KR101520814B1 - 원편광 펄스를 사용하는 극저자기장 핵자기공명 장치 및 극저자기장 핵자기 공명 측정 방법 - Google Patents

원편광 펄스를 사용하는 극저자기장 핵자기공명 장치 및 극저자기장 핵자기 공명 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극저자기장 핵자기 공명 측정 방법 및 극저자기장 핵자기 공명 장치를 제공한다. 극저자기장 핵자기 공명 측정 방법은 제1 방향의 사전 자화 자기장을 측정 대상에 인가하는 단계; 상기 제1 방향의 측정 자기장을 상기 측정 대상에 인가하는 단계; 상기 측정 자기장의 세기에 비례하는 공명주파수를 가지고 상기 제1 방향에 수직한 평면에서 회전하는 여기 자기장을 상기 측정 대상에 인가하는 단계; 및 상기 측정 대상에서 핵자기 공명 신호를 측정하는 단계를 포함한다. 상기 여기 자기장은 상기 측정 자기장의 방향을 기준으로 시계 방향으로 회전하는 우원형 편광된다.

Description

원편광 펄스를 사용하는 극저자기장 핵자기공명 장치 및 극저자기장 핵자기 공명 측정 방법{Ultra-Low Field NMR Apparatus and Measurement Methods Using Circularly Polarized Pulses}
본 발명은 극저자기장 핵자기 공명 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 핵자기공명에서 사용되는 선형 편광된 여기 자기장 펄스가 아닌 회전 편광된 여기 자기장 펄스를 사용하는 핵자기 공명 장치에 관한 것이다.
핵자기 공명은 자기공명 영상 획득의 근간이 되는 물리적 현상이다. 1950년대 한(Hahn)이 스핀 에코 펄스 열(spin echo pulse sequence)을 처음 고안한 후 현재까지 다양한 목적을 가지는 무수히 많은 펄스 방법들이 개발되어 사용되고 있다. 상기 스핀 에코 펄스들은 외부 자기장의 세기에 비례하는 공명 주파수를 가지고, 외부 자기장 방향으로 정렬된 핵자화의 방향을 회전시키는 용도로 사용된다. 이 경우, 핵자화의 방향의 회전은 펄스의 세기, 지속 시간, 및 위상의 변화를 통해서 매우 정확하게 조절할 수 있다. 펄스의 정확도는 MRI 영상의 질을 결정하는 매우 중요한 변수이다. 펄스를 가해주기 위해 사용되는 코일(coil)은 용도에 맞게 솔레노이드(solenoid), 헬름홀츠(Helmholtz) 등 다양한 형태로 만들 수 있으나, 현재까지의 모든 상용 핵자기공명 장치들은 선편광(linearly polarized) 펄스를 발생시키는 단일 코일을 사용하고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 극저자기장 NMR 장치에서 측정 자기장보다 큰 여기 자기장을 이용하여 핵자기 공명 신호를 측정하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 극저자기장 핵자기 공명 측정 방법은 제1 방향의 사전 자화 자기장을 측정 대상에 인가하는 단계; 상기 제1 방향의 측정 자기장을 상기 측정 대상에 인가하는 단계; 상기 측정 자기장의 세기에 비례하는 공명주파수를 가지고 상기 제1 방향에 수직한 평면에서 회전하는 여기 자기장을 상기 측정 대상에 인가하는 단계; 및 상기 측정 대상에서 핵자기 공명 신호를 측정하는 단계를 포함한다. 상기 여기 자기장은 상기 측정 자기장의 방향을 기준으로 시계 방향으로 회전하는 우원형 편광된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 여기 자기장은 상기 측정 대상의 자화 방향을 90도 회전시키는 90도 펄스 및 상기 측정 대상의 자화 방향을 180도 회전시키는 180도 펄스 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 핵자기 공명 신호를 피팅하여 스핀-스핀 완화 시간을 도출하는 단계를 더 포함하고, 상기 여기 자기장을 인가하는 단계는 90도 펄스와 180도 펄스를 포함하는 카르-퍼셀 펄스 시퀀스(Carr-Purcell pulse sequence; CP sequence) 또는 카르-퍼셀 메이붐-길 펄스 시퀀스(Carr-Purcell Meiboom-Gill Pulse Sequence; CPMG sequence)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 여기 자기장을 인가하는 단계는 이종 또는 동종 핵스핀간의 상관관계를 측정하는 코지 (COSY, COrrelation SpectroscopY) 펄스열, 또는 핵스핀간의 공간적 거리를 측정할 수 있는 