(57)【要約】【課題】無線医療装置への電力供給時に電磁界にさらされる体組織の加熱を最小限にする方法およびシステムを提供すること。【解決手段】外部無線周波数エネルギーを用いて患者の体内の医療装置に無線で電力供給するための方法およびシステム。患者の外部の無線周波数駆動ユニットが、この医療装置を照射する。受動アンテナが、患者を挟んで駆動ユニットの反対側に配置されており、概ね医療装置に向かって磁界を再配向する。この再放射要素は、駆動ユニットによって生成される電磁界の均一性を高め、患者および患者に付き添うスタッフの組織の局所加熱を軽減する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の体内に配置された医療装置に無線で電力供給するための方法において、
前記患者の外部の第１の位置で、前記患者を介して前記医療装置にエネルギーを供給する無線周波数エネルギー磁界を生成するステップと、
前記患者の外部の第２の位置から概ね前記第１の位置に向かって前記磁界を受動的に再放射するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記第２の位置は、前記患者を挟んで前記第１の位置の概ね反対側である、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、
前記医療装置は、前記磁界から電力供給を受ける位置センサを有するトランスポンダである、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、
前記磁界を再放射する前記ステップは、正確に１つの受動アンテナを前記第２の位置に配置して行う、方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、
前記受動アンテナは、１つの電線コイルを含む、方法。
【請求項６】
請求項４に記載の方法において、
前記磁界は、１３．６ＭＨｚの周波数を有しており、
前記受動アンテナは、約１００ｐＦの静電容量を有する、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、
再放射する前記ステップは、前記第２の位置で前記磁界を共振させて行う、方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法において、
前記患者の前記医療装置を含まない部分を前記磁界から保護するステップ、
をさらに含む、方法。
【請求項９】
外部無線周波数エネルギーによってエネルギーが供給される患者の体内に配置された医療装置に無線で電力供給するための器具において、
無線周波数エネルギー磁界を生成するために前記患者の外部の第１の位置に配置された無線周波数駆動ユニットであって、前記磁界が、前記患者を介して前記医療装置に到達する、無線周波数駆動ユニットと、
前記磁界を概ね前記医療装置に向かって再配向するために前記患者の外部の第２の位置に配置された再放射要素と、
を含む、器具。
【請求項１０】
請求項９に記載の器具において、
前記第２の位置は、前記患者を挟んで前記第１の位置の概ね反対側である、器具。
【請求項１１】
請求項９に記載の器具において、
前記医療装置は、前記磁界から電力供給を受ける位置センサを有するトランスポンダである、器具。
【請求項１２】
請求項９に記載の器具において、
前記再放射要素は、正確に１つの受動アンテナである、器具。
【請求項１３】
請求項１２に記載の器具において、
前記受動アンテナは、１つの電線コイルを含む、器具。
【請求項１４】
請求項１２に記載の器具において、
前記磁界は、１３．６ＭＨｚの周波数を有しており、
前記受動アンテナは、約１００ｐＦの静電容量を有する、器具。
【請求項１５】
請求項１２に記載の器具において、
前記受動アンテナは、前記磁界の周波数で共振する、器具。
【請求項１６】
請求項９に記載の器具において、
前記患者の一部が前記磁界の放射線エネルギーにさらされるのを軽減するシールド、
をさらに含む、器具。
【請求項１７】
患者の体内に配置された医療装置に無線で電力供給するための方法において、
