(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスの一次側に接続したインバータ回路と、トランスの二次側に接続され、共振周波数におけるインピダンスが共振周波数以外の周波数帯域におけるインピダンスよりも低い特性となる、磁界発生用のコイルと共振コンデンサとの直列共振回路と、前記インバータ回路を駆動するための２つの駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、 前記直列共振回路を流れる共振電流を検出する電流検出手段と、当該電流検出手段により検出された共振電流の零クロスを検出する零クロス検出手段と、該零クロス検出手段からの出力信号を受信すると共に前記駆動信号発生手段に供給する制御信号を発生するコントローラとを具える磁界発生装置にて、前記インバータ回路は、前記２つの駆動信号によって対角駆動するように４個のトランジスタで一対の励振動作を行うＨ型のインバータ回路で構成されており、前記インバータ回路に前記直列共振回路の共振周波数にほぼ等しい周波数の駆動信号を供給して前記磁界発生コイルから高周波磁界を発生させるために、前記コントローラによって前記直列共振回路の共振周波数を検出する方法であって、
前記コントローラの制御手順は、
前記駆動信号発生手段を制御して、前記インバータ回路をステップ電圧で駆動して、該ステップ電圧の立ち上がり時に存在する高調波の周波数成分のうち共振周波数と一致する周波数成分の電流を前記直列共振回路に伝達させる工程と、
前記駆動信号発生手段に対して、前記インバータ回路に前記求められた共振周波数に等しい周波数の前記２つの駆動信号を供給するための制御信号を供給するよう制御するために、前記零クロス検出手段からの出力信号に基づいて前記直列共振回路の共振周波数を求める工程と、
を具えることを特徴とする共振周波数の検出方法。
【請求項２】
トランスの一次側に接続したインバータ回路と、トランスの二次側に接続され、共振周波数におけるインピダンスが共振周波数以外の周波数帯域におけるインピダンスよりも低い特性となる、磁界発生用のコイルと共振コンデンサとの直列共振回路とを具え、インバータ回路に前記直列共振回路の共振周波数にほぼ等しい周波数の駆動信号を供給して前記磁界発生コイルから高周波磁界を発生させる磁界発生装置において、
前記インバータ回路を駆動するための２つの駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、  前記直列共振回路を流れる共振電流を検出する電流検出手段と、
当該電流検出手段により検出された共振電流の零クロスを検出する零クロス検出手段と、
該零クロス検出手段からの出力信号を受信すると共に前記駆動信号発生手段に供給する制御信号を発生するコントローラとを具え、
前記インバータ回路は、前記２つの駆動信号によって対角駆動するように４個のトランジスタで一対の励振動作を行うＨ型のインバータ回路で構成され、
前記コントローラは、前記駆動信号発生手段を制御して、前記インバータ回路をステップ電圧で駆動して、該ステップ電圧の立ち上がり時に存在する高調波の周波数成分のうち共振周波数と一致する周波数成分の電流を前記直列共振回路に伝達させると共に、前記零クロス検出手段からの出力信号に基づいて前記直列共振回路の共振周波数を求め、さらに、前記駆動信号発生手段に対して、前記インバータ回路に前記求められた共振周波数に等しい周波数の前記２つの駆動信号を供給するための制御信号を供給するよう制御することを特徴とする磁界発生装置。
【請求項３】
前記磁界発生用のコイルを、電流路がコイル面内をスパイラル状に延在するパン型コイルとしたことを特徴とする請求項２に記載の磁界発生装置。
【請求項４】
前記磁界発生装置は、外部から患者に向けて磁界を発生し、患者の特定の部位を選択的に加温する温熱治療法に用いられることを特徴とする請求項３に記載の磁界発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界発生用コイルを有する直列共振回路の共振周波数検出方法、特に患者の患部だけを選択的に加温する温熱治療法に好適な装置磁界発生装置の共振周波数を検出する共振周波数検出方法に関するものである。
また、本発明は、上記共振周波数検出方法を実施するための磁界発生装置にも関するものである。
【背景技術】
【０００２】
癌の治療方法として、温熱療法（ハイパーサーミア法）が注目されている。この温熱治療方法は、癌細胞又は癌組織が正常細胞よりも熱に対して弱い性質を利用したものであり、癌の患部を例えば４３℃前後で一定時間加温することにより、癌細胞だけを壊死させる治療方法である。この治療法では、デキストラン又はその誘導体と磁性酸化鉄との複合体である磁性流体、例えばデキストランマグネタイトの水性ゾルを患部に注入し、外部から強力な磁場を与えて癌の病巣だけを選択的に加熱している。
