(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の脳内に刺激電流を誘導するための導線部を有する治療用磁気コイルユニットであって、
前記導線部を嵌め込むことにより当該導線部が渦巻状の形状となるように形成された構造部を有し、且つ、前記構造部は、前記導線部を２個の渦巻導線部に形成し、それぞれの前記渦巻導線部は、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付く方向に偏心させて構成されているコイルケースを備えたことを特徴とする、治療用磁気コイルユニット。
【請求項２】
前記２個の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の一部が他方の渦巻導線部の一部と互いに略並行をなして重なり合うように形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の治療用磁気コイルユニット。
【請求項３】
前記２個の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の外周部が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心あるいはその付近に至るまで重なり合っている、ことを特徴とする請求項２に記載の治療用磁気コイルユニット。
【請求項４】
前記２個の渦巻導線部が、所定の角度を挟んで山形をなすように傾斜している、ことを特徴とする請求項１から３の何れか一に記載の治療用磁気コイルユニット。
【請求項５】
前記導線部は、断面形状が四角形である導線によって巻き上げられていることを特徴とする、請求項１から４の何れか一に記載の治療用磁気コイルユニット。
【請求項６】
前記導線部は、複数の金属線を寄り合わせて構成した導線を用いて巻き上げられていることを特徴とする、請求項１から５の何れか一に記載の治療用磁気コイルユニット。
【請求項７】
前記導線部は、患者頭部の表面形状に沿うよう曲面を形成してなることを特徴とする、請求項１から６の何れか一に記載の治療用磁気コイルユニット。
【請求項８】
前記曲面は、球面の一部で形成されたことを特徴とする、請求項７に記載の治療用磁気コイルユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界を生成する磁気コイル、特に、複数の渦巻導線部で構成された磁気コイル、或いは複数の渦巻導線部が所定の軸線の周りに立体的に配置された磁気コイル、並びにかかる磁気コイルを備えた経頭蓋磁気刺激装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薬物治療が必ずしも有効でない数多くの神経疾患患者に対する治療法として、経頭蓋磁気刺激療法への関心が高まっている。この経頭蓋磁気刺激療法は、患者の頭皮表面に配置した磁場発生源により脳の特定部位（例えば、脳内神経）に磁気刺激を加えることによって、治療及び／又は症状の緩和を図ることができる比較的新しい治療法であり、開頭手術が必要で患者の抵抗感が非常に強い留置電極を用いる従来の電気刺激法とは違って、非侵襲的で患者への負担が少なくて済む治療法として普及が期待されている。
治療の他にも、経頭蓋磁気刺激は神経疾患の診断を目的として利用されており、診断用の経頭蓋磁気刺激装置が実用化されている。さらに、磁気刺激によって、脳の特定の部位の活動を誘発、あるいは一時的に妨げることができるため、脳機能の基礎研究においても利用が進んでいる。
【０００３】
かかる経頭蓋磁気刺激療法の具体的な手法としては、患者の頭皮表面に設置した治療用コイルに電流を流してパルス磁場を生じさせ、電磁誘導の原理を利用して頭蓋内に局所的な渦電流を起こすことにより、コイル直下の脳内神経に刺激を与える方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１においては、かかる方法で施した経頭蓋磁気刺激治療により難治性の神経障害性疼痛が有効に軽減され、更に、より正確な局所刺激がより高い疼痛軽減効果を実現することが確認されている。但し、最適刺激部位は個々の患者によって微妙に異なることも明らかにされている。
【０００４】
また、前記特許文献１においては、上述の経頭蓋磁気刺激治療を行うと、疼痛軽減効果は、数時間程度は持続するが、数日間あるいはそれ以上持続するまでには至らないことが明らかにされている。従って、あまり時間間隔を空けずに、できれば毎日、継続的に上記療法を行うことが疼痛軽減の観点からは望ましいとされている。このような継続的な治療を、患者に過度の身体的，時間的等の様々な負担を強いること無く行えるようにするには、在宅、或いは近所のかかりつけの医院等での継続反復した治療を可能とすることが理想的である。
しかしながら、従来では、経頭蓋磁気刺激療法に用いられる磁気刺激装置は何れも、熟練した専門医師等による検査や研究用に、比較的大規模な病院や研究機関で用いることを前提としているので、かなり大掛かりで高価なものとなる。このため、患者個人の自宅や比較的小規模な医院や診療所等では、コスト負担が過大であるばかりでなく、設置スペースを確保することも一般に困難である。
【０００５】
経頭蓋磁気刺激療法に用いられる磁気刺激装置は、電磁誘導の原理を利用して頭蓋内に渦電流を起こすための治療用の磁気コイルと、この磁気コイルに流す電流を供給するための駆動回路を備えたコイル駆動装置とを主要部として構成されており、このコイル駆動装置が、全装置の重量およびサイズの殆どを占めている。従って、コイル駆動装置を小型化できれば、実質的に磁気刺激装置を小型化できることになる。
【０００６】
コイル駆動装置の小型化を図るための有力な方策の一つとして、磁気コイルによる磁場発生の効率を高めて、より出力の低い駆動回路でも、脳内の標的部位に所要の強度の渦電流を起こすことができるようにすることが考えられる。より低出力の駆動回路の適用が可能になれば、駆動回路自体の小型化は勿論、その関連部品の小型化も可能になり、ひいてはコイル駆動装置全体の小型化および低コスト化に大きく貢献することができる。
【０００７】
コイル駆動装置の小型化を直接に意識したものではないが、前記特許文献１には、２つの円形の渦巻き形コイル部分を同一平面上で数字の「８」の字型に並べた、所謂、８の字型渦巻きコイルを経頭蓋磁気刺激療法に用いることが紹介されている。この８の字型渦巻きコイルでは、８の字の交点に相当する点直下にて誘導電流密度が最大となり、限局した刺激を効率良くもたらすのに好適であるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００７／１２３１４７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来では、経頭蓋磁気刺激療法に用いられるコイル駆動装置は、あくまでも、かなり大規模な医療機関での使用を前提に製作されている関係上、高出力かつ高機能であるが、容積および総重量が過大であり（例えば、約７０ｋｇ程度）、また、消費電力が大きいため設置時には電気工事を必要とするなど、大型で製作コストも高く、また、比較的大きな設置スペースを要し、更に設置コストも高くなる、という難点があった。このため、特に、患者個人の自宅や比較的小規模な医院や診療所等に設置することを考えた場合、コスト負担が過大であるばかりでなく、設置スペースを確保することも一般に困難であった。
【００１０】
前述のように、磁気コイルによる磁場発生の効率を高めて、より低出力の駆動回路でも所要強度の渦電流を発生させることができるようにすることは、コイル駆動装置の小型化を図る上で有効である。
尚、このように磁気コイルによる磁場発生効率を高めて特定箇所で強い渦電流が得られるようにすることは、磁気刺激療法に用いられる治療用コイルのみならず、限局された箇所に所要強度の渦電流を発生させることが求められる他の種々の用途の磁気コイルについても同様に重要であり、更には、コイル駆動装置の小型化を図る場合に限らず、省エネルギ化の観点からも非常に有意義である。
【００１１】
そこで、本発明は、コイル形態を工夫することにより、比較的簡単な構成で、限局された箇所に所要強度の渦電流を効率良く発生させることができる磁気コイル、並びに経頭蓋磁気刺激装置を提供することを、基本的な目的としてなされたものである。
【００１２】
本願発明者らは、かかる目的を達成すべく鋭意研究開発を進める中で、渦巻コイルの渦中心を当該渦巻コイルの外周形状の中心から偏心させることにより、渦中心と外周形状の中心とを結ぶ直線に沿って、コイル巻線の間隔に疎密が生じることに起因してコイルへの通電により発生する誘導電流の密度にも偏りが生じ、このような誘導電流密度の偏りを旨く利用することにより、誘導電流密度が比較的均一で偏りが無い場合に比して、電流値が同じでも、限局された特定箇所により強い渦電流が発生し得ることを見出した。
【００１３】
図２６は、２個の渦巻導線部を平面視で横並びに配置し、各渦巻導線部の渦中心を偏心させた磁気コイル９０により、患者頭部Ｍｈの脳内の標的部位に所要の強度の渦電流を誘導する場合を模式的に示す説明図であり、図２７は、前記磁気コイル９０に代えて、従来型の所謂、８の字型渦巻きコイル１１０を用いて、患者頭部Ｍｈの脳内の標的部位に所要の強度の渦電流を誘導する場合を模式的に示す説明図である。
これらの図に示されるように、脳内に誘導される電流の経路は、コイル９０，１１０の巻線形状を脳に投影した形に近いものになる。
【００１４】
図２７に示される従来の８の字型渦巻きコイル１１０の場合には、各渦巻導線部１１０Ｊ，１１０Ｋは同心状に巻かれているが、図２６に示される磁気コイル９０の場合には、渦巻導線部１１０Ｊ，１１０Ｋは、お互いの巻線の渦中心が相互に近付く方向に偏心させて構成することにより、つまり、渦巻導線部９０Ｊ，９０Ｋの渦中心を当該渦巻導線部９０Ｊ，９０Ｋの外周形状の中心から中央側へ偏心させることにより、中央側でコイル巻線の間隔が密となり、コイル９０への通電により発生する誘導電流の密度も中央側で高くなる。その結果、図２７に示される従来の８の字型渦巻きコイル１１０の場合に比して、脳内に誘導される刺激電流も中央に集中し、標的部位を高い電流密度で刺激できる。若しくは、標的部位で同じ刺激電流密度を得るために、磁気コイル９０は、より小さいコイル電流で動作できる。
【００１５】
本願発明者らは、このように、コイル渦巻導線部の渦中心をコイル外形形状の中心から偏心させることによって生じる誘導電流密度の偏りを旨く利用すれば、電流値が同じでも、限局された特定箇所により強い渦電流が発生し得る点に着目することにより、比較的簡単な構成で、限局された箇所に所要強度の渦電流を効率良く発生させることができる磁気コイルの発明に至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本願の第１の発明に係る磁気コイルは、複数の渦巻導線部で構成された、磁界を生成する磁気コイルであって、少なくとも１組の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付く方向に偏心させて構成されている、ことを特徴としたものである。
【００１７】
また、本願の第２の発明に係る磁気コイルは、複数の渦巻導線部が所定の軸線の周りに立体的に配置された、磁界を生成する磁気コイルであって、少なくとも１組の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付く方向に偏心させて構成されている、ことを特徴としたものである。
【００１８】
これらの場合において、前記１組の渦巻導線部は、一方の渦巻導線部の一部が他方の渦巻導線部の一部と互いに略並行をなして重なり合うように構成することもできる。
【００１９】
この場合、この重なり合う部分について、一方の渦巻導線部の外周部が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心あるいはその付近に至るまで重なり合うようにしてもよい。
