特開 2024-120774 受信器及び電力伝送システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024120774

(43)【公開日】2024-09-05

(54)【発明の名称】受信器及び電力伝送システム

(51)【国際特許分類】

   A61N 1/378 20060101AFI20240829BHJP

【ＦＩ】

A61N1/378

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023027814

(22)【出願日】2023-02-24

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和４年度、総務省委託事業、戦略的情報通信研究開発推進事業（ＳＣＯＰＥ）、「電波有効利用促進型研究開発」「パッシブ型インプラント機器による体内深部・局所への神経刺激技術の研究開発」（ＪＰ２２５００６００４）、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】304021277

【氏名又は名称】国立大学法人 名古屋工業大学

(71)【出願人】

【識別番号】510094724

【氏名又は名称】国立研究開発法人国立循環器病研究センター

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】安在 大祐

(72)【発明者】

【氏名】朔 啓太

【テーマコード（参考）】

4C053

【Ｆターム（参考）】

4C053KK10

(57)【要約】

【課題】電力伝送効率を向上させる。
【解決手段】インプラント機器は、第１コイル（１１）及び第１コイルに直列又は並列に接続された第１コンデンサ（１２）を有する第１共振回路（１３）を備える。第１コンデンサの容量は、インプラント機器が体内に埋め込まれた場合における第１共振回路の共振周波数が所定の周波数となるように設定される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

動物の体内に埋め込まれる受信器であって、
第１コイル及び前記第１コイルに直列又は並列に接続された第１コンデンサを有する第１共振回路を備え、
前記受信器が前記体内に埋め込まれた場合における前記第１共振回路の共振周波数は、前記第１コンデンサの容量と、前記第１コイルのインダクタンスと、前記受信器が前記体内に埋め込まれた場合において前記第１コイルに対し仮想的に並列に付加される仮想コンデンサの容量と、によって決定され、
前記第１コンデンサの容量は、前記受信器が前記体内に埋め込まれた場合における前記第１共振回路の共振周波数が所定の周波数となるように設定される、
受信器。

【請求項2】

前記受信器が前記体内に埋め込まれた場合における前記第１共振回路の共振周波数は、前記第１コンデンサの容量と、前記第１コイルのインダクタンスと、前記第１コイルの線間容量と、前記受信器が前記体内に埋め込まれた場合において前記第１コイルに対し仮想的に並列に付加される仮想コンデンサの容量と、によって決定される、
請求項１に記載の受信器。

【請求項3】

前記仮想コンデンサは、前記第１コイルが前記体内に埋め込まれた場合に、空気中における前記第１コイルの等価回路に対して、仮想的に並列に付加される、
請求項１に記載の受信器。

【請求項4】

前記動物は、人間であり、
前記体内の比誘電率は、前記人間の属性によって異なっており、
前記仮想コンデンサの容量は、前記体内の比誘電率に基づいて算出される、
請求項１に記載の受信器。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載の受信器と、
第２コイル及び前記第２コイルに直列又は並列に接続される第２コンデンサを有する第２共振回路と、前記第２共振回路に電力を供給する電源と、を有する送信器と、
を備え、
前記送信器から前記受信器へ高周波数帯電磁波を無線伝送する電力伝送システムであって、
前記受信器は、
前記送信器から伝送される前記高周波数帯電磁波を低周波数帯の信号に変換し、変換した前記低周波数帯の信号を用いて前記体内の神経を刺激する変換回路を更に有する、
電力伝送システム。

【請求項6】

前記所定の周波数は、前記第２共振回路の共振周波数である、
請求項５に記載の電力伝送システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、受信器及び電力伝送システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、体内にインプラント機器を埋め込み、マイクロ波又は高周波電流などをエネルギー源として腫瘍組織を加温して治療するハイパーサーミアが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－５２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示されたインプラント機器にはコイルが含まれているところ、コイルを体内に埋め込んだ場合、埋め込む前と比較して、コイルの等価回路に変化が生じる。しかしながら特許文献１にはコイルの等価回路の変化について言及がない。

