(57)【要約】【課題】マイクロ波治療機において、マイクロ波の発振周波数のドリフトの低減を図るとともに、その出力安定性を改善すること。【解決手段】マイクロ波を発生させる発振器１と、前記発振器で作られたマイクロ波をアンテナ部３に供給するための伝達部と、前記伝達部における定在波比を測定するための定在波比測定手段２とを備え、前記発振器は、スイッチングに半導体素子を使用するとともに、前記定在波比の出力に応じて、所定の周波数の範囲内で、その発振周波数を変更してなるものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を発生させる発振器と、前記発振器で作られたマイクロ波をアンテナ部に供給するための伝達部と、前記伝達部における定在波比を測定するための定在波比測定手段とを備え、前記発振器は、そのスイッチング制御に半導体素子を使用するとともに、前記定在波比の出力に応じて、所定の周波数の範囲内で、その発振周波数を変更してなるマイクロ波治療器。
【請求項２】
前記定在波比測定手段は、マイクロ波を患部に照射中、定期的に前記伝達部における定在波比を測定してなる請求項１記載のマイクロ波治療器。
【請求項３】
前記定在波比測定手段は、マイクロ波を患部に照射中、前記患部の温度変化に応じて定在波比を測定してなる請求項１記載のマイクロ波治療器。
【請求項４】
前記発振器は、前記患部の温度に応じて、出力の大きさを変更してなる請求項３記載のマイクロ波治療器。
【請求項５】
前記アンテナ部は、パッチアンテナを使用するとともに、前期定在波比の出力に応じて前記アンテナ部の形状を変更してなる請求項１記載のマイクロ波治療器。
【請求項６】
前記スイッチング用の半導体の冷却手段を備え、前記発振器とアンテナ部を同一筐体内に配するとともに、前記冷却手段を前記アンテナ部と発振器の間に配してなる請求項１記載のマイクロ波治療器。
【請求項７】
前記アンテナ部にパッチアンテナを使用するとともに、パッチアンテナから患部までの距離に応じて、前記半導体素子による発振周波数を変更してなる請求項１記載のマイクロ波治療器。
【請求項８】
前記アンテナ部にパッチアンテナを使用するとともに、前記半導体素子による発振周波数に応じて、パッチアンテナから患部までの距離を変更してなる請求項１記載のマイクロ波治療器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波治療器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波治療器は、アンテナから放射されたマイクロ波を生体組織に放射して加温する温熱治療器である。マイクロ波治療は、その周波数帯域を考慮すると、ヒータ等の伝導熱や赤外線等の輻射熱を用いた治療器と比較して、患者の深部の加温が可能である。また、患者が衣服等を着用していても治療が可能であり、衣服を脱がずに所望する患部を温熱治療できる等の利点を有する。
【０００３】
ここで、従来のマイクロ波治療器は、図６、図７に示されるように、ＡＣ１００Ｖの交流電力を高圧トランス２２で昇圧した後、整流器２３で整流し、この整流後の電圧をマグネトロン２４の陽極に供給し、マグネトロン２４の陽極電圧が発振電圧を超えると、マイクロ波を発生し、最終的にアンテナ２５から患者に向けて輻射されるものが一般的であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2015-119798
【特許文献２】特開2013-065406
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来のマイクロ波治療器に使用するマグネトロン２４には、特有の不要輻射の問題がある。具体的には、マイクロ波治療用のマグネトロンは、陽極本体に2450MHz帯のマイクロ波を発生させるが、実際には、この基本波以外に、その整数倍の周波数の高調波勢力が同時に発生している。この高調波がアンテナ２５から輻射されると、基本波と同様に人体を含めた外部に伝搬されることとなる。当該マグネトロン２４の不要輻射は、高調波以外に、マグネトロン２４の内部の共振器構造に起因する周波数の輻射や、ノイズから立ち上がる発振機構に起因する輻射等がある。当該不要輻射を抑制するために、例えば、先行文献２に記載されるように、熱膨張係数を考慮した材料で形成した不要輻射の抑制チョークを具備する対策等が為されていた。
【０００６】
しかしながら、当該不要輻射の抑制には機構的な限界もあり、無線障害を起こす場合もあった。特に、治療用に、マイクロ波を患者に照射するものにおいては、電子レンジのように、筐体構造で不要輻射の漏えいをシャットアウトする方法は望めないため、筐体以外の方法で、不要輻射の漏えいを抑制する必要がある。
