KR101335677B1

KR101335677B1 - 고온초전도선재를 이용한 라디오 주파수 코일

Info

Publication number: KR101335677B1
Application number: KR1020110132240A
Authority: KR
Inventors: 고락길; 김호섭; 손명환; 하동우; 강부민; 김동혁
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-12-03
Also published as: KR20130065399A

Abstract

본 발명은 고온초전도선재를 이용한 라디오 주파수 코일에 관한 것으로, 초전도 산화물층이 구비되어 형성된 테이프형상의 초전도선재를 이용한 자기공명장치(MRI)용 라디오주파수(RF) 코일에 있어서, 상기 초전도 선재가 절단되어 가로변과 세로변이 구비된 사각형 형상으로 형성된 단위초전도선재가 동일 평면상에 배치되고, 인접된 단위초전도선재는 세로변이 접합부에 의해 상호간에 연결결합되어 테이프 형상의 단위초전도선재가 동일평면상에서 연결된 평면코일이 되고, 상기 평면코일이 자기공명장치의 외부자기장하에 위치되는 고온초전도선재를 이용한 라디오 주파수 코일을 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 자기공명영상장치(MRI)의 구성요소인 라디오주파수(RF) 코일을 고온초전도선재를 사용하여 형성시키되, 외부자기장에 의한 고온초전도선재의 전류영향을 최소화시켜 영상의 품질을 증가시키는 이점이 있다.

Description

고온초전도선재를 이용한 라디오 주파수 코일{radio frequency coil using high temperature superconducting wire}

본 발명은 고온초전도선재를 이용한 라디오 주파수 코일에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 자기공명영상장치(MRI)의 구성요소인 라디오주파수(RF) 코일을 고온초전도선재를 사용하여 형성시키되, 외부자기장에 의한 고온초전도선재의 전류영향을 최소화시켜 영상의 품질을 증가시키는 고온초전도 선재를 이용한 라디오 주파수 코일에 관한 것이다.

자기 공명 영상 (MRI)은 생체 내부의 다양한 조직들 가운데 특히 연부조직에서 고유한 대조도 측징을 이용하여 비침습적으로 영상화할 수 있어 임상에서 진단 장비로 가장 유용하게 사용하고 있다.

핵자기 공명 원리를 이용한 지기 공명 영상 장치는 자기장을 발생시키는 주자석과(10), 주자석의 자기장에 경사 자계 신호를 발생하는 경사 자계 신호 코일 (20), 영상 대상물(50)로부터 자기 공명 신호가 나오도록 라디오주파수 자계 신호로 여기하는 송신용 라디오주파수 코일(30)과, 주자석(10)에 구동 전압을 제공하는 주자석 전원부(60)와, 자기 공명 영상을 얻기 위한 경사 자계 신호 및 라디오주파수 자계 신호를 생성하고, 이들 자계들로부터 생성된 자기 공명 신호로부터 영상을 재구성하는 컴퓨터 및 콘솔(80)과, 자기 공명 신호로부터 재구성된 영상을 출력하는 영상 모니터(130)와, 콘솔(80)에서 발생시킨 경사 자계 신호로 경사 자계 신호 코일(20)을 구동하도록 증폭하는 경사 자계 신호 증폭기(70)와, 라디오주파수 자계 신호를 증폭하여 송신용 라디오주파수 코일에 구동원으로 제공하는 라디오주파수 전력 증폭기(90)와, 컴퓨터 및 콘솔(80)로부터 제공 되는 라디오주파수 자계 신호를 변조하여 라디오주파수 전력 증폭기(90)에 제공하는 변조기(110)와, 수신용 라디오주파수 코일(40)로 수신한 자기 공명 신호를 전치 증폭하는 전치 증폭기(100)와, 전치 증폭기(100)에서 증폭된 자기 공명 신호를 복조하여 컴퓨터에 디지탈 신호로 제공하는 복조기(120)와, 변조기(110) 및 복조기(120)에 각각 기준 주파수의 클럭을 제공하는 기준 주파수 발생기(130)를 구비하고 있다.

