KR101270081B1

KR101270081B1 - 자기공명영상장치의 이중표면코일

Info

Publication number: KR101270081B1
Application number: KR1020110126475A
Authority: KR
Inventors: 장용민; 박장우; 한문
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-05-31

Abstract

본 발명은 이중표면코일에 관한 것이다. 본 발명에 따른 자기공명영상장치의 이중표면코일은 자기공명영상장치로부터 발생되는 고주파 여기 펄스(RF excitation pulse)에 기인하여 자기 공명 신호들(magnetic resonance signals)을 수신하는 표면코일(surface coil)에 있어서, 루프 형태로 이루어진 전도성 소자들이 평행한 평면상에 이중으로 배치되는 수신안테나부; 및 제1 접속부 및 제2 접속부를 통해 상기 수신안테나부와 연결되고, 상기 수신안테나부로부터 수신되는 신호 중 상기 자기공명신호에 해당하는 신호만을 외부로 제공하는 공진회로부;를 구비하며, 상기 공진회로부는 인덕터(L) 및 캐패시터(C)의 병렬회로와 인덕터(L) 및 캐패시터(C)의 직렬회로의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 자기공명영상장치의 이중표면코일은 자기공명신호를 수신하는 세기는 크게 하고, 노이즈는 최소화하여 신호대잡음비(SNR)을 향상시킬 수 있으며, 간단한 회로 구성을 통해 제작이 용이하며 제조비용을 절감할 수 있는 표면코일을 제공할 수 있게 된다.

Description

자기공명영상장치의 이중표면코일{Dual surface coil of magnetic resonance imaging device}

본 발명은 자기공명영상장치의 이중표면코일에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 루프 형태의 소형 RF 코일을 이중으로 형성하고, 상기 RF 코일과 연결되는 공진회로부에 LC 병렬 회로를 포함하도록 함으로써, 국소부위에 대한 자기공명영상을 촬영할 수 있으며, 노이즈를 최소화하여 신호 대비 노이즈 비율(Signal to noise ratio; 이하, "SNR")을 높일 수 있는 자기공명영상장치의 이중표면코일에 관한 것이다.

뇌, 척추 질환, 뼈, 관절질환, 심혈관, 흉부 질환, 선천성 심장 질환, 심근경색증 등의 진단에 널리 이용되는 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging; 이하, MRI) 장치는 인체에 포함된 수소 원자핵이 내는 특정 주파수의 자기장을 검출하여 이를 2차원 또는 3차원 영상으로 변환시켜 인체 내부의 조직 형태(tissue type)을 검사할 수 있게 하는 장치로서, 컴퓨터 단층 촬영(CT; Computed Tomography)이나 X-ray에 비하여 인체에 전혀 무해한 자기장을 이용함으로써 장시간 촬영이나 많은 횟수의 촬영에도 인체에 해롭지가 않고, 대조도와 해상도가 뛰어난 첨단의 비파괴, 비방사능적 검사법이다. 인체에 정자기장(static magnetic field)을 인가하면 인체의 세포 구성분자에 포함된 수소 원자핵은 정자기장의 세기에 비례하는 공진 주파수를 가지게 되며 이 공진 주파수의 전자파를 잘 흡수하거나 방출하게 된다.

MRI는 이러한 원리를 이용하여 인체 내부를 관찰하는 장비로서, 1 테슬러 전후의 강한 정자기장을 측정 부위에 인가한 상태에서 공진 주파수에 해당하는 고주파 펄스파(RF pulse wave)를 인체에 인가하여 수소 원자핵들을 높은 에너지 상태로 여기(excitation)시킨다. 여기된 수소 원자핵들을 다시 낮은 에너지 상태로 돌아오면서 가지고 있던 에너지의 대부분을 인가하였던 고주파와 같은 형태의 고주파 자기장으로 외부에 방출하는데 이것이 자기공명(Magnetic Resonance, 이하 MR) 신호이다.