前記患者の外部に無線周波数エネルギー磁界を生成するステップであって、この磁界が、前記患者を介して前記医療装置にエネルギーを供給する、ステップと、
前記患者の前記医療装置を含まない部分を前記磁界から保護するステップと、
を含む、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法において、
前記医療装置は、前記磁界から電力供給を受ける位置センサを有するトランスポンダである、方法。
【請求項１９】
外部無線周波数エネルギーによってエネルギーが供給される患者の体内に配置された医療装置に無線で電力供給するための器具において、
無線周波数エネルギー磁界を生成するために前記患者の外部の第１の位置に配置された無線周波数駆動ユニットであって、前記磁界が、前記患者を介して前記医療装置に到達する、無線周波数駆動ユニットと、
前記患者の一部が前記磁界の放射線エネルギーにさらされるのを軽減するシールドと、
を含む、器具。
【請求項２０】
請求項１９に記載の器具において、
前記医療装置は、前記磁界から電力供給を受ける位置センサを有するトランスポンダである、器具。
【発明の詳細な説明】
【開示の内容】
【０００１】
〔発明の分野〕
本発明は、遠隔からの無線装置への電力供給に関する。詳細には、本発明は、無線医療装置への電力供給の際に電磁界にさらされる体組織の加熱を最小限にすることに関する。
【０００２】
〔発明の背景〕
移植用すなわち挿入可能な医療装置は、場合によっては、患者の体外に配置された放射器からの無線周波数（ＲＦ）エネルギーの送信によって無線で電力供給を受ける。医療装置内に組み込まれた１または複数の電力コイルが、無線周波数エネルギーを受け取る。例えば、ある種の無線位置トランスポンダは、このような電力コイル、および外部で生成された位置信号を受け取るための１または複数の位置検出コイルを含む。トランスポンダは通常、無線で受け取ったエネルギーを用いて、位置信号を高周波数信号に変換し、電力コイル（または別個の送信コイル）を駆動して高周波数信号を外部に配置された処理ユニットに送信する。この処理ユニットは、高周波数信号に応じてトランスポンダの位置および向きを決定する。
【０００３】
例えば、トランスポンダ、およびアナログ高周波数信号を用いるトランスポンダを作動させるための装置が、参照して本明細書に組み入れる米国特許出願公開第２００３／０１２０１５０号（名称：「無線位置センサ（Wireless Position Sensor）」）に開示されている。トランスポンダを作動させるための装置は、物体の近傍に異なる周波数の電磁界を発生させる磁界発生器、および無線トランスポンダに向かって無線周波数駆動磁界を放射する無線周波数ドライバを含む。トランスポンダは、電磁界に応答して信号電流が流れる少なくとも１つのセンサコイル、および電力コイルを含む。この電力コイルは、無線周波数駆動磁界を受け取り、この駆動磁界からの電気エネルギーをトランスポンダに供給する。電力コイルはまた、受信機または呼掛け器に情報を伝達するために出力信号を送信する。トランスポンダなどの医療用途では、アナログまたはデジタルに関係なく、通常は、ベン・ハイム（Ben-Haim）らによる欧州特許第０７７６１７６号に開示されている相互に直交した３つコイルなどの複数のセンサコイルを含む。したがって、トランスポンダの位置および向きの座標を、曖昧ではなく正確に決定することができる。
【０００４】
このような位置トランスポンダにより、検出コイルと外部処理ユニットとの間にいかなる配線も必要とすることなく、体内の物体の位置および向きを決定することができる。このような無線トランスポンダは、患者の骨などの患者の体内に移植するか、または移植用医療装置内に含めることができる。しかしながら、装置が、無線周波数ドライバによって活発に電力供給されている際に、電磁界の不均一性によって有害な組織の局所加熱が起こるという問題がある。
【０００５】
一般に、人体への無線周波数エネルギーの蓄積により体温が上昇する。
【０００６】
