GS2-5-8
LIFE2012

2012 年 11 月 2 日－4 日 愛知 (名古屋大学)

無線電力伝送を用いた体内深部局所ハイパーサーミア–NaCl 水溶液を用いた加温分布の測定–
Thermometry of heating distribution by a local hyperthermia for deep organ with wireless energy
transmission– Measurement of the heating distribution with NaCl solution –○ 加藤結大（東京理科大学大学院）

柴建次（東京理科大学）

Yudai KATO, Tokyo University of ScienceKenji SHIBA, Tokyo University of Science

Abstract: Hyperthermia therapy is one of the most important methods for cancer treatment. However, treatment of a deepand local cancer is very difficult. We propose a hyperthermia method for treating a deep and local cancer, wherein
hyperthermia is induced by capacitive heating by the direct attachment of two implantable electrodes to the target organ.
Moreover, as a method of wireless energy transmission, electric energy supply is established with via waist ring-type coilfor energy transmission and a flexible ribbon-type coil for energy reception. First, a homogeneous human body model
made of NaCl solution was developed, and simultaneous experiments of wireless energy transmission and localized heatingwere carried out. The temperature rise between the two electrodes was 6 °C when the transmitting frequency was 1 MHz.
Key Words: Hyperthermia, Energy transmission, Deep cancer, Capacitive heating, NaCl
1. 緒言
癌の主な治療法として放射線治療法，化学療法，手術治療法が挙げられる．近年，これらに加えてハイパーサーミア（温熱治療）による治療法が注目を集めている．ハイパーサーミアは，癌細胞と正常細胞の温度感受性の差を利用して癌細胞を熱により死滅させる治療法である．癌細胞は43 ℃で死滅するので体温を 37 °C と想定したときには約6 °C の上昇が必要となる．
ハイパーサーミアを用いての治療法は数多く研究されており，従来では誘導加温法 (1) ，腔内加温法 (2) ，磁性流体加温法 (3) ，誘電加温法 (4) がある．しかしこれらの方法では，体内深部まで局所的に加温することが困難である．そこで
本研究では治療対象の臓器のみに直接電極を装着し加温する誘電加温によるハイパーサーミアを提案している．この方法により治療対象臓器のみ加温することが可能になり，かつ他の臓器が加温されることなく効率的な加温が可能となる．
また体内へのエネルギー供給に関しては経皮エネルギー伝送 (5) を用いる．本研究ではウエストリング型 (6) の送電用コイルとリング状のフレキシブルな受電用コイルを用いた無線エネルギー伝送を使用している．このシステムは受電用コイルを直接電極に接続し，体内へ埋め込み，体外の送電用コイルから経皮的にエネルギーを伝送するシステムを用いている．また体内側の受電用コイルはフレキシブルな特徴を持つことにより臓器を避けて配置することが可能であるので臓器を傷つける恐れがなく，かつ体外から体内に電力を供給する際，皮膚を貫通するケーブルによる感染症がない．
本稿では上記した方法により作製したファントムの深部が局所的に加温される温度測定を行った．

−1−

2. 方法
2-1 システム概要
本研究の体内深部局所ハイパーサーミアの概略図を Fig.
1 に，等価回路を Fig. 2 に示す．容量の小さいアンプでより大きい電力を送電するために，送電用コイル（以降 1 次コイルと呼ぶ）と可変コンデンサの直列共振をとっている．
また Fig. 3 に試作した実験装置を示す．模擬生体として直径 250 mm，高さ 300 mm の円柱型のアクリルケースに筋組織と同等の導電率（0.5 S/m）(7)の NaCl 水溶液を入れ，模擬生体の外側にウエストリング側の直径 290 mm，巻き数24 回巻き，高さ 45 mm の送電用コイルを配置する．円柱型のアクリルケースの中には，フレキシブルリング型の受電用コイル（直径 160 mm，高さ 2–5 mm，巻き数 2,4 回，以降 2 次コイルと呼ぶ）を置く．模擬生体の中央に加温対象臓器（本研究では深部臓器の膵臓が対象，–寸法:30 mm×40 mm×50 mm）があるものと仮定し，これを直方体アクリル容器（アクリルの厚さ 1 mm）で模擬する．直方体
アクリル容器の 1 つの対面に，ステンレス電極（30 mm×50 mm，厚さ 0.5 mm）を固定し，2 枚のステンレス電極と2 次コイルを直接接続する．アクリル容器の内部＝加温対象臓器となるため，アクリル容器を含まない方が実際に近いモデルとなる．後述する実験 2-3 では，粘性のあるアルギン酸ナトリウムを用いることで，直方体アクリル容器を用いないモデルも試作し，実験を行った．
2-2 NaCl 水溶液を用いた実験
実験方法について説明する．NaCl 水溶液での加温実験は粘性が低いため，対流による温度拡散を考慮し，電極の上部以上には入れずに行った．体外側の 1 次コイルに接続した高周波電源から入力電流 0.5–0.8 A（入力電力:15-25 W）を流し，直方体アクリル容器内の電極間の温度上昇の測定を行う．高周波電源にはファンクションジェネレータ（岩崎通信機，SG4105），高速絶縁アンプ（NF CORPRATION，

