KR100343218B1

KR100343218B1 - 자기공명영상장치용고주파코일

Info

Publication number: KR100343218B1
Application number: KR1019960051438A
Authority: KR
Inventors: 이완; 김정회; 이정한; 강동헌
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 2002-08-22
Also published as: US6100690A; KR19980031874A

Abstract

본 발명은 인체의 내부 구조를 파악하기 위한 의료 진단 장치인 자기 공명 영상 장치에서 인체 촬상부의 자기 공명 영상을 형성하는 자기 공명 신호를 송수신하는 역할을 하는 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일에 관한 것으로, 특정 권선의 일부 구간을 두 개의 도선으로 분리하여 만든 개방형 구조로 형성하여 수직 자기장용 고주파 코일로서 최대의 개방영역을 제공함으로써, 환부에 대한 자기 공명 영상 촬영과 동시에 상기 개방부를 통하여 간단한 수술이나 관찰을 할 수 있고, 아울러 자기 공명 영상 촬영시 환자가 답답함을 느끼지 않도록 하는 장점이 있다.

Description

자기 공명 영상 장치용 고주파 코일{A radio frequency coil for magnetic resonance image}

본 발명은 인체의 내부 구조를 파악하기 위한 의료 진단 장치인 자기 공명 영상 장치에서 인체 촬상부의 자기 공명 영상을 형성하는 자기 공명 신호를 송수신하는 역할을 하는 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일에 관한 것이다.

인체의 내부 구조를 파악하기 위한 단층 촬영의 방법으로는 X-ray를 이용하는 X-ray C.T.(Comuterized Tomograghy)와 인체내 원소의 자장 신호를 이용하는 MRI(Magnetic Resonance Image)가 있다. 자기 공명(MR) 현상을 이용한 단층 촬영은 X-ray C.T.에 의한 단층 촬영에 비하여 몇가지 장점이 있다. 인체에 전혀 무해한 자기장을 이용함으로써 장시간 촬영이나, 많은 횟수의 촬영에도 해롭지가 않고, X-ray 촬영에서 할수 없는 분자의 구별도 가능하며, X, Y, Z축 상의 임의의 방향으로 (또는 임의의 3차원 방향으로)임의의 위치에서 2차원 또는 3차원 단층 영상을 얻을 수 있다. 이러한 장점으로 MRI는 최근 의료 영상 장비로 없어서는 않되는 중요한 장비로 활용되어 가고 있다.

먼저, MRI 장치의 개략적으로 살펴보면, 크게 주자석과 코일들 그리고 스캔프로세서로 구성되어 있다. 주자석은 강한 자기장을 형성하기 위한 것으로, 자기장 세기가 통상 0.2 Tesla (1 Tesla는 1만 gauss의 자기장)에서 2.0 Tesla 사이인 영구자석이나 전자석 혹은 초전도체를 이용하는 초전도 자석으로 되어있다. 코일류로는 X, Y, Z 방향의 경사 자기장을 만드는 경사 자계 코일이 있고, 인체의 원자 핵스핀에 에너지를 주어 자기 공명 신호를 만드는 송신용 고주파(Rf) 코일과 인체로부터 나오는 자기 공명(MR) 신호를 수신하는 수신용 고주파(Rf) 코일이 있다. 스캔프로세서는 수신된 자기 공명 신호를 복조하고 크게 증폭시키는 스펙트로메타와 각 코일의 동작을 제어하는 컨트롤러, 그리고 수신된 신호를 A/D변환하여 X,Y 평면상의 데이타로 바꾸기 위한 퓨리어 변환을 하는 프로세서로 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 자기 공명 영상 장치에 있어서, 인체로부터 나오는 자기 공명 신호를 수신하는 코일로 0.5 tesla 이하의 저자장이고 수직 방향의 자기장을 형성하는 자석을 사용하는 경우 보통 솔레노이드 코일을 사용한다. 도 1에 이와 같은 솔레노이드 코일로서, 종래의 3턴(turns) 코일이 도시되어 있다. 최근에는 자기 공명 영상을 촬영하면서 수술을 병행하는 경우가 많아지고 있는데, 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 고주파 코일 구조에서는 코일이 균등 간격으로 배치되어 있어, 고주파 코일 내에 삽입된 인체 촬상 부위에 수술 도구를 사용하거나 의사의 환부 관찰이 용이하지 않을 뿐 아니라, 머리 촬영시 환자의 눈을 가리우므로 환자가 답답함을 느끼게 된다. 도 2에 머리 촬상시 사람의 머리가 수신용 구주파 코일 내부에 있을 경우를 도시하고 있는데, 고주파 코일 윗면에서 수술이 진행될 경우는 문제가 없겠으나 고주파 코일 앞면에서는 코일에 의하여 막히게 되므로 수술과 동시에 자기 공명 영상을 얻는 것이 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 수직 자기장을 형성하는 주자석의 자계 영역 내에 설치되어, 환부에 대한 자기 공명 영상 촬영을 하면서 환부에 간단한 수술을 진행하거나 환부를 관찰할 수 있는 고주파 코일을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 폐쇄(솔레노이드)형 고주파 코일의 구조도,

