(57)【要約】本発明は、広い誘導電場をとることができ、かつ、誘導電場の発生効率が高く、しかも、インダクタンスを小さい値に抑えることができるコイルを提供するものである。コイル（３１）は、第１〜第Ｎのターン（３１１〜３１Ｎ）を有する。第１〜第Ｎのターン（３１１〜３１Ｎ）は、それぞれ、一方向への電流を流すための作用部（３１１ａ）と、この一方向とは逆向きの電流を流すための接続部（３１１ｂ）とを備える。複数の作用部（３１１ａ）は、互いにほぼ平行に、かつ、対象物（１）の表面又はそれに近似される面に沿って配置されている。複数の接続部（３１１ｂ）は、作用部（３１１ａ）を挟んで対象物（１）の表面と対向せず、かつ、作用部（３１１ａ）の延長方向に対して側方となる空間内に配置されている。
2017150490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の表面近傍に配置されて、前記対象物の内部に誘導電場を発生させるためのコイルであって、  前記コイルは、第１〜第Ｎのターンを有しており、  前記第１〜第Ｎのターンは、それぞれ、一方向への電流を流すための作用部と、前記一方向とは逆向きの電流を流すための接続部とを備えており、  前記第１〜第Ｎのターンにおける前記作用部は、互いにほぼ平行に、かつ、前記対象物の表面又はそれに近似される面に沿って配置されており、  前記接続部は、前記第１〜第Ｎのターンにおける前記作用部を挟んで前記対象物の表面と対向せず、かつ、前記作用部の延長方向に対して側方となる空間内に配置されている  ことを特徴とするコイル、  ただしここでＮは２以上の整数である。
【請求項２】
前記第１〜第Ｎのターンのうちの第１〜第Ｐのターンにおける前記接続部は、第Ｐ＋１〜第Ｎのターンにおける前記接続部とは、前記作用部を挟んで反対側の位置に配置されている  請求項１に記載のコイル。
【請求項３】
前記接続部は、略円弧状に形成されている  請求項１又は２に記載のコイル。
【請求項４】
前記作用部が配置される前記面は、断面が略円弧状に形成されているものである  請求項１〜３のいずれか１項に記載のコイル。
【請求項５】
第１〜第Ｎのターンにおける前記作用部は、等間隔で配置されている  請求項１〜４のいずれか１項に記載のコイル。
【請求項６】
前記対象物は生体である  請求項１〜５のいずれか１項に記載のコイル。
【請求項７】
前記対象物は動物の頭部であり、  前記誘導電場により、前記頭部における脳内に誘導電流を生じる構成となっている  請求項１〜５のいずれか１項に記載のコイル。
【請求項８】
さらにコア部材を備えており、  前記コア部材は、前記第１〜第Ｎのターンにより生成される磁気回路の磁気抵抗を軽減する構成となっており、  かつ、前記コア部材は、前記作用部を挟んで前記対象物とは反対側となる位置に配置されている  請求項１〜７のいずれか１項に記載のコイル。
【請求項９】
前記コア部材は、比透磁率の異なる複数の領域を有することを特徴とする請求項８に記載のコイル。
【請求項１０】
前記コア部材は、前記作用部に対向する位置に配置される第１部分と、前記接続部に対向する位置に配置される第２部分とを備えており、  前記第１部分は、前記作用部の延長方向と非平行な方向に延長された複数の長尺状の第１コア体を備えており、  前記第２部分は、前記作用部の延長方向とほぼ平行となる方向に延長された複数の長尺状の第２コア体を備えている  請求項８又は９に記載のコイル。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のコイルと、前記コイルに所定の電流を供給するための電源部とを備える磁気刺激装置。
【請求項１２】
対象物の表面近傍に配置されて、前記対象物の内部に誘導電場を発生させるためのコイルであって、  当該コイルが有する、入力端から出力端に至る一連の導線が、（１）前記誘導電場発生に用いる複数の作用導線部、（２）前記複数の作用導線部を相互に接続し、且つ、前記作用導線部が発生させた誘導電場に対する強度への影響が実質的に無視できる態様にて構成された接続導線部、からなるように構成されたことを特徴とするコイル。
【請求項１３】
対象物の表面近傍に配置されて、前記対象物の内部に誘導電場を発生させるためのコイルと支持体とを備えた磁気刺激装置であって、  前記コイルは、第１〜第Ｎのターンを有しており、  前記第１〜第Ｎのターンは、それぞれ、一方向への電流を流すための作用部と、前記一方向とは逆向きの電流を流すための接続部とを備えており、  前記第１〜第Ｎのターンにおける前記作用部は、互いにほぼ平行に配置されており、  前記接続部は、前記作用部の延長方向に対して側方となる空間内に配置されており、  前記作用部は、前記支持体により支持されており、  前記支持体の下面は、略扁平状に形成されている  磁気刺激装置、  ただしここでＮは２以上の整数である。
【請求項１４】
前記対象物の表面は、略球形状とされており、これによって、前記支持体の下面は、そのほぼ中央において、前記対象物の表面に接触する構成となっている  請求項１３に記載の磁気刺激装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、コイル及びそれを用いた磁気刺激装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  経頭蓋磁気刺激法（TMS: Transcranial Magnetic Stimulation)は、電磁誘導によって脳内に電流を生じさせ、ニューロンを刺激する手法である。この手法によれば、図１〜図３に示すように、頭部の皮膚上に置いた刺激コイルに交流または所定の電流波形を印加することで変動磁場を形成するとともにその変動磁場の影響を受けて脳内にコイル電流とは逆向きの渦電流を誘導し、その渦電流でニューロンを刺激することによって活動電位を発生させる。このような経頭蓋磁気刺激法は、神経伝導速度の計測を始めとした臨床検査や脳機能研究に用いられている。【０００３】  近年においては、神経障害性疼痛やパーキンソン病、うつ病などの治療的応用として磁気刺激が注目されている。このような病気においては薬剤による治療では効果が見られないケースがあり、例えば難治性の神経障害性疼痛に対しては、電極を脳に埋め込むことで脳に電気刺激を与えるという治療法がある。しかし、この治療法は、開頭手術を必要とすることから、希望しない患者が多い。【０００４】  そこで、手術を要さない非侵襲的な磁気刺激を反復して行う反復経頭蓋磁気刺激が治療法として研究されている。難治性神経障害性疼痛に対する治療では、大脳の一次運動野に磁気刺激を行った後１日間ほど除痛効果をえられたことが報告されている。【０００５】  しかし、従来の磁気刺激装置は約７０Ｋｇの重量があり、また設置に際しては２００V電源から電力供給を行えるようにするための電気工事が必要となるため、設備の整った医療機関でのみ利用可能となっている。また、実際の治療時には治療対象の疾患によっては患者のＭＲＩデータを参照しながら刺激位置を決定する必要があるため、その場合熟練した医療従事者による治療が必要である。難治性神経障害性疼痛の治療では、標的となる一次運動野の上に、１ｍｍの単位でコイルの位置決めを行う必要がある。【０００６】  経頭蓋磁気刺激療法では、現在、磁気刺激法の刺激コイルとして、円形コイル、８字コイル（「８」という形状をおおよそ描くように周回されたコイル）をはじめ、４葉コイル、Hesedコイル、小さな円形コイルを頭部表面に多数配置したコイルなど様々な形状が提案されており、現在は円形コイルと８字コイルが主に利用されている。【０００７】  ８字コイル（下記特許文献１及び２参照）は、1本の導線によりシリーズに形成された２つの円形コイルを部分的に重ねて配置したもので、それらの円形コイルに逆向きに電流を流すことで、コイル交差部直下に渦電流を集中させて局所への刺激が可能である。【０００８】  一方、治療の対象や、患者個人の症状によっては、局所的な刺激とは逆に、より広い範囲で刺激することが有効な場合がある。【０００９】  また、局所に刺激が集中するコイルでは、対象の部位へ正確に位置を決めることが求められ、この場合、ナビゲーションシステム等による正確な位置決めを実施する必要があった。【００１０】  在宅治療に用いる磁気刺激の開発を行ううえで、非医療従事者の手により刺激位置を決定するためのナビゲーションシステムの開発も進められている。このシステムによれば、患者はまず病院において磁気センサの付いたメガネを装着し、メガネを毎回同じ位置に装着するために永久磁石を用いてキャ��ブレーションを行う。次に、患者のＭＲＩ画像と光学式トラッキング座標系を合成する手法により医師が最適刺激位置を特定し、最適刺激位置およびその周囲５ｃｍの範囲内のランダムな位置のデータを記録する。