KR101206727B1 - 저자기장 핵자기공명 장치 및 저자기장 핵자기공명 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저자기장 핵자기공명 장치 및 저자기장 핵자기공명 방법을 제공한다. 이 저자기장 핵자기공명 장치는 증폭된 핵자화를 측정 대상에 제공하기 위하여 동적 핵자화(dynamic nuclear polarization;DNP)가 가능한 DNP 물질을 이용하여 물의 수소원자의 핵자화를 증폭하는 DNP 증폭부, 측정 대상의 자기공명신호를 SQUID 센서 혹은 광펌핑 원자자력계를 이용하여 측정하는 센서부, 및 측정 대상에 검출 자기장을 인가하는 검출 자기장 코일을 포함한다. DNP 증폭부는 DNP 물질 및 물에 바이어스 자기장을 인가하는 바이어스(bias) 자기장 코일, 바이어스 자기장 코일의 내부에 배치되고 측정 대상에 물의 수소원자의 증폭된 핵자화를 제공하는 겔-여과 매트릭스(gel-filtration matrix)를 포함하는 필터부, 및 겔-여과 매트릭스의 주위에 배치된 RF 공명 코일을 포함하는 RF 공명회로부를 포함한다. DNP 증폭부는 측정 대상, 센서부, 및 검출 자기장 코일과 분리된다.

Description

저자기장 핵자기공명 장치 및 저자기장 핵자기공명 방법{LOW FIELD NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE APPARATUS AND LOW FIELD NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE METHOD}
본 발명은 핵자기공명 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 저자기장 핵자기 공명 장치에 관한 것이다.
물질을 구성하는 원자의 핵스핀(nuclear spin)이 외부 자기장 하에 있게 되면, 핵스핀은 외부 자기장을 중심으로 세차 운동(precession)을 한다. 이 경우, 외부에서 상기 외부 자기장에 비례하는 특정한 RF(radio frequency)를 인가하면 공명현상이 관찰된다. 이를 핵자기공명(NMR; nuclear magnetic resonance)이라 한다. 자기공명영상화(MRI; magnetic resonance imaging)는 상기 NMR을 이용해 대상 물체 내부를 비침습적(non-invasively)으로 영상화 하는 기법이다. 상기 MRI는 의학적 검진 도구로써 인체 내부를 영상화하는데 주로 사용된다.
극저자기장(ultra-low field;ULF) NMR/MRI는 수 내지 수십 테슬라(Teslar;T) 크기의 강한 자기장 하에서 동작하는 기존의 NMR/MRI 장치와는 달리, 수 내지 수십 마이크로 테슬라(μT) 크기의 자기장 하에서 동작하는 새로운 개념의 NMR/MRI 장치이다.
이러한 작은 자기장 하에서의 공명 신호를 얻기 위해, ULF-MRI 시스템은 기존 NMR/MRI 시스템과 달리, SQUID 센서를 사용하여 신호를 획득한다. 상기 SQUID 센서는 매우 높은 감도를 가지기 때문에, 수 μT의 자기장하의 NMR 신호를 관찰할 수 있다. 상기 SQUID 센서는 픽업 코일에 유도되는 차폐 전류를 측정한다. 따라서, 유도 코일을 사용하는 상용 NMR/MRI 장비와 달리, 측정된 신호는 주파수 의존성이 없다. 따라서, 낮은 자기장 하에서도 신호가 크게 줄어들지 않는다. 또한, SQUID 센서는 최근에 그 민감도가 SQUID에 필적하는 것으로 광펌핑 방식의 원자자력계(optically-pumped atomic magnetometer)로 대신 할 수 있다.
하지만, 상기 SQUID 센서는 외부 자기장 요동에 매우 민감하게 반응한다. 따라서, 일반적으로 사용되는 수 내지 수십 테슬라 정도의 자기장을 사용할 수 없다. 또한, 수 내지 수십 마이크로 테슬라의 자기장은 핵스핀을 자화(magnetization)시키기에 충분하지 못하다. 따라서 상기 ULF-MRI 시스템은 사전 자화 자기장(prepolarization field)과 검출 자기장(measurement field)을 포함한다. 상기 사전 자화 자기장의 세기는 수십 내지 수백 밀리 테슬라(mT), 검출 자기장의 세기는 수 내지 수십 μT 정도일 수 있다.