【００２０】
以上の場合において、前記１組の渦巻導線部が所定の角度を挟んで山形をなすように傾斜状に構成してもよい。
或いは、以上の場合において、前記１組の渦巻導線部が患者頭部の表面に沿うように、円柱面の一部や球面の一部などの曲面で構成してもよい。
【００２１】
また、以上の場合において、前記渦巻導線部の外周形状は、好ましくは、円形である。
【００２２】
更に、以上の場合において、前記複数の渦巻導線部は、断面形状が四角形である導線を用いて巻き上げられてもよい。
【００２３】
或いは、前記複数の渦巻導線部は、多数の金属線を寄り合わせて構成した導線を用いて巻き上げられてもよい。
或いは、前記複数の渦巻導線部は、テープ状の導線を電気的に絶縁させたうえで積層して構成した導線を用いて巻き上げられてもよい。
【００２４】
本願の第３の発明に係る経頭蓋磁気刺激装置は、患者の頭蓋内に渦電流を起こすための少なくとも１組の渦巻導線部を有する治療用磁気コイルを備えた、経頭蓋磁気刺激装置であって、前記渦巻導線部が、患者頭部の表面形状に沿うよう曲面を形成してなる、ことを特徴としたものである。
【００２５】
この場合において、前記曲面が円柱面の一部であってもよい。
【００２６】
或いは、前記曲面が球面の一部であってもよい。
【００２７】
以上の経頭蓋磁気刺激装置において、前記少なくとも１組の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付く方向に偏心させて構成されていてもよい。
【００２８】
また、本願の第３の発明に係る経頭蓋磁気刺激装置は、患者の頭蓋内に渦電流を起こすための少なくとも１組の渦巻導線部を有する治療用磁気コイルを備えた、経頭蓋磁気刺激装置であって、ａ）前記少なくとも１組の渦巻導線部をそれぞれ個別にまたは全体として収納するケースと、ｂ）前記ケースとの間に隙間が形成されるように当該ケースに装着されるカバーと、ｃ）前記カバーの所定部位に設けられた空気流入口から、前記隙間を経由して、前記カバーの他の部位に設けられた空気流出口へ、前記ケースを冷却するための空気流を強制的に流通させる空気流通手段と、を備えたことを特徴としたものである。
【００２９】
この場合において、前記隙間が、少なくとも前記ケースの患者頭部に近い側に設けられている、ことが好ましい。
【００３０】
特に、前記隙間が、前記ケースの患者頭部に近い側およびその反対側の双方に設けられている、ことがより好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
本願の第１の発明によれば、複数の渦巻導線部で構成された磁気コイルにおいて、少なくとも１組の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付く方向に偏心させて構成されているので、一方の渦巻導線部の渦中心と外周形状の中心とを結ぶ直線に沿って、コイル巻線の間隔に疎密が生じることになる。これにより、コイルへの通電により誘導電流を発生させる際には、一方の渦巻導線部のコイル巻線間隔の疎密に対応して、誘導電流の密度の高い領域が発生し、この領域で強い脳刺激が得られる。すなわち、複数の渦巻導線部で構成された磁気コイルについて、各渦巻導線部の形状および配置を工夫するだけの比較的簡単な構成で、限局された箇所に所要強度の脳刺激を効率良く発生させることができる。
【００３２】
また、本願の第２の発明によれば、複数の渦巻導線部が所定の軸線の周りに立体的に配置された磁気コイルにおいて、少なくとも１組の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付く方向に偏心させて構成されているので、一方の渦巻導線部の渦中心と外周形状の中心とを結ぶ直線に沿って、コイル巻線の間隔に疎密が生じることになる。これにより、コイルへの通電により誘導電流を発生させる際には、一方の渦巻導線部のコイル巻線間隔の疎密に対応して、誘導電流の密度の高い領域が発生し、この領域で強い脳刺激が得られる。すなわち、複数の渦巻導線部が所定の軸線の周りに立体的に配置された磁気コイルにおいても、各渦巻導線部の形状および配置を工夫するだけの比較的簡単な構成で、限局された箇所に所要強度の脳刺激を効率良く発生させることができる。
【００３３】
これらの場合において、前記１組の渦巻導線部を、一方の渦巻導線部の一部が他方の渦巻導線部の一部と互いに略並行をなして重なり合うように構成することにより、この重なり合った部分では、コイル通電時に発生する誘導電流の密度がより高くなり、より強い脳刺激を得ることが可能になる。
【００３４】
特に、この重なり合う部分について、一方の渦巻導線部の外周部が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心あるいはその付近に至るまで重なり合うように構成することにより、コイル巻線の間隔が密な部分どうしを最も広範囲に重ね合わせることができ、より効率良く強い渦電流を得ることができる。
【００３５】
以上の場合において、前記１組の渦巻導線部が所定の角度を挟んで山形をなすように傾斜状に構成することにより、（例えば人間の頭部のような）山形をなす対象物の表面形状に沿うようにして誘導電流を発生させることが可能になり、より効率的な磁場発生を実現することができる。或いは、以上の場合において、渦巻導線部を、患者頭部の表面に沿うように円柱面の一部や球面の一部などの曲面で構成しても、同様に、効率的な磁場発生を実現することができる。
【００３６】
また、以上の場合において、前記渦巻導線部の外周形状を円形とすることで、最も通用性が高く、また、通電時の電気抵抗も低く抑えられる形状の渦巻導線部を備えた磁気コイルについて、以上の場合と同様の作用効果を奏することができる。
【００３７】
更に、以上の場合において、前記複数の渦巻導線部を、断面形状が四角形である導線を用い巻き上げて構成することにより、円形断面の場合に比して、コイル巻線間隔が同じでも断面積を大きく確保して大容量の電流を流すことができ、より効率的な磁場発生を実現することが可能になる。
【００３８】
或いは、以上の場合において、前記複数の渦巻導線部を、多数の金属線を寄り合わせて構成した導線を用いて巻き上げることにより、コイル巻線の柔軟性を高めて渦巻導線部の成形を容易に行うことができる。或いは、以上の場合において、前記複数の渦巻導線部を、テープ状の導線を電気的に絶縁させたうえで積層して構成した導線を用いて巻き上げることによっても、同様の効果を得ることができる。
【００３９】
本願の第３の発明によれば、治療用磁気コイルの渦巻導線部が患者頭部の表面形状に沿うよう曲面を形成してので、患者頭部の表面形状に沿うようにして誘導電流を発生させることができ、より効率的な磁場発生を実現することができる。
【００４０】
この場合において、前記曲面を円柱面の一部で構成することにより、簡単な構成で効率的な磁場発生を実現することができる。
【００４１】
或いは、前記曲面を球面の一部で構成することにより、簡単な構成でより一層効率的な磁場発生を実現することができる。
【００４２】
以上の経頭蓋磁気刺激装置において、前記少なくとも１組の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付く方向に偏心させて構成することにより、一方の渦巻導線部の渦中心と外周形状の中心とを結ぶ直線に沿って、コイル巻線の間隔に疎密が生じることになる。これにより、コイルへの通電により誘導電流を発生させる際には、一方の渦巻導線部のコイル巻線間隔の疎密に対応して、誘導電流の密度の高い領域が発生し、この領域で強い脳刺激が得られる。すなわち、複数の渦巻導線部で構成された磁気コイルについて、各渦巻導線部の形状および配置を工夫するだけの比較的簡単な構成で、限局された箇所に所要強度の脳刺激を効率良く発生させることができる。
【００４３】
また、本願の第４の発明によれば、治療用磁気コイルの渦巻導線部を収納するケースと当該ケースに装着されるカバーとの間に形成される隙間に、空気流を強制的に流通させて前記ケースを冷却することができるので、磁気刺激治療に伴って発熱する磁気コイルの渦巻導線部を効果的に冷却し、より高頻度の磁気刺激でも支障なく行えるようにすることができる。
【００４４】
この場合において、前記隙間を、少なくとも前記ケースの患者頭部に近い側に設けることにより、磁気コイルの患者頭部に近い側を確実に冷却することができる。
【００４５】
特に、前記隙間を、前記ケースの患者頭部に近い側およびその反対側の双方に設けることにより、磁気コイル全体を冷却して、より高い冷却効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施形態に係る磁気刺激装置の全体構成を概略的に示す説明図である。
【図２】前記磁気刺激装置のコイルユニットを拡大して示す斜視図である。
【図３】前記コイルユニットの磁気コイルを拡大して示す平面図である。
【図４】前記磁気コイルの形態を模式的に示す説明図である。
【図５】コンピュータシミュレーションによる本発明実施例に係る磁気コイルの効果の検証を説明するための図である。
【図６】前記コンピュータシミュレーションにおいて、脳を模擬する球体の内部における渦電流密度分布を、コイル面に平行な直線上で表示する図である。
【図７】前記コンピュータシミュレーションにおいて、脳を模擬する球体の内部における渦電流密度分布を、コイル面に垂直な直線上で表示する図である。
【図８】前記渦電流密度分布を、最大値によって規格化した上で示す図である。
【図９】前記コンピュータシミュレーションにおいて、結果から得られた電場分布を、脳を模擬する球体から２ｃｍ上方の直線上で表示する図である。
【図１０】試作コイルの一例を示す平面図である。
【図１１】前記試作コイルの駆動回路の一例を示す説明図である。
【図１２】ケースに掘った溝に導線をはめ込む方法によって製作された試作コイルの一例を示す斜視図である。
【図１３】強制空冷のための流路を備えた試作コイルの一例を示す斜視図である。
【図１４】前記試作コイルのインダクタンスと電気抵抗を例示する図である。
【図１５】磁場測定の実験に用いたサーチコイルを示す斜視図である。
【図１６】前記磁場測定の実験でのオシロスコープの記録波形の一例を示す図である。
【図１７】前記オシロスコープの記録波形から求めた発生磁場の波形を示す図である。
【図１８】磁場測定の実験から求めたコイル電流の波形と発生磁場の波形を示す図である。
【図１９】発生磁場の磁場分布の数値解析結果を示す図である。
【図２０】前記数値解析により求めたｙ＝０の平面上での磁場の強さの分布を示す図である。
【図２１】高頻度で磁気刺激を行ったときのコイルの温度変化の一例を示す図である。
【図２２】前記実施形態の第１変形例に係る偏心スパイラルコイルの形態を模式的に示す説明図である。
【図２３】前記実施形態の第２変形例に係る偏心スパイラルコイルの形態を模式的に示す正面図である。
【図２４】前記実施形態の第３変形例に係る偏心スパイラルコイルの形態を模式的に示す正面図である。
【図２５】前記実施形態の第４変形例に係る偏心スパイラルコイルの形態を模式的に示す正面図である。
【図２６】２個の渦巻導線部を平面視で横並びに配置し各渦巻導線部の渦中心を偏心させた磁気コイルにより、患者の脳内に渦電流を誘導する場合を模式的に示す説明図である。
【図２７】従来型の８の字型渦巻きコイルを用いて、患者の脳内に渦電流を誘導する場合を模式的に示す説明図である。
【図２８】コンピュータシミュレーションによって、脳内の渦電流と、コイルのインダクタンスを求めるための、計算モデルを示す説明図である。
【図２９】コンピュータシミュレーションから得られたコイルの周囲の磁束密度の等高線図の一例を示す図である。
【図３０】偏心度合いが異なる３種類のコイルを例示す平面図である。
【図３１】コンピュータシミュレーションにおいて、コイルの偏心度合い，外径，内径，巻数をそれぞれ変化させた場合の、コイルの電気的特性の変化を例示する図である。
