が可能 体内に磁性微粒子を挿入するため、誘電加温法と比較して侵襲性がある 誘導加温法 AC Magnetic field Exciting coil Tumor (140 kHz) Heating area 患部へ磁性微粒子を注入 がん腫瘍組織付近に滞留 Magnetic nanoparticle 体外から磁界照射 磁性微粒子の発熱量（実験式） （140kHz） QDM m f Dw B 2 m : 係数 2.4~3.14×10-3 [W/Hz/(mgFe/ml)/T2/ml] 磁性微粒子の発熱 f : 周波数 [Hz] Dw : 磁性微粒子の重量濃度 [mg/Fe] B : 磁束密度 [T] がん腫瘍組織の局所加温 誘導加温法の問題点 体表面に意図しない発熱 誘電体損失 ： 励磁コイル端子間に生ずる強電界 周波数100kHz~の高強度電界の曝露 生体表面の発熱などの影響が懸念 アプリケータを体表面に密着させることは難しい 渦電流損失 f 2 , B2 体表面に生ずる負担を軽減するため励磁条件が制限 （周波数、磁束密度） 研究目的 研究目的 誘導加温法における励磁条件の改善法 目標部位のみに励磁磁束を集中 （加温促進のために患部近傍のみ磁束密度を増強） 不要部位への励磁磁束の印加を抑制 （印加部位を減らすことにより体表面への影響を軽減） 磁束収束効果に着目 磁束収束効果とは・・・ 電磁ポンプなどに応用研究されている磁束制御作用 磁束密度の増強および抑制効果の評価 2. 誘導加温法に用いる 磁束収束形アプリケータ 磁束収束効果の原理 磁束収束効果とは・・・ 渦電流制御による励磁磁束の局所分布制御作用 スリットによって渦電流の向きを遮断、変更 Flux by eddy currents eddy 装置外周と内周で渦電流の向きが逆転 Exciting flux eddy 内周部渦電流はホール内へ励磁磁束を誘導 （ホール内の磁束密度を増強） 外周部渦電流は板外へ励磁磁束を誘導 （装置下部の磁束密度を抑制） Conducting plate Slit Hole Eddy currents Ieddy リッツ線を用いた磁束収束用コイル 磁束収束効果の作用原理は、磁束収束板と同様 コイル状であるため、形成が容易 導体板と比較して、冷却が容易 リッツ線を用いるため、磁束収束コイル自体に生じる損失を低減可能 + in Induced currents Iin Litz wire Magnetic flux density B [T] Exciting flux Flux by induced currents in 10 8 6 4 コイルのみ 2 磁束収束用板 磁束収束用コイル 0 -120 -100 Hole (×10-5) -80 -60 -40 -20 0 20 Radius r [mm] 40 60 80 100 120 磁束収束形アプリケータ（励磁コイル） 励磁磁束を目標部位に収束 磁束密度の増強 不要部位への励磁磁束の印加を抑制 磁束密度の抑制 Exciting coil 外部電源に未接続 Flux concentrator Magnetic nanoparticle Tumor Concentration area Shielding area • 制御機構は不要 • 磁束密度の高い部位の移動が可能 • 体表面に密着可能 • 電界シールド 誘導加温モデル 誘導加温モデル 磁束収束用コイルによって分布制御された磁束を3軸サーチコイルで測定 Distance between exciting coil and flux concentrator L Exciting coil Flux concentrator Outer diameter r 240mm 200mm 400mm 3D Search coil 基準面 Flat spiral coil (5 turns) Punching board z Inner diameter 120mm Pitch 7mm Litz wire Exciting currents I 400mm to Oscilloscope Exciting flux 3.磁束密度の分布制御評価 磁束収束用コイルの外径最適化 磁束収束効果が最も大きくなる磁束収束用コイルの外径 Exciting flux 磁束収束用コイルの外環に鎖交する磁束数 Flux concentrator 外径に依存 鎖交磁束数が最も多くなる 外径を検討 磁束収束用コイルの外径最適化 220~240mm 240mm 4 3.5 Outer diameter d=42~294mm Induced voltage e [V] Exciting flux 3 2.5 2 1.5 1 0.5 Induced voltage e [V] Outer coil of flux concentrator 0 42 62 82 102 122 142 162 182 202 222 242 Outer diameter d [mm] 磁束収束効果が最大となる外径は240mm 