KR101890261B1 - Z-축 방향 어레이 구조의 자기공명 영상용 새장형 코일 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 새장형 코일의 Z-축 방향의 자기장 균일성을 개선할 수 있는 Z-축 방향 어레이 구조를 갖는 자기공명 영상용 새장형 코일 조립체에 관한 것으로, 두 개 이상의 새장형 코일(110)(120)(130)이 상호 인덕턴스에 대한 디커플링 구조를 갖고 Z-축 방향으로 직렬로 배열됨을 특징으로 한다.

Description

Z-축 방향 어레이 구조의 자기공명 영상용 새장형 코일 조립체{MAGNETIC RESONANCE IMAGING BIRDCAGE COIL ASSEMBLY ALIGNED ALONG THE Z-AXIS}

본 발명은 Z-축 방향의 자기장 균일성을 개선할 수 있는 Z-축 방향 어레이 구조의 자기공명 영상용 새장형 코일 조립체에 관한 것이다.

자기 공명 영상(magnetic resonance imaging, MRI)은 균일한 주자기장(main magnetic field) 내에서 인체 내에 존재하는 핵종(수소, 인, 나트륨, 탄소 등)의 자화벡터(magnetization vector)에 대해 고주파 RF(radiofrequency) 펄스를 인가하여 특정 핵종(수소 등)을 공명시켜 수직평면으로 자화벡터가 재정렬되면서 발생되는 자기공명 신호를 수신하여 얻어서 컴퓨터를 통해 재구성하여 영상화하는 기술이다.

일반적으로 자화벡터를 공명시키기 위한 펄스 송신과 발생된 자기공명 신호의 수신은 RF 코일에 의해 이루어지며, 이때 RF 코일은 자화벡터를 공명시키기 위한 RF 신호를 송신(RF 송신 모드)하는 코일과 자기공명 신호를 수신(RF 수신 모드)하는 코일이 각각 따로 마련될 수 있으며, 또는 하나의 RF 코일에 의해 RF 송신 모드와 RF 수신 모드가 같이 수행될 수 있다.

일반적으로 주자기장의 크기가 클수록 MRI의 감도(sensitivity)는 증가하게 되며, 대략 S/N비(signal to noise ratio)는 주자기장의 크기와 비례하는 것으로 알려져 있다. 따라서 보다 세밀한 구조의 영상을 얻기 위하여 큰 자기장의 영상 시스템에서의 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 특히 뇌과학 분야와 같이 고해상도 영상의 필요성으로 인하여 현재는 인체용 7T의 초고자장 자기공명영상 시스템까지 나와 있다.

한편, 이와 같이 초고자장 자기공명영상 시스템에서의 여러 장점에도 불구하고 해결해야 될 기술적인 문제점이 있으며, 그 중에서 주요한 이슈는 RF 코일과 관련된 문제이다.

구체적으로는 초고자장 MRI에서는 고주파 RF 신호가 사용됨에 따라서 RF 파장이 짧아지며, 따라서 RF 코일 설계 시에 위상 이동(phase shift), 기생 용량(parasitic capacitance), 복사 손실(radiative loss) 등이 고려되어야 하므로 RF 코일 설계가 상당히 복잡해지는 문제점이 있다.

또한, RF 코일 내에서 자기장 불균일성(inhomogeneity)은 자기 공명 영상의 감도 개선에 장애가 되며, RF 코일의 균일한 자기장을 얻기 위한 방안으로 송신파형을 교정해주는 방법, 고유전율 패드를 이용하는 방법 등이 사용된다.

기존 RF 코일은 단일 코일 또는 다수 개의 단일 코일의 조합으로 구성된 형태를 가지며, 단일 코일의 경우에 일반적으로 폐루프의 형태를 가지며, 다수 개의 단일 코일의 조합은 이러한 단일 코일을 원형으로 배열하여 체적 영상을 획득하는데 사용된다. 체적 영상 획득을 위한 RF 코일은 다수 개의 단일 코일의 조합으로 구성된 다채널 RF 코일과 체적형 RF 코일(예를 들어, 새장형 코일: Birdcage coil)이 대표적으로 사용된다.

특히 새장형 코일은 가장 일반적으로 사용되는 RF 코일로서, 원통형의 초전도 자석을 이용한 자기공명 영상장치의 실질적인 모든 바디 코일은 새장형 코일을 사용하고 있다.

도 1은 일반적인 새장형 코일을 보여주는 도면이다.