また、マグネトロン２４は、高圧トランス、ヒータートランス、高圧コンデンサ等の比較的外形の大きいデバイスを用いて駆動されており、小型化に対する問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係るマイクロ波治療器は、マイクロ波を発生させる発振器と、前記発振器で作られたマイクロ波をアンテナ部に供給するための伝達部と、前記伝達部における定在波比を測定するための定在波測定手段とを備え、前記発振器は、スイッチングに半導体素子を用いるとともに、前記定在波比の出力に応じて、所定の周波数の範囲内で発振周波数を変更してなるものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るマイクロ波治療器によれば、優れた周波数ドリフト抑制性能と出力安定性を備えることができ、不要輻射を効果的に抑制したマイクロ波治療器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のマイクロ波治療器の一実施形態を示した図
【図２】同実施形態に用いるアンテナを示した図
【図３】同実施形態に用いる放熱フィンの配置を示した図
【図４】本発明の一実施例の半導体制御によるマイクロ波治療器の回路構成図
【図５】同実施例の半導体制御によるマイクロ波治療器の応用回路構成図
【図６】従来例のマグネトロン発振回路を示した図
【図７】同マグネトロンの概説図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。本発明のマイクロ波治療器は、半導体発振器回路１と、当該半導体発振器１に連なる方向性結合器２及び輻射用のアンテナ部３を有している。半導体発振器回路１における半導体スイッチング素子には、Si（シリコン）やGaAs（ガリウム砒素）を用いることも可能だが、更なる高効率を図るために、GaN（ガリウムナイトライド）を用いることが望ましい。当該半導体スイッチングによれば、マグネトロン固有の内部共振器構造に起因する周波数の輻射等の問題が無いため、その周波数占有帯域幅をマグネトロン方式と比較して、数十分の１程度に抑えることができ、高いQ値で制御することが可能となる。
【００１１】
一方、医療用のマイクロ波治療装置には、2 400 MHz&#8764;2 500 MHz の周波数範囲の電磁界が割り当てられており、また、JIS規格では、ケーブル又は導波管で接続するアプリケータに対して、電圧定在波比（VSWR）が 1.5 を超えてはならないと規定されている。当該状況下、2 400 MHz&#8764;2 500 MHz以外の帯域における不要輻射を抑え、同時に、VSWRを規定値内に収めるためには、優れたQ値特性を有する半導体スイッチングを用いた発振回路が望ましい。
【００１２】
また、患部にパッチアンテナを近接させて使用する治療器においては、患部以外に放射されるマイクロ波を抑制することができるが、半導体スイッチングを用いた場合、周波数を変更することが比較的容易であることから、所定の周波数（2400〜2500MHｚ）の範囲で、そのパッチ電極の幅や径を粗調しておき、実際に、周波数を変更させて、定在波比等が最良となるように微調整（追従）させることが可能となり、その生産性を向上させることも可能となる。
【００１３】
具体的には、パッチ電極の適切なサイズは、λ（波長）／２に関係した外径を有することとなり、実際には、機材（パッチ電極とアース間の誘電体）の実効比誘電率をεとして、λ／（ε１／２・２）の大きさで設計することになる。医療機器として使用可能な周波数の範囲は、2400〜2500MHzであるから、仮にε＝3の機材を用いた場合には、λ＝3.0＊10８／ｆ（周波数）から、34.64〜36.09mmの範囲の外径で最適合するパッチ電極を調整することとなる。
また、従来のマグネトロン方式であれば、不要な高調波が発生し得るために、マグネトロンの性能次第では、意図せぬ人体深度に電磁波が及ぶ可能性があるが、Q値に優れる半導体スイッチング回路を用いることにより、当該不具合は是正され、正しく患部を治療することが可能となる。
【００１４】
なお、半導体素子の効率ロス分は、半導体素子に取付けられた放熱フィン５等を介して放熱されるが、図３に示すように、当該放熱フィン５の配置を、半導体素子１とアンテナ３の間に物理的に配置することで、スイッチングに伴う発生ノイズがアンテナに及ぶのを抑制することができ、不要輻射の抑制を更に改善することができる。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明の一実施例について説明する。本実施例は、図４に示すように、マイクロ波半導体発振回路は、アンプとなる半導体スイッチング素子１３と、この半導体スイッチング素子１３に対して、信号発生及び信号が可変出来る信号発生部１１（VCO:電圧制御発振器)と、信号発生部１１の出力を調整するアンプ１２と、半導体スイッチング素子の入力側に設けられるゲート電圧制御回路１６と、半導体スイッチング素子１３の出力側に設けられて反射等を防止するアイソレータ１４と、進行波に対して反射波を取り出す方向性結合器１５（若しくはリターンロスブリッジ）と半導体スイッチング素子１３への給電を行う電源回路１７で構成する。
【００１６】