周囲の位置データを記録することにより、患者がコイル位置を決定する際にコイルが現在どこにあるのかを視覚的に知ることが可能となる。【００１１】  在宅治療時はまずメガネのキャリブレーションを行う。その後、刺激コイルに装着された永久磁石の位置をデータと比較することで３次元位置を測定する。コイルの現在位置および最適刺激位置を視覚的に確認することにより、直観的にコイルの位置決めを行うことができる。【００１２】  実験によれば、このナビゲーションシステムにおける誘導誤差は、最適刺激位置から最大で例えば５ｍｍであり、一方、先に説明した８字コイルは、この５ｍｍ以内に照射部位（最適刺激位置）がある場合に治療上有効に目的の部位を刺激することが可能である。このため、ナビゲーションシステムを用いて誘導された刺激位置において、8字コイルで磁気刺激を行う治療装置を用いると、照射すべき部位（最適刺激位置）が治療コイルの刺激有効範囲に入らない可能性があるので、正確に治療部分に刺激を行うことが難しい。そこで例えば１０ｍｍ以内に照射すべき部位がある場合に治療上有効に目的の部位を刺激することができるような、より広い範囲に均等に渦電流を発生することが可能なコイルの開発が必要とされている。【００１３】  そこで、本発明者らは、ロバスト性が高い（すなわち、より広い範囲に均等に渦電流を発生することができる）刺激コイルを実現するため、ドーム型のコイル装置（以下この明細書において「ドーム型コイル」と称することがある）を提案した（下記特許文献３参照）。このドーム型コイルは、８字コイルと比較してより広い範囲に渦電流を発生させることができ、しかも、広い範囲への渦電流の誘起を維持しながらインダクタンスを抑えることができるという好ましい特性を持つ。【００１４】  ところで、下記特許文献３に示すドーム型コイルは、既存の8字コイルに比べ広い範囲に誘導電場を発生できる一方で、8字コイルと同じ電流量を印加した場合の電場強度が低い（同じ電流印加条件では約1/4になる）という問題点があった。【００１５】  誘導電場が小さい場合は、それを補填するために、より多くの電流を印加しなければならないため、昇圧回路・キャパシタが大型化して装置コストや設置コストが増大する可能性があるだけでなく、コイル自体の加熱が早くなるのでそれへの対応手段も必要になるという問題がある。【００１６】  そこで、本発明者らは、コイル形状や設計パラメータについて種々の検討を行い、その結果、ドーム型コイルと同様の広い誘導電場をとれるという特長を保持しつつ、同程度の印加電流でより強い誘導電場を発生できるような、かつ、インダクタンスが逸脱した値をとらないコイルを構成できる形状についての知見を得た。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開2012-125546号公報
【特許文献２】国際公開第2010/147064号公報
【特許文献３】国際公開第2015/122506号公報（例えば図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】  本発明は、前記した知見に基づいてなされたものである。本発明の主な目的は、ドーム型コイルと同様の広い誘導電場をとることができ、かつ、ドーム型コイルと同程度の印加電流でより強い誘導電場を発生でき、しかも、インダクタンスを小さい値に抑えることができるコイルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】  前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。【００２０】  （項目１）  対象物の表面近傍に配置されて、前記対象物の内部に誘導電場を発生させるためのコイルであって、  前記コイルは、第１〜第Ｎのターンを有しており、  前記第１〜第Ｎのターンは、それぞれ、一方向への電流を流すための作用部と、前記一方向とは逆向きの電流を流すための接続部とを備えており、  前記第１〜第Ｎのターンにおける前記作用部は、互いにほぼ平行に、かつ、前記対象物の表面又はそれに近似される面に沿って配置されており、  前記接続部は、前記第１〜第Ｎのターンにおける前記作用部を挟んで前記対象物の表面と対向せず、かつ、前記作用部の延長方向に対して側方となる空間内に配置されている  ことを特徴とするコイル、  ただしここでＮは２以上の整数である。【００２１】  （項目２）  前記第１〜第Ｎのターンのうちの第１〜第Ｐのターンにおける前記接続部は、第Ｐ＋１〜第Ｎのターンにおける前記接続部とは、前記作用部を挟んで反対側の位置に配置されている  項目１に記載のコイル。【００２２】  （項目３）  前記接続部は、略円弧状に形成されている  項目１又は２に記載のコイル。【００２３】  （項目４）  前記作用部が配置される前記面は、断面が略円弧状に形成されているものである  項目１〜３のいずれか１項に記載のコイル。【００２４】  （項目５）  第１〜第Ｎのターンにおける前記作用部は、等間隔で配置されている  項目１〜４のいずれか１項に記載のコイル。【００２５】  （項目６）  前記対象物は生体である  項目１〜５のいずれか１項に記載のコイル。【００２６】  （項目７）  前記対象物は動物の頭部であり、  前記誘導電場により、前記頭部における脳内に誘導電流を生じる構成となっている  項目１〜５のいずれか１項に記載のコイル。【００２７】  （項目８）  さらにコア部材を備えており、  前記コア部材は、前記第１〜第Ｎのターンにより生成される磁気回路の磁気抵抗を軽減する構成となっており、  かつ、前記コア部材は、前記作用部を挟んで前記対象物とは反対側となる位置に配置されている  項目１〜７のいずれか１項に記載のコイル。【００２８】  （項目９）  前記コア部材は、比透磁率の異なる複数の領域を有することを特徴とする項目８に記載のコイル。【００２９】  （項目１０）  前記コア部材は、前記作用部に対向する位置に配置される第１部分と、前記接続部に対向する位置に配置される第２部分とを備えており、  前記第１部分は、前記作用部の延長方向と非平行な方向に延長された複数の長尺状の第１コア体を備えており、  前記第２部分は、前記作用部の延長方向とほぼ平行となる方向に延長された複数の長尺状の第２コア体を備えている  項目８又は９に記載のコイル。【００３０】  （項目１１）  項目１〜１０のいずれか１項に記載のコイルと、前記コイルに所定の電流を供給するための電源部とを備える磁気刺激装置。【００３１】  （項目１２）  対象物の表面近傍に配置されて、前記対象物の内部に誘導電場を発生させるためのコイルであって、  当該コイルが有する、入力端から出力端に至る一連の導線が、（１）前記誘導電場発生に用いる複数の作用導線部、（２）前記複数の作用導線部を相互に接続し、且つ、前記作用導線部が発生させた誘導電場に対する強度への影響が実質的に無視できる態様にて構成された接続導線部、からなるように構成されたことを特徴とするコイル。【００３２】  （項目１３）  対象物の表面近傍に配置されて、前記対象物の内部に誘導電場を発生させるためのコイルと支持体とを備えた磁気刺激装置であって、  前記コイルは、第１〜第Ｎのターンを有しており、  前記第１〜第Ｎのターンは、それぞれ、一方向への電流を流すための作用部と、前記一方向とは逆向きの電流を流すための接続部とを備えており、  前記第１〜第Ｎのターンにおける前記作用部は、互いにほぼ平行に配置されており、  前記接続部は、前記作用部の延長方向に対して側方となる空間内に配置されており、  前記作用部は、前記支持体により支持されており、  前記支持体の下面は、略扁平状に形成されている  磁気刺激装置、  ただしここでＮは２以上の整数である。【００３３】  （項目１４）  前記対象物の表面は、略球形状とされており、これによって、前記支持体の下面は、そのほぼ中央において、前記対象物の表面に接触する構成となっている  項目１３に記載の磁気刺激装置。
【発明の効果】
【００３４】  本発明によれば、比較的に広い誘導電場をとるように作用部の面積を設計上広くしたとしても、印加電流に対する誘導電場の発生効率が高く、しかも、インダクタンスを小さい値に抑えることができるコイルを提供することが可能となる。【００３５】  また本発明によれば、コイル表面から刺激点までの距離の変化に対する刺激点での磁束密度の変化率が所定の数値以下となるように構成したので、脳内の照射ターゲットを磁気刺激する治療に際して頭皮付近をも刺激することに起因する不快感を軽減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来の磁気刺激装置の使用方法を説明するための説明図である。
【図２】従来の磁気刺激装置に用いられるコイルにより発生する磁場と、脳表面に生じる誘導電流との関係を示す説明図である。
【図３】従来の磁気刺激装置の使用方法を説明するための説明図である。