インターネットで閲覧できる（ＵＲＬ：http://www.inchem.org/documents/ehc/ehc/ehc137.htm）世界保健機構の文献、「環境健康基準１３７（Environmental Health Criteria 137）」によると、約１ＭＨｚを超える周波数に対する無線周波数エネルギーの閾値比吸収率（ＳＡＲ）が１〜４Ｗ／ｋｇであり、この値を超えると健康への悪影響の可能性が高くなることを示唆している。約１ＭＨｚ未満では、基準は、体にショックや火傷を生じさせる電流に基づいている。さらに、パルス磁界は、特に問題であろう。パルス電磁界の場合、様々な条件下で、数百ＭＨｚを超える周波数における生物学的影響の閾値は、エネルギーが短いパルス（１μ秒〜１０μ秒）で供給されると低下する。このようなパルスの安全リミットは、入手可能な証拠からは特定することができない。患者および医療スタッフがこのような電磁界にさらされるのを最小限にすることが賢明であると思われる。
【０００７】
〔発明の概要〕
本発明の開示された実施形態に従って、組織における無線周波数エネルギーの局所蓄積を最小限にしながら、外部無線周波数エネルギーを用いて患者の体内の医療装置に無線で電力供給するための方法およびシステムを提供する。患者の外部の無線周波数駆動ユニットが、この医療装置に無線周波数エネルギーを供給する。受動アンテナが、患者を挟んで駆動ユニットの概ね反対側に配置されており、概ね医療装置に向かって磁界を再配向する。この再放射要素は、駆動ユニットによって生成される電磁界の均一性を高め、患者および患者に付き添うスタッフの組織の局所加熱を軽減する。
【０００８】
本発明の実施形態は、患者の体内に配置された医療装置に無線で電力供給するための方法を提供する。この方法は、患者の外部の第１の位置で、患者を介して医療装置にエネルギーを供給する無線周波数エネルギー磁界を生成し、患者の外部の第２の位置から概ね第１の位置に向かって磁界を受動的に再放射して行う。
【０００９】
この方法の一態様によると、第２の位置は、患者を挟んで第１の位置の概ね反対側である。
【００１０】
この方法の別の態様によると、医療装置は、磁界から電力供給を受ける位置センサを有するトランスポンダである。
【００１１】
この方法の一態様では、磁界は、第２の位置における正確に１つの受動アンテナによって再放射される。
【００１２】
この方法のさらに別の態様によると、受動アンテナは、１つの電線コイルを含む。
【００１３】
この方法のさらに別の態様によると、磁界は、１３．６ＭＨｚの周波数を有しており、受動アンテナは、約１００ｐＦの静電容量を有する。
【００１４】
この方法のさらなる態様では、磁界は、第２の位置で共振する。
【００１５】
この方法の一態様は、患者の装置を含まない部分を磁界から保護することを含む。
【００１６】
本発明の実施形態は、医療装置に無線で電力供給するための器具を提供する。この医療装置は、患者の体内に配置されており、外部無線周波数エネルギーによってエネルギーが供給される。患者の外部の第１の位置に配置された無線周波数駆動ユニットが、患者を介して医療装置に達する無線周波数エネルギー磁界を生成する。この再放射要素は、磁界を概ね医療装置に向かって再配向するために、磁界内の患者の外部の第２の位置に配置されている。
【００１７】
この器具の別の態様によると、医療装置は、磁界から電力供給を受ける位置センサを有するトランスポンダである。
【００１８】
この器具のさらに別の態様によると、再放射要素は、正確に１つの受動アンテナである。
【００１９】
この器具の別の態様によると、受動アンテナは、１つの電線コイルを含む。
【００２０】
この器具のさらに別の態様によると、受動アンテナは、磁界の周波数で共振する。
【００２１】
同様の要素に同様の参照符号を付した添付の図面を参照しながら本発明の詳細な説明を読めば、本発明をより良く理解できるであろう。
【００２２】
〔詳細な説明〕
以降の記載において、本発明を完全に理解できるように、様々な特定の細部を説明する。しかしながら、当業者であれば、このような特定の細部が無くても本発明を実施できることが明らかであろう。他には、本発明を不必要に曖昧にしないために、周知の回路および制御理論は詳細には示していない。
