熱を発生しない細胞実験用の交流磁界発生装置の実現

金沢大学環日本海域環境研究センター研究の目的交流磁界曝露による抗がん剤薬効作用の増強""と言う研究がある。非常に将来性のある研究であり、マイトマイシンで、30mTにて1.8倍の増強とあるが、顕著な効果として4倍以上の効果がほしいところである。実験で30mTや50mTまでしかないのは、細胞実験可能な交流磁界発生装置が市販に無く、製作も発熱の問題があり困難であるからである。今回は熱を発生させない細胞実験用交流磁界発生装置を目的とした。1. 強力な永久磁石をモーター高速回転させ、交流磁界を実現することで基本的に発熱の無い磁界発生装置を実現することができる。ヨークを工夫することで200mT以上も実現できると思われる。2. 高速回転部分は危険であり細胞実験の空間とをアルミ板などで遮蔽する必要がある。このためヨークを用いて実現するが、ヨークを使用すると磁力吸着が行われコキング(回転のムラ)のため振動も発生する。このコキングを防止するための磁石を追加することで対策可能と思われる。研究計画と結果1. 磁界シミュレーションでの検討とヨーク部、永久磁石、機構部の設計シミュレーションでは磁界強度は可能であったが、形状が特殊なものは非常に高価になり時間的にも不都合であることから一般的なものから選択すると、磁界強度は当初予定の半分程度になってしまった。2. 機構部の製作では、永久磁石の取り扱いが容易では無く、投入治具の工夫が必要であった。3. まとめ 一番大きな問題てして、振動の問題が発生した。結果として30Hz程度しか発生できず、機構部の全面的な再設計が求められたが時間的に実現できなかった。振動対策として機械的強度で対策するのは難しく、磁気回路での対策が必要と思われる。磁気回路にスイッチ的な要素を組み込むことで改善できそうであったが時間的に間に合わず残念である。このテーマはさらに研究を続けたい。最初から大きなものを作らず、小型のもので試作した方が良かったと反省している。研究課題/領域番号:15H00350, 研究期間(年度):201

磁界共鳴式ワイヤレス電力伝送を利用した誘導加温温熱治療用の励磁コイルの研究

金沢大学環日本海域環境研究センター実施計画の結果,1.実験装置を製作し、研究の目的に示した、110KHzにおいてQ;440の共振回路を実現した。(計画では400)また駆動高周波電源とのインピーダンスマッチングのためのトランスを用意し、コイル電流の測定用にCTを設置した。コイル間隔はJISL4005の資料を参考とし95%280mmとした。結合係数は0.0434を測定。2.磁界性能の確認では、ピックアップコイルにより磁界分布を測定した。3.電流の位相をCTではなく、受光素子にPINフォトダイオードを使用し非接触で検出しようとしたが、受光素子の応答遅れが大きく、実験的にも利用は難しい結果となった。4.今回の方式では基本的にコイル間距離と温度変動などで、共振周波数が大きく変動する。Qが非常に大きいため110kHzに対してわずか数10Hzの変動でも大きく出力が変動する。実用的には自動追従が必須であり精密な制御が必要となる。まとめ1.主な目的とした磁界共鳴式ワイヤレス電力伝送は、Qが高い共振回路を実現することにより、非常に効率よく励磁することができた。計画時のシミュレーションの結果と磁界分布は同じものが実現でき、今後の発展が期待できる。ちなみに電力伝送として応用実験した場合でも、400mmのコイル間距離で100Wにて95%の効率を測定した。基本的には成功以上の結果だと思われる。2.磁界共鳴式ワイヤレス電力伝送では、非常に大きなQの共振回路を実現することで、エネルギー伝送効率が非常に向上する。しかし一方でコイル間距離の変動や温度変化により、共振周波数が大きく変動し,駆動回路が難しくなる。今回の実験ではアナログ回路による周波数自動追従は無理であった。デジタル回路の応用により、安定な制御方法が実現できると思われる。3.誘導側コイルの電流位相を非接触で検出したかったが、安定度が出せなかった。これについては一般的な高周波CTにより実験を継続したが、今後の検討課題としたい。研究課題/領域番号:24918005, 研究期間(年度):201

