KR101623116B1 - 영상 획득 방법 - Google Patents

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KR101623116B1
KR101623116B1 KR1020150090507A KR20150090507A KR101623116B1 KR 101623116 B1 KR101623116 B1 KR 101623116B1 KR 1020150090507 A KR1020150090507 A KR 1020150090507A KR 20150090507 A KR20150090507 A KR 20150090507A KR 101623116 B1 KR101623116 B1 KR 101623116B1
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김상국
이재혁
유명우
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서울대학교 산학협력단
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/055—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  involving electronic [EMR] or nuclear [NMR] magnetic resonance, e.g. magnetic resonance imaging
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance

Abstract

본 발명은 영상 획득 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 획득 방법은, (a) 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자를 제공하는 단계; (b) FFP(Field Free Point) 영역과 자장 포화 영역을 포함하는 선택 자장 영역을 형성하는 단계; (c) 복수의 상기 자성 나노 입자를 상기 선택 자장 영역에 위치시키는 단계; (d) 상기 FFP 영역에 위치하는 자성 나노 입자가 공명 주파수를 가지도록, 제1 자기장을 상기 자성 나노 입자에 인가하는 단계; (e) 상기 공명 주파수를 가지는 제2 자기장을 상기 자성 나노 입자에 인가하는 단계; 및 (f) 적어도 일부의 상기 자성 나노 입자에서 발생하는 자화 반전 신호로부터 영상 신호를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

영상 획득 방법 {METHOD OF OBTAINING IMAGE}
본 발명은 영상 획득 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자를 FFP(Field Free Point) 영역 내에 위치시킨 후에 교류 자기장을 인가하여, 자성 나노 입자에서 발생하는 자화 반전 신호를 측정하여, 이를 통해 자기 소용돌이 입자 영상(Magnetic Vortex Particle Imaging)을 획득하는 영상 획득 방법에 관한 것이다.
의료용 영상 장치는 환자의 신체에 대한 정보를 영상으로 제공하는 것으로서, 대표적으로 자기공명영상장치, X-ray 장치, 초음파 진단 장치 등이 있다. 이 중에서, 자기 공명 영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI) 장치는 방사선을 사용하지 않고, 근육, 인대, 뇌 신경계와 같은 연부 조직을 높은 해상도로 촬영할 수 있으며, 많은 진단 정보를 제공하므로 의료용 영상 장치에서 중요하게 취급된다.
자기 공명 영상은 원자핵에 일정한 자기장을 가한 상태에서 일정한 주파수와 에너지를 공급하여 원자핵으로부터 방출된 에너지를 신호로 변환하여 인체 내부를 진단하는 원리를 사용한다. 원자핵, 특히, 물에서 수소원자핵을 구성하는 양성자는 스스로가 스핀 각운동량과 자기 쌍극자를 갖기 때문에 자기장을 가해주면 자기장의 방향으로 정렬되고, 자기장의 방향을 중심으로 원자핵이 세차운동을 한다. 이러한 세차운동에 의해 핵자기 공명 현상을 통한 인체의 영상을 획득할 수 있다.
하지만, 자기 공명 영상은 1-11T 정도의 고자기장을 인가할 수 있는 초전도체 자석이 포함된 장비를 사용하므로, 에너지 소모가 크고, 장비가 고가인 문제점이 있었다. 또한, 극소량의 자화 분율을 나타내어 신호 감도가 매우 낮으므로, 촬영에 80분 이상의 긴 시간이 소모되는 문제점이 있었다.
한편, 자기 입자 영상(Magnetic Particle Imaging, MPI)이라는 새로운 영상 기술이 제안되었다. 자기 입자 영상은 추적자(tracer) 내의 자기 입자에 의해 발생되는 자기장을 측정함으로써 공간 영상을 만드는 것이다. 자기 입자가 충분히 높은 교류 자기장에 노출되면 비선형 영역에서 자화가 이루어지고, 직류 자기장에 노출되면 자화가 포화될 수 있다. 비선형 영역에서 자화가 이루어지면 높은 주파수의 고조파를 일으키며, 자화가 포화되면 고조파의 발생이 억제되는 차이를 이용하여 인체의 영상을 획득할 수 있다.
하지만, 자기 입자 영상은 초상자성 산화철 나노 입자(SPIO, Super-Paramagnetic Iron Oxide)를 사용하기 때문에, 열적 요동에 의한 자기 손실이 크고, 구동 자기장의 세기가 약 10-30 mT 정도로 비교적 높은 문제점이 있었다. 또한, SPIO 입자에 자주 노출되면 생체 내에서 세포 독성이 생길 수 있으며, 비교적 높은 농도에서 자기 입자가 응집되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 모두 해결하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 저자기장을 인가하여 고감도로 인체의 영상을 획득할 수 있는 영상 획득 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 자기 입자 영상보다 낮은 양의 입자 주입으로도 높은 신호를 얻을 수 있는 영상 획득 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 관점에 따르면, (a) 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자를 제공하는 단계; (b) FFP(Field Free Point) 영역과 자장 포화 영역을 포함하는 선택 자장 영역을 형성하는 단계; (c) 복수의 상기 자성 나노 입자를 상기 선택 자장 영역에 위치시키는 단계; (d) 상기 FFP 영역에 위치하는 자성 나노 입자가 공명 주파수를 가지도록, 제1 자기장을 상기 자성 나노 입자에 인가하는 단계; (e) 상기 공명 주파수를 가지는 제2 자기장을 상기 자성 나노 입자에 인가하는 단계; 및 (f) 적어도 일부의 상기 자성 나노 입자에서 발생하는 자화 반전 신호로부터 영상 신호를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, (a) 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자를 제공하는 단계; (b) FFP(Field Free Point) 영역과 자장 포화 영역을 포함하는 선택 자장 영역을 형성하는 단계; (c) 복수의 상기 자성 나노 입자를 상기 선택 자장 영역에 위치시키는 단계; (d) 상기 선택 자장 영역에 위치하는 복수의 상기 자성 나노 입자에 제3 자기장을 인가하는 단계; 및 (e) 적어도 일부의 상기 자성 나노 입자에서 발생하는 자화 반전 신호로부터 영상 신호를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법이 제공된다.
상기 FFP 영역에 위치하는 상기 자성 나노 입자에서 자화 반전 신호를 발생할 수 있다.