도 1에 예시된 것과 같이, 새장형 코일은, 한 쌍의 엔드링(10)과, 두 엔드링(10)을 연결하는 짝수 개의 레그(20)로 구성되며, 레그(20)의 숫자는 RF 코일의 사이즈에 따라서 일반적으로 8개부터 32개까지 사용되며, 도시되지 않았으나 공진주파수의 튜닝을 위하여 레그(20)에는 캐패시터가 연결된다.

이러한 새장형 코일은 현재까지 개발된 체적형 RF 코일 중에서 가장 균일한 자기장을 만들어내는 것으로 알려져 있으며, 특히 XY-축 방향의 자기장 균일성은 높은 반면에 Z축 방향의 자기장 균일성은 중심에서 멀어질수록 급격하게 떨어지는 특성이 있다. 참고로, 본 발명에서 Z-축 방향은 원통형상의 회전체인 새장형 코일에서 회전축 방향으로 정의한다.

한편 전체 몸통 영상을 획득하기 위한 새장형 바디 코일은 사람 몸통의 길이를 커버하기 위해 Z-축 방향으로 길어질 수밖에 없으며, 따라서 코일의 길이(L)와 지름(R)의 비(R/L)는 작아져서 Z-축 방향의 자기장의 균일성은 현저히 떨어지는 문제점이 있다.

공개특허공보 제10-2015-0135337호(공개일자: 2015.12.02)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로, Z-축 방향의 자기장 균일성을 개선할 수 있는 자기공명 영상용 새장형 코일 조립체(이하, "새장형 코일 조립체"로도 약칭함)를 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기공명 영상용 새장형 코일 조립체는, 두 개 이상의 새장형 코일이 상호 인덕턴스에 대한 디커플링 구조를 갖고 Z-축 방향으로 직렬로 배열됨을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 새장형 코일은 개별적인 단일 여기방식의 전류원에 의해 여기 자기장이 형성된다.

바람직하게는, 상기 디커플링 구조는 수동 소자를 이용한 디커플링 또는 상기 새장형 코일의 기하학적인 배치 구조를 이용한 구조적 디커플링에 의해 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 자기공명 영상용 새장형 코일 조립체는, 다수 개의 새장형 코일이 상호 인덕턴스에 대한 디커플링 구조를 갖고 Z-축 방향으로 어레이 구조로 직렬 배열됨으로써, 종래의 단일(single) 새장형 코일과 비교하여 Z-축 방향의 자기장 균일도를 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 새장형 코일을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 새장형 코일 조립체를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 새장형 코일 조립체를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 새장형 코일 조립체를 보여주는 도면.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에"또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 길이가 긴 새장형 RF 코일에서 발생되는 Z-축 방향의 자기장 불균일성을 해결하기 위하여 길이가 짧은 다수 개의 새장형 코일을 Z-축 방향으로 어레이 구조로 배열하여 극복할 수 있다는 점에서 착안한 것이다.

한편, 어레이 구조로 배열되어 서로 이웃하는 새장형 코일 사이에는 상호 인덕턴스에 의한 간섭효과가 문제가 될 수 있으며, 본 발명은 두 이웃하는 새장형 코일이 상호 인덕턴스에 대한 디커플링 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. 디커플링 구조는 캐패시터 또는 인덕터와 같은 수동 소자(passive element)를 이용한 디커플링, 또는 새장형 코일들 사이의 기하학적인 배치 구조를 이용한 구조적 디커플링(Geometrically decoupling)이 있을 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 다양한 주지의 디커플링이 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 새장형 코일 조립체를 보여주는 도면이다.

도 2를 참고하면, 본 실시예의 새장형 코일 조립체는, 세 개의 새장형 코일(110)(120)(130)이 Z-축 방향으로 직렬로 배열되며, 이때 이웃하는 두 새장형 코일(110,120)(120,130)은 일정 갭(gap)을 갖고 이격되게 배치되어 하나 또는 복수의 캐패시터로 구성된 캐패시터 네트워크(141)(142)가 연결된다.

각 새장형 코일(110)(120)(130)은 개별적인 단일 여기 방식의 전류원이 인가되어 여기 자기장(excitation magnetic field)을 만들게 되며, 이에 따라서 각각의 짧아진 새장형 코일은 Z-축 방향으로 균질한 자기장을 생성하게 되고 인접한 새장형 코일들은 이 균질한 자기장이 합쳐진 형태의 자기장을 띄게 된다.