노이지(NOESY, Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY) 펄스열일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 극저 자기장 핵자기 공명 장치는 제1 방향의 사전자화 자기장을 생성하여 측정 대상에 인가하는 사전 자화 코일; 상기 제1 방향의 측정 자기장을 생성하여 상기 측정 대상에 인가하는 측정 코일; 상기 제1 방향에 수직한 평면에서 시계 방향으로 회전하는 원형 편광된 여기 자기장을 생성하여 상기 측정 대상에 인가하는 여기 자기장 코일; 상기 측정 대상의 주위에 배치된 듀어; 및 상기 듀어의 내부에 배치되고 상기 측정 대상의 핵자기 공명 신호를 측정하는 SQUID 센서를 포함한다. 상기 여기 자기장 코일은 상기 제1 방향에 수직한 제1 여기 자기장을 생성하는 제1 여기 자기장 코일; 및 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 수직한 제2 여기 자기장을 생성하는 제2 여기 자기장 코일을 포함한다. 상기 제1 여기 자기장 코일은 헬름홀쯔 코일이고, 상기 제2 여기 자기장 코일은 헬름홀쯔 코일이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 극저자기장 핵자기 공명 장치는 극저자기장에서 핵자화(Nuclear Magnetization)의 일관된 여기를 방해하는 브록-시커트(Bloch-Siegert; BS) 효과를 원천적으로 차단할 수 있다. 따라서, 강한 펄스를 사용해 짧은 시간 내에 원하는 임의의 방향으로 정확하게 핵자화를 회전시키는 것이 가능해 진다. 회전 편광된 펄스를 가해주기 위해 서로 수직 교차하는 2축의 헬름홀쯔 코일이 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저자기장 NMR 측정 장치를 설명하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 중심에서 XY 평면을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 도 1의 공명 펄스를 생성하는 공명 여기 코일을 설명하는 사시도이다.
도 4는 도 1의 극저자기장 NMR 측정 장치의 듀어 및 SQUID 센서를 설명하는 도면이다.
도 5는 장동 커브(nutation curve)를 측정하기 위한 전체적인 타이밍 시퀀스를 나타낸다.
도 6은 편광 상태에 따른 여기 자기장 공명 펄스에 의하여 여기되는 핵 스핀으로부터 측정된 장동 커브(nutation curve) 및 시뮬레이션된 장동 커브(nutation curve)를 표시한다.
도 7은 CP 펄스 시퀀스 및 CPMG 펄스 시퀀스에 따른 에코 트레인 신호(echo train siganl)를 나타내는 도면이다.
핵자화에 가해지는 여기 자기장 펄스의 정밀도는 다차원 NMR 스펙트로스코피(multi-dimensional NMR spectroscopy), MRI(Magnetic Resonance Imaging), 및 NMR 양자 계산(NMR quantum computing)와 같은 다중 펄스(multiple pulses)를 요구하는 영역에서, NMR 신호의 질을 결정한다.
측정하고자 하는 시료의 스핀-격자 완화 시간 T1이 상대적으로 짧은 경우, 여기 자기장 펄스 정밀도를 향상시키는 한 방법은 공명 여기 자기장 펄스의 구동 세기를 증가시키는 것이다. 이렇게 함으로써, 핵자화가 공명 여기 자기장 펄스의 제어 하에 있는 동안 스핀-격자 완화 때문에 발생하는 NMR 신호의 감소를 회피할 수 있다.
그런데, 선형 편광된 여기 자기장 펄스 기술을 극저자기장 핵자기공명에 그대로 적용할 경우 문제가 발생한다. 여기 자기장 펄스의 세기가 강해지면 질수록, 그 펄스의 정확도가 떨어지게 된다. 이 부정확성은 브록-시커트(Bloch-Siegert; BS) 효과에 기인한다. 상기 BS 효과는 선형 편광 펄스가 가지고 있는 근본적인 문제이다.
선형 편광은 시계방향과 반시계방향 회전의 합으로 표시될 수 있다. 여기 자기장 펄스의 동작에 필요한 것은 핵자화와 공명을 일으킬 수 있는 시계방향으로 회전하는 여기 자기장이다. 반시계 방향으로 회전하는 여기 자기장은 비록 회전 주파수가 공명 조건을 만족한다 할지라도 핵자화와 공명을 일으키지 않는다. 외부 자기장 또는 측정 자기장이 있을 경우, 핵자화는 시계방향으로 회전하기 때문이다. 수 테슬라(tesla)의 높은 외부 자기장을 사용하는 일반적인 상황에서는 이 반시계 방향으로 회전하는 자기장 성분이 핵자화 운동에 미치는 효과는 아주 미미하여 근사적으로 무시될 수 있다.