【００２３】
ここで図面を参照されたい。まず図１を参照すると、本発明の開示した実施形態に従った医療装置に無線でエネルギーを供給するためのシステム１０の絵画図が示されている。システム１０は、患者１４の体外に配置された電力駆動ユニット１２、および移植用すなわち挿入可能な無線医療装置１６を含む。この医療装置１６は、通常は、カテーテル（不図示）に組み入れられるか、または患者１４の体内に移植される。医療装置１６は、電力駆動ユニット１２によって伝達されるエネルギーを受け取るために、少なくとも１つの電力コイル１８を含む。医療装置１６が無線位置トランスポンダとして機能する用途では、システム１０は通常、医療装置１６に組み込まれた少なくとも１つの位置検出コイル２２によって受け取られる位置信号を生成する１または複数の位置信号生成器２０をさらに含む。制御ユニット２４は、位置信号生成器２０および電力駆動ユニット１２のエネルギー供給と制御を行う。
【００２４】
医療装置１６として用いるのに適した、デジタル高周波数信号を送信するトランスポンダが、参照して開示内容を本明細書に組み入れる米国特許出願公開第２００５／００９９２９０号（名称：「デジタル無線位置センサ（Digital Wireless Position Sensor）」）に開示されている。
【００２５】
医療装置１６に電力を効果的に伝達するために、電力駆動ユニット１２は、通常は、医療装置１６に近い患者１４の外部組織の近傍に配置するかまたは接触させる。電力駆動ユニット１２は、電力コイル１８を駆動して医療装置１６に電力供給するために、通常は、周波数がＭＨｚ範囲（例えば、１３．６ＭＨｚ）の無線周波数信号を生成する。電力駆動ユニット１２によって生成されるＲＦ磁界２６の強度は、通常は、電力駆動ユニット１２からの距離が大きくなると急速に低下する。したがって、用途によって電力駆動ユニット１２から数ｃｍ〜数十ｃｍの距離に通常は配置される医療装置１６に十分な磁界強度を供給するために、比較的高い電力レベル（例えば、約１２Ｗ／ｋｇ〜約２０Ｗ／ｋｇ）が、通常は必要である。このような強い磁界は、電力駆動ユニット１２に近い患者１４の組織、およびこの処置を行う外科医や補助医療スタッフ（不図示）の組織を不所望に加熱する。
【００２６】
磁界２６の均一性を高めるために、システム１０は、通常は、少なくとも１つのコイルすなわちループ３０を含む受動アンテナ２８をさらに含む。例えば、アンテナ２８は、通常は約１００ｐＦの静電容量を有する８０ｃｍの単一ループを含むことができる。しかしながら、静電容量は、電力駆動ユニット１２によって生成される磁界の周波数でループが共振するように構成されている限り、様々にすることができる。アンテナ２８は、電力駆動ユニット１２が配置される側とは患者１４を挟んで反対側に、通常は電力駆動ユニット１２から約１ｍ〜約１．５ｍの距離に配置される。アンテナ２８は、通常は完全に受動的であるため、電源または制御回路への結合が必要ない。アンテナ２８は、磁界のエネルギーの一部を再放射する。この結果、磁界２６は、一般に、アンテナ２８が存在しない場合よりも、アンテナ２８および医療装置１６の近傍で比較的強く、電力駆動ユニット１２の近傍で比較的弱い。
【００２７】
ここで図２を参照すると、本発明の開示された実施形態に従った理論上の例示的な磁界の強度の曲線を示すグラフが示されている。例示されている理論上の例では、曲線３２は、アンテナ２８が用いられていない場合の、電力駆動ユニット１２から患者１４を通る概ね上方における電力駆動ユニット１２から０ｍ〜１．５ｍの距離の磁界２６の強度を表している。グラフから分かるように、駆動ユニットからの距離が大きくなると磁界の強度が急速に低下する。曲線３４は、アンテナ２８が電力駆動ユニット１２から１．５ｍの距離に配置された場合の磁界２６の強度を表している。アンテナ２８からの再放射により、曲線が実質的に平坦になり、より均一に磁界が分布する。
【００２８】
＜例＞