캐패시터 네트워크(141)(142)의 캐패시터 값을 적절히 결정하여 이웃하는 새장형 코일(110)(120)(130)사이의 커플링 효과를 줄일 수 있으며, 특히 이러한 캐패시티브 디커플링(capacitive decoupling)은 고자기장에서 효과적이다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 새장형 코일 조립체를 보여주는 도면이다.

도 3을 참고하면, 본 실시예의 새장형 코일 조립체는, 세 개의 새장형 코일(210)(220)(230)이 Z-축 방향으로 직렬로 배열되며, 이때 이웃하는 두 새장형 코일(210,220)(220,230)은 서로 엔드링(211)(221)을 공유한다.

앞서의 실시예와 동일하게 각 새장형 코일(210)(220)(230)은 개별적인 단일 여기 방식의 전류원이 인가되어 여기 자기장(excitation magnetic field)을 만들게 되며, 각각의 짧아진 새장형 코일은 Z-축 방향으로 균질한 자기장을 생성하게 되고 인접한 새장형 코일들은 이 균질한 자기장이 합쳐져서 전체적으로 균질한 형태의 자기장을 띄게 된다.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 새장형 코일 조립체를 보여주는 도면이다.

도 4를 참고하면, 본 실시예의 새장형 코일 조립체는, 세 개의 새장형 코일(310)(320)(330)이 Z-축 방향으로 직렬로 배열되며, 이때 이웃하는 두 새장형 코일(310,320)(320,330)은 오버랩(overlap) 영역(S)을 갖는다.

앞서의 실시예와 동일하게 각 새장형 코일(310)(320)(330)은 개별적인 단일 여기 방식의 전류원이 인가되어 여기 자기장(excitation magnetic field)을 만들게 되며, 각각의 짧아진 새장형 코일은 Z-축 방향으로 균질한 자기장을 생성하게 되고 인접한 새장형 코일들은 균질한 자기장이 합쳐져서 전체적으로 균질한 형태의 자기장을 형성한다.

한편 이웃하는 새장형 코일(310,320)(320,330)은 오버랩 영역(S)을 공유하게 되며, 이와 같이 공유된 오버랩 영역(S)의 자속(magnetic flux)은 오버랩되지 않은 영역의 자속을 상쇄하게 되어 이웃하는 새장형 코일 사이의 상호인덕턴스 커플링을 방지할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 길이가 긴 단일 새장형 RF 코일 대신에 길이가 짧은 다수 개의 새장형 코일을 Z-축 방향으로 어레이 구조로 배열함으로써 Z-축 방향의 자기장 균일성을 높일 수가 있으며, 또한 이웃하는 새장형 코일 사이에 상호 인덕턴스에 의해 발생될 수 있는 간섭효과를 방지할 수 있는 디커플링 구조를 가짐으로써 커플링에 의해 자기공명 영상의 질이 저하되는 것을 해결할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 3개의 새장형 코일이 직렬 배열되는 것으로 예시하고 있으나, 그 숫자는 증감될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

도면에서는 도시되지 않았으나, 새장형 코일을 고정할 수 있는 절연소재의 실린더 몸체가 구비되어 각 새장형 코일은 실린더 몸체에 지지될 수 있다.

또한 본 실시예에서는 디커플링 구조로서 캐패시티브 디커플링과, 구조적 디커플링 방법인 쉐어드 디커플링(shared decoupling), 오버랩 디커플링(overlap decoupling)을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 주지의 인덕티브 디커플링(inductive decoupling), 트랜스포머 디커플링(transformer decoupling), 전치증폭기 디커플링(Pre-Amp decoupling) 등의 다양한 방법이 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

110, 120, 130, 210, 220, 230, 310, 320, 330 : 새장형 코일
141, 142 : 캐패시터 네트워크

Claims (4)

1. 한 쌍의 엔드링과 이 두 엔드링을 연결하는 짝수 개의 레그로 구성되는 새장형 코일을 Z-축 방향으로 서로 이격되게 적어도 두 개 이상 직렬로 배열하고 서로 이웃하는 새장형 코일 사이에 하나 이상의 캐패시터로 구성된 캐패시터 네트워크로 연결한 디커플링 구조를 가지며, 상기 새장형 코일은 각각 개별적인 단일 여기방식의 전류원에 의해 여기 자기장이 형성됨을 특징으로 하는 자기공명 영상을 위한 송신용 새장형 코일 조립체.
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