상기 FFP 영역 내에 위치하는 상기 자성 나노 입자의 자화 반전 신호와 상기 자장 포화 영역 내에 위치하는 상기 자성 나노 입자의 자기 신호를 대조(contrast)하여 영상 신호를 획득할 수 있다.
상기 자화 반전 신호는 상기 FFP 영역 내에 위치하는 상기 자성 나노 입자의 농도에 따라 기설정된 값을 가질 수 있다.
상기 선택 자장 영역에 구동 자장을 인가하여 상기 FFP 영역과 상기 자장 포화 영역이 형성되는 위치를 조절할 수 있다.
상기 제1 자기장은 직류 자기장일 수 있다.
상기 제3 자기장은 교류 자기장일 수 있다.
상기 제1 자기장의 세기는 0.001 T 내지 0.03 T일 수 있다.
상기 제2 자기장은 상기 제1 자기장이 인가되는 방향과 소정의 각도를 가지는 방향으로 인가될 수 있다.
상기 자성 나노 입자의 상기 공명 주파수는 상기 제1 자기장의 크기에 따라 변화할 수 있다.
상기 자성 나노 입자의 상기 공명 주파수는 상기 자성 나노 입자의 크기에 따라 변화할 수 있다.
상기 자성 나노 입자는 30 nm 내지 500nm 범위의 직경을 가질 수 있다.
상기 자성 나노 입자는 강자성체일 수 있다.
상기 자성 나노 입자는 Permalloy(Ni80Fe20), Maghemite(γ-Fe2O3), Magnetite(γ-Fe3O4), BariumFerrite(BaxFeyOz; x, y, z는 임의의 조성) 및 CoFe2O4 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 저자기장을 인가하여 고감도로 자성 나노 입자의 체내 분포 영상을 획득할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 따르면, 자기 입자 영상보다 낮은 양의 입자 주입으로도 높은 신호를 얻을 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 따르면, 저자기장을 사용하며, 저농도의 입자를 주입하므로 인체에 악영향을 미치지 않는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자를 도시하는 모식도이다.
도 2는 인가된 외부 자기장에 대한 자성 나노 입자의 자화 거동을 나타내는 모식도이다.
도 3은 외부 자기장에 대한 자성 나노 입자의 외부 자기장 방향의 자화 강도를 자성 나노 입자의 크기에 따라 나타내는 그래프이다.
도 4는 외부 자기장에 대한 자성 나노 입자의 크기에 따른 공명 주파수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 자성 나노 입자에 인가되는 자기장에 대한 공진을 검토하기 위하여 자성 나노 입자에 직류 자기장과 교류 자기장을 인가하는 예시적인 방법을 도시하는 개략도이다.
도 6는 다른 주파수를 가지는 교류 자기장을 인가할 때의 자성 나노 입자의 공진을 자성 나노 입자의 크기에 따라 도시하는 그래프들이다
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소용돌이 입자 영상 장치를 도시하는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 FFP(Field Free Point) 영역과 자장 포화 영역을 포함하는 선택 자장 영역을 도시하는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택 자장 영역의 자기장 방향 및 세기 분포를 나타내는 그래프이다.
도 10은 FFP 영역 및 자장 포화 영역 내에서 자성 나노 입자의 자화 형태를 도시하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 자기장을 인가할 때의 자성 나노 입자의 운동을 도시하는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택 자장(Selection Field)과 구동 자장(Drive Field)의 중첩(Superposition)을 도시하는 개략도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
[자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자]
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)를 도시하는 모식도이다.
자성 나노 입자(100)는 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 철, 코발트, 니켈, 또는 이들의 합금 등을 포함할 수 있다. 자성 나노 입자(100)는 강자성체일 수 있다. 자성 나노 입자(100)는, 예를 들어 Permalloy(Ni80Fe20), Maghemite(γ-Fe2O3), Magnetite(γ-Fe3O4), BariumFerrite(BaxFeyOz; x,y,z는 임의의 조성) 및 CoFe2O4등일 수 있다. 그러나, 이러한 자성 나노 입자(100)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.
자성 나노 입자(100)는 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 범위의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어 구형(球形) 퍼멀로이 합금(Permalloy, Ni80Fe20)인 경우에는 수십 nm 내지 수백 nm, 예를 들어, 30 nm 내지 500nm 범위의 직경을 가지는 구체일 수 있다. 그러나, 자성 나노 입자의 크기와 형상은 예시적이며, 구형이 아닌 다른 형상을 가지거나 500nm 보다 큰 직경을 가지는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
작은 크기의 자성 입자에 외부에서 일정한 크기의 외부 자기장을 가하면, 자성 입자의 스핀이 외부 자기장 방향으로 정렬한다. 이러한 정렬 과정에서 자성 입자는 외부 자기장 방향을 중심으로 세차 운동(precessional motion)을 하게 된다. 이러한 세차 운동은 회전체의 회전축이 움직이지 않는 어떤 축의 둘레를 도는 현상을 의미하며, 중심력장 속에서 운동하고 있는 전자계에 외부 자기장이 인가되면, 각운동량의 자기 모멘트가 외부 자기장의 방향을 축으로 하여 회전하게 된다. 구체적으로, 세차 운동은 자기 모멘트를 가진 입자의 에너지 준위가 정자기장 속에서 분리되어 있을 때, 그 간격에 대응하는 진동수의 진동 자기장 또는 전자기파와의 사이에 생기는 공명 현상을 의미한다.
이러한 세차 운동의 주파수는 수학식 1과 같이 나타난다.
[수학식 1]
f = LB
(여기에서 f는 주파수, B는 자기장의 크기)
현재까지는, 단일 스핀을 가지는 물질은 수학식 1의 "L"의 값이 2.803 (MHz/Oe)의 고정된 상수로 나타나며, 이는 라모어 주파수(Lamor Frequency)로 알려져 있다. 따라서, 단자구(single magnetic domain)를 가지는 자성 나노 입자도 하나의 거대한 스핀 구조체로서 작용하므로, 상기 라모어 주파수를 가지게 된다.
본 명세서에서는, 라모어 주파수를 가지지 않는 자성 나노 입자(100)를 "자기 소용돌이 구조(Magnetic Vortex Structure; 110)를 가지는 자성 나노 입자"로 지칭하기로 한다. 예를 들어, 자성 나노 입자(100)가 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 경우에는, 자성 나노 입자(100)는 자신의 직경에 따라 변화된 공명 주파수를 가지게 된다.