【図３２】四つ葉状に配置された４個の渦巻導線部を備えた磁気コイルの一例を示す模式図である。
【図３３】立体配置された４個の渦巻導線部を備えた磁気コイルの一例を示す模式図である。
【図３４】立体配置された５個の渦巻導線部を備えた磁気コイルの一例を示す模式図である。
【図３５】立体配置された５個の渦巻導線部を備えた磁気コイルの他の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明の一実施形態について、経頭蓋磁気刺激療法に用いられる磁気刺激装置にて治療用コイルとして使用される磁気コイルに適用した場合を例にとって、添付図面を参照しながら説明する。
なお、以下の説明では、特定の方向を意味する用語（例えば、「上」、「下」、「左」、「右」、およびそれらを含む他の用語、「時計回り方向」、「反時計回り方向」）を使用するが、それらの使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の語義によって本発明が限定的に解釈されるべきものでない。また、以下に説明する磁気コイルでは、同一又は類似の構成部分には同一の符号を用いている。
【００４８】
図１は、経頭蓋磁気刺激療法に用いられる本実施形態に係る磁気刺激装置の全体構成を概略的に示す説明図である。この図において、その全体が数字符号１で表示される磁気刺激装置（以下、適宜、単に「装置」と略称する）は、治療用の椅子２に固定的に着座した患者Ｍ（被験者）の頭皮表面に配置したコイルユニット５に内包された磁気コイル（治療用コイル）２０により脳内神経に磁気刺激を加えることによって、治療及び／又は症状の緩和を図るものである。
【００４９】
前記磁気コイル２０は、患者Ｍの少なくとも脳の特定部位に磁気刺激を加えるための動磁場を発生するものであり、患者Ｍの頭部Ｍｈの表面に対して変位可能に操作することができるコイルユニット５内に固定されている。
尚、図１においては、コイルユニット５を把持し治療用コイル２０を患者頭皮に沿って変位させ、当該コイル２０の位置決めを行った後、当該コイル２０が不用意に移動することがないように、より好ましくは、コイルユニット５をホルダ固定具３に固定した状態が示されている。
【００５０】
磁気刺激装置１は、磁気コイル２０への電流パルスの供給を制御するために、コイル駆動回路（不図示）を内包したコイル駆動装置１０を備えている。このコイル駆動装置１０と磁気コイル２０とは、ケーブル１６を介して電気的に相互に接続されている。
コイル駆動装置１０は、例えば略直方体のボックス形状に形成された本体ケース１１を備え、この本体ケース１１に、前記ケーブル１６の装置側コネクタ１７が結合される端子部１２、操作者がコイル駆動装置１０のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）操作を行うための操作スイッチ部１３、磁気コイル２０に流す電流の強さまたは内部コンデンサの充電電圧，最大充電電圧に対するパーセント値などを表示する出力表示部１４など、が設けられている。尚、具体的には図示しなかったが、前記コイル駆動装置１０は、磁気コイル２０による磁気刺激の強度やサイクルを決定付ける電流パルスの強度やパルス波形の設定，パルス間隔，パルス回数等も、操作者によって行うことができるように構成されている。
【００５１】
前記コイルユニット５は、図２に拡大して示すように、磁気コイル２０の周囲を覆うコイルケース６を備えている。このコイルケース６には、前記ケーブル１６のコイル側コネクタ１８が結合される端子台７が形成されていてもよい。このように端子台７を設ける代わりに、図３に示すように、コイル２０Ｊ，２０Ｋから延長して引き出したコイル巻線２１の引き出し部分２２Ｊ，２２Ｋと、磁気コイル２０と駆動回路（不図示）とを接続するケーブル１６の芯材１６Ｊ，１６Ｋとを収納したグリップ９を設けてもよい。この場合、ケーブル１６の芯材１６Ｊ，１６Ｋは、曲がりやすいように、複数の細い導線を束ねた寄り線（より好ましくは、束ねた複数の細い導線を紙縒状に縒り合わせた縒り線）を採用しており、コイル巻線２１の引き出し部分２２Ｊ，２２Ｋとケーブル１６の芯材１６Ｊ，１６Ｋとは、グリップ９の内部で接続される。
【００５２】
コイルケース６は、磁気コイル２０の巻線と患者Ｍとの間での絶縁を確保して感電を防止する役割を果たすもので、所定の成形型（不図示）内に磁気コイル２０を位置決めして配置した上で、溶融状態にある所要特性（少なくとも電気絶縁性と１００℃程度までの耐熱性）を有する樹脂材料８を成形型内に充填して固化させることによって、磁気コイル２０と一体的に形成される。このように、樹脂８と一体形成されることにより、磁気コイル２０の巻線２１がコイルケース６内で確実に固定され、また、巻線形状の（つまりコイル形状の）歪み等の変形の発生も抑制することもできる。
なお、磁気コイル２０を成形する別の方法として、コイルケース６に渦巻型の溝を彫り、この溝に巻線２１を嵌め込んでいくこともできる。この場合、コイル２０自体が偏心渦巻状の複雑な形状を保持する必要が無いため、磁気コイル２０の製作が容易になる。また、このように、溝に巻線２１を嵌め込んで磁気コイル２０を成形する場合、巻線２１の断面形状が四角形の方が円形断面よりも成形作業を容易に行うことができる。
【００５３】
本実施形態では、磁気コイル２０は、複数（本実施形態では２個）の渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋで構成された、磁界を生成する磁気コイルであって、少なくとも１組（本実施形態では、渦巻導線部は２個であるので１組）の渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋについて、一方の渦巻導線部２０Ｊ又は２０Ｋの巻線の渦中心Ｊｃ又はＫｃが他方の渦巻導線部２０Ｋ又は２０Ｊの巻線の渦中心Ｋｃ又はＪｃへ近付く方向に偏心させて構成されている。
より具体的に説明すれば、本実施形態では、磁気コイル２０は、複数（本実施形態では２個）の円形スパイラル状の渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋを、平面視で実質的に横並びとなるように配置して構成されている。このように、２個の渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋを平面視で実質的に横並びとなるように配置したことにより、コイル２０への通電時には、両渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋどうしが最も近接する箇所で強い渦電流が得られ、限局した刺激を効率良くもたらす上で好適である。
【００５４】
図４（ａ）〜（ｃ）は、磁気コイル２０の形態を模式的に示す説明図で、図４（ａ）は磁気コイル２０の平面図、図４（ｂ）は磁気コイル２０を矢印４ｂ，４ｂ方向から見て示した矢視図（正面図）、図４（ｃ）は磁気コイル２０を矢印４ｃ，４ｃ方向から見て示した矢視図（側面図）である。
【００５５】
これら図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態では、特に、各渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋは、各々の渦中心Ｊｃ，Ｋｃが、当該渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋの外周形状の中心Ｊｓ，Ｋｓから所定量偏心するように構成されている。しかも、これら２個の渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋは、渦中心Ｊｃ，Ｋｃ間の距離Ｄｃが外周形状の中心Ｊｓ，Ｋｓ間の距離Ｄｓよりも小さくなるように配置されている（Ｄｃ＜Ｄｓ）。つまり、この場合、各渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋの渦中心Ｊｃ，Ｋｃは、外周形状の中心Ｊｓ，Ｋｓから、それぞれ（Ｄｓ−Ｄｃ）／２だけ、お互いが近づく方向に偏心していることになる。
【００５６】
このように、平面視で実質的に横並びに配置された２個の渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋが、各渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋの渦中心Ｊｃ，Ｋｃが当該渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋの外周形状の中心Ｊｓ，Ｋｓから所定量偏心するように構成されているので、各渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋについて、渦中心Ｊｃ，Ｋｃと外周形状の中心Ｊｓ，Ｋｓとをそれぞれ結ぶ直線Ｌｃｓに沿って、コイル巻線２１の間隔に疎密が生じることになる。しかも、前記２個の渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋは、渦中心Ｊｃ，Ｋｃ間の距離Ｄｃが外周形状の中心Ｊｓ，Ｋｓ間の距離Ｄｓよりも小さくなるように配置されているので、コイル巻線２１の間隔が密な部分どうしが近接した配置となっている。
【００５７】
かかる配置により、磁気コイル２０に通電して誘導電流を発生させる際には、各渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋのコイル巻線２１の間隔の疎密に対応して、誘導電流の密度の高い領域どうしが近接した状態で発生し、この近接した箇所で強い脳刺激が得られる。すなわち、２個の渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋを有する磁気コイル２０について、各渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋの形状および配置を工夫するだけの比較的簡単な構成で、限局された箇所に所要強度の脳刺激を効率良く発生させることができるのである。
【００５８】
その結果、より小さいコイル駆動電流でも、つまり、より出力の低いコイル駆動回路（不図示）でも、患者頭部Ｍｈの脳内の標的部位に所要の強度の渦電流を起こすことができるようになる。そして、より低出力の駆動回路を用いることで、駆動回路自体の小型化は勿論、その関連部品の小型化も可能になり、ひいてはコイル駆動装置１０全体の小型化および低コスト化に大きく貢献することができる。また、消費電力も小さくできるので、設置時の電気工事も不要にすることも可能になる。すなわち、コイル駆動装置１０の小型化，低コスト化，省スペース化および設置性の向上、並びに省エネルギ化に寄与することができる。
【００５９】
しかも、本実施形態では、好ましくは、２個の隣り合う渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋは、当該渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋの一部どうしが、互いに略平行をなして重なり合うように配置されている。
かかる構成を採用したことにより、この重なり合った部分２０Ｑでは、コイル２０への通電時に発生する誘導電流の密度がより高くなり、より一層強い脳刺激を得ることが可能になる。
【００６０】
更に、この場合、より好ましくは、２個の隣り合う渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋは、この重なり合う部分２０Ｑについて、一方の渦巻導線部の外周部が他方の渦巻導線部の渦中心、或いはその付近に至るまで重なり合うように配置されている。すなわち、一方（図における左方）の渦巻導線部２０Ｊの外周部が他方（図における右方）の渦巻導線部２０Ｋの渦中心Ｋｃの付近に至るまで（より具体的には、渦中心Ｋｃを含む略円形空間部の内側外周に至るまで、また逆に、右方の渦巻導線部２０Ｋの外周部が左方の渦巻導線部２０Ｊの渦中心Ｊｃの付近に至るまで（より具体的には、渦中心Ｊｃを含む略円形空間部の内側外周に至るまで、重なり合うように構成されている。
