KR101822384B1

KR101822384B1 - 굽은형 다이폴 안테나를 이용한 자기공명 영상용 rf 코일

Info

Publication number: KR101822384B1
Application number: KR1020160162800A
Authority: KR
Inventors: 김한중; 김경남; 류연철; 정준영
Original assignee: 가천대학교 산학협력단; (의료)길의료재단
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2018-03-09

Abstract

본 발명은 굽은형 다이폴 안테나를 이용한 자기공명 영상용 RF 코일에 관한 것으로, RF 채널(111)을 기준으로 양측으로 곡선구간을 갖고 연장되는 한 쌍의 쇼울더 스트립(112)과, 상기 쇼울더 스트립(112) 각각에서 연장되어 서로 동일 방향으로 나란한 한 쌍의 암 스트립(113)을 포함하는 다이폴형 단위 코일(110)이 복수 개가 상기 RF 채널(111)을 중심으로 회전 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

굽은형 다이폴 안테나를 이용한 자기공명 영상용 RF 코일{MAGNETIC RESONANCE IMAGING RF COIL USING BENDED DIPOLE ANTENNA}

본 발명은 굽은형(bended type) 다이폴 안테나를 이용한 자기공명 영상용 RF 코일에 관한 것이다.

자기 공명 영상(magnetic resonance imaging, MRI)은 균일한 주자기장(main magnetic field) 내에서 인체 내에 존재하는 핵종(수소, 인, 나트륨, 탄소 등)의 자화벡터(magnetization vector)에 대해 고주파 RF(radiofrequency) 펄스를 인가하여 특정 핵종(수소 등)을 공명시켜 수직평면으로 자화벡터가 재정렬되면서 발생되는 자기공명 신호를 수신하여 얻어서 컴퓨터를 통해 재구성하여 영상화하는 기술이다.

일반적으로 자화벡터를 공명시키기 위한 펄스 송신과 발생된 자기공명 신호의 수신은 RF 코일에 의해 이루어지며, 이때 RF 코일은 자화벡터를 공명시키기 위한 RF 신호를 송신(RF 송신 모드)하는 코일과 자기공명 신호를 수신(RF 수신 모드)하는 코일이 각각 따로 마련될 수 있으며, 또는 하나의 RF 코일에 의해 RF 송신 모드와 RF 수신 모드가 같이 수행될 수 있다.

일반적으로 주자기장의 크기가 클수록 MRI의 감도(sensitivity)는 증가하게 되며, 대략 S/N비(signal to noise ratio)는 주자기장의 크기와 비례하는 것으로 알려져 있다. 따라서 보다 세밀한 구조의 영상을 얻기 위하여 큰 자기장의 영상 시스템에서의 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 특히 뇌과학 분야와 같이 고해상도 영상의 필요성으로 인하여 현재는 인체용 7T의 초고자장 자기공명영상 시스템까지 나와 있다.

한편, 이와 같이 초고자장 자기공명영상 시스템에서의 여러 장점에도 불구하고 해결해야 될 기술적인 문제점이 있으며, 그 중에서 주요한 이슈는 RF 코일과 관련된 문제이다.

구체적으로는 초고자장 MRI에서는 고주파 RF 신호가 사용됨에 따라서 RF 파장이 짧아지며, 따라서 RF 코일 설계 시에 위상 이동(phase shift), 기생 용량(parasitic capacitance), 복사 손실(radiative loss) 등이 고려되어야 하므로 RF 코일 설계가 상당히 복잡해지는 문제점이 있다.

또한, RF 코일 내에서 자기장 불균일성(inhomogeneity)은 자기 공명 영상의 감도 개선에 장애가 되며, RF 코일의 균일한 자기장을 얻기 위한 방안으로 송신파형을 교정해주는 방법, 고유전율 패드를 이용하는 방법 등이 사용된다.

기존 RF 코일은 단일 코일 또는 다수 개의 단일 코일의 조합으로 구성된 형태를 가지며, 단일 코일의 경우에 일반적으로 폐루프의 형태를 가지며, 다수 개의 단일 코일의 조합은 이러한 단일 코일을 원형으로 배열하여 체적 영상을 획득하는데 사용된다. 체적 영상 획득을 위한 RF 코일은 다수 개의 단일 코일의 조합으로 구성된 다채널 RF 코일과 체적형 RF 코일(예를 들어, 새장형 코일: Birdcage coil)이 대표적으로 사용된다.

