KR100215199B1 - 무소음 핵자기 공명단층 촬영기 및 그 촬영장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발명자가 선발명한 핵자기 공명헌상을 이용깐 단층촬영기(NMR-CT)의 소음결점을 개량하고 영상명성범을 새로히한 무소옴 핵자기 공명단층 촬영기 및 그촬영기법으로서의 영상방법에 관한 것으로서, 기존의 그레디언트 펄스가 시간에 따라 X-Y-Z 축상에서 면하는 푸리어 변환

영상방법을 이응하지 아니하고 프로젝션 리컨스트럭션 방법을 사용하여 코딩그레디언트의 면학를 기계적으로 물체 또는 리딩그레디언트의 회전시킴으로서 검출함으로서 소리가 나지암게 영상을 획득한 것이다.

Description

무소음 핵자기 공명단층 촬영기 및 그 촬영장치

인체가 강한 외부 자장에 놓이게 되면 몸속의 수소(lH)와 같은 원자핵은 미세한막대자석과 같이 행동하게 되는데 이를 스핀 또는 자화(magnetization)라고 한다.

스핀은 일정한 방향성을 띠며 자장방향에 대 해 자장에 비례하는 라머(Larmore)주파수로 세차(괭이 )운동을 한다.

스핀은 고주파(匹) 펄스에 의해 여기(excitation)되며 이에 반응하는 스핀들의 위치는 경사자계장(gradient)을 가하면 알수있다. 旴 펄스는 외부자장(Bo)과 나란하게 횡측으로 배열되어 있는 스핀 또는 자화(Mo)를 가로측(x-y) 평면으로 눕게한다. 스괸이 가로 평면에 왔을때 旴 펄스를 멈추게 되면 스핀은 z 방향에서 90o 누운결과가 된다. Mo가 z측으로 부터 얼마만큼 누웠느냐가 旴의 숙임각 θ라고 한다. 旴 펄스에 의해 가로 평면쪽을 누운 스핀은 횡축 성분(Mz)과 가로측 성분으로 나눌수 있다. 이들중 Mxy만 旴 코일에 의해 服 신호로 검출된다. 만약 90。RF를 x축으로 가했다고 하면 Mo는 My가 되고.Mz는 O이 될것이다.

이때의 My가 MR신호 S(t)로 검출되며 최대크기의 신호를 낸다.

시간이 지나면서 My를 이루고 있던 스핀들은 가로평면상에서 흩어지면서 (dephasing)신호가 감소하게 된다. 계속 시간이 흐르면 스핀들이 우산을 접는것과 같은 형태로 z축으로 모이게 되는데 수초후에는 평형상태인 Mz가 된다. 자장의 세기가 위치에 따라 선형적으로 변화는 것을 경사자장 또는 경사자계라고 하뎌

자장변화의 위치에 대한 기울기가 바로 경사자장의 세기가 된다. 예를들어 1n∴

거리에 자장이 1OmT(1OOGauss) 변한다고 하면 이때의 경사자장의 세기는 1OmT/m가 된다. 경사자장이 없을때는 균일한 자장속에 있는 환자의 스괸들은 같은 라머주파수를 갖는다. 그러나 경사장이 걸려 있고 그 세기를 알면 위치에 따라서 자장의 세기를 계산할 수 있으므로 자연히 위치에 따른 라머 주파수가 결정된 핵자기 공명단층 좔영에서 현재 쓰이고 있는 모든 기법[스핀에코 시퀀스(spin echo sequence), 그리디언트 에코 시퀀스(gradient echo sequence), 스파이럴 시퀀스(spiral scan seqㄴ1ence), 인버젼 리커버리 시퀀스(inversion recovery).에코 프레너 이미징(echo plannar imaging) 등]은 그레디언트 펄스가 사간에 따라 변화하는 방법을 사용하고 있다.