【0005】

本開示の一態様は、電力伝送効率を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る受信器は、動物の体内に埋め込まれる受信器であって、第１コイル及び前記第１コイルに直列又は並列に接続された第１コンデンサを有する第１共振回路を備え、前記受信器が前記体内に埋め込まれた場合における前記第１共振回路の共振周波数は、前記第１コンデンサの容量と、前記第１コイルのインダクタンスと、前記受信器が前記体内に埋め込まれた場合において前記第１コイルに対し仮想的に並列に付加される仮想コンデンサの容量と、によって決定され、前記第１コンデンサの容量は、前記受信器が前記体内に埋め込まれた場合における前記第１共振回路の共振周波数が所定の周波数となるように設定される。

【0007】

前記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る電力伝送システムは、受信器と、第２コイル及び前記第２コイルに直列又は並列に接続される第２コンデンサを有する第２共振回路と、前記第２共振回路に電力を供給する電源と、を有する送信器と、を備え、前記送信器から前記受信器へ高周波数帯電磁波を無線伝送する電力伝送システムであって、前記受信器は、前記送信器から伝送される前記高周波数帯電磁波を低周波数帯の信号に変換し、変換した前記低周波数帯の信号を用いて前記体内の神経を刺激する変換回路を有する。

【発明の効果】

【0008】

本開示の一態様によれば、電力伝送効率を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の実施形態に係る電力伝送システムの全体概略図である。

【図2】送信器及び受信器の概略構成図である。

【図3】空気中に配置されたコイルの等価回路である。

【図4】体内に配置されたコイルの等価回路である。

【図5】図４に示す等価回路を簡略化したものである。

【図6】実験で用いた送信器である。

【図7】実験で用いたインプラント機器の側面図である。

【図8】実験で用いたインプラント機器の上面図である。

【図9】実験で用いた信号波形を示す図である。

【図10】第１パターンに係る実験の様子を示す図である。

【図11】第１パターンに係る実験結果を示すグラフである。

【図12】第２パターンに係る実験の様子を示す図である。

【図13】第２パターンに係る実験の様子を示す図である。

【図14】第２パターンに係る実験結果を示すグラフである。

【図15】第３パターンに係る実験の様子を示す図である。

【図16】第３パターンに係る実験結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の一実施形態について、詳細に説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

【0011】

（電力伝送システム１００）
図１を参照して、本開示の実施形態に係る電力伝送システム１００の構成の一例について説明する。図１は、本開示の実施形態に係る電力伝送システム１００の全体概略図である。電力伝送システム１００は、神経刺激によるニューロモデレーション治療などに用いられる。

【0012】

図１に示すように、電力伝送システム１００は、患者の体内に埋め込まれる埋め込み型のインプラント機器１０と、患者の体外からインプラント機器１０にワイヤレスで電力を供給する外部送信装置２０と、を含む。医療の分野において、人体の内外に存在する端末同士を無線通信によって相互に接続するＢＡＮ（Body Area Network）の研究開発が活発に行われている。ＢＡＮでは、無線通信によって患者の健康状態をチェックしたり、得られた患者の生体情報に基づいて遠隔で治療を行ったりすることが可能となる。ＢＡＮの中でも人体内部と体表面で無線通信を行うものはインプラントＢＡＮと呼ばれており、使用例として心臓ペースメーカ、カプセル内視鏡などが挙げられる。

【0013】

心臓ペースメーカなどのバッテリを内蔵する医療機器の体内への埋め込みにおいて、数年間に渡る長期治療を想定した場合、バッテリの寿命の問題、バッテリに不具合が生じた際における機器の問題などにより、バッテリを伴う医療機器に対する「医薬品、医療機器等の品質、有効性及び安全性の確保等に関する法律（略称：薬機法）」に基づく独立行政法人医薬品医療機器総合機構による認証は厳しいものとなっている。そこで、発明者らはバッテリを伴わないインプラント機器を開発した。バッテリレスを実現するため、本実施形態では他の生体組織への影響が比較的小さいＭＨｚ帯を使用する磁界共振結合方式による無線電力伝送を用いる。