かかる構成を採用したことにより、コイル巻線２１の間隔が密な部分どうしを最も広範囲に重ね合わせることができ、より効率良く強い渦電流を得ることが可能になる。
【００６１】
尚、隣り合う渦巻導線部の一部どうしを重ね合わせる場合、一方の渦巻導線部の外周部が他方の渦巻導線部の渦中心に至るまで、或いは渦中心を含む略円形空間部の外側外周に至るまで、重なり合うように、両渦巻導線部を配置してもよい。若しくは、一方の渦巻導線部の外周部が他方の渦巻導線部の渦中心を含む略円形空間部の内側外周まで至らない範囲で、渦中心の付近に至るまで重なり合うように配置してもよい。更には、一方の渦巻導線部の外周部と他方の渦巻導線部の渦中心との位置関係に拘らず、単に隣り合う渦巻導線部の一部どうしが重なり合うように構成することもできる。
【００６２】
［コンピュータシミュレーションによる検証］
本発明に係る磁気コイルについて、各渦巻導線部の渦中心を当該渦巻導線部の外周形状の中心から所定量偏心するように構成したことによる効果を、コンピュータシミュレーション手法を用いて検証した。
次に、このコンピュータシミュレーションによる検証について、図５を参照しながら説明する。
【００６３】
脳は複雑な立体構造を持っているが、上述の各渦巻導線部の渦中心の「偏心」による効果を見やすくするため、単純な球体で模擬した。磁気コイルが発生する磁場は空間的な対称性を持っており、その対称性を利用して計算量を低減するため、球体を８分割した計算モデルＮｍ１を作成した。さらに計算量の低減のため、中心部分を切り欠いて、最終的な脳のモデルとした。脳に相当する部分には、周波数３．１５ｋＨｚにおける灰白質の導電率である０．１０６Ｓ／ｍを割り当てた。
【００６４】
実際の脳の周りには頭蓋や頭皮が存在するが、頭蓋は脳に比べて非常に低い導電率を持っており、脳内の電流分布のみを考える限り、近似的には頭蓋とその外側の組織を絶縁体としてモデル化できる。図５には示されていないが、脳の周りには導電率がゼロで比透磁率が１の層を設けて、頭蓋やその周囲の組織，空気などをモデル化している。モデルＮｍ１の要素数は１７１６０である。
【００６５】
脳を模擬する１／８球モデルＮｍ１の上に、２個の渦巻導線部３０Ｊ，３０Ｋの各々について、渦中心が当該渦巻導線部の外周形状の中心から所定量偏心しており、２個の渦巻導線部３０Ｊ，３０Ｋが、渦中心間の距離が外周形状の中心間の距離よりも小さくなるように配置されている本発明実施例に該当する磁気コイル３０（以下、適宜、「偏心スパイラルコイル」と称する）と、従来型の同心状の渦巻導線部１００Ｊ，１００Ｋを２個備えた比較例に該当する磁気コイル１００とを、それぞれ置いた。
【００６６】
実際のコイルは渦巻形状に巻かれるが、モデル作成の単純化のため、円環の集合で近似を行った。２つのコイル３０，１００は共に、外径１００ｍｍ，内径２０ｍｍ，巻数１０回とした。脳内の誘導電流の集中をさらに高めるため、左右の巻線を一部オーバーラップさせている（つまり、平面視で重なり合うようにしている）。巻線の素線は、幅２ｍｍ，高さ６ｍｍであり、偏心スパイラルコイル３０については、中央部において隣り合う巻線が接触する限界まで偏心させた。各円環の周方向には３６個に要素分割を行っている。各磁気コイル３０，１００には、一般に脳の刺激に必要とされている４．６ｋＡ（キロアンペア）の駆動電流を与えた。
【００６７】
脳とその周囲の絶縁体層を構成する各計算要素の位置において、磁気コイル３０，１００が発生する磁場を、ビオ・サバールの法則に基づいて計算した。続いて、脳を模擬した導体の内部における誘導電流分布を、有限要素法によって計算した。解析には、市販の電磁場解析ソフトウェアPHOTO-EDDYjωを使用した。磁気刺激におけるパルス幅は３１７μｓ程度であり、その逆数をとった周波数は３．１５ｋＨｚとなる。そこで、磁気コイル３０，１００にはこの周波数の交流電流を通電したと仮定して、交流電磁場解析を行った。
【００６８】
計算を実行した結果、収束解が得られ、磁気コイル３０，１００の中央部の真下における球体の表層部に、強い電流が誘導された。球体内部における最大の電流密度は、比較例の従来型コイル１００（図５（ａ）参照）が８．５Ａ／ｍ２、本発明実施例の偏心スパイラルコイル３０が９．３Ａ／ｍ２であった。本発明のように、渦巻導線部の渦中心を当該渦巻導線部の外形形状の中心から偏心させることによって、脳内電流密度が１０％程度高められる結果となり、偏心スパイラルコイルの有効性が検証できた。
【００６９】
経頭蓋磁気刺激療法において脳を刺激して治療効果を得るためには、ある閾値以上の電流密度を脳内に発生させる必要がある。このために必要な磁気コイルの駆動電流が、偏心スパイラルコイル３０を用いることによって、従来型コイル１００を用いる場合に比べて小さくて済む。このことは、磁気コイルの刺激効率が高まることを意味しており、十分な治療効果を得るのに必要な脳内の刺激電流密度を、より小さな出力のコイル駆動回路でも達成できる。つまり、偏心スパイラルコイル３０を採用すれば、低出力のコイル駆動回路でも脳を十分に刺激できるため、より小型の回路部品を使用できるようになり、コイル駆動回路を含むコイル駆動装置のサイズ及び総重量を軽減することができる。また、大容量の特殊な電源も必要とせず、家庭用コンセント等からの給電も可能になる。
【００７０】
すなわち、偏心スパイラルコイル３０を採用することで、コイル駆動装置を構成する部品の低スペック化および小型化が可能になり、磁気刺激装置の総重量の大半を占めるコイル駆動装置の小型軽量化，低コスト化および設置性の向上に有効である、ことが確認できた。
【００７１】
シミュレーションによって得られた渦電流の分布を、コイル面に対して平行な方向（ｘ方向）と垂直方向（ｚ方向）についてプロットした。コイル面に平行な方向（ｘ方向）における渦電流の分布を図６に示す。偏心スパイラルコイルと従来型同心円コイルの両方において、コイルの中央直下において最も強い渦電流が得られていることが分かる。また、偏心スパイラルコイルから誘導される渦電流について、渦電流が最大値の半分になる幅（半値半幅）は２．４３ｃｍであった。一方、従来型同心円コイルの場合では、半値半幅は２．４９ｃｍであった。図７に、深さ方向（−ｚ方向）に対する渦電流密度の減衰の様子を示す。いずれのコイルの場合もコイルからの距離とともに減衰がみられた。こちらも同様にして半値幅を求めたところ、偏心スパイラルコイルでは１．８６ｃｍ、従来型同心円コイルでは１．８８ｃｍであった。
【００７２】
偏心スパイラルコイルと従来型同心円コイルの電流局在性を比較するために、渦電流密度を最大値で規格化してグラフを作成した。図８（ａ）にｚ＝−０．５ｃｍにおけるｘ方向の渦電流分布を示す。また、図８（ｂ）に−ｚ方向に対する渦電流密度分布を示す。2つのグラフから、脳内の渦電流分布の局在性は、コイル面に平行な方向および深さ方向についてほとんど変わらないことが分かった。
【００７３】
脳表面から２ｃｍ上方における、頭蓋あるいは頭皮の位置について、コイル面に沿った電場分布を図９（ａ）に示す。これより、偏心スパイラルコイルからは従来型同心円コイルよりも約１５％強い電場が発生していることが分かる。また、局在性を比較するために、最大値で規格化したグラフを図９（ｂ）に示す。偏心スパイラルコイルから誘導される電場の半値半幅は２．０１ｃｍ、同心円コイルから誘導される電場の半値半幅は２．３１ｃｍであった。脳とコイルの距離が離れているために、図８（ａ）では脳内渦電流分布にほとんど差が見られなかったが、コイル近傍における電場は、偏心スパイラルコイルの方が高い局在性を示す。
【００７４】
以上のように、脳内に誘導する渦電流の局在性は、偏心スパイラルコイルと従来型同心円コイルとで、ほぼ変わらないことが示された。難治性疼痛の治療においては、刺激対象は脳の一次運動野である。この場合は局所的な刺激が必要となるために、刺激の空間分解能は高い方が有効だと考えられるが、在宅治療においては高精度のコイルの位置決めが常に可能とは限らない。現在利用可能なナビゲーションシステムでは、最適位置からの誤差が５ｍｍ以内であるため、偏心スパイラルコイルの刺激空間分解能は５ｍｍより低いことが望ましい。解析から求められた渦電流密度の半値半幅は２ｃｍ余りであり、この要請を満たしている。
【００７５】
［コイルの試作１］
提案した偏心スパイラル形状に基づいて、図１０に示す磁気コイル４０を試作した。この磁気コイル２０の各渦巻導線部４０Ｊ，４０Ｋの外径は１００ｍｍ、内径は２０ｍｍ、巻数は１０回、導体の断面は２ｍｍ×６ｍｍの四角形である。巻線４１の形状は、以下の式（数１）及び（数２）で表される関数によって設計した。
【００７６】
【数１】
0005896109.tif 000002
【００７７】
【数２】
0005896109.tif 000003
【００７８】
ここでｘとｙの単位はｍｍであり、θは０≦θ≦２０πの範囲をとるものとする。この関数の描く曲線が、巻線導体４１の中心の軌跡を与える。コイル４０の巻線長は約３．７ｍである。コイル中央付近の、導体が密に巻かれる領域において、隣り合う導体のギャップは０．５ｍｍである。また、誘導電流をさらに高める効果を狙って、左右の巻線のオーバーラップを設けた。オーバーラップする領域の、上下の層のギャップは１ｍｍである。
【００７９】
偏心スパイラル形状は複雑であり、一本の平角導線から継ぎ目なく巻き、その形状を維持するのは容易ではない。そこで、厚さ６ｍｍの銅板から、蚊取り線香のように、ワイヤーカットによって巻線を切り出す加工法を採用した。この加工法によって、歪みがほとんど無い形状と寸法で、コイルの形状を加工することに成功した。ワイヤーカットを利用すると、巻線の加工を機械で自動的に行うことができるため、大量生産に適している。
ただし、ワイヤーカットは、素材の板から平面的に形状を切り出す加工法であるため、今回の磁気コイル４０のような立体的な形状を作成するためには、複数の部品に分割する必要がある。図１０のコイルは、左右２個のコイル巻線を含む計４個の部品から構成され、３か所の接合部Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３を持つ。うち２か所の接合部Ｎ１，Ｎ２は、左右の渦巻導線部４０Ｊ，４０Ｋの巻線中心に設けられており、もう1か所の接合部Ｎ３は右側の渦巻導線部４０Ｋの下方に位置している。コイル中央部の、導体が密になる個所では、導体同士の隙間に繊維強化プラスチックの小片（不図示）を挿入し、電気的な接触を防いでいる。コイル４０の下部には端子台４７を設けて、磁気コイル４０と駆動回路４９（図１１参照）とを結ぶケーブルを交換できるような設計とした。
【００８０】
磁気コイル４０の巻線導体４１を、ガラスエポキシ樹脂のケース４６に収納して、内部空間をエポキシ系樹脂４８で埋めることで、形状の維持と絶縁の確保を行った。ケース本体部の外寸は２００ｍｍ×１２０ｍｍ×２１ｍｍである。巻線導体４１と脳との距離を縮められるよう、図１０の底面のケース４６の厚さは１ｍｍとした。端子台４７に、長さ１ｍのケーブル（不図示）を接続し、その先端に２極のコネクタを取り付け、コイルが完成した。ケーブルは４芯のものを利用し、正負の方向に流れる電流をそれぞれ２芯ずつに割り当てた。
【００８１】
駆動回路４９の基本的な構成は、図１１に示すように、交流２００Ｖから各コンポーネントで必要な電圧を生成する電源回路４９Ａ、コンデンサ４９Ｃを充電するための直流高電圧を生成するための昇圧回路４９Ｂ、磁気コイル４０に供給する電荷を蓄積するコンデンサ４９Ｃ、コンデンサ４９Ｃの充電電流を調整する抵抗４９Ｄ、パルス磁界発生のタイミングを制御するための半導体スイッチ４９Ｅから成る。半導体スイッチ４９Ｅは、サイリスタとダイオードを逆向きに並列接続したもので、制御信号によってサイリスタがターンオンした後で、磁気コイル４０には正弦波の一周期分すなわち二相性の電流が流れる。
