KR100845826B1

KR100845826B1 - 엠알아이 스캐너 내의 수신 코일의 냉각 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100845826B1
Application number: KR1020037005758A
Authority: KR
Inventors: 알포드네일맥네일
Original assignee: 사우스 뱅크 유니버시티 엔터프라이지스 리미티드
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2008-07-14
Also published as: KR20030042033A; US7003963B2; EP1328764A1; GB0026145D0; AU9578701A; EP1328764B1; CA2426833A1; DE60121984D1; AU2001295787B2; ATE335178T1; DE60121984T2; JP3828491B2; JP2004512116A; CN1476525A; US20040020218A1; CN1265161C; WO2002035164A1

Abstract

MRI 스캐너 내의 HTS 수신 코일(4)을 HTS의 전이 온도보다 낮은 온도를 냉각하는 장치는 스털링 쿨러(1)와 같은 냉동 유닛을 포함하고, 그 저온 헤드(2)는 비금속성의 열전도성 로드(3)에 의해 수신 코일(4)에 연결된다.

Description

엠알아이 스캐너 내의 수신 코일의 냉각 장치 및 방법{COOLING OF RECEIVE COIL IN MRI SCANNERS}

본 발명은 대상물, 특히 MRI 스캐너 내의 수신 코일을 냉각하는 장치 및 냉각 방법에 관한 것이다.

자기 공명 영상(MRI)은 뇌 및 신체 전체를 스캔하는 데에 널리 사용되는 강력한 다용도의 진단 기법이다. MRI는, 예컨대 척추 및 뇌 등의 특정 영상을 얻을 수 있는 유일한 방법이고, MRI가 갖고 있는 유연함으로 인해 예컨대 중재적 영상(interventional imaging)과 같은 새로운 용례가 생겨남에 따라, MRI에 대한 수요의 증가는 공급을 앞지르게 되었다. 또한, CT 및 X-선 기반 기법의 사용시에, 환자 및 직원에게 방사선이 미치는 유해성에 대한 관심이 증가하고 있다.

MRI가 강력한 기법이기는 하지만, 요구되는 장비는 매우 고가의 장치 비용과 같은 수 많은 문제를 안고 있는데, 이러한 비용은 중간 자장 내지 고자장 스캐너에 대하여 기본적으로 오십만 파운드 내지 백만 파운드를 초과할 수 있다. 상기 스캐너는 액체 헬륨을 사용하기 때문에 운전 비용 및 작동 비용이 비싸고, 방사선 의사 및 기술자 같은 고급 인력이 필요하며, 또 서비스 비용도 비싸고, 프린징 자계(magnetic fringing field)를 이용하기 때문에 넓은 공간이 필요하며, 고자장 을 이용하기 때문에 다른 장치(예컨대, 생명 유지 및 모니터링 장비)와의 양립 문제가 있고, '환자 공간'이 제한되어 있어 환자에 따라서는 밀실 공포증이 나타날 수 있고 접근할 수 있는 환자의 범위가 제한적이다.

MRI는 핵자기 공명의 사용에 의존하는데, 이는 간단하게, 자계에서 수소 핵을 정렬하고, 이들 수소 핵을 고주파 펄스로 여기시키며, 약한 고주파(RF) 신호를 검출하는 것을 포함한다. 상기 RF 신호는 "수신 코일"을 사용하여 검출한다. 이 코일은 본질상 민감한 안테나로서, 종래의 MRI 장치에서, 통상 구리와 같은 금속으로 제조되고, 주변 온도(약 300K)에서 동작된다.

영상 처리를 가능하도록 하기 위하여, 신호 대 잡음비(SNR)는 수용 가능한 수준으로 증대되어야 한다. 종래의 스캐너에 있어서, 이러한 증대는 자계를 증가시켜 달성하였는데, 이는 상기 신호를 증대시킨다. 자계는 또한 영상 영역에 걸쳐 매우 균일해야 하고 안정적이어야 한다. 이로 인해, 예컨대 1 테슬라(Tesla) 이상의 고자계를 사용하고 초전도 자석을 이용해야 하는 장치가 생겨났다.

본 발명의 방법 및 장치는 상전도(常傳導) 금속(normal metal) 코일을 냉각하여 그 금속 수신 안테나의 전도성을 증가시키고, 따라서 신호 대 잡음 성능을 개선하는 이점을 가지고 이용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 가장 큰 용도로서 예상되는 것은 초전도 MRI 수신 코일과 관련된 것이다.