기존의 방법은 퓨리어 이미징기법을 근간으로 2차원 영상을 구성하기 때문에 주파수영역(frequency domain)을 스캔하기 위해서는 코딩 그레디언트(coding gradient )와 리 딩 그레디 언트(reading g7adient )를 사용한다.

코텅 그레디언트와 리딩 그레디언트는 이미징 하는데 있어서 그 크기가 다른 그레디언트에 비해 크므로 소음을 일으키는 중요한 원인이 된다. 따라서 이 두 그레디언트를 없애거나 대치할 수 있으면 MRI에서 나은 소음을 줄일 수 있게 된다. 금번 발명품에서는 코딩 그레디언트는 회전(rotation)으로 리딩 그레디언트로 DC 오프세트(Offset)로 대치하여 소리를 없앨수 있게 하였다. 코딩 그레디언트는 다소 소음이 리딩 그레디언트 보다는 적어 한 티알(TR : repetition time)마다 점차적으로 늘어나거나 줄어들거나 하는 방식으로 그 크기가 변하는데 이 역시 MRI에서 소음을 일으키는 주된 원인이 된다. 퓨리어 이미징 기법에서 코딩그레디언트의 변화는 필수적이기 때문에 소리를 줄이기 위해서는 기존의 퓨리어 이미징기법과는 달리 이미지를 얻어야 하고 영상을 재구성하기 위해서 프로젝션 리컨스트럭션 방법(projection reconstruction)을 사용한다. 따라서 본발명에서는 코딩 그레디언트의 변화를 물체의 회전 또는 그레디언트의 회전으로 대치하였고 이러한 원리에 의해서 皿I 영상의 위치정보는 경사자계를 이용하여 얻어 프로젝션 값을 얻어 3차원 영상재구성(3-D Projection Reconstiontion Algorithm) 수학을 이용 영상을 재구성 하였다.

선택경사자장(Select ion Gradient )

[도 1 참조]

皿 영상을 얻기 위해서는 먼저 영상하고자 하는 부위의 단면을 선택한다.

영상단면의 선택을 위해 경사자장을 가한 상태에서 원하는 단면의 두께에 해당되는 주파수범위를 갖는 旴를 가해준다.

따라서 라머 주파수가 달라지므로 영상단면의 방향으로 경사자장을 걸면 위치에

원하는 영상단면에 해당되는 주파수범위를 갖는 旴 펄스를 가해주면 해당되는 단면에서만 服 신호를 내게된다. 이때의 경사자장을 선택경사자장(Selection Gradient)라고 하며 보통은 z-측으로 가해진다고 해서 z-경사자장이라고 한다.

(판독 경사자장(reading gradient) [도 1 참조]

경사자장이 걸린 상태에서는 (r1, r2)의 위치에서 나오는 신호의 주파수가 (fl,f2)로 나오게 되며 실제로 旴 코일에서 검출되는 신호는 모든 곳에서 나오는 신호가 합쳐져 여러 주파수가 섞여있기 때문에 퓨리어 트랜스폼(Fourier Transform(FT)이라고 하는 단계를 거치면 각 위치에서 나오는 신호를 주파수 별로 분리할수 있다. 이때 경사장이 걸린 판독경사자장(reading gradient)이라고 하며 경·사자장에 의해 위치정보가 주파수로상태에서 신호를 읽는다고 하여 x-경사장이라고 한다. 또는 이 부호화된다 하여 주파수 부호화 경사자장(frequency encodig gradient )이 라고 한다.

위사ㅂ호화 겨사자자( h d· d· t) [도 2 참조]

판독경사자장 이외에 위치정보를 알아낼수 있는 방법으로 위상부호화 경사자장을 이용하는 것이다. 도 2에 보인 것처럼 경사자장의 크기를 바꾸어 가며 펄스형태로 가해준다. 이렇게 얻은 신호를 위상부호화 경사자장의 세기순서로 배열하면 이것이 곧 k-space 데이타가 된다.