도 1을 더 참조하면, 자성 나노 입자(100)는 자기 소용돌이 구조(110)를 가질 수 있다. 자기 소용돌이 구조(110)는 자기 소용돌이 코어(Magnetic Vortex Core) 성분(120), 수평 자화 성분(130), 및 나선 자화 성분(140)을 가질 수 있다.
자기 소용돌이 코어 성분(120)은 자성 나노 입자(100)의 중앙 부분을 관통하고, 자기력의 방향이 +Z 방향을 가질 수 있다. +Z 방향은 자성 나노 입자(100)가 미리 가지고 있는 자기장의 방향에 의하여 결정되거나 또는 인가되는 외부 자기장의 방향에 의하여 결정될 수 있다.
수평 자화 성분(130)은 자기 소용돌이 코어(120)를 축으로 하여 궤도를 가지고 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 위치할 수 있다. 수평 자화 성분(130)은 자성 나노 입자의 형상, 재질, 및/또는 결정 방향에 따라 동심원의 형태의 궤도를 가지거나 또는 타원 등 다양한 형태의 궤도를 가질 수 있다. 수평 자화 성분(130)은 자기 소용돌이 코어(120)에 대하여 소정의 각도를 가질 수 있고, 예를 들어 수직일 수 있다. 그러나, 수평 자화 성분(130)은 자성 나노 입자(100)의 물성, 형상, 및/또는 크기에 따라 자기 소용돌이 코어(120)의 방향의 자화 방향 성분 또는 자기 소용돌이 코어(120)의 반대 방향의 자화 방향 성분을 일정 정도 가질 수 있으므로, 자기 소용돌이 코어(120)와 수평 자화 성분(130)은 서로 수직하지 않을 수 있다. 수평 자화 성분(130)은 자성 나노 입자(100)의 전체 부피에 걸쳐서 존재할 수 있다.
나선 자화 성분(140)은 자기 소용돌이 코어(120)에 인접하여 위치할 수 있고, 자기 소용돌이 코어(120)가 향하는 방향과 동일한 방향으로 향할 수 있다. 나선 자화 성분(140)은 수평 자화 성분(130)에 의하여 영향을 받을 수 있고, 이에 따라 나선형으로 회전하는 형태를 가질 수 있다. 이러한 나선 자화 성분(140)에 의하여 자성 나노 입자(120) 내부의 자화 방향이 자기 소용돌이 코어(120)로부터 수평 자화 성분(130)으로 점진적으로 변화할 수 있다. 즉, 자성 나노 입자(120) 내부의 자화 방향이 자성 나노 입자(100)의 내부 위치에 따라 Z 방향으로부터 Y 방향으로 점진적으로 변화할 수 있다.
도 2는 인가된 외부 자기장에 대한 자성 나노 입자의 자화 거동을 나타내는 모식도이다.
도 2를 참조하면, 외부 자기장에 의하여 자성 나노 입자는 자화 방향이 변화될 수 있다. 도 2에서, +Z 방향은 상기 자성 나노 입자의 평균 자화 방향을 나타내는 것으로 사용되었으며, +Y 방향은 상기 자성 나노 입자에 외부에서 인가되는 자기장의 방향을 나타내는 것으로 사용되는 것으로서, 본 발명이 이러한 방향에 한정되는 것은 아니다. 또한, +Z 방향과 +Y 방향은 서로 다른 방향을 의미하는 것으로서, 서로 수직일 수 있고, 또는 수직이 아닐 수 있다.
도 2(a)는 자성 나노 입자에 외부 자기장이 인가되기 전으로서, 자성 나노 입자는 +Z 방향의 자화 방향을 가질 수 있다. 즉, 자성 나노 입자의 자기 소용돌이 코어가 +Z 방향을 향할 수 있다.
도 2(b)는 상기 나노 입자에 +Y 방향으로 상대적으로 약한 외부 자기장을 인가한 직후이다. 자성 나노 입자의 평균 자화 방향인 +Z 방향과는 다른 방향인 +Y 방향으로 자성 나노 입자에 자기장을 인가하면, 자기 소용돌이 코어는 +Y 방향으로 향하게 되며, 자기 소용돌이 코어를 중심으로 자기 소용돌이가 형성된다. 이어서, +Y 방향으로 자화가 점진적으로 포화된다.
도 2(c)는 자성 나노 입자에 상대적으로 충분히 강한 외부 자기장이 인가되었을 때, 자성 나노 입자가 +Y 방향으로 자화가 포화된 것을 나타낸다.
반면, 자성 나노 입자가 단자구인 경우에는 외부 자기장에 의하여 자화가 즉시 인가된 자기장의 방향인 +Y 방향으로 향하게 되며, 점진적인 포화 거동은 나타나지 않는다.
도 3은 외부 자기장에 대한 자성 나노 입자의 외부 자기장 방향의 자화 강도를 자성 나노 입자의 크기에 따라 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 20 nm 내지 30 nm 직경의 자성 나노 입자는 외부 자기장이 인가됨과 거의 동시에 외부 자기장 방향으로 자화가 포화되는 것을 나타낸다. 그러나, 30 nm 이상의 직경의 자성 나노 입자의 경우에는 일정한 크기의 외부 자기장 내에서는 자화가 즉시 포화되지 않음을 알 수 있다. 자성 나노 입자의 직경이 증가됨에 따라, 포화되는 정도도 감소되며, 포화를 위한 외부 자기장의 크기가 증가된다. 예를 들어 30 nm 이상의 직경을 가지는 자성 나노 입자는 약 350 Oe 이상의 외부 자기장이 인가되어야 포화되며, 이러한 포화 거동도 도 2에서 설명한 바와 같이 점진적으로 포화된다. 만일, 30 nm 이상의 직경을 가지는 자성 나노 입자에 1 Oe 내지 300 Oe 의 외부 자기장이 인가되는 경우에는 포화되지 않고 자기 소용돌이 구조에 의한 세차 운동을 계속하게 된다. 이와 같이, 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자는 포화 자기장이 상당히 큰 값을 가지므로, 상기 자기 소용돌이 구조는 변형되기 어려울 수 있다.
도 4는 외부 자기장에 대한 자성 나노 입자의 크기에 따른 공명 주파수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 외부 자기장을 인가하는 경우, 자성 나노 입자는 직경이 커짐에 따라 공명 주파수가 감소된다. 또한, 공명 주파수는 외부 자기장의 크기가 증가됨에 따라 증가한다. 자기 소용돌이 구조를 가지는 30 nm 이상의 자성 나노 입자의 공명 주파수의 감소율은 외부 자기장이 커짐에 따라 급격하게 증가된다.