이와 같은 구성의 자기 공명 영상 장치는 강한 주자석(10)의 자기장 속에 영상대상(50)을넣고, 영상대상(50)의 핵자기 공명 스핀을 송신용 라디오주파수 코일(30)에서 발사된 라디오주파수 자기장으로 여기한 후 나오는 자기 공명 신호를 수신용 라디오주파수 코일(40)로 수신하여 영상 정보를 얻게되는데, 이때 경사자계코일(20)에서 생성된 경사 자계를 적당히 가하여 영상대상(50)에 대한 입체적 영상 정보를 얻도록 되어 있다.

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.

그러나 이런 초전도 자석을 이용한 자기공명 영상 장치는 액체 헬륨을 사용하기 때문에 운전 비용 및 작동 비용이 비싸고, 또한 자장세기에 제한이 있다. 이런 한계점을 이겨내고자 나온 기술이 냉각 장치를 구비한 수신용 RF 코일과 고온초전도체를 이용한 수신용 RF 코일이다.

구리제 수신 코일의 온도를 감소시키면 그 민감도가 개선되고, 초전도체 수신코일을 사용하면 구리보다 저항이 훨씬작기 때문에 그 민감도가 더욱 개선된다는 것이 밝혀졌다. 이러한 소위 고온 초전도체(HTS)의 발견으로 인하여, 상기 성질을 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_x 는 전이 온도가 105K이고, TlBa₂Ca₂Cu₃O_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. 그러나 고온초전도체가 자기공명영상장치 내에 위치할 때 장치의 기본 자장에 놓이게 되는데, 고온초전도체의 자장특성에 따라 많은 성능 차이를 보인다. 초전도체를 이용하는바, 외부에서 가해지는 자기장에 수직 또는 경사를 이루는 위치에서 초전도체에 흐르는 전류가 급격히 감소하여 영상을 수득하지 못하는 등의 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 자기공명영상장치(MRI)의 구성요소인 라디오주파수(RF) 코일을 고온초전도선재를 사용하여 형성시키되, 외부자기장에 의한 고온초전도선재의 전류영향을 최소화시켜 영상의 품질을 증가시키는 고온초전도 선재를 이용한 라디오 주파수 코일을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 초전도 산화물층이 구비되어 형성된 테이프형상의 초전도선재를 이용한 자기공명장치(MRI)용 라디오주파수(RF) 코일에 있어서, 상기 초전도 선재가 절단되어 가로변과 세로변이 구비된 사각형 형상으로 형성된 단위초전도선재가 동일 평면상에 배치되고, 인접된 단위초전도선재는 세로변이 접합부에 의해 상호간에 연결결합되어 테이프 형상의 단위초전도선재가 동일평면상에서 연결된 평면코일이 되고, 상기 평면코일이 자기공명장치의 외부자기장하에 위치되는 고온초전도선재를 이용한 라디오 주파수 코일을 기술적 요지로 한다.

상기 평면코일의 양단부는 개방되는 것이 바람직하다.

상기 평면코일은 원 형태가 되는 것이 바람직하다.

상기 평면코일은 2개 이상의 평면코일이 상호간에 연결되어 솔레노이드 형태의 코일이 되는 것이 바람직하다.

상기 접합부는 인접한 단위초전도선재 상호간이 일부 겹쳐져 형성되는 것이 바람직하다.

상기 접합부는 세로변이 상호간에 접촉되어 접합 형성되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 자기공명영상장치(MRI)의 구성요소인 라디오주파수(RF) 코일을 고온초전도선재를 사용하여 형성시키되, 외부자기장에 의한 고온초전도선재의 전류영향을 최소화시켜 영상의 품질을 증가시키는 이점이 있다.