信号発生部1１より、マイクロ波帯域の基本周波数、例えば２．４５ＧＨｚを出力し、その出力をアンプ１２で調整する。信号発生部１１及びアンプ１２の信号を半導体スイッチング素子１３でスイッチング制御して電力を増幅する。半導体スイッチング素子１３には、ＬＤＭＯＳＦＥＴ，ＧａＡｓＦＥＴ、ＧａＮＦＥＴ等のＦＥＴを使用する。ＦＥＴのゲートに信号発生部１１から出力された２．４５ＧＨｚの信号が印加され、ドレインに電圧供給部からの駆動電圧が印加され、増幅された２．４５ＧＨｚのマイクロ波がアンテナから出力される。
【００１７】
また、方向性結合器１５は、伝送路上に流れる信号を、進行波と反射波に分けて取り出す事ができる。アンテナと半導体発振器間の伝送線路に方向性結合器１５を挿入して，その電圧・電流を取り出し、進行波電力と反射波電力をそれぞれ測定し，その差から実際にアンテナに供給される電力を求める。方向性結合器１５より取り出された進行波と反射波の電力をアナログデジタル変換回路１８で変換する。その電力を制御回路１６にて比較し、反射が大きい場合は、反射波の電力が小さくなるように、信号発生部１１の電圧を制御し、発振周波数を２．４ＧＨｚから、２．５ＧＨｚの範囲で可変し、ＶＳＷＲが１．５となる周波数を選択する。
【００１８】
また、アンテナ部と人体との距離に於けるVSWRの良い中心周波数は近傍界ではアンテナ長（λ/2）の整数倍時で効いており、人体から離れ遠方界になると空中放射に近づく為、2450MHz近辺で安定する。不要輻射を極力抑える事も意図し、アンテナ-患部間はアンテナ長の整数倍の距離であるλ/4、λ/2 (30mm、60mm) とする。また、アンテナに関しては、人体の比誘電率を考慮した形状とすることが望ましく、皮膚組織を想定したアンテナ形状にする必要がある。そのため、アンテナ波長122mmのλ/2である61mmに比誘電率を考慮した放射板とする。脂肪等の比誘電率は5.5であり、λ/2である61mmをこの値の平方根で割った一辺とするので、一辺が26mmの放射板のアンテナとしている。なお、VSWRを調整する際に、必要に応じて、患部を想定した位置に、直径 20 cm，長さ 50 cmの低損失材（例えば，メタクリル樹脂）で作った円柱形容器に0.9％の食塩水を満たした状態をファントムとして各種データを測定する方法が用いられる。
【００１９】
VSWRを最良な値にする為には、伝送路（同軸ケーブル）を極力最短で結ぶことが望ましいが、マグネトロンを使用した場合には、駆動回路等が大型であるため、伝送路である同軸ケーブルが必要となり、マグネトロンをアンテナに直結することは困難である。この点、本実施例では、半導体スイッチング素子１３を使用することで、マイクロ波の出力を安定させ、不要輻射を低減するものであり、同時に、小型化を可能とするものである。そのため、人体の近辺に駆動部を配置することも可能であり、アンテナ部と駆動部を一体化、小型化して、モバイル性を高めることも可能となる。
【００２０】
また、アンテナ形状や、アンテナと患部との距離を調整することで、VSWRを良好として、不要輻射を低減することができるが、例えば、アンテナ-患部間の距離を的確に規定するために、放射板−誘電体−導体地板 の三層構成を有するパッチアンテナを使用した場合、放射板は誘電体を空気とする為、比誘電率ε＝１として、λ/2である61mmを一辺とした寸法とする。また、アンテナ-患部間はアンテナ長の整数倍の距離とするが、不要輻射を極力抑える事を意図し、λ/4またはλ/2の距離とする。具体的には、表１より30mmまたは60mmとする。なお、表１は、周波数を２２００〜２９００MHzまで可変した際に、アンテナから人体までの距離（10ｍｍ〜60ｍｍ）に応じて、VSWRがどのように変化するかを調べたものである。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
また、マイクロ波治療器はマイクロ波を生体組織に放射して加温する温熱治療器であるが、低出力（10W）のマイクロ波を照射した場合には、高出力（200W）のマイクロ波を出力した場合と比較して、生体組織（たんぱく質等）への異なる影響があるものと考えられている。この点、半導体発振方式は、高速スイッチングによるデューティー制御が可能であり、リップルを0.1％以下に抑えつつ、低出力制御を行い、患者の状態に応じた出力制御を行うことが比較的安易である。また、半導体発振方式によれば、交互に、高出力と低出力を瞬時に切り替えることが可能であり、例えば、低出力を主体に制御しつつ、所望の時間帯に、一時的に高出力制御を交える等の制御も可能であり、患者の状態に応じて、よりきめ細かな出力制御が可能となる。
【符号の説明】
【００２３】
１  半導体発振回路
２  方向性結合器
３  アンテナ
１１  信号発生部
１３  半導体スイッチング素子
１５  方向性結合器
【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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