励磁コイルの外径と等しい 262 磁束収束用コイル近傍の磁束密度分布 体表面における磁束密度の増強、抑制効果の評価 Exciting coil Flux concentrator Measurement area 磁束収束用コイル近傍の磁束密度分布 Exciting coil L=50mm Flux concentrator 0 r Pitch 14mm Inner diameter D=60, 120, 180mm Body surface Measurement point (r,0,0) パラメータ : D=60,120,180mm Z 測定範囲 : r = ‐120~120mm Magnetic flux density B norm [T] 磁束収束用コイル近傍の磁束密度分布 (×105) 10 D=180mm D=120mm 8 磁束密度33%増強 磁束密度14%増強 6 励磁コイルのみ 4 D=60mm 磁束密度40%抑制 2 0 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Radius r [mm] 磁束収束用コイルの内径が小さくなると増強効果が大きくなる 100 120 磁束収束用コイル遠方の磁束密度分布 体深部における磁束密度の増強領域の評価 Exciting coil Flux concentrator Measurement area 磁束収束用コイル遠方の磁束密度分布 Exciting coil L=50mm Flux concentrator 0 Pitch 14mm Inner diameter r Body surface D=60, 120, 180mm Measurement point (0,Z,0) Z パラメータ : D=60,120,180mm 測定範囲 : z = 0 ~ 140mm 磁束収束用コイル遠方の磁束密度分布 Magnetic flux density B norm [T] (×10-5) 10 D=120mm 8 D=60mm 6 励磁磁束密度を下回る 4 D=180mm 2 励磁コイルのみ 0 0 20 40 60 80 100 120 Z axis z [mm] 磁束収束用コイルの内径が小さくなると磁束密度の増強領域は短くなる 140 磁束密度の増強領域の移動範囲 磁束収束用コイルは外部電源に未接続 磁束密度の高い部位の調整が可能 磁束収束用コイルの移動範囲の評価 Exciting coil Flux concentrator Measurement area 磁束密度の増強領域の移動範囲 Exciting coil Moved distance R=14~126mm L=50mm Flux concentrator r 0 Pitch 14mm Body surface Measurement point (r,0,0) パラメータ : R=14 ~ 126mm Z 測定範囲 : r = ‐120~120mm 磁束密度の増強領域の移動範囲 Magnetic flux density B norm [T] 励磁コイルのみ 8 (×10-5) 6 R=70 R=126 R=98 4 R=42 2 R=14 R=0 0 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 Radius r [mm] 40 60 80 100 120 Exciting coil Flux concentrator 60mm S2 S1 Inner coil of exciting coil Inner coil of flux concentrator S1 : 励磁コイルの内径が作る閉曲面 S3 S1 S2 S2 : 磁束収束用コイルの収束部が作る閉曲面 S3 : S1とS2が交差してできる閉曲面 （励磁磁束が磁束収束用コイルの収束部に鎖交する面積） Moved distance R Exciting flux S1 S1 S2 S2 R=0 0<R<120 S3=S2 S3<S2 磁束収束効果最大 S1 S2 R=120 S3=0 磁束収束効果最減少 磁束収束効果消失 S1 : 励磁コイルの内径が作る閉曲面 S2 : 磁束収束用コイルの収束部が作る閉曲面 S3 : S1とS2が交差してできる閉曲面 磁束収束効果が消失する距離R＝励磁コイルの内半径＋磁束収束用コイルの収束部半径 ここまでのまとめ • 磁束収束効果は、磁束収束コイル近傍のみに作用 • 磁束密度の高い部位の移動可能範囲は数10mm程度 Exciting coil Flux concentrator Effective area 階層形磁束収束用コイルによる 磁束密度の増強 階層形磁束収束用コイル 磁束収束用コイル遠方における磁束密度の増強領域拡大 磁束収束効果の増強 磁束収束用コイルに流れる誘導電流を増大 Flux by induced currents in Exciting flux 磁束収束用コイルの内環と外環を 階層状に構成 + in Induced currents Iin 内環に鎖交する磁束数が減少 誘導電流増加 階層形磁束収束用コイル近傍の 磁束密度分布 Layer distance l=30mm Exciting coil Layered flux concentrator L=50mm r Pitch 14mm Inner diameter Body surface Measurement point (r,0,0) D=60, 120mm パラメータ : D=60,120mm Z 測定範囲 : r = ‐120~120mm Magnetic flux density B norm [T] D=120mm 10 (×10-5) 増強効果13%増加 8 6 4 通常形 励磁コイルのみ 抑制効果60%減少 2 階層形 0 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 Radius r [mm] Magnetic flux density B norm [T] D=60mm (×10-5) 10 増強効果14%増加 8 6 4 通常形 励磁コイルのみ 抑制効果60%減少 2 階層形 0 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 Radius r [mm] 40 60 80 100 120 階層形磁束収束用コイル遠方の 磁束密度分布 Layer distance l=30mm Exciting coil Layered flux concentrator L=50mm 0 Pitch 14mm Inner diameter D=60, 120mm r Body surface Measurement point (0,Z,0) パラメータ : D=60,120mm Z 測定範囲 : z = 0 ~ 140mm D=120mm Magnetic flux density B norm [T] (×10-5) 通常形 8 階層形 6 4 2 励磁コイルのみ 0 20 0 60 40 80 Z axis z [mm] D=60mm Magnetic flux density B norm [T] (×10-5) 100 120 140 磁束密度の増強領域が拡大 10 通常形 8 階層形 6 4 2 励磁コイルのみ 0 0 20 40 60 80 Z axis z [mm] 100 120 140 4.結論 まとめ 誘導加温法の励磁条件の改善法を提案し、磁束収束効果を応用した励磁磁 束の分布制御を行い、磁束の増強および抑制効果の評価を行った。 • 磁束収束用コイル近傍において磁束密度の増強および抑制効果が効果的に 作用 • 磁束収束用コイルの移動限界範囲は 励磁コイルの内半径と磁束収束用コイルの 内半径の和で得られる 磁束密度の高い部位の調整に対して有効 • 遠方領域の磁束密度の増強領域を拡大する1つの手法として階層形磁束収束用 コイルは有効 誘導加温法に対して、加温の促進、正常部位の保護など 磁束収束効果が有効に作用することが認められた 今後の課題 • 磁束収束コイル遠方における磁束密度の増強効果向上 磁束収束用コイルの形状を考察 • 磁束収束コイルの設計 電気的特性などを考慮した磁束収束用コイルの製作 • 誘導加温装置への適用 磁束収束効果を用いた加温実験 ご清聴ありがとうございました リッツ線とは • 細い素線を束ねるだけでは、表面の素線にしか電流 は流れない。 • 撚りによって、素線が均等に表面に出ることによってす べての素線に均等に電流が流れ、抵抗が少なくなる。 リッツ線 素線を束ねただけ の電流密度分布 素線を撚った場合の 電流密度分布 磁束収束用コイル近傍の磁束密度分布 14.0 (×10-5) 12.0 Magnetic flux density Bnorm [T] L=20mm 10.0 8.0 L=30mm L=40mm L=50mm 6.0 4.0 2.0 0.0 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 Radius r [mm] 40 60 80 100 120 磁束密度の増強領域の移動範囲 内径60mmの場合 (×10-5) 10 励磁コイルのみ 9 Magnetic flux density Bnorm [T] 8 7 6 5 R=98 4 R=70 R=42 R=126 3 2 R=14 1 R=0 -120 -100 0 -80 -60 -40 -20 0 20 Radius r [mm] 40 60 80 100 120 50mm 50mm Exciting coil Exciting coil Flux concentrator 40mm Concentration area Low density 励磁コイルのみ 磁束収束用コイル D=120mm
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