상기의 구성에 의한 본 발명은, 자기공명영상장치(MRI)의 구성요소인 라디오주파수(RF) 코일을 고온초전도선재를 사용하여 형성시키되, 외부자기장에 의한 고온초전도선재의 전류영향을 최소화시킴과 동시에 영상의 품질을 증가시킨다는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 일반적인 자기 공명 영상 장치의 전체 구성을 나타내는 블록도이고,
도 2는 일반적인 초전도 코일에 외부자장이 작용하는 형상을 나타낸 개략도이고,
도 3은 산화물층이 형성된 테이프 형상의 초전도 선재를 형상을 나타낸 개략도이고,
도 4는 도3의 초전도 선재에 외부자기장이 작용하는 경우 외부자기장과 초전도 선재와의 각도에 따른 전류 변화를 나타낸 도이고,
도 5는 본 발명에 따른 단위 초전도선재 상호간을 겹쳐 접합부를 형성시킨 형상을 나타낸 개략도이고,
도 6은 본 발명에 따른 단위 초전도선재 상호간을 접촉시켜 열처리함으로 상호간 겹쳐진 부분을 금속결합으로 접합하는 형상을 나타낸 개략도이고,
도 7은 본 발명에 따른 단위 초전도선재 상호간을 접촉시켜 접합부를 형성시킨 형상을 나타낸 개략도이고,
도 8은 본 발명에 따른 서피스(surface)코일 형태의 평면코일을 나타낸 도이고,
도 9는 본 발명에 따른 평면코일을 연결부에 의해 연결시킨 솔레노이드(solenoid)코일 형태로 형성시킨 코일을 나타낸 개략도이고,
도 10은 본 발명에 따른 평면코일을 연결부에 의해 두 개 이상 연결하여 놓은 형태의 코일의 형상을 나타낸 개략도이고,
도 11은 본 발명에 따른 평면코일에 외부자기장이 평행하게 인가되는 형상을 나타낸 개략도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명하기로 한다.

본 발명을 설명하기에 앞서 자기공명장치(MRI)용 라디오주파수(RF) 코일에 대해 간단히 설명하기로 한다. 영상의학에서 자기공명장치는 중요한 역할을 하며, 영상의 판단 품질을 판단하는 기준으로 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio, 이하 'SNR'이라 함)를 사용하고 SNR의 크기가 크면 영상이 선명하다는 것을 의미한다.

특히, 자기공명장치(MRI)에서는 외부 자장과 라디오주파수(RF) 코일과의 관련도가 SNR에 영향을 미치며 SNR은 아래의 식으로 표시할 수 있다.

여기서 Rs는 측정하고자하는 샘플의 저항이고, Ts는 샘플의 온도이고, Rc는 라디오주파수 코일의 저항이고, Tc는 코일의 온도이고 B₁은 라디오 주파수 코일에서 발생하는 자기장의 세기이다.

상기 수식에서 샘플의 저항이나 샘플의 온도는 측정하고자 하는 샘플의 고유한 성질이므로 이를 변화시키기는 어렵다.

그러나, 라디오주파수 코일의 저항인 Rc 및 라디오주파수 코일의 온도인 Tc는 초전도 선재를 냉각하여 사용하면 줄일 수 있으므로 SNR을 증가시킬 수 있다.

따라서, 자기공명장치(MRI)에서 라디오주파수(RF) 코일을 초전도 선재를 사용하면 영상의 품질을 높일 수 있다는 것을 확인하였다.

그런데 자기공명장치(MRI)에서 라디오주파수(RF) 코일을 초전도 선재 코일로 사용하는 것은 어려움이 있다.

일반적으로 자기공명장치(MRI)에서 라디오주파수(RF) 코일이 놓여 지는 위치는 외부자기장과 밀접한 관련이 있는바, 외부 자기장과 RF코일에 의해 형성된 자기장이 통상 수직이 되게 상기 라디오주파수(RF) 코일이 외부자기장 내에 위치되어야 한다.