그러나 자기공명 영상용 RF 코일은 구조적인 제한으로 인하여 코일의 송수신 효율과 수신 민감도를 필요에 의해 조절하는 것이 어려우며, 특히 초고자기장(7T 이상)의 자기공명 영상시스템에서 단일채널의 체적형 바디코일을 사용하는 경우에 큰 송신 전력이 요구되어 일반적으로는 다채널의 표면코일이 사용되고 있으나 이 역시 자기장의 민감도, 균일도, 필요전력에 대한 한계가 존재한다. 또한 루프 형태의 표면 코일은 초고자기장에서 비대칭 패턴을 생성하여 영상의 불균일한 문제점이 발생한다.

공개특허공보 제10-2015-0081108호(공개일자: 2015.07.13)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로, 진행파 코일의 일종인 다이폴 안테나를 이용함에 있어서 자기공명 영상장치의 동작주파수에 의해 제한될 수 있는 코일의 설계 자유도를 높일 수 있는 자기공명 영상용 RF 코일(이하, "RF 코일"로도 약칭함)을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기공명 영상용 RF 코일은, RF 채널을 기준으로 양측으로 곡선구간을 갖고 연장되는 한 쌍의 쇼울더 스트립과, 상기 쇼울더 스트립 각각에서 연장되어 서로 동일 방향으로 나란한 한 쌍의 암 스트립을 포함하는 다이폴형 단위 코일이 복수 개가 상기 RF 채널을 중심으로 회전 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 단위 코일들 사이에 중첩되지 않도록 상기 RF 채널 구간에 요철부가 마련된다.

바람직하게는, 상기 암 스트립의 선단에서 내측으로 연장된 네크 스트립을 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 단위 코일은 자기공명 영상장치의 동작주파수의 반파장 내지 한 파장의 길이를 갖는다.

본 발명에 따른 자기공명 영상용 RF 코일은 굽은 형태의 다이폴형 단위 코일로 구성되어 자기공명 영상장치의 동작 주파수에 의한 RF 코일의 설계에 대한 제한을 해소하고 피검사체의 형상에 최적화된 구조의 RF 코일을 구현할 수 있으므로, RF 송수신 효율을 높이고 자기공명 영상의 균일도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 RF 코일의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 RF 코일의 평면 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 RF 코일의 단위 코일만을 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF 코일의 단위 코일만을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 RF 코일의 사용예를 보여주는 도면,
도 6의 (a)(b)는 각각 본 발명의 RF 송신코일과 비교예(직선형 다이폴 안테나)의 전자기장 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에"또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 RF 코일의 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 RF 코일의 평면 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 RF 코일은, RF 채널(111)을 기준으로 양측으로 곡선구간을 갖고 연장되는 한 쌍의 쇼울더 스트립(112)과, 쇼울더 스트립(112) 각각에서 연장되어 서로 동일 방향으로 나란한 한 쌍의 암 스트립(113)을 포함하는 다이폴형 단위 코일(110)이 복수 개가 RF 채널(111)을 중심으로 회전 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 한다.

다이폴 안테나 구조를 갖는 단위 코일(110)은 자기공영 영상장치의 동작 주파수(Larmor frequency)의 반파장의 길이에서 자기공진주파수(self-resonance frequency)를 가지며, 따라서 동작 주파수에 따라서 그 길이는 적절히 결정될 수 있다.

본 실시예에서 단위 코일(110)은 8개로 이루어져 8채널로 구성되며, 각 단위 코일(110)의 쇼울더 스트립(112)의 최상단에는 동축 케이블(미도시)과 연결되어 RF 신호의 송수신이 이루어진다.

단위 코일(110)은 RF 채널(111)을 중심으로 하여 회전 대칭되게 배치되며, 예를 들어, 8채널의 RF 코일의 경우에 각 단위 코일 사이의 사잇각(θ)은 22.5ㅀ가 되도록 배치된다.

도 1의 일부 확대도에서 예시하고 있는 것과 같이, 각 단위 코일(110)의 RF 채널(111)은 서로 커플링이 되지 않아야 하며, 예를 들어, 일부 단위 코일(110)은 다른 단위 코일과 간섭이 발생되지 않도록 요철부(111a)가 마련될 수 있다.

도시되지 않았으나, 절연성 몸체가 구비되어 단위 코일(110)은 절연성 몸체에 고정될 수 있으며, 절연성 몸체로는 아크릴 등의 절연성 소재가 사용될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 RF 코일의 단위 코일만을 보여주는 도면이다.