【0014】

外部送信装置２０は、電源２６と、信号発生器２５と、送信器２４とを備える。電源２６は、信号発生器２５に電力を供給する電源であり、例えば単相交流電力を供給する商用交流電源である。

【0015】

信号発生器２５は、各種の信号（例えば、正弦波信号、方形波信号、三角波信号、マイクロ波信号、又は無線周波数信号など）を生成可能な装置である。信号発生器２５は、電源２６から供給された交流電力を、この交流電力よりも高い周波数の交流電力である高周波電力に変換し、高周波電力を送信器２４に供給する。なお、高周波電力に変換可能な専用の回路を信号発生器２５の代わりに用いてもよい。送信器２４は、磁界共振結合方式によって受信器１４にワイヤレスで高周波数帯電磁波を供給する。

【0016】

インプラント機器１０は、送信器２４からワイヤレスで高周波数帯電磁波を受電する受信器１４と、受信器１４が受電した高周波数帯電磁波を低周波数帯の信号に変換する周波数変換回路１５と、を備える。１００ｋＨｚ以下の低周波電磁界により神経上において刺激電流が誘起され、神経５０に刺激が与えられる。なお、周波数変換については、三角関数の半角の公式を用いた方法などの周知の方法を用いればよい。

【0017】

（送信器２４及び受信器１４）
次に、図２を参照して、送信器２４及び受信器１４の構成例について説明する。図２は、送信器２４及び受信器１４の概略構成図である。

【0018】

図２に示すように、受信器１４は、第１コイル１１と、第１コイル１１に並列に接続される第１コンデンサ１２と、を備える。第１コイル１１と第１コンデンサ１２とによって、第１共振回路１３が形成される。なお、図２において、第１コンデンサ１２は、第１コイル１１に並列に接続されているが、これに限定されず、第１コイル１１に直列に接続される構成であってもよい。第１コイル１１及び第１コンデンサ１２の各種パラメータ（第１コイル１１のコイル長、直径、及び巻数、第１コンデンサ１２の容量など）は、第１共振回路１３の共振周波数が後述の第２共振回路２３の共振周波数と一致するように設定される。なお、本実施形態において「共振周波数が一致する」とは、完全な一致に限られるものではなく、実質的に一致する、すなわちほぼ一致と見なせることを含む。

【0019】

送信器２４は、第２コイル２１と、第２コイル２１に直列に接続される第２コンデンサ２２と、を備える。第２コイル２１と第２コンデンサ２２とによって第２共振回路２３が形成される。なお、図２において、第２コンデンサ２２は、第２コイル２１に直列に接続されているが、これに限定されず、第２コイル２１に並列に接続される構成であってもよい。第２コイル２１及び第２コンデンサ２２の各種パラメータ（第２コイル２１のコイル長、直径、及び巻数、第２コンデンサ２２の容量など）は、第２共振回路２３の共振周波数が第１共振回路１３の共振周波数と一致するように設定される。

【0020】

次に、送信器２４及び受信器１４による磁界共振結合方式を用いた無線電力伝送について説明する。磁界共振結合方式は、数十～数百ＭＨｚ帯の電磁波を使用する方式である。

【0021】

信号発生器２５から第２共振回路２３に高周波電力が供給されると、第２共振回路２３は、インプラント機器１０にワイヤレスで高周波数帯電磁波を伝送するための交流磁界を発生させる。

【0022】

第２共振回路２３に交流磁界が発生すると、交流磁界の振動が第２共振回路２３と同一の共振周波数で共鳴する第１共振回路１３に伝達される。この結果、電磁誘導によって第１共振回路１３に誘導電流が流れる。

【0023】

このように本実施形態に係る電力伝送システム１００では、第２共振回路２３において発生させた交流磁界を介して、外部送信装置２０からインプラント機器１０にワイヤレスで電力が伝送される。これにより、インプラント機器１０にバッテリを設けることなく、神経刺激を行うことが可能となる。上述したように、バッテリを内蔵する医療機器の認証は厳しいものとなっているが、本実施形態によればバッテリが不要となるため、この問題を解決できる。