표 1은 자성 나노 입자의 직경과 외부 정자기장에 크기에 대한 공명 주파수를 정리한 표이다.
10 Oe 50 Oe 100 Oe 200 Oe 300 Oe
20 nm 28 MHz 140 MHz 280 MHz 562 MHz 844 MHz
30 nm 28 MHz 140 MHz 280 MHz 562 MHz 844 MHz
40 nm 24 MHz 124 MHz 250 MHz 516 MHz 782 MHz
60 nm 10 MHz 50 MHz 98 MHz 194 MHz 294 MHz
80 nm 4 MHz 24 MHz 50 MHz 102 MHz 156 MHz
100 nm 2 MHz 16 MHz 32 MHz 64 MHz 98 MHz
120 nm 2 MHz 12 MHz 22 MHz 44 MHz 66 MHz
도 5는 자성 나노 입자(100)에 인가되는 자기장에 대한 공진을 검토하기 위하여 자성 나노 입자(100)에 직류 자기장과 교류 자기장을 인가하는 예시적인 방법을 도시하는 개략도이다.
도 5를 참조하면, 자성 나노 입자(100)의 자기 소용돌이 코어 성분(120) 방향인 +Z 방향으로 직류 자기장을 인가하고, +Z 방향과는 다른 방향, 예를 들어 수직 방향인 +Y 방향으로 교류 자기장을 인가한다. 표 1에서 나타난 바와 같이, 자성 나노 입자(100)의 직경과 직류 자기장의 크기에 따라 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수가 결정될 수 있다. 교류 자기장은 직류 자기장의 크기에 비하여 작을 수 있고, 교류 자기장의 주파수를 변경하여 자성 나노 입자(100)의 거동을 관찰하기로 한다.
예를 들어, 자성 나노 입자(100)는 30 nm 직경과 80 nm의 직경을 선택한다. Z 방향으로 인가되는 직류 자기장은 약 100 Oe의 크기로 선택한다. Y 방향으로 인가되는 교류 자기장은 약 10 Oe의 크기로 선택한다. 교류 자기장의 주파수는 30 nm 직경의 자성 나노 입자의 공명 주파수인 281 MHz와 80 nm 직경의 자성 나노 입자의 공명 주파수인 50 MHz를 선택한다.
도 6은 다른 주파수를 가지는 교류 자기장을 인가할 때의 자성 나노 입자의 공진을 자성 나노 입자의 크기에 따라 도시하는 그래프들이다. 도 6의 (a) 및 (b)는 직경 30 nm의 자성 나노 입자의 경우이고, 도 6의 (c) 및 (d)는 직경 80 nm의 자성 나노 입자의 경우이다.
도 6을 참조하면, 직경 30 nm의 자성 나노 입자의 경우에는 50 MHz의 주파수의 교류 자기장을 인가하는 경우에는 변화가 나타나지 않으나[(a) 참조], 자신의 공명 주파수인 281 MHz의 주파수의 교류 자기장을 인가하는 경우에는 이에 반응하여 강한 세차 운동과 자화 반전 등의 운동을 활발하게 하게 되는 것을 나타낸다[(b) 참조].
직경 80 nm의 자성 나노 입자의 경우에는 281 MHz의 주파수의 교류 자기장을 인가하는 경우에는 변화가 나타나지 않으나[(d) 참조], 자신의 공명 주파수인 50 MHz의 주파수의 교류 자기장을 인가하는 경우에는 이에 반응하여 강한 세차 운동과 자화 반전 등의 운동을 활발하게 하게 되는 것을 나타낸다[(c) 참조].
즉, 자성 나노 입자는 자신의 공명 주파수를 가지는 자기장이 인가되면, 상기 자기장에 의하여 세차 운동 등의 운동의 활발해짐에 따라 활성화 될 수 있다.
또한, 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자는 자신의 직경에 따라 다른 공명 주파수를 가지게 되므로, 인가되는 자기장의 공명 주파수에 대하여 자성 나노 입자는 자신의 직경에 따라 선택적으로 활성화될 수 있다.
[자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자를 이용한 영상 획득 방법 및 이를 구현하기 위한 자기 소용돌이 입자 영상 장치]
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소용돌이 구조)를 가지는 자성 나노 입자를 이용한 영상 획득 방법 및 이를 구현하기 위한 자기 소용돌이 공명 영상 장치를 설명하기로 한다. 자기 소용돌이 입자 영상(Magnetic Vortex Particle Imaging)은 상술한 자기 소용돌이 구조110)를 가지는 자성 나노 입자(100)에 의해 발생되는 자기장 신호(자화 반전 신호)를 측정함으로써 공간 영상을 만드는 기술로 이해되어야 한다. 다시 말해, 자기 입자 영상(MPI) 장치가 SPIO(Super-Paramagnetic Iron Oxide) 입자의 자기장 신호를 측정하고 이를 영상화시키는 장치인데 반해, 자기 소용돌이 입자 영상 장치는 SPIO 대신 상술한 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)의 자기장 신호를 측정하고 이를 영상화시키는 장치로 이해되어야 한다. 이 외에, 자기 소용돌이 입자 영상 장치의 기본적인 구성 요소는 자기 입자 영상 장치와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소용돌이 입자 영상 장치(200)를 도시하는 개략도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 FFP(Field Free Point) 영역(291)과 자장 포화 영역(295)을 포함하는 선택 자장 영역(290)을 도시하는 개략도이다.
도 7을 참조하면, 자기 소용돌이 입자 영상 장치(200)는 제어부(210), 조작부(230), 자석 시스템(250)을 포함할 수 있다. 각 구성은 도 7에 도시된 것처럼 물리적으로 분리되어 있지 않고, 통합된 하나의 구성체를 이룰 수 있다.
제어부(210)는 자석 시스템(250)의 선택 자장 생성부(260), 구동 자장 코일부(270), RF 코일부(280) 등을 제어할 수 있다. 그리고, 조작부(230)를 통해 전달받은 사용자로부터의 동작에 관한 명령을 해석하여 자석 시스템(250)을 제어할 수 있다. 그리고, 자석 시스템(250)에서 수신한 자기 소용돌이 입자 신호를 해석하고, 이에 해당하는 영상 신호를 발생하여 조작부(230)의 디스플레이에 전달할 수 있다.