【図４】本発明の一実施形態における磁気刺激装置の構成を説明するための概略的な説明図である。
【図５】図４の装置において用いられる装着部を拡大した斜視図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線に沿う概略的な断面図であって、対象物（頭部）の上面に載置した状態での装着部を示している。
【図７】図６の装着部において用いられるコイルの配置状態を説明するための平面図である。
【図８】コイルにおける電流の流れ方向を説明するための説明図である。
【図９】図６の装着部において用いられる支持体の斜視図である。
【図１０】図６に相当する位置における、支持体の断面図である。
【図１１】本実施形態のコイルを用いたシミュレーションにおける条件を説明するための説明図である。
【図１２】シミュレーションによる結果のグラフであり、横軸は内径ａ、縦軸は誘導電場強度及びインダクタンスを示す。
【図１３】シミュレーションによる結果のグラフであり、横軸は巻き数Ｎ、縦軸は誘導電場強度及びインダクタンスを示す。
【図１４】シミュレーションによる結果の説明図であり、本実施形態のコイルによって発生する電場の広がりを説明するための説明図である。
【図１５】従来の各種コイルと、本実施形態のコイルとを比較するグラフであって、横軸は測定位置（コイル中央を中心とした回転角度）、縦軸は誘導電場強度である。
【図１６】従来の各種コイルと、本実施形態のコイルとを比較するグラフであって、横軸は測定位置（コイルから対象物方向（下面方向）への距離）、縦軸は磁束密度である。
【図１７】本実施形態の変形例を説明するための説明図であって、コイル表面にコア部材を載置した状態で、コア部材のみを切断した要部断面図である。
【図１８】コア部材に用いる珪素鋼板の比透磁率の設定例を示すグラフであって、横軸は磁場強度、縦軸は磁束密度である。
【図１９】コア部材を用いたシミュレーションによって得られた誘導電場の様子を示す説明図である。
【図２０】コア部材を用いたコイルの特性を説明するためのグラフであって、横軸は測定位置（コイル中央を中心とした回転角度）、縦軸は誘導電場強度である。
【図２１】実測による、従来の各種コイルと、本実施形態のコイルとを比較するグラフであって、横軸は測定位置（コイルから対象物方向（下面方向）への距離）、縦軸は磁束密度である。
【図２２】実測によるコイルの電流波形を示すグラフであって、横軸は時間（μｓ）、縦軸は電流値である。
【図２３】実測によるコイルの瞬時磁場を示すグラフであって、横軸は時間（μｓ）、縦軸は瞬時磁場である。
【図２４】従来の８字コイルと、本実施形態のコイルとを比較するグラフであって、横軸は測定位置（コイルから対象物方向（下面方向）への距離）、縦軸は磁束密度である。
【図２５】本発明の第２実施形態に係る磁気刺激装置に用いられる装着部の概略的な斜視図である。
【図２６】図２５のＸ−Ｘ’線に沿う横断面図である。
【図２７】図２５のＹ−Ｙ’線に沿う縦断面図である。
【図２８】図２５に示す装着部の変形例を示す説明図であって、図２７に対応する位置での縦断面図である。
【図２９】本発明の第３実施形態に係る磁気刺激装置に用いられる装着部の概略的な斜視図である。
【図３０】図２９のＸ−Ｘ’線に沿う横断面図である。
【図３１】図２９のＹ−Ｙ’ 線に沿う縦断面図である。
【図３２】図２９に示す装着部の変形例を示す説明図であって、図３１に対応する位置での縦断面図である。
【図３３】本発明の第４実施形態に係る磁気刺激装置に用いられる装着部の概略的な斜視図である。
【図３４】図３３のＸ−Ｘ’ 線に沿う横断面図である。
【図３５】図３３のＹ−Ｙ’ 線に沿う縦断面図である。
【図３６】シミュレーションによる結果の説明図であり、実施例３のコイルによって発生する正規化された電場強度を示す説明図である。
【図３７】シミュレーションによる結果の説明図であり、実施例１のコイルによって発生する正規化された電場強度を図３６との比較のために示す説明図である。
【図３８】シミュレーションによる結果の説明図であり、従来の８字コイルによって発生する正規化された電場強度を図３６との比較のために示す説明図である。
【図３９】実施例３のコイル（flat-d）と、実施例１のコイル（Double-D）と、従来の８字コイル（figure-8）とを比較するグラフであって、横軸は測定位置（コイル中央を中心とした変位）、縦軸は誘導電場強度である。
【図４０】実施例３のコイル（flat-d）と、実施例１のコイル（Double-D）と、従来の８字コイル（figure-8）とを比較するグラフであって、横軸は測定位置（コイルから対象物方向（下面方向）への距離）、縦軸は磁束密度である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】  以下、本発明の一実施形態に係る磁気刺激装置を、添付の図面を参照しながら説明する。本実施形態の磁気刺激装置は、変動磁場により生成される誘導電流を用いて脳に刺激を与える手法である経頭蓋磁気刺激法を行うための装置である。
【００３８】  （磁気刺激装置の構成）  本実施形態の磁気刺激装置（図４参照）は、電源部１０と、ケーブル２０と、装着部３０とを備えている。この磁気刺激装置は、対象物１の内部に誘導電流を発生させるためのものである。ここで、本実施形態では、対象物１として、生体、特に、人体の頭部が用いられている。このため、以降では、対象物１に代えて、頭部１と称することがある。
【００３９】  （電源部）  電源部１０は、装着部３０におけるコイル３１（後述）に所定の電流を供給することにより、対象物１の内部に所定の誘導電流を発生させる構成となっている。電源部１０から供給される電流としては、誘導電流を発生できる交流成分を有していれば、直流成分を有していてもよい。したがって、電流としては、例えば、単相性（monophasic）パルス状、二相性（biphasic）パルス状など、用途に応じて各種の波形のものを用いることができる。パルスの発生周期は、用途に応じて適宜に設定されている。このような電源部１０としては、従来と同様のもの（例えば前記特許文献３を参照）を利用可能なので、これ以上詳しい説明は省略する。
【００４０】  （ケーブル）  ケーブル２０は、電源部１０から装着部３０のコイル３１（後述）に所定の電流を供給する構成となっている。ケーブル２０は、ある程度の柔軟性を有しており、装着部３０を対象者の頭部１における適切な位置に配置できるようになっている。ケーブル２０についても、従来と同様のものを利用可能なので、これ以上詳しい説明は省略する。
【００４１】  （装着部）  装着部３０（図５参照）は、前記したコイル３１と、このコイル３１を支持する支持体３２とを備えている。
【００４２】  （コイル）  コイル３１（図６〜図８参照）は、対象物（すなわち対象者の頭部）１の表面近傍に配置されて、対象物１の内部に誘導電場を発生させる構成となっている。
【００４３】  本実施形態のコイル３１は、第１〜第Ｎのターン３１１〜３１Ｎを有している。ただしここでＮは２以上、好ましくは３以上の整数であり、巻き数が多いほど誘導電場を強め、かつ、対象領域を広げることが容易になる。一方、適正なインダクタンスを考慮すると、巻き数は２０以下、より好ましくは１４以下とすることが好適である。図示例では巻き数Ｎ＝１４となっている。
【００４４】  コイル３１における第１〜第Ｎのターン３１１〜３１Ｎは、それぞれ、一方向への電流を流すための作用部３１１ａと、この一方向とは逆向きの電流を流すための接続部３１１ｂとを備えている。ここで、作用部は、各ターンについて備えられているが、この明細書では、各作用部について同じ符号３１１ａを付す。接続部３１１ｂについても同様である。また、前記において「逆向きの電流」とは、導線方向に沿った向きではなく、コイルが配置された空間内での向きにおいて逆という意味である。つまり、コイルに流れる電流ｉに対して逆向きである電流−ｉを流すという意味ではない。図７及び８において、コイルにおける電流の流れ方向を、矢印で示す。
【００４５】  本実施形態におけるコイル３１は、支持体３２に支持されることにより、その空間的配置状態が規定されている（図５及び図６参照）。具体的には、第１〜第Ｎのターン３１１〜３１Ｎにおける複数の作用部３１１ａは、互いにほぼ平行に、かつ、対象物１の表面又はそれに近似される面に沿って配置されている。より具体的には、人体の頭部はほぼ球面に近似できるので、作用部３１１ａは、球面（より詳しくは球面の一部）に沿うように配置される。本実施形態では、作用部３１１ａが配置される面（具体的には、後述する支持体３２の当接部３２１の上面）が、略円球面とされている。
【００４６】  さらに、本実施形態では、第１〜第Ｎのターンにおける作用部３１１ａが、等間隔で配置されたものとなっている。