Heat Generation Ability of Ferromagnetic Implants in Hyperthermia

In this paper, proposed implants in literature are compared in terms of the ability to heat generation in electromagnetic thermotherapy. To destroy the tumor cells, their temperature must rise above 42.5oC. The magnitude of the temperature rise depends strongly on the thermal conductivity of the tissue that has not been considered in most studies. For this reason, liver tissue is modeled using bioheat transfer equation that is coupled to the electromagnetic equations and electrical circuits by employing Multiphysics finite element package COMSOL, in order to create the numerical model of the system

ワイヤレス電力伝送を利用したがん温熱治療用コイルで磁界分布を多様に制御する方法

金沢大学環日本海域環境研究センター磁界共鳴式ワイヤレス電力伝送は励磁側と誘導側の2つの共振回路を持つことで効率の良い電力伝送を行う方式である。昨年の研究で、磁界共鳴式ワイヤレス電力伝送方式を用いることでコイル間に効率的に強力な磁界を発生させることを確認できた。また電界の影響を非常に少なくすることも確認できた。次に磁界により体内にはうず電流が流れ発熱現象を起こす問題があり、とても無視できないものである。発熱は磁束密度の2乗、周波数に比例して発熱量が決まるが、渦電流は磁束密度の2乗、周波数の2乗に比例して発熱量が決まる。このためあまり高い周波数を用いることができない問題がある。これまでの研究で用いられている磁性発熱体では、100kHz程度が限界と思われている。当研究では患部以外の部分の磁界強度を下げることで、渦電流を50%以下に減らすことに成功した。ただし磁束密度の分布は実際の人体の大きさを想定した磁界発生装置を制作し確認したが、人体内部の渦電流については非常に単純な人体モデルによるシミュレーションにより確認したものである。結果的に磁界強度を25%上げることか、周波数を25%上げることが可能になった。治療には非常に有効だと思われる。実現方法であるが、2つの共振回路の共振周波数を±8%程度の差を設けることで励磁側コイルと誘導側コイルの電流が2倍以上の差を発生させることである。注目すべきは、励磁側より、誘導側(電源の付いていないコイル)に2倍以上3倍近くの電流を流すことが可能になったと言うことである。(5ターンQ=500以上400A120kHz)研究課題/領域番号:25918003, 研究期間(年度):2013-04-01 – 2014-03-3

ワイヤレス給電用の半導体回路で実現するインピーダンス・マッチング駆動回路

金沢大学環日本海域環境研究センター○研究目的大電力ワイヤレス給電装置の共振部を駆動する回路では、インピーダンス・マッチング・トランスで高周波電源と負荷のインピーダンスを合わせている。しかし実験では負荷のインピーダンスが変化して十分な電力を送れなくなる。また巻き数比が10:1以上になると漏れ磁束が大きくなり電流の最大値と電圧と電流の位相が0度になる点が合わなくなる。大電カワイヤレス給電は効率を求めるため非常に高いQの共振回路を使用するがマッチング・トランスの巻き数比を途中で変更することができず悩みの種であった。○研究方法そこで“ワイヤレス給電用の低インピーダンス共振回路を半導体回路駆動する回路”である。確認条件として、周波数は200kHz、電流は最大50Aとし、共振回路のインピーダンスは0.01Ωから1Ωとする。駆動回路としては一般的なハーフブリッジ回路であり、PWMで巻き数比に相当する電圧比を実現する。原理的には古い回路であるが、3つの新技術で今回の用途が可能になる。①. 近年の低ON抵抗MOSFETは1mΩを切るものもあり、従来では駆動できなかった極低インピーダンス負荷(例えば0.01Ω)も効率的に駆動可能となった。②. デッドタイムを最少時間に自動調節する機能が開発された。デッドタイム中は寄生ダイオードに電流が流れるため、例えば0.8Vx50Aでは40Wにもなるが、この損失を劇的に減らすことができる。③. 超小型大容量低ERS・セラミックコンデンサにより、基板上で1MHz 50Aも可能なデカップリング回路が初めて実用可能となった。○研究成果実験の結果、当初想定した電流の25%程度しか流せられなかった。原因として通常のプリント基板を利用したため、銅箔の厚みが35μmであり発熱したためだと思われる。銅箔の厚みが210μmであれば結果も違うと思われるが、非常に高価な基板であり、予算的にも時間的にも間に合わなかったのは残念である。が、基本的な考え方に問題は無いことが確認できたのは、成果である。研究課題/領域番号:17H00353, 研究期間(年度):201