제어부(210)는 자기 소용돌이 입자 신호를 해석하고, 영상 신호를 발생하기 위한 처리 프로세서, 자기 소용돌이 입자 신호, 영상 신호 등을 저장하기 위한 저장부 등을 포함할 수 있다.
조작부(230)는 사용자로부터 자기 소용돌이 입자 영상 장치(200)의 제어를 입력받기 위한 키보드, 마우스 등의 입력 장치, 영상을 확인할 수 있는 디스플레이 등을 포함할 수 있다.
자석 시스템(250)은 선택 자장 생성부(260), 구동 자장 코일부(270), RF 코일부(280)를 포함할 수 있다.
선택 자장 생성부(260)는 자석 시스템(250) 내부에 선택 자장(Selection Magnetic Field) 영역(290)을 형성할 수 있다. 선택 자장 생성부(260)는 동축을 가지며 상하로 배치되는 한 쌍의 코일이 서로 반대 방향으로 수직하게 정자장(Static Magnetic Field)[또는, 직류 자기장]을 형성할 수 있다. 선택 자장 생성부(260)는 영구 자석, 초전도 자석, 전자석 등이 이용될 수 있다. 도 7에는 영구 자석이 사용되는 것이 도시되어 있으나, 서로 반대의 방향으로 전류를 흐르게 하여, 서로 반대 방향으로 정자장을 형성할 수도 있다.
구동 자장 코일부(270)는 선택 자장 영역(290)의 FFP 영역(291)과 자장 포화 영역(295)의 상대적인 위치를 바꿀 수 있도록, 선택 자장 영역(290) 내에 구동 자장(Drive Magnetic Field)을 인가할 수 있다. FFP 영역(291)과 자장 포화 영역(295)의 위치를 3차원적으로 바꾸어, 3차원적인 정보를 얻기 위해서는 X, Y, Z축 모두에 대한 구동 자장이 요구되므로, 구동 자장 코일부(270)는 세 축(271, 272, 273)에 대해서 구비될 수 있다. 구동 자장 코일부(270)가 FFP 영역(291)과 자장 포화 영역(295)의 상대적인 위치를 바꾸는 자세한 사항은 후술한다.
RF 코일부(280)는 FFP 영역(291)에서 자성 나노 입자(100)가 자화 반전 신호를 발생시킬 수 있도록, RF 펄스[또는, 제1 자기장, 교류 자기장]를 인가할 수 있다. 또한, RF 코일부(280)는 자성 나노 입자(100)에서 발생하는 자화 반전 신호(자기 소용돌이 입자 신호)를 수신할 수 있다. 이를 위해, RF 코일부(280)는 송신 코일, 수신 코일 등을 포함할 수 있다.
한편, 자성 나노 입자(100)가 공명 주파수를 가지는 경우, RF 코일부(280)는 동일한 공명 주파수를 가지는 RF 펄스를 자성 나노 입자(100)에 인가할 수도 있다. 이에 대해서는, 제2 실시예의 영상 획득 방법을 참조하여 후술한다.
제어부(210)는 RF 코일부(255)로부터 전달받은 자기 소용돌이 공명 신호를 입력받아 대상체(20)에 대한 영상을 재구성할 수 있다. 재구성된 영상은 조작부(230)의 디스플레이에 표시될 수 있다.
제1 실시예의 영상 획득 방법
본 발명의 제1 실시예에 따른 영상 획득 방법은, (a) 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)를 제공하는 단계, (b) FFP(Field Free Point) 영역(291)과 자장 포화 영역(295)을 포함하는 선택 자장 영역(290)을 형성하는 단계, (c) 복수의 자성 나노 입자(100)를 선택 자장 영역(290)에 위치시키는 단계, (d) FFP 영역(291)에 위치하는 자성 나노 입자(100)가 공명 주파수를 가지도록, 제1 자기장을 자성 나노 입자(100)에 인가하는 단계, (e) 공명 주파수를 가지는 제2 자기장을 자성 나노 입자(100)에 인가하는 단계, 및 (f) 적어도 일부의 자성 나노 입자에서 발생하는 자화 반전 신호로부터 영상 신호를 획득하는 단계를 포함한다.
먼저, (a) 단계로, 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)를 제공할 수 있다. 자성 나노 입자(100)의 제공은, 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)가 영상을 획득하고자 하는 대상체(20)의 특정 부위에 주입되고, 대상체(20)가 자기 소용돌이 입자 영상 장치(200)의 자석 시스템(250) 내부로 이동함에 따라 이루어지는 것으로 이해될 수 있다.
이어서, (b) 단계로, FFP(Field Free Point) 영역(291)과 자장 포화 영역(295)을 포함하는 선택 자장 영역(290)을 형성할 수 있다.
도 8을 참조하면, 선택 자장 생성부(260)의 상하로 배치되는 한 쌍의 코일은 서로 반대 방향으로 수직하게 정자장[또는, 직류 자기장, 선택 자장(Selection Magnetic Field)]을 형성할 수 있다. 선택 자장 생성부(260)의 정자장에 의해 영향을 받는 영역이 선택 자장 영역(290)이라고 할 수 있다.
정자장은 상호 반발하여 코일축에 수직한 방향을 따라 방사형으로 퍼져나갈 수 있다. 이때, 코일축 상에 자장의 크기가 0인 영역이 형성되고, 이를 FFP(Field Free Point) 영역(291)이라고 한다. FFP 영역(291)을 중심으로 3차원의 공간 방향으로는 자장 강도가 증가할 수 있다. 선택 자장 영역(290)에서 FFP 영역(291)을 제외한 나머지 영역을 자장 포화 영역(295)이라고 할 수 있다. FFP(291) 영역은 수 mm 내지 수 cm 정도의 크기로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 제한되지는 않는다.
FFP 영역(291)은 자장이 0 또는 실질적으로 0에 가까운 세기를 가질 수 있다. 반대로, 자장 포화 영역(295)은 강한 세기의 자장을 가질 수 있다.
따라서, 자기 소용돌이 입자 영상 장치(200)의 제어부(230)에서는 선택 자장 생성부(260)를 제어하여 서로 반대 방향으로 정자장을 발생시킴에 따라, FFP 영역(291)과 자장 포화 영역(295)을 포함하는 선택 자장 영역(290)을 형성할 수 있다.