【００８２】
駆動回路４９のケースには、コイルのケーブルを接続するコネクタ、電源スイッチ、刺激動作をコントロールするスイッチ類、内部コンデンサの充電電圧を調整するダイヤルと、設定値を表示する目盛りを備えている。刺激動作は、単発、毎秒５パルス、毎秒１０パルスの間で切り替えが可能である。連発動作を行う場合には、磁気コイル４０の発熱を抑えるため、１０秒間の刺激動作を行った後で５０秒間のクールダウンを行うように、タイマーが設けられている。駆動回路４９の総重量は４１ｋｇであった。外部トリガに同期させた刺激動作も行えるように、トリガ入力用のコネクタも備えている。
【００８３】
［コイルの試作２］
上記のワイヤーカットとは別の加工法を使って、図３に示す２個目の磁気コイル２０の試作を行った。断面が６ｍｍ×２ｍｍの四角形である１本の平角導線２１から、継ぎ目が出来ないようにコイル２０を巻き上げる加工法を採用した。この方法は、継ぎ目の部分で電気抵抗が発生するのを防止できるという利点がある。繊維強化プラスチック製のコイルケース６に、あらかじめ偏心スパイラル形状の溝を掘っておき、その溝に平角導線２１をはめ込んでいくことで、コイル２０の形状を作成した。この加工方法を採用したことによって、任意の形状の巻線を、簡便かつ再現性良く製作できるようになった。
ケースの溝の外側と内側の曲線を与える関数は、図３の左半分のコイル巻線２０Ｊの外側の曲線については、以下の式（数３）及び（数４）で表される。
【００８４】
【数３】
0005896109.tif 000004
【００８５】
【数４】
0005896109.tif 000005
【００８６】
また、図３の左半分のコイル巻線２０Ｊの内側の曲線については、以下の式（数５）及び（数６）で表される。
【００８７】
【数５】
0005896109.tif 000006
【００８８】
【数６】
0005896109.tif 000007
【００８９】
一方、図３の右半分のコイル巻線２０Ｋの外側の曲線については、以下の式（数７）及び（数８）で表される。
【００９０】
【数７】
0005896109.tif 000008
【００９１】
【数８】
0005896109.tif 000009
【００９２】
また、図３の右半分のコイル巻線２０Ｋの内側の曲線については、以下の式（数９）及び（数１０）で表される。
【００９３】
【数９】
0005896109.tif 000010
【００９４】
【数１０】
0005896109.tif 000011
【００９５】
繊維強化プラスチック製のケース６は、図１２に示すようにコイル本体部で上下左右の計４個の部品６Ｐ，６Ｑ，６Ｒ，６Ｓに分割され、グリップ９がさらに別の部品となっている。このような分割構造のケースを採用することによって、重なりを持つ立体的な巻線でも、製作が可能になる。平角導線を嵌め込んで全体を組み立てた後、エポキシ系の樹脂を充填し、固定を行った。磁気コイル２０と駆動回路（不図示）とを接続するケーブル１６の芯材１６Ｊ，１６Ｋは、曲がりやすいように、複数の細い導線を束ねた寄り線（より好ましくは、束ねた複数の細い導線を紙縒状に縒り合わせた縒り線）を採用しており、コイル２０Ｊ，２０Ｋから延長して引き出した平角導線２１の引き出し部分２２Ｊ，２２Ｋとケーブル１６の芯材１６Ｊ，１６Ｋとは、グリップ９の内部で接続されている。
【００９６】
十分な治療効果を得るためには、毎秒５回以上の高頻度で磁気刺激を行う必要がある。このような条件では、磁気コイルに発熱が生じる。磁気コイルを冷却する方法としては、コイルのケースにフィンを形成して放熱を向上させる自然空冷方式、コイルの巻線部にファンで風を当てて冷却する強制空冷方式、コイルの巻線付近に流体を充填し、熱対流によって流体を循環させる自然対流液冷方式、流体を外部ポンプによって循環させる強制対流液冷方式などがある。強制対流液冷方式としては、ケース内に流路を形成する方法と、コイルの導体内にトンネル状の流路を形成しておき、この流路を通して導体の内部に流体を流す方法とがある。
【００９７】
図１３に、強制空冷のための流路を備えた試作コイルの一例を示す。ケース６の外側に、計３個の部品からなるカバー２３Ｐ，２３Ｑ，２３Ｒが取り付けられている。ケース６は、磁気コイルの複数の渦巻導線部を、それぞれ個別に又は全体として収納するものである。ケース６とカバー２３Ｐ，２３Ｑ，２３Ｒとの間には隙間が形成されており、この隙間は、例えばカバー２３Ｐに設けられた空気口２４と、例えばカバー２３Ｒに設けられた空気口２５と、に連通している。つまり、空気口２４と、ケース６とカバー２３Ｐ，２３Ｑ，２３Ｒとの間の隙間と、空気口２５とが連通して、全体として一つの流路が形成されている。
空気口２４には、ホース（不図示）を介して、送風のためのファンを備えたエアーポンプ（不図示）が接続されており、このエアーポンプで圧送されファンにより送風された空気は、空気口２４から流路内に流入し、ケース６とカバー２３Ｐ，２３Ｑ，２３Ｒとの間の隙間を通過した後、空気口２５から流出する。かかる空気の流れにより、ケース６内の磁気コイルを強制空冷することができる。なお、送風機能を持ったエアーポンプの代わりに、吸引機能を持った掃除機等を空気口２４に接続するようにしてもよい。この場合には、空気口２５が空気の流入口となり、空気口２４が空気の流出口になる。これら送風機能を持ったエアーポンプ或いは吸引機能を持った掃除機等が、前記隙間を経由して空気口２４，２５間に冷却用の空気流を強制的に流通させる空気流通手段を構成している。
【００９８】
以上の構成を採用することにより、磁気コイルの渦巻導線部を収納するケース６と当該ケース６に装着されるカバー２３Ｐ，２３Ｑ，２３Ｒとの間に形成される隙間に、空気流を強制的に流通させて前記ケース６を冷却することができるので、磁気刺激治療に伴って発熱する磁気コイルの渦巻導線部を効果的に冷却し、より高頻度の磁気刺激でも支障なく行えるようにすることができる。
また、このような冷却構造を設ける場合、磁気コイルの患者頭部に近い側を確実に冷却するために、冷却用の空気流が流れる前記隙間を、少なくとも前記ケース６の患者頭部に近い側に設けることが好ましい。更には、前記隙間を、ケース６の患者頭部に近い側およびその反対側の双方に設けることにより、磁気コイル全体を確実に冷却して、より高い冷却効果を得ることができる。
【００９９】
尚、以上の説明は、１組の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付く方向に偏心させて構成した、「偏心スパイラルコイル」を構成の前提としたものであったが、上述の冷却構造を設けることにより得られる効果は、偏心スパイラルコイルの場合のみに限られるものではなく、同心状の渦巻コイルであっても得られることは、上記の説明からも明らかである。従って、これら同心状コイルを用いた構成もまた本発明に含まれるものである。
【０１００】
［インダクタンスと抵抗の測定］
本発明実施例に係る偏心スパイラルコイルの電気的特性を評価するため、インダクタンスと抵抗の測定を行った。図４に示したものと同様の磁気コイル２０を用い、この磁気コイル２０をＬＣＲメータに接続した。図１４の横軸はＬＣＲメータの動作周波数、縦軸はインダクタンスおよび抵抗の値である。インダクタンスは１１〜１２μＨ程度であり、周波数に対する顕著な依存性はみられなかった。一方で、周波数の増加とともに、抵抗値は減少した。これは、周波数の増加につれて電流の流れる実効的な面積が減少すること、すなわち表皮効果が原因である。
【０１０１】
［磁場測定の実験］
次に、本発明実施例に係る偏心スパイラルコイルが、予定通りの磁場を発生できることを確認するための実験（磁場測定）を行った。以下、この磁場測定の実験について説明する。
＜測定方法＞
本実験では、図４に示したものと同様の磁気コイル２０を用い、この磁気コイル２０をコイル駆動装置に（つまり、その内部のコイル駆動回路に）接続し、また、磁気コイル２０上には、磁場測定用の微小なサーチコイルを配置した。磁場が発生すると、電磁誘導の法則により、サーチコイルに電圧が生じる。この電圧波形をオシロスコープで記録した。また、コイル駆動回路に内蔵されているＣＴ（current transformer）を利用して、磁気コイル２０に流れる電流も同時に記録した。
【０１０２】
サーチコイルは、磁場を検出するための微小なコイルであり、図１５に示すように、アクリルパイプ２６の先端に、例えば直径が０．３ｍｍの銅線を巻き付けて構成した。巻き数は内層５回，外層４回の計９回巻きで、実効直径は内層６．３ｍｍ，外層７．１ｍｍである。これらの数値から、サーチコイル２５の実効的な面積を計算すると３１４．３ｍｍ２となる。
サーチコイル２５は、以下の３箇所の測定位置に配設した。
・測定位置Ａ：右側の渦巻導線部２０Ｋの渦中心Ｋｃ
・測定位置Ｂ：磁気コイル２０全体の中心（左右の渦中心Ｊｃ，Ｋｃの中点）
・測定位置Ｃ：左側の渦巻導線部２０Ｊの渦中心Ｊｃ
【０１０３】
更に、磁気コイル２０からの距離に応じた磁場の減衰も測定するため、磁気コイル２０とサーチコイル２５との間にアクリルブロックのスペーサを入れ、距離を０ｍｍ（コイルコイルケース６とサーチコイル２５とが接触した状態）から、１０ｍｍ，２０ｍｍ，３０ｍｍと変化させた。従って、測定ポイントの数は１２点となる。なお、サーチコイル２５を当てた磁気コイル２０の面においてコイルコイルケース６の厚さは１ｍｍである。
磁場ベクトルの向きは、測定位置ＡおよびＣでは、ほぼｚ方向（コイル面に垂直な方向）であり、測定位置Ｂでは、ほぼｘ方向（左右方向）である。サーチコイル２５は、コイル面に垂直な方向の磁場に対して感度を持つため、それぞれの測定位置において、磁場ベクトルの向きとサーチコイル２５の面とが直交するように、サーチコイル２５を保持するようにした。
尚、測定に使用したオシロスコープはTektronix社TDS2014Bであり、ＣＴはピアソン社モデル４４１８である。
【０１０４】
＜測定結果＞
図１６は、この磁場測定の実験でオシロスコープに表示されたサーチコイル２５及びＣＴからの出力波形の一例を示している。上側の波形がサーチコイル２５からの出力波形であり、下側の波形がＣＴからの出力波形である。
サーチコイル２５を置いた位置における磁場をＢ（ｔ）とすると、サーチコイル２５に生じる電圧Ｖ（ｔ）は、次式（数１１）で与えられる。
【０１０５】
【数１１】
0005896109.tif 000012
【０１０６】
ここに、Ｓはサーチコイル２５の実効的な面積（３１４．３ｍｍ２）である。サーチコイル２５のピーク電圧は約４Ｖであった。
【０１０７】
ＣＴからは、磁気コイル２０に流れる電流に比例した電圧が発生し、ＣＴの電圧とコイル電流とは係数０．００１Ｖ／Ａにより変換可能である。求められたピーク電流は３．２ｋＡ，パルス幅は２４０μｓである。
前記数１１を積分すると、次式（数１２）が得られる。
【０１０８】
【数１２】
0005896109.tif 000013
【０１０９】
オシロスコープで記録された波形をもとに，数値的に積分を行い、図１７の発生磁場の波形を求めた。測定位置Ａ，距離０ｍｍにおいて、４００ｍＴ（ミリテスラ）を超えるピーク磁束密度を示した。
【０１１０】
前記磁場測定と同様の方法によって、図１２に示すコイルについても、磁場測定を行った。コイルに流れる電流の波形と、コイルから発生した磁場の波形とを、図１８に示す。この磁場測定では、サーチコイルを前記測定位置Ａに置いた。ピーク値で約６ｋＡのコイル電流に対して、約１．５Ｔの発生磁場が得られた。
【０１１１】
＜数値解析＞
測定結果との比較を行って妥当性を検証するため、発生磁場の数値解析を行った。
図１９は、発生磁場の磁場分布の数値解析結果を示している。図１９（ａ）に示された磁気コイル２０において、各渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋは、実際の渦巻形状（スパイラル状）ではなく、円環の集合で近似されており、解析の単純化が図られている。