극저자기장 핵자기 공명 장치는 고자기장 핵자기 공명 장치의 외부 정자기장을 사전자화 자기장과 측정 자기장으로 분리한 구조를 가진다. 극저자기장 NMR 장치에서, 수 마이크로 테슬라의 정자기장(static magnetic field) 또는 측정 자기장(Bm)이 존재하는 경우, 여기 자기장 펄스의 세기(B1)는 상기 측정 자기장과 비슷하거나 상기 측정 자기장보다 클 수 있다. 따라서 반시계 방향의 자기장이 주는 효과를 간단히 무시할 수 없다.
반시계 방향으로 회전하는 여기 자기장 성분은 핵자화가 시계방향 성분의 펄스에 따라 움직이는 것을 방해하는 효과를 준다. 이것이 Bloch-Siegert 효과이다. 그 결과 가해주는 여기 자기장 펄스가 강할수록 이 Bloch-Siegert 효과도 커진다. 결국, 더 부정확한 여기 자기장 펄스가 된다.
정량적으로 시료의 스핀-격자 완화 시간을 T1이라고 하고 공명 주파수를 f라 할 때,
Figure 112013099803322-pat00001
의 조건에서는 선편광 여기 펄스를 사용할 수 없다.
Bloch-Siegert 효과가 타나나지 않게 하는 한 방법은 측정자기장 Bm의 크기를 여기 자기장 B1보다 10배 이상 크게 하는 것이다. 실제로 다른 연구팀들은 이 방법을 극저자장 NMR/MRI 실험에 사용하고 있다. 그런데, 뇌의 백질, 회백질, 지방과 같은 인체의 생체 조직의 경우 극저자장 환경에서 100 ms 정도의 비교적 짧은 스핀-격자 완화시간을 가지고 있기 때문에, 여기 자기장 B1의 크기가 최소 수 마이크로 테슬라가 되어야 한다는 제약 조건이 발생한다. 이 경우 Bloch-Siegert 효과가 나타나지 않게 하기 위해서 측정자기장은 적어도 수십 마이크로 테슬라가 되어야 하므로, 생체를 대상으로 하는 극저자장 NMR 실험에서는 이보다 낮은 측정자기장을 사용하지 못하고 있다.
현재 생체를 대상으로 하는 연구, 그 중에서도 사람의 뇌를 가지고 하는 연구는 극저자장 NMR/MRI의 핵심 분야이다. 예를들어 극저자장 MRI는 뇌자도(MEG) 장치와 결합되어 MRI와 MEG를 동시에 측정하는 것을 가능케 하는 연구가 현재 활발히 진행 중이다. 이 것은 새롭게 떠오르는 뇌기능 맵핑 연구로도 사용될 수 있는 장치이다. 이러한 인체/생체용 연구에 사용될 극저자장 NMR/MRI 장치에 측정 자기장 또는 여기 자기장 크기의 제약이 존재한다면, 이것은 새로운 연구의 범위를 제한하는 중요한 걸림돌이 될 수 있을 것이다.
결론적으로, 극자자장 환경에서 측정 자기장의 제약조건 없이, 강한 여기 자기장을 사용해 정교하게 핵자화의 방향을 조절하기 위해서는 Bloch-Siegert 효과를 차단할 수 있는 기술이 반드시 필요하다.
본 발명은 선편광 펄스가 아닌 시계방향의 원편광 여기 펄스를 가함으로써, 여기 자기장 펄스의 부정확성을 주는 원인인 BS 효과를 원천적으로 차단하는 기술에 관한 것이다. 시계 방향으로 돌아가는 회전 편광된 여기 자기장을 가해줄 경우, 공명을 이루지 않는 성분 없어, 모든 여기 자기장 성분이 핵자화와 공명을 이루게 된다. BS 효과가 없기 때문에, 가해주는 여기 자기장 펄스의 세기, 시간, 위상을 조절함으로써, 매우 정확하게 핵자와의 방향을 조절 할 수 있다.
정확한 펄스를 사용함으로써 MRI 영상의 질이 향상될 수 있으며, 측정 시간을 단축하는 펄스 기법을 이용함으로써 MRI 영상 획득 시간도 줄일 수 있다. 또한 상기 측정 자기장의 세기의 감소는 상기 여기 자기장의 공명 주파수를 감소시킬 수 있고, 이에 따라 여기 자기장 전류 구동부의 비용이 감소될 수 있다.