사전 자화 자기장의 크기가 클수록, MRI 영상 감도는 증가한다. 따라서, 큰 자기장을 걸어주는 것이 유리하다. 하지만, 큰 자기장은 수십 내지 수백 암페어(Ampere;A)의 큰 전류를 필요로 한다. 따라서, 상기 사전 자화 자기장을 만들어주는 사전 자화 코일의 구동회로의 구현 및 상기 사전 자화 코일의 냉각에 여러 어려움이 있다. 또한, 큰 사전 자화 자기장 인가 방법은 공간적으로 제약이 따른다. 상기 사전 자화 코일은 상기 SQUID 센서와 전자기적 간섭을 일으킬 수 있으며, 개발 비용이 높다. 따라서, 상기 사전 자화 코일을 요구하지 않는 저자기장 핵자기공명장치기 요구된다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 사전자화 자기장(Bp)이 없이 DNP를 이용하여 신호증폭을 통해 자기공명 신호를 얻는 저자기장 NMR/MRI 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 사전자화 자기장(Bp)이 없이 DNP를 이용하여 신호증폭을 통해 자기공명 신호를 얻는 저자기장 NMR/MRI 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저자기장 핵자기공명 장치는 증폭된 핵자화를 측정 대상에 제공하기 위하여 동적 핵자화(dynamic nuclear polarization;DNP)가 가능한 DNP 물질을 이용하여 물의 수소원자의 핵자화를 증폭하는 DNP 증폭부, 상기 측정 대상의 자기공명신호를 SQUID 센서 혹은 광펌핑 원자자력계를 이용하여 측정하는 센서부, 및 측정 대상에 검출 자기장을 인가하는 검출 자기장 코일을 포함한다. 상기 DNP 증폭부는 DNP 물질 및 물에 바이어스 자기장을 인가하는 바이어스(bias) 자기장 코일, 바이어스 자기장 코일의 내부에 배치되고 측정 대상에 물의 수소원자의 증폭된 핵자화를 제공하는 겔-여과 매트릭스(gel-filtration matrix)를 포함하는 필터부, 및 겔-여과 매트릭스의 주위에 배치된 RF 공명 코일을 포함하는 RF 공명회로부를 포함한다. 상기 DNP 증폭부는 측정 대상, 센서부, 및 검출 자기장 코일과 분리되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저자기장 핵자기공명 장치는 사전자화 자기장(Bp)이 없이 DNP를 이용하여 신호증폭을 통해 자기공명 신호를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저자기장 핵자기공명 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저자기장 핵자기공명 장치를 설명하는 도면이다.
도 3은 RF 공명 코일을 포함하는 필터부를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저자기장 핵자기 공명장치를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1 또는 도 2의 저자기장 핵자기 공명장치의 신호 열을 설명하는 도면이다.
도 6 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 공명회로부를 설명하는 도면들이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저자기장 핵자기 공명장치를 설명하는 도면이다.
오버하우저(Overhauser) 이중 공명 효과를 기본으로 하는 동적 핵자화 (dynamic nuclear polarization;DNP)는 전자 스핀으로부터 핵 스핀으로의 상호 이완(cross relaxation)에 의한 결과이다. 따라서, 외부에서 전자의 에너지 레벨을 포화시키기 위한 RF 자기장을 인가하면, 핵 스핀 레벨 밀도(nuclear spin level populations) 차이를 증가시켜 더 큰 핵자화를 만들어 준다.
DNP가 가능한 물질은 자유기(radical)가 있는 물질이다. 4-amino-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl(TEMPO) 또는 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl(TEMPOL)은 DNP 물질에 해당한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DNP 저자기장 핵자기 공명 장치는 DNP가 가능하도록 자유기(free radical)가 포함된 DNP 물질을 여과기 안에 위치시킨다. 상기 여과기 주위에 전자의 에너지 레벨을 포화시키기 위한 RF 자기장을 인가하여 상기 여과기를 통과한 물의 수소원자의 핵자화를 증폭시킨다. 증폭된 핵자화는 측정 대상에 제공되어, 상기 측정 대상은 사전자화 자기장을 인가하지 않고 핵자기 공명신호를 제공할 수 있다. 따라서, 상기 사전 자화 자기장에 따른 상술한 문제점들이 극복될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DNP 저자기장 핵자기 공명 장치는 통상적인 사전자화 자기장 하에서의 신호보다 수 내지 수백 배 큰 신호를 얻을 수 있다. 생체 이미징에 사용할 수 있도록, RF 자기장 및 바이어스 자기장은 DNP 물질을 이용하여 순수한 물 신호를 증폭한다. 이어서, 상기 증폭된 물은 측정 대상에 제공된다. 상기 측정 대상은 측정 자기장 하에서 핵자기 공명신호를 제공한다.
바이어스(bias) 자기장은 수 밀리 테슬라(mT) 크기일 수 있다. 또한, 측정 자기장은 수 마이크로 테슬라(μT) 크기일 수 있다. 따라서, SQUID 센서 혹은 광펌핑 원자자력계는 상기 핵자기 공명 신호를 측정한다. 그러나, 상기 SQUID 센서 혹은 광펌핑 원자자력계는 RF 자기장을 생성하는 공명 코일 및 바이어스 자기장을 생성하는 바이어스 자기장 코일과 분리될 수 있다. 이에 따라, 상기 SQUID 센서는 상기 RF 자기장 및 바이어스 자기장의 간섭을 피할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저자기장 핵자기공명 장치는 고정된 자유기(immobilized radical)를 가지는 DNP 물질을 포함한 겔-여과 매트릭스(gel-filtration matrix)를 통과한 순수한 물의 수소원자의 핵 신호를 증폭시켜 생체 영상을 제공할 수 있다. 상기 DNP 물질은 DNP 필터에 의하여 걸러져, 측정 대상에 제공되지 않을 수 있다. 따라서, 이 기술은 인체에 무해하게 적용될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저자기장 핵자기공명장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 저자기장 자기공명 장치는 측정 대상(165)에 DNP 물질을 이용하여 물의 수소원자의 증폭된 핵자화를 제공하는 DNP 증폭부(161), 상기 측정 대상(165)의 자기공명신호를 측정하는 SQUID 센서부(111), 상기 SQUID 센서부(111)를 냉각하는 듀어(113), 및 상기 측정 대상(165)에 검출 자기장을 인가하는 검출 자기장 코일(172)을 포함한다.