수소 원자핵들이 고주파 자기장을 방출하는 동안 위치에 따라 세기가 다른 자기장, 예를 들어 기준점으로부터 한 쪽 방향으로 거리에 비례하여 세기가 증가하는 경사 자장(gradient magnetic field)을 추가로 인가하면 각 위치의 수소 원자핵에서 방출되는 자기장의 주파수는 정자기장에 의해 결정되는 중심 주파수에 대해 위치에 비례하는 편차를 가지는데 이 MR 신호를 자기장 검출 장치 혹은 수신 안테나로 받아 신호 처리하면 수소 원자핵의 밀도 분포를 나타내는 영상을 얻을 수 있다.

MR 영상의 해상도가 높을수록 정확한 진단이 가능하므로 해상도를 높이기 위한 다양한 기술이 대두되고 있다. 그 중에서 MR 신호 검출 장치의 감도는 해상도에 큰 영향을 미치는 요소이다.

MRI의 코일에는 크게 두 가지가 있는데 홀볼륨코일(Whole-Volume Coil)은 커다란 샘플 조직(sample tissue)에서 여기된 신호를 받아들이는 것이고, 로컬 코일(Local Coil) 혹은 표면 코일(Surface Coil)은 조직의 작은 면에서 신호를 받으나 상당히 높은 SNR를 갖는 것을 말한다. 홀볼륨코일의 형태 중 가장 널리 사용되는 형태는 솔레노이드(Solenoidal)식과 안장형(Saddle-Shaped)식이 있다. 최근에는 실린더(Cylinder)식과 새장(bird-cage)식이 있다.

여기서, 표면코일은 일종의 수신 안테나로써 인체의 아주 작은 단면을 영상화하는데 쓰이며, 다른 코일에 비해 월등히 나은 신호세기를 발생시킨다. 2007년 NMR Biomedicine에 F.Daved Doty 등에 의해 제안된 "Radio frequency coil technology for small-animal MRI"(NMR Biomed.2007; 20; 304-325)는 소동물의 자기공명영상을 위한 RF 코일에 대해 제시하고 있으나, 회로가 복잡하여 구성하는데 어려움이 발생한다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 루프 형태의 소형 RF 코일을 이중으로 형성하고, 상기 RF 코일과 연결되는 공진회로부에 LC 병렬 회로를 포함하도록 함으로써, 종래의 표면 코일에 비해 회로가 간단하면서도 노이즈를 줄여 SNR이 높은 자기공명영상장치의 이중표면코일을 제공하고자 하는 것이다.

전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 자기공명영상장치로부터 발생되는 고주파 여기 펄스(RF excitation pulse)에 기인하여 자기 공명 신호들(magnetic resonance signals)을 수신하는 표면코일(surface coil)에 있어서, 루프 형태로 이루어진 전도성 소자들이 평행한 평면상에 이중으로 배치되는 수신안테나부; 및 제1 접속부 및 제2 접속부를 통해 상기 수신안테나부와 연결되고, 상기 수신안테나부로부터 수신되는 신호 중 상기 자기공명신호에 해당하는 신호만을 외부로 제공하는 공진회로부;를 구비하며, 상기 공진회로부는 인덕터(L) 및 캐패시터(C)의 병렬회로와 인덕터(L) 및 캐패시터(C)의 직렬회로의 조합으로 이루어지는 것이 바람직하다.