【0024】

ワイヤレスで効率よく電力を伝送するためには、第１共振回路１３の共振周波数と、第２共振回路２３の共振周波数と、を一致させることが求められる。

【0025】

発明者らは、第１コイル１１を空気中に配置した場合と、第１コイル１１を体内に配置した場合とで、第１共振回路１３の共振周波数が変化することを見出した。より詳しくは、発明者らは、第１コイル１１を体内に配置すると、体内の電気定数の影響により第１コイル１１の特性が変化することを見出した。したがって、第１コイル１１を体内に配置する場合は、体内に配置された第１コイル１１の特性に基づいて、所望の共振周波数となるように各種素子のパラメータ（例えば第１コンデンサ１２の容量など）を設定する必要がある。

【0026】

（体内に配置された第１コイル１１と、空気中に配置された第１コイル１１との特性の差異）
発明者らは、第１コイル１１を体内に配置した場合に、第１コイル１１を空気中に配置した場合と比較して、第１コイル１１のインダクタンス、キャパシタンス、自己共振周波数、及びＱ値にどのような変化が生じるのか実験を行った。実験の結果、発明者らは、第１コイル１１を体内に配置した場合は、第１コイル１１を空気中に配置した場合と比較して、第１コイル１１のキャパシタンスは大きくなること、第１コイル１１の自己共振周波数は小さくなること、及び第１コイル１１のＱ値は小さくなることを見出した。なお、第１コイル１１を体内に配置した場合と、第１コイル１１を空気中に配置した場合とでは、第１コイル１１のインダクタンスに大きな違いは見られなかった。また、第１コイル１１を体内に配置した場合と、第１コイル１１を空気中に配置した場合とで、第１コイル１１のインピーダンスの周波数特性の概形に大きな違いは見られなかった。

【0027】

第１コイル１１のキャパシタンスが変化した原因は、体内の比誘電率ε_ｒによるものと考えられる。また、第１コイル１１の自己共振周波数が変化した原因は、第１コイル１１のキャパシタンスの変化によるものと考えられる。また、第１コイル１１のＱ値が変化した原因は、体内の導電率σによるものと考えられる。

【0028】

（第１コイル１１の等価回路）
次に、図３～４を参照して、空気中に配置された場合と体内に配置された場合とにおける第１コイル１１の特性の変化について説明する。図３は、空気中に配置された第１コイル１１の等価回路である。図４は、体内に配置された第１コイル１１の等価回路である。

【0029】

図３に示すように、空気中に配置された第１コイル１１の等価回路は、インダクタンスＬと、第１コイル１１の寄生成分である巻線抵抗Ｒｄｃ及び線間容量Ｃｐによって表される。これに対して、体内に配置された第１コイル１１の等価回路は、図４に示すように、図３の等価回路に対し、制限抵抗Ｒｐ及びコンデンサＣ’が並列に付加された形で表される。図４の破線で囲まれている部分は図３の等価回路を示す。体内では第１コイル１１のキャパシタンスが変化していること、及び第１コイル１１のインピーダンスの周波数特性の概形は大きくは変化していないこと、から、図３の等価回路に対し、コンデンサＣ’が仮想的に並列に付加されていると考えられる。以下では、コンデンサＣ’を仮想コンデンサと称する場合がある。また、体内では第１コイル１１のＱ値が減少していることから、図３の等価回路に対し、制限抵抗Ｒｐが仮想的に並列に付加されていると考えられる。

【0030】

図５は、図４に示す等価回路を簡略化したものである。符号Ｃで示される容量は、線間容量ＣｐとコンデンサＣ’の容量を足し合わせたものである。

【0031】

（コンデンサＣ’の容量及び制限抵抗Ｒｐの抵抗値の推定方法）
次に、コンデンサＣ’の容量、及び制限抵抗Ｒｐの抵抗値の推定方法について説明する。

【0032】

最初に、コンデンサＣ’の容量の推定方法について説明する。自己共振周波数はインダクタンスとキャパシタンスによって決定されるので、既知である第１コイル１１のインダクタンスと、第１コイル１１を体内に配置した場合の第１コイル１１の自己共振周波数とを用いることにより、コンデンサＣ’の容量を推定することができる。第１コイル１１を体内に配置した場合の第１コイル１１の自己共振周波数については、実験又はシミュレーションにより求めることができる。なお、他の方法として、体内の比誘電率ε_ｒに基づいてコンデンサＣ’の容量を推定してもよい。体内の比誘電率ε_ｒは、実験又はシミュレーションにより求めることができる。