듀아(dewar,113)는 액체 헬륨을 담을 수 있다. 상기 SQUID 센서부(111)는 액체 헬륨 안에 담기도록 상기 듀아(113) 안에 배치된다. FLL부(110)를 통해 SQUID 신호가 전달된다. SQUID 신호는 상기 SQUID 신호 제어부(112)를 통해 제어부(120)로 전달된다. 상기 FLL부(110)는 SQUID 센서 제어부(114) 또는 신호열 발생부(140)를 통해 제어된다.
상기 SQUID 센서부(111)는 자속을 감지 및/또는 감쇠/증폭하는 자속변환부(미도시), 상기 자속변환부의 출력 신호를 입력받아 자기장을 검출해 전압신호로 변환하는 SQUID(미도시)를 포함할 수 있다.
FLL부(110)는 상기 SQUID의 전압 신호를 선형화하여 검출된 자기장에 비례하는 전압 신호로 제공할 수 있다. 상기 FLL부(110)는 자속의 변화량을 자속 양자값 Φ0 보다 훨씬 넓은 범위를 가지는 전압 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
상기 SQUID 신호 제어부(112)는 상기 FLL부(110)의 상기 선형화된 전압 신호를 처리하여 노이즈를 제거하고 증폭할 수 있다. FLL(flux locked loop)부(110)는 상기 SQUID의 출력신호를 받아들이는 입력단, 적분기, 피드백(feed back) 방식의 선형화 회로, 및 피드백 코일 등을 포함할 수 있다.
SQUID 센서 제어부(114)는 상기 FLL부(110)에 제어 신호를 제공할 수 있다.
상기 SQUID는 초전도체만이 지닌 조셉슨 효과와 자속의 양자화 현상을 결합하여 외부 자속의 변화를 전압으로 변환하는 일종의 트랜스듀서(transducer)이다. 상기 SQUID는 한 개의 초전도 루프에 한 개 또는 두 개의 조셉슨 접합을 끼워 결합한 자기센서이다. RF SQUID는 초전도루프에 한 개의 조셉슨 접합을 삽입하여 결합한 자기센서이다. DC SQUID는 초전도루프에 두 개의 조셉슨 접합을 삽입하여 결합한 자기센서이다. DROS SQUID는 두 개의 조셉슨 접합이 삽입되어 결합된 초전도루프 외에 상기 초전도루프와 직렬로 연결된 기준 접합(reference junction)과 이완 발진 공명회로가 추가된 자기센서이다. 상기 기준 접합은 두 개의 조셉슨 접합이 삽입되어 결합된 초전도루프 또는 조셉슨 접합일 수 있다. 상기 RF SQUID는 RF 주파수 대역의 교류 전압을 출력하고 그 주파수가 가해진 자속에 따라 바뀌는 방식으로 작동하며, 상기 DC 및 DROS SQUID는 가해진 자속에 대한 함수로 직류 전압을 발생하는 방식으로 작동하며 이 함수는 자속의 양자 값인 Φ0 (= 2.07 x 10^(-15) Wb)를 주기로 하여 반복되는 형태로 주어진다. 상기 자속/전압 변환 함수의 구체적인 형태는 상기 DC 및 DROS SQUID의 구체적인 구조에 따라 결정될 수 있다.
상기 DNP 증폭부(161)는 상기 DNP 물질 및 물에 바이어스 자기장(Bb)을 인가하는 바이어스(Bias) 자기장 코일(171), 상기 바이어스 자기장 코일(171)의 내부에 배치되고 측정 대상(165)에 물의 수소원자의 증폭된 핵자화를 제공하는 겔-여과 매트릭스(gel-filtration matrix)를 포함하는 필터부(162), 상기 겔-여과 매트릭스에 물을 공급하는 물 순환부(130), 및 상기 겔-여과 매트릭스의 주위에 배치된 RF 공명 코일을 포함하는 RF 공명회로부(180)를 포함할 수 있다. 상기 DNP 증폭부(161)는 상기 측정 대상(165)과 분리될 수 있다.
상기 저자기장 자기공명 장치에서 측정 대상(165)의 위치에 검출 자기장(Bm) 및/또는 경사자기장(Gx,Gy,Gz)만이 존재한다. 상기 저자기장 자기공명 장치는 통상적인 ULF-NMR/MRI 시스템의 사전자화 자기장(Bp)이 없어도 증폭된 자기공명신호를 얻을 수 있다. 또한, 상기 바이어스 자기장(Bb)의 세기는 DNP 물질의 핵자화를 위하여 수 mT 정도일 수 있다.
바이어스(bias) 자기장 코일(171)은 상기 필터부(162)를 감싸는 코일 형태일 수 있다. 상기 바이어스 자기장 코일은 바이어스 자기장(Bb)을 생성하여 상기 필터부(162)에 인가한다. 상기 바이어스 자기장(Bb)의 방향은 상기 RF 공명 코일에 의하여 생성되는 RF 자기장의 수평 또는 수직할 수 있다.
상기 필터부(162)는 상기 DNP 물질이 고정된 겔-여과 매트릭스, 상기 DNP 물질의 투과를 방지는 DNP 필터, 물을 공급받는 유입구, 및 상기 측정 대상에 상기 물을 제공하는 유출구를 포함할 수 있다.