【０００３】
患者の患部に注入された磁性流体を誘導加熱するためには、磁界発生装置を用いて外部から患部に向けて強力な磁束を照射する必要がある。この誘導加熱に好適な磁界発生装置として、トランスの一次側にインバータ回路を接続し二次側に磁界発生手段であるコイルと共振コンデンサとの直列共振加熱を接続し、磁界発生用のコイルに高周波数の電流を流す装置が用いられる。この既知の磁界発生装置では、トランスの一次側に接続したインバータ回路の駆動周波数を二次側に接続した直列共振回路の共振周波数に等しくなるように設定し、電磁誘導により二次側のコイル装置に交流電流を流し、コイル装置から磁界を発生させている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３６０７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した温熱治療法に用いられる磁界発生装置では、トランスの一次側に接続したインバータ回路のスイッチング周波数と二次側に接続した共振回路の共振周波数とが一致しない場合、トランスの一次側のインピダンスが増大し、トランスの一次側から二次側に伝達される電力が著しく減少し、トランスに二次側に接続した直列共振回路を流れる電流も減少し、磁界発生用コイルから発生する磁界の強度も低下してしまう。一方、直列共振回路を構成する磁界発生用コイルのインダクタンス値及び共振コンデンサの容量値の設計値に基づいて二次側共振回路の共振周波数を算出することが可能である。しかしながら、本発明者が種々の解析を行った結果、コイルのインダクタンスは、患者の患部の大きさや位置等の要因により大きく変動することが判明した。よって、コイル及びコンデンサの設計値だけを用いて共振周波数を算出しただけでは、真の共振周波数を得ることができず、必要な強度の磁界を患部に供給できない不都合が生じてしまう。また、磁界発生コイルのインダクタンスや強度コントローラの容量値は周囲の環境条件によって設計値から変動する可能性があり、このような場合設計値により規定された共振周波数の駆動信号を供給しただけでは必要な強度の磁界を発生できなくなるおそれがある。従って、温熱治療を行う際、治療に先立って各患者毎に共振周波数を測定し、各患者毎に最適な共振周波数を求め、得られた共振周波数の駆動信号をインバータ回路に供給することが極めて重要である。
【０００６】
一方、共振周波数を測定する方法として、トランスの一次側に周波数を変化させた信号を順次供給して掃引し、二次側回路を流れる最大電流を検出する方法が想定される。しかし、この方法では、広い周波数帯域の高周波信号を発生する発振器が必要であると共にアナログ的な変調信号を生成するための高周波増幅器及びその制御回路が必要であり、製造コストが高価になるだけでなく、回路構成が複雑化する不具合が生じてしまう。
【０００７】
従って、本発明の目的は、トランスの二次側の直列共振回路の共振周波数が大きく変化しても、共振周波数を正確に検出できる共振周波数検出方法を実現することにある。
さらに、本発明の別の目的は、発振回路及び高周波増幅回路が不要となり、回路構成が大幅に簡単化された共振周波数検出方法を実現することにある。
さらに、本発明の別の目的は、外部から患者に向けて磁束を照射し、患者の特定の部位だけを選択的に加温する温熱治療法に用いられる磁界発生装置の共振周波数を正確に検出できる共振周波数検出方法を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、トランスの二次側に接続した直列共振回路の共振周波数を検出できると共に検出した共振周波数に等しい周波数の駆動信号をインバータ回路に供給できる磁界発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による共振周波数検出方法は、トランスの一次側に接続したインバータ回路と、トランスの二次側に接続され、共振周波数におけるインピダンスが共振周波数以外の周波数帯域におけるインピダンスよりも低い特性となる、磁界発生用のコイルと共振コンデンサとの直列共振回路と、前記インバータ回路を駆動するための２つの駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、 前記直列共振回路を流れる共振電流を検出する電流検出手段と、当該電流検出手段により検出された共振電流の零クロスを検出する零クロス検出手段と、該零クロス検出手段からの出力信号を受信すると共に前記駆動信号発生手段に供給する制御信号を発生するコントローラとを具える磁界発生装置にて、前記インバータ回路は、前記２つの駆動信号によって対角駆動するように４個のトランジスタで一対の励振動作を行うＨ型のインバータ回路で構成されており、前記インバータ回路に前記直列共振回路の共振周波数にほぼ等しい周波数の駆動信号を供給して前記磁界発生コイルから高周波磁界を発生させるために、前記コントローラによって前記直列共振回路の共振周波数を検出する方法であって、