도 2는 사람의 머리 촬영시 도 1의 솔레노이드형 코일 내에 삽입된 사람의 머리의 개략적 위치를 나타내는 설명도,

도 3은 본 발명에 따른 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일의 구조도,

도 4는 사람의 머리 촬영시 도 3의 솔레노이드형 코일 내에 삽입된 사람의 머리의 개략적 위치를 나타내는 설명도,

도 5는 도 3의 고주파 코일의 평면도,

도 6은 도 3의 고주파 코일의 정면도,

도 7은 도 3의 고주파 코일 분리 구간의 모양에 대한 다양한 실시예를 도시한 도면,

도 8은 본 발명에 따른 또 다른 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일의 구조도,

도 9는 도 8의 고주파 코일의 정면도,

도 10은 도 1의 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일로 얻은 자기 공명 영상,

도 11은 도 3의 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일로 얻은 자기 공명 영상,

그리고 도 12는 자기 공명 영상 취득 위치 및 코일 위치도이다.

〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉

1. 코일 지지대 2. 고주파 코일

3. 코일 개방부 4.머리

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고주파 코일은, 솔레노이드형 고주파 코일에 있어서, 한 가닥의 도체가 두 갈래의 도체로 분리되어 소정의 열린 면적을 갖는 적어도 하나 이상의 분리 구간을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 도체는 한 올의 도체 혹은 복수개의 올들이 엮여진 도체이고, 상기 분리구간의 열린 면적은 환부를 수술하거나 관찰할 수 있는 정도의 면적이며, 상기 분리 구간의 도체 모양은 분리전 도체를 중심으로 대칭인 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일을 설명한다.

본 발명은 MRI장치의 구성 요소중 인체로부터 나오는 자기 공명 신호를 수신하는 역할을 하는 고주파 코일의 구조에 특징이 있다. 특히 수직 자기장을 형성하는 주자석의 자계 영역 내에서 자기 공명 영상을 얻음과 동시에 수술을 진행할 수 있는 중재적 시술이 가능한 고주파 코일의 구조를 제시한다. 즉, 본 발명에 따른자기 공명 영상 장치용 고주파 코일은, 도 3에 도시된 바와 같이, 자기 공명 신호를 검출하는 수신용 고주파 코일 또는 시료의 핵스핀을 여기시키는 송신용 고주파 코일로서 코일의 일부 구간이 하나의 도선에서 분리되어 두 갈래의 도선으로 분리된후 다시 하나의 도선으로 결합되는 구조를 갖는다. 다시 말해서, 솔레노이드형 코일을 이루는 도선의 일정 구간에서 중간 부분이 분리되어 개방(open)된 영역 즉 코일 개방부(3)를 갖는데 특징이 있다.