상기 겔-여과 매트릭스는 상기 DNP 물질을 고정 수단을 이용하여 고정할 수 있다. 상기 DNP 물질은 TEMPO 또는 TEMPOL일 수 있다.
예를 들어, 상기 겔-여과 매트릭스는 겔-여과용 담체(carrier)의 일종인 세파로오스(sepharose)를 사용하여 TEMPO의 NH2 그룹 또는 TEMPOL의 OH 그룹을 고정화시킬 수 있다. 더 구체적으로, 상기 겔-여과 매트릭스는 상기 TEMPO를 고정시키는 물질로 NHS 활성 세파로오스 4 패스트 플로(NHS activated Sepharose 4 Fast Flow)를 사용할 수 있다. 또는, 상기 겔-여과 매트릭스는 상기 TEMPO 및 TEMPOL을 고정시키는 물질로 에폭시 활성화 세파로오스 6B(Epoxy-activated Sepharose 6B)를 사용할 수 있다.
상기 겔-여과 매트릭스를 통과하여 핵자화가 증폭된 물은 상기 측정 대상에 연속적으로 또는 단속적으로 공급될 수 있다. 상기 겔-여과 매트릭스는 동적 핵자화(dynamic nuclear polariztion;DNP)가 가능한 DNP 물질을 포함하고, 상기 RF 공명회로부의 RF 자기장 및 상기 바이어스 자기장 코일의 바이어스 자기장은 상기 겔-여과 매트릭스 안의 TEMPOL 및 TEMPO 자유기(free radical)의 질소 핵과 홀전자(unpaired electron)를 반응시켜 높은 전자 스핀 편극을 만들어내고, 이 전자 스핀 편극이 다시 상기 겔 여과 매드릭스를 통과하는 물의 수소원자의 핵자화를 증폭시킨다.
RF 공명회로부는 RF 자기장을 생성한다. 상기 RF 자기장의 구동 주파수는 상기 DNP 물질의 전자 스핀 공명 (electron spin resonance;ESR) 공명 주파수에 해당한다. 상기 구동 주파수는 인가하는 바이어스 자기장(Bb)의 세기에 비례한다. 상기 구동 주파수는 상기 바이어스 자기장(Bb)이 수 mT인 경우 수십 내지 수백 Mhz 정도 일 수 있다.
상기 물 순환부(130)는 상기 필터부(162)를 통하여 상기 측정 대상(165)에 물을 공급하여 순환시킬 수 있다. 상기 물 순환부(130)는 물의 유속을 조절할 수 있다. 상기 물 순환부(130)는 상기 제어부(120)를 통하여 제어될 수 있다. 상기 겔-여과 매트릭스를 통과한 물은 상기 측정 대상(165)에 연속적이거나 불연속적으로 주입될 수 있다.
상기 저자기장 핵자기 공명장치는 제어부(120), 신호열 발생부(140), RF 구동부(156), 경사 자기장 구동부(151,152,153), 바이어스 자기장 구동부(155), 검출 자기장 구동부(154)를 포함할 수 있다.
모든 제어는 컴퓨터 프로그램으로 제어될 수 있다. 상기 제어부(120)는 상기 FLL부(110), SQUID 센서 제어부(114), SQUID 신호 제어부(112), 신호열 발생부(140), 그리고 물 순환부(130)를 제어한다.
상기 신호열 발생부(140)는 소정의 순서에 의하여 신호 열(signal sequence)을 생성한다. 상기 신호 열에 따라, 상기 신호열 발생부(140)는 제1 경사 자기장 구동부(152), 제2 경사 자기장 구동부(153), 및 제3 경사자기장 구동부(151)를 제어하여, 제1 내지 제2 내지 제3 경사 자기장(Gx,Gy,Gz)을 형성한다.
상기 제1 경사 자기장 구동부(152)는 제1 경사 자기장 코일(174)에 전류를 인가하여 제1 경사 자기장(Gx)을 형성할 수 있다. 상기 제2 경사 자기장 구동부(153)는 제2 경사 자기장 코일(173)에 전류를 인가하여 제2 경사 자기장(Gy)을 형성할 수 있다. 상기 제3 경사 자기장 구동부(151)는 제3 경사 자기장 코일(175)에 전류를 인가하여 제3 경사 자기장(Gz)을 형성할 수 있다.
상기 신호 열에 따라, 바이어스 자기장 구동부(155)는 바이어스 자기장 코일(171)에 전류를 인가하여 바이어스 자기장(Bb)을 형성할 수 있다.
상기 신호 열에 따라, 검출 자기장 구동부(154)는 검출 자기장 코일(172)에 전류를 인가하여 검출 자기장(Bm)을 형성할 수 있다.
상기 신호 열에 따라, RF 구동부(156)는 RF 공명회로부(180)에 전력을 인가하여 RF 자기장 생성한다. 상기 RF 자기장은 겔-여과 매트릭스 또는 상기 겔-여과 매트릭스를 통과하는 물에 인가될 수 있다.