それぞれの渦巻導線部２０Ｊ，２０Ｋの発生する磁場は、以下のような数式を利用して計算することができる。
【０１１２】
すなわち、半径ａの円形コイル（渦巻導線部）が、原点を中心としてz軸に垂直な面内にあり、強さＩの電流が与えられている場合を考える。このコイルが位置（ｘ，ｙ，ｚ）または（ｒ，θ，φ）に発生する磁場ベクトルを示す。以下、μ０＝４π×１０−７Ｈ／ｍは真空の透磁率，単位はＭＫＳＡ単位とする。
円形コイルを、周方向にＮ個の要素に分割する。それぞれの要素は、直線（線分）で近似する。位置ｒ＝（ｘ’，ｙ’，ｚ’）にあるｎ番目の要素が、位置ｒ＝（ｘ，ｙ，ｚ）に発生する磁場は、次式（数１３）のビオ・サバールの法則で与えられる。
【０１１３】
【数１３】
0005896109.tif 000014
【０１１４】
ここでΔｓ＝２πａ／Ｎは線要素の長さであり、位置ｒ’は次式（数１４，数１５）で与えられる。
【０１１５】
【数１４】
0005896109.tif 000015
【０１１６】
【数１５】
0005896109.tif 000016
【０１１７】
t（r’)は、要素の方向を表す単位ベクトルであり、円形コイルの接線方向を向き、次式（数１６）で表される。
【０１１８】
【数１６】
0005896109.tif 000017
【０１１９】
円形コイルが発生する磁場は、各要素が発生する磁場のベクトル和となり、次式（数１７）で表される。
【０１２０】
【数１７】
0005896109.tif 000018
【０１２１】
以上をもとに，磁場分布は次式（数１８）で表される。
【０１２２】
【数１８】
0005896109.tif 000019
【０１２３】
図２０は、半径ａ（ａ＝０．０５ｍ）の円形コイルが、原点を中心としてｚ軸に垂直な面内にあり、強さＩ（Ｉ＝２０００Ａ）の電流が与えられており、円形コイルを周方向にＮ（Ｎ＝１０）個の要素に分割した場合において、前記（数１８）の式を用いて求めた、ｙ＝０の平面上での磁場の強さＢの分布を示している。
ここに、磁場の強さＢは、Ｂ＝（Ｂｘ２＋Ｂｙ２＋Ｂｚ２）１／２として求められている。
【０１２４】
図１９（ｂ）及び（ｃ）を参照すれば、右側の渦巻導線部２０Ｋが左側の渦巻導線部２０Ｊの上に重なる様子も、解析上で表現されている。磁気コイル２０には、３．２ｋＡの駆動電流を与えた。図１９（ｂ）から良く分かるように、右側の渦巻導線部２０Ｋと左側の渦巻導線部２０Ｊとが重なり合っている領域では磁場が強く、この領域から遠ざかるに従って磁場が減衰する様子が読み取れる。なお、図１９（ｂ）及び（ｃ）において、等高線でプロットしたのは磁場ベクトルの長さ（Ｂｘ２＋Ｂｙ２＋Ｂｚ２）１／２である。
【０１２５】
＜測定結果と解析結果の比較＞
各測定位置におけるピークの磁束密度の測定結果と解析結果とを、表１に纏めた。
【０１２６】
【表１】
0005896109.tif 000020
磁束密度の測定結果と解析結果の比較
【０１２７】
測定距離が０ｍｍの場合など、磁気コイル２０とサーチコイル２５とが近い場合には、測定結果と解析結果とに乖離がみられたが、測定距離が大きくなるに連れて、両者が近い値を示すようになり、測定距離３０ｍｍでは大略的に一致する結果となった。
図１９からも分かるように、磁気コイル２０の巻線に近い領域では、磁場の空間的な変化が急になる。したがって、サーチコイル２５の位置が僅かにずれただけでも測定結果が変動しやすい。今回の測定では、サーチコイル２５を手で保持したため、位置決めはそれほど精密ではなく、誤差が出やすい状況であった。また、表１の解析結果は、サーチコイル２５の中心点における磁束密度を求めているのに対して、実際のサーチコイル２５は有限の高さと直径を持っており、サーチコイル２５の内部での磁場分布が平均化されて測定される。この違いも、測定結果と解析結果との差を生む原因となっており、同様に磁場の空間変化が急になるような磁気コイル２０の近傍で、不一致が起こりやすいと言える。
【０１２８】
以上のことから、磁気コイル２０からの距離が離れるにしたがって、正確な評価が可能になると言える。測定距離３０ｍｍにおいて、測定結果と解析結果とが近い値を示していることから、製作した磁気コイルは、予定通りの磁場を発生できていると判断した。
【０１２９】
［発熱の測定］
連続で刺激を出力した時のコイルの発熱を、実験から求めた。使用したコイルは、図１３に示したのと同様のものである。測定機器は、コイルに内蔵した白金測温抵抗体と、サーモグラフィを併用した。内蔵の白金測温抵抗体は、コイルのグリップの付け根部分に埋め込まれており、コイル内部の温度を測定することができる。また、サーモグラフィはコイル上方に固定されており、頭部に当てられる側のコイル面すなわち図１３の下面の表面温度を計測して、測定された領域内での最高温度の時間変化を記録した。図１３のコイルは、コイル表面に空気を循環させ冷却するための流路が設けられているが、今回の実験では空冷用のカバーを外して測定を行った。前記磁場測定の実験に使ったのと同じ駆動装置にコイルを接続して、動作を行った。
【０１３０】
連発刺激のパターンは、以下の＜１＞〜＜４＞ののいずれかを単位として、これを最長で６００秒間、繰り返した。サーモグラフィは３０秒ごとに撮影し、プラスチック製ケースの耐熱性を考慮して、温度が１００℃超えた時点で動作を打ち切るようにした。
＜１＞５pps ５０train
：１秒間に５パルスの電流を１０秒間流す（その後５０秒間休み）。
＜２＞５pps １００train
：１秒間に５パルスの電流を２０秒間流す（その後４０秒間休み）。
＜３＞１０pps ５０train
：１秒間に１０パルスの電流を５秒間流す（その後５５秒間休み）。
＜４＞１０pps １００train
：１秒間に１０パルスの電流を１０秒間流す（その後５０秒間休み）。
【０１３１】
図２１に実験結果を示す。横軸に連発刺激開始後の時刻（秒）をとり、縦軸に温度をとっている。コイルの場所によって温度変化が異なることが分かった。すなわち、コイルの表面は発熱体である銅線との距離が近く熱が伝わりやすいため、温度上昇が激しいが、白金測温抵抗体は導線から距離があるために熱が伝わりにくく、温度上昇が鈍かった。また同じコイル表面においても、銅線が密に巻いてある中心付近が最も温度が高かった。一方、休止時においては、空気に触れる表面の方が熱を奪われやすく、サーモグラフィの測定結果においては温度下降が見られるが、内臓センサにおいては温度下降が見られない。
【０１３２】
また、上記のような動作パターンでは、刺激頻度は温度上昇にほとんど影響せず、刺激回数（train）によって温度上昇が決まることが分かった。サーモグラフィの温度上昇において、刺激開始後２００秒を定常状態と見なして５０trainと１００trainの上昇を比較すると、５０trainの場合の温度上昇は約６．３℃、１００trainの場合の温度上昇は約１３℃であり、温度上昇は刺激回数（train）に比例することが分かった。
以上は、あくまで装置としての能力を評価するための試験であり、実際の治療においてはこの何割かの出力に設定するため、図２１ほどの温度上昇が生じるわけではない。加えて、図１３のコイルには、実際には冷却機構が備わっているため、温度上昇は実際にはより低く抑えられる。
【０１３３】
以上の説明は、主として、渦巻導線部の一部どうしが重なり合った偏心スパイラルコイルについてのものであったが、本発明に係る磁気コイルは、このような構成に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更あるは改良等を加えることも可能である。以下、種々の変形例について説明する。
【０１３４】
［第１変形例］
図２２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の第１変形例に係る磁気コイル５０の形態を模式的に示す説明図で、図２２（ａ）は磁気コイル５０の平面図、図２２（ｂ）は磁気コイル５０を矢印１１ｂ，１１ｂ方向から見て示した矢視図（正面図）、図２２（ｃ）は磁気コイル５０を矢印１１ｃ，１１ｃ方向から見て示した矢視図（側面図）である。
【０１３５】
これら図２２（ａ）〜（ｃ）に示すように、この第１変形例に係る偏心スパイラルコイル５０は、図４（ａ）〜（ｃ）に示されたものと類似しているが、２個の渦巻導線部５０Ｊ，５０Ｋが同一平面上に配置され、その一部どうしが重なり合うことなく、完全に横並びに配置されている点が、図４（ａ）〜（ｃ）に示された磁気コイル２０とは異なっている。
この場合、重なり合う部分を設けることによる特有の効果は得られないものの、偏心スパイラルコイル２０のその他の効果を享受することができ、しかも、磁気コイル５０が同一平面上に並ぶことにより、磁気コイル５０が平坦になり、この磁気コイル５０を内包するコイルユニットをより薄く形成することができる。また、重なりが無いことから、コイル巻線の製作が容易になるという利点もある。
【０１３６】
［第２変形例］
図２３は、本実施形態の第２変形例に係る偏心スパイラルコイル６０の形態を模式的に示す正面図である。
この第２変形例の偏心スパイラルコイル６０は、前記第１変形例の場合と同様に、２個の渦巻導線部６０Ｊ，６０Ｋが重なり合う部分が無い構成のものであるが、患者頭部Ｍｈの表面形状にできるだけ沿うように、２個の渦巻導線部６０Ｊ，６０Ｋが、所定の角度βを挟んで山形をなすように傾斜している。
このような形態を採用することにより、コイル６０を患者頭部Ｍｈの表面形状にできるだけ沿って配置することができ、両者間の距離のバラツキを抑制して、患者頭部Ｍｈの表面形状に沿うようにして誘導電流を発生させることが可能になり、より効率的な脳刺激を実現することができる。
この場合、患者頭部Ｍｈの表面形状に対してより良好に対応することができるように、コイル６０を湾曲させて丸みを帯びるように形成することにより、患者頭部Ｍｈの表面とコイル６０との間の距離のバラツキをより効果的に抑制することができる。
【０１３７】
［第３変形例］
図２４は、本実施形態の第３変形例に係る偏心スパイラルコイル７０の形態を模式的に示す正面図である。
この第３変形例の偏心スパイラルコイル７０は、前記第２変形例の場合と同様に、２個の渦巻導線部７０Ｊ，７０Ｋが、患者頭部Ｍｈの表面形状にできるだけ沿うように、所定の角度βを挟んで山形をなすように傾斜しているが、更に、２個の渦巻導線部７０Ｊ，７０Ｋが重なり合う部分７０Ｑを有している。
【０１３８】
そして、この重なり合う部分７０Ｑは、渦巻導線部７０Ｊ，７０Ｋの一部をそれぞれ折り曲げて平行をなすように構成されている。
このような形態を採用することにより、重なり合った部分７０Ｑでは、コイル通電時に発生する誘導電流の密度がより高くなり、より強い磁場を得ることが可能になる。また、磁気コイル７０を患者頭部Ｍｈの表面形状にできるだけ沿って配置することができ、両者間の距離のバラツキを抑制して、患者頭部Ｍｈの表面形状に沿うようにして誘導電流を発生させることが可能になり、より効率的な脳刺激を実現することができる。しかも、２個の渦巻導線部７０Ｊ，７０Ｋが重なり合う部分７０Ｑは、渦巻導線部７０Ｊ，７０Ｋの一部をそれぞれ折り曲げて平行をなすように構成されており、図２４と図２３とを対比して良く分かるように、磁気コイル７０を、患者頭部Ｍｈの表面形状により一層沿った配置とすることができる。
【０１３９】
［第４変形例］
図２５は、本実施形態の第４変形例に係る偏心スパイラルコイル８０の形態を模式的に示す正面図である。
この第４変形例の偏心スパイラルコイル８０は、前記第３変形例の場合と同様に、２個の渦巻導線部８０Ｊ、８０Ｋが重なり合う部分８０Ｑを有しているが、渦巻導線部８０Ｊ、８０Ｋが、患者頭部Ｍｈの表面形状にできるだけ沿うように、曲面を形成している。この曲面とは、例えば、図２５に示すような円柱面の一部である。このような曲面とすることにより、前記第３変形例に比べて、頭部表面にコイルが密着する度合いが増すため、渦電流を効果的に誘導できる。さらに、この曲面を球面の一部で形成すれば、より一層、頭部表面にコイルが密着する度合いを増すことができる。