전술한 특징에 따른 자기공명영상장치의 이중표면코일에 있어서, 상기 공진회로부는 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 상기 제1 접속부 및 제1 단자 사이를 제1 LC 직렬회로로 연결하고, 상기 제2 접속부 및 제2 단자 사이를 제2 LC 직렬회로로 연결하며, 상기 제1 접속부 및 제2 접속부 사이를 LC 병렬회로로 연결하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

전술한 특징에 따른 자기공명영상장치의 이중표면코일에 있어서, 상기 수신안테나부는 이중으로 배치된 상기 전도성 소자들을 하나의 피복으로 감싸는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 자기공명영상장치의 이중표면코일은 전도성 소자들을 이중으로 형성하는 수신안테나부 및 대역통과필터의 역할을 하는 LC 병렬회로를 포함하는 공진회로부를 구비함으로써, 소동물에 맞는 작은 크기의 표면코일을 제작함에 있어, 자기공명신호를 수신하는 세기는 크게 하고, 노이즈는 최소화하여 신호대잡음비(SNR)을 향상시킬 수 있으며, 간단한 회로 구성을 통해 제작이 용이하며 제조비용을 절감할 수 있는 표면코일을 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기공명영상장치의 이중표면코일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 이중표면코일을 포함하는 자기 공진기에 있어서, 이중표면코일의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 자기공명장치의 이중표면코일을 실제로 구성한 실시예를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 자기공명장치의 이중표면코일의 Q값을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기공명영상장치의 이중표면코일에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기공명영상장치의 이중표면코일을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 자기공명영상장치의 이중표면코일(10)은 수신안테나부(100) 및 공진회로부(150)를 포함한다.

상기 수신안테나부(100)는 루프 형태로 이루어진 전도성 소자들이 평행한 평면상에 이중으로 배치되는 것에 의해 형성된다. 본 발명에 따른 수신안테나부(100)는 실험용 쥐와 같은 소형동물의 국소부위에 대한 자기공명영상신호를 획득하기 위한 것으로서, 평행한 평면상에 루프 형태로 이루어진 전도성 소자를 이중으로 배치시키는 것에 의해 상기 국소부위로부터 수신되는 신호의 세기를 크게 할 수 있다.

일반적으로, MRI의 코일에는 홀볼륨코일(Whole-Volume Coil)과 표면코일(surface coil)로 구분할 수 있는데, 상기 홀볼륨코일은 커다란 샘플 조직(sample tissue)에서 여기된 신호를 받아들이기 위해 큰 사이즈로 제작되며, 표면 코일은 조직의 작은 면에서 신호를 수신하기 위해 작은 사이즈로 제작되게 된다. 그런데, 홀볼륨코일은 커다란 샘플조직의 자기공명영상을 획득하기 위해서는 적당하나, 코일의 크기가 크기 때문에 코일의 직경과 샘플과의 거리의 비율로 나타내어지는 충전율(filling factor)에 의해 국소부위를 측정하기에는 부적당하다.

따라서, 본 발명에서는 쥐와 같은 소형 동물의 뇌(brain), 무릎(knee), 폐(river)와 같은 국소부위에 대한 자기공명영상을 효과적으로 획득하기 위해 표면 코일의 한 형태를 제안하는 것이다. 표면 코일은 소형 사이즈로 제작하여, 샘플에 근접하여 신호를 수신하게 되는데, 샘플과의 거리가 충분히 가깝기 때문에 전술한 충전율(filling factor)이 높아 국소부위로부터 발생되는 자기공명신호를 상당히 높은 세기로 수신할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 수신안테나부의 전도성 소자들을 이중으로 형성함으로써, 자기공명신호에 대한 감도가 높아질 뿐만 아니라, 특히 수신되는 면적이 커져서 저항이 상대적으로 작아지는 것에 의해 더욱 높은 세기의 신호를 수신할 수 있게 되어, 고품질의 자기공명영상을 획득할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 이중표면코일을 포함하는 자기 공진기에 있어서, 이중표면코일의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 상기 이중표면코일(100)은 평행한 평면상에 이중으로 배치된 전도성 소자들(102)을 하나의 피복(105)으로 감싸는 것을 특징으로 한다. 상기 전도성 소자들(102)은 높은 전도성을 갖는 구리와 같은 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 피복(105)은 상기 전도성 소자들(102)로부터 발생되거나, 샘플로부터 수신되는 자기 신호의 특성을 왜곡시키지 않는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 공진회로부(150)는 제1 접속부(160) 및 제2 접속부(170)을 통해 상기 수신안테나부(100)와 연결되고, 상기 수신안테나부(100)로부터 수신되는 신호 중 상기 자기공명신호에 해당하는 신호만을 외부로 제공한다. 여기서, 외부라함은 자기공명장치에 있어서 표면 코일로부터 수신된 신호들을 수집하고 처리하여 영상으로 출력하는 외부기기를 의미한다. 이러한 신호가 처리되는 외부기기들은 주지관용의 기술이므로, 본 발명에서는 이중표면코일에 대해서만 설명하도록 한다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 공진회로부(150)는 전도성 소자들로 이루어지는 수신안테나부(100)와 제1 접속부(160) 및 제2 접속부(170)를 통해 연결되며, 상기 제1 접속부(160) 및 제2 접속부(170)는 납땜에 의해 전기적으로 도통되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제1 접속부(160) 및 제2 접속부(170)으로부터 연장된 공진회로부(150)는 인덕터(L) 및 캐패시터(C)의 병렬회로와 인덕터(L) 및 캐패시터(C)의 직렬회로의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