회전 편광 자기장 펄스 여기 방법은 하나의 펄스 뿐만 아니라 여러 펄스를 사용할 때도 똑같이 적용될 수 있다. 원편광 자기장을 사용함으로써 각 펄스의 정확도가 높아지고, 강한 B1 때문에 각 펄스의 시간이 짧아지므로, 결국 다중 펄스 열을 사용할 때도 펄스의 부정확도와 스핀-격자 시간 때문에 발생하는 NMR 신호의 손실을 최소화 할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저자기장 NMR 측정 장치를 설명하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 중심에서 XY 평면을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 도 1의 공명 펄스를 생성하는 공명 여기 코일을 설명하는 사시도이다.
도 4는 도 1의 극저자기장 NMR 측정 장치의 듀어 및 SQUID 센서를 설명하는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 극저자기장 핵자기 공명 장치(100)는 제1 방향(z축 방향)의 사전자화 자기장(Bp)을 생성하여 측정 대상(150)에 인가하는 사전 자화 코일(110), 상기 제1 방향의 측정 자기장(Bm)을 생성하여 상기 측정 대상(150)에 인가하는 측정 코일(122,124), 상기 제1 방향에 수직한 평면에서 시계 방향으로 회전하는 원형 편광된 여기 자기장(B1)을 생성하여 상기 측정 대상(150)에 인가하는 여기 자기장 코일(132,134), 상기 측정 대상(150)의 주위에 배치된 듀어(160), 및 상기 듀어(160)의 내부에 배치되고 상기 측정 대상(150)의 핵자기 공명 신호를 측정하는 SQUID 센서(170)를 포함한다.
상기 여기 자기장 코일(132,134)은 상기 제1 방향(z축 방향)에 수직한 제1 여기 자기장(B1-x)을 생성하는 제1 여기 자기장 코일(132), 및 상기 제1 방향(z축 방향) 및 상기 제2 방향(x축 방향)에 수직한 제2 여기 자기장(B1-y)을 생성하는 제2 여기 자기장 코일(134)을 포함한다. 상기 제1 여기 자기장 코일(132)은 헬름홀쯔 코일이고, 상기 제2 여기 자기장 코일(134)은 헬름홀쯔 코일일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 극저자기장 핵자기 공명 측정 방법은 제1 방향(z축 방향)의 사전 자화 자기장(Bp)을 측정 대상(150)에 인가하는 단계, 상기 제1 방향(z축 방향)의 측정 자기장(Bm)을 상기 측정 대상(150)에 인가하는 단계, 상기 측정 자기장(Bm)의 세기에 비례하는 공명주파수를 가지고 상기 제1 방향에 수직한 평면에서 회전하는 여기 자기장(B1)을 상기 측정 대상(150)에 인가하는 단계, 및 상기 측정 대상(150)에서 핵자기 공명 신호를 측정하는 단계를 포함한다. 상기 여기 자기장(B1)의 세기는 상기 측정 자기장(Bm)의 세기보다 크고, 상기 여기 자기장(B1)은 상기 측정 자기장(Bm)의 방향을 기준으로 시계 방향으로 회전하는 우 원형 편광된다.
사전 자화 코일(110)에 의한 사전 자화 자기장(Bp)은 제1 방향(z축 방향)의 정자기장일 수 있다. 상기 사전 자화 자기장(Bp)은 솔레노이드 코일 또는 헬륨홀쯔 코일에 의하여 형성될 수 있다.
측정 코일(122,124)은 상기 제1 방향(z 축 방향)의 측정 자기장(Bm)을 생성할 수 있다. 상기 측정 코일(122,124)은 제1 측정 코일(122) 및 제2 측정 코일(124)을 포함할 수 있다. 상기 제1 측정 코일(122)은 xyz 좌표계의 중심을 기준으로 z 축 방향으로 이격된 헬름홀쯔 코일일 수 있다. 상기 제2 측정 코일(124)은 xyz 좌표계의 중심을 기준으로 z 축 방향으로 이격된 헬름홀쯔 코일일 수 있다. 상기 측정 자기장은 균일한 정자기장일 수 있다.
