JEMEA Bulletin Vol.6 No.2 (2021.9)

学会賞受賞記念マイクロ波の医療分野における応用技術の開発と実用化
Development and Implementation of Microwave Application
Techniques in the Medical Field
国士舘大学 理工学部 理工学科 人間情報学系 二川佳央
Human Informatics Course, Faculty of Science and Engineering,
Department of Science and Engineering, Kokushikan University, Yoshio Nikawa〒154-8515 東京都世田谷区世田谷 4-28-1
e-mail: nikawa@kokushikan.ac.jp
1. はじめに[y'-nL/(1+ n)]2 + x'2 + z '2
=12(1 − n )L2 / (1 + n )L2 / (1 + n )マイクロ波エネルギーは選択性，効率，安全性等の点から，近年医療分野における加熱をはじめとする分野(3)

で広く用いられている[1]。マイクロ波を放射するアプリ

これらの幾何光学的な設計により，金属板を使用したケータのサイズや媒質による波長短縮効果を利用するレンズの幾何工学的な設計が可能となる[2]。

ことにより，実用に際して幾何光学的な設計が有効となりうる。本稿では，癌組織のためのマイクロ波ハイパーサーミアを目的とし，患部への集中したエネルギー照射が可能な，レンズアプリケータとそのシステムについて概説する。
2. 理論
平行金属版媒質中に金属面と E 面が平行な入射波に対する平行金属板媒質の屈折率 n は，金属板の間隔をa(λ/2<a<λ), 伝搬定数を kin とすると，式(1)が得られる。
n=k in λ = 1−  k 2a 2(1)

但し，金属板媒質外部の伝搬定数を k，波長をλとする。
式(1)より，図 1(a)に示す直交座標系で点波源から平面
図 1 レンズの幾何光学的設計

波に変換するためのレンズの入射面の形状は入射側の焦点距離を L とすると式(2)で示される条件を満足するレンズの入射面形状を決定し設計することができる。

[y - nL/(1 + n)]2 + x 2 + z 2=12(1 − n )L2 / (1 + n )L2 / (1 + n )(2)次に，平面波変換後に集束を行うためのレンズの放射面の形状は図 1(b)に示す直交座標系を参照して式(3)に示される。
図 2 レンズ開口面の座標配置
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JEMEA Bulletin Vol.6 No.2 (2021.9)等位相面が規定できる条件で使用可能な幾何工学的な設計により，アプリケータの初期値を得た後に，生体組織のマイクロ波領域における損失および，波長等を含めた条件を考慮した波動工学的な取り扱いにより，最適化を実施する[3]-[5]。図 2 にはレンズ開口面からKirchhoff-Huygens の原理により開口面から分布する電磁界を得るための座標配置を示す。図 2 に示す座標配(a) 2.45 GHz 加温システム (b) 430 MHz 加温システム

置により，任意の位置における電界は式(4)によって示され，これから SAR を求めることが可能となる。
E (r , ϕ , z ) = j

図 4 実用化したレンズアプリケータシステム
表 1 患部の深度に対する治療効果1 η P2k l α
E z′G + [r ′ − r cos(ϕ ′ − ϕ )] r ′dϕ ′dz ′ (4)∫∫−−lαR η ′ R4π


但し，P = r 2 + r ′ 2 − 2rr ′ cos(ϕ − ϕ ′)R = P 2 + ( z − z ′) 2
G = exp(- jk 0 R ) / R

η’は金属板媒質内部の波動インピーダンス，ηは媒質の床応用における治療成績について，患部の深度に対す波動インピーダンスである。

る治療効果を示す。5cm までの深さの患部に対して一

3. レンズアプリケータの特性部縮小を含めて 88%の効果が認められた。
6. まとめマイクロ波ハイパーサーミアを目的としたレンズアプリケータの設計と実用化について概略をまとめた。
本稿ではマイクロ波の熱効果を利用した治療技術の一例を紹介した。今後は非熱効果を含めた更なるマイクロ波応用技術の医療分野への貢献が期待される。
参考文献[1] 篠原編集, ”医用治療機器学,” 医歯薬出版株式会社, 2008.
[2] 二川，宮下，森，菊地，関谷,” ハイパサーミアを目的とした局所加温用レンズ型アプリケータ”, 信学論, J65-B(12),pp. 1539-1546, 1982.
[3] Y. Nikawa, M. Kikuchi and S. Mori, “Development and Testingof a 2450-MHz Lens Applicator for Localized Microwave
Hyperthermia”, IEEE Trans., MTT-33(11), pp. 1212-1216, 1985.
[4] Y. Nikawa, H. Watanabe, M. Kikuchi and S. Mori, “A DirectContact Microwave Lens Applicator with a MicrocomputerControlled Heating System for Local Hyperthermia”, IEEE
Trans., MTT-34(5), pp. 626-630, 1986.
[5] Y. Nikawa, T. Katsumata, M. Kikuchi and S. Mori, “An ElectricField Converging Applicator with Heating Pattern Controller forMicrowave Hyperthermia”, IEEE Trans., MTT-34(5), pp. 631635, 1986.
[6] 菊地，二川，吉田，有岡，高塚，松田, “電波レンズ型 430
ＭＨｚマイクロ波加温装置の開発に関する研究（第Ⅱ報）－実用的加温システム（HTS-100）の試作・開発－”, 日本
ハイパーサーミア学会誌, 4(2), pp.163-172, 1988.
[7] T. Matsuda, S. Takatsuka, Y. Nikawa and M. Kikuchi., “HeatingCharacteristics of a 430 MHz Microwave Heating System with aLens Applicator in Phantoms and Miniature Pigs”, Int. J.
Hyperthermia, 6(3), pp.685-696, 1990.

図 3 幾何光学的焦点距離に対する温度分布
図 3 には 430 MHz で設計したレンズアプリケータを用いた生体内電磁界解析結果を基に血流を考慮した温度分布シミュレーション結果を示す[6]。深度方向に対する温度分布を，設計時の幾何光学的焦点距離に関係づけることで治療計画を立案が可能となる[7]。
4. レンズアプリケータを用いたシステムの実用化
図 4 はレンズアプリケータを使用して実用化したハイパーサーミア用マイクロ波加温システムを示す。(a)は 2.45 GHz，(b)は 430 MHz の周波数を用いたシステムである。アプリケータ開口面には水バックを配し、インピーダンスマッチングを図っている。
5. 治療成績表 1 には 430 MHz のレンズアプリケータを用いた臨15