LC 공진회로는 특정 주파수의 사인파 교류에 대해 임피던스(impedence)가 극소나 극대를 나타내는 회로로서, 캐패시터(C)의 정전 에너지와 인덕터(L)의 전자기 에너지가 자유로이 변환될 수 있도록 이어진 회로를 말하며 C와 L이 직렬 접속된 직렬공진회로와 이들이 병렬접속된 병렬공진회로가 기본이 된다. 여기서, LC 공진회로의 공진주파수는 다음 수학식 1과 같이 정해진다.

[수학식 1]

LC직렬공진회로의 경우에는 상기 공진주파수(f₀)에서 인피던스가 0이 되고, LC 병렬공진회로의 경우에는 상기 공진주파수(f₀)에서 인피던스가 무한대가 된다. 즉, LC 직렬공진회로의 경우에는 공진주파수(f₀)에 해당하는 신호만을 통과시키고, LC 병렬공진회로의 경우에는 상기 공진주파수(f₀)를 제외한 다른 주파수 대역의 신호를 통과시키는 것이다. 따라서, 전술한 LC 직렬공진회로(이하, LC직렬회로)와 LC 병렬공진회로(이하, LC병렬회로)의 조합을 통해, 상기 공진회로부(150)는 공진주파수(f₀)에 해당하는 자기공명신호만을 외부로 제공할 수 있게 되는 것이다.

특히, 본 발명에 따른 공진회로부(150)는 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 상기 제1 접속부(160) 및 제1 단자(200) 사이를 제1 LC 직렬회로(130)로 연결하고, 상기 제2 접속부(170) 및 제2 단자(300) 사이를 제2 LC 직렬회로(140)로 연결하며, 상기 제1 접속부 및 제2 접속부 사이를 LC 병렬회로(120)로 연결하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 제1 단자 및 제2 단자 중 어느 하나는 그라운드(GND)와 연결되며, 나머지 하나는 신호를 송신하는 역할을 하게 되는데, 이때, 공진주파수에 해당하는 신호를 제외한 나머지 신호들은 LC 병렬회로(120)를 통해 그라운드(GND)로 빠져나가기 때문에, 대역통과필터(Band pass filter)의 역할을 하게 되어 노이즈의 발생을 최소화할 수 있게 되는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 자기공명영상장치의 이중표면코일은 전술한 바와 같이 간단한 공진회로부(150)의 구성을 통해, 상기 수신안테나부(100)로부터 수신된 신호 중에서 공진주파수에 해당하는 자기공명신호들만을 정확하게 획득할 수 있게 된다.