【００４７】  また、第１〜第Ｎのターン３１１〜３１Ｎにおける複数の接続部３１１ｂは、第１〜第Ｎのターンにおける作用部３１１ａを挟んで対象物１の表面と対向せず、かつ、作用部３１１ａの延長方向に対して側方となる空間内に配置されている（図６参照）。より具体的には、接続部３１１ｂは、作用部３１１ａの延長方向（図７において図中上下方向）にほぼ直交する方向において、周期的に配置されたものとなっている。
【００４８】  また、本実施形態では、第１〜第Ｎのターンのうちの第１〜第Ｐのターンにおける接続部３１１ｂは、第Ｐ＋１〜第Ｎのターンにおける接続部３１１ｂとは、作用部３１１ａを挟んで反対側の位置に配置されている（図７参照）。図６の例では、Ｎ＝１４、Ｐ＝７とされているが、この数字に限定されるものではなく、各種の設定条件に応じて変更可能である。
【００４９】  接続部３１１ｂは、平面視して略円弧状となるように形成されている（図７参照）。また、作用部３１１ａの左右に分かれた接続部３１１ｂは、作用部３１１ａを挟んで左右対称とされている。さらに、作用部３１１ａの片側における接続部３１１ｂは、ほぼ同心円状とされている。なお、左右に分かれた接続部３１１ｂの本数が異なっていてもよい。つまり、コイル３１の形状としては、左右対称でなく、非対称とすることもできる。例えば巻き数Ｎ＝１４でＰ＝８のような構成も可能である。もちろんこれらの数値は単なる一例であり、この数値には制約されない。
【００５０】  換言すれば本実施例コイルは、対象物の表面近傍に配置されて前記対象物の内部に誘導電場を発生させるためのコイルであって、コイルが有する、入力端から出力端に至る一連の導線が、（１）誘導電場発生に用いる複数の作用導線部、（２）複数の作用導線部を相互に接続し、且つ、作用導線部が発生させた誘導電場に対する強度への影響が実質的に無視できる態様にて構成された接続導線部、からなるように構成されたことを特徴とするコイルである。
【００５１】  （支持体）  支持体３２は、対象物１の表面に当接可能とされた当接部３２１と、当接部３２１の外周縁に形成された鍔部３２２とを備えている。
【００５２】  当接部３２１は、球面の一部を構成するように（つまり球面状に）湾曲された略板状ないし略円盤状に形成されており、これによって、当接部３２１の下面に、対象物としての頭部１の一部を収容することができるようになっている（図６参照）。
【００５３】  当接部３２１の上面には、コイル３１の作用部３１１ａを収容し、それらの位置決めを行うための溝３２１ａが形成されている（図６及び図１０参照）。溝３２１ａは、本実施形態では、前記作用部３１１ａと同様に、互いにほぼ平行かつ等間隔で、当接部３２１の上面に沿って形成されている（図９参照）。
【００５４】  鍔部３２２は、当接部３２１の外周縁から、外側方向に延長されて形成されている（図９参照）。本実施形態の鍔部３２２は、全体として、ほぼ断面平板状に形成されており、これにより、鍔部３２２と、略球面状の対象物表面とが若干離間できるようになっている（図６参照）。鍔部３２２の上面には、コイル３１の接続部３１１ｂを収容し、それらの位置決めを行うための溝３２２ａ（図６及び図１０）が形成されている。溝３２２ａは、本実施形態では、前記接続部３１１ｂと同様に、同心円をなすように（あるいは平行曲線となるように）、鍔部３２２の上面に沿って形成されている（図９参照）。
【００５５】  （実施例１…設計条件最適化）  つぎに、前記した本実施形態において用いたコイル３１の設計条件について、シミュレーションを用いて検討する。
【００５６】  以下の検討においては、本実施形態のコイル３１（以下この明細書において「Double-Dコイル」と称することがある）が頭部１に接触する面積（具体的には、支持体３２の当接部３２１を介して頭部に接触する面積）を一定と仮定したうえで、作用部３１１ａと接続部３１１ｂとの最小間隔ａ（図１１参照）とコイルの巻数Ｎとを変化させ、これらの設計パラメータが、コイルにより生じる誘導電場にどのような影響を与えるのかを明らかにする。その上で、特に実用性の高い（現状の駆動回路に接続可能なインダクタンスを持ち、かつ従来の8字コイルに比して劣らない誘導電場の発生効率を達成できる）Double-Dコイルの設計パラメータを決定した上で、既存のコイルとの比較を行い、その有効性を確認する。
【００５７】  （シミュレーション条件）  Double-Dコイルの形状最適化を行う。なお、下記に示す設計上の数値は、いずれも単なる一例であり、これらによって本発明の範囲が制約されるものではない。
【００５８】  まず、作用部３１１ａが配置される面（球面）の曲率半径を100mm、作用部３１１ａ全体の幅（配列方向での幅）を78mm、作用部３１１ａ全体の底面によるカバー範囲の半径（つまり作用部３１１ａの最大長さの半分）を56mmとした。前記した最小間隔aを可変とし、これを14mmから38mmの間で変化させた（図１１参照）。また、コイル３１の導線による頭部のカバー面積を一定として、コイル３１の全巻き数Nを14から20の間で変化させた（図１１参照）。なお、図１１では、螺旋の巻き線構造は無視して簡略に記載してある。コイル導線の断面形状としては、幅2mm高さ6mmを仮定した。
【００５９】  シミュレーションにおいては、半径75mmの導体半球の1cm直上にコイル３１を位置させ、最大電流5.3kA、パルス周波数3.4kHzでパルス電流を印加した際の誘導電場を計算により求めた。電場強度については、刺激中央（目標とする対象物表面の中央部分、例えば大脳における運動野中の特定部位）から半径10mmの球内の平均値を用いて評価した。電場の広がりについては、印加電流により生じる誘導電場の最大強度を基準とし、この最大強度の50%以上の電場が発生したボクセルの総面積を用いて評価した。計算には、本発明者らのオリジナルソフトウェア（その概要の説明は後述する）によるスカラーポテンシャル有限差分法（SPFD法）を利用した。有限差分法による計算とは別に、コイルのインダクタンスをノイマンの公式より近似計算した。ノイマンの公式においては、p個に分割された微小線路群CにおけるインダクタンスLは式（１）、（２）、（３）によって求められる。なお式（３）では、導電体の断面形状を、幅 w 高さ h の長方形、導電体の線分長さを l としている。mijは各微小線路の部分インダクタンス、si、sj は各微小電流路ベクトルを表している。ねじれの位置にある微小電流線路同士の距離 r は、本例では簡易的に各微小線分の中点間の距離として近似した。
【００６０】
2017150490.tif 000003
【００６１】  また、SPFD法によるシミュレーションに加え、正確性を期するため、有限要素法によるシミュレーションを併用し、空気領域に発生される磁場から求められる、より正確なインダクタンスと、磁束密度の強度を求めた。既存コイルとの比較のために、全巻数 20、外半径（コイル外周での半径） 100mm、導線間隔 1mm の８字コイル（前記特許文献１及び２）と、全巻き数 10、外半径 100mm の円形コイルと、高さ 39mm、外半径 66mm、幅 78mm のドーム型コイル（前記特許文献３）の３モデルを用意し、インダクタンスや磁束密度の強度、半球モデル表層部（表面から1mmの深さ）における電場強度を求めた。なお有限要素法でのシミュレーションにはPhoto-Series (Photon Co. Ltd.) を用いた。
【００６２】  （結果1・考察 - コイル内径幅による誘導電場の変化）  巻数 20 のコイルを用いてその内径幅（最小間隔） a を変化させた場合における、電場強度、インダクタンス、誘導電場の広がりの変化について、結果を表1にまとめる。電場強度とインダクタンスについてグラフにすると図１２のようになる。
【００６３】
【表１】
2017150490.tif 000004
【００６４】  得られた結果によれば、コイル側部の幅ａが広ければ広いほどインダクタンスが大きく上昇する一方で、頭部モデル（対象物）に発生できる誘導電場の強度や広がりはあまり変化がないということが分かる。誘導電場が殆ど変わらないのであれば、インダクタンスは低いほうが好ましいため、Double-D コイルの内径幅ａは、頭部表面とコイル（具体的にはその支持体の下面）とが干渉する限界のところまで、出来る限り狭めるのが良いと結論できる。また巻数Ｎ＝20、幅ａ＝14mm の場合でのインダクタンス＝18.5μH という値は、市販の駆動回路に接続するには大きい値であり、ここから巻数を減らしていくことで更にインダクタンスを下げることが好ましい。
【００６５】  （結果2・考察-頭部接触面における巻き数による誘導電場の変化）  内径幅ａ＝14mmとして、コイルの巻数 N（変数）に対する電場強度、インダクタンス、誘導電場の広がりの変化につい て、結果を表 2 にまとめる。電場強度とインダクタンスについてグラフにすると、図１３のようになる。
【００６６】
【表２】