前記コントローラの制御手順は、
前記駆動信号発生手段を制御して、前記インバータ回路をステップ電圧で駆動して、該ステップ電圧の立ち上がり時に存在する高調波の周波数成分のうち共振周波数と一致する周波数成分の電流を前記直列共振回路に伝達させる工程と、
前記駆動信号発生手段に対して、前記インバータ回路に前記求められた共振周波数に等しい周波数の前記２つの駆動信号を供給するための制御信号を供給するよう制御するために、前記零クロス検出手段からの出力信号に基づいて前記直列共振回路の共振周波数を求める工程と、
を具えることを特徴とする。
【０００９】
共振回路は、その共振周波数においてインピダンスが急激に低下し、共振周波数以外の周波数帯域では非常に高いインピダンスとなる特性を有している。このため、トランスの二次側に伝達される電圧の基本周波数が共振周波数よりも低く、さらに共振周波数よりも高い高周波数の高調波を含んでいる場合、共振回路を流れる電流は二次側に伝達された周波数成分のうち共振周波数と一致する成分のみとなる。従って、二次側の共振回路を流れる電流は、その周波数が共振周波数に等しい正弦波状の電流となる。本発明では、この特性を利用し、トランスの一次側に接続したインバータ回路を介してトランスの一次側の回路にステップ電圧を印加する。トランスの二次側には、ステップ電圧の立ち上がり時に存在する高調波の周波数成分のうち共振周波数と一致する周波数成分の電流が二次側の共振回路に伝達され、共振による電流（共振電流）が発生する。本発明では、電流プローブを用い共振電流を検出し、検出された共振電流の零クロスを検出し、共振電流の周期又は周波数を求める。ステップ電圧は、インバータ回路を介して容易に供給できるので、発振器や高周波増幅器を用いることなく、直列共振回路の共振周波数を検出することができる。
【００１０】
本発明による磁界発生装置は、トランスの一次側に接続したインバータ回路と、トランスの二次側に接続され、共振周波数におけるインピダンスが共振周波数以外の周波数帯域におけるインピダンスよりも低い特性となる、磁界発生用のコイルと共振コンデンサとの直列共振回路とを具え、インバータ回路に前記直列共振回路の共振周波数にほぼ等しい周波数の駆動信号を供給して前記磁界発生コイルから高周波磁界を発生させる磁界発生装置において、
前記インバータ回路を駆動するための２つの駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、
前記直列共振回路を流れる共振電流を検出する電流検出手段と、
当該電流検出手段により検出された共振電流の零クロスを検出する零クロス検出手段と、
該零クロス検出手段からの出力信号を受信すると共に前記駆動信号発生手段に供給する制御信号を発生するコントローラとを具え、
前記インバータ回路は、前記２つの駆動信号によって対角駆動するように４個のトランジスタで一対の励振動作を行うＨ型のインバータ回路で構成され、
前記コントローラは、前記駆動信号発生手段を制御して、前記インバータ回路をステップ電圧で駆動して、該ステップ電圧の立ち上がり時に存在する高調波の周波数成分のうち共振周波数と一致する周波数成分の電流を前記直列共振回路に伝達させると共に、前記零クロス検出手段からの出力信号に基づいて前記直列共振回路の共振周波数を求め、さらに、前記駆動信号発生手段に対して、前記インバータ回路に前記求められた共振周波数に等しい周波数の前記２つの駆動信号を供給するための制御信号を供給するよう制御することを特徴とする。
【００１１】
本発明による磁界発生装置では、コイルから磁界を発生させる通常の動作時に用いられる駆動回路をそのまま用いて二次側の共振回路の共振周波数を検出できるので、患者の患部の位置や周囲雰囲気の条件が変化して共振回路の共振周波数が変化しても、トランスの一次側に共振周波数の駆動信号を供給することができる。この結果、温熱治療する際、患者に応じて最適な磁界を発生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明による共振周波数検出方法を実施するための磁界発生装置の一例を示す線図であり、図２は各回路部分を流れる信号の波形を示す波形図である。本例では、温熱治療法や誘導加熱に用いられる磁界発生装置の直列共振回路の共振周波数を検出する例について説明する。トランス１の一次側にインバータ回路２を接続し、トランスの二次側には磁界発生用のコイル３と共振コンデンサ４との直列共振回路５を接続する。本例では、例えばトランス１の二次側の磁界発生用のコイルに４００ｋＨｚで５００Ｖの高周波交流電流を供給する。
【００１３】