즉, 도 2와 같이, 외부자기장 B₀가 Z축 방향이면, 상기 라디오주파수(RF) 코일인 초전도 코일은 도 2의 위치와 같이 XZ 평면에 평행하게 놓여 질 수 있으며, 이때, 초전도 코일의 전류(I)방향이 화살표 방향으로 인가되면, 초전도 코일에 의해 형성된 자기장 B₁은 Y축 방향으로 형성되어 영상이 수득되고, 영상을 얻고자 하는 물체도 Y축 방항으로 위치하게 된다.

그런데 초전도 코일인 경우 기판 상면에 초전도 산화물층이 구비되어 형성된 테이프형상인바, 도 2에서와 같이, 초전도층이 외부자기장과 일정한 경사를 가지는 면이 존재한다.

특히 도2에서 초전도 코일의 상하면에는 외부자기장과 수직한 면이 존재하고 측면인 경우는 외부자기장과 평행한 면이 존재한다.

외부자기장과 평행한 면은 문제가 되지 않으나 수직한 면인 경우와 일정한 각도를 이루는 경우에는 초전도체에 흐르는 전류가 외부자기장에 의해 영향을 받게 되며 이것이 초전도체의 성질 중 하나이다.

이를 구체적으로 살펴보도록 한다.

도 3과 같이 테이프 형상의 초전도 선재를 형성시켰으며, 초전도 선재의 폭은 4㎜이고, 초전도층의 두께는 0.2㎜인 초전도 선재를 형성하였다.

상기 도3에서 형성된 초전도 선재를 이용하여 외부자기장의 영향을 측정하였는바, 초전도층과 외부자기장의 각도에 따라 초전도체에 흐르는 전류량을 측정하여 도4에 나타내었다.

도4에 나타난 바와 같이, 외부자기장이 없는 경우 전류는 65A이다. 그리고 외부자기장이 증가하는 경우 전체적으로 전류의 양은 줄어들고 있으며, 특히 자기장과 초전도선재가 이루는 각도가 90°에 근접하는 경우 전류의 양은 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다. 특히 외부자기장의 세기가 커지면 외부자기장과 초전도선재가 이루는 각도가 일정이상이 되면 초전도선재에 흐르는 전류량은 0에 근접함을 알 수 있으며 이러한 상태에서 영상촬영이 어렵다.

따라서 초전도선재를 이용하는 라디오 주파수 코일과 외부자기장 방향은 상호간에 평행하게 되어야만 외부자기장의 세기가 커지더라도 초전도 선재에는 전류가 흐르게 되어 자장을 발생시키므로 영상촬영이 가능한 것이다.

상기한 이유로 본 발명을 하게 된 것이며, 이하 이에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 고온초전도체를 이용한 라디오 주파수 코일은 초전도 산화물층을 형성시킨 테이프 형상의 고온초전도 선재를 이용한다.

상기 테이프 형상의 초전도 선재를 알맞은 크기로 절단하여 단위초전도선재를 형성시킨다.

상기 단위초전도선재는 일정한 두께를 가지고, 길이가 긴 가로변과 길이가 짧은 세로변이 구비된 대략 직사각형 형태이다.

상기한 단위 초전도선재를 이용하여 평면코일을 형성시켜야 하는바, 상기 단위초전도 선재를 상호간에 인접하게 평면상에 위치시키되, 세로변이 상호간에 인접하도록 위치시켜 접합시킴에 의해 단위초전도 선재 상호간을 결합시킨다.

단위초전도 선재 상호간의 접합은 도5에 나타난 바와 같이, 단위초전도 선재(100)의 단부부분을 상호간에 일부 겹쳐지게 배치한 후, 납이나 인듐 등을 이용하여 솔더링(soldering)하여 접합부(200)를 형성하는 방식으로 접합한다.

또는 도6과 같이보호층으로 은(Ag)이 코팅(coating)된 고온초전도선재의 경우 전기로(400)에서 450℃~850℃의 온도를 유지하고 가스주입구(410)를 통하여 산소(O₂) 또는 아르곤(Ar) 등의 가스를 주입하여 상기 가스(gas) 분위기에서 열처리함으로 상호간 겹쳐진 부분을 금속결합으로 접합한다.