【0033】

次に、制限抵抗Ｒｐの抵抗値の推定方法について説明する。図５に示す等価回路のインピーダンスＺの大きさは、式１で示される。

【0034】

【数1】

ωは共振角周波数を示す。巻線抵抗Ｒｄｃは極めて小さいため、式１は式２のように近似可能である。

【0035】

【数2】

式２を展開すると式３が得られる。

【0036】

【数3】

【0037】

式３におけるインピーダンスＺの大きさが、制限抵抗Ｒｐの抵抗値として推定される。

【0038】

（第１コンデンサ１２の容量の設定）
上述したように、本実施形態では、送信器２４と受信器１４との間において、磁界共振結合方式を用いた無線電力伝送を行う。磁界共振結合方式では送信器２４と受信器１４の共振周波数を一致させることによって電力を効率よく伝送することが可能である。周知のとおり、共振周波数は、インダクタンスとキャパシタンスによって決定される。体内では第１コイル１１のキャパシタンスが変化することによって自己共振周波数が変化することを説明した。そこで、所望の周波数での共振を実現するためには、体内に配置される第１コイル１１と第１共振回路１３を形成する第１コンデンサ１２の容量を適切に設定する必要がある。

【0039】

第１コンデンサ１２の容量の設定方法の一例について説明する。第１共振回路１３の共振周波数は、第１コンデンサ１２の容量と、第１コイル１１のインダクタンスと、インプラント機器１０が体内に埋め込まれた場合において第１コイル１１に対し仮想的に並列に付加されるコンデンサＣ’の容量と、によって決定される。そこで、第１コンデンサ１２の容量は、インプラント機器１０が体内に埋め込まれた場合における第１共振回路１３の共振周波数が第２共振回路２３の共振周波数と一致するように設定されればよい。

【0040】

インプラント機器１０が体内に埋め込まれた場合における第１共振回路１３の共振周波数は、第１コンデンサ１２の容量と、第１コイル１１のインダクタンスと、第１コイル１１の線間容量Ｃｐと、インプラント機器１０が体内に埋め込まれた場合において第１コイル１１に対し仮想的に並列に付加されるコンデンサＣ’の容量と、によって決定されてもよい。この場合も、第１コンデンサ１２の容量は、インプラント機器１０が体内に埋め込まれた場合における第１共振回路１３の共振周波数が第２共振回路２３の共振周波数と一致するように設定されればよい。

【0041】

本開示は、人間の体内にインプラント機器１０を埋め込むことを想定しているが、以下の実験の実施例では、体内にインプラント機器１０を埋め込む対象を動物（イヌ）とした。

【0042】

（実施例）
図６～１６を参照して動物（イヌ）を用いた実験の実施例について説明する。この実験は、体内深部の神経に電流刺激を与えることを目標として行われた。

【0043】

図６は、実験で用いた送信器２４の第２コイル２１を示す。第２コイル２１のコイル長は、２４．３０ｍｍである。第２コイル２１の直径は、１１．８５ｍｍである。

【0044】

図７～８は、実験で用いたインプラント機器１０の第１コイル１１を示す図であり、より詳しくは、図７はインプラント機器１０の第１コイル１１を側面から見た図であり、図８はインプラント機器１０の第１コイル１１を上面から見た図である。第１コイル１１のコイル長は、８．１５ｍｍである。第１コイル１１の直径は、１６．１０ｍｍである。