구리제 수신 코일의 온도를 감소시키면 그 민감도가 개선되고, 초전도체 수신 코일을 사용하면 구리보다 저항이 훨씬 작기 때문에 그 민감도가 더욱 개선된다는 것이 밝혀졌다. 이러한 소위 고온 초전도체(HTS)의 발견으로 인하여, 상기 성 질을 실제적으로 그리고 경제적으로 쉽게 이용할 수 있게 되는 범위까지 작동 온도를 가져올 수 있게 되었다. 상기 고온 초전도체(HTS)는 전이 온도가 액체 질소 온도, 77K 위에 있다. 예컨대, YBa₂Cu₃O_x는 92K에서 초전도로 되고, (Bi, Pb)₂Sr₂Ca₃Cu₃O_x는 전이 온도가 105K이고, TlBa ₂Ca₂Cu₃O_x는 전이 온도가 115K이며, HgBa₂Ca₂Cu₃O_x는 압력 하에서 전이 온도가 135K이다. 따라서, 이들 재료는 액제 질소 온도에서 사용될 수 있다. 액체 질소로 냉각한 HTS 수신 코일을 사용하여 영상 처리를 수행하였으며, 이는 A.S. Hall, N. Alford, T.W. Button, D.J. Gilderdale, K.A. Gehring, I.R. Young의 논문인 "자기 공명 영상용 수신 코일에의 고온 초전도체 사용(Use of High Temperature Superconductor in a Receiver Coil for Magnetic Resonance Imaging)"(Magnetic Resonance in Medicine 20, pps.340-343, 1991)에 기술되어 있다. 액체 질소와 같은 액체 한제(liquid cryogen)를 사용하여 상기 코일을 냉각하였다. 이는, 예컨대 정기적으로 액체 한제에 접근하는 것이 문제되는 원격 영역에서와 같이 환경에 따라서는 단점이 된다.

본 출원인은 액체 한제를 사용해야 하는 필요성을 완전히 제거하고, 소형 냉동기(compact refrigerator)로 수신 코일을 냉각하는 장치를 고안하였다. 상기 냉동기를 사용하는 경우에는, 보통의 작동 하에서, 피냉각 대상물은 저온 헤드 위에 직접 배치하고, 복사 차폐물(radiation shield)을 상기 대상물 위에 배치하여 열손실을 방지하며, 다음에 진공 자켓을 상기 조립체 위에 배치한 다음에, 상기 대상물을 절대 영도보다 몇 도 높은 온도로 냉각할 수 있는 것과 같은 여러 가지 문제점 을 극복해야만 했다.

그러나, 수신 코일과 함께 사용시 이것은, 수신 코일을 저온 헤드 위에 직접 배치할 수 없는 것과 같이, 가능하지 않은데, 왜냐하면 쿨러의 금속 구조는 상기 신호를 간섭시켜 영상 또는 NMR 신호에 인위적 결과를 만들어내기 때문이다. 또한, 봉입된 복사 차폐물을 사용하는 것도 불가능한데, 왜냐하면 이 경우 NMR 신호가 다음에 수신 코일에 의해 검출될 수 없기 때문이다. 이것은 수신 코일과 함께 쿨러를 사용하기 위해서는, 그 수신 코일을 저온 헤드로부터 어느 정도 거리를 두고 배치할 필요가 있다는 것을 의미한다. 그 정확한 거리는 수신 코일의 크기 및 형태, 배경 자장(background magnetic field)의 강도 등과 같은 여러 가지 요인에 의존한다. 저온 헤드로부터 어느 정도 거리에 배치된 수신 코일을 냉각하는 문제를 극복하기 위해서는, 철 금속 열 전도체를 사용할 수 없는데, 왜냐하면 철 금속은 자장에 의해 끌어당겨지기 때문이며, 또한 비철 금속 역시 사용할 수 없는데, 왜냐하면 비철 금속이 자장에 의해 끌어당겨지지 않는다 하더라도, 그 금속 내부에 형성되는 유도 전류가 상기 신호를 간섭하기 때문이다.

본 출원인은, 이러한 문제점들을 극복하는 열전도체로서 사용할 수 있는 열전도성의 비금속 화합물이 있다는 것을 발견하였다.