3 アルギン酸ナ使った基礎実験
験2-3ナトリウムファントムを使基礎実験とし
基
験の NaCl 水溶溶液に代えてアアルて 2-2 の実験
ギンン酸ナトリウ ムファントムム（濃度 3 w/vv %）を用いた
た温度上上昇実験を行 った．アルギ
ギン酸ナトリウ
ウムファントムムを用いいた理由は，NNaCl 水溶液ででは極めて粘性性が低いため対対流によより温度拡散 が起きてしままう（そのためめアクリル容器器内に閉閉じ込めてい る）がアルギ
ギン酸ナトリウ
ウムファントムムは粘性性が高く温度 拡散が小さい
いためアクリル
ル容器が不要でで，より正確な温度 上昇測定が可可能となるかららである．
実験方法とし実ては 2-2 と同同様に行い，相相違点としてははファン
ントムを電極 上部にも挿入入し，電極のみみを加温対象部部分に配配置しファン トムを加温しし，2 次コイルは Type B を使使用し，高周波電源 からの入力電電力を 30 W とした．実験のとの様子をを Fig. 6 に示すす．
（写真ではは，電極が見ええるように，アアルギンン酸ナトリウ ムを一部取り除いている）

φ250 mmm

NaCl Solutiion

240 mm

Acrryl300 mm

HSA4025）を用 い，1 次コイルと高周波電電源の間に可変変コンデデンサを用い た．ここではは，巻き数を 2，42回とした
た 2
種類
類の 2 次コイ ルを試作し，（Type A, Type B）それぞれれにおいいて，高周波 電源からの入入力電力を 15，25 W にしたた場
合のの温度分布の 測定を行った
た．Type A 及びび Type B の寸寸法と，入力電流， 入力電力を TableT
1 にまととめる．測定点
点はFig
g. 4，5 に示す
すように送電側側の 1 次コイル
ル（A 点），受受電側のの 2 次コイル（B 点），2 枚の電極と電極枚極の間の中央のの点（CC 点），電極かから 1 mm 離れれた電極付近の点（D 点）， 室温のの 5 点とし， 温度測定にはは熱電対データロガー（SAATOSHHOJI，47SD，熱熱電対:Type J を使用）をを用いいて実測を行う
う．
温度度測定の実験 の様子を Fig.. 3，温度測定
定時の熱電対のの配置図
図を Fig. 4 にに示す．また ，熱画像計測測装置 （Apistte，FSV
V-1200）を用 いて 10 秒毎にサーモグラフを撮影する
る．

Primmary coil
Seccondary coilElectrodes
φ160 mm
φ290 mmFig.
F 3

Experiimental model for evaluation of capacities ofoenergy
y trans-missionn and localized heating

Table 1 Size of seconda
dary coil and ou
utput power
Type AType B

24244545290

290

42

Hiigh of
Secondaary coil [mm]53Diammeter of
Secondarry coil [mm]

160

160

Input current [A]Input power
p[W]

0.5
150.8
25

Turns off Primarycoiil [turn]High ofo Primarycoiil [mm]Diammeter ofPrimaryy coil [mm]Tuurns ofSecondarry coil [turn]Electrodes
B
Secondarycoil

Inner case
AFigg. 1

PrimaryPccoil

Fig. 4 Experimentaal set up (NaCll solution)

Design off proposed metthodDCPrimmarycoil

Seecondary
cooilElectrodeshermocouple
Th

Taarget tissue
Eleectrodes
Inner case

Outside of bodyFig. 2Insside of bodyFig. 5Equuivalent circuit of the our prop
posed system−2−Placement of thermoocouple betweeen a pair of theeelecttrodes

D

34

Alginic phantom

Temperature[℃]

32Electrodes

C30
28

B

26
24Room temperature

22Fig. 6

20

Experimental set up (Alginic phantom)

34

C

Temperature[℃]

32

D30A

280Fig. 8

B

Measurement result of temperature rise at 25 W (Type B,NaCl solution)

35.0
30.0
25.0
20.0[℃]
Fig. 9Measurement result of thermography of Type A (NaClsolution)

3836C34DB

3230A
28

Room temperature

2626

Room temperature

240 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900
Time[s]2220Fig. 10060 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900
Time[s]Fig. 7Measurement result of temperature rise at 15 W (TypeA, NaCl solution)

60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900
Time[s]40.0

Temperature[℃]