ここで図３を参照すると、本発明の開示された実施形態に従った、手術台上にやや斜めに示されているヒトの膝３８の有限要素モデル３６が示されている。この例のモデルでは、筋伝導率を０．６ Ｓｅｉｍとした。電力駆動要素４０が、膝３８の下側に配置されている。受動再放射アンテナ４２、４４が、膝３９の上に配置されている。
【００２９】
ここで図４を参照すると、有限要素モデル３６（図３）に類似した、本発明の開示された実施形態に従った、アンテナ４２、４４が存在しない有限要素モデル４６の端面図が示されている。駆動要素４８によって生成された模擬放射線パターンが示されている。強いＲＦ放射の領域５０が、手術部位５２の上に重なって示されている。
【００３０】
ここで図５を参照すると、本発明の開示された実施形態に従った、アンテナ４２、４４（図３）が模擬的に作動している有限要素モデル４６の図が示されている。図５の斜視図は、図４の図とはやや異なり、放射パターンを良好に例示するために、殆どの有限要素モデルが除去されている。代わりに、長方形５４が、有限要素モデル４６の膝部分の位置の輪郭を描いている。最も強いＲＦ照射の領域は、領域５０（図４）に比べて著しく小さくなった領域５６によって示されている。長方形５４の下部における手術部位の比較的小さい部分だけが、領域５６に重なっている。
【００３１】
＜代替の実施形態＞
ここで図６を参照すると、本発明の開示された実施形態に従った、保護シールド５８を含む医療装置に無線で電力供給するためのシステムの絵画図が示されている。シールド５８は、ＲＦエネルギーを遮断する材料（例えば、アルミニウムホイル、銅シールド、真鍮、鉄）を含み、グランド６０に接地されて、磁界２６（図１）にさらされる必要のない患者１４の組織と電力駆動ユニット１２との間に配置されている。図６に示されている例では、医療装置１６が、患者１４の左足６２内に移植すなわち挿入されており、シールド５８が、右足６４を磁界２６から保護するように構成されている。医療装置１６に電力供給している際に患者の体の他の部分および医療処置を行う医師（不図示）を保護するための構造は当業者には明らかであろう。シールド５８は、アンテナ２８（図１）の代わりまたはこれに加えて用いることができる。
【００３２】
図６の構成で生成される磁界は均一ではない。しかしながら、再放射アンテナを設けることにより、磁界の効果がアンテナから離れても比較的変化せず、アンテナに近づくと磁界が弱くなるため、不均一性が改善される。
【００３３】
当業者であれば、本発明が、添付の図面および上記説明に限定されるものではないことを理解できよう。むしろ、本発明の範囲は、上記した様々な特徴の組合せおよび部分的な組合せ、ならびに上記説明から当業者が容易に想到する従来技術ではない本発明の変更形態および改良形態も含むものとする。
【００３４】
〔実施の態様〕
（１）患者の体内に配置された医療装置に無線で電力供給するための方法において、
前記患者の外部の第１の位置で、前記患者を介して前記医療装置にエネルギーを供給する（energize）無線周波数エネルギー磁界（radiofrequency energy field）を生成するステップと、
前記患者の外部の第２の位置から概ね前記第１の位置に向かって前記磁界を受動的に再放射するステップと、
を含む、方法。
（２）実施態様（１）に記載の方法において、
前記第２の位置は、前記患者を挟んで前記第１の位置の概ね反対側である、方法。
（３）実施態様（１）に記載の方法において、
前記医療装置は、前記磁界から電力供給を受ける位置センサを有するトランスポンダである、方法。
（４）実施態様（１）に記載の方法において、
前記磁界を再放射する前記ステップは、正確に１つの受動アンテナを前記第２の位置に配置して行う、方法。
（５）実施態様（４）に記載の方法において、
前記受動アンテナは、１つの電線コイルを含む、方法。
【００３５】
（６）実施態様（４）に記載の方法において、
前記磁界は、１３．６ＭＨｚの周波数を有しており、
前記受動アンテナは、約１００ｐＦの静電容量を有する、方法。
（７）実施態様（１）に記載の方法において、
再放射する前記ステップは、前記第２の位置で前記磁界を共振させて行う、方法。
（８）実施態様（１）に記載の方法において、