예를들어 (rl, r2, r3)에서 각 스핀의 움직임을 보면 스괸이 겅험하는 경사자장의세기가 강하면 세차운동속도(라머주파수)가 빨라지며 따라서 위치에 따라 주파수가 달라지게 된다. 즉 경사자장의 면적에 비례해서 각 위치의 스핀들의 위상이 위상부호화 경사자장이 끊어진 직후의 스핀흩어지는 정도도 커진다. 따라서 위상을 보면 rl과 了3 위치에서는 경사자장에 비례해서 돌아가 있게 되는데 이는 경사자장의 중심 r2와 멀수록더많이 들아가거나 더 적게 돌아가게 된다. 허나 r2에서는 경사자장이 걸려 자장의 세기가 변하지 않으므로 스괸의 위상은 항상 같다. 스괸위상 변화속도가 곧 그 위치와 대응되므로 皿신호에서 k-space 상의 세로방향으로 퓨리어 변환을 하면 위상부호화 경사자장이 걸린 방향의 위치정보를 얻을수 있다.

기존의 XR 영상을 획득하기 위해서는 이차원 퓨리어변환(fourier transform)을사용하였으나 bl번에 제안된 방법은 프로젝션 리컨스트럭션(projection reconstruction) 방법을 이용하여 2차원 영상을 구성한다.

프로젝션 리컨스트럭션 방법을 이용하여 코딩그레디언트(coding gradient)의 사용을 리딩그레디언트(reading gradient)의 회전으로서 대치한다. 이때 리딩그레디언트는 DC 오프세트(offset)로 구현하고 셀렉션 그레디언트(selection gradient)는 기존의 것과 동일하다.

퓨리어 변환영상 재구성도 : k-space에서의 인터포레이션(interpolation)을 통하여 가능함.

프로젝션 리컨스트럭션방법을 사용한 服 영상의 3차원 구성은 3차원 퓨리어 변환기법이나 하다마드엔코딩(hadamad encoding) 기법을 이용하여 구현할수 있다.

프로젝션 데이타(projection data)는 주파수영역(frequency domain)에서 직교좌표(cartesia coordiate)로 좌표편환과 인터폴레이션(interpolation) 과정을 거쳐 기존의 퓨리어 변환영상 재구성기멉을 사용할수 있다.

도 1은 종래의 스핀-에코 펄스 시퀀스

도 2는 위상부호화 경사자장과 스된 위상관계

도 3은 무소음 싱글 슬라이스 스괸-에코 펄스 시퀀스

도 4은 무소음 퓨리어코딩 덜티슬라이스 스괸-에코 펄스 시퀀스

도 5는 무소음 하다마드엔코딩 멀티슬라이스 스핀-에코 펄스 시퀀스

도 6는 시뮬레이션 딪 실험영상을 위한 모형

도 7은 시뮬레이션 및 실험결과

도 8은 무소음 퓨리어코딩 멀티슬라이스 스핀-에코 펄스 시퀀스로 얻은 실험결과

도 9는 무소음 하다마드엔코딩 멀디슬라이스 스핀-에코 펄스 시퀀스로 얻은실험결과

도 10은 회전경사 코일의 구조도

1.기존의 MR 영상을 획득하기 위해서는 이차원 퓨리어변환(fourier transform)을사용하였으나 이번에 제안된 방법은 프로젝션 리컨스트럭션(projection reconstruction) 방법을 이용하여 2차원 영상을 구성한다.

2. 프로젝션 리컨스트럭션 방법을 이용하여 코딩그례디언트(coding gradient)의 사용을 그레디언트의 회전으로 대치한다. 이때 리딩그레디언트는 DC 오프세트(offset)로 구현하고 셀렉션 그레디언트(selection gradient)는 기존의 것과 동일하다.

3. 프로젝션 리컨스트럭션방법을 사용한 AR영상의 3차원 구성은 3차원 퓨리어변환기법이나 하다마드엔코딩(hadamad encoding)을 이용하여 구현할수 있다.