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【００６７】  得られた結果より、誘導電場の広がりは、巻き数によって変わることが殆ど無いとわかる。またコイルの巻数を下げていくことで、インダクタンスを下げることができる一方、誘導電場の強度も大きく下がっていくことがわかる。市販の駆動回路に接続するには、インダクタンスは 10μH 程度かそれ以下を狙うことが好ましいとされており、これらを踏まえるとコイルの全巻き数は 14 が適切である。
【００６８】  ここで、実際のコイルでは、制作を容易とするために導線間隔を広くとることが考えられる。すると、コイルの鎖交磁束が増加して、インダクタンスが増える可能性がある。また、駆動回路とコイルを接続するケーブル２０によっても全体のインダクタンスが増加する。したがって、コイル３１でのインダクタンスの設計値は 10μH に比ベてさらに余裕をもたせるのが良いと考えられる。本例では、インダクタンスの値に余裕のある幅ａ＝14mm 巻数Ｎ＝14 を採用して、既存コイルとの比較や具体的な製作を進めていくことにする。
【００６９】  （結果3・評価-既存コイルとの比較）  有限要素法によるシミュレーション結果として、８字コイルと Double-D コイルを用いた場合の、半球モデル（対象物を半球形状としたモデル）での電場の広がりを図１４に示す。この図では、電場強度を、最大値を１００％として正規化して示している。また、半球モデルにおける深さ 1mm 地点の電場強度についての各コイルでの比較を図１５に示す。また、駆動回路の最大出力として 5.3kA の通電を仮定した際の、コイル中央の表面からの距離と磁束密度の強度の関係を、各コイルについてプロットしたものを図１６に示す。SPFD法によって得られた電場強度の値及び広がりと、有限要素法により得られたインダクタンスの値とを表 3 に示す。
【００７０】
【表３】
2017150490.tif 000006
【００７１】  表３と図１５において、計算領域での電場強度の平均値として８字コイルの場合が202V/mであるのに対し Double-D コイルの場合が 209V/mであり、深さ 1mm 地点の誘導電場の最大値において８字コイルが 215V/m に対し Double-D コイル が 237V/m であった。このように Double-D コイルの最終設計は、既存の８字コイルに比して同等以上の誘導電場強度を達成できている。加えて、図１４のように、本例のコイルによれば、誘導電場の広がりが大きく、従って位置ずれに強いという利点を持つ。インダクタンスの値も、10μH 以内に抑えられているため、一般的な駆動回路への接続に好適である。
【００７２】  また図１６において、コイル表面から 5mm の位置における磁場強度は８字コイルでは 0.81T に対し Double-D コイルでは 0.63T と、８字コイルの磁束密度のほうが高かった。しかし一方で、表面からの距離 16mm において両コイルは 0.48T と同じ値となり、さらに表面からの距離 20mm での磁束密度は８字コイルでは 0.40T、Double-D コイルでは 0.42T と、強度の上下関係が逆転した。
【００７３】  これはすなわち、８字コイルよりも Double-D コイルの方が、コイル表面から 16mm 以上離れた位置に対して誘導電場の発生効率が良い、ということである。頭皮や頭蓋、脳脊髄液を間にして、脳の灰白質表面の刺激点が位置するのは、コイル表面から 15mm 以上離れた位置となるため、この特性により、Double-D コイルは灰白質表面付近の刺激に対し有効な特性を備えていると言える。
【００７４】  また、付随的に以下の 2 点においても好都合である。
【００７５】  まず、コイル表面における誘導電場は、低いことが望ましい。運動野直上の頭皮付近には側頭筋や腿膜が存在し、磁気刺激に伴いこれらの筋肉が動き、被験者によっては不快感を伴うことが問題であった。また施術は基本的に無痛ではあるが、被験者によっては皮膚の感覚受容器が刺激され、僅かな痒みなどを訴える場合があった。コイル表面付近の誘導電場が小さいことにより、これらの軽微な副作用を軽減できる可能性がある。
【００７６】  このために本実施例コイルは、図１６の「Double-D coil」としてプロットされた本実施例コイルの、先に示した本実施例シミュレーション条件の下での特性曲線に見られる通り、コイル表面から刺激点までの距離（ｍｍ）の変化に対する刺激点での磁束密度の変化率を、０．０１４[T/mm]近傍または図１６から読み取れる変化率であるか、それら数値以下となるように構成したので、脳内の照射ターゲットを磁気刺激する治療に際して頭皮付近をも刺激することに起因する不快感を軽減することが可能となる。
【００７７】  これに対して、同じ図１６で「Figure-8 coil」としてプロットされた8字コイルでは同様の変化率が０．０２７[T/mm]近傍となるので、本実施例コイルが奏する効果を奏することはない。具体的には、脳内の刺激点に対して同じ強度の磁束密度を生成する磁気刺激を行った場合、図１６から明らかなように、コイル表面からの距離が短い位置にある頭皮付近の磁束密度が、本実施例コイルは８字コイルよりも小さな値となるので、頭皮付近を刺激することに起因する不快感が生じたとしても、８字コイルより程度が小さくなる。
【００７８】  なお、同じ図１６において「Dome coil」としてプロットされたドーム型コイルは、上記の変化率が本実施例コイルよりも小さいが、この比較例に用いたドーム型コイルの設計条件では生成する磁束密度の大きさが本実施例コイルよりも小さいので、臨床に用いる場合には刺激強度が小さくなり、必要な刺激強度を確保するためには電流値すなわち供給電力を増大させる必要がある。
【００７９】  即ち本実施例コイルは、最大電流5.3kA、パルス周波数3.4kHzでパルス電流を印加した際の、コイル表面から刺激点までの距離（ｍｍ）の変化に対する刺激点での磁束密度の変化率を、０．０１４[T/mm]近傍または図１６から読み取れる変化率であるか、それら数値以下となるようにし、且つ刺激点における磁束密度の大きさが０．２[T]以上となるように構成した磁気刺激治療用コイルである。
【００８０】  また 2 つ目のポイントとして、灰白質表面よりも深い部分の誘導電場は、高いほうが望ましい(すなわち、深い位置まで刺激できる方が望ましい)。灰白質は脳表面から 5mm 以内に分布する上、脳溝の深さも 10mm 程度あり、治療のために刺激する運動野の錐体細胞の神経群は、脳の外側表面から 15mm 程度の深さまで分布すると考えられる。うつ病治療の例では、前頭前野を広くかつ深く刺激するために新形状のコイルを開発している例があり、このことも鑑みると、深い位置まで刺激できることがより高い治療効果に繋がる可能性が高い。
【００８１】  （変形例…異方向積層鉄心を併用した刺激焦点の限局手法）  本実施形態において記載したDouble-D コイルは、誘導電場の広がり、電場強度、インダクタンスの全てについて実用上十分な特性を備えている一方で、既に図１４で示したように、接続部３１１ｂ（つまり側部導線）による誘導電場が若干強く発生するため、実際に磁気刺激を行った際に意図しない脳部位に若干の誘導電場を発生する可能性がある。これを解決するために、変形例として、コア部材３３（図１７参照）を用いた磁気刺激装置を説明する。なお、この変形例の説明においては、前記した実施形態と基本的に共通する要素について同一符号を用いることで、記載の簡略化を図る。また、この変形例においては、いわゆる異方向積層鉄心（単に積層鉄心又は鉄心と称することがある）がコア部材３３として用いられている。コア部材３３の詳しい構成については後述する。
【００８２】  （積層鉄心が磁気刺激焦点へ及ぼす効果）  まず、経頭蓋磁気刺激コイルに対する積層鉄心の及ぼす効果について説明する。TMS コイルに対して強磁性体を組み合わせることで磁気刺激効果を高める研究はいくつかあり、古くは Han らにより、円形コイルの上部に積層鉄心を配置する形が提案されている（B. H. Han, S. Y. Lee, J.H. Kim, J.H. Yi, "Some technical aspects of magnetic stimulation coil design with the ferromagnetic effect," Medical & Biological Engineering & Computing, vol. 41(5), pp. 516-518, 2003）。宮脇らはこれを拡張し、８字コイルの 限局性を高めた偏心８字コイルに対して異方向の積層鉄鋼板を組み合わせることで、磁気刺激効果を大 きく高めることができることを報告している（K. Yamamoto, Y. Miyawaki, Y. Saitoh, and M. Sekino, “Improvement in Efficiency of Tran- scranial Magnetic Stimulator Coil by Combination of Iron Core Plates Laminated in Different Directions,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 52, 2016）。この基本的な原理は、導線に対して垂直方向に積層した鉄鋼板は導線直下の誘導電場を高める効果をもたらし、逆に導線に対して平行方向に積層した鉄鋼板は、大きな損失電流が鉄鋼板内に発生することにより導線直下の誘導電場を減衰させる効果をもたらす、という点にある。宮脇らは、偏心８字コイルの外側については縦向きの積層を、内側は横向きの積層を施した鉄鋼板を用意することで、刺激を強めたい中央部の誘導電場を大きくし、刺激が不要な外縁部の誘導電場を小さくすることで、刺激強度を最大に高めることができるという結果を得ている。