도 3에 예시된 것과 같이, 단위 코일(110)은 RF 채널(111)을 기준으로 양측으로 곡선구간을 갖는 한 쌍의 쇼울더 스트립(112)과, 쇼울더 스트립(112) 각각에서 연장되어 서로 동일 방향으로 나란한 한 쌍의 암 스트립(113)을 포함하여 좌우 대칭된 구조를 가지며, 전체 길이(L)는 동작 주파수의 반 파장(λ/2) 내지 한 파장(λ) 사이에서 결정될 수 있다.

본 실시예에서 단위 코일(110)의 전체 길이(L)에 대해 한 쌍의 쇼울더 스트립(112)과 각 암 스트립(113)은 L/3의 길이를 가질 수 있음을 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전체 단위 코일의 길이는 동작 주파수에 따라서 고정된 상태에서 피검사체의 형태에 따라서 쇼울더 스트립의 곡률 정도와 암 스트립의 길이는 다양하게 선택이 가능하다.

한편, 일반적인 직선형 다이폴 안테나는 인체의 머리와 같이 국소부위의 영상을 획득할 경우에 동작 주파수에 따른 길이가 인체의 어깨부터 머리 끝단까지의 길이보다 길어서 코일 제작에 어려움이 있다. 참고로, 7T의 자기공명 영상장치에서 수소(H)의 공진주파수(300㎒)에 대한 반파장은 약 50㎝이다. 반면에 본 발명은 곡선 구간을 갖는 쇼울더 스트립(112)을 포함하며, 따라서 피검사체의 국소 부위의 형상에 따라서 밀착된 구조를 가짐으로써 기존 직선 형태의 다이폴 안테나와 비교하여 채움인자(filling factor)를 크게 할 수 있으며, 송수신 효율과 자기공명영상의 균일도를 개선할 수가 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF 코일의 단위 코일만을 보여주는 도면으로서, 앞서 실시예와 동일 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.

도 4에 예시된 것과 같이, 본 실시예의 RF 코일은 암 스트립(113)의 선단에서 내측으로 연장된 네크(neck) 스트립(114)을 더 포함할 수 있다.

이러한 본 실시예의 RF 코일은 헤드용 코일로 사용하는 경우에 네크 스트립(114) 구간이 환자의 목과 밀착되어 감싸는 구조를 가짐으로써 RF 송수신 효율과 자기장의 균일도를 개선할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 RF 코일의 사용예를 보여주는 도면으로서, 두부(head)를 감싸도록 곡선을 갖는 쇼울더 스트립과 직선 구간의 암 스트립을 갖는 단위 코일로 구성됨으로써 RF 코일이 두부와 밀착되게 위치하여 RF 신호의 송수신 효율과 자기장의 균일도를 높일 수 있다.

도 6의 (a)(b)는 각각 본 발명의 RF 송신코일과 비교예(직선형 다이폴 안테나)의 단일 채널에 대한 전자기장 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면으로서, 일반적으로 동작주파수의 반 파장 길이를 갖는 다이폴 안테나는 가운데에서 전류밀도가 가장 높으며, 반파장의 길이보다 길어질 경우에 다이폴 안테나의 가운데에서 집중되었던 전류패턴이 양 끝단으로 분산된다.

도 6에서 확인할 수 있듯이, 직선형 다이폴 안테나인 비교예에서는 구형의 팬텀의 제한된 일부에서만 자기장이 분포하는 반면에, 본 발명은 보다 넓은 영역에서 높은 자기장 분포가 발생되는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

110 : 단위 코일 111 : RF 채널
112 : 쇼울더 스트립 113 : 암 스트립
114 : 네크 스트립

Claims

RF 채널을 기준으로 양측으로 곡선구간을 갖고 연장되는 한 쌍의 쇼울더 스트립과, 상기 쇼울더 스트립 각각에서 연장되어 서로 동일 방향으로 나란한 한 쌍의 암 스트립을 포함하는 다이폴형 단위 코일이 복수 개가 상기 RF 채널을 중심으로 회전 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 자기공명 영상용 RF 코일.
제1항에 있어서, 상기 단위 코일들 사이에 중첩되지 않도록 상기 RF 채널 구간에 요철부가 마련됨을 특징으로 하는 자기공명 영상용 RF 코일.
제1항에 있어서, 상기 암 스트립의 선단에서 내측으로 연장된 네크 스트립을 더 포함하는 자기공명 영상용 RF 코일.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단위 코일은 자기공명 영상장치의 동작주파수의 반파장 내지 한 파장의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 자기공명 영상용 RF 코일.