【０１４０】
尚、以上の変形例では、１組の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付く方向に偏心させて構成した、「偏心スパイラルコイル」を構成の前提として、更に、コイルの一部を折り曲げた構成，円柱面の一部でなる曲面とした構成，球面の一部でなる曲面とした構成を説明した。しかし、患者頭部の表面形状にできるだけ沿うように、かかる形状となした渦巻コイルを用いることにより得られる効果は、偏心スパイラルコイルの場合のみに限られるものではなく、同心状の渦巻コイルであっても得られることは、上記の説明からも明らかである。従って、これら同心状コイルを用いた構成もまた本発明に含まれるものである。
【０１４１】
磁気刺激用コイルの性能を示す様々な値の中では、脳内の渦電流の強さと、コイルのインダクタンスが、特に重要である。コイルの外径や内径、巻数、偏心度合いなどの設計パラメータを変化させたとき、脳内渦電流やインダクタンスがどのように変化するのかを、コンピュータシミュレーションによって明らかにした。偏心スパイラルコイルの基準寸法として、最内円の平均直径は２０ｍｍ（線幅が２ｍｍであることから内径は１８ｍｍ）、最外円の平均直径は１００ｍｍ（線幅が２ｍｍであることから外径は１０２ｍｍ）、巻数は１０として、偏心度合いは、細密部の巻線間ギャップが０．５ｍｍになるように決定した。このパラメータを基準として、内径、外径、巻数、偏心度合いをそれぞれ独立に変化させた。この他の設計パラメータは、表２に示すとおりに固定した。
【０１４２】
【表２】
0005896109.tif 000021
コイルの設計パラメータ
【０１４３】
なお、経頭蓋磁気刺激治療において、有効な治療効果を得るためには、高頻度に刺激を行う必要がある。その場合に、磁気コイルの発熱が動作上の制約になることが多い。磁気コイルの発熱は、コイルに与える電流の２乗に比例する。また、駆動回路内の部品は、電流に応じて選定される物が多い。そこで、電流を一定とする条件の下で、シミュレーションを行った。この条件において、脳内に強い渦電流を誘導できるコイルを、効率の良いコイルであると判断できる。
コイルの発熱Ｐは、コイルの電流Ｉ，コイルの抵抗Ｒ、パルス幅Ｔ、１秒あたりの刺激回数ｆから、次式（数１９）によって計算できる。
【０１４４】
【数１９】
0005896109.tif 000022
【０１４５】
脳に誘導される渦電流のシミュレーションは、前述の図５を用いて説明した方法と同様の方法によって行った。ただし、ここでは、脳を模擬する導体を、１／８球では無く、１／４球とした。これによって、計算の所要時間は長くなるが、計算の正確性が向上する。
図２８は、コンピュータシミュレーションによって、脳内の渦電流と、コイルのインダクタンスを求めるための計算モデルを示す説明図である。図２８（ａ）に、渦電流を解析するための計算モデルを示す。本シミュレーションでは、コイルのインダクタンスを求めるため、コイルに１Ａ（アンペア）の単位電流を与えたときの、コイルの周囲に生成される磁場の分布を解析した。図２８（ｂ）に示すような、コイルの半分を表わすモデルを、空気を表わす１６０ｍｍ×８０ｍｍ×１００ｍｍの直方体の内部に置いた。コイルの切断面が、空気を表わす直方体の１６０ｍｍ×１００ｍｍの面に含まれるように、コイルの位置を決定した。有限要素法を利用して、この直方体の内部における磁場の分布を計算した。モデルの６つの外周面には、全て、対称境界条件を与えた。計算のための有限要素は、最も密度が高い部分で、２ｍｍ程度の大きさである。
【０１４６】
図２９は、本コンピュータシミュレーションから得られたコイルの周囲の磁束密度の等高線図の一例を示す図である。この図に示すように、コイルから遠ざかるにしたがって、磁束密度が減衰していく様子が分かる。この磁束密度をもとに、次式（数２０）によって、コイルのインダクタンスを計算することができる。
【０１４７】
【数２０】
0005896109.tif 000023
【０１４８】
この式は、磁気エネルギーの釣り合いを表わしており、Ｌはコイルのインダクタンス、Ｉ（＝１Ａ）はコイルに与えた電流、μ０は真空の透磁率、Ｂは磁束密度である。右辺の積分は、空気を表わす直方体の内部で行う。
実際のコイルにおいては、（数２０）の式から計算されるコイル本体のインダクタンスに加えて、コイルと駆動回路とをつなぐケーブルもインダクタンスを有しているため、両者を足し合わせて評価する必要がある。往復２導体のケーブルのインダクタンスは、次の式（数２１）を使って近似的に計算した。（数２１）において、ｒ＝４．９ｍｍは導体外径、Ｄ＝７ｍｍは中心間距離、ｌ＝１．５ｍはケーブルの長さである。
【０１４９】
【数２１】
0005896109.tif 000024
【０１５０】
また、図１に示した駆動回路４９において、パルス幅Ｔ、コンデンサの充電電圧Ｖ、コイルとケーブルの電気抵抗Ｒは、それぞれ以下の式（数２２），（数２３），（数２４）から求まる。
【０１５１】
【数２２】
0005896109.tif 000025
【０１５２】
【数２３】
0005896109.tif 000026
【０１５３】
【数２４】
0005896109.tif 000027
【０１５４】
ここでは、コンデンサの静電容量を１２５μＦとした。また、電気抵抗は，銅の抵抗率ρ＝１６．７８μΩ・ｍｍから計算した。抵抗は、コイル本体の分と、長さ１．５ｍのケーブルの分を加えた値である。
【０１５５】
コイルの偏心の度合いは、最密部における巻線間のギャップによって表わした。偏心していない同心円コイルでは、ギャップが２．４４ｍｍになる。偏心の度合いが大きくなるにしたがってギャップが小さくなり、理想的にはギャップをほぼゼロにすることができる。実際には、被覆付きの導線を用いた場合には、被覆の厚さ分のギャップが必要であり、被覆無しの導線や銅板から切り出したコイルを用いた場合には、絶縁を確保するためのギャップが必要である。目安としては、０．５０ｍｍ以上のギャップを設けることが好ましい。図３０に、偏心していない同心円コイルと、ギャップ０．５０ｍｍの偏心スパイラルコイル、これらの中間にあたるギャップ１．４７ｍｍの偏心スパイラルコイルを示す。渦中心間の距離Ｄｃと、外形形状の中心間の距離も併せて示した。
【０１５６】
次に、コイルの偏心度合い（つまり、渦巻導線部の最密部の巻線間ギャップ），渦巻導線部の外径，渦巻導線部の内径，渦巻導線部の巻数をそれぞれ変化させた場合におけるコイルの電気的特性の変化を調べた。コイルの電気的特性としては、渦電流密度，インダクタンス，パルス幅，電圧，抵抗，毎秒５回刺激時の発熱を調べた。
【０１５７】
コイルの偏心度合い、つまり渦巻導線部の最密部の巻線間ギャップ（ｍｍ）を変化させた場合のコイルの電気的特性の変化を表３に示す。
【表３】
0005896109.tif 000028
【０１５８】
また、渦巻導線部の外径（ｍｍ）を変化させた場合のコイルの電気的特性の変化を表４に示す。
【表４】
0005896109.tif 000029
【０１５９】
更に、渦巻導線部の内径（ｍｍ）を変化させた場合のコイルの電気的特性の変化を表５に示す。
【表５】
0005896109.tif 000030
【０１６０】
更に、渦巻導線部の巻数（回）を変化させた場合のコイルの電気的特性の変化を表６に示す。
【表６】
0005896109.tif 000031
【０１６１】
図３１は、本コンピュータシミュレーションにおいて、コイルの偏心度合い，外径，内径，巻数を、それぞれ表３，表４，表５，表６に示すように変化させた場合の、コイルの電気的特性の変化を例示する図である。最密部の巻線間ギャップを小さくすると、すなわち偏心の度合いを大きくすると、脳内に誘導される渦電流が大きくなることが分かり、偏心スパイラルコイルの有効性が改めて示された。コイル設計においては、絶縁が保たれる範囲で、最密部の巻線間ギャップを可能な限り小さくすることが望ましい。外径，内径および巻数の３つの設計パラメータについては、これらの増加に伴って、誘発する渦電流密度，インダクタンス，充電電圧も大きくなることが分かる。抵抗については、巻線長が長くなるにつれて大きくなるが、ケーブル長の寄与が大きいために、変化は２％以内となっている。
【０１６２】
コイル電流が一定の条件の下で比較して、脳内に強い渦電流を誘導できるコイルが優れたコイルであると考えるならば、外径，内径，巻数はいずれも大きいほうが望ましいことになる。ただし、これらは際限無く大きくできるのではなく、パルス幅やコンデンサの充電電圧が一定の範囲内に収まっている必要がある。パルス幅については、従来の磁気刺激装置を使った治療効果の評価が、３００μｓ前後で行われていることから、ここから大きく逸脱するパルス幅では、治療効果の評価そのものからやり直す必要があるため、装置開発は困難になる。磁気刺激治療における従来の知見の蓄積を活かすのであれば、３００μｓ前後のパルス幅を保つことが好ましい。また、コンデンサの充電電圧が上昇するのは、安全上のリスクが高まるため好ましくない面があり、装置の大型化にもつながる。目安としては、２ｋＶ以下の充電電圧に収めることが好ましい。また、必要な刺激強度は、個々の患者によってばらつくことから、これらの値に対して、所定量の余裕を持っておくことが必要である。図３１の計算結果では、いずれのコイル形状においても、パルス幅は３００μｓ程度、充電電圧は２ｋＶ以下となっている。
【０１６３】
外径１０２ｍｍ，内径１８ｍｍ，巻数１０回を基準として、外径，内径，巻数を１０％増加させたときに、脳内の誘導電流はそれぞれ９％，２％，９％増加するのに対して、コンデンサの充電電圧はそれぞれ３．５％，１．９％，８．１％増加する。すなわち、脳内の誘導電流を１０％向上させることに対する電圧の増加は、外径を変化させた場合に３．９％、内径を変化させた場合に９．５％、巻数を変化させた場合に９．０％である。よって、電圧の増加を招くことなく脳内渦電流を強化できるという点では、外径を増加させることが最も好ましい。一方で、外径１０２ｍｍ，内径１８ｍｍ，巻数１０回を基準として、外径，内径，巻数を１０％減少させた場合には、脳内の誘導電流はそれぞれ１４％，２％，１０％減少する。これらの値を見ても、コイルの設計パラメータを適切に選ぶことの重要性を理解できる。
【０１６４】
コイルを実際に設計する際には、コイルの形状（渦巻導線部の形状）に関するだけでも、数多くのパラメータを決める必要がある。具体的には、少なくとも以下のパラメータを決定しなければならない。
＜ａ＞渦巻導線部の基本形状（丸，角，角など）
＜ｂ＞渦巻導線部の個数と配置
＜ｃ＞素線（導線）の高さ
＜ｄ＞素線（導線）の幅
＜ｅ＞外径
＜ｆ＞内径
＜ｇ＞巻数
＜ｈ＞偏心の度合い
＜ｉ＞重なりの度合い
＜ｊ＞渦巻導線部間の傾きの角度
【０１６５】
コイルの性能評価を行う場合には、コンピュータシミュレーションは非常に有効な手段である。しかし、コイルの最適な設計を求めようとする際には、これらのパラメータの膨大な組み合わせについて、単に時間をかけてコンピュータシミュレーションを繰り返すアプローチは、現実には極めて困難であり不可能に近い。そこで、電磁気学的な考察に基づいて、好ましい設計の方向性をある程度示したうえで、限定的かつ有効にコンピュータシミュレーションを使用して、設計を行うことが求められる。
【０１６６】
前記＜ａ＞項の「渦巻導線部の基本形状」については、脳を刺激の対象とする場合には特に、基本形状は丸が好ましい。コイルの導線と脳との間には、頭蓋や頭皮、さらには絶縁を確保するためのコイルケース等があるため、およそ３ｃｍ程度のギャップがある。脳内の神経は、さらに数ｃｍの深さまで分布している。このような深さまで、減衰させずに磁場を到達させる点においては、丸いコイルが最も有利である。コイルの囲む面積が大きいほど、磁場が深くまで到達する傾向があるが、一定の長さの導線で囲む面積が最大になるのが、円形である。したがって、円形コイルが、最も深部まで磁場を減衰させずに到達させる能力がある。