【００８３】  この変形例では、この結果に倣い、本実施形態の Double-D コイルにおける刺激不要点の誘導電場を減弱させ、また中央部における誘導電場を増幅することを目的とし、Double-D コイルとコア部材３３としての積層鉄鋼板を組み合わせたモデルについて検証を行う。
【００８４】  （シミュレーション条件）  鉄鋼板の効果をシミュレーションする必要があるため、すベて有限要素法により計算を行った。Double- D コイルの巻数は14とした。コア部材３３は、図１７に示すように Double-D コイルの形状に沿い、コイル全体をカバーするような形状となっている。なお、図１７は、コア部材３３のみを切断した状態を示している。導体半球は半径 75mm、空気領域は半径 150mm とした。ここでは、コイルにより周囲に発生する磁束を正確に計算シミュレーションするため、十分な広さを持つ空気領域を設定した。鉄鋼の導電率を非積層方向に 107 とし、積層方向には 10-7 とした。比透磁率は珪素鋼板を仮定して最大磁束密度が約 2T で飽和するという仮定で、図１８のように非線形的に設定した。鉄鋼の厚みは 5mm とした。表皮効果により、下記式（４）から、σ = 107S/m、f = 3.15kHz とすると、磁束の浸透は 40μm の深さまでにしか起こらないと考えられ、この 5mm という厚みはこれに対して十分大きい。積層方向は、コア部材３３の中央から 44mm の部分までを導線（作用部３１１ａ）に対して垂直に鉄鋼板（…第１コア体３３１ａに対応）が並ぶ方向（横積層）、それより外側においては導線に対して平行に鉄鋼板（…第２コア体３３２ａに対応）が並ぶ方向（縦積層）となるように設定した。コイルに流す電流は 5.3kA、3.15kHz とした。第１コア体３３１ａの間の部分３３１ｂと、第２コア体３３２ａの間の部分３３２ｂとは、比透磁率の小さい材質から構成されている。
【００８５】
2017150490.tif 000007
【００８６】  （結果・考察）  得られた誘導電場の様子を図１９に示す。また半球表面から深さ 1mm における誘導電場の強度を図２０に示す。図２０における第一ピーク (Double-D コイルの側部導線（接続部３１１ｂ）の直下にあたる部分) の誘導電場強度は、 異方向鉄鋼板を配置しない場合は 86.6V/m であった一方で、鉄鋼板を配置した場合 60.2V/m となった。 また、第二ピークとして中央に発生する誘導電場の最大強度は、鉄鋼板を配置しない場合は238.7V/m、配置した場合は 292.0V/m となった。インダクタンスの値については、コア部材がない状態で 7.4μH であったのに対して、コア部材（積層鉄）を配置すると 1904μH となった。
【００８７】  この結果より、Double-D コイルにおいても、異方向積層鉄鋼板を利用することで刺激不要点の誘導電場をうまく抑制することができ、また刺激中央点における電場強度は大きく向上できることがわかる。しかしながら、インダクタンスの値が非常に大きいため、通常の駆動回路には接続できないと考えられる。これを回避するためには、インダクタンスの値を下げることを意図して、鉄鋼板をより小さく、薄くしていく必要があると考えられる。もしくは Peterchev らが提案するような、インダクタンスの値に依らず波長を任意に変更できる応用的な駆動回路の利用を想定する必要がある（A. V. Peterchev, R. Jalinous, and S. H. Lisanby, “A Transcranial Magnetic Stimulator Inducing Near-Rectangular Pulses With Controllable Pulse Width (cTMS),” IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 55, 2008, pp.257-266）。
【００８８】  変形例の装置は、下記のように表現できる。
【００８９】  （Ａ１）  コア部材３３は、第１〜第Ｎのターンにより生成される磁気回路の磁気抵抗を軽減する構成となっており、かつ、前記コア部材は、作用部３１１ａを挟んで対象物１とは反対側となる位置に配置されているコイル。
【００９０】  （Ａ２）  コア部材３３は、比透磁率の異なる複数の領域（３３１ａ、３３１ｂ、３３２ａ、３３２ｂ）を有することを特徴とする項目Ａ１に記載のコイル。
【００９１】  （Ａ３）  前記コア部材３３は、作用部３１１ａに対向する位置に配置される第１部分３３１と、接続部３１１ｂに対向する位置に配置される第２部分３３２とを備えており、第１部分３３１は、作用部３１１ａの延長方向と非平行な（又は直交する）方向に延長された複数の長尺状の第１コア体３３１ａを備えており、第２部分３３２は、作用部３１１ａの延長方向とほぼ平行となる方向に延長された複数の長尺状の第２コア体３３２ａを備えている項目Ａ１又はＡ２に記載のコイル。
【００９２】  （実施例２…実測による特性評価）  実施例２では、実施形態として説明した巻数 14、内径幅 14mm の Double-D コイルについて、実際に製作を行い、通電・測定実験を行った結果を示す。この実施例２では、コイル３１を構成するための導線として、幅 0.8mm、高さ 4mm の錫めっき網組銅線を2枚重ねたものを用い、これを支持体３２上面の溝に嵌め込んだ。導線の実効断面積は3.4mm2となる。このような２枚重ねの網組銅線を用いることで、平易に巻線でき、かつ、電流路の重心を低くすることができる。
【００９３】  結果を下記の表４に示す。
【００９４】
【表４】
2017150490.tif 000008
【００９５】  本実施形態のコイルのインダクタンスは 10.3μH であった。市販の円形コイル（MagPro 社の円形コイルC100）は 9.6μH、８字コイルは 12.1μH であった。このことより、本実施形態のコイルは、既存コイルとほぼ同等のインダクタンス特性を持ち、既存の電源装置に適用可能であることがわかる。
【００９６】  （直流電流を通電した際の静磁場測定）  駆動回路によって発生される磁束密度の最大値は、直流電流により発生される静磁場での磁束密度の値に近似できる。そのため、コイルに直流電流を印加した際の静磁場を測定することで、駆動時の磁束密度を予測できる。ここでは駆動回路を用いて通電する前の事前実験として、本実施形態のコイルと比較用の８字コイルに直流電流を流し、発生する静磁場を測定した。
【００９７】  （実験条件）  コイル自体に寄生抵抗があることを踏まえ、定電流源にコイルを直接接続して測定を行った。電源は TEXIO 社 PAR18-6A を用いた。静磁場測定用のガウスメータとして、HIRST magnetic Instruments 社の GM07 を用いた。
【００９８】  （結果・考察）  結果を図２１に示す。5A の定電流によって発生される磁束密度は、コイル表面から 0mm から 20mm においては、８字コイルの方が高い値であった。一方で、コイル表面から 20mm より離れた地点におい て、Double-D コイルは８字コイルより強い磁場を発生した。なおコイル表面から 20mm の地点における磁束密度の値は８字コイルでは 0.33mT、Double-D コイルでは 0.32mT であった。
【００９９】  これらの結果を踏まえ、併せて、頭皮表面から灰白質表面までの距離が平均的に 20mm 程度であることを考えると、Double-D コイルによる灰白質神経群に対する刺激強度は８字コイルのそれとほぼ同等となることが分かる。これは図１６のシミュレーション結果におおよそ合致する。但し、シミュレーションでは Double-D コイルによる磁束密度が８字コイルより高くなるのが 16mm 以降であった点を踏まえると、多少の誤差がある。これは、シミュレーションモデルと実機との間の若干の差異によるものと考えられる。