본 발명에 따르면, 자기 공명 영상 장치의 수신 코일과 같은 대상물을 냉각하기 위한 장치가 제공되며, 이 장치는 저온 헤드가 마련된 냉동 유닛과, 열전도성의 비금속 화합물로 형성되고 상기 저온 헤드와 열접촉하는 열전도체를 포함하며, 상기 열전도체를 피냉각 대상물과 열접촉시키는 수단이 마련된다.

사용시에, 상기 냉동 유닛이 작동되어 상기 저온 헤드는 필요한 온도로 냉각되고 상기 열전도체는 상기 저온 헤드 및 수신 코일과 열접촉 상태로 배치되어 그 수신 코일이 냉각된다.

본 발명은 또한 MRI 장치의 수신 코일을 냉각하는 방법도 제공하는데, 이 방법에서 저온 헤드가 마련된 냉동 유닛이 작동하여 상기 저온 헤드를 냉각하고, 비금속의 열전도체가 상기 저온 헤드 및 수신 코일과 열접촉 상태로 배치되어 수신 코일이 냉각된다.

상기 냉동 유닛에 사용될 수 있는 쿨러로는 스털링 사이클 쿨러(Stirling cycle cooler), 기포드 맥마혼 쿨러(Gifford McMahon cooler) 또는 펄스 튜브 쿨러 등과 같은 통상적인 쿨러가 있다. 이들 쿨러는 재생기에 연결된 디스플레이서(displacer)를 포함하며, 이들 쿨러는 종종 재생식 쿨러라고도 지칭된다. 상기 디스플레이서는 상기 냉동기의 고온 단부와 저온 단부 사이에서 가스(예컨대, 헬륨)를 순환시키고, 진동 피스톤(oscillating piston)에 의해 발생된 진동 압력과 적절한 위상 관계(phase relationship)를 유지한다[Thomas P. Sheahen의 "고온 초전도체 개론(Introduction to High Temperature Superconductibvity)"(Plenum Press 1994 ISBN 0-306-4793-2)]. 그 순 결과는 이것이 쿨러의 저온 헤드를 냉각한다는 것이다. 열전(熱電) 쿨러를 사용하는 것이 배제되는 것은 아니며, 그 쿨러의 기본 온도는 상기 재생식 쿨러보다 상당히 더 높다.

상기 열전도체는 열전도성 세라믹과 같이 열전도성의 비금속 화합물로 형성될 수 있다. 상기 열전도체는, 예컨대 소결 세라믹 형태 또는 단결정 형태의 질화알루미늄, 산화알루미늄, 산화베릴륨, 산화마그네슘, 탄화규소 등과 같이 열전도성이 큰 공지의 비금속 화함물로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 화합물의 열전도율은 적어도 10 W/m.K이고, 실온(300K)에서 적어도 30 W/m.K인 것이 바람직하다.

일반적으로, 이들 화합물 내의 불순물은 그 화합물의 열전도율에 해로운 효과를 주기 때문에, 이들 화합물은 비교적 순수한 것(5% 미만의 불순물)으로 하는 것이 바람직하다.

관심 온도, 예컨대 100K보다 낮은 극저온에서, 여러 재료의 열전도율은 실온에서의 열전도율보다 훨씬 크다는 것에 유의하여야 한다.

예컨대, 소결 세라믹 재료의 열전도율에 대한 개략적인 값을 표 1에 나타낸다[이들은 Y.S. Toulakian 및 E.H. Buyco의 "비금속 고체의 비열(Specific Heat of nonmetallic solids)"(Thermophyisical properties of matter volume 5, IFI/Plenum New York, Washington 1970)에서 추출한 것이다].

재료	열전도율 W/m.k at 300K	열전도율 W/m.K at 80K
Al₂O₃	30	150
BeO	200	1000
SiC	200	1000
다이아몬드	800	5000
MgO	40	1000

바람직하게는, 상기 수신 코일은 폐쇄형 사이클 쿨러의 저온 헤드에 부착된 열전도체의 로드에 부착된다. 상기 로드는 금속제의 저온 헤드 및 쿨러 본체가 MRI 신호를 간섭하지 않도록 하기에 충분한 길이로 되어 있다. 복사 손실을 방지하기 위하여, 상기 수신 코일은 초절연체라고도 알려진 얇은 금속화 마일라(metalised Mylar)와 같은 절연체 내에 봉입될 수 있다.

본 발명은 MRI 수신 코일을 저온으로 냉각할 수 있도록 해주며, 이는 MRI 스캐너의 성능을 증대시켜, 액체 한제를 사용할 필요 없이 더 낮은 세기의 자장을 사용할 수 있도록 해준다.