원형 편광 여기 자기장(circularly polarized exciting magnetic fields)을 합성하기 위하여, 서로 직교하는 두 개의 여기 자기장 코일이 필요하다. 간단히, 2축 헬름홀쯔 코일(square Helmholtz coils)이 구성되었다. 헬름홀쯔 코일은 서로 일정한 간격으로 이격된 한 쌍의 코일을 포함한다. 사각형 형상의 제1 헬름홀쯔 코일은 정육면체 상자의 대향하는 측면들에 배치된다. 사각형 형상의 제2 헬름홀쯔 코일은 정육면체 상자의 대향하는 제2 측면들에 배치된다.
상기 제1 및 제2 여기 자기장 코일(132,134)은 실질적으로 동일하고, 상기 제1 및 제2 여기 자기장 코일(132,134)에 흐르는 전류는 서로 90도의 위상차를 가진다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 여기 자기장 코일(132,134)은 원형 편광 여기 자기장일 생성할 수 있다.
파형 발생기(192)는 측정 자기장(Bm)에 대응하는 공명 주파수를 가지는 제1 교류 펄스(A) 및 제2 교류 펄스(B)를 생성할 수 있다. 상기 제1 교류 펄스와 상기 제2 교류 펄스는 90도 위상차를 가질 수 있다. 상기 파형 발생기의 제1 교류 펄스는 증폭기(194)에 입력되고, 상기 파형 발생기의 제2 교류 펄스는 상기 증폭기(194)에 입력된다. 상기 증폭기(194)는 제1 교류 전류 펄스(IA) 및 제2 교류 전류 펄스(IB)를 출력할 수 있다. 상기 제1 교류 전류 펄스(IA)는 제1 여기 자기장 코일(132)에 제공되어 제2 방향(x축 방향)의 제1 여기 자기장(B1-x)을 생성하고, 상기 제2 교류 전류 펄스(IB)는 제2 여기 자기장 코일(134)에 제공되어 제3 방향(y축 방향)의 제2 여기 자기장(B1-y)을 생성할 수 있다. 상기 펄스의 위상과 진폭은 상기 파형 발생기(192)에 의하여 조절될 수 있다.
계전기(Mechanical relay, 196)는 상기 증폭기(194)의 출력단에 배치되어 측정이 수행되는 동안 노이즈를 차단할 수 있다.
여기 자기장 코일(132,134)은 x축 방향의 제1 여기 자기장(B1-x)을 생성하는 제1 여기 자기장 코일(132) 및 y축 방향의 제2 여기 자기장(B1-y)을 생성하는 제2 여기 자기장 코일(134)을 포함할 수 있다. 제1 여기 자기장 코일(132)은 x 축 방향으로 서로 이격된 헬름홀쯔 코일일 수 있다. 상기 제2 여기 자기장 코일(134)은 y축 방향으로 서로 이격된 헬름홀쯔 코일 일 수 있다. 상기 여기 자기장(B1)은 제1 방향(z 축) 방향에 수직한 xy 평면에서 시간에 따라 시계 방향으로 회전하는 교류 자기장일 수 있다. 상기 여기 자기장의 주파수는 상기 측정 대상의 수소 원자핵의 측정 자기장 공명 주파수와 일치할 수 있다. 구체적으로, 측정 자기장(Bm)의 세기가 4.97 uT인 경우, 상기 여기 자기장(B1)의 공명 주파수는 212 Hz 일 수 있다.
듀어(160)는 냉각 장치일 수 잇다. 상기 듀어(160)는 내부에 액체 헬륨을 수납할 수 있다. 상기 듀어(160)의 내부에는 SQUID 센서가 배치될 수 있다.
SQUID 센서(170)는 픽업 코일(172)과 SQUID(174)를 포함할 수 있다. 상기 픽업 코일(172) 및 상기 SQUID(174)는 상기 액체 헬륨에 의하여 냉각될 수 있다. 상기 픽업 코일(172)은 2차 미분계(2nd order gradiometer)이고, 상기 SQUID(174)는 DC-SQUID일 수 있다. ULF-NMR 시스템은 측정 자기장(Bm)을 따라 세차운동하는 핵스핀에 의하여 생성된 자기장 변동(magnetic field variations)을 측정하기 위하여 SQUID 센서를 사용할 수 있다.
경사 자기장 코일은 x 경사 자기장(Gx= Bz/x)을 형성하는 x 경사자기장 코일, y 경사 자기장(Gy= Bz/y)을 형성하는 y 경사 자기장 코일, 및 z 경사 자기장(Gz= Bz/z)을 형성하는 z 경사 자기장 코일(140)을 포함할 수 있다. z 경사 자기장 코일(140)은 z 축으로 서로 이격되어 배치된 맥스웰 코일(Maxwell coil)일 수 있다.