도 9는 실제로 전자석으로부터 발생하는 선택 자장 영역(290)의 자기장 방향 및 세기 분포를 나타내는 계산 결과이다. FFP 영역(291)에서의 자장은 0 또는 실질적으로 0에 가까운 세기를 가지며, FFP 영역(291)은 수 mm 이하의 크기로 형성됨을 확인할 수 있다. 그리고 FFP 영역(291) 외의 자장 포화 영역에서는 자장의 크기가 급속하게 커짐을 확인할 수 있다.
이어서, (c) 단계로, 복수의 자성 나노 입자(100)를 선택 자장 영역(290)에 위치시킬 수 있다.
복수의 자성 나노 입자(100)를 선택 자장 영역(290)에 위치시키는 것은, 자성 나노 입자(100)를 주입한 대상체(20)가 자석 시스템(250)의 내부로 이동하고, 자성 나노 입자(100)가 대상체(20) 내부에서 위치하는 신체 조직 부분을 선택 자장 영역(290)에 위치시키는 과정에 따라 수행될 수 있다.
복수의 자성 나노 입자(100) 중에서 일부는 FFP 영역(291)에, 나머지는 자장 포화 영역(295)에 위치할 수 있다. FFP 영역(291)에 위치하는 자성 나노 입자(100)는 자장의 영향을 거의 받지 않으므로, 포화 상태로 자화될 수 없다. 반대로, 자장 포화 영역(295)에 위치하는 자성 나노 입자(100)는 충분히 강한 자장의 영향을 받아 포화 상태로 자화될 수 있다.
이어서, (d) 단계로, FFP 영역(291)에 위치하는 자성 나노 입자(100)가 공명 주파수를 가지도록, 제1 자기장을 자성 나노 입자(100)에 인가할 수 있다.
자성 나노 입자(100)에 제1 자기장이 인가됨에 따라 자성 나노 입자(100)가 공명 주파수를 가질 수 있다. 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 경우에, 자성 나노 입자(100)는 자신의 직경에 따라 변화된 공명 주파수를 가질 수 있음은 도 6에서 살펴본 바와 같다.
제1 자기장은 직류 자기장일 수 있다. 제1 자기장은 선택 자장 생성부(260)에서 생성되는 직류 자기장[또는, 정자장, 선택 자장]의 세기보다 훨씬 작고, FFP 영역(291)에 영향을 미치지 않는 세기인, 약 0.001 T 내지 0.03 T 의 세기로 인가될 수 있다. 한편, 제1 자기장은 자성 나노 입자(100)의 자기 소용돌이 구조(110)를 변화시키지 않는 범위일 수 있다. 자성 나노 입자(100)의 크기가 증가되면 허용되는 제1 자기장의 크기는 증가될 수 있음은 도 3에서 살펴본 바와 같다.
제1 자기장은 자성 나노 입자(100)의 자기 소용돌이 코어(120)[도 1 참조]와 동일한 방향으로 인가될 수 있다.
자성 나노 입자(100)의 공명 주파수는 제1 자기장의 크기에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 자성 나노 입자(100)에 인가되는 제1 자기장의 크기가 증가됨에 따라 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수는 증가될 수 있다.
또한, 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수는 자성 나노 입자(100)의 크기에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어 자성 나노 입자(100)의 직경이 커짐에 따라 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수는 감소할 수 있다. 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수의 변화는 상술한 표 1을 참조할 수 있다.
또한, 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수는 자성 나노 입자(100)의 재료, 크기, 및/또는 형상에 따라 변화할 수 있다.
이어서, (e) 단계로, 공명 주파수를 가지는 제2 자기장을 자성 나노 입자(100)에 인가할 수 있다.
제2 자기장은 교류 자기장으로, RF 코일부(280)를 통해 인가될 수 있다. 제2 자기장은 제1 자기장이 인가되는 방향과 소정의 각도를 가지는 방향으로 인가될 수 있고, 소정의 각도를 가지는 방향은 수직일 수 있다.
도 5 및 도 6에서 살펴본 바와 같이, 제2 자기장 인가시, 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)는 강한 세차 운동과 자화 반전 등의 운동이 활발하게 일어나면서 자화축의 변화가 일어날 수 있다.
도 10은 FFP 영역(291) 및 자장 포화 영역(295) 내에서 자성 나노 입자(100)의 자화 형태를 도시하는 그래프이다.
도 10의 (a) 및 (b)를 참조하면, 제2 자기장의 진폭은 자성 나노 입자(100)의 자화가 포화되기 위해 필요한 자장 강도보다 작은 것이 바람직하다. FFP 영역(291) 내에서 자성 나노 입자(100)는 포화 상태로 자화되지 않는다. 그리하여, 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)의 자기 이력 곡선(Magnetic Hysteresis Loop)에 나타난 것처럼, 자성 나노 입자(100)는 제2 자기장에 의해 +HC와 -HC 사이에서 포화되지 않고 왕복 운동할 수 있다. 이 결과로써, 자성 나노 입자(100)의 자화 값은 M(t)와 같이 정현파로 표현될 수 있고, 자성 나노 입자(100)는 주기적으로 자화 반전될 수 있으며, 신호의 세기도 상대적으로 크게 나타난다. 다시 말해, FFP 영역(291) 내에서 자성 나노 입자(100)는 자화 반전될 수 있다.
특히, 자성 나노 입자(100)는 강자성체이기 때문에, 자기장에 대한 자화율이 클 수 있다. 따라서, 자성 나노 입자(100)는 수 mT 수준의 약한 세기의 자기장에 대해서도 쉽게 자화 반전될 수 있다.
도 10의 (a) 및 (c)를 참조하면, 자장 포화 영역(295) 내에서 자성 나노 입자(100)는 포화 상태로 자화될 수 있다. 그리하여, 자성 나노 입자(100)는 제2 자기장에 의해 실제로 자화 값이 영향을 받지 않는다. 이 결과로써, 자성 나노 입자(100)의 자화 값 M(t)는 상수(Constant)로 표현될 수 있고, 자성 나노 입자(100)의 자화의 상태에 변화가 생기지 않으며, 신호의 세기도 상대적으로 작게 나타난다. 다시 말해, 자장 포화 영역(295) 내에서 자성 나노 입자(100)는 자화의 상태가 변화하지 않는다.