도 3을 참조하면서 본 발명에 따른 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일은 코일 지지대(1)에 앞서 설명한 코일 개방부(3)를 갖는 솔레노이드형 코일(2)을 구비한다. 코일 지지대(1)는 무자성체이고, 아크릴, 플라스틱 또는 FRP 등의 전도성이 전혀없는 재료로 만들어진다. 코일(2)은 고주파 코일 재료 즉 동파이프나 동판으로 만들며, 3 번 감기(3 turns)를 한 구조이다. 코일 개방부(3)는 가운데 코일의 일부 구간을 2 가닥(line)으로 분리하여 구성한 개방형(open type)으로 직사각형 구조를 사용한다. 코일의 개방(open) 구간은 중심축에서 벌어진 각도θ가 도 5에 도시된 바와 같이 120°정도를 차지하는 범위로 정하고, 개방 구간의 벌어진 직사각형 구조에서 벌어진 코일 부분의 두 가닥(line)의 도선과 인접 도선(line)과의 간격은 도 6에 표시된 바와 같이, 정상적인 코일 간격 d의 1/3에서 1/4사이가 최적이다. 이 간격을 본 발명에서는 d/4로 선정하였다.

이와 같은 개방형 고주파 코일을 이용한 자기 공명 영상 장치에서 머리 부분을 촬영하는 경우의 머리 삽입 상태는, 도 4에 도시된 바와 같이, 개방부(3)에 사람의 눈, 코 또는 뒷머리 등의 환부가 위치하게 되어 촬영을 하면서 간단한 수술을 하거나 환부를 육안으로 관찰하기가 용이한 장점이 있다.

그리고, 상기와 같은 고주파 코일의 개방부(3)의 형태는, 도 7에 도시된 바와 같이, 사각형, 육각형, 원형, 타원형, 마름모형이나 사다리꼴 등으로 다양하게 만들수 있다. 또한, 코일 개방부의 수도, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 2 개나 그 이상으로 만들 수 있다.

이러한 개방형 고주파 코일을 장착한 자기 공명 영상 장치는 다음과 같이 동작한다.

주자석의 자기장 세기가 0.5tesla 이하인 MRI 장치에서는 체내의 자기 공명 신호를 수신하는 고주파 코일의 권선(turns) 수가 많을수록 수신 신호의 세기가 증가하여 신호대잡음비(SNR; Signal to Noise Ratio)이 향상되어 선명한 영상을 얻을 수 있으나, 코일의 권선(turns)수가 많을 수록 코일의 인덕턴스값이 커진다. 따라서, 수식 ω = 1/(2π)에 의하여 공진 주파수 ω가 일단 정해지면(ω는 주자석의 자기장 세기에 의하여 결정됨), 이러한 정해진 공진주파수를 유지하기 위해서는 권선수의 증가에 의한 인덕턴스 L 값의 상승에 따라 캐패시턴스 C 값을 줄여야 한다. 그러나 이러한 C 값을 줄이는데는 한계가 있으며, 인덕턴스의 증가는 튜닝에도 문제가 된다. 즉, 저자기장에서 코일의 권선(turns)수는 2 내지 4 회(turns)가 가변 범위가 되며, 자기 공명 영상 장치의 자기장 세기가 결정되면 그 가변 범위는 더욱 좁아지게 된다. 본 발명은 저자기장용 고주파 코일로서 권선수가 3 개인 경우를 실시예로 설명하고 있다. 특히, 머리 전용 코일로서 권선수가 3 개인 경우 수신 신호가 크고 SNR이 높다. 그러나, 종래와 같이 고주파 코일 중 가운데 권선(line)이 분리되어 개방형을 이루고 있지 않게 되면, 이 가운데 권선 때문에 환부를 촬영과 동시에 수술을 하거나 관찰하기가 힘든다. 이를 해결하기 위하여 등간격으로 배치되던 권선의 위치와 형태를 변형하여 가운데 권선을 상하로 분리하여 분리함으로써 열린 영역(창)을 만들되 그 열린 영역의 면적을 넓혀 수술이 가능하게 한다. 그러나, 이 경우 가운데 권선의 변형은 자기장(magnetic field)의 영역 내에서 공간적 수신감도의 균일도(uniformaity)를 떨어뜨리게 하므로 주의하여야 한다. 즉, 같은 간격의 권선 배치가 가장 균일한 자기장(field)을 수신할 수 있는 조건이 되나 권선을 변형하므로 수신감도의 균일도가 크게 떨어지지 않도록 변형하여 자기 공명 영상 형성에 지장을 주지 않아야 한다.