자기 차폐실(magnetically shielded room,180)은 지구 자기장과 같은 외부 자기장을 차폐하기 위하여 사용될 수 있다. 펄스 시퀀스(sequence)에서, 맥스웰 코일(Maxwell coil)에 의하여 형성되는 일정한 z 경사 자기장 Gz는 에코(echo)의 향상된 가시성을 위하여 결맞음 시간(Coherence time, T* 2)을 줄이기 위하여 인가될 수 있다. 실험은 환경 자기장 노이즈(environmental magnetic field noises)를 억제하기 위하여 자기 차폐실(magnetically shielded room)에서 수행될 수 있다.
모든 측정 전에, 50 mT 정도의 사전자화 자기장(pre-polarization magnetic field BP)은 수소 핵 스핀으로부터 NMR 신호를 향상시키기 위하여 적용될 수 있다.
상기 사전자화 자기장(BP)의 방향은 상기 측정 자기장(Bm)의 방향과 평행하도록 구성될 수 있다. 상기 사전자화 자기장(BP)의 방향은 z 축 방향일 수 있다.
여기 자기장 공명 펄스는 상기 사전자화 자기장(BP)의 종료 후에 인가될 수 있다. 상기 여기 자기장 공명 펄스은 핵 스핀의 자화 방향을 돌릴(flip) 수 있다.
상기 측정 자기장 (Bm)은 고자기장 NMR에서 정자기장와 유사할 수 있다. 상기 측정 자기장(Bm)의 세기는 4.97 uT일 수 있다. 상기 측정 자기장(Bm)은 수소 핵스핀에 대하여 212 Hz의 공명 주파수를 제공할 수 있다.
상기 공명 펄스를 인가한 후 측정 대상에 대하여 자유 유도 감쇄(free inducton decay;FID) 신호가 관측될 수 있다. 상기 측정 대상에서 수소 핵 스핀의 결맞음 시간(coherence time; T* 2)은 1초(second)이상일 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 2차원 핵자기공명(2 dimensional NMR) 측정 방법들이 적용될 수 있다. 2차원 핵자기공명 측정 방법은 이종 또는 동종 핵스핀간의 상관관계를 측정하는 코지 (COSY, COrrelation SpectroscopY) 펄스열, 또는 핵스핀간의 공간적 거리를 측정할 수 있는 노이지(NOESY, Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY) 펄스열일 수 있다.
2차원 핵자기공명 측정 방법은, 전체 스펙트럼만 측정 하는 일반적인(1차원) 핵자기공명 방법에서는 얻을 수 없는, 스펙트럼 부분들 간의 상관관계(correlation)를 측정할 수 있는 방법이다. 만약, 어떤 화학 분자에서 복잡한 핵자기 공명 스펙트럼이 관측되었을 때, 스펙트럼 각 부분들이 어떠한 연관성을 가지고 있는지를 2차원 핵자기공명 방법을 통해 추가로 분석하여, 궁극적으로 그 화학 분자의 결합구조, 공간적 형태에 관한 정보를 얻게 된다.
도 5는 장동 커브(nutation curve)를 측정하기 위한 전체적인 타이밍 시퀀스를 나타낸다.
도 6은 편광 상태에 따른 여기 자기장 공명 펄스에 의하여 여기되는 핵 스핀으로부터 측정된 장동 커브(nutation curve)들을 나타내고 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 여기 자기장 공명 펄스가 인가된 후 여기 펄스가 핵자화를 어떻게 움직이게 하는지 진단하기 위하여, 우리는 여기 자기장 공명 펄스의 펄스 지속시간(pulse duration; )의 함수로서 자유 유도 감쇄 신호(FID signal)의 초기 진폭의 변동(variation)으로부터 장동 커브(nutation curves)를 측정하였다.
사전 자화 자기장은 z축 방향이고, 50 mT이다. 측정 자기장은 z 축 방향이고, 4.97 uT이다. 여기 자기장은 212 Hz의 공명 주파수를 가지고, 여기 자기장(B1)의 세기는 12.45 uT이다. 여기 자기장(B1)의 지속 시간은 순차적으로 증가되었다.
FID 신호의 측정의 시작 시간(tm)은 여기 자기장 공명 펄스의 출력 트리거링 포인트로부터 10 msec로 일정하게 유지되었다.