Wireless Power Transfer System for Hyperthermia Therapy

Hyperthermia therapy attracts attension as a low-inversive target treatment for deep-positioned cancer. One of the hyperthermia therapies is hgh-frequency induction heating type by using nano-mgnetic materials and magnetic implants. A tumor with injected magnetic materials is heated by hysteresis loss and eddy-current loss under high frequency magnetic fields with a few handred kHz and a few mT. To generate magnetic fields at the deep position of body, we proposed double pancake type exciting system that consists with two flat coils at both sides of body. This paper discusses a wireless exciting system to generate AC magnetic fields rather than transmit energy to load. The experimantal results proved that a wireless transmission enables us to excite two pancake coils and generate magnetic fields in deep position like series-connected coils

Fluctuation of Resonance Frequency of Applicator Having Wireless Power Transmission for Hyperthermia Therapy

One of the hyperthermia therapies is hgh-frequency induction heating type by using nano-mgnetic materials and magnetic implants. A tumor with injected magnetic materials is heated by hysteresis loss and eddy-current loss under high frequency magnetic fields with a few handred kHz. To generate magnetic fields at the deep position of a body, we proposed a double pancake type exciting system with wireless power transmission. Since this system is constituted by two tuned resonant circuits, the characteristic is sensitive to the change of parameters. This paper discusses the fluctuations of resonance frequency depending on the change of a distance between the exciting and induced coils and resonance capacitor. As a result, we recognized the fluctuation range of the resonance frequency for a tuned exciting power source

Control of Exciting Frequency to Pancake Type Applicator Having Wireless Transmission for Hyperthermia Therapy

The hyperthermia as one of low-invasive therapies was taken notice of in aging society. There is a magnetic generating coil system, an applicator, as one research issue of the engineering developments in the medical treatment system. The proposed applicator system with the wireless transmission can be set a patient to operating bed easily and the gap between two flat coils can be adjusted to the breast thickness of a patient. But on the other hand, the distance between coils changes a mutual inductance and influences the characteristics of circuit and magnetic fields. This paper estimates the characteristics on the variation range of electric parameters by change of the size of exciting coils, and proposes the control methodology of the parameter fluctuation by a control of exciting frequency. The feasibility and performances of the apparatus were discussed by the simulation and the experiment

Antitumor effects of inductive hyperthermia using magnetic ferucarbotran nanoparticles on human lung cancer xenografts in nude mice

Background: The effects of inductive hyperthermia on lung cancer have yet to be fully investigated. Magnetic nanoparticles used in inductive hyperthermia are made-to-order and expensive. This study was performed to investigate the use of ferucarbotran in inductive hyperthermia and to clarify whether inductive hyperthermia using ferucarbotran promotes antitumor effects in vivo using a lung cancer cell line. Methods: We injected A549 cells subcutaneously into the right thighs of BALB/c nu/nu nude mice. Forty mice with A549 xenografts were then classified into three groups. Group 1 was the control group. All mice in groups 2 and 3 had ferucarbotran injected into their tumors, and mice in group 3 were then subjected to alternating magnetic field irradiation. We evaluated tumor temperature during the hyperthermic procedure, the time course of tumor growth, histologic findings in tumors after hyperthermic treatment, and adverse events. Results: Intratumor temperature rose rapidly and was maintained at 43°C-45°C for 20 minutes in an alternating magnetic field. Tumor volumes in groups 1 and 2 increased exponentially, but tumor growth in group 3 was significantly suppressed. No severe adverse events were observed. Histologic findings for the tumors in group 3 revealed mainly necrosis. Conclusion: Inductive hyperthermia using ferucarbotran is a beneficial and promising approach in the treatment of lung cancer. Ferucarbotran is a novel tool for further development of inductive hyperthermia. © 2013 Araya et al, publisher and licensee Dove Medical Press Ltd