3. 結果
Type A，Type B の温度上昇測定の結果をそれぞれ Fig．5，6 に示す．食塩水の温度が上昇（定常状態）は， Type A では 2 枚の電極と電極の間の中央の点（C 点）で 6.8 °C ，電極から 1 mm 離れた電極付近の点（D 点）で 6.7 °C となった． Type B では C 点で 6.5 °C ，D 点で 6.8 °C となった．
これらの結果により，加温対象臓器に相当するアクリルケース内において，温度上昇が 6 °C 以上を得ることができた．
また，電極付近の温度上昇が過度な温度上昇ではなく，C点とほぼ同じ温度上昇となっていたことから，電極自身の温度上昇の影響はないと考えられる． さらに，1 次コイル，2 次コイル自身の温度上昇についても考察する．温度上昇
は Type A,B ともに 1－2 °C であった．この結果から 2 次コイルによる体内への影響は小さいと言える．また温度分布の全体像として撮影したサーモグラフを Fig．8 に示す．これにより中央の電極間のみが加温されているのがわかる．
次に基礎実験として行ったアルギン酸ナトリウムファントムの基礎実験について述べる．導電率が筋組織と同等になる濃度（3 w/v %，比誘電率 136，導電率 5.7 S/m）であるアルギン酸ナトリムファントムを用いて温度上昇の測定を行った結果を Fig. 10 に示す．2 枚の電極と電極の間の中央の点（C 点）で 6.1 °C の温度上昇が得られ電極から 1 mm離れた電極付近の点（D 点）で 5.4 °C の温度上昇が得られた．こちらも対象臓器の加温が実証された．また温度分布の全体像として撮影したサーモグラフを Fig. 11 に示す．これにより電極間のみが加温されているのがわかり他臓器への影響がないと考えられる．このアルギン酸ナトリウムフ
ァントムでの加温は NaCl 水溶液のときとは異なり，上半分にもファントムがあるため必要となる電力は大きくなったが，粘性のある条件下での深部加温であるのでより実際に近いモデルでの加温が可能であることがわかる．

A−3−Measurement result of temperature rise at 30 W (TypeB, Alginic phantom)

(PAHCE), IEEE Conf., pp. 107-111, 2011.
(4) Y.Kotsuka,
E.Hankui,
M.Hashimoto,
M.Miura,Development of double-electrode applicator for localized
thermal therapy, IEEE Trans. on MTT, vol.48, no.4,pp.
113-129, 2000.
(5) Kenji Shiba, Naoya Higaki, Analysis of SAR and Current
Density in Human Tissue Surrounding an Energy
Transmitting Coil for a Wireless Capsule Endoscope,
Proceedings of the 20th International Zurich Symposium
on Electromagnetic Compatibility (EMC Zurich), pp.
321-324, 2009.
(6) Kenji Shiba, Shoutarou Ochiai, Wireless energy
transmission for ventricular assist device by using
ribbon-type coil, The 20th Ibaraki District Conference,
pp.231-232, 2012.
(7) An Internet resource for the calculation of the dielectric
Properties of the Body tissues in the frequency range 10
Hz-100 GHz, [Online]: Institute for Applied Physics,
Available: http://niremif.ifac.cnr.it/tissprop/.

30.0
27.0
24.0
21.0
18.0
[℃]
Fig. 11

Measurement result of thermography of Type B(Alginic phantom)

4. 結語
本研究では，無線エネルギー伝送システムを用いて体内へのエネルギー供給を確立し，治療対象臓器に直接電極を貼り付けることにより深部，局所ハイパーサーミアの検討を行った． Type A で電極間の食塩水の温度上昇 6.8 °C，Type B で電極間の食塩水の温度上昇 6.5 °C を得ることができ，癌細胞を死滅させることができる温度上昇（6 °C）が確認できた．
2 次コイルは体内に埋め込むことを考慮すると軽薄であることが望まれている．今後，2 次コイルの防水パッケージ方法も検討し，実用化を目指した研究を行っていく予定
である．
5. 謝辞
本実験にあたり，サーモグラフ撮影のため熱画像計測装置を東京理科大学基礎工学研究材料工学科の安盛敦雄教授から拝借させていただきました．ここに感謝いたします．
本研究の一部は，文部科学省研究費，若手研究 B（課題番号 23760269）によって行われました．
6. 参考文献(1) K.Furiya, H.Muratsu, T.Sato, T.Takura, F.Sato and
H.Matsuki,
Multi-directional excitation system andclinical coil model for soft-heating hyperthermia, ThermalMedicine, vol. 27, no.2, pp. 41-49, 2011.
(2) Pisa.S, Cavagnaro.M,Bernardi.P, Lin.J.C, A 915-MHz
antenna for microwave thermal ablation treatment; Physicaldesign, Computer modeling and experimental measurement,
Biomedical Engineering IEEE Trans, vol.48, pp. 599-601,
2001.
(3) C.J.Trujillo, Sonia Garcia-Jimeno, A.Vera and L.Leija,
Magneto hyperthermia applied to in vitro liver tissue by
using an external RF applicator, Health care exchange−4−