FID의 결맞음 시간(T* 2)와 비교하면, 상기 시작 시간(tm)은 무시할 수 있다. 이에 따라, 상기 시작 시간(tm) 동안의 진폭 감쇄(amplitude damping)는 측정되지 않았다.
상기 시퀀스는 여기 펄스가 가해진 후 x와 y의 평면 내 핵자화 성분을 측정한다. 자유 유도 감쇄 신호(FID signal)의 초기 진폭은 FID 신호 스펙트럼의 실수부의 적분으로부터 얻어진다. 상기 FID 신호 스펙트럼은 시간 도메인에서의 FID 신호의 푸리어 변환일 수 있다. 상기 FID 신호 스펙트럼의 실수부는 적분 전에 위상-보정(phase-corrected)되었다.
상기 공명 펄스의 플립 각도(flip angle)이 90도를 초과하면, 상기 위상은 반전(inverted)된다. 우리는 인가된 공명 펄스에 의한 핵 스핀의 반전을 반영하기위하여 위상 반전을 유지하였다.
여기 자기장(B1)의 세기는 수소 핵의 공명 주파수로 환산된 경우 531 Hz이고, 측정 자기장(Bm)의 세기는 수소 핵의 공명 주파수로 환산된 경우 212 Hz이다.
좌측 장동 커브는 선행 기술을 적용한 경우, 즉 측정 자기장(Bm)과 공명하는 선형 편광 여기 자기장을 사용한 결과이다. 상기 선형 편광 여기 자기장의 경우, NMR 신호는 펄스 지속시간(pulse duration; )에 따라 사인파 신호를 출력하지 못한다. 따라서, 선형 편광 여기 자기장을 이용한다면, 정밀한 90도 펄스 또는 180도 펄스가 형성될 수 없다.
우측 장동 커브는 측정 자기장(Bm)과 공명하면서 측정 자기장(Bm)을 중심으로 상기 시계 방향으로 회전하는 우원편광(right-circular polarization) 여기 자기장에 대응한다. 우원편광(left-circular polarization) 여기 자기장의 경우, NMR 신호는 펄스 지속시간(pulse duration; )에 따라 사인파 신호를 출력한다. 이에 따라, 90도 펄스를 형성하기 위하여, 주어진 여기 자기장(B1)의 세기에 대하여, 0.5 msec의 지속 시간이 선택될 수 있다. 또한, 180도 펄스를 형성하기 위하여, 주어진 여기 자기장(B1)의 세기에 대하여, 0.97 msec의 지속 시간이 선택될 수 있다. 이에 따라, 90도 펄스와 180도 펄스의 조합에 의하여 다양한 펄스 스퀀스가 적용될 수 있다.
관측된 FID 신호는 다음과 같은 수학식과 잘 일치한다.
Figure 112013099803322-pat00002
지수함수적 감소는 상기 공명 펄스의 세기의 공간적 불균일성(inhomogeneity)에 기인한다.
피팅으로부터 얻어진 장동 주파수(nutation frequency)는 510 Hz이고, 상기 장동 주파수에 기초하여, 측정 대상의 중앙에서 최대 자기장 세기에 대응하는 주파수는 531 Hz로 시뮬레이션되었다. 공명 주파수는 212Hz이고, 531 Hz의 여기 자기장의 세기는 충분한 BS 효과를 유도하기에 충분하다. 그러나, 상기 BS 효과는 시계 방향으로 회전하는 우원편광 여기 자기장 때문에 나타나지 않게 된다.
측정 자기장에 대하여 시계 방향으로 회전하는 여기 자기장을 가하는 방법의 장점은 다양한 다중 펄스 기술을 채용할 수 있는 것이다. 구체적으로, CP(Carl-Purcell) 펄스 시퀀스 또는 CPMG 펄스 시퀀스가 만들어질 수 있다.
이 경우, 12.45 uT의 여기 자기장에 대하여, 90도 펄스의 지속 시간은 0.5 msec로 선택되고, 180도 펄스의 지속 시간은 0.97 msec로 선택될 수 있다.
도 7은 CP 펄스 시퀀스 및 CPMG 펄스 시퀀스에 따른 에코 트레인 신호(echo train siganl)를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, CPMG 에코 신호는 CP 에코 신호보다 오래 지속되었다. CP 펄스열은 90(X) - 180(X) N 으로 먼저 90도 펄스를 가한 후에, 스핀 에코를 관측하기 위해 180도 펄스를 N 번 가해준다. 이 때 90도 펄스와 180도 펄스는 같은 방향(x)으로 가해진다. CPMG 펄스열은 90(X) - 180(Y) N 인데, CP와 유사하나 180도 펄스의 방향이 X가 아니라 90도 회전된 Y 방향이다. 여기서의 X, Y는 위에 도 3 및 도 4의 x,y 방향이 아니라, 회전 좌표계상 X, Y 방향을 의미하는데, 실험적으로는 90도 위상차를 더해 주는 것으로 구현된다.