【0045】

実験は、３つのパターンで実施された。１つ目のパターン（以下、第１パターンと称する）は、インプラント機器１０を体内ではなく空気中に配置して、インプラント機器１０から延びる電極を傷口から挿入し体内の目的の神経に接触させ、神経刺激を行うものである。２つ目のパターン（以下、第２パターンと称する）は、インプラント機器１０を体内に挿入し、目的の神経の近傍に配置して傷口は開いたまま神経刺激を行うものである。３つ目のパターン（以下、第３パターンと称する）は、インプラント機器１０を体内に挿入し、目的の神経の近傍に配置して傷口を縫い付けて神経刺激を行うものである。

【0046】

いずれのパターンにおいても、信号発生器２５から出力される周波数を１３．５６ＭＨｚに設定した。パルス幅については、図９に示すように、タイミングＴ１１～Ｔ１２の間のオン期間は０．３ｍｓであり、タイミングＴ１２～Ｔ１３の間のオフ期間は５０ｍｓである。信号発生器２５の出力は約０．２Ｗである。なお、図９において、波形６０及び波形６１は、周期の異なる２つの波形を示す。より詳しくは、短い周期を有する波形６０は、送信器２４から受信器１４にワイヤレスで送信される高周波数帯電磁波の信号の波形を示し、長い周期を有する波形６１は、神経刺激に用いられる低周波数帯電磁波の信号の波形を示す。

【0047】

（第１パターンの実験の様子）
図１０は、第１パターンの実験の様子を示す。図１０に示すように、第１パターンでは、インプラント機器１０を空気中に配置した。送信器２４とインプラント機器１０との間隔７１は約９ｍｍである。なお、目的の神経以外に電極が触れないように、絶縁シートを適宜使用した。送信器２４と空気中のインプラント機器１０の共振周波数が一致するように各素子のパラメータを設定した。

【0048】

（第１パターンの実験結果）
第１パターンの実験結果を図１１に示す。図１１の横軸は時間であり、縦軸は動物の心拍数を示す。実験では、神経刺激のための電流を流し、その後インターバルを設けるという作業を３セット繰り返した。タイミングＴ２１～Ｔ２２，タイミングＴ２３～Ｔ２４，タイミングＴ２５～Ｔ２６の期間は、神経刺激を行っている神経刺激期間を示す。神経刺激期間は２０秒である。タイミングＴ２２～Ｔ２３，タイミングＴ２４～Ｔ２５の期間は、神経刺激を行っていないインターバル期間を示す。インターバル期間は３０秒である。神経刺激期間では信号発生器２５から信号が出力される（図９参照）。一方で、インターバル期間では信号発生器２５から信号は出力されない。

【0049】

図１１に示すように、電流によって神経が刺激されるとすぐに心拍数が下がるという効果が確認され、刺激を終了するとすぐに心拍数が元の状態に戻ることが確認された。この実験結果により体内深部の神経が刺激されたことが確認された。なお、実験結果により、神経に印加された電流は３ｍＡ以上であると推定される。

【0050】

（第２パターンの実験の様子）
図１２～１３は、第２パターンの実験の様子を示す。図１２に示すように、インプラント機器１０にカバーをかけて生体に直接触れないようにした。そして、図１３に示すように、インプラント機器１０を体内に挿入し、目的の神経の近傍に配置した。第２パターンでは傷口７０を開いたまま神経刺激を行った。送信器２４と体内のインプラント機器１０の共振周波数が一致するように各素子のパラメータを設定した。

【0051】

（第２パターンの実験結果）
第２パターンの実験結果を図１４に示す。図１４の横軸は時間であり、縦軸は動物の心拍数を示す。タイミングＴ３１～Ｔ３２，タイミングＴ３３～Ｔ３４，タイミングＴ３５～Ｔ３６の期間は、神経刺激を行っている神経刺激期間を示す。神経刺激期間は第１パターンと同じく２０秒である。タイミングＴ３２～Ｔ３３，タイミングＴ３４～Ｔ３５の期間は、神経刺激を行っていないインターバル期間を示す。インターバル期間は第１パターンと同じく３０秒である。