바이어스 자기장(Bb)과 RF 자기장은 항상 같이 온/오프(on/off)한다. 소정의 신호 열에 따라 바이어스 자기장 코일(171), 검출 자기장 코일(172), 제1 경사 자기장 코일(174), 제2 경사 자기장 코일(173), 제3 경사 자기장 코일(175), 및 RF 공명 코일을 구동해 줄 수 있다. 상기 RF 공명회로부(180)의 RF 자기장 및 바이어스 자기장 코일(171)의 바이어스 자기장(Bb)에 의하여 상기 겔-여과 매트릭스를 통과한 물의 수소원자의 핵스핀 신호가 증폭될 수 있다. 이에 따라, 측정 대상(165)에 공급된 물은 증폭된 자기공명신호를 제공할 수 있다.
바이어스 자기장(Bb)의 세기는 수 mT 정도이다. 검출 자기장(Bm)의 세기는 수 내지 수십 마이크로 테슬라(μT) 정도이고 공간적으로 균일할 수 있다. 3차원 이미징을 위한 경사자장 코일의 자기장 세기는 수 내지 수십 cm 내에서 수 내지 수백 μT 정도일 수 있다.
상기 검출 자기장 코일(172)는 공간적으로 균일하고 낮은 검출 자기장(Bm)을 생성할 수 있다. 바이어스 자기장(Bb)과 검출 자기장(Bm)의 방향은 서로 수직일 수 있다. 또한 바이어스 자기장(Bb)과 RF 자기장의 방향은 서로 수직 또는 수평일 수 있다.
상기 DNP 증폭부(161)는 상기 측정 대상(165)과 수 미터 이내에 배치되는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 상기 DNP 증폭부(161)에서 공급되는 증폭된 핵자화가 이완되기 전에 상기 측정 대상(165)에 공급될 수 있다. 상기 DNP 증폭부(165)가 상기 측정 대상(165)과 분리됨에 따라, 상기 저자기장 핵자기 공명장치의 구조는 단순해 질 수 있으며, 다양한 형태의 측정 대상을 영상화할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 FLL부(110), SQUID 센서부(111), SQUID 신호 제어부(112), 듀어(113), 및 SQUID 센서 제어부(114)는 광펌핑 원자자력계(미도시)로 대체되어질 수 있다. 상기 광펌핑 원자자력계를 이용하여 핵자기공명 신호가 획득될 수 있다. 상기 광펌핑 원자자력계는 알카리메탈(K, Rb, Cs) 증기가 포함된 증기 셀(Cell), 상기 증기 셀 안의 알카리 메탈 증기의 스핀 편극을 만들어 주는 광펌핑 레이저, 상기 증기 셀에 인가하는 선형 편광 레이저, 및 상기 증기 셀을 통과한 레이저 빛의 편광도를 측정할 수 있는 측정기(detector)로 구성될 수 있다. 상기 증기 셀을 통과한 레이저 빛의 편광도로부터 핵자기공명 신호를 구할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저자기장 핵자기 공명장치를 설명하는 도면이다. 도 1에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, DNP 증폭부(161)는 측정 대상(165)에 근접하게 배치된다. 이렇게 함으로써, 상기 DNP 증폭부가 제공하는 상기 물의 증폭된 핵자화의 공급 중 이완(relaxation)에 의한 신호 감쇠를 줄일 수 있다.
도 3은 RF 공명 코일을 포함하는 필터부를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 필터부(162)는 DNP 물질이 고정된 겔-여과 매트릭스(163), 상기 DNP 물질의 투과를 방지는 DNP 필터(169), 물을 공급받는 유입구(165), 및 상기 측정 대상에 상기 물을 제공하는 유출구(167)를 포함할 수 있다.
겔-여과 매트릭스(163)는 DNP가 가능한 자유기가 포함된 DNP 물질을 포함한다. 상기 DNP 물질은 TEMPO 또는 TEMPOL일 수 있다. 또한, RF 공명 코일(184)은 상기 겔-여과 매트릭스를 둘러싸게 된다.
상기 겔-여과 매트릭스(163)는 겔 여과용 담체의 일종인 세파로오스(sepharose)를 사용하여 TEMPO의 NH2 그룹 TEMPOL의 OH 그룹을 고정화시킬 수 있다. 상기 TEMPO를 고정시키는 물질은 NHS-activated Sepharose 4 Fast Flow 일 수 있다. 또한, 상기 TEMPO와 TEMPOL을 고정시키는 물질은 에폭시 활성 세파로오스 6B (Epoxy-activated Sepharose 6B) 일 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저자기장 핵자기 공명장치를 설명하는 도면이다. 도 1에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 측정 대상(165a)에 수용액 상태의 DNP 물질을 직접 주입할 수 있다. 하지만, 상기 DNP 물질이 생체 또는 셀(cell)에 주입되는 경우, 생체 안정성은 확신할 수 없다. 하지만, 상기 측정 대상이 인간이 아닌 경우, 상기 측정 대상에 DNP 물질을 직접 주입하는 것이 가능할 수 있다.
상기 저자기장 핵자기 공명장치를 이용하여 수소원자의 핵자기 공명 신호가 측정되었다. 약 1.3 mT의 바이어스 자기장(Bb)과 8 W 이하의 RF 자기장(100 MHz)을 상기 측정 대상에 인가하였다. 상기 측정 대상은 수용액 상태의 TEMPO가 주입되었다. 이 경우, 통상적인 사전자화 자기장(Bp)을 이용하는 경우에 비하여, 최대 8 배 정도의 신호 증폭이 관찰되었다.