前記＜ｂ＞項の「渦巻導線部の個数と配置」については、非常に出力の大きな駆動回路と組み合わせることができるならば、３個以上の渦巻導線部から成るコイルも選択肢に入る。３個以上の渦巻導線部を設けることで、設計の自由度が増し、脳内の渦電流をより望ましい分布に近づけることができる。しかしながら、２個の渦巻導線部のコイルに比べて、３個以上の渦巻導線部を持つコイルの効果は、これまでの研究結果を概観すると限定的である。渦巻導線部の個数が増えるにつれて、駆動回路に求められる出力も大きくなるという難点がある。在宅治療用の磁場発生コイルでは特に、２個の渦巻導線部から成るコイルが、駆動回路を小型化できる点で好適である。
【０１６７】
前記＜ｃ＞項の「素線（導線）の高さ」については、素線（導線）の高さが高い方が、電気抵抗を低減できる利点がある。一方で、例えば図４等に示されるコイルのように渦巻導線部に重なりのあるコイルを製作する場合には、高さの異なる層の間を滑らかに接続するために、素線を曲げる必要がある。素線が高すぎると、曲げ加工が困難になるという技術的課題が生じる。経験上、６ｃｍ程度までの高さであれば、曲げ加工が比較的容易に行える。
前記＜ｄ＞の「素線（導線）の幅」については、素線（導線）の幅が広ければ、電気抵抗が小さくなるので、駆動回路の出力が小さくて済むが、一方で、偏心させることのできる度合いが小さくなるという問題がある。２ｍｍ程度の幅を選べば、［数１９］で計算される発熱の大きさが結果的に３００ワット程度となり、家庭用コンセントから給電できるレベルの消費電力で駆動回路の設計が可能である。
【０１６８】
前記＜ｅ＞項から＜ｈ＞項に示した「外径」，「内径」，「巻数」，「偏心の度合い」がコイルの性能に与える影響は単純では無く、３次元的な電磁界解析を行って初めて評価できる。これらについては、コンピュータシミュレーションを活用した最適化が極めて有効である。
前記＜ｉ＞項の「重なりの度合い」については、例えば図４等に示すように、一方の渦巻導線部の外周が、他方の渦巻導線部の内周に接する位置まで重なり部分を設けることが好ましい。それによって、重なりを設けたコイル中央部での電流の集中を最も高めることができる。
前記＜ｊ＞項の「渦巻導線部間の傾きの角度」については、加工し易さと刺激の効果とを総合的に考えて、選択することになる。例えば図４のように平面的にコイルを構成すると、コイルの加工は容易になる。一方、図２４に示すような設計を採用できれば、渦電流発生の効率は向上する。コイルの渦巻導線部間に重なりを設けなければ、図２３に示すような形状も可能である。
【０１６９】
上述のように、コンピュータシミュレーションを活用して、許容されるパルス幅やコンデンサ充電電圧の範囲内で、最も強い脳内渦電流を得られるコイルを探索することによって、コイル設計を最適化することができる。ただし、シミュレーションで検討する設計パラメータを絞り込んだとしても、なお、かなり多大な手間を要する点が課題であると言える。また、外径，内径，巻数などの設計パラメータは、有限個数の組み合わせを選んで解析することになり、選んだ値の中間に最適値がある場合には、この最適値を求める精度が低下する。様々な数値解析手法を利用してデータの補間を行うことにより、コンピュータシミュレーションを実行する際に選択した有限個の設計パラメータの中間に最適値がある場合に、この最適値を推定することができる。
【０１７０】
また、以上の説明は、渦巻導線部の外形形状が円形の偏心スパイラルコイルについてのものであったが、本発明は、渦巻導線部の外形形状が、楕円もしくは長円、三角形，四角形もしくはそれ以上の多角形など、他の種々の形状の磁気コイルについても、有効に適用することができる。渦巻導線部の外形形状が三角形，四角形などの多角形の偏心スパイラルコイルでは、角部方向に偏る場合と辺方向に偏る場合の２通りが考えられるが、何れの場合にも同様に適用可能である。
【０１７１】
更に、渦巻導線部の個数としては、２個に限定されるものではなく、３個あるいは４個、更にはそれ以上の個数であってもよい。
例えば、図３２は、４個の円形渦巻導線部１３０Ｊ，１３０Ｋ，１３０Ｌ，１３０Ｍを備えた磁気コイル１３０を示す模式図である。尚、実際の渦巻導線部１３０Ｊ〜１３０Ｍでは、渦巻形状（スパイラル状）に巻かれるが、図３２の模式図では、図面の簡潔明瞭化のために円環で模しており、各円環上の矢印は電流の流れ方向を例示している。
【０１７２】
図３２に示した磁気コイル１３０では、４個の渦巻導線部１３０Ｊ，１３０Ｋ，１３０Ｌ，１３０Ｍは、患者頭部Ｍｈ上において平面視で四つ葉状に並び、且つ、各々の一部どうしが重なり合うように配置されている。この場合においても、少なくとも１組の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付くように偏心させて構成することで、一方の渦巻導線部のコイル巻線間隔の疎密に対応して、誘導電流の密度の高い領域が発生し、この領域で強い脳刺激が得られる。すなわち、複数の渦巻導線部で構成された磁気コイルについて、各渦巻導線部の形状および配置を工夫するだけの比較的簡単な構成で、限局された箇所に所要強度の脳刺激を効率良く発生させることができる。
特に、４個の円形渦巻導線部１３０Ｊ，１３０Ｋ，１３０Ｌ，１３０Ｍ全てについて、渦巻導線部の巻線の渦中心がｚ軸を通る中心に近付くように偏心させて構成することにより、全ての組の渦巻導線部について、渦巻導線部の巻線の渦中心が他の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付くように偏心させることができ、最も高い効果を得ることができる。
【０１７３】
また、本発明は、複数の渦巻導線部が実質的に１つの平面上に、若しくは若干の傾斜をもって配置されている場合のみならず、複数の渦巻導線部が所定の軸線の周りに立体的に配置されている場合でも、有効に適用することができる。
図３３は、立体配置された４個の渦巻導線部を備えた磁気コイル１５０の一例を示す模式図である。この図３３の模式図では、渦巻導線部１５０Ｊ，１５０Ｋ，１５０Ｌ，１５０Ｍを、図面の簡潔明瞭化のために楕円で模している。
この磁気コイル１５０は、所謂「ｓｌｉｎｋｙ」タイプのもので、ケーブル１５６に繋がるグリップ１５９の軸線Ｓａの周りに４個の楕円状の渦巻導線部１５０Ｊ，１５０Ｋ，１５０Ｌ，１５０Ｍが立体的に配置されている。
【０１７４】
この場合においても、少なくとも１組の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付くように偏心させて構成することで、一方の渦巻導線部のコイル巻線間隔の疎密に対応して、誘導電流の密度の高い領域が発生し、この領域で強い脳刺激が得られる。
特に、４個の渦巻導線部１５０Ｊ，１５０Ｋ，１５０Ｌ，１５０Ｍ全てについて、渦巻導線部の巻線の渦中心が前記軸線Ｓａを通る中心に近付くように偏心させて構成することにより、全ての組の渦巻導線部について、渦巻導線部の巻線の渦中心が他の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付くように偏心させることができ、最も高い効果を得ることができる。
【０１７５】
図３４は、立体配置された５個の渦巻導線部１７０Ｊ，１７０Ｋ，１７０Ｌ，１７０Ｍ，１７０Ｎを備えた磁気コイル１７０の一例を示す模式図である。この図３４の模式図では、渦巻導線部１７０Ｊ，１７０Ｋ，１７０Ｌ，１７０Ｍ，１７０Ｎを、図面の簡潔明瞭化のために円環状のディスクで模しており、各ディスクに沿った矢印は電流の流れ方向を例示している。
この場合、各渦巻導線部１７０Ｊ，１７０Ｋ，１７０Ｌ，１７０Ｍ，１７０Ｎは、ｚ軸と平行な軸線Ｓｂの周りに５個の渦巻導線部１７０Ｊ，１７０Ｋ，１７０Ｌ，１７０Ｍ，１７０Ｎが立体的に配置されている。
この場合においても、少なくとも１組の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付くように偏心させて構成することで、一方の渦巻導線部のコイル巻線間隔の疎密に対応して、誘導電流の密度の高い領域が発生し、この領域で強い脳刺激が得られる。
【０１７６】
図３５は、立体配置された５個の渦巻導線部１８０Ｊ，１８０Ｋ，１８０Ｌ，１８０Ｍ，１８０Ｎを備えた磁気コイル１８０の一例を示す模式図である。この図３５の模式図では、図面の簡潔明瞭化のために、３個の渦巻導線部１８０Ｊ，１８０Ｋ，１８０Ｍを中実の円盤ディスクで模し、２個の渦巻導線部１８０Ｌ，１８０Ｎを円環状のディスクで模している。
この磁気コイル１８０は、所謂８字コイルをベースにしたもので、グリップ１８９の軸線Ｓｃの周りに５個の渦巻導線部１８０Ｊ，１８０Ｋ，１８０Ｌ，１８０Ｍ，１８０Ｎが立体的に配置されている。
この場合においても、少なくとも１組の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付くように偏心させて構成することで、一方の渦巻導線部のコイル巻線間隔の疎密に対応して、誘導電流の密度の高い領域が発生し、この領域で強い脳刺激が得られる。
【０１７７】
尚、以上の説明は、少なくとも１組の渦巻導線部について、一方の渦巻導線部の巻線の渦中心が他方の渦巻導線部の巻線の渦中心へ近付く方向に偏心させて構成した「偏心スパイラルコイル」を構成の前提として、３個以上の渦巻導線部が実質的に１つの平面上に、若しくは若干の傾斜をもって配置されている場合、複数の渦巻導線部が所定の軸線の周りに立体的に配置されている場合、について説明したものであったが、渦巻導線部をこのように配置することにより得られる効果は、偏心させた渦巻コイルのみに限られるものではなく、同心状の渦巻コイルであっても得られることは、上記の説明からも明らかである。従って、これら同心状コイルを用いた構成もまた本発明に含まれるものである。
【０１７８】
以上の説明は、主として、神経障害性疼痛に対する経頭蓋磁気刺激療法に用いられる磁気刺激治療用の磁気コイルについてのものであったが、磁気刺激療法自体は、他の神経疾患や精神疾患、更に尿失禁等の脳以外の臓器の治療にも応用が進んでおり、また、診断の目的でも早くから臨床応用が進んでおり、脳機能の基礎研究や脳科学研究にも積極的に利用されている。従って、本発明は、これらの分野においても有効に適用できるものである。また、本発明の磁気コイルは、更に他の分野、例えば、磁気コイル及び電磁場を利用した温熱療法や、渦電流による非破壊探傷検査法などにおいても、応用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１７９】
本発明は、磁界を生成する磁気コイル、特に、複数の渦巻導線部で構成された磁気コイル、或いは複数の渦巻導線部が所定の軸線の周りに立体的に配置された磁気コイル、並びにかかる磁気コイルを備えた経頭蓋磁気刺激装置に関するもので、例えば、経頭蓋磁気刺激療法に用いられる磁気刺激治療用の磁気コイルとして、また、かかる磁気コイルを備えた経頭蓋磁気刺激装置として、有効に利用することができる。
【符号の説明】
【０１８０】
６  ケース
２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０  磁気コイル
２３Ｐ，２３Ｑ，２３Ｒ  カバー
２４，２５  空気口
１３０，１５０，１７０，１８０  磁気コイル
２０Ｊ，３０Ｊ，５０Ｊ，６０Ｊ，７０Ｊ，８０Ｊ  渦巻導線部
２０Ｋ，３０Ｋ，５０Ｋ，６０Ｋ，７０Ｋ，８０Ｋ  渦巻導線部
１３０Ｊ〜１３０Ｍ，１５０Ｊ〜１５０Ｍ  渦巻導線部
１７０Ｊ〜１７０Ｎ，１８０Ｊ〜１８０Ｎ  渦巻導線部
Ｄｃ  渦中心間の距離
Ｄｓ  外形形状の中心間の距離
Ｊｃ，Ｋｃ  渦中心
Ｊｃ，Ｊｓ  外形形状の中心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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