インバータ回路２は、スイッチング素子として動作する４個のトランジスタ１１〜１４を有するＨブリッジ型のインバータ回路とする。このインバータ回路２には入力端子１５ａ及び１５ｂを設け、ＤＣ５００Ｖの直流電圧を印加する。４個のトランジスタ１１〜１４のベースにはそれぞれドライバ回路１１ａ〜１４ａを接続し、これらのドライバ回路に駆動信号発生回路から供給される駆動信号Ａ又はＢを供給する。尚、この駆動信号Ａ及びＢは図２に示す。トランス１の二次側の直列共振回路５に電流プローブ１６を接続して二次側の電流すなわち共振電流を検出する。検出された電流は零クロス検出回路１７に供給され、共振電流の零クロスが検出され、零クロスに対応するパルス信号をコントローラ２０に供給する。コントローラ２０は、磁界発生装置全体の制御を行うと共に、駆動信号発生回路に制御信号を供給し、さらに零クロス検出回路１７からの出力信号に基づいて直列共振回路の共振周波数を算出する。
【００１４】
コントローラ２０に、駆動信号発生回路３０を接続する。駆動信号発生回路３０は分周器３１を有し、コントローラ２０から分周器３１のリセット入力に運転を行うためのRUN信号を供給する。分周器３１のＱ出力及びＱバー出力をそれぞれＡＮＤゲート３２及び３３に接続し、これらＡＮＤゲートの他方の入力部にはコントローラ２０からRUN信号を供給する。測定の終了すなわち共振周波数の測定が完了を示す測定完了信号をコントローラ２０から別のＡＮＤゲート３４に供給する。このＡＮＤゲート３４の他方の入力は発振器３５を接続する。この発振器３５は、共振周波数の測定後に磁界発生動作を行う際にインバータ回路２に対して測定された共振周波数の駆動信号を発生するために用いる。従って、磁界発生動作時においては、コントローラ２０の制御のもとで、測定された共振周波数に等しい周波数の発振器信号が発振器３５からＡＮＤゲート３５に供給される。ＡＮＤゲート３２及び３３の出力をデッドタイム生成回路３６に供給する。このデッドタイム生成回路は、インバータ回路の４個のトランジスタ１１〜１４を所定の時間期間にわたって休止させるように動作する。デッドタイム生成回路３６の出力を保護回路３７に接続し、保護回路３７からインバータ回路２のスイッチング素子を駆動するための駆動信号Ａ及びＢを発生する。
【００１５】
次に、図２を参照しながら、図１に示す磁界発生装置の動作を説明する。患者に対して温熱治療を行う際、初めに、トランス１の二次側に接続した直列共振回路５の共振周波数を測定する。この測定に当たり、コントローラ２０からRUN信号を発生する。このRUN信号は図２に示すように、ローとハイとのステップ電圧とする。RUN信号がローからハイに遷移すると、分周器３１から図２ａ及びｂに示す信号が発生する。また、ＡＮＤゲート３２及び３３から図２ｃ及びｄに示す信号が発生し、保護回路３７から駆動信号Ａ及びＢが発生する。駆動信号Ａはトランジスタ１１及び１４のベースに供給し、駆動信号Ｂはトランジスタ１２及び１３に供給する。これら駆動信号によりトランス１１及び１４がターンオンし、入力端子１５ａ及び１５ｂからトランス１の二次側回路に５００Ｖのステップ状の直流電圧が印加される。
【００１６】
トランス１の一次側にステップ電圧が印加されると、ステップ電圧の立ち上がり時に存在する高調波の周波数成分のうち共振周波数と一致する周波数成分の電力が二次側の共振回路に伝達され、共振による電流（共振電流）が発生する。この共振電流は共振回路内での電力消費に伴い減少する。この共振電流は通常の電流プローブ１６を用いて検出することができる。この共振電流の一例を図２のＩacとして示す。検出された共振電流を零クロス検出回路１７を用いて検出する。零クロス検出回路１７は、検出された共振電流が零レベルと交差する毎にパルスを発生する（図２Ｚcc参照）。この検出パルスはコントローラ２０に供給され、検出パルスの時間期間Ｔを求め、測定された時間期間から共振電流の周期又は周波数を決定する。
【００１７】
本発明は上述した実施例だけに限定されず、種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、温熱治療法に用いられる磁界発生装置について説明したが、誘導加熱に用いられる磁界発生装置にも適用することができ、或いはプラズマ発生装置にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による磁界発生装置の一例を示す線図である。
【図２】図１に示す磁界発生装置の各回路要素から出力される信号の波形を示す波形図である。
【符号の説明】
【００１９】
１  トランス
２  インバータ回路
３  磁界発生用コイル
４  共振コンデンサ
５  直列共振回路
１５ａ，１５ｂ  入力端子
１６  電流プローブ
１７  零クロス検出回路
２０  コントローラ
３０  駆動信号発生回路
【図１】
0004625881.tif 000002
【図２】
0004625881.tif 000003