FFP 영역(291) 내에 위치하는 자성 나노 입자(100)는 포화 상태로 자화되지 않기 때문에, 제1, 2 자기장의 인가에 의해서 강한 세차 운동과 자화 반전 등의 운동이 일어날 수 있으므로 자화 반전 신호(자기 소용돌이 입자 신호)를 나타낼 수 있다. 예시적으로, 도 11의 (a)에는 FFP 영역(291) 내에 위치하는 자성 나노 입자(100)의 제1, 2 자기장의 인가에 따른 자화의 변화를 도시한 그래프가 나타나 있다. 특히, Z축 자화값(mZ)을 통해 자성 나노 입자(100)가 자화 반전되는 것을 확인할 수 있다.
반면에, 자장 포화 영역(295) 내에 위치하는 자성 나노 입자(100)는 포화 상태로 자화되어 있기 때문에, 제1, 2 자기장의 인가에 의해서도 실제로 자화 값이 영향을 받지 않는다. 예시적으로, 도 11의 (b)에는 자성 포화 영역(295) 내에 위치하는 자성 나노 입자(100)의 제1, 2 자기장의 인가에 따른 자화의 변화를 도시한 그래프가 나타나 있다. X, Y, Z축 자화값(mX, mY, mZ)이 상수(Constant)이므로, 자성 나노 입자(100)의 자화의 상태에 변화가 생기지 않음을 확인할 수 있다.
이어서, (f) 단계로, 적어도 일부의 자성 나노 입자(100)에서 발생하는 자화 반전 신호로부터 영상 신호를 획득할 수 있다.
FFP 영역(291) 내에 위치하는 자성 나노 입자(100)는 자화 반전될 수 있고, 자장 포화 영역(295) 내에 위치하는 자성 나노 입자(100)는 자화의 상태가 변화하지 않는다. 그리하여 일부의 자성 나노 이자(100)[FFP 영역(291) 내에 위치하는 자성 나노 입자(100)]에서 발생하는 자화 반전 신호로부터 영상 신호를 획득할 수 있다. RF 코일부(280)는 FFP 영역(291) 내에 위치하는 자성 나노 입자(100)의 자화 반전 신호와 자장 포화 영역(295) 내에 위치하는 자성 나노 입자(100)의 자기 신호를 수신하여 제어부(230)로 전달하고, 제어부(230)는 이 신호를 대조(Contrast)하여 영상 신호로 변환할 수 있다. 획득된 영상 신호는 디지털화되어 자기 소용돌이 입자 영상을 구성하여 디스플레이에 표시될 수 있다
자성 나노 입자(100)가 어떤 신체 조직에 포함되어 있는지 여부에 따라, 자화 반전 신호가 달라질 수 있다. 예를 들어, 피하, 골수 부근에 위치한 자성 나노 입자(100)와 근육 조직 부근에 위치한 자성 나노 입자(100)는 주변의 신체 조직의 영향을 받게 되며, 이러한 서로 다른 신체 조직 부근에 위치한 자성 나노 입자(100)는 실질적으로 서로 동일한 자성 나노 입자(100)임에도 외부 RF 펄스 인가에 따른 자화 반전 신호가 상이하게 된다. 제어부(210)는 FFP 영역 내에 위치하는 자성 나노 입자(100)의 농도에 따라 기설정된 값을 가질 수 있다. 또한, 제어부(210)는 각각의 자성 나노 입자(100)의 크기에 대한, 각각의 신체 조직에서의 자화 반전 신호의 기입력된 값을 가질 수 있다. 따라서, 제어부(210)에서는 측정된 자화 반전 신호에 근거하여, 해당 자성 나노 입자(100)가 위치하는 부분에서의 신체 조직을 판별할 수 있다.
제2 실시예의 영상 획득 방법
본 발명의 제2 실시예에 따른 영상 획득 방법은, (a) 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)를 제공하는 단계, (b) FFP(Field Free Point) 영역(291)과 자장 포화 영역(295)을 포함하는 선택 자장 영역(290)을 형성하는 단계, (c) 복수의 자성 나노 입자(100)를 선택 자장 영역(290)에 위치시키는 단계, (d) 선택 자장 영역(290)에 위치하는 복수의 자성 나노 입자(100)에 제3 자기장을 인가하는 단계, 및 (e) 적어도 일부의 상기 자성 나노 입자에서 발생하는 자화 반전 신호로부터 영상 신호를 획득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 영상 획득 방법의 (a) 단계 ~ (c) 단계는 제1 실시예에 따른 영상 획득 방법의 (a) 단계 ~ (c) 단계와 동일하므로, 자세한 설명을 생략한다.
(a) 단계 ~ (c) 단계에 이어서, (d) 단계로, 선택 자장 영역(290)에 위치하는 복수의 자성 나노 입자(100)에 제3 자기장을 인가할 수 있다. 제3 자기장은 교류 자기장[또는, RF 펄스]일 수 있다.
도 10의 (a) 및 (b)를 다시 참조하면, 제3 자기장의 진폭은 자성 나노 입자(100)의 자화가 포화되기 위해 필요한 자장 강도보다 작은 것이 바람직하다. FFP 영역(291) 내에서 자성 나노 입자(100)는 포화 상태로 자화되지 않는다. 그리하여, 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)의 자기 이력 곡선(Magnetic Hysteresis Loop)에 나타난 것처럼, 자성 나노 입자(100)는 제3 자기장에 의해 +HC와 -HC 사이에서 포화되지 않고 왕복 운동할 수 있다. 이 결과로써, 자성 나노 입자(100)의 자화 값은 M(t)와 같이 정현파로 표현될 수 있고, 자성 나노 입자(100)는 주기적으로 자화 반전될 수 있으며, 신호의 세기도 상대적으로 크게 나타난다. 다시 말해, FFP 영역(291) 내에서 자성 나노 입자(100)는 자화 반전될 수 있다.
특히, 자성 나노 입자(100)는 강자성체이기 때문에, 제3 자기장에 대한 자화율이 클 수 있다. 따라서, 자성 나노 입자(100)는 수 mT 수준의 약한 세기의 제1 자기장에 대해서도 쉽게 자화 반전될 수 있다.
도 10의 (a) 및 (c)를 다시 참조하면, 자장 포화 영역(295) 내에서 자성 나노 입자(100)는 포화 상태로 자화될 수 있다. 그리하여, 자성 나노 입자(100)는 제3 자기장에 의해 실제로 자화 값이 영향을 받지 않는다. 이 결과로써, 자성 나노 입자(100)의 자화 값은 M(t)와 같이 상수(Constant)로 표현될 수 있고, 자성 나노 입자(100)의 자화의 상태에 변화가 생기지 않으며, 신호의 세기도 상대적으로 작게 나타난다. 다시 말해, 자장 포화 영역(295) 내에서 자성 나노 입자(100)는 자화의 상태가 변화하지 않는다.