한편, 도 3은 본 발명에 따른 자기공명장치의 이중표면코일을 실제로 구성한 실시예를 나타낸 사진이다. 도 3을 참조하면, 상기 공진회로부와 연결되는 그라운드(GND)와 신호선이 BNC 단자로 연결되어 외부기기와 연결할 수 있음을 알 수 있다. 여기서, BNC 단자로 구성하는 것은 실시예의 한 형태이며, 신호선과 그라운드(GND)를 연결할 수 있다면 어떠한 단자 형태든 상관없다.

한편, 도 4는 본 발명에 따른 자기공명장치의 이중표면코일의 Q값을 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 자기공명장치의 이중표면코일의 Q값(Quality factor)이 높음을 알 수 있다. 이는 종래의 새장형 코일의 Q 값에 비해 높은 값이다.

여기서, Q 값(Quality factor)는 특정 주파수 스펙트럼에 샤프하게 에너지가 뜨는 경우, 그 파형의 에너지 집중도를 표현한 값으로서, 코일과 같은 공진기에서의 Q값은 수학식 2와 같이 표현된다.

[수학식 2]

Q = 중심주파수 / 3dB 대역폭

여기서 3dB 대역폭이란, 에너지가 가장 높은 주파수에서 양쪽으로 3dB씩 떨어지는, 즉 1/2가 되는 지점의 주파수 대역폭 (Bandwidth)을 의미한다. 즉 이 Q값이 높다는 것은 에너지가 집중된다는 의미가 된다.

즉, 도 4에 나타난 결과를 통해, 본 발명에 따른 자기공명영상장치의 이중표면코일의 신호대잡음비(SNR; Signal to noise ratio)가 종래의 새장코일에 비해 더 높음을 알 수 있다.

전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 자기공명영상장치의 이중표면코일은 전도성 소자들을 이중으로 형성하는 수신안테나부 및 대역통과필터의 역할을 하는 LC 병렬회로를 포함하는 공진회로부를 구비함으로써, 소동물에 맞는 작은 크기의 표면코일을 제작함에 있어, 자기공명신호를 수신하는 세기는 크게 하고, 노이즈는 최소화하여 신호대잡음비(SNR)을 향상시킬 수 있으며, 간단한 회로 구성을 통해 제작이 용이하며 제조비용을 절감할 수 있는 표면코일을 제공할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 자기공명영상장치의 이중표면코일은 작은 샘플조직의 자기공명영상을 획득하고자 하는 모든 분야에 적용할 수 있다. 특히, 쥐와 같은 소동물의 국소부위의 자기공명영상을 획득하고자 하는 분야에 활용될 수 있다.

10 : 이중표면코일
100 : 수신안테나부
120 : LC 병렬회로
130, 140 : LC 직렬회로
150 : 공진회로부
160, 170 : 제1 및 제2 접속부

Claims

자기공명영상장치로부터 발생되는 고주파 여기 펄스(RF excitation pulse)에 기인하여 자기 공명 신호들(magnetic resonance signals)을 수신하는 표면코일(surface coil)에 있어서,
루프 형태로 이루어진 전도성 소자들이 평행한 평면상에 이중으로 배치되는 수신안테나부; 및
제1 접속부 및 제2 접속부를 통해 상기 수신안테나부와 연결되고, 상기 수신안테나부로부터 수신되는 신호 중 상기 자기공명신호에 해당하는 신호만을 외부로 제공하는 공진회로부;
를 구비하며, 상기 공진회로부는 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 상기 제1 접속부와 제1 단자 사이에 인덕터와 커패시터로 구성된 제1 LC 직렬회로가 연결되고, 상기 제2 접속부와 제2 단자 사이에 인덕터와 커패시터로 구성된 제2 LC 직렬회로가 연결되며, 상기 제1 접속부와 제2 접속부 사이에 인덕터와 커패시터로 구성된 LC 병렬회로가 연결되는 것을 특징으로 하는 자기공명영상장치의 이중표면코일.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 수신안테나부는
이중으로 배치된 상기 전도성 소자들을 하나의 피복으로 감싸는 것을 특징으로 하는 자기공명영상장치의 이중표면코일.