【０１００】  （実際の駆動回路を用いた印加電流・動磁場の測定）  作成した Double-D コイルを商用の駆動回路に接続し、通電試験と動磁場の測定を行った。
【０１０１】  （実験条件）  駆動回路には MagVenture 社の MagProCompact を用いた。電流計としてPEARSON Electronics 社のカレントモニタ 4418 を用い、オシロスコープを接続して電流波形を記録した。磁場は、外径 7.6mm で 6 回巻きのサーチコイル (実効面積 272mm2) を作成し コイル上に位置させ、オシロスコープに接続して瞬時磁束密度の波形を記録した。サーチコイルの位置は、８字コイル、Double-D コイルの中央において、接触部を 0mm として 30mm の距離まで、5mm ずつ測定点を取った。これに加え磁束密度の最大値として、得られる瞬時磁場の 1/4 周期までの積分値を求めた上で、駆動電流値を 1kA として規格化し比較を行った。
【０１０２】  （結果1・考察 - 通電時の電流波形）  測定時の８字コイルの電流振幅は 1.9kA、Double-D コイルの電流振幅は 1.4kA であった。振幅を 1kA として規格化した８字コイル、Double-D コイルの電流波形を図２２に示す。８字コイルによる電流波長が 295μs であり、Double-D コイルによる波長は 283μs であった。また、コイルの寄生抵抗による減衰は、それぞれの振幅の第一ピークの絶対値を 1 として、第二ピークの値が８字コイルでは 0.875、 Double-D コイルでは 0.806 であった。
【０１０３】  波長について、Double-D コイルは８字コイルと同様の波形の三相性パルスが発生でき、インダクタンスの値に留意して設計した結果として、300μs より短い波長が得られている。このことより、波長という観点から、確かに脳神経の刺激が可能である。
【０１０４】  また、電流波形の減衰から寄生抵抗 R の値を求めることができる。第一ピークの値 を I1  第二ピークの値を I2 とすると、ＲＬＣ直列回路における抵抗Ｒは以下のように表せる。
【０１０５】 2017150490.tif 000009
【０１０６】  ここでＴは電流の波長であり、Ｔ＝２π×√（ＬＣ）で表せる。また、Ｌ：回路のインダクタンスＣ：回路のキャパシタンスである。
【０１０７】  これに測定したインダクタンスと得られた波長を代入すると、８字コイルの抵抗が 17.0mΩ、Double-D コイルの抵抗が 21.0mΩとなった。その理由は、Double-D コイルでは、巻線の長さがおおよそ８字コイルに等しい一方で、巻線として、断面積の小さい網組導線を用いているためである。寄生抵抗の値が高いことにより、高頻度連続通電時のコイル加熱は早くなることが懸念されるため、巻線の断面積を大きくする方向での改良は好ましいと考えられる。しかしながら、先述した通り同一の誘導電場強度を灰白質に与えるための印加電流は Double-D コイルのほうが小さく済むため、実際の加熱速度は同程度になることが予測できる。また、波形として減衰はそれほど大きくなく既存のものに近いことにより、少なくとも単発での神経刺激は十分可能であると考えて良い。
【０１０８】  （結果2・考察 - 通電時の瞬時磁束密度の波形と、最大磁束密度の値）８字コイル、Double-D コイルの表面から 15mm 位置での瞬時磁場 (dB/dt) を、1kA 通電時として規格化したものの波形を図２３に示す。図のように、８字コイルと同強度の瞬時磁束密度が得られた。このことより、磁場強度という観点からも、確かに脳神経の刺激が可能である。また、コイル表面からの距離に対して、瞬時磁場の強度から求められた磁束密度の値を 5kA 相当に定数倍したものを図２４に示す。この結果は、図１６のシミュレーションともほぼ合致する結果であり、Double-D コイルにおいて８字コイル同様の強い誘導電場を得ることができることを示すものである。また静磁場での測定とも、非常に近い結果が得られている。そして厳密には静磁場測定の場合と同様、８字コイルよりも Double-D コイルの磁束密度が強くなる距離については、シミュレーションでは位置 17mm であったが、実測では 20mm と、若干のずれがある。これは、シミュレーションモデルと実際作製された装置との寸法等の差異によるもので、本質的なものではないと評価できる。
【０１０９】  （補足）  以下では、前記実施形態の動作確認のために使用した、オリジナルのシミュレーションソフトウェアについて説明する。このソフトウェアでは、コイルの形状を電流ベクトルの集合として入力し、導体に発生する誘導電流を求めることが可能となっている。これに脳MRI画像データを取り込むことで、複数種類の導体を含むような形状が複雑なモデルに対しても、シミュレーションが可能である。
【０１１０】  ここではまず本ソフトウェアの原理を概説する。SPFD 法では、誘導電場を動磁場により発生させる対象物を微小直方体に分割し、各微小体積に発生する誘導電場を磁気ベクトルポテンシャルの差分方程式の解として得ることができる（T. W. Dawson and M. A. Stuchly, “Analytic validation of a three-dimensional scalar-potential finite-difference code for low-frequency magnetic induction," Applied Computational Electro-magnetics Society Journal, Vol. 16, pp. 63-71, 1996）。まず、コイルにより発生する電場 E を磁気ベクトルポテンシャル A0 及びスカラーポテンシャル ∇φ を用いて表すと以下となる。
【０１１１】
2017150490.tif 000010
【０１１２】  また、電流連続の式及びオームの法則より、誘導される電流密度 J と電場 E、導電率σに対して以下の式が成り立つ。
【０１１３】
2017150490.tif 000011
【０１１４】  以上の2式より、以下の式が成立する。
【０１１５】 2017150490.tif 000012
【０１１６】  ここで微小六面体を仮定し、Sn を各直線のコンダクタンス、ln を各直線の長さ、φn を節点 n におけるスカラーポテンシャル、A0n を節点 0 と節点 n を結ぶ方向成分の磁気ベクトルポテンシャルとする。上式を離散化すると、これらの値に対して以下の式が成り立つ。
【０１１７】
2017150490.tif 000013
【０１１８】  この式をボクセル全体について解くことにより、誘導電場を求めることができる。
【０１１９】  前記したように、本実施形態のコイル及びそれを用いた磁気刺激装置によれば、ドーム型コイルと同様の広い誘導電場をとることができ、かつ、ドーム型コイルと同程度の印加電流でより強い誘導電場を発生でき、しかも、インダクタンスを小さい値に抑えることができるコイルを提供することができるという利点がある。
【０１２０】  （第２実施形態）  つぎに、本発明の第２実施形態に係る磁気刺激装置を、図２５〜図２７を参照しながら説明する。なお、すでに説明した前記実施形態の磁気刺激装置と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、説明の重複を避ける。
【０１２１】  本実施形態の磁気刺激装置では、装着部３０の支持体３２を構成する当接部３２１を、ほぼ平板状でかつ円形状に構成した。そして、鍔部３２２を、当接部３２１の周縁から頭部１の方向に傾斜するように延長させて形成した（図２６及び図２７参照）。
【０１２２】  図６に示すように当接部３２１の底面を球面とした場合において、仮に、頭部１の曲率が当接部３２１の底面の曲率よりも小さかった場合（つまり頭部１における装着面が平坦面に近かった場合）には、「片当たり」という現象を生じることがある。これは、支持体３２の下面周縁部の一端側が頭部１に当たっているが、他端側は頭部１から離間してしまっている状態である。この状態では、コイル３１と頭部１との位置関係を所期の通りに設定できず、所望の効果を発揮できないおそれがある。
【０１２３】  そこで、この第２実施形態では、当接部３２１の底面形状（すなわち支持体３２の下面の形状）を平坦面に近づける（すなわち扁平化する）ことにより、この問題に対応している。本実施形態においては、装着部３０を頭部１に装着する際に、当接部３２１の底面を頭部１の表面に接触させる。これにより、当接部３２１の中央付近を頭部１に密着させて位置決めすることができる。このため、本実施形態では、コイル３１と頭部１との位置関係を所期の通りに設定することができ、所望の磁気刺激を行うことができるという利点がある。ここで、この第２実施形態では、作用部３１１ａが配置される当接部３２１の上面形状も扁平化している。これにより、本実施形態の作用部３１１ａは、当接部３２１と対象物（頭部）１との接点における、対象物１の接平面にほぼ沿う方向に配置された状態となっている。対象物１の表面がほぼ球面形状となっている場合には、当接部３２１と対象物１とは一点（微小領域の面である場合を含む）で接し、少なくともこの接点近傍においては、この接平面は、対象物１の表面形状に近似した面を持つことになる。