또한, 약 1.4 mT의 바이어스 자기장(Bb)과 8 W 이하의 RF 자기장(100 MHz)을 수용액 상태의 TEMPOL이 주입된 측정 대상에 인가한 경우, 통상적인 사전자화 자기장(Bp)을 이용하는 경우에 비하여, 최대 8 배 정도의 신호 증폭이 관찰되었다.
또한, 7 mT 바이어스 자기장과 150 MHz (약 8 W 이하) RF 자기장을 수용액 상태의 TEMPOL이 주입된 측정 대상에 인가한 경우, 약 3 배 정도의 신호 증폭이 관찰되었다. 이것은 RF 자기장을 인가하지 않는 통상의 ULF-NMR실험에서 21 mT의 사전 자화 자기장을 걸어 주었을 때의 결과와 일치한다. 상기 RF 자기장의 출력(약 8 W)은 충분한 전자 스핀 공명(electron spin resonance;ESR) 전이를 만들어 주지 못한 것으로 판단된다. 따라서, 상기 RF 자기장의 출력을 수십 내지 수백 W로 증가시킨다면, 수백 배 이상의 신호를 증폭할 수 있다. 이것은 ULF-NMR 실험에서 수백 mT의 사전 자화 자기장을 걸어주는 것에 대응될 수 있다. 결국, 사전 자화 자기장 대신 수 mT의 약한 바이어스 자기장(Bb)으로 대체함으로써, 사전 자화 코일의 제작 비용 및 신호 간섭 등의 문제점들이 극복될 수 있다.
도 5는 도 1 또는 도 2의 저자기장 핵자기 공명장치의 신호 열을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 바이어스 자기장(Bb) 구동부(155)는 릴레이(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 릴레이는 상기 바이어스 자기장 구동부(155)를 보호하기 위하여 바이어스 자기장(Bb) 인가 구간 전 후로 릴레이를 먼저 닫고 나중에 연다. 상기 릴레이 신호(Bb - relay)의 온과 상기 바이어스 자기장의 온 사이의 소정의 시간 지연(tdelay1)이 있다. 또한, 상기 릴레이 신호의 온과 상기 바이어스 자기장의 온 사이의 소정의 시간 지연(tdelay2)이 있다. 상기 바이어스 자기장은 일정 시간(tBb) 동안 인가된다.
또한, 상기 릴레이를 닫는 순간 검출 자기장(Bm)을 인가한다. 바이어스 자기장(Bb)과 RF 자기장(RF B)은 항상 같이 온/오프(on/off)한다. 릴레이가 열릴 때 제 1 내지 제 3 경사 자기장(Gx,Gy,Gz)이 인가된다. 일정 시간(tpw) 후, 제 3 경사 자기장(Gz)의 극성은 반대로 변경되며, 동시에, 제 1 및 제 2 경사 자기장(Gx,Gy)은 오프된다. 다시, 일정 시간(tFLL) 후 FLL 스위치(FLL)는 온(on)되고, SQUID 센서는 자기공명신호를 측정한다. 소정의 측정 시간(tmeasure) 동안 자기공명신호를 측정하고, 검출 자기장(Bm), FLL 스위치(FLL), 및 상기 제3 경사 자기장(Gz)은 오프(off)된다. 상기 측정 대상의 위치정보를 제공하는 제 1 및 제2 경사 자기장(Gx,Gy)의 크기는 여러 단계(Nx, Ny)로 나누어 인가된다. 따라서 상기 측정 대상의 3차원 이미징을 얻기 위해서는 제1 경사 자기장의 단계(Nx)와 제 2 경사 자기장의 단계(Ny)를 곱한 횟수 만큼의 반복 실험이 필요하다.
2차원 이미징의 경우 제 2 경사 자기장(Gy)는 인가되지 않는다. 1차원 이미징의 경우 제 1 및 2 경사 자기장(Gx,Gy)는 인가되지 않는다. 또한, 상기 신호 열은 다양하게 변형될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 공명회로부를 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, RF 공명회로부는 표면형 공명회로(surface type resonance circuit)이다.
상기 RF 공명회로부(180)는 적어도 한 턴을 포함하는 상기 RF 공명 코일(164), 상기 RF 공명 코일(184)의 일단에 연결되는 일단을 가지는 길이(l)의 동축 케이블 형상의 제1 연장부(186), 상기 RF 공명 코일(184)의 타단에 연결되는 일단을 가지고 상기 제1 연장부(186)와 동일한 길이(l)를 가지는 동축 케이블 형상의 제2 연장부(185), 상기 제1 연장부(186)의 타단과 RF 전원의 입력단 사에 연결되는 제1 축전기(188), 상기 제2 연장부(185)의 타단과 접지단 사이에 연결되는 제2 축전기(187), 및 상기 제1 연장부(186)의 타단과 상기 제2 연장부(185)의 타단에 연결되는 동축 케이블 형상의 제3 연장부(189)를 포함한다. 상기 제3 연장부(189)의 길이는 구동 RF 전원의 반파장일 수 있다.
구동 RF 전원의 구동 주파수에 따라 상기 제1 연장부 및 제2 연장부의 길이(l)와 상기 제3 연장부의 길이가 결정된다. 상기 구동 주파수는 DNP 물질의 전자 스핀 공명 (electron spin resonance;ESR) 공명 주파수에 해당하며, 그 값은 인가하는 바이어스 자기장(Bb)의 세기에 비례하고, 이는 수 mT의 바이어스 자기장(Bb) 일 때 수십 내지 수백 Mhz 정도 일 수 있다.