이어서, (e) 단계로, 적어도 일부의 자성 나노 입자(100)에서 발생하는 자화 반전 신호로부터 영상 신호를 획득할 수 있다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 영상 획득 방법의 (e) 단계는 제1 실시예에 따른 영상 획득 방법의 (f) 단계와 동일하므로, 자세한 설명을 생략한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택 자장(Selection Magnetic Field)과 구동 자장(Drive Magnetic Field)의 중첩(Superposition)을 도시하는 개략도이다.
도 12를 참조하면, 선택 자장[또는, 정자장, 직류 자기장]에 의해 형성된 선택 자장 영역(290)에 구동 자장을 인가하여 FFP 영역(291)과 자장 포화 영역(295)이 형성되는 상대적인 위치를 조절할 수 있다. FFP 영역(291)과 자장 포화 영역(295)의 위치 조절은, 선택자장과 구동 자장의 중첩/상쇄에 의해 수행될 수 있다.
구동 자장은 구동 자장 코일부(270)에서 생성될 수 있고, X, Y, Z축에 구비된 구동 자장 코일부(271, 272, 273)에 의해, FFP 영역(291)과 자장 포화 영역(295)의 위치가 3차원적으로 이동할 수 있다. 따라서, 사용자는 조작부(230)를 통해 FFP 영역(291)과 자장 포화 영역(295)의 위치를 이동하면서, 옮겨진 FFP 영역(291a, 291b, 291c) 내에 위치한 자성 나노 입자(100)로부터 자화 반전 신호를 측정함으로써, 신체 조직을 실시간으로 스캔하여 영상을 획득할 수 있다.
이처럼 본 발명은, 수 mT 정도의 저자기장을 사용하여도 강자성을 가진 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)를 자화 반전 시켜 자화 반전 신호를 고감도로 획득할 수 있는 효과가 있다. 특히, 제1 실시예에 따른 제1 자기장은 0.001 T 내지 0.03 T의 저자기장을 사용할 수 있다.
그리고, 본 발명은 자성 나노 입자의 체내 분포 영상을 획득할 수 있는 효과가 있다. 그리하여, 자성 나노 입자의 표면에 다양한 표적 물질을 도입하여 체내 혈관에 주입한 후, 특정 암 등에 특이적으로 결함시킴으로써 암 등의 분포, 크기, 형상 등의 정보를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은 외부 자기장에 대한 자화율이 큰 강자성의 자성 나노 입자(100)를 사용하므로, 자기 입자 영상보다 낮은 양의 입자를 주입하는 것만으로도 보다 높은 신호를 얻을 수 있는 효과가 있다. 저자기장을 사용하고, 저농도의 입자를 주입하므로 인체에 악영향을 미치지 않는 효과도 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
20: 대상체
100: 자성 나노 입자
110: 자기 소용돌이 구조
120: 자기 소용돌이 코어 성분
130: 수평 자화 성분
140: 나선 자화 성분
200: 자기 소용돌이 공명 영상 장치
210: 제어부
230: 조작부
250: 자석 시스템
260: 선택 자장 생성부
270: 구동 자장 코일부
280: RF 코일부
290: 선택 자장 영역
291: FFP(Free Field Point) 영역
295: 자장 포화 영역

Claims (15)

  1. (a) 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자를 제공하는 단계;
    (b) FFP(Field Free Point) 영역과 자장 포화 영역을 포함하는 선택 자장 영역을 형성하는 단계;
    (c) 복수의 상기 자성 나노 입자를 상기 선택 자장 영역에 위치시키는 단계;
    (d) 상기 FFP 영역에 위치하는 자성 나노 입자가 공명 주파수를 가지도록, 제1 자기장을 상기 자성 나노 입자에 인가하는 단계;
    (e) 상기 공명 주파수를 가지는 제2 자기장을 상기 자성 나노 입자에 인가하는 단계; 및
    (f) 적어도 일부의 상기 자성 나노 입자에서 발생하는 자화 반전 신호로부터 영상 신호를 획득하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  2. (a) 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자를 제공하는 단계;
    (b) FFP(Field Free Point) 영역과 자장 포화 영역을 포함하는 선택 자장 영역을 형성하는 단계;
    (c) 복수의 상기 자성 나노 입자를 상기 선택 자장 영역에 위치시키는 단계;
    (d) 상기 선택 자장 영역에 위치하는 복수의 상기 자성 나노 입자에 제3 자기장을 인가하는 단계; 및
    (e) 적어도 일부의 상기 자성 나노 입자에서 발생하는 자화 반전 신호로부터 영상 신호를 획득하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 FFP 영역에 위치하는 상기 자성 나노 입자에서 자화 반전 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 FFP 영역 내에 위치하는 상기 자성 나노 입자의 자화 반전 신호와 상기 자장 포화 영역 내에 위치하는 상기 자성 나노 입자의 자기 신호를 대조(contrast)하여 영상 신호를 획득하는 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자화 반전 신호는 상기 FFP 영역 내에 위치하는 상기 자성 나노 입자의 농도에 따라 기설정된 값을 가지는 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 선택 자장 영역에 구동 자장을 인가하여 상기 FFP 영역과 상기 자장 포화 영역이 형성되는 위치를 조절하는 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 자기장은 직류 자기장인 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제3 자기장은 교류 자기장인 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 자기장의 세기는 0.001 T 내지 0.03 T인 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 자기장은 상기 제1 자기장이 인가되는 방향과 소정의 각도를 가지는 방향으로 인가되는 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 자성 나노 입자의 상기 공명 주파수는 상기 제1 자기장의 크기에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 자성 나노 입자의 상기 공명 주파수는 상기 자성 나노 입자의 크기에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자성 나노 입자는 30 nm 내지 500nm 범위의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자성 나노 입자는 강자성체인 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자성 나노 입자는 Permalloy(Ni80Fe20), Maghemite(γ-Fe2O3), Magnetite(γ-Fe3O4), BariumFerrite(BaxFeyOz; x, y, z는 임의의 조성) 및 CoFe2O4 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 획득 방법.
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