또는 도7과 같이, 단위초전도 선재(100)의 단부부분을 상호간에 접촉시킨 후, 납이나 인듐 등을 이용하여 솔더링(soldering)하여 접합부를 형성하는 방식으로 접합한다.

상기의 과정을 통하여 단위 초전도 선재(100)를 상호간에 접합시킴에 의해 단위초전도 선재(100)는 대략 원의 원주상을 따라 각각이 배열되도록 위치시켜 대략 원주코일 형태의 평면코일(300)로 형성된다.

상기 평면코일(300)의 형상은 도8에 나타난 것과 같은 서피스(surface)코일 형태이거나, 도9와 같이 평면코일(300)을 연결부(210)에 의해 연결시킨 솔레노이드(solenoid)코일이거나, 도10과 같이 평면코일(300)을 연결부(210)에 의해 두 개 이상 연결하여 놓은 형태의 코일 형태로 다양하게 구성가능하다.

그리고 필요에 따라서는 버드케이지(birdcage) 형태로 형성하여도 무방하며 본 발명의 범주에 속한다.

상기와 같이 형성된 평면코일(200) 형태의 라다오 주파수 코일의 양끝은 매칭회로(matching circuit)를 통하여 프리앰프(pre-amp)등으로 연결된다.

이상과 같이 상기 평면코일(300)은 단위초전도 선재(100)를 상호간에 결합시키는 형태로 평면코일(300) 형상의 라디오 주파수 코일이 형성되는바, 도11과 같이, 평면코일(300)이 Y축 방향의 외부자기장(B₀)하에 놓여 지는 경우, 평면코일의 모든 부분이 상기 외부자기장과 평행하게 배치되어 외부자기장의 영향은 거의 받지 않게 된다. 또한 상기 평면코일이 외부자기장의 영향에 의해 평면코일(300) 내부에 놓여 지는 물체를 인식하는 라디오주파수(RF) 코일이 된다.

100 : 단위초전도선재 200 : 접합부
210 : 연결부 300 : 평면코일
400 : 전기로 410 : 가스 주입구

Claims

초전도 산화물층이 구비되어 형성된 테이프형상의 초전도선재를 이용한 자기공명장치(MRI)용 라디오주파수(RF) 코일에 있어서,
상기 초전도 선재가 절단되어 가로변과 세로변이 구비된 사각형 형상으로 형성되고, 가로변이 세로변보다 상대적으로 길게 형성된 단위초전도선재가 동일 평면상에 배치되고,
인접된 단위초전도선재는 세로변이 접합부에 의해 상호간에 연결결합되어 단위초전도선재가 동일평면상에서 연결된 평면코일이 되고,
상기 평면코일이 자기공명장치의 외부자기장하에 위치됨을 특징으로 하는 고온초전도선재를 이용한 라디오 주파수 코일.
제1항에 있어서, 상기 평면코일의 양단부는 개방됨을 특징으로 하는 고온초전도선재를 이용한 라디오 주파수 코일.
제2항에 있어서, 상기 평면코일은 원 형태가 됨을 특징으로 하는 고온초전도선재를 이용한 라디오 주파수 코일.
제2항에 있어서, 상기 평면코일은 2개 이상의 평면코일이 상호간에 연결되어 솔레노이드 형태의 코일이 됨을 특징으로 하는 고온초전도선재를 이용한 라디오 주파수 코일.
제2항에 있어서, 상기 접합부는 인접한 단위초전도선재 상호간이 일부 겹쳐져 형성됨을 특징으로 하는 고온초전도선재를 이용한 라디오 주파수 코일.
제2항에 있어서, 상기 접합부는 세로변이 상호간에 접촉되어 접합 형성됨을 특징으로 하는 고온초전도선재를 이용한 라디오 주파수 코일.