본 발명의 실시 형태를 개략적으로 나타낸 첨부 도면에 본 발명을 예시하였다.

도 1은 본 발명의 실시 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 스털링 사이클 쿨러와 같은 폐쇄형 사이클 쿨러에는 쿨러에 의해 냉각되는 저온 헤드(2)가 구비되어 있다. 저온 헤드(2)에는 열전도성의 비금속 로드(3)가 부착되어 있다. 로드(3)에는 피냉각 대상물, 예컨대 수신 코일이 부착되어 있다. 상기 저온 헤드와, 열전도성의 로드 및 피냉각 대상물은 진공 자켓(5)에 의해 에워싸여 있다.

사용시에, 쿨러(1)가 동작되어 저온 헤드(2)를 냉각시키고, 후속하여 대상물(4)은 로드(3)에 의해 냉각된다. MRI와 관련된 매우 강한 자장이 있어도, 수신 코일은 효과적으로 작동한다.

다음의 예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

예

예 1

길이가 150 mm이고, 직경이 25 mm인 산화알루미늄제 로드를 스털링 사이클 쿨러의 저온 헤드에 부착하였다. 초전도성 YBa₂Cu₃O_x 재료로 구성된 수신 코일을 3 몰% Y-안정화된 지르코니아제 100 mm ×100 mm ×1 mm 정방형 기판에 놓았다. 상기 기판을 5% 미만의 불순물을 갖고 있는 조밀한 산화알루미늄제 로드의 상단에 배치하였다. 상기 기판은 5W의 냉각 전력으로 70K의 온도를 달성하였다. 이것은 상기 초전도체를 그 초전도 전이 온도 미만으로 냉각하기에 충분하였다.

예 2

상기 기판은 산화알루미늄으로 구성된 100 mm ×100 mm ×1 mm 기판으로 한 것을 제외하고는 예 1의 과정을 따랐다. 다시, 상기 기판에 의해 도달된 온도는 70K 미만이었다.

예 3

은제 코일이 프린트되어 있는 산화알루미늄제 기판에 예 2와 동일한 과정을 적용하였다. 도달한 온도는 70K 미만이었다.

예 4

구리제 코일이 프린트되어 있는 폴리머 회로판 재료로 구성된 25 mm ×25 mm ×1 mm 정방형 기판에 예 2와 동일한 과정을 적용하였다. 도달한 온도는 70K 미만 이었다.

Claims

핵 자기 공명(NMR) 신호를 수신하는 수신 코일을 냉각하는 냉각 장치로서,

상기 냉각 장치는 저온 헤드를 지닌 스털링 사이클 쿨러 또는 기포드 맥마혼 쿨러와, 상기 저온 헤드와 열접촉하고 열전도성의 비금속 화합물로 형성되는 열전도체를 포함하고, 상기 열전도체를 상기 수신 코일과 열접촉시키는 것에 의해 상기 수신 코일이 상기 스털링 사이클 쿨러 또는 기포드 맥마혼 쿨러에 의해 냉각되도록 배열되는 것인 냉각 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 수신 코일은 고온 초전도체로 제조되는 것인 대상물 냉각 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 수신 코일은 YBa₂Cu₃O_x로 제조되는 것인 대상물 냉각 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전도체는 열전도율이 적어도 10 W/m.K인 것인 냉각 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전도체는 열전도율이 300K에서 적어도 30 W/m.K인 것인 냉각 장치.
청구항 5에 있어서, 상기 열전도체는 소결 세라믹 형태 또는 단결정 형태의 질화알루미늄, 산화알루미늄, 산화베릴륨, 산화마그네슘 또는 탄화규소로 제조되는 것인 냉각 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 수신 코일은 상전도 금속(normal metal)을 포함하는 것인 냉각 장치
청구항 1 내지 청구항 3 또는 청구항 7 중 어느 한 항의 냉각 장치를 포함하는 자기 공명 영상(MRI) 스캐너
수신 코일로 핵 자기 공명(NMR) 신호를 수신하는 수신 방법으로서, 상기 수신 코일이 비금속 열전도체를 통해 스털링 사이클 쿨러 또는 기포드 맥마혼 쿨러의 저온 헤드와 열접촉하고, 상기 수신 방법은 상기 수신 코일을 상기 스털링 사이클 쿨러 또는 기포드 맥마혼 쿨러로 냉각하는 단계를 포함하는 것인 수신 방법.