CPMG 펄스열의 장점은 가해준 180도 펄스들이 가지고 있는 에러를 자체적으로 보정해 준다. 실험적으로 펄스의 오차를 완벽히 없앨 수는 없으므로, 가해준 펄스가 잘 동작하고 있다면 CPMG는 CP보다 에코 신호를 더 오래 보존한다. 도 7를 참조하면, 가해준 펄스들의 위상이 우리가 원하는 데로 잘 정의되어 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110: 사전자화 코일
122, 124: 측정 자기장 코일
132, 134: 여기 자기장 코일
140: 경자 자기장 코일
150: 측정 대상
160: 듀어
170: SQUID 센서

Claims (5)

  1. 제1 방향의 사전 자화 자기장을 측정 대상에 인가하는 단계;
    상기 제1 방향의 측정 자기장을 상기 측정 대상에 인가하는 단계;
    상기 측정 자기장의 세기에 비례하는 공명주파수를 가지고 상기 제1 방향에 수직한 평면에서 회전하는 여기 자기장을 상기 측정 대상에 인가하는 단계; 및
    상기 측정 대상에서 핵자기 공명 신호를 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 여기 자기장은 상기 측정 자기장의 방향을 기준으로 시계 방향으로 회전하는 우원형 편광되고,
    상기 여기 자기장은 서로 직교하는 제1 여기 자기장 및 제2 여기 자기장을 포함하고,
    상기 제1 여기 자기장과 상기 제2 여기 자기장은 서로 90도 위상차를 가지는 것을 특징으로 하는 극저자기장 핵자기 공명 측정 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 여기 자기장은 상기 측정 대상의 자화 방향을 90도 회전시키는 90도 펄스 및 상기 측정 대상의 자화 방향을 180도 회전시키는 180도 펄스 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저 자기장 핵자기 공명 측정 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 핵자기 공명 신호를 피팅하여 스핀-스핀 완화 시간을 도출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 여기 자기장을 인가하는 단계는 90도 펄스와 180도 펄스를 포함하는 카르-퍼셀 펄스 시퀀스(Carr-Purcell pulse sequence; CP sequence) 또는 카르-퍼셀 메이붐-길 펄스 시퀀스(Carr-Purcell Meiboom-Gill Pulse Sequence; CPMG sequence)인 것을 특징으로 하는 극저 자기장 핵자기 공명 측정 방법.
  4. 제1 항에 있어,
    상기 여기 자기장을 인가하는 단계는 이종 또는 동종 핵스핀간의 상관관계를 측정하는 코지 (COSY, COrrelation SpectroscopY) 펄스열, 또는 핵스핀간의 공간적 거리를 측정할 수 있는 노이지(NOESY, Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY) 펄스열인 것을 특징으로 하는 극저 자기장 핵자기 공명 측정 방법.
  5. 제1 방향의 사전자화 자기장을 생성하여 측정 대상에 인가하는 사전 자화 코일;
    상기 제1 방향의 측정 자기장을 생성하여 상기 측정 대상에 인가하는 측정 코일;
    상기 제1 방향에 수직한 평면에서 시계 방향으로 회전하는 원형 편광된 여기 자기장을 생성하여 상기 측정 대상에 인가하는 여기 자기장 코일;
    상기 측정 대상의 주위에 배치된 듀어; 및
    상기 듀어의 내부에 배치되고 상기 측정 대상의 핵자기 공명 신호를 측정하는 SQUID 센서를 포함하고,
    상기 여기 자기장 코일은:
    상기 제1 방향에 수직한 제1 여기 자기장을 생성하는 제1 여기 자기장 코일; 및
    상기 제1 방향 및 제2 방향에 수직한 제2 여기 자기장을 생성하는 제2 여기 자기장 코일을 포함하고,
    상기 제1 여기 자기장 코일은 헬름홀쯔 코일이고,
    상기 제2 여기 자기장 코일은 헬름홀쯔 코일이고,
    상기 제1 및 제2 여기 자기장 코일에 흐르는 전류는 서로 90도 위상차를 가지는 것을 특징으로 하는 극저 자기장 핵자기 공명 장치.
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