이러한 자기 공명 영상 형성에 지장을 주지 않는 실험적 데이타를 다음의 실시예를 통하여 제시한다.

도 10 및 도 11은 도 1 및 도 3의 고주파 코일을 각각 사용하는 자기 공명 영상 장치에서 얻은 자기 영상을 도시하고 있다. 이 영상 실험에 사용된 코일의 직경은 25cm이고, 코일 간의 간격 d는 6.5cm 이다. 영상 대상물인 팬텀은 직경 22cm이고, 두께가 12cm이다. 자기 공명 신호는 256 x 256 포인터로 데이터를 받아 영상화하였고 자기 신호의 측정은 영상 영역 임의의 구간에서 20x20 포인터 데이터에서 평균값과 표준 편차를 측정하여 비교하였다. 종래의 고주파 코일을 사용한 결과 얻어진 영상(도 10 참조)과 본 발명의 고주파 코일을 사용한 결과 얻어진 영상(도 11참조)을 비교할 때, 종래의 고주파 코일의 전영역에서 주 영상은 거의 비슷하게 평균값은 1118, 표준 편차값은 18을 나타내었으나 본 발명의 고주파 코일에서는 도 12의 A, B, C, D 네 구간에서 약간의 차이가 나는 결과가 나왔다. 그 값을 표 1에 제시하고 있다.

	전체 평균	A구역	B구역	C구역	D구역
종래구조	1118/18	1163/20	1135/19	1158/19	1102/18
본발명구조	1116/18	1245/23	1084/18	1247/22	1092/19

표 1의 결과와 도 12를 보면 전체적인 자기 신호의 크기나 편차값은 대체적으로 종래 구조나 본 발명이 크게 차이가 나지 않으나, 본 발명의 A, C 구간은 평균 보다 조금 밝게(크게) 나오고, B, D 구간은 평균 보다 조금 어둡게 나왔다. 그러나 그 차이가 종래의 3턴 구조와 비교하여 자기 공명 신호의 균일도는 약 10% 정도의 범위이고, 그 영역의 넓이가 5% 정도이며, 또한, 중심 부분에서의 균일도(uniformity)가 종래의 고주파 코일에서 얻은 영상과 비교하여 거의 같으며, 실제로 자기 공명 영상을 얻는 부분이 코일의 중심 부분이므로 외벽측의 균일도는 그다지 문제가 되지 않는다. 더욱이, 종래 구조의 영상에서도 균일도에 국부적인 차이가 있기는 마찬가지이므로 자기 영상을 분석하는데는 큰 문제가 되지 않는다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일은 특정 권선의 일부 구간을 두 개의 도선으로 분리하여 만든 개방형 구조로 형성하여 수직 자기장용 고주파 코일로서 최대의 개방영역을 제공함으로써, 환부에 대한 자기 공명 영상 촬영과 동시에 상기 개방부를 통하여 간단한 수술이나 관찰을 할 수 있고, 아울러 자기 공명 영상 촬영시 환자가 답답함을 느끼지 않도록 하는 장점이 있다.

Claims

복수의 권선 코일로 구성된솔레노이드형 고주파 코일에 있어서,

상기 복수의 권선 중 하나의 도선이 소정의 구간에서두 갈래의도선으로분리되어 소정의 열린 면적을 갖는 적어도 하나 이상의 분리 구간을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일.
제1항에 있어서,

상기도선은 한 올의도선혹은 복수개의 올들이 엮여진도선인 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일.
제1항에 있어서,

상기 분리구간의 열린 면적은 환부를 수술하거나 관찰할 수 있는 정도의 면적인 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일.
제3항에 있어서,

상기 분리 구간의도선모양은 분리전도선을중심으로 대칭인 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일.
제4항에 있어서,

상기 분리 구간의도선모양은 사각형, 육각형, 타원형, 원형 및 마름모형 중 어느 한 형인 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일.
제3항에 있어서,

상기 분리 구간의도선모양은 분리된 양쪽도선의 길이가 같은 사다리꼴인 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 장치용 고주파 코일.