4.프로젝션 데이타(project data)는 주파수영역(frequency donlain)에서 직교좌표(cartesian coordiate)로 좌표편환과 인터포레이션(interp이ation) 과정을 거쳐 기존의 퓨리어 변환영상 재구성기법을 사용할수 있다.

5.기계적 장치로서 도 10과 같이 리딩그레디언트 실린더(3)의 회전을 의한 기계적 구성은 코인실린더(1)와 쉴딩실린더(2)와 지지실린더(Supportion cylinder)(4)의 사이에서 회전하게 되어 있으며 일상 180。나 360o 를 회전한다.

미설명 부호 (5)는 임베드바운드 (6)은 앵글인디케이타이다

[소리 안나는 MRI 펄스 설명]

기존의 MRI 영상에 쓰이는 백-프로젝션(Back-Projection Reconstruction) 펄스시퀀스에서는 영상하고자 하는 대상을 고정시키고 판독 경사자장(reading gradient )와 위상부호화 경사자장(reading gradient )와 위상부호화 경사자장(phase encoding gradient)을 원하는 크기로 변화시키면서 영상을 얻었다.

( 스 캔 )

그러나 기존의 방법은 경사자장의 크기를 변화시키면서 MRI 영상을 얻었으므로 영상신호를 얻는 과정에서 소리를 출일수가 없었다. 따라서 본 발명은 대상을 고정시기고 위상부호화 경사자장을 기계적으로 변화시키는 장치를 발명하였다.

또한, 도 3의 새로운 펄스시퀀스처럼 판독 경사자장으로 일정한 DC 경사자장만 주고180o 나 360o 를 회전시키면서 얻어지게 된다. 따라서 영상하고자 하는 대상을 일정한 각도(θn)로 변화시기면서 180o 를 회전하여 데이타를 얻으면, 기존의 백-프로젝션 리컨스트럭션(Back-Projection Reconstruction) 펄스 시퀀스-에서 얻는 프로젝션 데이타(Projection Data)를 얻게된다. 이렇게 얻은 데이타는 X-Ray에서 쓰는 프로젝션 리컨스트럭션(Projection Reconstruction)을 하거나 K-Space에서 2-D 인터포레이션(interpolation)을 하여 직교좌표(Cartesian Coordinate)의 데이타를 얻어 퓨리어 변환을 하여 영상을 얻는다.

[수학적 해석]

P(x',θ)는 선나y',θ)를 따르는 f 함수의 적분값이며, 즉,

( 스 캔 )

이고 ㄷ·',θ)는 x-y 평면의 원점을 지나는 직선이다.

퓨리어 변환의 일반식은 다음과 같으며 이는 핵자기 공명영상에서 K-Space 데이타에 해당한다.

( 스 캔 )

따라서. 영상 f(r,θ)는

( 스 캔 )

여기서 P'(x,θ)는 필터가 프로젝션 데이타이다. 식 [2]에서 얻어진 데이타를 인터포레이션(Interpolation)하여 fθ(ωx,ωy)를 얻을수 있으며 이는 다음식과 같이 표시소수 있다.

( 스 캔 )

따라서 식 [기의 프로젝션 리컨스트럭션이나 식 [티의 퓨리어 역변환은 다음과 같은 곁과를 만든다.

( 스 캔 )

핵자기공명 단층 촬영기는 1980년초 부터 한국을 비롯해서 최초로 소개된 이래전세계적으로 (한대당 200만불을 호가하는 최첨단 진단의료기기) 10,000여대가 생산 보급되어 있으며, 우리나라에도 약 200여대가 각 대학명원 및 일반 명원에서 사용되고 있다. 핵자기 공명 단층 촬영기기는 그 선명도와 병진단등에 있어서 다른 진단 방사선기기보다 뛰어나 현대병원내에서는 없어서는 안될 최첨단 의료기기이다. 그러나, 이미 알려진 바와같이 MRI 촬영시 뇌를 매리는 것과 같이 강한 소리가 나 많은 환자들이 MRI 검사를 하면서 크게 곤욕스럽게 생각하며 또 심지어는 견디다 못해서 MRI 검사자체를 거부하는 경우도 많이 생기는데 중환자의 경우는 사망에 이르게 하는 위험까지 있어 그게 문제가 되어왔다. 이번 소리가 나지않는 MRI 영상기법의 개발은 환자진료에 휙기적인 개선을 가져오고 또 소리 때문에 진료를 받지 못하던 일부 중환자들에게 크게 유용하게 쓰일 것이며 특히 소아과 등에서 어린아이들의 진료에 휙기적인 새로운 진단 가능성을 제공할 것이다.