前記患者の前記医療装置を含まない部分を前記磁界から保護するステップ、
をさらに含む、方法。
（９）外部無線周波数エネルギーによってエネルギーが供給される患者の体内に配置された医療装置に無線で電力供給するための器具において、
無線周波数エネルギー磁界を生成するために前記患者の外部の第１の位置に配置された無線周波数駆動ユニットであって、前記磁界が、前記患者を介して前記医療装置に到達する、無線周波数駆動ユニットと、
前記磁界を概ね前記医療装置に向かって再配向するために前記患者の外部の第２の位置に配置された再放射要素と、
を含む、器具。
（１０）実施態様（９）に記載の器具において、
前記第２の位置は、前記患者を挟んで前記第１の位置の概ね反対側である、器具。
【００３６】
（１１）実施態様（９）に記載の器具において、
前記医療装置は、前記磁界から電力供給を受ける位置センサを有するトランスポンダである、器具。
（１２）実施態様（９）に記載の器具において、
前記再放射要素は、正確に１つの受動アンテナである、器具。
（１３）実施態様（１２）に記載の器具において、
前記受動アンテナは、１つの電線コイルを含む、器具。
（１４）実施態様（１２）に記載の器具において、
前記磁界は、１３．６ＭＨｚの周波数を有しており、
前記受動アンテナは、約１００ｐＦの静電容量を有する、器具。
（１５）実施態様（１２）に記載の器具において、
前記受動アンテナは、前記磁界の周波数で共振する、器具。
【００３７】
（１６）実施態様（９）に記載の器具において、
前記患者の一部が前記磁界の放射線エネルギーにさらされるのを軽減するシールド、
をさらに含む、器具。
（１７）患者の体内に配置された医療装置に無線で電力供給するための方法において、
前記患者の外部に無線周波数エネルギー磁界を生成するステップであって、この磁界が、前記患者を介して前記医療装置にエネルギーを供給する、ステップと、
前記患者の前記医療装置を含まない部分を前記磁界から保護するステップと、
を含む、方法。
（１８）実施態様（１７）に記載の方法において、
前記医療装置は、前記磁界から電力供給を受ける位置センサを有するトランスポンダである、方法。
（１９）外部無線周波数エネルギーによってエネルギーが供給される患者の体内に配置された医療装置に無線で電力供給するための器具において、
無線周波数エネルギー磁界を生成するために前記患者の外部の第１の位置に配置された無線周波数駆動ユニットであって、前記磁界が、前記患者を介して前記医療装置に到達する、無線周波数駆動ユニットと、
前記患者の一部が前記磁界の放射線エネルギーにさらされるのを軽減するシールドと、
を含む、器具。
（２０）実施態様（１９）に記載の器具において、
前記医療装置は、前記磁界から電力供給を受ける位置センサを有するトランスポンダである、器具。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の開示された実施形態に従った、医療装置に無線でエネルギーを供給するためのシステムの絵画図である。
【図２】本発明の開示された実施形態に従った、図１に示されているシステムによって生成される例示的な磁界の強度の曲線を示すグラフである。
【図３】本発明の開示された実施形態に従った、アンテナが配置されている手術台上のやや斜めに示されているヒトの膝の有限要素モデルを示す図である。
【図４】本発明の開示された実施形態に従った、放射パターンが重ね合わされた図３に示されている有限要素モデルに類似した有限要素モデルの端面図である。
【図５】本発明の開示された実施形態に従った、アンテナが作動した状態の、放射パターンが重ね合わされた図４に類似の有限要素モデルを示す図である。
【図６】本発明の開示された実施形態に従った、保護シールドを含む、医療装置に無線で電力供給するためのシステムの絵画図である。
【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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【外国語明細書】
2008200479000001.pdf