【０１２４】  なお、この第２実施形態の装置の変形例を図２８に示す。前記した第２実施形態では、当接部３２１と鍔部３２２とのなす角度を、当接部３２１の全周にわたり、一様に角度θ１（図２６参照）としていた。図２６における角度θ１は、図２５におけるＸ−Ｘ’方向での当接部３２１と鍔部３２２とのなす角度である。これに対して、この変形例では、Ｙ−Ｙ’方向での当接部３２１と鍔部３２２とのなす角度をθ２とすると、θ１＞θ２としている。つまり、この変形例では、当接部３２１と鍔部３２２とのなす角を場所により異ならせている。これにより、この変形例では、支持体３２を頭部１に装着する際に、鍔部３２２と頭部１との干渉の可能性を減らすことができるという利点がある。
【０１２５】  この第２実施形態における他の構成及び利点は、前記した実施形態と同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
【０１２６】  （第３実施形態）  つぎに、本発明の第３実施形態に係る磁気刺激装置を、図２９〜図３０を参照しながら説明する。なお、すでに説明した第２実施形態の磁気刺激装置と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、説明の重複を避ける。
【０１２７】  本実施形態の磁気刺激装置では、装着部３０の支持体３２を構成する当接部３２１を、ほぼ平板状でかつ楕円状に構成した。
【０１２８】  なお、この第３実施形態の装置の変形例を図３２に示す。前記した第３実施形態では、当接部３２１と鍔部３２２とのなす角度を一様にθ１としていた（図３０参照）。これに対してこの変形例では、θ１＞θ２のように、位置によりこの角度を異ならせている。
【０１２９】  この第３実施形態における他の構成及び利点は、前記した第２実施形態と同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
【０１３０】  （第４実施形態）  つぎに、本発明の第４実施形態に係る磁気刺激装置を、図３３〜図３５を参照しながら説明する。なお、すでに説明した第２実施形態の磁気刺激装置と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、説明の重複を避ける。
【０１３１】  本実施形態の磁気刺激装置では、鍔部３２２を、当接部３２１の周縁から、当接部３２１の延長方向と同じ方向に延長させて構成した。これにより、本実施形態では、支持体３２の全体として、一枚の円板形状となっている。
【０１３２】  この第４実施形態における他の構成及び利点は、前記した第２実施形態と同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
【０１３３】  （実施例３）  前記した第４実施形態のコイル３１の構成を前提にしてシミュレーションを行った。シミュレーション条件は、前記した実施例１と基本的に同様とした。ただし、この実施例３では、対象物：半径100 mmの半球導体空気領域：半径200mmコイルを構成する導体の導電率：0.106 S/mとした点が前記実施例１でのシミュレーション条件と異なる。
【０１３４】  結果を下記表５に示す。この表では、実施例３のコイルを「Ｆ−Ｄコイル」とした。また、比較のため、実施例１のコイルでの結果を「Ｄ−Ｄコイル」、前記した表３の８字コイルと同様に構成した８字コイルでの結果を「８字コイル」として示した。さらに、これらのコイルにおける、半球モデルでの電場の広がりを図３６〜図３８に示す。
【０１３５】
【表５】
2017150490.tif 000014
【０１３６】  なお、この表５において「電場の広がり」とは、最大電場強度の１／２以上が誘導されているエリアの中心長さとした。さらに、これらのコイルにおける脳表面の誘導電波分布を図３９に、深さ方向での磁束密度の分布を図４０に示す。
【０１３７】  これらの結果から、実施例３に係るＦ−Ｄコイルは、実施例１のＤ−Ｄコイルとほぼ同様の電場の広がりを持つことがわかる。さらに、頭部表面（つまり当接部３２１と対象物１との接点）から約２０ｍｍより深い位置においては、実施例３のＦ−Ｄコイルは、従来の８字コイルとほぼ同等の磁束密度を有することがわかる。したがって、実施例３のＦ−Ｄコイルによれば、実施例１のコイルと同様のロバスト性を有しつつ、従来の８字コイルと同程度の磁気刺激を行うことができるという利点がある。
【０１３８】  なお、本発明の内容は、前記各実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。
【０１３９】  例えば、前記各実施形態では、対象物として人体の頭部としたが、適宜な生体（動物を含む）とすることができる。なお、この明細書において、動物とはヒトを含む意味で用いている。
【符号の説明】
【０１４０】  １  対象物（対象者の頭部）  １０  電源部  ２０  ケーブル  ３０  装着部  ３１  コイル  ３１１〜３１Ｎ  ターン  ３１１ａ  作用部（作用導線部）  ３１１ｂ  接続部（接続導線部）  ３２  支持体  ３２１  当接部  ３２１ａ  当接部上の溝  ３２２  鍔部  ３２２ａ  鍔部上の溝  ３３  コア部材  ３３１  第１部分  ３３１ａ  第１コア体  ３３１ｂ  低透磁率部分  ３３２  第２部分  ３３２ａ  第２コア体  ３３２ｂ  低透磁率部分  ａ  作用部と接続部との間の間隔
【図１】
2017150490.tif 000015
【図２】
2017150490.tif 000016
【図３】
2017150490.tif 000017
【図４】
2017150490.tif 000018
【図５】
2017150490.tif 000019
【図６】
2017150490.tif 000020
【図７】
2017150490.tif 000021
【図８】
2017150490.tif 000022
【図９】
2017150490.tif 000023
【図１０】
2017150490.tif 000024
【図１１】
2017150490.tif 000025
【図１２】
2017150490.tif 000026
【図１３】
2017150490.tif 000027
【図１４】
2017150490.tif 000028
【図１５】
2017150490.tif 000029
【図１６】
2017150490.tif 000030
【図１７】
2017150490.tif 000031
【図１８】
2017150490.tif 000032
【図１９】
2017150490.tif 000033
【図２０】
2017150490.tif 000034
【図２１】
2017150490.tif 000035
【図２２】
2017150490.tif 000036
【図２３】
2017150490.tif 000037
【図２４】
2017150490.tif 000038
【図２５】
2017150490.tif 000039
【図２６】
2017150490.tif 000040
【図２７】
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【図２８】
2017150490.tif 000042
【図２９】
2017150490.tif 000043
【図３０】
2017150490.tif 000044
【図３１】
2017150490.tif 000045
【図３２】
2017150490.tif 000046
【図３３】
2017150490.tif 000047
【図３４】
2017150490.tif 000048
【図３５】
2017150490.tif 000049
【図３６】
2017150490.tif 000050
【図３７】
2017150490.tif 000051
【図３８】
2017150490.tif 000052
【図３９】
2017150490.tif 000053
【図４０】
2017150490.tif 000054
【国際調査報告】
2017150490.tif 000055
2017150490.tif 000056
2017150490.tif 000057
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