Figure 112011000233453-pat00001
여기서, λ는 파장, L은 코일의 인덕턴스, f는 구동 주파수, a와 b는 각각 동축 케이블의 내부 도선의 외부 반경(a) 및 외부 도선의 내부 반경(b)이고, ε는 동축 케이블의 절연층의 유전율이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 RF 공명회로부를 설명하는 도면들이다.
도 7을 참조하면, 상기 RF 공명회로부(280)는 적어도 한 턴을 포함하는 상기 RF 공명 코일(184), 상기 RF 공명 코일(184)에 병렬 연결된 제1 축전기(282), 및 상기 병렬 연결된 상기 RF 공명 코일(184) 및 상기 제1 축전기(282)의 일단은 접속되어 연결된 제2 축전기(281)를 포함한다. 상기 병렬 연결된 RF 공명 코일(184) 및 상기 제1 축전기(282)의 타단은 접지되고, 상기 제2 축전기(281)의 타단은 구동 RF 전원의 입력단에 연결된다.
도 8을 참조하면, 상기 RF 공명회로부(380)는 적어도 한 턴을 포함하는 상기 RF 공명 코일(184), 상기 RF 공명 코일(184)의 일단에 직렬 연결된 일단을 가지는 제1 축전기(381), 및 상기 제1 축전기(381)의 타단과 접지 사이에 연결된 제2 축전기(382)를 포함한다. 상기 RF 공명 코일(184)의 타단은 접지되고, 상기 제1 축전기(381)의 타단은 구동 RF 전원의 입력단에 연결된다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저자기장 핵자기 공명장치를 설명하는 도면이다. 도 1에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 상기 저자기장 핵자기 공명장치는 통상의 저기장 핵자기 공명 장치와 같이 사전자화 코일(176) 및 사전자화 코일 구동부(157)를 포함할 수 있다. 상기 사전 자화 코일(176)은 측정 대상(165)의 주위에 배치되어 사전자화 자기장(Bp)을 상기 측정 대상(165)에 제공할 수 있다. 이에 따라 증폭된 핵자화를 사전자화 방향으로 재정렬할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
161: DNP 증폭부
171: 바이어스 자기장 코일
180: RF 공명회로부
162: 필터부
130: 물순환부
154: 검출 자기장 구동부
172: 검출 자기장 코일
155: 바이어스 자기장 구동부

Claims (20)

  1. 증폭된 핵자화를 측정 대상에 제공하기 위하여 동적 핵자화(dynamic nuclear polarization;DNP)가 가능한 DNP 물질을 이용하여 물의 수소원자의 핵자화를 증폭하는 DNP 증폭부;
    상기 측정 대상의 자기공명신호를 SQUID 센서 혹은 광펌핑 원자자력계를 이용하여 측정하는 센서부; 및
    상기 측정 대상에 검출 자기장을 인가하는 검출 자기장 코일을 포함하고,
    상기 DNP 증폭부는:
    상기 DNP 물질 및 물에 바이어스 자기장을 인가하는 바이어스(bias) 자기장 코일;
    상기 바이어스 자기장 코일의 내부에 배치되고 측정 대상에 물의 수소원자의 증폭된 핵자화를 제공하는 겔-여과 매트릭스(gel-filtration matrix)를 포함하는 필터부; 및
    상기 겔-여과 매트릭스의 주위에 배치되어 RF 자기장을 인가하는 RF 공명 코일을 포함하는 RF 공명회로부를 포함하고,
    상기 DNP 증폭부는 상기 측정 대상, 센서부, 및 검출 자기장 코일과 분리되는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 DNP 증폭부는 상기 겔-여과 매트릭스에 물을 공급하는 물 순환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 필터부는:
    상기 DNP 물질이 고정된 겔-여과 매트릭스;
    상기 DNP 물질의 투과를 방지는 DNP 필터;
    물을 공급받는 유입구; 및
    상기 측정 대상에 상기 물을 제공하는 유출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 겔-여과 매트릭스는 겔-여과용 담체의 일종인 세파로오스(sepharose)를 사용하여 TEMPO의 NH2 그룹 또는 TEMPOL의 OH 그룹을 고정화시키는 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 겔-여과 매트릭스는 상기 TEMPO를 고정시키는 물질로 NHS 활성 세파로오스 4 패스트 플로(NHS activated Sepharose 4 Fast Flow)를 사용하는 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 겔-여과 매트릭스는 상기 TEMPO 및 TEMPOL을 고정시키는 물질로 에폭시 활성화 세파로오스 6B(Epoxy-activated Sepharose 6B)를 사용하는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 DNP 물질은 TEMPO 또는 TEMPOL 인 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 겔-여과 매트릭스를 통과하여 핵자화가 증폭된 물은 상기 측정 대상에 연속적으로 공급 또는 단속적으로 주입되는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 DNP 증폭부는 상기 검출 자기장 코일의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  10. 증폭된 핵자화를 측정 대상에 제공하기 위하여 동적 핵자화(dynamic nuclear polarization;DNP)가 가능한 DNP 물질을 이용하여 물의 수소원자의 핵자화를 증폭하는 DNP 증폭부;
    상기 측정 대상의 자기공명신호를 SQUID 센서 혹은 광펌핑 원자자력계를 이용하여 측정하는 센서부; 및
    상기 측정 대상에 검출 자기장을 인가하는 검출 자기장 코일을 포함하고,
    상기 DNP 증폭부는:
    수용액 상태의 DNP 물질에 바이어스 자기장을 인가하는 바이어스(bias) 자기장 코일; 및
    상기 바이어스 자기장 코일의 주위에 배치되어 RF 자기장을 인가하는 RF 공명 코일을 포함하는 RF 공명회로부를 포함하고,
    상기 측정 대상은 상기 수용액 상태의 DNP 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  11. 증폭된 핵자화를 측정 대상에 제공하기 위하여 동적 핵자화(dynamic nuclear polarization;DNP)가 가능한 DNP 물질을 이용하여 물의 수소원자의 핵자화를 증폭하는 DNP 증폭부;
    상기 측정 대상의 자기공명신호를 SQUID 센서 혹은 광펌핑 원자자력계를 이용하여 측정하는 센서부; 및
    상기 측정 대상에 검출 자기장을 인가하는 검출 자기장 코일을 포함하고,
    상기 DNP 증폭부는:
    상기 DNP 물질 및 물에 바이어스 자기장을 인가하는 바이어스(bias) 자기장 코일;
    상기 바이어스 자기장 코일의 내부에 배치되고 측정 대상에 물의 수소원자의 증폭된 핵자화를 제공하는 겔-여과 매트릭스(gel-filtration matrix)를 포함하는 필터부; 및
    상기 겔-여과 매트릭스의 주위에 배치되어 RF 자기장을 인가하는 RF 공명 코일을 포함하는 RF 공명회로부를 포함하고,
    상기 물의 증폭된 핵자화의 공급 중 이완(relaxation)에 의한 신호 감쇠 (signal decay)를 줄이도록, 상기 DNP 증폭부와 상기 측정 대상, 센서부, 및 검출 자기장 코일은 공간적으로 근접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  12. 제1 항, 제10 항, 및 제 11 항 중에서 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이어스 자기장은 수 내지 수십 밀리 테슬라(mT)인 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  13. 제1 항, 제10 항, 및 제 11 항 중에서 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 대상에 경사자기장을 제공하는 경사자기장 코일; 및
    상기 측정 대상을 사전 자화시키는 사전자화 코일 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  14. 제1 항, 제10 항, 및 제 11 항 중에서 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 대상을 사전자화시키는 사전자화 자기장이 없는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  15. 제1 항, 제10 항, 및 제 11 항 중에서 어느 한 항에 있어서,
    상기 RF 공명회로부는:
    적어도 한 턴을 포함하는 상기 RF 공명 코일;
    상기 RF 공명 코일의 일단에 연결되는 일단을 가지는 동축 케이블 형상의 제1 연장부;
    상기 RF 공명 코일의 타단에 연결되는 일단을 가지고 상기 제1 연장부와 동일한 길이 l의 동축 케이블 형상의 제2 연장부;
    상기 제1 연장부의 타단과 RF 전원의 입력단 사에 연결되는 제1 축전기;
    상기 제2 연장부의 타단과 접지단 사이에 연결되는 제2 축전기; 및
    상기 제1 연장부의 타단과 상기 제2 연장부의 타단에 연결되는 동축 케이블 형상의 제3 연장부를 포함하고,
    상기 제3 연장부의 길이는 구동 RF 전원의 반파장인 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  16. 제1 항, 제10 항, 및 제 11 항 중에서 어느 한 항에 있어서,
    상기 RF 공명회로부는:
    적어도 한 턴을 포함하는 상기 RF 공명 코일;
    상기 RF 공명 코일에 병렬 연결된 제1 축전기; 및
    상기 병렬 연결된 상기 RF 공명 코일 및 상기 제1 축전기의 일단은 접속되어 연결된 제2 축전기를 포함하고,
    상기 병렬 연결된 RF 공명 코일 및 상기 제1 축전기의 타단은 접지되고, 상기 제2 축전기의 타단은 구동 RF 전원의 입력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  17. 제1 항, 제10 항, 및 제 11 항 중에서 어느 한 항에 있어서,
    상기 RF 공명회로부는:
    적어도 한 턴을 포함하는 상기 RF 공명 코일;
    상기 RF 공명 코일의 일단에 직렬 연결된 일단을 가지는 제1 축전기; 및
    상기 제1 축전기의 타단과 접지 사이에 연결된 제2 축전기를 포함하고,
    상기 RF 공명 코일의 타단은 접지되고, 상기 제1 축전기의 타단은 구동 RF 전원의 입력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 장치.
  18. 바이어스 자기장 및 RF 자기장을 DNP 물질 및 물에 인가하여 물의 수소원자의 핵자화를 증폭시키는 단계;
    상기 물의 증폭된 핵자화를 측정 대상에 제공하는 단계;
    상기 측정 대상에 측정 자기장을 인가하는 단계; 및
    상기 측정 대상의 핵자기 공명신호를 SQUID 또는 광펌핑 원자자력계를 이용하여 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기공명 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 측정 대상에 경사 자기장을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 저자기장 핵자기공명 방법.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 측정 대상에 사전 자화 자기장을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 저자기장 핵자기공명 방법.
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