【0052】

図１４に示すように、電流によって神経が刺激されるとすぐに心拍数が下がるという効果が確認され、刺激を終了すると元の状態より高い心拍数になり、その後心拍数が元に戻ることが確認された。この実験結果により、インプラント機器１０を体内に配置した場合であっても、インプラント機器１０を空気中に配置した場合（第１パターン）と同様に、体内深部の神経が刺激されたことが確認された。なお、実験結果により、神経に印加された電流は３ｍＡ以上であると推定される。

【0053】

（第３パターンの実験の様子）
図１５は、第３パターンの実験の様子を示す。第３パターンも、第２パターンと同様に、インプラント機器１０にカバーをかけて生体に直接触れないようにしてインプラント機器１０を体内に挿入し、目的の神経の近傍に配置した。ただし第３パターンでは、図１５に示すように、傷口７０を縫い付けて神経刺激を行った。したがって、図１５ではインプラント機器１０は図示されていない。送信器２４と体内のインプラント機器１０の共振周波数が一致するように各素子のパラメータを設定した。

【0054】

（第３パターンの実験結果）
第３パターンの実験結果を図１６に示す。図１６の横軸は時間であり、縦軸は動物の心拍数を示す。タイミングＴ４１～Ｔ４２，タイミングＴ４３～Ｔ４４，タイミングＴ４５～Ｔ４６の期間は、神経刺激を行っている神経刺激期間を示す。神経刺激期間は第１パターンと同じく２０秒である。タイミングＴ４２～Ｔ４３，タイミングＴ４４～Ｔ４５の期間は、神経刺激を行っていないインターバル期間を示す。インターバル期間は第１パターンと同じく３０秒である。

【0055】

図１６に示すように、電流によって神経が刺激されるとすぐに心拍数が下がるという効果が確認され、刺激を終了すると元の状態より高い心拍数になり、その後心拍数が元に戻ることが確認された。この実験結果により、傷口７０を縫い付けて神経刺激を行った場合であっても、傷口７０を開いたままにして神経刺激を行った場合と同様に、体内深部の神経が刺激されたことが確認された。なお、実験結果により、神経に印加された電流は３ｍＡ以上であると推定される。

【0056】

（作用・効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。

【0057】

インプラント機器１０は、動物の体内に埋め込まれるものであり、第１コイル１１及び第１コイル１１に直列又は並列に接続された第１コンデンサ１２を有する第１共振回路１３を備える。インプラント機器１０が体内に埋め込まれた場合における第１共振回路１３の共振周波数は、第１コンデンサ１２の容量と、第１コイル１１のインダクタンスと、インプラント機器１０が体内に埋め込まれた場合において第１コイル１１に対し仮想的に並列に付加される仮想コンデンサ（コンデンサＣ’）の容量と、によって決定される。第１コンデンサ１２の容量は、インプラント機器１０が体内に埋め込まれた場合における第１共振回路１３の共振周波数が所定の周波数となるように設定される。

【0058】

上記の構成によれば、インプラント機器１０が体内に埋め込まれた場合に第１コイル１１に生じる変化を考慮して第１コンデンサ１２の容量を設定することにより、インプラント機器１０が体内に埋め込まれた場合においても、送信器２４と受信器１４の共振周波数を一致させることが可能となり、電力伝送効率を向上させることが可能となる。なお、インプラント機器１０が体内に埋め込まれた場合に第１コイル１１に生じる変化とは、体内の比誘電率ε_ｒに起因する仮想コンデンサの付加を意味する。

【0059】

また、本実施形態によれば、ワイヤレスで送信器２４から受信器１４に電力を供給するため、インプラント機器１０にバッテリを設ける必要がない。バッテリを伴うインプラント機器では小型化の困難性から開腹手術を伴う留置が必要であったが、本実施形態によればバッテリレスの実現によりインプラント機器１０の小型化に貢献でき、患者の身体にとって低負担なカテーテル手術などで留置可能な小型のインプラント機器１０を提供可能である。

【0060】

なお、コンデンサＣ’の容量について上述の推定方法の他に、実験又はシミュレーションによって求めてもよく、あるいは、インプラント機器１０が実際に体内に埋め込まれた際に求めてもよい。