Claims (7)

1. 통상의 핵자기 공명단층 촬영에 있어서, 기존의 그레디언트 펄스가 시간에 따라X-Y-Z 축상에서 변하는 퓨리어 변환 영상방법을 이용하지 아니하고 프로젝션 리컨스트럭션 방법을 사용하여 코딩그레디언트의 변화를 기계적 회전으로 대치하고 또 리딩그레디언트로 대치하므로 소리가 나지않는 영상 데이타를 얻을 수 있는 특징으로 가진 무소음 핵자기 공명단층 촬영기.
2. 제 1 항에 있어서, 리딩그레디언트 실린더(3)의 기계적 회전 구성은 旴 코일 실린더(1) 및 쉴딩실린더(2)와 지지실린더(4)간에 사이를 두게하여 일정한 각도를 변화시기면서 180o 나 360o 를 회전하게 구성하여 전기적인 펄스의 부호화나 판독경사자장에 무소음이 되게한 것을 특징으로 하는 무소음 핵자기 공명단층 촬영기.
3. 경사자장의 크기를 변화시기면서 MRI 영상을 얻었으므로 영상 신호를 얻는 과정에서 소리를 줄일수가 없는 통상의 NMR-CT에 있어서, 대상을 고정시기고 경사자장을 기계적으로 변화시기는 방법을 수행하기 위하여 판독 경사자장으로 일정한 DC 경사자장을 사용하고 위상부호화 경사자장(Coding Gradient) 대신에 영상하고자 하는 대상을 일정한 각도(θn)에서 데이타를 얻으면, 기존의 백프로젝션 리컨스트럭션 펄스 시퀀스에서 얻는 프로젝션 데이타를 얻게되고 이렇게 얻은 데이타는 X-Ray에서 쓰는 프로젝션 리컨스트럭션을 하거나 K-Space에서 2-D인터포레이션을 하여 직교촤표(Cartesian Coordinate)의 데이타을 얻어 퓨리어 변환을 하여 영상을 얻게함을 특징으로 하는 무소음 핵자기 공명단층 촬영장치
4. 기존과 같이 MR 영상을 획득하기 위해서 이차원 퓨리어변환을 사용하지 아니하고 프로젝션 리컨스트럭션 소음 핵자기 공명단층 방법을 이용하여 2차원 영상을 구성함을 특징으로 하는 무소음 핵자기 공명단층 촬영장치
5. 프로젝션 리컨스트럭션 방법을

   이용하여 코딩그레디언트의 사용을 리딩 그레디언트의 회전으로서 대치하며 이때 리딩그레디언트는 DC 오프세트(offset)로 구현하고 셀렉션 그레디언트는 기존의 것과 동일하게 사용할수 있게함을 특징으로 하는 무소음 핵자기 공명단층 촬영장치.
6. 프로젝션 리컨스트럭션방법을 사용한 服 영상의 3차원 구성은 3차원 퓨리어 변환기법이나 하다마드엔코딩 기법을 이용하여 구현함을 특징으로 하는 무소음 핵자기 공명단층 촬영장치.
7. 프로젝션 데이타는 주파수영역에서 직교좌표로 좌표편환과 인터폴레이션 과정을 거쳐 기존의 퓨리어 변환 영상재구성 기법을 사용할수 있음을 특징으로 하는 무소음 핵자기 공명단층 촬영장치.