【0061】

インプラント機器１０が体内に埋め込まれた場合における第１共振回路１３の共振周波数は、第１コンデンサ１２の容量と、第１コイル１１のインダクタンスと、第１コイル１１の線間容量Ｃｐと、インプラント機器１０が体内に埋め込まれた場合において第１コイル１１に対し仮想的に並列に付加される仮想コンデンサの容量と、によって決定されてもよい。線間容量Ｃｐが無視できない場合は線間容量Ｃｐを考慮して共振周波数を決定することにより、共振周波数の精度を向上させることが可能となる。

【0062】

仮想コンデンサは、第１コイル１１が体内に埋め込まれた場合に、空気中における第１コイル１１の等価回路に対して、仮想的に並列に付加される。このような構成によれば、第１コイル１１が体内に埋め込まれた場合における第１コイル１１の等価回路を導出することができる。

【0063】

体内の比誘電率ε_ｒは、人間の属性によって異なる場合がある。人間の属性とは、例えば、性別、年齢などである。仮想コンデンサの容量は、体内の比誘電率ε_ｒに基づいて算出されてもよい。このような構成によれば、患者の属性に応じた適切なインプラント機器１０を提供できる。

【0064】

電力伝送システム１００は、インプラント機器１０と、外部送信装置２０と、を含む。外部送信装置２０は、第２コイル２１及び第２コイル２１に直列又は並列に接続される第２コンデンサ２２を有する第２共振回路２３と、第２共振回路２３に電力を供給する電源２６と、を有する。外部送信装置２０からインプラント機器１０へ高周波数帯電磁波が無線伝送される。電力伝送システム１００は、外部送信装置２０から伝送される高周波数帯電磁波を低周波数帯の信号に変換し、変換した低周波数帯の信号を用いて体内の神経を刺激する周波数変換回路１５を更に有する。

【0065】

上記構成によれば、電源２６から供給される電力を利用した磁界共振結合方式により、外部送信装置２０からインプラント機器１０にワイヤレスで電力が伝送される。これにより、インプラント機器１０にバッテリを設けることなく、神経刺激を行うことが可能となる。従来のインプラント機器と比較してバッテリが不要となるため、インプラント機器１０の小型化に貢献できる。

【0066】

電磁波のドシメトリの観点で見ると、電磁波による人体影響は熱作用と刺激作用に分類される。神経への刺激作用は基本的に１００ｋＨｚ以下の低周波領域で支配的に発生し、１００ｋＨｚ超の周波数帯の領域では熱作用が支配的になることが知られている。電磁波の刺激効果が支配的となる１００ｋＨｚ以下の周波数帯は、無線周波数帯から見ると低周波数帯となるため波長が非常に長く（例えば１００ｋＨｚのときの波長は３ｋｍ）、体内深部の任意の箇所への局所化が困難である。例えば、神経に直接的な電流付加を行わずに外部電磁界により非侵襲的に刺激を行う治療として、経頭蓋磁気刺激（ＴＭＳ:Transcranial Magnetic Stimulation）が知られているが、このＴＭＳにおいても刺激箇所は脳表に限定されている。

【0067】

一方、本実施形態によれば、上述の実験結果にて説明したように、所望の神経刺激が達成される電流印加が体外からの高周波数帯電磁界により誘起されたことが確認された。すなわち、本実施形態によれば、高周波帯電磁波を用いて体内深部に局在化された電磁界を発生させることにより体内深部への神経刺激を行うことが可能である。換言すれば、対象外の部位への刺激は、誘起されない。

【0068】

所定の周波数は、第２共振回路２３の共振周波数である。このような構成によれば、送信器２４と受信器１４の共振周波数を一致させることが可能となり、電力伝送効率を向上させることが可能となる。

【0069】

本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0070】

１００ 電力伝送システム
１０ インプラント機器
２０ 外部送信装置
１１ 第１コイル
１２ 第１コンデンサ
１３ 第１共振回路
１５ 周波数変換回路
２１ 第２コイル
２２ 第２コンデンサ
２３ 第２共振回路
２４ 送信器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】